CN108463999B - 用于校准投影设备的方法以及用于运行如此校准的投影设备的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于校准投影设备的方法和一种用于运行如此校准的投影设备的方法，其中，所述投影面设备配备有可操控且可调节的至少两个光源，所述至少两个光源分别发送扫描射束的射束组成部分。所述校准方法包括以下步骤：确定用于所述扫描射束的参考射束；分别确定用于所述参考射束的x投影仪坐标的去扭曲函数和用于所述参考射束的y投影仪坐标的去扭曲函数，其中，每个去扭曲函数将所述相应的投影仪坐标转换成配属于所述图像信息的相应的图像坐标；对于所有射束组成部分分别确定用于所述x投影仪坐标和所述y投影仪坐标的错位函数，其中，每个错位函数逼近所述参考射束的相应的x或y图像坐标与所述相应的射束组成部分的x或y图像坐标之间的错位。在运行所述投影设备期间，借助在所述校准方法中求取的用于所述参考射束的去扭曲函数和用于所有射束组成部分的错位函数确定所述各个射束组成部分的像素的图像坐标。

Description

用于校准投影设备的方法以及用于运行如此校准的投影设备 的方法
技术领域
本发明涉及一种用于展示离散存储的图像信息的所谓的扫描的投影设备(例如飞点激光网格扫描器)，所述投影设备的扫描射束由不同光源的多个射束组成部分合成。本发明用于补偿这种投影设备的扫描射束的各个射束组成部分之间的错位。
背景技术
在此，借助脉冲光束实现图像产生，该脉冲光束以确定的轨迹例如逐行地涂抹投影面。在此，相应于待展示的图像信息地改变扫描射束的强度。如已经提及的那样，在在此提及的投影设备的情况下扫描射束由不同光源的多个组成部分合成，这些组成部分覆盖不同的波长范围。理想地，射束组成部分在投影平面内叠加并且形成唯一的像素。通过改变各个光源的强度可以描绘非常大的色谱。
然而在实际情况下很少实现用于投影设备的光学结构的光源的最优取向，使得在各个射束组成部分的像素之间通常存在错位。
以离散的扫描值的形式提供图像信息。每个扫描值配属于一个像点。所述“理想的”像点布置在网格中，该网格覆盖整个图像面并且通过直线的和通常正交的图像坐标系的整数的图像坐标描述。
基于对于各个射束组成部分在扫描/投影过程期间的取向和偏转所需的光学结构，扫描射束的实际轨迹或扫描射束的各个射束组成部分的实际轨迹从该网格偏离，使得投影像素的位置不相应于网格点。投影像素展开所谓的投影仪坐标系，该投影仪坐标系与图像坐标系不同不是直线的和正交的，而通常是弯曲的。在所述投影仪坐标系中，给投影像素配属整数的投影仪坐标。
在未校正的像素视频流的情况下，确定的像点的图像信息会被配属于如下的像素：所述像素的投影仪坐标与该像点的图像坐标相同。在此，几乎所有的像素会被从相应的图像坐标偏离地投影。结果，这种做法导致图像畸变。
为了避免这，通过在投影过程期间预处理图像信息来补偿投影仪坐标与图像坐标的非线性偏差。图像信息的这种预处理需要校准投影设备。在此，确定如下函数：该函数将像素的投影仪坐标转换成图像坐标，这称为去扭曲。
在投影过程期间，借助这种预确定的去扭曲函数将各个投影像素的投影仪坐标换算成图像坐标，以便给相应像素配属相应于其在图像面中的位置的图像信息。实际像素的图像坐标通常不是整数的。因此，相应光源的强度的调节通常不是基于图像信息的一个唯一的扫描值、而是实际像素的图像坐标的待定义的周围中的扫描值的平均值。通过图像信息的这种预处理来补偿图像坐标与投影仪坐标之间的非线性偏差并且避免相应的图像畸变。
对于去扭曲的复杂性和计算开销一方面取决于光学结构(该光学结构已经对于各个射束组成部分的取向和偏转在扫描/投影过程期间选择并且实现)的类型，并且另一方面取决于图像描绘的追求的质量。如果去扭曲应用在所有参与投影过程的光源上，则不仅补偿图像畸变，而且补偿各个像素的颜色分量之间的与该图像畸变叠加的错位。根据所参与的光源的数量，这与非常高的计算开销相关联。
在WO 2009/025976中提出如下可能性：与图像失真不相关地进一步补偿投影平面内各个射束组成部分之间的错位。为此，首先在初始的校准步骤中对每个射束/颜色分量确定相应于错位的偏置。根据WO 2009/025976在投影过程期间将图像信息写入中间存储器中，在该中间存储器中存储整个图像的图像信息，也就是说，根据颜色通道划分并且设有位置信息。在此，给每个颜色通道的图像信息或所属的位置信息施加相应的预先确定的偏置。如此获得的图像信息然后用作用于去扭曲方法和基于此地补偿图像畸变的输入数据。在WO2009/025976的情况下，仅对唯一的参与投影过程的光源进行去扭曲，这明显地限制计算开销。
在WO 2009/025976中描述的补偿投影设备的扫描射束的各个射束组成部分之间的错位的变型方案总体上需要相对大的用于图像信息的中间存储器。这对于一些应用——例如消费电子装置的领域内的移动投影设备——证明是有问题的。
发明内容
借助本发明提供如下可行方案：在不提高对于图像信息的存储器需求的情况下并且以较小的计算开销来补偿投影设备的扫描射束的各个射束组成部分之间的错位。
根据本发明已知，不仅可以单个地确定对于所有射束组成部分的图像畸变，而且可以单个地确定每个单个射束组成部分相对于预先确定的参考射束的错位。在此，不仅错位而且畸变是位置相关的。因此，畸变和错位在图像边缘处通常大于在图像中心。本发明基于如下假设：可以以比转换像素的图像坐标中的投影仪坐标更少的计算开销描述各个射束组成部分的像素之间的错位。
因此，根据本发明提出进行投影设备的校准，其包括以下方法步骤：
a.确定对于扫描射束的参考射束；
b.对于参考射束的x投影仪坐标和y投影仪坐标分别确定去扭曲函数，其中，每个去扭曲函数将相应的投影仪坐标转换成配属于图像信息的相应的图像坐标；
c.对于所有射束组成部分对于x投影仪坐标和y投影仪坐标分别确定错位函数，其中，每个错位函数逼近参考射束的相应的x或y图像坐标与相应的射束组成部分的x或y图像坐标之间的错位；
d.提供用于参考射束的去扭曲函数并且
e.提供用户所有射束组成部分的错位函数。
在运行投影设备的情况下，如此获得的用于参考射束的去扭曲函数和用于各个射束组成部分的错位函数用于确定各个光源的像素的图像坐标。在此，根据本发明的方法设置用于运行投影设备：
a.给每个由光源生成的像素相应于其在轨迹上的位置配属x和y投影仪坐标，其中，给不同光源的同时生成的像素配属相同的x和y投影仪坐标；
b.借助x去扭曲函数或y去扭曲函数将x和y投影仪坐标中的每个转换成图像信息的相应的图像坐标，其中，去扭曲函数在校准方法中已经预先对于参考射束确定，其中，如此确定的图像坐标充当对于所有光源的参考像素位置；
c.借助x或y错位函数确定由各个光源生成的像素的位置相对于相应的参考像素位置的错位，所述x或y错位函数在校准方法中已经预先对于每个光源确定；并且
d.将对于每个光源个体化确定的错位加和到参考像素位置的图像坐标上，以便个体化地确定各个光源的像素的图像坐标。
如此获得的图像坐标作为图像信息的预处理的基础，该预处理能够通过相应地操控各个光源实现补偿图像畸变和错位。
以根据本发明的校准方法结合根据本发明的用于运行投影设备的方法即提供相对简单的如下可行方案：以所述可行方案可以在投影过程期间将由各个光源生成的像素的投影仪坐标转换成图像坐标。在处理所存储的图像信息的范畴内不仅实现真正地补偿图像畸变，而且实现真正地补偿不同光源的像素之间的错位。这种处理以像素的根据本发明求取的图像坐标为依据。
根据本发明，在校准方法的范畴内确定对于扫描射束的参考射束。有利地，在此简单地将扫描射束的任意的射束组成部分选择为参考射束。在这种情况下，分别确定其余的射束组成部分相对于所述参考射束的错位。但是也存在如下可能性，参考射束定义为在射束组成部分上的平均。在这种情况下，需要对所有射束组成部分确定相对于参考射束的错位。
根据本发明，在校准方法的范畴内至少对于参考射束一次性地求取x和y去扭曲函数，所述x和y去扭曲函数将相应像素的投影仪坐标尽可能精确地转换成图像坐标。此外，在校准方法的一种可能的变型方案中，对于所有其余的射束组成部分一次性地求取x和y去扭曲函数。以便分别通过相应的射束组成部分的去扭曲函数与参考射束的去扭曲函数之间的差确定x和y错位函数。
在任何情况下如下证明是有利的：通过n次多项式来逼近用于参考射束的去扭曲函数并且必要时也逼近用于其余的射束组成部分的去扭曲函数。有利地，通过m次多项式也逼近错位函数。因为可以认为各个射束组成部分的像素之间的错位保持在限度内，所以大多通过比去扭曲多项式更低阶的多项式逼近错位函数，也就是说，m<n。
这显著降低对于在投影过程期间确定各个像素的图像坐标的计算开销。也就是说，对于计算多项式的计算开销随着多项式的次数而明显下降。根据本发明，对于参考射束仅需要计算一次更高阶的去扭曲多项式，以便确定相应的图像坐标。对于其余的射束组成部分的像素的图像坐标仅仅计算更低阶的错位多项式，以便将这些结果加和到已经存在的对于参考射束的结果上。
附图说明
以下根据附图进一步阐述本发明的有利的实施方式和扩展方案。附图具体地示出：
图1：示出具有投影仪坐标系与投影设备的图像坐标系的叠加的图像面或投影面10的局部图，该投影设备可以根据本发明地校准和运行；
图2：示出投影面上的两个光源的像素的位置，或所述像素位置之间的错位；以及
图3：示出用于直观表示根据本发明的用于运行投影设备的方法的方框图。
具体实施方式
图1示出在此所提及的类型(例如所谓的飞点激光网格扫描器)的投影设备的图像面或投影面10。图1直观示出扫描射束(在此表示为星)的实际产生的像素的位置与图像面10(离散存储的图像信息配属于所述图像面)中的位置的偏差。所述位置在此表示为叉号。叉号以网格等距离地布置在行或列内。该网格构成直线的和正交的图像坐标系并且覆盖整个图像面10。通过整数的图像坐标描述配属于离散存储的图像信息的各个网格点，也就是说，位置。
光学路径(也就是说，扫描射束的轨迹)从所述网格偏离，使得投影像素的位置不相应于网格点。投影像素展开投影仪坐标系，该投影仪坐标系与图像坐标系不同不是直线的和正交的，而通常是弯曲的，更确切地说，与投影设备的光学结构相关。在这种投影仪坐标系中，投影像素具有整数的投影仪坐标。在当前情况下，投影仪坐标覆盖比图像面更大的面。投影仪坐标系相对于图像坐标系畸变。图1直观示出：所述畸变在图像边缘处比在图像中心真更强烈。
在未校正的像素视频流的情况下，确定的像点的图像信息会被配属于如下像素：该像素的投影仪坐标与像点的图像坐标相同。例如具体地说：像点(1，1)的图像信息会被配属于像素(1'，1')，即使该像素处于图像面以外。如像素(1'，1')那样，几乎所有其他像素会被从相应的图像坐标偏离地投影。结果，该做法导致图像畸变。在此，可以涉及扭转、枕形畸变、梯形畸变或更高次的不同值的偏差。
为了避免相应的图像畸变，通过在投影过程期间预处理图像信息补偿投影仪坐标与图像坐标的非线性偏差。为此，首先必须将像素的投影仪坐标转换成图像坐标，这称为去扭曲。像素的如此获得的图像坐标通常不是整数的。为了给每个像素尽可能地配属图像信息(所述图像信息相应于像素在图像面中的位置)，给每个像素通常不是配属图像信息的仅一个唯一的扫描值、而是像素的所求取的图像坐标的待定义的周围中的扫描值的平均值。通过图像信息的这种预处理来补偿图像坐标与投影仪坐标之间的非线性偏差并且避免相应的图像畸变。
如果投影设备包括多个光源，则其他影响与上述结合图1描述的效果叠加。在这种情况下，扫描射束由多个射束组成部分合成，这些射束组成部分能够实现彩色的图像描绘。在此，例如可以涉及红色、绿色和蓝色的激光二极管。但是也可以设置两个红色的激光二极管、一个绿色的激光二极管和一个蓝色的激光二极管。在实际情况下，各个射束组成部分基于光学结构描述基本上相同的轨迹。理想地，各个光源或射束组成部分的像素叠加。然而，在实际情况下，经常出现各个光源的像素之间的错位，该错位可以归因于光学结构的不可避免的校准误差。图2直观示出在此提及的类型的投影设备的扫描射束的两个射束组成部分之间的错位。示出具有两个射束组成部分的像素位置的网格的投影面或图像面，这些射束组成部分在此分别通过叉号和星表示。图2表明，该错位虽然同样与图像面上的像素位置相关，但是基本上是平移的。
因此，根据本发明在投影过程期间不对于所有射束组成部分、而是仅对于预先待确定的参考射束借助去扭曲函数求取像素的图像坐标。对于其余的射束组成部分的像素仅仅求取相对于参考射束的相应像素的错位并且将该错位加和到参考像素的图像坐标上，这通过图3的方框图直观示出。
图3涉及一种具有总共四个光源(即两个红色的激光二极管r0和r1、一个绿色的激光二极管g和一个蓝色的激光二极管b)的投影设备。给该投影设备配属网格化器301，该网格化器给各个光源或射束组成部分的像素分配投影仪坐标x、y，其中，给不同光源r0、r1、g和b的同时产生的像素分配相同的投影仪坐标x、y。借助x去扭曲函数和y去扭曲函数将这些投影仪坐标x、y转换成图像坐标。在此描述的实施例中，所述两个去扭曲函数分别涉及一种类型的5阶多项式
Figure BDA0001726730630000071
所述去扭曲函数已经预先在校准方法的范畴内对于参考光源或参考射束求取。此外，投影仪坐标x、y用于求取所有其余光源或射束组成部分的像素相对于参考射束的错位。这借助x错位函数和y错位函数实现，所述错位函数已经预先在校准方法的范畴内对于每个光源个体化地求取。在此所描述的实施例中，所述错位函数分别涉及一种类型的3阶多项式
Figure BDA0001726730630000072
最后，确定对于各个射束组成部分的像素的图像坐标r0y、r1y、gy、by和r0x、r1x、gx、bx，其方式是：首先对每个射束组成部分求取相对于参考射束的个体化错位。然后将该错位加和到参考射束的图像坐标上，所述图像坐标已经借助去扭曲函数对于参考射束求取。
如以上已经描述的那样，图像信息的预处理以如此获得的图像坐标作为基础。在此，对于各个射束组成部分确定强度值，这些强度值相应于图像面中的像素的相应位置。图像信息存储在存储器部件302中。
如已经提及的那样，在根据本发明的校准方法的范畴内确定对于扫描射束的参考射束。在此，可以简单地涉及扫描射束的任意射束组成部分。但是参考射束也可以定义为在这些射束组成部分上的平均。在图3中示出的方框图包括两种变型方案，因为在此对于所有射束组成部分确定相对于参考射束的错位。如果一射束组成部分充当参考射束，则对于所述射束组成部分的错位简单地置于零。
在校准方法的范畴内，至少对于参考射束求取相应像素的投影仪坐标相对于图像坐标的偏差。为此，例如可以使用摄像机系统。基于如此获得的信息，确定尽可能好地逼近该偏差的函数作为去扭曲函数。为此，如在此所描述的实施例中那样提供更高阶的多项式。有利地，同样通过多项式来逼近用于各个射束组成部分的错位函数。因为可以认为各个射束组成部分的像素之间的错位保持在限度内，所以有利地可以通过比去扭曲多项式更低阶的多项式来逼近错位函数。

Claims (8)

1.一种用于校准投影设备的方法，所述投影设备用于展示离散存储的图像信息，所述展示借助如下实现：
可操控且可调节的至少两个光源，所述至少两个光源分别发送扫描射束的一个射束组成部分，以及
借助用于所述射束组成部分的聚焦、取向和运动的装置，使得相应像素能够在投影面上尽可能地叠加并且能够以预给定的轨迹在所述投影面上运动，
其中，所述方法包括以下步骤：
a.确定对于所述扫描射束的参考射束；
b.对于所述参考射束的x投影仪坐标和y投影仪坐标分别确定去扭曲函数，其中，每个去扭曲函数将相应的投影仪坐标转换成配属于所述图像信息的相应的图像坐标；
c.对于所述扫描射束的所有射束组成部分对于所述x投影仪坐标和所述y投影仪坐标分别确定错位函数，其中，每个错位函数逼近所述参考射束的相应的x或y图像坐标与所述扫描射束的相应的射束组成部分的x或y图像坐标之间的错位；
d.提供用于所述参考射束的去扭曲函数并且
e.提供用于所述扫描射束的所有射束组成部分的错位函数，其中，通过多项式来逼近用于各个射束组成部分的错位函数，并且通过比所述去扭曲函数更低阶的多项式来逼近所述错位函数。
2.根据权利要求1所述的用于校准投影设备的方法，其特征在于，对于所述扫描射束的所有射束组成部分，对于所述x投影仪坐标和对于所述y投影仪坐标分别确定去扭曲函数，
其中，每个去扭曲函数将所述相应的投影仪坐标转换成配属于所述图像信息的相应的图像坐标，并且
对于所述扫描射束的所有射束组成部分对于所述x投影仪坐标和所述y投影仪坐标确定错位函数，其方式是：逼近所述参考射束的相应的x或y去扭曲函数与所述扫描射束的相应的射束组成部分的x或y去扭曲函数之间的错位。
3.根据权利要求1或2所述的用于校准投影设备的方法，其特征在于，确定所述扫描射束的射束组成部分作为参考射束。
4.根据权利要求1或2所述的用于校准投影设备的方法，其特征在于，确定参考射束，其方式是：在各个射束组成部分的射束路径上求平均。
5.根据权利要求1或2所述的用于校准投影设备的方法，其特征在于，将所述去扭曲函数确定为如下形式的n次多项式：
Figure FDA0003035339490000021
6.根据权利要求5所述的用于校准投影设备的方法，其特征在于，将所述错位函数确定为如下形式的m次多项式：
Figure FDA0003035339490000022
7.根据权利要求6所述的用于校准投影设备的方法，其中，m<n。
8.一种用于运行投影设备的方法，所述投影设备用于展示离散地存储的图像信息，所述展示借助如下实现：
可操控且可调节的至少两个光源，所述至少两个光源分别发送扫描射束的一个射束组成部分，并且
借助用于所述射束组成部分的聚焦、取向和运动的装置，使得相应像素能够在投影面上尽可能地叠加并且能够以预给定的轨迹在所述投影面上运动，
其中，已经使用根据权利要求1至7中任一项所述的方法对所述投影设备进行了校准，
其特征在于，
a.给每个由光源生成的像素相应于其在所述轨迹上的位置配属x和y投影仪坐标，其中，给不同光源的同时生成的像素配属相同的x和y投影仪坐标；
b.借助x去扭曲函数或y去扭曲函数将所述x和y投影仪坐标中的每个转换成所述图像信息的相应的图像坐标，
其中，所述去扭曲函数在根据权利要求1至7中任一项所述的用于校准投影设备的方法中已经预先对于参考射束确定，并且
其中，如此确定的图像坐标充当对于所有光源的参考像素位置；
c.借助x或y错位函数确定由所述各个光源生成的像素的位置相对于相应的参考像素位置的错位，所述x或y错位函数在根据权利要求1至7中任一项所述的用于校准投影设备的方法中已经预先对于每个光源确定；并且
d.将所述对于每个光源个体化确定的错位加和到所述参考像素位置的图像坐标上，以便个体化地确定所述各个光源的像素的图像坐标。
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