CN110596996A - 一种投影机及自动几何校正方法 - Google Patents

一种投影机及自动几何校正方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种投影机以及自动几何校正方法。该投影机包括光源、光机以及投影镜头，所述光机中设置有光调制器，投影机中还设置有控制器，所述光机中还设置有反光板和图像传感器；反光板受驱在第一位置和第二位置间切换；反光板位于第一位置时，将入射投影镜头的投影屏幕的成像光束反射至图像传感器；控制器根据图像传感器对成像光束的成像与基准成像之间的几何图形差异确定几何校正参数；光调制器在反光板位于第二位置时，根据几何校正参数对待投影图像进行几何校正，并根据几何校正后的图像数据进行光束调制。其中，成像光束到达图像传感器的光路长度，与反光板在第二位置时成像光束到达光调制器的光路长度相等。

Description

一种投影机及自动几何校正方法
技术领域
本发明涉及投影技术领域，尤其涉及一种投影机以及自动几何校正方法。
背景技术
投影机是一种可以将图像或视频投射到屏幕上的设备，投影机可以通过不同的接口同计算机、视频高密光盘(Video Compact Disc，VCD)、数字化视频光盘(DigitalVersatile Disc Recordable，DVD)、游戏机、DV等相连接播放相应的视频信号。投影机广泛应用于家庭、办公室、学校和娱乐场所等。
投影机是一种非常精密的产品，以数字光处理(Digital Light Processing，LCD)投影机为例，其光线通过数字微镜器件(Digital Micromirror Device，DMD)芯片的纳米级别的镜片反射，再加上光学镜头也是精密元件，当像面和物面不平行时，会出现投影到屏幕的图像几何形状畸变。
由此可见，如何实现自动几何校正，尤其针对超短焦投影机如何实现自动几何校正，是目前业界亟待研究和解决的问题。
发明内容
本申请实施例提供一种投影机以及自动几何校正方法，用以实现自动几何校正。
第一方面，提供一种投影机，包括：用于提供光束的光源、用于对所述光源的光束进行调制的光机以及用于对调制后的光束进行投影的投影镜头，所述光机中设置有用于光束调制的光调制器，所述投影机中还设置有控制器，所述光机中还设置有反光板和图像传感器。所述反光板受驱在第一位置和第二位置间切换；所述反光板位于第一位置时，将入射所述投影镜头的投影屏幕的成像光束反射至所述图像传感器；所述控制器用于根据所述图像传感器对所述成像光束的成像与基准成像之间的几何图形差异，确定几何校正参数；其中，所述成像光束到达所述图像传感器的光路长度，与所述反光板在第二位置时所述成像光束到达所述光调制器的光路长度相等。所述光调制器用于在所述反光板位于第二位置时，根据所述几何校正参数对待投影图像进行几何校正，并根据几何校正后的图像数据进行光束调制，得到投影光束，所述投影光束从所述投影镜头出射到投影屏幕。
在一种可能的实现方式中，所述基准成像为基于所述投影机的像面和物面平行时，所述光调制器的投影在投影屏幕中的成像；其中，所述物面为所述光调制器所在的平面，所述像面为投影屏幕所在的平面。
在一种可能的实现方式中，所述图像传感器为电耦合元件(CCD)图像传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。
第二方面，提供一种基于上述第一方面中任一项所述的投影机实现的自动几何校正方法，包括：驱动反光板至第一位置，获取所述图像传感器对所述成像光束的成像，并根据所述图像传感器对所述成像光束的成像与基准成像之间的几何图形差异，确定几何校正参数；驱动反光板至第二位置，根据所述几何校正参数对待投影图像进行几何校正，并根据几何校正后的图像数据进行光束调制，得到投影光束，所述投影光束从所述投影镜头出射到投影屏幕。
根据本申请的上述实施例，通过增加反光板结构和图像传感器，基于光路可逆原理，以投影机自身镜头实现自动几何校正功能。在投影机的投影光路中，光调制器为物，投影屏幕上的图像为该物的像。根据光路可逆原理，在相反方向的光路中，如果将投影图像作为物，则该光路经反光镜反射后投射到图像传感器上，则图像传感器处便是该物的像。无论投影图像是否垂直于光轴，即物面和像面是否平行，此像的尺寸大小和光调制器尺寸大小完全一致。若物面和像面不平行，则像处(即图像传感器处)的图像清晰度会受到影响。距离投影镜头远的物点成像面位于焦平面后端，距离投影镜头近的物点成像面位于焦平面的前端。基于上述原理，在进行几何校正时，根据图像传感器拍摄到的投影屏幕图像几何形状，与基准成像之间的几何图形差异，确定几何校正参数。在进行投影时，光调制器根据该几何校正参数对待投影图像进行几何校正，并将几何校正处理后的图像进行投影，从而可实现自动几何校正。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中超短焦摄像头在投影机中的安装位置示意图；
图2为现有技术中安装于投影机的超短焦摄像头拍摄的投影图像几何形状示意图；
图3、图4分别为本申请实施例提供的投影机结构示意图；
图5为本申请实施例中投影在不同平面的光路示意图；
图6为本申请实施例中依据光路可逆在不同平面拍摄的光路示意图；
图7为本申请实施例中不同投影面在像面处成像差异示意图；
图8为本申请实施例中不同投影面像的形状差异示意图；
图9为本申请实施例中人眼观看位置示意图。
具体实施方式
现有的投影机自动几何校正实现方式主要有两种：
方式一：传感器方式
采用该方式时，在投影机中设置重力传感器来测量投影机姿态，以实现垂直方向上的梯形校正。
但是，由于重力传感器精度较低，因此该方法仅适用于中长焦投影机，而对于超短焦投影机，由于其镜头焦距短，轻微移动便会对图像产生剧烈影响，重力传感器的精度无法保证投影的垂直调节精度。
另一方面，采用该方法，由于无法用重力传感器探测水平方向几何畸变，因此无法进行水平方向的几何校正。
方式二：摄像头方式
采用该方式时，在摄影机中设置拍摄摄像头，以捕获投影图像中相应特征点，通过算法确定几何校正参数。此类方法应用于超短焦投影机时，需拍摄摄像头也为超短焦镜头才能将投影图像拍摄完整，安装位置可参考图1所示。
由于常用拍摄摄像头模组多为同轴光学结构，会产生光轴不平行问题。对于超短焦投影机来说，由于其投影镜头为移轴结构，而增加的拍摄摄像头为同轴镜头，则会由于两者光轴不平行，投影图像作为拍摄摄像头的物面并未与其成像面平行，会造成拍摄图像畸变。超短焦投影镜头大多畸变严重，结合光轴不平行，导致拍摄图像与实际图像差别较大，需要复杂算法配准图像后才能用于提取校正参数，还会导致校正精度降低。图2为超短焦投影机正常显示矩形时，整机端的拍摄摄像头所拍摄的图像示意图，由于图像上部物距远于下部物距，且该超短焦镜头枕形畸变严重，因此投影图像呈为类似梯形。
为解决上述问题，本申请实施例提出一种投影机以及自动几何校正方法，基于光路可逆原理，通过增加反光板结构和图像传感器，以投影机自身镜头实现自动几何校正功能，尤其适用于超短焦投影机。
下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
参见图3至图4，为本申请实施例提供的投影机的结构示意图。
如图3所示，投影机100可包括光源10、光机20以及投影镜头30。其中，光源10用于提供光束，光机20用于对光源10的光束进行调制，光机30用于对调制后的光束进行投影，即将影像投射到投影介质，比如投影屏幕40。
如图4所示，光机20中主要设置有光学镜头组21以及光调制器22。光调制器22用于进行光束调制，以得到需要投射的图像，具体可以是DMD芯片。上述投影机100中，还设置有控制器50以及设置在光机20中的反光板23和图像传感器24。
可选地，所述图像传感器具体可以是电耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)图像传感器或互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)图像传感器。
反光板23可受驱在不同位置间切换。举例来说，反光板23受驱可在第一位置a1和第二位置a2间切换。
位于第一位置a1的反光板23，可将入射到投影镜头30的投影屏幕的成像光束反射至图像传感器24。比如如图4所示，反光板23从第二位置a2落下后，其反光面朝向投影镜头30方向。投影屏幕40的成像光束l2入射到投影镜头30，并经过光学镜头组21入射到反光板23，经反光板23的反射作用入射到图像传感器24。
位于第二位置a2的反光板23不会改变光机20中的光束，比如如图4所示，反光板23从第一位置a1升起后，反光板23不会遮挡光束l1，以保证正常投影的实现，即光源10出射的光束经光机20调制后可以通过投影镜头30投影到投影屏幕40上。
其中，根据光路可逆原理，在无反光板24遮挡的情况下，光束l1和光束l2在光机中的路径一致。
图像传感器24与控制器50电连接。图像传感器24可对投射其上的外界成像光束进行成像，并输出数字图像信号。控制器50可以获取图像传感器24对外界成像光束的成像，并根据图像传感器24对外界成像光束的成像情况，确定几何校正参数。投影机进行投影时，光调制器22(比如DMD芯片)可根据该几何校正参数对待投影图像进行几何校正，并根据几何校正后的图像数据进行光束调制，得到投影光束，该投影光束从投影镜头30出射到投影屏幕40。
上述投影机100中，外界成像光束到达图像传感器24的光路长度，与反光板23在第二位置a2时外界成像光束到达光调制器22的光路长度相等。比如如图4所示，光路d1的长度与光路d2+d3之和的长度相等。
基于上述投影机，其自动几何校正过程为：
当需要进行几何校正时，可驱动反光板23至第一位置a1，并阻断投影光束。此时，投影机处于几何校正模式。在具体实施时，可在投影机上设置操作按钮，当该按钮被触发后，可将反光板23放下至第一位置a1，并可关闭光源10。当然也可通过其他方式，使投影机进入上述几何校正模式。
在几何校正模式下，投影屏幕40的成像光束入射到投影镜头30，经光学镜头组21后入射到反光板23，反光板23将该光束投射于图像传感器24，图像传感器24对该成像光束进行成像，并输出数字图像数据。控制器50获取图像传感器24输出的数字图像数据，并根据图像传感器对所述成像光束的成像与基准成像之间的几何图形差异，确定几何校正参数。
其中，所述基准成像为基于上述投影机的像面(即投影屏幕所在的平面)和物面(即光调制器所在的平面)平行时，所述光调制器的投影在投影屏幕中的成像。也就是说，所述基准成像为投影机放正时，光调制器的投影在投影屏幕中的成像。
在获得几何校正参数后，可驱动反光板23至第二位置a2，打开光源10，此时投影机处于正常投影模式。在具体实施时，可在投影机上设置操作按钮，当该按钮被触发后，可将反光板23抬起至第二位置a2，并可打开光源10。当然也可通过其他方式，使投影机进入上述正常投影模式。
在正常投影模式下，光调制器22(比如DMD芯片)根据在几何校正模式下得到的几何校正参数对待投影图像进行几何校正，并根据几何校正后的图像数据进行光束调制，得到投影光束，该投影光束从所述投影镜头出射到投影屏幕。
通过上述投影机以及上述几何校正过程，实现自动几何校正的原理如下所述。
如图5所示，在投影机的投影光路中，光调制器(如DMD芯片)为物，投影屏幕上的图像为该物的像。其中，实线所示的像面1与物面平行，虚线所示的像面2与物面不平行。
根据光路可逆原理，如图6所示，在相反方向的光路中，如果将该投影图像作为物，则该光路经反光镜反射后投射到图像传感器上，则图像传感器处便是该物的像。其中，实线所示的物面1与像面平行，虚线所示的物面2与像面不平行。无论投影图像是否垂直于光轴，即物面和像面是否平行，此像的尺寸大小和光调制器(比如DMD芯片)尺寸大小完全一致。
若物面和像面不平行，则像处(即图像传感器处)的图像清晰度会受到影响。距离投影镜头远的物点成像面位于焦平面后端，距离投影镜头近的物点成像面位于焦平面的前端。当镜头景深满足距离远近物体成像位置时，画面清晰度不受影响。由于超短焦镜头的景深较大，因此本申请实施例中不考虑景深对清晰度影响，默认景深满足要求。
如图7所示，在物面1和物面2处放置同样的投影屏幕，由于投影屏幕尺寸固定，则有长度ab＝a’b’，ae＝be＝a’e＝b’e。在不同物面，投影屏幕上相同位置的物点到投影镜头距离不一样，导致像面上的不同位置的物点水平放大率不一样，像面处的图像形状发生变化。如图7中所示，水平方向上的B’E>BE＝AE>A’E。同样，在垂直方向上也存在此现象，具体图像变化如图9所示。
为描述方便，将图8中A’B’所在的四边形称为Y，AB所在的四边形称为X，X既为DMD芯片显示区域的实际尺寸，同时也是投影屏幕放正时对应的实际像的尺寸，Y为投影屏幕放歪时对应的实际像尺寸。
以图8为例，根据光路可逆原理，若将DMD芯片显示区域变成Y，那么可以满足当投影屏幕放歪时，人眼观看到的图像是正常的，如图9所示。也就是说，在进行几何校正时，图像传感器拍摄到的投影屏幕图像几何形状为图8中的Y，控制器通过相关算法使图像几何形状X变为Y所需的参数，即为几何校正参数。在进行投影时，DMD芯片根据该几何校正参数对待投影图像进行几何校正，并将几何校正处理后的图像进行投影，从而可以使观看者看到的投影屏幕上的图像为几何形状正常的图像。
通过以上描述可以看出，本申请实施例提供的投影机中，无需额外增加镜头，硬件实现通过投影机原有镜头增加图像传感器，依据光路可逆原理，通过图像传感器拍摄投影屏幕外形作为参考，实现图像的几何校正。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种投影机，包括：用于提供光束的光源、用于对所述光源的光束进行调制的光机以及用于对调制后的光束进行投影的投影镜头，所述光机中设置有用于光束调制的光调制器，其特征在于，所述投影机中还设置有控制器，所述光机中还设置有反光板和图像传感器；
所述反光板受驱在第一位置和第二位置间切换；所述反光板位于第一位置时，将入射所述投影镜头的投影屏幕的成像光束反射至所述图像传感器；
所述控制器用于根据所述图像传感器对所述成像光束的成像与基准成像之间的几何图形差异，确定几何校正参数；其中，所述成像光束到达所述图像传感器的光路长度，与所述反光板在第二位置时所述成像光束到达所述光调制器的光路长度相等；
所述光调制器用于在所述反光板位于第二位置时，根据所述几何校正参数对待投影图像进行几何校正，并根据几何校正后的图像数据进行光束调制，得到投影光束，所述投影光束从所述投影镜头出射到投影屏幕。
2.如权利要求1所述的投影机，其特征在于，所述基准成像为基于所述投影机的像面和物面平行时，所述光调制器的投影在投影屏幕中的成像；其中，所述物面为所述光调制器所在的平面，所述像面为投影屏幕所在的平面。
3.如权利要求1所述的投影机，其特征在于，所述图像传感器为电耦合元件CCD图像传感器或互补金属氧化物半导体CMOS图像传感器。
4.一种基于如权利要求1至3中任一项所述的投影机实现的自动几何校正方法，其特征在于，包括：
驱动反光板至第一位置，获取所述图像传感器对所述成像光束的成像，并根据所述图像传感器对所述成像光束的成像与基准成像之间的几何图形差异，确定几何校正参数；
驱动反光板至第二位置，根据所述几何校正参数对待投影图像进行几何校正，并根据几何校正后的图像数据进行光束调制，得到投影光束，所述投影光束从所述投影镜头出射到投影屏幕。
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