[发明专利]基于光传感器的投影自动几何校正方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种无缝投影中的自动几何校正方法，特别涉及一种基于光传 感器的自动几何校正方法。

背景技术

数字投影设备的逐渐普及使得多通道的超高分辨率的数据可视化和视频娱乐 成为了可能。这类投影需要多台投影设备共同合作，它们通常情况下被安放在桌面 上，或者固定在支架上，同时将原始图像投射到同一目标投影幕的不同部分，最终 通过技术手段将投影图像无缝的拼接在一起，并且观察者看到的图像(下文中简称 为观察者图像)是完整的超大型高分辨率的图像。图像拼接的一个技术难点就是经 过投影幕的反射后，原本正常的图像的投影会发生几何畸变。解决这个问题的办法 是通过一定的方法确定从原始图像到观察者图像的像素点的对应关系，并据此对原 始图像在投射之前进行几何预变换。这样，经过预变换的图像经过投影设备的投射 后再经过投影幕的反射，就可以使观众看到的图像和原始图像保持一致，从而达到 几何校正的目的。

要达到这样的效果，可以由控制计算机生成一个与原始图像等大的矩形网格， 然后投影设备将它投射到投影幕上就得到一个有几何畸变的网格。接下来通过一定 的方式，把这个网格的控制点分别移动至预期的位置，使观众看到的网格和原始网 格保持一致。此时，网格在投影幕上已经覆盖了一定的区域。之后，控制计算机由 校正模式切换至显示模式。这时，投影设备投射原始图像并在投影幕上形成了一个 投影图像，它恰好完全与网格所确定的区域相重叠。这样，观众看到的观察者图像 就和预期的图像是一致的了，也就消除了几何畸变。以往常见的移动网格控制点的 方案有两种：人工校正和基于计算机视觉的自动校正。在人工校正的方案中，经过 训练的专家级人员通过手动的方式来移动网格的控制点。这个方案成本低廉且施工 简易，但是整个过程会消耗大量的人力和时间，后期维护的成本很高。特别在投影 设备或者投影幕经常发生相对移动的情况下，比如办公会议环境，频繁的费时的人 工几何校正大大限制了多通道投影系统的应用。在基于计算机视觉的自动校正方案 中，一台或多台数码摄像设备会代替观众观察投影幕上的网格的控制点，通过它们 确定从原始图像到观察者图像的像素点的映射关系，从而达到摄像机标定的目的。 再以控制点在投影坐标系中的坐标为样本，根据回归计算得到从观察者图像到原始 图像的单应性矩阵。这样，将投影图像的像素点坐标乘以单应性矩阵即可知道它在 原始图像中的对应像素点的坐标，并据此控制计算机对原始图像进行几何预变换。 虽然这样的自动校正理论上可以达到亚像素级的精度，但是因为各种客观原因，如 光源的移动、光强的变化、投影幕反光能力的强弱和摄像镜头的光学畸变等，最终 得到的网格控制点的实际位置和理想位置会有或大或小的出入，致使实际几何校正 结果达不到理论上的精确度。

还有一种技术方案是基于光传感器的自动几何校正(例如，参见文献1：美国 专利号7001023)，它首先在投影幕上的预定位置安装一系列的光传感器，用他们来 标定网格控制点的投影在投影幕上预期的位置。然后，投影设备向投影幕投射一个 二进制式的光模式序列，光传感器将其对序列中每个光模式的反馈信号传输至控制 计算机，由控制计算机基于这些信号的历史记录计算出光传感器在投影坐标系中的 平面坐标，进而构造参数矩阵。在对这个参数矩阵的奇异值分解过程中得到从投影 图像到原始图像的单应性矩阵，再根据它对原始图像进行几何预变换。接下来的几 何校正步骤就与前述的人工和基于计算机视觉的两种方案相同了。因为这种方案中 投射的光模式是二进制式的光模式，因此控制计算机需要将光传感器反馈的模拟信 号转换为0和1的数字信号。这个过程中是通过预设阈值常数的方法来对原始光照 信号进行处理的。然而，光传感器对光照的电气响应强弱很容易受到环境光照的影 响，如自然光和室内照明等。预先设定的阈值常数量往往会导致光传感器的坐标解 码失败，进而导致几何校正的失败。其次，单应性矩阵的计算依赖于对参数矩阵的 奇异值分解。然而，单应性矩阵仅适用于纯平面的投影幕，如办公室的垂直墙面等。 当投影幕为非平面时，例如大型的柱面、球面和椭球面等，由于基于单应性矩阵的 映射计算过程属于非线性运算，它会导致投影图像在由多个相邻的由光传感器所确 定的网格的边缘处发生错位现象，即投影图像并非在每个方向上处处都是连续的， 观众看到的观察者图像也是错位的。解决这个问题的办法就是在投影幕上安装大量 的密集的光传感器，使错位的程度尽可能的降低。这样投影设备的生产成本和现场 施工的难度都会大大提升，特别是从光传感器到控制计算机的电线的布线将变得异 常复杂。