CN111988598B - 一种基于远近景分层渲染的视景图像生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于远近景分层渲染的视景图像生成方法，包括步骤：(1)将整个渲染场景分为近景图层和远景图层；(2)将远景图层在一个远景GPU上单独进行渲染；采用主动立体成像法将近景图层的渲染分为左眼位画面渲染和右眼位画面渲染图像，左眼位画面渲染和右眼位画面渲染放在不同的近景GPU上执行；(3)将渲染完毕后的远景图像和近景图像传输到一个单独的图像处理GPU上完成远景图像数据与左/右眼近景图像数据合成，得到左、右眼帧图像；图像处理GPU模仿人体瞳孔实时裁剪左右眼帧图像，并完成输出通道的边缘调整和亮度融合，最后通过显卡DP端口输出最终图像到显示设备显示。本发明能够减少总线资源和GPU存储资源的占用，更适应复杂场景下的主动立体成像需求。

Description

一种基于远近景分层渲染的视景图像生成方法

技术领域

本发明涉及航空模拟器的视景成像系统，具体涉及一种基于远近景分层渲染的视景图像生成方法。

背景技术

传统的航空模拟器的视景成像系统为了实现主动式立体成像，虚拟相机模仿人的瞳孔分别按左眼位渲染和右眼位渲染，为满足每个眼位60帧技术指标，帧频率必须满足120帧。这种渲染方式占用较多的渲染资源，制约了复杂场景下的主动立体场景的逼真度。

发明内容

发明目的：为克服现有技术的缺陷，本发明提出一种基于远近景分层渲染的视景图像生成方法，能够减少资源占用，更适应复杂场景下的主动立体成像需求。

技术方案：为实现上述目的，本发明提出一种基于远近景分层渲染的图像生成方法，该方法基于人眼识别生理特征，对远景和近景采用不同的精细指标分层渲染。近景采用高精模型素材，远景采用低精模型素材，因此渲染计算机不用存储全部的素材，本发明既降低了显卡像素变换要求，又满足了人眼观看效果。

所述基于远近景分层渲染的图像生成方法包括以下步骤：

(1)视景管理计算机根据飞行仿真计算机发送的位置和姿态信息计算出相应视角的待渲染三维场景，将整个渲染场景分为近景图层和远景图层；

(2)将远景图层在一个远景GPU上单独进行渲染；将近景图层的渲染分为左眼位画面渲染和右眼位画面渲染图像，左眼位画面渲染和右眼位画面渲染放在不同的近景GPU上执行；所述近景渲染的方法为主动立体成像法即：

对于待渲染的场景中的任意一个三维像素点X，先在执行右眼位画面渲染的GPU中以右眼视觉角度进行渲染，得到X在右眼的二维视口上成像的像素点坐标x′；然后在执行左眼位画面渲染的GPU上，根据x′计算出X在左眼的二维视口上成像的像素点坐标x：

其中，B为远景GPU和近景GPU中虚拟相机模拟的左右眼瞳孔之间的间距，f为虚拟相机的成像焦距，Z表示三维点X与左右眼瞳孔连接线之间的直线距离；

(3)将渲染完毕后的远景图像和近景图像传输到一个单独的图像处理GPU上完成远景图像数据与左/右眼近景图像数据合成，得到左、右眼帧图像；图像处理GPU模仿人体瞳孔实时裁剪左右眼帧图像，并完成输出通道的边缘调整和亮度融合，最后通过显卡DP端口输出最终图像到显示设备显示。

以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。

可选的，在经过主动立体成像方法渲染得到待渲染场景在左右眼二维视口上的成像结果后，将左右眼二维视口上的所有像素点全部映射到圆柱形成像坐标系中，所述圆柱形成像坐标系的中心点为左右眼连线的中心点；映射完成后，得到连续球面图像。

可选的，所述方法还包括以下步骤：每渲染出一帧近景的连续球面图像，就送入图像处理GPU，在图像处理GPU中与渲染后的远景图层进行合成，然后将合成后的图像按照需求进行切分形成不同的输出信号，将输出信号发送给不同的环幕屏幕进行显示。

可选的，所述近景GPU成对设置，一对近景GPU分为左眼位渲染GPU和右眼位渲染GPU，左眼位渲染GPU和右眼位渲染GPU通过共享显存总线连接；在一对近景GPU中，只有一个GPU存储图像渲染所需的素材，另一个GPU通过共享显存总线访问存储素材的GPU的内存。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1、远近景分层渲染立体成像系统摈弃多通道同步技术和左右眼分别全景渲染的传统方法，即降低了系统硬件成本并回避了多通道同步技术的应用，提高了图像渲染效率，为实现航空模拟器立体成像系统的研发与创新提供了新思路。

2、减少多通道立体成像的同步技术软件处理时间，保证多通道立体完全同步，并实现立体图像更新率稳定在120Hz的技术指标；

3、使用光线跟踪技术实现阴影、镜像和动态海浪的实时光照效果，提高了虚拟场景的动态海浪和运动目标的逼真度。

附图说明

图1为实施例涉及的流程图；

图2为实施例涉及的主动式立体成像原理图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。但应当理解的是，本发明可以以各种形式实施，以下在附图中出示并且在下文中描述的一些示例性和非限制性实施例，并不意图将本发明限制于所说明的具体实施例。

应当理解的是，在技术上可行的情况下，以上针对不同实施例所列举的技术特征可以相互组合，从而形成本发明范围内的另外的实施例。此外，本发明所述的特定示例和实施例是非限制性的，并且可以对以上所阐述的结构、步骤、顺序做出相应修改而不脱离本发明的保护范围。

实施例：

本实施例提出一种基于远近景分层渲染的图像生成方法，包括以下步骤：

(1)视景管理计算机根据飞行仿真计算机发送的位置和姿态信息计算出相应视角的待渲染三维场景，将整个渲染场景分为近景图层和远景图层；

(2)将远景图层在一个远景GPU上单独进行渲染；将近景图层的渲染分为左眼位画面渲染和右眼位画面渲染图像，左眼位画面渲染和右眼位画面渲染放在不同的近景GPU上执行；所述近景渲染的方法为主动立体成像法即：

对于待渲染的场景中的任意一个三维像素点X，先在执行右眼位画面渲染的GPU中以右眼视觉角度进行渲染，得到X在右眼的二维视口上成像的像素点坐标x′；然后在执行左眼位画面渲染的GPU上，根据x′计算出X在左眼的二维视口上成像的像素点坐标x：

其中，B为远景GPU和近景GPU中虚拟相机模拟的左右眼瞳孔之间的间距，f为虚拟相机的成像焦距，Z表示三维点X与左右眼瞳孔连接线之间的直线距离；

(3)将渲染完毕后的远景图像和近景图像传输到一个单独的图像处理GPU上完成远景图像数据与左/右眼近景图像数据合成，得到左、右眼帧图像；图像处理GPU模仿人体瞳孔实时裁剪左右眼帧图像，并完成输出通道的边缘调整和亮度融合，最后通过显卡DP端口输出最终图像到显示设备显示。

本实施例中，我们采用了视景计算机和6个GPU，视景计算机搭载视景管理软件和视景数据库，6个GPU分别为GPU#1至GPU#6。由于远景和超远景对画面精细要求低、动态要求较低，所以我们将远景和超远景的渲染任务分配给GPU#1单独完成。近景的精细要求高、动态要求也高，所以我们采用多个阵列分布的GPU进行近景渲染任务的负载均衡。具体为，我们将近景渲染任务分为左眼位渲染任务和右眼位渲染任务，由GPU#3和GPU#4完成右眼位图像的渲染工作，由GPU#5和GPU#6完成左眼位图像的渲染工作。将远景、左眼近景和右眼近景图像数据通过系统总线传输给GPU#2，由GPU#2的渲染程序模仿人体瞳孔实时裁剪左右眼多通道立体图像，并完成输出通道的边缘调整和亮度融合等，实现多通道航空模拟器立体成像渲染。

上述方案中，还涉及主动立体成像技术，其原理如图2所示，以场景中的一个三维点X为例的渲染过程拆解：

设O为通过视景计算机搭载的视景软件中的虚拟相机模拟出的左眼像素点坐标，O’为模拟出的左眼像素点坐标，B为虚拟相机模拟出的人眼瞳间距，f为虚拟相机的成像焦距；Z表示三维点X与左右眼瞳孔连接线之间的直线距离。

当进行非主动立体渲染时，仅渲染右眼像素，即得到x’和O’。

当进行主动立体渲染时，首先渲染右眼像素，得到x’和O’，然后可通过以下公式得到x和O的值：

O＝O’

X＝B*f/Z+x’。

下面描述GPU#1至GPU#6的工作流程：

首先视景管理软件实时接收飞行模拟器主机的飞机位置信息(六自由度)。计算当前全景虚拟摄像机显示区域，将三维云和当前视点20公里外的视景数据传输到GPU1#缓冲中，采用光栅化图像处理技术完成远景渲染。而GPU3#、GPU4#、GPU5#、GPU6#采用光学跟踪技术完成左右眼地形纹理、三维模型、动态海浪的实时光照、阴影和镜像等渲染。首先GPU3#、GPU4#完成全景右眼位图像渲染，再根据上图立体坐标变换公式由GPU5#、GPU6#完成全景右眼位图像渲染。

GPU2#完成远景图像数据与左/右眼近景图像数据合成左/右眼帧图像。根据各通道虚拟摄像机的属性将画面切割成3个独立的左/右眼立体图像数据，通过视景管理软件内置的边缘调整与亮度融合软件进行校正融合，由显卡DP端口输出最终图像到显示设备。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种基于远近景分层渲染的视景图像生成方法，其特征在于，包括步骤：

(1)视景管理计算机根据飞行仿真计算机发送的位置和姿态信息计算出相应视角的待渲染三维场景，将整个渲染场景分为近景图层和远景图层；

(2)将远景图层在一个远景GPU上单独进行渲染，将近景图层分为左眼位画面和右眼位画面，在近景GPU上进行近景渲染；所述近景GPU成对设置，一对近景GPU分为左眼位渲染GPU和右眼位渲染GPU，左眼位渲染GPU和右眼位渲染GPU通过共享显存总线连接；在一对近景GPU中，只有一个GPU存储图像渲染所需的素材，另一个GPU通过共享显存总线访问存储素材的GPU的内存；

所述近景渲染的方法为：

对于待渲染的场景中的任意一个三维像素点X，先在右眼位渲染GPU中以右眼视觉角度进行渲染，得到X在右眼的二维视口上成像的像素点坐标x′；然后在左眼位渲染GPU上根据x′计算出X在左眼的二维视口上成像的像素点坐标x：

其中，B为远景GPU和近景GPU中虚拟相机模拟的左右眼瞳孔之间的间距，f为虚拟相机的成像焦距，Z表示三维点X与左右眼瞳孔连接线之间的直线距离；

(3)将渲染完毕后的远景图像和近景图像传输到一个单独的图像处理GPU上完成远景图像数据与左/右眼近景图像数据合成，得到左、右眼帧图像；图像处理GPU模仿人体瞳孔实时裁剪左右眼帧图像，并完成输出通道的边缘调整和亮度融合，最后通过显卡DP端口输出最终图像到显示设备显示。

2.根据权利要求1所述的一种基于远近景分层渲染的视景图像生成方法，其特征在于，在经过主动立体成像方法渲染得到待渲染场景在左右眼二维视口上的成像结果后，将左右眼二维视口上的所有像素点全部映射到圆柱形成像坐标系中，所述圆柱形成像坐标系的中心点为左右眼连线的中心点；映射完成后，得到连续球面图像。

3.根据权利要求2所述的一种基于远近景分层渲染的视景图像生成方法，其特征在于，还包括以下步骤：

每渲染出一帧近景的连续球面图像，就送入图像处理GPU，在图像处理GPU中与渲染后的远景图层进行合成，然后将合成后的图像按照需求进行切分形成不同的输出信号，将输出信号发送给不同的环幕屏幕进行显示。

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