CN111479100A - 一种三维显示系统投影仪的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维显示系统投影仪的标定方法，包括安装标定装置；投射水平线段图像并平移水平线段至LED光敏元件，以求取垂直偏移量Δy；投射垂直线段图像并平移垂直线段至LED光敏元件，以求取水平偏移量Δx；在每一组水平线段中取两组初始位置x，并在每一组垂直线段中取对应的两组初始位置y，得到四组初始位置的坐标值和四组对应的目标位置的坐标值，并代入计算机终端计算得到投影变换矩阵H。本发明的三维显示系统投影仪的标定方法通过求取投影变换矩阵H，可以对多视点投影的内容进行投射畸变矫正，实现显示内容区域一致的三维显示，该标定方法极大地减少了标定的时间，而且标定精度高，实现了标定过程的机械化和自动化。

Description

一种三维显示系统投影仪的标定方法

技术领域

本发明涉及三维显示技术领域，特别涉及一种三维显示系统投影仪的标定方法。

背景技术

基于投影阵列的三维显示系统由投影仪、投影屏幕及计算机终端组成。将多台投影仪安装在圆弧段水平支架上，组成投影阵列，每个投影仪投射不同视角的虚拟相机图像到投影屏幕上，人可以裸眼观察三维画面。为了实现投影屏幕上的三维画面显示，需要对每个投影仪投影的内容进行投射畸变矫正，将其投影至投影屏幕中的公共矩形区域。目前，基于投影阵列的三维显示系统的标定方法主要是手动调整各投影仪投射的四个投射点的位置，使其分别与投影屏幕上的标志点对齐。该标定对齐方式操作繁琐、耗费时间过长，而且在此过程中需要凭借着人眼观察来判定是否对齐，并不能达到精确的标定，同时由于投影仪的分辨率较低，该判定方式存在较大的误差，容易产生较大的畸变效果。

因此，现有技术有待发展。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种标定时间少、精度高及便捷高效的三维显示系统投影仪的标定方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供了一种三维显示系统投影仪的标定方法，包括以下步骤：

S100，安装标定装置：将若干个投影仪朝向投影屏幕安装，将LED光敏元件分别安装在投影屏幕的四个角处并组成一个矩形，所述投影仪、LED光敏元件分别与计算机终端连接；

S200，投射水平线段图像：投影仪向投影屏幕投射两组水平线段的图像，并记录每一组水平线段的初始位置y；

S300，平移水平线段并求取垂直偏移量Δy：分别平移两组水平线段并经过所述LED光敏元件，每一所述LED光敏元件分别检测水平线段进入LED光敏元件时对应的水平线段初始位置Δy_S，以及检测水平线段离开LED光敏元件时对应的水平线段结束位置Δy_E，得到水平线段到每一LED光敏元件的垂直偏移量Δy＝(Δy_S+Δy_E)/2；

S400，投射垂直线段图像：投影仪向投影屏幕投射两组垂直线段的图像，并记录每一组垂直线段的初始位置x；

S500，平移垂直线段并求取水平偏移量Δx：分别平移两组垂直线段并经过所述LED光敏元件，每一所述LED光敏元件检测垂直线段进入LED光敏元件时对应的垂直线段初始位置Δx_S，以及检测垂直线段离开LED光敏元件时对应的垂直线段结束位置Δx_E，垂直线段到每一LED光敏元件的水平偏移量Δx＝(Δx_S+Δx_E)/2；

S600，计算投影矩阵变换：在每一组垂直线段中取两组初始位置x，并在每一组水平线段中取对应的两组初始位置y，得到四组初始位置的坐标值，分别为：

计算得到对齐后的四组目标位置的坐标值，分别为：

分别将四组初始位置的坐标值与对应目标位置的坐标值代入计算机终端计算，得到投影变换矩阵H：

进一步地，在进行投射水平线段图像前，还包括：

S101，计算LED光敏元件的检测信号背景值L：投影仪投射全黑色背景的画面，获取所述LED光敏元件的检测信号背景值L；

S102，计算LED光敏元件的检测信号峰值P：投影仪投射全白色背景的画面，获取所述LED光敏元件的检测信号峰值P；

S103，获取LED光敏元件的当前信号检测值S和比例阈值α，满足：

其中，α为经验值；

S104，计算LED光敏元件的检测信号阈值T：

T＝L+α(P-L)。

进一步地，所述水平线段、垂直线段分别为单像素宽的白色直线。

进一步地，所述LED光敏元件的感光面宽度小于所述水平线段、垂直线段投射至所述投影屏幕的宽度。

进一步地，两组所述水平线段对称设置于所述投影屏幕的顶部、底部，平移时往投影屏幕的中央方向按像素逐行平移。

进一步地，两组所述垂直线段对称设置于所述投影屏幕的左侧、右侧，平移时往投影屏幕的中央方向按像素逐行平移。

进一步地，将若干个投影仪安装在圆弧段水平支架上以组成投影阵列，投影仪的光轴对准投影屏幕。

进一步地，所述标定装置还包括分屏器和LED光敏转换模块，所述投影仪通过所述分屏器与所述计算机终端连接，所述LED光敏元件通过所述LED光敏转换模块与所述计算机终端连接。

本发明技术方案具有的有益效果：

本发明的三维显示系统投影仪的标定方法，通过在投影屏幕的四个角处安装有LED光敏元件，并利用投影仪投射两组水平线段图像以求得垂直偏移量Δy、利用投影仪投射两组垂直线段图像以求得水平偏移量Δx，分别得到四组初始位置坐标值和目标位置坐标值，最后代入计算机终端计算得到投影仪的投影变换矩阵H，从而可以对多视点投影的内容进行投射畸变矫正，实现显示内容区域一致的三维显示，该标定方法极大地减少了标定的时间，而且标定精度高，实现了标定过程的机械化和自动化。

附图说明

图1是本发明标定装置的结构示意图；

图2是本发明标定方法的流程示意图；

图3是本发明计算LED光敏元件检测信号阈值的流程示意图；

图4是本发明投射垂直线段的示意图；

图5是本发明垂直线段与其中一个LED光敏元件对齐的示意图；

图6是本发明投射水平线段的示意图；

图7是本发明水平线段与其中一个LED光敏元件对齐的示意图；

附图标记说明：

10-投影仪，11-分屏器，20-投影屏幕，30-LED光敏元件，31-LED光敏转换模块，40-计算机终端，50-圆弧段水平支架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

请参考图1和图2，本发明提供了一种三维显示系统投影仪10的标定方法，包括以下步骤：

S100，安装标定装置：将若干个投影仪10朝向投影屏幕20安装，将LED光敏元件30分别安装在投影屏幕20的四个角处并组成一个矩形，LED光敏元件30也可安装在投影屏幕20的边框上。所述投影仪10、LED光敏元件30分别与计算机终端40连接，在本实施方式中，在投影屏幕20的四个角处安装四个LED光敏元件30，分别记为A、B、C、D，其中A、B在同一水平上，C、D在同一水平上，A、C在同一竖直方向上，A、D在同一竖直方向上；

S200，投射水平线段图像：投影仪10向投影屏幕20投射两组水平线段的图像，投射至所述投影屏幕20时即为两条光带，并记录每一组水平线段的初始位置y，取四个初始位置y_a、y_b、y_c、y_d；

S300，平移水平线段并求取垂直偏移量Δy：分别平移两组水平线段并经过所述LED光敏元件30，此过程用来检测投影变换的垂直坐标值。每一所述LED光敏元件30分别检测水平线段进入LED光敏元件30时对应的水平线段初始位置Δy_S，以及检测水平线段离开LED光敏元件30时对应的水平线段结束位置Δy_E，得到水平线段到每一LED光敏元件30的垂直偏移量Δy＝(Δy_S+Δy_E)/2，该计算方式更加精确；

S400，投射垂直线段图像：投影仪10向投影屏幕20投射两组垂直线段的图像，投射至所述投影屏幕20时即为两条光带，并记录每一组垂直线段的初始位置x，取四个初始位置x_a、x_b、x_c、x_d；

S500，平移垂直线段并求取水平偏移量Δx：分别平移两组垂直线段并经过所述LED光敏元件30，此过程用来检测投影变换的水平坐标值。每一所述LED光敏元件30检测垂直线段进入LED光敏元件30时对应的垂直线段初始位置Δx_S，以及检测垂直线段离开LED光敏元件30时对应的垂直线段结束位置Δx_E，垂直线段到每一LED光敏元件30的水平偏移量Δx＝(Δx_S+Δx_E)/2，该计算方式更加精确；

S600，计算投影矩阵变换：在每一组垂直线段中取两组初始位置x，并在每一组水平线段中取对应的两组初始位置y，得到四组初始位置的坐标值，分别为：

计算得到对齐后的四组目标位置的坐标值，分别为：

分别将四组初始位置的坐标值与对应目标位置的坐标值代入计算机终端40计算，得到投影变换矩阵H，该矩阵为一个3×3的单应性矩阵变换，记为：

三维显示系统中每个投影仪10向投影屏幕20对应投影物体不同方位的图像，即将画面投影至一个新的屏幕视平面上，要求各台投影仪10在投影屏幕20上投影内容的区域完全一致。因此，计算出投影变换矩阵H即可以对多视点投影的内容进行投射畸变矫正，实现显示内容区域一致的三维显示。本发明中的标定方法不再局限于人工，避免了人眼观看而产生的测量误差，而且不同的三维显示系统均可使用此标定方法进行标定任务，既便捷又高效。

作为一种实施例，如图4所示，所述投影仪10播放背景为黑色而前景分别为两组白色的垂直线段的图像源，投射至投影屏幕20上即成为两条光带，并记录垂直线段的初始位置，其中位于左侧的垂直线段初始位置为x，移动该垂直线段至与投影屏幕中其中一个LED光敏元件A对齐，LED光敏元件A检测到垂直线段的偏移量为Δx_a，因此垂直线段对齐后的位置为x+Δx_a(如图5所示)。如图6、图7所示，可以得到位于顶部的水平线段的初始位置为y，移动该水平线段至与投影屏幕中其中一个LED光敏元件A对齐后，检测到水平线段相对LED光敏元件A的偏移量为Δy_a，水平线段对齐后的位置为y+Δy_a，因此可获得与A点相对应的初始位置坐标值为A＝(x，y)，对齐后的目标位置坐标值为A^*＝(x+Δx_a，y+Δy_a)。分别采用该方法即可获得B、C、D点的初始位置坐标值和目标位置坐标值，进而可以求得投影变换矩阵H。

在本实施方式中，所述水平线段、垂直线段分别为单像素宽的白色直线，其投射背景为黑色，所述水平线段、垂直线段投射至所述投影屏幕20时体现为两条光带，所安装的LED光敏元件30的感光面尺寸(直径)较小，其尺寸(直径)需要小于光带的宽度，以提高水平坐标值的精度，从而可以计算出更精准的投影变换矩阵。

优选地，两组所述水平线段对称设置于所述投影屏幕20的顶部、底部，平移时往投影屏幕20的中央方向按像素逐行平移，保证偏移的精确度，并且通过更新显示投影仪10的投射图像来实现平移。

进一步地，两组所述垂直线段对称设置于所述投影屏幕20的左侧、右侧，平移时往投影屏幕20的中央方向按像素逐行平移，保证偏移的精确度，并且通过更新显示投影仪10的投射图像来实现平移。

在本实施方式中，所述水平线段、垂直线段在投影仪10的画面中平移，体现在投影屏幕20上即为光带平移，光带平移是一个进入所述LED光敏元件30感光区域和离开所述LED光敏元件30感光区域的动态过程，所述LED光敏元件30的检测信号值与光照射所述LED光敏元件30的感光区域面积有关，照射面积越大，检测信号值越强，因此，所述LED光敏元件30的检测信号值也是一个动态过程。当光带开始进入所述LED光敏元件30的感光区域时，所述LED光敏元件30的检测信号值随着进入区域的增大而变大；当光带完全进入所述LED光敏元件30的感光区域时，感光区域面积达到饱和且维持不变，所述LED光敏元件30的检测信号值不变；当光带继续移动并开始离开所述LED光敏元件30的感光区域，所述LED光敏元件30的检测信号值随着离开区域的增大而减小，直到完全离开。

由于每个投影仪10的亮度不均衡，投射相同的画面至投影屏幕20上，所述LED光敏元件30的检测信号值不尽相同，取单一固定检测信号阈值，无法有效判别所述LED光敏元件30是否检测到光带进入LED光敏元件30的检测区域。因此，需要根据投影仪10的亮度对LED光敏元件30的检测信号阈值进行动态调整。

所以，在进行投射水平线段图像前，还包括：

S101，计算LED光敏元件30的检测信号背景值L：投影仪10投射全黑色背景的画面，获取所述LED光敏元件30的检测信号背景值L，此时LED光敏元件30的检测信号值较弱；

S102，计算LED光敏元件30的检测信号峰值P：投影仪10投射全白色背景的画面，获取所述LED光敏元件30的检测信号峰值P，此时LED光敏元件30的检测信号值较强；

S103，获取LED光敏元件30的当前信号检测值S和比例阈值α，其中，当前信号检测值S位于区间[L，P]内，满足：

即S≥L+α(P-L)，其中，α为经验值，可以根据不同品牌型号的投影仪10，调整比例阈值α，使本发明的标定方法更加具有灵活性；

S104，因此，得到LED光敏元件30的检测信号阈值T：

T＝L+α(P-L)，即要求S≥T＝L+α(P-L)。

只有LED光敏元件30的当前信号检测值S达到检测信号阈值T时，才认为LED光敏元件30能够检测到光带进入LED光敏元件30的检测区域中。

作为一种实施例，将若干个投影仪10安装在圆弧段水平支架50上以组成投影阵列，每个投影仪10投射不同视角的虚拟图像到投影屏幕20上，投影仪10的光轴对准投影屏幕20，人可以裸眼观察三维画面。

优选地，所述标定装置还包括分屏器11和LED光敏转换模块31，所述投影仪10通过所述分屏器11与所述计算机终端40连接，能够使得多个投影仪10同时播放同一画面，有助于实现三维显示；所述LED光敏元件30通过所述LED光敏转换模块31与所述计算机终端40连接，实现光电的转换，并在计算机终端40中显示出来，数据直观，有助于观察。

本发明的三维显示系统投影仪10的标定方法，通过在投影屏幕20的四个角处安装有LED光敏元件30，并利用投影仪10投射两组水平线段图像以求得垂直偏移量Δy、利用投影仪10投射两组垂直线段图像以求得水平偏移量Δx，分别得到四组初始位置坐标值和目标位置坐标值，最后代入计算机终端40计算得到投影仪10的投影变换矩阵H，从而可以对多视点投影的内容进行投射畸变矫正，实现显示内容区域一致的三维显示，该标定方法极大地减少了标定的时间，而且标定精度高，实现了标定过程的机械化和自动化。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种三维显示系统投影仪的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100，安装标定装置：将若干个投影仪朝向投影屏幕安装，将LED光敏元件分别安装在投影屏幕的四个角处并组成一个矩形，所述投影仪、LED光敏元件分别与计算机终端连接；

S200，投射水平线段图像：投影仪向投影屏幕投射两组水平线段的图像，并记录每一组水平线段的初始位置y；

S300，平移水平线段并求取垂直偏移量Δy：分别平移两组水平线段并经过所述LED光敏元件，每一所述LED光敏元件分别检测水平线段进入LED光敏元件时对应的水平线段初始位置Δy_S，以及检测水平线段离开LED光敏元件时对应的水平线段结束位置Δy_E，得到水平线段到每一LED光敏元件的垂直偏移量Δy＝(Δy_S+Δy_E)/2；

S400，投射垂直线段图像：投影仪向投影屏幕投射两组垂直线段的图像，并记录每一组垂直线段的初始位置x；

S500，平移垂直线段并求取水平偏移量Δx：分别平移两组垂直线段并经过所述LED光敏元件，每一所述LED光敏元件检测垂直线段进入LED光敏元件时对应的垂直线段初始位置Δx_S，以及检测垂直线段离开LED光敏元件时对应的垂直线段结束位置Δx_E，垂直线段到每一LED光敏元件的水平偏移量Δx＝(Δx_S+Δx_E)/2；

S600，计算投影矩阵变换：在每一组垂直线段中取两组初始位置x，并在每一组水平线段中取对应的两组初始位置y，得到四组初始位置的坐标值，分别为：

计算得到对齐后的四组目标位置的坐标值，分别为：

分别将四组初始位置的坐标值与对应目标位置的坐标值代入计算机终端计算，得到投影变换矩阵H：

2.根据权利要求1所述的三维显示系统投影仪的标定方法，其特征在于，在进行投射水平线段图像前，还包括：

S101，计算LED光敏元件的检测信号背景值L：投影仪投射全黑色背景的画面，获取所述LED光敏元件的检测信号背景值L；

S102，计算LED光敏元件的检测信号峰值P：投影仪投射全白色背景的画面，获取所述LED光敏元件的检测信号峰值P；

S103，获取LED光敏元件的当前信号检测值S和比例阈值α，满足：

其中，α为经验值；

S104，计算LED光敏元件的检测信号阈值T：

T＝L+α(P-L)。

3.根据权利要求1所述的三维显示系统投影仪的标定方法，其特征在于，所述水平线段、垂直线段分别为单像素宽的白色直线。

4.根据权利要求3所述的三维显示系统投影仪的标定方法，其特征在于，所述LED光敏元件的感光面宽度小于所述水平线段、垂直线段投射至所述投影屏幕的宽度。

5.根据权利要求1所述的三维显示系统投影仪的标定方法，其特征在于，两组所述水平线段对称设置于所述投影屏幕的顶部、底部，平移时往投影屏幕的中央方向按像素逐行平移。

6.根据权利要求1所述的三维显示系统投影仪的标定方法，其特征在于，两组所述垂直线段对称设置于所述投影屏幕的左侧、右侧，平移时往投影屏幕的中央方向按像素逐行平移。

7.根据权利要求1所述的三维显示系统投影仪的标定方法，其特征在于，将若干个投影仪安装在圆弧段水平支架上以组成投影阵列，投影仪的光轴对准投影屏幕。

8.根据权利要求1所述的三维显示系统投影仪的标定方法，其特征在于，所述标定装置还包括分屏器和LED光敏转换模块，所述投影仪通过所述分屏器与所述计算机终端连接，所述LED光敏元件通过所述LED光敏转换模块与所述计算机终端连接。

Images