CN110784692A - 投影装置、投影系统及影像校正方法 - Google Patents

投影装置、投影系统及影像校正方法 Download PDF

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Abstract

一种投影装置包括一处理器电路。处理器电路依据一输入影像及一第二映射表产生一反扭曲影像，并且投影装置将反扭曲影像投影至一投影屏幕，其中第二映射表是依据一第一校正图样及一第二校正图样产生多个被扭曲的特征点，以及依据所述多个被扭曲的特征点将一第一映射表转换而成。另外，一种投影系统及影像校正方法也被提出。本发明可让观看者从投影屏幕上观看到无扭曲且无失真的影像。

Description

投影装置、投影系统及影像校正方法
技术领域
本发明是有关于一种投影装置、投影系统及其影像校正方法，且特别是有关于一种用于曲面投影屏幕的投影装置、投影系统及其影像校正方法。
背景技术
投影机常见于家用娱乐与研讨会报告的应用，近年投影机更用于虚拟实境与光雕投影。任意不规则外形的表面都可以成为投影的画布，成为一种新的媒体艺术呈现方式。基本上，投影机的摆设必须使投影机的光轴中心垂直于投影表面，则所投放出来的影像才不会有扭曲现象。然而，如此就限制了投影机可摆放的位置，同时观看者的观看角度也被限制住了。为了改变投影机放置的位置，投影机的内部会添加反射镜片或利用影像处理晶片增加影像预先变形机制，通常这样的预先变形机制只有梯形校正，是假设被投影的表面是平面的。当被投影表面是任意曲面，譬如墙面不平整造成的稍微凹凸不平或是弯曲屏幕时，必须要适应不同几何结构的表面进行影像预先变形，才不致使投影后的影像扭曲失真。
“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成本领域技术人员所知道的习知技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被本领域技术人员所知晓或认知。
发明内容
本发明提供一种投影装置、投影系统及影像校正方法，其观看者可从曲面投影屏幕上观看到无失真影像。
本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
为达上述的一或部份或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提出一种投影装置，包括处理器电路。处理器电路，依据输入影像及第二映射表产生反扭曲影像，并且投影装置将反扭曲影像投影至投影屏幕，其中第二映射表是依据第一校正图样及第二校正图样产生多个被扭曲的特征点以及依据多个被扭曲的特征点将第一映射表转换而成。
为达上述的一或部份或全部目的或是其他目的，本发明的另一实施例提出一种影像校正方法。影像校正方法用于将反扭曲影像投影至投影屏幕的投影装置。影像校正方法包括：依据第一校正图样及第二校正图样产生多个被扭曲的特征点；依据被扭曲的特征点将第一映射表转换为第二映射表，其中第一校正图样被投影至投影屏幕，第二校正图样是撷取投影至曲面投影屏幕的第一校正图样的影像而取得；以及依据输入影像及第二映射表产生反扭曲影像，并且将反扭曲影像投影至投影屏幕。
为达上述的一或部份或全部目的或是其他目的，本发明的另一实施例提出一种投影系统，用于投射影像至投影屏幕。投影系统包括投影装置、影像撷取装置及处理器电路。投影装置将第一校正图样投影至投影屏幕。影像撷取装置撷取投影至投影屏幕的第一校正图样的影像，以取得第二校正图样。处理器电路连接投影装置与影像撷取装置，处理器电路依据第一校正图样及第二校正图样产生多个被扭曲的特征点，以及依据多个被扭曲的特征点将第一映射表转换为第二映射表，投影装置依据输入影像及第二映射表产生反扭曲影像，并且将反扭曲影像投影至投影屏幕。
基于上述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。投影装置将反扭曲影像投影至投影屏幕以使观看者可从投影屏幕上观看到无失真影像。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1A绘示本发明一实施例的投影系统的示意图。
图1B绘示本发明一实施例的投影系统的概要示意图。
图1C绘示本发明另一实施例的投影系统的概要示意图。
图2A及图2B分别绘示本发明一实施例的第一校正图样及从第一校正图样上撷取的第一特征点的概要示意图。
图3A及图3B分别绘示本发明一实施例的第二校正图样及从第二校正图样上撷取的第二特征点的概要示意图。
图4A、图4B及图4C绘示投影装置将反扭曲影像投影到曲面投影屏幕的概要示意图。
图5绘示本发明一实施例的影像校正方法的概要示意图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
投影机应用于不同的投影表面所进行的影像校正统称为几何校正(geometrycalibration)。当投影屏幕与投影机的相对位置改变的时候，以及投影屏幕的几何形状改变的时候，投影机就需要重新进行校正，投影出预先扭曲影像(prewarp image)，才能使在投影屏幕上呈现的影像无扭曲失真。当屏幕是平面时，投影机画面在屏幕上呈现的是梯形或是满足透视变换的四边形，可利用四个对应的控制点计算单应性(homography)转换关系，即可产生预先扭曲影像。当屏幕的几何形状可以用确切的数学方程式描述时，例如球面、双凹曲面、柱面、平面，只要找出符合描述投影屏幕几何的数学式就可完全掌握几何表面的空间坐标。透过三维模拟方法来模拟投影机的每一像素所发出的光路投射到屏幕的表面，就能反算预先扭曲影像。当屏幕是任意曲面时，例如：墙面不平整造成的凹凸、墙面转角、帘幕、上述所有的几何表面，要产生预先扭曲影像，必须精准的掌握屏幕的几何表面。在现有技术中，对任意曲面的几何校正，都需要事先做相机校正或安装特殊光学感测元件，增加几何校正的流程的复杂度与系统架设安装时间的浪费。
在本发明的示范实施例中，投影装置的几何校正的流程简单，且可减少投影系统的架设、安装时间。投影装置将反扭曲影像投影至曲面投影屏幕以使观看者可从曲面投影屏幕上观看到无扭曲失真影像。以下例示至少一实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
图1A绘示本发明一实施例中投影系统的示意图。本实施例的投影系统100包括投影装置110(例如是投影机)、处理器电路112及影像撷取装置130。投影装置110连接处理器电路112，处理器电路112连接影像撷取装置130，影像撷取装置130连接投影装置110。值得一提的是，两两装置之间是以信号传递为连接关系，其中各装置之间可靠有线或无线的方式传递信号。处理器电路112物理上可设置于投影装置110中或者处理器电路112物理上可设置于影像撷取装置130中。在其他实施例中，投影系统100还可以包括主机系统，处理器电路112也可设置于主机系统中。本发明不加以限制处理器电路112设置的位置，处理器电路112也可以是单一装置。投影装置110与影像撷取装置130可例如是整合并封装为一台投影装置来实作，也可例如是分别以独立的装置来实作，本发明并不在此限制。
图1B绘示本发明一实施例的投影系统的概要示意图。本实施例的投影系统100包括投影装置110、主机系统111、曲面投影屏幕120及影像撷取装置130。投影装置110包括处理器电路112，用于执行影像校正，以产生反扭曲映射表W(第二映射表)。另外，投影装置110也可包括光学元件、电路元件及机构元件等其他实现投影影像功能的元件。投影装置110可从主机系统111接收输入影像(例如图4A的输入影像410)，并且处理器电路112依据反扭曲映射表W将所接收的输入影像转换为反扭曲影像(例如图4B的反扭曲影像420)。接着，投影装置110再将反扭曲影像投影到曲面投影屏幕120上。因此，观看者200在其位置可观看到在曲面投影屏幕120上无扭曲且无失真的投影影像。
在本实施例中，标号122是投影装置110在曲面投影屏幕120上的投影范围。标号124是经影像校正后投影装置110在曲面投影屏幕120上的投影范围。其中，在曲面投影屏幕120上，影像校正后的投影范围124小于未经过影像校正的投影范围122，曲面投影屏幕120例如包括平面、部分平面与部分曲面、曲面、凹面、球面或任意曲面等表面。任意曲面是指局部观看的所述任意曲面的几何表面是连续变化且满足欧几里德空间特性。所述任意曲面的几何表面也可称为流形(manifolds)，其整体的拓扑结构是柔软的，且从一个平面映射到所述任意曲面的拓扑结构不变。在本实施例中，投影装置110利用此特性将所接收的输入影像作形变(deformation)，使得形变后的影像(即反扭曲影像)投影到曲面投影屏幕120上时，从观看者200的角度能看到无扭曲且无失真的投影校正结果。
图1C绘示本发明另一实施例的投影系统的概要示意图。本实施例的投影系统100与图1B的投影系统差异在于本实施例的处理器电路112设置于影像撷取装置130中，用于执行影像校正，以产生反扭曲映射表W(第二映射表)，并传递至投影装置110，投影装置110具有储存装置(例如存储器)，将反扭曲映射表W储存于储存装置中。投影装置110可从主机系统111接收输入影像，并且投影装置110依据反扭曲映射表W将所接收的输入影像转换为反扭曲影像420。接着，投影装置110再将反扭曲影像投影到曲面投影屏幕120上。因此，观看者200在其位置可观看到在曲面投影屏幕120上无扭曲且无失真的投影影像。
底下说明如何产生反扭曲映射表W(第二映射表)。
以图1B绘示本发明一实施例的投影系统100为例。图2A及图2B分别绘示本发明一实施例的第一校正图样及从第一校正图样上撷取的第一特征点的概要示意图。图3A及图3B分别绘示本发明一实施例的第二校正图样及从第二校正图样上撷取的第二特征点的概要示意图。请参考图1A、图1B、图2A至图3B，在本实施例中，投影装置110可从外部(例如是主机系统111)接收或由内部产生第一校正图样P，其中第一校正图样P的解析度大小与投影装置110所要投射影像的投影解析度大小一致(简述为投影装置110的投影解析度大小一致)。在校正过程中，投影装置110的摆放不须限制位置与旋转角度，只要投影装置110的投射方向是需要朝向曲面投影屏幕120即可。投影装置110投射第一校正图样P到曲面投影屏幕120上。由于曲面投影屏幕120表面的起伏以及投影装置110的投影角度使得投射的影像会有扭曲变形，如图3A所示。在本实施例中，如图1B所示，影像撷取装置130设置在观看者200的位置，以撷取第二校正图样C，第二校正图样C是扭曲的。在图1B中，虽然影像撷取装置130与观看者200的位置略有错位，但实际上影像撷取装置130是设置在观看者200的位置。值得一提的是，在图1C中，处理器电路112设置于影像撷取装置130中，影像撷取装置130可从外部(例如是主机系统111)接收或由内部产生第一校正图样P，其中第一校正图样P的解析度大小与投影装置110所要投射影像的投影解析度大小一致。影像撷取装置130传递第一校正图样P至投影装置110，投影装置110投射第一校正图样P到曲面投影屏幕120上。
在一实施例中，处理器电路112从第一校正图样P取得多个第一特征点(u,v)，其系投影机坐标系(第一坐标系)。其中每个特征点都不相同，每个特征点具有不同的图样。处理器电路112依据第一特征点(u,v)的排列方式取得最大外接四边形310。另一方面，处理器电路112从影像撷取装置130所撷取的第二校正图样C。第二校正图样C取得多个第二特征点(x,y)，其是相机坐标系(第二坐标系)。处理器电路112依据第二特征点(x,y)的排列方式取得最大内接四边形320。
接着，处理器电路112依据最大外接四边形310及最大内接四边形320产生相似矩阵S。最大外接四边形310及最大内接四边形320之间包括垂直与水平的缩放关系(sw,sh)与平移关系(tw,th)。由由最大外接四边形310及最大内接四边形320的四个顶点坐标，即可解得相似矩阵S的四个未知数sw、sh、tw、th。因此，相似矩阵S能把相机坐标系的第二特征点(x,y)转换到投影机坐标系的特征点(s,t)，如下公式所示：
Figure BDA0001748641720000071
其中，3×3矩阵是相似矩阵S，特征点(s,t)代表了被扭曲后的特征点，而该扭曲是由于曲面投影屏幕120与投影装置110的投影角度所造成的。第一特征点(u,v)代表了观看者200期望的校正后的特征点。
在本实施例中，处理器电路112依据被扭曲的特征点(s,t)将第一映射表T转换为反扭曲映射表W(第二映射表)。在本实施例中，投影装置110从主机系统111接收第一映射表T。在其他本实施例中，如图1C中，影像撷取装置130从主机系统111接收第一映射表T。回到本实施例，第一映射表T是一个与投影装置110的投影解析度尺寸相同的二维矩阵，其中每个值代表每个像素要映射的位置，而第一映射表T是与原始影像(主机系统111提供的影像)排列一致的坐标位置。在本实施例中，处理器电路112将第一映射表T视为一张二维的影像，在第一映射表T上放置特征点(s,t)，利用影像形变方法，将被扭曲的特征点(s,t)往第一特征点(u,v)拉动，以对第一映射表T进行形变操作，从而产生反扭曲映射表W。反扭曲映射表W代表了使扭曲的特征点转正的过程，因此称之为“反扭曲”。在本实施例中，影像形变方法可由所属技术领域的任一种影像形变方法的步骤来加以实施，本发明并不加以限制。其详细步骤及其实施方式可以由所属技术领域的通常知识获致足够的教示、建议与实施说明。
图4A、图4B及图4C绘示投影装置将反扭曲影像投影到曲面投影屏幕的概要示意图。请参考图1B及图4A至图4C，在本实施例中，投影装置110接收输入影像410，经校正后，相当于被扭曲的特征点(s,t)分布在输入影像410上。应注意的是，被扭曲的特征点(s,t)实际上并不会显示在输入影像410上，图4A所绘示的特征点(s,t)仅是用于使本领域技术人员易于理解。在本实施例中，投影装置110依据反扭曲映射表W产生反扭曲影像420，经校正后，相当于在反扭曲影像420上分布有第一特征点(u,v)。第一特征点(u,v)代表了观看者200期望的校正后的特征点。应注意的是，第一特征点(u,v)实际上并不会显示在反扭曲影像420上，图4B所绘的第一特征点(u,v)仅是用于使本领域技术人员易于理解。投影装置110将反扭曲影像420投影至曲面投影屏幕120。从观看者200的角度能看到无扭曲且无失真的投影校正结果，即校正影像430。
因此，在本实施例中，投影装置110将第一校正图样P投影至曲面投影屏幕120。影像撷取装置130撷取投影至曲面投影屏幕120的第一校正图样P的影像，以取得第二校正图样C。处理器电路112依据第一校正图样P及第二校正图样C产生多个被扭曲的特征点(s,t)。处理器电路112依据被扭曲的特征点(s,t)将第一映射表T转换为反扭曲映射表W(第二映射表)。投影装置110的处理器电路112依据输入影像410及反扭曲映射表W(第二映射表)产生反扭曲影像420，并且将反扭曲影像420投影至曲面投影屏幕120。观看者200可观看到无扭曲且无失真的校正影像430。
在本实施例中，处理器电路112例如包括中央处理单元(Central ProcessingUnit，CPU)、微处理器(Microprocessor)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、可编程控制器、可编程逻辑装置(Programmable Logic Device，PLD)或其他类似装置或这些装置的组合，本发明并不加以限制。在本实施例中，影像撷取装置130例如包括摄相机(camera)、手机相机或照相相机等类似的装置，本发明并不加以限制。在本实施例中，储存装置例如是可移动随机存取存储器(random access memory，RAM)、只读存储器(read-only memory，ROM)、快闪存储器(flash memory)或类似元件或上述元件的组合。主机系统111例如是个人电脑、平板电脑或智能手机等电子装置，作为提供影像的影像源。
图5绘示本发明一实施例的影像校正方法的概要示意图。请参考图1A～图1C及图5，图5的影像校正方法例如用于图1A～图1C的投影系统100。投影装置110将反扭曲影像投影至曲面投影屏幕120。在步骤S100中，处理器电路112依据第一校正图样P及第二校正图样C产生多个被扭曲的特征点(s,t)。在步骤S110中，处理器电路112依据被扭曲的特征点(s,t)将第一映射表T转换为第二映射表W。在步骤S120中，处理器电路112依据输入影像及第二映射表W产生反扭曲影像，并且将反扭曲影像投影至曲面投影屏幕120。因此，观看者200可观看到无扭曲且无失真的校正影像。另外，本实施例的影像校正方法可由图1A至图4C实施例的叙述中获致足够的教示、建议与实施说明。
综上所述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的实施例中，除了投影装置之外，投影系统利用影像撷取装置撷取一张投影装置投出的校正图样，经过影像校正方法，即可产生预先扭曲的影像，几何校正流程简易且快速。影像撷取装置放置在观看者的位置，取像完毕就可移开影像撷取装置。待校正完毕后，投影装置会具有反扭曲映射表。反扭曲映射表是针对曲面投影屏幕相对于投影装置的几何校正。投影装置利用反扭曲映射表来产生反扭曲影像并且投影在曲面投影屏幕上，在观看者位置所看到的影像即为无扭曲且无失真的校正结果。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明权利要求书及发明说明内容所作简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和发明名称仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或申请专利范围中提及的“第一”、“第二”等用语仅用于命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。
附图标记
100：投影系统
110：投影装置
111：主机系统
112：处理器电路
120：曲面投影屏幕
122：投影装置的投影范围
124：经影像校正后的投影范围
130：影像撷取装置
200：观看者
310：最大外接四边形
320：最大内接四边形
410：输入影像
420：反扭曲影像
430：校正影像
P：第一校正图样
C：第二校正图样
(x,y)：第二特征点
(u,v)：第一特征点
(s,t)：被扭曲的特征点
S100、S110、S120：方法步骤。

Claims (15)

1.一种投影装置，其特征在于，所述投影装置包括：
处理器电路，依据输入影像及第二映射表产生反扭曲影像，并且所述投影装置将所述反扭曲影像投影至投影屏幕，其中所述第二映射表是依据第一校正图样及第二校正图样产生多个被扭曲的特征点，以及依据所述多个被扭曲的特征点将第一映射表转换而成。
2.如权利要求1所述的投影装置，更包括影像撷取装置，其中所述投影装置将所述第一校正图样投影至所述投影屏幕，所述影像撷取装置撷取投影至所述投影屏幕的所述第一校正图样的影像，以取得所述第二校正图样，其中所述影像撷取装置设置在所述投影屏幕前的观看者位置。
3.如权利要求1所述的投影装置，其中所述第一校正图样包括多个第一特征点，所述第二校正图样包括多个第二特征点，所述处理器电路依据所述多个第一特征点以及所述多个第二特征点产生相似矩阵，以及所述处理器电路依据所述相似矩阵将所述多个第二特征点转换为所述多个被扭曲的特征点。
4.如权利要求3所述的投影装置，其中所述处理器电路依据所述多个第一特征点的排列方式取得最大外接四边形，所述处理器电路依据所述多个第二特征点的排列方式取得最大内接四边形，以及所述处理器电路依据所述最大外接四边形及所述最大内接四边形产生所述相似矩阵。
5.如权利要求3所述的投影装置，其中所述多个第一特征点及所述多个被扭曲的特征点位在第一坐标系，以及所述多个第二特征点位在第二坐标系。
6.一种影像校正方法，其特征在于，用于投影装置，将反扭曲影像投影至投影屏幕，所述所述影像校正方法包括：
依据第一校正图样及第二校正图样产生多个被扭曲的特征点；
依据所述多个被扭曲的特征点将第一映射表转换为第二映射表，其中所述第一校正图样被投影至所述投影屏幕，所述第二校正图样是撷取投影至所述投影屏幕的所述第一校正图样的影像而取得；以及
依据输入影像及所述第二映射表产生所述反扭曲影像，并且将所述反扭曲影像投影至所述投影屏幕。
7.如权利要求6所述的影像校正方法，更包括：
将影像撷取装置设置在所述投影屏幕前的观看者位置，以撷取投影至所述投影屏幕的所述第一校正图样的影像。
8.如权利要求6所述的影像校正方法，其中所述第一校正图样包括多个第一特征点，所述第二校正图样包括多个第二特征点，依据所述第一校正图样及所述第二校正图样产生所述多个被扭曲的特征点的步骤包括：
依据所述多个第一特征点以及所述多个第二特征点产生相似矩阵；以及
依据所述相似矩阵将所述多个第二特征点转换为所述多个被扭曲的特征点。
9.如权利要求8所述的影像校正方法，其中依据所述多个第一特征点以及所述多个第二特征点产生所述相似矩阵的步骤包括：
依据所述多个第一特征点的排列方式取得最大外接四边形；
依据所述多个第二特征点的排列方式取得最大内接四边形；以及
依据所述最大外接四边形及所述最大内接四边形产生所述相似矩阵。
10.如权利要求8所述的影像校正方法，其中所述多个第一特征点及所述多个被扭曲的特征点位在第一坐标系，以及所述多个第二特征点位在第二坐标系。
11.一种投影系统，用于投射影像至投影屏幕，其特征在于，所述投影系统包括：
投影装置，将第一校正图样投影至所述投影屏幕；
影像撷取装置，撷取投影至所述投影屏幕的所述第一校正图样的影像，以取得第二校正图样；以及
处理器电路，连接所述投影装置与所述影像撷取装置，所述处理器电路依据所述第一校正图样及所述第二校正图样产生多个被扭曲的特征点，以及依据所述多个被扭曲的特征点将第一映射表转换为第二映射表，其中所述投影装置依据输入影像及所述第二映射表产生反扭曲影像，并且将所述反扭曲影像投影至所述投影屏幕。
12.如权利要求11所述的投影系统，其中所述影像撷取装置设置在所述投影屏幕前的观看者位置。
13.如权利要求11所述的投影系统，其中所述第一校正图样包括多个第一特征点，所述第二校正图样包括多个第二特征点，所述处理器电路依据所述多个第一特征点以及所述多个第二特征点产生相似矩阵，以及所述处理器电路依据所述相似矩阵将所述多个第二特征点转换为所述多个被扭曲的特征点。
14.如权利要求13所述的投影系统，其中所述处理器电路依据所述多个第一特征点的排列方式取得最大外接四边形，所述处理器电路依据所述多个第二特征点的排列方式取得最大内接四边形，以及所述处理器电路依据所述最大外接四边形及所述最大内接四边形产生所述相似矩阵。
15.如权利要求13所述的投影系统，其中所述多个第一特征点及所述多个被扭曲的特征点位在第一坐标系，以及所述多个第二特征点位在第二坐标系。
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