CN101409790B - 一种高效的多投影仪拼接融合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效的多投影仪拼接融合方法。在现有的几何矫正基础上，用四分之一圆弧作为边缘融合颜色矫正方法的融合曲线，并对漏光现象采用了分级结合线性渐变的亮度补偿方法。本发明所涉及的方法不需要花费大的工作量，并能实现不错的拼接效果，体现了其高效性，可以广泛应用于各类多投影仪拼接显示系统。
Description
技术领域
本发明涉及多投影仪拼接技术，特别地，涉及一种高效的多投影仪拼接融合方法。
背景技术
在以往各种场合，如播放电影，时常采用单投影仪架构，尽管它在图像及视频输出的一致性和完整性方面效果非常好，但由于单投影仪分辨率的不足，难以满足日渐增长的观众在视觉上的需求。距离屏幕越远的观众，看到的图像就越不清晰。多投影仪拼接，正是为了解决此问题而产生的一项技术。它的作用在于，对于高分辨的图像或视频输入源，可以在保持其分辨率和视觉一致性的基础上，通过多台投影仪，输出到单个显示设备如大屏幕等，并实现无缝拼接，从而让观众获得良好的视觉效果。
多投影仪拼接技术，主要分为两个过程，一是几何矫正，二是颜色矫正。
几何矫正，就是将多投影仪的输出拼成一个图像或视频时所产生的“几何形变”消除，还原到初始的几何形状，实现拼接的几何一致性。几何矫正方法又分线性的和非线性的。线性方法的好处在于可扩展性强，且对矫正用相机的要求较低，常用的线性方法有“相机映射树”(Camera Homography Trees)；非线性的方法在精确度上可能会高一些，但是相应地，会带来可扩展性差和矫正过程复杂等问题，常用的方法有“有理贝塞尔曲线”(Rational BezierFunction)。
颜色矫正，就是将多投影仪拼接过程中，由于每台投影仪的光学属性不同及重叠区域偏亮等原因所造成的“颜色差异”消除，在视觉上实现拼接的颜色一致性。已知颜色分为亮度和色度，而人眼对亮度的敏感度要高出色度一个数量级以上，因此颜色矫正主要是针对亮度的矫正。如今的颜色矫正主要有两种思路，一种是“色域匹配”(Gamut Matching)方法，先分别获取反映每台投影仪光学特性的响应曲线(如图1)，并将所有投影仪的颜色统一到公共的颜色区间，这样做虽然能严格保证颜色的一致性，但为了与亮度最低的几台投影仪保持一致，会导致整体亮度受到损失，影响了最终的视觉效果，尽管可以优化，但是所需的工作量也十分巨大，且可扩展性差；另一种就是采用边缘融合方法，就是将各重叠区域内一台投影仪的alpha值朝相邻的另一投影仪方向按照一定的曲线逐渐降低，实现亮度的平缓过渡，可扩展性强。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高效的多投影仪拼接融合方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种高效的多投影仪拼接融合方法，包括以下步骤：
(1)用高分辨率相机分别对每台投影仪拍摄等分屏幕的横线与竖线、全白的图片及整体背景图，并进行图像的预处理；
(2)采用相机映射树方法进行几何矫正，获取每台投影仪的几何矫正矩阵；
(3)采用四分之一圆弧形融合曲线，对重叠区域进行边缘融合；
(4)针对漏光现象采用分级结合线性渐变的亮度补偿方法；
(5)利用步骤(2～4)所得到的矫正参数，对输入的图片或视频用多投影仪在大屏幕等设备上输出矫正后的图片或视频。
本发明的有益效果是：本发明通过四分之一圆弧融合曲线，能够在不获取响应曲线的情况下，使多投影仪拼接显示系统中重叠区域的亮度能够平缓地过渡。这样既节省了获取响应曲线的工作量，又能够得到不错的颜色矫正效果。对于漏光，采用了分级结合线性渐变的方法，考虑了不同亮度的原图片情况，使得拼接后的视觉效果更加良好。
附图说明
图1是投影仪等显示设备的响应曲线示意图。
图2是二行二列投影仪拼接时的重叠区域情况示意图；
图3是重叠区域的融合曲线。
图4是亮度补偿的示意图；
图5是采用本发明所涉及的融合方法后的多投影仪拼接流程示意图。
具体实施方法
在颜色矫正时，若采用色域匹配方法，则需要获取每台投影仪的响应曲线，而我们知道，获取一台投影仪的响应曲线，首先需要在保持相机位置不变的情况连续拍摄数百张的照片，那么对于3行5列的多投影仪拼接系统总共需要拍摄几千张的照片才行，对于更大的系统所需要拍摄的照片数量将更加庞大。因此对较大规模的多投影拼接显示系统采取色域匹配，会是一种劳动密集型的方法，效率比较低，可重复性也差。本发明的多投影仪融合方法，总体思路是采用了边缘融合，这样可以解决效率低的问题，但采用怎样的融合曲线成为了新的研究问题。
漏光现象也是投影仪相关工作中必须解决的一个问题。所谓投影仪漏光，是指当投影仪显示r、g、b皆为0的全黑图像时，投影仪依然会投少量光线。在多投影仪拼接时，尤其是所投图片亮度偏暗时，漏光现象会比较严重地影响拼接效果。因为二重、三重、四重重叠区域漏的光比一重重叠区域要多，从而导致这些重叠区域偏亮。我们希望能从视觉上消除这种漏光现象。图2是二行二列投影仪拼接时的重叠区域情况示意图，可以从中清晰地区分出一重至四重重叠区域。更大规模的多投影仪拼接显示系统都可以视为在此基础上的平行扩展。
首先为了寻找合适的融合曲线，假设是左右两台投影仪重叠，上下情况类似。Left指的是左侧投影仪重叠区域所设置的alpha值，right指的是右侧投影仪重叠区域设置的alpha值，我们的目标是I*left+I*right≈I。因此我们要寻找一条曲线来尽可能地匹配这一条件。
经过反复的实验，最终发现四分之一圆弧形曲线能带来相当好的效果。
还存在一个细节问题，若每次需要的显示图像大小不一致，则原图像重叠区域也是不同的，那么对不同大小图片都计算一次alpha值大小的话就会使减慢运行速度。于是我们使alpha值独立于原图像，使之成为一张新的纹理图像，该图像内只包含alpha值，假设其大小为1024*768，我们只需将帧缓存中的原有效投影区域变换到1024*768即可，同时获得一个变换矩阵，通过这个矩阵就可以计算得到投影时实际每个像素的alpha值。
另外，对于漏光现象，我们采取了亮度补偿方法。由于投影仪的漏光在物理上是无法消除的，因此我们只能增加一重、二重、三重重叠区域的亮度，使之与四重重叠区域的亮度尽可能地接近。
为了增加三重以下重叠区域的亮度值，我们需要比较精确地知道重叠区域的大小，尤其是较为狭窄的三重重叠区域，它对视觉的影响比较大。
实验中还发现，对于不同亮度的原图像进行的补偿量应当是不同的，于是我们采用了分级亮度补偿的方式。
图5是采用本发明所涉及的融合方法后的多投影仪拼接流程示意图，本发明的高效的多投影仪拼接融合方法包括以下步骤(颜色矫正由3和4两个步骤完成)：
1.先用高分辨率相机(位置不变)分别对每台投影仪拍摄等分屏幕的横线与竖线、全白的图片及整体背景图，并进行图像的预处理。
对于每台投影仪，只需要拍三张照片。预处理包括以下内容：将横线竖线的图片颜色减去整体背景颜色，这样做是为了去除噪音，让线条更加明显；调整图片分辨率；再手工修改横线竖线与全白三类图中可能造成识别干扰的区域。
2.采用相机映射树方法进行几何矫正，获取每台投影仪的几何矫正矩阵。
用经过1步处理得到的横线与竖线图片，识别出每条横线与竖线，并求得每台投影仪中达到横竖线在图片空间中的交点坐标，并与这些交点原本已知的在帧缓存中的坐标一一对应起来，建立齐次方程组，求得每个投影仪的矫正矩阵。
3.采用四分之一圆弧形融合曲线，对重叠区域进行边缘融合。
我们依次读取1步处理得到的全白图片，凡读到白色像素点(设一定的灰度阈值，那么在此值以上就是白的)就加1，读完所有图片后即统计出了原投影区域的重叠情况，然后再利用2步获得的矫正矩阵求得在帧缓存中的重叠情况并保存下来，以便在4步显示图像时进行亮度补偿。保存格式为图像形式，如图2所示，其中一重、二重、三重和四重重叠区域的r，g，b值分别为50，100，150，200。
然后用四分之一圆弧形融合曲线对求得的重叠区域进行边缘融合。如图3示出了重叠区域的融合曲线，以左右相邻两台投影仪为例，其alpha值严格按照四分之一圆弧进行改变，将重叠区域大小缩放到0到1之间，两侧投影仪的alpha值严格按照圆弧逐渐下降。三重和四重重叠区域的解决方法与二重重叠区域类似。
4.针对漏光现象，我们采取采用了分级结合线性渐变的亮度补偿方法。
在亮度极大和极小的情况下，亮度差异对视觉的影响可以忽略，因此所需的补偿量基本一致；并在过渡区域采用了线性渐变，这样可以保证在两个极端亮度区间转换的过程中，变化比较平缓，不会在视觉上出现闪烁的情况。图4是亮度补偿的示意图，采用了分级结合线性渐变的方法。图中的分界点与斜率都是通过反复实验所获得的效果较佳的值。
5.利用2～4步所得到的矫正参数，对输入的图片或视频，用多投影仪在大屏幕等播放设备上输出矫正后的图片或视频。
每台投影仪对应集群的一台机器，每台机器都预先备份了所要播放的图片或视频文件以及矫正参数。播放开始时，先由一台主机向集群的每台机器发送消息，后者收到消息并投放自己对应的那部分图片，通过多纹理的方式进行拼接。为了实现图片刷新的同步，对网络设置有一定要求。图片各部分先经过几何变形，再通过边缘融合与亮度补偿，投影出完整的图片，实现无缝拼接。
Claims (3)
1.一种高效的多投影仪拼接融合方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)用高分辨率相机分别对每台投影仪拍摄等分屏幕的横线与竖线、全白的图片及整体背景图，并进行图像的预处理；
(2)采用相机映射树方法进行几何矫正，获取每台投影仪的几何矫正矩阵；
(3)采用四分之一圆弧形融合曲线，对重叠区域进行边缘融合；
(4)针对漏光现象采用分级结合线性渐变的亮度补偿方法，其中，针对极大亮度区间和极小亮度区间各自采用基本一致的补偿量，在这两个区间中间的过渡区域采用线性渐变补偿；
(5)利用步骤(2)到(4)所得到的矫正参数，对输入的图片或视频进行矫正，并用多投影仪在大屏幕上输出矫正后的图片或视频。
2.根据权利要求1所述的高效的多投影仪拼接融合方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述图像的预处理包括以下内容：将横线竖线的图片颜色减去整体背景颜色，调整图片分辨率，再手工修改横线竖线与全白三类图中可能造成识别干扰的区域。
3.根据权利要求1所述的高效的多投影仪拼接融合方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：根据步骤(1)处理得到的横线与竖线图片，识别出每条横线与竖线，并求得每台投影仪对应的横竖线在图片空间中的交点坐标，并与这些交点原本已知的在帧缓存中的坐标一一对应起来，建立齐次方程组，求得每个投影仪的几何矫正矩阵。
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