多通道投影系統在三維城市地質成果演示中的應用

楊振濤

（上海市地質調查研究院，上海 200072）

多通道投影系統在三維城市地質成果演示中的應用

楊振濤

（上海市地質調查研究院，上海 200072）

為了能將上海三維地質成果更好的展示，根據演示廳實際情況，上海地質調查研究院采用了三通道投影系統，在環屏幕上高分辨率地展示三維地質成果，實現了大場景的平面演示和虛擬三維投影之間的切換。

多通道投影系統三維地質非線性失真被動立體顯示技術

0 前言

多通道環幕（立體）投影系統是虛擬三維投影顯示系統中一種沉浸式虛擬仿真顯示，系統采用環形的投影屏幕作為仿真應用的投射載體，所以通常又稱為環幕投影系統。它比普通的標準投影系統具備更大的顯示尺寸、更多的顯示內容和更高的顯示分辨率，以及更好的立體視覺效果。該系統大量應用于科研、工業設計、教育培訓、會議、項目決策等。近年來，隨著計算機硬件技術的進步，普通PC在圖形和計算能力上都有了極大的提高，以PC驅動的多通道沉浸式虛擬現實系統已經成為了可能。這種系統必須由多臺高性能PC構成的分布式集群來驅動。一套這樣的系統在硬件上需要若干臺高性能的PC圖形工作站，配以專業圖形加速卡，100/1000Mbps的以太網卡及專業的顯示同步卡（G-SYNC）。該系統成本低，易于維護和使用，可擴展性好[1]。

1 方法原理

投影機設計時都是針對平面的投影屏幕，投射出的畫面是矩形的（通常為4：3或16：9），而當這樣的投影儀把圖像投射到環形屏幕上，圖像就會變成失真變形，因為環形幕布上的每個點到每臺投影機的距離是不等的，會導致每臺投影機投射到環形幕布上的影像畫面出現變形失真，這種現象被稱之為非線性失真。為了在弧形屏幕或球面屏幕上得到正確的圖像顯示，就必須對生成后的實時圖像進行處理，這種處理被稱之為非線性失真校正。所以對于多通道柱面投影系統而言，解決圖像非線性失真是其關鍵問題。有兩種方法可以實現非線性失真校正：一種是通過光學校正，即通過具有獨特變形矯正功能的特定投影機來完成，但該投資巨大；另一種是使用計算機非線性失真校正技術來實現，基于軟件結合人工交互調整的校正方法，校正精度高，可達到單個像素級的無縫拼接[2]，并且具有較好的性能價格比，本系統采用了該技術。

立體成像原理是利用人左右眼有4～6cm 的距離，我們看物體時兩只眼睛中的圖像是有差別的，當兩幅不同的圖像輸送到大腦后，就形成了有景深的圖像。這就是計算機和投影系統的立體成像原理。依據這個原理，本系統采用被動立體顯示技術，即計算機先將圖像輸出到立體發生器，再分別連接到兩臺專業的投影機，其中一臺專門投射左眼信號，另一臺專門投射右眼信號。當人使用偏振立體眼鏡觀看時，左鏡片透過正極化的圖像，右鏡片透過反極化的圖像，即左右眼看到兩幅不同的圖像，經大腦處理后，就形成了有景深的立體圖像，給人以身臨其境的感覺。

2 實例分析

上海地質調查研究院虛擬三維仿真系統是一項多功能系統，它實現了三通道平面投影，以滿足日常會議和展示需要，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成果，系統分布如圖1。系統結構主要包括圖形與計算系統和投影系統。

圖1 三通道投影系統分布圖

該系統采用3臺HP Workstation XW8600 PC圖形工作站運行三維仿真場景，每臺圖形工作站輸出一個圖形通道，代替了以往仿真系統中須采用SGI公司的ONYX系列超級圖形工作站的要求，并且性能接近高端系統的圖形工作站性能。演示平面數據時，用一臺普通高性能PC，采用Matrox PJ40LA三通道顯卡，既節省了經費，又提高了單臺系統的效能。

平面演示時，信號直接由平面演示PC發送信號到視頻矩陣。三維仿真演示時，信號由三臺圖形工作站輸出，經立體發生器轉換為左右眼立體信號；然后進入視頻矩陣，經視頻矩陣將信號分配給融合機；融合機將融合好的信號再分別傳給6臺投影機。本系統采用了POWER WALL的投影顯示方式，采用歐洲ProjectionDesign的投影機亮度達：3500流明，標準分辨率1400×1050，對比度2500：1；系統融合設備選用英國Equipe公司的ProMapAV融合計算機，其幾何數字校正邊緣融合系統采用先進的數字濾鏡技術，在兩幅圖象的重疊區域，一臺投影機的圖象采用淡出的方法，另一臺投影機的圖象采用淡入的方法，這樣就形成了一個融合區域。使用數字技術后，每臺投影機的校正比例經過精確計算，并采用獨立的數字遮蔽技術對各個投影機之間色差進行補償，使融合區達到無縫融合的效果；全數字非線形幾何校正，采用人工交互調整方法，精確地解決了非線性失真，本系統中取得了比較好的融合效果。

如圖1，信號由融合機處理后，分別發送給投影機，投影機為三組，每組上下一臺投影機，每組投影機對應一組通道。本系統在三維仿真演示時，每組下面的投影機投射左眼信號（即1、2、3投影機），上面的投影機投射右眼信號（4、5、6投影機）。

為了解決平面演示亮度不足的問題，本系統采用了每組投影機的上下投影冗余疊加技術，使每組上下投影機投出的圖像在屏幕上完全重合，以提高亮度。我們使用了ProMapAV融合計算機中融軟件ProMap TM Composer, 使用WYSIWYG編輯環境，對圖像變形進行校正，邊緣混合和熱點補償，以達到上下投影機圖像完全重合（如圖2）。

圖2 融合機ProMap TM Composer 融合軟件

系統使用軟件對視頻矩陣的輸入和輸出進行控制，實現了平面投影和三維立體投影之間的自由切換。

3 結束語

多通道投影系統作為基于PC網絡在展示上海城市三維地質成果上取得了良好的效果，是一種經濟實用的演示方式。但其中存在設備儀器較多、維護困難等缺點。

[1] 王 蒙，夏 青.基于pc網絡的多通道視景仿真技術.測繪科學技術學報，2005.

[2] 王曉北，趙 罡.多通道投影系統無縫拼接的實現.機械工程與自動化 2008.6.

[3] 潘志庚，林柏緯，唐 冰等.多投影面陳浸式虛擬環境及其應用.

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