CN114745529A - 一种投影仪单tof梯形校正的方法和投影仪 - Google Patents

一种投影仪单tof梯形校正的方法和投影仪 Download PDF

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Abstract

本发明涉及投影仪领域，尤其涉及一种投影仪单TOF梯形校正的方法和投影仪。利用TOF传感器模块接收标面阵列可编程选取ROI区域的特点，分别划分出左右两个ROI区域作为传感器的接收标面，从二分别对两个ROI区域进行距离测量。利用精密光学旋转台对TOF模块进行距离比和角度关系标定，建立TOF模块与角度的关系。因此只要我们通过TOF模块测量出距离比就可以计算出相应的水平偏航Yaw角的度数，且可以从IMU传感器采集数据计算出俯仰Pitch角和滚转Roll角的度数，由前面计算得出Pitch，Yaw，Roll这三个角度可以构建出相机坐标系与世界坐标系之间的变换矩阵。

Description

一种投影仪单TOF梯形校正的方法和投影仪
技术领域
本发明涉及投影仪领域，尤其涉及一种投影仪单TOF梯形校正的方法和投影仪。
背景技术
投影产品缺陷：
近几年，随着智能硬件的飞速发展，家用智能投影仪也得到越来越多用户的青睐，但是用户在使用投影仪时经常会遇到因场地空间限制，投影仪摆放位置不能完全正投垂直于投影墙面使用时，因此会导致投影画面出现歪斜的梯形画面的问题，从而影响用户对投影产品观影体验，因此迫切需要一种能够自动校正歪斜投影梯形画面的功能，所以在投影仪实现自动梯形校正功能具有重要意义。
近几年，随着智能硬件的飞速发展，家用智能投影仪也得到越来越多用户的青睐，但是用户在使用投影仪时经常会遇到因场地空间限制，投影仪摆放位置不能完全正投垂直于投影墙面使用时，因此会导致投影画面出现歪斜的梯形画面的问题，从而影响用户对投影产品观影体验，因此迫切需要一种能够自动校正歪斜投影梯形画面的功能，所以在投影仪实现自动梯形校正功能具有重要意义。在此背景下，设计一种低成本TOF方案的梯形校正方案，势在必行。
ToF传感器测量光在某介质中行进一段距离所需的时间。通常，这是对脉冲发射光到达物体并反射回到ToF传感器所用时间的测量。ToF摄像头则利用ToF测量原理(ToF图像传感器)来确定摄像头与物体或周围环境之间距离，并通过测量的点生成深度图像或3D图像。
ToF摄像头的应用包括基于激光的非扫描激光雷达成像系统、运动传感和追踪、运用于机器视觉和自动驾驶的物体检测以及地形测绘等。
在信息化时代发展的今天，软硬件结合将是趋势。尤其是一些用程序就能替代硬件的技术更是越来越受到重视，究其主要原因，是硬件的制造生产，需要大量的资源，这些硬件系统，其实多多少少都是以牺牲地球环境为代价实现的。
因此在进入信息化时代的今天，如果能够在产品中减少硬件组成或以软件作为替代，将是非常独特的技术效果。
投影仪产品梯形校正方法多种多样。其中专利CN111800620A提供一种投影仪的无感梯形校正模组及其计算，该技术公开了：公开了一种投影仪的无感梯形校正模组及其计算方法，包括投影仪和投影平面计算模块，所述投影仪包括一组梯形矫正模块，且梯形矫正模块与投影平面计算模块电性连接，所述投影平面计算模块包括负责对待测平面进行距离测量的TOF传感器、用于测量重力方向的IMU传感器和结合测量数据计算得到待测平面的平面方程的投影平面计算单元，所述TOF传感器设置有两组，两组所述TOF传感器之间具备一组夹角。该投影仪的无感梯形校正模组及其计算方法，能够实现在不打扰用户观影的情况下进行自动梯形校正，同时还具有辅助加快自动对焦的功能，提高了用户体验，并且矫正精度也较摄像头方法高，量产成本较低。
在该技术方案中，明确表示了“TOF传感器设置有两组”；那么，硬件成本会非常高。
包括以下步骤：
S1、计算待测平面的平面方程；
S2、计算结果输送至梯形矫正模块；
S3、梯形矫正模块结合数据进行矫正。
现有梯形矫正技术存在以下缺点：
现有的投影仪产品梯形校正方法存在以下缺陷：S1中待测平面的平面方程计算过程,需要安装两组TOF模块且安装的出光矢量夹角分别为θL和θR的条件下，假设具有一定的条件局限性对TOF模组装配要求极极其精确，且算法过程相对复杂，数据计算量较大。
发明内容
发明的目的：为了提供效果更好的一种投影仪单TOF梯形校正的方法，具体目的见具体实施部分的多个实质技术效果。
为了达到如上目的，本发明采取如下技术方案：
一种投影仪单TOF梯形校正的方法，其特征在于，该方法为：
利用TOF传感器模块接收标面阵列可编程选取ROI区域的特点，分别划分出左右两个ROI区域作为传感器的接收标面，从二分别对两个ROI区域进行距离测量；利用精密光学旋转台对TOF模块进行距离比和角度关系标定，建立TOF模块与角度的关系。
本发明进一步技术方案在于：
通过TOF模块测量出距离比就可以计算出相应的水平偏航Yaw角的度数，且可以从IMU传感器采集数据计算出俯仰Pitch角和滚转Roll角的度数，由前面计算得出Pitch，Yaw，Roll这三个角度可以构建出相机坐标系与世界坐标系之间的变换矩阵。
本发明进一步技术方案在于：
该方法用到三个模块，分别为投影平面方位角计算模块、数据融合计算模块、投影画面校正模块；
投影平面方角计算模块：用于计算投影仪相对水平偏航Yaw角的计算；
数据融合计算模块：用于对投影平面方角计算模块得到的偏航Yaw角和从IMU传感器计算得到俯仰Pitch角和滚转Roll角，进行数据融合算法计算出梯形校正数据；
投影画面校正模块，依据数据融合计算模块获得的数据进行投影画面的校正。
本发明进一步技术方案在于：
本发明更具体的实现步骤如下：
步骤1、本发明采用是ST的TOF模组，该TOF模组传感器标面是由16x16点阵组成且可编程选取ROI区域；利用该特性将传感器接收标面划分为左边和右边两个16x8的ROI区域分别测量左边和右边与投影面的距离关系。
本发明进一步技术方案在于：
步骤2、原理方位角推导原理，基于以上TOF模组的特性；设计TOF模组的标定方法，利用精密光学旋转台从左到右依次把从左-26°,-24°,-22°,···,+22°,+24°,+26°分别把每个角度下TOF模组测量左边距离右边距离数据比值对应关系，得出距离比值x和角度y对应关系(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)...(x27,y27)，距离比值x和角度y呈的线性变化规律，通过最小二乘法和特定的算法推导出关系式f(xn,yn)。
本发明进一步技术方案在于：
步骤3、根据以上推导的出的关系f(xn,yn)投影平面方位角计算模块在梯形校正过程中通过TOF模块采集到的左右距离边长比值x,代入TOF标定时推导的关系式f(xn,yn)中计算出对应的水平方位Yaw角。
本发明进一步技术方案在于：
步骤4、进行数据融合计算出最大16：9的投影画面的四点坐标数据；由步骤3计算出的偏航Yaw角，以及利用IMU传感器的三轴加速度计数据计算出的俯仰Pitch角和滚转Roll角值；从相机坐标系转换到世界坐标系，采用body到世界坐标系间的转换；旋转的欧拉角按从世界坐标系转换到相机坐标系的过程，先按偏航Yaw角的旋转轴是y轴，俯仰Pitch角的旋转X轴是偏航旋转后的TOF线光心方向，滚转Roll角的旋转Z轴是偏航及俯仰后的TOF线出射光心方向，最终得到相机坐标系。
本发明进一步技术方案在于：
从相机坐标系到世界坐标系的三个维度旋转矩阵Rx,Ry,Rz按如下方式定义：
Figure BDA0003573516280000051
Figure BDA0003573516280000052
Figure BDA0003573516280000053
Figure BDA0003573516280000054
因此世界坐标系下的坐标(Xw,Yw,Zw)转换到相机坐标系下(Xc,Yc,Zc),如下所示
Figure BDA0003573516280000055
假设相机坐标系中的四角点坐标分别为：
(XC1,YC1,ZC),(XC2,YC2,ZC),(XC3,YC3,ZC),(XC4,YC4,ZC)
把上述坐标点分别代入上述转换矩阵求解出世界坐标系分别为：
(XW1,YW1,ZW1),(XW2,YW2,ZW2),(XW3,YW3,ZW3),(XW4,YW4,ZW4)；
最后将上式的计算的世界坐标系四点坐标进行代入算法迭代计算最大16：9的矩形画面时的新四点坐标。
本发明进一步技术方案在于：
还包含步骤5：将步骤4计算出的最大矩形四点坐标数据代入梯形校正模块进行，投影画面区域的变形；最终实现梯形校正的目的。
利用上述步骤任意一项所述的单TOF梯形校正的方法的投影仪。
采用如上技术方案的本发明，相对于现有技术有如下有益效果：本发明采用单颗TOF模组实现梯形校正方案具有硬件成本低，算法处理效率高，应用流程简单等特点。本发明弥补了现有方法需要两组TOF模块才能实现、硬件成本高、对安装角的精度要求极高的缺点；同时，TOF梯形校正简单易于实现，降低产线对TOF模块的安装精度要求，可以实现IMU陀螺仪检测移动，实现快速自动无感梯形校正。
附图说明
为了进一步说明本发明，下面结合附图进一步进行说明：
图1为X边长比值与y角度的对应关系图；
图2为本发明的步骤实现图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本专利提供多种并列方案，不同表述之处，属于基于基本方案的改进型方案或者是并列型方案。每种方案都有自己的独特特点。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。文中未表述的固定方式，可以是螺纹固定，螺栓固定或者是胶水粘结等任意一种固定方式。
实施例一：结合图1；一种投影仪单TOF梯形校正的方法，其特征在于，该方法为：
利用TOF传感器模块接收标面阵列可编程选取ROI区域的特点，分别划分出左右两个ROI区域作为传感器的接收标面，从二分别对两个ROI区域进行距离测量。利用精密光学旋转台对TOF模块进行距离比和角度关系标定，建立TOF模块与角度的关系。因此只要我们通过TOF模块测量出距离比就可以计算出相应的水平偏航Yaw角的度数，且可以从IMU传感器采集数据计算出俯仰Pitch角和滚转Roll角的度数，由前面计算得出Pitch，Yaw，Roll这三个角度可以构建出相机坐标系与世界坐标系之间的变换矩阵。本处的技术方案所起到的实质的技术效果及其实现过程即基本功能为如下：本发明采用单颗TOF模组实现梯形校正方案具有硬件成本低，算法处理效率高，应用流程简单等特点。本发明弥补了现有方法需要两组TOF模块才能实现，硬件成本高，对安装角的精度要求极高的缺点；同时，TOF梯形校正简单易于实现，降低产线对TOF模块的安装精度要求，可以实现IMU陀螺仪检测移动，实现快速自动无感梯形校正。
实施例二：作为进一步的可改进方案或者并列方案或可选择的独立方案，该方法用到三个模块，分别为投影平面方位角计算模块、数据融合计算模块、投影画面校正模块；
投影平面方角计算模块：用于计算投影仪相对水平偏航Yaw角的计算；
数据融合计算模块：用于对投影平面方角计算模块得到的偏航Yaw角和从IMU传感器计算得到俯仰Pitch角和滚转Roll角，进行数据融合算法计算出梯形校正数据；
投影画面校正模块，依据数据融合计算模块获得的数据进行投影画面的校正。
实施例三：作为进一步的可改进方案或者并列方案或可选择的独立方案，本发明实现步骤如下：
步骤1、本发明采用是ST的TOF模组，该TOF模组传感器标面是由16x16点阵组成且可编程选取ROI区域；利用该特性将传感器接收标面划分为左边和右边两个16x8的ROI区域分别测量左边和右边与投影面的距离关系；
步骤2、原理方位角推导原理，基于以上TOF模组的特性；设计TOF模组的标定方法，利用精密光学旋转台从左到右依次把从左-26°,-24°,-22°,···,+22°,+24°,+26°分别把每个角度下TOF模组测量左边距离右边距离数据比值对应关系，得出距离比值x和角度y对应关系(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)...(x27,y27)，距离比值x和角度y呈的线性变化规律，通过最小二乘法和特定的算法推导出关系式f(xn,yn)；
步骤3、根据以上推导的出的关系f(xn,yn)投影平面方位角计算模块在梯形校正过程中通过TOF模块采集到的左右距离边长比值x,代入TOF标定时推导的关系式f(xn,yn)中计算出对应的水平方位Yaw角；
步骤4、进行数据融合计算出最大16：9的投影画面的四点坐标数据；由步骤3计算出的偏航Yaw角，以及利用IMU传感器的三轴加速度计数据计算出的俯仰Pitch角和滚转Roll角值；从相机坐标系转换到世界坐标系，采用body到世界坐标系间的转换；旋转的欧拉角按从世界坐标系转换到相机坐标系的过程，先按偏航Yaw角的旋转轴是y轴，俯仰Pitch角的旋转X轴是偏航旋转后的TOF线光心方向，滚转Roll角的旋转Z轴是偏航及俯仰后的TOF线出射光心方向，最终得到相机坐标系。
那么从相机坐标系到世界坐标系的三个维度旋转矩阵Rx,Ry,Rz按如下方式定义：
Figure BDA0003573516280000081
Figure BDA0003573516280000082
Figure BDA0003573516280000083
Figure BDA0003573516280000091
因此世界坐标系下的坐标(Xw,Yw,Zw)转换到相机坐标系下(Xc,Yc,Zc),如下所示
Figure BDA0003573516280000092
假设相机坐标系中的四角点坐标分别为：
(XC1,YC1,ZC),(XC2,YC2,ZC),(XC3,YC3,ZC),(XC4,YC4,ZC)
把上述坐标点分别代入上述转换矩阵求解出世界坐标系分别为：
(XW1,YW1,ZW1),(XW2,YW2,ZW2),(XW3,YW3,ZW3),(XW4,YW4,ZW4)；
最后将上式的计算的世界坐标系四点坐标进行代入算法迭代计算最大16：9的矩形画面时的新四点坐标；
步骤5、将步骤4计算出的最大矩形四点坐标数据代入梯形校正模块进行，投影画面区域的变形；最终实现梯形校正的目的。
以下从多个角度进行比较，以详细说明本专利的优点；
A.硬件基础不一样，成本就不一样；现有技术中待测平面的平面方程计算过程,需要安装两组TOF模块；本专利采用一组TOF模块；
B.对硬件的安装角度有详细的要求，现有技术中两组TOF模块安装的出光矢量夹角分别为θL和θR的条件下，假设具有一定的条件局限性对TOF模组装配要求极极其精确；本专利则没有这样的局限性；应用到实践中，就涉及到产品对周边环境的抗干扰的灵敏性，任何震动或者外力，一旦让对比文件中的两组TOF模块的安装条件发生了微小变化，就会造成检测不准确的情况；
C.对比文件算法过程相对复杂，数据计算量较大；本专利流程简单，算法高效，校正速度快。
本发明的技术的非显而易见性和突出的实质性的技术效果，总的来说：本发明采用单颗TOF模组实现梯形校正方案具有硬件成本低，算法处理效率高，应用流程简单等特点。本发明弥补了现有方法需要两组TOF模块才能实现、硬件成本高、对安装角的精度要求极高的缺点；同时，TOF梯形校正简单易于实现，降低产线对TOF模块的安装精度要求，可以实现IMU陀螺仪检测移动，实现快速自动无感梯形校正。本专利还有一个特殊的设计就是开创性采用了坐标转换的技术，将其应用到一系列简洁、有效的算法中实现快速校正。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种投影仪单TOF梯形校正的方法，其特征在于，该方法为：
利用TOF传感器模块接收标面阵列可编程选取ROI区域的特点，分别划分出左右两个ROI区域作为传感器的接收标面，从二分别对两个ROI区域进行距离测量；利用精密光学旋转台对TOF模块进行距离比和角度关系标定，建立TOF模块与角度的关系。
2.如权利要求1所述的一种投影仪单TOF梯形校正的方法，其特征在于，通过TOF模块测量出距离比就可以计算出相应的水平偏航Yaw角的度数，且可以从IMU传感器采集数据计算出俯仰Pitch角和滚转Roll角的度数，由前面计算得出Pitch，Yaw，Roll这三个角度可以构建出相机坐标系与世界坐标系之间的变换矩阵。
3.如权利要求2所述的一种投影仪单TOF梯形校正的方法，其特征在于，
该方法用到三个模块，分别为投影平面方位角计算模块、数据融合计算模块、投影画面校正模块；
投影平面方角计算模块：用于计算投影仪相对水平偏航Yaw角的计算；
数据融合计算模块：用于对投影平面方角计算模块得到的偏航Yaw角和从IMU传感器计算得到俯仰Pitch角和滚转Roll角，进行数据融合算法计算出梯形校正数据；
投影画面校正模块，依据数据融合计算模块获得的数据进行投影画面的校正。
4.如权利要求3所述的一种投影仪单TOF梯形校正的方法，其特征在于，
本发明更具体的实现步骤如下：
步骤1、本发明采用是ST的TOF模组，该TOF模组传感器标面是由16x16点阵组成且可编程选取ROI区域；利用该特性将传感器接收标面划分为左边和右边两个16x8的ROI区域分别测量左边和右边与投影面的距离关系。
5.如权利要求4所述的一种投影仪单TOF梯形校正的方法，其特征在于，
步骤2、原理方位角推导原理，基于以上TOF模组的特性；设计TOF模组的标定方法，利用精密光学旋转台从左到右依次把从左-26°,-24°,-22°,…,+22°,+24°,+26°分别把每个角度下TOF模组测量左边距离右边距离数据比值对应关系，得出距离比值x和角度y对应关系(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)...(x27,y27)，距离比值x和角度y呈的线性变化规律，通过最小二乘法和特定的算法推导出关系式f(xn,yn)。
6.如权利要求5所述的一种投影仪单TOF梯形校正的方法，其特征在于，
步骤3、根据以上推导的出的关系f(xn,yn)投影平面方位角计算模块在梯形校正过程中通过TOF模块采集到的左右距离边长比值x,代入TOF标定时推导的关系式f(xn,yn)中计算出对应的水平方位Yaw角。
7.如权利要求6所述的一种投影仪单TOF梯形校正的方法，其特征在于，
步骤4、进行数据融合计算出最大16：9的投影画面的四点坐标数据；由步骤3计算出的偏航Yaw角，以及利用IMU传感器的三轴加速度计数据计算出的俯仰Pitch角和滚转Roll角值；从相机坐标系转换到世界坐标系，采用body到世界坐标系间的转换；旋转的欧拉角按从世界坐标系转换到相机坐标系的过程，先按偏航Yaw角的旋转轴是y轴，俯仰Pitch角的旋转X轴是偏航旋转后的TOF线光心方向，滚转Roll角的旋转Z轴是偏航及俯仰后的TOF线出射光心方向，最终得到相机坐标系。
8.如权利要求7所述的一种投影仪单TOF梯形校正的方法，其特征在于，从相机坐标系到世界坐标系的三个维度旋转矩阵Rx,Ry,Rz按如下方式定义：
Figure FDA0003573516270000031
Figure FDA0003573516270000032
Figure FDA0003573516270000033
Figure FDA0003573516270000034
因此世界坐标系下的坐标(Xw,Yw,Zw)转换到相机坐标系下(Xc,Yc,Zc),如下所示
Figure FDA0003573516270000035
假设相机坐标系中的四角点坐标分别为：
(XC1,YC1,ZC),(XC2,YC2,ZC),(XC3,YC3,ZC),(XC4,YC4,ZC)
把上述坐标点分别代入上述转换矩阵求解出世界坐标系分别为：
(XW1,YW1,ZW1),(XW2,YW2,ZW2),(XW3,YW3,ZW3),(XW4,YW4,ZW4)；
最后将上式的计算的世界坐标系四点坐标进行代入算法迭代计算最大16：9的矩形画面时的新四点坐标。
9.如权利要求8所述的一种投影仪单TOF梯形校正的方法，其特征在于，还包含步骤5：将步骤4计算出的最大矩形四点坐标数据代入梯形校正模块进行，投影画面区域的变形；最终实现梯形校正的目的。
10.利用权利要求1-9任意一项所述的单TOF梯形校正的方法的投影仪。
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