大屏幕融合投影方法
【專利摘要】本發明公開了一種大屏幕融合投影方法，其技術方案要點是采用三維建模方法構建展示廳縮小相應比例的三維模型并建立展示廳局部三維坐標系統，同時采用圖像拼接方法將多臺投影機的投影圖像拼接為整體投影圖像，并存儲整體投影圖像縮小相應比例的整體投影圖像效果圖，然后利用平行投影方法模擬得到整體投影圖像效果圖投影在平行屏幕上的效果模型，采集環形屏幕上的控制點以及控制點對應在效果模型上的同名點以及整體投影圖像結果圖上的像素點，基于控制點坐標值、同名點坐標值和像素坐標計算得到第三變換方程，最后對真實投影圖像進行第三變換方程計算，使投影圖像的每個像素投射在環形屏幕上的正確位置；這樣即完成大屏幕投影圖像的幾何校正過程。
【專利說明】
大屏幕融合投影方法
技術領域
[0001]本發明涉及圖像處理領域，特別涉及一種大屏幕融合投影方法。
【背景技術】
[0002]大屏幕融合投影方法是采用多臺投影機無縫地在大尺寸環形屏幕上實時投射三維場景的顯示系統，它比普通的標準投影系統具備更大的顯示尺寸、更寬的視野、更多的顯示內容、更高的顯示分辨率，以及更具沖擊力和沉浸感的視覺效果，被廣泛應用在了科學、教育、國防、娛樂、能源、制造業及政府等領域。大屏幕融合投影方法中有3項關鍵技術，即幾何校正、邊緣融合技術和色彩一致性匹配技術。
[0003]幾何校正所解決的是把投影機投射的呈矩形狀的顯示內容通過映射方程投影到環形屏幕的正確位置;邊緣融合技術所解決的是多臺投影機重疊投影區域的亮度突出問題;色彩一致性匹配所解決的是多臺投影機色域不一致的問題。
[0004]大屏幕融合投影方法主要由屏幕、投影機、設計眼點和視錐組成，其中，設計眼點是大屏幕融合投影方法非常重要的組成部分，理論上講現場只有從該點觀察到的圖像才是幾何正確的，而視錐指的是一臺投影機所對應的、自設計眼點出發的觀察虛擬場景所使用的視見椎體，理論上講，投影機的光心位于設計眼點，投影機光錐與視錐完全相同，則該單臺投影機的投影圖像不必進行幾何校正，但是這在實際工程應用中是不可能實現的。
[0005]針對上述問題，計算機輔助設計與圖形學學報的2013年09期公開發表的論文:一種實用的多通道視景仿真投影系統交互式幾何校正技術，提出了一種現場交互式幾何校正方法，即利用屏幕自身的深度信息對投影機進行定標，利用位于屏幕中心的激光經瑋儀在單臺投影機的投影圖像覆蓋的屏幕區域上標注控制點，利用其水平、方位角讀數及屏幕幾何半徑等信息得出這些控制點在世界坐標系下的坐標，然后在單臺投影機的投影圖像上找到控制點所對應的位置并記錄像素坐標，然后利用控制點的世界坐標系統和像素坐標系統精確計算出投影機的內、外參數，通過計算得到的內參數確定投影機的光錐，通過外參數確定投影機的位置及姿態，利用前述結果在虛擬場景中以投影機“觀察“屏幕，得到目標圖像，根據測試目標及目標圖像，完成幾何校正。
[0006]—種實用的多通道視景仿真投影系統交互式幾何校正技術的所提出的方法本質上是建立控制點在世界坐標系統和像素坐標系統之間的映射關系，從而實現幾何校正;該方法利用屏幕本身作為定標參照物以及采用密集控制點，使得幾何校正的精度有了較大的提高，但是該方法構建的是世界坐標系統和單臺投影機的投影
圖像坐標系統之間的映射關系，要想獲取較高的校正精度，控制點的世界坐標值需要保留較長的小數點位數，計算量較大，并且小數點位數的一位之差都會引起較大的計算誤差，因此，還存在待改進之處。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是提供一種大屏幕融合投影方法，采用軟件完成投影圖像的幾何校正過程。
[0008]本發明的上述技術目的是通過以下技術方案得以實現的:
一種大屏幕融合投影方法，包括環形屏幕以及安裝有環形屏幕的展示廳，
首先，采用三維建模方法構建所述展示廳縮小相應比例的三維模型；
第二，采用圖像拼接方法把多臺投影機的投影圖像拼接為整體投影圖像，并存儲縮小相應比例后的整體投影圖像結果圖；
第三，基于所述展示廳的三維模型構建展示廳局部三維坐標系統；
第四，模擬整體投影圖像結果圖直接投射在平行屏幕上的效果模型；
第五，以展示廳局部三維模型的原點為觀察點，在環形屏幕上提取出若干控制點以及若干所述控制點對應在效果模型上的同名點；
第六，借助軟件測量工具分別獲取控制點和同名點相對展示廳局部三維坐標系統的原點的距離，并進行存儲；
第七，基于多組控制點和同名點組采用最小二乘法擬合得到效果模型與環形屏幕之間的第一變換方程；
第八，基于整體投影圖像結果圖構建出圖像坐標系統，并存儲同名點在圖像坐標系統中的像素坐標值；
第九，基于同名點坐標值與像素坐標值建立第二變換方程；
第十，基于第一變換方程和第二變換方程獲取像素坐標值與控制點坐標值之間的第三變換方程；
第十一，基于第十步建立的第三變換方程，對真實的整體投影圖像按照第三變換方程進行逐像素的變換計算，使得投影圖像完全投影在環形屏幕上;這樣即完成了投影圖像的幾何校正過程。
[0009]作為優選，所述展示廳局部三維坐標系統以展示廳的中心位置為坐標原點，展示廳的寬度方向為橫軸，展示廳的長度方向為豎軸，展示廳的高度方向為縱軸，并以實際一米的距離縮小相應比例后的長度為單位長度構建。
[0010]作為優選，所述圖像坐標系統以圖像左下角為原點，圖像寬度為橫軸，圖像長度為縱軸，單個像素為單位構建。
[0011]作為優選，沿著環形屏幕的橫向中軸線和縱向中軸線將環形屏幕平均分成四個小屏幕，并以四個小屏幕的四角點和中心點為控制點，記錄下控制點在展示廳局部三維坐標系統的坐標值。
[0012]作為優選，以展示廳局部三維坐標系統的原點為觀察點，連接觀察點和環形屏幕上的控制點與投影圖像直接投影效果模型相交于一點，該點即為環形屏幕上控制點的同名點，采用上述方法依次找出控制點的同名點，并分別記錄控制點和同名點在展示廳局部三維坐標系統中的坐標值。
[0013]作為優選，基于控制點和同名點的坐標值，采用最小二乘法擬合得到環形屏幕與投影圖像直接投影之間的第一變換方程。
[0014]作為優選，基于效果模型提取圖像坐標系統中同名點對應的像素及像素坐標，基于像素坐標和同名點坐標建立圖像坐標系統和展示廳局部三維坐標系統之間的第二變換方程。
[0015]采用上述方案，通過以縮小相應比例準確構建展示廳的三維模型來建立出展示廳局部坐標系統，同時通過圖像拼接方法將多臺投影機的投影圖像拼接為整體投影圖像，然后存儲整體投影圖像縮小相應比例后的整體投影圖像效果圖；并模擬出投影圖像直接投影的效果模型;然后在環形屏幕上采集若干控制點，數量越多越佳，同時找出控制點在投影圖像直接投影的效果模型上的同名點，并分別記錄下控制點和同名點在展示廳局部三維坐標系統內的坐標值以及提取并記錄控制點在投影圖像上的像素坐標值，基于控制點和同名點的坐標值，建立環形屏幕與投影圖像直接投影之間的第一變換方程;基于同名點的坐標值和像素坐標值，建立展示廳局部三維坐標系統和圖像坐標系統之間的第二變換方程;然后基于第一變換方程和第二變換方程，建立展示廳局部三維系統與圖像坐標系統之間的第三變換方程，最后對整體投影圖像按照第三變換方程進行逐像素的變換計算，使得投影圖像完全投影在環形屏幕上。因展示廳局部三維坐標系統以展示廳為參照物建立，環形屏幕相對展示廳的位置較易測量，且數值較準確。
[0016]綜上所述，本發明具有以下有益效果:
通過建立展示廳局部坐標系統，使得環形屏幕相對于展示廳局部三維系統的相對位置更容易測量得到且測量精度更高。
【附圖說明】
[0017]圖1為本實施例的流程框圖。
【具體實施方式】
[0018]以下結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0019]本具體實施例僅僅是對本發明的解釋，其并不是對本發明的限制，本領域技術人員在閱讀完本說明書后可以根據需要對本實施例做出沒有創造性貢獻的修改，但只要在本發明的權利要求范圍內都受到專利法的保護。
[0020]本實施例公開的一種大屏幕融合投影方法，環形屏幕安裝在展示廳內，
首先，采用基本體、擴展體、布爾運算、旋轉、拉伸和放樣等三維建模方法建立展示廳縮小如0.001倍的展示廳三維模型，要求構建的展示廳三維模型真實反映展示廳與環形屏幕之間的相對位置關系，特別是環形屏幕的尺寸、展示廳的尺寸以及環形屏幕與展示廳之間的距離關系都要準確反映；
第二，基于輪廓特征的圖像拼接方法將多臺投影機的投影圖像拼接為整體投影圖像，并將整體投影圖像縮小0.001倍后的整體投影圖像結果圖進行存儲；
第三，基于展示廳的三維模型，以展示廳的中心位置為坐標系統原點，展示廳的寬度為坐標系統的橫軸，以展示廳的長度為坐標系統的豎軸，以展示廳的高度為坐標系統的縱軸，同時將實際一米距離縮小0.001倍即0.001米為單位長度構建展示廳局部三維坐標系統；第四，采用平行投影方法模擬出整體投影圖像結果圖直接投射在平行屏幕上的效果模型；
第五，以環形屏幕的橫向中軸線和縱向中軸線為分界線將環形屏幕平均分成四個小屏幕，并提取四個小屏幕的四角點和中心點為控制點；以展示廳局部三維模型的原點為觀察點并連接觀察點與控制點，觀察點與控制點之間的連線與效果模型相交于一點，該點即為控制點的同名點；
第六，借助軟件測量工具如測量尺測量出控制點和同名點分別相對展示廳局部三維坐標系統的原點的距離，包括橫向距離、豎向距離和縱向記錄，并存儲相應數值；
第七，基于在環形屏幕上提取的多個控制點以及在效果模型上對應提取出的同名點，建立多組同名點組，并采用最小二乘法擬合效果模型與環形屏幕之間的多項式第一變換方程；
第八，以整體投影圖像結果圖的左下角為原點，圖像寬度為橫軸，圖像長度為縱軸，單個像素為單位構建圖像坐標系統，同時在圖像坐標系統中依次找出同名點所對應的像素點并記錄像素點的像素坐標值；
第九，基于多組同名點坐標值和像素坐標值的相關關系擬合出第二變換方程；
第十，通過對第一變換方程和第二變換方程的變換計算得到像素點與控制點之間的第三變換方程；
第十一，基于第十步建立的第三變換方程，對真實的整體投影圖像按照第三變換方程進行逐像素的變換計算，使得投影圖像完全投影在環形屏幕上;這樣即完成了投影圖像的幾何校正過程；
后續則基于投影圖像的幾何校正結果對投影圖像進行邊緣融合和色彩一致性匹配處理。
【主權項】
1.一種大屏幕融合投影方法，包括環形屏幕以及安裝有環形屏幕的展示廳，其特征是: 首先，采用三維建模方法構建所述展示廳縮小相應比例的三維模型； 第二，采用圖像拼接方法把多臺投影機的投影圖像拼接為整體投影圖像，并存儲縮小相應比例后的整體投影圖像結果圖； 第三，基于所述展示廳的三維模型構建展示廳局部三維坐標系統； 第四，模擬整體投影圖像結果圖直接投射在平行屏幕上的效果模型； 第五，以展示廳局部三維模型的原點為觀察點，在環形屏幕上提取出若干控制點以及若干所述控制點對應在效果模型上的同名點； 第六，借助軟件測量工具分別獲取控制點和同名點相對展示廳局部三維坐標系統的原點的距離，并進行存儲； 第七，基于多組控制點和同名點組采用最小二乘法擬合得到效果模型與環形屏幕之間的第一變換方程； 第八，基于整體投影圖像結果圖構建出圖像坐標系統，并存儲同名點在圖像坐標系統中的像素坐標值； 第九，基于同名點坐標值與像素坐標值建立第二變換方程； 第十，基于第一變換方程和第二變換方程獲取像素坐標值與控制點坐標值之間的第三變換方程； 第十一，基于第十步建立的第三變換方程，對真實的整體投影圖像按照第三變換方程進行逐像素的變換計算，使得投影圖像完全投影在環形屏幕上;這樣即完成了投影圖像的幾何校正過程。2.根據權利要求1所述的大屏幕融合投影方法，其特征是:所述展示廳局部三維坐標系統以展示廳的中心位置為坐標原點，展示廳的寬度方向為橫軸，展示廳的長度方向為豎軸，展示廳的高度方向為縱軸，并以實際一米的距離縮小相應比例后的長度為單位長度構建。3.根據權利要求2所述的大屏幕融合投影方法，其特征是:所述圖像坐標系統以圖像左下角為原點，圖像寬度為橫軸，圖像長度為縱軸，單個像素為單位構建。4.根據權利要求3所述的大屏幕融合投影方法，其特征是:沿著環形屏幕的橫向中軸線和縱向中軸線將環形屏幕平均分成四個小屏幕，并以四個小屏幕的四角點和中心點為控制點，記錄下控制點在展示廳局部三維坐標系統的坐標值。5.根據權利要求4所述的大屏幕融合投影方法，其特征是:以展示廳局部三維坐標系統的原點為觀察點，連接觀察點和環形屏幕上的控制點與投影圖像直接投影效果模型相交于一點，該點即為環形屏幕上控制點的同名點，采用上述方法依次找出控制點的同名點，并分別記錄控制點和同名點在展示廳局部三維坐標系統中的坐標值。6.根據權利要求5所述的大屏幕融合投影方法，其特征是:基于控制點和同名點的坐標值，采用最小二乘法擬合得到環形屏幕與投影圖像直接投影之間的第一變換方程。7.根據權利要求6所述的大屏幕融合投影方法，其特征是:基于效果模型提取圖像坐標系統中同名點對應的像素及像素坐標，基于像素坐標和同名點坐標建立圖像坐標系統和展示廳局部三維坐標系統之間的第二變換方程。
【文檔編號】G06T3/00GK106067160SQ201610451615
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年6月21日 公開號201610451615.5, CN 106067160 A, CN 106067160A, CN 201610451615, CN-A-106067160, CN106067160 A, CN106067160A, CN201610451615, CN201610451615.5
【發明人】管智華, 潘月英
【申請人】江蘇億萊頓智能科技有限公司