CN111127365B - 基于三次样条曲线拟合的hud畸变矫正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于三次样条曲线拟合的HUD畸变矫正方法,包括以下步骤:S1：获取第一基准图像和相对应的第一投影图像；S2：获取第一基准图像和第一投影图像中像素点的坐标；S3：将第一投影图像中像素点的坐标与第一基准图像中相对应像素点的坐标进行比对从而获取映射关系；S4：根据映射关系对第一基准图像进行反向畸变，从而获得第二投影图像。本发明通过三次将样条曲线函数读取第一投影图像像素点的坐标，再通过和基准图像中对应像素点坐标进行对比，并从而获取两者间像素点的映射关系，提高了基准图像矫正的精准度；再通过将基准图像反向畸变的方式，使得第二投影图像的显示效果和基准图像一样，有利于驾驶员的查看。
Description
技术领域
本发明涉及汽车投影技术领域，特别涉及基于三次样条曲线拟合的HUD畸变矫正方法。
背景技术
汽车在高速行驶时，往往轻微的晃动就会造成汽车的大幅变向，因此驾驶员需要时刻注意汽车的行驶状态以及路面的情况，这就要求驾驶员不能总低头看汽车仪表盘的数据。为解决这一问题，现在有些汽车采用了HUD(Head Up Display，平面显示器)，将仪表盘上的数据投影显示在挡风玻璃上供驾驶员进行平视查看，省略了低头查看的动作。
但因挡风玻璃是一个曲面，因此投影显示的数据是畸变的，是不规整的，这样很不利于驾驶员的观看，需要对投影图像进行矫正。现有矫正方法是通过多个畸变图像与基准图像的多坐标对应关系建立二次多项式，再求解二次多项式的系数，从而得到畸变图像中任意位置的点在基准图像中的位置，进而建立翘曲校正的数据，进行投影。这种方法就是通过采集畸变图像中的几个点建立二次多项式，当畸变图像畸变程度很大时，不能精确地对畸变图像中的每个像素点进行坐标转换，从而得到的投影图像也是不规则的，影响驾驶员的观看。
发明内容
针对现有技术中畸变图像矫正不精准的问题，本发明提供一种基于三次样条曲线拟合的HUD畸变矫正方法，通过对畸变图像建立坐标系，并采集参考点的坐标从而得到三次曲线拟合函数，再通过与基准图像进行坐标映射对应，从而得到畸变图像中像素坐标与基准图像像素坐标的转换关系，进而将采集的畸变图像在显示屏上能进行水平展示，提高畸变图像的矫正精确度，便于观看。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
基于三次样条曲线拟合的HUD畸变矫正方法，包括以下步骤:
S1：获取实际显示屏的第一基准图像和虚拟投影显示屏上相对应的第一投影图像；
S2：对第一基准图像和第一投影图像分别建立坐标系，获取第一基准图像和第一投影图像中像素点的坐标；
S3：将第一投影图像中像素点的坐标与第一基准图像中相对应像素点的坐标进行比对从而获取映射关系；
S4：根据映射关系对第一基准图像进行反向畸变，从而获得第二投影图像。
优选的，所述S1中，所述实际显示屏为HUD屏，所述虚拟投影显示屏为汽车的前挡风玻璃。
优选的，所述S2具体包括以下步骤：
S2-1：以第一投影图像的左上角为原点建立坐标系，将第一投影图像随机划分成m行，并在每行选取n个参考点，每行的参考点连接形成曲线，m,n均为正整数；
S2-2：分别读取第一投影图像中每行参考点的坐标值，通过对坐标值进行拟合得到三次曲线函数：
Y＝ak+bk(X-xk)+ck(X-xk)2+dk(X-xk)3 (1)
公式(1)中，X表示第一投影图像中任一像素点的横坐标，Y表示第一投影图像中任一像素点的纵坐标，xk表示第k个参考点的横坐标，yk表示第k个参考点的纵坐标，ak、bk、ck、dk表示系数。
优选的，通过双线性插值的方法对第一投影图像中像素点的坐标与第一基准图像中像素点的坐标进行比对，从而获取映射关系。
优选的，所述S4中，根据映射关系对所述第一基准图像进行反向畸变得到中间图像，再将中间图像投影到虚拟投影显示屏上，得到第二投影图像。
综上所述，由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明通过将畸变的投影图像分成不同的区域，并分别得到不同区域的曲线函数从而读取像素点的坐标，再通过和基准图像中对应像素点坐标进行对比，并从而获取两者间像素点的映射关系，提高了基准图像矫正的精准度；再通过将基准图像反向畸变的方式，使得第二投影图像的显示效果和基准图像一样，且边缘光滑，与驾驶员眼睛平行，更加有利于驾驶员对投影图像中数据的观测。
附图说明：
图1为根据本发明示例性实施例的一种基于三次样条曲线拟合的HUD畸变矫正方法流程图。
图2A为根据本发明示例性实施例的第一基准图像的示意点阵图。
图2B为根据本发明示例性实施例的第一投影图像的示意点阵图。
图3A为根据本发明示例性实施例的中间图像的示意点阵图。
图3B为根据本发明示例性实施例的矫正后的第二投影图像的示意点阵图。
图4为根据本发明示例性实施例的矫正后的第二投影图像中任一像素点的比例示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明提供一种基于三次样条曲线拟合的HUD畸变矫正方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
S1：获取第一基准图像和显示的第一投影图像。
本实施例中，HUD(Head Up Display，平面显示器)应用在汽车上，汽车的仪表参数(例如速度、方向、转速等)会显示在HUD屏上供驾驶员查看，因此HUD屏上的图像为基准图像，一般为矩形图像。而为方便驾驶员观看，可将基准图像投影显示在挡风玻璃上，而因挡风玻璃具有的弯曲率，则显示在挡风玻璃上未经矫正的图像即为畸变图像，畸变图像的图形是不规则的，可认为畸变图像的边缘是不平整的，是曲线，这样将会对驾驶员的观看造成很大的影响，因此需对投影的图像进行矫正，使得投影图像为正常的矩形图像，边缘平整光滑以便驾驶员观看，提高驾驶体验。在本实施例中，基准图像和显示的投影图像可通过现有的图像采集软件进行采集获得。
S2：对第一基准图像和第一投影图像分别建立坐标系，获取第一基准图像和第一投影图像中像素点的坐标。
本实施例中图2B为第一投影图像的坐标示意图，以第一投影图像的左上点为原点建立(X，Y)坐标系。
S2-1：因第一投影图像是不规则的，因此可将投影图像先划分为m个层次，即在第一投影图像的不同层次中选取n个参考点，选取的参考点可连接形成曲线，且曲线应满足两个条件：a.曲线的端点为自由边界；b.曲线在节点达到二阶连续。
S2-2：读取参考点的坐标，从而拟合得到三次曲线函数。
本实施例中，在第一投影图像中选取参考点后，并从建立的坐标系中读取参考点的坐标，从而得到参考点坐标集合xij表示第i行第j列参考点的横坐标，yij表示第i行第j列参考点的纵坐标，选取横向任意一行(例如第i行)的参考点，进而通过拟合构建得到自由边界三次曲线函数：
Y＝am+bm(X-xim)+cm(X-xim)2+dm(X-xim)3,m＝0,1,…,j-1 (1)
公式(1)中，Y表示任意一像素点的纵坐标，X表示任意一像素点的横坐标，xim表示第i行第m列参考点的横坐标,am、bm、cm、dm表示系数,可通过科学计算库(如GSL)可以计算得到函数中的。得到该曲线函数后，曲线上横向任意一行的像素点的纵坐标，都可以将横坐标x代入后计算得到。
同理，选取纵向任意一列(例如为第j列)的参考点，进而通过拟合构建得到自由边界三次曲线函数：
X＝an+bn(Y-xnj)+cn(Y-xnj)2+dn(Y-xnj)3,n＝0,1,…,i-1 (2)
公式(1)中，X表示任意一像素点的横坐标，Y表示任意一像素点的横坐标，xnj表示第n行第j列参考点的横坐标,an、bn、cn、dn表示系数,可通过科学计算库(如GSL)可以计算得到函数中的。得到该曲线函数后，曲线上纵向任一列像素点的横坐标，都可以将纵坐标y代入后计算得到。
根据新得到的点，可以再次构建三次曲线函数，进而得到显示区域中所有点的坐标。
在现有技术中，投影图像中参考点的获取同样是建立坐标系，但在获取参考点的坐标时，是随机在整个投影图像中选取参考点，并进行拟合得到二次曲线函数，即Y＝a+bX+cX2，但当投影图像处于严重畸变时，投影图像中的像素点的错乱排列的，即在整个投影图像中选取的参考点不具有代表性，则拟合的二次曲线计算得到的像素点的坐标是不精准的，从而降低了图像的矫正精度；而本发明则是通过将整个投影图像划分成不同的行，并分别求取三次曲线函数，从而得到像素点的坐标，这样在投影图像畸变严重时，因为在小范围(即划分的每行)的变化是微小的，这样可通过读取小范围像素点坐标，再进行合并，从而得到整个畸变投影图像中像素点的坐标，提高了像素点的读取精度，进而提高了图像的矫正精度，使得矫正后的图像的边缘更加光滑和完整，更加有利于驾驶员的观测。
S3：根据第一投影图像中像素点的坐标与第一基准图像中像素点的坐标进行比对从而获取映射关系。
本实施例中，图2A为第一投影图像对应显示在HUD屏上的第一基准图像点阵图，同样在基准图像上建立坐标系(X’,Y’)，因第一基准图像是规则的，因此可从基准图像的坐标系(X’,Y’)中直接获取像素点的坐标(x′i,y′i,)，表示基准图像像素点中第i点的空间坐标，且因从S2中可获取得到任一像素点在第一投影图像中的坐标，因此两者进行对比(可采用双线性插值的计算方法，这是现有技术，不是本发明的重点)，可得到基准图像与投影图像像素点的映射关系，即在两个图像中每一个像素点之间映射关系均为一一对应且不重复。
例如在第一投影图像中其中一个像素点的坐标为(2,4)，则对应在基准图像的像素点的坐标为(0.5,0.5)；其中一个像素点的坐标为(5,7)，则对应在第一基准图像的像素点的坐标为(4,6)。
S4：根据映射关系可对HUD屏的第一基准图像进行调整，从而使得显示的第二投影图像的边缘光滑完整。
本实施例中，根据步骤S3中获取的映射关系，可利用反向畸变的方式使得显示的投影图像为基准图像的样式，例如为矩形，更方便驾驶员观测。例如HUD屏上的第一基准图像的显示效果一般为矩形且图像的处于水平状态的，为使得第一基准图像投影到挡风玻璃上的投影图像的显示效果和第一基准图像一样，需根据步骤S3中获取的映射关系先对第一基准图像进行反向畸变获取得到中间图像，如图3A所示；汽车***将中间图像投影到挡风玻璃上，就可得到第二投影图像，如图3B所示，第二投影图像的显示效果和第一基准图像的显示效果是一样的，且第二投影图像的边缘光滑完整，更方便驾驶员观测数据，且与驾驶员眼睛平行的，更加有利于驾驶员在汽车高速行驶中进行平视观测仪表数据，这样就不用低头进行观测，提高了安全性。
本发明就是先通过将汽车HUD屏实际显示的第一基准图像和相对应的投影图像进行比对，从而获取像素点的映射关系；为保证投影图像不是畸变的，即要求投影图像的显示画面与基准图像的显示画面一致，就要求汽车***后台先对HUD屏的第一基准图像进行反向畸变处理得到中间图像，在将中间图像投影到挡风玻璃上，从而得到第二投影图像，使得第二投影图像的显示效果和第一基准图像的显示效果一样，即第二投影图像边缘光滑完整，且与驾驶员眼睛平行。
本实例中，反向畸变的方式为：
要想使得第二投影图像和第一基准图像的格式一样，为方便驾驶员观测，可在第一投影图像中的坐标系下划分出第二投影图像的区域(例如为矩形)，则第一投影图像中有点像素点不在第二投影图像的区域内，就暂不考虑，以第一投影图像和第二投影图像重叠的像素点计算。
如图4所示，第二投影图像的区域为ABCD(坐标系的原点为D点),选取第二投影图像区域中任一像素点P，可得到像素点P在第二投影图像中的相对坐标(PX，PY)，且端点A、B、C、D的坐标也可读取，分别为(AX，AY)、(BX，BY)、(CX，CY)、(DX，DY)，则P在第二投影图像中的横纵相对位置比例为分别为e和f,则依照比例可得到第二投影图像中任一像素点P在第一投影图像中的坐标，且第一投影图像中的坐标与第一基准图像中的坐标是一一对应的，从而可将第一基准图像反向畸变矫正得到第二投影图像。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (4)
1.基于三次样条曲线拟合的HUD畸变矫正方法，其特征在于，包括以下步骤:
S1：获取实际显示屏的第一基准图像和虚拟投影显示屏上相对应的第一投影图像；
S2：对第一基准图像和第一投影图像分别建立坐标系，获取第一基准图像和第一投影图像中像素点的坐标；
所述S2具体包括以下步骤：
S2-1：以第一投影图像的左上角为原点建立坐标系，将第一投影图像先划分为m个层次，在第一投影图像的不同层次中选取n个参考点，n为正整数,从而得到参考点集合xij表示第i行第j列参考点的横坐标，yij表示第i行第j列参考点的纵坐标；
选取的参考点连接形成曲线，且曲线满足两个条件：a.曲线的端点为自由边界；b.曲线在节点达到二阶连续；
S2-2：分别读取第一投影图像中每行参考点的坐标值，通过对坐标值进行拟合得到三次样条曲线函数：
Y＝ak+bk(X-xk)+ck(X-xk)2 +dk(X-xk)3 (1)
公式(1)中，X表示第一投影图像中任一像素点的横坐标，Y表示第一投影图像中任一像素点的纵坐标，xk表示第k个参考点的横坐标，yk表示第k个参考点的纵坐标，ak、bk、ck、dk表示系数；
S2-3：根据三次样条曲线函数上任一像素点，再次构建三次曲线函数，进而得到显示区域中所有点的坐标；
S3：将第一投影图像中像素点的坐标与第一基准图像中相对应像素点的坐标进行比对从而获取映射关系；
S4：根据映射关系对第一基准图像进行反向畸变，从而获得第二投影图像。
2.如权利要求1所述的基于三次样条曲线拟合的HUD畸变矫正方法，其特征在于，所述S1中，所述实际显示屏为HUD屏，所述虚拟投影显示屏为汽车的前挡风玻璃。
3.如权利要求1所述的基于三次样条曲线拟合的HUD畸变矫正方法，其特征在于，通过双线性插值的方法对第一投影图像中像素点的坐标与第一基准图像中像素点的坐标进行比对，从而获取映射关系。
4.如权利要求1所述的基于三次样条曲线拟合的HUD畸变矫正方法，其特征在于，所述S4中，根据映射关系对所述第一基准图像进行反向畸变得到中间图像，再将中间图像投影到虚拟投影显示屏上，得到第二投影图像。
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