CN113256777B - 一种基于计算机图形学实现的球幕播放及调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于计算机图形学实现的球幕播放及调整方法，特征在于，包括以下步骤：S1：在三维引擎中建立场景图像；S2：建立material文件，编写着色器文件，将场景图像转换为极坐标图像，对图像颜色亮度、极坐标半径、边缘模糊程度、旋转角度进行计算，将图像颜色亮度变量、极坐标半径变量、边缘模糊程度变量、旋转角度变量开放为可视化调节控件；S3：对场景图像进行图像效果处理；S4：利用可视化调节控件对场景图像进行初步调整；S5：建立终端控制软件，在终端控制界面上对场景图像进行可视化调节。本发明拓展了球幕播放的资源，简化了资源转换的计算过程，提高了球幕资源播放的流畅度与表现力。

Description

一种基于计算机图形学实现的球幕播放及调整方法

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种基于计算机图形学实现的球幕播放及调整系统。

背景技术

球幕技术是一种新兴的展示技术，它打破了以往投影图像只能是平面规则图形的局限，符合审美疲劳及创新个性化显示的需求。球幕的屏幕是一个球形的屏幕，屏幕可以在球形的内部也可以在球形的外部，图像投射到整个球形屏幕上，观众可以看到整个球幕上布满了图像。相较普通屏幕，具有更震撼的表现效果，很容易吸引观众的眼球。

由于球幕与普通屏幕的像素点排布不同，导致普通图像在播放时出现变形的情况。针对这种情况，目前市面上有多种多样的手段进行处理，第一种比较常用的方法是直接制作符合球幕像素点分布的图像资源，这种方法存在很大的局限性，图像资源有限，还需要消耗大量的人力物力去针对性制作；第二种常用的方法是将图像资源进行坐标转换，首先获取图像的二维坐标，转换为球形的三维坐标，之后再转换为极坐标，计算过程复杂，且极坐标状态下的球形区域半径和旋转的动态调整计算过程也非常复杂，甚至很多方法直接跳过了半径和旋转的调整计算过程，这种方法计算效率低且需要根据实际球幕展示情况进行反复修改，而且因为半径和旋转涉及复杂的转换计算，需要专业技术人员才可以修改，经常造成大量的交流成本、人力成本和时间成本。

计算机图形学(Computer Graphics，简称CG)是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法，将处理计算过程直接聚焦于图形像素，相较普通技术，可以直接对图形进行转换和计算，对图片的处理效果更加细腻真实，计算过程更加便捷，可控性更强，并且GPU渲染速度更快。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于计算机图形学的球幕播放及调整方法，以解决现有技术中球幕图像资源利用率低，普通图像资源在球幕上播放变形、计算复杂、调整难度大的问题。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于计算机图形学实现的球幕播放及调整方法，特殊之处在于，包括以下步骤：

S1：在三维引擎中建立场景图像；

S2：建立用于调节场景图像的材质球material文件，并通过CG语言对材质球material文件的着色器文件进行编写，利用着色器文件对引入的场景图像进行处理，并将图像颜色亮度变量、极坐标半径变量、边缘模糊程度变量、旋转角度变量开放出来，变为可视化调节控件；

所述着色器文件对场景图像的处理包括：将场景图像转换为极坐标图像，对图像颜色亮度、极坐标半径、边缘模糊程度、旋转角度进行计算；

S3：建立图像效果处理程序，将该程序挂载到三维引擎的相机上，并将S2建立的材质球material文件作为该图像效果处理程序的调用对象，对S1所述的场景图像进行图像效果处理；

S4：利用S2开放的可视化调节控件，对经S3处理后的场景图像的颜色亮度、极坐标半径、边缘模糊程度、旋转角度进行初步调整；

S5：建立终端控制软件，通过TCP远程通信协议在终端控制界面上对场景图像的颜色亮度、极坐标半径、边缘模糊程度、旋转角度进行可视化调节。

进一步地，所述S1中，所述三维引擎为Unity3D引擎，所述场景图像可以是二维图片、普通视频或三维立体场景。

进一步地，所述S2的具体步骤包括：

S21：通过着色器文件读取场景图像，并将其作为图像资源输入，在着色器的顶点函数中读取图像像素的UV坐标，同时获取其周边四个像素点的UV坐标，随后进行边缘像素模糊处理；

所述UV坐标的计算公式：

（1）

其中，_BlurRadius为边缘模糊程度调整参数；float2()是CG语言内置变量，代表float类型的二元向量；_MainTexSize是Unity3D引擎中的内置四维变量，它的值为：1 / 屏幕宽度的分辨率，1/屏幕高度的分辨率，屏幕宽度的分辨率，屏幕高度的分辨率，其作用在于根据屏幕分辨率快速获取屏幕像素的某个值；

所述边缘像素模糊处理的计算公式如下：

（2）

其中，tex2D()函数是CG程序中用来对贴图进行采样的函数；_MainTex为CG语言自定义的四维变量，其用于引入S1中的场景图像。

S22：利用S21中获取的图像像素UV坐标，将极坐标的圆心移动到屏幕中心，根据极坐标转换公式，在着色器中获得极坐标下每个像素点所对应的半径和弧度：

（3）

其中，J_uv为二维向量；J_uv.x代表U坐标；J_uv.y代表V坐标；_CircleRadius为半径调节参数，用于动态调整极坐标圆形覆盖区域；atan2()为CG语言的内置函数，返回以弧度表示的y/x的反正切。

S23：通过图像像素的转换关系，建立数学转换模型，从而根据极坐标的半径和弧度输出图像像素的UV坐标。

如图1所示，可以看到具体的数学转换关系，即以V=1时为极坐标中心，V=0时为极坐标最外圈像素点，即L1转换为L1’，L2转换为L2’，L3转换为L3’，L4转换为L4’.......，最终形成图像像素在极坐标下的半径和弧度与极坐标图像在笛卡尔坐标系下的UV坐标的数学转换模型：

（4）

其中，

（5）

由于场景图像作为着色器的采样图像，场景宽度和场景高度分别转换为采样中的U,V，在着色器中U,V的范围都是0～1，因此ScreenWidth=1，ScreenHeight=1，以上数学模型可以简化为：

（6）。

在着色器中，极坐标圆形的旋转角度通过以下计算公式实现：

（7）

其中，_RotationAngle为旋转角度调节参数，能够动态调整极坐标圆形的旋转角度，其取值范围为0～360°；TempA为弧度θ的中间过程变量；FinalA为经过_RotationAngle调节后，图像像素点在极坐标下的弧度θ；

因为极坐标条件下θ的取值范围为0～2π，当通过_RotationAngle自定义旋转角度时，需要保证θ的取值始终处于0～2π范围内；因此方法通过CG语言自带的条件运算符对θ进行处理，

表示：当θ<0的时候，角度θ=θ+2π，否则角度不变；

表示：当TempA>2π的时候，最终角度=角度-2π，否则角度不变；

结合图像像素在极坐标下的半径和弧度与极坐标图像在笛卡尔坐标系下的UV坐标的数学转换模型以及极坐标圆形的旋转角度，计算极坐标图像在笛卡尔坐标系下的 UV坐标：

u= FinalA/2π；

v=1-r*2π。

S24：利用S23中获取的图像像素UV坐标获取初步图像像素输出，之后将初步输出的图像像素的颜色和亮度参数进行计算，最终得到经过着色器处理的图像：

（8）

其中，_Main_Color为CG语言自定义的四维变量RGBA，属于color类型，为亮度和颜色调节参数；u,v为S23中经计算得到的极坐标图像在笛卡尔坐标系下的 UV 坐标。

进一步地，所述S3中，所述图像效果处理程序调用Unity3D引擎内置的OnRenderImage()函数，所述OnRenderImage函数有两个参数，第一个参数是S1中建立的场景图像，第二个参数是S2中经过着色器处理的图像；所述OnRenderImage()函数调用Unity3D引擎内置的Graphics.Blit()函数，所述Graphics.Blit()函数有三个参数，第一个参数是S1中建立的场景图像，第二个参数是S2中经过着色器处理的图像，第三个参数是S2所建的用于调节场景图像的材质球material文件；

所述图像处理程序的主要作用是：通过OnRenderImage把第一个参数—S1中建立的场景图像经过S2所建的用于调节场景图像的材质球material文件处理后输出。

所述图像效果处理通过以下计算过程实现：

public Material curMaterial;//创建调用的材质球变量

void OnRenderImage(RenderTexture sourceTexture, RenderTexturedestTexture) { Graphics.Blit(sourceTexture, destTexture, curMaterial)； }。

本发明的一种基于计算机图形学实现的球幕播放及调整方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、拓展了可用于球幕播放的资源格式和资源内容，资源可以是二维图片、视频和三维场景，适配范围更广，为球幕的进一步推广提供了很好的助力。

2、利用计算机图形学简化了资源转换的计算过程，计算方式更简单，计算步骤更少，计算效率更高，提高了球幕资源播放的流畅度与表现力。

3、较之市面上的球幕实现方法，增加了半径调节，可以动态调整球幕资源的覆盖范围，对资源和硬件的尺寸要求大大降低；增加了边缘模糊效果，可以弱化目前市面上存在的球幕资源转换后的边缘接缝问题，效果更加逼真细腻。

4、开放动态调整参数，操作人员可以通过终端控制软件在球幕现场根据现场的的不同的球幕规格和光线条件，直观调节球幕资源的覆盖范围、旋转角度、旋转速度、图像亮度、图像颜色，不需要与开发人员反复交流沟通修改内容，节省了大量的人力和时间成本，大大提高了球幕系统在现场的落地速度以及最终表现效果。

附图说明

图1是屏幕像素在极坐标情况下对应的转换关系图；

图2是本发明的一种基于计算机图形学的球幕播放及调整方法的运行流程图；

图3是本发明的一种基于计算机图形学的球幕播放及调整方法的实施例一在场景中没有进行转换之前的图像表现；

图4是本发明的一种基于计算机图形学的球幕播放及调整方法的实施例一在场景中进行转换之后的图像表现；

图5是本发明的一种基于计算机图形学的球幕播放及调整方法的实施例一在场景中进行转换之后的图像进行半径和旋转之后的表现；

图6是本发明的一种基于计算机图形学的球幕播放及调整方法的实施例一在工程中开放出来的可视化调节面板。

具体实施方式

下面将结合本实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例以二维图片为场景图像，公开了一种基于计算机图形学实现的球幕播放及调整方法，包括以下步骤：

S1：在Unity3D引擎中创建plane，调整plane长和宽，将plane铺满整个屏幕；

在Unity3D引擎中建立material，根据需要采用系统预设的Standard shader文件或自定义的shader文件，将静态或动态的二维图片引入到三维场景中；

本实施例采用自定义的海洋shader文件，增加了大陆的颜色调节和normal贴图，增加了海水流动以及近海渐变颜色模拟等效果，从而实现了动态的海水效果，使地球效果表现更加真实细腻；

S2：建立用于调节场景图像的材质球material文件，并通过CG语言对材质球material文件的着色器文件进行编写，利用着色器文件对引入的场景图像进行处理，并将图像颜色亮度变量、极坐标半径变量、边缘模糊程度变量、旋转角度变量开放出来，变为可视化调节控件；

所述着色器文件对场景图像的处理包括：通过坐标计算将场景图像转换为极坐标图像，对图像颜色亮度、极坐标半径、边缘模糊、旋转角度进行计算；

S3：建立图像效果处理程序，将其挂载到三维场景的相机上，然后将S2建立的材质球material文件拖入到图像效果处理程序的material属性上。在图像效果处理程序中，通过调用Unity3D引擎自带的OnRenderImage（）函数引入二维图片生成的地球平铺场景，通过S2建立的材质球material文件对二维图片生成的地球平铺场景进行图像效果处理，输出经过着色器处理后变换为极坐标的地球场景；为了动态模拟地球自转的运行状态，本实施例同时增加了speed参数，通过建立speed参数与旋转角度的数学关系，对图像的旋转速度实现动态控制；

S4：在运行状态下，利用S2开放的可视化调节控件，对经S3处理后的场景图像-二维图片的颜色亮度、极坐标半径、边缘模糊程度、旋转角度进行初步调整；

S5：建立终端控制软件，通过TCP远程通信协议在终端控制界面上对场景图像的颜色亮度、极坐标半径、边缘模糊程度、旋转角度进行可视化调节。

实施例二

本实施例以普通视频为场景图像，公开了一种基于计算机图形学实现的球幕播放及调整方法，包括以下步骤：

S1：在Unity3D引擎中创建一个GameObject，挂载引擎中的固有组件-VideoPlayer；

将需要转换的视频资源拖入到VideoPlayer组件的VideoClip属性中；

创建一个RenderTexture，并将其拖入到VideoPlayer组件的TargetTexture属性中；

新建一个RawImage，将之前创建的RenderTexture拖入到RawImage的Texture属性中；

S2：建立用于调节场景图像的材质球material文件，将新建的材质球material文件拖入到RawImage的Material属性中，利用CG语言编写材质球material文件的着色器文件，利用着色器文件对引入的场景图像进行处理，并将图像颜色亮度变量、极坐标半径变量、边缘模糊程度变量、旋转角度变量开放出来，变为可视化调节控件；所述着色器文件对场景图像的处理包括：通过坐标计算将场景图像转换为极坐标图像，对图像颜色亮度、极坐标半径、边缘模糊程度、旋转角度进行计算；

S3：建立图像效果处理程序，将其挂载到三维场景的相机上，然后将S2建立的材质球material文件拖入到图像效果处理程序的material属性上。在图像效果处理程序中，通过调用Unity3D引擎自带的OnRenderImage（）函数引入视频场景，通过S2建立的材质球material文件对视频场景进行图像效果处理，输出经过着色器处理后变换为极坐标的视频场景；

S4：利用S2开放的可视化调节控件，对经理S3处理后的场景图像-视频资源的颜色亮度、极坐标半径、边缘模糊程度、旋转角度进行初步调整；

S5：建立终端控制软件，通过TCP远程通信协议在终端控制界面上对场景图像的颜色亮度、极坐标半径、边缘模糊程度、旋转角度进行可视化调节。

实施例三

本实施例以三维海底世界为场景图像，公开了一种基于计算机图形学实现的球幕播放及调整方法，包括以下步骤：

S1：在Unity3D引擎中创建一个三维的海底世界，有海洋动物在海底四处穿游；

S2：建立用于调节场景图像的材质球material文件，并通过CG语言对材质球material文件的着色器文件进行编写，利用着色器文件对引入的场景图像进行处理，并将图像颜色亮度变量、极坐标半径变量、边缘模糊程度变量、旋转角度变量开放出来，变为可视化调节控件；

所述着色器文件对场景图像的处理包括：通将场景图像转换为极坐标图像，对图像颜色亮度、极坐标半径、边缘模糊程度、旋转角度进行计算；

S3：建立图像效果处理程序，将其挂载到三维场景的相机上，然后将S2建立的材质球material文件拖入到图像效果处理程序的material属性上。在图像效果处理程序中，通过调用Unity3D引擎自带的OnRenderImage（）函数引入三维的海底世界，通过S2建立的材质球material文件对二维图片生成的地球平铺场景进行图像效果处理，输出经过着色器处理后变换为极坐标的海底世界；为了增强海底世界的动态表现力，本实施例同时增加speed参数，通过建立speed参数与旋转角度的数学关系，对图像的旋转速度实现动态控制；

S4：利用S2开放的可视化调节控件，对经S3处理后的场景图像-三维海底世界的颜色亮度、极坐标半径、边缘模糊程度、旋转角度进行初步调整；

S5：建立终端控制软件，通过TCP远程通信协议在终端控制界面上对场景图像的颜色亮度、极坐标半径、边缘模糊程度、旋转角度进行可视化调节。

本发明的以上实施例中，采用计算机图形学的通用编程语言CG编程，CG语言是通用的着色器语言，灵活方便，扩展性强，能够针对不同的应用场景，对算法稍加修改，即可实现不同的效果。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (7)

1.一种基于计算机图形学实现的球幕播放及调整方法，特征在于，包括以下步骤：

S1：在三维引擎中建立场景图像；

S2：建立用于调节场景图像的材质球material文件，并通过CG语言对材质球material文件的着色器文件进行编写，利用着色器文件对引入的场景图像进行处理，并将图像颜色亮度变量、极坐标半径变量、边缘模糊程度变量、旋转角度变量开放出来，变为可视化调节控件；

S3：建立图像效果处理程序，将该程序挂载到三维引擎的相机上，并将S2建立的材质球material文件作为该图像效果处理程序的调用对象，对S1所述的场景图像进行图像效果处理；

S4：利用S2开放的可视化调节控件，对经S3处理后的场景图像的颜色亮度、极坐标半径、边缘模糊程度、旋转角度进行初步调整；

S5：建立终端控制软件，通过TCP远程通信协议在终端控制界面上对场景图像的颜色亮度、极坐标半径、边缘模糊程度、旋转角度进行可视化调节；

所述S2的具体步骤包括：

S21：通过着色器文件读取场景图像，并将其作为图像资源输入，在着色器的顶点函数中读取图像像素的UV坐标，同时获取其周边四个像素点的UV坐标，随后进行边缘像素模糊处理；

S22：利用S21中获取的图像像素UV坐标，将极坐标的圆心移动到屏幕中心，根据极坐标转换公式，在着色器中获得极坐标下每个像素点所对应的半径和弧度；

S23：通过图像像素的转换关系，建立数学转换模型，根据极坐标的半径和弧度输出图像像素的UV坐标；

S24：利用S23中获取的图像像素UV坐标获取初步图像像素输出，之后将输出的初步图像像素的颜色和亮度参数进行计算，最终得到经着色器处理的图像。

2.如权利要求1所述的一种基于计算机图形学实现的球幕播放及调整方法，特征在于，

所述S1中，所述三维引擎为Unity3D引擎，所述场景图像是二维图片、普通视频或三维立体场景。

3.如权利要求1所述的一种基于计算机图形学实现的球幕播放及调整方法，特征在于，

所述S21中，UV坐标的计算公式：

（1）

其中，_BlurRadius为边缘模糊程度调整参数；float2()是CG语言内置变量，代表float类型的二元向量；_MainTexSize是Unity3D引擎中的内置四维变量，其作用在于根据屏幕分辨率快速获取屏幕像素的某个值；

边缘像素模糊处理的计算公式：

（2）

其中，tex2D()函数是CG程序中用来对贴图进行采样的函数；_MainTex为CG语言自定义的四维变量。

4.如权利要求1所述的一种基于计算机图形学实现的球幕播放及调整方法，特征在于，

所述S22中，极坐标下每个像素点的半径和弧度的计算公式：

（3）

其中，J_uv为二维向量，J_uv.x代表U坐标，J_uv.y代表V坐标；_CircleRadius为半径调节参数；atan2()为CG语言的内置函数，返回以弧度表示的y/x的反正切。

5.如权利要求1所述的一种基于计算机图形学实现的球幕播放及调整方法，特征在于，

所述S23中，数学转换模型的作用在于，根据图像像素在极坐标下的半径和弧度计算极坐标图像在笛卡尔坐标系下的UV坐标；

所述数学转换模型的公式为：

（4）

其中，

（5）

由于场景图像作为着色器的采样图像，场景宽度和场景高度分别转换为采样中的U,V，在着色器中U,V的范围都是0～1，因此ScreenWidth=1，ScreenHeight=1，以上数学模型简化为：

（6）。

6.如权利要求5所述的一种基于计算机图形学实现的球幕播放及调整方法，特征在于，

所述S23中，极坐标圆形的旋转角度通过以下计算公式实现：

（7）

其中，_RotationAngle为旋转角度调节参数，其取值范围为0～360°；TempA为弧度θ的中间过程变量；FinalA为经过_RotationAngle调节后，图像像素点在极坐标下的弧度θ；

结合图像像素在极坐标下的半径和弧度与极坐标图像在笛卡尔坐标系下的UV坐标的数学转换模型以及极坐标圆形的旋转角度，计算极坐标图像在笛卡尔坐标系下的 UV 坐标：

u= FinalA/2π；

v=1-r*2π。

7.如权利要求1所述的一种基于计算机图形学实现的球幕播放及调整方法，特征在于，

所述S24中，图像亮度和图像颜色的计算公式：

（8）

其中，_ Main_Color为CG语言自定义的四维变量RGBA，属于color类型，为亮度和颜色调节参数。

Images