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或者多臺投影機，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，水平視角可以達到360°,垂直視角可以達到200°以上。根據(jù)視覺的相關理論知識，人的視覺范圍超過150°，就會產(chǎn)生身臨其境般的錯覺，球幕投影的沉浸效果非常強烈，可以使觀眾感受到強烈的視覺震撼和身臨其境的感覺。

投影球幕應用到仿真顯示系統(tǒng)中，需要解決圖像仿真邊緣融合、色彩校正、亮度校正等問題。系統(tǒng)有兩種運行模式(三維仿真模式、視頻播放模式)，多臺工作站分布式輸出多路原始圖像信號，經(jīng)過華圖CG仿真融合機的球幕3D校正，結合屏幕參數(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空間關系，可以滿足模擬飛行訓練等應用。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展為被動的立體顯示，相比二維的平面顯示更具沉浸感。

1 LED球幕技術與投影球幕技術比較

投影球幕顯示系統(tǒng)創(chuàng)建了一個虛擬現(xiàn)實領域，球幕影院、飛行影院、飛行仿真訓練、球幕天象儀等應運而生，但在應用中也發(fā)現(xiàn)了很多問題(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、對比度低、存在散焦等)，嚴重影響影像的真實感。LED的主動發(fā)光特性彌補了投影球幕二次光學校正的缺陷，并具有亮度高、能耗低、響應快、色域覆蓋高等優(yōu)點，使LED球幕仿真顯示更加具有現(xiàn)場真實感、視覺沉浸感和沖擊力，創(chuàng)造出LED顯示應用的新領域(如圖1所示)?，F(xiàn)將LED球幕技術與投影球幕技術進行對比分析，詳見表1。

表1 LED球幕技術與投影球幕技術對比

圖1 LED顯示應用領域

2 LED球幕成像方法

LED球幕成像包含結構、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，除點間距外，還增加了球幕直徑變量，因此不同直徑、同一點間距，其單元板外形和經(jīng)緯線結構都不同，下文將從成像角度進行具體說明。

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。這種方法在計算機繪制學中很少應用，按照經(jīng)緯度的方法，把單位球面上的點映射到矩形紋理圖像上的點，矩形的垂直坐標通過緯度映射得到，矩形的水平坐標通過經(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與水平坐標可以在球面極坐標中直接使用而無需進行再次轉換。矩形的長寬比例為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，變形就越厲害，幾乎拉伸到圖像的整個寬度。單位球面上的O點和在經(jīng)緯映射平面上的對應點的關系如圖2所示。

圖2 單位球面和經(jīng)緯映射平面對應關系

如果一幅平面視頻源圖像是由X、Y坐標構成，若保證在LED球幕上實現(xiàn)時顯示圖像不變形，就必須將X、Y坐標轉換成對應經(jīng)緯線坐標值，其對應的坐標值包含一個直徑變量。

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)線長度不變則像素排列相對容易，沿球面赤道向兩極緯線長度變化，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應關系。LED顯示屏在進行球面組成時，經(jīng)線和緯線也作對應的弧面變形，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，誤差值一般設置為像素間距值的10%，該誤差范圍內(nèi)不會導致圖像出現(xiàn)明顯變形，像素間距值超出誤差值范圍時，需要減少像素數(shù)量，保證緯線與緯線的像素間距在誤差范圍內(nèi)的相對均勻性。

由于球面LED顯示屏在經(jīng)線和緯線上弧長很難保證正整數(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量，在經(jīng)線方向上的像素間距值取值按經(jīng)線弧長等份分割，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，球的像素點極坐標對應平面圖像的X、Y坐標。在制作LED球形屏視頻源圖像時，LED進行圖像處理，逆向設計對應的視頻圖像，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法并不存在科學依據(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球幕關鍵技術指標

LED球幕應用在球幕影院、飛行影院、仿真顯示等領域，本文就仿真領域系統(tǒng)應用、LED球幕技術要求做詳細說明。

3.1 分辨率技術要點

人眼視覺范圍一旦超過150°就會產(chǎn)生錯覺，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，單位視場角1°分辨率為32×32點，每個像素點視場角度為2′，飛行模擬視景系統(tǒng)的最大分辨率要求達到9 645×4 823。

3.2 聲場環(huán)境要求

設計LED球幕離不開聲場環(huán)境設計。對于大型LED球幕(以10m直徑P4內(nèi)球幕為例)，只有解決LED球幕透聲的問題才能解決全景聲，并結合動態(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)者設想的效果，為觀眾帶來強大的全新聆聽體驗。圖4所示是P4內(nèi)球幕測試數(shù)據(jù)，P4板通透率為27%。

圖4 聲場環(huán)境設計

透聲衰減5db符合要求，對中高低頻基本沒有影響，對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LED硬件提出更高的要求，以防止音頻共振現(xiàn)象，對聲場環(huán)境進行重新設計，包括燈板設計、高中低音定位設計、裝修方案設計。

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源、控制計算機、視頻拼接器等，LED球幕顯示屏(圖5)要實現(xiàn)仿真飛行模擬器通常還需要配備模擬底艙、運動仿真系統(tǒng)、音響模擬系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、教員控制臺等，做到以人為核心的實時仿真系統(tǒng)，相關各種電信號經(jīng)輸入接口變換成數(shù)字量信號后送給計算機處理，完成仿真模擬所需要的各種場景體驗。

LED球幕典型案例圖示詳見圖6～8。

圖5 本地服務器

圖6 內(nèi)球幕顯示屏案例圖示

圖7 其他應用領域案例圖示

圖8 LED球幕顯示案例圖示

5 結束語

LED球幕顯示屏開辟了LED應用的新領域，其延伸應用不可小覷，在LED球形屏幕專利支撐條件下，應用到光雕塑、主題公園、展覽展示、電影院、飛行訓練等場景。其應用技術除包含本文的聲光電外，還包含計算機圖形學、結構工程、機電一體等技術。

[1] 曹少華. 一個球幕投影系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].華中科技大學,2011.