[发明专利]生成和修改3D场景图像的方法

说明书

一种生成和修改3D场景的2D图像的方法，包括以下步骤：处理3D场景的图像以生成代表3D场景和场景中的3D物体的数据点集；从数据集中检索一个或多个数据点；根据一个或多个数学转换函数对一个或多个数据点进行变换，函数选自包括以下函数的组：定义每个数据点的投影轨迹的函数；定义每个数据点的投影表面的几何形状的函数；定义每个数据点的具有会聚点的投影体积的函数；定义每个数据点相对于投影表面上会聚点的投影角度的函数；定义每个数据点与投影表面的大小与距离之比的函数；生成变换的数据点集；投影代表3D场景的修改的2D图像的变换的数据点集；以及在显示器上将投影的变换的数据点集渲染到2D图像中。

本发明针对一种用于生成和修改3D场景的2D图像的方法。更具体地说，该方法提供对场景中物体和空间的布局和分布的控制。

越来越多地使用计算机图形系统生成、存储和修改实际或虚构的3D场景的图像。可使用包括但不限于光学相机、光学相机阵列、基于图像的3D扫描仪、红外扫描仪、摄影测量系统和激光扫描仪的技术来捕获表示真实物理环境的3D数据集。可使用3D建模和设计软件生成代表真实或想象空间的3D数据集。可通过将真实物理空间的测量值与计算机生成的环境相结合来创建代表增强现实或混合现实的3D数据集。一旦表示3D场景的数据被捕获或生成，其通常作为3D坐标集存储在计算机系统中，其中3D坐标具有附加到每个坐标的值，例如颜色、纹理或映射值。为了编辑或查看图像，计算机系统通常通过图形处理单元将该3D数据转换为像素阵列，像素阵列在监视器、投影仪或类似设备上显示。

许多现有软件包提供用于修改图像特征以满足用户需求的工具或机制。例如，典型的3D计算机游戏将为用户提供对其中在显示器上呈现了游戏场景的视野的控制。在这种情况下，可能需要增大视野，以便更多3D场景在显示器中可见。再举一个例子，用户可能希望放大图像的某个部分，以便更清楚地看到其中的信息。

然而，修改三维场景的图像外观的当前方法存在许多问题和局限性。首先，常规的计算机图形系统通常使用线性透视的几何图形将3D点绘制到2D图像。在场景中物体的相对大小以及其与借以成像的虚拟针孔的距离之间，线性透视的几何形状施加了严格定义的关系。简而言之，随着物体深度的减小，物体尺寸会减小。当水平地以不超过约50°的视野观看图像时，这种明显的缩小对于观看者来说可能看起来很自然。但是，随着视野向接近人类双眼视野的180°增大，随着衰退的缩小变得更加极端，在图像边缘物体的明显伸展也变得更加极端。这种极端的广角图像不便于观看，往往会模糊场景中可能会使观看者感兴趣的中央部分，并且通常被认为无法准确表示真实的生活体验。

其他几何方法可用于在图像中渲染三维场景，包括鱼眼、正交、等矩形或其他地图投影以及圆柱投影，所有这些方法当前可在计算机图形引擎中实现。这些方法的一个局限性在于其通常是通过将2D全景图像从立方图的形式变形或重新投影到其他几何投影中而生成的，这涉及将多个透视相机缝合在一起并且计算量很大。这些投影的主要局限性在于，其倾向于对所描绘的物体和空间产生各种极端或不自然的扭曲，并且因此，这些投影在图形引擎或消费者中并未得到广泛采用，因为通常又被认为不能准确给出反映现实生活的经验。

一旦光学地捕获了或计算地生成全景2D图像，专业设计人员就可采用许多常用的后期制作软件工具来任意变形和操纵2D图像，以改善图像布局。例如，电影特殊效果设计者可使用这样的工具来调整移动图像部分的大小，将图像从一个长宽比转换为另一个长宽比，或对视频层产生特殊效果，例如特定的失真或扭曲。在此类系统依赖于操纵捕获或生成的2D图像坐标的情况下，对可应用的调整存在局限性。2D图像中物体的遮挡借由通过捕获图像的相机针孔的线性光线的会聚而确定，这意味着无法显示被插入的物体遮挡的场景的区或场景中的物体部分。因此，因为设计人员无法在不进行昂贵的图像处理的情况下独立地修改所描绘场景中的深度层，所以设计人员在重新格式化或重新定位2D图像或移动图像的范围上受到了限制。