一种在三维场景中任意位置生成全景图的方法与流程

本发明涉及一种在三维场景中任意位置生成全景图的方法。

背景技术：

全景图通过广角的表现手段以及绘画、相片、视频、三维模型等形式，尽可能多表现出周围的环境，从而使人产生一定沉浸感。

全景图相对于三维场景可执行文件，具有占用空间小、多平台支持及传播广等优点，现在市面上已有的全景图产生方式主要有两种：一种是通过多镜头或单镜头多方向实拍，根据特征点将多张图片缝合成一张，但这种方法不适用于虚拟三维场景；第二种是通过类似3dmax这类软件进行渲染，将整个空间上的点映射到一张全景图中，但渲染过程复杂、对渲染设备的要求高，耗时长，往往需要等待数小时。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种在三维场景中任意位置生成全景图的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种在三维场景中任意位置生成全景图的方法，包括以下步骤：

s1、在三维场景中创建虚拟相机，并以虚拟相机所在点o为中心点建立右手坐标系o-xyz，将虚拟相机水平与垂直方向的视场角度设置为90°，方向朝向-z轴，并保持俯仰角和翻滚角为0°；

s2、设定渲染图片的形状为正方形，其边长为w，将虚拟相机分别朝向-z、-x、+z、+x、+y以及-y方向各渲染一张图片，以获得当前位置的六视图；

s3、以虚拟相机所在点o为中心，分别建立球体与立方体，设定球体半径为1，立方体边长为2，立方体的各边平行于x、y、z轴；

s4、计算球面任意点p的坐标，根据球面任意点p的坐标计算连线op与立方体相交点pc的坐标；

s5、设定所需全景图的宽度与高度，将全景图上的像素点一一映射到球面坐标系中，获得全景图像素点在球面坐标系的映射坐标；

s6、在w*h个像素点的全景图中，对每个像素点p按宽度、高度方向分别循环，根据全景图到球面坐标系中的映射坐标以及pc点的坐标确定对应的采样图及采样坐标；根据采样坐标所对应的点在采样图中的颜色确定全景图中像素点p的颜色，获得所需全景图。

进一步地，步骤s4中，令连线op与yoz平面的夹角为θ，围绕y轴顺时针方向旋转为正向；令连线op与xoz平面夹角为p在y轴正半轴方向夹角为正。

进一步地，步骤s4中，球面任意点p(xp,yp,zp)在平面xoz中的投影为b，连线ob交球面于点a，设m、n为oz轴上的点，连线am及bn平行于x轴，则由am＝ao*sinθ及ao＝1可得由om＝ao*cosθ及可得则球面任意点p的坐标为

opc与op共线，则有则相交点pc(xpc,ypc,zpc)的坐标为

球面任意点p的坐标及相交点pc的坐标根据其在坐标系o-xyz中的位置取正负值。

进一步地，步骤s5中，设定所需全景图的宽度为w，高度为h，则全景图上任意一点p(x,y)在球面坐标系的坐标值为

进一步地，步骤s6中，各采样图及其采样坐标的确定方式如下，

当且时，球体上的全景图在后视图中采样，采样坐标为：

当且时，球体上的全景图在左视图中采样，采样坐标为：

当且时，球体上的全景图在前视图中采样，采样坐标为：

当且时，球体上的全景图在右视图中采样，采样坐标为：

当且时，球体上的全景图在顶视图中采样，采样坐标为：

当且时，球体上的全景图在底视图中采样，采样坐标为:

进一步地，步骤s6中，采样坐标所对应的点正好位于采样图的像素点q上时，像素点p取该像素点q的颜色,否则，取采样坐标对应点的邻域插值颜色或最邻近点颜色。

采用上述技术方案后，本发明与背景技术相比，具有如下优点：不依赖于渲染方法或系统，仅通过规范化参数的虚拟相机渲染前、后、左、右、顶部及底部六张贴图(环境映射)，无需复杂的特征提取、识别与缝合，直接经过立方体空间到球形空间的映射，即可在三维场景的任意位置快速(普通pc端，数秒内)生成高质量的全景图。本发明不仅适用于实时渲染，在离线渲染时，同样适用。

附图说明

图1为本发明建模示意图；

图2为本发明虚拟相机所渲染的六视图，其中，图2a为朝-z方向渲染的前视图，图2b为朝-x方向渲染的左视图；图2c为朝+z方向渲染的后视图；图2d为朝+x方向渲染的右视图；图2e为朝+y方向渲染的顶视图；图2f为朝-y方向渲染的底视图；

图3为宽度为w、高度为h的全景图在球体上的贴图展开图；

图4为由o点朝+z向看，立方体的顶点坐标以及后视图贴图坐标；

图5为以图2所渲染的六视图为输入获得的全景图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

一种在三维场景中任意位置生成全景图的方法，包括以下步骤：

s1、如图1所示，在三维场景中创建虚拟相机，并以虚拟相机所在点o为中心点建立右手坐标系o-xyz，选择合适的远近裁剪，将虚拟相机水平与垂直方向的视场角度设置为90°，方向朝向-z轴，并保持俯仰角和翻滚角为0°。

s2、设定渲染图片的形状为正方形，其边长为w，将虚拟相机分别朝向-z、-x、+z、+x、+y以及-y方向各渲染一张图片，以获得当前位置的六视图。

首先，朝-z方向渲染一张图片，得到当前位置的前视图；围绕y轴逆时针旋转90度，朝-x方向渲染一张图片，得到左视图；围绕y轴逆时针再旋转90度，朝+z方向渲染一张图片，得到后视图；围绕y轴逆时针再旋转90度，朝+x方向渲染一张图片，得到右视图；围绕y轴逆时针再旋转90度，朝向-z轴，回到初始位置，再围绕x轴逆时针旋转90度，朝+y方向渲染一张图片，得到顶视图；围绕x轴逆时针再旋转180度，朝-y方向渲染一张图片，得到底视图,得到的六视图如图2所示。

s3、以虚拟相机所在点o为中心，分别建立球体与立方体,立方体的各边平行于x、y、z轴。

由于，连线op与立方体的相交点对应在立方体某个面中的相对位置(即分别与长、宽的比率)仅与球面任意点p在坐标系中的方向有关，与球体及立方体的大小无关，因此，为便于计算，设定球体的半径为1，立方体边长为2。

s4、计算球面任意点p的坐标，根据球面任意点p的坐标计算连线op与立方体相交点pc的坐标；

由于虚拟相机默认朝向-z轴，如图1所示，正方形c1c2c3c4为后视图方向，c5c6c7c8为前视图方向，为了使前视图能位于全景图的正中，且全景图从左到右环绕，令连线op与yoz平面的夹角为θ，围绕y轴顺时针方向旋转为正向；由于虚拟相机的俯仰角与翻滚角为0，为了使全景图由上而下平铺，令连线op与xoz平面夹角为p在y轴正半轴方向夹角为正。

如图1所示，球面任意点p(xp,yp,zp)在平面xoz中的投影为b，连线ob交球面于点a，设m、n为oz轴上的点，连线am及bn平行于x轴，则有∠bon为θ，∠pob为

则由(相似三角形)、am＝ao*sinθ及ao＝1(球体半径)可得由om＝ao*cosθ及可得则球面任意点p的坐标为

opc与op共线，则有则相交点pc(xpc,ypc，zpc)的坐标为

球面任意点p的坐标及相交点pc的坐标根据其在坐标系o-xyz中的位置取正负值。

s5、设定所需全景图的宽度和高度，将全景图上的像素点一一映射到球面坐标系中，获得全景图像素点在球面坐标系的映射坐标。

设定所需全景图的宽度为w，高度为h，如图3所示的是全景图的球形展开，竖直方向为经线，水平方向为纬线，由横坐标[0,w]->[0,2π],纵坐标[0,h]->[+π,-π]的均匀分布一一映射可得，全景图上任意点p(x,y)到球面坐标系的映射坐标为

s6、在w*h个像素点的全景图中，对每个像素点p按宽度、高度方向分别循环，根据全景图到球面坐标系中的映射坐标以及pc点的坐标确定对应的采样图及采样坐标；根据采样坐标所对应的点在采样图中的颜色确定全景图中像素点p的颜色，获得所需全景图。

各采样图及其采样坐标的确定方式如下，

当且时，球体上的全景图在后视图中采样，采样坐标为：

当且时，球体上的全景图在左视图中采样，采样坐标为：

当且时，球体上的全景图在前视图中采样，采样坐标为：

当且时，球体上的全景图在右视图中采样，采样坐标为：

当且时，球体上的全景图在顶视图中采样，采样坐标为：

当且时，球体上的全景图在底视图中采样，采样坐标为:

采样坐标所对应的点正好位于采样图的像素点q上时，像素点p取该像素点q的颜色,否则，取采样坐标对应点的邻域插值颜色或最邻近点颜色。

本发明中生成全景图片的方法同样适用于生成全景视频，只需将生成的多组图片连接成序列帧即可。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。