4K投影機(jī)在全景塔臺模擬機(jī)中的應(yīng)用研究

錢城

南京萊斯信息技術(shù)股份有限公司 江蘇 南京 210000

引言

全景塔臺模擬機(jī)是一種用于信息管理與分析的程序器械，通過驗證管制程序的交互現(xiàn)狀，在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中，搭建與逼真場景相似的工作環(huán)境，作為管制人員的塔臺培訓(xùn)管制場所。在與管制培訓(xùn)人員的實時交互過程中，將塔臺的管制器械全部裝備在培訓(xùn)場所中?，F(xiàn)有的全景塔臺模擬機(jī)通常由360°的水平視野超高分辨率環(huán)幕系統(tǒng)構(gòu)成，為保證全景塔臺模擬機(jī)的精準(zhǔn)性，在考慮分辨率的前提下，將4K投影機(jī)應(yīng)用于全景塔臺模擬機(jī)，本文基于該應(yīng)用條件，選取了投影機(jī)以及全景塔臺模擬機(jī)的指標(biāo)參數(shù)，并設(shè)置了相應(yīng)的集成環(huán)境。

1 4K投影機(jī)選型關(guān)鍵指標(biāo)

1.1 成像技術(shù)

想要將4K投影機(jī)應(yīng)用于全景塔臺模擬機(jī)中，需要選擇合適的型號指標(biāo)。模擬成像需要應(yīng)用虛擬模擬器（Virtual simulator）、LCD液晶投影機(jī)（Liquid Crystal Display，LCD projector）、數(shù)字光處理器（Digital Light Porsessor）等裝置作為液晶數(shù)字光處理器的主要工具，此時數(shù)字視頻投影儀具備較高的分辨率，可以以更清晰的效果呈現(xiàn)出全景塔臺模擬機(jī)中的影像[1]。使用LCD液晶投影機(jī)，可以將紅、綠、藍(lán)3種原色投影在液晶顯示屏上，并將每一種原色一一與液晶原屏的比色卡相互對照，并控制顏色分量的亮度與對比度。若三原色的光可以同時從投影儀投射到液晶顯示器上，則該屏幕中可以查看到各種顏色，但不能以彩色屏幕的形式出現(xiàn)。而數(shù)字光處理器則是一種可以將三原色中的色彩相互分離的裝置，在微鏡調(diào)節(jié)機(jī)制下，可以通過分時分布將投影儀中投射出的色彩投影到屏幕上，并嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)色輪與微鏡的轉(zhuǎn)速。如果控制得不嚴(yán)格，很容易導(dǎo)致投射到屏幕上的色彩與實際顏色有差別。尤其是在全景塔臺模擬機(jī)中，每當(dāng)出現(xiàn)動態(tài)影像，投影儀與液晶顯示屏就會以較快的速度傳遞影像，如果不能提高數(shù)字光處理器的運(yùn)行速度，就會導(dǎo)致圖像刷新錯誤，影像模糊等現(xiàn)象發(fā)生。

1.2 分辨率

高清投影機(jī)的分辨率大致在1080P左右，而4K投影機(jī)則可以以4K（4096×2160/3840×2160）的分辨率作為技術(shù)面板的主要圖像像素，真實地反映原生圖像的清晰與自然，由此可見4K投影機(jī)的分辨率大致在普通投影機(jī)的4倍左右，可見該投影機(jī)確實可以增強(qiáng)全景塔臺模擬機(jī)的清晰度，增強(qiáng)培訓(xùn)人員的體驗感。除此以外，投影機(jī)中的幀數(shù)參數(shù)（建議60Hz）也可以改變圖像的細(xì)節(jié)部分，令其在播放動態(tài)影像時，不會發(fā)生畫面卡頓的情況，時時能夠觀察到清晰的圖像細(xì)節(jié)。

1.3 亮度與對比度

在設(shè)置投影機(jī)的選型指標(biāo)時，需要選取5000流明以上的亮度值，亮度參數(shù)的不同直接決定了圖像的清晰度以及色彩的鮮明度，并對圖像的亮部與暗部之間的灰度值有著決定性的作用。投影機(jī)的亮度值需要選擇適中的參數(shù)值，若太小，則很容易導(dǎo)致畫面不清晰，線條的對比不明確等現(xiàn)象；但是若亮度值過高，也很容易影響畫面在幕布上的反射作用，進(jìn)而造成投影儀在全景塔臺模擬機(jī)中對比度下降，此時的畫面就像蒙了一層薄膜，即使在4K投影儀中使用增益比較低的光滑投影面，也很難直接提升此時投影儀中的對比度。

在選擇對比度參數(shù)時，需要觀察靜態(tài)與動態(tài)的黑白比例，也就是圖像中最亮與最暗的亮度對比值。對比度越大，則表明4K投影儀在全景塔臺模擬機(jī)中的色彩越豐富；對比度越小則表明，該投影儀的色彩越單薄[2]。對比度的變化可以令圖像中亮的地方更亮，暗的地方更暗。但是對比度的數(shù)值卻很難影響動態(tài)影像的明暗對比結(jié)果，在不同的4K投影機(jī)中，計算亮度與對比度的算法具有較大的差異，因此將4K投影機(jī)應(yīng)用于全景塔臺模擬機(jī)中需選擇合適的數(shù)值，以便呈現(xiàn)最優(yōu)的圖像效果。

1.4 其他參數(shù)

除分辨率，亮度以及對比度以外，持久的激光光源也是全景投影成像技術(shù)的重要參數(shù)。使用可靠的激光光源可以令觀眾在4K投影機(jī)中觀察到更清晰，更明確的影像。一般的激光光源都能夠在節(jié)能亮度模式下使用20000h，在一般亮度模式下，則可以使用超過15000h，在高亮度模式下，則可以使用超過10000h。

當(dāng)使用4K投影機(jī)時，需要使用支架將鏡頭固定在投影機(jī)的機(jī)身上。在保證可維護(hù)性的同時，還需要準(zhǔn)確選擇投影機(jī)鏡頭，設(shè)備越大，投影機(jī)的安裝半徑就越大，選擇鏡頭就越困難，因此鏡頭需要與幕布保持一定的距離。鏡頭的透射比需要通過投影距離與畫面寬度來表示，由于投影機(jī)的投影角度是傾斜的，因此幕布畫面與鏡頭之間的距離并不是一個確定的數(shù)字，很容易導(dǎo)致投影機(jī)幕布上面出現(xiàn)清晰與模糊共存的現(xiàn)象。在選擇可變焦的基礎(chǔ)上，將透射比的參數(shù)設(shè)定為0.7~0.85：1，且不建議選擇超短焦的鏡頭作為投影機(jī)鏡頭，若透射比小于0.4：1，則該投影機(jī)會造成較為嚴(yán)重的光損失。

2 集成環(huán)境要求

2.1 裝修要求

在使用4K投影機(jī)的全景塔臺模擬機(jī)中，裝修的房間內(nèi)為一個約11m直徑的環(huán)形屏幕，其畫面高度約為3m，將培訓(xùn)使用的操作臺安置在全景塔臺模擬機(jī)的中心區(qū)域，可以在距離屏幕2.6m的位置安裝圓形操作臺。全景塔臺模擬機(jī)是一個指揮模擬系統(tǒng)，因此需要由360°環(huán)繞型的屏幕構(gòu)成。

2.2 投影機(jī)安裝

2.2.1 一體式承重支架。在一體式承重支架上，制作與梁、吊桿相連接的圓盤裝置，為合理設(shè)置圓盤上的孔位，可以通過高低平面左右誤差等參數(shù)調(diào)整，提高水平面的融合度。投影機(jī)在裝修時一般需要以一定的角度傾斜擺放，為了防止投影機(jī)抖動，需將固定的支架向相反的兩個方向同時用力，這樣一來就能夠形成上下或左右同時受力的卡口結(jié)構(gòu)，可以實時調(diào)節(jié)。當(dāng)固定支架過于寬松時，就需要及時調(diào)節(jié)受力卡口的對角，以免因松緊不協(xié)調(diào)影響對焦。

若投影機(jī)過于沉重，還需要在鏡頭上安裝一個保險繩，在投影機(jī)中安設(shè)一個固定點作為承重機(jī)制，保險繩的一端連接在承重固定點上，另一端與承重柱相連接。

2.2.2 投影機(jī)數(shù)量、角度與高度。通過畫面融合的計算公式，得到4K投影機(jī)在某全景塔臺模擬機(jī)中的數(shù)量，將圖像融合百分比設(shè)置為15%到25%，以20%為最佳參數(shù)，因此，全景塔臺模擬機(jī)的房間面積相對較小，為了避免房間擁擠，房間內(nèi)投影機(jī)的數(shù)量大概在8到10臺左右。

投影機(jī)安裝過程中，需要盡量減小傾斜角度，令投影機(jī)的透射軌跡移動到幕布中心地區(qū)之外，偏上方約1/4處，這樣一來，才能夠保證幕布上方是梯形，投影機(jī)顯示的畫面也可以將整個幕布囊括在內(nèi)。

為了保證投影影像的質(zhì)量，需要合理配置投影機(jī)的高度，如果投影機(jī)吊裝高度太大，則投射到幕布上的影像會存在明顯傾斜感。在后期影像調(diào)試時，很難將其調(diào)整到合理的角度；而若是投影機(jī)吊裝高度太小，則人坐在投影機(jī)下，會感受到極大的壓抑感，觀景體驗效果較差。

除此以外，設(shè)計投影機(jī)到幕布的距離也需要通過融合投影的計算公式，如果投影機(jī)到幕布的間距過小，則畫面很可能超過幕布能容納的所有可視距離，遮擋頭頂后需要切掉的幕布可視范圍，顯示場景范圍過小。而若是想要投影機(jī)到幕布的距離放大，勢必會壓縮投影機(jī)的后維護(hù)空間。

2.2.3 幕布安裝。在4K全景塔臺模擬機(jī)中，幕布的材質(zhì)、增益系數(shù)、光線反射情況均較為特殊，畫面顯示的時間、亮度、灰度等參數(shù)均會隨著周邊情況的變化而變化。因此需要在選擇模擬機(jī)的型號前，綜合考慮各環(huán)境的需求，并將各項目相對于內(nèi)容固定下來，以免幕布安裝時發(fā)生意外[3]。使用膨脹螺絲固定安裝幕布，若發(fā)生斜撐現(xiàn)象，則需要使用鋼板焊接，并在地面上利用螺絲等零件固定完整。最重要的是需要盡量減少幕布接縫處的數(shù)量，投影機(jī)的光影投射在幕布表面時會發(fā)生一定的扭曲，在幕布接縫處則會生成較為明顯的裂縫，為保證全景塔臺模擬機(jī)在使用過程中的效果，需要將幕布的接縫減少在2處以內(nèi)，否則需要返工處理。

幕布上下高度建議在離地0.2m和3.2m處，盡量保證所有可視區(qū)域均在人稍稍抬頭就能夠看到的地方，這樣會令觀看者能夠盡量保持最舒適的姿態(tài)。畫面中線的下方是觀察者重點巡視的區(qū)域，顯示器會遮擋一部分，但是如果應(yīng)用于全景塔臺模擬機(jī)中，就需要管制員進(jìn)行調(diào)控，使所有觀眾均能夠觀看到應(yīng)有的內(nèi)容。

3 畫面融合

原本的所有成型圖像均是按照平面來繪制與渲染的，當(dāng)此類圖像被投放到全景塔臺投影機(jī)上時，就會出現(xiàn)十分嚴(yán)重的失真現(xiàn)象。除中軸線以外的幾乎所有像素點均出現(xiàn)了較大的位移，很多像素發(fā)生重疊，圖像對眼部位發(fā)生變形。為保證圖像在全景投影屏幕上可以正常顯示，需要對畫面進(jìn)行處理。

3.1 幾何校正

畫面融合的結(jié)果能夠直接決定4k投影機(jī)在全景塔臺模擬機(jī)中的應(yīng)用效果，是整個影像投放中最重要的一環(huán)。因此，畫面融合的過程與步驟非常復(fù)雜，且費(fèi)時較長。首先需要矯正環(huán)幕拼接的幾何參數(shù)，在柱狀投影面上，若曲面矯正，無法保證投影畫面的重合度，則該功能很難將投影機(jī)上投射的曲面完成校正成一個正規(guī)的影像，因此在選擇幾何參數(shù)時，需要合理設(shè)定參數(shù)結(jié)構(gòu)。在拼接全景圖像時，屏幕的曲面校正是幾何校正中最大的難點，其需要將兩個平面的投影畫面向?qū)?，再通過像素點內(nèi)位置坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，將曲面中的所有像素坐標(biāo)與平面坐標(biāo)一一對應(yīng)，以保證兩個投影畫面能夠完全重合。這樣一來，即使以后更換全景塔臺模擬機(jī)中的畫面，也可以在像素點的對接下將其作為一個正規(guī)的圖像。

3.2 邊緣融合

將投影的邊緣融合與拼接，覆蓋左右投影通道的投影區(qū)域，將該區(qū)域作為融合區(qū)域a；融合結(jié)束后，為表明融合后區(qū)域與其他區(qū)域的差別，將融合后的區(qū)域設(shè)置為融合區(qū)域b。解決了環(huán)幕投影內(nèi)像素坐標(biāo)不一致的問題后，還需要對其進(jìn)行邊緣融合[4]。左右兩邊的通道投影通常被認(rèn)為是重復(fù)的投影區(qū)域，這是因為全景塔臺模擬機(jī)特有的圓環(huán)幕布在投影平面圖像時總會出現(xiàn)，像素分布不均的問題，因此各地點鍵存在明顯的亮度差異。在邊緣融合過程中，需要刪除這些明顯的亮度差異，令其與初始圖像中的亮度一致。

3.3 色彩校正

邊緣融合后，經(jīng)常會由亮度的變化導(dǎo)致各部位出現(xiàn)色彩差異，因此在彩色動態(tài)影像中，還需要進(jìn)行色彩的矯正，令左右投影通道中的色彩與原圖像中的色彩基本一致，排除較為明顯的色彩差異，確保大屏幕中視覺效果的一致性。保證全景投影屏幕中的色彩完整，還能夠提升大屏幕的視覺感受。

3.4 亮度均衡

最后還需要處理動態(tài)影像的亮度與對比度參數(shù)，調(diào)節(jié)畫面重疊處的亮度差異，消除左右投影通道中對比度與亮度不一致的區(qū)域，保障融合后影像的整體視覺效果，令屏幕內(nèi)的影像中更具備整體感。與此同時，簡化開關(guān)機(jī)操作，通過將燈光，音箱，開關(guān)電集成在中控中實現(xiàn)。

4 結(jié)束語

本文通過選擇了4K投影機(jī)在全景塔臺模擬機(jī)中的指標(biāo)參數(shù)，設(shè)置了較為完善的集成環(huán)境要求，并結(jié)合安裝指標(biāo)對投影鏡頭以及畫面的融合指標(biāo)進(jìn)行了選擇，實現(xiàn)了360°全景圖像的融合。