球幕电影投影系统介绍和案例应用

球幕电影投影系统

图1： 12米球幕影院

球幕电影作为未来的电影方式，目前已从高大上的单纯用于科技馆和天文馆的科技产品，广泛运用于大众日常生活。以我们的球幕电影应用案例来说，除了国内科技馆和天文馆进行科普活动外，还应用于品牌宣传。如发布会，房地产策划活动，音乐会，旅游景区，公关活动。移动球幕影院以无与伦比的震憾性效果为观众提供了独一无二的视听盛宴。

球幕投影可以表现出高分辨率、大视角范围的显示效果，可以给观众带来新颖的视觉体验，让观众感受到强烈的视觉震撼和身临其境的感觉。

概述

球幕投影是指使用一台或多台投影机，在球形屏幕上投影出完整连续的画面。球幕投影可以表现出高分辨率、大视角范围的显示效果，可以给观众带来新颖的视觉体验，让观众感受到强烈的视觉震撼和身临其境的感觉。

球幕投影技术目前主要应用在大型球幕影院(数字天文馆)、大型科技馆、球形广告。球幕投影技术的另外一个主要应用是模拟仿真领域。

360度穹顶式球幕投影非常便于展示宇宙空间或星空场景，所以穹顶式球幕多用于影院、天象厅等应用。例如西安科技馆(球幕直径10米，穹顶投影，屏幕分辨率为4K)。

作为一种新颖的大屏幕显示形式，除了数字天象厅应用，目前球幕投影技术越来越多应用于科技场馆展示。移动式球幕影院更多运用于商业活动，比如发布会，品牌宣传推广活动，商场运营，景区观光点旅游点，科普活动，音乐会，公关策划活动，房地产活动等。

图2：5米球幕电影工作室

球幕投影原理

一.球幕投影坐标

近年来，虚拟现实技术己经成为计算机视觉、图像处理、计算机图形学、人工智能研究的热点。虚拟现实技术也开始得到广泛的应用，如房地产、展览会馆、娱乐等。基于图像绘制技术的虚拟现实，比传统的三维建模构造的虚拟现实方法更加简单、有效，而且构造的场景逼真度高，对场景处理只与图像分辨率有关，与场景复杂度无关。

球幕投影技术采用虚拟现实技术来制作360度球幕虚拟场景。由于球幕投影的内容要做到对大视角(超过180度)空间进行全面的显示。所以球幕投影中常使用鱼眼投影，特别是在虚拟球体时要能更好的产生立体沉浸效果。

二.球幕3D校正

用球幕投影系统实现仿真应用时，要将多个通道的3D虚拟场景显示在球幕上，不同通道显示的画面要能够拼接起来，而且拼接后的画面要符合3D虚拟场景的空间坐标关系。

图4：球幕3D校正

由于投影机安装位置和观众观看位置是不相同的，而且可能一套系统是由多个投影机组成。所以需要对不同投影机投影的画面进行3D几何校正。

一般来说，投影点和需要的眼点都可能在球幕内的任意位置。如果投影点或观察点任意一个没有在球幕中心，则必须使用校正。校正一个点的过程相对直观。想象把球幕放在要渲染的场景内(图5)。观察点在V点，A点投影在球幕上的图像点为I，但是用位于Ｐ点的投影机投影时，在I点的图像必须被绘制在B点。

图5：球幕3D校正示意图

投影机在P点，眼点在V点，三维空间物体将从A点移动到Ｂ点。

对一台投影机，场景以眼点为中心渲染一次，包围对该投影机可见的球幕截面。为了使图像适应球面显示，需要绘制一个单独屏幕填充矩形。系统把这个矩形处理为穿过所有屏上像素点的射线集合。每条射线和球幕的交点通过已知的球幕位置和半径来计算。已知这个三维点，逆向使用原始场景渲染的透视投影，结果就是一个与渲染场景图像相关的二维像素。

三.边缘融合

为了实现多台投影机画面的无缝拼接，需要实现不同投影机画面之间的边缘融合。在通过球幕几何校正实现多个画面的拼接后，需要计算各个通道图像的重叠区域，再根据重叠区域的位置，计算出实际投影图像的亮度衰减系数。

图6：球幕边缘融合示意图(4个通道的融合区域) 

球幕系统设计

        以球幕数字天象厅为例，说明球幕投影系统的设计要点。

球幕数字天象厅需要运行互动三维程序，也需要播放高清视频。系统使用N+1的典型球幕拼接方式，这种方式按照球幕经纬度排列，投影画面分布较均匀。

图7：经典5+1投影示意图

球幕直径为10米，画面由6台高亮度投影机拼接而成。信号源是1台图形工作站（即融合主机），从工作站输出6个通道的信号。图形工作站输出的画面经过x-lian融合机处理，实现球形预变形、色彩校正和边缘融合，从而实现拼接。

例1：x-lian球幕投影网格图

例2：品牌宣传球幕

穹幕|球幕标准投影方案示意图