CN115512083B - 一种多倾斜角度数控沙盘自适应投影方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多倾斜角度数控沙盘自适应投影方法，确定参数并建立像素矩阵；选择不同的纠正坐标方法计算新坐标；像素点赋值；确定最终投影内容。本发明多倾斜角度数控沙盘自适应投影算法实现了沙盘倾斜一定角度后准确的投影内容矫正，解决了投影内容偏移的问题，给观众带来了更好的观赏体验，能够轻松浏览立体沙盘的全貌，提高了观看的舒适度和体验感。

Description

一种多倾斜角度数控沙盘自适应投影方法

技术领域

本发明属于投影算法技术领域，涉及一种多倾斜角度数控沙盘自适应投影方法。

背景技术

数字化沙盘是传统固态沙盘的基础上，加入了以动态投影为主的各种多媒体声光手段，通过声、光、电、图像、三维动画以及计算机程控技术与实体模型相融合而成；打破了人们对沙盘单调刻板的印象，具有更强的渲染力与亲和力。多种多媒体技术的有机结合使其达到了惟妙惟肖、变化多姿的动态视觉效果，给参观者带来了全新的体验。数字化沙盘应用领域甚广，覆盖房地产、交通、地下管线、城市指挥、军事、旅游等应用领域。

数字沙盘主要分为两种：一是在原来传统的沙盘模型上增加多媒体投影系统，在未投影时，实体沙盘模型作为一件按比例还原真实地形地貌的模型，观众能从微观的角度来了解宏观的事物；在投影时，实体沙盘上叠加丰富的专题业务内容，实体沙盘模型与声光电结合的数字化展示方式，直观生动的向观众传达项目信息，让观众在短时间内了解更为全面的项目情况。二是纯三维数字沙盘，投影面一般为特殊处理的白色或灰色幕面，没有实体沙盘模型。在投影面上叠加三维动画，为观众展示变化多样的内容。

相比传统的实体沙盘，数字沙盘展示的内容更为全面、生动，能融入大量的沙盘本身不能体现的数据内容，不仅保留了实体沙盘模型的优势，还增添了高科技元素，使参观者获取信息时，也能获得互动的乐趣。市面上现有的实体沙盘摆放角度是与地面平行的，远处的地形地貌、水系、山峰山脉的分布情况在观赏区会无法被看清楚。为了提升观众欣赏沙盘全貌的舒适度和体验感，则需要对沙盘进行一定倾斜角抬高。但是，由于沙盘与投影机之间的投影角度产生了变化，继续沿用现有投影技术已无法将原始画面准确匹配到倾斜后的立体模型上。

发明内容

本发明在于提供了一种多倾斜角度数控沙盘自适应投影方法，通过确定参数并建立像素矩阵，选择不同的纠正坐标方法计算新坐标，像素点赋值，确定最终投影内容，来达到准确矫正匹配投影内容的目的。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种多倾斜角度数控沙盘自适应投影方法，确定参数并建立像素矩阵；选择不同的纠正坐标方法计算新坐标；像素点赋值；确定最终投影内容。

优选的，所述确定参数并建立像素矩阵，获取投影图像内容、投影沙盘的尺寸、沙盘的倾斜的角度以及投影机距离地面的高度，建立三维数组的像素矩阵。

优选的，所述建立三维素组的像素矩阵，沙盘在观赏区的正前方，以观赏区的中心点正对沙盘的边缘点为O点，建立x和y坐标轴，沙盘的中心点为V点，沙盘内任意一点E的坐标为(x_E,y_E)，根据投影内容建立一个三维数组的像素矩阵M＝(m_ij)，元素m_ij＝(x_i,y_j,[R_ij,G_ij,B_ij,H_ij])。

优选的，所述根据投影内容建立一个三维数组的像素矩阵M；

其中，第一维x_i代表坐标点在图像中x坐标，第二维y_j代表坐标点在图像中的y坐标，第三维代表颜色值和高程值，R_ij代表颜色分量R，G_ij代表颜色分量G，B_ij代表颜色分量B，H_ij代表立体模型当前坐标点的高程值。

优选的，所述选择不同的纠正坐标方法计算新坐标，判断点E与点V和点O是否在同一条直线上；当点E与点V和点O在同一条直线上，则选择第一纠正坐标方法计算倾斜后的新坐标；当点E与点V和点O不在同一条直线上，则选择第二纠正坐标方法计算倾斜后的新坐标。

优选的，所述第一纠正坐标方法，根据沙盘的倾斜角度θ，E点坐标为(x_E,y_E)，以及山峰的高度h_DI，计算Q点坐标(x_Q,y_Q)；

所述第二纠正坐标法，根据沙盘的倾斜角度θ，V点坐标为(0，y_V)，E点坐标为(x_E,y_E)，投影机T点到V点的高度为H_P，以及E点高度E_DP，计算Q点坐标(x_Q,y_Q)。

优选的，所述像素点赋值，将点E的颜色值赋给新坐标；

(x_E,y_E,[R_E,G_E,B_E,H_E])→(x_N,y_N,[R_E,G_E,B_E])；

遍历像素点，判断像素点是否存在空值，若否则确定最终投影内容，若是则采用双线性插值法取临近点的颜色值计算当前空值像素点的颜色值，确定最终投影内容。

优选的，所述确定最终投影内容，计算新像素矩阵K＝(k_ij)，即最终投影内容，元素k_ij＝(x_i,y_j,[R_ij,G_ij,B_ij,G_ij])；

本发明的有益效果：本发明采用投影技术与立体模型沙盘相结合的方式，通过采用确定参数并建立像素矩阵,选择不同的纠正坐标方法计算新坐标,像素点赋值,确定最终投影内容的多倾斜角度数控沙盘自适应投影算法实现了准确的投影，解决了投影内容偏移的问题，能够提高观众观看或者阅读的效率，给观众带来更好的观赏体验让观众更容易欣赏沙盘的全貌和更好的欣赏体验。

附图说明

图1是本发明像素矩阵示意图。

图2是本发明算法简单示意图。

图3是本发明第一纠正坐标方法示意图。

图4是本发明第一纠正坐标方法部分放大示意图。

图5是本发明第二纠正坐标法示意图。

图6是本发明算法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例，应理解，本申请不受这里公开描述的示例实施例的限制。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，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。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。

根据人体工程学的结论可知，低头时角度在0°-15°之间颈部肌肉的总体紧张度最低，此时颈部最舒服，最能预防颈部疼痛的出现。而根据人眼视度的相关研究结果显示，以人眼向前平视90°为标准向下倾斜10°-40°为人的最佳视野俯角，在这个俯视角度范围内向下看时眼睛保持最轻松舒服的状态，可以大大的延长人的用眼时间而不感觉到疲劳，并能提高观看或者阅读的效率。

现有的立体模型沙盘是与地面平行的，远处的山峰山脉分布情况在观赏区会无法被看清楚。结合人体工程学以及人眼视度的相关研究结论，对沙盘做了15°-40°的倾斜角抬高，能够让观众更容易欣赏沙盘的全貌和更好的欣赏体验，沙盘与投影机之间的投影角度产生变化后，原始的投影内容无法准确投影立体沙盘的标准位置上，需要解决投影内容偏移的问题。本算法确定投影图像内容、坐标点对应的高程值、投影沙盘的尺寸、沙盘倾斜的角度以及投影机距离地面的高度后，通过建立统一的像素矩阵M＝(m_ij),元素m_ij＝(x_i,y_j,[R_ij,G_ij,B_ij,G_ij])(如图1)，遍历像素点，选择不同的纠正坐标方法计算出倾斜后的新坐标位置，并生成新的像素矩阵；纠正坐标的方法则是根据当前遍历的坐标点位置，分成点E与点V、O不在同一条直线上和不在同一条直线上的情况。通过将检测的坐标点颜色值赋给计算后的新坐标点得到新的像素矩阵K＝(k_ij),元素k_ij＝(x_i,y_j,[R_ij,G_ij,B_ij,H_ij])，从而实现自适应投影，解决沙盘倾斜后投影的内容产生偏移的问题。

本发明提供了附图1～6，本发明实施例中，一种多倾斜角度数控沙盘自适应投影方法，确定参数并建立像素矩阵；

获取投影图像内容、投影沙盘的尺寸、沙盘的倾斜的角度以及投影机距离地面的高度等关于沙盘和投影机的参数，沙盘在观赏区的正前方，以观赏区的中心点正对沙盘的边缘点为O点，建立x和y坐标轴，其中，沙盘的中心点为V点，沙盘内任意一点E的坐标为(x_E,Y_E)，根据投影内容建立一个三维数组的像素矩阵M＝(m_ij)，元素m_ij＝(x_i,y_j,[R_ij,G_ij,B_ij,H_ij])。

所述根据投影内容建立一个三维数组的像素矩阵M；

其中，第一维x_i代表坐标点在图像中x坐标，第二维y_j代表坐标点在图像中的y坐标，第三维代表颜色值和高程值，R_ij代表颜色分量R，G_ij代表颜色分量G，B_Iij代表颜色分量B，H_ij代表立体模型当前坐标点的高程值。

由于沙盘与投影机之间的投影角度产生了变化，继续沿用现有投影技术已无法将原始画面准确匹配到倾斜后的立体模型上。,如图2，假设原始投影图像中的E点，在未倾斜前为像素矩阵中的E点，对应于沙盘中的E点。而倾斜后投影点变化为斜线上的I点，在投影纠正图像中相当于C点。若E点存在高程值，则未倾斜前投影点为G点，倾斜后投影点变化为斜线上的D点，在投影纠正图像中相当于Q点。

通过选择不同的纠正坐标方法来计算新坐标，首先需要判断点E与点P和点O是否在同一条直线上；当点E与点V和点O在同一条直线上，则选择第一纠正坐标方法计算倾斜后的新坐标；当点E与点V和点O不在同一条直线上，则选择第二纠正坐标方法计算倾斜后的新坐标。

如图3和图4，第一纠正坐标方法如下：

已知：沙盘的倾斜角度为θ，E点坐标为(x_E,y_E)，以及山峰的高度h_DI求：Q点的坐标为(x_Q,y_Q)

通过坐标信息计算可求得：

E点到原点O(0,0)的距离W_OE

令W_OE＝W_OI＝W₁

通过三角函数求得I点到F点的高度h_IF

h_IF＝W₁·sinθE点到F点的距离W_EF

W_OF＝h_IF/tanβ

W_EF＝W₁-W_OF

根据山峰的高度(D点到I点的高度)可求得：

D点到P点的距离h_DP

h_DP＝h_DI/cosθI点到P点的距离W_IP

W_IP＝h_DI·tanθ

从而得到O点到P点的距离W_OP

W_OP＝W₁-W_IP

也就可以通过三角函数计算出P点到H点的高度h_PH

h_PH＝W_OP·sinθF点到H点的距离W_FH

W_OH＝h_PH/tanθ

W_FH＝W_OF-W_OH

三角形DHQ和IFQ通过勾股定理可以列出

三角形OIQ通过余弦定理可以列出

由上述三个方程可解出W_QE

则可以求得Q点的坐标(x_Q,y_Q)

因为点O、点E和点T在一个平面上所以x_Q＝0。

如图5，第二纠正坐标法如下：

已知：沙盘的倾斜角度为θ，V点坐标为(0，y_V)，E点坐标为(x_E,y_E)，投影机T点到V点的高度为H_V，以及E点高度h_DI

根据已知坐标信息，可以求出以下参数

E点到原点O(0,0)的距离W_OE

并且W_OI＝W_OE

A点到原点O(0,0)的距离W_OA

则I点到F点的距离可以求得

h_IF＝h_AC＝W_OA·sinθ

则由W_OI和h_IF可以求得直角三角形IFO的夹角β

根据山峰的高度(D点到I点的高度)可求得：

D点到P点的距离h_DP

h_DP＝h_DI/cosβ

I点到P点的距离W_IP

W_IP＝h_DI·tanβ

从而得到O点到P点的距离W_OP

W_OP＝W_OI-W_IP

所以可以通过三角函数计算出P点到H点的高度h_PH

h_PH＝W_OP·sinβ

以及H点到原点O(0,0)的距离W_OH

W_OH＝W_OP·cosβ

则D点到H点的高度h_DH

h_DH＝h_DP+h_PH

并且h_SV＝h_DH

求D点到S点的距离W_DS，可以通过三角形HOV求得H点到V点的距离三角形HOV的夹角∠HOV即为E点与y轴之间的夹角：

通过余弦定理可以得到W_HV

并且W_DS＝W_HV

则根据三角形等比定理求得Q点到V点的距离W_QV以及W_DQ

以及投影机T点到S点的高度h_TS

从而根据勾股定理计算出W_TD、W_OD

T点到原点O(0,0)的距离W_OT

通过余弦定理由W_TD和W_OT以及W_OD求得∠TDO

则三角形QDO的∠QDO＝180°-∠TDO

因此求得Q点到原点O(0,0)的距离W_OQ

根据已知的V点到O点的距离以及计算出的W_OQ和W_QV，利用余弦定理可以计算出Q点与y轴之间的夹角

进而用三角函数可以求得Q点的坐标(x_Q,y_Q)

像素点赋值，将点E的颜色值赋给新坐标；

(x_E,y_E,[R_E,G_E,B_E,H_E])→(x_N,y_N,{R_E,G_E,B_E])；

遍历像素点，判断像素点是否存在空值，若否则确定最终投影内容，若是则采用双线性插值法取临近点的颜色值计算当前空值像素点的颜色值确定最终投影内容，计算新像素矩阵K＝(k_ij)，即最终投影内容，元素k_ij＝(x_i,y_j,[R_ij,G_ij,B_ij,H_ij])；

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种多倾斜角度数控沙盘自适应投影方法，其特征在于，确定参数并建立像素矩阵；

选择第一纠正坐标方法或第二纠正坐标方法计算新坐标；当沙盘内任意一点与沙盘的中心点和沙盘的边缘点在同一条直线上，选择第一纠正坐标方法；当沙盘内任意一点与沙盘的中心点和沙盘的边缘点不在同一条直线上，选择第二纠正坐标方法；

第一纠正坐标方法，根据沙盘的倾斜角度，沙盘内任意一点的坐标，沙盘的山峰高度，计算新坐标；

第二纠正坐标方法，根据沙盘的倾斜角度，沙盘的中心点，沙盘内任意一点的坐标和高度，投影机到沙盘的中心点的高度，计算新坐标；

像素点赋值；

确定最终投影内容。

2.根据权利要求1所述的一种多倾斜角度数控沙盘自适应投影方法，其特征在于，所述确定参数并建立像素矩阵，获取投影图像内容、投影沙盘的尺寸、沙盘的倾斜的角度以及投影机距离地面的高度，建立三维数组的像素矩阵。

3.根据权利要求2所述的一种多倾斜角度数控沙盘自适应投影方法，其特征在于，所述建立三维数组的像素矩阵，沙盘在观赏区的正前方，以观赏区的中心点正对沙盘的边缘点为0点，建立x和y坐标轴，沙盘的中心点为V点，沙盘内任意一点E的坐标为(x_E，y_E)，根据投影内容建立一个三维数组的像素矩阵M＝(m_ij)，元素m_ij＝(x_i，y_j，[R_ij，G_ij，B_ij，H_ij])。

4.根据权利要求3所述的一种多倾斜角度数控沙盘自适应投影方法，其特征在于：所述根据投影内容建立一个三维数组的像素矩阵M；

其中，第一维x_i代表坐标点在图像中的x坐标，第二维y_j代表坐标点在图像中的y坐标，第三维代表颜色值和高程值，R_ij代表颜色分量R，G_ij代表颜色分量G，B_ij代表颜色分量B，H_ij代表立体模型当前坐标点的高程值。

5.根据权利要求3所述的一种多倾斜角度数控沙盘自适应投影方法，其特征在于：选择第一纠正坐标方法或第二纠正坐标方法计算新坐标，判断点E与点V和点0是否在同一条直线上；

当点E与点V和点0在同一条直线上，则选择第一纠正坐标方法计算倾斜后的新坐标；

当点E与点V和点0不在同一条直线上，则选择第二纠正坐标方法计算倾斜后的新坐标。

6.根据权利要求5所述的一种多倾斜角度数控沙盘自适应投影方法，其特征在于：所述第一纠正坐标方法，根据沙盘的倾斜角度θ，E点坐标为(x_E，y_E)，以及山峰的高度h_DI，计算Q点坐标(x_Q，y_Q)；

所述第二纠正坐标法，根据沙盘的倾斜角度θ，V点坐标为(0，y_V)，E点坐标为(x_E，y_E)，投影机T点到V点的高度为H_P，以及E点高度H_DP，计算Q点坐标(x_Q，y_Q)。

7.根据权利要求5所述的一种多倾斜角度数控沙盘自适应投影方法，其特征在于：所述像素点赋值，将点E的颜色值赋给新坐标；

(x_E，y_E，[R_E，G_E，B_E，H_E])→(x_N，y_N，[R_E，G_E，B_E])；

遍历像素点，判断像素点是否存在空值，若否则确定最终投影内容，若是则采用双线性插值法取临近点的颜色值计算当前空值像素点的颜色值，确定最终投影内容。

8.根据权利要求7所述的一种多倾斜角度数控沙盘自适应投影方法，其特征在于：所述确定最终投影内容，计算新像素矩阵K＝(k_ij)，即最终投影内容，元素k_ij＝(x_i，y_j，[R_ij，G_ij，B_ij，H_ij])；

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