專利名稱：在對顯示面位于任意方向的投影儀中校正梯形失真的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種圖像投影儀，尤其是有關(guān)被投影圖像的梯形失真(keystoning)問題的校正。
這些投影儀當(dāng)通常被水平放置在平坦的支撐面上而通常光軸對垂直投影面成直角時(shí)，被設(shè)計(jì)成使得平直不變形的圖像被投影到投影面上。在與上述假定的任何之一相反的情況下，作為結(jié)果在投影面上生成的圖像不會(huì)得到長方形，最好的情況下為梯形，在最差情況下為任意四邊形。將這個(gè)問題稱為梯形失真。
US5548357的“Keys toning and focus correction for an overheadprojector(用于高架投影儀的梯形失真和聚焦校正)”(Appel等在1998年8月18日發(fā)行)記載了顯示測試幻燈片的系統(tǒng)。用戶識別作為相互之間最平行的線對。通過線對的識別，啟動(dòng)使用通過投影儀的水平面和屏幕之間的傾斜角的變形校正程序。
US5795046的“Method for pre-compensating an asymmentricalpicture in a projection system for displaying a picture(在用于顯示一幅圖像的投影系統(tǒng)中預(yù)補(bǔ)償不對稱圖像的方法)”(Woo，在1998年8月發(fā)行)記載了根據(jù)用戶通過鍵盤將位置信息輸入到系統(tǒng)來校正投射角和梯形誤差的系統(tǒng)。
根據(jù)該方法，在對顯示面位于任意方向的投影儀中校正梯形失真。測量相對于顯示面的投影儀的光軸仰角、擺角及方位角。
從仰角、擺角及方位角中求出平面投射變換矩陣。通過投影儀所投影的源圖像根據(jù)平面投射變換矩陣扭曲，并被投影到顯示面上。


圖1b是表示傾斜的放置在臺(tái)面上10上并對著顯示面101的投影儀103。這種情況下，由于光軸和顯示面之間的傾斜角，所投影的圖像104變?yōu)橐恍┏尚螢槿我庑螤畹乃倪呅巍?br> 本發(fā)明記載了將失真圖像104校正為將如圖1所示的所需的長方形102的方法及系統(tǒng)。作為結(jié)果，由此用戶可以將投影儀輕松的放置到表面上，而不用擔(dān)心臺(tái)面上是否完全的水平，另外投影儀的光軸相對于顯示面是否完全是直角。
如圖3a及圖3b所示，在或投影儀傾斜的放置，或臺(tái)面傾斜，或地板傾斜，或者這些的任意組合的情況下，其傾斜可以由3個(gè)角度，即仰角301，擺角303及方位角305來表示。各個(gè)角度是光軸的實(shí)際角度311與光軸的理想的，即相對于顯示面成直角并且不旋轉(zhuǎn)的角度312之間的測量值。在如圖1所示的理想的設(shè)置中，3個(gè)角度全為零度。
在本發(fā)明中，這3個(gè)角度301-303的值使用如圖2所示的安裝在投影儀200上的傳感器來自動(dòng)求出。圖2是表示根據(jù)本發(fā)明的投影儀200。投影儀200具有多個(gè)傳感器例如傾斜傳感器201及202和攝像機(jī)203。傳感器201及202也可以是使用二維加速度計(jì)襯底(board)實(shí)施的加速度計(jì)，例如是模擬設(shè)備公司(Analog Device，Inc.)制造的ADXL-202。攝像機(jī)203也可以是具有數(shù)字輸出信號的任何一個(gè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。攝像機(jī)203取得具有一定的圖案，例如棋盤圖案(checkerboardpattern)的寄存圖像(registration image)的輸入圖像。這是很熟知的。
應(yīng)注意的是，示于圖3的角度301-303也可以通過激光、磁傳感器或陀螺傳感器等其他技術(shù)來檢測。使用幾個(gè)例如1個(gè)或2個(gè)傳感器，可以補(bǔ)償幾個(gè)梯形失真的效果。例如，可以由單個(gè)傳感器校正非零的仰角301。
傳感器201-203被耦接到處理器210上。處理器210是與其硬件及操作系統(tǒng)軟件有關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)。應(yīng)用軟件實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的方法211。方法4001在圖像被投影之前，根據(jù)傳感器201-203所獲得的測量值來扭曲圖像。扭曲使得另外的成為任意四邊形104的投影圖像看起來象長方形。
仰角301及擺角302不具有與投影儀200和顯示面101之間的幾何關(guān)系。因此，這兩個(gè)角度，可以使用傾斜傳感器或重力傳感器來探測或測量。例如，傳感器201最好配置為與投影儀的光軸平行，測量將光軸作為中心的擺角302的傳感器202相對于投影儀的光軸配置為直角。方位角303通過由攝像機(jī)203所觀察到的求出被投影的圖像。
由下面所詳述的，方位角303從被投影圖像中的象素位置和對被投影圖像而言攝像機(jī)203取得的輸入圖像中的對應(yīng)象素之間的1次平面投射變換(單應(yīng)性(homography))中導(dǎo)出。
圖4表示根據(jù)本發(fā)明的扭曲400的步驟。通常，計(jì)算機(jī)應(yīng)用211生成具有大體上表示為A、B、C及D角的長方形圖像400。本方法400求出合適的四邊形401，使得當(dāng)在顯示面1091上投影時(shí)，能看到正確的顯示圖像402(即圖像是長方形并且以現(xiàn)實(shí)世界的感覺來軸校正(axisaligned)哪個(gè)是水平的哪個(gè)是垂直的)。
扭曲400的掃描使用從傳感器測量值所求出的單應(yīng)性(homography)將圖像400變?yōu)樗倪呅蔚?已扭曲)圖像401。扭曲可以是在現(xiàn)有的演示機(jī)(rendering engines)中可利用的如通過結(jié)構(gòu)映射(texure mapping)或圖像扭曲來進(jìn)行的。單應(yīng)性由3個(gè)角度301-303來確定。扭曲后的圖像401成為根據(jù)本發(fā)明傾斜配置的投影儀200的輸入。正確的顯示圖像402是容納于四邊形104的、軸校正的長方形。在圖示的實(shí)施例中，軸位于水平方向及垂直方向。
在使用三維圖像的三個(gè)角度下的演示處理(rendering process)仰角301及擺角302從傳感器201及202直接求出。方位角303由下面的步驟求出。使用校準(zhǔn)攝像機(jī)和投影儀對，就寄存圖像而言，找出攝像機(jī)203所取得的輸入圖像中的特征，例如棋盤圖案的角或線的位置。特征位置在三維在投影儀坐標(biāo)系中找出。投影儀坐標(biāo)系具有在投影儀光學(xué)中心上的投影中心，并具有在投影儀坐標(biāo)系的z軸正方向(positivez-axis)上的光軸。
通過至少3個(gè)特征來求出平面的方程式。該平面的法線是N＝[Nx，Ny，Nz]，x-y平面的投影是Nxy＝[Nx，Ny，0]。標(biāo)準(zhǔn)化的Nxy和投影儀的光軸
的內(nèi)積是方位角的余弦＝cos-1(Nxy.
)。如果求出了3個(gè)角度，有多個(gè)將正確的圖像扭曲及再現(xiàn)的方法。下面表示最佳方法。
投影儀以離開投影儀距離D的距離來照明寬W及高H的圖像。該情況將投影儀作為原點(diǎn)并且顯示面101上的被照明的長方形可以由z＝D時(shí)與x-y平面平行的三維坐標(biāo)系來表示。
被投影的四邊形的范圍沿著x方向的長度是[WLeft，WRight]，沿著y方向的長度是[HBottom，HTop]，則變?yōu)閃＝|WRight-WLoft|及H＝|HTop-HBottom|。該類型的投射錐(projection cone)可以由表示定義焦距和圖像中心的投影儀的內(nèi)部參數(shù)的3×3中心投射矩陣P來表示。
被稱為仰角、擺角及方位角的3個(gè)角度對應(yīng)于3個(gè)3×3旋轉(zhuǎn)矩陣Re，Rr，Ra。目標(biāo)是使源圖像的結(jié)構(gòu)映射到W×H大小的長方形上。長方形在x-y平面中被軸校正，并將原點(diǎn)設(shè)為中心。圖像從演示攝像機(jī)中使用參數(shù)P及下面所定義的變換來計(jì)算。由此，得到所需的扭曲效果。使用下面的變換及投射方程將x-y平面中的長方形上的點(diǎn)[X，Y，0]映射為象素[x，y]。
P*[(Rr*Re*Ra*[X Y 0]T)+[xs，ys，D]T這里，xs＝(WLeft+WRight)/2及ys＝(HBottom+HTop)/2。
第二個(gè)方法通過在對應(yīng)的點(diǎn){m}及{n}的設(shè)置之間使用3×3單應(yīng)性矩陣H將源圖像進(jìn)行扭曲而帶來相同的效果。
在下式成立的情況下，[nx ny 1]T P*[(Rr*Re*Ra*([(mx-xs)(my-ys)0]T)+[xs，ys，D]T)由下式提供單應(yīng)性H[nx ny 1]T H*[mx my 0]T由{m＝(mx，my)}及{n＝(nx，ny)}的4個(gè)或4個(gè)以上的對來求出單應(yīng)性矩陣H是足夠的。用于單應(yīng)性的計(jì)算的侯選{m}的最佳選擇設(shè)置是長方形圖像(image rectangle)W×H的角。
本發(fā)明實(shí)際上可以輕松的放置投影儀，進(jìn)行不失真的正確的成象，而不需要使用花費(fèi)費(fèi)用的機(jī)電調(diào)整。本發(fā)明可以以任意的方向例如上下顛倒和橫放來放置投影儀，通過沿著各個(gè)方向設(shè)置傳感器來檢測正確的成象參數(shù)。
使用特定的術(shù)語及實(shí)施例說明了本發(fā)明?？梢岳斫饪梢栽诒景l(fā)明的精神及范圍內(nèi)進(jìn)行各種其他的適用和變更。因此，附加權(quán)利要求的范圍的目的是全部覆蓋包含于本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍內(nèi)的如此的變形和變更。
權(quán)利要求
1.一種在對顯示面位于任意方向的投影儀中校正梯形失真的方法，其特征在于，包含測量步驟，測量相對于所述顯示面的所述投影儀的光軸的仰角、擺角及方位角；求出步驟，從所述仰角、擺角及方位角求出平面投射變換矩陣；扭曲步驟，根據(jù)所述平面投射變換矩陣扭曲由所述投影儀投影的源圖像；投影步驟，將所述扭曲后的源圖像投影到所述顯示面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述仰角及擺角由傾斜傳感器測量，所述方位角由耦接到所述投影儀上的攝像機(jī)來測量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包含取得步驟，取得寄存圖像的輸入圖像和，求出步驟，從所述輸入圖像求出所述方位角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包含測量步驟，用傾斜傳感器測量所述仰角。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包含測量步驟，用傾斜傳感器測量所述擺角。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包含測量步驟，用攝像機(jī)和投影儀對測量所述方位角。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述投影儀使用激光光線。
8.一種在對顯示面位于任意方向的投影儀中校正梯形失真的系統(tǒng)，其特征在于，具有第一傾斜傳感器，用于測量相對于所述顯示面的所述投影儀的光軸的仰角；第二傾斜傳感器，用于測量相對于所述顯示面的所述投影儀的光軸的擺角；測量攝像機(jī)，耦接到所述投影儀上，測量相對于所述顯示面的所述投影儀的光軸的方位角；求出單元，從所述仰角、擺角及方位角求出平面投射變換矩陣；投影單元，根據(jù)所述平面投射變換矩陣扭曲由所述投影儀投影的源圖像，并用所述投影儀將所述扭曲后的源圖像投影到所述顯示面上。
全文摘要
通過該方法校正在對顯示面位于任意方向的投影儀中的梯形失真。相對于顯示面測量投影儀的光軸仰角、擺角及方位角。從仰角、擺角及方位角求出平面投射變換矩陣。由投影儀投影的源圖像根據(jù)平面投射變換扭曲并投影到顯示面上。
文檔編號H04N17/00GK1465178SQ02802668
公開日2003年12月31日 申請日期2002年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月15日
發(fā)明者R·拉斯卡爾 申請人:三菱電機(jī)株式會(huì)社