基于二向異性魚眼鏡頭的環(huán)幕放映／投影系統(tǒng)單元的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于二向異性魚眼鏡頭的環(huán)幕放映／投影系統(tǒng)單元，包括環(huán)幕放映／投影功能單元和環(huán)幕投射片源制作單元，其中所用放映/投影鏡頭為創(chuàng)新的可實現(xiàn)特定物-像映射關(guān)系的二向異性魚眼鏡頭。利用該類鏡頭構(gòu)建功能單元，在較高像素轉(zhuǎn)換效率前提下，單臺放映/投影機可實現(xiàn)對最大190°圓心角、最大10:1視場比的環(huán)幕進行高效放映/投影。通過功能單元的組合，可滿足投射不同視場比環(huán)幕的放映/投影需求，結(jié)合使用成熟的畫面融合拼接技術(shù)，可在圓心角360°的整環(huán)幕上投射出完美畫面。簡化了環(huán)幕影像工程中配置，降低了工程中安裝調(diào)試、后期維護難度，提高了系統(tǒng)可靠性?？蛇m用于影院、展覽展示廳，更可用于構(gòu)造小型桌上顯示系統(tǒng)。
【專利說明】基于二向異性魚眼鏡頭的環(huán)幕放映/投影系統(tǒng)單元
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種數(shù)字影像環(huán)幕放映/投影系統(tǒng)單元，尤其涉及一種基于二向異性魚眼鏡頭結(jié)合數(shù)字放映/投影機和播放器針對圓環(huán)形和類似圓環(huán)形銀幕進行放映/投影的放映/投影系統(tǒng)單元，可用來實際構(gòu)建以環(huán)形銀幕為投射對象的放映/投影工程，如，環(huán)幕影院、環(huán)幕展覽展示廳、小型桌上環(huán)幕背投電視。屬于物像非相似超廣角光學成像技術(shù)、計算機圖像處理技術(shù)在影視、影像領(lǐng)域的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]環(huán)幕是一種形狀為或近似為完整圓環(huán)或部分圓環(huán)的銀幕，該類型銀幕面形結(jié)構(gòu)上屬于雙二次曲面類型，在相互垂直的兩個方向上具有不同的原點(對稱中心點)曲率和面型公式。為了施工簡便，環(huán)幕多采用圓柱面或接近圓柱面的輪胎面(由于垂直于地面方向的曲率絕對值很小，所以工程實踐中按柱面進行近似處理，以下均假定環(huán)幕有一個方向原點曲率為零)，幕為硬質(zhì)或軟質(zhì)幕，可為正投也可為背投幕。使用時，一般使幕的柱面的母線垂直地面，即，在水平方向銀幕彎曲，有曲率C，且C不等于零；而在垂直方向，環(huán)幕的曲率C可以等于零(多為等于零，也有接近零且不為零的可能，為描述方便，以下假設(shè)垂直方向上C等于零，則環(huán)幕存在母線)。確定環(huán)幕規(guī)格有兩個基本尺寸一銀幕水平方向的曲面(以下均以柱面進行描述)曲率半徑R (R=l/c),和銀幕垂直方向母線的絕對高度H。目前對于環(huán)幕的描述標準尚不健全，故借用平面幕的一些概念。對于平面幕來說，銀幕的“寬高比”是一個常用術(shù)語，例如1.37:1或16:9等，用來表征影像在銀幕水平和垂直兩方向的有效分布，該銀幕的寬高比會直接影響觀眾的觀看張角和視覺空間感受。在光學工程領(lǐng)域為了方便描述鏡頭特性或方便分析與研究，都假定鏡頭內(nèi)存在相互垂直且相交于鏡頭光軸的兩個虛擬平面一弧矢平面和子午平面。在弧矢和子午平面內(nèi)且垂直于光軸的方向稱為弧矢方向和子午方向，相應(yīng)地，偏離弧矢和子午方向的其他方向則稱為任意方向。放映/投影時，所用鏡頭的子午方向視場角對應(yīng)銀幕垂直方向的高度H，鏡頭的弧矢方向的視場角對應(yīng)銀幕水平方向的寬度W，數(shù)字放映/投影機的芯片或者叫靶面也和鏡頭具有二方向?qū)?yīng)關(guān)系，就是說銀幕和投影機芯片二者通過放映鏡頭構(gòu)成一定對應(yīng)映射關(guān)系，這個映射關(guān)系決定放映/投影過程的數(shù)字放映/投影機芯片的“光效轉(zhuǎn)換效率”或稱“像素轉(zhuǎn)換效率”，該“轉(zhuǎn)換效率”一般可用芯片面積的比值來近似體現(xiàn)，即，鏡頭所能投射到銀幕上的芯片區(qū)域面積和芯片的完整面積的比值。完善而科學的映射關(guān)系是在保證上述轉(zhuǎn)換效率最大化的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)最佳的放映/投影效果。而對于環(huán)幕來說，銀幕在水平方向存在曲率，“寬高比”概念已經(jīng)不適合描述環(huán)幕，應(yīng)該換為“視場比”來表示，即，環(huán)幕原點的中心法線和柱面的中心對稱軸的交點相對環(huán)幕的兩個方向形成的張角，也稱全視場角的比值，即，水平方向全視場角度
和垂直方向全視場角度％的比值。因為視場角度的比值影響著觀眾的視
覺空間感受，后面將以“視場比”這個概念來描述環(huán)幕上影像的空間分布。當放映/投影鏡頭位于環(huán)幕原點的中心法線和柱面的中心對稱軸相交的交點處或附近時，所用鏡頭的最大視場角也應(yīng)分為弧矢方向和子午方向，并分別約等于A和?,,單純對于水平方向來說，鏡頭的使用和在球幕等距放映/投影中的情況一致，即鏡頭的弧矢方向最大視場角等于環(huán)幕水平向曲面圓環(huán)的圓心角A ;而對于垂直方向則和正常投影平面幕情況相同，鏡頭的子午方向最大視場角為％ ,由公式氣/2=arctan(//i'2K)決定。目前工程實踐中可見到的環(huán)幕放
映/投影應(yīng)用中環(huán)幕圓心角范圍一般在70°?360°，觀眾置身環(huán)幕影像之中，可以體會到極其震撼的立體感、沉浸感和現(xiàn)場感。
[0003]一般來講，放映/投影鏡頭的光學性能由光學結(jié)構(gòu)決定，光學結(jié)構(gòu)主要由各種透鏡、反射鏡和各種光闌組成，根據(jù)透鏡上光學工作面的類型特點，例如，標準球面、橢球面、拋物面、圓錐面、雙二次曲面、偶次非球面、奇次非球面等，可對透鏡進一步限定和命名，雙二次曲面透鏡通常用來構(gòu)造子午和弧矢方向性能差異化的光學結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)鏡頭各向異性的特殊性能，而柱面透鏡是雙二次曲面透鏡中最簡單的形式，且加工工藝較為成熟，通常被優(yōu)先選用。
[0004]在膠片電影時代，由膠片電影放映機、放映鏡頭、電影膠片、具有一定弧度的遮幅變形寬銀幕構(gòu)成的放映系統(tǒng)可看作是環(huán)幕放映/投影系統(tǒng)的雛形。35mm遮幅式變形寬銀幕銀幕寬高比達到2.35:1，70mm遮幅式變形寬銀幕銀幕寬高比達到2.2:1，由于其寬高比不是很大，使用時通常在電影放映機的標準電影放映鏡頭(通用寬高比1.37:1)前加裝一組無焦柱面附加鏡或者一組棱鏡來對單方向視場(一般多為弧矢方向)進行放大，繼而造成畫幅寬高比的變化，該無焦柱面附加鏡為望遠鏡式結(jié)構(gòu)，為無焦系統(tǒng)，附加在鏡頭前面時不改變原鏡頭的焦距。在組合鏡頭的裝調(diào)過程中會產(chǎn)生一定的配合誤差及隨機誤差，可靠性和成像效果大打折扣。另外附加鏡對原畫幅寬高比的變形倍率也有限，以穩(wěn)定性稍好且最常用的無焦柱面望遠鏡式附加鏡為例，在水平方向一般最大只能放大至原來的兩倍，基本可以達到畫面綜合寬高比2.75:1，若想變形至原來寬高比的兩倍以上并造成更大的綜合寬高t匕，根據(jù)望遠鏡工作原理，既會造成柱面變形鏡組口徑變得太大而增加生產(chǎn)成本，也會造成附加鏡頭的總長度和總重量大大增加而喪失穩(wěn)定性和可靠性，更為不利的是柱面望遠鏡式高倍變形附加鏡的像差將很難進行良好校正。棱鏡組式附加鏡也因為工藝性差而很少應(yīng)用，其變形倍率更小，成像質(zhì)量更差。
[0005]進入數(shù)字影像時代，環(huán)幕放映/投影技術(shù)在光學技術(shù)、制片技術(shù)、銀幕制造技術(shù)及數(shù)字圖像處理技術(shù)的推動下得到了極大的發(fā)展，可營造出更加玄妙震撼的視覺效果，工程實際應(yīng)用也越來越常見。目前常見的環(huán)幕影像工程中，一臺數(shù)字放映/投影機、一只常規(guī)放映/投影鏡頭、一臺播放器及一幅銀幕共同構(gòu)成一個基本的放映/投影功能單元，每個功能單元可投射水平方向的全視場角一般最大不超過70°，對于圓心角大于70°的環(huán)幕來說，普遍采用基于常規(guī)放映/投影鏡頭的多放映/投影機機位或者多功能單元來共同投影一個環(huán)幕，每臺放映/投影機均在環(huán)幕的一定圓心角范圍投射出影像畫面，并留出畫面交匯區(qū)，后期再對畫面進行無縫融合處理，使之在幕上形成一個完整畫面。上述多功能單元共同投射一個完整大畫面的工程應(yīng)用中，制片環(huán)節(jié)也采用多臺攝影/攝像機均勻?qū)ΨQ布置、精確定位、同步拍攝，放映/投影時需要使用和拍攝過程相同數(shù)量的放映/投影機進行同步放映。已公開的專利技術(shù)《環(huán)幕電視投影系統(tǒng)》，就是由九臺投影機構(gòu)成的復雜系統(tǒng)打造一幅圓心角360°的環(huán)形畫面。拍攝時，需設(shè)定全部攝影機保持相同的攝像工作參數(shù)，放映/投影時，需通過同步控制系統(tǒng)來控制所有放映/投影機，并保證所有放映/投影機與攝像過程中應(yīng)用的多組攝像機在空間位置、影像光學特性上保持嚴格一致。這樣，就帶來工程成本高、調(diào)試過程復雜、能源消耗大、占據(jù)空間大，后期維護費用昂貴等問題。為解決上述問題，已經(jīng)公開的另一專利《便攜式360°環(huán)幕影院系統(tǒng)》給出了不同的放映/投影方法，用一臺數(shù)字投影機、一只廣角鏡頭以及一個雙曲面反射鏡來實現(xiàn)對360°完整環(huán)幕的投影。但是，雙曲面反射鏡的使用不可避免地造成幕上影像的無序變形、亮度不均勻且損失大、不能滿足對大尺寸環(huán)幕投影需求等問題，而且，大尺寸雙曲面反射鏡的使用，既不易加工，也對反射鏡的固定支撐穩(wěn)定性提出了更高的要求。除此之外，受魚眼鏡頭投射球幕的啟發(fā)，還曾經(jīng)有人設(shè)想使用傳統(tǒng)意義的魚眼鏡頭來投射大視場比的環(huán)幕，并構(gòu)造基本功能單元，可以在單方向?qū)崿F(xiàn)大視場角，從而減少放映/投影機機位數(shù)量，但是傳統(tǒng)意義的魚眼鏡頭為旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，各向性能相同，盡管它能實現(xiàn)單向大視場角，但很難實現(xiàn)有價值的兩倍以上的視場比，即，如果追求提高視場比，將使像素轉(zhuǎn)換效率或者光效轉(zhuǎn)換效率大大降低，例如，如要實現(xiàn)環(huán)幕水平方向和垂直方向4:1的視場比，根據(jù)目前市場上常見的主流專業(yè)或工程投影機芯片的寬高比情況計算，將使像素或光效轉(zhuǎn)換效率降低到只有30%-40%，從而使這種使用常規(guī)魚眼鏡頭投射大視場比環(huán)幕的構(gòu)想失去了使用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于上述現(xiàn)狀，本發(fā)明為解決現(xiàn)有環(huán)幕放映/投影功能單元難以同時兼顧較大視場比和較高像素轉(zhuǎn)換效率問題，及解決多功能單元組合拼接投射大視場比環(huán)幕或整環(huán)幕需要放映/投影機數(shù)量過多、工序及工程配置繁瑣復雜、不能小型化或者大型化應(yīng)用的諸多問題，而提供了一個功能單元便可以形成大視場比且具有較高像素轉(zhuǎn)換效率的一種基于二向異性魚眼鏡頭的環(huán)幕放映/投影系統(tǒng)單元。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決 方 案是:一種基于二向異性魚眼鏡頭的環(huán)幕放映/投影系統(tǒng)單元，包括環(huán)幕放映/投影功能單元和環(huán)幕投射片源制作單元；其中:
環(huán)幕放映/投影功能單元，包 括環(huán)幕、數(shù)字放映/投影機、放映/投影鏡頭、播放器；
所述的環(huán)幕是一幅具有一定圓心角度和幕高的標準環(huán)形或類似環(huán)形的雙二次曲面面型銀幕作為接收放映/投影機光信號的載體，環(huán)幕相對數(shù)字放映/投影機，或者相對鏡頭的最佳工作位置是使鏡頭的出瞳位于環(huán)幕原點的中心法線和環(huán)幕柱面中心對稱軸的交點處或是附近，經(jīng)過環(huán)幕原點的中心法線與鏡頭光軸重合；
所述的數(shù)字放映/投影機是一臺滿足環(huán)幕照度和像素要求、能把數(shù)字視頻文件轉(zhuǎn)換成可見光信號，投射到環(huán)幕上形成完美影像的數(shù)字放映/投影機；
所述的放映/投影鏡頭是一只光學性能和數(shù)字放映/投影機光引擎及芯片完全匹配、能建立特定.方和芯片方映射關(guān)系的_向異性魚眼鏡頭，.方和芯片方映射關(guān)系取決于環(huán)幕的空間尺寸和數(shù)字放映/投影機芯片的尺寸，二向異性魚眼鏡頭內(nèi)含有若干球面透鏡和若干雙二次曲面透鏡，透鏡數(shù)量和分布由鏡頭的性能要求決定，所述雙二次曲面透鏡是柱面透鏡，該柱面透鏡的柱面中心母線分別位于弧矢和子午平面內(nèi)，按柱面中心母線所處平面的不同，使其所述的柱面透鏡分為弧矢柱面透鏡組和子午柱面透鏡組，兩組柱面透鏡組在弧矢和子午方向可等效為兩個等 效透鏡來處理，兩個等效透鏡的光焦度不同，使兩個等效透鏡的光學主面之間存在一定間隔，使子午和弧矢柱面透鏡組處在鏡頭孔徑光闌、距離環(huán)幕更近的相同一側(cè)；所述鏡頭在偏離弧矢和子午方向的任意方向，焦距值不同、成像規(guī)律不同，而像面距或光學后工作距相同，弧矢方向與子午方向具有極值焦距值，即:
【權(quán)利要求】
1.一種基于二向異性魚眼鏡頭的環(huán)幕放映/投影系統(tǒng)單元，包括環(huán)幕放映/投影功能單元和環(huán)幕投射片源制作單元；其中:環(huán)幕放映/投影功能單元，包括環(huán)幕、數(shù)字放映/投影機、放映/投影鏡頭、播放器；所述的環(huán)幕是一幅具有一定圓心角度和幕高的標準環(huán)形或類似環(huán)形的雙二次曲面面型銀幕作為接收放映/投影機光信號的載體，環(huán)幕相對數(shù)字放映/投影機，或者相對鏡頭的最佳工作位置使鏡頭的出瞳位于環(huán)幕原點的中心法線和環(huán)幕柱面中心對稱軸的交點處或是附近，經(jīng)過環(huán)幕原點的中心法線與鏡頭光軸重合； 所述的數(shù)字放映/投影機是一臺滿足環(huán)幕照度和像素要求、能把數(shù)字視頻文件轉(zhuǎn)換成可見光信號，投射到環(huán)幕上形成完美影像的數(shù)字放映/投影機； 所述的放映/投影鏡頭是一只光學性能和數(shù)字放映/投影機光引擎及芯片完全匹配、能建立特定.方和芯片方映射關(guān)系的二向異性魚眼鏡頭，.方和芯片方映射關(guān)系取決于環(huán)幕的空間尺寸和數(shù)字放映/投影機芯片的尺寸，二向異性魚眼鏡頭內(nèi)含有若干球面透鏡和若干雙二次曲面透鏡，透鏡數(shù)量和分布由鏡頭的性能要求決定，所述雙二次曲面透鏡是柱面透鏡，該柱面透鏡的柱面中心母線分別位于弧矢和子午平面內(nèi)，按柱面中心母線所處平面的不同，使其所述的柱面透鏡分為弧矢柱面透鏡組和子午柱面透鏡組，兩組柱面透鏡組在弧矢和子午方向可等效為兩個等效透鏡來處理，兩個等效透鏡的光焦度不同，使兩個等效透鏡的光學主面之間存在一定間隔，使子午和弧矢柱面透鏡組處在鏡頭孔徑光闌、距離環(huán)幕更近的相同一側(cè)，與另外一側(cè)相比較空間長度尺寸更大；所述鏡頭在偏離弧矢和子午方向的任意方向，焦距值不同、成像規(guī)律不同，而像面距或光學后工作距相同，弧矢方向與子午方向具有極值焦距值，即:f's＜f'r＜f't 其中，f's、f'r、f't分別為鏡頭在任意方向、弧矢方向、子午方向的焦距值，幕方任意一點采用矩形視場(?ra/2 , ω}Κβ )表述，二向異性魚眼鏡頭在弧矢和子午方向的最大視場角取決于環(huán)幕的空間尺寸，弧矢方向最大全視場角?,等于環(huán)幕柱面的圓心角，二向異性魚眼鏡頭子午方向?qū)?yīng)環(huán)幕中心母線方向，則鏡頭的子午方向最大全視場角A和環(huán)幕尺寸關(guān)系如下:ωr/2=arctan (H/ 2R)(2 ) 其中，H為環(huán)幕母線垂直高度，R為環(huán)幕的柱面曲率半徑； 所述二向異性魚眼鏡頭成像原理在弧矢和子午兩方向不同，在鏡頭的弧矢方向，引入大畸變，鏡頭的像高、焦距、弧度制的工作視場角及畸變調(diào)節(jié)系數(shù)A (0.5<*<1)滿足下式:ysm=kfs(ωxxπ/360)(3) 其中，ysm為鏡頭弧失方向在任意工作視場角，O)處所對應(yīng)的像高，最大像高ys由采用的數(shù)字放映/投影機的芯片寬度尺寸決定，并對應(yīng)最大工作視場角巧xω/2 , f's；為鏡頭中包括球面透鏡和弧矢向有效柱面透鏡組的弧矢向焦距；在鏡頭子午方向，對應(yīng)環(huán)幕中心母線方向和數(shù)字放映/投影機芯片的高度方向，選取理想成像的零畸變或小畸變規(guī)律，即像高、焦距、工作視場角之間關(guān)系滿足下式: 八= -/?‘_(%/2)(4) 其中，八是鏡頭子午方向在任意工作視場(O，aiPift)所對應(yīng)的像聞，最大像聞μ由所采用的數(shù)字放映/投影機的芯片高度尺寸決定并對應(yīng)最大工作視場角巧/2 , /；是鏡頭中包括球面透鏡和子午向有效柱面鏡組的子午向焦距；鏡頭在弧矢和子午方向焦距滿足關(guān)系: f's =f1-d + d,j%(5)其中名是分別處于兩個方向的所有有效鏡組和透鏡的等效透鏡的主面間隔，…是弧矢方向所有有效鏡組和透鏡的等效透鏡的光學厚度，A是弧矢方向所有有效鏡組和透鏡的等效透鏡的折射率； 所述的播放器是一臺與數(shù)字放映/投影機建立數(shù)字信號連接并輸入相符數(shù)字格式音視頻信號的影音播放器； 環(huán)幕投射片源制作單元，包括用二向異性魚眼鏡頭現(xiàn)場拍攝獲取方式，和用非線性編輯軟件針對常規(guī)數(shù)字格式素材的視頻或圖像文件進行變形處理的獲取方式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于二向異性魚眼鏡頭的環(huán)幕放映/投影系統(tǒng)單元，其特征是，所述的環(huán)幕放映/投影功能單元為獨立功能單元，或是多個功能單元組合；其中獨立功能單元，可以投射的環(huán)幕的視場比范圍為2:1至10:1，可以投射環(huán)幕的柱面圓心角范圍為70°至190°，像素轉(zhuǎn)換效.率大于等于78%，多個功能單元組合，能結(jié)合畫面無縫融合拼接技術(shù)，可滿足對柱面圓心角范圍190°至360°、具有更大視場比的超半環(huán)、直至完整環(huán)形幕的放映/投影需求。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于二向異性魚眼鏡頭的環(huán)幕放映/投影系統(tǒng)單元，其特征是，其中的播放器是一個獨立外置播放器，或是以功能模塊形式內(nèi)置于數(shù)字放映/投影機的播放器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于二向異性魚眼鏡頭的環(huán)幕放映/投影系統(tǒng)單元，其特征是，環(huán)幕放映/投影系統(tǒng)單元可作為一個基本放映/投影平臺使用，在所述平臺上可加入主、被動式立體放映/投影技術(shù)要素，可改變?yōu)榱Ⅲw環(huán)幕放映/投影系統(tǒng)單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于二向異性魚眼鏡頭的環(huán)幕放映/投影系統(tǒng)單元，其特征是，其中用二向異性魚眼鏡頭現(xiàn)場拍攝的片源獲取方式，包括一臺滿足像素要求的專業(yè)數(shù)字攝像機和一只攝像用二向異性魚眼鏡頭，攝像用二向異性魚眼鏡頭和放映/投影系統(tǒng)單元設(shè)施部分所用的二向異性魚眼鏡頭的光學特性相同，而光學參數(shù)不同，攝像用二向異性魚眼鏡頭兩個方向的精確焦距值應(yīng)根據(jù)攝像機感光芯片寬高尺寸來確定，攝像用二向異性魚眼鏡頭的其它光學參數(shù)應(yīng)滿足數(shù)字攝像機的工作參數(shù)匹配要求，數(shù)字攝像機感光芯片和擬采用的數(shù)字放映/投影機的芯片應(yīng)具有相同或相近的寬高比例；所述的相同光學特性是指弧矢和子午方向的最大視場角、弧矢和子午方向的焦距比、弧矢和子午方向的崎變規(guī)律相同；所述的不同光學參數(shù)是指攝像用鏡頭在兩方向的精確焦距值、相對孔徑、光學后工作距離、色光頻譜寬度等不同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于二向異性魚眼鏡頭的環(huán)幕放映/投影系統(tǒng)單元，其特征是，還包括用非線性編輯軟件對常規(guī)數(shù)字格式素材變形處理的片源獲取方式，包括無變形素材和使用影視后期制作采用的非線性編輯軟件，變形處理原則是按照一定規(guī)律改變無變形素材原有場景和平面布局，調(diào)整原有像素或圖像元坐標位置，使之符合二向異性魚眼鏡頭對特定環(huán)幕尺寸，包括環(huán)幕母線垂直高度H、環(huán)幕的柱面曲率半徑R、水平方向的柱面圓心角f的映射要求，二向異性魚眼鏡頭幕方各個矩形視場
【文檔編號】G02B13/06GK103439859SQ201310307930
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月22日
【發(fā)明者】陳琛, 宋濤, 于國輝, 劉宵禪 申請人:秦皇島視聽機械研究所