基于nurbs曲面的多通道幾何校正與邊緣融合方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于NURBS曲面的多通道投影幾何校正與邊緣融合的高效方法，主要特征包括多通道曲面幕投影的幾何校正、投影顯示通道之間的邊緣融合以及顯示區(qū)域邊緣以外多余圖像的消除；本發(fā)明的新穎之處在于充分考慮了曲面幕的連續(xù)性以及NURBS曲面良好的擬合能力，利用了NURBS曲面易于控制的優(yōu)點，通過對相鄰?fù)ǖ肋吘増D像的校正等算法，實現(xiàn)了通道間的邊緣融合，從而達(dá)到多個投影通道圖像的連續(xù)顯示；本方法特別適用于球形幕、柱形幕等曲面幕通過多臺投影器實現(xiàn)連續(xù)場景的顯示，具有實時性好，幾何失真小，平臺兼容性好的優(yōu)點。
【專利說明】基于NURBS曲面的多通道幾何校正與邊緣融合方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于計算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域，隨著對高分辨率顯示、沉浸式顯示需求的不斷增 長，為多通道投影顯示提供了更大的發(fā)展空間，球形幕、柱形幕等曲面幕投影所特有的沉浸 效果受到了越來越多的關(guān)注，為幾何校正與邊緣融合技術(shù)的發(fā)展提供了重要的契機(jī)，現(xiàn)代 技術(shù)的發(fā)展使得在保證實時性的基礎(chǔ)上，為通過軟件實現(xiàn)幾何校正與邊緣融合提供了 硬件基礎(chǔ)，本發(fā)明涉及一種基于NURBS的幾何校正與邊緣融合方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 多通道投影顯示技術(shù)的應(yīng)用由來已久，尤其是近年來，隨著仿真、娛樂等領(lǐng)域?qū)Ω?分辨率及沉浸式顯示的需求越來越大，由于計算機(jī)圖形硬件與投影器技術(shù)的發(fā)展還相對比 較緩慢，加之高端設(shè)備高昂的價格等因素，多通道顯示技術(shù)日益受到重視，采用多通道投影 顯示技術(shù)歸納起來，主要有以下幾方面的原因： 一是高分辨率顯示的需要，盡管投影器的分辨率越來越高，但是高分辨率投影器高昂 的價格，成為一個重要的制約因素，而即便不考慮高分辨率投影器的價格因素，其分辨率仍 然是有限的，在某些特定的場合，僅靠單臺高分辨率投影器仍然滿足不了顯示系統(tǒng)對的要 求· 二是大視場角顯示的需要，大視場角顯示在諸如飛行仿真、環(huán)幕影院等眾多領(lǐng)域的應(yīng) 用非常廣泛，這類應(yīng)用中，有的應(yīng)用水平視場角可達(dá)360°，而垂直視場角在90°以上也并 不鮮見，采用多通道顯示成為了必然的選擇，同樣在這樣大的視場角下，采用諸如球形幕等 曲面幕也是必然的. 三是沉浸式顯示的需要，沉浸式顯示通常需要比較大的視場角和較高的分辨率，同時 往往還采用立體顯示。在這類應(yīng)用中，通道之間的連續(xù)性對沉浸感的影響極為明顯. 多通道投影顯示需要對通道之間進(jìn)行邊緣融合，而在曲面幕上投影不可避免的要用到 幾何校正功能，以往只有專用的硬件設(shè)備才能做到這一點，而采用專用硬件在成本、使用維 護(hù)等方面存在著不利因素，而且最重要的是這種方式帶來了一幀的顯示延遲，這在實時應(yīng) 用場合是極為不利的. 隨著GPU技術(shù)的發(fā)展，GPU強(qiáng)大的計算能力，使得多邊形、紋理等的處理能力得到了極 大的提高，在對顯示場景渲染的過程中，GPU通常不再是瓶頸，而是有一定的空閑時間，而充 分利用這一空閑時間，進(jìn)行幾何校正與邊緣融合是可行的，相對采用硬件來說，既沒有增加 延遲，也避免了成本的增加. 在GPU進(jìn)行渲染的過程中，除了多邊形數(shù)量對渲染幀率有較大的影響外，另一個影響 因素則為渲染的批次一渲染指令，由于現(xiàn)代GPU普遍支持多紋理和Shader等技術(shù)，利用這 些技術(shù)，可以有效降低幾何校正與邊緣融合所增加的批次，事實上當(dāng)采用了上述技術(shù)后，本 發(fā)明的方法實際上只增加了一個渲染批次，而增加的多邊形數(shù)量也是可以接受的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 現(xiàn)代GPU技術(shù)的發(fā)展使得在保證實時性的基礎(chǔ)上，為通過軟件實現(xiàn)幾何校正與邊 緣融合提供了硬件基礎(chǔ)，而NURBS曲面的靈活性為幾何校正提供了極大的方便，而當(dāng)NURBS 曲面的次數(shù)^ 2時，其連續(xù)性可以有效減少由于幾何校正而引起的畫面失真，尤其是波浪 形失真，本發(fā)明建立一種基于NURBS的幾何校正與邊緣融合方法，解決多通道投影到曲面 幕時引起的幾何失真與通道之間亮度連續(xù)性的問題. 本發(fā)明的基于NURBS的幾何校正與邊緣融合方法，首先基于NURBS建立一個與投影到 屏幕上的顯示區(qū)域相對應(yīng)的曲面，通過對該曲面控制點的調(diào)整，使得該曲面的形狀與期望 的投影顯示區(qū)域一致，并通過相應(yīng)控制點的調(diào)整達(dá)到幾何校正的目的；隨后采用相同的方 法對相鄰的投影通道進(jìn)行邊緣融合區(qū)域的標(biāo)定，實現(xiàn)通道間的邊緣融合；最后標(biāo)定出顯示 區(qū)域外的部分，并進(jìn)行消除。經(jīng)過上述過程后，在計算出NURBS曲面最終的結(jié)果后，應(yīng)用這 一結(jié)果在運(yùn)行時進(jìn)行渲染，避免在運(yùn)行時對NURBS進(jìn)行計算，提高渲染效率。
[0004] 本發(fā)明的基本原理如下： 一、NURBS曲面的建模 NURBS曲面相對于Bezier曲面或B-Spline曲面有眾多的優(yōu)點，其中最典型的優(yōu)點是可 以通過控制點和權(quán)因子來靈活地改變形狀，而且插入節(jié)點、修改、分割、幾何插值等的處理 也極為方便，由于不涉及搭接、重疊形狀的處理等問題，也無需進(jìn)行點的映射等可能導(dǎo)致不 穩(wěn)定的算法，因而避免了 NURBS本身的一些缺點，此外除了在不要求實時性的調(diào)整過程中 需要進(jìn)行計算外，在實時應(yīng)用時，只需要其運(yùn)算的結(jié)果，因而存儲空間和處理時間的問題也 不影響具體應(yīng)用，NURBS曲線的表示為

【權(quán)利要求】
1. 本發(fā)明權(quán)利要求一種基于NURBS曲面的多通道投影幾何校正與邊緣融合的高效方 法，主要特征包括多通道曲面幕投影的幾何校正、投影顯示通道之間的邊緣融合以及顯示 區(qū)域邊緣以外多余圖像的消除。
2. 本發(fā)明在權(quán)利要求1的基礎(chǔ)上，還包括NURBS曲面的表示方法 NURBS曲面相對于Bezier曲面或B-Spline曲面有眾多的優(yōu)點，其中最典型的優(yōu)點是可 以通過控制點和權(quán)因子來靈活地改變形狀，而且插入節(jié)點、修改、分割、幾何插值等的處理 也極為方便，由于不涉及搭接、重疊形狀的處理等問題，也無需進(jìn)行點的映射等可能導(dǎo)致不 穩(wěn)定的算法，因而避免了 NURBS本身的一些缺點，此外除了在不要求實時性的調(diào)整過程中 需要進(jìn)行計算外，在實時應(yīng)用時，只需要其運(yùn)算的結(jié)果，因而存儲空間和處理時間的問題也 不影響具體應(yīng)用，NURBS曲線的表示為
式中：€是特征多邊形的頂點位置矢量，A%#)是是次B樣條基函數(shù)，％是相應(yīng)控制 點的權(quán)因子，節(jié)點向量中節(jié)點個數(shù)w = ? + t+ 2 ,?為控制點個數(shù)，A為B樣條基函數(shù)的次 數(shù)，節(jié)點矢量為
其中，a和聲各有史+ 1個，從上式可以看出，當(dāng)權(quán)因子％ =1時，上式可以表示B樣條 曲線，而由于權(quán)因子的存在，可以通過對權(quán)因子的調(diào)整，使得所表示的曲線更加靠近或遠(yuǎn)離 控制點，從而改變曲線的形狀。
3. 本發(fā)明在權(quán)利要求1的基礎(chǔ)上，還包括邊緣融合 當(dāng)多個通道的圖像投影到同一顯示屏幕上時，通道之間的圖像很難保證其連續(xù)性，尤 其是當(dāng)投影幕為球形幕或柱形幕等曲面幕時，為了保證多通道投影顯示的連續(xù)性，通道之 間的圖像需要有一定的重合區(qū)，因而有必要進(jìn)行通道間的邊緣融合，首先要確定融合的區(qū) 域，這一區(qū)域通常不是諸如矩形之類的規(guī)則區(qū)域，因而仍有必要通過上述的NURBS曲面的 方式實現(xiàn)對這一區(qū)域的標(biāo)定，標(biāo)定融合區(qū)域后，通過對區(qū)域內(nèi)圖像的亮度進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到兩 個通道之間重疊區(qū)域的亮度與其它亮度的均勻一致，實現(xiàn)邊緣融合，由于亮度的調(diào)整表現(xiàn) 在圖像上就是對圖像的灰度值進(jìn)行調(diào)整，通常該灰度值歸一化為[〇. 〇，1. 〇]之間，其調(diào)整 通過下式實現(xiàn)：
式中3為融合區(qū)中某點的位置，上式中采用的〇. 5表明，在融合區(qū)的中間位置，灰度 值為原始圖像的一半，由于兩臺投影器的亮度不可能完成一致，因而會造成在融合區(qū)的中 間位置亮度連續(xù)性不好，為解決這一問題，引入另一變量《，將上式改寫為：
引入變量《后，融合區(qū)的中間位置的亮度連續(xù)性得到了極大的改善，式中《的取值范 圍為a €[0.0,2.0]，公式（3)和（4)僅對圖像的灰度值進(jìn)行了調(diào)整，由于人眼對亮度信息的 判斷不是線性的，因而上述計算還不能滿足對亮度調(diào)整的要求，亮度調(diào)整需要對上式進(jìn)行 Oamma txlE ：
式中：：^為〇￡*?_值，其典型的取值范圍為；^[118,2.2]。
4.本發(fā)明在權(quán)利要求1的基礎(chǔ)上，還包括顯示區(qū)域外圖像的消除 為保證圖像能夠充滿整個顯示區(qū)域，實際投影的區(qū)域要比需要的顯示區(qū)域多出一部 分，因而經(jīng)過幾何校正后的圖像經(jīng)投影到顯示幕上后，必然有一部分圖像超出了顯示區(qū)域 的范圍，因而有必要將這部分多出來的圖像消除，采用與確定邊緣融合區(qū)相同的方法，通過 NURBS曲面實現(xiàn)對這一區(qū)域的標(biāo)定，將該區(qū)域圖像的灰度值直接設(shè)置為0,即可消除該區(qū)域 的圖像。
【文檔編號】G06T5/00GK104282014SQ201310296352
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年7月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月13日
【發(fā)明者】張澤旭, 王綱, 鄭博 申請人:哈爾濱點石仿真科技有限公司