CN100341029C - 仿真现场的曲面投影几何校正方法 - Google Patents

Abstract

一种仿真现场的曲面投影几何校正方法，利用计算机三维图形技术创建虚拟屏幕，仿真实际现场环境中眼点和投影仪和显示屏幕之间的几何关系，实现系统布局的数学模型；对于目标图像中的任何一个像素，设其在投影仪视角锥体中的直线，延长至虚拟屏幕上形成一个投影点，通过求取该投影点在眼点视觉锥体中所在直线的方位，得到该投影点在源图像中的本源位置；目标图像的所有像素的色彩值都用以其对应的源图像中的本源位置为参照，通过邻近采样法求得。将图像变换关系构成图像变换参数，利用图像变换参数表实时完成动态图像的曲面投影几何校正。此方法具有适应广泛、简单可靠的优良效果。

Description

仿真现场的曲面投影几何校正方法

技术领域

本发明涉及一种图像显示领域的图像变换方法，特别是涉及一种曲面投影系统中的图像几何矫正方法。

背景技术

在飞行模拟训练、作战指挥、高级娱乐等应用中，逼真的大视场视景是创建沉浸感的主要手段之一，图像通过投影仪在平面或曲面投影屏上形成观察者所感知的整体图像。由于投影仪位置与观察者视点位置有较大差异，投影屏幕往往是柱幕或球形幕，普通画面直接用于投影，在平面或曲面屏幕上的图像会扭曲变形。因此，为适应每一个特定投影系统的实际布局和配置情况，必须对源图像进行几何矫正，才能在屏幕上形成对眼点不失真的几何透视效果。

目前，有几种投影设备，实现了一定条件下的曲面的方法，几何矫正误差大，经常出现折线。至今尚未发现一种便捷的且广泛适用于各种曲面形状(包括平面、柱面、球面等)的、不同角度投影的、图像转换所需的几何矫正方法。

有鉴于上述现状，本设计人基于丰富的实务经验及专业知识，积极加以研究创新，经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题在于，提供一种仿真现场进行几何矫正的图像变换或处理的方法，利用此方法，根据投影系统的现场布局，对源图像进行几何矫正变换，得到可供投影仪直接使用的、在任意形状(包括平面、柱面、球面等)的屏幕上形成对观察者眼点投影视觉效果正确的目标图像。

本发明解决其主要技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的仿真现场的曲面投影几何校正方法是：利用计算机三维图形技术创建虚拟屏幕，仿真实际现场环境中眼点和投影仪和显示屏幕之间的几何关系，实现系统布局的数学模型；对于目标图像中的任何一个像素，设其在投影仪视角锥体中的直线，延长至虚拟屏幕上形成一个投影点，通过求取该投影点在眼点视觉锥体中所在直线的方位，得到该投影点在源图像中的本源位置；目标图像的所有像素的色彩值都用以其对应的源图像中的本源位置为参照，通过邻近采样法求得。将所有目标图像像素与源图像像素的影射关系构成图像变换参数表；利用图像变换参数表实时完成动态图像的曲面投影几何校正；具体采用以下步骤：

步骤1.创建虚拟屏幕，仿真现场环境，对显示屏幕、眼点、投影仪之间的几何关系进行设定，据此确立作为图像变换的几何关系基础；

步骤2.遍历目标图像所有像素，依次对所有单个目标图像像素生成该像素所对应的以源图像中本源位置为参照的、多个相关源图像像素索引值组和权重值组，构成图像变换参数表；

步骤3.利用图像变换参数表，进行曲面投影几何矫正变换，计算出目标图像的各像素色彩值。

本发明解决其技术问题还可以采用以下技术措施来进一步实现。

前述的仿真现场的曲面投影几何校正方法，其中步骤1所述的创建虚拟屏幕是利用至少一个多边形网格或面片组成与实际现场成比例的仿真虚拟曲面屏幕；

仿真现场环境，对显示屏幕、眼点、投影仪之间的几何关系进行设定，包含5个分步骤：

(1)利用至少一个多边形网格或面片组成与实际现场成比例的仿真虚拟曲面屏幕；

(2)根据确定显示屏幕的位置和所要求的画面显示区域，从而设定显示屏幕的显示区域参数；

(3)根据确定的眼点位置，设定眼点视锥的方向参数、大小参数、纵横比参数；

(4)根据已知的投影仪位置和状态，从而设定投影仪的位置参数、视锥方向参数、大小参数、纵横比参数；

(5)生成从投影仪坐标系到世界坐标系、世界坐标系到眼点坐标系的坐标转换矩阵，分别为Mpw和Mwo。

前述的仿真现场的曲面投影几何校正方法，其中步骤2所述的对单个目标图像像素生成该像素所对应的以源图像中本源位置为参照的、多个相关像素索引值和权重值，包含6个分步骤：

(1)在投影仪坐标系，过投影视锥任意选取这样一个参考平面，使与投影仪投影方向垂直；

(2)对于归一化坐标为(U，V)给定目标图像上一个像素点，依其在投影仪视锥中的位置确定其在参考平面上的位置，记为P₁；

(3)计算

P₁’＝P₁MpwMwo；

P₀’＝P₀Mwo；

将投影仪坐标系中的点P₁、投影仪在世界坐标系中的位置P₀变换到眼点坐标系下的P₁’、P₀’；

(4)连接P₀’和P₁’构成矢量线段，与虚拟屏幕某三角形两边的线段矢量组成联立线性方程组，解算此方程组可以判定三角形面片是否与连接P₀’和P₁’所构成的矢量线段相交。另外，采用二分法或其他已知方法也可以判断出三角形面片是否与连接P₀’和P₁’所构成的矢量线段相交。遍历虚拟屏幕各多边形网格或面片，确定P₀’和P₁’的连线与虚拟曲面的相交点，记此交点为P₂’；

(5)根据P₂’在眼点视锥中的方位确定其对应在源图像上的本源位置(u，v)，u，v为源图像中的归一化位置参数，通过邻近采样法计算，形成目标图像各像素对应的多个源图像像素的索引值组和权重值组；

(6)遍历目标图像的所有像素，综合前述的全部索引值组和权重值组，构成实现几何矫正的图像变换参数表。

前述的仿真现场的曲面投影几何校正方法，其中步骤3所述的曲面投影几何矫正变换，是利用图像变换参数表中的参数进行插值计算实现的。单个目标像素的色彩值

C＝c1*s1+c2*s2+……+cn*sn

其中，c1、c2、……、cn为参数表中索引到的源图像相关像素色彩值，s1、s2、……、sn为相关权重。

本发明具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，本发明可以根据具体投影系统现场布局，对计算机或其他方式产生的观察者视点的图像进行几何矫正变换，生成可以直接被投影仪用于投影在包括平面、柱面、球面等的任意形状曲面上的、形成对于眼点透视正确的图像。此方法将源图像与目标图像之间的复杂的空间变换关系，生成为图像变换参数表，从而可以通过查表的方法实现图像变换，达到无须图形引擎也能实现图像复杂三维映射变换。由于生成图像变换参数表是预运算，实时图像变换过程变得简单，既可以用软件实现，也可以利用逻辑电路硬件实现。因此，本发明具有适应广泛、简单可靠的优良效果。实践中，利用本方法的设备所造成的图像几何矫正效果明显优于现有其它各种设备。

综上所述，本发明仿真现场的曲面投影几何校正方法，其在技术发展空间有限的领域中，不论在结构上或功能上皆有较大的改进，且在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，而确实具有增进的功效，从而更加适于实用，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

图1是本发明的曲面投影图像几何矫正原理图。

其中：1.曲面屏幕        2.眼点      3.投影仪

      4.参考平面        5.源图像    6.目标图像

具体实施方式

以下结合附图，对依据本发明提出的仿真现场的曲面投影几何校正方法的原理，详细说明如后。

请参阅图1所示，本发明仿真现场的曲面投影几何校正方法，其主要包括三个坐标系：世界坐标系、投影仪坐标系和眼点坐标系。它针对五个客体：投影仪、虚拟屏幕、观察者的眼睛、源图像和目标图像。虚拟屏幕由三角形网格面片构成。

世界坐标系是表示绝对空间的坐标系，五个客体均处其中。

投影仪坐标系特指以投影仪所在位置为坐标原点、投影仪投影方向为z轴正向、投影仪向上方向为y轴正向的坐标系。

眼点坐标系特指以眼点所在位置为坐标原点、眼点到画面中心为z轴正向、向上方向为y轴正向的坐标系。

请参阅图1所示，本发明仿真现场的曲面投影几何校正方法，在仿真现场时，确定各要素的关系如下：

观察者所看到的图像应当是以眼点为视锥顶点，以源图像为视锥边界的放大图像。

投影生成的图像应当是以投影仪为视锥顶点，以目标图像为视锥边界的放大图像。

由于实际屏幕的形状和投影仪安放位置的限定条件，投影仪与眼点在空间有位置差异，也有角度差异。

当在世界坐标系中针对实际屏幕的投影仪位置和角度、眼点位置和角度确定之后，投影仪坐标系到世界坐标系的转换矩阵，即世界坐标系到投影仪坐标系的变换矩阵的逆矩阵Mpw和世界坐标系到眼点坐标系的转换矩阵Mwo即可确定。

选定参考平面4，使全部虚拟屏幕曲面和投影仪位于它的同一侧。

求解目标图像6中的(U，V)点的像素色彩值时，过投影仪坐标系的原点和(U，V)点做直线，交参考平面4于P1点；利用Mpw和Mwo将投影仪坐标系中的点P₁、投影仪在世界坐标系中的位置P₀变换到眼点坐标系下的P₁’、P₀’；由于参考平面4的选取，使P₀’和P₁’分居在虚拟屏幕曲面的两侧，连接P₀’和P₁’构成矢量线段，与虚拟屏幕某三角形两边的线段矢量组成联立线性方程，解算此方程组可以判定三角形面片是否与连接P₀’和P₁’所构成的矢量线段相交。遍历虚拟屏幕各三角形面片，从而确定此连线与虚拟屏幕某三角形面片相交于P₂’点。

通过计算P₂’在眼点坐标系中的矢量角，即可确定其对应在源图像上的归一化本源位置(u，v)参数，此数一般为浮点数。

假设源图像分辨率为W*H，则源位置(u，v)对应的像素坐标为(W*u，H*v)。一般情况下W*u与H*v为浮点数，故需要对邻近点采样。

本实施例采用双线性插值方法，使用邻近的四个像素进行临近采样：

对于目标图像任一个像素，使用如表1的索引值组和权重值组；

                           表1

	左上	右上	左下	右下
					源像素索引	XI，YI	XI+1，YI	XI，YI+1	XI+1，YI+1
源像素权重	s1	s2	s3	s4

表1中，记W*u的整数部分为XI，小数部分为XF；记H*v的整数部分为YI，小数部分为YF。

对于目标图像中任何一个像素，使用以下公式

C(U，V)＝c1*s1+c2*s2+c3*s3+c4*s4

进行插值计算，得到目标图像上(U，V)处的像素色彩值。其中c1，c2，c3，c4分别为(u，v)位置周围的四个像素(XI，YI)、(XI+1，YI)、(XI，YI+1)、(XI+1，YI+1)的色彩值，而s1，s2，s3，s4为各像素的权重系数。s1＝XF*YF；s2＝(1-XF)YF；s3＝XF*(1-YF)；s4＝(1-XF)(1-YF)。通过对这四个像素色彩值进行插值，就得到对应的目标像素的色彩值。

遍历目标图像所有像素，生成每个像素的变换参数组。所有的像素参数组形成一个图像变换表，记录图像的几何矫正变换关系，据此可完成仿真现场的曲面投影几何校正的准备工作。实时工作过程中，对连续图像根据图像变换表实施插值计算，完成动态的曲面投影几何校正。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1、一种仿真现场的曲面投影几何校正方法，仿真实际现场环境中眼点和投影仪和显示屏幕之间的几何关系，其特征在于：先利用计算机三维图形技术创建虚拟屏幕，再利用上述几何关系，实现系统布局的数学模型；对于目标图像中的任何一个像素，设其在投影仪视角锥体中的直线，延长至虚拟屏幕上形成一个投影点，通过求取该投影点在眼点视觉锥体中所在直线的方位，得到该投影点在源图像中的本源位置；目标图像的所有像素的色彩值都用以其对应的源图像中的本源位置为参照，通过邻近采样法计算；对于确定的邻近采样法，将目标图像像素与源图像像素组之间的映射关系制成图像变换参数表；利用图像变换参数表实时完成动态图像的曲面投影几何校正；具体采用以下步骤：

步骤1.创建虚拟屏幕，仿真现场环境，对显示屏幕、眼点、投影仪之间的几何关系进行设定，据此确立作为图像变换的几何关系基础；

步骤2.遍历目标图像所有像素，依次对所有单个目标图像像素生成该像素所对应的以源图像中本源位置为参照的、多个相关源图像像素索引值组和权重值组，构成图像变换参数表；

步骤3.利用图像变换参数表，进行曲面投影几何矫正变换，计算出目标图像的各像素色彩值。

2、根据权利要求1所述的仿真现场的曲面投影几何校正方法，其特征在于其中步骤1所述的创建虚拟屏幕是利用至少一个多边形网格或面片组成与实际现场成比例的仿真虚拟曲面屏幕；

3、根据权利要求1所述的仿真现场的曲面投影几何校正方法，其特征在于其中步骤2所述的对单个目标图像像素生成该像素所对应的以源图像中本源位置为参照的、多个相关像素索引值和权重值，包含6个分步骤：

(1)在投影仪坐标系，过投影仪视锥任意选取这样一个参考平面，使与投影仪投影方向垂直；

(2)对于归一化坐标为(U，V)的给定目标图像上一个像素点，依其在投影仪视锥中的位置确定其在参考平面上的位置，记为P₁；

(3)计算

     P₁’＝P₁MpwMwo；

     P₀’＝P₀Mwo；

利用坐标转换矩阵Mpw和Mwo，将投影仪坐标系中的点P₁、投影仪在世界坐标系中的位置P₀变换到眼点坐标系下的P₁’、P₀’；

(4)遍历虚拟屏幕各多边形网格或面片，确定P₀’和P₁’的连线与虚拟曲面的相交点，记此交点为P₂’；

(5)根据P₂’在眼点视锥中的方位确定其对应在源图像上的本源位置(u，v)，u，v为源图像中的归一化位置参数，通过邻近采样法计算，形成目标图像各像素对应的多个源图像像素的索引值组和权重值组；

(6)遍历目标图像的所有像素，综合前述的全部索引值组和权重值组，构成实现几何矫正的图像变换参数表。

4.根据权利要求1所述的仿真现场的曲面投影几何校正方法，其特征在于其中步骤3所述的曲面投影几何矫正变换，是利用图像变换参数表中的参数进行插值计算实现的。

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