專利名稱：基于球面顯示的360°全景仿真系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用并行計(jì)算方法的360°球面顯示全景仿真系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是20世紀(jì)60年代提出的基于計(jì)算機(jī)、圖形圖像處理、多傳感器，網(wǎng) 絡(luò)以及人機(jī)工程的綜合技術(shù)，通常表述為“虛擬現(xiàn)實(shí)”(或虛擬環(huán)境，臨境，靈境等)。從某 種意義上說，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是計(jì)算機(jī)視景仿真技術(shù)的延伸，是高度發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)在各 種領(lǐng)域的應(yīng)用過程中的結(jié)晶和反映，它不僅包括圖形學(xué)、圖像處理、模式識(shí)別、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并 行處理技術(shù)、人工智能等高性能計(jì)算技術(shù)，而且涉及數(shù)學(xué)、物理、通信等領(lǐng)域，甚至與氣象、 地理、美學(xué)、心理學(xué)和社會(huì)學(xué)等學(xué)科相關(guān)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的興起，為人機(jī)交互界面的發(fā)展開 創(chuàng)了新的研究領(lǐng)域，為智能工程的應(yīng)用提供了新的界面工具，為各類工程的大規(guī)模的數(shù)據(jù) 可視化提供了新的描述方法。在需要對(duì)大量抽象數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，這種技術(shù)的應(yīng)用，改進(jìn)了 人們利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行工程數(shù)據(jù)處理的方式，已在軍事、醫(yī)學(xué)、設(shè)計(jì)和娛樂等領(lǐng)域得到了廣泛 的應(yīng)用，并帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。近年來，360°全景仿真成為虛擬現(xiàn)實(shí)仿真人員研究的熱點(diǎn)?；谇蛎嫱队暗姆抡?系統(tǒng)因其大視場(chǎng)范圍、高沉浸感，更具臨場(chǎng)感的視覺效果得到了更多的關(guān)注。其中球面非線 性失真校正和多通道圖像的同步技術(shù)是構(gòu)建三維全景仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的進(jìn)行全景顯示的方法是以拍攝真實(shí)世界的照片為基礎(chǔ)。通常有直接方式和 圖像拼接方式兩種方法來獲得全景圖像。前一種方式可以很容易地進(jìn)行，但它需要使用全 景相機(jī)等特殊的器材，而這些器材通常是十分昂貴的。而后種方法需要以視點(diǎn)為中心旋轉(zhuǎn) 拍攝照片序列，拍攝位置除了要找到景物的中心位置、拍攝角度以外，重要的是每幅照片的 水平線要盡量保持水平，因此它對(duì)拍攝者的拍攝水平有較高要求。同時(shí)不同照片的亮度、色 度、對(duì)比度的差異會(huì)對(duì)拼接效果產(chǎn)生很大的影響。這種以拍攝照片生成全景圖的方式是對(duì) 靜態(tài)圖像進(jìn)行處理，因而不支持場(chǎng)景的實(shí)時(shí)漫游。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的各種弊端，獲得可以廣泛投入于實(shí)際應(yīng)用的全景仿真系統(tǒng)， 本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種視景變換和多通道顯示控制器，根據(jù)各個(gè)投影儀在三維空間的不同投影 曲面，在Ramdisk中預(yù)先設(shè)定與投影儀對(duì)應(yīng)的顯示存儲(chǔ)單元，從視景生成系統(tǒng)接口將提取 的每幀平面圖形送入圖像處理器，通過處理實(shí)現(xiàn)平面圖形的從平面投影至球面的三維變 換、及非線性失真校正，然后按照各個(gè)投影儀對(duì)應(yīng)的三維曲面，將這些曲面所對(duì)應(yīng)的區(qū)域按 照刷新信號(hào)同步寫入各個(gè)投影儀所對(duì)應(yīng)的Ramdisk顯示存儲(chǔ)單元，完成三維顯示。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案基于多通道投影顯示的360°全景仿 真系統(tǒng)，其特點(diǎn)是A.能夠方便、快捷地生成逼真的三維全景仿真圖像；B.對(duì)仿真圖像進(jìn)行非線性校正處理，獲得不失真的球面圖像；
C.將各通道球面圖像進(jìn)行拼接并投影輸出，實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)場(chǎng)景顯示，同時(shí)還可進(jìn)行 交互漫游；D.針對(duì)不同的場(chǎng)景渲染，采用不同的調(diào)度方式以優(yōu)化算法，進(jìn)而提高場(chǎng)景的實(shí)時(shí)
渲染速度。本系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)的單視覺通道顯示系統(tǒng)進(jìn)行大膽改進(jìn)，采用多臺(tái)投影機(jī)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模 場(chǎng)景多通道顯示輸出，基于三維變換的球面非線性失真校正和視景渲染更新方式是本發(fā)明 的核心。核心內(nèi)容包括一、三維變換過程1、多臺(tái)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，每臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)置大于兩個(gè)屏幕顯存大小、共享方式的 Ramdisk ；2、找出每個(gè)投影儀對(duì)應(yīng)的平面和空間曲面；3、將每個(gè)投影儀對(duì)應(yīng)平面的三維變換、非線性失真較正、場(chǎng)景渲染處理工作分配 給每個(gè)計(jì)算機(jī)分別計(jì)算，并將結(jié)果存放在共享方式的1個(gè)屏幕存儲(chǔ)大小Ramdisk中；4、按照整個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)一的同步指令，每臺(tái)計(jì)算機(jī)將Ramdisk中的內(nèi)容同時(shí)寫入顯 存，使得系統(tǒng)三維顯示同步。二、場(chǎng)景調(diào)度算法1、前景不動(dòng)背景移動(dòng)(前景如飛行器等，背景如天空等)按照背景移動(dòng)的速度方 向計(jì)算計(jì)算機(jī)兩幀背景的增量，每個(gè)計(jì)算機(jī)所對(duì)應(yīng)的增量存放在Ramdisk另一部分中，按 照整個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)一的同步指令，每臺(tái)計(jì)算機(jī)將Ramdisk中的內(nèi)容按照移動(dòng)方式寫入對(duì)應(yīng)的顯 存中。2、前景動(dòng)背景不動(dòng)將每臺(tái)計(jì)算機(jī)所對(duì)應(yīng)的背景存放在Ramdisk中與屏幕顯存大 小相等的第一區(qū)域，將前景存放在Ramdisk中與屏幕顯存大小相等的第二區(qū)域，按照整個(gè) 系統(tǒng)統(tǒng)一的同步指令，分別將背景和前景按照不透明方式寫入顯存，完成疊加。3、前景、背景同時(shí)變化背景和前景分別按照情形1、2的方式進(jìn)行調(diào)度，疊加寫入顯存。本發(fā)明提供一種快速簡易的三維全景仿真構(gòu)建方法，采用一臺(tái)專業(yè)圖形工作站控 制八通道仿真圖像的生成及顯示輸出，實(shí)現(xiàn)了水平360°、垂直180°的三維全景仿真，很 好地模擬出真實(shí)三維世界場(chǎng)景，使觀察者置身于真實(shí)感十足的虛擬場(chǎng)景之中，并可在場(chǎng)景 內(nèi)部進(jìn)行實(shí)時(shí)交互漫游。本系統(tǒng)很好的彌補(bǔ)了基于圖像的圖形繪制(IBR)系統(tǒng)的不足，無 論在系統(tǒng)構(gòu)建、全景圖生成、顯示效果還是實(shí)時(shí)交互方面都有了很大改進(jìn)。下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說明。


圖1是本發(fā)明三維全景仿真系統(tǒng)組成圖。圖2是本發(fā)明三維全景仿真系統(tǒng)坐標(biāo)變換圖。圖3是本發(fā)明三維全景仿真系統(tǒng)場(chǎng)景調(diào)度算法圖。圖4是本發(fā)明三維全景仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程圖。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1 4，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了水平360°、垂直180°的三維全景仿真，為觀察者營 造出逼真、接近現(xiàn)實(shí)的全景環(huán)境，同時(shí)可在場(chǎng)景內(nèi)部進(jìn)行實(shí)時(shí)漫游。整個(gè)全景仿真系統(tǒng)由軟、硬件兩部分組成，如圖1所示。視景生成部分采用專業(yè)圖 形工作站進(jìn)行仿真圖像生成、非線性失真校正以及場(chǎng)景調(diào)度管理；投影顯示部分包括球形 投影屏幕及各通道投影機(jī)。軟件系統(tǒng)采用專業(yè)仿真建模工具Creator和視景仿真驅(qū)動(dòng)軟件 Vega,在Microsoft Visual C++6. 0環(huán)境下，構(gòu)建模型數(shù)據(jù)庫，導(dǎo)入Multigen-Vega運(yùn)行環(huán) 境中實(shí)現(xiàn)交互，進(jìn)行視景模擬。在圖形工作站中利用Creator建立自然場(chǎng)景實(shí)物模型，通過調(diào)度三維驅(qū)動(dòng)軟件 Vega實(shí)時(shí)渲染生成三維全景仿真圖像。通過仿真程序接口獲取實(shí)時(shí)仿真圖像，按照上述三 維變換過程對(duì)其進(jìn)行非線性失真校正處理，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程如圖2所示；將處理后的仿真圖 像按上述調(diào)度算法依次由投影機(jī)端口顯示輸出，場(chǎng)景調(diào)度算法如圖3所示。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 流程如圖4所示。
權(quán)利要求
一種基于球面顯示的360°全景仿真系統(tǒng)，采用并行的計(jì)算方法，其特征在于A.能夠方便、快捷地生成逼真的三維全景仿真圖像；B.對(duì)仿真圖像進(jìn)行非線性校正處理，獲得不失真的球面圖像；C.將各通道球面圖像進(jìn)行拼接并投影輸出，實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)場(chǎng)景顯示，同時(shí)還可進(jìn)行交互漫游；D.針對(duì)不同的場(chǎng)景渲染，采用不同的調(diào)度方式以優(yōu)化算法，進(jìn)而提高場(chǎng)景的實(shí)時(shí)渲染速度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球面顯示的360°全景仿真系統(tǒng)，其特征在于使用專業(yè)仿真 建模及驅(qū)動(dòng)軟件進(jìn)對(duì)三維全景進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，該方法簡單易行、仿真效果逼真。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球面顯示的360°全景仿真系統(tǒng)，其特征在于根據(jù)三維變換對(duì)平面仿真圖像進(jìn)行球面非線性處理校正，得到仿真圖像在球面上的正 確顯示。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球面顯示的360°全景仿真系統(tǒng)，其特征在于將各通道球面圖像進(jìn)行拼接并投影輸出，實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)場(chǎng)景顯示，同時(shí)還可進(jìn)行交互漫游。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球面顯示的360°全景仿真系統(tǒng)，其特征在于針對(duì)不同的場(chǎng)景渲染，采用不同的調(diào)度方式以優(yōu)化算法，進(jìn)而提高場(chǎng)景的實(shí)時(shí)渲染速
全文摘要
本發(fā)明提出了一種并行計(jì)算的仿真方法。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種視景變換和多通道顯示控制器，根據(jù)各個(gè)投影儀在三維空間的不同投影曲面，在Ramdisk中預(yù)先設(shè)定與投影儀對(duì)應(yīng)的顯示存儲(chǔ)單元，從視景生成系統(tǒng)接口將提取的每幀平面圖形送入圖像處理器，通過處理實(shí)現(xiàn)平面圖形的從平面投影至球面的三維變換、及非線性失真較正，然后按照各個(gè)投影儀對(duì)應(yīng)的三維曲面，將這些曲面所對(duì)應(yīng)的區(qū)域按照刷新信號(hào)同步寫入各個(gè)投影儀所對(duì)應(yīng)的Ramdisk顯示存儲(chǔ)單元，完成三維顯示。這種并行計(jì)算方式進(jìn)行圖像處理操作及顯示輸出控制的設(shè)計(jì)方案，極大地提高了系統(tǒng)的處理速度，保證了虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。
文檔編號(hào)G06T15/00GK101968890SQ20091002343
公開日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2009年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月27日
發(fā)明者史忠科, 賀瑩 申請(qǐng)人:西安費(fèi)斯達(dá)自動(dòng)化工程有限公司