LED球幕视频显示应用探讨

夏志清 / 胡少敏

(深圳市雷曼光电科技股份有限公司， 广东 深圳 518000)

0 引言

投影球幕是指使用一台或者多台投影机，在球形屏幕上投影出完整连续的画面。球幕可以表现出高分辨率、大视角范围的显示效果，水平视角可以达到360°,垂直视角可以达到200°以上。根据视觉的相关理论知识，人的视觉范围超过150°，就会产生身临其境般的错觉，球幕投影的沉浸效果非常强烈，可以使观众感受到强烈的视觉震撼和身临其境的感觉。

投影球幕应用到仿真显示系统中，需要解决图像仿真边缘融合、色彩校正、亮度校正等问题。系统有两种运行模式(三维仿真模式、视频播放模式)，多台工作站分布式输出多路原始图像信号，经过华图CG仿真融合机的球幕3D校正，结合屏幕参数和观众视域参数，使三维仿真系统的输出画面符合真实空间关系，可以满足模拟飞行训练等应用。所用的视频源三维物体影像投影到二维屏幕中，景深部分信息还原扩展为被动的立体显示，相比二维的平面显示更具沉浸感。

1 LED球幕技术与投影球幕技术比较

投影球幕显示系统创建了一个虚拟现实领域，球幕影院、飞行影院、飞行仿真训练、球幕天象仪等应运而生，但在应用中也发现了很多问题(如透射光束光的干扰、拼接投影区域光亮度不一致、亮度低、对比度低、存在散焦等)，严重影响影像的真实感。LED的主动发光特性弥补了投影球幕二次光学校正的缺陷，并具有亮度高、能耗低、响应快、色域覆盖高等优点，使LED球幕仿真显示更加具有现场真实感、视觉沉浸感和冲击力，创造出LED显示应用的新领域(如图1所示)。现将LED球幕技术与投影球幕技术进行对比分析，详见表1。

表1 LED球幕技术与投影球幕技术对比

图1 LED显示应用领域

2 LED球幕成像方法

LED球幕成像包含结构、电子以及控制系统，其单元板按经纬线分割，其像素布局相较平面显示板，除点间距外，还增加了球幕直径变量，因此不同直径、同一点间距，其单元板外形和经纬线结构都不同，下文将从成像角度进行具体说明。

2.1 经纬映像图像

球面经纬映像图像是描述球面的常用方法。这种方法在计算机绘制学中很少应用，按照经纬度的方法，把单位球面上的点映射到矩形纹理图像上的点，矩形的垂直坐标通过纬度映射得到，矩形的水平坐标通过经度映射得到，其中纬度范围-90°～90°，经度范围0°～360°，这就是球面经纬映射图像。常见的矩形世界地图就是经纬映射纹理图像。矩形纹理图像的垂直坐标与水平坐标可以在球面极坐标中直接使用而无需进行再次转换。矩形的长宽比例为2∶1，在纹理图像中，在赤道位置几乎不含产生拉伸变形，但在水平方向上却产生了明显变形，越接近南、北极点，变形就越厉害，几乎拉伸到图像的整个宽度。单位球面上的O点和在经纬映射平面上的对应点的关系如图2所示。

图2 单位球面和经纬映射平面对应关系

如果一幅平面视频源图像是由X、Y坐标构成，若保证在LED球幕上实现时显示图像不变形，就必须将X、Y坐标转换成对应经纬线坐标值，其对应的坐标值包含一个直径变量。

2.2 球面像素布局及图像还原

按照经纬线布置像素，经线长度不变则像素排列相对容易，沿球面赤道向两极纬线长度变化，其像素随之变化并向两极逐渐递减。若像素间距误差保持在10%以内，图像仍可取得较好的效果。在普通平面LED显示屏中，像素由像素矩阵组成，像素间距在横轴方向与纵轴方向的间距相等，使得图像不变形,完整反映图像的一一对应关系。LED显示屏在进行球面组成时，经线和纬线也作对应的弧面变形，因此其像素间距在一定可视范围内允许存在一定的误差，误差值一般设置为像素间距值的10%，该误差范围内不会导致图像出现明显变形，像素间距值超出误差值范围时，需要减少像素数量，保证纬线与纬线的像素间距在误差范围内的相对均匀性。

由于球面LED显示屏在经线和纬线上弧长很难保证正整数，在球面LED显示屏可视范围内，图像沿球面曲面自然变形，因此其像素间距值在10%范围内取值而不影响图像质量，在经线方向上的像素间距值取值按经线弧长等份分割，直到小于像素间距值为止(如图3所示)。

图3 球面LED显示屏

一幅平面图像放在球形LED显示屏中显示，必然会在纬线方向上两极压缩变形。根据经纬线映射原理，球的像素点极坐标对应平面图像的X、Y坐标。在制作LED球形屏视频源图像时，LED进行图像处理，逆向设计对应的视频图像，在LED球形屏上显示还原的图像，并做到首尾边缘图像的融合，所谓在球形屏靠近两极不能显示图像的说法并不存在科学依据，常见的矩形世界地图在LED球形屏上还原就是最好的例证。

3 LED球幕关键技术指标

LED球幕应用在球幕影院、飞行影院、仿真显示等领域，本文就仿真领域系统应用、LED球幕技术要求做详细说明。

3.1 分辨率技术要点

人眼视觉范围一旦超过150°就会产生错觉，让人如同身临其境。因此，飞行模拟视景系统要满足视场角水平300°(左右±150°)、垂直150°，人眼分辨率要<2′。以7m直径P1.899内球幕LED显示屏为例，在3.5m球心，单位视场角1°分辨率为32×32点，每个像素点视场角度为2′，飞行模拟视景系统的最大分辨率要求达到9 645×4 823。

3.2 声场环境要求

设计LED球幕离不开声场环境设计。对于大型LED球幕(以10m直径P4内球幕为例)，只有解决LED球幕透声的问题才能解决全景声，并结合动态图像和播放声道形成崭新混音和定向方式，令观众被声音全方位包围，播放最接近原创者设想的效果，为观众带来强大的全新聆听体验。图4所示是P4内球幕测试数据，P4板通透率为27%。

图4 声场环境设计

透声衰减5db符合要求，对中高低频基本没有影响，对于小直径的球幕在满足分辨率的情况下，很难满足透声的要求，在满足全景声要求情况下，需要对LED硬件提出更高的要求，以防止音频共振现象，对声场环境进行重新设计，包括灯板设计、高中低音定位设计、装修方案设计。

4 LED球幕控制系统及典型案例

LED球幕控制系统包括图形工作站生成的信号源、控制计算机、视频拼接器等，LED球幕显示屏(图5)要实现仿真飞行模拟器通常还需要配备模拟底舱、运动仿真系统、音响模拟系统、计算机系统、教员控制台等，做到以人为核心的实时仿真系统，相关各种电信号经输入接口变换成数字量信号后送给计算机处理，完成仿真模拟所需要的各种场景体验。

LED球幕典型案例图示详见图6～8。

图5 本地服务器

图6 内球幕显示屏案例图示

图7 其他应用领域案例图示

图8 LED球幕显示案例图示

5 结束语

LED球幕显示屏开辟了LED应用的新领域，其延伸应用不可小觑，在LED球形屏幕专利支撑条件下，应用到光雕塑、主题公园、展览展示、电影院、飞行训练等场景。其应用技术除包含本文的声光电外，还包含计算机图形学、结构工程、机电一体等技术。

[1] 曹少华. 一个球幕投影系统的设计与实现[D].华中科技大学,2011.