專利名稱：仿真現場的曲面投影幾何校正方法
技術領域：
本發明涉及一種圖像顯示領域的圖像變換方法，特別是涉及一種曲面投影系統中的圖像幾何矯正方法。
背景技術：
在飛行模擬訓練、作戰指揮、高級娛樂等應用中，逼真的大視場視景是創建沉浸感的主要手段之一，圖像通過投影儀在平面或曲面投影屏上形成觀察者所感知的整體圖像。由于投影儀位置與觀察者視點位置有較大差異，投影屏幕往往是柱幕或球形幕，普通畫面直接用于投影，在平面或曲面屏幕上的圖像會扭曲變形。因此，為適應每一個特定投影系統的實際布局和配置情況，必須對源圖像進行幾何矯正，才能在屏幕上形成對眼點不失真的幾何透視效果。
目前，有幾種投影設備，實現了一定條件下的曲面的方法，幾何矯正誤差大，經常出現折線。至今尚未發現一種便捷的且廣泛適用于各種曲面形狀(包括平面、柱面、球面等)的、不同角度投影的、圖像轉換所需的幾何矯正方法。
有鑒于上述現狀，本設計人基于豐富的實務經驗及專業知識，積極加以研究創新，經過不斷的研究、設計，并經反復試作樣品及改進后，終于創設出確具實用價值的本發明。
發明內容
本發明所要解決的主要技術問題在于，提供一種仿真現場進行幾何矯正的圖像變換或處理的方法，利用此方法，根據投影系統的現場布局，對源圖像進行幾何矯正變換，得到可供投影儀直接使用的、在任意形狀(包括平面、柱面、球面等)的屏幕上形成對觀察者眼點投影視覺效果正確的目標圖像。
本發明解決其主要技術問題是采用以下技術方案來實現的。依據本發明提出的仿真現場的曲面投影幾何校正方法是利用計算機三維圖形技術創建虛擬屏幕，仿真實際現場環境中眼點和投影儀和顯示屏幕之間的幾何關系，實現系統布局的數學模型；對于目標圖像中的任何一個像素，設其在投影儀視角錐體中的直線，延長至虛擬屏幕上形成一個投影點，通過求取該投影點在眼點視覺錐體中所在直線的方位，得到該投影點在源圖像中的本源位置；目標圖像的所有像素的色彩值都用以其對應的源圖像中的本源位置為參照，通過鄰近采樣法求得。將所有目標圖像像素與源圖像像素的影射關系構成圖像變換參數表；利用圖像變換參數表實時完成動態圖像的曲面投影幾何校正；具體采用以下步驟步驟1.創建虛擬屏幕，仿真現場環境，對顯示屏幕、眼點、投影儀之間的幾何關系進行設定，據此確立作為圖像變換的幾何關系基礎；步驟2.遍歷目標圖像所有像素，依次對所有單個目標圖像像素生成該像素所對應的以源圖像中本源位置為參照的、多個相關源圖像像素索引值組和權重值組，構成圖像變換參數表；步驟3.利用圖像變換參數表，進行曲面投影幾何矯正變換，計算出目標圖像的各像素色彩值。
本發明解決其技術問題還可以采用以下技術措施來進一步實現。
前述的仿真現場的曲面投影幾何校正方法，其中步驟1所述的創建虛擬屏幕是利用至少一個多邊形網格或面片組成與實際現場成比例的仿真虛擬曲面屏幕；仿真現場環境，對顯示屏幕、眼點、投影儀之間的幾何關系進行設定，包含5個分步驟(1)利用至少一個多邊形網格或面片組成與實際現場成比例的仿真虛擬曲面屏幕；(2)根據確定顯示屏幕的位置和所要求的畫面顯示區域，從而設定顯示屏幕的顯示區域參數；(3)根據確定的眼點位置，設定眼點視錐的方向參數、大小參數、縱橫比參數；(4)根據已知的投影儀位置和狀態，從而設定投影儀的位置參數、視錐方向參數、大小參數、縱橫比參數；(5)生成從投影儀坐標系到世界坐標系、世界坐標系到眼點坐標系的坐標轉換矩陣，分別為Mpw和Mwo。
前述的仿真現場的曲面投影幾何校正方法，其中步驟2所述的對單個目標圖像像素生成該像素所對應的以源圖像中本源位置為參照的、多個相關像素索引值和權重值，包含6個分步驟(1)在投影儀坐標系，過投影視錐任意選取這樣一個參考平面，使與投影儀投影方向垂直；(2)對于歸一化坐標為(U，V)給定目標圖像上一個像素點，依其在投影儀視錐中的位置確定其在參考平面上的位置，記為P1；(3)計算P1’＝P1MpwMwo；P0’＝P0Mwo；將投影儀坐標系中的點P1、投影儀在世界坐標系中的位置P0變換到眼點坐標系下的P1’、P0’；(4)連接P0’和P1’構成矢量線段，與虛擬屏幕某三角形兩邊的線段矢量組成聯立線性方程組，解算此方程組可以判定三角形面片是否與連接P0’和P1’所構成的矢量線段相交。另外，采用二分法或其他已知方法也可以判斷出三角形面片是否與連接P0’和P1’所構成的矢量線段相交。遍歷虛擬屏幕各多邊形網格或面片，確定P0’和P1’的連線與虛擬曲面的相交點，記此交點為P2’；(5)根據P2’在眼點視錐中的方位確定其對應在源圖像上的本源位置(u，v)，u，v為源圖像中的歸一化位置參數，通過鄰近采樣法計算，形成目標圖像各像素對應的多個源圖像像素的索引值組和權重值組；(6)遍歷目標圖像的所有像素，綜合前述的全部索引值組和權重值組，構成實現幾何矯正的圖像變換參數表。
前述的仿真現場的曲面投影幾何校正方法，其中步驟3所述的曲面投影幾何矯正變換，是利用圖像變換參數表中的參數進行插值計算實現的。單個目標像素的色彩值C＝c1*s1+c2*s2+……+cn*sn其中，c1、c2、……、cn為參數表中索引到的源圖像相關像素色彩值，s1、s2、……、sn為相關權重。
本發明具有明顯的優點和有益效果。由以上技術方案可知，本發明可以根據具體投影系統現場布局，對計算機或其他方式產生的觀察者視點的圖像進行幾何矯正變換，生成可以直接被投影儀用于投影在包括平面、柱面、球面等的任意形狀曲面上的、形成對于眼點透視正確的圖像。此方法將源圖像與目標圖像之間的復雜的空間變換關系，生成為圖像變換參數表，從而可以通過查表的方法實現圖像變換，達到無須圖形引擎也能實現圖像復雜三維映射變換。由于生成圖像變換參數表是預運算，實時圖像變換過程變得簡單，既可以用軟件實現，也可以利用邏輯電路硬件實現。因此，本發明具有適應廣泛、簡單可靠的優良效果。實踐中，利用本方法的設備所造成的圖像幾何矯正效果明顯優于現有其它各種設備。
綜上所述，本發明仿真現場的曲面投影幾何校正方法，其在技術發展空間有限的領域中，不論在結構上或功能上皆有較大的改進，且在技術上有較大的進步，并產生了好用及實用的效果，而確實具有增進的功效，從而更加適于實用，誠為一新穎、進步、實用的新設計。
本發明的具體實施方式
由以下實施例及其附圖詳細給出。
圖1是本發明的曲面投影圖像幾何矯正原理圖。
其中1.曲面屏幕2.眼點 3.投影儀4.參考平面5.源圖像 6.目標圖像具體實施方式
以下結合附圖，對依據本發明提出的仿真現場的曲面投影幾何校正方法的原理，詳細說明如后。
請參閱圖1所示，本發明仿真現場的曲面投影幾何校正方法，其主要包括三個坐標系世界坐標系、投影儀坐標系和眼點坐標系。它針對五個客體投影儀、虛擬屏幕、觀察者的眼睛、源圖像和目標圖像。虛擬屏幕由三角形網格面片構成。
世界坐標系是表示絕對空間的坐標系，五個客體均處其中。
投影儀坐標系特指以投影儀所在位置為坐標原點、投影儀投影方向為z軸正向、投影儀向上方向為y軸正向的坐標系。
眼點坐標系特指以眼點所在位置為坐標原點、眼點到畫面中心為z軸正向、向上方向為y軸正向的坐標系。
請參閱圖1所示，本發明仿真現場的曲面投影幾何校正方法，在仿真現場時，確定各要素的關系如下觀察者所看到的圖像應當是以眼點為視錐頂點，以源圖像為視錐邊界的放大圖像。
投影生成的圖像應當是以投影儀為視錐頂點，以目標圖像為視錐邊界的放大圖像。
由于實際屏幕的形狀和投影儀安放位置的限定條件，投影儀與眼點在空間有位置差異，也有角度差異。
當在世界坐標系中針對實際屏幕的投影儀位置和角度、眼點位置和角度確定之后，投影儀坐標系到世界坐標系的轉換矩陣，即世界坐標系到投影儀坐標系的變換矩陣的逆矩陣Mpw和世界坐標系到眼點坐標系的轉換矩陣Mwo即可確定。
選定參考平面4，使全部虛擬屏幕曲面和投影儀位于它的同一側。
求解目標圖像6中的(U，V)點的像素色彩值時，過投影儀坐標系的原點和(U，V)點做直線，交參考平面4于P1點；利用Mpw和Mwo將投影儀坐標系中的點P1、投影儀在世界坐標系中的位置P0變換到眼點坐標系下的P1’、P0’；由于參考平面4的選取，使P0’和P1’分居在虛擬屏幕曲面的兩側，連接P0’和P1’構成矢量線段，與虛擬屏幕某三角形兩邊的線段矢量組成聯立線性方程，解算此方程組可以判定三角形面片是否與連接P0’和P1’所構成的矢量線段相交。遍歷虛擬屏幕各三角形面片，從而確定此連線與虛擬屏幕某三角形面片相交于P2’點。
通過計算P2’在眼點坐標系中的矢量角，即可確定其對應在源圖像上的歸一化本源位置(u，v)參數，此數一般為浮點數。
假設源圖像分辨率為W*H，則源位置(u，v)對應的像素坐標為(W*u，H*v)。一般情況下W*u與H*v為浮點數，故需要對鄰近點采樣。
本實施例采用雙線性插值方法，使用鄰近的四個像素進行臨近采樣對于目標圖像任一個像素，使用如表1的索引值組和權重值組；表1
表1中，記W*u的整數部分為XI，小數部分為XF；記H*v的整數部分為YI，小數部分為YF.
對于目標圖像中任何一個像素，使用以下公式C(U，V)＝c1*s1+c2*s2+c3*s3+c4*s4進行插值計算，得到目標圖像上(U，V)處的像素色彩值。其中c1，c2，c3，c4分別為(u，v)位置周圍的四個像素(XI，YI)、(XI+1，YI)、(XI，YI+1)、(XI+1，YI+1)的色彩值，而s1，s2，s3，s4為各像素的權重系數。s1＝XF*YF；s2＝(1-XF)YF；s3＝XF*(1-YF)；s4＝(1-XF)(1-YF).通過對這四個像素色彩值進行插值，就得到對應的目標像素的色彩值。
遍歷目標圖像所有像素，生成每個像素的變換參數組。所有的像素參數組形成一個圖像變換表，記錄圖像的幾何矯正變換關系，據此可完成仿真現場的曲面投影幾何校正的準備工作。實時工作過程中，對連續圖像根據圖像變換表實施插值計算，完成動態的曲面投影幾何校正。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制，凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發明技術方案的范圍內。
權利要求
1.一種仿真現場的曲面投影幾何校正方法，仿真實際現場環境中眼點和投影儀和顯示屏幕之間的幾何關系，其特征在于先利用計算機三維圖形技術創建虛擬屏幕，再利用上述幾何關系，實現系統布局的數學模型；對于目標圖像中的任何一個像素，設其在投影儀視角錐體中的直線，延長至虛擬屏幕上形成一個投影點，通過求取該投影點在眼點視覺錐體中所在直線的方位，得到該投影點在源圖像中的本源位置；目標圖像的所有像素的色彩值都用以其對應的源圖像中的本源位置為參照，通過鄰近采樣法計算。對于確定的鄰近采樣法，將目標圖像像素與源圖像像素組之間的映射關系制成圖像變換參數表；利用圖像變換參數表實時完成動態圖像的曲面投影幾何校正；具體采用以下步驟步驟1.創建虛擬屏幕，仿真現場環境，對顯示屏幕、眼點、投影儀之間的幾何關系進行設定，據此確立作為圖像變換的幾何關系基礎；步驟2.遍歷目標圖像所有像素，依次對所有單個目標圖像像素生成該像素所對應的以源圖像中本源位置為參照的、多個相關源圖像像素索引值組和權重值組，構成圖像變換參數表；步驟3.利用圖像變換參數表，進行曲面投影幾何矯正變換，計算出目標圖像的各像素色彩值。
2.根據權利要求1所述的仿真現場的曲面投影幾何校正方法，其特征在于其中步驟1所述的創建虛擬屏幕是利用至少一個多邊形網格或面片組成與實際現場成比例的仿真虛擬曲面屏幕；
3.根據權利要求1所述的仿真現場的曲面投影幾何校正方法，其特征在于其中步驟2所述的對單個目標圖像像素生成該像素所對應的以源圖像中本源位置為參照的、多個相關像素索引值和權重值，包含6個分步驟(1)在投影儀坐標系，過投影儀視錐任意選取這樣一個參考平面，使與投影儀投影方向垂直；(2)對于歸一化坐標為(U，V)的給定目標圖像上一個像素點，依其在投影儀視錐中的位置確定其在參考平面上的位置，記為P1；(3)計算P1’＝P1MpwMwo；P0’＝P0Mwo；利用坐標轉換矩陣Mpw和Mwo，將投影儀坐標系中的點P1、投影儀在世界坐標系中的位置P0變換到眼點坐標系下的P1’、P0’；(4)遍歷虛擬屏幕各多邊形網格或面片，確定P0’和P1’的連線與虛擬曲面的相交點，記此交點為P2’；(5)根據P2’在眼點視錐中的方位確定其對應在源圖像上的本源位置(u，v)，u，v為源圖像中的歸一化位置參數，通過鄰近采樣法計算，形成目標圖像各像素對應的多個源圖像像素的索引值組和權重值組；(6)遍歷目標圖像的所有像素，綜合前述的全部索引值組和權重值組，構成實現幾何矯正的圖像變換參數表。
4.根據權利要求1所述的仿真現場的曲面投影幾何校正方法，其特征在于其中步驟3所述的曲面投影幾何矯正變換，是利用圖像變換參數表中的參數進行插值計算實現的。
全文摘要
一種仿真現場的曲面投影幾何校正方法，利用計算機三維圖形技術創建虛擬屏幕，仿真實際現場環境中眼點和投影儀和顯示屏幕之間的幾何關系，實現系統布局的數學模型；對于目標圖像中的任何一個像素，設其在投影儀視角錐體中的直線，延長至虛擬屏幕上形成一個投影點，通過求取該投影點在眼點視覺錐體中所在直線的方位，得到該投影點在源圖像中的本源位置；目標圖像的所有像素的色彩值都用以其對應的源圖像中的本源位置為參照，通過鄰近采樣法求得。將圖像變換關系構成圖像變換參數，利用圖像變換參數表實時完成動態圖像的曲面投影幾何校正。此方法具有適應廣泛、簡單可靠的優良效果。
文檔編號G06T1/00GK1716313SQ200410062969
公開日2006年1月4日 申請日期2004年7月2日 優先權日2004年7月2日
發明者蘇飏, 曹晟華, 符長明 申請人:四川華控圖形科技有限公司