一種利用多臺攝像機生成魚眼效果圖片的方法
2023-11-09 10:24:52 1
專利名稱：一種利用多臺攝像機生成魚眼效果圖片的方法
技術領域：
本發明涉及數字電影技術，具體涉及一種採用光學原理和計算機圖形學技術，利用9臺攝像機對真實視場拍攝，生成具有魚眼效果圖片適合於在曲面屏幕上投影成像的方法。
背景技術：
隨著高科技娛樂設備的不斷發展，出現許多新型的娛樂設備，其中半球幕電影，其巨大的曲幕能環繞在觀眾面前，使觀眾有身臨其境的感覺；現有技術中製作半球幕有不同的拍攝和製作方法，主要包括用魚眼攝像機實景拍攝、全數碼製作，或用實景與數碼共同製作等方式。實景用魚眼拍攝，數碼製作同樣要用能生成魚眼效果與之相匹配，數碼製作魚眼效果的方法有下列幾種方法，但各自都有自身的缺點1、直接渲染成像，但這樣的方法會受至於軟體的功能，因為不是所有軟體都支持直接渲染魚眼效果。2、光線跟蹤的方法，這樣的方法受軟體制約相對較小，但由於光線跟蹤計算巨大，使渲染成本大大增加。3、使用21臺攝像機根據光線可逆的方法得出魚眼效果，這樣的方法不受軟體的影響，而且只是用一般的方法進行圖片渲染，不用增加運算量，所以不用加大渲染成本，但由於是多臺攝像機渲染圖像拼接，如果要編輯這些圖像的時候，如果涉及修改的效果需要跨越多張(兩張或兩張以上)圖片的時候，就會出現拼接的問題，使後期編輯能力降低，這樣必須在三維環境中製作， 不能在工作量更低的二維環境中編輯。所以現有技術存在不足，需要改進和提高。
發明內容
本發明的目的在於提供一種利用多臺攝像機生成魚眼效果圖片的方法，解決了現有技術圖片渲染成本大，運算複雜的問題。本發明是這樣實現的，一種利用多臺攝像機生成魚眼效果圖像的方法，其特徵在於，所述方法包括如下步驟
A、將至少3組攝像機組合排列，所述3組攝像機中的一臺攝像機被放置在中間作為定位參考攝像機，所述定位參考攝像機周圍均勻分布多臺不同角度的攝像機；
B、利用所述3組攝像機組合採集不同視角的圖像，通過對所述3組攝像機渲染出來的所述圖像進行合併，將合併後的所述圖像進行變形處理得到具有魚眼效果圖像。其中，所述步驟A中所述3組攝像機的組合排列具體包括如下處理
Al、所述3組攝像機為頂部組，中間組和底部組，所述頂部組，中間組和底部組每組均包括3臺攝像機，所述每組中的三臺攝像機以左中右排列形式被分別對應排列在頂部，中間和底部位置；
A2、所述中間組的中間位置攝像機作為所述定位參考攝像機，所述定位參考攝像機周圍均勻分布8臺攝像機，所述8臺攝像機為所述中間組左右兩臺攝像機以及所述頂部組和底部組中的6臺攝像機；
A3、所述8臺攝像機分別以所述定位參考攝像機為基準進行不同角度和方向的旋轉。其中，圍繞所述定位參考攝像機縱向和橫向位置處的所述中間組左右兩側的攝像機以及所述頂部組或底部組中間位置的攝像機是以所述定位參考攝像機為基準來設置轉角和方向，所述頂部組或底部組左右兩側的攝像機分別以所述頂部組和底部組中間位置的所述攝像機為基準來設置其轉角和方向。其中，所述中間組左右兩側的攝像機以所述定位參考攝像機為基準分別向左或向右旋轉60度，所述頂部組或底部組中間位置的攝像機以所述定位參考攝像機為基準分別向上仰角或向下俯角60度，所述頂部組左右兩側的攝像機以所述頂部組中間位置的攝像機為基準分別向左旋轉45度並向上仰角60度或向右旋轉45度並向上仰角60度，所述底部組左右兩側的攝像機分別以所述底部組中間位置的所述攝像機為基準分別向左旋轉45 度並向下俯角60度或向右旋轉45度並向下俯角60度。其中，設置所述定位參考攝像機可視角度為60度。其中，所述步驟B中對所述3組攝像機渲染出來的圖像進行合併，變形具體包括如下處理
Bi、所述3組攝像機組合拍攝，獲取所需畫面，將各角度攝像機渲染出來的圖像重疊部分剪切，使所述定位參考攝像機的投影平面為等邊八邊形，圍繞所述定位參考攝像機周圍的8臺不同角度攝像機投影平面分別為大小相等的梯形，所述8個梯形被平均分布在所述等邊八邊形的周圍形成一拱形結構三維圖形；
B2、將所述拱形結構三維圖形中的每個梯形以所述定位參考攝像機的投影平面為基準進行旋轉，使所述8臺攝像機投影平面投影至所述定位參考攝像機的投影平面上，形成二維圖形投影面；
B3、將所述二維圖形投影面與魚眼攝像機投影面相對關係進行比對，對所述二維圖形投影面進行變形處理，生成具有魚眼效果圖像。其中，將所述拱形結構立體圖形中的每個梯形以所述定位參考攝像機的投影平面為基準旋轉60度。本發明的有益效果為本發明提供一種利用9臺攝像機生成魚眼效果圖片的方法，通過將其中一臺攝像機放置在其它8臺攝像機中間作為定位參考，對置於其相鄰位置的其它8臺攝像機進行不同角度的旋轉，將9臺攝像機拍攝出來不同角度的圖片進行渲染， 合併和變形處理生成具有魚眼效果的圖片，該方法所採用的多臺攝像機以特定角度組合拍攝的方式無縫接合半球形圖，其圖片渲染成本低，運算簡單，實現適合在曲面屏幕上投影真實影像畫面。
圖1是本發明的方法流程圖。圖2是本發明9臺攝像機的位置示意圖。圖3是本發明9臺攝像機圖像採集後的投影平面示意圖。圖4是攝像機圖像之間重疊部分示意圖。圖5是是本發明9臺攝像機投影平面示意圖。
圖6是本發明9臺攝像機旋轉後形成的二維圖形投影面。圖7為本發明9臺攝像機投影平面與魚眼攝像機投影平面對應圖。圖8為魚眼攝像機成像原理示意圖。圖9為本發明變形後的魚眼效果圖。
具體實施例方式為了解決現有技術中所存在的渲染成本大，運算複雜等的問題，本發明提供了一種利用多臺攝像機生成魚眼效果圖片的方法，該方法核心為本發明是採用光學原理和計算機圖形學技術，根據真實視場與成像的對應關係，把生成魚眼效果的過程分成兩步進行， 首先利用9臺攝像機組合拍攝不同視角的畫面，通過將其中一臺攝像機放置在其它8臺攝像機中間作為定位參考，對置於其相鄰位置的其它8臺攝像機進行不同角度的旋轉，對9 臺攝像機拍攝出來不同角度的圖片進行渲染，其對應的空間位置，利用投影的方法投影到平面上並合併，生成二維圖形實現在二維環境下對合併後的圖像進行編輯；然後根據真實視場與魚眼圖片的對應關係，將處理後的二維圖形投影面與魚眼攝像機投影面的相對關係進行比對，對二維圖形投影面進行變形處理，生成具有的魚眼效果圖像並輸出最終圖像，由於本發明採用9臺攝像機以特定角度組合拍攝的方式實現無縫接合半球形圖，不受軟體影響，不需要增加計算量，並可以進行二維環境編輯的多圖片合成生成魚眼效果的方法。為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚、明確，以下參考附圖並舉實施例對本發明進一步詳細說明。附圖1所示，本發明的方法具體包括如下步驟
5201、利用9臺攝像機進行組合拍攝，每個攝像機旋轉角度，採集不同視角的圖像；
5202、利用空間投影合併圖像；
5203、在二維環境下編輯圖像；
5204、根據魚眼攝像機投影面的相對關係，對編輯後的圖像進行變形處理得到魚眼效果的圖像。根據上面描述的方法，下面根據附圖2至附圖9進行詳細說明；本發明是通過9 個角度渲染出來的圖片合併後製作而成的，因為人的一隻眼睛正對前方時，可視角度大約為60度，所以根據這個原理，利用3組數碼攝像機，分別是頂部組，中間組，底部組，每個組裡分別有左、中、右的攝像機，詳見附圖2所示，其中9臺攝像機可使用支架進行固定，但並不受此限制，9臺攝像機包括三組攝像機，每組中的三臺攝像機以左中右排列形式被分別對應置於支架的頂部，中間和底部位置，所述頂部組包括攝像機101置於頂部的左側位置， 攝像機102置於頂部的中間位置，攝像機103置於頂部的右側位置，所述中間組包括攝像機 104置於中間的左側位置，攝像機105置於中間的中間位置，攝像機106置於中間的右側位置，所述底部組包括攝像機107置於底部的左側位置，攝像機108置於底部的中間位置，攝像機109置於底部的右側位置，其中攝像機105為本發明的定位參考攝像機，其它8臺攝像機均勻分布在定位參考攝像機105的周圍，為了拍攝具有180度的圖像，本發明將9臺攝像機按如下方法設置攝像機105的視角為60度，圍繞攝像機105周圍的所有攝像機以中間組的中攝像機(用M表示)為基礎，中間組的左側攝像機104 (用ML表示)就是以中攝像機 105為基準往左旋轉60度，中間組右側攝像機106 (用MR表示)就是以中攝像機105為基準往右旋轉60度，頂部組裡的中攝像機102 (用UM表示)就是以中間組的中攝像機105為基準往向上旋轉60度(仰角60度)，頂部組裡的左側攝像機101 (用UL表示)以頂部組裡面的中攝像機102為基準往左旋轉45度並仰角60度，頂部組裡的右攝像機103 (用UR表示) 以頂部組裡面的中攝像機102為基準往右旋轉45度並仰角60度，底部組裡的中攝像機108 (用DM表示)以中間組裡面的中攝像機105為基準往向下旋轉60度(俯角60度)，底部組裡的左側攝像機107 (用DL表示)就是以頂部組裡面的中攝像機108為基準往左旋轉45度並俯角60度，底部組裡的右側攝像機109 (用DR表示)就是以底部組裡面的中攝像機108 為基準往右旋轉45度並俯角60度，由此得到9個數碼攝像機的三維圖像，攝像機以上述形式布置後可得到的四面八方(即180度)的光線連續平均進入到人的觀看點。假設攝像機所視角度的所有光線沿路返回，在某平面相交，此平面為投影平面，附圖3為9臺攝像機在離各自距離N處的投影平面示意圖，9臺攝像機的視角存在重疊(每臺攝像機拍攝後的圖像為正方形)，由於攝像機設置的角度不同，每相鄰兩臺攝像機之間都有重疊部分，重疊部分為圖中虛線部分顯示，由於圖像重疊，所顯示的色彩信息是相同的；由於8臺攝像機是由中間組的中攝像機105基礎生成出來的，8臺攝像機是為了補齊中間組的中攝像機105無法觀看到的角度，由圖3可見其它8臺攝像機是平均分布在中間組中攝像機105的的八個方向；以附圖4說明兩個相鄰攝像機之間的圖像重疊，圖4中以兩臺攝像機104和攝像機105為例說明兩者的重疊部分，其中Nm是攝像機105在離距離N處的投影平面，而NMl是攝像機104在離距離N處的投影平面，L為攝像機104和攝像機105兩個投影平面的相交線，、和SML分別是攝像機105和攝像機104投影面的重疊部分(圖中虛線和相交線構成了、和Stt的重疊面)，去除重疊部分。下面根據圖3進一步說明如何剪切圖像重疊部分，由於本發明9臺攝像機是以中間一臺攝像機為基準，其它8臺攝像機圍繞中間攝像機組合成像，中間攝像機105視角60度，而外圍的8臺攝像機以中間攝像機為基準上下左右不同方向旋轉拍攝圖像，設置中間攝像機105拍攝的圖像為正方形，周圍8臺攝像機 (成像也為正方形)與中間攝像機105圖像有60度的角度差，而且8臺攝像機相鄰攝像機之間也互有角度，每相鄰兩臺攝像機之間都有相交面，相交面就是每相鄰兩臺攝像機之間的實線(例如圖3中用Ll所指示的實線部分就是相鄰兩個攝像機101和攝像機104投影面的交線，用L2所指示的實線部分就是相鄰兩個攝像機101和攝像機105投影面的交線)，並且Sml和Sul分別是攝像機104與攝像機101相鄰兩個投影面之間的重疊部，而S2是攝像機105和攝像機101之間的重疊部，中間攝像機105與周圍所有攝像機重疊部分都與S2相同，圖中呈三角形(兩條虛線和實線L2部分)，將中間攝像機105與周圍每臺攝像機重疊部分(例如S2部分)剪切，使中間攝像機105的成像為等邊八邊形；
而圍繞四周的8臺攝像機每相鄰兩個圖像之間的重疊部都具有與Sml和Sul相同部分的重疊，Sml就是與攝像機UL (101)重疊部分，Sul就是與攝像機ML (104)重疊部分，將圖 3中每相鄰部分重疊的面積剪切(如剪切攝像機104與攝像機101相互之間的重疊面積Sml 和Sul)，同樣道理，每個相鄰兩個攝像機之間都有相同於Sml和Sul的重疊部，從圖3中可得到攝像機104減去與它相鄰的攝像機101和攝像機107的重疊部分後其呈梯形形狀，圍繞中間組中間位置攝像機105的其它攝像機和攝像機104的剪切重疊部分的方法相同，此處不做詳述。剪切後使所述定位參考攝像機105的投影平面為等邊八邊形，圍繞定位參考攝像機105周圍的8臺不同角度攝像機投影平面分別為大小相等的梯形，8個梯形被平均分布在等邊八邊形的周圍形成一拱形結構立體圖形，見圖5所示，圖5為去除重疊部分後的示意圖，由圖可以看出，這9個攝像機的視角全部覆蓋180度半球的所有角度(即與180度魚眼相機視角相同)。如前所述，其他8個攝像機圖像都是由M攝像機105旋轉60度得到的，將上面拱形結構立體圖形中的每個梯形以M攝像機105的投影平面為基準進行旋轉，使8臺攝像機投影平面投影至M攝像機105105的投影平面上，形成二維圖形投影面，其實現方法如圖5， 以UM攝像機102為例來說明該平面圖像的旋轉，利用矢量旋轉公式，od直接旋轉60度得到od 〃 (0e d 〃為M攝像機投影平面上的線)，(od中的d是平面UM上的一個點，od是從 ο指向d點的空間矢量)，這樣使UM攝像機102投影平面與M攝像機105的投影平面為同一平面；用這樣的方法就可以得到其它7臺攝像機投影平面投影到M攝像機105平面的結果(如圖6所示)，得到的圖片為拼接後的結果，在形成的二維圖形投影面這個結果上，可以加入大量二維環境下的編輯命令以及元素，比如可以根據圖像需要分別加入色彩、亮度等用於美化圖像的元素，由於二維環境的製作效率比三維環境的高，所以就能使效率提高。
將處理編輯後的二維圖形投影面與魚眼攝像機投影面相對關係進行比對，對該二維圖形投影面進行變形處理，生成具有半球形形狀的魚眼效果圖像，見圖7所示，由於9個攝像機渲染出來的圖片的視角是連續均勻的，圖像是無縫、平滑、連續，這些特徵都與魚眼攝像機渲染出來的圖像特徵一樣，那麼它們就存在相對應的關係，通過魚眼攝像機，利用光線沿路返回計算得出魚眼相機的投影到距離N處的投影面，由於魚眼圖像的每個點都離攝像距離為N，所以魚眼的投影面是個半球型。由於光線是是直線傳播的，所有只要在同一矢量方向的圖像色彩信息都相同，將9 個攝像的所有投影平面的點沿光的方向移動到距離為N的魚眼攝像的投影面上，這樣就能計算出9個攝像機與魚眼的相對應關係，然後按魚眼攝像機成像原理，如圖8所示，可利用折射公式計算出魚眼攝像機與本發明9臺攝像機的成像對應關係，根據光線的折射原理， 通過折射率計算魚眼投影面上的點與成像平面上的點的對應關係，具體如何計算兩者之間的對應關係和變形技術是本領域的慣用技術，此處不做詳述；按照兩者的對應關係合併圖像，對合併的圖像進行變形最終得到具有魚眼效果的圖像，如圖9所示，最後將該圖像輸出至適合於在曲面屏幕上放映。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種利用多臺攝像機生成魚眼效果圖像的方法，其特徵在於，所述方法包括如下步驟A、將至少3組攝像機組合排列，所述3組攝像機中的一臺攝像機被放置在中間作為定位參考攝像機，所述定位參考攝像機周圍均勻分布多臺不同角度的攝像機；B、利用所述3組攝像機組合採集不同視角的圖像，通過對所述3組攝像機渲染出來的圖像進行合併，將合併後的所述圖像進行變形處理得到具有魚眼效果圖像。
2.根據權利要求1所述的利用多臺攝像機生成魚眼效果圖像的方法，其特徵在於所述步驟A中所述3組攝像機的組合排列具體包括如下處理Al、所述3組攝像機為頂部組，中間組和底部組，所述頂部組，中間組和底部組每組均包括3臺攝像機，所述每組中的三臺攝像機以左中右排列形式被分別對應排列在頂部，中間和底部位置；A2、所述中間組的中間位置攝像機作為所述定位參考攝像機，所述定位參考攝像機周圍均勻分布8臺攝像機，所述8臺攝像機為所述中間組左右兩臺攝像機以及所述頂部組和底部組中的6臺攝像機；A3、所述8臺攝像機分別以所述定位參考攝像機為基準進行不同角度和方向的旋轉。
3.根據權利要求2所述的利用多臺攝像機生成魚眼效果圖像的方法，其特徵在於圍繞所述定位參考攝像機縱向和橫向位置處的所述中間組左右兩側的攝像機以及所述頂部組或底部組中間位置的攝像機是以所述定位參考攝像機為基準來設置轉角和方向，所述頂部組或底部組左右兩側的攝像機分別以所述頂部組和底部組中間位置的所述攝像機為基準來設置其轉角和方向。
4.根據權利要求3所述的利用多臺攝像機生成魚眼效果圖像的方法，其特徵在於所述中間組左右兩側的攝像機以所述定位參考攝像機為基準分別向左或向右旋轉60度，所述頂部組或底部組中間位置的攝像機以所述定位參考攝像機為基準分別向上仰角或向下俯角60度，所述頂部組左右兩側的攝像機以所述頂部組中間位置的攝像機為基準分別向左旋轉45度並向上仰角60度或向右旋轉45度並向上仰角60度，所述底部組左右兩側的攝像機分別以所述底部組中間位置的所述攝像機為基準分別向左旋轉45度並向下俯角60 度或向右旋轉45度並向下俯角60度。
5.根據權利要求2所述的利用多臺攝像機生成魚眼效果圖像的方法，其特徵在於設置所述定位參考攝像機可視角度為60度。
6.根據權利要求1所述的利用多臺攝像機生成魚眼效果圖像的方法，其特徵在於所述步驟B中對所述3組攝像機渲染出來的圖像進行合併，變形具體包括如下處理Bi、所述3組攝像機組合拍攝，獲取所需畫面，將各角度攝像機渲染出來的圖像重疊部分剪切，使所述定位參考攝像機的投影平面為等邊八邊形，圍繞所述定位參考攝像機周圍的8臺不同角度攝像機投影平面分別為大小相等的梯形，所述8個梯形被平均分布在所述等邊八邊形的周圍形成一拱形結構三維圖形；B2、將所述拱形結構三維圖形中的每個梯形以所述定位參考攝像機的投影平面為基準進行旋轉，使所述8臺攝像機投影平面投影至所述定位參考攝像機的投影平面上，形成二維圖形投影面；B3、將所述二維圖形投影面與魚眼攝像機投影面相對關係進行比對，對所述二維圖形投影面進行變形處理，生成具有魚眼效果的圖像。
7.根據權利要求6所述的利用多臺攝像機生成魚眼效果圖像的方法，其特徵在於將所述拱形結構立體圖形中的每個梯形以所述定位參考攝像機的投影平面為基準旋轉60度。
全文摘要
本發明一種利用多臺攝像機生成魚眼效果圖片的方法涉及數字電影技術，具體涉及一種採用光學原理和計算機圖形學技術，利用9臺攝像機對真實視場拍攝，生成具有魚眼效果圖片適合於在曲面屏幕上投影成像的方法，該方法包括將9臺攝像機組合排列，其中一臺攝像機被放置在中間作為定位參考攝像機，定位參考攝像機周圍均勻分布8臺不同角度的攝像機；利用9臺攝像機組合採集不同視角的圖像，通過對9臺渲染出來的圖像進行合併，將合併後的圖像進行變形處理得到具有魚眼效果圖像，該方法所採用的多臺攝像機以特定角度組合拍攝的方式可實現無縫接合半球形圖，其圖片渲染成本低，運算簡單，適合於在曲面屏幕上投影真實影像畫面。
文檔編號G03B37/00GK102340633SQ20111031638
公開日2012年2月1日 申請日期2011年10月18日 優先權日2011年10月18日
發明者楊兵, 潘勇, 章樂平 申請人:深圳市遠望淦拓科技有限公司