TWI434069B - 短焦光學互動投影機系統及其應用的影像擷取及鏡頭歪曲像差校正方法 - Google Patents

Description

短焦光學互動投影機系統及其應用的影像擷取及鏡頭歪曲像差校正方法

本發明係有關互動投影機系統，尤其關於短焦光學互動投影機系統及其應用的影像擷取及鏡頭歪曲像差校正方法。

習知互動投影機系統，其包含一影像投影裝置與一影像擷取裝置，其讓影像投影裝置於一顯示面上投影一投影影像，再藉由該影像擷取裝置於該顯示面上攝得一拍攝影像，該拍攝影像再由該影像投影裝置投影至該顯示面上作為該投影影像，據此構成一互動投影系統，可作為教學上使用，教學者可以使用紅外線指示筆於該顯示面上作標注，以藉由該影像擷取裝置攝得該顯示面上的標注，並即時投影至該顯示面，而滿足教學上的需求。

此習知互動投影機系統，由於需要攝取該顯示面上的影像，因此該影像投影裝置、該影像擷取裝置與該顯示面之間不能有任何的障礙物，因此一般必須需要專用的視聽教室，以方便架高該影像投影裝置與該影像擷取裝置來避免影像干擾，其設置成本高昂，且不具機動性，而不符合使用上的需求。而另一個選擇是使用短焦光學互動投影機系統，其雖可置放於教學者與顯示面之間的空間，然要在短距離拍攝大面積的影像，其必須使用視角較廣的廣角攝像鏡頭，以讓該影像擷取裝置於近距離攝得大面積的影像，但如「圖1」所示，其廣角攝像鏡頭1內的畫像素子2不可避免的 會有桶形像差的問題，而為了修正桶形像差，可使用昂貴的多片光學鏡組設計來消除或減低，或是使用高階多次曲線計算修正的方式來校正，但其運算複雜而需要成本高昂的運算晶片，難以滿足低設置成本的需求。

爰是，本發明的主要目的在於揭露一種低設置成本的短焦光學互動投影機系統。

本發明的次要目的在於揭露一種適用短距的影像擷取方法。

本發明的又一目的在於揭露一種鏡頭歪曲像差的低成本校正方法。

基於上述目的，本發明揭露一種短焦光學互動投影機系統及其應用的影像擷取及鏡頭歪曲像差校正方法，本發明的系統包含一影像投影裝置與一影像擷取裝置，其中該影像投影裝置具有一光軸，且於一顯示面上投影一投影影像，該影像擷取裝置包含一廣角攝像鏡頭與一影像感測器，且該廣角攝像鏡頭具有一光軸及一有效像圓。

而適用短距的影像擷取方法，首先提供該擷取該顯示面影像的廣角攝像鏡頭，接著提供該影像感測器，該影像感測器的對角線尺寸小於該廣角攝像鏡頭之有效像圓，且該影像感測器的中心與該廣角攝像鏡頭的光軸具一偏移量，且該影像感測器法線與該廣角攝像鏡頭光軸平行且與顯示影像之法線具一夾角。

另鏡頭歪曲像差的低成本校正方法，為用於校正藉由該廣角攝像鏡頭與該影像感測器攝得該顯示面具桶形或枕形像差的一拍攝影像上(以下以桶形像差為代表說明)，其步驟為先讓該廣角攝像 鏡頭的光軸與該顯示面的法線具有一傾斜角，並調整該傾斜角，讓該拍攝影像的影像誤差由桶形像差轉換為梯形像差；再讓該拍攝影像經由一線性計算修正的方式修正梯形像差。

據此，本發明透過讓該影像感測器的中心與該廣角攝像鏡頭的光軸具偏移量，而可加大影像擷取的範圍，來滿足短距取像的需求，又透過讓該廣角攝像鏡頭的光軸與該顯示面的法線具有一傾斜角，而將桶形像差轉換為梯形像差，以避免使用複雜的高階多次曲線的數值計算方式，其可以使用簡單的線性計算修正的方式來修正梯形像差，因而其構成的短焦光學互動投影機系統，不但可短距取像、可低成本地校正廣角攝像鏡頭歪曲像差，因而可滿足低設置成本的需求。

習知

1‧‧‧廣角攝像鏡頭

2‧‧‧畫像素子

本發明

10‧‧‧影像投影裝置

101‧‧‧光軸

20‧‧‧影像擷取裝置

21‧‧‧廣角攝像鏡頭

211‧‧‧光軸

212‧‧‧取像框

22‧‧‧影像感測器

30‧‧‧顯示面

31‧‧‧法線

40‧‧‧偏移量

50‧‧‧位移傾斜機構

51‧‧‧固定座

52‧‧‧滑移座

60‧‧‧傾斜角

70‧‧‧教學者

71‧‧‧紅外線指示器

72‧‧‧腳架

80‧‧‧電腦

90‧‧‧畫像素子

圖1，為習知光學像差的畫像素子示意圖。

圖2，為本發明短焦光學互動投影機系統架構圖。

圖3，為本發明位移傾斜機構結構圖。

圖4，為本發明影像感測器與廣角攝像鏡頭相對位移及傾斜位置圖。

圖5，為本發明影像感測器與廣角攝像鏡頭相對位移後的畫像素子示意圖。

圖6，為本發明影像感測器與廣角攝像鏡頭相對位移及傾斜後的畫像素子示意圖。

圖7，為本發明畫像素子校正後示意圖。

圖8，為本發明一體式互動投影示意圖。

圖9，為本發明分離式互動投影示意圖。

茲有關本發明的詳細內容及技術說明，現以實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，該等實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。

本發明為一種短焦光學互動投影機系統及其應用的影像擷取及鏡頭歪曲像差校正方法，請參閱「圖2」所示，其中短焦光學互動投影機系統包含一影像投影裝置10與一影像擷取裝置20，其中該影像投影裝置10具有一光軸101，且於一顯示面30上投影一投影影像(圖未示)，而該影像擷取裝置20包含一廣角攝像鏡頭21與一影像感測器22，且該廣角攝像鏡頭21具有一光軸211及一有效像圓。

又本發明的影像擷取方法，為提供該擷取該顯示面30影像的廣角攝像鏡頭21，接著提供該影像感測器22，並讓該影像感測器22的對角線尺寸小於該廣角攝像鏡頭21的有效像圓，且讓該影像感測器22的中心與該廣角攝像鏡頭21的光軸211具一偏移量40，並該影像感測器22法線與該廣角攝像鏡頭21光軸平行且與顯示影像之法線具一夾角，即可讓該影像感測器22於短距攝得一拍攝影像(圖未示)。

又請再一併參閱「圖3」所示，其更包含一位移傾斜機構50，該位移傾斜機構50具有一固定座51與一滑移座52，其中該滑移座52相對該固定座51滑移，且該滑移座52的滑移方向垂直該廣角攝像鏡頭21的光軸211，並該廣角攝像鏡頭21設於該固定座51上，該影像感測器22設於該滑移座52，因而調整該滑移座52的位置，即可讓該影像感測器22的中心與該廣角攝像鏡頭21的光軸211具偏移量40。

另本發明鏡頭歪曲像差校正方法，請再參閱「圖4」所示，該影像感測器22攝得的該拍攝影像不可避免的具桶形像差，此光學歪曲像差之變形量約為7%~25%，此時可先讓該廣角攝像鏡頭21的光軸211與該顯示面30的法線31(角度同該影像投影裝置10的光軸101)具有一傾斜角60，並調整該傾斜角60，即可讓該拍攝影像的影像誤差由桶形像差轉換為梯形像差；接著再讓該拍攝影像經由一線性計算修正的方式修正梯形像差，即完成歪曲像差校正。請再一併參閱「圖5」、「圖6」與「圖7」所示，首先在讓該影像感測器22的中心與該廣角攝像鏡頭21的光軸211具一偏移量40之後，該影像感測器22於該廣角攝像鏡頭21的最大像圓內的取像框212，即如「圖5」所示，其會偏移該偏移量40，接著讓該廣角攝像鏡頭21的光軸211與該顯示面30的法線31(亦為該影像投影裝置10的光軸101)具有傾斜角60之後，該影像感測器22於該廣角攝像鏡頭21的最大像圓內的取像框212，即如「圖6」所示，此時該拍攝影像的影像誤差會由筒形像差轉換為梯形像差。再接著經由線性計算修正的方式來修正梯形像差，如「圖7」所示，該取像框212即可取得無像差的畫像素子90。

請再參閱「圖8」與「圖9」所示，為本發明的實際實施示意圖，如圖所示，本發明的該影像擷取裝置20可直接掛載於該影像投影裝置10上，即可拍攝該顯示面30來取得該拍攝影像，以供教學者70透過操控一電腦80並使用紅外線指示器71於該顯示面30上標注來進行教學作業，或者該影像擷取裝置20亦可藉由一腳架72獨立設於該影像投影裝置10旁，亦可拍攝該顯示面30來取得該拍攝影像。

如上所述，本發明所提出的影像擷取方法，為透過讓該影像感測 器22的中心與該廣角攝像鏡頭21的光軸211具偏移量40，以加大影像擷取的範圍，可滿足短距取像的需求，而關於廣角攝像鏡頭21歪曲像差校正方法，則透過讓該廣角攝像鏡頭21的光軸211與該顯示面30的法線31(該影像投影裝置10的光軸101)具有一傾斜角60，將桶形像差轉換為梯形像差，並使用簡單的線性計算修正的方式來修正梯形像差，而可避免使用複雜的高階多次曲線計算，其成本低廉，因而本發明短焦光學互動投影機系統，可滿足低設置成本的需求。

惟上述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。即凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

10‧‧‧影像投影裝置

101‧‧‧光軸

20‧‧‧影像擷取裝置

21‧‧‧廣角攝像鏡頭

211‧‧‧光軸

22‧‧‧影像感測器

30‧‧‧顯示面

31‧‧‧法線

40‧‧‧偏移量

60‧‧‧傾斜角

Claims (5)

1. 一種影像擷取方法，用於對一顯示面擷取該顯示面上的一顯示影像，其步驟包含：提供一擷取該顯示影像的廣角攝像鏡頭，該廣角攝像鏡頭具有一光軸及一有效像圓；提供一影像感測器，該影像感測器的對角線尺寸小於該廣角攝像鏡頭之有效像圓，且該影像感測器的中心與該廣角攝像鏡頭的光軸具一偏移量，且該影像感測器的法線與該廣角攝像鏡頭的光軸平行且與該顯示面的法線具一夾角；以及提供一位移傾斜機構，該位移傾斜機構具有一固定座與一滑移座，其中該滑移座相對該固定座滑移，且該滑移座的滑移方向垂直該廣角攝像鏡頭的光軸，並該廣角攝像鏡頭設於該固定座上，該影像感測器設於該滑移座，且該影像感測器攝得的一拍攝影像具桶形像差，且讓該廣角攝像鏡頭的光軸與該顯示面的法線具有一傾斜角，並調整該傾斜角，讓該拍攝影像的影像誤差由桶形像差轉換為梯形像差。
2. 如申請專利範圍第1項所述之影像擷取方法，其中該廣角攝像鏡頭的歪曲像差的變形量為7%~25%範圍之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述之影像擷取方法，其中該拍攝影像經由一線性計算修正的方式修正梯形像差。
4. 一種鏡頭歪曲像差校正方法，用於校正藉由一廣角攝像鏡頭與一影像感測器攝得一顯示面上的一拍攝影像，其步驟包含： 提供一位移傾斜機構，該位移傾斜機構具有一固定座與一滑移座，其中該滑移座相對該固定座滑移，且該滑移座的滑移方向垂直該廣角攝像鏡頭的光軸，並該廣角攝像鏡頭設於該固定座上，該影像感測器設於該滑移座，且該影像感測器攝得的該拍攝影像具桶形像差；讓該廣角攝像鏡頭的光軸與該顯示面的法線具有一傾斜角，並調整該傾斜角，讓該拍攝影像的影像誤差由桶形像差轉換為梯形像差；以及讓該拍攝影像經由一線性計算修正的方式修正梯形像差。
5. 一種短焦光學互動投影機系統，其包含：一影像投影裝置，該影像投影裝置具有一光軸，且於一顯示面上投影一投影影像；一影像擷取裝置，該影像擷取裝置包含一廣角攝像鏡頭與一影像感測器，該廣角攝像鏡頭具有一光軸以及一有效像圓，該廣角攝像鏡頭的有效像圓尺寸大於該影像感測器，且該影像感測器的中心與該廣角攝像鏡頭的光軸具一偏移量；以及一位移傾斜機構，該位移傾斜機構具有一固定座與一滑移座，該滑移座相對該固定座滑移，且該滑移座的滑移方向垂直該廣角攝像鏡頭的光軸，並該廣角攝像鏡頭設於該固定座上，該影像感測器設於該滑移座；又該影像感測器攝得的一拍攝影像具桶形像差，且讓該廣角攝像鏡頭的光軸與該影像投影裝置的光軸具有一傾斜角，並調整該傾斜角，讓該拍攝影像的影像誤差由桶形像差轉換為梯形像差，並利用一線性計算修正的方式修正梯形像差。