CN112433640B - 一种多图像传感器的自动校准互动投影系统及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种多图像传感器的自动校准互动投影系统及其实现方法，涉及互动投影识别技术领域，该系统的电脑主机连接投影仪向墙面投射画面，将投影画面拼接融合；再将图像传感器安装在对应的投影仪下方，并将每组红外光发射器安装在对应投影画面的区域外；识别软件实时采集每个图像传感器的图像，并根据其与投影仪的对应位置关系对图像进行拼接，同时采用基于格雷码模式的结构光对每个图像传感器对应的识别区域进行坐标自动校准，然后识别投影区域内触摸的互动位置，并经过坐标校准映射关系将图像识别点坐标转换为投影屏幕对应位置坐标，将互动屏幕坐标位置发送到互动投影效果软件，进而实现大场景下的多投影画面实时多点触摸互动效果。

Description

一种多图像传感器的自动校准互动投影系统及其实现方法
技术领域：
本发明涉及互动投影识别技术领域，具体涉及尤其涉及一种多图像传感器的自动校准互动投影系统及其实现方法。
背景技术：
OpenCV(Open Source Computer Vision Library)是一个基于BSD许可(开源)发行的跨平台计算机视觉库，实现了图像处理和计算机视觉方面的很多通用算法，包括形态学变换，阈值化，轮廓查找以及格雷码结构光等算法。其中二进制格雷码是一种无权码，其反射特性和循环特性的单步自补码消除了随机取数时出现重大错误的可能，属于一种可靠性编码和错误最小化的编码方式，在测量技术中具有广泛的应用。
RGBD深度传感器是在RGB普通摄像头上增加了深度测量功能的图像传感器，目前有双目、结构光和飞行时间(TOF)等几种主流技术方案。其中RGB双目采用RGB图像特征点匹配和三角测量算法计算深度，因此需要被测场景具有良好的光照条件和纹理特性。结构光方案采用主动投射已知编码图案，提升特征匹配效果，近距离能够达到较高的测量精度，且分辨率较高。飞行时间(TOF)方案根据光的飞行时间直接测量，识别距离较远，测量精度较高，但分辨率较低。
在桌面道具互动系统中，实时、准确并且稳定的道具识别和跟踪能给用户带来良好的交互体验。基于其丰富的应用场景，桌面道具互动系统得到了研究者的广泛关注，其算法主要包括识别与投影坐标映射，道具位置识别和跟踪，道具类型识别等方面。通过将识别分类结果与互动投影技术相结合，可以展现出一种增强体验的互动艺术效果。
但现有技术中，由于采用单个摄像头无法覆盖大场景下的投影画面，导致可识别投影画面大小受限；而采用广角摄像头的情况下，摄像头图像存在着较大的畸变，手动调试基于投影画面内多个水平和垂直方向平均分布的基准点进行投影画面和摄像头图像坐标变换时，容易出现输出位置与互动位置不一致的问题。提升摄像头的分辨率将改善识别互动位置的准确性，但会相应的增加图像处理和识别的时间，降低互动的实时性。因此，本发明的目的是提供一种识别范围宽、软件调试简单且交互位置准确和实时的互动投影方案。
发明内容：
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的不足之处，而提供一种多图像传感器的自动校准互动投影系统及其实现方法。
本发明的一种多图像传感器的自动校准互动投影系统，是由多个可切换滤光片的图像传感器，多台投影仪，多组红外光发射器和电脑主机构成，电脑主机连接多台投影仪向互动场景内的墙面投射画面，通过第三方投影融合软件将投影画面拼接融合起来；再将连接电脑主机的多个图像传感器安装在对应的投影仪下方朝向投影画面，并将每组红外光发射器安装在对应投影画面的区域外，其光轴平行于投影画面并覆盖其投影区域；互动投影识别软件实时采集每个图像传感器的图像数据，并根据其与投影仪的对应位置关系对图像进行拼接，同时采用基于格雷码模式的结构光对每个图像传感器对应的识别区域进行坐标自动校准，然后识别投影区域内触摸的互动位置，并经过坐标校准映射关系将图像识别点坐标转换为投影屏幕对应位置坐标，通过TUIO协议将互动屏幕坐标位置发送到互动投影效果软件，实现大场景下的多投影画面实时精准的多点触摸互动效果。
优选的，所述投影仪可根据投影效果要求按多种排列方式进行安装，包括水平方向的单行排列安装，垂直方向的单列排列安装以及水平和垂直方向的多行多列排列安装等形式。
优选的，所述互动场景的投影区域不限于墙面，可以是任意浅色背景的平面空间。
优选的，所述投影仪和图像传感器的数量以电脑主机的硬件配置和操作系统支持的最大数量为上限。
一种多图像传感器的自动校准互动投影系统的实现方法，包括以下步骤：
S1，将电脑主机与多台投影仪相连，并将投影仪以吊装方式向互动场景内的墙面投射画面，通过第三方投影融合软件将投影画面拼接融合起来；
S2，将电脑主机与多个图像传感器相连，并安装在对应投影仪下方朝向投影画面；
S3，将每组红外光发射器安装在对应投影画面的区域外，其光轴平行于投影画面并覆盖其投影区域；
S4，互动投影识别软件实时采集每个图像传感器的图像数据，并根据其与投影仪的对应位置关系进行图像拼接；
S5，采用电磁信号将所有图像传感器的滤光片切换为可通过可见光的滤光片，以将图像传感器设置为可见光模式；
S6，采用基于格雷码模式的结构光，依次对每个图像传感器对应的识别区域进行自动校准操作，并保存校准映射数据；
S7，再次通过电磁信号将所有图像传感器的滤光片切换为可通过红外光的滤光片，以将图像传感器设置为红外光模式；
S8，采用基于OpenCV计算机视觉库的形态学变换和阈值化等算法，提取每个互动位置轮廓的中心点坐标；
S9，将每个中心点坐标经过坐标校准映射关系转换为屏幕对应的位置坐标，并基于坐标点位置跟踪算法对每个屏幕坐标进行跟踪，并标记唯一的索引id值；
S10，通过TUIO协议将每个屏幕坐标位置和索引id值发送到互动投影效果软件，实现大场景下的多投影画面实时精准的多点触摸互动效果。
优选的，所述的图像传感器可识别红外光和可见光，其上设置有两个可通过电磁信号切换的、用于对进入所述图像传感器的光线进行过滤的滤光片，两个滤光片中，其中一个只能通过红外光，另一个只能通过可见光。
优选的，所述互动投影识别软件实时采集每个图像传感器的图像数据，并根据其与投影仪的对应位置关系进行图像拼接，其图像拼接实现方法为根据水平方向和垂直方向摄像头排列数量(camNumX,camNumY)和图像分辨率(camWidth,camHeight)，初始化一个拼接图像，其水平和垂方向的分辨率为(camNumX×camWidth,camNumY×camHeight)，并根据每个图像传感器的水平和垂直方向排列位置(camIDX,camIDY)将其设置到拼接图像的感兴趣(ROI)区域内，实现对所有图像的拼接操作，其中(0≤ID＜camNumX×camNumY)。
优选的，所述采用基于格雷码模式的结构光，其为基于OpenCV视觉库的结构光算法生成的水平和垂直方向排列的亮暗等距相间的多帧条纹编码图像，则每个图像传感器对应的格雷码结构光的宽高(grayCodeWidth,grayCodeHeight)为：
Figure GDA0003644302290000041
Figure GDA0003644302290000042
其中，screenWidth为投影屏幕水平分辨率，screenHeight为投影屏幕垂直分辨率；其多帧条纹编码图像在投影屏幕上的显示位置(projIDX，projIDY)为：
projIDX＝camIDX*grayCodeWidth (3)
projIDY＝camIDY*grayCodeHeight (4)
通过每隔一秒的频率逐帧刷新并在投影画面对应位置上显示结构光图像，对应图像传感器采集每一帧结构光图像并基于格雷码结构光投影和图像坐标映射算法，如公式(5)所示，获取对应投影分辨率坐标与图像像素坐标之间的映射关系，如公式(6)所示；
(cx,cy)-＞(px,py) (5)
其中，(cx,cy)为图像像素坐标，(px,py)为格雷码结构光图像坐标；
(cx,cy)camID-＞(projIDX+px,projIDY+py)proj (6)
其中，
Figure GDA0003644302290000051
为索引值为ID的图像传感器的图像像素坐标，(projIDX+px,projIDY+py)proj为其图像像素坐标映射到的投影分辨率坐标。
本发明的有益效果是：
本发明通过一种多图像传感器的自动校准互动投影系统的实现方法，解决了多图像传感器进行大场景下的互动投影位置校准复杂且存在位置偏差的问题，为大型多投影的互动识别提供了一种切实可行的方案。
附图说明：
图1是本发明的识别软件流程图；
图2是本发明的结构示意图。
具体实施方式：
本实施例以4台投影仪，4个图像传感器，4组红外光发射器构成的系统为例(如图1和图2)。
本发明的基本构思是：该系统是由多个可切换滤光片的图像传感器，多台投影仪，多组红外光发射器和电脑主机等部分构成。电脑主机连接多台投影仪向互动场景内的墙面投射画面，通过第三方投影融合软件将投影画面拼接融合起来；再将连接电脑主机的多个图像传感器安装在对应的投影仪下方朝向投影画面，并将每组红外光发射器安装在对应投影画面的区域外，其光轴平行于投影画面并覆盖其投影区域；互动投影识别软件实时采集每个图像传感器的图像数据，并根据其与投影仪的对应位置关系对图像进行拼接，同时采用基于格雷码模式的结构光对每个图像传感器对应的识别区域进行坐标自动校准，然后识别投影区域内触摸的互动位置，并经过坐标校准映射关系将图像识别点坐标转换为投影屏幕对应位置坐标，通过TUIO协议将互动屏幕坐标位置发送到互动投影效果软件，实现大场景下的多投影画面实时精准的多点触摸互动效果。
为了实现上述方案，本发明设计了一种多图像传感器的自动校准互动投影系统的实现方法，包括步骤：
S1，将电脑主机与多台投影仪相连，并将投影仪以吊装方式向互动场景内的墙面投射画面，通过第三方投影融合软件将投影画面拼接融合起来；
S2，将电脑主机与多个图像传感器相连，并安装在对应投影仪下方朝向投影画面；
S3，将每组红外光发射器安装在对应投影画面的区域外，其光轴平行于投影画面并覆盖其投影区域；
S4，互动投影识别软件实时采集每个图像传感器的图像数据，并根据其与投影仪的对应位置关系进行图像拼接；
S5，采用电磁信号将所有图像传感器的滤光片切换为可通过可见光的滤光片，以将图像传感器设置为可见光模式；
S6，采用基于格雷码模式的结构光，依次对每个图像传感器对应的识别区域进行自动校准操作，并保存校准映射数据；
S7，再次通过电磁信号将所有图像传感器的滤光片切换为可通过红外光的滤光片，以将图像传感器设置为红外光模式；
S8，采用基于OpenCV计算机视觉库的形态学变换和阈值化等算法，提取每个互动位置轮廓的中心点坐标；
S9，将每个中心点坐标经过坐标校准映射关系转换为屏幕对应的位置坐标，并基于坐标点位置跟踪算法对每个屏幕坐标进行跟踪，并标记唯一的索引id值；
S10，通过TUIO协议将每个屏幕坐标位置和索引id值发送到互动投影效果软件，实现大场景下的多投影画面实时精准的多点触摸互动效果。
本实施例中，所述4台投影仪按照水平排列方向进行吊装。
本实施例中，所述图像传感器根据平衡识别准确性和识别速度的原则，将其分辨率设置为640*480，刷新频率为60Hz。
本实施例中，所述每组红外光发射器其数量为2个一字线型发射器，发射角度为90度，可根据投影画面长度对所有红外光发生器进行平均分布安装。
本实施例中，所述红外光发射器的输出波长需与可通过红外光滤光片的波长相一致，为增强对可见光的抗干扰性，波长选择为850nm。
本发明可广泛应用于各种大型投影互动场景。
所述的图像传感器可识别红外光和可见光，其上设置有两个可通过电磁信号切换的、用于对进入所述图像传感器的光线进行过滤的滤光片，两个滤光片中，其中一个只能通过红外光，另一个只能通过可见光。
所述互动投影识别软件实时采集每个图像传感器的图像数据，并根据其与投影仪的对应位置关系进行图像拼接，其图像拼接实现方法为根据水平方向和垂直方向摄像头排列数量(camNumX,camNumY)和图像分辨率(camWidth,camHeight)，初始化一个拼接图像，其水平和垂方向的分辨率为(camNumX×camWidth,camNumY×camHeight)，并根据每个图像传感器的水平和垂直方向排列位置(camIDX,camIDY)将其设置到拼接图像的感兴趣(ROI)区域内，实现对所有图像的拼接操作，其中(0≤ID＜camNumX×camNumY)。
所述采用基于格雷码模式的结构光，其为基于OpenCV视觉库的结构光算法生成的水平和垂直方向排列的亮暗等距相间的多帧条纹编码图像，则每个图像传感器对应的格雷码结构光的宽高(grayCodeWidth,grayCodeHeight)为：
Figure GDA0003644302290000081
Figure GDA0003644302290000082
其中，screenWidth为投影屏幕水平分辨率，screenHeight为投影屏幕垂直分辨率。其多帧条纹编码图像在投影屏幕上的显示位置(projIDX，projIDY)为：
projIDX＝camIDX*grayCodeWidth (3)
projIDY＝camIDY*grayCodeHeight (4)
通过每隔一秒的频率逐帧刷新并在投影画面对应位置上显示结构光图像，对应图像传感器采集每一帧结构光图像并基于格雷码结构光投影和图像坐标映射算法，如公式(5)所示，获取对应投影分辨率坐标与图像像素坐标之间的映射关系，如公式(6)所示；
(cx,cy)-＞(px,py) (5)
其中，(cx,cy)为图像像素坐标，(px,py)为格雷码结构光图像坐标；
(cx,cy)camID-＞(projIDX+px,projIDY+py)proj (6)
其中，(cx,cy)camID为索引值为ID的图像传感器的图像像素坐标，(projIDX+px,projIDY+py)proj为其图像像素坐标映射到的投影分辨率坐标。

Claims (7)

1.一种多图像传感器的自动校准互动投影系统，其特征在于，是由多个可切换滤光片的图像传感器，多台投影仪，多组红外光发射器和电脑主机构成，电脑主机连接多台投影仪向互动场景内的墙面投射画面，通过第三方投影融合软件将投影画面拼接融合起来；再将连接电脑主机的多个图像传感器安装在对应的投影仪下方朝向投影画面，并将每组红外光发射器安装在对应投影画面的区域外，其光轴平行于投影画面并覆盖其投影区域；互动投影识别软件实时采集每个图像传感器的图像数据，并根据其与投影仪的对应位置关系对图像进行拼接，同时采用基于格雷码模式的结构光对每个图像传感器对应的识别区域进行坐标自动校准，然后识别投影区域内触摸的互动位置，并经过坐标校准映射关系将图像识别点坐标转换为投影屏幕对应位置坐标，通过TUIO协议将互动屏幕坐标位置发送到互动投影效果软件，实现大场景下的多投影画面实时精准的多点触摸互动效果；
所述的一种多图像传感器的自动校准互动投影系统的实现方法，包括以下步骤：
S1，将电脑主机与多台投影仪相连，并将投影仪以吊装方式向互动场景内的墙面投射画面，通过第三方投影融合软件将投影画面拼接融合起来；
S2，将电脑主机与多个图像传感器相连，并安装在对应投影仪下方朝向投影画面；
S3，将每组红外光发射器安装在对应投影画面的区域外，其光轴平行于投影画面并覆盖其投影区域；
S4，互动投影识别软件实时采集每个图像传感器的图像数据，并根据其与投影仪的对应位置关系进行图像拼接；
S5，采用电磁信号将所有图像传感器的滤光片切换为可通过可见光的滤光片，以将图像传感器设置为可见光模式；
S6，采用基于格雷码模式的结构光，依次对每个图像传感器对应的识别区域进行自动校准操作，并保存校准映射数据；
S7，再次通过电磁信号将所有图像传感器的滤光片切换为可通过红外光的滤光片，以将图像传感器设置为红外光模式；
S8，采用基于OpenCV计算机视觉库的形态学变换和阈值化算法，提取每个互动位置轮廓的中心点坐标；
S9，将每个中心点坐标经过坐标校准映射关系转换为屏幕对应的位置坐标，并基于坐标点位置跟踪算法对每个屏幕坐标进行跟踪，并标记唯一的索引id值；
S10，通过TUIO协议将每个屏幕坐标位置和索引id值发送到互动投影效果软件，实现大场景下的多投影画面实时精准的多点触摸互动效果。
2.根据权利要求1所述的一种多图像传感器的自动校准互动投影系统，其特征在于，所述投影仪可根据投影效果要求按多种排列方式进行安装，包括水平方向的单行排列安装，垂直方向的单列排列安装以及水平和垂直方向的多行多列排列安装形式。
3.根据权利要求1所述的一种多图像传感器的自动校准互动投影系统，其特征在于，所述互动场景的投影区域为墙面或任意浅色背景的平面空间。
4.根据权利要求1所述的一种多图像传感器的自动校准互动投影系统，其特征在于，所述投影仪和图像传感器的数量以电脑主机的硬件配置和操作系统支持的最大数量为上限。
5.根据权利要求1所述的一种多图像传感器的自动校准互动投影系统，其特征在于，所述的图像传感器可识别红外光和可见光，其上设置有两个可通过电磁信号切换的、用于对进入所述图像传感器的光线进行过滤的滤光片，两个滤光片中，其中一个只能通过红外光，另一个只能通过可见光。
6.根据权利要求1所述的一种多图像传感器的自动校准互动投影系统，其特征在于，所述互动投影识别软件实时采集每个图像传感器的图像数据，并根据其与投影仪的对应位置关系进行图像拼接，其图像拼接实现方法为根据水平方向和垂直方向摄像头排列数量(camNumX,camNumY)和图像分辨率(camWidth,camHeight)，初始化一个拼接图像，其水平和垂直方向的分辨率为(camNumX×camWidth,camNumY×camHeight)，并根据每个图像传感器的水平和垂直方向排列位置(camIDX,camIDY)将其设置到拼接图像的感兴趣(ROI)区域内，实现对所有图像的拼接操作，其中(0≤ID＜camNumX×camNumY)。
7.根据权利要求1所述的一种多图像传感器的自动校准互动投影系统，其特征在于，所述采用基于格雷码模式的结构光，其为基于OpenCV视觉库的结构光算法生成的水平和垂直方向排列的亮暗等距相间的多帧条纹编码图像，则每个图像传感器对应的格雷码结构光的宽高(grayCodeWidth,grayCodeHeight)为：
Figure FDA0003622919450000031
Figure FDA0003622919450000032
其中，screenWidth为投影屏幕水平分辨率，screenHeight为投影屏幕垂直分辨率；其多帧条纹编码图像在投影屏幕上的显示位置(projIDX，projIDY)为：
projIDX＝camIDX*grayCodeWidth (3)
projIDY＝camIDY*grayCodeHeight (4)
通过每隔一秒的频率逐帧刷新并在投影画面对应位置上显示结构光图像，对应图像传感器采集每一帧结构光图像并基于格雷码结构光投影和图像坐标映射算法，如公式(5)所示，获取对应投影分辨率坐标与图像像素坐标之间的映射关系，如公式(6)所示；
(cx,cy)-＞(px,py) (5)
其中，(cx,cy)为图像像素坐标，(px,py)为格雷码结构光图像坐标；
Figure FDA0003622919450000033
其中，
Figure FDA0003622919450000034
为索引值为ID的图像传感器的图像像素坐标，(projIDX+px,projIDY+py)proj为其图像像素坐标映射到的投影分辨率坐标。
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