球幕簡(jiǎn)介
球幕投影，是一種新興的展示技術(shù)，它打破了以往投影圖像只能是平面規(guī)則圖形的局限。利用多通道邊緣融合軟件，在曲面上實(shí)現(xiàn)大尺寸圖像的拼接和糾正，剔除投影畫(huà)面在曲面上的變形，形成特殊曲面乃至球面的全景影像，帶來(lái)前所未有的夢(mèng)幻體驗(yàn)。
球幕投影系統(tǒng)利用在曲面上實(shí)現(xiàn)大尺寸圖像內(nèi)容的無(wú)縫拼接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)特殊曲面甚至球面的全景影像，給用戶(hù)以先進(jìn)的科技體驗(yàn)。用戶(hù)可以360度，全方位的對(duì)球體投影的內(nèi)容進(jìn)行感知，增加了用戶(hù)獲取信息的信息量，對(duì)于一些在球體上才能較好表現(xiàn)的事物提供了優(yōu)秀的表現(xiàn)平臺(tái)。給觀(guān)眾帶來(lái)新穎的視覺(jué)體驗(yàn)，讓觀(guān)眾感受到強(qiáng)烈的視覺(jué)震撼和身臨其境的感覺(jué)。
球幕投影是指使用一臺(tái)或多臺(tái)投影機(jī)，在球形屏幕上投影出完整連續(xù)的畫(huà)面。球幕投影可以表現(xiàn)出高分辨率、大視角范圍的顯示效果，可以給觀(guān)眾帶來(lái)新穎的視覺(jué)體驗(yàn)，讓觀(guān)眾感受到強(qiáng)烈的視覺(jué)震撼和身臨其境的感覺(jué)。
球幕投影技術(shù)目前主要應(yīng)用在大型球幕影院(數(shù)字天文館)、大型科技館、球形廣告。球幕投影技術(shù)的另外一個(gè)主要應(yīng)用是模擬仿真領(lǐng)域。
360度穹頂式球幕投影非常便于展示宇宙空間或星空?qǐng)鼍�，所以穹頂�?a href=http://m.radiusworld.cn/qmxt/ target=_blank>球幕多用于影院、天象廳等應(yīng)用。例如北京天文館新館(該系統(tǒng)使用了7臺(tái)激光投影機(jī)，由7臺(tái)SGI工作站實(shí)現(xiàn)球幕視頻播放)；中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)建設(shè)的數(shù)字天象廳(球幕直徑8米，五通道投影，屏幕分辨率為2K×2K，約400萬(wàn)像素)。
作為一種新穎的大屏幕顯示形式，除了數(shù)字天象廳應(yīng)用，目前球幕投影技術(shù)越來(lái)越多應(yīng)用于科技場(chǎng)館展示。
（1）球幕投影原理一.球幕投影坐標(biāo)
近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)己經(jīng)成為計(jì)算機(jī)視覺(jué)、圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能研究的熱點(diǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也開(kāi)始得到廣泛的應(yīng)用，如房地產(chǎn)、展覽會(huì)館、娛樂(lè)等�；趫D像繪制技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)，比傳統(tǒng)的三維建模構(gòu)造的虛擬現(xiàn)實(shí)方法更加簡(jiǎn)單、有效，而且構(gòu)造的場(chǎng)景逼真度高，對(duì)場(chǎng)景處理只與圖像分辨率有關(guān)，與場(chǎng)景復(fù)雜度無(wú)關(guān)。
球幕投影技術(shù)采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)制作360度球幕虛擬場(chǎng)景。由于球幕投影的內(nèi)容要做到對(duì)大視角(超過(guò)180度)空間進(jìn)行全面的顯示。所以球幕系統(tǒng)中使用的魚(yú)眼投影對(duì)球面，特別是虛擬球體時(shí)要能產(chǎn)生立體沉浸效果。在計(jì)算機(jī)圖形繪制中，魚(yú)眼投影通常有兩種情況，正交魚(yú)眼圖像和等距魚(yú)眼圖像，前者會(huì)造成天頂處的拉伸和赤道處的壓縮，而后者則能夠?qū)崿F(xiàn)象素在球面上的平均分布。
1、正交魚(yú)眼投影
正交魚(yú)眼投影是把半球面上的點(diǎn)平行投影到平面上，在圖像平面上得到一個(gè)圓形的投影圖像。半球投影視角范圍最大到180度。在0度附近，投影圖像幾乎沒(méi)有變形，但是在平面的最外邊緣(接近90度)，圖像變形很大，這個(gè)地方的圖像看起來(lái)顯得比較擁擠。由于正交魚(yú)眼投影的這種放射性的變形，在球幕邊緣信息丟失嚴(yán)重，因此在實(shí)際應(yīng)用中比等距魚(yú)眼投影要少。
2、等距魚(yú)眼投影
等距魚(yú)眼投影的定義是，投影圖像上的點(diǎn)到圖像中心的距離和球面上對(duì)應(yīng)點(diǎn)與球心連線(xiàn)到照相機(jī)的光軸的方向角成比例。在等距魚(yú)眼投影圖像上，整個(gè)圖像分布幾乎是均勻的。等距魚(yú)眼投影視角范圍最大可以到360度。但是360度的等距魚(yú)眼投影圖像最外邊緣是在一個(gè)點(diǎn)附近投影到圖像平面上的，因此很不容易理解。可以看出，投影圖像上的點(diǎn)離中心距離和投影球面上點(diǎn)到光軸的角度是直接映射的。180度的等距魚(yú)眼投影只有一半場(chǎng)景投影到圖像平面上，360度可以投影全部的場(chǎng)景。
（2）球幕投影原理二：經(jīng)緯映射圖像
球面描述常用的方法是球面經(jīng)緯映射圖像。這種經(jīng)緯映射圖像方法雖然在繪圖學(xué)很少應(yīng)用，但是在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中卻得到了廣泛的使用，因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)上存儲(chǔ)單位球是很困難的，把球面分成小片非常復(fù)雜。球面的經(jīng)緯映射圖像就是把單位球面上的點(diǎn)按經(jīng)緯度映射到一個(gè)矩形紋理圖像上的點(diǎn)，經(jīng)度映射成矩形的水平坐標(biāo)，緯度映射成垂直坐標(biāo)，矩形的長(zhǎng)寬比為2:1，經(jīng)度從0到360度，緯度從-90到90度。這樣，球面極坐標(biāo)可以直接使用矩形紋理圖像的水平垂直坐標(biāo)。在這個(gè)紋理圖像中，最明顯的變形就是水平方向的拉伸變形，在赤道上幾乎沒(méi)有拉伸變形，越接近南北極點(diǎn)，變形就越厲害，幾乎拉伸到圖像的整個(gè)寬度。
圖2是單位球面上的P點(diǎn)和在經(jīng)緯映射平面上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的關(guān)系。常見(jiàn)的矩形世界地圖就是的經(jīng)緯映射紋理圖像。這種投影方式在小型360度內(nèi)投球中應(yīng)用比較多。
球幕3D校正
用球幕投影系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)仿真應(yīng)用時(shí)，要將多個(gè)通道的3D虛擬場(chǎng)景顯示在球幕上，不同通道顯示的畫(huà)面要能夠拼接起來(lái)，而且拼接后的畫(huà)面要符合3D虛擬場(chǎng)景的空間坐標(biāo)關(guān)系。
由于投影機(jī)安裝位置和觀(guān)眾觀(guān)看位置(EyePoint)是不相同的，而且可能一套系統(tǒng)是由多個(gè)投影機(jī)組成。所以需要對(duì)不同投影機(jī)投影的畫(huà)面進(jìn)行3D幾何校正。
一般來(lái)說(shuō)，投影點(diǎn)和需要的眼點(diǎn)都可能在球幕內(nèi)的任意位置。如果投影點(diǎn)或觀(guān)察點(diǎn)任意一個(gè)沒(méi)有在球幕中心，則必須使用校正。校正一個(gè)點(diǎn)的過(guò)程相對(duì)直觀(guān)。
邊緣融合
為了實(shí)現(xiàn)多臺(tái)投影機(jī)畫(huà)面的無(wú)縫拼接，需要實(shí)現(xiàn)不同投影機(jī)畫(huà)面之間的邊緣融合(EdgeBlending)。在通過(guò)球幕幾何校正實(shí)現(xiàn)多個(gè)畫(huà)面的拼接后，需要計(jì)算各個(gè)通道圖像的重疊區(qū)域，再根據(jù)重疊區(qū)域的位置，計(jì)算出實(shí)際投影圖像的亮度衰減系數(shù)。
球幕投影系統(tǒng)
以球幕數(shù)字天象廳為例，說(shuō)明球幕投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
球幕數(shù)字天象廳需要運(yùn)行互動(dòng)三維程序，也需要播放高清視頻。系統(tǒng)使用N+1的典型球幕拼接方式，這種方式按照球幕經(jīng)緯度排列，投影畫(huà)面分布較均勻。
球幕直徑為10米，畫(huà)面由6臺(tái)高亮度投影機(jī)拼接而成。信號(hào)源是三臺(tái)圖形工作站，每臺(tái)工作站可輸出兩個(gè)通道的信號(hào)。圖形工作站輸出的畫(huà)面經(jīng)過(guò)仿真融合機(jī)處理，實(shí)現(xiàn)球形預(yù)變形、色彩校正和邊緣融合，從而實(shí)現(xiàn)拼接。系統(tǒng)有三維仿真模式和視頻播放模式，這兩種運(yùn)行模式。三維仿真模式下，多臺(tái)工作站同步運(yùn)行三維互動(dòng)程序，包括二維、三維星空軟件，三維仿真軟件等。多臺(tái)工作站分布式輸出多路原始圖像信號(hào)，經(jīng)過(guò)CG仿真融合機(jī)的球幕3D校正，結(jié)合了屏幕參數(shù)、觀(guān)眾視域參數(shù)，使三維仿真系統(tǒng)的輸出畫(huà)面符合真實(shí)三維空間關(guān)系�？梢詽M(mǎn)足軍事訓(xùn)練、科研等應(yīng)用對(duì)畫(huà)面質(zhì)量和仿真準(zhǔn)確性的高要求。
影片播放模式下，多臺(tái)工作站同步播放高清球幕影片。系統(tǒng)不使用3D校正功能，而是直接對(duì)單個(gè)高清球幕視頻，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分割通道和播出。系統(tǒng)最大可支持2K×2K分辨率的球幕視頻。用戶(hù)只需購(gòu)買(mǎi)高質(zhì)量球幕視頻文件，即可實(shí)現(xiàn)多通道同步播放，無(wú)需對(duì)視頻文件進(jìn)行后期處理。
對(duì)于超過(guò)2K×2K分辨率的視頻文件，為了能夠流暢播放，則需要處理成多個(gè)視頻片段，再提交給多臺(tái)工作站分布式播放。
特點(diǎn)
球形投影是一種創(chuàng)意投影表現(xiàn)方式，隨著在一些展覽展會(huì)、演唱會(huì)、大型文藝晚會(huì)中應(yīng)用，曝光率逐年的提升。這個(gè)充滿(mǎn)魔幻的球體，利用在曲面上實(shí)現(xiàn)大尺寸圖像內(nèi)容的無(wú)縫拼接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)特殊曲面甚至球面的全景影像，給用戶(hù)以先進(jìn)的科技體驗(yàn)，這種投射形式技術(shù)難，要求高，屬于較為高端的投影技術(shù)。用戶(hù)可以360度，全方位的對(duì)球體投影的內(nèi)容進(jìn)行感知，增加了用戶(hù)的信息量獲取，對(duì)于一些在球體上才能較好表現(xiàn)的事物提供了優(yōu)秀的表現(xiàn)平臺(tái)。
應(yīng)用領(lǐng)域
球幕投影具有超高的通用性、易用性、可用性，使用場(chǎng)所廣泛于空間科學(xué)中心、在天文臺(tái)、地震局，宇航局、學(xué)校、博物館，展覽館等場(chǎng)所。通過(guò)動(dòng)畫(huà)和圖像等表現(xiàn)方式，展示有關(guān)地球、衛(wèi)星、行星、地震、海洋、大氣、太陽(yáng)等內(nèi)容，比如展示地球的模型，另外它還可以根據(jù)需要表現(xiàn)用戶(hù)想要表現(xiàn)的所有內(nèi)容。
