CN101572787A - 基于计算机视觉精密测量多投影视景自动几何校正和拼接方法 - Google Patents
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Abstract
基于计算机视觉精密测量多投影视景自动几何校正和拼接方法属大视场超高分辨率图像显示处理。计算机自动控制的带激光头经纬仪为测量基于人的视点显示墙经纬度分布情况的设备，数码相机拍摄记录激光点位置，计算机识别经纬仪激光点在数码相机图象上的位置并反演计算出激光点在投影源图象中的坐标位置，投影源图象中坐标点的经纬度为当前经纬仪的测量角度。在投影源图象二维坐标空间建立经纬度网格对应的图象网格将待显示图象按经纬度网格数据分布进行划分或对三维视景模型场景数据按照经纬度网格进行渲染，每块图象映射到图象网格，生成视觉上无几何畸变和无缝拼接多投影图象。本发明有效解决了现有技术难题，校正和拼接过程自动进行，效率高，质量好。
Description
技术领域
本发明涉及图像显示处理，特别涉及大规模多通道投影显示系统的图象校正和拼接方法。
背景技术
随着工业，商业、娱乐和科学可视化的高速发展，对高分辨率和大视场显示系统的需求越来越强烈。目前主流的显示设备，分辨率通常只有几百万象素左右。由于技术上的限制不可能做到超大视场和高分辨率来满足人们对显示系统的需求。采用单个设备无法满足目前的需求，而采用多投影仪无缝拼接成的大屏幕显示系统则能较好地解决这个问题。高分辨率多投影显示系统采用多个投影仪组合成为大屏幕系统，它比普通的标准投影系统具备更大的显示尺寸、更宽的视野、更多的显示内容以及更具冲击力和沉浸感的视觉效果。
所有的投影机在设计时都是针对平面投影屏幕的，投射出的画面也是矩形的(通常为4∶3或16∶9)，而当这样的投影仪把图像投射到非平面的投影屏幕时，就会导致每台投影机投影图像画面出现图像变形失真，这种图像变形失真现象为非线性失真。为了在曲面屏幕上得到正确的图像显示效果，就必须图像进行实时变形处理，这种图像变形失真矫正处理被称之为非线性失真几何校正。所以对于多通道非平面投影系统而言，解决图像非线性失真和图像拼接是个关键问题。
传统的多投影显示系统大多是通过将多个阴极射线显示器CRT或者液晶LCD显示屏进行硬件拼接来构建，难以实现无缝拼接，而且不易维护和扩展。近年来，由投影仪阵列组成，并借助于软件技术实现对齐与融合的多投影显示系统成为一个研究热点。
计算机视觉测量具有非接触，测量范围广，信息量大等优势，能够便捷、有效地给出环境信息，是其它类型传感器无法比拟的。视觉测量主要研究从二维图象信息认知三维世界空间信息以及视觉测量系统构成。
现有的多投影显示墙几何校正研究大多集中在平面屏幕或假定为二次参数曲面进行几何校正上。对比文件1：Brown M，Majumder A，Yang R G.Camera-based calibration techniques for seamless multi-projectordisplays[J].IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics，2005，11(2)：193-206)，给出了平面屏幕的几何校正主要方法。对比文件2：Rasker R，Van B J，Willwacher T.Quadric Transfer for Immersive CurvedDisplay[C].EUROGRAPHICS 2004给出了假定为二次参数曲面进行几何校正的方法。而对于任意光滑曲面屏幕的大规模多投影显示系统自动几何校正的系统还很少报道。非平面屏幕的多投影显示系统几何校正通常的工程做法是：假定已知显示墙的参数，根据已知参数，以人的观察视点为基准，面向各个显示墙，在视锥体上生成需要的校正经纬度网格。将生成的网格投射到显示墙，依赖人的主观视觉感受，移动网格点，使投影仪内部网格格点分布在视觉上满足设定的经纬度网格均匀度，相邻投影仪在重叠部分网格对齐。将平面图象按照视锥体经纬度网格进行划分按照调整的图象网格进行纹理映射，或者对三维视景模型场景数据按照经纬度网格进行渲染，最后整个投影显示系统就生成经过几何校正和配准的图象。这种做法的缺点是：1、显示墙面加工很难按照规定的参数进行加工，甚至有些屏幕根本不可能用数学模型表示，预生成的网格有较大的偏差；2、需要人工反复调整，才能使整个投影系统图象配准，在移动经纬度投影成像网格过程中，很难计算投影成像网格对应的经纬度值的变化。当屏幕参数和估计的数学模型相差较大情况下，即使强行将经纬度投影成像网格调整对齐，如果不能准确得到对应的经纬度的变化，得到的图象畸变较为严重，人的肉眼能够感觉，并且播放有高速运动物体的画面时运动目标可能会出现抖动现象。
发明内容
本发明的目的是针对现有的曲面显示墙多投影视景几何校正的不足，提出一种基于计算机视觉精密测量多投影显示系统图象自动几何校正和拼接方法，以达到有效提高图像视觉效果。
本发明是在本发明人的已申请专利《投影仪投影图象与计算机帧缓存图象之间象素几何位置对应关系精确获取方法》，申请号200710050911.5和研究成果2：Jun Zhang，BangPing Wang，XiaoFeng Li，Geometric Calibration ofProjector Imagery on Curved Screen Based-on Subdivision Mesh，GeometricModeling and Processing 2008.HangZhou：592～600)的基础上进行的。在申请号为200710050911.5的专利申请中，我们提出了一类图案，用于实际测量投影图象在屏幕上的变形特征，并利用插值算法建立投影成象和计算机帧缓存图象之间象素级对应关系，可方便地获取图像的特征图像。在研究成果中2，提出了插值细分算法。按照上述专利文件和成果2，投影成象和计算机帧缓存图象之间象素级对应关系的实验测定数据表明平均象素误差0.744897959个象素，最大象素误差3个象素，完全能达到多通道投影显示系统图象校正和视觉无缝拼接效果。基于上述两项成果，针对任意光滑曲面，本发明实现了一种基于计算机视觉精密测量多投影显示系统图象自动几何校正和拼接方法。
本发明的目的是这样实现的：采用可计算机控制的经纬仪作为测量基于人的视点显示墙经纬度分布情况的设备；经纬仪上安装激光头，能产生激光束，用数码相机拍摄记录激光点位置的图象；利用计算机视觉技术识别出经纬仪激光点在数码相机图象上的位置并反演计算出激光点在投影源图象中的坐标位置，投影源图象中的坐标点处的经纬度为当前经纬仪的测量角度，由此在投影源图象二维坐标空间上建立图象网格；将经纬仪放在人的观察位置，通常通过经纬仪在显示墙上生成同行纬度相等，同列经度相等的矩阵网格。将待显示图象按照经纬度网格数据分布特点进行划分并将每块图象映射到图象网格或者将三维视景模型按照经纬度网格进行图像渲染，就可以完成当前屏幕图象的视觉上的几何畸变校正，同时在各个投影仪之间生成视觉上几何无缝拼接多投影显示图象。
具体步骤是：
(1)将经纬仪放在人通常观看的显示系统位置，经纬仪的旋转轴心和普通人的观察视点等高。
(2)测出各个投影仪在显示墙上经纬度范围和相邻投影图象的融合带经纬度并将这些参数记录在计算机文件中。
(3)根据投影系统各个屏幕的经纬度参数配置文件，计算屏幕需要的经纬度网格。
(4)向视景客户端发送特征图形，计算机控制数码相机采集特征图形的投影成像并识别，建立投影成像和计算机帧缓存图象坐标空间象素级对应关系；向视景客户端发送命令显示纯黑图象。
(5)按照(3)计算的经纬度网格，计算机发送指令指挥经纬仪旋转到指定的经纬度点；用相机拍摄图象并识别出经纬仪产生的激光点，根据(4)投影成像和计算机帧缓存图象坐标空间象素级对应关系，反算出激光点在投影源图象坐标空间中的位置。
(6)重复(5)直到测量完当前所有经纬度网格点在投影源图象坐标空间中的位置，形成与经纬度网格对应的源图象坐标空间矩阵校正网格。
(7)对下一通道投影仪的校正过程采用(4)～(6)步骤，直到所有通道图象校正网格形成完为止。
(8)将各个投影通道图象按照经纬度网格划分，并在校正网格进行纹理映射或者对三维视景模型场景数据按照经纬度网格进行渲染，最终得到几何校正和无缝拼接的多通道投影图象显示系统。
所述利用计算机视觉技术识别出经纬仪激光点在数码相机图象上的位置并反演计算出激光点在投影源图像中的坐标位置和经纬度网格逆映射到计算机源图象坐标空间网格是运用投影仪在显示墙上投影显示的图象和计算机帧缓存图象之间象素级映射关系计算得到。
所述计算机自动控制的经纬仪是指可以通过计算机向经纬仪发送经纬度控制命令，经纬仪的旋转机构可以将带动经纬仪上的激光指示器，将激光点转动到指定的空间经纬度位置处。
本发明的积极效果是：
1、在基于计算机视觉精密测量的基础上，多通道投影图象几何校正配准的经纬度网格和对应的图象坐标网格是通过精密测量得到，并非只是通过人的感觉。对于任意光滑曲面显示墙，通过测量有限的经纬度网格点就可以在视觉上完成投影仪内图象的几何畸变校正，和多投影仪图象之间几何无缝拼接，有效解决了现有技术的难题。
2、整个图象校正和拼接过程自动进行，不需要人的过多参与，有效提高了工作效率和质量。
附图说明
图1多投影图象几何校正和拼接系统硬件结构图；
图2三通道投影图象校正和拼接前显示图象；
图3三通道投影图象校正和拼接后的显示图象；
图4三通道投影图象校正和拼接后的显示图象，在视点处正对显示墙的图象几何校正和拼接效果。
具体实施方式
多投影图象几何校正和拼接系统硬件结构参见图1。整个系统由校正服务器，计算机可控的经纬仪，计算机可控的数码相机，搭载相机的云台等组成。计算机自动控制的经纬仪通过计算机向经纬仪发送经纬度控制命令，经纬仪的旋转机构可以将带动经纬仪上的激光指示器，将激光点转动到指定的空间经纬度位置处。应用投影仪在显示墙上投影显示的图象和计算机帧缓存图象之间象素级映射关系，将经纬度投影成像网格逆映射到计算机源图象坐标空间网格。
计算机向经纬仪发送测量角度指令时，经纬仪应能转动到指定的经纬度。我们已经实现了一种利用通用的计算机可控制的二自由度云台搭载激光指示器的经纬度测量设备。将经纬仪放置在人观察的视点位置，激光束与显示墙交点位置处的经纬度为经纬仪当前测量的经纬度。由于在整个三维空间，经纬度的分布是连续的，无缝的。用经纬仪可以在整个显示墙上建立无缝的拼接经纬度网格，应用投影仪在显示墙上投影显示的图象和计算机帧缓存图象之间象素级映射关系，将经纬度网格逆映射到计算机源图象坐标空间网格。将各个投影通道图象采用纹理映射方式，映射到这些源图象坐标网格，生成视觉上无缝拼接多投影显示图象。通常是通过经纬仪在显示墙上建立同行纬度相等，同列经度相等的经纬度矩阵网格。
具体校正过程如下：
(1)将经纬仪放在人通常观察位置，经纬仪的旋转轴心和普通人的观察视点等高。
(2)为加快自动化校正速度，先测出各个投影仪在显示墙上经纬度范围和相邻投影图象的融合带经纬度范围并将这些参数记录在计算机文件中。
(3)根据投影系统各个屏幕的经纬度参数配置文件，计算屏幕的要求经纬度网格。
(4)向视景客户端发送特征图形；计算机控制数码相机采集特征图形的投影成像并识别，建立投影成像和计算机帧缓存图象坐标空间象素级对应关系；向视景客户端发送命令显示纯黑图象。其中，特征图像的获得是按照中国专利200710050911.5《投影仪投影图象与计算机帧缓存图象之间象素几何位置对应关系精确获取方法》所公开的方式获得。
(5)按照(3)计算的经纬度网格，计算机发送指令控制经纬仪旋转到指定的经纬度点；用相机拍摄图象并识别出经纬仪产生的激光点，根据(4)投影成像和计算机帧缓存图象坐标空间象素级对应关系，反算出激光点在投影源图象坐标空间中的位置。
(6)重复(5)直到测量完当前所有经纬度网格点在投影源图象坐标空间中的位置，形成与经纬度网格对应的源图象坐标空间校正网格。
(7)对下一通道投影仪的校正过程采用(4)～(6)步骤，直到所有通道图象校正网格形成完为止。
(8)将各个投影通道图象按照经纬度网格划分，并在校正网格进行纹理映射，最终将得到几何校正和无缝拼接的多通道投影图象显示系统。
上述校正方法为非迭代校正方法，每个屏幕的校正过程一次完成，完成图象校正和拼接速度快。采用上述自动化校正法产生的经纬度网格是以人观察点为基准，根据显示墙的实际情况测量得到，产生的经纬度网格有误差很小，由此校正的图象在观察视点观看几乎不会看到图象畸变。校正过程自动进行，人的参与少。
Claims (4)
1、一种基于计算机视觉精密测量多投影视景自动几何校正和拼接方法，其特征在于：采用计算机自动控制的经纬仪作为测量基于人的视点显示墙经纬度分布情况的设备，经纬仪上安装激光头，能产生激光束；用数码相机拍摄记录激光点位置的图像；利用计算机视觉技术识别出经纬仪激光点在数码相机图象上的位置并反演计算出激光点在投影源图像中的坐标位置，投影源图象中的坐标点处的经纬度为当前经纬仪的测量角度，由此在投影源图象二维坐标空间上建立图象网格；将经纬仪放在人的观察位置，通过经纬仪在显示墙上生成同行纬度相等，同列经度相等的矩阵网格；将待显示图象按照经纬度网格数据分布特点进行划分并将每块图象映射到图象网格或者将三维视景模型按照经纬度网格进行图像渲染，完成单个投影仪屏幕内图象的视觉上的几何畸变校正，同时在各个投影仪之间生成视觉上几何无缝拼接多投影显示图象。
2、如权利要求1所述的基于计算机视觉精密测量多投影视景自动几何校正和拼接方法，所述自动几何校正和拼接的具体步骤是：
(1)将经纬仪放在人通常观察位置，经纬仪的旋转轴心和普通人的观察视点等高；
(2)测出各个投影仪在显示墙上经纬度范围和相邻投影图象的融合带经纬度范围并将这些参数记录在计算机文件中；
(3)根据投影系统各个屏幕的经纬度参数配置文件，计算屏幕的要求经纬度网格；
(4)向视景客户端发送特征图形，计算机控制数码相机采集特征图形的投影成像并识别，建立投影成像和计算机帧缓存图象坐标空间象素级对应关系；向视景客户端发送命令显示纯黑图象；
(5)按照(3)计算的经纬度网格，计算机发送指令指挥经纬仪旋转到指定的经纬度点；用相机拍摄图象并识别出经纬仪产生的激光点，根据(4)投影成像和计算机帧缓存图象坐标空间象素级对应关系，反算出激光点在投影源图象坐标空间中的位置；
(6)重复(5)直到测量完当前所有经纬度网格点在投影源图象坐标空间中的位置，形成与经纬度网格对应的源图象坐标空间矩阵校正网格；
(7)对下一通道投影仪的校正过程采用(4)～(6)步骤，直到所有通道图象校正网格形成完为止；
(8)将各个投影通道图象按照经纬度网格划分或者对三维视景模型场景数据按照经纬度网格进行渲染，并在校正网格进行纹理映射，最终得到几何校正和无缝拼接的多通道投影图象显示系统。
3、如权利要求1所述的基于计算机视觉精密测量多投影视景自动几何校正和拼接方法，其特征在于：所述利用计算机视觉技术识别出经纬仪激光点在数码相机图象上的位置并反演计算出激光点在投影源图像中的坐标位置，是应用投影仪在显示墙上投影显示的图象和计算机帧缓存图象之间象素级映射关系，将经纬度投影成像网格逆映射到计算机源图象坐标空间网格。
4、如权利要求1所述的基于计算机视觉精密测量多投影视景自动几何校正和拼接方法，其特征在于：所述计算机自动控制的经纬仪是指可以通过计算机向经纬仪发送经纬度控制命令，经纬仪的旋转机构可以将带动经纬仪上的激光指示器，将激光点转动到指定的空间经纬度位置处。
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