運用時間序列結構光技術實現投影顯示幾何校正的方法
【專利摘要】本發明是針對不規則投影表面的一種運用時間序列結構光技術實現投影顯示幾何校正的方法。使用時間序列結構光技術得到攝像頭圖像與投影機緩存圖像的坐標對應關系，在攝像頭圖像中確定投影有效區域，在投影有效區域內計算出最終圖像顯示區域，求解最終圖像顯示區域與原始圖像的單應性關系，根據該單應性關系以及攝像頭圖像與投影機緩存圖像的坐標對應關系建立原始圖像到投影機緩存圖像的非線性離散映射關系，根據離散映射點將原始圖像與投影機緩存平面網格化，最后在對應網格區域采用紋理映射把原始圖像變換到投影機緩存平面。本發明可用于針對不規則表面的投影顯示幾何校正。本發明具有幾何校正精度高、計算效率高、操作簡便的優點。
【專利說明】運用時間序列結構光技術實現投影顯示幾何校正的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及多投影機拼接中的投影顯示幾何校正技術，特別是涉及基于時間序列結構光技術的針對不規則投影表面的幾何校正。
【背景技術】
[0002]向不規則三維表面投影時，受投影表面三維形狀和投影機擺放位置和朝向的影響，顯示圖像會產生幾何畸變。利用計算機視覺技術，對投影機緩存圖像進行幾何修正，使人眼在特定位置和視角觀察投影畫面時，能看到沒有幾何畸變的投影圖像。該技術可用于投影拼接中的幾何校正問題。三維表面投影的幾何校正技術使投影環境擺脫了專用投影屏幕的限制，作為多投影拼接的關鍵技術，被廣泛應用于高分辨率、大屏幕、沉浸式顯示，如機場塔臺模擬系統、遠程視頻會議顯示、辦公室交互式顯示環境等。羅建利等在論文“多投影儀自由立體顯示系統中的特征點檢測及幾何校正[J]。電子學報，2010，38 (8): 1729-1735”中采用投影和捕捉特征圖案的方法獲取攝像頭平面與投影機緩存平面的對應關系，并通過該對應關系對投影圖像進行幾何校正。該方法首先投影和捕捉圓形特征點陣列；對拍攝到的特征點陣列進行特征點檢測，采用基于Hough變換的圓檢測方法檢測特征圓，然后使用最小二乘直線擬合方法對特征點位置進行校正；利用檢測到的特征點在攝像頭空間與投影機緩存空間建立一一對應的網格；最后，根據對應網格間一一映射關系，把期望圖像紋理映射到投影機緩存空間來實現幾何校正。以上述方法為代表的基于投影特征圖案的幾何校正方法有如下缺陷:首先，檢測特征點的方法受投影環境干擾較大，常見干擾如反射率不一致的顯示表面、背景光、投影環境中的無關物體均會對特征點的檢測造成不利影響，上述干擾可能造成特征點的誤檢和漏檢，進而對后續步驟如網格構建帶來不便。其次，由于建立起的映射網格越細密，攝像頭與投影機的映射關系越精確，幾何校正精度就越高，然而特征點檢測得到的特征點數目有限，導致得到的映射網格緊密程度不高，直接影響幾何校正的精確度。第三，采用Hough變換方法檢測拍攝到的已經變形的非標準圓，雖然在后期處理中進行了校正，得到的圓心位置也不可避免存在誤差。第四，該方法利用特征點構建網格的方法操作繁瑣、計算量大，包括排序、直線擬合、判斷和去除誤檢測點、插入漏檢測點等操作，不利于投影幾何校正的快速性。如何克服現有方法特征點檢測精確度低、抗干擾性差，映射網格不夠緊密，網格化過程操作繁瑣、計算效率低的缺點，應用本發明提及的方案就可以解決這一關鍵技術問題。
[0003]
【發明內容】
[0004]本發明的目的是針對目前投影顯示幾何校正方法特征點檢測精確度低、抗干擾性差，映射網格不夠緊密，網格化過程操作繁瑣、計算效率低的缺點，提供一種運用時間序列結構光技術的投影顯示幾何校正方法，該方法精確度高、操作簡便。
[0005]本發明的目的是采用下述技術方案來實現的: 使用投影裝置向顯示表面投射水平和垂直方向的結構光圖案序列，并用攝像裝置進行同步拍攝，通過解碼得到攝像頭圖像每個像素點對應的投影機緩存圖像坐標，在攝像頭圖像中確定投影有效區域，在投影有效區域內找一個與原始圖像具有相同橫縱比的最大內接矩形作為最終圖像顯示區域Λ,，求解與原始圖像的單應性關系s，根據s以及攝像頭圖像與投影機緩存圖像的坐標對應關系建立原始圖像到投影機緩存圖像的非線性離散映射關系，根據離散映射點將原始圖像與投影機緩存平面網格化，在對應網格區域采用紋理映射的方法把原始圖像變換到投影機緩存平面。
[0006]本發明與現有技術相比有如下優點:
因為攝像頭空間中最終矩形顯示區域每一個像素點的對應點均作為節點構建映射網格，所以在攝像頭像素數目一定的條件下，本發明的網格劃分方法理論上是最精細的劃分方式，能達到很高的幾何校正精度；與基于特征點的網格化映射的方法相比，本文方法建立的網格精細程度更高，而且網格建立過程更加簡便直接，不必進行排序、直線擬合、判斷和去除誤檢測點、插入漏檢測點等繁瑣操作，能達到更高的計算效率和精確度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]圖1為本發明投影幾何校正系統結構圖。
[0008]圖2為本發明投影幾何校正方法的工作流程圖。
【具體實施方式】
[0009]下面結合附圖、工作原理對本發明作進一步詳細說明。
[0010]附圖1為投影顯示幾何校正系統結構圖，圖中101為攝像頭，102為投影機，103為計算機，104為不規則投影顯示表面。采用的裝置有I臺CAS1 XJ-M140投影機，投影機緩存幀大小為1024 X 768像素，灰度量化等級為8bit，投影機最大輸出頻率為150幀/s ;1個Prosilica GC650工業攝像頭,分辨率為>640 x 4S0像素,灰度量化等級為8bit,攝像頭最大捕捉頻率為62幀/S。I臺具有Core ?3 3530 CPU，4GB內存的計算機。把由大尺寸紙張扭曲形成的不規則曲面作為投影顯示表面。在Microsoft Visual Stud1 2010環境下采用C++編寫主程序，應用OpenGL完成紋理映射。附圖2為本實施例投影顯示幾何校正方法流程圖。攝像頭與投影機位置固定，攝像頭能捕捉到顯示表面上的整個投影區域。原始圖像的大小尺寸已知。投影機緩存圖像大小表示為其像素坐標為;攝像頭圖像像素坐標為本實例針對單投影幾何校正，具體實施步驟如下:
(I)用相位測量輪廓術(phase measuring profilometry, PMP)對顯示表面進行水平和垂直方向的掃描，得到水平相位和垂直相位.1f/j以及亮度調制
[0011]PMP 原理在論文 “Liu K，Wang Y，Lau D Lj et al.Dual-frequency patternscheme for high-speed 3-D shape measurement[J].0pt.Express, 2010， 18(5):5229-5244”中有詳細介紹，現簡述如下:
用投影機向顯示表面投射正弦結構光圖案，投射的圖案表示為:
【權利要求】
1.一種運用時間序列結構光技術的投影顯示幾何校正算法，其特征在于使用投影裝置向顯示表面投射水平和垂直方向的結構光圖案序列，并用攝像裝置進行同步拍攝，通過解碼得到攝像頭圖像每個像素點對應的投影機緩存圖像坐標，在攝像頭圖像中確定投影有效區域，在投影有效區域內找一個與原始圖像具有相同橫縱比的最大內接矩形作為最終圖像顯示區域^^，求解與原始圖像的單應性關系5，根據S以及攝像頭圖像與投影機緩存圖像的坐標對應關系建立原始圖像到投影機緩存圖像的非線性離散映射關系，根據離散映射點將原始圖像與投影機緩存平面網格化，在對應網格區域采用紋理映射的方法把原始圖像變換到投影機緩存平面。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征在于所說的結構光圖案序列包括線結構光圖案序列、二進制結構光圖案序列、格雷碼結構光圖案序列、正弦結構光圖案序列、三角波結構光圖案序列、梯形波結構光圖案序列。
3.按照權利要求1所述的方法，其特征在于所說的在攝像頭圖像中確定投影有效區域，是通過對正弦結構光的亮度調制進行閾值分割來確定投影有效區域。
4.按照權利要求1所述的方法，其特征在于所說根據離散映射點將原始圖像與投影機緩存平面網格化，是利用映射到原始圖像中的離散點等間隔排列的特性，以上下左右相鄰4個映射點為一組把原始圖像坐標平面劃分為正方形網格，再利用原始圖像到投影機緩存圖像的離散映射關系d角定投影機緩存平面中對應的四邊形網格劃分。
【文檔編號】H04N5/74GK104168467SQ201410442211
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年9月2日 優先權日:2014年9月2日
【發明者】劉凱, 龍云飛, 鄭曉軍, 吳煒, 楊曉敏 申請人:四川大學