CN1465178A - 在对显示面位于任意方向的投影仪中校正梯形失真的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

通过该方法校正在对显示面位于任意方向的投影仪中的梯形失真。相对于显示面测量投影仪的光轴仰角、摆角及方位角。从仰角、摆角及方位角求出平面投射变换矩阵。由投影仪投影的源图像根据平面投射变换扭曲并投影到显示面上。

Description

在对显示面位于任意方向的投影仪中校正梯形失真的方法及系统
技术领域
本发明涉及一种图像投影仪，尤其是有关被投影图像的梯形失真(keystoning)问题的校正。
背景技术
便携数字图像投影仪正在普及。这些投影仪以连接到PC或VCR上的状态被放置在台面上，并对着投影面显示“幻灯片”放映或视频。多数这些投影仪使用透射式LCD，并且通常只具有单个主透镜。投影仪可以每次显示一幅图像，即作为图像序列来显示。
这些投影仪当通常被水平放置在平坦的支撑面上而通常光轴对垂直投影面成直角时，被设计成使得平直不变形的图像被投影到投影面上。在与上述假定的任何之一相反的情况下，作为结果在投影面上生成的图像不会得到长方形，最好的情况下为梯形，在最差情况下为任意四边形。将这个问题称为梯形失真。
US5548357的“Keys toning and focus correction for an overheadprojector(用于高架投影仪的梯形失真和聚焦校正)”(Appel等在1998年8月18日发行)记载了显示测试幻灯片的系统。用户识别作为相互之间最平行的线对。通过线对的识别，启动使用通过投影仪的水平面和屏幕之间的倾斜角的变形校正程序。
US5795046的“Method for pre-compensating an asymmentricalpicture in a projection system for displaying a picture(在用于显示一幅图像的投影系统中预补偿不对称图像的方法)”(Woo，在1998年8月发行)记载了根据用户通过键盘将位置信息输入到系统来校正投射角和梯形误差的系统。
发明内容
在现有技术的投影仪上，校正梯形失真的唯一方法是通过或到处移动，或倾斜，或旋转投影仪直到显示近似为长方形的图像，进行投影仪的物理位置的无聊调整。根据情况，对投影位置进行物理的调整是不可能的。例如，投影仪具有需要位于显示面的很上面或很下面的情况。对于现有技术的投影仪来说也存在光学校正失真图像或通过用户对投影仪提供位置数据来校正的装置。
根据该方法，在对显示面位于任意方向的投影仪中校正梯形失真。测量相对于显示面的投影仪的光轴仰角、摆角及方位角。
从仰角、摆角及方位角中求出平面投射变换矩阵。通过投影仪所投影的源图像根据平面投射变换矩阵扭曲，并被投影到显示面上。
附图说明
图1a是对平坦显示面位于直角方向的投影仪的图；
图1b是对平坦显示面位于倾斜方向的投影仪的图；
图2是根据本发明的投影仪的图；
图3a是表示与投影仪有关的3个旋转角的图；
图3b是表示与投影仪有关的3个旋转角的图；
图3c是表示与投影仪有关的3个旋转角的图；
图4是本发明使用的扭曲功能的流程图。显示系统的图像合成示意图。
具体实施方式
图1a是表示放置在台面10上，使得被投影的图像102是完全的长方形对着显示面101的投影仪100。对这来说，需要极好的定位，使得投影仪100的光轴相对显示面101的平面成为直角，及不需要以光轴为中心的旋转。
图1b是表示倾斜的放置在台面上10上并对着显示面101的投影仪103。这种情况下，由于光轴和显示面之间的倾斜角，所投影的图像104变为一些成形为任意形状的四边形。
本发明记载了将失真图像104校正为将如图1所示的所需的长方形102的方法及系统。作为结果，由此用户可以将投影仪轻松的放置到表面上，而不用担心台面上是否完全的水平，另外投影仪的光轴相对于显示面是否完全是直角。
如图3a及图3b所示，在或投影仪倾斜的放置，或台面倾斜，或地板倾斜，或者这些的任意组合的情况下，其倾斜可以由3个角度，即仰角301，摆角303及方位角305来表示。各个角度是光轴的实际角度311与光轴的理想的，即相对于显示面成直角并且不旋转的角度312之间的测量值。在如图1所示的理想的设置中，3个角度全为零度。
在本发明中，这3个角度301-303的值使用如图2所示的安装在投影仪200上的传感器来自动求出。图2是表示根据本发明的投影仪200。投影仪200具有多个传感器例如倾斜传感器201及202和摄像机203。传感器201及202也可以是使用二维加速度计衬底(board)实施的加速度计，例如是模拟设备公司(Analog Device，Inc.)制造的ADXL-202。摄像机203也可以是具有数字输出信号的任何一个数字摄像机。摄像机203取得具有一定的图案，例如棋盘图案(checkerboardpattern)的寄存图像(registration image)的输入图像。这是很熟知的。
应注意的是，示于图3的角度301-303也可以通过激光、磁传感器或陀螺传感器等其他技术来检测。使用几个例如1个或2个传感器，可以补偿几个梯形失真的效果。例如，可以由单个传感器校正非零的仰角301。
传感器201-203被耦接到处理器210上。处理器210是与其硬件及操作系统软件有关的现有技术。应用软件实施根据本发明的方法211。方法4001在图像被投影之前，根据传感器201-203所获得的测量值来扭曲图像。扭曲使得另外的成为任意四边形104的投影图像看起来象长方形。
仰角301及摆角302不具有与投影仪200和显示面101之间的几何关系。因此，这两个角度，可以使用倾斜传感器或重力传感器来探测或测量。例如，传感器201最好配置为与投影仪的光轴平行，测量将光轴作为中心的摆角302的传感器202相对于投影仪的光轴配置为直角。方位角303通过由摄像机203所观察到的求出被投影的图像。
由下面所详述的，方位角303从被投影图像中的象素位置和对被投影图像而言摄像机203取得的输入图像中的对应象素之间的1次平面投射变换(单应性(homography))中导出。
图4表示根据本发明的扭曲400的步骤。通常，计算机应用211生成具有大体上表示为A、B、C及D角的长方形图像400。本方法400求出合适的四边形401，使得当在显示面1091上投影时，能看到正确的显示图像402(即图像是长方形并且以现实世界的感觉来轴校正(axisaligned)哪个是水平的哪个是垂直的)。
扭曲400的扫描使用从传感器测量值所求出的单应性(homography)将图像400变为四边形的(已扭曲)图像401。扭曲可以是在现有的演示机(rendering engines)中可利用的如通过结构映射(texure mapping)或图像扭曲来进行的。单应性由3个角度301-303来确定。扭曲后的图像401成为根据本发明倾斜配置的投影仪200的输入。正确的显示图像402是容纳于四边形104的、轴校正的长方形。在图示的实施例中，轴位于水平方向及垂直方向。
在使用三维图像的三个角度下的演示处理(rendering process)仰角301及摆角302从传感器201及202直接求出。方位角303由下面的步骤求出。使用校准摄像机和投影仪对，就寄存图像而言，找出摄像机203所取得的输入图像中的特征，例如棋盘图案的角或线的位置。特征位置在三维在投影仪坐标系中找出。投影仪坐标系具有在投影仪光学中心上的投影中心，并具有在投影仪坐标系的z轴正方向(positivez-axis)上的光轴。
通过至少3个特征来求出平面的方程式。该平面的法线是N＝[Nx，Ny，Nz]，x-y平面的投影是Nxy＝[Nx，Ny，0]。标准化的Nxy和投影仪的光轴[0 0 1]的内积是方位角的余弦＝cos-1(Nxy.[0 0 1])。如果求出了3个角度，有多个将正确的图像扭曲及再现的方法。下面表示最佳方法。
投影仪以离开投影仪距离D的距离来照明宽W及高H的图像。该情况将投影仪作为原点并且显示面101上的被照明的长方形可以由z＝D时与x-y平面平行的三维坐标系来表示。
被投影的四边形的范围沿着x方向的长度是[WLeft，WRight]，沿着y方向的长度是[HBottom，HTop]，则变为W＝|WRight-WLoft|及H＝|HTop-HBottom|。该类型的投射锥(projection cone)可以由表示定义焦距和图像中心的投影仪的内部参数的3×3中心投射矩阵P来表示。
被称为仰角、摆角及方位角的3个角度对应于3个3×3旋转矩阵Re，Rr，Ra。目标是使源图像的结构映射到W×H大小的长方形上。长方形在x-y平面中被轴校正，并将原点设为中心。图像从演示摄像机中使用参数P及下面所定义的变换来计算。由此，得到所需的扭曲效果。使用下面的变换及投射方程将x-y平面中的长方形上的点[X，Y，0]映射为象素[x，y]。
[x，y，1]
Figure A0280266800071
P*[(Rr*Re*Ra*[X Y 0]T)+[xs，ys，D]T
这里，xs＝(WLeft+WRight)/2及ys＝(HBottom+HTop)/2。
第二个方法通过在对应的点{m}及{n}的设置之间使用3×3单应性矩阵H将源图像进行扭曲而带来相同的效果。
在下式成立的情况下，
[nx ny 1]T P*[(Rr*Re*Ra*([(mx-xs)(my-ys)0]T)+[xs，ys，D]T)
由下式提供单应性H
[nx ny 1]T
Figure A0280266800082
H*[mx my 0]T
由{m＝(mx，my)}及{n＝(nx，ny)}的4个或4个以上的对来求出单应性矩阵H是足够的。用于单应性的计算的侯选{m}的最佳选择设置是长方形图像(image rectangle)W×H的角。
本发明实际上可以轻松的放置投影仪，进行不失真的正确的成象，而不需要使用花费费用的机电调整。本发明可以以任意的方向例如上下颠倒和横放来放置投影仪，通过沿着各个方向设置传感器来检测正确的成象参数。
使用特定的术语及实施例说明了本发明。可以理解可以在本发明的精神及范围内进行各种其他的适用和变更。因此，附加权利要求的范围的目的是全部覆盖包含于本发明的实质和范围内的如此的变形和变更。

Claims (8)

1.一种在对显示面位于任意方向的投影仪中校正梯形失真的方法，其特征在于，包含：
测量步骤，测量相对于所述显示面的所述投影仪的光轴的仰角、摆角及方位角；
求出步骤，从所述仰角、摆角及方位角求出平面投射变换矩阵；
扭曲步骤，根据所述平面投射变换矩阵扭曲由所述投影仪投影的源图像；
投影步骤，将所述扭曲后的源图像投影到所述显示面上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述仰角及摆角由倾斜传感器测量，所述方位角由耦接到所述投影仪上的摄像机来测量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于进一步包含：取得步骤，取得寄存图像的输入图像和，求出步骤，从所述输入图像求出所述方位角。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包含：测量步骤，用倾斜传感器测量所述仰角。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包含：测量步骤，用倾斜传感器测量所述摆角。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包含：测量步骤，用摄像机和投影仪对测量所述方位角。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述投影仪使用激光光线。
8.一种在对显示面位于任意方向的投影仪中校正梯形失真的系统，其特征在于，具有：
第一倾斜传感器，用于测量相对于所述显示面的所述投影仪的光轴的仰角；
第二倾斜传感器，用于测量相对于所述显示面的所述投影仪的光轴的摆角；
测量摄像机，耦接到所述投影仪上，测量相对于所述显示面的所述投影仪的光轴的方位角；
求出单元，从所述仰角、摆角及方位角求出平面投射变换矩阵；
投影单元，根据所述平面投射变换矩阵扭曲由所述投影仪投影的源图像，并用所述投影仪将所述扭曲后的源图像投影到所述显示面上。
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