球幕電影投影系統(tǒng)介紹和案例應(yīng)用

圖1： 10米球幕影院

球幕電影作為未來的電影方式，目前已從高大上的單純用于科技館和天文館的科技產(chǎn)品，廣泛運(yùn)用于大眾日常生活。以我們的球幕電影應(yīng)用案例來說，除了國內(nèi)科技館和天文館進(jìn)行科普活動(dòng)外，還應(yīng)用于品牌宣傳。如發(fā)布會(huì)，房地產(chǎn)策劃活動(dòng)，音樂會(huì)，旅游景區(qū)，活動(dòng)。移動(dòng)球幕影院以震憾性效果。

球幕投影可以表現(xiàn)出高分辨率、大視角范圍的顯示效果，可以給觀眾帶來新穎的視覺體驗(yàn)，讓觀眾感受到強(qiáng)烈的視覺震撼和身臨其境的感覺。

概述

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，可以給觀眾帶來新穎的視覺體驗(yàn)，讓觀眾感受到強(qiáng)烈的視覺震撼和身臨其境的感覺。

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)鼍埃择讽斒角蚰欢嘤糜谟霸?、天象廳等應(yīng)用?？萍拣^(該系統(tǒng)使用了性價(jià)比DLP投影系統(tǒng))；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)越來越多應(yīng)用于科技場館展示。移動(dòng)式球幕影院更多運(yùn)用于商業(yè)活動(dòng)，比如發(fā)布會(huì)，品牌宣傳推廣活動(dòng)，商場運(yùn)營，景區(qū)觀光點(diǎn)旅游點(diǎn)，科普活動(dòng)，音樂會(huì)，策劃活動(dòng)房地產(chǎn)活動(dòng)等

圖2：6米球幕電影工作室

球幕投影原理

一.球幕投影坐標(biāo)

近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)己經(jīng)成為計(jì)算機(jī)視覺、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)也開始得到廣泛的應(yīng)用，如房地產(chǎn)、展覽會(huì)館、娛樂等?；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)方法更加簡單、有效，而且構(gòu)造的場景逼真度高，對(duì)場景處理只與圖像分辨率有關(guān)，與場景復(fù)雜度無關(guān)。球幕投影技術(shù)采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來制作360度球幕虛擬場景。由于球幕投影的內(nèi)容要做到對(duì)大視角(超過180度)空間進(jìn)行全面的顯示。所以球幕系統(tǒng)中使用的魚眼投影對(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，魚眼投影通常有兩種情況，正交魚眼圖像和等距魚眼圖像，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、正交魚眼投影

正交魚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。圖3(左)描述了正交魚眼投影。半球投影視角范圍到180度。在0度附近，投影圖像幾乎沒有變形，但是在平面的外邊緣(接近90度)，圖像變形很大，這個(gè)地方的圖像看起來顯得比較擁擠。由于正交魚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)用中比等距魚眼投影要少。

例1 運(yùn)用10米移動(dòng)式球幕影院品牌發(fā)布會(huì)

2、等距魚眼投影

等距魚眼投影的定義是，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)與球心連線到照相機(jī)的光軸的方向角成比例。在等距魚眼投影圖像上，整個(gè)圖像分布幾乎是均勻的。等距魚眼投影視角范圍可以到360度。但是360度的等距魚眼投影圖像外邊緣是在一個(gè)點(diǎn)附近投影到圖像平面上的，因此很不容易理解。圖3(右)描述的是180度角的等距魚眼投影。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度的等距魚眼投影只有一半場景投影到圖像平面上，360度可以投影全部的場景。

圖3：(左)正交魚眼投影 (右)等距魚眼投影

3、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，明顯的變形就是水平方向的拉伸變形，在赤道上幾乎沒有拉伸變形，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。[Page]

圖4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(圖2)。

二.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虛擬場景顯示在球幕上，不同通道顯示的畫面要能夠拼接起來，而且拼接后的畫面要符合3D虛擬場景的空間坐標(biāo)關(guān)系。

圖4：球幕3D校正

由于投影機(jī)安裝位置和觀眾觀看位置(Eye Point)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)投影的畫面進(jìn)行3D幾何校正。

一般來說，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)或觀察點(diǎn)任意一個(gè)沒有在球幕中心，則必須使用校正。校正一個(gè)點(diǎn)的過程相對(duì)直觀。想象把球幕放在要渲染的場景內(nèi)(圖5)。觀察點(diǎn)在V點(diǎn)，A點(diǎn)投影在球幕上的圖像點(diǎn)為I，但是用位于Ｐ點(diǎn)的投影機(jī)投影時(shí)，在I點(diǎn)的圖像必須被繪制在B點(diǎn)。

圖5：球幕3D校正示意圖

投影機(jī)在P點(diǎn)，眼點(diǎn)在V點(diǎn)，三維空間物體將從A點(diǎn)移動(dòng)到Ｂ點(diǎn)。

對(duì)一臺(tái)投影機(jī)，場景以眼點(diǎn)為中心渲染一次，包圍對(duì)該投影機(jī)可見的球幕截面。為了使圖像適應(yīng)球面顯示，需要繪制一個(gè)單獨(dú)屏幕填充矩形。系統(tǒng)把這個(gè)矩形處理為穿過所有屏上像素點(diǎn)的射線集合。每條射線和球幕的交點(diǎn)通過已知的球幕位置和半徑來計(jì)算。已知這個(gè)三維點(diǎn)，逆向使用原始場景渲染的透視投影，結(jié)果就是一個(gè)與渲染場景圖像相關(guān)的二維像素。

三.邊緣融合

為了實(shí)現(xiàn)多臺(tái)投影機(jī)畫面的無縫拼接，需要實(shí)現(xiàn)不同投影機(jī)畫面之間的邊緣融合(Edge Blending)。在通過球幕幾何校正實(shí)現(xiàn)多個(gè)畫面的拼接后，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)。

圖6：球幕邊緣融合示意圖(4個(gè)通道的融合區(qū)域)

球幕系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以球幕數(shù)字天象廳為例，說明球幕投影系統(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，投影畫面分布較均勻。

球幕直徑為米，畫面由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面經(jīng)過仿真融合機(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)過仿真融合機(jī)的球幕3D校正，結(jié)合了屏幕參數(shù)、觀眾視域參數(shù)，使三維仿真系統(tǒng)的輸出畫面符合真實(shí)三維空間關(guān)系。可以滿足軍事訓(xùn)練、科研等應(yīng)用對(duì)畫面質(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)支持2K×2K分辨率的球幕視頻。用戶只需購買高質(zhì)量球幕視頻文件，即可實(shí)現(xiàn)多通道同步播放，無需對(duì)視頻文件進(jìn)行后期處理。

對(duì)于超過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

目前，較大規(guī)模的球幕表面一般使用金屬板拼接而成。球幕設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮幕體的堅(jiān)固性，球幕表面的光滑度、圓度誤差。從聲學(xué)角度，需要球幕聲學(xué)特性的關(guān)鍵指標(biāo)：混響時(shí)間。混響時(shí)間是指房間內(nèi)聲壓級(jí)衰減60dB所需的時(shí)間，混響時(shí)間越短，越有利于聲音的清晰。所以球幕系統(tǒng)一般要求混響時(shí)間在秒以內(nèi)。

另外投影機(jī)的選擇也是系統(tǒng)的關(guān)鍵。投影技術(shù)發(fā)展很快，目前高分辨率、高亮度的投影機(jī)已經(jīng)越來越普及。大型球幕系統(tǒng)中，根據(jù)屏幕尺寸和對(duì)分辨率的要求，可以選擇1920×1080分辨率的高亮度工程投影機(jī)，也可選擇1024×768分辨率的普通商用投影機(jī)

在投影機(jī)類型的選擇上，中低端系統(tǒng)主要一般選用DLP投影機(jī)，而系統(tǒng)，使用了激光光源的投影機(jī)。激光投影機(jī)之所以如此受人矚目，3,000:1的超高對(duì)比度確實(shí)是其他光源的，而且激光投影機(jī)使用色純度高的三原色激光作為光源，色彩的表現(xiàn)范圍比CRT投影機(jī)還要高得多。激光投影機(jī)也擺脫了偏色的困擾。激光投影機(jī)的的色域范圍是CRT投影機(jī)的兩倍以上。

在投影機(jī)安裝后，還需要使用遮光罩來解決投影畫面漏光問題。發(fā)展趨勢(shì) 從顯示技術(shù)方面來說，球幕投影系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了主/被動(dòng)立體投影。

目前國內(nèi)一些研究機(jī)還沒有能力在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)了使用激光定位設(shè)備和攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)球幕投影系統(tǒng)的自動(dòng)校正。使用自動(dòng)校正技術(shù)，可以快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)，極大減少了系統(tǒng)搭建時(shí)間，降低了球幕安裝調(diào)試的復(fù)雜度，有利于球幕系統(tǒng)應(yīng)用推廣。但我們的球幕系統(tǒng)已做到全自動(dòng)數(shù)字校準(zhǔn)，15分鐘完成投影5調(diào)試步驟。以MK2球幕系統(tǒng)解決方案為例，其技術(shù)處于球幕電影行業(yè)地位，把只運(yùn)用天文館的科技產(chǎn)品帶入大眾商業(yè)活動(dòng)中。

此產(chǎn)品為定制產(chǎn)品可聯(lián)系業(yè)務(wù)人員