专利名称：投影机球形显示及旋转输出图像的高效处理方法
技术领域：
本发明涉及图像处理技术，特别涉及ー种针对投影机球形显示及旋转输出图像的高效处理方法。
背景技术：
目前的球形显示技术采用计算机、投影机、鱼眼镜头和球幕，计算机输出的投影信号通过投影机进行成像技术等处理变成图像画面输出，投影机输出的画面再经鱼眼镜头充满整个球幕，普通情况下由于计算机输出给投影机的待投影的画面(可以是视频或图片)是平面矩形图像，故投影机输出的画面也是平面矩形图像，平面矩形图像如
图1所示，将其直接经鱼眼镜头投影到球幕上，则会由于鱼眼镜头强大的发散特性造成非常大的变形，严重影响在球幕上显示的效果。
发明内容
本发明针对现有的球形显示技术中投影机将接收的平面矩形图像直接经鱼眼镜头投影到球幕上造成明显变形的问题，提供ー种投影机球形显示及旋转输出图像的高效处理方法，将计算机中待投影的图像画面在输出给投影机前进行变形处理，使得投影机输出的图像是圆形的，能够解决图像变形的问题，还能够在球幕上绕任意轴旋转，提高在球幕上投影的球形显示效果，并通过对旋转图像的高效处理能够提高球形显示旋转的效率。本发明的技术方案如下ー种投影机球形显示和旋转输出图像的高效处理方法，其特征在干，将待投影的平面矩形图像作为源图像同时将投影机球形显示输出的图像作为目标图像，以笛卡尔坐标为基础建立源图像坐标系和目标图像坐标系，并以目标图像坐标系为基础增加与目标图像坐标系垂直的第三个坐标轴以建立目标图像的球形坐标系，同时将目标图像划分为多个网格，所述每个网格内部包括两个及以上像素点；根据鱼眼镜头的光路特性，先将目标图像的网格顶点的像素坐标转为球形坐标系下的三维坐标，再对所述三维坐标进行旋转变换，并将旋转变换后的三维坐标转换为极坐标系下的坐标，然后根据极坐标系下的坐标得到源图像的像素坐标，所述三维坐标转换的极坐标系下的坐标的角度和半径分别对应源图像坐标系的坐标轴方向的坐标；再将得到的源图像的像素坐标作为目标图像相对应的网格顶点的纹理坐标，并将源图像作为纹理贴图，目标图像的像素点的顔色根据网格顶点及所对应的纹理坐标并结合纹理贴图由显卡的图形处理器渲染输出。所述将目标图像的网格顶点的像素坐标转为球形坐标系下的三维坐标的步骤是先将目标图像的网格顶点的像素坐标转为极坐标系下的坐标，再由极坐标系下的坐标转换为球形坐标系下的三维坐标。对所述三维坐标进行旋转变换是通过目标图像的网格顶点在球形坐标系下的三维坐标与球形坐标系下绕任意轴旋转的旋转矩阵的乘积关系得到旋转前的目标图像的网格顶点在球形坐标系下的三维坐标。
所述旋转变换后的三维坐标转换为极坐标系下的坐标后，根据目标图像旋转前在球形坐标系下的三维坐标情况对所述三维坐标转换的极坐标系下的坐标的角度进行预处理。在所述旋转变换后的三维坐标转换为极坐标系下的坐标后再转换为ニ维平面坐标，以确定旋转前的目标图像的网格顶点的像素点在目标图像坐标系下的位置。所述源图像的像素坐标在源图像坐标系的两坐标轴的坐标范围均是
，所述得到的源图像的像素坐标为归一化坐标；所述源图像坐标系的坐标原点位于源图像的左上角；所述目标图像的像素坐标在目标图像坐标系的两坐标轴的坐标 范围均是[-1，1]，所述目标图像的坐标原点位于目标图像的中心。所述目标图像的网格顶点的像素坐标转为极坐标系下的坐标的角度(P)为中间值，所述中间值的范围为
，所述中间值(ぞ)经过处理后得到极坐标系下的运算角度(0 )，所述运算角度的范围为
图1为投影机输出的画面是平面矩形图像的示意图。图2为本发明投影机球形显示和旋转输出图像的高效处理方法的流程图。图3为源图像坐标系示意图。图4为目标图像坐标系示意图。图5为球形坐标系示意图。图6为顶点网格示意图。图7为本发明投影机球形显示和旋转输出的圆形图像的示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行说明。本发明涉及ー种投影机球形显示和旋转输出图像的高效处理方法，其流程图如图2所示。将待投影的平面矩形图像作为源图像同时将投影机球形显示输出的图像作为目标图像，以笛卡尔坐标为基础建立源图像坐标系和目标图像坐标系，并以目标图像坐标系为基础增加与目标图像坐标系垂直的第三个坐标轴以建立目标图像的球形坐标系，同时将目标图像划分为多个网格，每个网格内部包括两个及以上像素点；根据鱼眼镜头的光路特性，先将目标图像的网格顶点的像素坐标转为球形坐标系下的三维坐标，再对所述三维坐标进行旋转变换，并将旋转变换后的三维坐标转换为极坐标系下的坐标，然后根据极坐标系下的坐标得到源图像的像素坐标，三维坐标转换的极坐标系下的坐标的角度和半径分别对应源图像坐标系的水平和垂直坐标轴方向的坐标；通过上述的极坐标变换和三维旋转变换能够建立源图像和旋转前的目标图像的网格顶点的像素坐标对应关系，只要将目标图像中网格顶点在源图像对应的像素坐标作为纹理坐标，将源图像作为纹理贴图，利用图形处理器进行处理，目标图像的像素点的顔色根据网格顶点以及网格顶点所对应的源图像坐标并结合源图像作为纹理贴图，由显卡的图形处理器渲染输出，就可以将待投影的平面矩形图像进行变形处理输出旋转后的圆形图像，完成投影机球形显示和旋转输出圆形图像的高效处理。本发明所述的投影机球形显示和旋转输出图像的高效处理方法能够将待投影的原始图像(可以是视频或图片)的平面矩形图像的画面在输出前进行变形处理，使得输入到投影机的图像是圆形的，即投影机输出的图像也是圆形的，并能够在经由鱼眼镜头投影下的球幕上绕任意轴旋转，也就是绕所建立的球形坐标系的任意轴旋转。绕任意轴旋转是指绕球表面上任意一个点与球心的轴线进行旋转，由于绕任意轴旋转是三维，而球形变化的原始的矩形图片(即源图像)和输出的圆形图片(即目标图像)都是ニ维的，本发明球形显示和旋转输出的高效处理方法仅对建立的网格顶点的像素点进行球形显示旋转变换处理，减少球形显示旋转变换的运算处理量，对网格顶点的像素点的球形显示旋转变换处理采取将ニ维输出画面坐标变换为球形坐标系上的坐标，然后再对球形坐标进行三维旋转变换，最后再将变换后的三维坐标转换为源图像的ニ维坐标，从而最終实现输出的目标图像在球幕显示中的任意轴旋转。由球形显示和旋转的鱼眼镜头的光路分析可得到球形显示图像变形以及球形显示的旋转分别利用极坐标变换技术和三维旋转变换技木，网格顶点及网格内部的像素点采用的显卡GPU渲染技木。本发明处理方法的具体步骤如下步骤A、先将待投影的平面矩形图像作为源图像，同时将投影机球形显示输出的圆形图像作为目标图像，以笛卡尔坐标为基础分别建立如图3所示的源图像坐标系和如图4所示的目标图像坐标系。图3中的计算机待投影的原始的平面矩形图像转换为投影机显示输出的如图4所示的圆形的目标图像。还需要建立球形坐标系以及需要将目标图像划分为多个网格。建立球形坐标系是以目标图像坐标系为基础增加与目标图像坐标系垂直的第三个坐标轴Z轴以建立目标图像的球形坐标系，如图5所示，为投影机球形显示输出的圆形图像绕任意轴心旋转所建立的球形坐标系，以球的正下方和正上方的连线为Z轴(可理解为是南极和北极的连线)，赤道面为目标坐标系的XY平面。将目标图像划分多个网格的方法可以是按等经纬度进行等分的顶点网格，如图6所示，每个网格内部包括两个及以上像素点，井根据运算处理的精细度情况顶点网格的大小可以不同。为使得坐标归ー化，在定义坐标范围时，源图像的像素坐标在源图像坐标系的两坐标轴的坐标范围均是
,即图3所示的源坐标系中的源图像坐标X范围为
，y范围为
，其中y坐标是从上到下，源图像的坐标原点位于源图像的左上角。目标图像的像素坐标在目标图像坐标系的两坐标轴的坐标范围均是[-1，I]，即图4所示的目标坐标系中的目标图像坐标X范围为[-1,1], y方向的坐标范围也为[-1,1],目标图像的坐标原点位于目标图像的中心。同时在图5所示的球形坐标系中归ー化后的球的半径为单位I。步骤B、根据鱼眼镜头的光路特性，将目标图像的网格顶点的像素坐标转为球形坐标系下的三维坐标。假设目标图像的网格顶点的像素点在目标图像坐标系下的坐标为Pt2d(dstX, dstY)，可以先将目标图像的网格顶点的像素坐标转为极坐标系下的坐标，再由极坐标系下的坐标转换为球形坐标系下的三维坐标。具体分为B1、将Pt2d(dstX，dstY)由笛卡尔坐标系转为极坐标系下的坐标炉).
权利要求
1.一种投影机球形显示和旋转输出图像的高效处理方法，其特征在于，将待投影的平面矩形图像作为源图像同时将投影机球形显示输出的图像作为目标图像，以笛卡尔坐标为基础建立源图像坐标系和目标图像坐标系，并以目标图像坐标系为基础增加与目标图像坐标系垂直的第三个坐标轴以建立目标图像的球形坐标系，同时将目标图像划分为多个网格，所述每个网格内部包括两个及以上像素点；根据鱼眼镜头的光路特性，先将目标图像的网格顶点的像素坐标转为球形坐标系下的三维坐标，再对所述三维坐标进行旋转变换，并将旋转变换后的三维坐标转换为极坐标系下的坐标，然后根据极坐标系下的坐标得到源图像的像素坐标，所述三维坐标转换的极坐标系下的坐标的角度和半径分别对应源图像坐标系的坐标轴方向的坐标；再将得到的源图像的像素坐标作为目标图像相对应的网格顶点的纹理坐标，并将源图像作为纹理贴图，目标图像的像素点的颜色根据网格顶点及所对应的纹理坐标并结合纹理贴图由显卡的图形处理器渲染输出。
2.根据权利要求1所述的投影机球形显示和旋转输出图像的高效处理方法，其特征在于，所述将目标图像的网格顶点的像素坐标转为球形坐标系下的三维坐标的步骤是先将目标图像的网格顶点的像素坐标转为极坐标系下的坐标，再由极坐标系下的坐标转换为球形坐标系下的三维坐标。
3.根据权利要求1所述的投影机球形显示和旋转输出图像的高效处理方法，其特征在于，对所述三维坐标进行旋转变换是通过目标图像的网格顶点在球形坐标系下的三维坐标与球形坐标系下绕任意轴旋转的旋转矩阵的乘积关系得到旋转前的目标图像的网格顶点在球形坐标系下的三维坐标。
4.根据权利要求3所述的投影机球形显示和旋转输出图像的高效处理方法，其特征在于，所述旋转变换后的三维坐标转换为极坐标系下的坐标后，根据目标图像旋转前在球形坐标系下的三维坐标情况对所述三维坐标转换的极坐标系下的坐标的角度进行预处理。
5.根据权利要求1所述的投影机球形显示和旋转输出图像的高效处理方法，其特征在于，在所述旋转变换后的三维坐标转换为极坐标系下的坐标后再转换为二维平面坐标，以确定旋转前的目标图像的网格顶点的像素点在目标图像坐标系下的位置。
6.根据权利要求1至5之一所述的投影机球形显示和旋转输出图像的高效处理方法，其特征在于，所述源图像的像素坐标在源图像坐标系的两坐标轴的坐标范围均是[O，1]，所述得到的源图像的像素坐标为归一化坐标；所述源图像坐标系的坐标原点位于源图像的左上角；所述目标图像的像素坐标在目标图像坐标系的两坐标轴的坐标范围均是[-1，1]，所述目标图像的坐标原点位于目标图像的中心。
7.根据权利要求2所述的投影机球形显示和旋转输出图像的高效处理方法，其特征在于，所述目标图像的网格顶点的像素坐标转为极坐标系下的坐标的角度(口)为中间值，所述中间值的范围为[O，]，所述中间值(0)经过处理后得到极坐标系下的运算角度(e )，所述运算角度的范围为[O，2^0，根据目标图像的网格顶点的像素点所在的不同的象限由炉得到9的值
8.根据权利要求1所述的投影机球形显示和旋转输出图像的高效处理方法，其特征在于，所述目标图像划分的网格是按等经纬度进行等分的顶点网格。
全文摘要
本发明涉及一种投影机球形显示和旋转输出图像的高效处理方法，将待投影的平面矩形图像作为源图像并将投影机球形显示输出的图像作为目标图像，建立源图像坐标系、目标图像坐标系和球形坐标系，并将目标图像划分为多个网格；先将目标图像的网格顶点的像素坐标转为球形坐标系下的三维坐标，再对三维坐标进行旋转变换后转换为极坐标系下的坐标，然后根据极坐标系下的坐标得到源图像的像素坐标并将其作为目标图像相对应的网格顶点的纹理坐标，将源图像作为纹理贴图，目标图像的像素点的颜色根据网格顶点、纹理坐标和纹理贴图由显卡的图形处理器渲染输出。该方法提高了在球幕上投影的球形显示效果，通过对旋转图像的高效处理可提高球形显示旋转的效率。
文档编号G06T17/30GK103021013SQ20121049585
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月28日 优先权日2012年11月28日
发明者陈龙, 袁学忠 申请人:无锡羿飞科技有限公司