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球幕穹幕投影系统解决方案

2016-3-3 13:49:37 www.topoyat.com

 球幕总述
        球幕、穹幕或Dome显示系统,是指以双曲面显示屏幕形状形成对观看视点的包围,同时显示的影像内容营造出接近真实环境的空间透视效果,来达到一种沉浸于视景中的体验感。球幕显示系统是目前所有显示模式中最沉浸感的体验展示方式。要到达到该视觉体验效果,首先屏幕显示画面必须覆盖足够的视野空间,至少达到 50%,然后是视景内容必须具备三维空间透视结构,且能正确映射于屏幕表面。
        球幕的形状和人的观赏姿态可以根据项目需求来合理进行设计。此处将总结出各种不同形态的球幕种类以及其适用场所。球幕的显示依靠数字投影机来投射对应的画面内容到屏幕表面完成。通常来说有单鱼眼镜头投影方式和多投影拼接显示方式。单鱼眼镜头方式由于其存在有效像素分辨率低、亮度低,以及最佳观赏视点被投影机占据的缺陷,只有在小型球幕剧场在使用。虽然IMAX球幕影院也在采用单鱼眼镜头显示方式,但是因为其使用的是高亮度高分辨率胶片电影机,弥补了普通投影技术缺陷。还有一种是美国sky-skan公司主导的双机对射显示方式,但是其使用了4K 分辨率投影机以及特殊定制的镜头。因此,以上两种类型均不具备可推广性,只有多投影拼接方式是最易实现和最为灵活的球幕显示方式,也是我们重点推介的显示方式。但是拼接方式也有其固有的缺点,如系统结构复杂,拼接后画面很难处理到完全没有瑕疵,维护不方便等等因素。不过在某些使用领域,为了追求最终的使用目的,一些缺陷是可以被接受或忽略的。
        对于一套完整的球幕体验系统而言,球幕硬件只是表象,显示内容才是其核心。由于缺乏统一的标准,球幕的显示片源不能通用同时也极其匮乏。大众所能见到的球幕显示系统多位于科技馆、天文馆内的球幕系统以及大型游乐场所内主题影院,其技术也多为外国专业公司所垄断。随着数字展示运用的兴起。在一些特殊的场馆和展示领域,项目追求定制化的体验环境,为球幕显示系统的推广实施带来了非常理想的契机。球幕影院
球幕类型
类型一球幕
        这是多数科技馆球幕影院普遍运用的类型。屏幕部分为整半球型或少于 1/2 球切面。球冠面与地平面呈一定角度倾斜(30 度左右)。观众斜躺在座椅观看,主视点为斜上方。显示硬件。采用6台数字投影机按一定空间模式分布,画面拼接后覆盖整个显示屏幕。也有特殊项目为追求整体显示分辨率采用 8 台、10 台、12 台甚至更多的投影数量。
类型二球幕投影系统
        此类型多见于传统的天文馆。屏幕为整半球。球冠 面平行于地平面。模拟宇宙天球的形状。观众站立或环坐于球幕下方,向上仰望,如同观察宇宙苍穹。此类球幕也多以星相观察,宇宙科普教育使用为主,早期多为光学性质的星相仪,采用数字投影技术后,采用软件方式实时显示的数字星相仪逐渐普及。显示硬件系统、投影机的方案布局同上一球幕类型,采用6台或更多投影机分布于球冠边缘位置斜上投射。
类型三球幕投影系统
        此类型出现在一些大型主题乐园的虚拟飞翔体验项目中。将半球幕旋转 90 度竖立起来。观众悬空于球体内部进行观赏,屏幕图像遍及整个正前方视野范围。此模式最切合于人的正常视觉观赏习惯,视频画面一般采用全景鱼眼镜头拍摄,体验者如同悬空遨游的感觉。显示硬件系统、投影机的方案布局同上一类型。
类型四球幕投影系统
        此类型也称为720度全天域球幕。2010年上海世博会台湾馆即是采用此种类型。屏幕为整球型,观众在球体中心观赏,可以实现垂直360度和水平360度视野的任意角度视点观看。为了便于观众出入,在球体直径上设计一个悬空走廊。观众站立模式自由观看。显示硬件布局。为尽可能不影像屏幕画面的完整型,投影机只能安装于球体直径方向上的两个出入口位置。一共需要采用8台或 16台的投影进行画面拼接。
类型五球幕投影系统
        球幕显示面积等于或超过了 1/2 球体,球冠面和地面水平。不同于类型 2,观众完全置身于球体内部,以站立模式自由观赏。影像覆盖了更多的观众视野,适合于演绎丰富的情景视频内容。如澳门万豪酒店球幕或烟台海洋鲸鲨馆即使采用此种类型。显示硬件布局上。投影机藏于屏幕之后,屏幕上需要进行开孔透出投影机光线。根据球体的大小及分辨率要求,采用7台或更多投影进行画面拼接显示。
类型六球幕投影系统
        屏幕为双曲率构造,非规则球幕,更像是一个碗状(局部)的屏幕。观众悬空于内部进行影像观看,视点着重于斜下方向,模拟在飞机上俯瞰大地的视野。西安大明宫遗址公园球幕影院即是此类设计,影片以大量的航拍镜头摄取了西安的名胜古迹。影院的设计使得观众以第一视角的方式亲身体验了在空中俯瞰大地的感受。整体屏幕影像采用5台高清投影机型进行拼接显示。
类型七球幕投影系统
        球幕显示区域超过了 1/2 切球,最大可达到 2/3 球面。球体垂直于水平面,采用一个跳台深入球体内部作为观众承载平台。此类显示构造,观众能以最广泛的视野和保持最佳的体验位置进行视景的沉浸式体验,完全包容于场景画面之中。参考案例,北京百强家居 3D 影厅。根据球体大小和显示精度要求,需采用 10 台以上投影机进行拼接显示。为了避开中央观赏区域对光路的遮挡,也尽可能不在球体表面开孔投射画面,投影机的安装及光路布局采用了非常复杂的设计,其影像拼接处理技术也是所有球幕种类中最难的。
类型八球幕投影系统
        在上一球幕类型基础上,去除了底面的显示区域,将球体底面进行裁剪。观众直接站立于(或坐)地面上。屏幕覆盖前方、左右和上方视野范围。最少需要采用 5 台投影机作拼接显示。
类型九球幕投影系统
       屏幕采用双曲结构。观影方式类似于IMAX巨幕电影,但是能提供比IMAX巨幕电影更佳的视觉包容感和沉浸体验。
其他类型
        以上只是总结了球幕主要存在的几种类型,但是并不局限于以上类型。只要是屏幕为曲型并对观赏视野形成一定的包容性,能实现沉浸感,均可以视为球幕的分类。对于定制项目,我们可以根据项目需求和现有条件进行定制设计。设计最适合的体验环境。
球幕显示系统核心技术
影像球面空间展开几何映射技术
        现实中,包括计算机中的图像(位图)均是以二维平面方式进行存储。如果在三维球面上实现显示,需要按一定的方式进行展开和映射,三维技术俗语为“UV 坐标”。对于投射于球幕上的影像,必须按照一定的方式进行制作和处理,以合理的方式映射到球体表面。圆型极坐标模式。球面影像进行极坐标展开。画面类似于鱼眼镜头拍摄效果而非鱼眼镜头的非线性变形。多通道球幕融合
        经纬线展开模式。球面影像从赤道方向进行展开,类似于世界地图。球幕投影融合系统        六面体展开模式。影像拆分为正交的多个方向映射到球体上。多通道球幕融合系统
        多点相机映射展开模式球幕投影系统
        对于一套球幕系统确定了什么样的映射模式,决定了显示内容的制作方式,使用过程是不能再转换的,因此前期需要慎重考虑。
像素投影空间几何矫正技术
        针对每一台投影设备,需要保证其投射到对应屏幕区域的的图像内容和物理空间匹配对位。通过在三维空间中构建出投影机和实体屏幕之间的空间映射关系,可以精确转换出屏幕区域对应投影机每一个像素点的图像信息,进而得到科学精密的显示结果。多通道球幕融合系统
异形边沿融合技术
        球幕显示的各个投影单元投射到屏幕上的有效显示画面通过几何分割的方式切分为不规整的画面形状。以相邻投影的叠加区域也是不规则的几何形状。在不同区域涉及双边叠加,三边、四边甚至更多投影光路的叠加。常规的融合技术远不能满足此类要求。
        解决方法,将融合区域按投影空间和屏幕拓扑结构拆分,建模,合理分布。设计多边融合的亮度衰减算法对不同融合区域独立调试。多通道球幕融合系统
球面投影亮度均一化技术
        对于进行球幕拼接显示的各个投影设备,需要以非垂直角度将影像投射于曲面屏幕。这就产生随投影光线入射角度变化的投影亮度变化和像素密度的变化。多台投影在不同的角度投射,投射的范围大小也不一致,最终导致整个球面屏幕不能取得均匀一致的亮度显示,自然无法得到高质量的拼接显示效果。球面投影亮度均一化技术
        解决的方案。通过屏幕像素点到投影点的逆向运算,分析出每个像素点的投射角度,有效光照亮度。软件计算出投射的各个像素点实际的光通量,对投射空间的所有像素点光通量进行均一化计算,最终得到一个图象过滤通道。叠加于每个输出通道画面上,即可在最终的实际投射环境中取得均匀统一的全屏画面亮度。统一后的各投影区域画面亮度较原先有所衰减,这是因为为了适应投影空间中单机投射范围最大和投射距离最远的区域亮度,必须对投射范围小和距离近的区域减低画面亮度。因此,在投影方位的设计中,应当尽量控制各投影机的投射范围是一致的,投射角尽量保持垂直,避免局部倾斜投射。
球幕视频影像制作技术
        球幕显示系统由于其独特的显示和播放方式,对影像内容的制作和生成也具有其特殊要求。球幕系统所显示的影像镜头范围一般超过了人眼视觉所覆盖的范围,也超过了普通的摄像器材所能一次取景的范围。因此球幕系统的影片制作一般为采用虚拟三维技术制作或采用特殊的摄像器材拍摄。此处只考虑采用虚拟三维技术的制作手段。根据球幕的形状类型,影像球面空间几何映射的模式不同,三维渲染处理的方法也不同。
以完整的180度半球幕为例,为了获得180度的球面视野空间影像,需要采用6个广角相机在同一视点位置不同角度进行画面渲染生成。球幕视频影像制作技术
        影像采用圆型极坐标模式进行球幕映射。通过多视点生成的影像需 要通过特殊处理整合在一起,生成一张连续的极坐标面展开图,才能在此基础上进行后期剪辑处理并最终输出成片文件。
球幕显示控制硬件系统
        对于多数总投影机数量不超过6个通道以内的球幕拼接系统,采用单PC播放显示输出是最理想的硬件构架。可以保障硬件稳定性和绝对的同步播放性能,无需对片源裁剪处理。对于拼接通道数过多或实际显示片源分辨率过高超过单系统处理性能的项目,需要采用集群式播放构架。单台 PC 输出1个或更多显示通道画面,需要对片源按实际显示区域进行裁剪操作,需要稳定的播放环境保障画面的同步显示。
球幕显示系统的设计要点
        球幕类型的选择要综合考虑相关因素。球幕系统显示内容的主题、影片的题材(科普、娱乐、专业运用),影片的制作方式(三维虚拟制作、实拍、拍摄的镜头模式),观众的观赏体验模式(坐姿、站姿、固定点观看或自由观看、有主视点观看方向或自由视点观看)球幕的几何空间大小定义要综合考虑相关因素。工程场地的大小,目标观众的观赏人数(人数决定有效观赏空间面积,再推算出屏幕大小),项目的硬件设施投资额度。
        球幕屏幕的类型与制作工艺。主流的球幕屏幕普遍采用钢架做龙骨,表面贴敷穿孔铝板屏幕单元的工艺制作。通过精密的计算,将球幕按经纬线拆分为若干个表面单元,精确加工出网状龙骨将屏幕单元一块块的组装在一起。铝板表面穿孔是为了避免声音的定向反射。由于屏幕是由很多块单元组成,无可避免存在接缝,影响显示画面。每个屏幕单元也只能在一个方向上弯曲,屏幕沿经线方向出现棱角。要减低这些瑕疵考验着厂商的生产工艺。此外也有采用玻璃钢树脂工艺加工的球幕,缺点是声音反射有聚声效应,还有采用软性膜结构进行张拉成型,缺点是不易精确成型。
        一般展示环境为节约成本也有采用装饰工艺制作,木结构,表面腻子找平,精确度较差,时间久容易变形开裂。还有一个重要的屏幕显示参数,屏幕的增益。对于多投影拼接融合系统,高增益反而会影响融合效果,屏幕漆增益设为 1 或是更低。尤其是屏幕曲率大的半球甚至全天域球幕,投射到屏幕上的光线除了反射到观众视野也反射到对面屏幕,造成整个球幕影像对比度降低,必须采用更低增益的屏幕来缓解该现象。
        投影机选型与光路设计。经费允许的情况下仅可能采用高指标的工程投影机或剧院投影机,直接决定最终显示画面的质量。仅可能采用高分辨率、较低投影数量的拼接方案而非一般分辨率、较多投影数量的拼接方案。不要太过于追求投影机亮度,如果是封闭的影院环境,人眼是能自己适应光环境的,而较高的投影亮度会在屏幕区域互相反射干扰,降低整体画面对比度。投影光路设计应综合考虑相关因素。屏幕区域 的几何分割方式、光路不发生遮挡、仅可能垂直于屏幕投射、各投影面积尽量一致、投影像素的有效利用率(既要满足融合带的需求又要避 免过度重叠浪费)。
        因此,同一个球幕显示系统,同样的投资额度也可能产生若干种投影显示方案,如何在相关条件中取舍以获取最适合项目 的方案是球幕显示系统设计的关键环节。
关于实时(仿真)内容的球幕显示实现
        实时(仿真)视频内容意味着不能以独立软件的方式实现原始画面的几何变形处理。需要采用独立图形处理器(硬件)的形式来完成。传统的基于纯硬件结构的融合处理器无法达到如此复杂的处理能力,只有采用独立图形处理软件+采集硬件构架的处理器能实现。
        由于多数VR渲染引擎不具备影像渲染输出变形功能,在球面影像的几何映射模式上只有选择不对原始画面变形的立方体展开或多点相机映射展开模式。这要求输出画面必须为多视点图像,一般需要多个计算机进行集群运算来实现。同时 VR 引擎必须具备帧同步渲染功能,否则会出现画面撕裂现象。
        关于球幕立体显示立体显示的硬件实现实际上和立体视觉表现无关,其目的是达到左右眼两组图像的独立显示和人眼观看。被动立体显示技术。使用双倍的投影机;必须为圆偏振系统;屏幕采用对偏振光反射的金属漆,避免采用高增益的屏幕漆。主动立体显示技术,更适用于球幕。效果最好,投影拼接融合更容易实现。
        立体片源制作,是系统能否取得良好观影效果的核心所在。立体的片源制作技术决定了最佳立体观察视点只有一个方向,因此不适用于大角 度非固定角度观赏的球幕,例如全天域球幕。


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