CN103713457A - 用于360°环幕多投影系统的几何校正装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于360°环幕多投影系统的几何校正装置，包括环形屏幕，用于向环形屏幕投影图像的多投影阵列，和与所述多投影阵列连接的控制器，所述的环形屏幕上设有标准点列图，该标准点列图上分布标准点阵列，并设有通过多投影阵列投影到环形屏幕上的预畸变点列图，还包括用于采集所述环形屏幕上显示图像的图像获取设备，所述的控制器还用于接收所述图像获取设备所拍摄的图像并进行分析校正。本发明还公开了一种用于360°环幕多投影系统的几何校正方法。本发明操作简便，通过初始设置后，校正过程不需要人工干预，自动化程度高。

Description

用于360°环幕多投影系统的几何校正装置和方法

技术领域

本发明涉及计算机图形学和投影技术领域，尤其涉及一种用于360°环幕多投影系统的几何校正装置。

背景技术

随着现代科技的不断发展，人们对于视觉影像技术的要求越来越高。传统的液晶显示、投影显示等平面显示技术在分辨率、对比度、响应速度等各项技术指标上遇到了瓶颈，随之而来的将是环幕显示系统的快速发展。环幕显示系统是由多台投影仪（通道）和环形投影屏幕组成，屏幕角度通常从100°到360°不等。由于其屏幕半径宽大，观众的视觉完全被包围，再配合环绕立体声系统，使参与者充分体验一种高度身临其境的三维立体视听感受，获得一个具有高度沉浸感的虚拟仿真可视环境，是传统平面显示设备不能比拟的。由于环幕显示系统需要由多台投影仪在环形银幕上同步放映，这就要求每台投影仪必须投射出准确的投影画幅，否则会导致无法取得很好的视觉效果。因此，显示系统的后期几何校正工作就显得尤为重要。

现有的多投影系统自动校正方法多数是针对小于180°的弧形屏幕，例如专利公开号为 102841767A的发明专利公开了一种多投影拼接几何校正方法及校正装置，并具体提出了一种基于投影仪、投影屏幕和摄像机三者之间的映射关系计算，校正投影仪的畸变和图像几何位置的方法，但是它有其应用的局限性，比如无法应用在360°投影显示屏上。例如，现有文献（参见Qing Zhong, Yifan Peng, Haifeng Li, Chen Su, Weidong Shen, and XuLiu, “Multiview and light-field reconstruction algorithms for360°multiple-projector-type 3D display”,  Applied Optics, Vol. 52, Issue 19,pp. 4419-4425 (2013)）中提出了一套360°环幕多投影三维显示装置，就超出了现有的几何校正装置的能力范围，需要有能力更强的校正装置为之服务。

发明内容

本发明的目的在于突破现有多投影系统几何校正装置的局限性，设计一种可以用于360°环幕多投影系统的几何校正装置及方法，用于校正投影仪自身存在的图像畸变和由于装调产生的几何位置偏差，该系统操作简便，通过初始设置后，校正过程不需要人工干预，自动化程度高。

一种用于360°环幕多投影系统的几何校正装置，包括环形屏幕，用于向环形屏幕投影图像的多投影阵列，和与所述多投影阵列连接的控制器，所述的环形屏幕上固定有标准点列图，该标准点列图上分布标准点阵列，并设有通过多投影阵列投影到环形屏幕上的预畸变点列图，还包括用于采集所述环形屏幕上显示图像的图像获取设备，所述的控制器还用于接收所述图像获取设备所拍摄的图像并进行分析校正。

所述的标准点列图是打印在白纸上的标准点阵列，图的宽度等于屏幕宽度，长度等于环形屏幕的周长，点的排布间据与所设计的预畸变点列图中点的理论排布间距相同；且所述的多投影阵列由环列的多台投影仪组成。

一个实施例中，所述的图像获取设备为全景镜头，图像获取设备用于拍摄投影仪投影到环形屏幕上的图像，用于下一步的图像处理工作。图像获取设备可以是全景镜头，全景镜头可以拍摄360°的图像。

在另一个实施例中，所述的图像获取设备包括旋转台，固定在旋转台上的底座和安装于底座上的CCD相机，且旋转台受控于所述的控制器，所述的底座顶面为斜面，所述的CCD相机安装在斜面上。旋转台可精密转动，并带动CCD相机实现360°拍摄。图像获取设备应安装在环形屏幕的下方，还不能阻挡投影仪的光路。

所述标准点列图上的标准点间距与所述预畸变点列图上的预畸变点间距相同，标准点与预畸变点存在一一映射关系，用于图像的几何校正。

控制器分别与多投影阵列中的每台投影仪和图像获取设备相连，所述的控制器一是根据图像生成算法产生多投影阵列的投影图像，再将不同的图像分别送入对应的投影仪，二是用来接收图像获取设备得到的图像，通过本专利提出的校正方法进行图像处理，计算得到正确的映射关系，从而生成目标图像。

本发明还提供了一种用于360°环幕多投影系统的几何校正方法，包括以下步骤：

1）将标准点列图固定在环形屏幕上，控制第i台投影仪投射全白图像于环形屏幕上的显示区域，其他的投影仪处于待机状态，并利用图像获取设备获取投影区域内的标准点列图图像；

2）通过第i台投影仪投射预畸变点列图于环形屏幕上，并通过图像获取设备获取投影区域内的预畸变点列图图像；

3）控制器分别识别标准点列图图像和预畸变点列图图像中的标准点和预畸变点，并对标准点和预畸变点进行一一映射，得到所有映射对应点之间的映射关系矩阵集；

4）控制第i+1台投影仪投射全白图像于环形屏幕上的显示区域，其他的投影仪处于待机状态，重复步骤1）～3），得到与第i+1台投影仪对应的映射关系矩阵集；

5）控制器根据每台投影仪所得到的映射关系矩阵集，完成对每台投影仪图像的几何校正。

作为改进，所述标准点列图上的标准点间距与所述预畸变点列图上的预畸变点间距相同。

作为改进，所述的图像获取设备为全景镜头。

并列优选，所述的图像获取设备包括受控于所述控制器的旋转台，固定在旋转台上的底座，该底座的顶面为斜面，并设有安装在斜面上的CCD相机。

与先技术相比，本发明的主要优点如下：

1、通过全景相机或者固定在精密旋转台上的CCD相机的引入，可以解决360°环幕多投影系统的几何校正问题；

2、由于图像获取设备始终正对图像，得到投影图像和标准图像之间的映射关系矩阵M，可以避免由于倾斜拍摄所带来的照度不均匀等所引起不必要的误差；

3、校正过程可以通过程序控制实现自动化操作，不需要人为干涉，既方便操作，也可以避免操作误差的引入。

附图说明

图1是本发明360°环幕多投影系统几何校正装置的结构示意图；

图2是本发明用于打印的标准点列图和区域划分示意图；

图3是本发明固定在精密旋转台上的CCD相机示意图；

图4是本发明全景相机拍摄的环带图转换为直角坐标系平面图的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，图1是本发明360°环幕多投影系统几何校正装置的结构示意图。本实施例中的几何校正装置由多投影阵列1、环形屏幕2、打印的标准点列图3、图像获取设备4和控制器5，且控制器5与多投影阵列1和图像获取设备4通过电气连接。

需要说明的是，所述的多投影阵列1由多台投影仪等角度间隔排列组成，其数目由具体系统参数所决定。本实施例中投影仪的排布方式采用24台投影仪以15°等间隔排布，但不应以此限制本发明的保护范围。

所述的环形屏幕2材质由系统需求材质根据系统需要而定，可以选择反射屏、透射屏或者更为复杂的屏幕。本实施例中环形屏幕材料采用透明亚克力板，为透射型屏幕，但不应以此限制本发明的保护范围。

所述的标准点列图3的宽度等于屏幕宽度，长度等于环形屏幕的周长，图中点的排布间据与所设计的预畸变点列图中点的理论排布间距相同，理论上点取得越密，则校正精度越高，但也不是越密越好，应该视具体情况而定。

所述的图像获取设备4用于拍摄投影仪投影到环形屏幕上的图像，用于下一步的图像处理工作。图像获取设备4可以是全景镜头，全景镜头可以拍摄360°的图像，也可以是固定在精密旋转台上的CCD相机，如图3所示，其由精密旋转台6、三角形底座7和CCD相机8组成。二者在具体的操作过程中有所不同，下文将会具体描述。

所述的控制器5分别与多投影阵列1中的每台投影仪和图像获取设备4相连。所述的控制器一是根据图像生成算法产生多投影阵列1的投影图像，再将不同的图像分别送入对应的投影仪，二是用来接收图像获取设备得到的图像，通过本专利提出的校正方法进行图像处理，计算得到正确的映射关系，从而生成目标图像。

以图1 所示的360°环幕多投影系统几何校正装置系统结构为例，本装置的使用方法步骤如下：

（1）工作环境设置为暗环境；

（2）在屏幕上粘贴事先打印好的如图2所示的标准点列图，第i台投影仪投射全白图像，其他投影仪处于待机状态，通过图像获取设备拍摄到的标准点列图图像并储存为Picture1；

（3）将预畸变点列图输入投影仪，投影仪投射出待校正的预畸变点列图，预畸变点列图与标准点列图上的点分布相同，由于投影仪照度远大于实验环境的关系，图像获取设备可以只拍摄到待校正的预畸变点列图投影到屏幕上的图像，而不会拍摄到所张贴的标准点列图上的点，储存所得到的预畸变点列图的图像Picture2；

（4）根据图像获取设备的不同，进行相应的处理：

如果图像获取设备采用全景相机，则通过运算将得到的极坐标体系的环带图转换为直角坐标体系的二维图，如图4所示，储存得到的图像Picture2；

如果图像获取设备采用如图3所示的固定在精密旋转台上的CCD相机，则通过控制器5输出信号，控制精密旋转台旋转等于投影仪间隔的相同角度，用于下一台投影仪的校准；

（5）通过计算机图形学相关技术的处理，分别识别Picture1和Picture2中的点，进行区域划分，二者一一映射。将Picture1视为标准坐标系，Picture2视为相机坐标系，标准坐标系和相机坐标系的同一划分区域构成映射关系，其对应关系可以建立相关方程，即可计算出当前划分区域之间的变换矩阵，遍历所有划分区域，得到不同的划分区域的变换矩阵，得到该投影仪所有划分区域组成的映射关系矩阵集M。

（6）第i台投影仪转入待机状态，第i+1台投影仪重复上述过程；

（7）待完成所有投影仪的几何校正过程之后，会分别得到各自对应的映射关系矩阵集M，通过下列运算：

Image_right = M*Image_source

上式中的Image_source是理论计算得出的待校正的预畸变图像的矩阵表示，Image_right是通过校正以后得到正确的预投影图像的矩阵表示，即完成校正过程。

虽然这里是通过示意和举例的方式对本发明进行进一步描述的，但应该认识到，本发明并不局限于上述实施方式和实施例，前文的描述只被认为是说明性的，而非限制性的，本领域技术人员可以做出多种变换或修改，只要没有离开所附权利要求中所确立的范围和精神实质，均视为在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于360°环幕多投影系统的几何校正装置，包括环形屏幕，用于向环形屏幕投影图像的多投影阵列，和与所述多投影阵列连接的控制器，其特征在于，所述的环形屏幕上设有标准点列图，该标准点列图上分布标准点阵列，并设有通过多投影阵列投影到环形屏幕上的预畸变点列图，还包括用于采集所述环形屏幕上显示图像的图像获取设备，所述的控制器还用于接收所述图像获取设备所拍摄的图像并进行分析校正。

2.如权利要求1所述的用于360°环幕多投影系统的几何校正装置，其特征在于，所述的多投影阵列由环列的多台投影仪组成。

3.如权利要求1所述的用于360°环幕多投影系统的几何校正装置，其特征在于，所述的图像获取设备为全景镜头。

4.如权利要求1所述的用于360°环幕多投影系统的几何校正装置，其特征在于，所述的图像获取设备包括旋转台，固定在旋转台上的底座和安装于底座上的CCD相机，且旋转台受控于所述的控制器。

5.如权利要求4所述的用于360°环幕多投影系统的几何校正装置，其特征在于，所述的底座顶面为斜面，所述的CCD相机安装在斜面上。

6.如权利要求1所述的用于360°环幕多投影系统的几何校正装置，其特征在于，所述标准点列图上的标准点间距与所述预畸变点列图上的预畸变点间距相同。

7.一种用于360°环幕多投影系统的几何校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将标准点列图固定在环形屏幕上，控制第i台投影仪投射全白图像于环形屏幕上的显示区域，其他的投影仪处于待机状态，并利用图像获取设备获取投影区域内的标准点列图图像；

2）通过第i台投影仪投射预畸变点列图于环形屏幕上，并通过图像获取设备获取投影区域内的预畸变点列图图像；

3）控制器分别识别标准点列图图像和预畸变点列图图像中的标准点和预畸变点，并对标准点和预畸变点进行一一映射，得到所有映射对应点之间的映射关系矩阵集；

4）控制第i+1台投影仪投射全白图像于环形屏幕上的显示区域，其他的投影仪处于待机状态，重复步骤1）～3），得到与第i+1台投影仪对应的映射关系矩阵集；

5）控制器根据每台投影仪所得到的映射关系矩阵集，完成对每台投影仪图像的几何校正。

8.如权利要求7所述的用于360°环幕多投影系统的几何校正方法，其特征在于，所述标准点列图上的标准点间距与所述预畸变点列图上的预畸变点间距相同。

9.如权利要求7所述的用于360°环幕多投影系统的几何校正方法，其特征在于，所述的图像获取设备为全景镜头。

10.如权利要求7所述的用于360°环幕多投影系统的几何校正方法，其特征在于，所述的图像获取设备包括受控于所述控制器的旋转台，固定在旋转台上的底座，该底座的顶面为斜面，并设有安装在斜面上的CCD相机。

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