CN112911270A - 一种用于100%offset三维切片式投影成像***的图像修正方法 - Google Patents
一种用于100%offset三维切片式投影成像***的图像修正方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于三维图像显示领域，公开了一种用于100％offset三维切片式投影成像***的图像修正方法，包括以下步骤：(1)对100％offset三维切片式投影成像***进行初始校正；(2)建立三维空间直角坐标系，确定初始位置投影图像顶点坐标A、B、C、D；(3)计算旋转γ角度后对应的三维空间坐标A1、B1、C1、D1；(4)计算E、F、M、N四点；(5)确定误差向量，进行二次修正；(6)将矩形切片图像填充至二次修正后的图像源中，即能够在目标成像屏上得到期望的投影，实现图像修正。本发明通过对修正方法的整体流程设计等进行改进，利用各步骤之间的整体配合，能够对三维切片图像进行有效修正，避免在投影时投影图像梯形形变严重、溢出屏幕等负面情况的发生。
Description
技术领域
本发明属于三维图像显示领域，更具体地，涉及一种用于100％offset三维切片式投影成像***的图像修正方法。
背景技术
三维切片式投影体显示技术是近年提出的一种新型裸眼三维视觉显示技术。区别于常见的基于双目视觉的三维显示技术,该技术通过在实际空间中形成“三维投影体”实现立体视觉效果。其原理为，将三维图像体数据切成一系列二维图像切片,通过高速投影镜头，将一系列二维切片循环投影到做高速同心旋转的成像屏幕上，成像屏处于空间中各个位置时,均承载对应当前角度的投影图像,当图像投影频率及成像屏转速达到一定程度时,基于视觉暂留的原理,人眼会感知到成型屏幕旋转形成的空间内具有真实物理深度的三维立体图像。
当投影镜头与成像屏呈现不同夹角时，投影图像在成像屏中会发生形变。在三维切片投影***运作时，成像屏处于高速旋转状态，投影镜头与成像屏之间会存在连续变化的夹角。由于线性投影“近大远小”的投影特性，投影夹角不同时，成像屏中投影图像会出现不同程度的形变。为使投影图像在不同角度情况下始终保持相同的投影区域，需要对图像进行修正。
与一般投影设备校正意义与校正目的不同，在三维切片式投影成像***中，成像屏需要维持高速转动，故其尺寸较小，且投影图像占成像屏大部分区域。当投影角较大时，原始图像的投影结果往往会溢出屏幕，甚至多个边界同时溢出屏幕，此时现有的一些方法如利用角度传感器和距离计算单元，或是通过添置摄像头拍摄投影图像与原图对比等方法无法实施。此外，三维切片式投影***往往需要获得一系列相同角度间隔的图像。不同角度间隔时，每张图片形变参数不同，系列图像总数也会发生相应变化，现有的根据投影结果进行校正的方法从这个角度来讲也并不适用。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种用于100％offset三维切片式投影成像***的图像修正方法，其中通过对修正方法的整体流程设计等进行改进，利用各步骤之间的整体配合，能够对三维切片图像进行有效修正，避免在投影时投影图像溢出屏幕等负面情况的发生。本发明方法不需借助外部测量仪器即可完成图像修正过程，不会增加额外的***复杂性及硬件成本；数值计算过程只使用了投影模块投射比参数，不需了解其他复杂的光学参数或光路结构等；适配于三维切片式投影***，在获取系列二维图像的修正参数组时具备良好的性能。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种用于100％offset三维切片式投影成像***的图像修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)基于矩形形状的初始图像源，对100％offset三维切片式投影成像***进行初始校正，使投影模块的空间位置与成像屏满足100％offset投影显示，同时使成像屏的空间位置及其姿态满足投影得到的图像在成像屏上显示为矩形，且矩形的中心线与成像屏的旋转轴完全重合；初始校正后，固定投影模块的空间位置，同时记此时的成像屏为初始成像屏，所述初始成像屏上的矩形图像为初始矩形；
(2)建立三维直角坐标系，得到投影模块的三维空间坐标L以及所述初始成像屏上矩形图像四顶点A、B、C、D的三维空间坐标，由A、B、C、D这四点围成的矩形区域即为投影区域；
(3)将初始成像屏绕旋转轴旋转预先设定的γ角度，得到目标成像屏；初始成像屏上的四顶点A、B、C、D将随旋转到达新的空间位置，分别记为A1、B1、C1、D1，同时记录A1、B1、C1、D1的三维空间坐标；
(4)计算LA1、LB1、LC1、LD1这四条直线与所述初始成像屏所在平面的四交点，分别记为E、F、M、N；E、F、M、N对应形成的四边形EFMN为直角梯形形状，E、F、M、N这四点的三维坐标即初始目标修正图像坐标组；
(5)根据四边形EFMN与初始矩形ABCD之间对应边长的比例关系，对所述初始图像源按比例进行调整，调整后的图像源记为二次修正用图像源；然后，以所述二次修正用图像源向所述目标成像屏进行投影，得到二次修正用投影图形，所述二次修正用投影图形同样具有四顶点；接着，根据所述二次修正用投影图形的四顶点与所述A1、B1、C1、D1四点之间的位置偏移确定误差向量，若所述误差向量的值的大小不超过预先设定的阈值，则所述E、F、M、N四点的三维坐标为该γ角度下的最终目标修正图像坐标组；若所述误差向量的值的大小超过了预先设定的阈值，则对所述E、F、M、N四点进行步进调整，直至二次修正用投影图形的四顶点与所述A1、B1、C1、D1四点之间的位置偏移满足预设要求，最终得到的调整后的E、F、M、N四点的三维坐标即为该γ角度下的最终目标修正图像坐标组；
(6)将γ角度更新至另一预先设定的角度值，重复上述步骤(3)至(5)，得到所需的各角度下的最终目标修正图像坐标组；将一组待投影的矩形切片图像，分别根据对应角度下的最终目标修正图像坐标组进行形变，即得到修正后的切片图像组，所述切片图像组即能够在对应角度的目标成像屏上得到期望的投影矩形，实现图像修正。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)中，所述三维直角坐标系的XOZ平面为所述初始成像屏所在平面，且所述投影模块位于所述三维直角坐标系的Y轴上。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)中，所述投影模块的三维空间坐标L为(0，mT，0)，其中，m为所述初始矩形对应的图像宽度，T为该投影成像***的投射比。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)中，所述三维直角坐标系的坐标系分度等于图像像素。
作为本发明的进一步优选，所述成像屏上预先铺设有精度满足预先设定要求的网格纸，以便在所述步骤(5)中能够直接通过观察确定所述误差向量。
作为本发明的进一步优选，所述网格纸的精度等于或优于所述步骤(5)中所述预先设定的阈值。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(6)中，所述形变是基于双线性插值算法进行像素补全。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，利用修正方法各步骤间的整体配合，能够对三维切片图像进行有效修正，避免在投影时投影图像梯形形变严重、溢出屏幕等负面情况的发生，尤其适用于100％offset线性投影三维切片式投影成像***。
在三维切片式投影***中，要求成像屏在不同角度时，投影图像均位于成像屏的相同区域内；本发明图像修正方法基于线性投影特性能够计算成像屏与投影透镜在排除垂直的任意夹角下的图像修正结果(垂直对应于旋转角度为90度、270度等的情形，此时，投影图像必然是一条直线)，确保在成像屏在不同旋转位置时，投影图像均位于成像屏的相同区域内。
具体说来，本发明能够取得以下有益效果：
(1)本方法不需使用角度传感器、距离计算单元或添加摄影镜头等方法获得不同投影角时图像形变参数，而是建立三维空间直角坐标系根据线性投影特性进行数值计算得知。对于三维切片式投影***来说，不会为图像修正增加任何硬件设备，降低***复杂性及硬件成本。
(2)为便于数值计算，可优选将坐标系分度等于图像像素，根据图像空间分辨率即可获得关键点坐标，投影距离与投影图像大小改变时不会影响坐标值，避免人工或自动标定带来的误差；同时由于最终计算结果四个顶点与初始位置投影图像四个顶点位于同一平面，避免了由像方到物方的转换，直接将原始图像按同比例计算形变填充到修正后的四边形中，即可得到最终图像，计算过程简化、流程清晰。
(3)适配于三维切片式投影***，获取系列二维图像的修正参数组时表现良好。尤其在投影角度较大时，原始投影图像可能溢出甚至多边溢出屏幕时，可通过线性投影特性预先计算出投影角为γ时大致图像形变参数，再投影图像人眼观测与理想投影效果的误差，得到最终的修正结果。这种半自动的方法操作简单，且保证每个投影位置的投影图像在人眼中均为较好的结果，具备更强的鲁棒性。
附图说明
图1是100％offset和0％offset两种线性投影方式的示意图。
图2是本发明实施的用于100％offset线性投影三维切片式投影成像***的校正方法流程图。
图3是理想投影效果示意图(图中标注了六个空间自由度，即，3个平移自由度x、y、z，3个旋转自由度tα、tβ、tθ)。
图4为图像修正过程示意图；其中，图4中的(a)对应初始未旋转时初始图像投影得到的成像屏上ABCD四点坐标示意图，图4中的(b)为旋转γ时ABCD所对应的四点坐标A1B1C1D1示意图，图4中的(c)为根据A1B1C1D1四点坐标计算目标修正图像坐标组EFMN四点空间坐标的过程示意图，图4中的(d)为ABCD与γ角度目标修正坐标组EFMN的比例示意图。
图5为实际***修正过程展示图；其中，图5中的(a-1)为初始图像源；图5中的(a-2)为成像屏位于初始位置时，图5中的(a-1)所示的初始图像源对应得到的投影图像；图5中的(b-1)为成像屏旋转30°时目标修正图像源；图5中的(b-2)为成像屏旋转30°时，图5中的(b-1)所示目标修正图像源对应得到的投影图像；图5中的(c-1)为成像屏旋转45°时目标修正图像源；图5中的(c-2)为成像屏旋转45°时，图5中的(c-1)所示目标修正图像源对应得到的投影图像。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
首先，为使本发明描述更加简洁清晰易懂，现对本发明中出现的简写名词及专业名词进行解释(这些解释满足投影显示领域的的常规定义)：
(i)投影角:投影镜头所在平面与成像屏所在平面的夹角,简称投影角。
(ii)投射比:投射比计算方式为投影距离与投影画面宽度之比。
(iii)偏移量:投影显示领域中,偏移量offset用于描述投影光线在离开投影透镜后的路径。0％offset光学模块表示投影光线离开投影镜头后会上下均匀的发送光线。而100％offset光学模块表示投影光线会向上偏移,并使得图像的底部与投影透镜轴重合。两种投影示意图如图1所示。
总的来说，本发明中用于100％offset三维切片式投影***的图像修正方法，其处理流程如图2所示；对于任意投影角，均能通过本方法自动计算几何修正参数并获得修正后图像，实现校正过程。
具体说来，该方法含以下步骤：
(1)手工进行设备校正。具体实施为固定投影镜头的空间位置,通过对成像屏幕在三维空间中的六个自由度(三个平移自由度(Tx,Ty,Tz)和三个旋转自由度(Tθ,Tα,Tβ))进行调整(三个平移自由度对应成像屏的空间位置，三个旋转自由度对应成像屏的空间姿态)，直至初始位置投影图像效果满足以下条件:
1.根据投影的一般要求，图像位于成像屏中心位置,投影图像应铺满成像屏大部分区域；
2.投影图像的中心线应与成像屏旋转轴完全重合；
3.以成像屏旋转轴为分界线,左侧与右侧图像面积完全相等,形状完全相同,呈现标准矩形形状、无形变发生。
投影理想效果及空间自由度示意图如图3所示，成像屏铺满高精度网格纸(精度要求可预先设定)用于辅助校正。
(2)在成像屏初始位置投影图像,并以投影图像下边界中点为坐标原点,建立三维空间直角坐标系,坐标系分度值与图像像素相等。对于空间分辨率m*n的投影图像,即投影图像宽度为m,高度为n,记r＝m/2,则四点坐标为A(-r,0,n),B(r,0,n),c(r,0,0),D(-r,0,0)，同时在成像屏上标注四点位置；将投影模块处理为一个点,则根据投射比T可计算得到投影模块坐标L(0,m*T,0)，如图4中的(a)所示。
(3)成像屏由初始位置沿Tβ方向俯视角度逆时针旋转γ时,计算成像屏A、B、C、D四点当前的空间坐标A1(-rcosγ,rsinγ,n),B1(rcosγ,-rsinγ,n),C1(rcosγ,-rsinγ,0),D1(-rcosγ,rsinγ,0),如图4中的(b)所示。
(4)求出直线LA1、LB1、LC1、LD1四条直线与XZ平面(即成像屏初始位置平面)的交点E、F、M、N，即初始目标修正图像坐标组。根据线性投影规律可知,当初始位置图像为四边形EFMN时,成像屏旋转γ角后,该图像的投影区域会正好与四边形A1B1C1D1完全重合，E、F、M、N计算可得
如图4中的(c)所示。
(5)对得到的E、F、M、N进行误差分析。算法中将投影模块作为点处理,所以计算出的四点在实际投影过程中,可能会存在一定的误差，计算机生成四边形EFMN相同形状的纯白图像,图像尺寸与原始图像同比例，将纯白图像在投影角为γ时进行投射，人眼借助高精度网格定位观测投影结果,记录与A1、B1、C1、D1四点的位置偏移量,根据偏移量对E、F、M、N四点进行修正,直至与A1、B1、C1、D1四点位置的横纵坐标均小于设定阈值，记录调整后E、F、M、N四点最终目标修正图像坐标组。
(6)A、B、C、D与E、F、M、N位置关系如图4中的(d)所示,由于八点均在同一平面,具备相同的投影距离和投射比,故可以直接将四边形ABCD图像内容同比例形变填充到四边形EFMN中以直接获得修正后图像。设投影图像上下边界与成像屏旋转中心轴交点为S、T,可知成像屏沿Tβ方向转动时,ST线段上的图像内容始终保持完全相同,则形变填充过程分为两部分：四边形ASTD图像内容形变填充到四边形ESTN中；四边形SBCT图像内容形变填充到四边形SFMT中,形变填充过程中采用双线性插值方法补全像素值,获得投影角为γ时的修正图像。
实施例1
本实施例包括以下步骤：
(1)构建三维投影***,本实施例采用TI公司生产的基于DMD(数字微镜技术)的高速投影芯片DLP6500,搭配与其适配的投影镜头光学模块,构建投影模块。该模块支持1920*1080分辨率图像的投影,并且为100％offset线性投影图像。三维体成像屏为自主设计加工,基座表面刻有角度标尺,分度值为1度,用于标识成像屏初始位置及旋转角度；基座底部四角设有调高组件,可用于平面调平等动作。成像屏为矩形,尺寸为15cm*15cm,通过伺服电机的带动,可使成像屏在Tβ方向完成1500r/min的高速同心旋转运动。在成像屏上平铺满高精度网格纸,精度为1mm*1mm。网格纸与成像屏完全贴合,表面平整无褶皱,整个成像屏分割成150*150个小网格。
(2)投影一张800*800分辨率的正方形图像,为便于修正，可以以竖直方向中心线为分割线,左侧为白色纯色图像(像素值255),右侧为灰色纯色图像(像素值128)，据投影图像在成像屏中的表现,调整成像屏的六个空间自由度,直至达到成像屏初始位置中理想成像效果(当然，除了白色、灰色外，也可以采用其他颜色或具体图案区分)。
(3)对成像屏偏移角度为γ时投影图像进行修正,现以成像屏俯视角度由初始位置逆时针旋转10度时举例说明数值计算过程，坐标计算及图像修正通过编写C++程序完成,开发平台为Qt5.14.2。
(3-1)以投影图像下边界中心点为坐标原点,建立三维空间直角坐标系,坐标轴分度值设为1mm与网格匹配,则初始位置投影图像四顶点空间坐标为A(-400,0,800),B(400,0,800),C(400,0,0),D(-400,0,0)。对于DLP6500投影芯片,其投影图像分辨率为1920*1080,投射比T＝1.66，计算可知投影源空间位置坐标为(0,3187,0)。
(3-2)成像屏逆时针旋转10度后(旋转的具体角度可灵活调整，例如，可以根据高速旋转运动的转速，根据视觉暂留原理选择频率，从而选取一个周期中若干个时刻下的旋转角度，或选取一段时间内若干个时刻下的旋转角度进行计算),成像屏中标定四点A、B、C、D空间位置移动的得到新坐标为A1(-394,70,800),B1(394,-70,800),C1(394,-70,0),D1(-394,70,0)；
(3-3)连接LA1、LB1、LC1、LD1,求解四条直线与平面y＝0交点E、F、M、N坐标,计算可得E(-403,0,818),F(386,0,783),M(386,0,0),N(-403,0,0)；
(3-4)E、F、M、N四点围成直角梯形,将其填充为一张纯白图像并进行投影,借助高精度网格纸,人眼估测并记录该投影角下实际投影图像与理想成像区域顶点的误差向量。对每个顶点进行步进调整,直至四点误差估测结果均小于设定阈值1mm,记录此时四点坐标为最终该角度下的修正用坐标组；
(3-5)将原始图像内容以成像屏旋转中为中心分为左右两侧,根据上述修正用坐标组分别进行形变，得到该角度下修正图像；形变过程中可采用双线性插值算法进行像素补全。
上述实施例仅为示例，本发明适用于所有100％offset投影图像的三维切片式投影***，并不局限于上述特定型号的投影镜头、三维体成像屏等。另外，双线性插值算法可直接参考相关现有技术进行，本发明不再赘述；当然，除了双线性插值算法外，还可以采用现有技术中已知的其他插值方法。本发明中的矩形，满足常规数学定义；例如，初始校正后，初始矩形的中心线与成像屏的旋转轴完全重合，此时，以成像屏旋转轴为分界线，左侧与右侧图像面积完全相等，形状完全相同，呈现标准矩形形状、无形变发生。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于100％offset三维切片式投影成像***的图像修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)基于矩形形状的初始图像源，对100％offset三维切片式投影成像***进行初始校正，使投影模块的空间位置与成像屏满足100％offset投影显示，同时使成像屏的空间位置及其姿态满足投影得到的图像在成像屏上显示为矩形，且矩形的中心线与成像屏的旋转轴完全重合；初始校正后，固定投影模块的空间位置，同时记此时的成像屏为初始成像屏，所述初始成像屏上的矩形图像为初始矩形；
(2)建立三维直角坐标系，得到投影模块的三维空间坐标L以及所述初始成像屏上矩形图像四顶点A、B、C、D的三维空间坐标，由A、B、C、D这四点围成的矩形区域即为投影区域；
(3)将初始成像屏绕旋转轴旋转预先设定的γ角度，得到目标成像屏；初始成像屏上的四顶点A、B、C、D将随旋转到达新的空间位置，分别记为A1、B1、C1、D1，同时记录A1、B1、C1、D1的三维空间坐标；
(4)计算LA1、LB1、LC1、LD1这四条直线与所述初始成像屏所在平面的四交点，分别记为E、F、M、N；E、F、M、N对应形成的四边形EFMN为直角梯形形状，E、F、M、N这四点的三维坐标即初始目标修正图像坐标组；
(5)根据四边形EFMN与初始矩形ABCD之间对应边长的比例关系，对所述初始图像源按比例进行调整，调整后的图像源记为二次修正用图像源；然后，以所述二次修正用图像源向所述目标成像屏进行投影，得到二次修正用投影图形，所述二次修正用投影图形同样具有四顶点；接着，根据所述二次修正用投影图形的四顶点与所述A1、B1、C1、D1四点之间的位置偏移确定误差向量，若所述误差向量的值的大小不超过预先设定的阈值，则所述E、F、M、N四点的三维坐标为该γ角度下的最终目标修正图像坐标组；若所述误差向量的值的大小超过了预先设定的阈值，则对所述E、F、M、N四点进行步进调整，直至二次修正用投影图形的四顶点与所述A1、B1、C1、D1四点之间的位置偏移满足预设要求，最终得到的调整后的E、F、M、N四点的三维坐标即为该γ角度下的最终目标修正图像坐标组；
(6)将γ角度更新至另一预先设定的角度值，重复上述步骤(3)至(5)，得到所需的各角度下的最终目标修正图像坐标组；将一组待投影的矩形切片图像，分别根据对应角度下的最终目标修正图像坐标组进行形变，即得到修正后的切片图像组，所述切片图像组即能够在对应角度的目标成像屏上得到期望的投影矩形，实现图像修正。
2.如权利要求1所述用于100％offset三维切片式投影成像***的图像修正方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述三维直角坐标系的XOZ平面为所述初始成像屏所在平面，且所述投影模块位于所述三维直角坐标系的Y轴上。
3.如权利要求1所述用于100％offset三维切片式投影成像***的图像修正方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述投影模块的三维空间坐标L为(0，mT，0)，其中，m为所述初始矩形对应的图像宽度，T为该投影成像***的投射比。
4.如权利要求1所述用于100％offset三维切片式投影成像***的图像修正方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述三维直角坐标系的坐标系分度等于图像像素。
5.如权利要求1所述用于100％offset三维切片式投影成像***的图像修正方法，其特征在于，所述成像屏上预先铺设有精度满足预先设定要求的网格纸，以便在所述步骤(5)中能够直接通过观察确定所述误差向量。
6.如权利要求1－5任意一项所述用于100％offset三维切片式投影成像***的图像修正方法，其特征在于，所述网格纸的精度等于或优于所述步骤(5)中所述预先设定的阈值。
7.如权利要求1－6任意一项所述用于100％offset三维切片式投影成像***的图像修正方法，其特征在于，所述步骤(6)中，所述形变是基于双线性插值算法进行像素补全。
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