[发明专利]全景图象式虚拟现实播放系统和方法

说明书

                      技术领域

本发明涉及一可在图像式虚拟现实中以高速度利用电脑产生各种不同视角的图像的方法及装置。

                      背景技术

在一般图形式虚拟现实的应用中，利用电脑快速绘出高品质的图形和图像技术是非常重要的，因为在图形式虚拟现实中，使用者可以毫无限制地漫游于其中，为了达到此目的，电脑必须以极快的速度来执行三维空间中的物体坐标与屏幕二维坐标间的几何转换，才可以达到使用者所需要的互动性。因此，一般而言，虚拟现实的应用通常需要利用计算能力极强的高速图形处理器，才可有令人满意的效果。然而，高性能的处理器因价格较高，使用者未必都愿意付出此代价。因此，为了迁就于低价位个人电脑的性能限制，虚拟现实的设计者不得不将其所设计的虚拟现实限制于较低复杂度的规模，如此也就导致了虚拟现实的真实度降低，而使使用者对其品质不满意。

鉴于以上所述的原因，有些研究人员提出了另外一种方式来构建虚拟现实，用这种方式所构建的虚拟现实可降低对处理器性能的需求，我们称用此方式所要构建的虚拟现实为“图像式虚拟现实”。在图像式(image-based)虚拟现实的构建中，主要是将几张由照相机所拍出的照片由图像扫描器输入电脑成为数字图像(或以数字照相机直接拍摄)，然后以人工方式或电脑软件经过图像处理，将这些数字图像接合成为一个全景图像(panoramic image)。有了此一全景图像之后，接着就将此全景图像贴到一个简单的几何形状(例如立方体、圆柱或球体)表面上，于是该几何形状表面上的图像就构成一个虚拟现实的环境图(Environment Map)。使用者要浏览此图像式虚拟现实时，就将观测位置设于该几何形状的几何中心，然后就可利用该环境图上的像素(Pixel)值，来合成不同视角的图像并展现给使用者观看。有关于此的相关技术的说明可参看《IEEE(电气与电子工程师学会)计算机图形和应用》1996年11月第6卷笫11号的第21-29页由Greene所写的文章《环境图和万物投影的其它应用》(“Environment Mapping andOther Application of World Projections”)以及《(信号图形进程》95版(SIGGRAPH′95 Proceeding)1995年的第29-38页由S.E.Chen所写的文章《真实环境导航的快速VR-图像式方法》(“QuickTime VR-An Image-Based Approach to Virtual Environment Navigation”)。在这两篇文章中分别以在立方体和圆柱上的图像举出了作为环境图的例子。

基本来讲，要从虚拟现实的环境图上合成不同视角的图像，就必须根据此视角经过几何坐标的转换，将此几何形状上的三维坐标投射至二维的视平面(即电脑屏幕)坐标上。与一般虚拟现实最大的不同之处是，图像式虚拟现实的几何转换相当简单，而且也与虚拟现实中各种物体的复杂度无关。唯一影响图像式虚拟现实的复杂度的是所使用的几何形状及其视平面(view plane)大小。只要形状及视平面大小固定，不管虚拟现实多复杂，所需的计算量都是固定的。此外，图像式虚拟现实所呈现出来的图像完全与实景相同，并非人工设计的三维图形物体，因此可得到更高的逼真度和自然度。

在相关技术的专利中，美国专利第5,359,363号、第5,384,588号、第5,313,306号以及第5,185,667号，都是用球体作为环境图的几何形状。球状环境图的最大好处是使用者可在虚拟现实中得到全方位的视角方向，不像圆柱只有在水平方向的全方位视角而在垂直方向则受限于圆柱的高度。也不像立方体的环境图，在棱线部分会产生图像的扭曲。不过，球状环境图有一个最大的问题是环境图的制作相当困难，尤其在照片的拍摄上相当不易，目前大多是采用特殊的鱼眼镜头来拍摄较为方便可行，但是此种镜头价位不低，这不符合一般使用者的经济原则。

虽然全方位的视角是一个优点，然而，此优点通常只在一些特殊的应用中才会有需求，例如想制作一个很值得看的天花板的图像式虚拟现实，在大部分的图像虚拟现实应用中，使用者不必去浏览正上方的景物。因此，目前大部分的图像式虚拟现实应用中用圆柱环境图即可满足需求。美国专利第5,396,583号专利即是以圆柱环境图作为图像式虚拟现实的基础的技术，本发明所公开的方法及装置也是以圆柱环境图作为图像式虚拟现实的基础。