TWI439788B

TWI439788B - 投影校正系統及方法

Info

Publication number: TWI439788B
Application number: TW099100031A
Authority: TW
Inventors: Tai Feng Wu; Ching Chang Chen; Yu Jen Wang; Ming Chieh Chou
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2010-01-04
Filing date: 2010-01-04
Publication date: 2014-06-01
Also published as: US8491128B2; TW201124789A; US20110164226A1

Description

投影校正系統及方法

本發明是有關於一種投影校正系統及方法，且特別是有關於一種可以即時校正投影影像失真之投影校正系統及方法。

隨著多年的發展，數位投影機已經成為不可或缺的多媒體工具之一，其常應用於諸如家庭影音、數位教學或是會議報告等多種用途。傳統的投影機常因為與投影螢幕之間的角度問題，導致原始影像在被投射到投影螢幕上會產生梯形失真的現象而得到扭曲的投影影像。是故，一般的投影機通常會提供梯形校正的功能。

為了改善上述的梯形失真現象，美國專利案號7,470,029揭露了一種影像處理系統。在此影像處理系統中，投影機會預先投射一全白之測試影像以得到對應的一組角落座標，再投射一原始影像以得到對應的另一組角落座標。影像處理系統比較此兩組角落座標而得到投影機到投影螢幕之間的距離，再依據三維空間的座標計算得到投影機的姿態，並據以校正投影影像。然而，由於需要計算多點的座標，並進行繁複的座標轉換，上述影像處理系統並不適用於即時校正。

另外，於美國專利案號6,753,907提出了一種校正扭曲影像的方法，其利用位於不同位置的投影機與攝影機，計算得到投影影像與擷取影像的轉換矩陣，並找到投影螢幕與擷取影像的轉換矩陣，以據以得到投影影像與投影螢幕的轉換矩陣。此校正扭曲影像的方法藉由投影影像與投影螢幕的轉換矩陣對投影影像進行校正。然而，由於需要進行繁複的座標矩陣轉換，上述校正扭曲影像的方法亦不適用於即時校正。

然而，隨著行動裝置的高度發展，行動式的手持微型投影機或是整合於行動裝置的微型投影機的泛用度亦逐漸提高。由於微型投影機在使用時其位置不固定，甚至是隨時晃動，故必須針對微型投影機的姿勢做即時性的投影影像梯形校正，故耗時甚多的計算複雜及運算量龐大的影像校正方法不適用於微型投影機。

本發明係有關於一種投影校正系統及方法，藉由擷取並分析投影影像的形變資訊，得到投影單元的姿態，並據以對原始影像作校正，故得以快速且即時地對投影影像作不間斷地校正。

根據本發明之第一方面，提出一種投影校正系統，包括一投影單元、一影像擷取單元以及一影像處理單元。投影單元投射原始影像為一投影影像於一目的物上。影像擷取單元從目的物上擷取一投影區域影像，投影區域影像包括投影影像。影像處理單元從投影區域影像中得到對應於投影影像之一投影影像輪廓，且對投影影像輪廓進行運算得到投影單元對應於目的物之一水平傾角及一垂直傾角。其中，影像處理單元依據水平傾角及垂直傾角預扭曲原始影像以得到一校正影像並輸出校正影像至投影單元，使得投影單元投射校正影像於目的物上。

根據本發明之第二方面，提出一種投影校正方法，包括下列步驟。投射一原始影像為一投影影像於一目的物上。從目的物上擷取一投影區域影像，投影區域影像包括投影影像。從投影區域影像中得到對應於投影影像之一投影影像輪廓，且對投影影像輪廓進行運算得到一水平傾角及一垂直傾角。依據水平傾角及垂直傾角預扭曲原始影像以得到一校正影像，並投射校正影像於目的物上。

為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉一實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

本發明提出一種投影校正系統及方法，藉由擷取並分析投影影像的形變資訊，得到投影單元的姿態，並據以對原始影像作校正，故得以快速且即時地對投影影像作不間斷地校正。

請參照第1圖，其繪示依照本發明之一實施例之投影校正系統之示意圖。投影校正系統100包括一投影單元110、一影像擷取單元120以及一影像處理單元130。其中，投影校正系統100係應用於一微型投影機，故影像擷取單元120例如可以為行動裝置原先內建之一攝影機或一數位相機等，無須增加額外的元件。

請參照第2圖，其繪示依照本發明之一實施例之投影校正方法之流程圖。於步驟S200中，投影單元110投射一原始影像為一投影影像於一目的物上，此目的物可以為傳統的投影螢幕，亦可以為一牆面或任意可被投射影像以供辨識的地方。於步驟S210中，影像擷取單元120從目的物上擷取一投影區域影像。請參照第3A圖~第3D圖，其繪示依照本發明之一實施例之投影區域影像之示意圖。由第3A圖可知，投影區域影像140實質上包括投影影像150(具有梯形失真現象)及其他不屬於投影影像但亦被擷取的背景。

於步驟S220中，影像處理單元130接收投影區域影像140，並從投影區域影像140中得到對應於投影影像150之一投影影像輪廓。實際上如第3B圖所示，影像處理單元130係對投影區域影像140進行運算以得到複數個影像邊緣特徵。由於在投影時，投影影像150與背景的亮度不同，故藉由運算處理可輕易地得到投影影像150之投影影像輪廓，而不受環境光場影響。之後如第3C圖所示，影像處理單元130擷取投影影像輪廓的多個影像邊緣特徵，並如第3D圖所示，影像處理單元130藉由多個影像邊緣特徵以識別投影影像輪廓而得到4個頂點A~D的座標。

接著，於步驟S230中，影像處理單元130計算兩個相鄰影像邊緣特徵的夾角θ。此外，於步驟S240中，影像處理單元130計算投影影像輪廓的長寬比L/W。在步驟S250中，藉由計算兩個相鄰影像邊緣特徵的夾角θ與投影影像輪廓的長寬比L/W，以得到投影單元110對應於目的物之垂直傾角θ_v 與水平傾角θ_h 。請參照第4A圖~第4D圖，其繪示依照本發明之一實施例之對應於投影影像輪廓的夾角θ及長寬比L/W之示意圖。於第4A圖中，投影單元110位於影像擷取單元120的下方。於第4B圖中，投影單元110位於影像擷取單元120的上方。於第4C圖中，投影單元110位於影像擷取單元120的右方。於第4D圖中，投影單元110位於影像擷取單元120的左方。

茲舉第4A圖為例做說明。由於在步驟S220中得到4個頂點A~D的座標，故L1即為點A和點B在影像座標上橫座標差，亦或AB向量之向量長度，L2即為點C和點D在影像座標上橫座標差，亦或CD向量之向量長度，W1為點B和點D在影像座標上縱座標差，亦或BD向量之向量長度，W2為點A和點C在影像座標上縱座標差，亦或AC向量之向量長度。長寬比L/W特徵即為：

((L1+L2)/2)/((W1+W2)/2)。

此外，基於投影單元110及影像擷取單元120不同的相對位置，夾角θ有所差異。如第4A圖所示，夾角θ_A 的變化具高敏感度，由公式θ_A =90°+tan^-1 (b/a)得出，其中向量座標參考以C點為座標原點，a與b皆為向量，亦可由AB向量和AC向量之內積與向量長度求出：θ_A =cos^-1 (AB‧AC/|AB||AC|)，其中向量a及向量b為向量AB的2個垂直分量。如第4B圖所示，向量座標參考以C點為座標原點，a與b皆為向量，其中夾角θ_C 的變化具高敏感度，由公式θ_C =90°-tan^-1 (b/a)得出，亦可由CA向量和CD向量之內積與向量長度求出：θ_C =cos^-1 (CA‧CD/|CA||CD|)，其中向量a及向量b為向量CD的2個垂直分量。如第4C圖所示，向量座標參考以C點為座標原點，a與b皆為向量，其中夾角θ_D 的變化具高敏感度，由公式θ_D =90°+tan^-1 (a/b)得出，亦可由DC向量和DB向量之內積與向量長度求出：θ_D =cos^-1 (DC‧DB/|DC||DB|)，其中向量a及向量b為向量DB的2個垂直分量。如第4D圖所示，向量座標參考以C點為座標原點，a與b皆為向量，其中夾角θ_C 的變化具高敏感度，由公式θ_C =90°-tan^-1 (a/b)得出，亦可由CA向量和CD向量之內積與向量長度求出：θ_C =cos^-1 (CA‧CD/|CA||CD|)，其中向量a及向量b為向量CA的2個垂直分量。雖然在上述的實施例中，第4A圖以θ_A 作為夾角θ、第4B圖以θ_C 作為夾角θ、第4C圖以θ_D 作為夾角θ、第4D圖以θ_C 作為夾角θ，然而，熟習本領域技術者當知可以用其餘的三個端點的內角作為夾角θ，並不以此為限。

此外，在第4A、4B、4C與4D圖中，右上與左下的投影影像僅為示意以便於說明，實際發生梯形失真現象的投影影像有很多種情況，並不以此所示圖式為限。

在步驟S230中，在計算得到夾角θ後，影像處理單元130實質上係依據夾角θ(即θ_A 、θ_B 、θ_C 、θ_D )計算得到垂直傾角θ_v 或水平傾角θ_h (即步驟S250)。例如：從一查閱表中利用內插法得到垂直傾角θ_v 或水平傾角θ_h ，或經由一擬合曲線計算而得，或經過一映射函數轉換而得。在步驟S240中，在計算得到長寬比L/W後，影像處理單元130實質上係依據長寬比L/W計算得到該水平傾角θ_h 或垂直傾角θ_v (即步驟S250)。例如：從一查閱表中利用內插法得到水平傾角θ_h 或垂直傾角θ_v ，或經由一擬合曲線計算而得，或經過一映射函數轉換而得。步驟S250中所依據的查閱表、內插法、擬合曲線或映射函數，係經由多次的實驗，觀察在不同的垂直傾角θ_v 及水平傾角θ_h 下的多次投影影像而整理得到，亦或是直接經由光路計算後所得到的關係函數，將夾角θ與長寬比L/W轉換成垂直傾角θ_v 或水平傾角θ_h 。在第4A圖~第4B圖中亦已繪示不同的垂直傾角θ_v 及水平傾角θ_h 下的多次投影影像。茲舉第4D圖為例做說明。於第4D圖中，夾角θ_C (即θ)越小，垂直傾角θ_v 越小，反之，夾角θ_C 越大，垂直傾角θ_v 越大。並且長寬比L/W越大，水平傾角θ_h 越小，反之長寬比L/W越小，水平傾角θ_h 越大。參看第4A、4B與4C圖，則有不同的結果。由此可知，當投影單元110與影像擷取單元120具上下位置的相對關係時，夾角θ與水平傾角θ_h 具相對應關係，以及長寬比L/W與垂直傾角θ_v 具相對應關係，此時，水平傾角θ_h 係由夾角θ經計算而得，垂直傾角θ_v 係由長寬比L/W經計算而得；而當基於投影單元110及影像擷取單元120具左右位置的相對關係時，夾角θ與垂直傾角θ_v 具相對應關係，以及長寬比L/W與水平傾角θ_h 具相對應關係，此時，水平傾角θ_h 係由長寬比L/W經計算而得，垂直傾角θ_v 係由夾角θ經計算而得。綜合而言，垂直傾角θ_v 及水平傾角θ_h 係由長寬比L/W與夾角θ經計算而得，但其兩兩之間的關係，則視投影單元110及影像擷取單元120的相對位置而定，並不以此為限。

於得到垂直傾角θ_v 及水平傾角θ_h 後，於步驟S260中，影像處理單元130依據水平傾角θ_h 及垂直傾角θ_v 預先扭曲補償原始影像以得到一校正影像，影像處理單元130並輸出校正影像至投影單元110，使得投影單元110投射校正影像於目的物上。如此一來，即可以解決投影影像的梯形失真問題。此外，本實施例更進一步地重複投射、擷取、運算及預扭曲的步驟S200~S260以進行即時校正，直到投影影像不隨投影單元110的晃動而失真。

此外，於本發明中，投影單元110的光軸與影像擷取單元120的光軸可平行，亦可以相交。更詳細的說，投射原始影像及校正影像的光軸與擷取投影區域影像的光軸可以是平行或是相交。請參照第5A圖及第5B圖，第5A圖繪示依照本發明之一實施例之投影單元與影像擷取單元的配置圖，第5B圖繪示依照本發明之一實施例之投影單元與影像擷取單元之光軸示意圖。於第5A圖中，投影單元510與影像擷取單元520係位於行動裝置500不平行的兩個平面上，以使得光軸相交。而對應於投影單元510與影像擷取單元520之間的距離D及不同的投影距離(L_max 、L及L_min )，可以設計得到光軸相交的適當角度α，如第5B圖所示。其中，投影單元510投影距離的設計公式為：α=tan^-1 (D/L)

α為光軸相交的角度，D為投影單元510與影像擷取單元520之間的距離，L為投影距離。在一實施例中，投影單元510與影像擷取單元520之間的距離D為5公分，若投影單元510之最大投影距離L_max 為300公分，則光軸相交的角度α_max 為0.9548°，若投影單元510之最小投影距離L_min 為30公分，則光軸相交的角度α_min 為9.4623°。因此，可依照需求設計出合適的各項參數。

若投影單元與影像擷取單元的光軸相交，則可以提升影像的解析度。請參照第6A圖及第6B圖，第6A圖繪示投影單元與影像擷取單元光軸平行的情況下(如第4A、4B、4C與4D圖)，夾角θ對長寬比L/W之示意圖，第6B圖繪示投影單元與影像擷取單元光軸相交的情況下(如第5A圖)，夾角θ對長寬比L/W之示意圖。比較第6A圖及第6B圖可知，夾角及長寬比之變化在光軸相交時較光軸平行時明顯，故利於進行內插而得到較精確的夾角及長寬比。

本發明上述實施例所揭露之投影校正系統及方法，具有多項優點，以下僅列舉部分優點說明如下：本發明之投影校正系統及方法，藉由擷取並分析投影影像的形變資訊，依據投影影像的長寬比得到水平傾角，並依據投影影像的夾角得到垂直傾角，故不需複雜的座標運算及矩陣轉換即可以知道投影單元的姿態，並據以對原始影像作預扭曲校正。如此一來，無須進行前置的校正步驟，即可以快速地解決投影影像的梯形失真問題。此外，更進一步地，由於計算量小，故可以持續地對投影影像作即時校正，而不會耗費整體系統資源，亦不須額外的元件，適於應用在各種行動裝置，且不限於此。

綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．投影校正系統

110．．．投影單元

120．．．影像擷取單元

130．．．影像處理單元

140．．．投影區域影像

150．．．投影影像

500．．．行動裝置

510．．．投影單元

520．．．影像擷取單元

第1圖繪示依照本發明之一實施例之投影校正系統之示意圖。

第2圖繪示依照本發明之一實施例之投影校正方法之流程圖。

第3A圖~第3D圖繪示依照本發明之一實施例之投影區域影像之示意圖。

第4A圖~第4D圖繪示依照本發明之一實施例之對應於投影影像輪廓的夾角θ及長寬比L/W之示意圖。

第5A圖繪示依照本發明之一實施例之投影單元與影像擷取單元的配置圖之一例。

第5B圖繪示依照本發明之一實施例之投影單元與影像擷取單元之光軸示意圖。

第6A圖繪示投影單元與影像擷取單元的光軸平行時，夾角對長寬比之示意圖。

第6B圖繪示投影單元與影像擷取單元的光軸相交時，夾角對長寬比之示意圖。

Claims

一種投影校正系統，包括：一投影單元，用以投射一原始影像為一投影影像於一目的物上；一影像擷取單元，用以從該目的物上擷取一投影區域影像，該投影區域影像包括該投影影像；以及一影像處理單元，用以從該投影區域影像中得到對應於該投影影像之一投影影像輪廓，且對該投影影像輪廓進行運算得到該投影單元對應於該目的物之一水平傾角及一垂直傾角；其中，該影像處理單元依據該水平傾角及該垂直傾角預扭曲該原始影像以得到一校正影像並輸出該校正影像至該投影單元，使得該投影單元投射該校正影像於該目的物上；其中該影像處理單元係對該投影區域影像進行運算以得到複數個影像邊緣特徵，並藉由該些影像邊緣特徵以識別該投影影像輪廓；其中該影像處理單元係計算該投影影像輪廓的一長寬比；其中該影像處理單元係依據該長寬比計算得到該垂直傾角。
如申請專利範圍第1項所述之投影校正系統，其中該投影單元的光軸與該影像擷取單元的光軸平行。
如申請專利範圍第1項所述之投影校正系統，其中該投影單元的光軸與該影像擷取單元的光軸相交。
如申請專利範圍第1項所述之投影校正系統，其中該影像處理單元係計算兩個相鄰影像邊緣特徵的一夾角。
如申請專利範圍第4項所述之投影校正系統，其中該影像處理單元係依據該夾角計算得到該垂直傾角。
如申請專利範圍第4項所述之投影校正系統，其中該影像處理單元係依據該夾角計算得到該水平傾角。
一種投影校正系統，包括：一投影單元，用以投射一原始影像為一投影影像於一目的物上；一影像擷取單元，用以從該目的物上擷取一投影區域影像，該投影區域影像包括該投影影像；以及一影像處理單元，用以從該投影區域影像中得到對應於該投影影像之一投影影像輪廓，且對該投影影像輪廓進行運算得到該投影單元對應於該目的物之一水平傾角及一垂直傾角；其中，該影像處理單元依據該水平傾角及該垂直傾角預扭曲該原始影像以得到一校正影像並輸出該校正影像至該投影單元，使得該投影單元投射該校正影像於該目的物上；其中該影像處理單元係對該投影區域影像進行運算以得到複數個影像邊緣特徵，並藉由該些影像邊緣特徵以識別該投影影像輪廓；其中該影像處理單元係計算該投影影像輪廓的一長寬比；其中該影像處理單元係依據該長寬比計算得到該水平傾角。
如申請專利範圍第7項所述之投影校正系統，其中該投影單元的光軸與該影像擷取單元的光軸平行。
如申請專利範圍第7項所述之投影校正系統，其中該投影單元的光軸與該影像擷取單元的光軸相交。
如申請專利範圍第7項所述之投影校正系統，其中該影像處理單元係計算兩個相鄰影像邊緣特徵的一夾角。
如申請專利範圍第10項所述之投影校正系統，其中該影像處理單元係依據該夾角計算得到該垂直傾角。
如申請專利範圍第10項所述之投影校正系統，其中該影像處理單元係依據該夾角計算得到該水平傾角。
一種投影校正方法，包括：投射一原始影像為一投影影像於一目的物上；從該目的物上擷取一投影區域影像，該投影區域影像包括該投影影像；對該投影區域影像進行運算以得到複數個影像邊緣特徵，並藉由該些影像邊緣特徵以識別一投影影像輪廓；計算該投影影像輪廓的一長寬比；對該投影影像輪廓進行運算得到一水平傾角及一垂直傾角；以及依據該水平傾角及該垂直傾角預扭曲該原始影像以得到一校正影像，並投射該校正影像於該目的物上；其中係依據該長寬比計算得到該垂直傾角。
如申請專利範圍第13項所述之投影校正方法，其中更重覆上述投射、擷取、運算及預扭曲的步驟，以進行即時校正。
如申請專利範圍第13項所述之投影校正方法，其中投射該原始影像及該校正影像的光軸與擷取該投影區域影像的光軸平行。
如申請專利範圍第13項所述之投影校正方法，其中投射該原始影像及該校正影像的光軸與擷取該投影區域影像的光軸相交。
如申請專利範圍第13項所述之投影校正方法，更包括：計算兩個相鄰影像邊緣特徵的一夾角。
如申請專利範圍第17項所述之投影校正方法，其中係依據該夾角計算得到該垂直傾角。
如申請專利範圍第17項所述之投影校正方法，其中係依據該夾角計算得到該水平傾角。
如申請專利範圍第18或19項所述之投影校正方法，其中依據該夾角計算的方法可為查閱表、內插法、擬合曲線或映射函數其中之一。
如申請專利範圍第13項所述之投影校正方法，其中依據該長寬比計算的方法可為查閱表、內插法、擬合曲線或映射函數其中之一。
一種投影校正方法，包括：投射一原始影像為一投影影像於一目的物上；從該目的物上擷取一投影區域影像，該投影區域影像包括該投影影像；對該投影區域影像進行運算以得到複數個影像邊緣特徵，並藉由該些影像邊緣特徵以識別一投影影像輪廓；計算該投影影像輪廓的一長寬比；對該投影影像輪廓進行運算得到一水平傾角及一垂直傾角；以及依據該水平傾角及該垂直傾角預扭曲該原始影像以得到一校正影像，並投射該校正影像於該目的物上；其中係依據該長寬比計算得到該水平傾角。
如申請專利範圍第22項所述之投影校正方法，其中更重覆上述投射、擷取、運算及預扭曲的步驟，以進行即時校正。
如申請專利範圍第22項所述之投影校正方法，其中投射該原始影像及該校正影像的光軸與擷取該投影區域影像的光軸平行。
如申請專利範圍第22項所述之投影校正方法，其中投射該原始影像及該校正影像的光軸與擷取該投影區域影像的光軸相交。
如申請專利範圍第22項所述之投影校正方法，更包括：計算兩個相鄰影像邊緣特徵的一夾角。
如申請專利範圍第26項所述之投影校正方法，其中係依據該夾角計算得到該垂直傾角。
如申請專利範圍第26項所述之投影校正方法，其中係依據該夾角計算得到該水平傾角。
如申請專利範圍第27或28項所述之投影校正方法，其中依據該夾角計算的方法可為查閱表、內插法、擬合曲線或映射函數其中之一。
如申請專利範圍第22項所述之投影校正方法，其中依據該長寬比計算的方法可為查閱表、內插法、擬合曲線或映射函數其中之一。