技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于視景仿真技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種單顯卡三通道圖像輸出的立體視景投影系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案及基于GPU的立體圖像軟件校正融合方法。本發(fā)明主要用于單顯卡三路左右格式或者上下格式立體圖像輸出給投影儀的視景系統(tǒng)仿真，以達(dá)到三通道立體圖像的生成和投影。

背景技術(shù)：

大視場(chǎng)的球幕立體視景系統(tǒng)能夠給觀看者提供景物的逼真感、立體感、自然界的無(wú)限遠(yuǎn)感覺(jué)和滿足人眼視野的大視場(chǎng)環(huán)境，從而使觀察者獲得更加全面的信息，達(dá)到身臨其境的感覺(jué)。新一代模擬器的視景系統(tǒng)既要求有大視場(chǎng)角，又要求有縱深感，不僅要提供良好的行覺(jué)視功能，還需要有強(qiáng)烈的深度覺(jué)視功能。鑒于立體視景突出的縱深感和沉浸感，有必要結(jié)合先進(jìn)的圖形技術(shù)與立體顯示技術(shù)，構(gòu)造一種經(jīng)濟(jì)可行的多通道立體視景投影顯示系統(tǒng)，從而營(yíng)造更加逼真的虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練環(huán)境。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些單位在模擬訓(xùn)練器材的研制中對(duì)立體視景顯示技術(shù)進(jìn)行了研究和應(yīng)用。比如空軍哈爾濱仿真技術(shù)研究所在SU-27飛機(jī)飛行仿真系統(tǒng)中采用了空間立體視景系統(tǒng)，但其是在板塊幕背投方式的基礎(chǔ)上融入了立體解算，采用了分時(shí)主動(dòng)立體模式，選擇投影儀的場(chǎng)頻要達(dá)到96Hz~120Hz，并且該板塊幕沒(méi)有考慮立體圖像的校正和邊緣融合。第二炮兵工程學(xué)院在某型導(dǎo)彈發(fā)射車模擬系統(tǒng)中采用了三通道柱幕的立體視景系統(tǒng)，基于雙機(jī)疊加的被動(dòng)立體投影系統(tǒng)來(lái)生成立體視覺(jué)圖像，采用偏振光技術(shù)來(lái)分離左右眼圖像。上海海事大學(xué)和大連海事大學(xué)研制的新一代航海模擬器中配備了立體視景系統(tǒng)，采用干涉濾波器技術(shù)構(gòu)建了多通道被動(dòng)立體顯示系統(tǒng)。首爾大學(xué)在火星地質(zhì)數(shù)據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)展示系統(tǒng)中基于柱幕采用了雙通道的被動(dòng)式立體投影，同樣采用干涉濾波器技術(shù)構(gòu)建了雙機(jī)一組的左右眼圖像顯示。還有美國(guó)紐約州立大學(xué)——石溪分校采用五通道主動(dòng)立體投影技術(shù)研制了虛擬現(xiàn)實(shí)CAVE系統(tǒng)，美國(guó)加州圣地亞哥大學(xué)電信與信息技術(shù)研究所研制了第三代虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)StarCAVE，采用了多機(jī)疊加的被動(dòng)式極化偏光投影。香港中文大學(xué)和里斯本科技大學(xué)分別基于視覺(jué)和觸覺(jué)操作的沉浸系統(tǒng)中采用了單通道的主動(dòng)立體顯示技術(shù)等。

雖然在多通道立體顯示技術(shù)方面國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有了一些應(yīng)用的先例，但是大多采用的是雙投影儀一組的被動(dòng)式立體投影，或者采用板塊幕的主動(dòng)式立體投影，這些實(shí)現(xiàn)方案存在成本昂貴、方案復(fù)雜等缺點(diǎn)，并且在多通道立體投影的軟件校正融合等方面研究較少，尤其是采用單顯卡構(gòu)成的多通道主動(dòng)式DLP Link 3D立體視景投影系統(tǒng)及其軟件校正融合處理方法還尚未有相關(guān)的報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)多通道立體視景系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，提出了一種采用單塊顯卡輸出三路視景圖像給三臺(tái)DLP Link 3D投影儀的球幕立體視景系統(tǒng)的構(gòu)建方法，并給出了實(shí)現(xiàn)該方案的立體圖像軟件校正融合方法。

本發(fā)明所提出的一種單顯卡三通道立體視景系統(tǒng)構(gòu)建方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟S1，構(gòu)建由支持4路輸出的專業(yè)顯卡組成的視景圖形生成系統(tǒng)；

步驟S2，搭建由3臺(tái)支持DLP Link 3D技術(shù)的投影儀組成的投影顯示系統(tǒng)；

步驟S3，組建視頻信號(hào)連接和視頻分配監(jiān)控系統(tǒng)。

所述步驟S1的視景圖形生成系統(tǒng)通過(guò)以下步驟構(gòu)建：

步驟S1-1，在1臺(tái)性能優(yōu)異的圖形工作站中安裝1塊支持4路輸出的專業(yè)顯卡，該專業(yè)顯卡具有2路DVI-D和2路DP視頻信號(hào)輸出通道；

步驟S1-2，為了提高視景數(shù)據(jù)的存取速度，采用1塊固態(tài)硬盤存儲(chǔ)操作系統(tǒng)和視景數(shù)據(jù)。

所述步驟S2的投影顯示系統(tǒng)通過(guò)以下步驟得到：

步驟S2-1，由3臺(tái)支持DLP Link 3D技術(shù)的同型號(hào)投影儀構(gòu)成多通道投影顯示系統(tǒng)；

步驟S2-2，由1個(gè)球帶幕構(gòu)成投影顯示屏幕。

所述步驟S3的視頻信號(hào)連接和視頻分配監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)以下步驟得到：

步驟S3-1，分別采用2條DVI-D線纜連接專業(yè)顯卡的2個(gè)DVI-D接口到2個(gè)一分二的DVI視頻分配器；

步驟S3-2，采用1條DP轉(zhuǎn)DVI-D線纜連接專業(yè)顯卡的1個(gè)DP接口到1個(gè)一分二的DVI視頻分配器；

步驟S3-3，采用1條DP轉(zhuǎn)DVI-D線纜連接專業(yè)顯卡的另外1個(gè)DP接口到具有DVI-D輸入接口的KVM切換器；

步驟S3-4，分別采用3條DVI-D線纜連接一分二的DVI視頻分配器的一路輸出到3臺(tái)投影儀；

步驟S3-5，分別采用3條DVI-D線纜連接一分二的DVI視頻分配器的另外一路輸出到KVM切換器的其它DVI輸入接口；

步驟S3-6，采用1條DVI-D線纜連接KVM切換器的輸出到具有DVI輸入接口的監(jiān)視器。

通過(guò)上述步驟S1、步驟S2和步驟S3的硬件構(gòu)建和連接，由圖形工作站渲染輸出3路立體圖像，該3路立體圖像同時(shí)采用左右格式或者同時(shí)采用上下格式，該3路立體圖像分別通過(guò)DVI視頻分配器輸出給3臺(tái)投影儀和KVM切換器，將3臺(tái)投影儀切換為立體工作模式，采用DLP Link 3D模式，立體格式調(diào)整為與圖形工作站渲染輸出的立體圖像格式一致，就可以通過(guò)DLP Link 3D立體眼鏡觀看到立體效果，但該立體圖像投影到球幕上會(huì)發(fā)生變形，需要進(jìn)行立體圖像的幾何校正和邊緣融合。

本發(fā)明所提出的一種適用于單顯卡三通道立體視景投影的基于GPU的軟件校正融合方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟SA，基于GPU的單顯卡三通道立體圖像幾何校正；

步驟SB，基于GPU的單顯卡三通道立體圖像邊緣融合。

所述步驟SA的三通道立體圖像幾何校正，通過(guò)以下步驟得到：

步驟SA-1，將三通道的立體圖像渲染結(jié)果在交換幀緩沖區(qū)輸出之前，重啟一個(gè)新的GPU渲染Pass；

步驟SA-2，捕獲幀緩沖區(qū)中的渲染結(jié)果圖像重新送到頂點(diǎn)著色器，利用GPU的頂點(diǎn)著色器完成立體顯示投影的幾何校正；

步驟SA-3，在GPU的頂點(diǎn)著色器中，對(duì)捕獲的幀緩沖區(qū)圖像按照每路立體左右眼圖像的參數(shù)進(jìn)行分割處理，形成對(duì)應(yīng)每路立體左右眼的6幅子圖像，并分別以紋理數(shù)組的形式進(jìn)行保存；

步驟SA-4，對(duì)6副子圖像分別進(jìn)行幾何校正，同一通道中的左右眼子圖像進(jìn)行相同的幾何校正，不同通道的子圖像采用不同的幾何校正，幾何校正數(shù)據(jù)以配置文件的形式預(yù)先保存在硬盤中，根據(jù)各通道的幾何校正變換坐標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算每個(gè)校正網(wǎng)格空間坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的子圖紋理變換坐標(biāo)，從而完成子圖像的校正映射變換。

步驟SA-5，將幾何校正后的子圖像送入GPU的像素著色器，在像素著色器中完成邊緣融合處理。

所述步驟SB的立體圖像邊緣融合通過(guò)以下步驟得到：

步驟SB-1，將邊緣融合Alpha蒙板根據(jù)幾何校正映射變換關(guān)系，預(yù)處理映射到與子圖像對(duì)應(yīng)大小的矩形區(qū)域上；

步驟SB-2，在像素著色器中，以Alpha融合的方式將預(yù)處理映射后的邊緣融合Alpha蒙板和幾何校正后子圖像進(jìn)行Alpha混合，像素著色器程序根據(jù)每個(gè)子圖像素的RGB值，采樣對(duì)應(yīng)紋理坐標(biāo)的蒙板紋理Alpha值，并將混合計(jì)算的結(jié)果反饋到立體子圖，從而得到子圖像邊緣融合后的渲染結(jié)果；

步驟SB-3，根據(jù)6幅子圖像的索引坐標(biāo)進(jìn)行拼接對(duì)齊合成，生成一副完整的校正融合后的三通道立體圖像；

步驟SB-4，將拼接對(duì)齊的三通道立體圖像渲染到幀緩沖區(qū)，然后調(diào)用SwapBuffer函數(shù)完成幀緩沖區(qū)的交換，從而將校正融合處理后的立體圖像輸出給投影儀。

幾何校正數(shù)據(jù)和邊緣融合Alpha蒙板是預(yù)先生成的，而立體子圖像參數(shù)描述了單卡三屏立體圖像的分屏參數(shù)，包括立體圖像的格式、每個(gè)立體子圖的位置區(qū)域和分辨率大小等信息，這些數(shù)據(jù)參數(shù)是以配置文件的形式預(yù)先保存在硬盤中，在渲染初始化時(shí)以紋理的形式加載到GPU顯存中的。

本發(fā)明的有益效果是提出了一種經(jīng)濟(jì)可行的三通道立體視景投影系統(tǒng)及基于GPU的軟件校正融合方法，該方法硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，搭建方便，經(jīng)濟(jì)可行，避免了被動(dòng)式雙機(jī)立體投影硬件設(shè)備數(shù)量較多且價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)。本發(fā)明提出的基于GPU的軟件校正融合方法適用于單顯卡多屏的立體圖像輸出，結(jié)合了GPU可編程并行處理的優(yōu)勢(shì)，將渲染圖像的幾何校正和邊緣融合運(yùn)算在GPU中完成，可提高幾何校正和邊緣融合的處理速度，降低軟件校正融合對(duì)視景渲染實(shí)時(shí)性的影響。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明設(shè)計(jì)的單顯卡三通道立體視景系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)；

圖2是本發(fā)明提出的單顯卡三通道立體圖像GPU校正融合處理流程；

圖3是本發(fā)明提出的單顯卡三通道立體圖像校正融合處理前結(jié)果；

圖4是本發(fā)明提出的單顯卡三通道立體圖像校正融合處理后結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

圖1是本發(fā)明設(shè)計(jì)的單顯卡三通道立體視景系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)。本發(fā)明基于1臺(tái)圖形工作站、1塊專業(yè)顯卡和3臺(tái)DLP Link 3D立體投影儀等主要硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)單卡三屏立體圖像輸出，立體圖像為左右格式或者上下格式，配合視頻分配和監(jiān)控系統(tǒng)，組成了一個(gè)完整的主動(dòng)式立體投影系統(tǒng)，包括立體視景生成系統(tǒng)、立體投影顯示系統(tǒng)和視頻分配監(jiān)控系統(tǒng)。

步驟S1，構(gòu)建立體視景圖形生成系統(tǒng)，過(guò)程如下：圖形工作站選擇1臺(tái)性能優(yōu)異的HP Z820，并安裝1塊Nvidia Quadro K6000專業(yè)顯卡；采用1塊三星840 PRO 512GB固態(tài)硬盤存儲(chǔ)操作系統(tǒng)和視景數(shù)據(jù)。

步驟S2，搭建立體投影顯示系統(tǒng)，過(guò)程如下：選擇3臺(tái)Vivitek D5380U投影儀構(gòu)成三通道投影系統(tǒng)，該型號(hào)投影儀支持DLP Link 3D技術(shù)，每臺(tái)投影儀分辨率為1920×1200；由1個(gè)水平視場(chǎng)角220°、垂直視場(chǎng)角45°、直徑6.5米的球帶幕構(gòu)成投影顯示屏幕。

步驟S3，視頻電纜連接和視頻分配監(jiān)控系統(tǒng)，過(guò)程如下：采用3個(gè)邁拓維矩MT-DV2H一分二的DVI視頻分配器構(gòu)成三通道立體圖像的視頻分配系統(tǒng)；采用1臺(tái)邁拓維矩MT-2108DL KVM切換器構(gòu)成視頻切換監(jiān)控系統(tǒng)，該設(shè)備支持USB口鍵鼠切換，也可以將HP Z820圖形工作站的4個(gè)USB口連接到KVM切換器的鍵鼠USB，實(shí)現(xiàn)鍵盤鼠標(biāo)操作；采用UNITEK DVI-D電纜和DP轉(zhuǎn)DVI-D電纜連接各設(shè)備。

圖2是本發(fā)明提出的單顯卡三通道立體圖像GPU校正融合處理流程。在GPU上完成校正融合處理時(shí)，立體圖像的渲染結(jié)果在交換幀緩沖區(qū)輸出之前，再次重啟一個(gè)新的渲染Pass，將幀緩沖區(qū)中的渲染結(jié)果圖像重新送到頂點(diǎn)著色器，利用GPU的頂點(diǎn)著色器和像素著色器完成立體顯示投影的幾何校正和邊緣融合的計(jì)算過(guò)程，最后將校正融合處理的結(jié)果再次繪制到幀緩沖區(qū)進(jìn)行輸出。

步驟SA，基于GPU的立體圖像幾何校正，過(guò)程如下：將通道數(shù)、立體子圖像數(shù)目、圖像分辨率、立體圖像格式、各子圖的大小和位置坐標(biāo)索引參數(shù)從立體子圖像參數(shù)描述文件中讀取到顯存；讀取幀緩沖區(qū)圖像并作為校正圖像紋理；讀取各通道子圖像幾何校正數(shù)據(jù)到顯存并作為校正映射紋理；在頂點(diǎn)著色器中檢索子圖坐標(biāo)；根據(jù)子圖坐標(biāo)對(duì)校正圖像紋理進(jìn)行采樣；根據(jù)采樣結(jié)果計(jì)算幾何校正的紋理坐標(biāo)并輸出到像素著色器。

步驟SB，基于GPU的立體圖像邊緣融合，過(guò)程如下：將邊緣融合Alpha蒙板數(shù)據(jù)讀取到顯存并作為蒙板紋理；在像素著色器中檢索子圖坐標(biāo)；根據(jù)子圖坐標(biāo)對(duì)蒙板紋理進(jìn)行采樣；根據(jù)子圖坐標(biāo)對(duì)幾何校正圖像紋理進(jìn)行采樣；將兩者采樣結(jié)果進(jìn)行Alpha混合處理；將混合處理的結(jié)果作為校正融合的結(jié)果拼接輸出到幀緩沖區(qū)；最后SwapBuffer完成幀緩沖區(qū)的交換，從顯卡的三個(gè)通道輸出校正融合的立體圖像。

圖3和圖4分別是實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)的單顯卡三通道立體圖像校正融合處理前后的結(jié)果。本發(fā)明所提出的圖像校正融合方法，關(guān)鍵是需要對(duì)幀緩沖區(qū)中的圖像進(jìn)行分割處理，分別對(duì)每個(gè)通道的左右眼立體圖像進(jìn)行幾何校正和邊緣融合，并且最后還需要拼接處理為完整的幀緩沖區(qū)圖像。

本發(fā)明所述的基于GPU的立體圖像校正融合處理方法，是專門針對(duì)單顯卡多通道立體圖像軟件幾何校正融合的處理過(guò)程，不僅適用于三通道立體圖像的校正融合，也適用于單顯卡任意通道的立體圖像軟校正融合，僅受限于顯卡具有的輸出通道個(gè)數(shù)。

以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明不需付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形，都涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。