[发明专利]一种投影仪的标定方法

说明书

本发明公开了一种投影仪的标定方法，该方法依据现场情况将标定物放置在投影仪的视场中并调整镜头使其聚焦在标定物上；交互式地控制投影仪投射光线到标定物上的标记点上；利用这些3D‑2D匹配坐标估算投影仪的内参数K以及外参数R、t；根据重投影误差最小的原则，迭代优化投影仪参数，得到最佳的内参数K以及畸变系数d。本发明无需借助第三方的相机或传感器，只需要交互式地引导投影仪投射图像到已知尺寸的空间物体上，这样就可以直接得到正确的3D‑2D匹配坐标，从而完成投影仪大范围内的标定任务。

技术领域

本发明涉及投影仪标定技术领域，特别是一种投影仪的标定方法。

背景技术

投影仪被广泛应用于数据可视化、空间增强现实、交互性现场教学以及结构光三维重建等领域。在这些应用场景中，一般都需要精确地控制投影仪使其能够投射到预先设定的空间位置，因此在实际工作时，首先就需要对投影仪进行标定。虽然投影仪的光路与相机是完全相反的，但是二者结构十分类似，所以投影仪的模型与相机完全一样，也是基于透视投影的内参数模型。因此投影仪的标定与相机标定类似，需要获取空间三维坐标及其在像平面上对应的二维像素坐标，记为3D-2D匹配坐标。

投影仪与相机的功能不同，其只具备投影功能，并不具有感知周围环境的能力，因此目前所有投影仪的标定方法都是需要借助第三方的相机或者传感器才能完成标定任务，例如专利一种投影仪标定方法及装置（CN201710122971.7）和专利一种单目相机与投影仪的联合标定方法（CN202011104456.4）。为了得到3D-2D匹配坐标，目前的存在的方法主要分别二种类型，第一种是3D坐标已知，其关键是通过相机拍摄的或传感器接收的覆盖有投影仪投射的结构光标定物图像，从而确定空间点对应的在投影仪像平面上成像点2D坐标；另外一种是2D坐标已知，通过投影仪投射特征到标定物体上，然后利用双目视觉测量特征的3D坐标。为了完成标定任务，不论使用哪种方法都必须借助第三方的相机或传感器的感知功能，才能得到3D-2D匹配坐标。但是使用第三方的相机或传感器校准投影仪也会带来很多问题：（1）在硬件层面，为了标定投影仪必须增加一个相机、传感器或者一个双目系统，提高了系统的复杂性，也提高了使用成本；（2）在用户使用时，一般需要控制投影仪投射结构光2图像或者其它模式图像，与此同时相机需要按照顺序进行拍摄、传感器也需要接收相应信息，这对于用户的要求较高；（3）相机和投影仪都有视场、焦距的限制并且相机需要拍摄投影的图像，因此如何选择合适的配置（例如相机的分辨率，相机-投影仪之间的距离、角度）才能得到高精度的标定结果也是一个需要考虑的问题；（4）在标定过程中，需要借助第三方的相机、传感器才能得到标定需要的物理量，可能会引入额外的误差，例如图像噪音，相机镜头畸变等。（5）无论是借助第三方的相机还是传感器对投影仪进行标定，均只能在小范围内进行。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种投影仪的标定方法。本发明无需借助第三方的相机或传感器，只需要交互式地引导投影仪投射图像到已知尺寸的空间物体上，这样就可以直接得到正确的3D-2D匹配坐标，从而完成投影仪大范围内的标定任务。

本发明的技术方案：一种投影仪的标定方法，参与标定的设备包括一个投影仪和一台电脑主机，其中电脑主机可以控制投影仪投射任意类型的图像，包括以下标定步骤：

步骤一、取预先标定有N个标记点的标定物，根据投影仪需要的作业空间，调节投影仪的镜头，将其聚焦在标定物上；

步骤二、记标定物上N个标记点在世界坐标系中的坐标为，交互式地控制投影仪的像素坐标，记录下N个标记点对应的像素坐标；

步骤三、记投影仪的内参数矩阵为K、世界坐标系相对于投影仪坐标系的旋转矩阵为R、世界坐标系相对于投影仪坐标系的平移向量为t，根据透视投影，建立方程组；

步骤四、求解步骤三中的方程组，将步骤二中的和写成齐次形式，并将K、R、t包含在矩阵中，求解得到矩阵M；

步骤五、依次从矩阵M中分离出投影仪的内参数K以及外参数R、t；