CN102929091A

CN102929091A - 数字球幕立体电影的制作方法

Info

Publication number: CN102929091A
Application number: CN2012102739860A
Authority: CN
Inventors: 郑立国; 李逯; 孙伟
Original assignee: JILIN VIXO ANIMATION GAME TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: JILIN VIXO ANIMATION GAME TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-08-03
Filing date: 2012-08-03
Publication date: 2013-02-13

Abstract

一种数字球幕立体电影的制作方法，本发明属于光学技术领域，包含确定立体摄像机的瞳距、设置渲染参数、进行渲染、对构成子银幕的图像进行拼接和几何校正等步骤完成。本发明能够将普通的3D数字动画转化成适应球幕播放的3D动画，播放的3D数字动画电影的画面连续、逼真、纵深感强烈、3D效果极佳，使观看者能确实感受到身临其境的感受。

Description

数字球幕立体电影的制作方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种球幕立体电影的制作方法。

背景技术

随着时代的发展和科技的进步，电影制作行业也经历了数个跨时代的阶段： 2D电影、3D电影、环幕2D电影、环幕3D电影、球幕2D电影、球幕3D电影。伴随着电影阶段性的发展，现代科学技术手段也没有停止前进的脚步，数字三维动画这种新兴的艺术表现形式发展势头迅猛，已经在电影行业的各个阶段取得了广泛的应用。

现在最为流行、震撼的电影表现形式当属数字球幕3D电影，它集合了数字动画、球幕、3D全部科技元素于一身。球幕影院的观众厅为圆顶式结构，银幕呈半球形如同苍穹，观众被包围其中，可以平时或仰视于观看电影，且银幕的播放视觉范围可高达180度，可自观众目前延至身后，伴随着环绕立体声，给观众一种身临其境的感觉，所以这种电影的效果非常震撼，及时在脱离立体眼镜的情况下也可产生立体效果；三维数字动画是一种虚拟现实并能超越现实的一种表现形式，它与传统的拍摄制作方式相比，可以制作出无法达到的过去、未来、宇宙等一切人类未知或无法拍摄到的场景，只要你的想象力够丰富，它的表现潜力不受限制，具体三维数字动画技术实现是通过计算机用特殊的动画软件设计出一个虚拟的三维空间，并将制作好的场景模型、人物模型等置于这个三维空间中静止或活动，从不同的角度用灯光照射，再用虚拟摄像机去拍摄，经过渲染，才能生成栩栩如生的三维动画；数字动画3D技术和传统胶片的立体电影的制作原理相同，采用双摄像机或双镜头摄像机拍摄，对应观察点延与观察方向垂直的水平线错开瞳距的距离，来产生视差，放映时通过两台放映机分别放映，在放映机镜头前加偏振片，使两路图像具有不同的偏振方向，两台摄像机分别放映对应于人左右眼的通道图像，并使之投射到同一银幕上，观众一般都是借助于偏振眼镜区别两路通道的图像引起视差来产生立体感，只不过在数字动画制作软件中，摄像机都是虚拟出来的，但同真实摄像机拥有大体一致的参数，如：机位、焦距、观察方向、片门等，由于虚拟摄像机和真实摄像机拥有几乎完全的摄像功能，所以同样可以采用真实摄像机的3D拍摄技术来进行三维动画制作，并且这种三维立体拍摄技术有一个巨大的优点：高精确度，可以实现任意数量的模拟摄像机的观察点的完全重合。

传统的球幕电影采用70mm胶片和鱼眼镜头进行拍摄和放映，这种传统的拍摄方法制作球幕电影存在很多难以克服的技术障碍，制作成本昂贵、影片题材单调，所以片源少、运营成本高成了所有球幕影院运营的巨大困难；而且现在的三维动画制作软件（例如：Maya、3D Max）只能提供渲染平面的渲染方式，具体的说通过软件制作的三维动画只有在平面屏幕上播放时，才能正确、无变形的还原出三维动画制作软件中制作的场景。可见如果想用三维动画制作软件制作球幕画面，则需要采用球面的渲染方式。此外，对不同的球幕影院，其放映设备的位置和数量又各不相同。

综上，在业内解决利用数字动画技术来制作适应不同球幕影院的3D球幕片源的问题成为重要课题，也正是本发明所要解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的问题在于提出一种数字球幕立体电影的制作方法，能够将普通的3D数字动画转化成适应球幕播放的3D动画。

本发明解决技术问题的方法包含以下步骤：

1、首先应确定立体摄像机的瞳距D，为了实现3D效果，应当建立相应的视差模型。有两台摄像机分别在观察者左右眼两个角度分别拍摄所需要的3D场景效果，生成左右两个图像；然后再由两台投影机在观察者的左右两个角度将左右两个副图像分别投在同一块银幕上；之后观察者通过佩戴偏振眼镜对光线进行过滤，分别进入观看者左右眼，最后形成3D效果。因此，立体摄影机的瞳距，应按照人的两眼瞳孔的距离d、渲染距离L、以及观看者和球幕之间的距离约为球幕半径R计算得出。

即：D =

2、设置渲染参数，其中包括子银幕的数量K子银幕，按照x,y轴两个方向进行拓扑。其中子银幕包括梯形子银幕数量K梯形和三角形子银幕数量K三角。每个梯形子银幕由N层梯形组成，每层由M个相同梯形组成; 三角形子银幕则由K子银幕x M个三角形组成。因此：

K子银幕 = K子银幕x K子银幕y

K梯形 = M N

K三角 = K子银幕x M

3、在输入渲染参数以后，立体摄像机将按照梯形和三角形两种方式对3D场景图像进行渲染。在梯形渲染时，相机的视角会透过一个梯形面对场景进行渲染；当三角形渲染时，相机的视角则会透过一个三角形对3D场景进行渲染。

梯形渲染时，梯形的形状根据角度的不同而变化。

当渲染K(x,y)子银幕中的K（m,n）梯形时，摄像机所对应的Y轴夹角角度则为：

180 (y n) / (Ky + 1)

X轴角度则为：

360 (x m) / (Kx + 2)

梯形的形状为：

斜边：2 R sin( )

顶边：2 R sin( ) sin（）

底边：2 R sin( ) sin（）

最后的渲染效果如图7所示，为一梯形图片。

同理，每个三角形的形状为：

斜边：2 R sin( )

底边：顶边：2 R sin( ) sin（）

4、在按照顺序对3d动画依次渲染后，对构成子银幕的图像进行图像拼接和几何校正。主要是通过摄像头采集数据，运用计算机视觉的方法，标定相关的几何对应关系；通过纯软件的方法，自动实现投影仪间的无缝拼接。包括得到标定图像空间和投影空间：将PC机与投影仪相连，PC机绘制的内容和投到屏幕上的内容是一致的，PC机绘制的内容保存在缓存区，将这个区域成为投影空间。用摄像头来捕捉投影仪投到屏幕上的内容，投影的内容在拍摄的图片上有一个2D坐标，定义这个2D空间为图像空间。图像空间的2D坐标表示的是该点在摄像头拍摄的图片上的坐标。很明显在不同位置捕捉得到的图像空间是不同的。有时候在一个位置无法将整个***拍全，囚此需要从不同位置捕捉画面进行校正，这种情况我们需要将几个不同位置的图像空间校正到一个统一的图像空间，我们用虚拟图像空间来表示。

PC机屏幕上的点和投影屏幕上的点是对应的，摄像机拍摄屏幕上的图像得到的图像空间上的点和PC机屏幕上的点也是一一对应的。令m1为投影空间中的点X的坐标，m2为点X被投到幕上被摄像头拍摄后，

在图像空间的坐标，m1和m2间的关系可以用函数B1表示为：

m2 = B1m1

由可逆变化得： m1 = B1-1m2

基于图像空间拼接的标定技术：通过将多个摄像机的图像空间映射到同一个图像空间。根据视点的成像模型得到：，通过求解的，一组点对xi和x,i。这需要进行特征点提取，然后将特征点进行匹配完成图像的拼接与融合。

5、进行衰减处理，将相邻的两帧画面进行图像融合，在融合时，对图像之间的叠加部分进行衰减处理并输出子银幕的图像文件。最后在播放时，每个子银幕对应一台投影仪，进行播放。

本发明能够将普通的3D数字动画转化成适应球幕播放的3D动画，通过利用3D数字动画技术、图像校对技术、图像拼接融合技术、球幕投影技术，实现了3D数字动画和球幕电影的完美结合，可以使完整的立体图像在180度至360度的球形银幕上上映。

通过使用本技术的制作、播放的3D数字动画电影的画面连续、逼真、纵深感强烈、3D效果极佳。突破了以往球幕影院放映时图像效果模糊、图像有被拉伸感，图像形变严重，画面敏感不均匀、视觉张角小等缺点，使观看者能确实感受到身临其境的感受。

附图说明

图1 为3D立体显示技术偏振光原理示意图；

图2 为梯形子银幕示意图；

图3 为三角形子银幕示意图；

图4为梯形渲染示意图；

图5为三角形渲染示意图；

图6为梯形渲染效果示意图；

图7为图像矫正拼接效果图；

图8为图像融合衰减效果图；

图9为整体操作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

1. 如图9所示，为制作球幕3D动画软件的整体流程。

2. 首先应确定立体摄像机的瞳距D，如图1所示，为3D摄像机的具体摆设方法，为了实现3D效果，应当建立相应的视差模型。有两台摄像机分别在观察者左右眼两个角度分别拍摄所需要的3D场景效果，生成左右两个图像；然后再由两台投影机在观察者的左右两个角度将左右两个副图像分别投在同一块银幕上；之后观察者通过佩戴偏振眼镜对光线进行过滤，分别进入观看者左右眼，最后形成3D效果。例如，正常人瞳距为6cm，球幕半径为15m, 渲染距离（焦距）为6cm则：立体摄影机的瞳距，应按照人的两眼瞳孔的距离d、渲染距离L、以及观看者和球幕之间的距离约为球幕半径R计算得出。

即：D = = =0.004com

3. 设置渲染参数，其中包括子银幕的数量K子银幕，按照x,y轴两个方向进行拓扑。如图2所示，建立一个180度的球幕，其中子银幕包括梯形子银幕数量K梯形是6个和三角形子银幕数量K三角是1个。如图2所示，阴影部分为梯形子银幕；如图3所示，阴影部分为三角形子银幕。每个梯形子银幕由N层：2层梯形组成，每层由M：2个相同梯形组成; 三角形子银幕则由K子银幕x M个三角形组成。因此：

K子银幕 = K子银幕x K子银幕y +1= 2 6 +1 = 13个

K梯形 = M N = 2 2 = 4个

K三角 = K子银幕x M = 6 2=12个

4. 如图6所示，对每个梯形和三角形进行渲染，梯形渲染时，梯形的形状根据角度的不同而变化。

5. 如图7所示，进行图像拼接工作：具体实施如下：（1）对图像序列进行预处理，预处理一般会考虑光照，尺度，位置变化等因素的干扰。常用的预处理方法有非线性平滑滤波，使像素的灰度值接近，从而消除孤立的噪声点。 (2)几何标定，主要是通过摄像头采集数据，运用计算机视觉的方法，标定相关的几何对应关系；通过纯软件的方法，获取到多投影的重叠区域缝拼接。包括得到标定图像空间和投影空间（3）图象空间拼接标定，通过将多个摄像机的图像空间映射到同一个图像空间。根据视点的成像模型得到：，其中表示摄像头在两个位置的图像空间的映射关系，是一个透视矩阵。通过特征点提取算法求解上式中的和。（4）特征提取与匹配：提取中图像中的显著特征作为图像特征点，如边缘。拐点等信息。通过匹配算法确定相互匹配的特征点，进而确定投影图像重叠区域。（5）边缘融合，获得重叠区域后，采用多频段融合算法进行图像融合。（6）颜色校正，解决多个投影仪间的颜色亮度和色差问题和重叠区域的颜色问题。

5. 如图8所示，进行衰减处理，将相邻的两帧画面进行图像融合，在融合时，对图像之间的叠加部分进行衰减处理并输出子银幕的图像文件。最后在播放时，每个子银幕对应一台投影仪，进行播放。

Claims

1.一种数字球幕立体电影的制作方法，其特征在于由以下步骤完成：

（1）确定立体摄像机的瞳距D，建立相应的视差模型，通过两台摄像机分别在观察者左右眼两个角度分别拍摄所需要的3D场景效果，生成左右两个图像，然后再由两台投影机在观察者的左右两个角度将左右两个副图像分别投在同一块银幕上；之后观察者通过佩戴偏振眼镜对光线进行过滤，分别进入观看者左右眼，最后形成3D效果；其中立体摄影机的瞳距，应按照人的两眼瞳孔的距离d、渲染距离L、以及观看者和球幕之间的距离约为球幕半径R计算得出，

即：D = ；

（2）设置渲染参数，其中包括子银幕的数量K _子银幕，按照x,y轴两个方向进行拓扑，其中子银幕包括梯形子银幕数量K _梯形和三角形子银幕数量K _三角，每个梯形子银幕由N层梯形组成，每层由M个相同梯形组成; 三角形子银幕则由K _子银幕x

M个三角形组成，因此：

；

（3）在输入渲染参数以后，立体摄像机将按照

梯形和三角形两种方式对3D场景图像进行渲染，在梯形渲染时，相机的视角会透过一个梯形面对场景进行渲染；当三角形渲染时，相机的视角则会透过一个三角形对3D场景进行渲染，

梯形渲染时，梯形的形状根据角度的不同而变化，

当渲染K_(x,y)子银幕中的K_（m,n）梯形时，摄像机所对应的Y轴夹角角度则为：

180 (y

n) / (Ky+ 1)

X轴角度则为：

360 (x

m) / (Kx+ 2)

梯形的形状为：

斜边：2

R

sin(

)

顶边：2

Rsin(

)

sin（）

底边：2

Rsin(

)

sin（）

同理，每个三角形的形状为：

斜边：2

R

sin(

)

底边：顶边：2R

sin(

)

sin（

）；

（4）在按照顺序对3d动画依次渲染后，对构成子银幕的图像进行图像拼接和几何校正，通过摄像头采集数据，运用计算机视觉的方法，标定相关的几何对应关系；通过纯软件的方法，自动实现投影仪间的无缝拼接，包括得到标定图像空间和投影空间：将PC机与投影仪相连，PC机绘制的内容和投到屏幕上的内容是一致的，PC机绘制的内容保存在缓存区，将这个区域成为投影空间，用摄像头来捕捉投影仪投到屏幕上的内容，投影的内容在拍摄的图片上有一个2D坐标，定义这个2D空间为图像空间，图像空间的2D坐标表示的是该点在摄像头拍摄的图片上的坐标；

（5）进行衰减处理，将相邻的两帧画面进行图像融合，在融合时，对图像之间的叠加部分进行衰减处理并输出子银幕的图像文件，在播放时，每个子银幕对应一台投影仪，进行播放。

2.根据权利要求1所述的数字球幕立体电影的制作方法，其特征在于：步骤（4）中将几个不同位置的图像空间校正到一个统一的图像空间，用虚拟图像空间来表示，PC机屏幕上的点和投影屏幕上的点是对应的，摄像机拍摄屏幕上的图像得到的图像空间上的点和PC机屏幕上的点也是一一对应的，令m ₁为投影空间中的点X的坐标，m ₂为点X被投到幕上被摄像头拍摄后，在图像空间的坐标，m ₁和m ₂间的关系用函数B ₁表示为：

m ₂ = B ₁ m ₁

由可逆变化得： m ₁ = B ₁ ^-1 m ₂

基于图像空间拼接的标定技术：通过将多个摄像机的图像空间映射到同一个图像空间，

根据视点的成像模型得到：

，通过求解

的，一组点对x _i和x ^, _i，进行特征点提取，然后将特征点进行匹配完成图像的拼接与融合。