一种投影颜色自适应校正方法
【专利摘要】本发明一种投影颜色自适应校正方法，1)对摄像头进行标定，消除摄像头的径向畸变和切向畸变；2)确定投影仪与摄像头之间像素点对应关系，建立对应像素点坐标映射；3)根据原始投像图像I对投影表面进行校正参数计算得到颜色校正图像C；4)对原始投影图像进行预处理，将超出颜色校正图像C的颜色范围的颜色进行拉伸得到亮度拉伸图像S；5)将亮度拉伸图像S代替原始投影图像I代入颜色校正图像C中进行全局亮度校正，将像素颜色校正值进行校验优化得到优化颜色校正图像Cfinal；6)对经过计算的优化颜色校正图像Cfinal进行绘制投影。本发明可以摆脱投影设备对专业投影幕布的依赖，在日常生活环境实现如同在白色平板幕布进行放映的效果。
【专利说明】一种投影颜色自适应校正方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种在普适计算环境领域中自适应复杂投影环境的投影颜色校正方 法。
【背景技术】
[0002] 在日常环境中对投影仪进行自适应校正需要解决非常规投影环境对投影图像的 影响，其中需要解决的一个重要的难题就是投影显示表面的固有纹理以及环境光等因素所 造成的颜色偏差和光壳度损失。
[0003] 对于投影图像的颜色校正，Nayar等对人类对投影图像颜色的视觉成像过程进行 参数化分析，将图像经过投影仪投射到显示表面然后连同如投影纹理等干扰光一起反射回 人眼的多次转换过程假设为颜色的多通道混合矩阵，然后使用相机采集多幅颜色标定图像 来实现对颜色混合矩阵的求解。该方法由于对像素点进行逐个计算，其颜色校正精度较高， 相对应需要庞大的计算量，并且需要投影多幅图像才能完成颜色混合矩阵建立。Ashdown 等人提出了一种复杂的颜色校正计算框架，该方法使用一个经过颜色标定的高动态范围 (HDR)相机对投影表面进行高分辨率图像采集，然后将采集数据转换为基于人类视觉感知 的CIELUV色彩空间并对色差值进行拟合，最后使用基于微分方程的松弛法颜色计算出颜 色校正图像。该方法可以在投影表面纹理复杂以及存在多种环境干扰光的情况下实现精确 的颜色校正，但是受限于求解方式的特殊性仅使用于对平面投影环境的静态投影图片进行 颜色校正。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种投影颜色自适应校正方法，该 方法根据基于优化朗伯特反射模型的颜色校正方法对投影图像进行颜色校正，可以有效消 除复杂投影环境对投影图像造成的颜色偏差，观察者在视觉上感知不到投影表面固有纹 理以及环境光对投影图像的影响，最终得到满足预先期望的投影图像。应用本发明公开的 自适应颜色校正方法可以摆脱传统投影设备对专业投影幕布的依赖，在日常生活环境实现 如同在白色平板幕布进行放映的效果。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0006] 一种投影颜色自适应校正方法，包含以下步骤：
[0007] 步骤1)、对安装在投影仪上的摄像头进行标定，消除摄像头的径向畸变和切向畸 变；
[0008] 步骤2)、对摄像头采集的图像数据进行分析和计算，确定投影仪与摄像头之间像 素点对应关系，建立对应像素点坐标映射；
[0009] 步骤3)、根据原始投像图像I对投影表面进行校正参数计算得到颜色校正图像 C；
[0010] 步骤4)、根据摄像头采集的图像数据，对原始投影图像进行预处理，将超出颜色校 正图像C的颜色范围的颜色进行拉伸得到亮度拉伸图像S ;
[0011] 步骤5)、将亮度拉伸图像S代替原始投影图像I代入颜色校正图像C中进行全局 亮度校正，将像素颜色校正值进行校验优化得到优化颜色校正图像C final;
[0012] 步骤6)、对经过计算的优化颜色校正图像Cfinal进行绘制投影。
[0013] 依据上述特征，所述步骤1)中对摄像头进行标定采用张正友提出的相机平面标 定法。
[0014] 依据上述特征，所述步骤3)中对投影表面进行校正参数计算采用优化的朗伯特 反射模型，建模过程如下：
[0015] 在标准的朗伯特反射模型：
[0016] Rs= (i · η) · Ri 公式 1
[0017] = I i I · I η I · cos α · R1
[0018] = cos α · R1
[0019] 中增加反射表面固有纹理T和反射表面所处环境光Re两个参数，R1为入射光辐射 度、i为入射光单位向量、η为反射表面法向量，α为入射光单位向量i和反射表面法向量 η的夹角，根据固有纹理T和环境光Re混合计算得到反射光辐射度:
[0020] R1M1 = Re. T 公式 2 ;
[0021] 由公式1计算得到的反射光辐射度馬增加反射表面固有纹理T后，得到新的反射 光辐射度R' s:
[0022] R's= cos α · R Σ · T 公式 3 ;
[0023] 综合公式1、公式2、公式3,得到优化的朗伯特反射模型，计算得到反射光辐射度 R ：
[0024] R = cos α · R1 · T+RE · T 公式 4 ;
[0025] 通对公式4得到入射光辐射度R1的计算公式：
【权利要求】
1. 一种投影颜色自适应校正方法，包含以下步骤： 步骤1)、对安装在投影仪上的摄像头进行标定，消除摄像头的径向畸变和切向畸变； 步骤2)、对摄像头采集的图像数据进行分析和计算，确定投影仪与摄像头之间像素点 对应关系，建立对应像素点坐标映射； 步骤3)、根据原始投像图像I对投影表面进行校正参数计算得到颜色校正图像C; 步骤4)、根据摄像头采集的图像数据，对原始投影图像进行预处理，将超出颜色校正图 像C的颜色范围的颜色进行拉伸得到亮度拉伸图像S; 步骤5)、将亮度拉伸图像S代替原始投影图像I代入颜色校正图像C中进行全局亮度 校正，将像素颜色校正值进行校验优化得到优化颜色校正图像Cfinal; 步骤6)、对经过计算的优化颜色校正图像Cfinal进行绘制投影。
2. 根据权利要求1所述的一种投影颜色自适应校正方法，其特征在于所述步骤1)中对 摄像头进行标定采用张正友提出的相机平面标定法。
3. 根据权利要求1所述的一种投影颜色自适应校正方法，其特征在于所述步骤3)中对 投影表面进行校正参数计算采用优化的朗伯特反射模型，建模过程如下： 在标准的朗伯特反射模型： Rs=(i·η) ·RI公式 1=IiI·IηI·cosα·R1 =cosα·R1 中增加反射表面固有纹理T和反射表面所处环境光Re两个参数，RΣ为入射光辐射度、i为入射光单位向量、η为反射表面法向量，α为入射光单位向量i和反射表面法向量η的 夹角，根据固有纹理T和环境光&混合计算得到反射光辐射度八=Rr·Τ公式 2 ; 由公式1计算得到的反射光辐射度馬增加反射表面固有纹理T后，得到新的反射光辐 射度R's: R1S=cosα·Rj·T公式 3 ; 综合公式1、公式2、公式3,得到优化的朗伯特反射模型，计算得到反射光辐射度R: R=cosα·R1 ·T+RE ·T公式 4 ; 通对公式4得到入射光辐射度R1的计算公式：
公式5; 将原阳仅影固像的红、绿、蓝三个通道分别代入R，计算得到原始投影图像对应 的颜色校正图像C:
公式6; 使入射光辐射度R1= 〇,将R:的值代入公式4得： R1=Re-T(Ri=O)公式 7; 使环境光Re= 〇,同时使用投影仪向投影表面投射白色图像W，此时Raral)=R(I，g_n) =R(I，blue) =1，即RI=1，将RE和RI代入公式4得 R2=Cosa^T(Ri=I1Re=O) 公式 8 ; 将环境光馬和投影表面的固有纹理T以及入射角度a当作常量，则公式6表示为I关 于C的颜色校正函数： C=f(I) = (1-?)/? 公式 9; 将RJPR2代入到公式6中，将计算颜色校正图像的关键问题转化为求解函数的常量1^ 和R2的值。
4. 根据权利要求1所述的一种投影颜色自适应校正方法，其特征在于所述步骤4)中将 超出颜色校正图像C的颜色范围的颜色进行拉伸的方法为： 设R1的RGB数据最大值为MAX(R (2, red) ' R(2, green)，R(2, blue))，对原始投影图像I中亮度值大 于MIN(R(1，red)，R (1，green)，R(l，blue))或者小于MAX(R(2Rfeblud)的点先进行亮度拉伸 因子SJPS2的计算：
对原始投影图像I中每个点计算像素点亮度值： Luminance= 0. 2127 ·red+0. 7152 ·green+0. 0722 ·blue公式 13 ; 根据每个点的像素点亮度值计算出平均亮度因子L; 根据亮度拉伸因子SJPS2以及原始投影图像的平均亮度因子L，计算原始投影图像I的亮度拉伸图像S: S=S1 · (I-L)+S2 ·L公式 14。
5. 根据权利要求1所述的一种投影颜色自适应校正方法，其特征在于所述步骤5)中将 像素颜色校正值进行校验优化的方法为： 步骤5. 1)、对亮度拉伸图像S代替原始投影图像I计算得到的颜色校正图像C进行分 析，设C(x，y)为颜色校正图像C上坐标为（x，y)的像素点的RGB数据，同时设集合01(x，y)和 〇2(x，y)为该点的两个亮度参考值，并且设置集合〇 :和〇2的元素初始值为〇,若点C(x，y)的RGB 数据超出亮度范围即存在（C (x，y，m) 1) >〇的情况，则：
其中me{red,green,blue})； 若在〇2(x，y)对应的〇Ud的值为〇,则表示点C(xj的RGB数据没有超出亮度范围即C(x,y, 111) ^ [〇, 1]，则有 〇2(x,y)=I-MAX(C(x, y, red)，C (x, y, green)，C (x, y, blue)) 公式16 ; 步骤5. 2)、通过公式15和公式16计算颜色校正图像C的所有像素点对应的亮度参考 值集合OJP〇 2，使用OJP〇 2对原始投影图像I的平均亮度因子L进行调整得到优化后的 平均亮度因子Lnrat，同时为亮度参考值设定一个阈值Ot得到：
步骤5. 3)用经过亮度偏差校验的平均亮度因子Lnrat计算原始投影图像对应的优化后 的亮度拉伸变换图像Snew，再次代入颜色校正图像，经计算得到的优化后的优化颜色校正图 像Cfinal: CfinalCfinal-(Snew_R2) /R：公式 18。
6.根据权利要求1所述的一种投影颜色自适应校正方法，其特征在于所述步骤6)中对 经过计算的优化颜色校正图像Cfinal进行绘制投影采用计算机图像显卡的双通道渲染方法 对预投影图像进行绘制，包含以下步骤： 步骤6. 1)使用图像绘制程序获取显卡第一个通道对原始图像进行绘制的数据，并且 对原始图像与摄像头采集图像的像素坐标映射进行存储； 步骤6. 2)、将绘制好的优化颜色校正图像Cfinal通过显卡第二个通道图像输出给投影 仪并投射于投影表面。
【文档编号】G06T7/00GK104463858SQ201410708991
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月28日 优先权日:2014年11月28日
【发明者】孔渊, 王祎璠 申请人:中国航空无线电电子研究所