基于多路光机实现短焦距环幕输出的投影设备、系统的制作方法

本实用新型涉及影像处理技术领域，特别涉及一种基于多路光机实现短焦距环幕输出的投影设备、以及一种CAVE系统。

背景技术：

CAVE投影系统是一种大型的VR系统(比如VR-PlatformCAVE)，具有高度的沉浸感、良好的交互手段，可以融合视觉、触觉、声音等，并且可以跟踪头部的6个自由度的运动。CAVE沉浸式虚拟现实显示系统的原理比较复杂，它是以计算机图形学为基础，把高分辨率的立体投影显示技术、多通道视景同步技术、三维计算机图形技术、音响技术、传感器技术等完美地融合在一起，从而产生一个被三维立体投影画面包围的供多人使用的完全沉浸式的虚拟环境。目前，复杂场景的实时高分辨率多窗口内容渲染主要应用于CAVE系统。CAVE是一种大型的虚拟现实系统，具有高度的沉浸感、良好的交互手段，其中CAVE投影系统是由3个面以上(含3面)硬质背投影墙组成的高度沉浸的虚拟演示环境，围绕着观察者具有多个图像画面的虚拟现实系统，多个投影面组成一个虚拟空间。常见CAVE系统投影空间为标准立方体结构，这4个独立的投影通道最终形成空间连续的投影画面。

如图1所示，CAVE系统包括投影阵列及视觉平台，其中，投影阵列包括多台光机(6～10)，视觉平台包括多个视觉平面(1～5)，视觉平面即投影屏幕。在一种CAVE系统的实例中，投影阵列包括5台光机，5台光机呈五边形布置，视觉平面包括四台横向视觉投影屏幕(1～4)及一个底面视觉投影屏幕(5)，5台光机分别投射至视觉平面的5个平面上，5台光机分别与数据主机连接以形成投射图像，使用时，用户(11)站立于底面视觉投影屏幕(5)上，本实用新型所指用户视线一般仅针对横向视觉投影屏幕(1～4)。

目前，常见的一台光机内部只拥有一组光学引擎，配套一个镜头。受到德州仪器DLP技术的限制，目前光机单台最高分辨率输出为4k(即分辨率3840×2160)并且价 格相当昂贵。由于4k输出光机才刚刚面世不久，还属于测试阶段。没有很多透射比选型，也就是说没有多种焦距镜头的选择。如果需要实现分辨率超过4k的超高解析度输出，只能通过多台单体光机相互硬件融合或者软件融合。但现有技术的投影设备融合方式具有如下缺陷在于，第一，单台光机配套的单组光学引擎输出的分辨率有一定限度。如，市面上常见的光机为1080×720与1920×1080.一些高端光机单台可以实现4K(3840×2160)，但是价格昂贵。单台光机实现4个4k屏幕输出目前市面还没有。第二，通过多台单体光机相互融合。这种方法完全不能产品化和产业化。而且，光机与光机之间为独立结构，导致时间久会造成光机之间的相对位置变化，这直接影响到画面的拼接与融合。第三，同样参数的光机，短焦距比正常焦距在硬件难度上和价位上都同比高。

技术实现要素：

本实用新型技术方案所解决的技术问题为，如何提供一种基于单台光机之间的融合投影设备以解决现有技术受光机投影屏幕分辨率局限的问题，并如何在其中提高投射设备投射画质。

为了解决上述技术问题，本实用新型技术方案提供了一种基于多路光机实现短焦距环幕输出的投影设备，基于CAVE系统，所述CAVE系统包括：视觉平台，所述视觉平台包括多个视觉平面，所述投影设备包括多台光机，其中多台光机对应至一个视觉平面设置。

可选的，一个视觉平面在投影时被设置为四台光机同时投射。

可选的，所述视觉平台包括四个横向设置的视觉平面，所述投影设备包括16台光机。

可选的，所述投影设备还包括：光机空间位置及旋转角度范围信息输出器，投影时所述视觉平面包括均等的若干子平面，每块子平面对应一光机被投影，光机投影至对应子平面屏幕画面之间具有融合带，所述融合带的宽度根据光机空间位置及旋转角度范围信息控制在预定宽度内。

为了解决上述技术问题，本实用新型技术方案还提供了一种CAVE系统，其特征在于，包括：视觉平台及如上所述的投影设备。

本实用新型技术方案的有益效果至少包括：

本实用新型技术方案提供了一个投影设备，利用四台单光机光机即可以在现有通 用光学硬件2k输出的基础上实现4个4k的超高解析度投影输出；改变传统单台光机单台光机系统，实现单台光机内拥有多台光机组件的一对多的集成模式并完成超高分辨率视频与图片播放；彻底改变传统硬件设计方式，以单台光机为基础，在光学元件着手实现单台光机的高解析度输出；而是通过多路光机集成，实现传统单台光机目前实现不了的高分辨率视频播放。

本实用新型投影设备及系统使用的场景中，可通过高度集成16个1920×1080通用分辨率光机实现具有输出4个3840×2160分辨率的高解析度投影画面功能的多光机投影设备；在不改变光学镜头内部光学元件的情况下使整体投影设备的透射比缩减一倍，实现正常焦距到短焦距的转换。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其他特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为一种CAVE系统的结构示意图；

图2为本实用新型技术方案提供的一种基于多路光机实现短焦距环幕输出的投影方法流程示意图；

图3为本实用新型技术方案提供的根据同一视觉平面对应的四个光机中的两两光机获取其中各个光机的设置参数、投影时的空间位置及旋转角度范围的平面示意图；

图4为本实用新型技术方案提供的根据同一视觉平面对应的四个光机中的两两光机获取其中各个光机的设置参数、投影时的空间位置及旋转角度范围的立体示意图

图5为本实用新型技术方案提供的同一视觉平面对应的四个光机投影时所形成的投影屏幕示意图；

图6为本实用新型技术方案提供的获取光机透射比的算法示意图；

图7为本实用新型技术方案中所述投影设备的顶视图及内部轴测图示意图；

图8为本实用新型技术方案中所述投影设备的低视图及内部侧视图示意图；

图9为本实用新型技术方案中所述投影设备的光机布置拆解图示意图；

图10～图11为本实用新型技术方案中所述投影设备的光机布置的若干剖面示意图。

具体实施方式

正如背景技术所述，由于现有技术无法突破单光机光机的局限性，无法实现单台光机输出4个4k分辨率图像与视频，并且无法提高投影图像画质，本实用新型技术方案旨在充分提高上述投影分辨率，并利用光机本身的基本参数，设置光机实现高分辨率投影的同时还实现整机焦距(透射比)比内部单台光机的镜头焦距(透射比)缩短一半的优化效果，进一步提升投影画质。本实用新型技术方案通过部件级别的光机阵列设计，以16个单位2K解析度的光机，实现体积仅为现有解决方案1/4、功耗仅为1/2、安装部署简易、校正方便简洁的超高解析度超大幅面(4K×4)全景、无缝投影的单一设备。

为了更好的使本实用新型的技术方案清晰的表示出来，下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

结合图2所示的一种基于多路光机实现短焦距环幕输出的投影方法，基于CAVE系统，其中CAVE系统包括：视觉平台及投影阵列，所述视觉平台包括多个视觉平面，所述投影阵列包括多台光机，该投影方法，包括如下步骤：

步骤S100，将多台光机对应至一个视觉平面设置；

步骤S101，根据所述多台光机两两相交投射至对应视觉平面屏幕画面的融合带百分比及所预期的屏幕比例计算该视觉平面对应光机的透射比的取值范围；

步骤S102，基于各光机的透射比的取值范围获取各光机的设置参数；

步骤S103，依据所述光机的设置参数及光机光路覆盖范围在对应视觉平面上的投影区域得到该光机投影时的空间位置及旋转角度范围。

结合图3～图11作以下具体说明：

其中图3、图4及图6示意了如何根据同一视觉平面对应的四个光机中的两两光机获取其中各个光机的设置参数、投影时的空间位置及旋转角度范围。

图5示意了同一视觉平面对应的四个光机投影时所形成的投影屏幕(即图5中四个子平面X1Y1、X1Y2、X2Y1、X1Y2)及其融合带(即图5中四个子平面重叠形成的纵、横带)。

图7～11示意了本实用新型技术方案中所述投影设备的具体结构，所述摄影设备中排列显示的为16台光机。

需要说明的是，本实施例所述CAVE系统具备4块横向视觉平面，每个横向视觉平面 投影设备以16台光机构成，每块横向视觉平面对应4台光机以形成4K效果投影屏幕，以为一种优选方式，但可以理解的是，在其他实例中，可以据此设置原理进行实施，但无论视觉平面的数目及平面对应光机的数目，都应包括在本实用新型技术方案的范围内。

结合上述附图，根据步骤S100，所述将多台光机对应至一个视觉平面设置包括：一个视觉平面被设置为四台光机同时投射。

根据步骤S101，所述视觉平面对应光机的透射比的取值范围基于如下算式被计算：

设该光机的透射比为A，所预期的投影于所述视频平面的投影屏幕比例为S，光机距离地面高度为Z，该光机与其他光机投影画面两两相交所形成的融合带百分比(即一个投影画面融合带面积占该投影画面所在面积的百分比)为P，该光机所对应视觉平面的墙宽为W，墙高为H，光机距离对应视觉平面的水平距离为D，则该光机透射比A同时满足：

(D/A)×2>＝W×(1+4×P)；

(D/A)/S×2>＝H×(1+3×P)。

根据步骤S102，所述各光机的设置参数包括：根据光机透射比的取值范围确定的透射比及屏幕比例，除了上述参数外，可根据上述参数毫无疑义推导得到的其他光机的设置参数也应当包括在上述光机的设置参数内。

根据步骤S103，所述光机光路覆盖范围在对应视觉平面上的投影区域为该光机投影时投影至对应视觉平面所形成的可见投影区。所述依据所述光机的设置参数及光机光路覆盖范围在对应视觉平面上的投影区域得到该光机投影时的空间位置及旋转角度范围包括：

根据所述光机对应视觉平面的面积，调整所述光机的空间水平面位置及旋转角度以计算所述光机光路覆盖范围是否容纳在所述视觉平面的面积内；

取使所述光机光路覆盖范围是否容纳在所述视觉平面的面积内的空间水平面位置及旋转角度范围输出。

基于本实用新型技术方案的上述投影方法，一种基于多路光机实现短焦距环幕输出的投影设备，可结合图7～11，所述投影设备包括多台光机，其中多台光机对应至一个视觉平面设置。

作为一种可选实例，一个视觉平面在投影时被设置为四台光机同时投射。作为另一种可选实例，所述视觉平台包括四个横向设置的视觉平面，所述投影设备包括16台光机。

不限于上述实施方式，在另一种投影设备的实施方案中，该投影设备除了上述结构还 包括：光机空间位置及旋转角度范围信息输出器。

在上述投影设备进行投影时，所述视觉平面包括均等的若干子平面(结合图5)，每块子平面对应一光机被投影，光机投影至对应子平面屏幕画面之间具有融合带，所述融合带的宽度根据光机空间位置及旋转角度范围信息控制在预定宽度内。

如何将融合带的宽度根据光机空间位置及旋转角度范围信息控制在预定宽度内可参考本实用新型技术方案的投影方法中所记载的内容，即可通过确定融合带百分比将融合带的宽度限定在预定宽度内，从而通过本实用新型技术方案所记载方案推算出该光机空间位置及旋转角度范围信息，此处不再赘述。

基于上述投影设备，本实用新型技术方案也对CAVE系统进行了创新，其中，CAVE系统包括：视觉平台及本实用新型技术方案所记载的投影设备。

应用例

结合图3、图4～图6，本实用新型技术方案的投影设备在应用中，其使用设备的基本流程包括光机透射比选择、光机空间位置测算、整体布局导出三部分。

光机透射比选择包括：

假定透射比为A，屏幕比例(宽比高)为S，光机距离地面高度为Z，融合带百分比为P：

计算过程按墙面(即本实施例所述视觉平面)逐一开展，选择其中一面墙，假定墙宽为W，墙高为H，光机距离墙面水平距离为D。在该面墙上有4台光机进行投射，结合图5，4台光机的投射画面两两相交，相交部分即为融合带。在水平方向上，投射X1Y1和X2Y1画面的两个光机需要满足：

(D/A)×2>＝W×(1+4×P)；

在垂直方向上，X1Y1和X2Y1画面的两个光机需要满足：

(D/A)/S×2>＝H×(1+3×P)。

在墙高W、墙宽H，屏幕比例S，融合带百分比P，光机距墙面距离D给定的情况下，可以根据上两式，得出透射比A的取值范围，从而以透射比、屏幕比例等基本参数，作为光机选择的依据。

同理，可以得出X1Y2和X2Y2两个光机的透射比A的取值范围，从而以透射比、屏幕比例等基本参数，作为光机选择的依据。

其他墙面的情况可以依次类推。

光机空间位置测算包括：

结合图3，光机1位置根据光路覆盖范围在幕布上的投影区域逆推，得到坐标光机1的理想位置Apt’_O(Xa’,Ya’)和水平面上旋转角度α。同理光机2，得到理想位置Bpt’_O(Xb’,Yb’)与角度β。

同理在侧视图中，演示了垂直面上，根据投影区域得到光机与水平的旋转角度θ。

整体布局导出的结果可参考图7～11。通过对光机空间位置测算、透射比变换，结合光机物理尺寸和投射光线通路的空间情况等约束条件，对设备进行整体布局、优化，选择符合尺寸设计要求的构造进行导出，最终导出所有16个光机的空间位置与空间旋转角度。

基于上述结果信息的输出，可利用上述光机的空间位置与空间旋转角度设置投影设备，以实现投影输出。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。