適應于任意投影機群及投影屏幕的高魯棒性幾何校正方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于計算機系統(tǒng)的圖像顯示處理，特別涉及到高魯棒性全自動的幾何校正方法。本發(fā)明擬建立精細的投影特征圖像和相機多視角圖像間的映射關系，從而形成投影圖像中每個像素相對于觀察點的入射光角度坐標關系網格，使復雜的三維幾何標定問題變成相對簡單的二維幾何標定問題。在此基礎之上，借助高動態(tài)范圍成像技術，可使用普通攝像頭和低精度云臺測量投影儀每個像素位置的色彩信息，并建立整個投影幕上的光場分布數學模型，通過非線性最優(yōu)化求解技術自主完成對所有投影儀進行色彩校正和邊緣融合的高速計算過程。
【專利說明】適應于任意投影機群及投影屏幕的高魯棒性幾何校正方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于計算機系統(tǒng)的圖像顯示處理，特別涉及到高魯棒性全自動的幾何校正方法
【背景技術】
[0002]大型虛擬空間的投影屏幕一般為復雜曲面屏幕，投影畫面在屏幕上存在較為嚴重的非線性變形，需要實現進行“幾何校正”。由于不同投影儀間的投影畫面存在重疊區(qū)域，需要在全局幾何對準的基礎上進行邊緣融合。為達到視覺無縫的投影畫面，還需要對所有投影儀進行色彩一致性校正。故一個完整的大規(guī)模、高沉浸感虛擬空間顯示系統(tǒng)構建工程中，存在“投影畫面生成”、“畫面分割”、“全局幾何對準”、“投影儀色彩特性測量”、“投影畫面內部幾何校正”、“多投影畫面間邊緣融合”和“多投影畫面色彩一致性校正”等一系列關鍵問題，具有較大的工程實施難度。而解決“幾何對準”和“色彩測量”問題是整個工程中的基礎，其他問題的解決都依賴于此。為構建大規(guī)模高沉浸感虛擬空間，需要按照期望畫面校正大量復雜擺放的投影儀陣列輸入圖像以便在大規(guī)模、非規(guī)則曲面屏幕上拼接顯示出視覺無縫的連續(xù)畫面，其本質是一個復雜的非線性反問題，極具挑戰(zhàn)性。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明提出了一套適合大規(guī)模多投影融合顯示系統(tǒng)的高魯棒性全自動校正方法，針對大規(guī)模、復雜屏幕系統(tǒng)自動校正系統(tǒng)缺乏高魯棒性投影高速融合與驅動技術的情況，形成一個高運行速度、低維護成本的解決方案以適應大規(guī)模商用投影儀融合顯示系統(tǒng)中幾何校正的實際需求。
[0004]本發(fā)明的目的是這樣實現的:一種適應于大規(guī)模投影機群及任意投影屏幕的高魯棒性校正方法，其特征在于:采用單個普通攝像頭搭載低精度云臺組成核心廉價測量設備并把攝像頭作為監(jiān)視設備監(jiān)視投影特征圖像；使單個攝像頭通過旋轉拍攝投影畫面的方式完成投影儀-相機間幾何初始自主標定過程；通過建立光場數學模型，完成投影儀-屏幕亮度場的快速測量；采用全局幾何優(yōu)化模型修正投影儀-相機間幾何初始自主標定結果，并自主補齊由于設備遮擋造成的幾何特征點缺失數據，完成投影儀畫面和人眼視線角度平面的像素級映射關系；利用一種快速的邊緣融合方法改善投影畫面的質量，最終生成視覺上幾何無縫拼接多投影顯示圖像。
[0005]所述利用攝像頭作為監(jiān)視設備監(jiān)視投影特征圖像，其特征在于借助單個普通攝像頭及低精度云臺，通過單個攝像頭旋轉拍攝的方式可監(jiān)控到大規(guī)模投影機群投影到任意投影屏幕上的投影畫面。
[0006]所述的單個攝像頭通過旋轉拍攝投影畫面的方式完成投影儀-相機間幾何初始自主標定過程，其特征在于:利用一種無須投影儀和相機標定以及投影屏幕幾何形狀先驗信息的網格細分算法，自適應的將投影儀幀緩存圖像與相機拍攝圖像間稀疏對應點網格細分到任意精度，從而建立投影儀幀緩存圖像與相機拍攝圖像間像素級的一一映射關系，達到圖像對準的目標。幾何標定方法示意圖見圖1。
[0007]設(cx，cy)τ表示數字相機捕捉圖像中的某像素坐標，(px, py, ρζ)τ為實際投影到曲面上的一個空間點坐標。由于相機在成像過程中也可能產生形變，(pX，py，pz)T與(cx，cy)T之間存在一個非線性映射關系J1:R3 — R2即(cx, cy)T = (px, py, pz)。設(bx,by)τ表示投影儀幀緩存圖像中的某像素坐標，投影屏幕上點(px，py, ρζ)τ與(bx，by)T之間也是一個非線性映射關系:f2R2 — R3，即f2(bx, by) = (px, py, ρζ)τ。通過投影特征圖形(如棋盤格圖、線條圖等)并利用(px，py，pz)T作為中間量，可以得到相機圖像與投影儀幀緩存圖像間稀疏的特征點對應關系，即
【權利要求】
1.一種適應于大規(guī)模投影機群及任意投影屏幕的高魯棒性幾何校正方法，其特征在于:采用單個普通攝像頭搭載低精度云臺組成核心廉價測量設備并把攝像頭作為監(jiān)視設備監(jiān)視投影特征圖像；使單個攝像頭通過旋轉拍攝投影畫面的方式完成投影儀-相機間幾何初始自主標定過程；通過建立光場數學模型，完成投影儀-屏幕亮度場的快速測量；采用全局幾何優(yōu)化模型修正投影儀-相機間幾何初始自主標定結果，并自主補齊由于設備遮擋造成的幾何特征點缺失數據，完成投影儀畫面和人眼視線角度平面的像素級映射關系；利用一種快速的邊緣融合方法改善投影畫面的質量，最終生成視覺上幾何無縫拼接多投影顯示圖像。
2.如權利要求1所述的將攝像頭作為監(jiān)視設備監(jiān)視投影特征圖像，其特征在于借助單個普通攝像頭及低精度云臺，通過單個攝像頭旋轉拍攝的方式可監(jiān)控到大規(guī)模投影機群投影到任意投影屏幕上的投影畫面。
3.如權利要求1所述的完成投影儀-相機間幾何初始自主標定過程，其特征在于:利用一種無須投影儀和相機標定以及投影屏幕幾何形狀先驗信息的網格細分算法，自適應的將投影儀幀緩存圖像與相機拍攝圖像間稀疏對應點網格細分到任意精度，從而建立投影儀幀緩存圖像與相機拍攝圖像間像素級的一一映射關系，達到圖像對準的目標。 設(cX，cy)T表示數字相機捕捉圖像中的某像素坐標，(px，py，pz)T為實際投影到曲面上的一個空間點坐標。由于相機在成像過程中也可能產生形變，(ρχ，py，口叾”與(cx, cy)T之間存在一個非線性映射關系::R3 — R2，即(cx, cy)T = fjpx, py, pz)。設示投影儀幀緩存圖像中的某像素坐標，投影屏幕上點(pX，py，pz)T與(bx，by)T之間也是一個非線性映射關系:?:R2 — R3，即f2(bx, by) = (px, py, pz)T。通過投影特征圖形(如棋盤格圖、線條圖等)并利用(px，py，pz)T作為中間量，可以得到相機圖像與投影儀幀緩存圖像間稀疏的特征點對 應關系，即
(bx, by)T = f,[(px py ρζ)τ] = f2_1 {f 1 [ (cx cy)T]} = g(cx, cy)
其中 g = f2-lfr1° 再利用相機位置和視角的固定性，最終可通過(cx，Cy)T將投影儀幀緩存每個像素坐標與已知按照觀察者視點建立的視角信息(0，<P )建立一一映射關系:(bx,by) O IPcamera{cx,cy) limera{cx,cy) ^ (θ,φ) 其中l(wèi)Lmera(cx, )為相機拍攝的投影儀投影特征圖像時的照片，
為經緯儀投射已知經緯度光點的點陣照片。
4.如權利要求1所述的通過建立的光場數學模型，完成投影儀-屏幕亮度場的快速測量，其特征在于:只需要測量投影區(qū)域中稀疏點的反射亮度即可估計出整個投影區(qū)域的亮度分布，具有較快的測量速度并較少受到噪聲和遮擋的影響。使用“投影儀-屏幕系統(tǒng)”數學模型后，可靈活采用照度計測量投影區(qū)域稀疏點的反射亮度或采用數字相機測量投影區(qū)域稀疏色塊的平均反射亮度即可完成測量，特別適合在復雜的實際工程環(huán)境中投影儀-屏幕亮度場的快速測量。 設及=及(m，v)為投影屏幕曲面j =污(m，v)為其法向量方程。投影儀光場模型為:WtorC0)= Ψ COSe'(Θ)，即采用相機鏡頭的漸暈現象的數學模型。假設屏幕為漫反射，光線強度與距離成反比=Zrefleet = ^/c.+d^，Ψ為投影儀最大亮度值，^為投影儀朝向，P為投影儀位置，則“投影儀-屏幕系統(tǒng)”的光場分布模型為:
5.如權利要求1所述的采用全局幾何優(yōu)化模型修正投影儀-相機間幾何初始自主標定結果，其特征在于:建立投影儀特征圖像幾何變形數學模型(如方程):
6.如權利要求1所述的采用一種快速的邊緣融合方法改善投影畫面的質量，其特征在于:在對所有投影儀像素級幾何標定的基礎上，將多投影儀拼接顯示系統(tǒng)的邊緣融合問題表述為亮度分布全局一致性的非線性最優(yōu)化問題，并采用GPU硬件加速的迭代求解方法快速給出優(yōu)化問題的近似解。使用該方法可以對任意形狀、任意重疊數量的投影重疊區(qū)域進行完全自動化的邊緣融合，并且確保融合區(qū)域達到投影重疊區(qū)域的實際邊界(最大可能的融合區(qū)域)。
【文檔編號】H04N5/74GK104036475SQ201310307204
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2013年7月22日 優(yōu)先權日:2013年7月22日
【發(fā)明者】張璠璠, 戴價, 陳洪林 申請人:成都智慧星球科技有限公司