JP2007256506A - 画像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】障害物の情報に基づき、輝度補正を行った入力画像を、複数のプロジェクタにより多重投影させて、障害物の影響を除去し、自由なプロジェクタ設置位置の実現させる。
【解決手段】障害物位置／形状計測部５によって、３次元座標系における、障害物４の形状、位置を計測させて得られる障害物４の形状、位置と、各プロジェクタ２ａ，２ｂ、スクリーン３の位置から、入力画像における影の領域の画素位置を求め、各輝度値変換部７ａ，７ｂによって、重ね合わせたときに、輝度が均一になるような輝度補正を行わせて、各プロジェクタ２ａ，２ｂに画像を多重に投影させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、投影面の前方に障害物があり、投影面に影ができてしまうような投影環境において、複数台のプロジェクタを用いて、画像を重ね合わせて投影し、障害物の影響を排除する画像投影装置に関する。

プロジェクタを用いて、スクリーン上に画像を投影する際、スクリーンの前方に障害物があると、投影面に障害物の影ができてしまう。影の生成を避けるためには、投射光線が、障害物にかからない位置にプロジェクタを配置し、投影することが一般的である。

しかし、投影面に対して垂直な投射が確保できない場合、投影画像が歪んでしまうため、その補正が可能な範囲内にプロジェクタを設置する必要があった。
特許第３６６４１１４号公報

障害物が大きい、スクリーンに近い等の理由で、プロジェクタの設置可能な範囲では障害物による影の生成が回避できない場合や、人や可動物等が障害物であるため、影ができないような固定位置にプロジェクタを設置できない場合、影による視聴環境の劣化、若しくは、極端な設置位置に対する著しい歪み補正処理により画像が劣化する等の問題がある。

本発明は上記の事情に鑑み、プロジェクタとスクリーンとの間に障害物がある場合にも、スクリーン上に障害物の影が発生するのを防止でき、快適な視聴を実現することができるとともに、プロジェクタの設置位置を最適でき、画像の劣化を防止することができる画像投影装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために本発明は、複数台のプロジェクタから１のスクリーン上に投射光をそれぞれ出射して得た各画像を重ね合わせて表示する画像投影装置において、
前記各プロジェクタと前記スクリーンとの間にあり、投影上の障害となる障害物の形状およびその位置を検知する障害物検知部と、この障害物検知部で検知された前記障害物の形状およびその位置と、前記各プロジェクタの位置と、前記スクリーンの位置とに基づき、前記各プロジェクタ毎に、前記スクリーン上にできる影の位置とその形を計算する影位置情報計算部と、この影位置情報計算部の計算結果に基づき、入力画像中の前記各影に対応する部分の輝度を、前記各影に対応しない部分の輝度よりも高めて前記各プロジェクタに投射光を出射させる輝度値変換部とを備えたことを特徴としている。

本発明による画像投影装置によれば、プロジェクタとスクリーンとの間に障害物がある場合にも、スクリーン上に障害物の影が生じないようにでき、快適な視聴を実現することができるとともに、プロジェクタの設置位置を最適化でき、画像の劣化を防止することができる。

《発明の動作原理》
まず、本発明による画像投影装置の詳細な説明に先立ち、本発明による画像投影装置の動作原理を説明する。

なお、以下の説明では、説明を簡単にするために、スクリーン面に対して投影方向が垂直であることを前提にしているが、スクリーン面に対して投影方向が垂直でない場合、投影画像が歪んでしまうことから、補正が必要となる。つまり、障害物を避けるため、極端にずれた角度での投射になった場合、著しい歪補正が必要となるが、本アルゴリズムでは、障害物を避ける必要がないため、従来の歪補正手法で充分対応できる角度の投射が可能である。更に、以下のアルゴリズムはその補正手法によらず有効であるため、以下ではその補正に関しては省略する。

今、図２に示すように、投影されるスクリーン平面がＺ軸に垂直になるような３次元座標系を設定すると、スクリーン平面を“Ｚ＝Ｚｓ”で表すことができる。ここで、“Ｚｓ”はスクリーンとＺ軸との交点座標のＺ値であり定数となる。

また、この３次元座標系において、投影する各プロジェクタの位置“Ｐｎ”（ｎ≧２）を“Ｐｎ＝｛ＸＰｎ，ＹＰｎ，ＺＰｎ｝”、各プロジェクタとスクリーンとの間にある障害物上の点“Ｑｍ”を“Ｑｍ＝｛Ｘｑｍ，Ｙｑｍ，Ｚｑｍ｝”とすると、各プロジェクタの位置“Ｐｎ”と、障害物上の点“Ｑｍ”とを結んだ直線“Ｌ（Ｐｎ，Ｑｍ）”と、スクリーンとの交点がスクリーン上に生じる影の位置“Ｓ（Ｐｎ，Ｑｍ）＝｛Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ｝”となる。

このように、障害物上の各点“Ｑｍ”は、全て一義にスクリーン上の影の位置“Ｓ（Ｐｎ，Ｑｍ｝”に変換できる。つまり、障害物上の全ての点“Ｑｍ”をスクリーン上の位置に変換した点の集合は、スクリーン上にできる影に相当する。

以下、各プロジェクタとスクリーンとの間にある障害物によって、スクリーン上に発生する影の位置“Ｓ（Ｐｎ，Ｑｍ｝”を求める式を示す。

まず、各プロジェクタの位置“Ｐｎ”と、障害物上の点“Ｑｍ”とを結んだ直線“Ｌ（Ｐｎ，Ｑｍ）”は、次式によって表すことができる。

Ｘ＝ＸＰｎ＋（Ｘｑｍ−ＸＰｎ）ｔ …（１）
Ｙ＝Ｙｐｎ＋〔Ｙｑｍ−Ｙｐｎ）ｔ …（２）
Ｚ＝ＺＰｎ＋（Ｚｑｍ−ＺＰｎ）ｔ …（３）
そして、この（３）式をスクリーン平面を示す式“Ｚ＝Ｚｓ”に代入し、距離を示すパラメータ“ｔ”について整理すると、
ｔ＝（ＺＰｎ−Ｚｓ）／（ＺＰｎ−Ｚｑｍ） …（４）
となり、この（４）式で表されるパラメータ“ｔ”を（１）式〜（３）式に代入することで、次式に示すように、影の位置“Ｓ（Ｐｎ，Ｑｍ）”に対応する３次元座標上の座標値“Ｓ（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）”を求めることができる。

Ｘｓ＝Ｘｐｎ十（Ｘｑｍ−ＸＰｎ）（Ｚｐｎ−Ｚｓ）／（ＺＰｎ−Ｚｑｍ） …（５）
Ｙｓ＝Ｙｐｎ＋（Ｙｑｍ−Ｙｐｎ）（Ｚｐｎ−Ｚｓ）／（Ｚｐｎ−Ｚｑｍ） …（６）
Ｚｓ＝Ｚｓ
ここで、図３に示すように、各プロジェクタから投影される画像の画素数が“Ｘａ×Ｙａ”であるとし、スクリーン上の各４角位置を、
左上：（Ｘｕｌ，Ｙｕｌ，Ｚｓ） …（７）
右上：（Ｘｕｒ，Ｙｕｒ，Ｚｓ） …（８）
左下：（Ｘｄｌ，Ｙｄｌ，Ｚｓ） …（９）
右下：（Ｘｄｒ，Ｙｄｒ，Ｚｓ） …（１０）
とした場合、次式を用いて、スクリーン上に発生した影の位置“Ｓ（Ｐｎ，Ｑｍ）”を入力画像上の画素位置“Ｓｄ（Ｐｎ，Ｑｍ）＝（Ｘｓｄ，Ｙｓｄ）”に変換することができる。

Ｘｓｄ＝Ｘａ・｛（Ｘｓ−Ｘｕｌ）／（Ｘｕｒ−Ｘｕｌ）｝ …（１１）
Ｙｓｄ＝Ｙａ・｛（Ｙｓ−Ｙｕｌ）／（Ｙｄｌ−Ｙｕｌ）｝ …（１２）
以上の変換により、入力画像を投影したとき、障害物により、スクリーン上で影になってしまう領域を計算することができる。

ここで、影になる領域、つまり入力画像上の画素位置“Ｓｄ（Ｐｎ，Ｑｍ）”の集合について考察すると、各プロジェクタのうち、ｉ番目のプロジェクタにおいては、画素位置“Ｓｄ（Ｐｉ，Ｑｍ）”以外のものは、他のプロジェクタの投影により影になる部分である。

従って、ｉ番目のプロジェクタによって投影される入力画像のうち、画素位置“Ｓｄ（Ｐｎ，Ｑｍ）”（ｉ≠ｎ）の領域の輝度を上げ、それ以外の領域の輝度を下げ、最終的に各プロジェクタの画像を重ね合わせて投影することで影を消すことができる。

例えば、図４に示すように、２台のプロジェクタで、各プロジェクタが作る影が重なり合わない場合、輝度のガンマ特性を無視すると、各プロジェクタ毎に、画素位置“Ｓｄ（Ｐｎ，Ｑｍ）”（ｉ≠ｎ）の領域の輝度を“１００％”、それ以外を“５０％”とすることで、スクリーン上に影のない均一な輝度の画像を再現させることができる。

《第１実施形態》
次に、図１に示すブロック図を参照しながら、上述した原理を用いて、各プロジェクタとスクリーンとに間に障害物がある場合でも、影が発生しないようにした画像投影装置について説明する。

この図に示す画像投影装置１は、スクリーン３上に投影される画像の影が互いに重ならないように配置される複数のプロジェクタ２ａ，２ｂと、各プロジェクタ２ａ，２ｂとスクリーン３との間にある障害物４の３次元形状、位置などを測定する障害物位置／形状計測部５と、障害物位置／形状計測部５から出力される障害物４の座標集合“Ｑｍ＝（Ｘｑｍ，Ｙｑｍ，Ｚｑｍ）”、各プロジェクタ２ａ，２ｂの位置情報“Ｐｎ＝（ＸＰｎ，ＹＰｎ，ＺＰｎ）”などに基づき、各プロジェクタ２ａ，２ｂ毎に、入力画像における影部分の画素位置“Ｓｄ（Ｐｎ，Ｑｍ）＝（Ｘｓｄ，Ｙｓｄ）”を計算する影位置情報計算部６と、各プロジェクタ２ａ，２ｂ毎に配置され、影位置情報計算部６で得られた各プロジェクタ毎の画素位置“Ｓｄ（Ｐｎ，Ｑｍ）＝（Ｘｓｄ，Ｙｓｄ）”に基づき、入力画像の輝度を補正して、対応するプロジェクタ２ａ，２ｂに供給する複数の輝度値変換部７ａ，７ｂとを備えている。

そして、画像投影装置１では、各プロジェクタ２ａ，２ｂの投影動作に先立ち、障害物位置／形状計測部５によって、各プロジェクタ２ａ，２ｂとスクリーン３との間にある障害物４の３次元形状、位置などを計測される。計測動作で得られた障害物４の座標集合“Ｑｍ＝（Ｘｑｍ，Ｙｑｍ，Ｚｑｍ）”、各プロジェクタ２ａ，２ｂの位置情報“Ｐｎ＝（ＸＰｎ，ＹＰｎ，ＺＰｎ）”などに基づき、影位置情報計算部６によって、各プロジェクタ２ａ，２ｂ毎に、入力画像における影部分の画素位置“Ｓｄ（Ｐｎ，Ｑｍ）＝（Ｘｓｄ，Ｙｓｄ）”が計算される。

この後、各プロジェクタ２ａ，２ｂに投影動作を行わせるとき、影位置情報計算部６で得られた入力画像における影部分の画素位置“Ｓｄ（Ｐｎ，Ｑｍ）＝（Ｘｓｄ，Ｙｓｄ）”に基づき、各輝度値変換部７ａ，７ｂによって、入力画像の輝度が補正される。すなわち、入力画像のうち、画素位置“Ｓｄ（Ｐｎ，Ｑｍ）”（ｉ≠ｎ）の領域の輝度を上げ、それ以外の領域の輝度を下げて、対応する各プロジェクタ２ａ，２ｂに供給させ、スクリーン３に画像が投影される。

この際、２台のプロジェクタ２ａ，２ｂを使用し、これら各プロジェクタ２ａ，２ｂが作る影が重なり合わないことから、輝度のガンマ特性を無視したとき、画素位置“Ｓｄ（Ｐｎ，Ｑｍ）”（ｉ≠ｎ）の領域の輝度が“１００％”にされ、それ以外が“５０％”にされる。

このように、この実施形態では、障害物位置／形状計測部５、影位置情報計算部６によって、障害物４の３次元形状、位置が計測され、各プロジェクタ２ａ，２ｂからスクリーン３に投影される各画像の各影位置が計算されるとともに、各プロジェクタ２ａ，２ｂからスクリーン３に投影される各画像中の影領域と、それ以外の領域とがそれぞれ輝度補正されて、各影が互いに打ち消されるようにしている。このため、各プロジェクタ２ａ，２ｂとスクリーン３との間に障害物４がある場合にも、スクリーン３上に障害物４の影が生じないようにすることができ、快適な視聴を実現させることができる。これにより、各プロジェクタ２ａ，２ｂの設置位置を最適化することができ、画像の劣化を防止することができる。

なお、上述した実施形態では、プロジェクタが２台の場合について、説明しているが、プロジェクタが３台以上の場合は、画素位置“Ｓｄ（Ｐｎ，Ｑｍ）”（ｉ≠ｎ）の領域の輝度を“１／（総プロジェクタ数−１）”にし、それ以外の輝度を“１／（総プロジェクタ数）”にすることで、重ね合わせた画像の輝度を正規化することができる。これにより、各プロジェクタ２ａ，２ｂにより投影され、お互いの影の領域を補完し合うことで、影のない投射映像となる。

また、上述した実施形態では、各プロジェクタ２ａ，２ｂを用いて、画像を重ね合わせて投影するシステムとし、予め障害物４の３次元形状とプロジェクタ２ａ，２ｂ、スクリーン３の３次元空間上の位置関係から、それぞれのプロジェクタ２ａ，２ｂが投影する映像に対してスクリーン３上に発生する影の形状を計算しておくようにしているが、音波、光などを使った実時間で物体の位置が計測できる手法が公知技術であることから、この手法を用いて動物体の形状、位置などを実時間で計測し、この情報を基づき、実時間で、各プロジェクタ２ａ，２ｂに入力する画像において、影の位置に相当する画素の輝度を上げ、それ以外の各プロジェクタが投射する位置の画素の輝度を下げるようにしても良い。

このように構成することにより、各プロジェクタ２ａ，２ｂとスクリーン３との間に、人などの動く障害物が入り込んでも、スクリーン３上に投影される画像に動く障害物による影が発生しないようにすることができ、快適な視聴が可能になる。

本発明による画像投影装置の一実施形態を示すブロック図。 本発明で設定する３次元座標系と、スクリーン、プロジェクタ、障害物の位置関係を示す模式図。 スクリーン上に投影される影の位置と、入力画像における画素位置との対応関係を示す模式図である。 プロジェクタそれぞれに入力する画像の輝度補正領域と、それぞれを重ね合わせた、最終投影画像の例を示す模式図。

符号の説明

１：画像投影装置
３：スクリーン
２ａ，２ｂ：プロジェクタ
４：障害物
５：障害物位置／形状計測部（障害物検知部）
６：影位置情報計算部
７ａ，７ｂ：輝度値変換部

Claims (1)

1. 複数台のプロジェクタから１のスクリーン上に投射光をそれぞれ出射して得た各画像を重ね合わせて表示する画像投影装置において、
   前記各プロジェクタと前記スクリーンとの間にあり、投影上の障害となる障害物の形状およびその位置を検知する障害物検知部と、
   この障害物検知部で検知された前記障害物の形状およびその位置と、前記各プロジェクタの位置と、前記スクリーンの位置とに基づき、前記各プロジェクタ毎に、前記スクリーン上にできる影の位置とその形を計算する影位置情報計算部と、
   この影位置情報計算部の計算結果に基づき、入力画像中の前記各影に対応する部分の輝度を、前記各影に対応しない部分の輝度よりも高めて前記各プロジェクタに投射光を出射させる輝度値変換部と、
   を備えたことを特徴とする画像投影装置。

Images