[发明专利]虚拟三维场景的球面斐波那契像素点阵全景画面渲染与显示方法

说明书

本发明公开一种虚拟三维场景的球面斐波那契像素点阵全景画面渲染与显示方法。本方法把虚拟全景相机的成像面上的像素阵列表示成球面斐波那契像素点阵，并利用光线跟踪技术渲染全景画面。全景画面的像素点在全景视域球表面上均匀分布，可以保证全景画面所有区域的像素空间分布密度相同，进而使全景画面所有区域具有相同的清晰度。本方法能够正常地把所生成的全景画面的局部区域显示到显示设备上。

技术领域

本发明属于虚拟三维场景画面渲染与显示技术领域，涉及一种虚拟三维场景的球面斐波那契像素点阵全景画面渲染与显示方法。

背景技术

随着虚拟现实技术的不断发展，人们对全景视频的需求越来越强烈。制作全景视频的关键是生成其中的每帧全景画面。全景画面包含360×180°视场范围的场景视觉信息。Vladyslav Zakharchenko等人2016年发表在SPIE会议论文集第9970卷的论文《QualityMetric for Spherical Panoramic Video》对全景画面作了详细介绍。全景画面既可以通过用全景相机拍摄真实场景生成，也可以利用计算机图形学技术渲染虚拟三维场景生成。当前的全景相机通常采用多相机拼接方法，把朝不同方向拍摄得到的局部视角画面缝合成全景画面。在利用计算机图形学技术渲染生成虚拟三维场景全景画面时，可以借用生成环境立方图的思想，通过生成环境立方图来产生全景画面。Tomas Akenine-等人撰写的由A K Peters公司出版的《Real-Time Rendering,3rd Edition》对环境立方图的生成作了介绍。全景画面本质上呈现的是三维场景投影到全景视域球上的视觉信息。从这个角度说，全景画面的像素最好在全景视域球上均匀分布，以便使全景视域球上所有区域的像素点密度相同，从而保证全景画面的所有区域具有相同的清晰度和画质。然而，使用现有的立方图思想生成的全景画面的像素在全景视域球上并非均匀分布。2010年发表在期刊Mathematical Geosciences的第42卷第1期的论文《Measurement of areas on a sphereusing Fibonacci and latitude-longitude lattices》介绍了球面斐波那契网格点阵，其可以看作是在球面上均匀分布的点阵。如图1所示，要在半径为1的球面上生成包含N个点的斐波那契网格点阵，可以按如下方式计算第n个点的坐标(x_n,y_n,z_n)：

式中，

首先在全景视域球上产生包含N个点的球面斐波那契网格点阵，把球面斐波那契网格点阵的每个点当作全景画面的一个像素，再利用计算机图形学技术获得每个像素的颜色值，就可以渲染出各个区域具有相同清晰度的全景画面。由于球面斐波那契网格点阵并非二维规则矩形点阵，因此不宜用矩阵来保存球面斐波那契像素点阵全景画面。全景画面最终需要显示给人观看，人在观看全景画面时，在特定时刻只能观看到全景画面的一部分，也就是说特定时刻在显示设备上只需显示全景画面的一个局部区域。另外，当前显示设备的像素点阵通常为二维矩形点阵。要在显示设备上观看球面斐波那契像素点阵全景画面的一个局部区域，需要设计专门的方法来根据球面斐波那契像素点阵图像计算出特定画面区域的二维矩形像素点阵图像，以便在显示设备上显示。

尽管真实的全景相机通常由多个相机拼接而成，在利用计算机图形学技术渲染虚拟三维场景以生成全景画面时，可以定义虚拟全景相机。虚拟全景相机的成像面是一个半径为 1的球面(就是全景视域球面，即图1所示的球面)。虚拟全景相机可以用成像球面的球心位置和北极方向两个参数来描述。虚拟全景相机视点位置就是该球心位置，虚拟全景相机拍摄时的向上方向就是该北极方向。如图1所示，成像球面的球心位置在局部坐标系x-y-z 的原点o处，成像球面的北极方向为z轴方向。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种虚拟三维场景的球面斐波那契像素点阵全景画面渲染与显示方法，实现虚拟三维场景的全景画面的渲染，并在显示器上显示全景画面的局部区域。