CN1270352A - 校准计算机产生的投影图像的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用以把计算机产生的投影图像相对于在计算机屏幕看到的显示图像进行校准的设备和方法。在显示图像和投影图像上都有按照预先确定的图案排列的四个或更多点,其中起码三个点是同线的,后者用光学方法在投影图像中成像,并且在投影图像上这些点可以用电子学方法来识别,确定它们的坐标,并与预先确定的图案联系起来,以便导出变换系数,此变换系数随后被用在把投影图像上的位置转换到显示图像上的对应位置的处理过程中。

Description

校准计算机产生的投影图像的方法和装置
本发明涉及交互式视频图形显示系统，更准确地说，涉及校准这种系统的方法和装置。
在会议和教室中，通常用光学投影的方法把图表、文本和展示图像投影在投影屏幕或墙壁上向听众显示。通常采用一种LCD(液晶显示)投影机，其中，图表、文本和展示图像由例如膝上型计算机这样的个人计算机(PC)产生。比起被取代的传统的投影器和幻灯片，这些LCD/PC投影显示系统更加普及。在这种显示系统中，PC提供例如标准视频图形阵列(VGA)，超VGA或IBM扩充图形阵列显示标准(XGA)等视频输出信号。
使用者借助PC键盘或者通过在计算机控制器显示屏幕的适当区域单击鼠标，来控制要投影到投影屏幕的图像。某些系统利用视距红外信号，提供有限的远距离鼠标控制，所述视距红外信号指向LCD投影机，用来控制某些预先确定的功能，例如显示下一帧或画出直线。一种在投影屏幕处有辐射传感装置的这种设备使得操作者能够与计算机控制的图像投影系统交互，如授予Vogeley等人的美国专利第5,235,363号所公开的那样。可是，即使有这些部件，大部分操作还是需要在PC机上进行。如果演讲者站在讲台处或在听众前走动，他就不能轻易地回到PC机处进行控制。这样就需要一个助手坐在计算机旁为某些演示进行控制。
在另一种图形显示系统中，使用激光指示器把控制束投射到投影图像上。摄像装置检测该控制束，并把这种信息传送到PC机。用户通过移动以及接通和断开这控制束来控制PC机。为了提供控制束对于PC机屏幕上所显示的图像的准确的参考坐标，需要相对于显示图像校准投影图像，或相对于显示图像对准投影图像。
本发明的一个目的是提供一种方法和装置，用以使投射到一个面上的像元的投影坐标与显示在计算机屏幕的对应像元的显示坐标联系起来。
本发明的另一个目的是提供这样一种方法，它在计算上是简单、迅速和可靠的。
一种用以把在投影显示系统所看到的计算机产生的投影图像相对于在计算机屏幕看到的显示图像进行校准的设备和方法。在显示图像和投影图像上都有以预先确定的图案排列的四个或更多校准点，后者用光学方法在投影图像中成像，并且在投影图像上这些点可以用电子学方法来识别，确定它们的坐标，并与预先确定的图案联系起来。利用这已决定的关系，求出变换系数，随后把它们用于把在投影图像上的位置转换到显示图像上的对应位置的处理过程中。当结合附图阅读下面的详细描述时，就容易明白本发明的其它特征。
通过结合附图参考以下的描述和权利要求书，就会更全面地理解本发明，并明白和了解本发明的其它目的和效果。
下面参考附图来描述本发明，附图中：
图1是图形显示系统的图解说明，根据本发明，该系统包括：投影机和投影屏幕；计算机和计算机屏幕；以及校准系统；
图2是在图1的计算机屏幕显示中产生的校准点的视图；
图3是投射到图1的投影屏幕上的图2的校准点的视图；
图4是在另一种校准方法中所看到的图2的计算机屏幕的视图。
图1中示出视频图形显示系统10，根据本发明，它包括：投影机20，例如LCD投影机；计算机21和计算机屏幕29；以及校准系统30。展出的图像(未示出)被投射到投影屏幕23，从激光指示器25照射到投影屏幕上的入射激光束27用以控制计算机21的操作。校准系统30包括摄像装置31，例如数字摄像机，和软件33。摄像装置31对准投影屏幕23，以便在投影机工作时获取投射到投影屏幕23上的图像。软件33包括和摄像装置31一起用来校准展示系统10的校准软件，还包括对投影屏幕23上的激光束27的动作作出响应而控制计算机21的探测软件，详见下面更加详细的描述。
展示系统10的操作者利用激光指示器25指向显示图像的各个位置，包括代表应用工具条(application toolbar)和“按钮”的区域。摄像机31获取显示图像，同时在投影屏幕23上探测激光束27的存在。通过软件33把合成的图像发送到计算机21，为了描述方便，在此，在图上单独表示软件33，但最好是软件33装在摄像机31内，或装在计算机21内，或装在投影机20内、或装在单独的接口盒内(未示出)。软件33执行图像处理和对投影屏幕23上激光束27的探测。在最佳实施例中，一个专用鼠标驱动器把所探测到的激光束27的坐标转换为鼠标控制功能。例如，可以通过激光束27的位置或移动来实现光标移动和功能选择，可以把激光束27的闪烁解释为单击鼠标。这样，操作者可以从演示室的任何位置利用激光指示器25进行实际上任何正常的鼠标操作(例如打开新文件，剪切，粘贴等)。在演示中操作者需要在演讲和走动过程中访问和漫游互联网页链接(internet web links)时这种控制装置特别有用。
在显示于计算机屏幕29上的图像同时也投射到投影屏幕23的情况下，通过把在投影屏幕23上特定点出现的激光束27解释为指向计算机屏幕29上对应点的鼠标的光标，来实现控制。如本专业的技术人员所了解的那样，为了使控制系统能恰当地起作用，必须提供在显示图像和投影图像之间的精确对应关系。这对应关系是通过根据本发明的校准系统30执行校准程序来获得的。
要进行校准，首先要在显示于计算机屏幕29的应用图像上产生一组四个或更多个校准点，如图2所示。为了解释清楚，仅仅示出校准点而未示出应用图像。有四个校准点，表示为P1到P4，P1、P2和P3最好彼此处在同一线上(即同线点)，而P2在中间位置。如图所示，P1、和P2相距一个单位间隔，而P2和P3相距两个单位间隔。校准点P4处在距P1两个单位间隔的位置上，并处在垂直于由P1、P2和P3组成的线而延长的线上。
在校准的过程中，显示在计算机屏幕29的图像被投射到投影屏幕23，其中，校准点呈现为对应的投影校准点Q1到Q4。本专业的技术人员能够理解，可以通过线性变换 Qk＝A  Pk+B把计算机屏幕29上的校准点Pk映像在投影屏幕23上成为对应的投影校准点Qk，其中，A包括2×2实矩阵，而B包含2×1实矩阵。只要摄像机31对于投影屏幕23的相对取向和位置保持不变，A和B的值就保持恒定。
用本发明的校准方法来确定A和B的值。简单地说，按如下的步骤来进行校准：i)在计算机屏幕29上，在显示应用图像的同时，显示位置已知的校准点的预先确定的图案，ii)用投影机20把图像和校准点投射到投影屏幕23上，iii)用摄像机31对投影图像和校准点进行采集或摄像，iv)用软件33来分析所获取的图像，滤掉校准点以外的所有图像，和v)也用软件33来确定投影屏幕23上的图案与计算机屏幕29上的预先确定的图案的几何关系。
当找到校准点之间的对应关系时，就可导出A和B。对于任何点向量 Pi和对应点向量 Qi，线性变换 Qi＝A  Pi+B成立。点向量 Pi和 Qi各自包括两个坐标值，而在A和B中有六个未知的变量(即在(2×2)矩阵中的四个和在(2×1)矩阵中的两个)。因此，为了计算A和B，最少需要三对位置或点向量( Pi和 Qi)。
为了检测投影图像中四个对应位置Q1，Q2，Q3和Q4处的显示校准点，显示校准点必须被准确地辨认出来并与显示图像的其余部分区分开。可是，因为显示图像也会含有例如“噪声”，或由投影机20的光学或电特性引起的视觉假信号(artifacts)，而这种噪声会被错当成出现了投影的校准点，软件33要设计成能滤掉这种噪声和假信号。用I1来表示没有任何校准点时显示在计算机屏幕29上的应用图像。用I2来表示有校准点时所显示的图像。那么，四个校准点的图像可以表示为
I(x，y)＝|I2(x，y)-I1(x，y)|
为了从所获取的图像中去掉背景，即去掉应用图像，只留下校准点，使用递归阈值处理例程来进行空间过滤，滤掉背景图像和可能出现的任何噪声。如本专业的技术人员都会理解的那样，噪声会与校准点有相同的强度，或甚至更大的强度，而且这噪声会延伸到几个像素的范围(例如在垂直线或水平线上)。但是，噪声通常不会既在高度上又在宽度上延伸而同时又有校准点的强度。因此，在这里公开的方法中，选择一个起始强度阈值t1。把从投影图像获得的像素的亮度电平或强度与这阈值比较。图像I(x，y)被映像成(0×1)矩阵I T(x，y)，从而I
IT(x，y)＝1，如果I(x，y)＞t1，以及I T(x，y)＝0，如果I(x，y)≤t1
最好这样确定每个校准点的大小，使得每一个校准点既在高度上又在宽度方向上延伸达多个像素。然后，通过对像素亮度或强度超过预定阈值的相邻像素进行第一次组合(first grouping)而从背景应用图像中空间滤出或区分出校准点。采用下面的方法可以做到这一点：在矩阵中辨认出有上述定义的“1”值的亮的像素，并把这样辨认出来的像素加到原来是空的组(set)中。分析相邻的像素的亮度，并把它加到这组中，直到再辨认不出有相邻的像素超过阈值为止。这样产生出一组(或团)或多组(或团)值为“1”的像素。在空间过滤过程中，将每个这样产生的组与高度(h1)和宽度(w1)阈值比较。如果一组不包含起码的阈值高度或宽度，则不再对这组作进一步的考虑，并将其滤掉。
如果过滤所得的矩阵包括多于四组像素，则以更高的阈值(t2＞t1)重复上面的步骤。另一方面，如果过滤所得的矩阵包括少于四组像素，则以较低的阈值(t3＜t1)重复上面的步骤。这些步骤重复到产生出与校准点的点数(例如，在上面的例子中，四个校准点)相同的组数为止。确定这些组的处于大致中心的平均位置。这对应于在投影图像中四个投影校准点Q1、Q2、Q3和Q4位置的显示校准点的平均位置。
下面来建立四个投影校准点Q1、Q2、Q3和Q4与在计算机显示图像中的四个校准点P1、P2、P3和P4之间的对应关系。变换方程Q＝AP+B维护了同一线上的点的线性关系和距离比。首先辨认出包括中心点P2的三个同线点。剩下的点，例如Q4必定对应于P4。为了辨认出同线点中那一个对应于P1、P2和P3，就要计算校准点Qi间的距离比。如上面讨论的那样，距离比选择为
|P1-P2|∶|P2-P3|＝1∶2，以及|P4-P1|∶|P1-P2|＝2∶1在投影校准点中找出相同的距离比，从而得到以Q2为中心点的三个投影校准点Q1、Q2和Q3与以P2为中心点的三个显示校准点P1、P2和P3的对应关系。然后，通过解下面给出的四个向量方程组中的三个方程，求出所要的变换系数：
           Q1＝A P1+B
           Q2＝A P2+B
           Q3＝A P3+B
           Q4＝A P4+B
利用所求得的A和B的值，就可以把投影图像中的 Qk位置与在计算机显示图像中的任何 Pk位置根据下面的关系联系起来：
           Qk＝A Pk+B
当投射到投影屏幕23上的图像的投影不是严格线性时，可以采用图4所示的另一种方法。显示图像被屏幕对角线分成上部区域35和下部区域37。如上所述，对校准点P1、P2、P3和P4进行分析，决定变换系数A和B的值，这两个变换系数用于与上部区域35对应的投影图像的上部区域。分析第二组校准点P5、P6、P7和P8来决定附加的变换系数A’和B’的值，这两个变换系数用于与下部区域37对应的投影图像的下部区域。相应地，可以把投影图像下部的位置 QL与下部区域37的位置 PL根据下面的关系联系起来：
QL＝A’ PL+B’
虽然已经参考特定的实施例描述了本发明，但是，显然，本发明决不是限于这里公开的和/或图中示出的这些特定的结构和方法，而是包括在权利要求书范围内的任何修改或等效的结构和方法。

Claims (29)

1.一种把投影到一个面上的图像元的投影坐标P(xP，yP)与在计算机屏幕上显示的对应图像元的显示坐标Q(xQ，yQ)联系起来的方法，所述方法包括如下步骤：
在显示图像中产生一组n个以非线性图案排列的校准点，其中n≥4，所述校准点的预先确定的坐标用Qi(xQ，yQ)来表示，其中1≤i≤n，所述每个校准点有比预先确定的的阈电平大的亮度；
把所显示的图像和所述校准点投射到投影面上，以便在其上形成校准图像，所述校准图像包括对应于所述n个校准点的n个亮团；
确定所述n个亮团中每一个的平均位置Pi(xP，yP)的投影坐标；以及
通过解下面的向量方程组来导出变换系数矩阵A和B：
           Q1＝A P1+B
           Q2＝A P2+B
               .
               .
           Qn＝A Pn+B
以便可以利用变换方程
           Qk＝A Pk+B
根据对应的投影图像元的投影坐标Pk(xP，yP)确定显示图像元的显示坐标Qk(xQ，yQ)。
2.权利要求1的方法，其特征在于还包括下面的步骤：
对所述校准图像进行摄像和过滤，以便只读出过滤后的其亮度大于预先确定的阈电平的像元；和
把相邻的所述读出的过滤后的像元组合成为多个所述亮团，每个所述亮团有对应的高度和宽度。
3.权利要求2的方法，其特征在于还包括以下步骤：在所述确定投影坐标的步骤之前，对所述多个亮团进行空间过滤，以便只读出其高度起码有预先确定值(h1)那么高的亮团。
4.权利要求2的方法，其特征在于还包括以下步骤：在确定投影坐标的步骤之前，对所述多个亮团进行空间过滤，以便只读出其宽度起码有预先确定值(w1)那么宽的亮团。
5.权利要求2的方法，其特征在于还包括对所述亮团进行计数的步骤，其中：
如果数出多于n个亮团，则选择比所述预先确定的阈电平更高的阈电平，并重复对所述校准图像的所述过滤步骤，把所述过滤后的像元组合，并对所述亮团进行计数，和
如果数出少于n个亮团，则选择比所述预先确定的阈电平低的阈电平，并重复对所述校准图像的所述过滤步骤，把所述过滤后的像元组合，并对所述亮团进行计数。
6.权利要求2的方法，其特征在于：起码有三个所述校准点在同一直线上。
7.权利要求6的方法，其特征在于：所述起码三个校准点中的处在中间的一个离一个所述同线校准点的距离为一个单位，而离另一个所述同线校准点的距离为两个单位。
8.权利要求7的方法，其特征在于：起码一个校准点离由所述三个同线校准点所定义的直线的距离为两个单位。
9.权利要求1的方法，其特征在于还包括以下步骤：在显示图像内产生按照非线性图案排列的第二组n个校准点，在所述第二组中的每一个所述校准点具有大于所述预先确定的阈电平的亮度。
10.一种把投影到一个面上的图像元的投影坐标P(xP，yP)与在计算机屏幕上显示的对应图像元的显示坐标Q(xQ，yQ)联系起来的方法，所述方法包括如下步骤：
在显示图像中产生一组n个以非线性图案排列的校准点，其中n≥4，所述校准点的预先确定的坐标用Qi(xQ，yQ)来表示，其中1≤i≤n，每个所述校准点且有预先确定的高度和预先确定的宽度；
把所显示的图像和所述校准点投射到投影面上，以便在其上形成校准图像；
对所述校准图像进行摄像和过滤，以便只读出过滤后的其亮度大于预先确定的阈电平的像元；
把相邻的所述读出的过滤后的像元组合成多个所述亮团，每个所述亮团有对应的高度和宽度；
对所述多个亮团进行空间过滤，以便只读出其高度起码有预先确定值(h1)那么高并且其宽度起码有预先确定值(w1)那么宽的亮团；
对所述空间过滤后的亮团进行计数，其中
如果数出多于n个空间过滤后的亮团，则选择比所述预先确定的阈电平更高的阈电平，并重复对所述校准图像的所述过滤步骤，把所述过滤后的像元组合，并对所述空间过滤后亮团进行计数，和
如果数出少于n个空间过滤后的亮团，则选择比所述预先确定的阈电平低的阈电平，并重复对所述校准图像的所述过滤步骤，把所述过滤后的像元组合，并对所述空间过滤后亮团进行计数；
确定所述n个空间过滤后亮团中每一个的平均位置Pi(xP，yP)的投影坐标；以及
通过解下面的向量方程组来导出变换系数矩阵A和B：
           Q1＝A P1+B
           Q1＝A P1+B
           Qn＝A Pn+B
以便利用变换方程
           Qk＝A Pk+B
从对应的投影图像元的投影坐标Pk(xP，yP)确定显示图像元的显示坐标Qk(xQ，yQ)。
11.权利要求10的方法，其特征在于：每个所述校准点有大于预先确定的阈电平的亮度。
12.权利要求10的方法，其特征在于：起码有三个所述校准点在同一直线上。
13.权利要求12的方法，其特征在于：所述起码三个同线校准点中的处在中间的一个离一个所述同线校准点的距离为一个单位，而离另一个所述同线校准点的距离为两个单位。
14.权利要求13的方法，其特征在于：起码一个校准点离由所述三个同线校准点所定义的直线的距离为两个单位。
15.权利要求10的方法，其特征在于还包括以下步骤：在显示图像内产生按照非线性图案排列的第二组n个校准点，在所述第二组中的每一个所述校准点具有大于所述预先确定的阈电平的亮度。
16.一种校准装置，它适用于把投影到一个面上的图像的投影坐标P(xP，yP)与在计算机屏幕上显示的对应图像和所包括的校准点的显示坐标Q(xQ，yQ)联系起来，所述图像包括n个以非线性图案排列于投影图像内的校准点，其中n≥4，所述校准装置包括：
用于对所述校准图像进行摄像和过滤、以便只读出n个投影校准点的装置；
用于确定所述校准点中每一个的平均位置的投影坐标Pi(xP，yP)的装置，其中1≤i≤n，；
用于通过解下面的向量方程组来导出变换系数矩阵A和B的装置：
           Q1＝A P1+B
           Q2＝A P2+B
           Qn＝A Pn+B
利用变换方程
           Qk＝A Pk+B
从对应的投影图像元的投影坐标Pk(xP，yP)确定显示图像元的显示坐标Qk(xQ，yQ)的装置。
17.权利要求16的装置，其特征在于：所述投影校准点有比预先确定的的阈电平大的亮度。
18.权利要求16的装置，其特征在于：所述投影校准点起码有预先确定值(w1)那么大的宽度。
19.权利要求16的装置，其特征在于：所述投影校准点起码有预先确定值(h1)那么大的高度。
20.权利要求16的装置，其特征在于：所述摄像和过滤装置包括数字摄像机。
21.一种可由机器读出的包含指令程序的媒体，所述指令程序可由所述机器执行来实现一种方法，用以把投影到一个面上的图像元的投影坐标P(xP，yP)与在计算机屏幕上显示的对应图像元的显示坐标Q(xQ，yQ)联系起来，所述方法包括如下步骤：
在显示图像中产生一组n个以非线性图案排列的校准点，其中n≥4，所述校准点的预先确定的坐标用Qi(xQ，yQ)来表示，其中1≤i≤n，每个所述校准点有大于预先确定阈电平的亮度；
把所显示的图像和所述校准点投射到投影面上，以便在其上形成校准图像，所述校准图像包括对应于所述n个校准点的n个亮团；
确定所述n个亮团中每一个的平均位置的投影坐标Pi(xP，yP)；以及
通过解下面的向量方程组来导出变换系数矩阵A和B：
           Q1＝A P1+B
           Q2＝A P2+B
           Qn＝A Pn+B
以便可以利用变换方程
           Qk＝A Pk+B
根据对应的投影图像元的投影坐标Pk(xP，yP)确定显示图像元的显示坐标Qk(xQ，yQ)。
22.权利要求21的媒体，其特征在于所述方法还包括下面的步骤：
对所述校准图像进行摄像和过滤，以便只读出过滤后的其亮度大于预先确定的阈电平的像元；和
把相邻的所述读出的过滤后的像元组合成为多个所述亮团，每个所述亮团有对应的高度和宽度。
23.权利要求22的媒体，其特征在于所述方法还包括以下步骤：在所述确定投影坐标的步骤之前对所述多个亮团进行空间过滤，以便只读出其高度起码有预先确定值(h1)那么高的亮团。
24权利要求22的媒体，其特征在于所述方法还包括以下步骤：在所述确定投影坐标的步骤之前对所述多个亮团进行空间过滤，以便只读出其宽度起码有预先确定值(w1)那么宽的亮团。
25.权利要求22的媒体，其特征在于所述方法还包括对所述亮团进行计数的步骤，其中，
如果数出多于n个亮团，则选择比所述预先确定的阈电平更高的阈电平，并重复对所述校准图像的所述过滤步骤，把所述过滤后的像元组合，并对所述亮团进行计数，和
如果数出少于n个亮团，则选择比所述预先确定的阈电平低的阈电平，并重复对所述校准图像的所述过滤步骤，把所述过滤后的像元组合，并对所述亮团的进行计数。
26.权利要求22的媒体，其特征在于：起码有三个所述校准点在同一直线上。
27.权利要求26的媒体，其特征在于：所述起码三个校准点中处在中间的一个离一个所述同线校准点的距离为一个单位，而离另一个所述同线校准点的距离为两个单位。
28.权利要求27的媒体，其特征在于：起码一个所述校准点离由所述三个同线校准点所定义的直线的距离为两个单位。
29.权利要求21的媒体，其特征在于所述方法还包括以下步骤：在显示图像内产生按照非线性图案排列的第二组n个校准点，所述第二组中的每一个所述校准点具有大于所述预先确定的阈电平的亮度。
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