[发明专利]一种用于区域辨识的球幕投影系统设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于空间解析几何原理的球幕投影系统设计方法，目的在于划分球面幕布为若干区域，并通过单目摄像方法辨识幕布上任意投影点的所属区域，从而为实际工程需求提供信息支持。该方法以软件程序为工具，以便对球面幕布各区域进行合理划分和调试，进而实现幕布上诸曲面区域与幕布图像中诸四边形区域的单映射关系。 

背景技术

数字图像处理已经发展成为一门各领域相交叉的综合性技术，它所具有的关键意义已不局限于提高图像视感质量、提取图像信息及图像数据操作等传统范畴，而是逐渐与众多科学设想产生更深层次的联系。本方法旨在为某数字图像处理系统的设计和调试提供必要的图像数据支持。 

本方法的提出涉及一个实际的工程背景。该工程要求设计一套球面幕布投影系统，该系统由半球面幕布、光束投影仪和一个摄像头构成。首先将幕布划分为一定数目的无交叉曲面区域，并由投影仪发射细光束至幕布上形成投影点，摄像头以任意拍摄角度获取球面幕布及幕布上投影点的图像，最终根据所获图像辨识投影点所在的曲面区域。 

为实现以上目的，首先将幕布划分为规定数量的曲面区域并为其编号。这样，每个曲面区域在摄像头所成图像中体现为由四个点（这四个点即为该曲面区域四个顶点的像点）形成的一个不规则四边形，由于划分时每个曲面区域各不相同，图像中各个四边形也各不相同，因而可以建立诸曲面区域与诸不规则四边形的单映射关系。其次，通过在图像中判定投影点像点所归属的四边形区域，就可以根据之前建立的单映射关系进一步辨识投影点所在的曲面区域，也就成功满足了工程要求。 

由于工程中并不限定获取球面幕布及投影点图像时摄像头的拍摄位置和拍摄角度，故为了建立各曲面区域与图像中各四边形区域的单映射关系，必须得到摄像头在任意位置、任意角度拍摄情形下球面幕布的成像信息，以便为建立单映射关系提供依据。事实上，要想在现实中精确定位摄像头及球面幕布上各点的坐标、精确设定摄像头镜头光轴（光轴即为镜头采光点与感光器件中心点所连直线）的三个角度（水平方位角α、垂直俯仰角β及轴向旋转角γ）具有一定的技术难度。为此，本发明提出了球幕投影系统效果的软件仿真方法。根据该方法，可以在软件程序中对镜头光轴的三个拍摄角度进行精准设定，还可以在空间直角坐标系中随意且准确地设定球幕上各点和摄像头采光点（亦称为“光心”）的相对位置，即在拍摄方式可任意选择的情况下，几乎毫无误差地获取所需图像。 

发明内容

本方法通过建立世界坐标系，设定了摄像头采光点在世界坐标系中的坐标值；在球面幕布上画出了网格线，每个网格即为要求划分的曲面区域；将曲面区域的顶点（网格线的交点）涂为黑色圆点，从而在图像中形成易于识别的黑色像点；设定了球面幕布上所有网格线交点在世界坐标系中的坐标值。当摄像头光轴以不同角度对该球面幕布进行拍摄时，上面的 每个曲面区域在幕布图像中所成像将是不规则的四边形。利用本发明提出的方法，可以在设定好摄像头位置及摄像头光轴拍摄角度后，获得幕布上每个曲面区域在幕布图像中的成像信息，即每个不规则四边形的准确形状。 

为了将球面幕布上每个曲面区域在所成图像中的像（不规则四边形）表示出来，首先建立了由球面幕布与摄像头共同组成的拍摄系统的空间几何模型。在这个模型中，建立了世界坐标系，分别标定了幕布、摄像头镜头采光点和镜头感光器件在该坐标系中的坐标；在感光器件所在平面上建立了图像坐标系，根据小孔成像原理实现了由物点到像点的转换。具体而言，就是描绘连接物点与采光点的连线，该直线与感光器件所在平面交于一点，如果该点处于感光器件（感光器件是一个矩形器件，其尺寸可根据器件规格和设计需求在程序中设定）所在矩形区域内，那么它即为物点在图形中的像点；否则，原物点不会在图像中成像，即超出了摄像头镜头的视场范围。 

在以上过程中，解决的核心问题是，在设定好摄像头镜头采光点位置、摄像头光轴三个扭转角度的基础上，获取感光器件在世界坐标系中的数据表示方法。本发明中，世界坐标系是以镜头采光点为原点建立的。摄像头光轴与y坐标轴重合，作为初始拍摄方向；感光器件与xOz面平行，且其四条边分别与x轴、z轴平行，这样就对感光器件的初始位置进行了设定。当用该方法对球面幕布进行拍摄时，幕布上诸点在世界坐标系中的坐标将随镜头采光点（即坐标系原点）位置的确定而确定；而且，镜头光轴的拍摄方向一旦确定，光轴与其初始拍摄方向之间的偏角也可由前面提到的三个角度（水平方位角α、垂直俯仰角β及轴向旋转角γ）定量标定。 

本发明采用的技术方案：