多通道投影系统在三维城市地质成果演示中的应用

杨振涛

（上海市地质调查研究院，上海 200072）

多通道投影系统在三维城市地质成果演示中的应用

杨振涛

（上海市地质调查研究院，上海 200072）

为了能将上海三维地质成果更好的展示，根据演示厅实际情况，上海地质调查研究院采用了三通道投影系统，在环屏幕上高分辨率地展示三维地质成果，实现了大场景的平面演示和虚拟三维投影之间的切换。

多通道投影系统三维地质非线性失真被动立体显示技术

0 前言

多通道环幕（立体）投影系统是虚拟三维投影显示系统中一种沉浸式虚拟仿真显示，系统采用环形的投影屏幕作为仿真应用的投射载体，所以通常又称为环幕投影系统。它比普通的标准投影系统具备更大的显示尺寸、更多的显示内容和更高的显示分辨率，以及更好的立体视觉效果。该系统大量应用于科研、工业设计、教育培训、会议、项目决策等。近年来，随着计算机硬件技术的进步，普通PC在图形和计算能力上都有了极大的提高，以PC驱动的多通道沉浸式虚拟现实系统已经成为了可能。这种系统必须由多台高性能PC构成的分布式集群来驱动。一套这样的系统在硬件上需要若干台高性能的PC图形工作站，配以专业图形加速卡，100/1000Mbps的以太网卡及专业的显示同步卡（G-SYNC）。该系统成本低，易于维护和使用，可扩展性好[1]。

1 方法原理

投影机设计时都是针对平面的投影屏幕，投射出的画面是矩形的（通常为4：3或16：9），而当这样的投影仪把图像投射到环形屏幕上，图像就会变成失真变形，因为环形幕布上的每个点到每台投影机的距离是不等的，会导致每台投影机投射到环形幕布上的影像画面出现变形失真，这种现象被称之为非线性失真。为了在弧形屏幕或球面屏幕上得到正确的图像显示，就必须对生成后的实时图像进行处理，这种处理被称之为非线性失真校正。所以对于多通道柱面投影系统而言，解决图像非线性失真是其关键问题。有两种方法可以实现非线性失真校正：一种是通过光学校正，即通过具有独特变形矫正功能的特定投影机来完成，但该投资巨大；另一种是使用计算机非线性失真校正技术来实现，基于软件结合人工交互调整的校正方法，校正精度高，可达到单个像素级的无缝拼接[2]，并且具有较好的性能价格比，本系统采用了该技术。

立体成像原理是利用人左右眼有4～6cm 的距离，我们看物体时两只眼睛中的图像是有差别的，当两幅不同的图像输送到大脑后，就形成了有景深的图像。这就是计算机和投影系统的立体成像原理。依据这个原理，本系统采用被动立体显示技术，即计算机先将图像输出到立体发生器，再分别连接到两台专业的投影机，其中一台专门投射左眼信号，另一台专门投射右眼信号。当人使用偏振立体眼镜观看时，左镜片透过正极化的图像，右镜片透过反极化的图像，即左右眼看到两幅不同的图像，经大脑处理后，就形成了有景深的立体图像，给人以身临其境的感觉。

2 实例分析

上海地质调查研究院虚拟三维仿真系统是一项多功能系统，它实现了三通道平面投影，以满足日常会议和展示需要，并能方便地切换到三维仿真投影方式下，展示最新的三维地质成果，系统分布如图1。系统结构主要包括图形与计算系统和投影系统。

图1 三通道投影系统分布图

该系统采用3台HP Workstation XW8600 PC图形工作站运行三维仿真场景，每台图形工作站输出一个图形通道，代替了以往仿真系统中须采用SGI公司的ONYX系列超级图形工作站的要求，并且性能接近高端系统的图形工作站性能。演示平面数据时，用一台普通高性能PC，采用Matrox PJ40LA三通道显卡，既节省了经费，又提高了单台系统的效能。

平面演示时，信号直接由平面演示PC发送信号到视频矩阵。三维仿真演示时，信号由三台图形工作站输出，经立体发生器转换为左右眼立体信号；然后进入视频矩阵，经视频矩阵将信号分配给融合机；融合机将融合好的信号再分别传给6台投影机。本系统采用了POWER WALL的投影显示方式，采用欧洲ProjectionDesign的投影机亮度达：3500流明，标准分辨率1400×1050，对比度2500：1；系统融合设备选用英国Equipe公司的ProMapAV融合计算机，其几何数字校正边缘融合系统采用先进的数字滤镜技术，在两幅图象的重叠区域，一台投影机的图象采用淡出的方法，另一台投影机的图象采用淡入的方法，这样就形成了一个融合区域。使用数字技术后，每台投影机的校正比例经过精确计算，并采用独立的数字遮蔽技术对各个投影机之间色差进行补偿，使融合区达到无缝融合的效果；全数字非线形几何校正，采用人工交互调整方法，精确地解决了非线性失真，本系统中取得了比较好的融合效果。

如图1，信号由融合机处理后，分别发送给投影机，投影机为三组，每组上下一台投影机，每组投影机对应一组通道。本系统在三维仿真演示时，每组下面的投影机投射左眼信号（即1、2、3投影机），上面的投影机投射右眼信号（4、5、6投影机）。

为了解决平面演示亮度不足的问题，本系统采用了每组投影机的上下投影冗余叠加技术，使每组上下投影机投出的图像在屏幕上完全重合，以提高亮度。我们使用了ProMapAV融合计算机中融软件ProMap TM Composer, 使用WYSIWYG编辑环境，对图像变形进行校正，边缘混合和热点补偿，以达到上下投影机图像完全重合（如图2）。

图2 融合机ProMap TM Composer 融合软件

系统使用软件对视频矩阵的输入和输出进行控制，实现了平面投影和三维立体投影之间的自由切换。

3 结束语

多通道投影系统作为基于PC网络在展示上海城市三维地质成果上取得了良好的效果，是一种经济实用的演示方式。但其中存在设备仪器较多、维护困难等缺点。

[1] 王 蒙，夏 青.基于pc网络的多通道视景仿真技术.测绘科学技术学报，2005.

[2] 王晓北，赵 罡.多通道投影系统无缝拼接的实现.机械工程与自动化 2008.6.

[3] 潘志庚，林柏纬，唐 冰等.多投影面陈浸式虚拟环境及其应用.

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 开