JP7318215B2 - 画像投影システムおよび投影位置検出方法 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、カメラを利用してスクリーンの位置を検出し、当該スクリーンに対する投影画像の位置を制御するシステムが記載されている。このシステムでは、2台のカメラでそれぞれ撮像された画像に基づいて、長方形のスクリーンの各角部を検出し、各カメラから各角部までの距離を算出することにより、プロジェクターに対するスクリーンの相対位置を算出する。そして、算出された相対位置に基づいて投射レンズの角度やズーム量等を調整することにより、スクリーンの投射領域に合わせた画像が投射される。
図1は、本実施形態に係る画像投影システム1および投影対象101を示す模式図であり、図2は、画像投影システム1の概略構成を示すブロック図である。
本実施形態に係る画像投影システム1は、図1に示すように、プロジェクター2と、プロジェクター2に接続された分光カメラ3と、を備えている。
この画像投影システム1は、本発明の投影位置検出装置を含んで構成されており、プロジェクター2により壁面などの投影対象101に投影される投影画像Ipの位置を、分光カメラ3により撮像された分光画像に基づいて制御するものである。
プロジェクター2は、図2に示すように、表示部21、レンズ調整機構22および制御部23を備える。この他、プロジェクター2は、図示を省略するが、当該プロジェクター2を構成する電子部品に電力を供給する電源装置や、冷却対象を冷却する冷却装置等を備える。
光源211は、液晶パネル212の画像形成領域を照明する。このような光源211としては、超高圧水銀ランプ等の光源ランプ、および、当該光源ランプから出射された光を一方向に揃えて反射させる反射鏡を有する構成を採用できる他、LED(Light Emitting Diode)およびLD(Laser Diode)等の固体光源を有する構成を例示できる。
液晶パネル212は、上記駆動信号に応じて駆動して、光源211から入射される光を変調する光変調装置である。
すなわち、レンズ調整機構22は、投射レンズ213の光軸をX方向移動させるXシフト部221と、投射レンズ213の光軸をY方向に移動させるYシフト部222と、ズームレンズ213AをZ方向に移動させるズーム部223と、を備える。
また、投射レンズ213が+X側に移動されると、投影画像Ipは、+X側に移動される。同様に、投射レンズ213が-X側に移動されると、投影画像Ipは、-X側に移動される。
さらに、レンズ調整機構22により、ズームレンズ213AがZ方向に一方側に移動されて画角が広がると、投影画像Ipのサイズは大きくなる。一方、ズームレンズ213AがZ方向の他方側に移動されて画角が狭まると、投影画像Ipのサイズは小さくなる。
そして、制御部23では、当該CPUがROMに記憶されたプログラムを実行することで、画像処理部231、表示制御部232、レンズ制御部233および投影位置制御部240として機能する。また、制御部23は、投影画像Ipの初期位置などを記憶する記憶部234を含んでいる。
表示制御部232は、画像処理部231にて描画された画像を適宜読み出し、液晶パネル212を順次駆動させて、当該画像を形成させる。
レンズ制御部233は、レンズ調整機構22の動作を制御する。
記憶部234は、後述する投影画像Ipの初期設定などを記憶する。
分光カメラ3は、図2に示すように、近赤外光源31と、入射光学系32と、波長可変干渉フィルター33と、撮像素子34と、カメラ制御部35と、を含んで構成されている。
近赤外光源31は、分光カメラ3による撮像範囲に対して、近赤外域の光を照射する光源である。
入射光学系32は、例えばテレセントリック光学系等により構成され、光軸と主光線とが平行または略平行となるように入射光を波長可変干渉フィルター33および撮像素子34に導く。
波長可変干渉フィルター33は、ファブリーペローエタロンフィルターであり、互いに対向する一対の反射膜331,332と、これらの反射膜331,332の間の距離を変更可能な静電アクチュエーター333(本発明のギャップ変更部)とを備えて構成される。この波長可変干渉フィルター33は、静電アクチュエーター333への印加電圧が制御されることで、反射膜331,332を透過する光の波長(分光波長)が変更可能となる。
撮像素子34は、例えばCCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等のイメージセンサーにより構成され、波長可変干渉フィルター33を透過した画像光を撮像する。本実施形態の分光カメラ3では、撮像素子34の各画素において、それぞれ波長可変干渉フィルター33を透過した光が入射される。
なお、記憶部353には、波長可変干渉フィルター33を透過させる光の波長と静電アクチュエーター333への指令値とを互いに対応付けた駆動テーブルが記録されている。
撮像制御部352は、撮像素子34の各画素から出力された受光信号(スペクトル情報)を取得して分光画像を得る。
画像投影システム1の初期設定について、図5のフローチャートを参照して説明する。画像投影システム1の初期設定では、本実施形態の投影位置検出方法を利用する。なお、以下の説明において、プロジェクター2は、常設展示の画像を投影するものであり、投影対象101は、一様な色で彩色された平坦な壁面であるとする。
具体的には、例えばユーザーが、投影対象101に投影される投影画像Ipを確認しながら、投影画像Ipが所望位置に所望サイズで表示されるように、プロジェクター2を設置する。また、例えばユーザーは、投影対象101に投影された投影画像Ipを含む所定範囲が撮像範囲となるように、分光カメラ3を設置する。
ここで、分光カメラ3の撮像範囲には、投影画像Ipだけでなく、マーカーMが含まれるものとする。本実施形態のマーカーMは、図1に示すように投影対象101である壁面に設置された矩形のプレート(施設の案内プレート等)である。ただし、本発明はこれに限られず、マーカーMは、投影対象101である壁面にみられる塗料のムラ、染み、または傷等であってもよい。
その後、プロジェクター2は、投影画像Ipを投影開始する(ステップS12)。なお、プロジェクター2は、ステップS11から投影画像Ipの投影を継続してもよい。
このとき、近赤外光源31は、分光カメラ3の撮像範囲に対して、750nm~950nmの近赤外光を照射する。
また、波長切替部351は、駆動テーブルから指令値を順に読み出し、波長可変干渉フィルター33の静電アクチュエーター333に順に入力する。これにより、波長可変干渉フィルター33の透過波長は、予め設定された複数の波長(目標波長)に順次変更される。なお、目標波長は、可視光~近赤外光の範囲(例えば680nm~880nm)であって、20nm刻みに設定されている。
また、撮像素子34は、撮像制御部352に制御されることにより、波長可変干渉フィルター33の透過波長が目標波長に設定される毎に撮像を行う。これにより、各目標波長に対応する分光画像が撮像される。
図6に示す解析画像Iaは、各画素の分光スペクトルに基づいて、複数の画素領域に区分される。
ここで、投影画像Ipは、可視光により投影される画像であるため、680nm付近の波長で最も反射強度が高くなる。このため、解析画像Iaにおいて680nm付近の波長で最大強度となる画素領域を、投影画像領域R1とする。
また、投影画像領域R1の周囲において、投影画像領域R1の分光スペクトルとは異なる分光スペクトルを示す画素領域を、背景領域R2とする。
また、背景領域R2により囲われる領域であって、投影画像領域R1および背景領域R2とはそれぞれ異なる分光スペクトルを示す画素領域を、マーカー領域R3とする。
以上により、画像投影システム1の初期設定が終了する。
画像投影システム1の動作について、図7のフローチャートを参照して説明する。なお、図7のフローチャートは、プロジェクター2が投影画像Ipを投影開始することにより開始される。
なお、ステップS22は、上述したステップS13と同様であり、ステップS23は、上述したステップS14~ステップS16と同様である。
変動量(ΔX1,ΔY1)~(ΔX4,ΔY4)が、X座標およびY座標の両方について閾値内であると判断された場合(ステップS25;Yes)、ステップS21に戻る。
一方、変動量(ΔX1,ΔY1)~(ΔX4,ΔY4)が、X座標およびY座標の少なくとも一方について閾値内ではないと判断された場合(ステップS25;No)、ステップS26に進む。
図8に示す例において、変動量ΔX1~ΔX4は互いに等しい値(図8中のΔX)であり、変動量ΔY1~ΔY4は、互いに等しい値(図8中のΔY)である。このような場合、補正指示部244は、投影画像Ipに位置ずれが生じたと判断し、レンズ制御部233に対して変動量(ΔX,ΔY)に基づく補正指示を出力する。この補正指示が入力されたレンズ制御部233は、変動量ΔXに基づいてXシフト部221を制御し、変動量ΔYに基づいてYシフト部222を制御する。これにより、Xシフト部221およびYシフト部222は、投影画像Ipの位置が初期位置に近づくように、投射レンズ213をX方向およびY方向に移動させる。すなわち、投影画像Ipは、一定の投影位置を保つように制御される。
また、補正指示部244は、投影画像Ipの形状が変動したと判断した場合には、画像処理部231に対して変動量(ΔX1,ΔY1)~(ΔX4,ΔY4)に基づく補正指示を出力する。画像処理部231は、補正指示に基づいて投影画像Ipのデータを補正することにより、投影画像Ipの形状を初期状態に近づける。
以上説明した本実施形態に係る投影位置検出装置100および画像投影システム1によれば、以下の効果を奏することができる。
(1)本実施形態の投影位置検出装置100は、投影対象101に投影された投影画像Ipを含む撮像範囲からの光を受光し、互いに異なる波長に対応する複数の分光画像を撮像する分光カメラ3と、複数の分光画像に基づいて各画素の分光スペクトルを演算するスペクトル演算部241と、画素の分光スペクトルに基づいて撮像範囲における特徴点Gを検出する特徴点検出部242と、特徴点Gに対する投影画像Ipの相対位置を算出する投影位置算出部243と、を備える。
このような構成によれば、分光カメラ3の撮像範囲に検出される特徴点Gが、投影画像Ipの投影位置を算出するための基準となる。このため、投影対象101の種類に限られずに、投影画像Ipの投影位置を設定できる。よって、設置場所の振動や人の接触等により投影画像Ipの投影位置がずれた場合には、このズレを容易に検出できる。
このような構成では、撮像素子34の同一の画素で複数の波長の光を受光するため、撮像範囲における特徴点Gを高精度かつ高分解能で検出することができる。
ここで、従来技術である特許文献1に記載のシステムでは、一般的なカメラを利用している。このため、暗い空間で撮像された撮像画像は不鮮明となり、このような撮像画像に基づいてスクリーンの角部を検出することは困難である。すなわち、暗い空間で投影画像の投影位置を検出することは困難である。
これに対して、本実施形態では、近赤外域の波長に対応する分光画像を撮像し、この分光画像に基づいて投影画像Ipの投影位置を検出する。近赤外域の波長は、対象物の組成による光の反射性の違いを可視化できるため、暗い空間であっても投影画像Ipの投影位置を好適に検出できる。
このような構成によれば、上述したように、暗い空間であっても投影画像Ipの投影位置をより好適に検出できる。また、近赤外域の波長光は、人の目に見えないため、投影画像Ipの色合いが変化することがない。また、照明によって明暗のコントラストを落とすこともなく、投影画像Ipを鮮明に見せることができる。
このような構成によれば、投影画像Ipに位置またはサイズが一定になるように制御することができる。
このような構成によれば、投影画像Ipの形状が一定になるように制御することができる。
これに対して、本実施形態では、投影画像Ipの投影を中断することなく、投影画像Ipの投影位置を制御することができる。
本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
前記実施形態では、マーカー領域R3の角部Cm1~Cm4の重心を特徴点Gとして検出しているが、本発明はこれに限られない。
例えば、マーカー領域R3の角部Cm1~Cm4をそれぞれ特徴点として検出し、これらの特徴点に対する投影画像領域R1の角部Cp1~Cp4の相対位置をそれぞれ算出してもよい。
あるいは、検出されたマーカー領域R3の角部Cm1~Cm4のうちいずれか1つを特徴点として検出してもよい。
前記実施形態では、矩形のプレートをマーカーMとして利用しているが、本発明はこれに限られない。
例えば、マーカーMは、投影対象101である壁面にみられる塗料のムラ、染み、または傷等であってもよい。このような場合、特徴点の検出については、一般的な画像処理の技術を利用できる。その一例として、染みを形成するエッジの内接円または外接円の中心を特徴点として検出してもよい。
前記実施形態では、投影画像Ipの投影位置として、投影画像領域R1の4つの角部Cp1~Cp4の座標を算出しているが、本発明はこれに限られない。
例えば、大きなズレを想定しない場合には、投影画像領域R1の4つの角部Cp1~Cp4のうち、少なくとも1つの角部の座標を算出してもよい。
また、投影画像Ipの投影位置として、投影画像領域R1の角部Cp1~Cp4の重心を利用してもよい。
あるいは、投影画像Ipの投影位置として、投影画像領域R1の境界線の任意の点を利用してもよい。
前記実施形態では、分光カメラ3が近赤外域の波長に対応する分光画像を撮像しているが、紫外域の波長に対応する分光画像を撮像してもよい。また、分光カメラ3は、投影対象101に対して紫外域の波長を含む光を照射する光源を備えていてもよい。紫外光は、近赤外光と同様、人の目に見えないため、投影画像Ipの色合いが変化することがない。
前記実施形態では、投影画像Ipの位置およびサイズをレンズ調整機構22で制御し、投影画像Ipの形状を画像処理部231で制御しているが、本発明はこれに限られない。例えば、投影画像Ipがプロジェクター2の投影可能な範囲よりも小さい領域に投影される画像である場合、画像処理部231によって投影画像Ipの位置およびサイズを制御してもよい。
前記実施形態では、分光カメラ3が波長可変干渉フィルター33を有しているが、他の分光フィルターを有していてもよい。
前記実施形態では、プロジェクター2と分光カメラ3とが別々に構成されているが、これらは一体に構成されてもよい。
Claims (9)
- 投影対象に投影された投影画像を含む撮像範囲からの光を受光し、互いに異なる波長に対応する複数の分光画像を撮像する分光カメラと、
複数の前記分光画像に基づいて各画素の分光スペクトルを演算するスペクトル演算部と、
前記画素の前記分光スペクトルに基づいて前記撮像範囲における特徴点を検出する特徴点検出部と、
前記特徴点を原点として、前記原点に対する相対位置となる前記投影画像の角部の座標を算出する投影位置算出部と、を備える
ことを特徴とする画像投影システム。 - 請求項1に記載の画像投影システムであって
前記特徴点検出部は、前記撮像範囲におけるマーカー領域の境界線に基づいて前記特徴点を決定し、
前記マーカー領域は、前記投影画像が投影される投影画像領域および前記投影画像領域の周囲の背景領域とはそれぞれ異なる分光スペクトルを示す領域であることを特徴とする画像投影システム。 - 請求項1に記載の画像投影システムであって、
記憶部をさらに備え、
前記投影位置算出部は、初期設定時、前記投影画像が投影される投影画像領域の角部の座標を算出し、算出される当該座標を前記投影画像の初期位置として前記記憶部に記憶させることを特徴とする画像投影システム。 - 請求項3に記載の画像投影システムであって、
前記初期設定後において前記投影位置算出部により算出される前記投影画像の角部の座標と、前記投影画像の前記初期位置とを比較し、前記初期位置に対する前記投影画像の変動量を算出し、算出される前記変動量が閾値内であるか否かを判断する補正指示部をさらに備えることを特徴とする画像投影システム。 - 請求項4に記載の画像投影システムであって、
前記投影対象に対して前記投影画像を投射する投射レンズと、
前記投射レンズの光軸調整またはズーム調整を行うレンズ調整機構と、
前記補正指示部により前記変動量が閾値を超えたと判断された場合、前記変動量に基づいて、前記レンズ調整機構を制御するレンズ制御部と、を備える
ことを特徴とする画像投影システム。 - 請求項4に記載の画像投影システムであって、
前記補正指示部により前記変動量が閾値を超えたと判断された場合、前記変動量に基づいて、前記投影画像を補正する画像処理部と、を備える
ことを特徴とする画像投影システム。 - 請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の画像投影システムであって、
前記分光カメラは、近赤外域の波長に対応する前記分光画像を撮像することを特徴とする画像投影システム。 - 請求項7に記載の画像投影システムであって、
前記投影対象に対して近赤外域の波長を含む光を照射する光源をさらに備えることを特徴とする画像投影システム。 - 投影対象に投影された投影画像を含む撮像範囲からの光を受光し、互いに異なる波長に対応する複数の分光画像を撮像する撮像ステップと、
複数の前記分光画像に基づいて各画素の分光スペクトルを演算するスペクトル演算ステップと、
前記画素の前記分光スペクトルに基づいて前記撮像範囲における特徴点を検出する特徴点検出ステップと、
前記特徴点を原点として、前記原点に対する相対位置となる前記投影画像の角部の座標を算出する投影位置算出ステップと、を含む
ことを特徴とする投影位置検出方法。
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