CN113793390A - 一种投影仪的交互式三维标示方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种投影仪的交互式三维标示方法，该方法利用一个投影仪和一台电脑主机，其中电脑主机可根据需要标示的信息生成相应的投影图像，投影仪的内参数K预先通过任意一种投影仪标定方法获得，该方法通过人工交互式地改变投影仪投射的亮点，实现亮点到达坐标位置已知的空间定位特征点上，从而将已有的空间三维标示信息转换到现场的投影仪坐标系下，进而完成三维标示任务。本发明不需要借助任何的外部感知装备、也不需要额外复杂的算法就能完成标示，同时操作简单灵活，特别适用于大范围、复杂投影信息的三维标示任务。
Description
技术领域
本发明涉及一种投影仪的标示方法，特别是一种投影仪的交互式三维标示方法。
背景技术
基于投影仪的空间三维标示技术被广泛应用于数据可视化、空间增强现实、交互性现场教学以及工业制造等领域。在实际投影标示过程中主要包含三个步骤，第一步是准备好需要标示的相关信息，例如空间曲线点的坐标、特殊图像及其对应的位置坐标，需要注意的是这些信息一般都在被投影物体的数模坐标系下；因此第二步需要将准备好的标示信息校正到投影仪的坐标系下；最后一步是根据标示信息以及校正结果自动生成二维图像，并由投影仪将该图像投射到空间位置即可完成三维信息的标示任务。
基于投影仪的三维标示现场校正本质是投影仪感知待投影物体空间位置的过程，因为只有这样投影仪才能将标示信息投射到正确的空间位置上。然而遗憾的是现有的投影仪只具备投影功能，并不具有感知周围环境的能力，因此现有的大部分三维标示系统都需要在投影系统上额外添加一个相机，并事先将二者的位置标定好，这样借助相机拍摄实际物体的图像就可以将待投影信息校正到投影仪的坐标系下。例如专利一种投影仪标定方法、智能终端及存储介质（CN202010691453.9），该专利就是需要借助相机才能完成标定以及现场校正任务，然而使用了额外的相机，在增加成本的同时也给实际使用带来了一些麻烦，标定好的相机具有固定的视场以及焦距，这样在大范围的投影任务中，相机往往就会因为离焦而失效，从而不能正确完成校正任务。为了适应大范围的投影标示任务，往往需要脱离相机进行现场校正，例如专利基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影系统及其方法（CN202110289171.0），该方法就避免了使用相机，利用交互式的现场校正方法，并利用光敏传感器进行反馈信息，但是该专利的投影器件是激光振镜，因此对于复杂的投影信息例如图像、文字是无法进行标示的。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种投影仪的交互式三维标示方法。本发明不需要借助任何的外部感知装备、也不需要额外复杂的算法就能完成标示，同时操作简单灵活，特别适用于大范围、复杂投影信息的三维标示任务。
本发明的技术方案：一种投影仪的交互式三维标示方法，该方法利用一个投影仪和一台电脑主机，其中电脑主机可根据需要标示的信息生成相应的投影图像，其特征在于：包括以下标示步骤：
步骤一、对选取的投影仪进行建模，利用投影仪标定方法对投影仪进行标定，得到投影仪的内参，记为K；
步骤二、控制投影仪将一个图案投射在待标示物体的中央，通过移动投影仪或物体的位置使得该图案在待标示物体表面的投影效果最佳；
步骤三、在待标示物体的表面选取N（N≥6）个空间定位特征点
用作现场投影仪的位姿校准用，记空间定位特征点所在的坐标系为物体坐标系B；
步骤四、投影仪投射出一个亮点，交互式地控制投影仪，使其投射出的亮点进行移动，直到亮点在人眼的观察下投射到了步骤三中选出的空间定位特征点所在的空间位置，记录此时投影图像中该亮点所对应的像素坐标，重复亮点的移动，记录下N个空间定位特征点所对应的像素坐标
；
步骤五、记投影仪所在坐标系为A，根据步骤三和步骤四中所获取的N个3D-2D对应关系
与步骤一获取的投影仪内参K，利用Perspective-N-Point方法求得坐标系A与B间的旋转矩阵为R，平移向量为t，从而完成投影仪与待标示物体间的位姿对齐；
步骤六、准备好需要标示的空间位置信息
，根据步骤一获得的内参K、步骤五所获取的旋转矩阵R和平移向量t，利用重投影公式
得到需要标示的空间位置信息在投影平面上的位置；
步骤七、对步骤六获得的标示位置对应的像素点位置
进行对应位置的插值与着色操作，从而形成对应的二维投影图像，控制投影仪将二维投影图像投影到待标示物体表面，从而产生三维标示结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：本发明不需要添加相机或者其他环境感知的传感器，仅需借助投影仪和电脑主机即可完成标示，成本较低，设备轻量化，作业现场布置也较为方便；具体地，本发明只需要交互式地引导投影仪投射特征图像到物体的空间定位特征点上，从而得到空间定位特征点对应投影仪成像平面的像素坐标，根据这些坐标来实现物体坐标系到投影仪坐标系的转换，生成最终的标示图像，整个过程算法简单，操作复杂度低，且由于摆脱了相机进行现场校正，因此对于远距离、大范围的复杂投影任务也可以较好的完成，适用范围较大。
前述的一种投影仪的交互式三维标示方法中，所述步骤四中交互式地控制投影仪具体包括让投影仪投射一副初始图像，所述亮点位于图像的中央，所述亮点为交叉直线或者圆环。
前述的一种投影仪的交互式三维标示方法中，通过人工判断所述亮点到各个空间定位特征点的大概距离，并控制电脑主机连接的键盘或鼠标进行交互，从而改变图像上亮点的位置，直到该亮点正好落在空间定位特征点的位置。
前述的一种投影仪的交互式三维标示方法中，投影仪的数学模型采用透视投影模型。
附图说明
图1是本发明的投影仪位姿校准原理图；
图2是本发明所采用的投影对象；
图3是本发明准备好的标示信息；
图4是本发明的三维标示结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例：一种投影仪的交互式三维标示方法，该方法利用一个投影仪和一台电脑主机对物体完成标示（其中电脑主机带鼠标、键盘等），电脑主机可根据需要标示的信息生成相应的投影图像，投影仪的内参数K预先通过任意一种投影仪标定方法获得，投影仪的数学模型采用透视投影模型。
本发明采用的投影仪为一个商业投影仪，型号为DELL M115HD，分辨率为768×1024。
标示步骤如下：
步骤一、对选取的投影仪进行建模，利用投影仪标定方法对投影仪进行标定，得到投影仪的内参，记为K。
步骤二、取一个灰色的手提纸袋作为标示对象，上面没有任何花纹或者颜色（如图2所示），符合标示要求，将该手提纸袋放在投影仪的视场中心，控制投影仪将一个十字图案投射在手提纸袋的中央，根据作业现场的工况，本实施例中选择移动投影仪使投影仪能够聚焦在手提纸袋的表面，最终使得投影仪投射的十字图案在手提纸袋表面的投影效果最佳。
步骤三、在手提纸袋的表面选取6个空间定位特征点
用作现场投影仪的位姿校准用，记空间定位特征点所在的坐标系为物体坐标系B，这6个定位特征点中，有4个为纸袋四条边的四个交点，另外2个为手提线和纸袋的两个交点。
步骤四、让投影仪投射一副初始图像，图像上包含一个位置在图像中央的亮点，通过人工判断该亮点到6个空间定位特征点的大概距离，并控制电脑主机连接的键盘或鼠标进行交互，从而改变图像上亮点的位置，直到亮点在人眼的观察下投射到了步骤三中选出的空间定位特征点所在的空间位置，并记录下此时亮点在投影仪成像平面中的位置，再多次改变图像上亮点的位置，使6个空间定位特征点对应的像素坐标都完成记录，记录下这6个空间定位特征点对应的像素坐标为
。
像素坐标的选定可通过设置投影图像中某个像素的灰度值为255，其余像素的灰度值为0，可以达到投影出一个亮点的效果，通过改变该像素在图像中的位置可使得该亮点在空间中的投影位置发生移动，借助人眼的观察就可以交互式地将该亮点移动到某个空间定位特征点的中心，当亮点移动到空间定位特征点的中心时，其在投影图像中的位置即为像素坐标。
步骤五、记投影仪所在坐标系为A，根据步骤三和步骤四中所获取的N个3D-2D对应关系
与步骤一获取的投影仪内参K，投影仪内参K分别包括
四个已知变量，利用Perspective-N-Point方法求得坐标系A与B间的旋转矩阵为R，平移向量为t，从而完成投影仪与手提纸袋间的位姿对齐，原理见图1。
步骤六、现准备将图3所示的花纹信息投射到手提纸袋上，准备好需要标示的空间位置信息
，根据步骤一获得的内参K、步骤五所获取的旋转矩阵R和平移向量t，利用重投影公式
得到需要标示的空间位置信息在投影平面上的位置。
步骤七、对步骤六获得的标示位置对应的像素点位置
进行对应位置的插值与着色操作，根据花纹三维点及其所设计的颜色，带入重投影公式，计算该点对应的二维点，并将设计的颜色赋值在该像素处，从而形成最终的二维投影图像，控制投影仪将二维投影图像投影到手提纸袋表面，最终效果如图4所示，可以看出本发明的标示方法可以将待标示的信息正确的投射到物体的空间位置上。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种投影仪的交互式三维标示方法，该方法利用一个投影仪和一台电脑主机，其中电脑主机可根据需要标示的信息生成相应的投影图像，其特征在于：包括以下标示步骤：
步骤一、对选取的投影仪进行建模，利用投影仪标定方法对投影仪进行标定，得到投影仪的内参，记为K；
步骤二、控制投影仪将一个图案投射在待标示物体的中央，通过移动投影仪或物体的位置使得该图案在待标示物体表面的投影效果最佳；
步骤三、在待标示物体的表面选取N（N≥6）个空间定位特征点
用作现场投影仪的位姿校准用，记空间定位特征点所在的坐标系为物体坐标系B；
步骤四、投影仪投射出一个亮点，交互式地控制投影仪，使其投射出的亮点进行移动，直到亮点在人眼的观察下投射到了步骤三中选出的空间定位特征点所在的空间位置，记录此时投影图像中该亮点所对应的像素坐标，重复亮点的移动，记录下N个空间定位特征点所对应的像素坐标
；
步骤五、记投影仪所在坐标系为A，根据步骤三和步骤四中所获取的N个3D-2D对应关系
与步骤一获取的投影仪内参K，利用Perspective-N-Point方法求得坐标系A与B间的旋转矩阵为R，平移向量为t，从而完成投影仪与待标示物体间的位姿对齐；
步骤六、准备好需要标示的空间位置信息
，根据步骤一获得的内参K、步骤五所获取的旋转矩阵R和平移向量t，利用重投影公式
得到需要标示的空间位置信息在投影平面上的位置；
步骤七、对步骤六获得的标示位置对应的像素点位置
进行对应位置的插值与着色操作，从而形成对应的二维投影图像，控制投影仪将二维投影图像投影到待标示物体表面，从而产生三维标示结果。
2.根据权利要求1所述的一种投影仪的交互式三维标示方法，其特征在于：所述步骤四中交互式地控制投影仪具体包括让投影仪投射一副初始图像，所述亮点位于图像的中央，所述亮点为交叉直线或者圆环。
3.根据权利要求2所述的一种投影仪的交互式三维标示方法，其特征在于：通过人工判断所述亮点到各个空间定位特征点的大概距离，并控制电脑主机连接的键盘或鼠标进行交互，从而改变图像上亮点的位置，直到该亮点正好落在空间定位特征点的位置。
4.根据权利要求1所述的一种投影仪的交互式三维标示方法，其特征在于：投影仪的数学模型采用透视投影模型。
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