第五章 大屏幕无缝拼接校准

第5章大屏幕无缝拼接校准

5.1 引言

前三章节分别通过对集群机特点的分析，结合已有集群机实例，提出了极具有针对性的基于PC－cluster分布式并行图形绘制系统，并在此基础上，利用OSG和directshow技术作了浏览模型、观看视频和视频会议等一些应用，并提出两种模式下的同步控制模式，对各个子屏幕显示内容进行同步。本章针对大屏幕拼接中出现的拼接方式，提出了解决方法。并重点分析了几何，颜色亮度校准问题。

5.2 无缝拼接技术

5.2.1简介

多台投影机图像拼接不产生错位和比例失真，采用图像拼接边缘融合技术(soft edge)，消除边缘阴影，使整个屏幕达到一体化全景效果，从而使观测者全身心投入到虚拟世界中。无缝拼接中的边缘融合技术系统是一种特殊的、要求比较高的投影显示应用，它利用几何调整和颜色亮度融合技术，能在大屏幕上生成一个无缝的、颜色亮度均匀的画面。

5.2.2传统解决方式

想要得到超大屏幕和高分辨率，传统的解决办法有几种：

其一，将标准的VGA信号复制成三个输出（通过类似分屏器的转换装置）然后输入三台投影仪，每台投影仪只输出显示其中大约三分之一信息，然后适当叠加拼起来，再消隐。此方案可以在较低投入的基础上实现无缝拼接，但将大大降低分辨率，它的实质是将普通的VGA信号强行拉大，拼接后的分辨率非常低，每行像素只能达到1000点左右。

其二，使用外置的边缘融合机。融合机的功能是将三个屏幕的内容作部分叠加处理并消隐输出。此方案是现在比较多应用的方案，但缺点有二：需要针对每个应用软件做分屏、叠加功能的开发，客户应用非常局限；成本很高，融合机一般价格都以数十万计。

其三，使用软件系统，直接输出经过处理后的输出信号至投影仪。假如由3台投影仪组成，投影仪设置为1024x768输出的话，拼接后每行像素可达3000左右（减去叠加部分像素）。而且，客户的使用不受软件开发的限制，甚至可以不需要开发任何应用软件，使用通用软件就可以了。

5.2.3无缝拼接技术的发展

从拼接效果方面来看，无缝拼接技术发展至今已经历了三个阶段：即硬边拼接、重叠拼接和软边融合拼接。如图5－1所示。

1. 硬边拼接：即两台投影仪的边沿对齐，无重叠部分。硬边拼接有明显分割线(即通常所说的物理拼缝)，显示效果上表现为整幅画面被一道缝分割开。如果投影仪边缘未做亮度增强处理，该接缝显示为黑色；如果投影仪边缘做了亮度增强处理，该接缝显示为白色。无法达到全景一体化，不可能实现真正的深度立体感，虽然属于拼接，但这只是无限趋于无缝的一种拼接形式。

2. 简单重叠：即两台投影仪投出的图像在接合处以叠加的方式重叠，但没有作淡进淡出处理，因此重叠部分的亮度为整幅其余部分的2倍，在显示效果上表现为重叠部分为一亮条带，拼接后的图像没有一体化的感觉，有明显的“拼接”感，虽然这种重叠拼接没有物理拼接缝，但是有光学亮带，不能达到完美的“无缝”效果。

3. 边沿融合：与简单重叠方法相比，左投影仪的右边重叠部分的亮度线性衰减，右投影仪的左边重叠部分的亮度线性增加。在显示效果上表现为整幅画面亮度完全一致，达到真正的无缝拼接效果。

图5－1

无缝拼接技术

（a ）硬边拼接

（b ）简单重叠

（c ）边沿融合

从实现无缝拼接所采用的技术来看，无缝拼接技术的发展经历了纯硬件融合技术、纯软件融合技术和软硬件融合技术三个阶段，实现无缝拼接所用的处理器也由外置融合处理器发展到投影机内置融合处理器。纯硬件融合技术是指通过光学的遮光处理来融合图像，软件融合技术是指通过电子线路处理来完成图像的融合，软硬件融合是指既有光学遮光融合处理，又有电子融合处理。

5.2.4边缘融合无缝拼接技术的主要技术

边缘叠加（edge overlapping），将相邻屏幕的拼接部分作部分的重叠处理，软边融合系统中主要是图像部分必须有一定的重合，俗称为融合带或重叠区，重叠区域尺寸按照实践经验和理论值，一般为10%-25%。根据屏幕大小、屏幕质量、投影机的分辨率等参数，会有所不同。重叠区域宽窄，都可能影响整幅画面的亮度均匀性和色彩一致性，所以，选择合适的重叠区域尺寸非常重要。但仅仅边缘叠加但不做任何处理还存在很多问题，如梯形失真、重叠区域存在重影或不连续画面、颜色亮度不均匀。如图5－2所示。

图5.2 重影与不连续图像，亮度不均

我们可以看到加框区域有重影，并且图像不连续，从整个画面来看，明显中间区域颜色较深，亮度较高。

梯形失真校正原理有两种方法可以实现梯形失真校正，一种方法是通过光学校正，另一种方法是使用非线性失真校正技术来实现梯形失真校正。

几何校正是多投影仪组合显示中的关键问题，在某单元输出的图片是来自于多个显示装置，所以，他们可能在重叠区域并不连续或造成在重叠区的重影。针对平面投影屏幕，曾有文献提出过几何对齐新方法，首先用照相机拍摄一幅圆点模板图像；然后根据透视投影灭点理论，计算平面投影屏幕的特征点坐标；根据三角网格之间的对应关系，计算每个投影仪输出的纹理图像起始位置、大小以及特征点的几何坐标和纹理坐标，最后将特征点网格和纹理图像进行绘制实现多台投影仪组合显示的几何对齐。该方法去除了相机成像平面和投影屏幕平面平行的约束，提高了多投影仪组合显示系统的易配置性。但这种方式对于利用少量投影仪并且要临时建立投影屏幕和投影系统，仍然过于复杂。

非线性失真校正原理：所有的投影仪在设计时都是针对平面的屏幕，当这样的投影仪把图像投射到球幕或球幕这样的弧形屏幕上，图像就会变形失真，这种现象被称之为非线性失真。为了在弧形屏幕上得到正确的图像显示效果，必须对图像进行处理，这种处理被称之为非线性失真校正。

边缘融合技术：由于两台投影仪对重叠区域都有绘制，特别是经过几何校正的图像，在重叠区域的颜色和亮度是同一幅画面其余部分的两倍。采用图像拼接边缘融合技术(soft edge)，消除重叠区域的亮斑，可以使整个屏幕达到一体化全景效果。

5.3 本文的大屏幕拼接校正策略

5.3.1简介

我们使用边缘融合技术，首先让相邻屏幕的拼接部分作部分的重叠处理，计算出重叠区域的范围，接着对重合区域作几何校正，用第一次映射得到的3D物体的渲染结果，按照显示屏幕上的点与象素值的对应关系做第二次映射，使得重叠区域不存在重影。最后对融合区作颜色和亮度的调节，使得整个画面平滑过渡。

5.3.2平面屏幕

5.3.2.1边缘重叠

为了使大屏幕看上去无缝，我们必须对图像做重叠。首先对投影屏幕作梯形校正，并使部分边缘重叠。我们可以计算得出其最后的分辨率大小，在平面屏幕上，例如所用的单个投影屏幕是1024×768的，重叠区中是256×768个象素，占有单屏的25％，所以最终的图像宽度为2×1024－256＝1792个象素。整个屏幕的分辨率为1792×768。使用这种方式还可以扩展屏幕个数。

如图5－3所示，为了做梯形校正和精确计算重叠区域面积，可以在屏幕上均匀画网格做校准并计算。

图5－3边缘重叠