CN100501559C - 具有用于测量倾斜角的设备的投影仪 - Google Patents

Abstract

一种投影仪包括：投影设备；相交线位置信息获取设备，其用于获取该投影设备的投影表面和与该投影表面相交的平面之间的相交线的位置信息；倾斜检测设备，其用于基于该相交线位置信息获取设备所获取的位置信息，计算该投影设备的投影光轴与该投影表面之间的倾斜角；以及图像失真校正设备，其用于基于由该倾斜检测设备所计算的倾斜角，校正提供给该投影设备的输入图像的梯形失真。

Description

具有用于测量倾斜角的设备的投影仪

技术领域

本发明涉及一种投影仪以及一种用于校正梯形失真的方法，其中该投影仪具有一个用于测量投影设备的投影光轴与投影表面之间的倾斜角的设备。

背景技术

随着固态像素显示设备技术的快速发展，使得投影仪变得体积更小且性能更高，因此用于投影图像的投影仪正被广泛使用，并作为用以替代家用显示型电视机的大型显示装置而变得更具有吸引力。

然而，由于投影仪不像显示型电视机，它可将图像投影到诸如屏幕或墙面的投影表面上，因此所显示的图像易于被失真的趋势，这取决于投影仪的投影光轴和投影表面之间的相对关系。日本专利未决公开No.281597/97的说明书等公开了一种调节液晶显示单元的角度的处理方法。该处理方法具有：检测液晶投影仪的安装角的步骤，以及检测该液晶投影仪与图像要投影到的投影表面之间的距离的步骤。根据所公开的处理方法，液晶显示单元的角度需要机械地进行调节。

还公开了一种投影仪装置，该装置检测从投影透镜到屏幕的距离，计算倾斜角，然后基于所检测的距离自动校正失真。详见日本专利未决公开No.355740/92，81593/2000以及122617/2000的说明书等。

然而，在检测到屏幕的距离的这些现有技术系统或处理方法中，距离测量设备与投影仪是独立地。没有利用被投影的图像。而且，如果屏幕由一个向着投影仪突出的框所环绕，或者该屏幕向远离投影仪的方向倾斜，那么所测量的距离和实际到屏幕的距离并不总是相符合。

日本专利未决公开No.169211/2001的说明书等公开一种校正失真的处理方法，其通过从可控角度的激光指示器向弯曲的屏幕投射聚束光点来校正失真。根据所公开的处理方法，由投影仪产生光点图像并将其投射到屏幕上，并且聚束光点和所投射的光点图像由用于测量它们的位置的照相机所捕获。移动光点图像直到它与聚束光点重叠，然后在帧存储器中，将光点图像的像素坐标用聚束光点的坐标来替代，并被存储在坐标转换参数存储器中。尽管该处理方法对精确地获得角度来说很出色，但它需要控制激光指示器的不同角度(位置)的装置，并且还需要复杂的系统配置，这是因为必须使用激光指示器和具有二维成像元素阵列的数码相机。

根据在市面上出售的另一种公开的投影仪，当屏幕垂直设置时，由重力传感器来检测容易导致失真的投影仪在垂直方向的倾斜。该失真依靠所检测到的倾斜来校正。详细参见日本未决专利公开No.5278/2003的说明书等。然而，如果屏幕没有垂直设置或者屏幕相对于投影仪的投影光轴在水平面上倾斜，那么这种投影仪就不能正确地校正失真。

一旦检测到投影仪装置的光轴在垂直和水平方向上相对于屏幕的倾斜角，图像就可以依靠诸如变换投影仪的帧存储器的坐标等等的传统技术，没有失真地从投影仪投影到屏幕上。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有梯形失真校正设备的投影仪，其中该设备能够以简单的机构对投影表面的水平和垂直方向上相对于投影仪的投影光轴的倾斜角进行测量，以用于校正由投影仪投影到投影表面的图像的失真。

根据本发明的一个方面，一种投影仪包括：投影设备；相交线位置信息获取设备，其用于获取该投影设备的投影表面和与该投影表面相交的平面之间的相交线的位置信息；倾斜检测设备，其用于基于该相交线位置信息获取设备所获取的位置信息，来计算该投影设备的投影光轴与该投影表面之间的倾斜角；以及图像失真校正设备，其用于基于由该倾斜检测设备所计算的倾斜角，校正提供给该投影设备的输入图像的梯形失真。

根据本发明的另一方面，一种投影仪包括：投影设备；相交线位置信息获取设备，其用于获取该投影设备的投影表面和与该投影表面相交的平面之间的相交线的位置信息；垂直倾斜角获取设备，其用于检测该投影设备的投影光轴在垂直面上的倾斜角；倾斜检测设备，其用于基于该相交线位置信息获取设备所获取的位置信息，来计算在水平面上投影光轴和投影表面之间的倾斜角；以及图像失真校正设备，其用于基于由该倾斜检测设备所计算的水平面上的倾斜角并基于由该垂直倾斜角获取设备所计算的垂直面上的倾斜角，校正提供给该投影设备的输入图像的梯形失真。

根据本方面的又一方面，一种校正投影仪的梯形失真的方法，包括以下步骤：获取投影设备的投影表面和与该投影表面相交的平面之间的相交线的位置信息；基于所获取的位置信息，计算该投影设备的投影光轴与该投影表面之间的倾斜角；以及基于所计算的倾斜角，校正提供给该投影设备的输入图像的梯形失真。

本发明在能以简单机构校正图像的梯形失真的方面上具有优越性，这是因为基于作为该投影表面的基本上垂直的墙面和与该墙面相交的平面之间的相交线的位置信息，能够计算投影表面相对于该投影仪的投影光轴的水平和垂直倾斜角。

如果该投影仪还包括一个垂直倾斜传感器，那么只需要基于该相交线的位置信息获取水平倾斜角。在这种情况下这就足够了，因为在图像传感器的成像范围内只出现前墙和天花板之间的相交线，并且该相交线非常可能出现。因此，本发明可应用于较宽的使用范围，更容易对由于投影仪的水平和垂直倾斜而产生的梯形失真进行校正。

本发明的上述和其它目的、特征和优点将从参考示出本发明实施例的附图所进行的下列描述中变得显而易见。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的具有梯形失真校正设备的投影仪的方框图；

图2A至图2C分别是根据该第一实施例的具有梯形失真校正设备的投影仪的前视图、侧视图和平面图；

图3A和图3B分别是水平和垂直方向上的截面图，示出了当这样设置投影仪以使得图像传感器的成像范围包括墙壁、邻接前墙的天花板和地板以及前墙时，所投影的图像范围和图像传感器成像范围；

图4是示出当按照图3A和图3B所示设置投影仪时该图像传感器的成像设备所捕获的图像的视图；

图5A和图5B分别是水平和垂直截面图，示出了当这样设置投影仪以使得沿着在水平面上相对于前墙倾斜的投影仪的投影光轴投影图像时，所投影的图像范围和图像传感器成像范围；

图6是示出当按照图5A和图5B所示设置投影仪时该图像传感器的成像设备所捕获的图像的视图；

图7是示出从图4所示的所捕获的图像中检测到的前墙和天花板之间的相交线的视图；

图8A和图8B是示出从图6所示的所捕获的图像中检测到的前墙和天花板之间的相交线的视图；

图9A和图9B分别是平面图和侧视图，示出了图5A和图5B所示的前墙和天花板之间的实际相交线，以及由图像传感器的成像设备所捕获的图像中的相交线图像；

图10是示出当这样设置投影仪以使得投影仪的机身只相对于前墙垂直倾斜时，由图像传感器的成像设备所捕获的图像的视图；

图11A和图11B是示出当这样设置投影仪以使得投影仪相对于前墙在水平及垂直上倾斜时，由图像传感器的成像设备所捕获的图像的视图；

图12A和图12B是示出当前墙正面面对投影仪并相对于该投影仪倾斜时，投影仪和前墙之间的关系的视图；

图13是根据本发明第二实施例的具有梯形失真校正设备的投影仪的方框图；

图14是根据该第二实施例的用于校正梯形失真的处理方法的流程图；

图15是根据第三实施例的具有梯形失真校正设备的投影仪的方框图；

图16A至图16C是示出激光定位设备的配置和操作的视图；以及

图17A和图17B是示出为了获取作为投影表面的前墙和天花板之间的相交线的处理方法的视图，其中该天花板与前墙的上边沿连在一起。

具体实施方式

下面将参考图1和2A至2C描述具有根据本发明第一实施例的梯形失真校正设备的投影仪。

如图1和2A至2C所示，投影仪10具有：具备投影透镜21和显示单元22的投影设备20、用于控制由显示单元22产生的图像的图像控制器23、梯形失真校正设备30以及用于控制投影仪10全部操作的中央处理单元60。梯形失真校正设备30计算作为投影表面70的前墙与投影仪10之间的倾斜角，并校正输入到梯形失真校正设备30的图像的失真。图像控制器23基于来自梯形失真校正设备30的输出信号，控制显示单元22的图像，从而校正在投影表面70显示的图像的失真。根据中央处理单元60的预定处理自动地校正图像失真。

根据本发明的第一实施例，梯形失真校正设备30具有图像传感器50、图像捕获器31、倾斜检测器32、图像输入单元41和图像失真校正电路33。图像传感器50具有成像透镜51和成像设备53。成像透镜51设置于投影仪10的前表面上，并具有沿预定方向的光轴以及预定的成像范围。成像设备53与成像透镜51的光轴垂直设置。成像设备53检测穿过成像透镜51的光，并输出由所检测的光表示的图像的所需位置信息。成像设备53具有覆盖成像透镜51的成像范围的成像表面。成像设备53具有二维固态成像设备，例如摄像管或CCD(电荷耦合器件)，用于将图像作为像素集合来输出。图像捕获器31从成像设备53中捕获图像，作为图像信息。倾斜检测器32分析所捕获的图像的位置信息，并计算前墙和投影仪10之间的倾斜角。图像失真校正电路33基于由倾斜检测器32所计算的倾斜角，校正提供给图像输入单元41的图像的梯形失真。将表示由投影设备20所投影的图像的视频信息提供给图像输入单元41，并将输出信号提供给图像控制器23。

根据本发明第一实施例的投影仪10利用在作为投影表面70的前墙面和与该前墙面相交的天花板或地板之间的水平相交线的位置信息，以及/或者在作为投影表面70的前墙面和与该前墙面相交的侧墙面之间的垂直相交线的位置信息。具体地，基于由图像传感器50的成像设备53所获得的相交线的位置信息，计算投影仪10的投影设备20的投影光轴27与投影表面70之间的水平和/或垂直倾斜角。

可通过各种处理方法来获得相交线的位置信息。有两种可用于成像设备53获取图像中的相交线的位置信息的处理方法。根据第一种处理方法，获取相交线的位置信息，作为在所捕获的图像中的亮度变化线，它表示从投影仪10的前面包括投影表面70的反射表面所发射的全部反射光，其通过成像透镜51到成像设备53。在这种处理方法中，相交线需要被包括在图像传感器50的成像范围中。由于成像装置是数码相机，并且相交线通常被识别为亮度变化点的集合，因此可通过分析是否存在一定数量的亮度变化来获得该位置信息。由于作为投影表面70的前墙面与成像透镜的光轴之间所形成的夹角，以及与作为投影表面70的前墙面相交的侧墙面、天花板或地板和成像透镜的光轴之间所形成的夹角，极大地不同，所以通常检测由成像设备53所产生的图像中的相交线作为反射光的亮度中的变化。滤波或其它合适的处理方法都可用于图像数据中，以获取清晰的极限线。

如果投影设备20的投影范围可充分地扩展到覆盖天花板、地板或侧墙，那么就可采用第二种处理方法。根据第二种处理方法，两个或多个测试图案从投影设备20投影到包括投影表面70的前表面，并获取出现在反射光的所捕获的图像上的测试图案的弯曲点，其中这两个或多个测试图案的每一个都包括垂直或水平的直线。计算在作为投影表面的平面以及与该平面相交的平面之间的相交线，作为与弯曲点相连的直线。

例如，当多个垂直的测试图案被投影到作为投影表面70的墙面以及与该墙面相交的天花板上时，由于该墙面相对于投影光轴27倾斜，因此就在天花板和该墙面上产生弯曲的测试图案的图像。弯曲的测试图案的图像的反射光经过投影仪10的成像透镜51，并作为测试图案的图像提供给成像设备53的成像表面上。每个测试图案的图像都包括两条直线，它们在位于天花板和墙面之间的相交线上在相交点相交。两条相交的直线的每一组都由直线公式来确定，其中该公式采用这两条直线的每一条上的两个检测点的坐标。直线之间的相交点被确定为在所确定的直线之间的相交点，并且该相交线可从根据直线公式所获得的两个相交点的坐标来确定。这种处理方法可应用于具有固态图像显示设备的投影仪中。

下面将描述根据本发明第一实施例的在投影仪的梯形失真校正设备中计算投影光轴和投影表面之间的倾斜角的处理方法。假设投影透镜21的投影光轴27与成像透镜51的光轴互相平行地放置。如果投影透镜21的投影光轴27和成像透镜51的光轴不是互相平行的，那么就可以基于已知的投影透镜21的投影光轴27和成像透镜51的光轴之间的关系，计算投影透镜21的投影光轴27和投影表面70之间的倾斜角。

图3A和图3B分别是水平和垂直方向上的截面图，示出了当这样设置投影仪以使得图像传感器的成像范围包括墙壁、邻接前墙的天花板和地板以及前墙时，所投影的图像范围和图像传感器成像范围。图4是示出当按照图3A和图3B所示设置投影仪时该图像传感器的成像设备所捕获的图像的视图。

所投影的图像范围71是显示从投影透镜21所投影的图像的范围，而图像传感器成像范围72是由图像传感器50所捕获的图像的范围。投影仪10通常如此设置以便将图像投影到前墙61上，使得该图像在水平方向上显示在前墙61的基本中心区域上，并设计为在垂直方向上以轻微向上的角度来投影图像。因此，所投影的图像关于投影仪10的水平线在从前到后的方向上轻微向上。图像传感器50的成像范围比投影仪10的所投影的图像范围宽。如果投影仪10按图3A、图3B和图4来设置，那么前墙61、右侧墙62、左侧墙63、天花板64和地板65都包括在图像传感器50的成像范围中。

投影仪通常设置在水平面的倾斜方向上，其投影光轴与前墙相倾斜。这是因为不仅在垂直方向上，而且还在水平方向上校正所投影的图像的梯形失真的功能。图5A和图5B分别是水平和垂直截面图，示出了当这样设置投影仪以使得沿着在水平面上相对于前墙倾斜的投影仪的投影光轴投影图像时，所投影的图像范围和图像传感器成像范围。图6是示出当按照图5A和图5B所示设置投影仪时该图像传感器的成像设备所捕获的图像的视图。

到这里，有必要使用指出所投影的位置的调整条或指示器，手动地校正水平梯形失真。根据另一处理方法，如果屏幕设置在墙上，那么可通过检测屏幕的框来自动地校正水平梯形失真。然而，如果图像直接投影在墙上，那么仍需要手动调整水平梯形失真。

如果图像是从只在水平方向上倾斜的投影仪10投影的，如图5A和图5B所示，那么图像传感器50的成像设备53捕获如图6所示的图像。在图6中，前墙61和天花板64之间以及前墙61和地板65之间的相交线，被捕获以作为倾斜的相交线，它们与图4所示的所捕获的图像不同。

梯形失真校正设备30的倾斜检测器32根据上述的处理方法，检测由图像传感器50的成像设备53产生并由图像捕获器31捕获的图像中的这些相交线，产生用于检测图像失真的参数，并将所产生的参数输出到图像失真校正电路33中。

下面将描述倾斜检测器32的操作。图7是示出从图4所示的所捕获的图像中检测到的前墙和天花板之间的相交线的视图。图8A和图8B是示出从图6所示的所捕获的图像中检测到的前墙和天花板之间的相交线的视图。图8A示出了所捕获的图像，而图8B示出了水平和垂直参考线，以确定在所捕获的图像中的相交线的位置信息。水平和垂直参考线作为假定线，并关于建立在所捕获的图像中心的原点来定义。检测到的前墙和天花板之间的相交线以粗线来示出。

通过比较图7、8A和8B可清晰地了解，如果投影仪10将图像投影到前墙61，并且其机身在水平面上倾斜，那么在投影透镜21附近设置的图像传感器50也在水平面上关于前墙61倾斜，结果，相交线被识别为图像中的倾斜相交线。

如果投影仪10的机身只在水平面上关于前墙61倾斜，那么前墙61和投影仪10的机身之间的倾斜角可通过采用由图像传感器50所识别的位置信息，计算图8A和8B中在所捕获的图像中的前墙图像61b和天花板图像64b之间的相交线66b的倾斜角来确定。

下面将描述识别前墙61和投影仪10的机身之间的倾斜角的处理方法。假设前墙61垂直延伸而天花板64水平延伸，前墙61和天花板64彼此垂直相交，并且通过连接前墙61和天花板64的边缘而产生的相交线垂直于垂直方向地延伸。如果投影仪10只在水平面上倾斜，那么就根据上述处理方法从由图像传感器50所捕获的图像中检测相交线66b，如图8A所示。

如图8B所示，分别在所捕获的图像的中央C的左侧和右侧以给定间距来设置左垂直参考线V1和右垂直参考线V2。假设相交线66b分别在相交点a0、a1与左垂直参考线V1和右垂直参考线V2相交，并且假设穿过中心C的中央垂直参考线V0在第一水平参考线H1穿过的相交点与相交线66b相交。相交点a0、a1的位置信息可由以中心C为原点的二维坐标系统中的坐标x，y来表示。在图8B中，在相交点a0、a1之间的相交线66b的部分以粗线来示出。

如果投影仪10的投影光轴27只在水平面上关于前墙61倾斜，那么由图像传感器50的成像设备53捕获前墙的图像61b和右侧墙的图像62b之间的相交线67b，作为图像中的垂直线。然而在相交线66b的相交点a0、a1之间的线段没有在图像传感器50所捕获的图像中水平延伸，尽管前墙61和天花板64之间的实际相交线是水平延伸的。

图9A和图9B分别是平面图和侧视图，示出了图5A和图5B所示的前墙和天花板之间的实际相交线，以及由图像传感器的成像设备所捕获的图像中的相交线图像。图9A和图9B中的虚线表示用于解释图像传感器50的成像设备53的成像表面的假想平面V。假想平面V垂直于光轴55延伸，其中该光轴55经过成像设备53的成像表面的中心C以及成像透镜51的中心52。假想平面V在与假想平面V平行地延伸的成像设备53的成像表面上以缩小的比例显示。

如果假想平面V经过图9A和图9B的相交点a0，那么相交线66b与左垂直参考线V1和右垂直参考线V2的两个相交点a0、a1，在假想平面V上被捕获为a0和a1’。现在假设：

(1)相交点a1和假想平面V之间的距离用L来表示，

(2)假想平面V和成像透镜中心52之间的平行于光轴55的距离用LO来表示，

(3)在水平面上与光轴55垂直的方向上的相交点a1、a1’之间的距离用WC来表示，

(4)假想平面V上的相交点a0、a1’之间的水平距离用WT来表示，

(5)在水平面上，光轴55和连接成像透镜中心52与相交点a1的直线之间所形成的夹角用β来表示，

(6)在水平面上，光轴55和图像传感器成像范围72的极限线之间所形成的夹角用β0来表示，

(7)在相交线66b和假想平面V之间所形成的夹角用φ来表示，

(8)在包括光轴55的水平面与相交点a0之间的垂直距离用Ha0来表示，

(9)在包括光轴55的水平面与相交点a1’之间的垂直距离用Ha1来表示，

(10)在包括光轴55的水平面与一个相交点之间的垂直距离用H0来表示，其中该相交点是图像传感器成像范围72的极限线和假想平面V之间的相交点，

(11)在垂直面上，光轴55和连接成像透镜中心52与相交点a1的直线之间所形成的夹角用θ来表示，以及

(12)在光轴55和图像传感器成像范围72的极限线之间所形成的夹角用θ0来表示。

水平地设置实际相交点a0、a1。然而，由于传感器50具有三维放射状的范围72，因此当如图9B所示在横向上观察相交线66b的线段a0-a1时，捕获相交点a1，好像它以角度θ旋转到达图像传感器50的成像范围的整个角度(θ0×2)。换句话说，因为由图像传感器50所捕获的二维图像作为投射到图9B所示的假想平面V上的点的集合，所以捕获相交点a1，好像它被投射到假想平面V上的点a1’。

相交点a1和假想平面V之间的距离L由下列公式来确定：

tanθ0＝H0/L0，L0＝H0/tanθ0

tanθ＝Ha1/L0，L0＝Ha1/tanθ

H0/tanθ0＝Ha1/tanθ，tanθ＝tanθ0×Ha1/HO

由于tanθ0是已知的，并且Ha1、HO可从由成像设备53所产生的图像中确定，所以tanθ并由此θ也可以计算得出。然后距离L可通过下列用于三角的a0、a1、a1’的公式来确定：

L＝(Ha0-Ha1)/tanθ

参考图9A，相交线66b的线段a0-a1倾斜于假想平面V。如上参考图9B所描述的，由于图像传感器50所捕获的图像具有三维放射状范围72，因此实际点a1作为假想平面V上的点a1’被捕获，如图9A所示。前墙61与垂直于图像传感器50的光轴55的平面之间的将在最后确定的倾斜角φ，可由下列公式来确定。首先，tanβ可由下列公式来确定，这是因为图像传感器成像范围72的夹角β0是已知的，并且WT和W0是从成像设备53所捕获的图像中确定的，如图8A和8B所示：

tanβ0＝WO/2L0，L0＝W0/2tanβ0

tanβ＝WT/2L0，L0＝WT/2tanβ

W0/2tanβ0＝WT/2tanβ，tanβ＝tanβ0×WT/W0

接着，倾斜角φ可由下列公式来确定，这是因为WC和WT是从成像设备53所捕获的图像中确定的：

L＝WC/tanβ

φ＝tan^-1（L/(WC+WT)}

因为上述计算包括三角函数，而这些三角函数会对包含在投影仪中的中央处理单元60带来很重的负荷，因此可通过访问预先准备的并表示光轴27与投影表面70之间的水平倾斜角和从位置信息中所获得的变量之间的关系的表，来确定水平倾斜角。可选地，上述计算可由高性能CPU来处理。由于tanθ/tanθ0约等于θ/θ0，因此可通过下列近似来确定距离L而没有显著误差：

θ＝θ0×Ha1/H0

根据用于减少要由中央处理单元60执行的计算量的另一种处理方法，上述三角关系值可以作为数据表存储在存储器中，并且该存储的数据可以从存储器中读出。可选地，表可存储在存储器中并可从中将其读出，其表示由图像传感器上的诸如(xa0，ya0)，(xa1，ya1)的(x，y)坐标所表示的点a0、a1之间的关系以及角度数据。点a0、a1之间的关系和最终图像转换所需的任何其它的数据也可以存储在存储器中。这种处理方法可大大减少要由中央处理单元60执行的计算量。

图像传感器的透镜通常具有失真。通常必须考虑到这种透镜的失真以便精确地计算位置信息，在本实施例中亦如此。在这种情况下，由图像传感器获得的点的位置信息可被表示为位置信息(x0，y0)，并且位置信息(x0，y0)通过参考失真校正表，可在上述计算之前被转换为位置信息(x0’，y0’)。以这种方式，就能考虑到透镜的失真来校正图像传感器的透镜的梯形失真，并且不必在单独的处理中校正该失真。

图像失真校正电路33通过使用上述处理方法所识别的倾斜角，按照一种已知的处理方式，为校正图像的梯形失真而产生校正参数。这些参数被应用到输入图像中，并且可自动地校正其梯形失真。

如果投影仪10的机身只相对于前墙61垂直倾斜，那么图像传感器50如图10所示捕获图像。图10是示出当这样设置投影仪以使得投影仪的机身只相对于前墙垂直倾斜时，由图像传感器的成像设备所捕获的图像的视图。在这种情况下，如同投影仪只在水平面上相对于前墙倾斜的情况，前墙的图像61c与右侧墙的图像62c之间的相交线67c的倾斜角可以按与上述方法相同的方式来计算。然后计算投影仪10的机身在垂直方向上相对于前墙61的倾斜角，这使得投影仪10可自动地校正所投影的图像的梯形失真。

下面将描述当投影仪10的机身相对于前墙61在水平和垂直方向上皆倾斜时用于计算倾斜角的处理方法。在这种情况下，图11A和图11B所示的图像由图像传感器来捕获。图11A和图11B是示出当这样设置投影仪以使得投影仪相对于前墙水平地及垂直地倾斜时，由图像传感器的成像设备所捕获的图像的视图。图11A示出了所捕获的图像，而图11B示出了高亮的相交线。相交线66d和相交线67d在相交点e0处连接。相交线66d在图像中有左端点e1。相交线67d和成像范围的极限线在相交点e2互相相交。中央垂直参考线V0和中央水平参考线H0经过作为原点的图像中心C。右垂直参考线V3和第二水平参考线H2经过相交点e0。在这种处理方法中，首先提取前墙的图像61d和天花板的图像64d之间的相交线66d，以及前墙的图像61d和右侧墙的图像62d之间的相交线67d。然后计算相交点e0、端点e1和相交点e2的x，y和z坐标。

线段e0-e1、e0-e2可明确地以相交点e0的坐标(x，y，z)、在线段e0-e1与水平线之间所形成的夹角φh、在线段e0-e2与垂直线之间所形成的夹角φv以及在这些线段之间所形成的夹角φc来表示。

图12A和图12B是示出当前墙正面面对投影仪并相对于该投影仪倾斜时，投影仪和前墙之间的关系的视图。在这些图中，假设该投影仪是固定的，并且假设前墙关于该固定的投影仪旋转。图12B是示出线段S的平面图，其中该线段S表示在图像传感器的成像范围内旋转的垂直墙壁。线段S关于枢轴点Cr0旋转，即：当从图像传感器50看时在前后方向中移动。随着线段S关于枢轴点Cr0旋转，位于线段S终端的参考点d0也向着点d1或点d2移动。

可以在由图像传感器所捕获的图像中的夹角ψ所表示的范围内检测参考点d0的移动。夹角ψ是由点d2和点d1所定义的，其中点d2位于从图像传感器50看去参考点d0与枢轴点Cr0重合的位置(这种情况通常不会出现，因为这意味着墙旋转到被认为是与图像传感器50重合的角位置)，并且点d1位于从图像传感器50绘制出的假想线与线段S形成的直角的位置(墙的右侧被认为是当从图像传感器50看时指向图像传感器50)。无论如何，相应于相交线图像的参考点以假想平面V的旋转角进行移动。如果投影仪10相对于前墙的倾斜角是0度，那么相交线如图4A和图4B所示是水平或垂直的。这样，可通过关于x轴和y轴旋转假想平面V以转换相交点e0、e1、e2的坐标，并通过找到线段e0-e1和线段e0-e2分别为水平和垂直时的旋转角，来确定投影仪10相对于前墙的倾斜角。

可选择地，前墙的倾斜可通过在图像传感器50所捕获的如图11B所示的图像中识别e0(x，y，z)、φh、φv、φc来计算。由于图像传感器的旋转角可与这些参数一起识别，因此也可以检测投影仪10的机身相对于垂直方向上的倾斜角。梯形失真校正设备30的倾斜检测器32基于检测到的投影仪10的机身相对于墙面的倾斜角，计算投影表面的参数，例如其位置和形状。将所计算的参数应用到图像失真校正电路33，投影设备20自动地向墙面投影适当形状的图像，即无失真图像。

通常，最好应该这样安装投影仪以使所投影的图像不是显示在天花板或侧墙上，而是只显示在前墙上。由于相交线的位置信息是从所检测的倾斜角中获得的，因此可以只将所投影的图像投影在前墙上。

在上述实施例中，通过使用前墙与连接到该前墙的表面之间的相交线，来获取投影仪和前墙之间的倾斜角。然而，还可以通过使用前墙和与该前墙接触的例如水平课桌之间的接触线来获取该角度。

下面将描述根据本发明第二实施例的在投影仪的梯形失真校正设备中计算投影光轴和投影表面之间的倾斜角的处理方法。图13是具有根据本发明第二实施例的梯形失真校正设备的投影仪的方框图。梯形失真校正设备30具有采用传统加速度检测器的倾斜传感器(G传感器)，其中例如用于在安装机器时对其定中心。倾斜传感器是垂直倾斜传感器54，用于精确地测量相对于重力方向上的倾斜角，并用于将所测量的倾斜角作为数值数据输出。根据该第二实施例的投影仪的其它细节与根据第一实施例的投影仪相同，与第一实施例相同的部分将由相同的附图标记来表示，并且在下面不再详细描述。

根据第一实施例，图像的梯形失真只基于从图像传感器50捕获的图像中所获得的信息来校正。为了获取投影仪10在水平和垂直方向上相对于前墙61的倾斜角，就必须使诸如前墙61和天花板64之间的相交线66的水平相交线以及诸如前墙61和右侧墙62之间的相交线67的垂直相交线被包含在图像传感器成像范围中。由于通常将图像投影到墙的上区域中，因此前墙61和天花板64之间的相交线66通常包括在图像传感器成像范围72中。然而，因为通常图像向着墙的中上区域投影，所以前墙61和侧墙62、63之间的相交线67通常被排除在图像传感器成像范围72之外。

如果只基于前墙61和天花板64之间的相交线66来校正图像失真，那么投影仪10的机身就需要水平放置，这是因为不能关于垂直倾斜来校正图像失真。因此，如果存在着垂直倾斜，那么也不能正确地校正图像失真。

根据第二实施例，垂直方向上的倾斜角由垂直倾斜传感器54来检测，并被输入到倾斜检测器32中。图像捕获器31从成像设备53中捕获图像，并将前墙61和天花板64之间的相交线66的位置信息提供给倾斜检测器32。倾斜检测器32基于该位置信息计算在水平方向上的倾斜角。倾斜检测器32将所计算的在水平方向上的倾斜角，以及由垂直倾斜传感器54所检测的在垂直方向上的倾斜角，输出到图像失真校正电路33。图像失真校正电路33产生LSI控制参数，校正从图像输入单元41输入的图像的垂直和水平方向上的梯形失真，并将校正的图像数据输出到图像控制器23。

在所描述的实施例中，垂直倾斜传感器54是加速度传感器或利用重力的重力传感器。然而，垂直倾斜传感器54可以是用于检测投影仪10的机身的倾斜机构的倾斜角的设备。

下面将参考图14描述根据第二实施例的校正梯形失真的处理方法。这种处理方法包括以下步骤：基于在图像传感器成像范围中的墙面和天花板之间的相交线的位置信息来识别水平方向上的倾斜角，从垂直倾斜传感器中获取垂直方向上的倾斜角，以及校正投影中显示单元上的输出图像。首先，在步骤S1中，从图像传感器50的成像设备53中获取图像信息。然后，倾斜检测器32在步骤S2从该图像信息中获取前墙图像61b和天花板图像64b之间的相交线66b，在步骤S3中获取图像中的左参考线和右参考线V1、V2与相交线66b的相交点a0、a1。然后倾斜检测器32在步骤S4中为相交点a0、a1指定坐标。其后，倾斜检测器32在步骤S5中，基于垂直方向上两个相交点之间的距离、在光轴55和图像传感器成像范围的极限线之间的垂直方向上的距离以及图像传感器成像范围的垂直夹角θ0，来计算在平行于光轴的方向上两个相交点之间的距离。接着，倾斜检测器32在步骤S6中，基于平行于光轴的方向上的两个相交点之间的距离、在水平方向上两个相交点之间的距离以及图像传感器成像范围的水平夹角β0，来计算投影仪的水平方向上的倾斜角，在步骤S7中从垂直倾斜传感器54中获取投影仪的垂直方向上的倾斜角，并将所获取和所计算的角度数据输出给图像失真校正电路33。图像失真校正电路33在步骤S8中产生LSI控制参数，并在步骤S9中控制投影仪图像处理LSI电路。然后校正输入图像24，并显示单元22在步骤S25中产生输出图像25。当输出图像25投影到投影表面70上时，与输入图像24相似的图像就显示在投影表面70上。

下面将描述用于计算在根据本发明第三实施例的投影仪的梯形失真校正设备中的投影光轴和投影表面之间的倾斜角的处理方法。图15是具有根据本发明第三实施例的梯形失真校正设备的投影仪的方框图。

在第一和第二实施例中，图像传感器50和图像捕获器31获取作为投影表面的平面和与该平面相交的另一平面之间的相交线的位置信息。根据第三实施例，激光定位设备150和位置获取器131用于获取相交线的位置信息。激光定位设备150通过激光指示器151将激光束指到所需位置，其中该激光指示器151能够在包括由投影仪投影的图像的预定范围内投射激光束。当在作为投影表面的平面和另一平面之间的相交线上的所需位置上选择两个或多个点时，位置获取器131在假定图像上获取该相交线的位置信息，并将所获取的位置信息输出到倾斜检测器32。按照与第一和第二实施例相同的方式，倾斜检测器32处理所提供的位置信息，以计算投影设备20的投影光轴27与投影表面70之间的倾斜角。

根据第三实施例的投影仪与第一实施例的投影仪在配置和操作上都是相同的，只是第三实施例具有激光定位设备150和位置获取器131，代替了图像传感器50和图像捕获器31。与第一实施例相同的部分将采用相同的附图标记来表示，下面将不再详细说明。

可采用各种有效的处理方法通过激光定位设备150来获取相交线的位置信息。下面将以实例来描述一种典型的处理方法。在这种处理方法中，采用一种能够控制激光方向并通过输入的信号来确定假定图像中的激光束位置的激光定位设备，其中是在激光束与相交线重合时输入该信号。

图16A至图16C是示出激光定位设备的配置和操作的视图。图16A示出了激光指示器的操作方式。图16B示出了限制激光指示器的移动的方式。图16C示出了激光定位设备的安装方式。激光定位设备150具有激光指示器151，该激光指示器151可在垂直和水平方向上关于枢轴点152移动，如图16A所示。激光指示器151具有管状部件，其穿过具有H型孔的板154，如图16B所示。因此，在沿着H型孔的方向上从激光指示器151投射激光束。枢轴点152与用于测量水平和垂直方向上的位移(角)的位移获取器(未示出)组合。激光指示器151是手动移动的。激光定位设备150安装在投影仪10的投影透镜21附近，如图16C所示。

图17A和图17B是示出为了获得作为投影表面的前墙和天花板之间的相交线的处理方法的视图，其中该天花板与前墙的上边沿连在一起。图17A示出了房间的垂直截面图，图17B示出了在位置获取器中获取的假定图像中的两点a0、a1的情形。激光指示器151垂直及水平地移动，如图17A所示，以在墙之间的相交线上指示激光束。当激光束指向该相交线时，按下激光定位设备150上的按钮以便识别该位置，激光定位设备150将激光束的位置作为位置信息输出到位置获取器131的假定图像中。当以这种方式获取在位置获取器131中的假定图像中两点a0、a1时，如图17B所示，通过根据参考图8A、8B和9A、9B所描述的第一实施例的处理方法，就能获得投影仪10的投影光轴27相对于投影表面70的倾斜角。

尽管已经使用专有术语对本发明的优选实施例进行了描述，但这种描述只是用于说明性的，可以理解能够不偏离权利要求的精神或范围作出改变和修改。

Claims (18)

1.一种投影仪，包括：

投影设备；

相交线位置信息获取设备，其用于获取投影表面和与该投影表面相交的平面之间的相交线的位置信息；

倾斜检测设备，其用于基于该相交线位置信息获取设备所获取的位置信息，来计算该投影设备的投影光轴与该投影表面之间的倾斜角；以及

图像失真校正设备，其用于基于由该倾斜检测设备所计算的倾斜角，来校正提供给该投影设备的输入图像的梯形失真，

其中所述位置信息包括作为投影表面的前墙和与该前墙垂直相交的天花板或地板之间的水平相交线的位置信息以及作为投影表面的前墙和与该前墙垂直相交的侧墙之间的垂直相交线的位置信息。

2.根据权利要求1的投影仪，

其中该相交线位置信息获取设备具有图像传感器，其具有成像透镜和成像设备，用于捕获包括由该投影设备所投影的图像的预定的成像范围，以及

其中该倾斜检测设备基于该相交线和在成像范围中建立的参考线之间的相交点的位置信息，从由成像设备所捕获的图像中检测该相交线，并计算倾斜角。

3.根据权利要求1的投影仪，其中该倾斜检测设备被配置为基于位置信息来计算水平面上的倾斜角，其中该位置信息是通过将投影设备前面的前墙用作投影表面，并将与该前墙相交且水平延伸的天花板或地板用作与该投影表面相交的平面来获得的。

4.根据权利要求1的投影仪，其中该倾斜检测设备被配置为基于位置信息来计算垂直面上的倾斜角，其中该位置信息是通过将投影设备前面的前墙用作投影表面，并将与该前墙相交且垂直延伸的墙用作与该投影表面相交的平面来获得的。

5.根据权利要求1的投影仪，其中倾斜检测设备被配置为基于位置信息来计算水平和垂直平面上的倾斜角，其中该位置信息是通过将投影设备前面的前墙用作投影表面，并将与该前墙相交且水平延伸的天花板或地板，以及与该前墙相交且垂直延伸的墙用作与该投影表面相交的平面来获得的。

6.根据权利要求2的投影仪，其中该倾斜检测设备：

通过使用两个相交点之间的垂直距离、图像传感器的光轴和该图像传感器的成像范围的极限线之间的垂直距离，以及该成像范围的垂直夹角，来计算在平行于投影光轴的方向上的两个相交点之间的距离；以及

通过使用平行于投影光轴的方向上的两个相交点之间的距离、该两个相交点之间的水平距离，以及该成像范围的水平夹角，来计算水平面上的倾斜角。

7.根据权利要求2的投影仪，其中该倾斜检测设备：

具有包含表示以下关系的数据的表：

(a)两个相交点之间的垂直距离，与水平面上的倾斜角之间的关系；

(b)图像传感器的光轴和该图像传感器的成像范围的极限线之间的垂直距离，与水平面上的倾斜角之间的关系；

(c)成像范围的垂直夹角、两个相交点之间的水平距离，与水平面上的倾斜角之间的关系；

(d)成像范围的水平夹角，水平面上的倾斜角，与水平面上的倾斜角之间的关系；以及

基于该表计算水平面上的倾斜角。

8.根据权利要求2的投影仪，其中倾斜检测设备通过检测所捕获的图像中的位置来检测该相交线，其中该位置是应用到成像设备的反射光的亮度发生改变的位置。

9.根据权利要求2的投影仪，其中投影设备投影至少两个垂直或水平的直线测试图案，并且倾斜检测设备从测试图案应用到成像设备的反射光的所捕获的图像中获取弯曲点，并计算连接弯曲点的直线，从而检测该相交线。

10.根据权利要求1的投影仪，其中该相交线位置信息获取设备具有激光定位设备和位置获取器，其中该激光定位设备用于在包括由投影设备所投影的图像的预定范围内投射激光束，而该位置获取器用于获取假定图像中的所投影的位置的位置信息；以及

倾斜检测设备通过使用假定图像中的位置信息来检测该相交线，并基于该相交线与在假定图像中建立的预定参考线的相交点的位置信息，来计算倾斜角。

11.一种投影仪，包括：

投影设备；

相交线位置信息获取设备，其用于获取投影表面和与该投影表面相交的平面之间的相交线的位置信息；

垂直倾斜角获取设备，其用于在垂直面上检测该投影设备的投影光轴的倾斜角；

倾斜检测设备，其用于基于该相交线位置信息获取设备所获取的位置信息，来计算在水平面上投影光轴和投影表面之间的倾斜角；以及

图像失真校正设备，其用于基于由该倾斜检测设备所计算的水平面上的倾斜角并基于由该垂直倾斜角获取设备所检测的垂直面上的倾斜角，来校正提供给该投影设备的输入图像的梯形失真，

其中所述位置信息包括作为投影表面的前墙和与该前墙垂直相交的天花板或地板之间的水平相交线的位置信息以及作为投影表面的前墙和与该前墙垂直相交的侧墙之间的垂直相交线的位置信息。。

12.根据权利要求11的投影仪，其中该相交线位置信息获取设备具有图像传感器，其用于捕获包括由该投影设备所投影的图像的预定的成像范围；

该垂直倾斜角获取设备具有垂直倾斜传感器，用于在垂直面上检测该投影光轴的倾斜角；以及

该倾斜检测设备具有倾斜检测器，用于通过使用由该成像设备所捕获的图像，检测在该投影设备前面的前墙和与该前墙相交且水平延伸的天花板或地板之间的相交线，基于该相交线与在成像范围中建立的参考线的相交点的位置信息来计算水平面上的倾斜角，以及从该垂直倾斜传感器中获取垂直面上的倾斜角。

13.根据权利要求12的投影仪，其中该倾斜检测设备：

通过使用两个相交点之间的垂直距离、图像传感器的光轴和该图像传感器的成像范围的极限线之间的垂直距离，以及使用该成像范围的垂直夹角，来计算在平行于投影光轴的方向上的两个相交点之间的距离；以及

通过使用平行于投影光轴的方向上的两个相交点之间的距离、该两个相交点之间的水平距离，以及该成像范围的水平夹角，来计算水平面上的倾斜角。

14.根据权利要求12的投影仪，其中该倾斜检测设备：

具有包含表示以下关系的数据的表：

(a)两个相交点之间的垂直距离，与水平面上的倾斜角之间的关系；

(b)图像传感器的光轴和该图像传感器的成像范围的极限线之间的垂直距离，与水平面上的倾斜角之间的关系；

(c)成像范围的垂直夹角，两个相交点之间的水平距离，与水平面上的倾斜角之间的关系；

(d)成像范围的水平夹角，水平面上的倾斜角，与水平面上的倾斜角之间的关系；以及

基于该表计算水平面上的倾斜角。

15.根据权利要求12的投影仪，其中该倾斜检测设备通过检测在所捕获的图像中的位置来检测该相交线，其中该位置是应用到成像设备的反射光的亮度发生改变的位置。

16.根据权利要求12的投影仪，其中投影设备投影至少两个垂直或水平的直线测试图案，并且倾斜检测设备从测试图案应用到成像设备的反射光的所捕获的图像中获取弯曲点，并计算连接弯曲点的直线，从而检测该相交线。

17.一种校正投影仪的梯形失真的方法，包括以下步骤：

获取投影表面和与该投影表面相交的平面之间的相交线的位置信息；

基于所获得的位置信息，计算该投影设备的投影光轴与该投影表面之间的倾斜角；以及

基于所计算的倾斜角，校正提供给该投影设备的输入图像的梯形失真，

其中所述位置信息包括作为投影表面的前墙和与该前墙垂直相交的天花板或地板之间的水平相交线的位置信息以及作为投影表面的前墙和与该前墙垂直相交的侧墙之间的垂直相交线的位置信息。。

18.一种校正投影仪的梯形失真的方法，包括以下步骤：

获取投影表面和与该投影表面相交的平面之间的相交线的位置信息；

基于所获得的位置信息，计算该投影设备的投影光轴与该投影表面之间在水平面上的倾斜角；以及

基于重力加速度，计算垂直面上的投影光轴的倾斜角；以及

基于所计算的在水平面和垂直面上的倾斜角，校正提供给该投影设备的输入图像的梯形失真，

其中所述位置信息包括作为投影表面的前墙和与该前墙垂直相交的天花板或地板之间的水平相交线的位置信息以及作为投影表面的前墙和与该前墙垂直相交的侧墙之间的垂直相交线的位置信息。。

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