CN111357284A - 用于自动恢复投影系统的校准状态的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于自动恢复投影系统的校准状态的方法，其目的在于提出一种解决方案，该解决方案允许在投影的原始无误差状态下简单且无误差地对准投影系统。达到此目的的方法是，通过计算或检查一个或多个摄像机在投影系统中的位置和方向来自动恢复投影系统的校准状态，其中使用固定点，随后m×n个标记(9')投影到投影区域上，与校准相比，一个或多个摄像机使用所述标记来确定数量减少的第二测量点(Ql')，每个第二测量点具有一个X、Y和Z坐标。通过减少数量的第二测量点(Q1')来计算第二测量点(Q1')与相关的第一测量点(Q1')之间的差，并形成位移矢量，投影仪坐标和3D坐标之间的关联通过位移矢量进行调整。

Description

用于自动恢复投影系统的校准状态的方法
技术领域
本发明涉及一种用于自动恢复投影系统的校准状态的方法，其中，当校准投影系统时，m×n个标记被投影到投影表面上，通过使用一个或多个摄像机从投影表面确定m×n个第一测量点，第一测量点分别具有位于投影表面上的X、Y和Z坐标并且因此位于3D模型的表面上，并且其中，提供了投影仪坐标与3D坐标(xpypi，XYZi)的关联以及投影仪坐标向映射坐标的转换pKm和映射坐标向投影仪坐标的转换mKp。
本说明书涉及用于单通道和多通道投影的几何校正均衡的计算。还涉及确定和计算单独投影的重叠区域中的几何校正过渡，并从中生成大区域投影。特别地，描述了一种用于多通道投影的自动重新校准和追溯到原始校准的策略。
背景技术
由于良好可见性所需的光输出和分辨率，因此大区域投影主要由若干个单个投影或由单独投影组成。
通过使用所谓的投影系统产生的这种大区域投影通常由若干个小的单独投影或局部图像组成，其中生成局部图像的单独投影通道以适合投影表面的方式几何地失真并且融合。以这种方式，例如，可以通过使用四个投影仪在投影表面上生成相应的大面积均匀投影或表示，其中每个投影仪生成大区域投影的局部图像。
为了生成所谓的无缝、大区域投影，该投影例如由两个或四个单独投影或局部图像组成，必须对单独的投影通道进行校准。校准投影通道的过程也称为对准。
例如，对于该校准过程，将预定的图案投影到投影表面上。这些图案标记点位于投影表面上、或者以可以从投影表面衍生点的方式设计。例如，以这种方式衍生的点可以从两条相交的线或从平面几何图形的一个角获得。
已证明这些标记点的空间位置(X，Y和Z坐标)例如通过使用两个摄像机来测量。可以基于这样获得的3D-点模型来确定单独投影仪在投影表面(屏幕)上的每个点处的重叠，并且可以从中衍生与生成大区域投影有关的每个投影仪的所谓的融合(亮度调节)。例如，这种特定的融合可以通过使用布置在每个投影仪的光束路径中的光学孔径掩模来实现。
根据已知的现有技术，通过使视频信号失真和融合的适当处理，每个局部图像形成所需的投影仪的单独视频通道的视频信号的信号在图像形成之后变化。随后，以这种方式变化的信号作为输入信号被馈送到投影仪，投影仪在投影表面上生成相应的局部图像。通常对生成投影中涉及的每个投影通道(即，对每个局部图像)执行信号处理或信号变化的处理。
因此，在投影表面上产生大区域投影(例如适应预定的投影表面和/或融合)所需的投影通道或局部图像的变化，被直接施加到每个投影仪的输入信号上，并且因此影响显示的局部图像的投影。
建立由多个部分投影或局部图像组成的大区域投影是复杂的。所谓的用于建立投影的基于摄像机的系统具有观看投影表面的摄像机，大大减少了建立工作。但是，基于摄像机的系统需要苛刻的先决条件才能获得高质量的结果。摄像机应该能够尽可能完整地观看投影屏幕。
EP1434434A1公开了一种用于自动校准具有至少两个投影仪的多投影仪系统的方法，其中，从不同投影仪产生的任意数量的图像中生成具有准确像素表达的叠加显示，以增加总体亮度或使能立体显示。可替代地，也可以在(大)屏幕上显示更大的整体图像，该整体图像包括至少部分地与准确像素表达重叠的多个单独的投影图像。执行该方法所需的系统还包括数字摄像机和用于控制投影仪和摄像机的控制单元。根据所描述的方法，进行用于自动校准多投影仪系统的生成、记录线型图案和图像滤波以及图像变形，其中自动校准多投影仪系统找到最大可能的投影表面积并计算变形场。
不利的是，该现有技术解决方案不允许多投影仪系统的重新校准。如果投影仪的位置变化，则必须整体上再次执行多投影仪系统自动校准的整个程序。
US 6,456,339 A1公开了一种用于生成高分辨率显示的方法。该方法使用存储的像素校正信息，该像素校正信息被施加到要显示的像素数据，从而生成校正或修改的像素数据。该校正或修改的像素数据包含必要的失真和/或校正，这些失真和/或校正是借助多个投影仪生成合成整体图画所需的。设想将像素数据存储在帧缓冲器中，并且在显示之前将像素校正信息施加到帧缓冲器中的像素数据。可替代地，首先施加像素校正信息，随后将校正的像素数据存储在帧缓冲器中。然后，从校正的像素数据生成高分辨率显示。在优选的实施例中，系统具有多个投影仪。像素校正信息校正投影的重叠像素阵列的未对准并且确保投影区域的无误差重叠，以形成大面积的整体投影。
在另一实施例中，来自多个投影仪的投影图像完全重叠，并且投影仪具有小的填充系数，从而得到高分辨率显示。
为了生成像素校正信息，通过相应的单元光学检测和评估物理的或投影的测试图。适于记录测试图的光学传感器优选地包括至少一个摄像机，诸如CCD摄像机。可替代地，光学传感器还可以包括若干个正交线性传感器布置。
该现有技术解决方案不利的是，也不允许多投影仪系统的重新校准。如果投影仪的位置变化，则必须重新执行多投影仪系统自动校准的整个过程。
当成功完成了初始校准或对准过程时，可以生成无误差的无缝、大区域投影，以便观察者不再能感知到重叠区域。
这样的大区域投影通常不具有长期稳定性。即使在投影仪的方向上的微小变化对大区域投影具有很大影响，局部图像也会漂移分离。例如，这可能是由投影仪或其支撑处的热变化以及投影仪中所需的灯泡变化引起的。一个或多个投影仪的轻微变化也会使通过受影响的投影仪生成的单个投影发生变化，例如，在投影表面上的位置或几何尺寸方面。在这种情况下，必须恢复投影系统的校准状态，也称为重新校准、新的重新校准或重新对准。在此，投影在校准之后返回到原始状态，以便再次获得无缝的大区域投影的无误差表示。
可以手动恢复这种校准状态。但是，这很耗时并且需要专业知识。
还已知用于恢复校准状态的基于摄像机的系统。B.Sajadi,A.Majumder，在分段光滑的垂直拉伸表面上自动校准平铺投影仪，IEEE可视化和计算机图形学学报，第17卷，2011年11月9日，第1209-1222页的出版物，描述了将平铺投影自动校准和重新校准到分段光滑、垂直拉伸的投影表面(例如圆柱投影表面或CAVE)上的过程，其中整个投影区域由摄像机捕获。首先，基于比较图像来检查投影是否已经变化，然后确定该变化是否是由于投影仪、摄像机和/或投影表面的位置的变化引起的。如果检测到一台或多台投影仪的位置发生变化，则使用该投影仪或这些投影仪将图案投影到投影表面上，然后通过与以校准状态记录的图案进行比较来重新校准。如果检测到摄像机位置的变化，则重新确定摄像机的位置。如果确定投影表面的形状或位置发生变化，则重新定义投影的坐标系。在前述出版物中描述的方法限于分段光滑、垂直拉伸的投影表面。
为了获得良好的恢复效果，用于恢复校准状态的基于摄像机的系统需要一个投影表面，通过摄像机能够看到投影表面其整体。因此，在修复过程中必须清除潜在的障碍物。
校准状态的这种恢复应尽快执行并使用有限数量的硬件。下面列出的限制可能会限制还原的准确性，并且在还原中必须考虑这些限制。
如果在基于摄像机的系统中摄像机无法完全看到大区域投影，则由于视图约束精度会受到限制。例如，这种约束可能是由投影表面前面的结构(诸如，飞行模拟器的驾驶舱)引起的。由于摄像机的有限视野，在恢复过程中可以在投影表面上识别出较少的参考点，因此与在初始校准期间摄像机在投影表面上的视野不受遮挡的情况相比，可以测量的参考点更少。
由于新测量的标记不准确，精度可能进一步受到限制。例如，在必须将摄像机放置在观察者视野之外的情况下，会发生此限制。在这种情况下，摄像机在投影表面上的视角非常平坦。
例如，当仅使用一台摄像机并且在摄像机图像的各个角落充分利用摄像机图像时，由于镜头外围区域中的摄像机光学元件的质量较低，可能会限制摄像机的精度。
精度的限制也可能是由于摄像机或光学部件的分辨率有限或不足引起的。
例如由于补偿的参考标记(诸如激光标记)而导致的在基于摄像机的系统中确定摄像机的位置时的不准确度也可能限制准确性。
尽管存在前述限制和潜在的误差源，但恢复校准状态的系统应再次提供大区域投影，而不会出现跳跃和双重图像，并且该投影也是连续的并且尽可能接近原始校准或设计。
发明内容
本发明涉及恢复投影系统的原始状态或校准状态的方式。
本发明的目的是提供一种用于自动恢复投影系统的校准状态的方法，该方法使得能够在投影系统的原始校准的无误差状态下简单且无误差地对准投影系统。
该目的通过具有根据独立权利要求的权利要求1的特征的方法来实现。在从属权利要求中叙述了其他实施例。
基于设计或测量数据的用于投影系统的所谓的计算机辅助校准方法的共同点在于，它们需要作为临时解决方案的投影仪坐标与投影表面(即，屏幕)上的3D坐标的关联，例如，关联就根据：
(xpypi,XYZi)。
这种关联可以是一组有限但密集的点对，例如每个投影仪30×20个点对。
然后可以基于这些数据计算任何映射的校正数据。当该关联不准确或不再准确时，由此计算出的所有校正数据也将不准确。
术语“3D坐标”是指在具有X、Y、Z维度的三维坐标系中的坐标。本说明使用的是空间统一的参考系统，其中各个组件(诸如投影表面(屏幕)、投影仪、投影、摄像机等)可以被描述。
投影仪坐标(也称为投影仪-图像坐标或屏幕空间坐标)是由投影仪渲染的图像中具有x、y维度的二维坐标。此处使用xp和yp名称以更好地将它们与摄像机坐标区分开。
映射坐标(也称为结构坐标)是指要投影的内容中的点，可以是图像或结构。这些坐标通常是具有坐标u和v的二维(2D)，但可以通过另外的坐标w进行扩展，以便例如可以使用体积结构数据。
术语摄像机坐标或摄像机-图像坐标用于摄像机图像中具有x和y维度的二维坐标。使用xc和yc名称以更好地将它们与投影仪坐标区分开。
均衡的摄像机坐标或摄像机-图像坐标是在没有失真的理想摄像机图像中的具有x和y维度的二维坐标。此处使用术语xc“和yc”。
术语映射应理解为是指将空间中的3D坐标映射到2D坐标。该映射用于将投影的任何点分配给2D坐标。例如，在沿Z轴的平面投影的简单情况下可以是：
u＝(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)v＝(Y-Ymin)/(Ymax-Ymin)，
其中Xmin/Xmax指示左映射限制和右映射限制，以及Ymin/Ymax指示下映射限制和上限映射限制。这将映射边界内的3D坐标映射到归一化的2D映射坐标。
在提出的投影系统校准状态的恢复中，提供了可以从来自新校准(重新校准)中潜在的不完美、不完整数据与首次初始校准的更密集、更完整数据的适当组合中、或者从来自设计的数据中得出有关重新校准数据中差距的结论。由此实现了在整个投影表面上的显著改善的校准精度。
在重新校准期间创建不完整数据，并且因此减小或减少可用测量点数量的一个原因例如是一个或多个摄像机无法看到投影表面的部分。
假设投影系统的投影仪已永久安装并投影到均匀的投影表面上，则可以假设原始投影和后来的投影之间仅存在细微差异，这可以通过使用位移矢量来表示。在此，假设在单个投影尺寸的1/1000到1/10的范围内的数量级。
此外，假设单个投影内的投影之间的这些差异仅随着低频而变化。由于在低频变化的情况下，预计原始投影和以后的投影之间只有很小的差异，因此插值方法特别适用于泛化，因为它仅基于重新校准期间可能生成的很少的点对。
散乱数据的所谓多元或多维插值(也称为不规则栅格上的数据)用于重新校准期间的插值，例如通过将摄像机的视场限制在投影标记而不是测量点的数据上。例如，“最近邻法”、“反距离法”或“薄板样条函数”，但不限于此。
为了在恢复校准状态时确定测量数据的点对，用于减少可用于恢复的测量点的数量的三维补偿(例如，在首次校准期间确定的具有X、Y、Z坐标的测量点Q和重新校准期间的相同测量点Q'的位置之间)，确定如下：
补偿XYZi＝XYZi’–XYZi。
基于3*n个数据对：
(XYZi,补偿Xi)
(XYZi,补偿Yi)
(XYZi,补偿Zi)。
此后，根据以下确定三个插值：
补偿X(XYZ)
补偿Y(XYZ)
补偿Z(XYZ)
用于估计位移矢量的三个坐标。
通过使用现在确定的补偿函数，可以为原始数据的每个点XYZ计算当前时间点的估计点XYZ'，如下所示：
X’＝X+补偿X(XYZ)Y’＝Y+补偿Y(XYZ)Z’＝Z+补偿Z(XYZ)。
由于每个测量点的原始数据还包括投影仪空间中的位置，因此，点对(xpypi，XYZi’)现在可以按以下方式计算：
(xpypi,XYZi+补偿(XYZi))。
可以基于新确定的点对(xpypi，XYZi')，得出与第一次校准等效的所有必要校正数据。
现在将在下面解释恢复投影系统的校准状态的优化。
可以通过假设投影表面是不变的或恒定的来执行第一优化。在这种情况下，以前需要三个坐标的位移矢量的插值可以简化为二维问题。
在这种情况下，将投影仪空间中的2D点映射到投影表面的先前定义的2D切向空间中的2D位移矢量上。基于2*n个数据对
(xpypi,补偿Ui)
(xpypi/补偿Vi)，
根据以下确定用于映射位移矢量的两个坐标的两个插值：
补偿U(xpyp)
补偿V(xpyp)。
通过利用冗余的平均减少测量误差可以实现进一步的优化。
如上所述，由于以下原因，预计投影系统的校准状态恢复不准确：
摄像机在投影表面上的视角非常平坦，
·相机图像的使用一直到角落，
摄像机光学部件的有限分辨率，以及
·确定摄像机位置中的不正确。
如果在投影表面上看到的标记位于同时运行的两个摄像机的检测区域中或由两个摄像机记录，则可以显著减少所生成的测量误差。
例如，可以根据期望误差或期望确定性，通过对从标记得出的测量点进行加权来减少测量误差。
太不精确的测量点也可以从进一步的计算中排除。可以排除测量点，因为当恢复投影系统的已校准状态时，核心概念旨在避免出现一些不完整的测量数据，即减少测量点的数量。
可以根据各种评估标准将各个测量点的总体确定性放在一起。在替代实施例中，单个评估标准也可能是足够的。
例如，当使用若干个评估标准时，可以通过乘法来组合单个确定性评估，即通过为测量点的总体确定性生成一个值，如：
总体确定性＝确定性1*确定性2*...*确定性N。
此处的示例可以是：
总体确定性i＝确定性(角度i)*确定性(xcyc i)*确定性(摄像机分辨率i)*确定性(摄像机位置确定i)。
在评估测量点时，确定总体确定性包括以下内容：
·摄像机与投影表面的角度，
·均衡的摄像机坐标xc和yc，
摄像机的分辨率，以及
·确定摄像机位置时的确定性
如果以此方式确定的测量点的总体确定性i小于某个预定阈值，则可以将该测量点从进一步的处理中排除或丢弃。如果以此方式确定的测量点的总体确定性i大于预定阈值，则在恢复投影系统的校准状态时使用该测量点。
如果从n个不同的摄像机位置(例如，当同时使用n个摄像机时)测量了测量点，则可以根据其各自的确定性来组合不同的测量值：
测量点＝(测量点*确定性+测量点2*确定性2+...+测量点N*确定性N)/(确定性1+确定性2+...+确定性N)。
以这种方式，生成具有显著减小的测量误差的测量点。
附图说明
发明的实施例的其他细节、特征和优点可以通过参考附图对示例性实施例的以下描述来确定，附图中示出：
图1：使用若干个台投影仪在弯曲投影表面上进行大区域投影的示意表示，
图2：大区域投影的局部图像的示例性表示，
图3：用于校准投影系统的标记在投影表面上的投影，
图4：图3的投影表面上的标记的局部放大表示，
图5：具有模型测量点M和测量点Q的生成的投影表面的3D模型的表示，
图6：投影系统的校准之后无误差的大区域投影的表示，
图7：投影仪位置变化之后局部图像的不正确投影，
图8：用于在投影仪的位置变化之前和之后校准投影系统的标记在投影表面上的投影的比较，
图9：在投影仪的位置变化之前和之后标记在投影表面上的投影的局部比较，
图10：具有两个摄像机的投影系统，用于记录投影在投影表面上的标记，
图11：使用两个来自不同位置的摄像机投影在投影表面上的标记的记录示意图，
图12：由两个摄像机求平均值确定的3D测量点Qcam0和Qcam1的优化，
图13：通过加权角度α优化确定的3D测量点的优化，以及
图14：一种优化，其中考虑了测量点到摄像机中心的距离。
具体实施方式
图1示出了投影系统1，投影系统1例如具有四个投影仪2a、2b、2c、2d。每个投影仪2a、2b、2c、2d在投影表面3上生成相应的局部图像4a、4b、4c、4d，当将局部图像4a、4b、4c、4d放在一起时得到大区域投影5。通过在两个相邻的局部图像4a、4b、4c、4d之间创建融合分区7生成大区域投影5，在融合分区7中相邻的局部图像4a、4b、4c、4d的图像部分重叠。在合适的中央信号生成单元中生成控制投影仪2a、2b、2c、2d所需的局部图像4a、4b、4c、4d的图像或视频信号是，这里不详细描述中央信号生成单元，因为它不具有对本发明的实施例的效果。
所需的局部图像4a、4b、4c、4d最初是在信号生成单元中生成，如图1中为了更好可视化效果所示出的，生成的方式是大区域投影5以无误差表示的方式只投影到平坦投影表面6上。
为了在弯曲的投影表面3上实现无误差的显示，整个投影系统1被校准。在校准期间，生成的数据使得可以以如下方式使局部图像4a、4b、4c、4d变形，局部图像4a、4b、4c、4d在弯曲的投影表面3上显示给观察者并且被观察者忠实于原始图像感知而没有不良的位移或变形。除了局部图像4a、4b、4c、4d的这种失真以外，局部图像4a、4b、4c、4d的信号也被变化，以便以使得观察者能够不再单独地或彼此分开地感知局部图像4a、4b、4c、4d的精度被叠加在融合分区7中，然后局部图像4a、4b、4c、4d看起来是连续的大区域投影5。为此目的，必须在融合分区7内执行融合，即，局部图像4a、4b、4c、4d的亮度适应。
图2将大区域投影5的每个局部图像4a、4b、4c、4d示出为单独图像。从局部图像4a和4b可以清楚地看到，局部图像4a和4b只有在它们的共同侧部分地重叠时才能够产生无误差的图像。局部图像4a和4b的示例清楚地示出，为了获得无误差的大区域投影5必须使所示鸭子的眼睛重合。
投影系统1的设置和操作例如如下：
1.测量
2.投影设计
3.构造设计
4.对准
5.设置
6.更新/追溯校准(重新对准)。
测量是指测量用于投影的投影表面3并确定用于大区域投影5的投影所需的投影仪2的可能位置。此测量用于创建投影系统1的第一构造模型。然后，基于投影系统1的第一构造模型创建投影设计。使用此创建的投影设计，可以确定和检查诸如投影仪类型、分辨率、可能的光学器件和亮度的规范。如果投影设计满足投影系统预定的标准，则在实践中实施投影系统1的模型，即，在实践中实施构造设计。
在实践中已经对投影系统1进行设置和最终布置并且所有图像信号稳定地传输之后，可以开始投影系统1b的对准。例如，可以使用诸如DVI、HDMI或DisplayPort的标准来传输图像信号。对于该校准(对准)过程，如图3所示，对于每个投影仪2a、2b、2c、2d，将m×n个标记8(诸如圆形或十字形)投影到投影表面3上。例如，m对应于标记8投影在一行中的数量，而n表示在m×n矩阵中标记8的行数。在图3的示例中，标记8以7行示出，每一行具有9个标记8每行。因此，在该示例中，m＝9且n＝7。例如，矩阵中投影的这些标记8通过格雷码(graycode)来清楚地索引并且由摄像机来捕获。假设已经创建了投影表面3的3D模型，则可以将这些标记8转变为测量点9Q。这些测量点9Q在投影表面3上具有特定位置，每个位置具有X、Y和Z坐标。图3以概图的形式示出例如投影仪2a的这种标记8的示例，并且在图4中以放大细节示出这种标记8的示例。图4在右下区域中由图4的左上部分示出了放大的投影表面3的细节。
摄像机12的位置和方向首先在基于固定点的所谓的世界坐标系中进行。固定点是摄像机12的视场中的突出点(prominent point)，其位置先前已经在世界坐标系中确定。例如，这可以使用经纬仪、徕卡测量系统(Disto)或摄影测量法来完成。
通过利用布置在投影系统1中的摄像机12从例如两个不同的位置来记录投影标记8，使用所谓的前向交叉点由标记8计算出测量点9Q(Qn，Q1，Q2，...，Qn)的3D坐标。有利地，还可以在投影系统1中布置两个摄像机12a和12b，其中例如可以从两个不同的位置同时记录标记8。借助于这些计算的测量点9Q(Qn，Q1，Q2，...，Qn)，可以创建投影表面3的3D模型，并将投影表面3的3D模型用于方法的其他过程中。这些测量点9Q中的每个具有自己的X、Y和Z坐标，因此可以在投影表面3上和由投影表面3衍生的3D模型中明确表示。为了减少所需的测量点9Q以描述3D模型中的投影表面3的表面，模型中的表面被布置或划分为局部区域11。这些局部区域11(例如可以是三角形或其他多边形)分别由三个或更多个角点或模型测量点15M形成，并且以足够的精度描述投影表面3的表面。图5示出了由例如三角形11构造的投影表面3的3D模型的这种表示。该图示示出了具有角点M0、M1和M2的示例性三角形11。
通过三角测量获得的投影表面3的三维模型(3D模型)的3D坐标以足够的精度再现真实的投影表面3，并且通常与理想的平坦投影表面6不同。
因此，如上所述，在第一变型例中，可以由投影到投影表面3上的标记8衍生本方法所需的3D模型。
可替代地，在第二型例中，可以假设投影表面3的局部区域的面积对应于球体或圆柱体，从而可以使用相应的球体或圆柱体的3D模型。
在第三变型中，对于生成投影表面3的3D模型，使用激光扫描仪或经纬仪逐点地精确测量或扫描投影表面3。
另外，每个投影仪2a、2b、2c、2d可以被校准一次，使得每个投影仪2a、2b、2c、2d的局部图像可以与投影表面3上的局部区域相关联。
下一步骤涉及设置总体投影。原则上，可以在两个应用程序之间进行区分：
1.3D环境的模拟
设置虚拟摄像机的观察点(视点)、方向和打开角度(视锥)，虚拟摄像机位于观察点处。
2.视频
为每个投影仪设置映射坐标系并且调整单独图像段(切割矩形)的位置和方向。
开始于
—虚拟摄像机的视点、方向和打开角度，或者
—图像部分的映射坐标系、位置和方向，
计算2个转换：
pkm(投影仪坐标→映射坐标)
mkp(投影仪坐标←映射坐标)。
当确定转换pkm和mkp(也称为转换确定或插值确定)时，将从不同坐标系(投影仪坐标、映射坐标)中的已知坐标对(诸如xpypi和uvi)确定广义插值，由广义插值可以为任意的坐标估计转换函数pkm和mkp。为此目的，可以使用常见的插值方法，诸如多项式或三次样条。当存在相应的密集测量点并且它们之间的函数连续时，这些插值方法非常接近实际的传递函数。随着测量点之间的距离增加或超出测量范围，估计会变得更糟。
两种转换都可以顺序使用，以将投影仪坐标转换为映射坐标(pkm)以及将映射坐标转换为投影仪坐标(mkp)。这两种转换形成所有后续计算的基础。
融合分区7是指单独投影仪2a和2b的单独局部图像4a和4b之间的区域或重叠区域。对于这两个应用程序(3D环境的模拟或者视频)，融合是在映射坐标系中计算的。每个单独投影的融合灰度值相当地进行计算。
在校准并设置投影之后，根据应用程序(3D环境的模拟或视频)创建连续的大区域投影5。图6示出了以此方式提供的投影系统的示例。图6示出了具有两个投影仪2a和2b的投影系统1，两个投影仪2a和2b生成局部图像4a和4b。投影仪2a和2b已经通过校准和设置投影系统1而被对准和调节，使得投影的局部图像4a和4b在投影表面3上产生大区域投影5，在大区域投影5中融合分区7中的局部图像4a和4b之间的过渡不再被感知。以示例的方式，图6还示出了用于局部图像4a和4b的投影的孔掩模(aperture masks)10a和10b，孔掩模10a和10b可以布置在各个投影仪2a和2b的光束路径中。图6示出了通过两个投影仪2a和2b在投影表面3上生成的栅格的表示。
投影仪2中所需的灯更换、热漂移或其他外部影响可导致一个或多个投影仪2a、2b、2c、2d的位置和/或方向的变化。这些变化(在某些情况下只是最小的)在大区域投影5中可见，例如，为双重图像。在图7中示出了这种修改的投影。在图7的示例中，左投影仪2a的位置已经移动。投影仪2a的位置的这种变化引起局部图像4a的投影的方向和/或位置的变化。特别是在图7中可以清楚地看到，因为局部图像4a和4b的栅格图案在大区域投影5的融合分区7中不再匹配。
必须通过投影系统1的新的或反向的校准或重新对准来恢复原始校准和设置的状态。为了实现这点，需要以下要求和步骤：
投影表面3上的三维模型(3D模型)的3D坐标(测量点M0，M1，M2，Mn)通过三角测量来获得，或者以足够高的精度替代投影表面3的另一个3D模型。上面已经描述了图4所示的这种3D模型的生成。
通过至少一个或多个摄像机可以看到投影区域3的足够大的部分。此处必须确保，通过至少一个摄像机12至少部分地看到投影仪2a、2b、2c、2d的局部图像4a、4b、4c、4d。如果一个或多个摄像机的位置和方向为已知，则是有利的。可替代地，可以在单独的处理步骤中确定位置和方向。
投影系统1的重新校准或重新对准可以随后通过若干个方法步骤来执行：
在第一方法步骤中，投影系统1内的(重新对准的)摄像机的位置和方向在此信息还不可用的情况下进行计算。为此目的，使用所谓的固定点，固定点位于摄像机的检测区域中并且固定点的位置在与X、Y和Z坐标相关联的所谓的世界坐标系(原点坐标系)中是已知的。摄像机检测范围内的LED、激光点、编码标记或突出物体可用作固定点。这些通过摄像机来检测，并且可以基于这些固定点计算摄像机的位置和方向。
在第二方法步骤中，重新投影和识别用于每个投影仪2a、2b、2c、2d和用于布置在投影系统1的区域中的每个摄像机的唯一索引标记8。
例如，当使用具有至少两个摄像机的多摄像机系统时，每个摄像机只看到投影的部分。生成这些局部图像4a、4b、4c、4d的投影仪2a、2b、2c、2d必须投影标记8的相应图案，例如参见图3和图4。
图8示出了在原始状态和移位状态下投影表面3上的图案或标记8的投影的示例，其中投影仪2的位置已经变化。当由参考数字8标识原始标记8时，由数字后的撇号标识通过投影仪2a的位置变化生成的移位的标记8'。
图9示出了来自图8的标记的细节。根据图5所示的模型，为了说明仅示出了两个局部区域11a和11b。通过具有标记M0、M1和M2的模型点15形成被标记为T0的第一局部区域11a。通过具有标记M0、M2和M3的模型点15形成被标记为T1第二局部区域11b。
示出了测量点Q1，测量点Q1具有X、Y和Z坐标并且已经由标记8被检测到。由于投影仪2a的位置发生了变化，还示出了具有已经由标记8检测到的不同的X、Y和Z坐标的测量点Q1'9。通过箭头指示了测量点Q1和Q1'的检测位置的结果变化。还示出了在标记8上的摄像机12的原始视线13，以及在投影仪2a的位置变化之后和在标记8'上的摄像机12的变化的视线13'。
图10示出了投影系统1的示例，其中安装有两个示例性摄像机12a和12b。各个摄像机12a和12b的检测区域16和17与投影表面3对准(即，定向)，并且允许该投影表面3的至少部分记录或捕获。
以此方式，与第一校准相比生成了数量减少的测量点Q’，其用于恢复投影系统的校准状态。为了确定测量数据的点对，现在针对减少的测量点数量确定新的校准的三维补偿：
补偿XYZi＝XYZi’-XYZi。
基于3*n个数据对，可以获得：
(XYZi,补偿Xi)
(XYZi,补偿Yi)
(XYZi,补偿Zi)。
此后，根据以下来确定三个插值：
补偿X(XYZ)
补偿Y(XYZ)
补偿Z(XYZ)
以估算位移向量的三个坐标。
利用此确定的补偿函数，可以如下来计算用于原始数据的每个点XYZ的当前时间点的估计点XYZ'：
X’＝X+补偿X(XYZ)Y’＝Y+补偿Y(XYZ)Z’＝Z+补偿Z(XYZ)。
由于每个测量点在投影仪空间中的位置也包含原始数据，因此可以如下计算点对(xpypi，XYZi')：
(xpypi,XYZi+补偿(XYZi))。
基于新确定的点对(xpypi，XYZi')，可以得出与初始校准等效的所有必要的校正数据。
以这种方式，提供了校正的转换pkm和mkp，用于为每个投影仪2a、2b、2c、2d生成局部图像4a、4b、4c、4d。
在完成投影系统1的新的或回溯的校准或重新对准之后，图6所示的大区域投影5的无误差投影的状态被恢复。
在通过单个摄像机12不能完全观察整个投影表面3的情况下，来自投影系统1内不同位置的图画必须使用一个摄像机12来拍摄、或者必须使用位于不同位置处的多个摄像机12a和12b来拍摄。摄像机12在投影系统1内的合适位置可以是从该位置不遮挡投影表面3的相应部分视图的摄像机12的位置。例如，如图10中的示例所示，可以在投影系统1中的投影仪旁边或后面以一定角度布置摄像机12。
因为在大多数情况下，由于存在的公差，根据第一变型例的摄像机的位置和方向的计算不够精确，所以可以使用不同的策略来优化确定的数量，从而优化投影。可以单独使用或组合使用这些优化中的每个。
如图11所示，当使用一台或两台摄像机从两个位置检测到标记8时，在第一优化中形成这两个检测到的3D坐标Qcam0(x，y，z)和Qcam1(x，y，z)的平均值。这可以例如通过算术平均来完成，其中形成平均值Qaverage(x，y，z)。当形成平均值Qaverage(x，y，z)时，由标记8得出的不同的3D坐标Qcam0(x，y，z)和Qcam1(x，y，z)相加并除以检测到的3D坐标的数量。此后，使用该一个标记8的平均3D坐标值Qaverage(x，y，z)。通过形成平均值进行的这种优化如图12所示。
图12示出了投影表面3的细节，投影表面3具有描述细节的两个局部区域11a(T0)和11b(T1)。在此，第一三角形局部区域11a由模型点M0、M1和M2形成，第二三角形局部区域11b由模型点M0、M2和M3形成。第一摄像机12a根据视线13a在测量点Qcam0(x，y，z)处检测例如投影在第一局部区域11a的区域中的标记8。第二摄像机12b根据视线13b在测量点Qcam1(x，y，z)处检测到相同的标记8。根据所描述的平均优化，计算位于测量点Qcam0(x，y，z)和Qcam1(x，y，z)之间的测量点Qaverage(x，y，z)，如图12所示。
根据另一种优化的可能性，根据各个摄像机12a或12b的位置的加权，决定由摄像机12a和12b捕获的标记8的3D坐标中的哪个随后被使用。
该加权的标准是角度αa 14a或αb 14b，如图13所示，角度αa 14a或αb 14b在摄像机12a的相应视线13a或摄像机12b的视线13b与投影表面3之间产生。
图13再次示出了投影表面3的细节，投影表面3具有描述细节的两个局部区域11a和11b。在此，第一三角形局部区域11a由模型点M0、M1和M2形成，第二三角形局部区域11b由模型点M0、M2和M3形成。
在该进一步的优化中，当角度α变小时，测量点9的计算精度降低。图13中借助于摄像机12a的视线13a和摄像机12b的视线13b示出了通过加权角度α14的这种优化。可以看出，视线13a的角度αa 14a小于视线13b的角度αb14b。因此，由摄像机12a检测到的测量点9Qcam0(x，y，z)被赋予较高的精度，并且被用于随后的计算。
用摄像机12a和12b记录的摄像机图像的质量朝着图像的边缘急剧下降，这即使利用摄像机12a和12b的校准也无法进行弥补。因此，在摄像机12a和12b的重叠区域中，可以将测量点Q 9到摄像机图像的中心的距离包括在各个摄像机12a和12b的加权中。这在摄像机12a和12b的重叠记录区域中创建了平滑过渡。图14中示出了该优化。作为该优化的结果，避免了在大区域投影5内的投影中的所谓的硬跳跃。
在图14中再次示出了投影表面3的细节，投影表面3具有描述细节的两个局部区域11a和11b。在此，第一三角形局部区域11a由模型点M0、M1和M2形成，第二三角形局部区域11b由模型点M0、M2和M3形成。还示出了部分重叠的第一摄像机12a的检测区域16和第二摄像机12b的检测区域17。每个检测区域16和17具有两个对角线18，对角线18在它们各自的相交处指示各个检测区域16和17的中心。
在示例中，由第一摄像机12a在测量点9Qcam0(x，y，z)处检测投影到投影表面3上的标记8。由第二摄像机12b在测量点Qcam1(x，y，z)处检测到相同的标记8。随后，确定所确定的测量点9Qcam0(x，y，z)和Qcam1(x，y，z)到在相关联的摄像机12a和12b的中心处的交点的各自距离。如图14所示，产生第一距离19和第二距离20，第一距离19表示第一摄像机12a的检测区域16的中心处的交点与测量点Qcam0(x，y，z)之间的距离，第二距离20表示第二摄像机12b的检测区域17的中心处的交点与测量点Qcam1(x，y，z)之间的距离。
因为所确定的距离19明显小于所确定的距离20，所以假设以更高的精度确定了测量点9Qcam0(x，y，z)，因为测量点9Qcam0(x，y，z)被记录为更靠近相关联的摄像机12a的中心。因此，测量点9Qcam1(x，y，z)接收更大的加权。
例如，可以通过所确定的距离19和20的适当加权来形成加权的测量点9Qweighted(x，y，z)。在图14的示例中，假设用于第一距离19的更大的加权80％和用于第二距离20的加权20％，从中计算出描述的测量点9Qweighted(x，y，z)。
通过所描述的用于自动恢复投影系统的校准状态的方法，也可以有利地来实施下面描述的用于生成大区域投影5的两个过程。
测量的投影之外的区域：
在重新校准或重新对准期间，可以推断出摄像机无法看到的区域，因为例如可以假设在被遮蔽区域中的投影仅发生了轻微的变形。在这种情况下，可以使用来自原始校准的修改数据。
可选地，可以假设在最后可见的、所确定的测量点9Q之间的遮蔽区域以平坦表面的形式延伸。对于大多数投影而言，该假设对于具有有限范围的区域而言是足够精确的。
在另一种选择中，可以通过圆柱或球体的局部区域以足够的精度对投影表面3的形状或由此得出的模型进行成像。在这种情况下，可以使用相应的模型来模拟不可见区域，然后将这些数据用于进一步的计算，诸如外推。
融合：
单独的投影仪2a、2b、2c、2d在融合分区7内的亮度曲线(加权函数)也由所谓的投影区域的交点产生。该交点映射了在融合区域7中彼此投影的部分图像4的数量。例如，可以假设在局部图像4a和4b重叠的融合分区7中，对于每个投影仪2a和2b在该融合分区7中所需的基本亮度可以减半。对于具有融合分区7的示例，其中局部图像4a、4b、4c和4d重叠，可以近似地假设对于每个投影仪2a、2b、2c和2d在该融合分区7中所需的基本亮度可以减小到四分之一。
亮度曲线还取决于用于在整个投影表面3上显示图像的局部区域。例如，这适用于具有有限尺寸的表示，具有有限尺寸的表示不需要整个投影区域3。
在特殊情况下，例如，投影仪2a由于其投影区域中的固定障碍物而无法将其局部图像4a投影到投影表面3的部分上，则该区域中的内容可能会被投影仪2b的局部图像4b所覆盖。在这种情况下，必须对投影仪2b在该区域中的亮度曲线进行相应的调整(即，增加)，因为它必须在该区域中单独照明该区域。当然，因为投影仪2a和2b的局部图像4a和4b必须重叠，这种调整仅在融合分区7内是可能的。
参考符号列表
1 投影系统
2、2a、2b、2c、2d 投影仪
3 投影表面(弯曲的)
4、4a、4b、4c、4d 局部图像
5 大区域投影
6 平坦投影表面
7 融合分区
8、8' 标记
9、9’、9a、9b、9c、9d 测量点(X，Y，Z坐标)(Q0；Q1；Q2；Qn)
10 融合孔
11、11a、11b 局部区域(三角形)
12、12a、12b 摄像机
13、13a、13b 视线
14、14a、14b 角度α
15，15a，15b，15c，15d 模型点(M0；M1，M2；Mn)
16 第一摄像机的检测区域
17 第二摄像机的检测区域
18 对角线
19 到中心的第一距离
20 到中心的第二距离

Claims (4)

1.一种用于自动恢复投影系统(1)的校准状态的方法，其中，在所述投影系统(1)的校准期间，m×n个标记(8)投影到投影表面(3)上，标记(8)利用一个或多个摄像机(12)从投影表面(3)确定m×n个第一测量点(9)，每个第一测量点(9)分别具有位于所述投影表面(3)上并且因此位于3D模型表面上的X、Y和Z坐标，并且其中，提供了投影仪坐标与3D坐标(xpypi，XYZi)的关联以及投影仪坐标到映射坐标的转换pKm和映射坐标到投影仪坐标的转换mKp，其特征在于，用于自动恢复投影系统(1)的校准状态，使用固定点计算或检查所述投影系统(1)内一个或多个摄像机(12)的位置和方向，随后m×n个标记(8')投影到所述投影表面(3)上，用一个或多个摄像机确定投影表面(3)，减少了从所述投影表面(3)检测到的第二测量点(9')的数量，与校准相比第二测量点(9')的数量是减少的，每个第二测量点(9')分别具有通过一个或多个摄像机(12)确定的X、Y和Z坐标(12)，使用减少的所记录的第二测量点(9')的数量来计算所记录的所述第二测量点(9')和相关联的所述第一测量点(9)之间的偏差并形成位移矢量(补偿(XYZi))，利用所述位移矢量根据(xpypi，XYZi+补偿(XYZi))来调节所述投影仪坐标与3D坐标的所述关联，并且以这种方式确定未记录的测量点(9')的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了确定减少的第二测量点(9')的数量，形成平均值并且确定测量点(9')Qaverage，其中，所述平均值由利用第一摄像机(12a)记录的测量点(9)Qcam1和利用第二摄像机(12b)记录的测量点(9)Qcam2在所述投影表面上投影的相同标记(8)来确定。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了确定减少的所述第二测量点(9')的数量，选择利用第一摄像机(12a)或第二摄像机(12b)记录的测量点(9')Qcam0或Qcam1，由此以如下方式进行该选择：与在所述摄像机(12a，12b)各自的视线(13a，13b)和所述投影表面(3)之间具有最小角度(14a，14b)的所述摄像机(12a或12b)相关联的测量点(9')被用于进一步处理。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了确定减少的所述第二测量点(9')的数量，在利用第一摄像机(12a)确定的测量点(9')Qcam0的方向上或者在利用第二摄像机(12b)确定的测量点(9')Qcam1的方向上执行加权，其中，取决于由所述摄像机(12a，12b)记录的测量点(9')Qcam0或Qcam1的位置来执行所述加权，记录的所述测量点(9')Qcam0或Qcam1的位置取决于从相应的摄像机(12a，12b)的图像中心到相应的测量点(9')的位置，其中在位于更中心的测量点(9')的方向上所述加权更大。
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