CN102096949A - 一种360度数字球幕电影的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种360度数字球幕电影制作方法，解决了目前三维动画软件不能直接创建球幕画面的问题，在本发明中，通过对三维动画软件中虚拟数字鱼眼镜头的技术开发，在软件中通过数学程式计算出点与椭圆抛物面的映射角度关系，以获取到在不同张角范围内的平面图像数据，最终将圆形的鱼眼图像还原在角度等比的球幕上，实现无拉伸变形的影像画面。

Description

一种360度数字球幕电影的制作方法

技术领域

本发明涉及数字电影制作方法领域，尤其涉及一种运用计算机三维动画制作软件制作360度数字球幕电影的制作方法。 

背景技术

球幕电影又称“圆穹电影”或“穹幕电影”，20世纪70年代出现的一种大银幕电影。拍摄及放映均采用超广角鱼眼镜头，观众厅为圆顶式结构，银幕呈半球形，观众被包围其中，视银幕如同苍穹。由于银幕影像大而清晰，自观众面前延至身后，且伴有立体声环音，使观众如置身其间，临场效果十分强烈，并且可脱离立体眼镜和头盔，产生立体视觉。

    由于传统球幕电影画面是超广角鱼眼镜头拍摄所得，制作上有很多的局限性，然而三维动画作为虚拟现实的这种表现形式早已广泛运用到许多行业，它能通过对虚拟的三维立体模型赋予材质灯光后，在设定好的故事场景中进行动画表演，能生动灵活的去表现一切人类未知且无法拍摄的虚拟世界，能表现人类无法达到的过去世界、未来世界、微观世界、外太空世界等一切表现题材，其表现潜力几乎不受限制。早期球幕电影用在太空剧场，最初用数字天象仪来放映天象影片，随着天象影片形式的丰富和影片题材的扩展，基于计算机图形学的数字球幕制作技术已成为业内人士追求的目标。

    然而，目前市场上较为成熟的主流三维动画制作软件如（MAYA，XSI，3DS MAX）等诸多软件仅能提供渲染面为平面（PLAN）的画面，不能直接制作出在球形银幕上所投射的无拉伸变形的数字影像，在三维制作软件中只可以通过多个画面拼接形成球形影像，但其制作过程繁琐复杂，且在球形银幕上还原画面还会存在透视不正确和画面变形等问题，还需要多台放映设备的配合，且不同的放映机位，对其所反映图像的变形矫正要求各不相同，基于成本、制作流程等各方面因素的考虑。 

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种360度数字球幕电影的制作方法，旨在解决现有三维软件生成球幕图像时制作过程繁琐复杂等问题。

本发明的技术方案如下：一种360度数字球幕电影的制作方法，其中，采用角度投射法来实现虚拟鱼眼镜头的算法，其具体步骤为：通过数学程式编码模拟光学鱼眼镜头，在投射角度内对已经变形的鱼眼画面进行挤压和变形，转换为平整的球面图像进行输出，所述球面图像的变形度符合所述数学程式编码。

所述的360度数字球幕电影的制作方法，其中，将已经变形的鱼眼画面转换为平整的球面图像的具体步骤如下：

S100、获取鱼眼摄影机成像平面的每一个像素点的坐标；

S200、获取鱼眼摄影机成像平面的高和宽；

S300、计算成像平面的中心点坐标；

S400、计算每一个像素点到中心点的直线距离；

S500、计算成像区域的半径；

S600、将算得的每一个像素点到中心点的直线距离进行标准化；

S700、将标准化后的直线距离进行变形修正得到修正系数；

S800、采用每一个像素点自身的修正系数对像素点进行缩放，得到平整的图像数据。

所述的360度数字球幕电影的制作方法，其中，将算得的每一个像素点到中心点的直线距离进行标准化的具体方法为：D=d/(width/2)， 其中，D为标准化后的直线距离；d为像素点到中心点的直线距离；width为鱼眼摄影机成像平面的宽。

所述的360度数字球幕电影的制作方法，其中，将标准化后的直线距离进行变形修正得到修正系数的具体方法为：K=1-hermite(0,1,0,PI,D)，其中，K为修正系数；hermite为埃尔米特算法；PI为圆周率；D为标准化后的直线距离。 

有益效果：本发明提供的360度数字球幕电影制作方法，解决目前三维动画软件不能直接创建球幕画面的问题，在本发明中，通过对三维动画软件中虚拟数字鱼眼镜头的技术开发，在软件中通过数学程式计算出点与椭圆抛物面的映射角度关系，以获取到在不同张角范围内的平面图像数据，最终将圆形的鱼眼图像还原在角度等比的球幕上，实现无拉伸变形的影像画面。 

附图说明

图1是本发明实现虚拟鱼眼镜头的数字与光学基础原理示意图。

图2是本发明提供的360度数字球幕电影的制作方法的流程图。

图3是本发明实施例一提供的球幕电影结构示意图。

图4是本发明实施例二提供的球幕电影结构示意图。 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

现有的球幕影像作品是通过由多个画面进行拼接成球形的方法制作完成的（简称：拼接法），此制作方法的不足是最高视域角度不能超过180°，并且多画面拼接后输出成球形影像的过程较繁琐。倘若能用一个虚拟的超广角鱼眼镜头来代替现实的放映设备中的鱼眼镜头，直接生成出正确矫正的球幕图像，得到可在不同放映条件的球幕影院中均可放映的影像。

本发明在三维制作软件上做出研发，用一个虚拟的超广角鱼眼镜头来代替现实放映设备中的鱼眼镜头，直接生成出适合不同放映条件的球幕影院放映的正确矫正的球幕图像，利用对光线高度扭曲的原理研发出虚拟鱼眼镜头是最为快捷有效的方法。

目前，现有的数字电影制作平台以Autodesk公司的系列软件为主，如Maya和3DS MAX。且可以提供的渲染器平台有Renderman、V-Ray、Turtle、Mentalray等，基于目前Mentailmages 公司的Mentalray渲染器在全球数字电影行业的广泛推广与使用，便开发了Mentalray渲染平台下Fish eye len shader。

本发明的虚拟鱼眼镜头采用的算法是角度投射法：此方法是通过用数学程式编码来模拟光学鱼眼镜头的一种数字方法，对已经变形的视像转换为球面上平整的图像进行输出，使其球面图像变形度符合此数学程式编码。能确保在360度有效范围内投射角度灵活变化，也解决了用多台投影仪而使画面显示效果不统一、成本造价高、施工维护不方便等弊端。

    本发明的渲染器（Shader）是通过角度投射的算法，在有效的投射角度内对鱼眼画面进行科学合理的挤压和变形，理论上此鱼眼视角（FOV）可以达到360度。

实现本发明的虚拟鱼眼镜头的数字与光学基础原理如图1所示，图中n为从原点出发的射线，P为射线n和椭圆抛物面的交点，d为圆的半径。此方程是将椭圆抛物面上的P点映射在圆的P＇点上，椭圆抛物面上的点都满足此映射方程：                                                

参见图2，虚拟鱼眼镜头的本质是把鱼眼已经变形的视像转换为平整的图像输出，其具体步骤如下：

S100、获取鱼眼摄影机成像平面的每一个像素点p的坐标(x, y)；

S200、获取成像平面的高height和宽width；

S300、计算成像平面的中心点e，其中，e=（width/2，height/2)；

S400、计算从像素点p坐标到中心点e的直线距离d，其中，d=mag (p)，其中mag是一种计算p点到中心点的直线距离的算法，为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述；

S500、计算成像区域的半径R，其中R=width/2；

S600、将算得的每一个像素点到中心点的直线距离d进行标准化，其计算公式为：D=d/(width/2)，D为标准化后的直线距离；

S700、将标准化后的直线距离D进行变形修正，得到修正系数K，其计算公式为：K=1-hermite(0,1,0,PI,D)，hermite为埃尔米特算法，PI为圆周率，为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述；

S800、最后采用每一个像素点自身的修正系数K对像素点进行缩放，即缩放后的像素为(x*K, y*K)。

以上是基于mentalray的实现方法，其部分代码如下：

point pp = transform(spacename, p) * freq;

point thiscell = point(floor(xcomp(pp))+0.5,

                       floor(ycomp(pp))+0.5,

                       floor(zcomp(pp))+0.5);

float dist2nearest = 1000;

uniform float i,j,k;

for(i = -1; i <= 1; i+= 1)

    for(j = -1; j <= 1; j+= 1)

        for(k = -1; k <= 1; k+= 1)

           {

           point testcell = thiscell + vector(i,j,k);

           point pos = testcell + vector cellnoise(testcell)-0.5;

           float dist = distance(pos,pp);

           if(dist < dist2nearest)

           dist2nearest = dist;

           }

    if { $n <= 0 } {

        set X [expr $x0 + ($xi + $yi)/2]

        set Y [expr $y0 + ($xj + $yj)/2]

                puts "$X $Y 0 "

    } else {

        set XI [expr $xi/2]

        set XJ [expr $xj/2]

        set YI [expr $yi/2]

        set YJ [expr $yj/2]

        hilbert $x0                 $y0                

$YI  $YJ  $XI  $XJ [expr $n - 1]

        hilbert [expr $x0+$XI]     [expr $y0+$XJ]      

$XI  $XJ  $YI  $YJ [expr $n - 1]

        hilbert [expr $x0+$XI+$YI] [expr $y0+$XJ+$YJ]  

$XI  $XJ  $YI  $YJ [expr $n - 1]

        hilbert [expr $x0+$XI+$yi] [expr $y0+$XJ+$yj] –

$YI -$YJ -$XI -$XJ [expr $n - 1]

        }

    }

while { [gets stdin args] != -1 } {

    set pixels [lindex $args 0]

    set ctype  [lindex $args 1]

    set reps   [lindex $args 2]

    set width  [lindex $args 3]

    set cvs [expr int(pow(4, $reps))]

    hilbert 0.0  0.0  1.0  0  0  1.0 $reps

}

   本发明的Shader基于Maya平台通过C++编码，遵循Mentalray Shader的常规开发流程，以插件形式载入便可运行此脚本。

硬件鱼眼镜头最大视角一般可达到220°或300°，而本发明的虚拟鱼眼镜头视角可在360°范围内配合硬件设备做合理变化，下面以直径30米的全球幕项目为例，使用本发明的虚拟鱼眼镜头来实现360度数字球幕电影。

实施例1

参见图3，所述全球幕电影放映演示***包括全球幕3、观看平台5、在所述观看平台5的两侧设置有出口4，在出口4出设置有楼梯6接到地面，在所述观看平台5的顶部和底部设置有第一鱼眼镜头1和第二鱼眼镜头2。用2个220度硬件鱼眼镜头以球心纵轴非等比的位置上下对投，画面融合区域在观看平台5可视的非中心区域。在本实施例中，观看平台5的面积约205平米左右。对上下对投的2个硬件鱼眼镜头位置进行了明确，以及对整个全球项目结构做出标示。

  此方案其优点是使用相同角度的2个鱼眼镜头投射，其画面不会出现画面光度不统一的光学误差，且两个镜头的融合区域拼接可以实现无缝无拉伸变形的融合，另外，2个鱼眼镜头的融合区域不在观众的主要视觉区域，不会出现2个镜头拼接处画面效果不统一的问题。

实施例2

参见图4，本发明提供的另一电影放映演示***包括矩形幕11、观看平台5、在所述观看平台5的两侧设置有出口4，在出口4出设置有楼梯6接到地面，在所述观看平台的顶部和底部分别设置有三个投影机，第一投影机21、第二投影机22和第三投影机23设置在顶部，进行上方和左右三个方向的投射；第四投影机24、第五投影机25和第六投影机26设置在底部，进行下方和左右三个方向的投射。本实施例中，采用6个投影机以球心纵轴非等比的位置上下左右对投，画面融合区域在观众平台可视的非中心区域，方案中观众平台的面积约205平米左右。对上下左右对投的6个投影机位置进行了明确，以及对整个全方位巨幕项目结构做出标示。

此方案其优点是使用相同的6个投影机投射，其画面不会出现画面光度不统一等光学误差，且6个镜头的融合区域拼接可以实现无缝无拉伸变形的融合，另外，6个投影机镜头的融合区域不在观众的主要视觉区域，不会出现6个镜头拼接处画面效果不统一等问题。

本发明提供的360度数字球幕电影制作方法，解决目前三维动画软件不能直接创建球幕画面的问题，在本发明中，通过对三维动画软件中虚拟数字鱼眼镜头的技术开发，在软件中通过数学程式计算出点与椭圆抛物面的映射角度关系，以获取到在不同张角范围内的平面图像数据，最终将圆形的鱼眼图像还原在角度等比的球幕上，实现无拉伸变形的影像画面。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种360度数字球幕电影的制作方法，其特征在于，采用角度投射法来实现虚拟鱼眼镜头的算法，其具体步骤为：通过数学程式编码模拟光学鱼眼镜头，在投射角度内对已经变形的鱼眼画面进行挤压和变形，转换为平整的球面图像进行输出，所述球面图像的变形度符合所述数学程式编码。

2.根据权利要求1所述的360度数字球幕电影的制作方法，其特征在于，将已经变形的鱼眼画面转换为平整的球面图像的具体步骤如下：

S100、获取鱼眼摄影机成像平面的每一个像素点的坐标；

S200、获取鱼眼摄影机成像平面的高和宽；

S300、计算成像平面的中心点坐标；

S400、计算每一个像素点到中心点的直线距离；

S500、计算成像区域的半径；

S600、将算得的每一个像素点到中心点的直线距离进行标准化；

S700、将标准化后的直线距离进行变形修正得到修正系数；

S800、采用每一个像素点自身的修正系数对像素点进行缩放，得到平整的图像数据。

3.根据权利要求1所述的360度数字球幕电影的制作方法，其特征在于，将算得的每一个像素点到中心点的直线距离进行标准化的具体方法为：               

D=d/(width/2)， 

其中，D为标准化后的直线距离；d为像素点到中心点的直线距离；width为鱼眼摄影机成像平面的宽。

4.根据权利要求1所述的360度数字球幕电影的制作方法，其特征在于，将标准化后的直线距离进行变形修正得到修正系数的具体方法为：

K=1-hermite(0,1,0,PI,D)，

其中，K为修正系数；hermite为埃尔米特算法；PI为圆周率；D为标准化后的直线距离。

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