多通道投影系統(tǒng)在三維城市地質(zhì)成果演示中的應(yīng)用

楊振濤

（上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072）

多通道投影系統(tǒng)在三維城市地質(zhì)成果演示中的應(yīng)用

楊振濤

（上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072）

為了能將上海三維地質(zhì)成果更好的展示，根據(jù)演示廳實(shí)際情況，上海地質(zhì)調(diào)查研究院采用了三通道投影系統(tǒng)，在環(huán)屏幕上高分辨率地展示三維地質(zhì)成果，實(shí)現(xiàn)了大場(chǎng)景的平面演示和虛擬三維投影之間的切換。

多通道投影系統(tǒng)三維地質(zhì)非線性失真被動(dòng)立體顯示技術(shù)

0 前言

多通道環(huán)幕（立體）投影系統(tǒng)是虛擬三維投影顯示系統(tǒng)中一種沉浸式虛擬仿真顯示，系統(tǒng)采用環(huán)形的投影屏幕作為仿真應(yīng)用的投射載體，所以通常又稱(chēng)為環(huán)幕投影系統(tǒng)。它比普通的標(biāo)準(zhǔn)投影系統(tǒng)具備更大的顯示尺寸、更多的顯示內(nèi)容和更高的顯示分辨率，以及更好的立體視覺(jué)效果。該系統(tǒng)大量應(yīng)用于科研、工業(yè)設(shè)計(jì)、教育培訓(xùn)、會(huì)議、項(xiàng)目決策等。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的進(jìn)步，普通PC在圖形和計(jì)算能力上都有了極大的提高，以PC驅(qū)動(dòng)的多通道沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)已經(jīng)成為了可能。這種系統(tǒng)必須由多臺(tái)高性能PC構(gòu)成的分布式集群來(lái)驅(qū)動(dòng)。一套這樣的系統(tǒng)在硬件上需要若干臺(tái)高性能的PC圖形工作站，配以專(zhuān)業(yè)圖形加速卡，100/1000Mbps的以太網(wǎng)卡及專(zhuān)業(yè)的顯示同步卡（G-SYNC）。該系統(tǒng)成本低，易于維護(hù)和使用，可擴(kuò)展性好[1]。

1 方法原理

投影機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)都是針對(duì)平面的投影屏幕，投射出的畫(huà)面是矩形的（通常為4：3或16：9），而當(dāng)這樣的投影儀把圖像投射到環(huán)形屏幕上，圖像就會(huì)變成失真變形，因?yàn)榄h(huán)形幕布上的每個(gè)點(diǎn)到每臺(tái)投影機(jī)的距離是不等的，會(huì)導(dǎo)致每臺(tái)投影機(jī)投射到環(huán)形幕布上的影像畫(huà)面出現(xiàn)變形失真，這種現(xiàn)象被稱(chēng)之為非線性失真。為了在弧形屏幕或球面屏幕上得到正確的圖像顯示，就必須對(duì)生成后的實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行處理，這種處理被稱(chēng)之為非線性失真校正。所以對(duì)于多通道柱面投影系統(tǒng)而言，解決圖像非線性失真是其關(guān)鍵問(wèn)題。有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)非線性失真校正：一種是通過(guò)光學(xué)校正，即通過(guò)具有獨(dú)特變形矯正功能的特定投影機(jī)來(lái)完成，但該投資巨大；另一種是使用計(jì)算機(jī)非線性失真校正技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，基于軟件結(jié)合人工交互調(diào)整的校正方法，校正精度高，可達(dá)到單個(gè)像素級(jí)的無(wú)縫拼接[2]，并且具有較好的性能價(jià)格比，本系統(tǒng)采用了該技術(shù)。

立體成像原理是利用人左右眼有4～6cm 的距離，我們看物體時(shí)兩只眼睛中的圖像是有差別的，當(dāng)兩幅不同的圖像輸送到大腦后，就形成了有景深的圖像。這就是計(jì)算機(jī)和投影系統(tǒng)的立體成像原理。依據(jù)這個(gè)原理，本系統(tǒng)采用被動(dòng)立體顯示技術(shù)，即計(jì)算機(jī)先將圖像輸出到立體發(fā)生器，再分別連接到兩臺(tái)專(zhuān)業(yè)的投影機(jī)，其中一臺(tái)專(zhuān)門(mén)投射左眼信號(hào)，另一臺(tái)專(zhuān)門(mén)投射右眼信號(hào)。當(dāng)人使用偏振立體眼鏡觀看時(shí)，左鏡片透過(guò)正極化的圖像，右鏡片透過(guò)反極化的圖像，即左右眼看到兩幅不同的圖像，經(jīng)大腦處理后，就形成了有景深的立體圖像，給人以身臨其境的感覺(jué)。

2 實(shí)例分析

上海地質(zhì)調(diào)查研究院虛擬三維仿真系統(tǒng)是一項(xiàng)多功能系統(tǒng)，它實(shí)現(xiàn)了三通道平面投影，以滿(mǎn)足日常會(huì)議和展示需要，并能方便地切換到三維仿真投影方式下，展示最新的三維地質(zhì)成果，系統(tǒng)分布如圖1。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括圖形與計(jì)算系統(tǒng)和投影系統(tǒng)。

圖1 三通道投影系統(tǒng)分布圖

該系統(tǒng)采用3臺(tái)HP Workstation XW8600 PC圖形工作站運(yùn)行三維仿真場(chǎng)景，每臺(tái)圖形工作站輸出一個(gè)圖形通道，代替了以往仿真系統(tǒng)中須采用SGI公司的ONYX系列超級(jí)圖形工作站的要求，并且性能接近高端系統(tǒng)的圖形工作站性能。演示平面數(shù)據(jù)時(shí)，用一臺(tái)普通高性能PC，采用Matrox PJ40LA三通道顯卡，既節(jié)省了經(jīng)費(fèi)，又提高了單臺(tái)系統(tǒng)的效能。

平面演示時(shí)，信號(hào)直接由平面演示PC發(fā)送信號(hào)到視頻矩陣。三維仿真演示時(shí)，信號(hào)由三臺(tái)圖形工作站輸出，經(jīng)立體發(fā)生器轉(zhuǎn)換為左右眼立體信號(hào)；然后進(jìn)入視頻矩陣，經(jīng)視頻矩陣將信號(hào)分配給融合機(jī)；融合機(jī)將融合好的信號(hào)再分別傳給6臺(tái)投影機(jī)。本系統(tǒng)采用了POWER WALL的投影顯示方式，采用歐洲ProjectionDesign的投影機(jī)亮度達(dá)：3500流明，標(biāo)準(zhǔn)分辨率1400×1050，對(duì)比度2500：1；系統(tǒng)融合設(shè)備選用英國(guó)Equipe公司的ProMapAV融合計(jì)算機(jī)，其幾何數(shù)字校正邊緣融合系統(tǒng)采用先進(jìn)的數(shù)字濾鏡技術(shù)，在兩幅圖象的重疊區(qū)域，一臺(tái)投影機(jī)的圖象采用淡出的方法，另一臺(tái)投影機(jī)的圖象采用淡入的方法，這樣就形成了一個(gè)融合區(qū)域。使用數(shù)字技術(shù)后，每臺(tái)投影機(jī)的校正比例經(jīng)過(guò)精確計(jì)算，并采用獨(dú)立的數(shù)字遮蔽技術(shù)對(duì)各個(gè)投影機(jī)之間色差進(jìn)行補(bǔ)償，使融合區(qū)達(dá)到無(wú)縫融合的效果；全數(shù)字非線形幾何校正，采用人工交互調(diào)整方法，精確地解決了非線性失真，本系統(tǒng)中取得了比較好的融合效果。

如圖1，信號(hào)由融合機(jī)處理后，分別發(fā)送給投影機(jī)，投影機(jī)為三組，每組上下一臺(tái)投影機(jī)，每組投影機(jī)對(duì)應(yīng)一組通道。本系統(tǒng)在三維仿真演示時(shí)，每組下面的投影機(jī)投射左眼信號(hào)（即1、2、3投影機(jī)），上面的投影機(jī)投射右眼信號(hào)（4、5、6投影機(jī)）。

為了解決平面演示亮度不足的問(wèn)題，本系統(tǒng)采用了每組投影機(jī)的上下投影冗余疊加技術(shù)，使每組上下投影機(jī)投出的圖像在屏幕上完全重合，以提高亮度。我們使用了ProMapAV融合計(jì)算機(jī)中融軟件ProMap TM Composer, 使用WYSIWYG編輯環(huán)境，對(duì)圖像變形進(jìn)行校正，邊緣混合和熱點(diǎn)補(bǔ)償，以達(dá)到上下投影機(jī)圖像完全重合（如圖2）。

圖2 融合機(jī)ProMap TM Composer 融合軟件

系統(tǒng)使用軟件對(duì)視頻矩陣的輸入和輸出進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了平面投影和三維立體投影之間的自由切換。

3 結(jié)束語(yǔ)

多通道投影系統(tǒng)作為基于PC網(wǎng)絡(luò)在展示上海城市三維地質(zhì)成果上取得了良好的效果，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的演示方式。但其中存在設(shè)備儀器較多、維護(hù)困難等缺點(diǎn)。

[1] 王 蒙，夏 青.基于pc網(wǎng)絡(luò)的多通道視景仿真技術(shù).測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2005.

[2] 王曉北，趙 罡.多通道投影系統(tǒng)無(wú)縫拼接的實(shí)現(xiàn).機(jī)械工程與自動(dòng)化 2008.6.

[3] 潘志庚，林柏緯，唐 冰等.多投影面陳浸式虛擬環(huán)境及其應(yīng)用.

Application of the Multi Channel Projection to Display 3D Image of City Geology Results

YANG Zhentao
(Shanghai Institute of Geology Survey, Shanghai 200072)

According to the actual situation of demonstration hall, Shanghai Institute of Geology Survey(SIGS) adopts the three channel projection system to display the 3D geology results of Shanghai, which can show successfully the 3D image in high resolution on the screen and switch the plane demonstration to 3D image.

Multi channel projection; 3D geology result; Non-linear simulation; Passive stereo display

TN946.1

B 開(kāi)