JP2013172444A - 画像投射装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】パターン画像生成部17においてパターン画像を生成するにあたって、パターン画像の背景に中間レベルの平坦部を設けるようにした。またパターン画像中に中間レベルより高い階調レベルの高階調部、中間階調レベルより低い階調レベルの低階調部により格子点位置を指示するようにした。そして幾何歪み検出部19において、環境光の影響含んだ状態で、撮影画像のピークまたはボトム位置を検出することにより、誤差を含んだ状態で格子点位置を検出し、検出した格子点2×2個の中間位置の平坦部の画素値からそれ以外の全画素位置の環境光の成分を線形補間で計算し、計算した環境光の成分を減算した画像で再度ピークまたはボトムを検出することにより高精度に格子点位置を検出して歪み補正パラメータを求めるようにした。
【選択図】図3
Description
あおり投射とは、プロジェクタでは投影レンズの光軸とDMD(Digital Mirror Device)や液晶パネルの中心をずらすことによって投影レンズの光軸よりも上方にスクリーンの中心が来るように結像させることをいう。
従来のプロジェクタは、スクリーンの正面よりずれた方向から画像を投影した場合にスクリーン上に投影される投影画像の画面全体が台形状に歪む台形歪みに対する補正機能が搭載されていることが多かった。
このようなスクリーン形状に起因する投影画像の幾何歪みを補正する方法として、非特許文献1には、投影すべき元画像を小さな正方ブロックに分割し、これらのブロックごとに、歪みパラメータ(ブロックの4頂点の元画像と投影画像での対応)を計測し、これに基づいてブロック単位に歪みと逆の変形が行われるよう予めフレームメモリ上の画像を補正する方法が提案されている。
スクリーンが本来あるべき位置をスクリーン位置100、たわみによってずれたスクリーン位置をスクリーン位置101とした場合、スクリーン位置100とスクリーン位置101との差はわずかであるが、スクリーンの至近から投影した投影像の上下のずれ幅dは、これより大きく増幅される。この増幅率は、プロジェクタ光とスクリーンの角度が小さくなればなるほど大きくなる。
このようなスクリーンに起因する歪みは、スクリーン正面のカメラ120で撮影したり或いは観察者が観察すれば容易に観察することができるが、超短焦点プロジェクタ110の内蔵カメラ121から撮影したり、或いはこの位置から観察者が観察しても、プロジェクタ光軸と近い視点から撮影或いは観察することになるので、僅かな角度差から生ずる歪み画像を撮影或いは観察することはほとんど不可能であった。
このため、超短焦点プロジェクタ110の歪み補正を、内蔵カメラ121を用いて行う場合は、例えば内蔵カメラ121の他にスクリーンまでの距離を計測するステレオカメラを搭載し、ステレオカメラを利用してスクリーン面までの距離を計測してスクリーンの3次元形状を得た上で、内蔵カメラ121で撮影した撮像画像を観察者方向(スクリーン正面)から見た画像へ変換する必要があった。
そこで、コストアップを招くことなく、超短焦点プロジェクタの幾何歪み補正を行う方法として、外付けカメラを用いて観察者方向(スクリーン正面)からスクリーンに投影したパターン画像を複数枚撮影し、撮影した複数枚のパターン画像を利用して補正を行う方法が考えられる。しかし、外付けカメラで複数枚のパターン画像の撮影が必要な場合は、外付けカメラを固定する必要があり、観客席に三脚を設置するなどしなければならないので現実的でない。そこで、外付けカメラを利用して超短焦点プロジェクタの幾何歪み補正を行う場合には、パターン画像の撮影が1枚で済むように構成する必要がある。
またパターンコード化法では、蛍光灯などの環境光の影響を考慮して2値化をロバストにするため、ネガ、ポジ反転したパターンを使用して、固定しきい値による2値化の代わりに、ネガ、ポジパターンの撮像画像の波形を重ねてその値が交差するところで2値化結果を切り替える2値化方法(相補パターン投影法)がよく行われる。しかしながら、パターン画像を1枚にすると上記手法は使えず、また環境光の影響を受け易くなり、対応点の取得が困難になるという問題点があった。
さらに、環境光のない暗室条件であっても至近距離からあおって投射する超短焦点プロジェクタでは、スクリーン面上の位置の違いにより超短焦点プロジェクタからの距離が大きく異なるため、プロジェクタに近い部分がより明るくなり、投影画像の輝度の面内均一性が確保し難いという問題点があった。
本発明は、上記したような問題点を鑑みてなされたものであり、コストアップなしでスクリーンの歪み起因する幾何歪みを簡単に補正することができる画像投射装置を提供することを目的とする。
図1は、本発明の実施形態に係る画像投射装置の構成を示したブロック図である。
図1に示す画像投射装置(以下、単に「プロジェクタ」と称する)1は、近接投射型の画像投射装置であり、映像信号入力部11、幾何歪み補正部12、フレームメモリ13、切り替えスイッチ14、指示部15、投影部16、パターン画像生成部17、幾何歪み補正用画像入力部18、幾何歪み検出部19等を備えている。
映像信号入力部11は、スクリーン20に投影すべき映像の映像信号を外部から入力するための入力部である。
幾何歪み補正部12は、映像信号入力部11から入力される映像信号に対して歪み補正を行う場合は、歪み補正パラメータに従ってフレームメモリ13上で映像信号の各フレームを補正して出力する。また、幾何歪み補正部12は、歪み補正を行わない場合は、映像信号に対して歪み補正を施すことなく出力する。
指示部15は、図示しない操作パネルやリモートコントローラ等の操作装置からの操作情報に基づいて切り替えスイッチ14の切り替え制御を行う。
投影部16は、切り替えスイッチ14を介して入力される映像信号に対応する映像をスクリーン20上に投影する。
歪み補正用画像入力部18は、外部記録媒体21が接続されたときに外部記録媒体21から歪み補正用画像であるパターン画像データを取り込む。
外部記録媒体21に記録されるパターン画像データは、スクリーン20に歪み補正用のパターン画像を投影した状態で、ユーザが手持ちのデジタルカメラ(撮影装置)22でスクリーン20を正面から撮影することにより得られる。
幾何歪み検出部19は、歪み補正用画像入力部18から入力されるパターン画像データを解析して、幾何歪み補正部12に歪み補正パラメータを出力する。
次に、本実施形態に係るプロジェクタ1が実行する幾何歪み補正について説明する。
図2は、本実施形態に係るプロジェクタが実行する幾何歪み補正処理を示したフローチャートである。
本実施形態のプロジェクタ1において幾何歪み補正を行う場合は、例えばユーザが図示しない操作パネルに対して所定操作を行う。この操作により指示部15は切り替えスイッチ14を切り替えて、映像信号入力部11からの映像信号の代わりパターン画像生成部17において生成される幾何歪み検出用のパターン画像データを投影部16に入力する。これにより、投影部16から幾何歪み補正用パターンをスクリーン20に投影する(S1)。図1のスクリーン20には、パターン画像として、図8に示すような細線格子パターンを投影した場合の投影画像が示されている。
次に、ユーザにスクリーン20に投影された投影画像をデジタルカメラ22で撮影して外部記録媒体21に記録し、外部記録媒体21に記録した撮像画像をプロジェクタ1の歪み補正用画像入力部18へ入力するように指示する(S2)。このような指示は、例えばプロジェクタ1に図示しない表示パネルが設けられている場合は表示パネルを利用して行うことができる。また音声出力装置を備えている場合には音声により行うことも可能である。このときデジタルカメラ22により撮影されたパターン画像は、スクリーン20の形状に起因する幾何歪みを伴っている。
幾何歪み補正部12は、歪み補正パラメータに従って、フレームメモリ13上で映像信号を各フレームごとに補正する幾何歪み補正処理を行う(S5)。
幾何歪み補正部12が幾何歪み補正処理を開始したら指示部15は投影部16への入力をパターン画像生成部17のパターン画像から幾何歪み補正部12から出力される幾何歪み補正後の映像信号に切り替える(S6)。
これにより、スクリーン20に起因する幾何歪みを補正した画像、すなわち、幾何歪み検出部19により検出した幾何歪みを逆に変形させた画像がスクリーン20に投影され、歪みを補正した投影像として表示することができる。
先ず、幾何歪み検出部19が実行する第1の検出処理において使用するパターン画像について説明する。図4(a)は、第1の検出処理に用いるパターン画像、図4(b)は図4(a)に示すパターン画像のA−A線の輝度値を示した断面図である。なお、図4ではパターン画像を256×192画素サイズの画像により示している。
図4(a)に示すパターン画像30では、背景画像の中間レベル(この例では輝度値128)31の中に、16画素単位で格子点位置となるピーク部32とボトム部33が交互に配置されている。ピーク部32は中間レベル31より輝度値が高い(例えば輝度値255)高階調部であり、ボトム部33は中間レベル31よりも輝度値が低い(例えば輝度値0)低階調部である。
スクリーンの歪みは非線形ではあるが、布などの滑らかな撓みなので、格子点の周期は16画素程度の細かさで取れば、スクリーンの歪みをほぼ補正可能であることが非特許文献1に記載されている。
例えば、プロジェクタ1とデジタルカメラ22とを組み合わせたときに、図7(a)に示すような256階調を16段階に等分した輝度のパッチ画像35を投影した場合、撮影して計測した入出力特性の例は、図7(b)のようになる。このような特性を予め計測しておき、背景画像の中間レベルを図7(b)に示すデジタルカメラ22のカメラ出力の範囲の中央の値とすることもできる。このように設定した場合は、輝度のピークまたはボトムのどちらかがぶれることがなくなり、検出も容易となる。
図3は、本実施形態の幾何歪み検出部が実行する第1の検出処理を示したフローチャートである。本実施形態のプロジェクタ1においては、図8に示す細線格子パターンの代わりに、図4に示したパターン画像をスクリーン20に投影した投影画像をデジタルカメラ22で撮影し、撮影した画像が歪み補正用画像入力部18から入力されたものとする。
この場合、幾何歪み検出部19は、まず撮像されたパターン画像についてそのままで、ピークまたはボトムの位置を検出して環境光の影響による誤差を含んだ状態で格子点位置を検出する(S11)。なお、ピークまたはボトムの検出は、一般のラプラシアンフィルタなどでピーク、またはボトムの位置を整数画素精度で粗く検出すればよい。
次に、幾何歪み検出部19は、検出された格子点2×2個ごとの中間位置の平坦部の画素値から、それ以外の全画素位置の環境光の成分(直流成分)を線形補間で計算する(S12)。
図6は、検出された格子点2×2個ごとの中間位置の平坦部の画素値(図5の白丸位置の撮像画像上での輝度値)から、それ以外の全画素位置の環境光の成分(直流成分)を線形補間で計算した例(画面の右上が環境光で明るくなっている場合)を示した図である。なお、図7に示した例では、スクリーン全体をカバーしていないが、カバーされていない外側の部分も内側から線形に外挿して生成する。
図7に示すように、本来平坦部は理想的には一定の輝度レベルとなるはずだが、環境光成分が加わって右上に向かって輝度レベルが高くなっている。
さらに求まったピークまたはボトムの整数画素位置近辺において輝度値で重み付けした重心位置を求めることで、より高精度に小数点精度で格子点座標を求める。ここまでで格子点の歪み具合(撮像画像上での格子点座標)が検出される。
次に、幾何歪み検出部19は、求まった格子点の外周で囲まれる領域に内接する最大の大きさでアスペクト比を保ってスクリーン20に投影したコンテンツ画像をマップし(S14)、各格子点位置座標をマップしたコンテンツ画像上の位置に対応する等倍原画像上の座標(歪み補正パラメータ)に変換する。(S15)。つまり、歪みと逆の変形を投影する元画像に加えるための歪み補正パラメータを求めるようにしている。
図9にコンテンツ画像(アスペクト比4:3)を示した図である。但し、ここでコンテンツ画像サイズは、プロジェクタの画面サイズと同じサイズ、すなわちコンテンツ画像は投影する映像信号の1フレームを意味している。
図10は、求まった格子点の外周で囲まれる領域内に内接する最大の大きさでアスペクト比4:3を保って変倍した投影コンテンツ画像をマップした例を示した図である。
プロジェクタ1のフレームメモリ13上の格子パターンは、図11(a)に示す通り、左上を原点にして正方ブロックに分割される。なお、格子(ブロック)のサイズをblk(画素)とする。
格子点はそれぞれ、図11(b)に示すようにスクリーン歪みによって歪んで投影され、デジタルカメラによって撮影される。撮影された投影された投影画像上での格子点の座標はすべて求まっている。
図11(b)により投影され得る領域内に最大サイズでアスペクト比を保って変倍したコンテンツ画像をマップする。
マップしたコンテンツ画像の左上の原点座標を(X0,Y0)、コンテンツ画像の変倍率Rとすると、撮像画像上でこの格子点に映し出すべき、コンテンツ画像の画素位置(Xcont,Ycont)は、以下のように求まる。
Xcont=(Xcam−X0)/R
Ycont=(Ycam−Y0)/R
となる。
従って、全ての格子点についてのコンテンツ画像上での画素位置(Xcont,Ycont)が歪み補正パラメータとなる。
そして、幾何歪み検出部19において、環境光の影響含んだ状態で、撮影画像のピークまたはボトムを検出することにより、誤差を含んだ状態で格子点位置を検出し、検出した格子点2×2個の中間位置の平坦部の画素値からそれ以外の全画素位置の環境光の成分(直流成分)を線形補間で計算する。そして、計算した環境光の成分(直流成分)を減算した画像で再度ピーク、またはボトム検出を行うことにより高精度に格子点位置を検出して歪み補正パラメータを求めるようにしている。
図12は、本実施形態のプロジェクタ1が実行する幾何歪み補正処理を示したフローチャートである。
幾何歪み補正部12は、先ず、幾何歪み検出部19の幾何歪み検出処理で生成した、フレームメモリ13で投影する補正画像の格子点位置ごとの参照すべき等倍原画像上の座標(歪み補正パラメータ)を設定する(S21)。
次に、格子点以外の参照すべき等倍原画像上の座標を、格子点の座標から線形補間で計算し、フレームメモリ13上のすべての画素について、参照すべき等倍原画像上の座標を取得する(S22)。この後、参照座標(小数点数)に従って、投影すべき原画像から、バイリニア、バイキュービックなどの画素補間手法でフレームメモリ13上に補正画像を生成する(S23)。
このようにすれば、幾何歪み補正部12においてスクリーン20の歪みに起因する幾何歪みを高精度に補正することが可能になる。
さらに、外付けカメラであるデジタルカメラ22によるパターン画像の撮影は、1枚で済むので、外付けカメラを固定して複数枚撮影する必要や観客席に三脚を設置する必要が無いという利点もある。
図13は、本実施形態のプロジェクタの幾何歪み検出部の第2の検出処理を示したフローチャートである。また、図14(a)は、第2の検出処理におけるパターン画像、図14(b)は図14(a)に示すパターン画像のB−B線の輝度値の断面図である。
なお、図14では説明を簡単にするため、256×192画素サイズの画像で示している。また第1の検出処理との違いは、幾何歪み補正用のパターン画像が異なる点と、それによって幾何歪み検出処理が一部異なる点である。
図14(a)に示すパターン画像40では、中間レベル(この例では輝度値128)41の背景を有し、さらに格子点位置(32画素単位)となるピーク部42とピーク部42に囲まれたボトム部43が設けられている画像パターン45が配置されている。ピーク部42は、中間レベル41より輝度値が高い高階調部であり、ボトム部43は、中間レベル41より輝度値が低い低階調部である。
図4に示したパターン画像との違いは、図14に示した画像パターン45の方が低階調部42のコントラスト比が高くでき、検出のロバスト性が上がるという利点がある。
この場合、幾何歪み検出部19は、まず撮像したパターン画像40についてボトム検出により、環境光の影響による誤差を含んだ状態で格子点位置を検出する(S31)。
次に、幾何歪み検出部19は、検出された格子点2×2個ごとの中間位置の平坦部の画素値から、それ以外の全画素位置の環境光の成分(直流成分)を線形補間で計算する(S32)。
図16に示すように、本来平坦部は理想的には一定の輝度レベルとなるはずだが、環境光成分が加わって右上に向かって輝度レベルが高くなっている。
次に、幾何歪み検出部19は、撮像画像から上記図16に示した環境光の成分を減算し、再度一般のラプラシアンフィルタなどで、整数画素精度で格子点位置を検出する(S33)。
次に、幾何歪み検出部19は、求まった格子点の外周で囲まれる領域に内接する最大の大きさでアスペクト比を保ってスクリーン20に投影したコンテンツ画像をマップし(S34)、各格子点位置座標をマップしたコンテンツ画像上の位置に対応する等倍原画像上の座標(歪み補正パラメータ)に変換する(S35)。
Claims (4)
- 中間階調レベルの平坦部の背景画像と、前記中間階調レベルより高い階調レベルの高階調部および前記中間階調レベルより低い階調レベルの低階調部により格子点位置を指示するパターン画像の画像データを生成するパターン画像生成手段と、
前記パターン画像をスクリーンに投影する投影手段と、
補正用の撮影画像を入力する補正画像入力手段と、
前記補正画像入力手段より入力された、前記スクリーンに投影された前記パターン画像を撮影した補正用の撮影画像に基づいて、前記補正用の撮影画像をブロック分割した格子点の幾何歪み情報を生成する幾何歪み検出手段と、
前記幾何歪み情報に基づいて、前記投影手段により前記スクリーンに投影される投影画像の幾何歪みを補正する幾何歪み補正手段と、を備えることを特徴とする画像投射装置。 - 中間階調レベルの平坦部を背景画像と、前記中間階調レベルより高い階調レベルの高階調部と、該高階調部に囲まれた前記中間階調レベルより低い階調レベルの低階調部により格子点位置を指示するパターン画像の画像データを生成するパターン画像生成手段と、
前記パターン画像をスクリーンに投影する投影手段と、
補正用の撮影画像を入力する補正画像入力手段と、
前記補正画像入力手段より入力された、前記スクリーンに投影された前記パターン画像を撮影した補正用の撮影画像に基づいて、前記補正用の撮影画像をブロック分割した格子点の幾何歪み情報を生成する幾何歪み検出手段と、
前記幾何歪み情報に基づいて、前記投影手段により前記スクリーンに投影される投影画像の幾何歪みを補正する幾何歪み補正手段と、を備えることを特徴とする画像投射装置。 - 前記幾何歪み検出手段は、
前記補正画像入力手段より入力された、前記補正用の撮影画像の前記平坦部の画素値を用いて、前記スクリーンに投影された前記パターン画像を撮像した撮影画像の環境光成分を補正し、該補正した撮影画像に基づいて、前記スクリーンに投影される投影画像をブロック分割した格子点の幾何歪み情報を生成することを特徴とする請求項1または2に記載の画像投射装置。 - 前記パターン画像の中間階調レベルは、予め計測した当該画像投射装置と前記スクリーン上の前記パターン画像を撮影する撮影装置との入出力特性に基づいて決定することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の画像投射装置。
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