基於軟體的環幕幀緩存紋理重貼幾何校正方法
2023-07-20 02:06:51
專利名稱：基於軟體的環幕幀緩存紋理重貼幾何校正方法
技術領域：
本發明屬於計算機應用技術的模擬仿真範疇，涉及投影承接面的圖象幾何畸變引 起的圖象失真的解決方法，具體是基於軟體的環幕幀緩存紋理重貼幾何校正方法。
背景技術：
在大場景模擬仿真中，用非平面承接面投影顯示大場景是近些年國際上普遍採用 的方法，但由此而帶來的圖像幾何畸變問題往往會造成圖像的嚴重失真。國際上普遍 採用幾何校正技術來解決這一問題，但傳統的幾何校正方法主要依靠硬體為主，成本 較高且一次調整費時較長。偉景行在國內的報價按通道收費，每個通道不低於6萬元 人民幣，單通道校正時間約30分鐘。Bacro公司通過其系列校正產品實現校正，其主 要工作方式為通過特定設備發射雷射點陣，然後配合其系列產品中的其他工具進行校 正。其校正效果好，但設備使用複雜，且只針對自己的投影設備進行校正。發明內容本發明的目的是提供一種利用軟體校正非平面承接面投影顯示大場景的幾何變 形引起的圖象失真問題的方法。該方法不需附加硬體，成本低廉，簡單易操作。本發明的目的是這樣達到的； 一種基於軟體的環幕幀緩存紋理重貼幾何校正方 法，其特徵在於對於特定的投影環幕，虛擬一系列的等高線和垂直線，由等高線和 垂直線正交形成等高垂直網格；通過計算將正交形成的網格投影到顯示平面上，這就 是等高垂直網格在幀緩存中對應的位置；再通過投影顯示，將等高垂直網格在投影屏 幕上拉成真正視覺效果上的等高垂直，得到相對位移值；取出幀緩存中的圖像，用新 得到的等高垂直網格進行紋理映射；具體校正步驟包括單通道分配預處理；計算等高垂直網格在幀緩存中的相對位置，並在幀緩存中生成等高垂直網格，等 高垂直網格生成；手動調整，保存網格數據；利用新得到的網格數據對每幀數據進行紋理重新貼圖。所述單通道分配預處理是指在多通道顯示系統中，根據系統的各種限制和配置來 確定多通道中每個單通道所必須滿足的參數，包括解析度、矩形比例、通道數目、通道融合比值、上視角度數。所述等高垂直網格生成是將放在幀緩存中的圖象進行歸一化處理，然後虛擬出若 乾等高線和垂直線，並在幀緩存中生成等高垂直網格，網格數目的設定根據視角角度 的大小確定；計算等高垂直網格在幀緩存中的相對位置，則先確定網格在水平和垂直方向角 度，並定義這兩個角度所在空間的變換得到有空間元素構成的矩陣，利用網格細分後 的一系列交點在幀緩存中勾勒出等高垂直網格的幀緩存對應，計算等高垂直網格在幀 緩存中的相對位置。所述手動調整，保存網格數據是指當網格投影到環幕後對網格的變形進行校正 包括在網格上設定一條基準線，和一個基準點，然後進行部分或整體的梯形校正； 在網格上設定一個基準線，進行曲線校正；單獨對某根線進行單獨校正；單獨對某個 點拉動，改變其坐標位置。所述利用新得到的網格數據對每幀數據進行紋理重新貼圖是指將在計算機GPU幀 緩存中的圖像看成一張整體的紋理，並對其進行重新分割，按照計劃標準對分割後的 紋理進行貼圖。所述上視角度數的確定是先根據實際使用中視角角度，來得到邊緣處角度，然後 依據邊緣處角度計算在三維生成系統中應該設置的上視角角度。所述網格數目的設定根據視角角度的大小確定，當系統水平視角為40度時，網 格數目為20X20格。本發明具有以下積極效果在不依靠外部硬體的條件下，通過處理計算機顯卡的 幀緩存來達到幾何校正的目的，效果十分顯著，且操作簡單容易。與現有的採用硬體 校正方法比較，節約了大量的硬體成本，校正成本低廉，便於推廣。可廣泛用於大 場景模擬仿真，應用前景廣闊。
圖1是本發明的校正方法流程圖。圖2是手動調整操作界面。圖3是校正前的圖象。圖4是通過本發明的方法校正後的圖象。
具體實施方式
附圖給出了本發明的一個具體實施例。後由等高線和垂直線正交形成網格，稱這個網格為等高垂直網格。通過計算將正交形 成的網格投影到顯示平面(近剪裁面)上，這就是等高垂直網格在幀緩存中對應的位 置。然後通過投影顯示，將等高垂直網格在投影屏幕上拉成真正視覺效果上的等高垂 直，得到相對位移值。取出幀緩存中的圖像，用新得到的等高垂直網格進行紋理重貼。紋理重貼圖考慮了投影承接面的幾何特性，實際上是考慮了在平面剪裁時候的非 平面投影，也就是在說在計算機生成圖像時採用的投影剪裁方式將視錐體中的元素投 影到了一個平面，而顯示可以理解為這個視錐體在投影承接面上的重現，如果在非平 面的承接面上重現將會出現極大的偏差。利用本發明的方法改變了其投影面，從而完 成了正確的校正。校正過程按照程序流程進行。進行單通道分配預處理選擇1400X1050作為單通道系統解析度。確定整體水平視野中相鄰通道有10% 的交叉帶用於邊緣融合。為了視覺效果的調整，系統給出一個上視角度數^。限制條件總結如下1) .解析度1400X10502) .矩形比例4 / 33) .通道數目54) .通道融合比值0. 15) .上視角度數為^7"。上視角度數為^^的i^算是第一步，計算每個通道的水平視野寬度。設每個水 平視野寬度為^。那麼有如下方程5*^ — 4*0.1*6 = ;r解方程後可得到每個通道的水平視野範圍值^ = 39.13 (度)第二步，計算每個通道的垂直視野寬度。將虛擬投影點到虛擬投影中點的距離歸一化為l。那麼可以算出在這種情況下水平寬度W:w = 2*tan(/2)通過高度和歸一化的前提可以得到垂直視野的度數々。首先根據系統限定的上視角度數^ a以及投影點到邊緣的半徑長度A ，來計算由水平視點到上角度的長度i = l/cos(0/2)根據限定的高度; 減去上角度高度/2u可以得到下部所剩下的高度/^。由方程可得到(^^為下角度度數，得到垂直視野總度數。但是，得到的度數並不是四個偏移角度，由於環幕的原因，上角度和下角度都是 在投影邊緣處的偏移角度，並不是視錐體的確定角度。為了在設定視錐體的偏移角度 還需要重新計算上下角度的偏移。這個角度其實可以看成在環幕上與投影邊緣最高和 最低點等高點的連線中點在投影虛擬平面上的對應點的角度。通過剛才計算出的半徑 和上下高度可以得到這個角度^和^。由下面方程解出tan(X) = /^/A 其中x = u,d至此得到了兩個上下角度偏移量，其中^^用於等高垂直網格的生成，^用於通道視錐體的設置。進行等高網格的生成對於等高垂直網格的生成，其算法採用等角度分解。這樣分解是基於模擬一個從 投影點發出的一簇視線圓錐，當投影點是一個放在中軸線上的獨立投影點時，那麼同 軸的圓柱體表面和視線圓錐的交線是圓柱上的等高線。對於投影儀來說，投影儀投到 環幕上的垂直像素點中最左邊和最右邊的兩條線是沒有偏移的。這兩條線正好為虛擬 投影平面和實際環幕的交線。兩個上下角度也正好為處於中心點上視線錐體同最高最 低點相交時的視線錐體母線同水平面的夾角。按照水平角度分解的總量和垂直方向分 解的總量即上下角度之和進行角度分解。首先把幀緩存中的圖像尺寸進行歸一化。也 就是說把圖像看成一個長寬均為1的標準正方形。網格數目的設定同水平度數的大小 有一定的關係。通過系列試驗顯示每個網格覆蓋的度數不大於3度時，視覺在2m外 的距離不能區分直線和弧線差別。 一般來講對於現階段採用的單通道水平度數不超過 40度的系統來說，20X20的網格能夠滿足視覺不能察覺的需求，同時也不會對貼圖 造成過重的負擔。等高垂直網格在幀緩存中的相對位置計算為設網格為aXa大小(其中a為正 整數)，水平和垂直方向每步長的角度為首先定義下面兩個空間和這兩個空間之間的一個變換定義1:空間識為投影柱面上的點所組成，如果ae沢，那麼a在投影柱幕上，而且《 = (;/，義)，其中7為交線通過該點的同軸圓錐體母線同水平面的夾角，A為對稱 單通道投影傘面上該點同中線的夾角(以順時針方向為正)。定義2:空間3c口2， 3=
X
，如果ae3那麼它對應了幀緩存中歸一化為單位矩形的圖像上的某個點。定義3:設r為空間沢到空間3的函數(或映射)-.r(a) =b 其中fle9i，6e3 a， b的連線通過投影點；對於r存在逆運算廠'，7 7^==/ 。設formula see original document page 7其中0 S f《20,0 S y《20 ，得至U—個由空間訴中元素構成的矩陣A,對矩陣A中所有元素進行7變換得到空間3中的元素所 組成的矩陣B， B中同行的元素對應的像素投影到柱幕上後應該是等高的。下面完成r變換的推算如上文敘述得到了歸一化情況下環幕的半徑^對於 ae91 ， a = 。那麼可以得到經過變化r後元素b的x值為formula see original document page 7為了確定b的y值。首先定義其水平點位置當高度歸一化為[O,l](最底點為0， 最高點為l)後，其數值-同樣利用上面的計算，可以得到歸一化條件下，連線在平面上投影后從投影點到連線同空間3的交點到平面上的投影的距離formula see original document page 7 利用 7值可以確定在垂直方向的偏移為c/ * tan(/7)，而歸一化後的總高度為|& + &|/ w ， 用偏移量比上高度後得到歸一偏移量q。通過上面的A《得到了y值為P +《。具體化變換r為formula see original document page 8H郝化(_formula see original document page 8用下面的偽代碼完成轉換(設函數convert (a, b)完成上面所定義的轉換r ): For(i = 0; i <= 20; i++) For(j =0; j 〈=20; j++){b(i, j) = convert— -i*^， -0/2 + /*//,) ;}b中所存儲的為轉換後的歸一化的像素點位置，同行的像素如前所述在柱幕上投影后 應該是等高的。同時將b複製給兩個變量pGrid,pTexGrid。 pGrid表示將要調整的網 格坐標，而pTexGrid中存儲的為在沒有調整前每塊紋理所對應的四個點的坐標，也 就是用於分割紋理使用的坐標。在網格調整中，所改變的僅僅是pGrid中的坐標點值， 然後用對應的相鄰四點在pTexGrid中確定的紋理重新貼圖到pGird所確定的新的空 間中。手動調整、保存網格當網格投影到環幕後需要對網格的變形進行校正。本發明編制了網格調整軟體界 面，手動調整，保存網格數據。手動調整包括在網格上設定一條基準線，和一個基準點，然後進行部分或整體的 梯形校正；在網格上設定一個基準線，進行曲線校正；單獨對某根線進行單獨校正； 單獨對某個點拉動，改變其坐標位置。網格調整界面上設置了網格參數設置，包括單屏水平網格數、單屏垂直網格數、 視場視野總寬度、視場視野總高度、單屏水平解析度、單屏垂直解析度、邊緣重疊區 比例、重疊區網格數目、投影通道總數目、視場下視角度數、基於視野劃分網格、對 應下視角度數等。 紋理重貼利用新得到的網格數據對每幀數據進行紋理重新貼圖。通過幀緩存紋理的重新貼 圖，才能完整的實施校正，它是校正技術的最後一步。幀緩存紋理重貼圖是將在計算機GPU幀緩存中的圖像看成一張整體的紋理，並對其 進行重新分割，按照某種標準對分割後的紋理進行貼圖的技術。屏幕是一個矩形的像素數組組成，每個像素都可以在圖像的某個點上顯示一個某 種顏色的微小方塊。在光柵化階段(包括紋理和霧)之後。數據就不再是像素，而是 成為片斷。每個片斷都有與像素對應的坐標數據，以及顏色深度值。然後每個片斷都 將進行一系列的測試和操作。紋理就是矩形的數據數組。例如，顏色數據、亮度數據、顏色和alpha數據。紋 理數組中的單個值常常稱為紋理單元(texel)。紋理貼圖允許粘貼一副圖像到一個多 邊形上，並把整個圖像畫成單個多邊形。紋理貼圖能夠保證當這個多邊形進行變換和 渲染的時候，映射到多邊形上的圖像也能夠表現出正確的行為。通過對幀緩存中紋理的重新貼圖後的圖像，投影到環幕上成為一個沒有幾何變形 的正確圖像，這個圖像保證了從環幕中軸線上的點來觀測環幕上的圖像是完全正確 的，同時這個圖像也為兩個通道屏幕之間的幾何配準準備了條件。由於通道之間有一 定的角度交叉，而網格是按照角度來分解的，所以相同網格中所包含的角度是同樣的。 這樣，在單通道圖像的基礎上，相鄰單通道圖像只要在水平等高線重合，結合正確的 融合角度，圖像的幾何配準就是正確的。
權利要求
1、一種基於軟體的環幕幀緩存紋理重貼幾何校正方法，其特徵在於對於特定的投影環幕，虛擬一系列的等高線和垂直線，由等高線和垂直線正交形成等高垂直網格；通過計算將正交形成的網格投影到顯示平面上，這就是等高垂直網格在幀緩存中對應的位置；再通過投影顯示，將等高垂直網格在投影屏幕上拉成真正視覺效果上的等高垂直，得到相對位移值；取出幀緩存中的圖像，用新得到的等高垂直網格進行紋理映射；具體校正步驟包括單通道分配預處理；計算等高垂直網格在幀緩存中的相對位置，並在幀緩存中生成等高垂直網格，等高垂直網格生成；手動調整，保存網格數據；利用新得到的網格數據對每幀數據進行紋理重新貼圖。
2、 如權利要求1所述的校正方法，其特徵在於所述單通道分配預處理是指在 多通道顯示系統中，根據系統的各種限制和配置來確定多通道中每個單通道所必須滿 足的參數，包括解析度、矩形比例、通道數目、通道融合比值、上視角度數。
3、 如權利要求1所述的校正方法，其特徵在於所述等高垂直網格生成是將放 在幀緩存中的圖象進行歸一化處理，然後虛擬出若干等高線和垂直線，並在幀緩存中 生成等高垂直網格，網格數目的設定根據視角角度的大小確定；計算等高垂直網格在幀緩存中的相對位置，則先確定網格在水平和垂直方向角 度，並定義這兩個角度所在空間的變換得到有空間元素構成的矩陣，利用網格細分後 的一系列交點在幀緩存中勾勒出等高垂直網格的幀緩存對應，計算等高垂直網格在幀 緩存中的相對位置。
4、 如權利要求1所述的校JH方法，其特徵在於所述手動調整，保存網格數據 是指當網格投影到環幕後對網格的變形進行校正包括在網格上設定一條基準線， 和一個基準點，然後進行部分或整體的梯形校正；在網格上設定一個基準線，進行曲 線校正；單獨對某根線進行單獨校正；單獨對某個點拉動，改變其坐標位置。
5、 如權利要求1所述的校正方法，其特徵在於所述利用新得到的網格數據對 每幀數據進行紋理重新貼圖是指將在計算機GPU幀緩存中的圖像看成一張整體的紋 理，並對其進行重新分割，按照計劃標準對分割後的紋理進行貼圖。
6、 如權利要求2所述的校正方法，其特徵在於所述上視角度數的確定是先根 據實際使用中視角角度，來得到邊緣處角度，然後依據邊緣處角度計算在三維生成系 統中應該設置的上視角角度。
7、 如權利要求3所述的校正方法，其特徵在於所述網格數目的設定根據視角角度的大小確定，當系統水平視角為40度時，網格數目為20X20格。
全文摘要
基於軟體的環幕幀緩存紋理重貼幾何校正方法屬計算機仿真範疇。對特定的投影環幕，虛擬一系列的等高線和垂直線，由等高線和垂直線正交形成等高垂直網格，通過計算將正交形成的網格投影到顯示平面上，這是幀緩存對應的位置，再通過投影顯示，將等高垂直網格在投影屏幕上拉成真正視覺效果上的等高垂直，得到相對位移值後取出幀緩存中的圖像，用新得到的等高垂直網格進行紋理映射。包括單通道分配預處理；等高垂直網格生成；手動調整，保存網格數據；利用新得到的網格數據對每幀數據進行紋理重新貼圖等幾個步驟。本發明利用軟體解決非平面承接面的圖象失真問題，不需增加新的硬體，成本低廉，操作簡單，應用前景廣闊。
文檔編號G06T5/00GK101221658SQ20071005091
公開日2008年7月16日 申請日期2007年12月20日 優先權日2007年12月20日
發明者翔 張, 母攀良 申請人:四川川大智勝軟體股份有限公司