CN106303477B - 一种自适应的投影仪图像校正方法及系统 - Google Patents
一种自适应的投影仪图像校正方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种自适应的投影仪图像校正方法及系统，方法包括：标定投影仪上摄像头，根据标定结果对摄像头获取的第一投影图像进行畸变校正后生成第二投影图像；对第二投影图像进行直线检测并进行聚类，获取幕布边框的第一直线参数；投影仪投影一指定图像生成第三投影图像，获取指定图像中直线在第三投影图像中的第二直线参数；调节指定图像中直线的第三直线参数，直到第二直线参数与第一直线参数小于一预定阈值，生成原始图像到有效投影区域的映射表；根据映射表，将原始图像进行投影，生成校正后的第四投影图像。本发明利用机器视觉分析算法，自动将投影内容完美投影至幕布上，从而不再要求用户手动调整投影仪姿态，使用方便程度大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及投影电视技术领域，尤其涉及一种自适应的投影仪图像校正方法及系统。
背景技术
随着近年来人们对于大屏幕电视的追求和传统大屏幕电视的高成本制约，作为大屏幕低成本替代方案的投影电视在市场上日渐普及。投影电视从原理上基本可以看作是配备了一个大显示幕布的投影仪。
理想条件下，投影仪需要正对幕布，与地面垂直且需要进行精确平移的情况下才能完美地实现投影过程。但完全实现这些要求，需要使用者进行比较细致地姿态调整操作。在日常家庭应用场景中，投影幕布固定而投影仪本体会偶尔被移动，投影仪姿态不再满足上述要求，会导致投影图像缩放，变形，无法将图像正好投影到幕布上，为用户观看投影图像带来了不便。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明目的在于提供一种自适应的投影仪图像校正方法及系统。
本发明的技术方案如下：
一种自适应的投影仪图像校正方法，其中，所述方法包括：
A、对投影仪上设置的摄像头进行标定，根据标定结果对摄像头获取的第一投影图像进行畸变校正后生成第二投影图像；
B、对第二投影图像进行直线检测，对检测出的直线进行聚类，根据直线聚类后的聚类中心获取第二投影图像中幕布边框的第一直线参数；
C、投影仪向投影幕布投影一指定图像，指定图像投影后生成第三投影图像，获取摄像头拍摄的第三投影图像，获取指定图像中直线在第三投影图像中对应的第二直线参数；
D、调节指定图像中直线的第三直线参数，直到被投影的第二直线参数与幕布边框的第一直线参数小于一预定阈值，根据调整后的第三直线参数投影仪生成原始图像到有效投影区域的像素点坐标映射表；
E、根据生成的像素点坐标映射表，将原始图像的像素点一一映射至有效投影区域，并进行图像投影，生成校正后的第四投影图像。
所述的自适应的投影仪图像校正方法，其中，所述步骤A之前还包括：
步骤S、预先在投影仪上设置一个摄像头，摄像头方向与投影仪镜头方向保持一致。
所述的自适应的投影仪图像校正方法，其中，所述步骤A具体包括：
A1、对投影仪上设置的摄像头采用张正友标定法进行标定，获取摄像头的内部参数；
A2、根据摄像头的内部参数对摄像头获取的第一投影图像进行畸变校正后生成第二投影图像。
所述的自适应的投影仪图像校正方法，其中，所述步骤B具体包括：
B1、对第二投影图像进行hough直线检测，获取检测到的若干条线段；
B2、将检测到的若干条线段采用聚类算法进行聚类，将聚类后的线段划分到四个类中；
B3、获取四个类的聚类中心，四个类的聚类中心分别表示第二投影图像中幕布边框四条边的第一直线参数。
所述的自适应的投影仪图像校正方法，其中，所述步骤C具体包括：
C1、投影仪生成一张仅包含一条直线的单色背景图像，并投影至幕布上生成第三投影图像；
C2、获取摄像头拍摄的第三投影图像，根据畸变校正和直线检测算法得到单色背景图像中的直线被投影后形成的第三投影图像在摄像头拍摄的图像中的第二直线参数。
一种自适应的投影仪图像校正系统，其中，系统包括：
摄像头标定与畸变校正模块，用于对投影仪上设置的摄像头进行标定，根据标定结果对摄像头获取的第一投影图像进行畸变校正后生成第二投影图像；
直线检测与聚类模块，用于对第二投影图像进行直线检测，对检测出的直线进行聚类，根据直线聚类后的聚类中心获取第二投影图像中幕布边框的第一直线参数；
投影模块，用于投影仪向投影幕布投影一指定图像，指定图像投影后生成第三投影图像，获取摄像头拍摄的第三投影图像，获取指定图像中直线在第三投影图像中对应的第二直线参数；
映射表生成模块，用于调节指定图像中直线的第三直线参数，直到被投影的第二直线参数与幕布边框的第一直线参数小于一预定阈值，根据调整后的第三直线参数投影仪生成原始图像到有效投影区域的像素点坐标映射表；
图像校正模块，用于根据生成的像素点坐标映射表，将原始图像的像素点一一映射至有效投影区域，并进行图像投影，生成校正后的第四投影图像。
所述的自适应的投影仪图像校正系统，其中，所述系统还包括：
预先设置模块，用于预先在投影仪上设置一个摄像头，摄像头方向与投影仪镜头方向保持一致。
所述的自适应的投影仪图像校正系统，其中，所述摄像头标定与畸变校正模块具体包括：
摄像头标定单元，用于对投影仪上设置的摄像头采用张正友标定法进行标定，获取摄像头的内部参数；
第一校正单元，用于根据摄像头的内部参数对摄像头获取的第一投影图像进行畸变校正后生成第二投影图像。
所述的自适应的投影仪图像校正系统，其中，所述直线检测与聚类模块具体包括：
直线检测单元，用于对第二投影图像进行hough直线检测，获取检测到的若干条线段；
聚类单元，用于将检测到的若干条线段采用聚类算法进行聚类，将聚类后的线段划分到四个类中；
第一直线参数获取单元，用于、获取四个类的聚类中心，四个类的聚类中心分别表示第二投影图像中幕布边框四条边的第一直线参数。
所述的自适应的投影仪图像校正系统，其中，所述投影模块具体包括：
投影单元，用于投影仪生成一张仅包含一条直线的单色背景图像，并投影至幕布上生成第三投影图像；
第二直线参数获取单元，用于获取摄像头拍摄的第三投影图像，根据畸变校正和直线检测算法得到单色背景图像中的直线被投影后形成的第三投影图像在摄像头拍摄的图像中的第二直线参数。
本发明提供了一种自适应的投影仪图像校正方法及系统，本发明利用机器视觉分析算法，自动将投影内容完美投影至幕布上，从而不再要求用户手动调整投影仪姿态，使用方便程度大大提高。
附图说明
图1为本发明的一种自适应的投影仪图像校正方法的较佳实施例的流程图。
图2为本发明的一种自适应的投影仪图像校正方法的具体应用实施例的利用摄像头标定对摄像头获取图像进行畸变校正的效果示意图。
图3为本发明的一种自适应的投影仪图像校正方法的具体应用实施例的迭代过程示意图。
图4为本发明的一种自适应的投影仪图像校正方法的具体应用实施例的原始图像投影后的校正示意图。
图5为本发明的一种自适应的投影仪图像校正系统的较佳实施例的功能原理框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种自适应的投影仪图像校正方法的较佳实施例的流程图，如图1所示，其中，方法包括：
步骤S100、对投影仪上设置的摄像头进行标定，根据标定结果对摄像头获取的第一投影图像进行畸变校正后生成第二投影图像；
步骤S200、对第二投影图像进行直线检测，对检测出的直线进行聚类，根据直线聚类后的聚类中心获取第二投影图像中幕布边框的第一直线参数；
步骤S300、投影仪向投影幕布投影一指定图像，指定图像投影后生成第三投影图像，获取摄像头拍摄的第三投影图像，获取指定图像中直线在第三投影图像中对应的第二直线参数；
步骤S400、调节指定图像中直线的第三直线参数，直到被投影的第二直线参数与幕布边框的第一直线参数小于一预定阈值，根据调整后的第三直线参数投影仪生成原始图像到有效投影区域的像素点坐标映射表；
步骤S500、根据生成的像素点坐标映射表，将原始图像的像素点一一映射至有效投影区域，并进行图像投影，生成校正后的第四投影图像。
具体实施时，步骤S100中，如图2所示，为第一投影图像根据摄像头的标定结果对摄像头获取图像进行畸变校正后生成的第二投影图像的效果示意图。标定算法也很多种：传统相机标定法、主动视觉相机标定方法、相机自标定法，可根据需要进行选择。
步骤S200用于根据聚类算法获取幕布边框第一直线参数信息。其中聚类算法常采用K-means算法。
所述步骤S400中根据被投影直线的参数与幕布边框直线参数，调整生成图像中的直线参数。将此过程迭代循环，直至被投影的直线参数与幕布边框直线参数小于一预定阈值，然后退出迭代。迭代过程示意图如图3所示。具体包括如下步骤：
步骤S1、投影仪生成被投影图像；
步骤S2、将被投影图像投影到幕布；
步骤S3、摄像头获取的投影后的图像，投影后的第一直线参数的横纵坐标分别记为(a'，b')，第二直线参数的横纵坐标分别记为（A，B）；
步骤S4、判断第二直线参数修改值是否小于一预定阈值，若是，则执行步骤S5，若为否，则执行步骤S1；第二直线参数修改值的横坐标记为da, 第二直线参数修改值的纵坐标记为db，则da=k1(A-a')；db=k2(B-b')；
步骤S5、退出迭代；
经过上述步骤，可以得知被投影图像中直线参数为什么数值时，投影出去的直线能够逼近幕布边框的四条边。因此获得被投影图像中有效投影区域，该区域为一四边形。在通常情况下，该区域为不规则四边形。然后投影仪生成标准完整图像到有效投影区域的像素点坐标映射表。
步骤S500具体为生成变形映射表后，预处理阶段结束，进入正常工作阶段。在该阶段投影仪根据变形映射表，将标准完整图像的像素点一一映射至有效投影区域（区域外像素亮度置为0），并进行图像投影。映射过程示意图如图4所示。映射过程采用插值算法以提高画面质量。常见插值算法有双线性插值，三次样条插值等。
本发明利用机器视觉分析算法，使得投影仪在摆放方式较为随意地情况下，能自动将图像内容完美投影至幕布上，从而简化用户摆放投影仪的操作，使用方便程度大大提高。
进一步地，步骤S100之前还包括：
步骤S10、预先在投影仪上设置一个摄像头，摄像头方向与投影仪镜头方向保持一致。
具体实施时，预先在投影仪上安装一个摄像头。摄像头方向基本与投影仪投影镜头方向一致。需要采广角镜头，使得摄像头能够拍摄到完整的幕布边框。
进一步的实施例中，步骤S100具体包括：
步骤S101、对投影仪上设置的摄像头采用张正友标定法进行标定，获取摄像头的内部参数；
步骤S102、根据摄像头的内部参数对摄像头获取的第一投影图像进行畸变校正后生成第二投影图像。
具体实施时，对摄像头进行标定，对摄像头获取的图像进行畸变矫正。相机标定过程是计算机视觉中成熟流程，采用张正友标定方法。标定后获得相机内参。采用内参对相机获取图像进行畸变校正。“张正友标定”又称“张氏标定”，是指张正友教授于1998年提出的单平面棋盘格的摄像机标定方法。张氏标定法已经作为工具箱或封装好的函数被广泛应用。因此具体的标定方法不再详细赘述。张氏标定法为相机标定提供了很大便利，并且具有很高的精度。
进一步实施时，步骤S200具体包括：
步骤S201、对第二投影图像进行hough直线检测，获取检测到的若干条线段；
步骤S202、将检测到的若干条线段采用聚类算法进行聚类，将聚类后的线段划分到四个类中；
步骤S203、获取四个类的聚类中心，四个类的聚类中心分别表示第二投影图像中幕布边框四条边的第一直线参数。
具体实施时，对畸变校正后的图像进行hough直线检测。该操作会检测到若干条线段。霍夫变换(Hough Transform)是图像处理中的一种特征提取技术，它通过一种投票算法检测具有特定形状的物体。该过程在一个参数空间中通过计算累计结果的局部最大值得到一个符合该特定形状的集合作为霍夫变换结果。对hough直线检测后检测出来的线段进行聚类。对于检测到的若干条线段，将其转换为y=ax+b的参数形式f(a,b)。使用k-means聚类算法对这些直线样本进行聚类，将其划分到四个类中。这四个类的聚类中心，分别表示图像中幕布边框四条边的第一直线参数。
进一步实施时，步骤S300具体包括：
步骤S301、投影仪生成一张仅包含一条直线的单色背景图像，并投影至幕布上生成第三投影图像；
步骤S302、获取摄像头拍摄的第三投影图像，根据畸变校正和直线检测算法得到单色背景图像中的直线被投影后形成的第三投影图像在摄像头拍摄的图像中的第二直线参数。
具体实施时，投影并分析特殊图像。其中特殊图像为仅包含一条直线的单色背景图像。该背景可根据需要进行设置。具体地，投影仪生成一张仅包含一条直线的单色背景图像，并投影至至幕布上。摄像头拍摄图像后，使用畸变校正和直线检测算法得到该生成图像中的直线被投影后形成图案在摄像头拍摄图像中的第二直线参数。
本发明还提供了一种自适应的投影仪图像校正系统的较佳实施例，如图5所示，其中，系统包括：
摄像头标定与畸变校正模块100，用于对投影仪上设置的摄像头进行标定，根据标定结果对摄像头获取的第一投影图像进行畸变校正后生成第二投影图像；具体如方法实施例所述。
直线检测与聚类模块200，用于对第二投影图像进行直线检测，对检测出的直线进行聚类，根据直线聚类后的聚类中心获取第二投影图像中幕布边框的第一直线参数；具体如方法实施例所述。
投影模块300，用于投影仪向投影幕布投影一指定图像，指定图像投影后生成第三投影图像，获取摄像头拍摄的第三投影图像，获取指定图像中直线在第三投影图像中对应的第二直线参数；具体如方法实施例所述。
映射表生成模块400，用于调节指定图像中直线的第三直线参数，直到被投影的第二直线参数与幕布边框的第一直线参数小于一预定阈值，根据调整后的第三直线参数投影仪生成原始图像到有效投影区域的像素点坐标映射表；具体如方法实施例所述。
图像校正模块500，用于根据生成的像素点坐标映射表，将原始图像的像素点一一映射至有效投影区域，并进行图像投影，生成校正后的第四投影图像；具体如方法实施例所述。
所述的自适应的投影仪图像校正系统，其中，所述系统还包括：
预先设置模块，用于预先在投影仪上设置一个摄像头，摄像头方向与投影仪镜头方向保持一致；具体如方法实施例所述。
所述的自适应的投影仪图像校正系统，其中，所述摄像头标定与畸变校正模块具体包括：
摄像头标定单元，用于对投影仪上设置的摄像头采用张正友标定法进行标定，获取摄像头的内部参数；具体如方法实施例所述。
第一校正单元，用于根据摄像头的内部参数对摄像头获取的第一投影图像进行畸变校正后生成第二投影图像；具体如方法实施例所述。
所述的自适应的投影仪图像校正系统，其中，所述直线检测与聚类模块具体包括：
直线检测单元，用于对第二投影图像进行hough直线检测，获取检测到的若干条线段；具体如方法实施例所述。
聚类单元，用于将检测到的若干条线段采用聚类算法进行聚类，将聚类后的线段划分到四个类中；具体如方法实施例所述。
第一直线参数获取单元，用于获取四个类的聚类中心，四个类的聚类中心分别表示第二投影图像中幕布边框四条边的第一直线参数；具体如方法实施例所述。
所述的自适应的投影仪图像校正系统，其中，所述投影模块具体包括：
投影单元，用于投影仪生成一张仅包含一条直线的单色背景图像，并投影至幕布上生成第三投影图像；具体如方法实施例所述。
第二直线参数获取单元，用于获取摄像头拍摄的第三投影图像，根据畸变校正和直线检测算法得到单色背景图像中的直线被投影后形成的第三投影图像在摄像头拍摄的图像中的第二直线参数；具体如方法实施例所述。
综上所述，本发明提供了一种自适应的投影仪图像校正方法及系统，方法包括：标定投影仪上摄像头，根据标定结果对摄像头获取的第一投影图像进行畸变校正后生成第二投影图像；对第二投影图像进行直线检测并进行聚类，获取幕布边框的第一直线参数；投影仪投影一指定图像生成第三投影图像，获取指定图像中直线在第三投影图像中的第二直线参数；调节指定图像中直线的第三直线参数，直到第二直线参数与第一直线参数小于一预定阈值，生成原始图像到有效投影区域的映射表；根据映射表，将原始图像进行投影，生成校正后的第四投影图像。本发明利用机器视觉分析算法，自动将投影内容完美投影至幕布上，从而不再要求用户手动调整投影仪姿态，使用方便程度大大提高。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种自适应的投影仪图像校正方法，其特征在于，所述方法包括：
A、对投影仪上设置的摄像头进行标定，根据标定结果对摄像头获取的第一投影图像进行畸变校正后生成第二投影图像；
B、对第二投影图像进行直线检测，对检测出的直线进行聚类，根据直线聚类后的聚类中心获取第二投影图像中幕布边框的第一直线参数；
C、投影仪向投影幕布投影一指定图像，指定图像投影后生成第三投影图像，获取摄像头拍摄的第三投影图像，获取指定图像中直线在第三投影图像中对应的第二直线参数；
D、调节指定图像中直线的第三直线参数，直到被投影的第二直线参数与幕布边框的第一直线参数小于一预定阈值，根据调整后的第三直线参数投影仪生成原始图像到有效投影区域的像素点坐标映射表；
E、根据生成的像素点坐标映射表，将原始图像的像素点一一映射至有效投影区域，并进行图像投影，生成校正后的第四投影图像；
所述步骤C具体包括：
C1、投影仪生成一张仅包含一条直线的单色背景图像，并投影至幕布上生成第三投影图像；
C2、获取摄像头拍摄的第三投影图像，得到单色背景图像中的直线被投影后形成的第三投影图像在摄像头拍摄的图像中的第二直线参数。
2.根据权利要求1所述的自适应的投影仪图像校正方法，其特征在于，所述步骤A之前还包括：
步骤S、预先在投影仪上设置一个摄像头，摄像头方向与投影仪镜头方向保持一致。
3.根据权利要求2所述的自适应的投影仪图像校正方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：
A1、对投影仪上设置的摄像头采用张正友标定法进行标定，获取摄像头的内部参数；
A2、根据摄像头的内部参数对摄像头获取的第一投影图像进行畸变校正后生成第二投影图像。
4.根据权利要求3所述的自适应的投影仪图像校正方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：
B1、对第二投影图像进行hough直线检测，获取检测到的若干条线段；
B2、将检测到的若干条线段采用聚类算法进行聚类，将聚类后的线段划分到四个类中；
B3、获取四个类的聚类中心，四个类的聚类中心分别表示第二投影图像中幕布边框四条边的第一直线参数。
5.根据权利要求4所述的自适应的投影仪图像校正方法，其特征在于，所述步骤C2具体包括：
C21、获取摄像头拍摄的第三投影图像，根据畸变校正和直线检测算法得到单色背景图像中的直线被投影后形成的第三投影图像在摄像头拍摄的图像中的第二直线参数。
6.一种自适应的投影仪图像校正系统，其特征在于，系统包括：
摄像头标定与畸变校正模块，用于对投影仪上设置的摄像头进行标定，根据标定结果对摄像头获取的第一投影图像进行畸变校正后生成第二投影图像；
直线检测与聚类模块，用于对第二投影图像进行直线检测，对检测出的直线进行聚类，根据直线聚类后的聚类中心获取第二投影图像中幕布边框的第一直线参数；
投影模块，用于投影仪向投影幕布投影一指定图像，指定图像投影后生成第三投影图像，获取摄像头拍摄的第三投影图像，获取指定图像中直线在第三投影图像中对应的第二直线参数；
映射表生成模块，用于调节指定图像中直线的第三直线参数，直到被投影的第二直线参数与幕布边框的第一直线参数小于一预定阈值，根据调整后的第三直线参数投影仪生成原始图像到有效投影区域的像素点坐标映射表；
图像校正模块，用于根据生成的像素点坐标映射表，将原始图像的像素点一一映射至有效投影区域，并进行图像投影，生成校正后的第四投影图像；
所述投影模块具体包括：
投影单元，用于投影仪生成一张仅包含一条直线的单色背景图像，并投影至幕布上生成第三投影图像；
第二直线参数获取单元，用于获取摄像头拍摄的第三投影图像，得到单色背景图像中的直线被投影后形成的第三投影图像在摄像头拍摄的图像中的第二直线参数。
7.根据权利要求6所述的自适应的投影仪图像校正系统，其特征在于，所述系统还包括：
预先设置模块，用于预先在投影仪上设置一个摄像头，摄像头方向与投影仪镜头方向保持一致。
8.根据权利要求7所述的自适应的投影仪图像校正系统，其特征在于，所述摄像头标定与畸变校正模块具体包括：
摄像头标定单元，用于对投影仪上设置的摄像头采用张正友标定法进行标定，获取摄像头的内部参数；
第一校正单元，用于根据摄像头的内部参数对摄像头获取的第一投影图像进行畸变校正后生成第二投影图像。
9.根据权利要求8所述的自适应的投影仪图像校正系统，其特征在于，所述直线检测与聚类模块具体包括：
直线检测单元，用于对第二投影图像进行hough直线检测，获取检测到的若干条线段；
聚类单元，用于将检测到的若干条线段采用聚类算法进行聚类，将聚类后的线段划分到四个类中；
第一直线参数获取单元，用于获取四个类的聚类中心，四个类的聚类中心分别表示第二投影图像中幕布边框四条边的第一直线参数。
10.根据权利要求9所述的自适应的投影仪图像校正系统，其特征在于，
所述第二直线参数获取单元还用于获取摄像头拍摄的第三投影图像，根据畸变校正和直线检测算法得到单色背景图像中的直线被投影后形成的第三投影图像在摄像头拍摄的图像中的第二直线参数。
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| CN106303477A (zh) | 2017-01-04 |
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| GR01 | Patent grant | ||
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