超短焦投影畸变调校系统设计.pdf

第 卷第 期 年 月机 电 工 程 .收稿日期:基金项目:福建省科技厅高校产学合作项目()作者简介:张颜艳()女山东济宁人硕士副教授主要从事精密仪器设计、信号分析与处理方面的研究:.:./.超短焦投影畸变调校系统设计张颜艳刘 伟苏文露郑洪庆(.闽南理工学院 工业机器人测控与模具快速制造福建省高校重点实验室福建 泉州.泉州市锐驰智能科技有限公司福建 泉州)摘要:针对超短焦投影仪投影畸变画面校正复杂以及校正精度低的问题对投影姿态、畸变区域和最优校正区域特征点信息的获取进行了分析和研究提出了一种高精度的超短焦投影畸变智能调校系统 首先研究了投影原理和姿态引起的畸变画面形状类型得到了临界校正角度和校正方案其次利用空间散点拟合法获取的测距平面计算出了投影仪姿态信息用于后续的畸变区域获取最后结合投影面、数字微镜设备与投影光线几何关系和最优搜索方法设计了畸变区域顶点信息获取算法、最优校正投影区域搜索算法和数字微镜顶点位置信息获取算法获取了用于改变空间光调制器矩阵的四顶点信息实现了畸变校正的目的并通过仿真和校正实验对调校精度、调校时长、画面尺寸和数字微镜设备利用率进行了分析 研究结果表明:角度校准偏差.调校时间 与基于摄像头的智能校正法相比智能调校系统的校正速度提高了 倍满足了调校系统操作简单、精度高、响应快等要求该系统亦可推广应用于中长焦投影仪畸变画面的智能调校关键词:超短焦投影仪畸变画面投影姿态校正精度校正区域智能调校系统中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.().:引 言超短焦投影仪拥有较小的投射比具有投射距离短、投射画面大、抗光性强等优势被广泛地应用在数字教学、会议演示、军事指导等领域满足了“大画面工程设计”需要极大提升了工程投影室内外应用的“空间场景适应能力”但是投影仪姿态的变化会导致靠近投影幕布一侧的光线扩散小于较远一侧的光线扩散投射出来的画面易产生水平或(和)垂直线性畸变因此开发超短焦投影畸变调校系统对提升画面质量和视觉效果具有十分重要的意义当前普通投影仪的画面几何畸变校正受到研究者们的广泛关注 常见的校正方法主要有:)艾洛维四角梯形校正法 用户采用遥控器调节画面左上、左下、右上、右下 个顶点的空间位置实现整个画面调节功能 但调校过程较为繁琐耗时适用人群有限且调校精度达不到最佳的画面投影效果)机械调节法 王环龙等人提出了一种高精度无感梯形校正模组通过在投影仪本体底部设置水平角度机构和垂直角度机构调节投影画面与投影位置呈水平垂直状态和上下垂直状态保证投射光的中轴线与投影幕布呈 垂直状态解决了现有投影仪梯形校正时间长和精度差的问题但是该校正模组结构复杂装配精度难以得到保证)基于摄像头的自动梯形校正法 等人提出了预补偿方法将待投影的图像预先用校正参数进行处理然后再投影到幕布实现了校正目的但是校正参数的获取一般通过投影仪与摄像头、投影墙与摄像头间的几何关系得到在不允许投影墙设置标志点的特殊情况下难以获取校正参数 钟波等人提出了基于预定图像模板匹配的校正方法通过对比摄像头实时采集的投影画面与预定图像模板得出了校正参数但是实时采集的投影画面易受环境光照干扰 等人提出了一种基于相位标靶的投影仪畸变校正方法并在相机畸变的基础上对获取相位条纹图像进行了研究利用液晶显示器自显条纹的绝对相位建立了相位坐标系对投影畸变进行了测量和预补偿提高了投影质量和光学测量系统中的测量精度但是由于超短焦投影仪的投射比小、水平和垂直视场角远大于普通投影仪导致摄像头无法精确获取特定图的投影画面仍存在畸变调校效果不理想等问题为了满足企业需求迫切需要解决投影姿态与画面校正的问题笔者以某超短焦投影仪为研究对象进行投影姿态与畸变画面关系分析、校正算法推导及仿真模拟并实地搭建调试平台测试不同姿态变化下的画面智能校正时长和精度获得可行的高精度智能调校系统满足高端投影行业对投影姿态提出的自由化要求 理论分析.投影原理笔者所研究的投影仪是一款采用数字光处理投影技术的反射式超短焦投影仪采用数字微镜设备()作为光学成像器件实现数字光学处理过程 是一种电子输入、光学输出的微机电系统能够实现高速、高效及可靠的空间光调制是光机模组的核心器件 每一个 都含有最多 个独立控制的微镜片数量与投影画面的分辨率相符在相应的 存储单元上排布成矩阵结构通过中央处理器控制每个微镜元件的动作改变入射光的特性实现所需的空间光调制效果超短焦投影仪投影原理如图 所示图 超短焦投影原理图 中光源发出的光通过会聚透镜到快速转动的色轮(由红、绿、蓝滤波系统组成)产生红、绿、蓝三基色由透镜顺序地投射到镶有微镜面阵列的 芯片表面微镜面以 的频率转动反射入射光经由反射式广角镜头投射出画面实现可视数字图像投影显示.姿态与畸变类型分析投影仪姿态的变化主要产生的是水平或(和)垂直方向的画面畸变 为了更加全面、客观地评价畸变类型笔者依据投射比、尺寸、水平/垂直视场角、垂直偏移角等技术参数得出光源、和投影画面之间的几何关系建立兼顾水平左右转动、垂直机 电 工 程第 卷俯仰转动作业状态下的畸变区域特征点识别模型通过改变投影仪位姿信息可获取畸变画面所有类型典型畸变画面类型如图 所示图 畸变画面通过畸变类型分析校正情况有 种分别是:左转投影、右转投影、仰视投影、俯视投影、左转 仰视投影、左转 俯视投影、右转 仰视投影和右转 俯视投影 综合考虑视场角、偏移角、可接受校正可视尺寸等因素可得出临界校正角度分别为:水平、垂直上倾 和垂直下倾.校正方案从光路原理分析投影仪放置角度偏差导致的画面畸变属于大像差系统问题不需考虑衍射影响同时考虑校正后的画面在原投影范围内不会产生新的像差基于几何光学原理可采用的校正方案有两种分别是机械法和解析法校正方案对比如表 所示表 机械法和解析法对比方案机械法解析法校正原理通过高精度机械传动装置调整 芯片(或投影镜头)与屏幕平行通过控制 芯片中的空间光调制器产生数字化的动态掩模板优点画面尺寸无损失只需借助处理器快速、高效计算能力完成校正数据处理成本低缺点传动装置加工或装配精度难以达到要求转动导致视场变大像差可能超出设计范围受投影仪内部物理空间限制成本高画面尺寸有损失 由于解析法校正响应快、成本低、校正灵活此处笔者采用解析法超短焦投影校正原理如图 所示图 中:标定好的角度检测模块实时监测投影仪图 超短焦投影校正原理的姿态情况输出投影仪水平和垂直倾斜角度给校正模块校正模块利用倾斜角度和投影模型确定畸变区域顶点信息(图 中的 点、点、点和 点)基于搜索算法获取最优校正区域顶点信息(图 中 点、点、点和 点)进而获取 芯片实际工作区域的新顶点坐标信息改变空间光调制器矩阵与光轴倾斜产生的畸变相抵消投影模块投射出校正后的画面 在投影区域中显示为规则的矩形画面 投影姿态信息获取飞行时间多区域测距()系统采用的是 传感器 它能直接测量时间来对应距离 测距的主要原理是通过单光子雪崩二极管接收光子产生相应电流由时间数字转换器来计算时间经过 次的发射与接收时间数字转换器能够记录 次()光飞行时间生成一个关于飞行时间分布的直方图求其出现频率最大的飞行时间值作为目标值得出实测距离 /系统视场描述和 工作模式下的区域映射关系如图 所示图 系统视场描述和 区域映射根据图 描述可知 系统水平视场角为、垂直视场角为、对角视场角为 模式下视场区域映射图中的数值代表的是 个距离检测点可输出检测范围内 个原始距离数据为了保证距离数据稳定性笔者选择 次采集 组距离数据进行分析第 期张颜艳等:超短焦投影畸变调校系统设计 个检测点的 组距离值如图 所示图 检测距离数据由图 可知不同检测点的 组数据的差值体现了测距的稳定性 通过方差分析发现 模式下测距误差 投影姿态信息获取的关键是拟合三维空间散点找到检测平面 笔者采用误差函数的极小值点法 设、为平面的最优参数对于不过原点的平面方程为 将 个检测点的 组空间坐标代入平面方程中存在误差所有误差的平方和函数表达式如下式所示:()()()式中:为检测点到平面误差()为检测点空间坐标 误差的平方和函数为、的函数是 维空间中的 个下凸超平面具有唯一极小值也是全局最小值笔者利用误差的平方和函数对、的一阶偏导为 经整理可得:()将式()简化为三元一次方程组求解可得、的值得出拟合平面方程三元一次方程组如下:()其中:()对于投影仪偏移角度数据还需完成初始位置正面标定首先将投影仪摆正(可用水平仪查看)在投影幕布上投射出 个标准矩形再利用 系统的传感器视场角度和 个检测点到拟合平面的距离信息获取投影仪与投影面法线夹角 此时进行正面零位标定如果光机偏移角度过大、检测区域有异物或是贴有不同反射率的材料点到拟合平面的距离数据会大于 检测点所测距离数据在角度计算时为无效数据对其进行拦截 畸变校正核心算法.畸变区域顶点信息获取算法顶点信息的获取需要借助空间投影平面和投影光线方程 根据投影仪特定的透射比、光源、分辨率等参数笔者建立空间投影平面方程(即由光源和 顶点坐标建立空间投影光线方程)如果投影光线与投影 平 面 不 平 行 将 存 在 交 点 即 畸 变 画 面 的顶点空间投影光线与投影平面的交点如图 所示图 投影平面与投影光线图 中光线 过点()方向向量为()则光线方程的参数形式如下:()投影平面 过点()其法线向量为()则平面方程的点法式形式如下式所示:()()()()机 电 工 程第 卷投影光线和投影平面的交点()将同时满足式()、式()可联立求解得出参数表达式如下式所示:()()()/()其中:()当 时表示光线与投影平面平行投影幕布上没有投影画面所以此处的 联立式()、式()、式()求解出畸变画面的顶点位置坐标()位置坐标计算公式如下:()()()()()()()()()().最优校正投影区域搜索算法搜索算法是利用计算机的高性能有目的地根据初始条件和扩展规则穷举一个问题解空间的所有可能情况寻找符合目标状态的节点从而求出问题解的一种方法典型的畸变画面搜索方向如图 所示图 搜索方向针对图 中畸变画面特点笔者确定搜索基点、搜索方向(为水平方向为垂直方向即按十字方向搜索)、搜索步长(合理的选择与全局搜索能力密切相关)和终止条件(按照画面比例/进行设置)当搜索进行到终止条件时以最后的搜索基点作为校正画面的左上顶点依次得出另外 个顶点坐标搜索具体步骤为:)选择 中点作为搜索基点()()()()令 投影区域内的点集为 则()直线方程为 ()直线方程为 ()直线方程为 ()方向:若()()则():()(扩大搜索范围):否则停止搜索迭代 令 ()如果 ()()则令():():()()()作为新的搜索基点重复)如果 ()()则令():():()()作为新的搜索基点重复)如果 ()()满足终止条件迭代搜索结束进而确定出符合画面比例要求的最大校正区域的 个顶点位置坐标信息.顶点位置信息获取算法笔者以校正画面的 个顶点和光源坐标建立 条直线方程求解出直线与 平面的交点位置坐标即为 芯片新顶点具体算法流程即 新顶点信息获取流程如图 所示图 新顶点信息获取 仿真分析根据企业对投影畸变校正精度及响应等具体需求笔者将投影仪的主要参数(水平视场角.第 期张颜艳等:超短焦投影畸变调校系统设计垂直视场角.垂直偏移角.投射比.工作面尺寸.光心与幕布距离.)代入校正系统正投时可得到投影画面通过改变投影仪放置姿态对校正前后画面进行仿真研究 种典型姿态变化产生的畸变画面和校正画面如图 所示图 畸变画面校正仿真仿真结果表明:调校系统校正后的画面是 个 的标准矩形画面解决了因投影仪水平和垂直姿态组合改变引起的画面畸变问题符合视感效果要求当投影仪校正范围为水平 、垂直下倾 时 利用率大于 屏幕显示尺寸大于 可以实现最优校正达到用户可接受范围 实验与结果分析为了进一步验证智能调校系统的可行性及校正效果笔者搭建了实验平台(调试平台)实验平台(调试平台)的实物图如图 所示图 实验平台(调试平台)图()为笔者自主研发的校验设备用于准确改变投影仪水平 垂直位姿以验证校正算法的准确性图()为笔者搭建的暗室环境用于整机设备调校接下来需要按照校准算法编写工具类代码 在软件系统中笔者创建 个相对应的类对象将 系统测得的投影仪姿态偏转角度采用对象调用方法计算出标准矩形校正画面所对应的 顶点坐标笔者对装有调校系统的超短焦投影仪进行 种典型畸变调校整机调试主要数据如表 所示由表 可知:不同放置姿态作业下 的顶点坐标和投影画面尺寸不同调校画面角度偏差.机 电 工 程第 卷整机调校时长 相对于普通投影仪基于摄像头的智能校正技术的速度快 倍笔者将调校好的投影仪放在家用床头柜进行应用并改变其放置姿态 当投影仪发生水平向右移动和垂直向下倾斜时投影画面为不规则的四边形几何畸变严重表 整机调试数据姿态信息顶点值角度偏差/()调校时长/画面尺寸/水平左转 左上()右上()左下()右下().水平右转 左上()右上()左下()右下().垂直上倾 左上()右上()左下()右下().垂直下倾 左上()右上()左下()右下().左 上 左上()右上()左下()右下().左 下 左上()右上()左下()右下().右 上 左上()右上()左下()右下().右 下 左上()右上()左下()右下().投影画面校正前后对比图如图 所示图 校正前后投影画面图 中智能调校系统能够根据 系统输出的实测偏移角度在.内快速实现畸变画面自校正校正好的画面如图()所示案例表明该系统能够有效抵消超短焦投影仪放置姿态变化所造成的画面畸变 结束语针对超短焦投影畸变问题笔者提出了一种高精度超短焦投影畸变智能调校系统采用软件仿真及实验平台验证了调校系统的可行性实现了对输入视频投影图像几何畸变进行快速、精准校正的目的主要研究结论如下:)该智能调校系统调节精准、效率高 通过研究不同旋转角度状态下的投影区域畸变规律利用搜索算法获取了最大 矩形校正画面反推计算获得了 四顶点坐标 种不同投影畸变智能校正响应时间 内完成畸变角度偏差可控制到小数点后两位校正精度和效率高)校正角度范围广 投影画面调校实验表明:当投影仪倾斜角度过大如“水平转动 垂直下倾”智能校正后的显示尺寸仍能达到.且视频显示清晰度较高能够较好地满足大部分用户需求目前笔者主要解决了超短焦投影仪水平或(和)垂直姿态变化下的畸变问题 在后续的研究工作中笔者将在当前校正方法基础上开展针对不同投射比的投影仪畸变画面智能校正以及放置姿态倾斜下投影仪畸变画面的校正参考文献():潘 艺.新科技在博物馆展示设计中的应用与研究.第 期张颜艳等:超短焦投影畸变调校系统设计中国民族博览():.():.():.蔡陈松孙旭涛周政.梯形校正方法、装置、投影仪及计算机可读存储介质:中国.王环龙孙明芳仇仁刚.投影仪高精度无感梯形校正模组:中国./.:.:.杨树财于 松苏 帅等.六通道球幕投影图像畸变校正及融合板设计.仪器仪表学报():.:.钟波肖适刘志明.一种投影仪和投影画面几何校正方法、装置及系统:中国.孙承山.一种基于摄像头的投影仪自动梯形校正系统:中国.():.高 源周家辉倪 瑶等.一种 投影技术应用开发平台:中国.():.张思琪周思翰杨卓俊等.基于数字微镜器件的无掩膜光刻技术进展.光学精密工程():.刘祥彬戴洁.一种 组件及 投影装置:中国.曲焱炎宫 娜李平川.虚实体分析法在组合体读图中研究.机械设计():.雷 茂郭 锋秦明伟.基于改进 算法的太赫兹图像超分辨率重建.传感器与微系统():.本文引用格式:张颜艳刘 伟苏文露等.超短焦投影畸变调校系统设计.机电工程():.():.机电工程杂志:/.机 电 工 程第 卷