一种虚拟场景的球形全景渲染方法技术

本发明专利技术公开了一种虚拟场景的球形全景渲染方法，包括：根据光线追踪算法，获取球面每一条出射光线的方向；建立虚拟场景中物体从三维摄像机里的光学镜头的平面成像面，到球面成像面的映射关系；基于该映射关系修改每一条出射光线的方向；将修改后的每一条出射光线的方向数据传输至三维渲染引擎，由三维渲染引擎进行采样与滤波处理后，获得无畸变的球形全景图像。该方案高效灵活，计算量小工序简洁，而且还能与三维制作软件兼容，又更直观地渲染出球形全景图像，从而减少大量的制作和时间成本，大大提高影片的质量和效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光线跟踪技术和球形投影成像
，尤其涉及一种虚拟场景的球形全景渲染方法。
技术介绍
为了在球幕电影实拍和三维虚拟场景结合这一新
有所突破，通过深入对这新领域进行研究分析，考虑到球幕电影的银幕是球形的，中心位置的观众的视场角度达360度，因此要求电影画面必须是全景的球面图像。在数字电影领域，获取虚拟场景全景图像的方法，根据摄像机的数量和分布排列的不同，大概可以分为以下几类：Ⅰ)大广角单相机渲染使用单一的大广角镜头渲染场景。因为现有的摄像机模型都是针孔摄像机(ping-holecamera)，其最大的缺点是，所有光线都通过一个小孔进入摄像机，在一个平面的成像面上成像，导致图像在中心区放大，而在边缘区压缩，画面严重变形失真。Ⅱ)多相机阵列(Multi-cameraArray)渲染使用多达数十个常规视角的镜头，按照一定的排列方式组成一个空间阵列，然后逐一渲染，最后在合成阶段把数十个画面拼接而成一个完整的全景球面图像。缺点是计算量巨大，工序繁杂。这两种类型的方法，要不就是变形失真严重，要不就是运算成本巨大，很难满足技术要求，实现一幅无畸变的全景图像，同时影片总分辨率又能达到真4K(4096*4096)或更高的画质。同时随着虚拟现实技术的不断发展，传统简单的平面屏幕显示，已完全不能满足观众对多媒体互动投影项目，要达到高交互感、沉浸感的需求，球形或半球形投影显示系统将成为新的趋势。因此对于球形影片制作，如何能找到一种比市面上更有效快速渲染出无畸变的球形全景图像的方法，成为当务之急。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种虚拟场景的球形全景渲染方法，可以方便快捷的获得无畸变的球形全景图像，且整个方案的成本也较低。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种虚拟场景的球形全景渲染方法，包括：根据光线追踪算法，获取球面每一条出射光线的方向；建立虚拟场景中物体从三维摄像机里的光学镜头的平面成像面，到球面成像面的映射关系；基于该映射关系修改每一条出射光线的方向；将修改后的每一条出射光线的方向数据传输至三维渲染引擎，由三维渲染引擎进行采样与滤波处理后，获得无畸变的球形全景图像。进一步的，所述获取球面每一条出射光线的方向包括：该球面的全景投影采用标准设备坐标定义方位分离角δ与极角α；其中，方位分离角δ为视角方向逆时针度量，位于平面(u，w)上；极角α为相对于(u，w)平面的垂直面内向上旋转的角度；方位分离角δ和极角α与球体坐标角度β和ε之间的关系如下：ε＝π—δ；β＝π/2—α；在方位分离角δ所在方位方向平面与极角α所在极方向平面里，当物体在球面视点到空间点的距离r范围内时，光线在两个平面里分别进行跟踪运算，其中r2＝xn2+yn2≤1.0，xn和yn为标准设备坐标系的点。进一步的，所述建立虚拟场景中物体从三维摄像机里的光学镜头的平面成像面，到球面成像面的映射关系包括：球面放置于虚拟场景中物体与三维摄像机里的光学镜头之间；虚拟场景中物体的坐标记为(M1，M)，通过三维摄像机里的光学镜头在成像面上成的实像坐标记为(N1，N)；当在数字光学镜头前放置一个球面，当成像面上的实像(N1，N)被投射到球面上时会在球面上产生一个图像(P1，P)；将光学镜头坐标系里任一点p(Xp，Yp)∈[-WHres/2,-WVres/2]×[WHres/2,WVres/2]，转换成标准设备坐标系对应的点m(Xm，Ym)∈[-1，+1]×[-1,+1]2；其中，WHres≠WVres；WHres为视平面横向采样分辨率，WVres为视平面纵向采样分辨率；坐标变换满足以下公式：Xm＝2.0×Xp/(WHres–1.0)；Ym＝2.0×Yp/(WVres–1.0)。进一步的，基于该映射关系修改每一条出射光线的方向包括：根据标准设备坐标系对应的点m(Xm，Ym)，计算方位分离角δ与极角α：δ＝Xm×δmax；α＝Ym×αmax；(δ,α)∈[-δmax,δmax]×[-αmax,αmax]；其中，δmax＝180°且αmax＝90°时得到360°×180°的视域范围，FOV定义为2δmax×2αmax；对于各个出射光线向量均采用下述公式进行计算，获得修改后的光线向量pnew<px，py，pz>：px＝sin(π/2-α)×sin(π-δ)；py＝cos(π/2-α)；pz＝sin(π/2-α)×cos(π-δ)。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，该方案高效灵活，计算量小工序简洁，而且还能与三维制作软件兼容，又更直观地渲染出球形全景图像，从而减少大量的制作和时间成本，大大提高影片的质量和效率。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图1为本专利技术实施例提供的一种虚拟场景的球形全景渲染方法的流程图；图2为本专利技术实施例提供的鱼眼球形渲染模型示意图；图3a-3b为本专利技术实施例提供的为球形眼鱼投影里光线跟踪示意图；图4a-4b为本专利技术实施例提供的球形鱼眼相机在180度与360度时出射光线方向的示意图；图5为本专利技术实施例提供的球形全景渲染示意图；图6为本专利技术实施例提供的球形全景渲染模型示意图；图7为本专利技术实施例提供的球面、光学镜头、成像面系统示意图；图8为本专利技术实施例提供的将光学镜头坐标系点P转换成标准的设备坐标的示意图；图9a-9c为本专利技术实施例提供的出射光线方向的计算过程示意图；图10为本专利技术实施例提供的三维软件内一个正方形三面网格体的示意图；图11a-11b为本专利技术实施例提供的球形全景渲染插件参数与180度球形投影效果示意图；图12a-12b为本专利技术实施例提供的球形全景渲染插件参数与360度全景渲染效果示意图；图13a-13b为本专利技术实施例提供的球形全景渲染插件立体参数及360度全景立体效果示意图；图14为本专利技术实施例提供的虚拟场景360度全景立体效果示意图。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种虚拟场景的球形全景渲染方法，其特征在于，包括：根据光线追踪算法，获取球面每一条出射光线的方向；建立虚拟场景中物体从三维摄像机里的光学镜头的平面成像面，到球面成像面的映射关系；基于该映射关系修改每一条出射光线的方向；将修改后的每一条出射光线的方向数据传输至三维渲染引擎，由三维渲染引擎进行采样与滤波处理后，获得无畸变的球形全景图像。

【技术特征摘要】
1.一种虚拟场景的球形全景渲染方法，其特征在于，包括：
根据光线追踪算法，获取球面每一条出射光线的方向；
建立虚拟场景中物体从三维摄像机里的光学镜头的平面成像面，到球面成像面的映
射关系；
基于该映射关系修改每一条出射光线的方向；
将修改后的每一条出射光线的方向数据传输至三维渲染引擎，由三维渲染引擎进行
采样与滤波处理后，获得无畸变的球形全景图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取球面每一条出射光线的方向
包括：
该球面的全景投影采用标准设备坐标定义方位分离角δ与极角α；其中，方位分离
角δ为视角方向逆时针度量，位于平面(u，w)上；极角α为相对于(u，w)平面的垂直
面内向上旋转的角度；
方位分离角δ和极角α与球体坐标角度β和ε之间的关系如下：
ε＝π—δ；
β＝π/2—α；
在方位分离角δ所在方位方向平面与极角α所在极方向平面里，当物体在球面视点
到空间点的距离r范围内时，光线在两个平面里分别进行跟踪运算，其中r2＝xn2+yn2≤1.0，
xn和yn为标准设备坐标系的点。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述建立虚拟场景中物体从三维摄像
机里的光学镜头的平面成像面，到球面成像面的映射关系包括：
球面放置于虚拟场景中物体与三维摄像机里的光学镜头之间；
虚拟场景中物体的坐标记为(M1，M)，通过三维摄像机里的光学镜头在成像面上
成的实像坐标记...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明，戎志刚，刘道强，丁亮，
申请(专利权)人：深圳华强数码电影有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44