CN104796648A - 影像校正方法与其影像投影装置 - Google Patents

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Abstract

一种影像校正方法与影像投影装置。影像投影装置通过带动投影光束于投影平面上扫描以形成影像。影像校正方法包括取样投影光束于投影平面的多个投影点以定义一投影座标系；于投影座标系上定义一影像投影区；带动投影光束于投影平面上扫描并依序投射投影光束至这些投影点；判断投影点是否位于影像投影区内；以及若投影点位于影像投影区内，则提供一校正影像信息至投影点。

Description

影像校正方法与其影像投影装置
技术领域
本发明涉及一种影像校正方法与其影像投影装置，特别是涉及一种可校正影像的几何形变的影像校正方法与其影像投影装置。
背景技术
微机电系统(MEMS,microelectromechanical systems)泛指运用微电子技术以及微机械工程技术制造或开发相关的电子元件以及机械结构，进而微型化相关产品的研究领域。运用微机电(MEMS)扫描装置的影像投影装置，由于具备体积较小、低耗能等功效，使其可配置于手持电子产品(例如智能型手机或者手提计算机)中，以提高影像投影装置的使用便利性，并取代传统桌上型或固定型的影像投影装置。
一般而言，运用微机电(MEMS)扫描装置的影像投影装置利用投影光源提供投影光束，并且利用微机电扫描装置、反射镜等光学元件将投影光束投射于投影面上。通过微机电扫描装置内的扫描镜于快轴及慢轴的摆动来带动投影光束在投影面上扫描，并通过人眼的视觉暂留特性以形成影像。在操作微机电扫描装置时，通常分别以不同的控制讯号来控制扫描镜在对应轴向(快轴及慢轴)上的摆动频率与角度，以控制投影光束在投影面上的扫描速度及方向。然而，在带动投影光束投射并扫描于投影面的过程中，由于扫描镜的反射镜面平整度和/或光学元件所造成的折射、反射等光路问题，可能造成投影光束的投射路径发生变化，进而造成投影影像的几何形变，影响影像的显示品质。此外，由于微机电扫描装置在快轴上的摆动一般是以正弦周期波控制，因而当微机电扫描装置带动投影光束投影至投影边界且欲反向回摆时，微机电扫描装置的摆动速度会相对变慢而产生投影光束的扫描速度不均匀的问题。
现有技术经常通过设置透镜的方式来校正投影影像的几何形变，然而设置透镜可能会造成投影光束的光效率低落，并且相对地增加影像投影装置的制作成本。因此，如何提供一个更直观与简便的方法来修正投影影像的几何形变是许多该领域技术人员正在努力的目标之一。
发明内容
本发明提供一种影像校正方法及其影像投影装置，可以通过在所选定的影像投影区域内提供校正影像信息，以避免投影影像的几何形变。
本发明一实施例所提供的用于一影像投影装置的影像校正方法，该影像投影装置通过带动一投影光束于一投影平面上扫描以形成一影像，该影像校正方法包括：取样该投影光束于该投影平面的多个投影点以定义一投影座标系；于该投影座标系上定义一影像投影区；带动该投影光束于该投影平面上扫描并依序投射该投影光束至这些个投影点；判断该投影点是否位于该影像投影区内；以及若该投影点位于该影像投影区内，则提供一校正影像信息至该投影点。
本发明一实施例所提供的影像投影装置，包括微机电扫描装置以及控制单元。微机电扫描装置用以带动投影光束于投影平面上扫描以形成影像。控制单元用以取样该投影光束于该投影平面的多个投影点以定义一投影座标系；于该投影座标系上定义一影像投影区；带动该投影光束于该投影平面上扫描并依序投射该投影光束至这些个投影点；判断该投影点是否位于该影像投影区内；以及若该投影点位于该影像投影区内，则提供一校正影像信息至该投影点。
基于上述，本发明实施例所提出的影像校正方法以及影像投影装置，通过定义影像投影区并确认投影点位于影像投影区内或影像投影区外。当投影光束被投射至位于影像投影区内的投影点时，通过投影光束对应地提供校正影像信息至投影点，使影像仅被显示于影像投影区内，进而修正投影影像的几何形变。换言之，本发明实施例所提出的影像校正方法以及影像投影装置不需要设置额外的装置对投影影像的几何形变进行校正，因而降低了对投影光束的干扰以及影像投影装置的制作成本。
为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并结合附图详细说明如下。
附图说明
图1是本发明一实施例的影像投影装置的方块示意图。
图2是本发明一实施例的影像校正方法的流程图。
图3是本发明一实施例的投影座标系以及影像投影区的示意图。
图4是本发明一实施例提供校正影像信息的方法示意图。
附图符号说明
100：影像投影装置
120：投影光源
140：微机电扫描装置
160：时钟产生器
180：控制单元
10：投影平面
S205、S210～S250：影像校正方法的步骤
D、D1～D4、DA～DD：投影点
P、P1～P8：像素
A：影像投影区域
A’：扫描区域
L：扫描路径
S1、Se：扫描线
xmax：投影点之间沿第一轴向的最大距离
xmin：投影点之间沿第一轴向的最小距离
ymax：投影点之间沿第二轴向的最大距离
ymin：投影点之间沿第二轴向的最小距离
具体实施方式
现将详细说明本发明的示范性实施例，同时参考附图以理解所述的实施例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的元件/构件/符号代表相同或类似部分。
一般而言，影像投影装置通过微机电扫描装置搭配反射镜、透镜等光学元件将投影光束投射于投影平面，并且通过微机电扫描装置带动投影光束于投影面上来回移动扫描以形成影像。然而前述的影像投影方式，基于扫描镜的反射镜面平整度和/或光学元件所造成的反射、折射等光路因素，投影光束可能会偏离预期的扫描路径及投影范围，造成投影影像的几何形变。本发明实施例所提供的影像校正方法用于影像投影装置以校正影像的几何形变，可以在不需要设置额外装置的情况下对投影影像的几何形变进行校正。
图1是根据本发明一实施例的影像投影装置的方块示意图。影像投影装置100包括投影光源120、微机电扫描装置140、时钟产生装置160以及控制单元180。投影光源120于本实施例中为激光光源，用以提供投影光束PL。更详细而言，投影光源120可以为红绿蓝(RGB)激光光源，通过分别调整各色光并且进行混色以达到全彩投影的效果。微机电扫描装置140通过摆动的方式，带动投影光束PL投射并于投影平面10沿一扫描路径L来回扫描而形成影像。时钟产生装置160提供时钟讯号至控制单元180，而控制单元180则用以根据影像信息与扫描路径L来控制投影光源120产生对应的投影光束PL。于其它实施例中，控制单元180还可用以控制微机电扫描装置140于特定方向上的摆动频率或角度。
图2是本发明一实施例的影像校正方法的流程图。请参照图1与图2，影像校正方法包括下列步骤。于步骤S205中，控制单元180依据时钟讯号取样投影光束PL于投影平面10的多个投影点以定义投影座标系。于步骤S210中，控制单元180于投影座标系中定义影像投影区。于步骤S220中，影像投影装置100的微机电扫描装置140带动投影光束PL于扫描平面10上扫描，并依序投影至多个投影点。于步骤S230中，控制单元180会判断投影点是否位于影像投影区内。若判断投影点位于影像投影区内，则进入步骤S240，控制单元180根据校正影像信息控制投影光源120，使投影光束PL提供对应的校正影像信息至投影点，使影像信息显示于影像投影区。在本发明实施例中，影像校正方法可进一步包括：若判断投影点位于影像投影区外，则进入步骤S250，控制单元180控制投影光源120使投影光束PL提供单色影像信息至投影点，或控制单元180发出关闭投影光源120或投影光束PL的讯号使投影光束PL无法投射至投影点。
图3是本发明一实施例的投影座标系以及影像投影区的示意图。请同时参照图1、图2与图3，如同前述，由于投影光束PL在投射中会因为反射、折射等光路因素，使得投影光束PL在投影平面10上的扫描区域A’(如虚线所示)产生几何形变。图3仅标示出扫描区域A’四个角落的投影点D1～D4，然而于扫描区域A’中包含多个投影点D。由于投影光束PL在投影平面10上分别沿着x及y方向进行扫描，其扫描路径L(如图1所示)包含多条x方向的扫描线。假设投影影像的像素设定为MxN，其中M及N为正整数，当将投影影像投射至扫描区域A’时，则每条扫描线包含M个投影点，且每一扫描画面(scan frame)包含N条扫描线。例如，假设投影影像的像素设定为1280x720，则每条扫描线包含1280个投影点，且每一扫描画面包含720条扫描线。
如图3所示，投影点D1及D2为第一条扫描线S1的第一投影点及最后投影点，而投影点D3及D4为最后一条扫描线Se的第一投影点及最后投影点。于理想状况下，每条扫描线应为直线，然而实际的扫描线会因外在因素而产生变形，使其呈现一曲线，如扫描线S1、Se所示。
于本实施例所提出的影像校正方法中，控制单元180先于步骤S205中依据时钟讯号取样投影光束PL于投影平面10的多个投影点D以定义投影座标系。举例而言，控制单元180对投影光束PL实际于投影平面10上的投影点D进行取样后，还计算投影平面10的投影点D之间沿第一轴向(例如为x轴)与第二轴向(例如为y轴)的最大距离xmax,ymax，并且根据上述沿第一轴向(x轴)的最大距离xmax以及沿第二轴向(y轴)的最大距离ymax来定义投影座标系。参照图3，在图3的实施例中，投影点D3与投影点D2之间的距离为所有投影点在第一轴向上(x轴)的最大距离xmax，而投影点D2与投影点D4之间的距离为所有投影点D在第二轴向上(y轴)的最大距离ymax。控制单元180依据投影点间D的最大距离xmax与ymax标定投影座标系的四个端点(分别为座标点(0,0)、(1,0)、(0,1)以及(1,1))，进而定义投影座标系。
于定义投影座标系的方法中，可利用影像撷取装置将投影平面10上的投影点位置撷取下来，并得出各条扫描线的线条曲线，以进一步地取得投影点D于投影座标系中的投影点座标。假设投影影像的像素设定为MxN，以图3中的扫描线S1为例，当投影光束PL沿着扫描线S1扫描时，控制单元180根据时钟讯号控制投影光束PL沿着扫描线S1产生M个投影点D。当投影光束PL沿着扫描路径L在投影平面10上扫描时，可利用影像撷取装置将投影平面10上的投影点位置撷取下来，并得出各条扫描线的线条曲线。各条扫描线的线条曲线可以时间为参数，并利用多项式近似的方式得出对应的几何形变公式f(t)，用以表示该条扫描线上的每一投影点D的位置，其中t代表依据时钟频率的投影点D顺序。上述对应不同条扫描线的几何形变公式f(t)可集合成为几何形变公式集合F={f1(t),f2(t)…,fk(t)}，其中k为一正整数。每一个几何形变公式f(t)分别包含一x座标多项式hx(t)及一y座标多项式hy(t)，即f(t)=(hx(t),hy(t))。假设用三次方多项式来进行曲线近似，则hx(t)及hy(t)分别可表示为hx(t)=C3x*t^3+C2x*t^2+C1x*t+C0x及hy(t)=C3y*t^3+C2y*t^2+C1y*t+C0y，其中C为多项式参数。
当欲得知某一投影点D的投影位置时，可先判断其依据时钟频率的投影顺序t，并于几何形变公式集合F中选择其对应的几何形变公式f(t)。接着，将投影顺序t代入几何形变公式f(t)中，便可算出该投影点D的投影位置。在本实施例中，每个投影点D的投影顺序t可通过计算时钟频率的周期(周期例如为T)的次数而得知。在本实施例中，时钟频率的一个周期T对应一个像素，亦即时钟频率的一个周期T对应一个投影点D，然而本发明并不以此为限，时钟频率的一个周期T亦可对应其他个数的像素及投影点D。
在本实施例中，每个几何形变公式f(t)是对应至一条扫描线。在其他实施例中，扫描区域可被切割为多个区块，而每个几何形变公式f(t)是对应至一区块。在其他实施例中，所有或部分扫描线可被选择出来，并针对被选择的部分扫描线进行曲线近似，得出各自对应的几何形变公式f(t)并集合成为几何形变公式集合F。
在本实施例中，几何形变公式集合F是经过标准化(normalization)以将扫描区域A’内的投影点D的投影位置定义于投影座标系内而为投影点座标。具体而言，于步骤S205中根据投影点D之间沿第一轴向(例如为x轴)与第二轴向(例如为y轴)的最大距离xmax,ymax定义出投影座标系后，接着，将前述撷取得出的各条扫描线的线条曲线，通过多项式近似的方式得出对应的多项式，并将多项式进行标准化而得出对应的几何形变公式，并集合成几何形变公式集合F。通过将投影点D的时间参数(例如，投影顺序t)代入几何形变公式集合F中对应的几何形变公式，便可得出该投影点D于投影座标系中的投影点座标。
请再参照图1、图2与图3，于步骤210中，控制单元180于投影座标系上定义影像投影区A。在本实施例中，影像投影区A的范围位于扫描范围A’的范围内。在一实施例中，影像投影区A可根据投影点D之间沿第一轴向(例如为x轴)与第二轴向(例如为y轴)的最小距离xmin,ymin来定义。于定义影像投影区A时，控制单元180决定影像投影区A于投影座标系上的座标范围，并且依据影像的解析度以及投影座标系，对影像投影区A内所显示的影像的每一像素(像素P)进行座标化以提供多个像素座标。
在投影座标系中，假设定义影像投影区A沿第一轴向(x轴)的范围为X1～X2、沿第二轴向(y轴)的范围为Y1～Y2，并且将投影影像投射于影像投影区A内，以避开扫描范围A’的四周扫描线变形的区域。假设投影影像的解析度设定为MxN，其中M及N为正整数，则影像的每一点像素的像素座标可通过下列公式计算：
xp=X1+nx*Δpx   方程式(1)
yp=Y1+ny*Δpy   方程式(2)
其中nx的范围为0～(M-1)、ny的范围为0～(N-1)、Δpx为(X2-X1)/(M-1)，而Δpy为(Y2-Y1)/(N-1)。像素座标可随投影影像的解析度以及影像投影区A的范围设定而有所改变，并且可以由影像投影装置100的控制单元180重新计算而取得。以图3的实施例为例，假设定义影像投影区A沿第一轴向(x轴)的范围为0.1～0.9、沿第二轴向(y轴)的范围为0.1～0.9，并且影像于影像投影区A内的解析度设定为1280x720，则nx的范围为0～1279、ny的范围为0～719、Δpx为(0.9-0.1)/1279，而Δpy为(0.9-0.1)/719。值得注意的是，图3中的投影座标系以及影像投影区A仅为示意图，并非是依据实际比例绘制。
于步骤S220中，微机电扫描装置140带动投影光束PL于扫描平面10上扫描，并依序射投影光束PL至投影点D。当微机电扫描装置140带动投影光束PL进行扫描并依序投射投影光束PL至投影点D时，于步骤S230中，控制单元180会依序判断各投影点D是否位于影像投影区A内。若投影点D的投影位置位于影像投影区A内，则于步骤S240中，控制单元180根据校正影像信息控制投影光源120，使投影光束PL提供对应的校正影像信息至投影点。换言之，控制单元180通过提供校正影像信息至位于影像投影区A内的投影点，使欲显示的投影影像仅显示于影像投影区A中。更进一步地，若投影点D的投影位置不位于影像投影区A内，则于步骤S250中，控制单元180控制投影光源120使投影光束PL对应地提供单色影像信息至投影点D，例如是黑色影像信息。于其它实施例中，若投影点D的投影位置不位于影像投影区A内，则控制单元180也可以控制将投影光源120关闭以不产生投影光束PL至投影点，或者控制单元180也可以控制将投影光束PL关闭(例如将投影光束PL遮蔽)使投影光束PL无法投影至投影点。值得注意的是，判断投影点D是否位于影像投影区A的方式，可以为利用前述的几何形变公式集合F取得投影点D对应的投影点座标，并依据该投影点D的投影点座标是否位于影像投影区A内来判断投影点D是否位于影像投影区A内。
图4是本发明一实施例提供校正影像信息的方法示意图。请参照图1～图4，当控制单元180判断投影点D的投影位置位于影像投影区A内时，控制单元180先依据投影点D的投影点座标对应地寻找投影点D周遭的像素座标及其对应的像素P。接着，控制单元180依据投影点D周遭的像素P所对应的像素值，计算投影点D所应投射的校正像素值，即为校正影像信息。最后，控制单元180依据校正像素值控制投影光源120，以投射具有校正像素值的投影光束PL至投影点D。如同前述，投影点D的投影点座标可以通过几何形变公式集合F而取得。
以本实施例而言，如图4所示，影像投影区A中的像素P1～P8是依据影像的解析度以及影像投影区A的范围所定义的像素座标而排列，每个像素具有对应的像素座标。假设投影点DA～DD位于影像投影区A内，且分别落在各个像素P1～P8之间。由于投影光束PL的投影点DA～DD无法准确地对应至单一像素，故本发明的影像校正方法，还依据投影点DA～DD周遭的像素P的像素值，计算投影点所应投射的校正像素值。举例而言，图4中的投影点DA，其周遭邻近的像素座标及其对应的像素P为像素P1、P2、P5以及P6，故投影点DA的校正像素值可根据像素P1、P2、P5以及P6的像素值以内插的计算方式来取得。类似地，投影点DC周遭邻近的像素座标及其对应的像素P为像素P2、P3、P6以及P7，故可运用像素P2、P3、P6以及P7的像素值内插计算出投影点DC的校正像素值。
值得注意的是，影像校正方法仅需在影像的解析度或者是影像投影区的范围改变的情况下，才需要重新执行以再次判断投影点的投影位置是否位于影像投影区内。
综上所述，本发明实施例所提供的影像投影装置以及影像校正方法可于所设定的影像投影区内产生欲显示的影像信息，并避开扫描区域形变区域，故影像不会受到扫描区域的几何形变影响，而能维持所投影的影像品质。通过将影像显示于影像投影区内，也可以避免投影光束在扫描区域边界的投影速度不均匀，进而对影像品质造成影响。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围是以本发明的权利要求为准。

Claims (10)

1.一种用于一影像投影装置的影像校正方法，该影像投影装置通过带动一投影光束于一投影平面上扫描以形成一影像，该影像校正方法包括：
取样该投影光束于该投影平面的多个投影点以定义一投影座标系；
于该投影座标系上定义一影像投影区；
带动该投影光束于该投影平面上扫描并依序投射该投影光束至这些个投影点；
判断该投影点是否位于该影像投影区内；以及
若该投影点位于该影像投影区内，则提供一校正影像信息至该投影点。
2.如权利要求1所述的影像校正方法，还包括：
若该投影点位于该影像投影区外，则提供一单色影像信息至该投影点，或发出关闭该投影光束的讯号。
3.如权利要求1所述的影像校正方法，其中取样这些投影点以定义该投影座标系的步骤，还包括：
计算这些投影点之间沿一第一轴向的一第一最大距离与一第二轴向的一第二最大距离；以及
依据该第一最大距离以及该第二最大距离来定义该投影座标系。
4.如权利要求1所述的影像校正方法，还包括：
决定该影像投影区于该投影座标系上的一座标范围；以及
依据该影像的一解析度以及该投影座标系，于该影像投影区内定义多个像素座标。
5.如权利要求4所述的影像校正方法，还包括：
依据该投影点的于该投影座标系中的一投影点座标，对应地找出邻近该投影点的部分这些像素座标，及部分这些像素座标各自对应的一像素值；
依据这些像素值计算该投影点所对应的一校正像素值；以及
设定该校正像素值为该校正影像信息。
6.一种影像投影装置，包括：
一微机电扫描装置，用以带动一投影光束于一投影平面上扫描以形成一影像；以及
一控制单元，用以取样该投影光束于该投影平面的多个投影点以定义一投影座标系；于该投影座标系上定义一影像投影区；带动该投影光束于该投影平面上扫描并依序投射该投影光束至这些个投影点；判断该投影点是否位于该影像投影区内；以及若该投影点位于该影像投影区内，则提供一校正影像信息至该投影点。
7.如权利要求6所述的影像投影装置，其中该影像投影装置还包括一时钟产生装置，用以提供一时钟讯号，其中该控制单元依据该时钟讯号取样该投影光束于该投影平面的这些投影点以定义该投影座标系。
8.如权利要求6所述的影像投影装置，其中该控制单元还用以计算这些投影点之间沿一第一轴向的一第一最大距离与一第二轴向的一第二最大距离；以及依据该第一最大距离以及该第二最大距离来定义该投影座标系。
9.如权利要求6所述的影像投影装置，其中该控制单元还用以决定该影像投影区于该投影座标系上的一座标范围；以及依据该影像的一解析度以及该座标范围，于该影像投影区内定义多个像素座标。
10.如权利要求6所述的影像投影装置，其中该单色影像信息为黑色影像信息。
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