理工论文一种多通道同步显示技术的研究与实现.doc
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2、过添加最大相关等待时间机制对多通道系统进行优化,实现了大屏幕的多通道立体显示系统,给出了一个被动式多通道立体显示系统的硬件解决方案。实验结果表明,本系统在实时性、一致性以及显示效果上都有良好的表现。 关键字:多通道;同步;显示技术 视景系统是驾驶模拟器最重要的组成部分之一,视景系统设计的好坏是评判一个驾驶模拟器系统性能的重要指标之一。为了获得更逼真,更加身临其境的视觉效果,我们将立体显示技术与多通道技术紧密的结合在一起,应用于驾驶模拟器的视景显示系统中。立体显示给了驾驶者真实的深度感,多通道大屏幕投影则从环境的真实大小尺寸上给了驾驶者更真实的现场感受。 1 多通道投影的组成与拼接 多通道三维投
3、影显示系统是一种具有高度沉浸感的视景仿真显示系统,该系统以多通道视景同步技术、数字图像边缘融合、多通道亮度和色彩平衡技术为支撑,将三维图形计算机生成的三维数字图像实时地输出并显示在一个超大幅面的投影幕墙上,使观看者和参与者获得一种身临其境的虚拟仿真视觉感受。一个典型的多通道投影系统主要由图形渲染子系统、融合矫正子系统、投影显示子系统、分布式网络通信子系统等四个部分组成。 OSG中,我们研究的多通道拼接主要分为平板幕拼接和环形幕拼接二大类型。对于平板幕,其对应的投影视锥类型为非对称视锥。对于环形幕,其对应的投影视锥类型为对称视锥。OSG中的Producer:Camera类封装了OpenGL的视点
4、变换、投影变换等功能,通过对该类进行矩阵设置,我们可以得到想要的投影变换。根据两种投影幕拼接的数学模型,在OSG实现多通道拼接的核心代码如下: /ar为投影面宽高比 double ar = m_pCamera->getLensAspectRatio(); /通过视锥水平张角m_DisFovX(由用户给定)得到垂直张角 double vfov = RadiansToDegrees( 2.0 * atan( tan(osg:DegreesToRadians(m_DisFovX*0.5)/ar ) ); /设置视锥 m_pCamera ->setLensPerspective(m_Dis
5、FovX,vfov,1.0,1e6); if (m_bSymmetric) /对称视锥(对应环形幕) double hfov = m_pCamera ->getLensHorizontalFov(); double vfov = m_pCamera ->getLensVerticalFov(); /设置偏移矩阵,m_OverlapX、m_OverlapY为融合区大小 Matrix mat = Matrix:rotate( osg:inDegrees(m_OffsetX*(1-m_OverlapX)*hfov),Y_AXIS) ; mat *=Matrix:rotate( osg:i
6、nDegrees(-m_OffsetY*(1-m_OverlapY)*vfov),X_AXIS); /偏移视锥 m_pCamera ->setOffset(mat.ptr(),0.0,0.0); else /非对称视锥(对应平板幕) /设置偏移量 float xshear = -2.0*m_OffsetX*(1-m_OverlapX); float yshear = -2.0*m_OffsetY*(1-m_OverlapY); /偏移视锥 m_pCamera ->setOffset(osg:Matrix:identity().ptr(),xshear,yshear); 代码中,m_
7、OffsetX 、m_OffsetY分别为沿X、Y轴偏移量,其值由通道所在的位置计算得出。对于水平的三通道来说,不管是平板幕还是环形幕,视锥在Y轴方向的偏移量均为0,而对于一个3×3的九通道来说,其中的某些通道不仅存在X轴方向的偏移,还存在Y轴方向的偏移。 多通道的同步技术 视景同步技术是多通道投影系统的关键技术之一,关系到不同通道的同步显示与多通道显示的画面质量。多通道的同步是本系统分布式通信模块的工作之一,也属于分布式系统仿真同步范畴1。实时性和一致性是衡量DVR系统好坏的重要标准,而因为DVR系统异构性的特点,二者在一定意义上存在着对立和矛盾,在二者之间寻求一个合适的折衷点亦
8、是DVR系统目前研究的热点问题之一。一般DVR系统常用的同步方法有:乐观(Optimistic)算法2和保守(Conservative)算法3两种。 .1 通信协议选择 对于本驾驶模拟器系统,有两种网络通信协议可供选择:UDP(User Datagram Protocol)协议和TCP(Transmission Control Protocol)协议。UDP协议一般使用数据报式SOCKET,是一种是面向无连接的、不可靠的、无序的、无流量控制的传输层协议。TCP协议一般使用流式SOCKET,是一种面向连接的、可靠的、有序的、拥有流量控制的传输层协议。UDP协议的优势在于速度快,占用系统资源少,能
9、满足DVR系统实时性的要求;其缺点在于不可靠性,有可能产生丢包现象,造成显示画面的不连续性。TCP协议优势在于可靠,保障了数据传输的准确性,能满足DVR系统一致性即同步的要求;其缺点在于以增加通信负载为代价换取可靠性,降低了系统的实时性。 对于本驾驶模拟器的多通道显示系统,笔者选用TCP协议,在保证各通道一致性的基础上通过使用最大相关等待时间机制来控制每两帧图像显示的间隔时间,较大程度上提高了系统的实时性。 .2 多通道同步流程设计 系统的同步过程由控制主机和显示从机之间的通信来完成,本驾驶模拟器系统将控制主机也作为显示通道之一,称为Master通道,其它显示从机均为Slave通道。图描述了系
10、统的同步过程。 系统显示场景经历三个阶段:读取数据、渲染场景、显示场景4。一般情况下,计算机在渲染场景所花的时间要比另两个阶段所花的时间加起来还多很多,因此,要达到多个通道的同步显示,重点在对渲染时间的控制把握上。为此,设计了下面的流程算法。 通过对Master端通道等待时间T的控制,避免了因为少数通道某一帧渲染时间过长而导致整个多通道系统显示频率降低的情况出现;而通过超时标记flag的设置又避免了Slave端通道连续两帧无法完成渲染的可能性。这样,在提高了整个多通道系统显示帧速的前提下,虽然可能出现某一帧不连续的现象,但这种情况,人眼视觉几乎感觉不到,因此,不会影响到整个系统的一致性。 .3
11、 多通道通用数据包设计 多通道通信所要传输的数据包括:视点信息、帧数信息、命令信息(开启特效,切换天空背景等)等等,为了方便传输处理这些信息,笔者设计了一个通用数据包结构,在满足通用性的前提下,尽量减少了传输数据的大小。 typedef struct Producer:Matrix m_Matrix;/相机矩阵(包含视点信息) FrameStamp m_FrameStamp;/帧数信息 float m_EyeDistance;/双眼视差 FusionDistanceMode m_FusionDistanceMode;/立体显示模式 float m_FusionDistance;/立体显示参数
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