一种将球面图像投影至平面图像的方法与流程

本发明涉及图像投影技术领域，具体涉及一种将球面图像投影至平面图像的方法。

背景技术：

球面全景视频投影是指将球面上每个经纬度对应点以一定方式映射到平面上，vr全景视频的存储必须通过球面全景视频投影将球面视频投影至平面视频。几十年来，许多学者对球体投影进行了大量研究，并提出多种不同投影方法以使得投影过程更均匀连续。

其中，等柱状投影法作为最简单的球面投影方法，简单地把经纬度转换为横纵坐标，在所有纬度上采用相同采样点数来保存球面图像，从而能将球面图像映射为矩形图像，因而获得了广泛的关注。然而，其最大的缺陷在于：相比赤道而言，球体两极面积小，像素点多，因此，高质量区域在南、北极两端，赤道最差，若图像主题在中央，就导致中央不清晰，这导致等柱状投影法在很多潜在应用中受到限制。

在最近的研究工作中，出现了很多球面图像投影至平面图像的算法，如：等柱状投影法，立方体投影法，等角立方体投影法，八面体投影法和二十面体投影法等，但是大多数方法都不能对图像保持均匀性和连续性。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种将球面图像投影至平面图像的方法，其具体技术方案如下：

本发明提供了一种将球面图像投影至平面图像的方法，包括以下步骤：

步骤1、将球面图像分解为上下两个半球；

步骤2、将所述上下两个半球分别像素均匀地投影至两个单位圆；

步骤3、将所述两个单位圆映射为两个与所述单位圆同心的正方形；

步骤4、对两个正方形图像进行旋转、分割后拼接为一个大正方形图像。

优选地，上述方法还包括：对所得图像进行连续性、均匀性分析。

优选地，上述步骤1中，球体赤道往上部分记作上半球，球体赤道往下部分记作下半球，将球面图像沿赤道分解为上下两个半球。

优选地，上述步骤2中，取单位圆并以单位圆中心为原点分别以u、v为横、纵坐标建立平面直角坐标系，每个单位圆上图像的像素点(u,v)取球面图像上经纬度为的像素点，所述单位圆上(u,v)坐标对应球面坐标如下：

其中，所述的球面图像，经度θ取值范围是[-180,180]，纬度取值范围是[-90，90]，对于所述的单位圆，u、v的取值范围是[-1,1]，且满足等式：

u²+v²＝1

优选地，上述步骤3中，取边长为2的正方形，以正方形中心为原点建立分别以x、y为横、纵坐标的平面直角坐标系，所述正方形图像上每个像素点(x,y)取所述单位圆图像上对应像素点(u,v)，所述正方形图像上像素点坐标(x,y)对应所述单位圆图像上像素点坐标(u,v)如下：

其中，所述的平面正方形图像，x、y的取值范围是[-1,1]。

优选地，上述步骤4中，将上一步得到的两个同心正方形记为第一个正方形和第二个正方形，先将第一个正方形沿对角线分割得到四个三角形，并将分割之后得到的上下左右四个三角形分别以斜边对应第二个正方形边的形式，拼接至第二个正方形对应的上下左右四条边上，确保上下左右顺序正确，能够得到最终连续的两个正方形拼接而成的正方形，再对拼接之后的正方形沿着中心顺时针旋转45度可得到最终正常形态的正方形图像。

在将球面图像投影至平面图像后，优选地利用内部像素相关联性较强的图片对所得图像进行连续性分析，用直线纹理来表示图形完整性，投影之后直线条纹断裂可以直观展现出其不连续性。

优选地，对所得到图像进行均匀性分析的方法为：用投影平面面积到球面面积的面积拉伸比来直观地测量投影带来的像素密度均匀性，而投影面积拉伸比需要通过投影公式的雅可比矩阵计算得到。

其中，所述的从球面保面积投影为平面圆形雅可比矩阵计算如下：

其中，雅可比矩阵计算得到为常数，即球面任意区域投影到平面圆具有相同拉伸比。

其中，所述的从平面圆形保面积映射为单位正方形雅可比矩阵计算如下：

当|a|≥|b|时，有雅可比矩阵：

当|a|＜|b|时，有雅可比矩阵：

其中，雅可比矩阵计算得到为常数，即平面圆任意区域投影至平面正方形都有相同面积拉伸比。

在较优实施例中，上述图像均为视频图像；上述球面图像为全景视频图像。

本发明提供了一种将球面图像尤其是球面视频图像均匀连续地投影至平面正方形图像的算法，旨在解决球面视频投影的均匀性和连续性问题，提高在相同视频体积下得到视频的效果。该算法能显著提高球面视频投影的连续性和均匀性，并在投影之后得到空间利用率更高的视频。

应理解，在本发明范围内，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。所以凡是不脱离本发明所公开的原理下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

以下将结合附图对本发明作进一步说明，以充分说明本发明的目的、技术特征和技术效果。

附图说明

图1示出了本发明较优实施例中将球面视频图像投影至平面正方形视频图像的算法流程示意图；

图2示出了本发明较优实施例中将两个半球面分别像素均匀地投影至单位平面圆盘示意图；

图3示出了本发明较优实施例中将两个同心圆盘分别映射为同心正方形示意图；

图4示出了本发明较优实施例中将两个正方形图像进行旋转、分割后拼接为一个正方形图像示意图；

图5示出了本发明较优实施例中对球体进行投影之后得到的连续性测试图像示意图。

具体实施方式

应当理解本文所用的术语其目的仅在于描述具体实施方案，并且不意图是限制性的，本发明的范围将仅由所附的权利要求书限制。

图1示出了将球面视频图像投影至平面正方形视频图像的算法流程示意图，下面对其中每个步骤进行详细说明。

步骤1、将球面视频分解为上下两个半球

作为预处理部分，算法将球体分成两部分，其中赤道往上部分记作上半球，球体赤道往下部分记作下半球，沿赤道切开得到上下两个半球。

步骤2、利用均匀的投影方式将上下两个半球投影至两个单位圆

假设存在平面上一个单位圆，以该单位圆的圆心为原点并分别以u、v为横、纵坐标建立平面直角坐标系，对每个单位圆上的点(u,v)对应的像素点，取球面视频图像上经纬度为所对应的像素点，其中圆上(u,v)坐标对应球面坐标如下：

参见图2，其示出了将两个半球面分别像素均匀地投影至单位平面圆盘的示意图。

步骤3、将两个单位圆映射为两个与单位圆同心的正方形

假设存在平面上边长为2的正方形，以该正方形中心为原点并分别以x、y为横、纵坐标建立平面直角坐标系，对每个正方形上的点(x,y)对应的像素点，其中x、y的取值范围是[-1,1]，取单位圆视频图像上对应像素点(u,v)，其中(x,y)对应(u,v)坐标如下：

参见图3，其示出了将两个同心圆盘分别映射为同心正方形的示意图。

步骤4、对两个正方形图像进行旋转、分割后拼接为一个正方形图像

将上一步得到的两个同心正方形记为第一个正方形和第二个正方形，先将第一个正方形沿对角线分割得到四个三角形，并将分割之后得到的上下左右四个三角形分别以斜边对应第二个正方形边的形式，拼接至第二个正方形对应的上下左右四条边上，确保上下左右顺序正确，能够最终连续的两个正方形拼接而成的正方形，再对拼接之后的正方形沿着中心顺时针旋转45度可得到最终正常形态的正方形图像。

参见图4，其示出了将两个正方形图像进行旋转、分割后拼接为一个正方形图像的示意图；

利用关联性较强的视频图片来检测连续性，球形视频中每一经度都取相同条纹，在球体投影之后直线条纹断裂可以直观展现不连续性，如图5所示，图中虚线部分表示拼接过程中的连续边，可观察到拼接处纹理相接，即不存在不连续边。

其中均匀性利用投影公式的雅可比矩阵计算投影面积拉伸比，球面保面积投影为平面圆形雅可比矩阵计算如下：

其中，雅可比矩阵计算得到为常数，即球面任意区域投影到平面圆具有相同拉伸比。

其中，所述的从平面圆形保面积映射为单位正方形雅可比矩阵计算如下：

当|a|≥|b|时，有雅可比矩阵：

当|a|＜|b|时，有雅可比矩阵：

其中，雅可比矩阵计算得到为常数，即平面圆任意区域投影至平面正方形都有相同面积拉伸比，投影具有非常好的均匀性。

上述算法能够更有效地提高球面视频投影效率，大量减少投影过程的拉伸，显著提高球面视频投影的连续性、均匀性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。