CN114173103A - 一种投影系统辅助装调装置与方法 - Google Patents

一种投影系统辅助装调装置与方法 Download PDF

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CN114173103A CN202111494925.2A CN202111494925A CN114173103A CN 114173103 A CN114173103 A CN 114173103A CN 202111494925 A CN202111494925 A CN 202111494925A CN 114173103 A CN114173103 A CN 114173103A
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Abstract

本发明提供一种投影系统辅助装调装置，包括待装调的投影光学系统、投影画面输入控制器、屏幕、相机、计算机和显示器，投影画面输入控制器用于将投射图像输出给投影光学系统，经由所述投影光学系统将图像投射到屏幕上，通过调节投影光学系统与所述屏幕的相对位置，使得所述屏幕能够接收自所述投影光学系统投射出的投影画面，经由相机拍摄该投影画面获得原始图像，计算机内设有图像质量评价单元，所述图像质量评价单元用于获取原始图像，同时对图像质量进行计算并分析，得到图像质量评价结果，通过显示器显示。本发明能够提高投影光学系统装调的便利性以及装调效率。

Description

一种投影系统辅助装调装置与方法
技术领域
本发明涉及光学系统辅助技术领域，具体涉及一种投影系统辅助装调装置与方法。
背景技术
投影系统是将固定画面或影响投射到屏幕上的光机系统，广泛用于短焦/超短焦投影仪，桌面投影仪，智能显示面板，激光电视等产品中，在信息科技，教育，娱乐领域具有重要作用。目前投影系统的生产主要包括机电控制部分与光学系统部分，其中在光学系统部分中的装调环节，需要通过装调关键光学元件，使得投射出的画面图像质量达到最优，从而确保投影系统的最终使用环节。
然而，目前的投影系统装调往往依赖于装调人员的经验，且光学装调过程费时费力，需要往复抬头观看投射图像并在装调工位上进行装调，无形中增加了装调人力成本。
目前，计算机辅助装调和全息图装调是半自动装调的辅助手段，然而，这两类方法所需要的前期调整时间长，所需空间布局复杂，成本高，不利于投影系统生产产线中的装调。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的问题是提供一种投影系统辅助装调装置与方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种投影系统辅助装调装置，包括待装调的投影光学系统、投影画面输入控制器、屏幕、相机、计算机和显示器，投影画面输入控制器用于将投射图像输出给投影光学系统，经由所述投影光学系统将图像投射到屏幕上，所述投影光学系统的投射比为1：K，根据投射比构建板卡与屏幕的映射关系式为
Figure BDA0003399998830000021
其中，xp与yp表示板卡的宽和高，X，Y表示屏幕图像的宽和高，相机的图像与屏幕图像满足如下映射关系式
Figure BDA0003399998830000022
其中f表示相机焦距，D表示相机与屏幕的距离，xc与yc表示屏幕图像映射到相机中的相机映射图像尺寸，通过调节投影光学系统与所述屏幕的相对位置，使得所述屏幕能够接收自所述投影光学系统投射出的投影画面，经由相机拍摄该投影画面获得原始图像，计算机内设有图像质量评价单元，所述图像质量评价单元用于获取原始图像，同时对图像质量进行计算并分析，得到图像质量评价结果，通过显示器显示。
在本发明中，优选地，所述投影光学系统包括光学元件和前置光路，所述前置光路包括同轴布置的若干透镜组，所述光学元件设置为反射镜，操作人员根据图像质量评价结果对所述反射镜的俯仰偏摆或MTF值进行相应装调操作。
在本发明中，优选地，所述相机拍摄的图幅尺寸大于屏幕图像映射到相机的图像尺寸。
在本发明中，优选地，所述相机的畸变量级比所述屏幕畸变的量级小至少一个数量级。
在本发明中，优选地，所述板卡包括特征图案区域，所述特征图案区域包括若干特征图案，所述特征图案设置为条纹、直线、方形、圆形一种或几种的组合。
以上投影系统辅助装调装置采用的装调方法，包括如下步骤：
S1：将屏幕与相机同轴等高布置，调节投影光学系统与屏幕的相对位置，使得屏幕恰好能够接收投影光学系统所投射出的投影画面；
S2：投影画面输入控制器启动工作，将板卡内容输入给投影光学系统；
S3：调整相机的位置，使得相机能够采集完整的投影画面，采集到的投影画面传输至图像质量评价单元；
S4：图像质量评价单元调用图像评价策略对投影画面的质量进行分析，输出图像质量评价结果至显示器上；
S5：根据图像质量评价结果对投影光学系统执行相应动作指令。
在本发明中，优选地，所述图像评价策略具体包括如下步骤：
S41：确定拍摄的原始图像与投影光学系统投射的板卡之间的对应关系；
S42：对原始图像进行预处理过程获取各模块灰度矩阵；
S43：提取特征点坐标，进行边缘检测得到图像评价指标的测量值；
S44：根据图像评价指标的测量值与设定阈值进行比较，得到图像评价结果；
S45：输出图像评价结果，若输出图像评价结果不合格，则调用装调策略对投影光学系统执行继续装调的动作指令，返回步骤S1；否则，执行装调完成的动作指令；
所述装调策略为比较畸变偏差量是否大于清晰度偏差量，是则调整投影光学系统的俯仰偏摆角度，否则调整投影光学系统的MTF值。
在本发明中，优选地，提取特征点坐标具体包括如下步骤：
选取其一模块灰度矩阵，计算重心坐标；
将重心坐标记为特征点坐标；
获取其余各模块灰度矩阵的特征点坐标。
在本发明中，优选地，所述图像评价指标包括线性畸变、梯形畸变、TV畸变和清晰度参数，所述线性畸变包括横向分量和纵向分量，所述梯形畸变包括横向梯形畸变和纵向梯形畸变，所述清晰度图像最大灰度值和图像最小灰度值之差与其之和的比值，所述横向分量、纵向分量、横向梯形畸变、纵向梯形畸变、清晰度参数分别对应一设定阈值，所述横向分量、纵向分量、横向梯形畸变、纵向梯形畸变对应设定阈值与测量值的差值定义为畸变偏差量，所述清晰度参数对应设定阈值与其测量值的差值定义为清晰度偏差量。本发明具有的优点和积极效果是：通过待装调的投影光学系统、投影画面输入控制器、屏幕、相机、计算机、显示器与图像质量评价单元之间的相互配合，操作人员只需坐在计算机的位置就可以实现对投影光学系统的迅速装调，无需来回跑动，提高了装调的便利性以及装调效率，且不再通过肉眼进行投影光学系统装调是否到位的判断依据，克服了现有技术通过人眼判断装调带来的主观性因素偏差导致的装调不准的问题，为装调的准确性提供了可量化的标准与判别方式，图像质量评价的结果更具有客观性与可靠性。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的一种投影系统辅助装调装置的整体结构示意图；
图2是本发明的一种投影系统辅助装调装置的映射关系示意图；
图3是本发明的一种投影系统辅助装调方法的流程示意图；
图4是本发明的一种投影系统辅助装调方法的图像评价策略的流程示意图；
图5是本发明的一种投影系统辅助装调方法的TV畸变示意图。
图中：1、投影光学系统；2、投影画面输入控制器；3、屏幕；4、相机；5、计算机；6、显示器；7、板卡；8、相机映射图像；11、光学元件；12、前置光路。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示，本发明提供一种投影系统辅助装调装置，包括待装调的投影光学系统1、投影画面输入控制器2、屏幕3、相机4、计算机5和显示器6，投影画面输入控制器2用于将投射图像输出给投影光学系统1，经由投影光学系统1将图像投射到屏幕3上，投影光学系统1的投射比为1：K，如图2所示，根据投射比构建板卡7与屏幕3的映射关系式为
Figure BDA0003399998830000061
其中，xp与yp表示板卡的宽和高，X，Y表示屏幕图像的宽和高，相机的图像与屏幕图像满足如下映射关系式
Figure BDA0003399998830000062
其中f表示相机焦距，D表示相机与屏幕的距离，xc与yc表示屏幕图像映射到相机中的相机映射图像尺寸，通过调节投影光学系统1与屏幕3的相对位置，使得屏幕3能够接收自投影光学系统1投射出的投影画面，经由相机4拍摄该投影画面获得原始图像，计算机5内设有图像质量评价单元，图像质量评价单元用于获取原始图像，同时对图像质量进行计算并分析，得到图像质量评价结果，通过显示器6显示。
在本实施例中，进一步地，投影光学系统1包括光学元件11和前置光路12，待投影的板卡7通过光的传输经由前置光路12到达光学元件11反射到屏幕3上，前置光路包括同轴布置的若干透镜组，光学元件11设置为反射镜，操作人员根据图像质量评价结果对反射镜的俯仰偏摆或MTF值进行相应装调操作。
在本实施例中，进一步地，相机4拍摄的图幅尺寸大于屏幕3图像映射到相机4的图像尺寸，这样确保相机能够拍摄到整个屏幕图像。
在本实施例中，进一步地，相机4的畸变量级比屏幕3畸变的量级小至少一个数量级。这样设置是为了避免相机4自身畸变对投影图像畸变程度带来的干扰，畸变量级用来反映图像的扭曲程度，例如桶形畸变、枕形畸变等，此处与分辨率不同，分辨率用于反映图像的清晰程度，分辨率越高，图像的颗粒度越小，画质越清晰，这一点与畸变量级不同。
在本实施例中，进一步地，板卡7包括特征图案区域，特征图案区域包括若干特征图案，特征图案设置为条纹、直线、方形、圆形一种或几种的组合。特征图案可以设置为横纵交错的黑白条纹带，也可以设置为规则的几何图案，根据投影光学系统实际装调情况进行选择与更换，使得屏幕3的投影画面为网格图，便于后续图像质量评价单元对原始图像进行图像质量评价分析。规则的正方形、圆形图案均用于对其中心定位，确认待评价图像区域的基准定位，其他如正三角形、正五边形等规则图案也可以起到对原始图像基准定位的作用，因而本发明不限于其他规则的图卡图案。
如图3所示，一种投影系统辅助装调装置的装调方法，包括如下步骤：
S1：将屏幕3与相机4同轴等高布置，调节投影光学系统1与屏幕3的相对位置，使得屏幕3恰好能够接收投影光学系统1所投射出的投影画面；
S2：投影画面输入控制器2启动工作，将板卡7内容输入给投影光学系统1；
S3：调整相机4的位置，使得相机4能够采集完整的投影画面，采集到的投影画面传输至图像质量评价单元；
S4：图像质量评价单元调用图像评价策略对投影画面的质量进行分析，输出图像质量评价结果至显示器6上；
S5：根据图像质量评价结果对投影光学系统1执行相应动作指令。
如图4所示，在本实施例中，进一步地，图像评价策略具体包括如下步骤：
S41：确定拍摄的原始图像与投影光学系统投射的板卡7之间的对应关系；
S42：对原始图像进行预处理过程获取各模块灰度矩阵；
S43：提取特征点坐标，进行边缘检测得到图像评价指标的测量值；
S44：根据图像评价指标的测量值与设定阈值进行比较，得到图像评价结果；
S45：输出图像评价结果，若输出图像评价结果不合格，则调用装调策略对投影光学系统1的光学元件11执行继续装调的动作指令，返回步骤S1；否则，执行装调完成的动作指令；
装调策略为比较畸变偏差量是否大于清晰度偏差量，是则调整投影光学系统的俯仰偏摆角度，否则调整投影光学系统的MTF值。
在本实施例中，进一步地，提取特征点坐标具体包括如下步骤：
选取其一模块灰度矩阵，计算重心坐标；
将重心坐标记为特征点坐标；
获取其余各模块灰度矩阵的特征点坐标。
在本实施例中，进一步地，图像评价指标包括线性畸变、梯形畸变、TV畸变和清晰度参数，线性畸变包括横向分量和纵向分量，梯形畸变包括横向梯形畸变和纵向梯形畸变，清晰度图像最大灰度值和图像最小灰度值之差与其之和的比值，横向分量、纵向分量、横向梯形畸变、纵向梯形畸变、清晰度参数分别对应一设定阈值，横向分量、纵向分量、横向梯形畸变、纵向梯形畸变对应设定阈值与测量值的差值定义为畸变偏差量，清晰度参数对应设定阈值与其测量值的差值定义为清晰度偏差量。当图像评价结果不合格时，调用装调策略对投影光学系统进行装调，调用策略具体为比较畸变偏差量是否大于清晰度偏差量，是则调整投影光学系统的俯仰偏摆角度，否则调整投影光学系统的MTF值，横向分量、纵向分量、横向梯形畸变、纵向梯形畸变对应设定阈值与测量值的差值定义为畸变偏差量，清晰度参数对应设定阈值与其测量值的差值定义为清晰度偏差量，装调完成后返回到步骤S1；由于多畸变参数、MTF值对反射镜装调位置带来的影响并非单一线性的，也就是说假定其一参数满足装调条件，然而另一参数不满足装调条件，根据不合格结果改变装调位置后二者参数满足装调条件的结果可能出现相反情况，进一步地，需要判断畸变偏差量与清晰度偏差量对装调的相关度影响哪一因素更大，即当畸变偏差量与清晰度偏差量接近(偏差量差异在1％以内时，即使图像评价结果不合格，在输出图像评价结果不合格的基础上，其后输出基本满足装调条件)，这样能更有针对性地对反射镜进行装调指导，提高实际装调的效率；
本发明的工作原理和工作过程如下：将投影光学系统、屏幕、相机共轴布置，调节投影光学系统与屏幕的相对位置，使得屏幕恰好能够接收投影光学系统所投射出的投影画面；投影光学系统的投射比为1：K，根据投射比构建板卡与屏幕的映射关系式为
Figure BDA0003399998830000091
其中，xp与yp表示板卡的宽和高，X，Y表示屏幕图像的宽和高，相机的图像与屏幕图像满足如下映射关系式
Figure BDA0003399998830000092
其中f表示相机焦距，D表示相机与屏幕的距离，xc与yc表示屏幕图像映射到相机中的相机映射图像尺寸，投影画面输入控制器启动工作，将板卡内容输入给投影光学系统；调整相机的位置，使得相机能够采集完整的投影画面，采集到的投影画面传输至图像质量评价单元；图像质量评价单元调用图像评价策略对投影画面的质量进行分析，输出图像质量评价结果至显示器上；根据图像质量评价结果对投影光学系统执行相应动作指令，若输出图像评价结果不合格，则对投影光学系统的光学元件执行继续装调的动作指令，返回步骤S1；否则，执行装调完成的动作指令。图像评价指标包括线性畸变、梯形畸变、TV畸变和清晰度参数，线性畸变包括横向分量和纵向分量，梯形畸变包括横向梯形畸变和纵向梯形畸变，清晰度图像最大灰度值和图像最小灰度值之差与其之和的比值，横向分量、纵向分量、横向梯形畸变、纵向梯形畸变、清晰度参数分别对应一设定阈值。通过数据参量判断则为当线性畸变、梯形畸变、TV畸变和清晰度参任一参数超过设定阈值时，图像评价结果为不合格。
对线性畸变的评价：提取投影图像中的给定特征点Qi在屏幕中的平面直角坐标为(xi,yi)，假设该点在屏幕中的理想位置的坐标为(xa,ya)，那么其横方向的畸变δx和纵方向的畸变δy可分别表示为
Figure BDA0003399998830000101
当将图像以一定的仰角或俯角投射到平面时，会产生梯形畸变对梯形畸变的评价：在图像中提取四个特征点A、B、C、D，它们在屏幕中的坐标分别为(xA,yA)，(xB,yB)，(xC,yC)和(xD,yD)理想情况下该四个特征点可形成矩形，其中AB形成上底边边，CD形成下底边，AD形成左底边，BC形成右底边，那么在ABCD所围成的区域里的横向畸变tx和纵向畸变ty可表示为
Figure BDA0003399998830000102
对清晰度的评价：对于给定图像范围内，其清晰度R可以用图像的最大灰度值Gmax和最小灰度值Gmin来表示，即
Figure BDA0003399998830000103
其中，Gmax为整个屏幕范围内图像最暗处的灰度值(一般为全黑)，Gmin为整个屏幕范围内图像最亮处的灰度值(该值与环境，相机曝光参数有关)。
具体如图5所示，在本实施例中，进一步地，在原始图像(如图5中实线所围成的图形)中提取四个特征点A’、B’、C’、D’，分别得到其坐标信息，A’B’形成四边形的上边、C’D’形成四边形的下边，A’C’形成四边形的左边，B’D’形成四边形的右边，四边形(如图5中虚线所围成的图形)为理想条件下计算得到的投影图像，分别取投影图像对应边的中点E、F、G、H，TV畸变计算公式如下：
Dk＝(A′B′-C′D′)/(A′B′+C′D′)×100(％)
Dh＝(A′B′+C′D′-2EF)/(A′B′+C′D′)×100(％)
Dv＝(A′C′+B′D′-2GH)/(A′C′+B′D′)×100(％)
Dk、Dh、Dv分别对应一设定阈值，将A’、B’、C’、D’、E、F、G、H的坐标信息带入上述公式进行计算求解，同时满足小于设定阈值的条件时则评价TV畸变符合要求。
通过待装调的投影光学系统、投影画面输入控制器、屏幕、相机、计算机、显示器与图像质量评价单元之间的相互配合，操作人员只需坐在计算机的位置就可以实现对投影光学系统的迅速装调，无需来回跑动，提高了装调的便利性以及装调效率，且不再通过肉眼进行投影光学系统装调是否到位的判断依据，克服了现有技术通过人眼判断装调带来的主观性因素偏差导致的装调不准的问题，为装调的准确性提供了可量化的标准与判别方式，图像质量评价的结果更具有客观性与可靠性。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (9)

1.一种投影系统辅助装调装置，其特征在于，包括待装调的投影光学系统、投影画面输入控制器、屏幕、相机、计算机和显示器，所述投影画面输入控制器用于将投射图像输出给所述投影光学系统，经由所述投影光学系统将图像投射到所述屏幕上，所述投影光学系统的投射比为1：K，根据投射比构建板卡与屏幕的映射关系式为
Figure FDA0003399998820000011
其中，xp与yp表示板卡的宽和高，X，Y表示屏幕图像的宽和高，相机的图像与屏幕图像满足如下映射关系式
Figure FDA0003399998820000012
其中f表示相机焦距，D表示相机与屏幕的距离，xc与yc表示屏幕图像映射到相机中的相机映射图像尺寸，通过调节所述投影光学系统与所述屏幕的相对位置，使得所述屏幕能够接收自所述投影光学系统投射出的投影画面，经由相机拍摄该投影画面获得原始图像，所述计算机内设有图像质量评价单元，所述图像质量评价单元用于获取原始图像，同时对图像质量进行计算并分析，得到图像质量评价结果，通过所述显示器显示，根据图像质量评价结果对所述投影光学系统的俯仰偏摆角度或MTF值进行调整。
2.根据权利要求1所述的一种投影系统辅助装调装置，其特征在于，所述投影光学系统包括光学元件和前置光路，所述前置光路包括同轴布置的若干透镜组，所述光学元件设置为反射镜，根据图像质量评价结果对所述反射镜的俯仰偏摆或MTF值进行相应装调操作。
3.根据权利要求1所述的一种投影系统辅助装调装置，其特征在于，所述相机拍摄的图幅尺寸大于屏幕图像映射到所述相机的图像尺寸。
4.根据权利要求1所述的一种投影系统辅助装调装置，其特征在于，所述相机的畸变量级比所述屏幕畸变的量级小至少一个数量级。
5.根据权利要求1所述的一种投影系统辅助装调装置，其特征在于，所述板卡包括特征图案区域，所述特征图案区域包括若干特征图案，所述特征图案设置为条纹、直线、方形、圆形一种或几种的组合。
6.一种投影系统辅助装调方法，应用于如权利要求1至5任一项所述的一种投影系统辅助装调装置，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将所述屏幕与所述相机同轴等高布置，调节所述投影光学系统与所述屏幕的相对位置，使得所述屏幕恰好能够接收所述投影光学系统所投射出的投影画面；
S2：所述投影画面输入控制器启动工作，将所述板卡内容输入给所述投影光学系统；
S3：调整所述相机的位置，使得所述相机能够采集完整的投影画面，采集到的投影画面传输至所述图像质量评价单元；
S4：所述图像质量评价单元调用图像评价策略对投影画面的质量进行分析，输出图像质量评价结果至显示器上；
S5：根据图像质量评价结果对投影光学系统执行相应动作指令。
7.根据权利要求6所述的一种投影系统辅助装调方法，其特征在于，所述图像评价策略具体包括如下步骤：
S41：确定拍摄的原始图像与投影光学系统投射的板卡之间的对应关系；
S42：对所述原始图像进行预处理过程获取各模块灰度矩阵；
S43：提取特征点坐标，进行边缘检测得到图像评价指标的测量值；
S44：根据图像评价指标的测量值与设定阈值进行比较，得到图像评价结果；
S45：输出图像评价结果，若输出图像评价结果不合格，则调用装调策略对所述投影光学系统执行继续装调的动作指令，返回步骤S1；否则，执行装调完成的动作指令；
所述装调策略为比较畸变偏差量是否大于清晰度偏差量，是则调整所述投影光学系统的俯仰偏摆角度，否则调整所述投影光学系统的MTF值。
8.根据权利要求7所述的一种投影系统辅助装调方法，其特征在于，所述提取特征点坐标具体包括如下步骤：
选取其一模块灰度矩阵，计算重心坐标；
将重心坐标记为特征点坐标；
获取其余各模块灰度矩阵的特征点坐标。
9.根据权利要求6所述的一种投影系统辅助装调方法，其特征在于，所述图像评价指标包括线性畸变、梯形畸变、TV畸变和清晰度参数，所述线性畸变包括横向分量和纵向分量，所述梯形畸变包括横向梯形畸变和纵向梯形畸变，所述清晰度图像最大灰度值和图像最小灰度值之差与其之和的比值，所述横向分量、纵向分量、横向梯形畸变、纵向梯形畸变、清晰度参数分别对应一设定阈值，所述横向分量、纵向分量、横向梯形畸变、纵向梯形畸变的设定阈值与测量值的差值为畸变偏差量，所述清晰度参数的设定阈值与其测量值的差值为清晰度偏差量。
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