JP2007322671A - 投影画像補正システム及び補正情報生成プログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、原画像が入力され(ステップS1)、原画像がYxy値に変換されると(ステップS2)、物理的な輝度範囲の設定(ステップS11)、色閾値による輝度範囲の拡張(ステップS12)、輝度閾値による輝度範囲の拡張を行う(ステップS13)。ステップS2で得られた原画像の輝度Yを、ステップS13で求めた拡張輝度範囲[L``、H``]に収めるように調整して輝度変換(輝度写像)を行った後に(ステップS3)、投影すべき補正画像の生成を行う(ステップS4)。
【選択図】図3
Description
[提案するプロジェクタカメラシステム]
本発明の実施形態では、人間の視覚特性に基づき、投影面の模様などの反射特性の不均一性、室内の蛍光灯などの環境光の影響、あるいはプロジェクタ出力の不均一性を補正して、知覚的に原画像に近い観測画像を投影面に実現することを目指している。
まず、補正処理の前提となるプロジェクタのキャリブレーションについて説明する。
プロジェクタのキャリブレーションは、使用するプロジェクタが変わる毎に行う処理である。
図1は、第1のキャリブレーション処理を示す図であり、コンピュータ5がプロジェクタ1の応答関数とその逆関数を求める様子を示している。
図2は、第2のキャリブレーション処理を示す図であり、コンピュータ5が投影画像と観測画像との明るさの関係を求める様子を示すものである。第2のキャリブレーション処理は、プロジェクタ、カメラ、環境光、投影面が変化する毎に行う処理である。
図3は、補正処理を示す図である。補正処理は、入力画像毎に行う処理である。
提案手法では、原画像が入力されると(ステップS1)、コンピュータ5は、原画像をYxy値に変換し(ステップS2)、以下の手順に基づき光学補正を行っていく。以下、色空間に変換された原画像を輝度Y、色信号e=(ex,ey)tと表現する。ここで、コンピュータ5は、プロジェクタ投影により投影面において実現可能な最大輝度と最小輝度の平均を求め、この範囲内に原画像が収まるようにスケール調整を行うことで原画像の輝度Yを物理量で表現している。
以下、特徴となる各手順を詳しく説明する。
[物理的な輝度範囲の設定]
この説明は、図3のステップS11に対応するものである。
実空間内のさまざまな場所にプロジェクタで画像を投影する場合、投影面の不均一な反射特性や環境光の影響により、プロジェクタ投影による投影面で観察可能な色信号の領域(色領域)も限られてしまう。ここで、コンピュータ5は、観測画像の各画素に対して色領域を求める。そして、原画像の色信号が求めた色領域外となる場合には、色領域へのクリッピング処理を行い、色信号eを満たす輝度の範囲を求めていく。
色信号eは、XYZ色空間ではベクトルd=(ex,ey,1−ex−ey)tに対応する。すなわち、このベクトル上の点sd(sはベクトルdのスケールを表し0以上の値をとる)は、全て同じ色信号eを持つことになる。数式1より以下の数2式を得る。
以下では、RGB色空間での説明を通して、最大、最小輝度に対応するベクトル#dのスケール(SL、SH)を求めていく。RGB色空間において、全ての#iを含む領域は単位立方体を形成し、色信号eに対応し最小輝度を持つ点は、#iR=0、#iG=0、#iB=0、の面とベクトル#dとの交点となることが分かる(図6B)。この交点に対応するスケールSは、SR=#iR/#dR、SG=#iG/#dG、SB=#iB/#dBのように求められる。これらの点のうち、−#tからの距離が最も遠い点が色信号eを満たしかつ最小輝度に対応する値へのスケールを示す。すなわち、以下の数4式となる。
この説明は、図3のステップS12に対応するものである。
人間の視覚特性に基づき、色信号に対する誤差の許容範囲(色閾値)を考慮することにより、輝度範囲[L、H]を仮想的に広げていく。まず、図5Bに示すように、xy色空間において、色信号l(最大輝度を導く色信号)と色信号h(最小輝度を導く色信号)の方向に、色信号eから色閾値距離分離れた点(eL`,eH`)を求める。
この説明は、図3のステップS13に対応するものである。
図7は、輝度差の許容範囲の推定を示す図である。
輝度における誤差の許容範囲を考慮することにより、上記で求めた[L`、H`]の輝度範囲をさらに広げていく。本実施の形態では、周知の輝度閾値(非特許文献8参照)に基づき、人間が知覚しない輝度差の閾値Tを求めている。この輝度閾値は、以下の3要素により構成される。TVI(Threshold-versus-intensity function)72は、原画像71に対して、人間が知覚する最小輝度差を示し、対象点を中心として視野1度内の周辺領域の平均輝度により決定される。対象点が80cd/m2以上の輝度を持つ場合、誤差の閾値は輝度に比例することが知られている。本実施の形態では、室内などの一般的な環境光下における光学補正を考えているため、この場合に相当するとしてTVI72を求めている。
これらの3要素のうち、ビジュアルマスキングは計算コストが非常に高いため、本実施の形態では、TVI72とCSF73の2つの値を掛け合わせた閾値rを求め、さらに相対的な輝度閾値T=(Y+r)/Yを求めている。ここで、Tは輝度Yに対して相対的な閾値(74)を示し、T=1.1は与えられた輝度Yに対して10%の輝度誤差を人間が知覚することができないことを示す。
人間が知覚する輝度差は輝度の対数に比例することが知られているため、Tに基づき拡張された輝度範囲は、以下の数6式により求められる。
光学補正の実現のためにプロジェクタへの入力として用いる画像を、原画像に対して、補正画像と呼ぶことにする。ここでは、輝度の変換を中心に、原画像から補正画像への変換について述べる。
この説明は、図3のステップS3に対応するものである。
図8は、輝度の変換の概念図である。
各画素について、原画像の輝度Yを、数式6で計算した輝度の範囲[L``、H``]に写像することで、補正画像を投影したときに観測される物理的な輝度Y`を求める。これは、原画像の輝度を、空間的に非一様な非線形写像で変換することに対応している。
第1に、ダイナミックレンジによる拘束がある。輝度Ylg`は、プロジェクタのダイナミックレンジ内に収まる必要がある。すなわち、Llg≦Ylg(Ylg h−Ylg l)+Ylg l≦Hlgを満たさなくてはならない。
まず、第一の拘束条件について、H、Y及び下限Ylg lの初期値が与えられたときに、上限Ylg hを更新することを考える。プロジェクタのダイナミックレンジによる拘束条件を満たすためには、例えば、Hlg=Ylg(Ylg h−Ylg l)+Ylg lを満たすようにYlg hを決定することが考えられる。しかしながら、このような更新は、コントラストの低い原画像を、過度にコントラストの高い画像に変換してしまう可能性がある。そこで、原画像のコントラストを過度に高くしすぎないために、パラメータε(0<ε≦1)を用いて、Ylg hを以下の数8式のように更新する。
次に、第二の拘束条件について、境界の更新をする(非特許文献6参照)。具体的には、数式8で得られた上限Ylg hの値を、それ以下の値に置き換える。このとき、Ylg h(=LogYh)の勾配が閾値よりも小さくなるように、以下の数10式の条件下でYlg hを更新する。
人間の視覚特性は、5 cycle per degreeの周波数において最も感度が高く、1%程度の輝度の差を知覚することができることが知られている。そのため、例えば、幅2mの平面に投影された1024×768画素の画像を、投影面から3m離れて観測するときには、δ=(180×5×0.01×2)/(π×3×1024)≒1/540となる。
この説明は、図3のステップS4に対応するものである。
変換後の輝度Y`がL≦Y`≦Hを満たすとき、プロジェクタのダイナミックレンジ内で、原画像の色信号をそのまま再現することができる。一方、L≦Y`≦Hを満たさない場合には、輝度や色信号を正確に表現するのは困難であるため、表1に示すように輝度と色信号を定める。
図11に、光学補正の結果を示す。原画像112をそのまま投影した場合に、観測画像(補正なし)113には投影面111のテクスチャが見えているのに対して、補正画像による投影画像114を投影した場合には、観測画像(補正あり)115にはコントラストを低下させることなくテクスチャの影響を著しく軽減できているのが分かる。
なお、コンピュータのCPUとしてpentium4,3.2GHzを用いたときの典型的な計算時間は、1024×768画素の画像に対して、表2のとおりであった。
Claims (10)
- 投影面に画像を投影するプロジェクタで投影すべき画像を補正する投影画像補正システムであって、
上記プロジェクタの入力に対する上記投影面の輝度の応答に基づいて上記プロジェクタへの入力と上記投影面の輝度の応答との光学的な調整を行う調整手段と、
上記プロジェクタの入力である原画像を輝度信号及び色信号で表される色空間へ色変換をする色変換手段と、
上記色信号に対して、人間の視覚特性に基づいて観測者が知覚できない許容範囲まで上記色信号の色と上記輝度信号の輝度の範囲を拡張させて補正処理を行い、上記補正処理により得られる補正画像を上記プロジェクタの入力とする補正手段と、
を備えたことを特徴とする投影画像補正システム。 - 上記調整手段は、
上記プロジェクタの入力に対するキャリブレーション面における輝度の応答で表される応答関数及び逆関数を上記プロジェクタ毎に求める第1の演算部と、
上記プロジェクタの入力に上記応答関数の逆関数をかけた画素により構成されるプロジェクタ入力画像と、カラーカメラを用いて撮像された上記投影面の観測画像との関係を上記プロジェクタの応答関数、上記投影面の特性、上記投影面での環境光のそれぞれに対応して求める第2の演算部と、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載の投影画像補正システム。 - 上記補正手段は、カラーカメラを用いて撮像された上記投影面の観測画像の各画素において、原画像の色信号を満たす物理的な輝度の範囲を設定する物理的輝度範囲設定部と、
上記色信号に対する誤差の許容範囲を示す色閾値に基づき輝度範囲を仮想的に広げる色閾値輝度範囲拡張部と、
上記輝度信号の輝度に対応する誤差の許容範囲を示す輝度閾値に基づき上記色閾値に基づいて拡張された輝度範囲をさらに広げる輝度閾値輝度範囲拡張部と、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載の投影画像補正システム。 - 上記補正手段は、
上記輝度信号の輝度を上記輝度閾値に基づき拡張された輝度範囲に収まるように写像する輝度写像部と、
上記輝度閾値に基づき拡張された輝度範囲に収められた変換後の輝度信号と上記色信号から上記プロジェクタの入力画像となる補正画像を生成する補正画像生成部と
を備えたことを特徴とする請求項1に記載の投影画像補正システム。 - 上記補正画像生成部は、
上記色信号と上記変換後の輝度信号とから、上記投影面の観測画像の各画素の値を求める観測画像画素値演算部と、
上記プロジェクタ入力画像と上記投影面の観測画像との関係と上記プロジェクタの応答関数にもとづき、上記投影面の観測画像の各画素の値から、上記プロジェクタ入力画像を求めるプロジェクタ入力画像演算部と、
を備えたことを特徴とする請求項4に記載の投影画像補正システム。 - 投影面に画像を投影するプロジェクタで投影すべき画像を補正する処理を実行するためにコンピュータに設けられた投影画像補正プログラムであって、
上記コンピュータに対して、
上記プロジェクタの入力に対する上記投影面の輝度の応答に基づいて上記プロジェクタへの入力と上記投影面の輝度の応答との光学的な調整を行う調整機能と、
上記プロジェクタの入力である原画像を輝度信号及び色信号で表される色空間へ色変換をする色変換機能と、
上記色信号に対して、人間の視覚特性に基づいて観測者が知覚できない許容範囲まで上記色信号の色と上記輝度信号の輝度の範囲を拡張させて補正処理を行い、上記補正処理により得られる補正画像を上記プロジェクタの入力とする補正機能と、
を実現させることを特徴とする投影画像補正プログラム。 - 上記調整機能は、
上記プロジェクタの入力に対するキャリブレーション面における輝度の応答で表される応答関数及び逆関数を上記プロジェクタ毎に求める第1の演算機能と、
上記プロジェクタの入力に上記応答関数の逆関数をかけた画素により構成されるプロジェクタ入力画像と、カラーカメラを用いて撮像された上記投影面の観測画像との関係を上記プロジェクタの応答関数、上記投影面の特性、上記投影面での環境光のそれぞれに対応して求める第2の演算機能と、
を含むことを特徴とする請求項6に記載の投影画像補正プログラム。 - 上記補正機能は、カラーカメラを用いて撮像された上記投影面の観測画像の各画素において、原画像の色信号を満たす物理的な輝度の範囲を設定する物理的輝度範囲設定機能と、
上記色信号に対する誤差の許容範囲を示す色閾値に基づき輝度範囲を仮想的に広げる色閾値輝度範囲拡張機能と、
上記輝度信号の輝度に対応する誤差の許容範囲を示す輝度閾値に基づき上記色閾値に基づいて拡張された輝度範囲をさらに広げる輝度閾値輝度範囲拡張と、
を含むことを特徴とする請求項6に記載の投影画像補正プログラム。 - 上記補正機能は、
上記輝度信号の輝度を上記輝度閾値に基づき拡張された輝度範囲に収まるように写像する輝度写像機能と、
上記輝度閾値に基づき拡張された輝度範囲に収められた変換後の輝度信号と上記色信号から上記プロジェクタの入力画像となる補正画像を生成する補正画像生成機能と
を含むことを特徴とする請求項6に記載の投影画像補正プログラム。 - 上記補正画像生成機能は、
上記色信号と上記変換後の輝度信号とから、上記投影面の観測画像の各画素の値を求める観測画像画素値演算機能と、
上記プロジェクタ入力画像と上記投影面の観測画像との関係と上記プロジェクタの応答関数にもとづき、上記投影面の観測画像の各画素の値から、上記プロジェクタ入力画像を求めるプロジェクタ入力画像演算機能と、
を含むことを特徴とする請求の範囲9に記載の投影画像補正プログラム。
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