本发明属于仿真相关技术领域，具体涉及一种基于仿真视景系统的gpu加速多通道融合方法及系统。
背景技术：
随着我国经济的高速发展，轨道交通事业也处于高速发展的阶段，多元化、多形式的轨道交通也在迅速发展更新及应用。在轨道交通领域仿真技术的运用日趋成熟，各种行车组织、运营调度、供电及站场等子系统能耗分析或设备选型分析仿真系统得到了广泛应用。计算机仿真技术结合了实验和分析这两种方法，采用仿真用模型代替实体作实验，具有经济、安全、实验周期短等优点。尤其是在驾驶培训方面，各种列车仿真系统以其逼真、灵活、有效、经济等突出的优势在培训列车司机方面发挥着越来越重要的作用。
在列车驾驶仿真培训系统中，大型环幕、大型拼接幕和大型不规则幕已成为十分重要的组成部分，但上述屏幕的应用过程中，单台投影仪已经难以达到屏幕的分辨率要求，而需要使用多台投影仪同时输出画面并需要对输出画面进行拼接、融合，但对输出画面进行拼接、融合的过程十分复杂，难度较大。
在现有技术中，为实现多台投影仪对输出画面的拼接和融合，通常采用的方法是外购专业融合机厂商定制的硬件融合机，通过对硬件融合机输入几路视频信号，然后利用硬件融合机内部的fpga芯片对图像进行处理，再输出到投影屏幕上。虽然上述方法可以一定程度上实现对多台投影仪输出画面的拼接和融合，但是，在硬件融合机内部处理图像时，往往需要占用较长的时间，因此，通常硬件融合出来的画面都存在延迟的问题，画面刷新率也不高，再加上采购融合机需要大量的资金成本，且在调试过程中需要融合机厂商进行技术支持才能完成视景的拼接。而且一旦在项目运行的过程出现问题，就需要融合机厂商多次派出技术人员进行技术支持，这无疑会产生额外的经济成本，需要在客户和融合机厂商之间进行时间工期的大量协调。此外，由于硬件融合机是二次采集图像信号进行处理，不仅时间上存在较大延迟，还在融合带的像素比例需求上要求很高，会损失较多的像素，进而导致输出的画面不清晰，画面卡顿。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于仿真视景系统的gpu加速多通道融合方法，其中通过对多通道融合画面进行色差调节、几何校正和画面融合等过程，有效实现了多通道投射画面的快速处理，并将上述功能与仿真视景系统集成，利用其gpu来快速处理多通道画面融合过程，有效降低了实现画面融合的经济成本，提高了画面处理过程的速率，保证了投射画面的同步性。
为实现上述目的，本发明的一个方面，提供一种基于仿真视景系统的gpu加速多通道融合方法，用于仿真视景系统运用过程中多通道投射画面在视景屏幕上的拼接与融合，其步骤包括：
s1：分辨率调节，根据在所述视景屏幕上投射画面所采用的各投影仪的分辨率和用于监控前向视景的教员显示器的分辨率来调节视景屏幕的分辨率；
s2：色差调节，调节各个通道投影仪的输出颜色一致；
s3：画面几何校正，在所述仿真视景系统的显卡中对应所述投影仪数量构建若干虚拟网格，使每台投影仪对应一个虚拟网格，将所述虚拟网格根据所述视景屏幕的形状进行调整，并把渲染出来的画面投影到所述虚拟网格上，所述虚拟网格的数据包括顶点数据、纹理坐标数据和颜色属性数据，通过改变所述虚拟网格的该顶点数据来达到对画面的扭曲效果，从而实现对多通道画面的几何校正；
s4：画面融合处理，对画面进行几何矫正完之后，对各投影叠加交错的部分进行融合处理，调节两台或多台投影仪组合投射拼接为一幅画面时所形成的融合带的画面亮度，以使得所述融合带的画面亮度与其两侧的画面亮度趋于一致，即使得所述视景屏幕的整幅画面亮度一致，从而实现对所述多通道投射画面的融合处理；
s5：暗场调节，完成画面融合处理之后，对所述视景屏幕上的所述融合带两侧存在的暗场进行亮度调节，使整个屏幕的亮度趋于一致，继而输出多通道融合画面。
作为本发明的进一步改进，所述步骤s3中的所述顶点数据包括x、y和z三个值，其中所述x值和y值决定该顶点在所述视景屏幕中的位置，所述z值用于保存该顶点对应的alpha值，所述alpha值指代所述顶点的亮度值和/或透明度值。
作为本发明的进一步改进，所述步骤s3中对画面的几何校正运用三次样条曲线函数来实现，所述三次样条曲线函数可自动对所述虚拟网格的网格线进行平滑插值，以实现整个画面的所述网格线平滑无阶梯状锯齿。
作为本发明的进一步改进，所述三次样条曲线函数定义如下：
定义：函数s(x)∈c2[b,c]，且在每个小区间[xj,xj+1]上是三次多项式，其中
b＝x0<x1<.…<xn＝c是给定节点，则称s(x)是节点x0,x1,...xn上的三次样条函数，
若在节点xj上给定函数值yj＝f(xj)，且s(xj)＝yj，其中，j＝0,1,…,n，n为自然数，则称s(x)为三次样条插值函数。
作为本发明的进一步改进，所述步骤s4中对画面的融合处理采用所述gpu硬件加速的方式，通过在所述gpu端执行shader代码中的淡入淡出处理函数以对融合带进行淡入淡出处理，并采用多段式贝塞尔亮度曲线对融合带进行羽化处理，继而消除亮带。
作为本发明的进一步改进，所述shader代码包括淡入淡出函数以用于对所述融合带进行淡入淡出处理，其中的淡入淡出处理函数如下：
其中，z的值等于alpha值，且所述仿真视景系统的gpu会根据顶点数据而对所述alpha值进行插值，继而实现该z值的平滑，a值和p值分别为融合带亮度比率和融合带扩散因子。
作为本发明的进一步改进，所述shader代码包括亮度计算函数和贝塞尔亮度曲线，用于计算所述融合带的亮度值并由所述贝塞尔亮度曲线利用该亮度值进而对所述融合带进行羽化处理，所述亮度计算函数如下：
floatbrightness＝(z>0.5)？(1-(1-a)×pow(2×(1-z),p)):(a×pow(2×z,p))
其中，z的值等于alpha值，a值和p值分别为融合带亮度比率和融合带扩散因子。
本发明的另一个方面，提供一种基于仿真视景系统的gpu加速多通道融合系统，用于仿真视景系统运用过程中多通道投射画面在视景屏幕上的拼接与融合，其特征在于，包括：
分辨率调节模块，其用于根据在所述视景屏幕上投射画面所采用的各投影仪的分辨率和用于监控前向视景的教员显示器的分辨率来调节视景屏幕的分辨率；
色差调节模块，用于调节各个通道投影仪的输出颜色一致；
画面几何校正模块，用于在所述仿真视景系统的显卡中对应所述投影仪数量构建若干虚拟网格，使每台投影仪对应一个虚拟网格，将所述虚拟网格根据所述视景屏幕的形状进行调整，并把渲染出来的画面投影到所述虚拟网格上，所述虚拟网格的数据包括顶点数据、纹理坐标数据和颜色属性数据，通过改变所述虚拟网格的该顶点数据来达到对画面的扭曲效果，从而实现对多通道画面的几何校正；
画面融合处理模块，用于对画面进行几何矫正完之后，对各投影叠加交错的部分进行融合处理，调节两台或多台投影仪组合投射拼接为一幅画面时所形成的融合带的画面亮度，以使得所述融合带的画面亮度与其两侧的画面亮度趋于一致，即使得所述视景屏幕的整幅画面亮度一致，从而实现对所述多通道投射画面的融合处理；以及
暗场调节模块，用于完成画面融合处理之后对所述视景屏幕上的所述融合带两侧存在的暗场进行亮度调节，使整个屏幕的亮度趋于一致，继而输出多通道融合画面。
作为本发明的进一步改进，所述仿真视景系统程序中集成有“模拟全屏”的功能以实现所述步骤s1中的分辨率调节过程。
作为本发明的进一步改进，所述暗场调节模块集成于所述仿真视景系统中，以实现暗场调节过程。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明的基于仿真视景系统的gpu加速多通道融合方法，通过运用三次样条函数，自动对构建的虚拟投影网格进行平滑插值，有效实现了对多通道输出画面的几何校正，达到了整个画面曲线网格平滑无阶梯状锯齿的效果；
(2)本发明的基于仿真视景系统的gpu加速多通道融合方法，通过采用gpu硬件加速的形式，在gpu端执行的shader代码，对投射画面融合带进行淡入淡出处理，并采用贝塞尔亮度曲线对融合带进行羽化处理，从而有效实现了多通道投射画面的融合处理，使融合后的画面亮度趋于一致；
(3)本发明的基于仿真视景系统的gpu加速多通道融合方法，基于仿真视景系统实现，可将多种调节功能与视景程序紧密结合，具有极高的稳定性和兼容性，且在显卡gpu中完成画面的处理过程，充分利用了显卡的快速处理能力，降低了投射画面的延迟，确保了仿真画面的实时输出；
(4)本发明的基于仿真视景系统的gpu加速多通道融合方法，基于仿真视景系统，运用gpu快速处理能力，操作灵活，调节方式多样，且无需硬件调试接口，调试方便，在显著增强显示效果的同时大大降低了硬件的投入成本，具有显著地经济效益。
附图说明
图1是本发明实施例的基于仿真视景系统的gpu加速多通道融合方法及系统的工作原理示意图；
图2是本发明实施例的基于仿真视景系统的gpu加速多通道融合方法及系统中投影仪与显示器的位置关系示意图；
图3是本发明实施例的基于仿真视景系统的gpu加速多通道融合方法及系统中亮度曲线示意图。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
一个优选实施例中基于仿真视景系统的gpu加速多通道融合方法的工作原理示意图如图1所示，其基于仿真视景系统的gpu来实现多通道输出画面的快速拼接和融合，该方法利用显卡gpu的硬件加速能力，高效地实现多通道大屏显示输出效果，从而摆脱传统基于硬件融合显示的诸多确定。
一个优选实施例中基于仿真视景系统的gpu加速多通道融合方法的实施步骤包括分辨率调节、色差调节、画面几何校正、画面融合处理和暗场调节等。进一步具体地：
s1：分辨率调节：利用仿真视景系统的gpu进行多通道画面融合前，首先需要设置视景程序的分辨率。在一个优选实施例中，共同投影的投影仪数量为三台，三台投影仪的位置关系以及其与教员显示器之间的位置关系如图2所示，其中，教员监控前向视景，即视景屏幕位于投影仪的正前方，若每台投影仪的分辨率均为1440×1050，且教员显示器的分辨率为1024×768，则视景程序的分辨率应该设置为水平1440×3，垂直1050+768，即此时视景程序的分辨率应设置为4320×1818；进一步优选地，一个优选实施例中的仿真视景系统程序中集成有“模拟全屏”的功能，通过模拟全屏便可有效实现分辨率的调节，解决仿真视景系统在win7操作系统下无法实现全屏程序的限制。
s2：色差调节：待分辨率调节完成后，需要确定各个通道投影仪输出的颜色是否一致，若输出的颜色不一致则需要进行色差调节，一个优选实施例中对各个通道投影仪输出的颜色进行色差调节的方法为：切换背景图到灰色背景，观察每个投影仪的色彩是否一致，若不一致，则可以使用投影仪的硬件调节功能，或者使用软件融合自带的色彩平衡功能，解决不同通道的投影色差问题。
s3：画面几何校正：由于仿真系统的视景屏幕多为环幕，各投影仪投射方向之间呈一定角度，所以多通道投影的原始输出画面通常是变形失真的，要达到正确的显示效果就必须进行几何校正，需要对渲染出来的画面进行任意的扭曲变形。一个优选实施例中对各个通道投影仪的原始输出画面进行几何校正的方法为：在显卡中构建虚拟的投影网格，虚拟网格根据视景屏幕的形状进行调整，把渲染出来的画面投影到虚拟网格上，每个投影仪对应一个虚拟网格，网格的数据包括顶点数据、纹理坐标数据和颜色属性数据，其中，顶点数据决定了画面的整体位置，纹理坐标数据决定了画面映射到顶点坐标的位置，这里的颜色属性并不是用作对顶点的颜色着色，由于显卡gpu能够传入的属性数据个数有限制，所以这里用于保存对红绿蓝三通道进行色彩平衡的数据。顶点数据包括x、y和z三个值，其中x值和y值决定在屏幕中的位置，z值用于保存每个顶点对应的alpha值，且alpha值用于指代所述顶点的亮度值和/或透明度值，继而可以通过改变网格的顶点值来达到对画面的扭曲效果。
进一步地，一个优选实施例中的仿真系统集成有“网格调整”界面，其可对任一投影仪进行调整，可以调整一条网格线，也可以调整单个网格点，实现网格线的旋转、移动或删除。在优选实施例中，通过采用三次样条曲线函数来实现曲线自动平滑，从而实现对网格线的快速调整，三次样条曲线自动对几何矫正网格线进行平滑插值，以达到整个画面曲线网格平滑无阶梯状锯齿。
进一步地，一个优选实施例中的三次样条曲线函数的定义如下：
定义：函数s(x)∈c2[b,c]，且在每个小区间[xj,xj+1]上是三次多项式，其中
b＝x0<x1<.…<xn＝c是给定节点，则称s(x)是节点x0,x1,...xn上的三次样条函数。
若在节点xj上给定函数值yj＝f(xj)，(j＝0,1,…,n)，且s(xj)＝yj，(j＝0,1,…,n，n为自然数)也成立，则称s(x)为三次样条插值函数。
s4：画面融合处理：对画面进行几何矫正完之后，需要对各投影叠加交错的部分进行融合处理。进一步具体地，当两台或多台投影仪组合投射拼接为一幅画面时，会有一部分影像灯光重叠形成融合带，使得重叠部分的画面亮度与融合带以外的画面亮度不一致，通常融合带的画面亮度会大于融合带两侧的画面亮度，所以需要将重叠部分的画面亮度逐渐调低，使整幅画面的亮度一致，即实现画面的融合处理。一个优选实施例中的画面融合处理采用gpu硬件加速的方式，通过在gpu端执行的shader代码对融合带进行淡入淡出处理，采用多段贝塞尔亮度曲线对融合带进行羽化处理，通过gpu混合，对gamma做非规则校正，消除亮带。一个优选实施例中选用的淡化处理函数如下：
其中，z为步骤s3中的alpha值，且显卡会根据顶点shader的值对alpha值进行插值，以实现z值的平滑，而a值和p值为变量，分别指代融合带亮度比率和融合带扩散因子。
一个优选实施例中的shader代码中能对融合带的亮度进行计算，以计算后的亮度值结合多段贝塞尔亮度曲线实现对融合带的羽化处理，该亮度计算函数如下：
floatbrightness＝(z>0.5)？(1-(1-a)×pow(2×(1-z),p)):(a×pow(2×z,p))
其中，z的值等于所述alpha值，a值和p值分别为融合带亮度比率和融合带扩散因子。
进一步地，一个优选实施例中当a＝0.5时的亮度曲线图如图3所示，继而将得到的亮度值brightness用于rgb颜色，会出现融合带其中一部分偏亮或偏暗，原因便是投影仪本身的亮度响应是非线性的，所以需要加入gamma校正，现有技术中通常采用的方式是假设投影仪的亮度响应是以指数函数的方式变化的，所以对brightness值进行指数的倒数变换来矫正亮度，经过尝试，效果不佳。故而在优选实施例中提供了一个亮度响应的曲线调节功能，即曲线采用贝塞尔曲线，提供较多控制点，当调节后，会对曲线进行采样，然后会合成一张纹理图片，纹理有四个通道rgba，对其中的rgb三通道进行填充，也就是说我们可以单独对红绿蓝三通道进行单独的亮度曲线矫正。每个网格的每部分融合带都会有一张单独的纹理图，gpu得到亮度值brightness后，会根据brightness采样纹理，采样出来的值便是rgb新的亮度值。然后将亮度值乘以最后的rgb，便是显卡最后输出的rgb值，从而实现对重叠画面的融合处理。
s5：暗场调节：由于投影仪是没有真正意义的黑色的，而是亮度很低的灰色。所以在场景很暗的时候，两个投影仪相交的部分会比未相交的部分亮，会有比较明显的亮带。优选实施例中增加一个暗场调节的功能，其通过先设立一个暗场阀值(可外部调节)，由gpu采样经过融合后的图像，针对每个像值，根据阀值得到一个低于阀值的颜色值，然后对这个颜色值进行插值，最后和之前融合后的图像进行叠加，从而实现对暗场的亮度调节，使整个屏幕的亮度趋于一致，继而输出多通道融合画面。
本发明优选实施例中的技术方案与既有的传统硬件融合显示系统相比具有明显的优点，且上述各步骤中的相关功能可集成相关的功能模块，并与仿真视景系统紧密结合，具有良好的兼容稳定性，在显卡gpu内完成对画面的处理过程，画面输出无延迟。进一步地，优选实施例中的多通道融合方法采用软件内置调试界面，在视景程序内进行调节，所见即所得，无需硬件调试接口，调试方便，且可根据不同的配置文件设定，在不同的终端选择不同融合效果，由显卡同时输出。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。