LED球幕視頻顯示應(yīng)用探討

夏志清 / 胡少敏

(深圳市雷曼光電科技股份有限公司， 廣東 深圳 518000)

0 引言

投影球幕是指使用一臺(tái)或者多臺(tái)投影機(jī)，在球形屏幕上投影出完整連續(xù)的畫面。球幕可以表現(xiàn)出高分辨率、大視角范圍的顯示效果，水平視角可以達(dá)到360°,垂直視角可以達(dá)到200°以上。根據(jù)視覺的相關(guān)理論知識(shí)，人的視覺范圍超過(guò)150°，就會(huì)產(chǎn)生身臨其境般的錯(cuò)覺，球幕投影的沉浸效果非常強(qiáng)烈，可以使觀眾感受到強(qiáng)烈的視覺震撼和身臨其境的感覺。

投影球幕應(yīng)用到仿真顯示系統(tǒng)中，需要解決圖像仿真邊緣融合、色彩校正、亮度校正等問(wèn)題。系統(tǒng)有兩種運(yùn)行模式(三維仿真模式、視頻播放模式)，多臺(tái)工作站分布式輸出多路原始圖像信號(hào)，經(jīng)過(guò)華圖CG仿真融合機(jī)的球幕3D校正，結(jié)合屏幕參數(shù)和觀眾視域參數(shù)，使三維仿真系統(tǒng)的輸出畫面符合真實(shí)空間關(guān)系，可以滿足模擬飛行訓(xùn)練等應(yīng)用。所用的視頻源三維物體影像投影到二維屏幕中，景深部分信息還原擴(kuò)展為被動(dòng)的立體顯示，相比二維的平面顯示更具沉浸感。

1 LED球幕技術(shù)與投影球幕技術(shù)比較

投影球幕顯示系統(tǒng)創(chuàng)建了一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，球幕影院、飛行影院、飛行仿真訓(xùn)練、球幕天象儀等應(yīng)運(yùn)而生，但在應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)了很多問(wèn)題(如透射光束光的干擾、拼接投影區(qū)域光亮度不一致、亮度低、對(duì)比度低、存在散焦等)，嚴(yán)重影響影像的真實(shí)感。LED的主動(dòng)發(fā)光特性彌補(bǔ)了投影球幕二次光學(xué)校正的缺陷，并具有亮度高、能耗低、響應(yīng)快、色域覆蓋高等優(yōu)點(diǎn)，使LED球幕仿真顯示更加具有現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)感、視覺沉浸感和沖擊力，創(chuàng)造出LED顯示應(yīng)用的新領(lǐng)域(如圖1所示)?，F(xiàn)將LED球幕技術(shù)與投影球幕技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，詳見表1。

表1 LED球幕技術(shù)與投影球幕技術(shù)對(duì)比

圖1 LED顯示應(yīng)用領(lǐng)域

2 LED球幕成像方法

LED球幕成像包含結(jié)構(gòu)、電子以及控制系統(tǒng)，其單元板按經(jīng)緯線分割，其像素布局相較平面顯示板，除點(diǎn)間距外，還增加了球幕直徑變量，因此不同直徑、同一點(diǎn)間距，其單元板外形和經(jīng)緯線結(jié)構(gòu)都不同，下文將從成像角度進(jìn)行具體說(shuō)明。

2.1 經(jīng)緯映像圖像

球面經(jīng)緯映像圖像是描述球面的常用方法。這種方法在計(jì)算機(jī)繪制學(xué)中很少應(yīng)用，按照經(jīng)緯度的方法，把單位球面上的點(diǎn)映射到矩形紋理圖像上的點(diǎn)，矩形的垂直坐標(biāo)通過(guò)緯度映射得到，矩形的水平坐標(biāo)通過(guò)經(jīng)度映射得到，其中緯度范圍-90°～90°，經(jīng)度范圍0°～360°，這就是球面經(jīng)緯映射圖像。常見的矩形世界地圖就是經(jīng)緯映射紋理圖像。矩形紋理圖像的垂直坐標(biāo)與水平坐標(biāo)可以在球面極坐標(biāo)中直接使用而無(wú)需進(jìn)行再次轉(zhuǎn)換。矩形的長(zhǎng)寬比例為2∶1，在紋理圖像中，在赤道位置幾乎不含產(chǎn)生拉伸變形，但在水平方向上卻產(chǎn)生了明顯變形，越接近南、北極點(diǎn)，變形就越厲害，幾乎拉伸到圖像的整個(gè)寬度。單位球面上的O點(diǎn)和在經(jīng)緯映射平面上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的關(guān)系如圖2所示。

圖2 單位球面和經(jīng)緯映射平面對(duì)應(yīng)關(guān)系

如果一幅平面視頻源圖像是由X、Y坐標(biāo)構(gòu)成，若保證在LED球幕上實(shí)現(xiàn)時(shí)顯示圖像不變形，就必須將X、Y坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)經(jīng)緯線坐標(biāo)值，其對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值包含一個(gè)直徑變量。

2.2 球面像素布局及圖像還原

按照經(jīng)緯線布置像素，經(jīng)線長(zhǎng)度不變則像素排列相對(duì)容易，沿球面赤道向兩極緯線長(zhǎng)度變化，其像素隨之變化并向兩極逐漸遞減。若像素間距誤差保持在10%以內(nèi)，圖像仍可取得較好的效果。在普通平面LED顯示屏中，像素由像素矩陣組成，像素間距在橫軸方向與縱軸方向的間距相等，使得圖像不變形,完整反映圖像的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。LED顯示屏在進(jìn)行球面組成時(shí)，經(jīng)線和緯線也作對(duì)應(yīng)的弧面變形，因此其像素間距在一定可視范圍內(nèi)允許存在一定的誤差，誤差值一般設(shè)置為像素間距值的10%，該誤差范圍內(nèi)不會(huì)導(dǎo)致圖像出現(xiàn)明顯變形，像素間距值超出誤差值范圍時(shí)，需要減少像素?cái)?shù)量，保證緯線與緯線的像素間距在誤差范圍內(nèi)的相對(duì)均勻性。

由于球面LED顯示屏在經(jīng)線和緯線上弧長(zhǎng)很難保證正整數(shù)，在球面LED顯示屏可視范圍內(nèi)，圖像沿球面曲面自然變形，因此其像素間距值在10%范圍內(nèi)取值而不影響圖像質(zhì)量，在經(jīng)線方向上的像素間距值取值按經(jīng)線弧長(zhǎng)等份分割，直到小于像素間距值為止(如圖3所示)。

圖3 球面LED顯示屏

一幅平面圖像放在球形LED顯示屏中顯示，必然會(huì)在緯線方向上兩極壓縮變形。根據(jù)經(jīng)緯線映射原理，球的像素點(diǎn)極坐標(biāo)對(duì)應(yīng)平面圖像的X、Y坐標(biāo)。在制作LED球形屏視頻源圖像時(shí)，LED進(jìn)行圖像處理，逆向設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的視頻圖像，在LED球形屏上顯示還原的圖像，并做到首尾邊緣圖像的融合，所謂在球形屏靠近兩極不能顯示圖像的說(shuō)法并不存在科學(xué)依據(jù)，常見的矩形世界地圖在LED球形屏上還原就是最好的例證。

3 LED球幕關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

LED球幕應(yīng)用在球幕影院、飛行影院、仿真顯示等領(lǐng)域，本文就仿真領(lǐng)域系統(tǒng)應(yīng)用、LED球幕技術(shù)要求做詳細(xì)說(shuō)明。

3.1 分辨率技術(shù)要點(diǎn)

人眼視覺范圍一旦超過(guò)150°就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)覺，讓人如同身臨其境。因此，飛行模擬視景系統(tǒng)要滿足視場(chǎng)角水平300°(左右±150°)、垂直150°，人眼分辨率要<2′。以7m直徑P1.899內(nèi)球幕LED顯示屏為例，在3.5m球心，單位視場(chǎng)角1°分辨率為32×32點(diǎn)，每個(gè)像素點(diǎn)視場(chǎng)角度為2′，飛行模擬視景系統(tǒng)的最大分辨率要求達(dá)到9 645×4 823。

3.2 聲場(chǎng)環(huán)境要求

設(shè)計(jì)LED球幕離不開聲場(chǎng)環(huán)境設(shè)計(jì)。對(duì)于大型LED球幕(以10m直徑P4內(nèi)球幕為例)，只有解決LED球幕透聲的問(wèn)題才能解決全景聲，并結(jié)合動(dòng)態(tài)圖像和播放聲道形成嶄新混音和定向方式，令觀眾被聲音全方位包圍，播放最接近原創(chuàng)者設(shè)想的效果，為觀眾帶來(lái)強(qiáng)大的全新聆聽體驗(yàn)。圖4所示是P4內(nèi)球幕測(cè)試數(shù)據(jù)，P4板通透率為27%。

圖4 聲場(chǎng)環(huán)境設(shè)計(jì)

透聲衰減5db符合要求，對(duì)中高低頻基本沒(méi)有影響，對(duì)于小直徑的球幕在滿足分辨率的情況下，很難滿足透聲的要求，在滿足全景聲要求情況下，需要對(duì)LED硬件提出更高的要求，以防止音頻共振現(xiàn)象，對(duì)聲場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，包括燈板設(shè)計(jì)、高中低音定位設(shè)計(jì)、裝修方案設(shè)計(jì)。

4 LED球幕控制系統(tǒng)及典型案例

LED球幕控制系統(tǒng)包括圖形工作站生成的信號(hào)源、控制計(jì)算機(jī)、視頻拼接器等，LED球幕顯示屏(圖5)要實(shí)現(xiàn)仿真飛行模擬器通常還需要配備模擬底艙、運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)、音響模擬系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、教員控制臺(tái)等，做到以人為核心的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，相關(guān)各種電信號(hào)經(jīng)輸入接口變換成數(shù)字量信號(hào)后送給計(jì)算機(jī)處理，完成仿真模擬所需要的各種場(chǎng)景體驗(yàn)。

LED球幕典型案例圖示詳見圖6～8。

圖5 本地服務(wù)器

圖6 內(nèi)球幕顯示屏案例圖示

圖7 其他應(yīng)用領(lǐng)域案例圖示

圖8 LED球幕顯示案例圖示

5 結(jié)束語(yǔ)

LED球幕顯示屏開辟了LED應(yīng)用的新領(lǐng)域，其延伸應(yīng)用不可小覷，在LED球形屏幕專利支撐條件下，應(yīng)用到光雕塑、主題公園、展覽展示、電影院、飛行訓(xùn)練等場(chǎng)景。其應(yīng)用技術(shù)除包含本文的聲光電外，還包含計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、結(jié)構(gòu)工程、機(jī)電一體等技術(shù)。

[1] 曹少華. 一個(gè)球幕投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].華中科技大學(xué),2011.