專利名稱:曲面電影投影系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字電影技術(shù)，具體涉及一種采用光學(xué)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，以數(shù)字或其它常規(guī)方式錄制，在曲面屏幕上投影圖像產(chǎn)生真實(shí)還原立體效果的裝置系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
立體電影的能給人身臨其境的感覺，最早的立體電影的原理如下，人以兩只眼睛看東西，并以其夾角來(lái)測(cè)定距離及產(chǎn)生立體感，所以左右眼看同樣的對(duì)象，所見卻是不同的角度。愈靠近的物體左右眼視角差愈大，愈遠(yuǎn)則視角差愈小，看極遠(yuǎn)方則左右眼是幾近平行。3D立體電影的原理即為以兩臺(tái)攝影機(jī)仿真人眼睛的視角同時(shí)拍攝，在放映時(shí)亦以兩臺(tái)投影機(jī)同步放映至同一面銀幕上，并以偏光鏡片分離出左右眼不同的畫面讓人產(chǎn)生立體效果。
還有采用曲面屏幕制作立體電影，其原理如下，首先要說(shuō)明幾個(gè)參數(shù)，這些參數(shù)是關(guān)于人眼的光學(xué)特性人眼的視場(chǎng)，水平涵蓋角為150°左右，垂直涵蓋角為55°左右。人眼的最佳視角約為視場(chǎng)方向上下10°左右，水平方向左右10°。雙眼瞳孔間的距離為55～74mm。鏡頭的視角若在55°左右就與人眼的視角相似，拍攝下的圖像透視效果符合人眼的習(xí)慣，感到真切、自然。圖1、圖2、為人眼的視場(chǎng)與視角示意圖，當(dāng)人眼環(huán)視周圍的場(chǎng)景時(shí)，會(huì)伴隨著頭部上下和左右的運(yùn)動(dòng)，如圖3、圖4。現(xiàn)有的制作立體電影的技術(shù)，一般采用多個(gè)平面來(lái)模擬球面或曲面，圖像不能無(wú)縫、平滑、連續(xù)，這種情況只能適用于球面、圓錐曲面等簡(jiǎn)單幾何模型。如果用在立體模式下，不能將視差平滑連續(xù)?，F(xiàn)有技術(shù)下也可以用光路追蹤的算法去模擬曲面，但是渲染費(fèi)用巨大。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種曲面電影投影系統(tǒng)。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為構(gòu)造一種曲面電影投影系統(tǒng)，其特征在于，包括渲染面，投影屏，渲染真實(shí)場(chǎng)景的成像系統(tǒng)渲染模型，渲染所述成像系統(tǒng)渲染模型渲染的圖像在所述渲染面上的投影的投影系統(tǒng)渲染模型，將所述投影系統(tǒng)渲染模型最終渲染的圖像通過(guò)光學(xué)鏡頭投影到所述投影屏上的放映裝置，所述投影屏為第一面或第一面的一部分，所述渲染面為第二面或第二面的一部分，所述第一面在所述第二面的沿觀察者的眼睛到投影屏的視場(chǎng)方向的后方，從觀察者的眼睛到所述渲染面的視場(chǎng)方向及角度與到所述投影屏的視場(chǎng)方向及角度一致，所述投影系統(tǒng)渲染模型渲染真實(shí)場(chǎng)景在所述第二面上的映射再通過(guò)所述放映裝置投影到所述投影屏上正好還原所述成像系統(tǒng)渲染模型渲染的圖像產(chǎn)生的變形。
所述成像系統(tǒng)渲染模型與所述投影系統(tǒng)渲染模型分別包括攝影機(jī)和投影機(jī)，攝影機(jī)和投影機(jī)的視場(chǎng)方向一致，中心完全重合，光路可逆。
在本發(fā)明的曲面電影投影系統(tǒng)中，所述成像系統(tǒng)渲染模型包括上下M層數(shù)字?jǐn)z影機(jī)，每層又包含了N個(gè)單獨(dú)的數(shù)字?jǐn)z影機(jī)。
在本發(fā)明的曲面電影投影系統(tǒng)中，所述M為3，所述N為7，所述成像系統(tǒng)渲染模型共包含了21個(gè)單獨(dú)的數(shù)字?jǐn)z影機(jī)。
在本發(fā)明的曲面電影投影系統(tǒng)中，每個(gè)數(shù)字?jǐn)z影機(jī)的水平視場(chǎng)角為25.7142857°、垂直視場(chǎng)角為60°，所有數(shù)字?jǐn)z影機(jī)的視場(chǎng)方向?yàn)榈确忠晥?chǎng)角度的方向，每層數(shù)字投影機(jī)中每個(gè)單獨(dú)的數(shù)字投影機(jī)的水平視場(chǎng)方向分別為12.8571°、38.5714°、64.2857°、90°、115.7143°、141.4286°、167.1429°。
在本發(fā)明的曲面電影投影系統(tǒng)中，所述M為3，所述N為3，所述成像系統(tǒng)渲染模型包含了9個(gè)單獨(dú)的數(shù)字?jǐn)z影機(jī)，每個(gè)數(shù)字?jǐn)z影機(jī)的水平視場(chǎng)角為60°、垂直視場(chǎng)角為60°，所有數(shù)字?jǐn)z影機(jī)的視場(chǎng)方向?yàn)榈确忠晥?chǎng)角度的方向，每層數(shù)字?jǐn)z影機(jī)中每個(gè)單獨(dú)的數(shù)字?jǐn)z影機(jī)的水平視場(chǎng)方向分別為30°、90°、150°。
在本發(fā)明的曲面電影投影系統(tǒng)中，所述投影系統(tǒng)渲染模型包括上下M層數(shù)字投影機(jī)，每層又包含了N個(gè)單獨(dú)的數(shù)字投影機(jī)。
在本發(fā)明的曲面電影投影系統(tǒng)中，所述M為3，所述N為7，所述投影系統(tǒng)渲染模型包含了21個(gè)單獨(dú)的數(shù)字投影機(jī)。
在本發(fā)明的曲面電影投影系統(tǒng)中，每個(gè)投影系統(tǒng)渲染模型的水平視場(chǎng)角為25.7142857°、垂直視場(chǎng)角為60°，所有數(shù)字投影機(jī)的視場(chǎng)方向?yàn)榈确忠晥?chǎng)角度的方向，每層數(shù)字投影機(jī)中每個(gè)單獨(dú)的數(shù)字投影機(jī)的水平視場(chǎng)方向分別為12.8571°、38.5714°、64.2857°、90°、115.7143°、141.4286°、167.1429°。
在本發(fā)明的曲面電影投影系統(tǒng)中，所述M為3，所述N為3，所述投影系統(tǒng)渲染模型包含了9個(gè)單獨(dú)的數(shù)字投影機(jī)，每個(gè)數(shù)字投影機(jī)的水平視場(chǎng)角為60°、垂直視場(chǎng)角為60°，所有數(shù)字投影機(jī)的視場(chǎng)方向?yàn)榈确忠晥?chǎng)角度的方向，每層數(shù)字投影機(jī)中每個(gè)單獨(dú)的數(shù)字投影機(jī)的水平視場(chǎng)方向分別為30°、90°、150°。
在本發(fā)明的曲面電影投影系統(tǒng)中，所述第一面為曲面、平面或者平面和曲面的組合。
在本發(fā)明的曲面電影投影系統(tǒng)中，所述第二面為球面、圓錐曲面。
在本發(fā)明的曲面電影投影系統(tǒng)中，設(shè)置一個(gè)球面，取球體的垂直截面，所述截面為圓形，所述截面垂直方向的軸為OZ，將所述截面水平方向0～180°的視場(chǎng)分為n等分，用射線OA1～OAn表示這n個(gè)視場(chǎng)方向，將所述半圓形截面的直徑均勻的分為n等分，有P0、P1、P2……Pn-1、Pn個(gè)等分點(diǎn)，過(guò)所述n等分點(diǎn)做n條平行于OZ軸的平行線，L1、L2、L3……Ln-1、Ln，依次得出OA1與L1的交點(diǎn)M1、OA2與L2的交點(diǎn)M2、OA3與L3的交點(diǎn)M3……OAn-1與Ln-1的交點(diǎn)Mn-1、OAn與Ln的交點(diǎn)Mn，連接M0、M1、M2……Mn-1、Mn得到一條曲線K，將所述曲線K繞OZ軸旋轉(zhuǎn)360°得到曲面B，所述第二曲面為曲面B。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為，構(gòu)造一種曲面電影投影方法，包括如下步驟A1)成像系統(tǒng)渲染模型渲染真實(shí)場(chǎng)景；A2)投影系統(tǒng)渲染模型渲染所述成像系統(tǒng)渲染模型渲染的圖像在渲染面上的投影；A3)放映裝置將所述投影系統(tǒng)渲染模型最終渲染的圖像通過(guò)光學(xué)鏡頭投影到投影屏上。
在本發(fā)明的曲面電影投影系統(tǒng)中，所述A2)步驟投影系統(tǒng)渲染模型中的渲染采用正交渲染的方式。
實(shí)施本發(fā)明的曲面電影投影系統(tǒng)，具有以下有益效果，由于本發(fā)明的曲面電影投影系統(tǒng)采用球型渲染模型，利用光路可逆性原理，真實(shí)還原空間物體的位置關(guān)系，使得圖像完全無(wú)縫、平滑、連續(xù)，可真實(shí)還原球面、圓錐曲面、可以用數(shù)學(xué)模型描述的曲面以及用數(shù)學(xué)模型很難描述的但真實(shí)存在的曲面，在立體模式下能將視差平滑連續(xù)，讓觀眾產(chǎn)生身臨其境的感覺。由于本發(fā)明的曲面電影投影系統(tǒng)采用簡(jiǎn)化的數(shù)字光學(xué)鏡頭模型，大幅節(jié)省渲染費(fèi)用。
下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中圖1是人眼視場(chǎng)、視角側(cè)視圖；圖2是人眼視場(chǎng)、視角平面圖；圖3是人眼上下環(huán)視場(chǎng)景示意圖；圖4是人眼左右環(huán)視場(chǎng)景示意圖；圖5是0～180°視場(chǎng)連續(xù)積分示意圖；圖6是人眼正前方實(shí)景在球面上的映射平面圖；圖7是人眼正前方實(shí)景在球面上的映射側(cè)面圖；圖8是人眼正前方實(shí)景在球面上的映射透視圖；圖9是球幕計(jì)算的簡(jiǎn)化數(shù)字模型側(cè)視圖；圖10是球幕計(jì)算的簡(jiǎn)化數(shù)字模型平面圖；圖11是球幕計(jì)算的簡(jiǎn)化數(shù)字模型透視圖；圖12是球幕光路示意圖、側(cè)視圖；圖13是球幕光路示意圖、平面圖；圖14是用于球幕系統(tǒng)的光學(xué)鏡頭模型示意圖；圖15是球幕、光學(xué)鏡頭、成像面系統(tǒng)示意圖；圖16是球面上的定位點(diǎn)示意圖；圖17是球面通過(guò)光學(xué)鏡頭成像示意 圖18是球面通過(guò)普通數(shù)字鏡頭成像示意圖；圖19是球面通過(guò)光學(xué)鏡頭成像與普通數(shù)字鏡頭對(duì)比；圖20是光路可逆性原理示意圖；圖21是計(jì)算機(jī)渲染總體模型平面圖；圖22是計(jì)算機(jī)渲染總體模型側(cè)視圖；圖23是計(jì)算機(jī)渲染總體模型透視圖；圖24是計(jì)算機(jī)渲染成像系統(tǒng)總圖；圖25是球面沿經(jīng)線分割的7個(gè)單元之一示意圖；圖26是球面沿緯線分割的3種類型；圖27是u單元的球面在計(jì)算機(jī)中的渲染成像示意圖；圖28是m單元的球面在計(jì)算機(jī)中的渲染成像示意圖；圖29是d單元的球面在計(jì)算機(jī)中的渲染成像示意圖；圖30是計(jì)算機(jī)渲染投射系統(tǒng)總圖；圖31是u單元圖像經(jīng)過(guò)投射系統(tǒng)投射到球面上的范圍；圖32是m單元圖像經(jīng)過(guò)投射系統(tǒng)投射到球面上的范圍；圖33是d單元圖像經(jīng)過(guò)投射系統(tǒng)投射到球面上的范圍；圖34是半球的正交渲染示意圖；圖35是數(shù)字光學(xué)鏡頭的數(shù)學(xué)模型；圖36是數(shù)字光學(xué)鏡頭的渲染模型。
具體實(shí)施方式本發(fā)明用的是球型渲染模型，采用光路可逆性原理，真實(shí)還原空間物體的位置關(guān)系，圖像完全無(wú)縫、平滑、連續(xù)，能適用于球面、圓錐曲面、可以用數(shù)學(xué)模型描述的曲面、用數(shù)學(xué)模型很難描述的但真實(shí)存在的曲面等。在立體模式下能將視差平滑連續(xù)?，F(xiàn)有技術(shù)下也可以用光路追蹤的算法去模擬曲面，但是渲染費(fèi)用巨大，用簡(jiǎn)化模型將大幅節(jié)省渲染費(fèi)用。
假設(shè)人的左右眼處于同一水平高度。為了模擬人眼環(huán)視四周場(chǎng)景的視野范圍，建立一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型，如圖5。該圖表示若以人眼C為源點(diǎn)，向空間某一方向口劃出一個(gè)無(wú)限小的立體角dω，對(duì)應(yīng)球面上的一個(gè)截面ds，球的半徑為r，則有如下關(guān)系 dω＝ds/r2，整個(gè)空間的立體ω＝4π球面度，它是人眼視場(chǎng)的連續(xù)積分。為了表現(xiàn)人眼正前方的真實(shí)場(chǎng)景，假設(shè)場(chǎng)景中的真實(shí)物體都在以人眼為圓心的球面上有一個(gè)投影，當(dāng)在人眼的位置錄制下該圖像，然后再?gòu)脑撐恢貌シ诺酵粋€(gè)球面上，人眼位于該球面的球心上觀看時(shí)就可以產(chǎn)生觀看真實(shí)場(chǎng)景的感覺，如圖6、7、8所示。從圖6、7中可以看到，如果空間中的海面、船、飛機(jī)、橋在以人眼為圓心的球面上有一個(gè)投影，該投影可以讓人產(chǎn)生看到真實(shí)場(chǎng)景的感覺，觀眾會(huì)看到海面、船、飛機(jī)、橋位于它們正確的位置上。本發(fā)明的基本原理，就是以觀眾眼睛的位置，視場(chǎng)和視角錄制下觀眾所看到的場(chǎng)景，然后再播放到以觀眾眼睛位置為球心的一段球面上。當(dāng)觀眾在該球幕前的有效位置觀看時(shí)，可以還原他或她看到的真實(shí)場(chǎng)景的感覺。投影的圖像可以是實(shí)際拍攝的，模擬的方式由于受到設(shè)備條件的限制(例如使用各種吊臂、支架、滑軌、各種行走設(shè)備等)，一般只能拍攝一些瀏覽式的或飛行的場(chǎng)景，由于受瀏覽設(shè)備或飛行安全的限制，不能拍攝到極端驚險(xiǎn)刺激的畫面，通常在低成本制作時(shí)選擇該方式。也可以是用計(jì)算機(jī)技術(shù)制作的，其載體可以是膠片、錄像帶、磁盤、硬盤或其它數(shù)字移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備。為保證播放到球幕上影像的正確性，首先要知道播放機(jī)的光學(xué)鏡頭的特性，每個(gè)超廣角鏡頭都有一個(gè)非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和鏡頭材質(zhì)特性，如果在計(jì)算機(jī)中建立這個(gè)鏡頭的數(shù)學(xué)模型和材質(zhì)特性來(lái)渲染場(chǎng)景，將帶來(lái)非常巨大的渲染費(fèi)用。如果采用實(shí)際拍攝的圖像投影，制作的圖像是非常有限的。
本發(fā)明的實(shí)施例中，就是以觀眾眼睛的位置，視場(chǎng)和視角錄制下觀眾所看到的場(chǎng)景，然后再播放到以觀眾眼睛位置為球心的一段球面上。當(dāng)觀眾在該球幕前的有效位置觀看時(shí)，可以還原他或她看到的真實(shí)場(chǎng)景的感覺。如圖12、13所示，表述了球幕模型的光路示意。圖中所示的攝影機(jī)鏡頭必須具有在0～160°左右的超廣角，并且要有連續(xù)、均勻的視場(chǎng)分布特性。在放映時(shí)，放映機(jī)前所使用的鏡頭一定為光學(xué)鏡頭，該光學(xué)鏡頭是通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的，可以是世界上任何一家鏡頭生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的超廣角鏡頭，與圖14中所描述的光學(xué)鏡頭模型相類似，都是共軸球面光學(xué)系統(tǒng)，圖15具體描述了球幕、光學(xué)鏡頭、成像面、實(shí)物、成像面上的實(shí)像之間的關(guān)系。分兩步描述第一步，在沒(méi)有球幕的情況下，建筑物M′M通過(guò)光學(xué)鏡頭在成像面上成的實(shí)像為N′N；第二步，當(dāng)在光學(xué)鏡頭前放置一個(gè)球面，當(dāng)成像面上的實(shí)像N′N被投射到球面上時(shí)會(huì)在球面上產(chǎn)生一個(gè)圖像P′P。當(dāng)觀看者站在鏡頭前觀看到球面上的圖像P′P時(shí)，他或她應(yīng)該感覺是看到了真實(shí)的建筑物M′M，因?yàn)楸ＷC了視場(chǎng)方向、視角、觀察點(diǎn)的高度一致，保證了正確的透視關(guān)系。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，拍攝下成像面上的實(shí)像，通過(guò)對(duì)該實(shí)像的分析，可以獲得一些數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以作為數(shù)字光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)參考。
將圖15中所示系統(tǒng)的球面作上標(biāo)記定位點(diǎn)。標(biāo)記定位點(diǎn)這樣定義將球面的經(jīng)線、緯線方向等分成n等分，這些等分的經(jīng)線和緯線的交點(diǎn)就是球面上的標(biāo)記定位點(diǎn)，如圖16所示。利用圖15所示的系統(tǒng)，拍攝下球面在成像面上所成的實(shí)像。如圖17所示，使用是163°、17mm的超廣角光學(xué)鏡頭，圖中可以清晰的看到許多標(biāo)記定位點(diǎn)。如果把拍攝到的實(shí)像再投回到球幕上的話它們將和球幕上的標(biāo)記定位點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)的重合。將普通數(shù)字?jǐn)z影機(jī)的參數(shù)設(shè)成與光學(xué)超廣角鏡頭一樣，即163°的超廣角，在計(jì)算機(jī)中建立如圖15所示的模型，球面制作成如圖16所示，標(biāo)記定位點(diǎn)也如圖16相同，當(dāng)用普通數(shù)字?jǐn)z影機(jī)代替圖15中的光學(xué)鏡頭和成像面，渲染該球面時(shí)，得到一個(gè)如圖18所示的圖像，該圖像就是球面通過(guò)普通數(shù)字超廣角鏡頭成的像，很顯然同一個(gè)球面它通過(guò)特定的光學(xué)鏡頭成的像與它通過(guò)普通數(shù)字鏡頭成的像是完全不同的。從圖17中可以分析出特定光學(xué)鏡頭的成像特點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中所有特定的超廣角鏡頭都不太可能達(dá)到180°，因?yàn)?80°代表了無(wú)限遠(yuǎn)的水平和垂直視點(diǎn)，它們無(wú)法在成像面上成像。但是圖17中的X1、X2、M0、Y1、Y2可以無(wú)限接近水平、前方、上下的無(wú)限遠(yuǎn)點(diǎn)，也即X1-M0-X2代表水平方向無(wú)限遠(yuǎn)處一條無(wú)限長(zhǎng)的直線，Y1-M0-Y2代表垂直方向無(wú)限遠(yuǎn)處一條無(wú)限長(zhǎng)的直線。
從圖17中可以看出球面上的標(biāo)記定位點(diǎn)在成像面上成的像被均勻的分布在一個(gè)圓面里，圓面的圓心、球面的球心、特定光學(xué)鏡頭的鏡頭中心是完全重合的，這就意味著以鏡頭中心為原點(diǎn)的鏡頭正前方的半球空間的視場(chǎng)被均勻分割，這是接近完美的球形成像方案，它可以保證某個(gè)物體，如果它處于鏡頭正前方的半球空間內(nèi)，當(dāng)它和鏡頭中心點(diǎn)的直線距離一定時(shí)，他可以在成像面上獲得大體相同的有效成像面積，避免圖像的劇烈拉伸。
從圖18中可以看出普通數(shù)字超廣角鏡頭的成像特點(diǎn)越接近與鏡頭中心線垂直的視場(chǎng)方向，越拉伸的厲害。其缺點(diǎn)是鏡頭中心線附近的視場(chǎng)方向上的物體的有效成像面積較小，而該區(qū)域又是觀看場(chǎng)景的重點(diǎn)區(qū)域，較小的成像面積將直接導(dǎo)致不能獲得足夠的圖像分辨率。
圖19表述了球面通過(guò)光學(xué)鏡頭成像與普通數(shù)字鏡頭成像的對(duì)比效果。采用普通數(shù)字鏡頭成像會(huì)得到失真的圖像，本發(fā)明要解決的問(wèn)題之一就是要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)化的數(shù)字鏡頭模型，使它具有與特定的光學(xué)鏡頭相同的光學(xué)特性，減低計(jì)算量，降低渲染費(fèi)用，解決的方法會(huì)在后面的介紹中提到。
如圖9所示，因?yàn)槿说碾p眼位于同一水平線上，60°張角的攝影機(jī)可以真實(shí)的反映人眼的透視，所以將上下0～180°的視場(chǎng)范圍3等分每一份為60°，用3個(gè)60°張角的攝影機(jī)可以簡(jiǎn)單的模擬人眼上下環(huán)視場(chǎng)景時(shí)的效果。在水平方向上，由于人眼的瞳距有55mm～74mm，當(dāng)它們左右環(huán)視0～180°的場(chǎng)景時(shí)，會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的視差變化，即左右眼看到的場(chǎng)景有細(xì)微的差別。如果還是將水平方向0～180°視場(chǎng)3等分的話，攝影機(jī)拍攝的左右眼的場(chǎng)景圖像會(huì)產(chǎn)生讓人不適的跳變，所以必須考慮人眼的最佳視場(chǎng)范圍，取20°左右的較大值，本發(fā)明在水平方向0～180°的連續(xù)視場(chǎng)采用7個(gè)視場(chǎng)方向來(lái)模擬，這是視場(chǎng)連續(xù)的最小數(shù)量，如圖10所示。由此得知可以用水平7個(gè)視場(chǎng)方向，垂直3個(gè)視場(chǎng)方向，共3×7＝21個(gè)視場(chǎng)方向，來(lái)模擬觀眾正前方0～180°范圍的連續(xù)視場(chǎng)方向，使觀看者感覺不到視場(chǎng)的跳變。同時(shí)大大簡(jiǎn)化了視場(chǎng)連續(xù)積分的模型。如圖11所示。
本發(fā)明所說(shuō)的數(shù)字鏡頭模型并不是一個(gè)簡(jiǎn)單意義上的鏡頭，它是由許多計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的算法模型元素組成，它實(shí)際上更接近于一種渲染圖像算法。其最終成像效果相當(dāng)于本發(fā)明中特定的超廣角光學(xué)鏡頭的成像效果，它在計(jì)算機(jī)圖形制作軟件中表現(xiàn)為兩個(gè)渲染模型。第一個(gè)模型用來(lái)模擬拍攝人眼環(huán)視正前方0～180°半球范圍場(chǎng)景的圖像；第二個(gè)模型用來(lái)將第一個(gè)模型拍攝到的系列圖像一一對(duì)應(yīng)的投影到一個(gè)特殊計(jì)算的曲面上，當(dāng)正交渲染該曲面時(shí)得到的圖像相當(dāng)于本發(fā)明中特定的光學(xué)鏡頭拍攝到的圖像效果。
下面重點(diǎn)闡述本發(fā)明的數(shù)字鏡頭模型。首先來(lái)看一下光路的可逆性。在圖20中人眼、攝影機(jī)、投影機(jī)的三個(gè)中心是重合的，并且它們的中心線也是重合的。人眼正前方的物體M′M發(fā)射了兩束射線被攝影機(jī)拍下，然后投影機(jī)再以同樣的角度投射出去，這時(shí)在光路中放入屏幕，投影機(jī)會(huì)在屏幕上投影一個(gè)像m′m，當(dāng)人眼觀察該圖像時(shí)會(huì)看到m′m和M′M是完全重合的。如果是平面圖像，人眼將會(huì)通過(guò)透視判斷物體的遠(yuǎn)近，如果是立體圖像人眼將會(huì)精確的定位該物體，這就是通常所說(shuō)的光路的可逆性。
本發(fā)明專利最重要的部分就是前面提到的兩個(gè)渲染模型。如圖21、22、23中所示，表述的是計(jì)算機(jī)渲染模型的總圖，它包括了兩個(gè)渲染模型，一個(gè)成像系統(tǒng)渲染模型，一個(gè)投射系統(tǒng)渲染模型。無(wú)論是成像系統(tǒng)還是投射系統(tǒng)都包含了上、中、下三層攝影機(jī)或投影機(jī)，每層又包含了7個(gè)單獨(dú)的攝影機(jī)或投影機(jī)，也就是說(shuō)整個(gè)渲染模型包括了21個(gè)攝影機(jī)和21個(gè)投影機(jī)，并且它們的視場(chǎng)方向一致，中心完全重合并位于半球球面的球心。整個(gè)渲染模型中的攝影機(jī)單元和投影機(jī)單元，可以把它們理解為兩個(gè)參數(shù)完全相同的，但光線方向完全互逆的單元。攝影機(jī)接受光線，投影機(jī)投射光線，它們互逆的完成球形空間的光能傳遞方式，它們的參數(shù)如下水平視場(chǎng)角180°÷7＝25.7142857°；垂直視場(chǎng)角60°；上、中、下三層用u、m、d表示；水平方向從0～180°7個(gè)方向用01、02、03、04、05、06、07表示，攝影機(jī)用C表示，投影機(jī)用P表示，則它們有下表的對(duì)應(yīng)關(guān)系
把上、中、下三層后綴為01的攝影機(jī)和投影機(jī)叫01組，后綴為02的叫02組......可以得到01～07個(gè)組。每組中u、m、d三層的垂直視場(chǎng)方向如圖22所示u為+60度、m為0度、d為-60度。01～07組的水平視場(chǎng)方向如圖21所示
圖23給出了計(jì)算機(jī)渲染模型的總體透視圖。接下來(lái)分別闡述成像系統(tǒng)渲染模型和投射系統(tǒng)渲染模型。成像系統(tǒng)渲染模型的主要任務(wù)是模擬人眼上下左右環(huán)視正前方0～180°范圍內(nèi)的半球區(qū)域，并按21個(gè)視場(chǎng)方向渲染出人眼所看到的景象，以最優(yōu)化方式模擬人眼的連續(xù)視場(chǎng)變化。圖24表示了計(jì)算機(jī)渲染成像系統(tǒng)的總圖。
圖25表示以球心為中心點(diǎn)沿經(jīng)線方向分割的7個(gè)等分單元之一，它主要表示垂直方向的視場(chǎng)分割方式的一個(gè)單元，該單元由3臺(tái)攝影機(jī)模擬拍攝。圖26表示了一個(gè)球面緯線分割單元的三種分割類型，垂直180°的范圍被等分為u、m、d三種類型，每種類型的垂直視場(chǎng)角為60°水平視場(chǎng)角25.7142857°。圖27、28、29表示從數(shù)字?jǐn)z影機(jī)渲染的上、中、下球面的圖像，其中陰影部分表示渲染的有效區(qū)域，圖中O點(diǎn)是視場(chǎng)中心點(diǎn)。由于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)軟件只能渲染平面圖像，所以只能渲染球面在平面上的映射，渲染圖像和人眼看到的圖像很接近，垂直視場(chǎng)角為60°，水平視場(chǎng)角25.7142857°。渲染圖像的寬高比滿足以下比例關(guān)系寬∶高＝25.7142857∶60＝0.428571∶1在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)軟件中的高寬比是用分辨率表示的，所以u(píng)、m、d三個(gè)部分球面的渲染圖像分辨率應(yīng)為429×1000或是它的倍數(shù)，比如n(429×1000)，n為倍率系數(shù)。通過(guò)計(jì)算機(jī)渲染成像系統(tǒng)，可以模擬人眼的環(huán)視效果，得到上、中、下各7張共21張渲染圖像。它們的圖像分辨率滿足n(429×1000)，并且與投影機(jī)成一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。
投影系統(tǒng)渲染模型的主要任務(wù)就是要把成像系統(tǒng)渲染的圖像，一一對(duì)應(yīng)的投射到球面上，并要保證光路的可逆性，也即投射系統(tǒng)要保證圖像完美的拼接在球面上。
圖30是投射渲染模型的總圖，投影系統(tǒng)的投射單元與成像系統(tǒng)的成像單元具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。圖31、32、33分別表述了成像系統(tǒng)渲染的u、m、d圖像，經(jīng)過(guò)投射系統(tǒng)投影到它們所對(duì)應(yīng)曲面上的范圍。
為了保證光路的可逆性，投射系統(tǒng)的投射單元必須具有以下光學(xué)特性垂直視角＝60°；水平視場(chǎng)角＝25.7142857°。當(dāng)投射系統(tǒng)的投射單元具有以上光學(xué)特性時(shí)可以認(rèn)為投射系統(tǒng)的投射單元與成像系統(tǒng)的成像單元是互逆的，這種互逆性是本發(fā)明專利強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)。所列舉的光學(xué)特性只是一個(gè)優(yōu)選的實(shí)例。
圖34表述了一個(gè)半球在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)軟件中的正交渲染圖像，即將21個(gè)數(shù)字?jǐn)z影鏡頭渲染的圖形合成后的正交渲染圖像，顯然它的圖像是有變形的，中間的部分被拉伸兩邊的部分被壓縮，和圖17采用光學(xué)鏡頭得到的均勻的圖形是不同的。本發(fā)明要解決的問(wèn)題就是如何還原圖像，使采用數(shù)字鏡頭渲染的圖像與光學(xué)鏡頭渲染的圖像相同。本發(fā)明構(gòu)造一個(gè)曲面，把球面上的圖像完美的映射到一個(gè)曲面上，當(dāng)正交渲染該曲面時(shí)得到的渲染圖像同通過(guò)光學(xué)鏡頭渲染該球面的圖像相同。
結(jié)合圖35所示，描述如何在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)軟件中進(jìn)行實(shí)際制作該曲面，將水平方向0～180°的視場(chǎng)分為n等分，用射線OA1～OAn表示這n個(gè)視場(chǎng)方向，如圖35所示。然后將球的直徑均勻的分為n等分，有P0、P1、P2......Pn-1、Pn個(gè)等分點(diǎn)，過(guò)這些等分點(diǎn)可以做n條平行于OZ軸的平行線，L1、L2、L3......Ln-1、Ln，這n條平行線表示了正交視圖的視場(chǎng)分布。依次求出OA1與L1的交點(diǎn)M1、OA2與L2的交點(diǎn)M2、OA3與L3的交點(diǎn)M3......OAn-1與Ln-1的交點(diǎn)Mn-1、OAn與Ln的交點(diǎn)Mn，并且連接M0、M1、M2......Mn-1、Mn得到一條曲線，如圖35所示。把它叫做曲線K。
接下來(lái)分析一下曲線K，它并不是圓錐曲線，因?yàn)樗鼪](méi)有焦點(diǎn)。但是從O點(diǎn)發(fā)出的n條射線OA0、OA1、OA2......OAn-1、OAn與曲線K的交點(diǎn)M0、M1、M2......Mn-1、Mn，是0～180°水平視場(chǎng)均勻等分n份的射線在曲線K上的映射。當(dāng)正交投影該映射M0、M1、M2......Mn-1、Mn到半圓的直徑上時(shí)，可以得到P0、P1、P2......Pn-1、Pn個(gè)映射點(diǎn)，它們均勻的等分直徑為n等分。因此可以把水平方向0～180°視場(chǎng)方向等分到一條水平線上。把垂直方向0～180°視場(chǎng)方向等分到一條垂直線上。當(dāng)繞圖35中的OZ軸旋轉(zhuǎn)曲線K，就可以產(chǎn)生一個(gè)曲面B，曲面B即為渲染面，如圖36所示。該曲面具有如下特性當(dāng)本發(fā)明的投射系統(tǒng)將光線投影到該曲面上時(shí)，如果正交渲染該曲面，將得到如同本發(fā)明中使用的特定光學(xué)鏡頭渲染半球球面所得到的圖像，也就是說(shuō)完全實(shí)現(xiàn)了光路互逆轉(zhuǎn)換。圖36表示了數(shù)字光學(xué)鏡頭的最終渲染模型。正交渲染攝影機(jī)的分辨率設(shè)為4096×3592，這是相對(duì)于70mm，10片孔的播放設(shè)備計(jì)算的結(jié)果，是本發(fā)明的優(yōu)選方式。
如果考慮到進(jìn)一步的節(jié)省渲染費(fèi)用，也可以把水平方向的視場(chǎng)等分?jǐn)?shù)降低，最低可以降低到3等分，本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例就是用水平方向3個(gè)視場(chǎng)方向，垂直方向3個(gè)視場(chǎng)方向，共3×3＝9個(gè)視場(chǎng)方向，來(lái)模擬觀眾正前方0～180°范圍的連續(xù)視場(chǎng)方向。這種實(shí)施方式所對(duì)應(yīng)的成像系統(tǒng)渲染模型包括上中下三層攝影機(jī)，每層又包括三個(gè)單獨(dú)的攝影機(jī)，投影系統(tǒng)渲染模型與成像系統(tǒng)渲染模型一一對(duì)應(yīng)，也包括上中下三層投影機(jī)，每層又包括三個(gè)單獨(dú)的投影機(jī)，投影機(jī)和攝影機(jī)視場(chǎng)方向一致，中心完全重合，光路可逆。01～03組的水平視場(chǎng)方向如下
這種簡(jiǎn)化方式會(huì)產(chǎn)生一些視場(chǎng)跳變，但是還基本可以接受，但可以進(jìn)一步降低渲染費(fèi)用。
本發(fā)明的球幕的內(nèi)表面采用特殊的金屬反射材料制成，其內(nèi)表面用金屬材料連接成一個(gè)整體的半球，內(nèi)表面被均勻的噴涂，從而保持反光的均勻。
本發(fā)明提到的技術(shù)和裝置可以廣泛的應(yīng)用于電影領(lǐng)域，它可以是模擬方式錄制，也可以是數(shù)字方式制作。人們還可以用本發(fā)明提及的技術(shù)與裝置進(jìn)行立體制作和放映。
本發(fā)明還可以有其他的實(shí)施方式，渲染面為曲面B的一部分，投影屏為球面的一部分，渲染面和投影屏的視場(chǎng)角度一致。
對(duì)于由普通的數(shù)字鏡頭組成的成像系統(tǒng)渲染模型，其渲染的圖像會(huì)產(chǎn)生變形，將渲染面保持不變(為曲面B，或者曲面B的一部分)來(lái)還原其產(chǎn)生的變形，投影屏在渲染面的視場(chǎng)方向后方，投影屏的視場(chǎng)角度渲染面的視場(chǎng)方向及角度與投影屏的視場(chǎng)方向及角度一致即可。在保證前述條件的前提下，本發(fā)明還可以有其他的實(shí)施方式，例如投影屏為半球面或半球面的一部分，渲染面為曲面B的一部分。投影屏還可以是平面，平面和曲面的結(jié)合，任意曲面或任意曲面的一部分，渲染面還可以是球面或圓錐曲面或圓錐曲面的一部分。
無(wú)論是成像系統(tǒng)還是投射系統(tǒng)還可以有如下排列方式上下M層攝影機(jī)或投影機(jī)，每層又包含了N個(gè)單獨(dú)的攝影機(jī)或投影機(jī)，也就是說(shuō)整個(gè)渲染模型可以包括M×N個(gè)攝影機(jī)和M×N個(gè)投影機(jī)，M和N為任意正整數(shù)即可。
權(quán)利要求
1.一種曲面電影投影系統(tǒng)，其特征在于，包括渲染面，投影屏，渲染真實(shí)場(chǎng)景的成像系統(tǒng)渲染模型，渲染所述成像系統(tǒng)渲染模型渲染的圖像在所述渲染面上的投影的投影系統(tǒng)渲染模型，將所述投影系統(tǒng)渲染模型最終渲染的圖像通過(guò)光學(xué)鏡頭投影到所述投影屏上的放映裝置，所述投影屏為第一面或第一面的一部分，所述渲染面為第二面或第二面的一部分，所述第一面在所述第二面的沿觀察者的眼睛到投影屏的視場(chǎng)方向的后方，從觀察者的眼睛到所述渲染面的視場(chǎng)方向及角度與到所述投影屏的視場(chǎng)方向及角度一致，所述投影系統(tǒng)渲染模型渲染真實(shí)場(chǎng)景在所述第二面上的映射再通過(guò)所述放映裝置投影到所述投影屏上正好還原所述成像系統(tǒng)渲染模型渲染的圖像產(chǎn)生的變形。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的曲面電影投影系統(tǒng)，其特征在于，所述成像系統(tǒng)渲染模型與所述投影系統(tǒng)渲染模型分別包括攝影機(jī)和投影機(jī)，攝影機(jī)和投影機(jī)的視場(chǎng)方向一致，中心完全重合，光路可逆。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的曲面電影投影系統(tǒng)，其特征在于，所述成像系統(tǒng)渲染模型包括上下M層數(shù)字?jǐn)z影機(jī)，每層又包含了N個(gè)單獨(dú)的數(shù)字?jǐn)z影機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的曲面電影投影系統(tǒng)，其特征在于，所述M為3，所述N為7，所述成像系統(tǒng)渲染模型共包含了21個(gè)單獨(dú)的數(shù)字?jǐn)z影機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的曲面電影投影系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)數(shù)字?jǐn)z影機(jī)的水平視場(chǎng)角為25.7142857°、垂直視場(chǎng)角為60°，所有數(shù)字?jǐn)z影機(jī)的視場(chǎng)方向?yàn)榈确忠晥?chǎng)角度的方向，每層數(shù)字投影機(jī)中每個(gè)單獨(dú)的數(shù)字投影機(jī)的水平視場(chǎng)方向分別為12.8571°、38.5714°、64.2857°、90°、115.7143°、141.4286°、167.1429°。
6.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的曲面電影投影系統(tǒng)，其特征在于，所述M為3，所述N為3，所述成像系統(tǒng)渲染模型包含了9個(gè)單獨(dú)的數(shù)字?jǐn)z影機(jī)，每個(gè)數(shù)字?jǐn)z影機(jī)的水平視場(chǎng)角為60°、垂直視場(chǎng)角為60°，所有數(shù)字?jǐn)z影機(jī)的視場(chǎng)方向?yàn)榈确忠晥?chǎng)角度的方向，每層數(shù)字?jǐn)z影機(jī)中每個(gè)單獨(dú)的數(shù)字?jǐn)z影機(jī)的水平視場(chǎng)方向分別為30°、90°、150°。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的曲面電影投影系統(tǒng)，其特征在于，所述投影系統(tǒng)渲染模型包括上下M層數(shù)字投影機(jī)，每層又包含了N個(gè)單獨(dú)的數(shù)字投影機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的曲面電影投影系統(tǒng)，其特征在于，所述M為3，所述N為7，所述投影系統(tǒng)渲染模型包含了21個(gè)單獨(dú)的數(shù)字投影機(jī)。
9.根據(jù)權(quán)利要求
8所述的曲面電影投影系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)投影系統(tǒng)渲染模型的水平視場(chǎng)角為25.7142857°、垂直視場(chǎng)角為60°，所有數(shù)字投影機(jī)的視場(chǎng)方向?yàn)榈确忠晥?chǎng)角度的方向，每層數(shù)字投影機(jī)中每個(gè)單獨(dú)的數(shù)字投影機(jī)的水平視場(chǎng)方向分別為12.8571°、38.5714°、64.2857°、90°、115.7143°、141.4286°、167.1429°。
10.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的曲面電影投影系統(tǒng)，其特征在于，所述M為3，所述N為3，所述投影系統(tǒng)渲染模型包含了9個(gè)單獨(dú)的數(shù)字投影機(jī)，每個(gè)數(shù)字投影機(jī)的水平視場(chǎng)角為60°、垂直視場(chǎng)角為60°，所有數(shù)字投影機(jī)的視場(chǎng)方向?yàn)榈确忠晥?chǎng)角度的方向，每層數(shù)字投影機(jī)中每個(gè)單獨(dú)的數(shù)字投影機(jī)的水平視場(chǎng)方向分別為30°、90°、150°。
11.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的曲面電影投影系統(tǒng)，其特征在于，所述第一面為曲面、平面或者平面和曲面的組合。
12.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的曲面電影投影系統(tǒng)，其特征在于，所述第二面為球面、圓錐曲面。
13.根據(jù)權(quán)利要求
1-11任何一項(xiàng)中所述的曲面電影投影系統(tǒng)，其特征在于，設(shè)置一個(gè)球面，取球體的垂直截面，所述截面為圓形，所述截面垂直方向的軸為OZ，將所述截面水平方向0～180°的視場(chǎng)分為n等分，用射線OA1～OAn表示這n個(gè)視場(chǎng)方向，將所述半圓形截面的直徑均勻的分為n等分，有P0、P1、P2......Pn-1、Pn個(gè)等分點(diǎn)，過(guò)所述n等分點(diǎn)做n條平行于OZ軸的平行線，L1、L2、L3......Ln-1、Ln，依次得出OA1與L1的交點(diǎn)M1、OA2與L2的交點(diǎn)M2、OA3與L3的交點(diǎn)M3......OAn-1與Ln-1的交點(diǎn)Mn-1、OAn與Ln的交點(diǎn)Mn，連接M0、M1、M2……Mn-1、Mn得到一條曲線K，將所述曲線K繞OZ軸旋轉(zhuǎn)360°得到曲面B，所述第二曲面為曲面B。
14.一種曲面電影投影方法，其特征在于，包括如下步驟A1)成像系統(tǒng)渲染模型渲染真實(shí)場(chǎng)景；A2)投影系統(tǒng)渲染模型渲染所述成像系統(tǒng)渲染模型渲染的圖像在渲染面上的投影；A3)放映裝置將所述投影系統(tǒng)渲染模型最終渲染的圖像通過(guò)光學(xué)鏡頭投影到投影屏上。
15.根據(jù)權(quán)利要求
14所述的曲面電影投影方法，其特征在于，所述步驟A2)中的渲染采用正交渲染的方式。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種曲面電影投影系統(tǒng)，包括渲染面，投影屏，渲染真實(shí)場(chǎng)景的成像系統(tǒng)渲染模型，渲染所述成像系統(tǒng)渲染模型渲染的圖像在所述渲染面上的投影的投影系統(tǒng)渲染模型，將所述投影系統(tǒng)渲染模型最終渲染的圖像通過(guò)光學(xué)鏡頭投影到所述投影屏上的放映裝置，所述投影屏為第一面或第一面的一部分，所述渲染面為第二面或第二面的一部分，所述第一面在所述第二面的沿觀察者的眼睛到投影屏的視場(chǎng)方向的后方，從觀察者的眼睛到所述渲染面的視場(chǎng)方向及角度與到所述投影屏的視場(chǎng)方向及角度一致，所述成像系統(tǒng)渲染模型與所述投影系統(tǒng)渲染模型光路可逆。本發(fā)明的曲面電影投影系統(tǒng)降低了渲染費(fèi)用，同時(shí)還能讓觀眾產(chǎn)生身臨其境的感覺。
文檔編號(hào)G03B17/48GK1996139SQ200610032763
公開日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年1月5日
發(fā)明者李明, 戎志剛, 丁亮, 崔濤, 霍彩霞 申請(qǐng)人:李明, 戎志剛, 丁亮, 崔濤, 霍彩霞導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan