专利名称：基于转台的多投影大屏拼接方法
技术领域：
本发明涉及的是一种多台投影仪大屏幕的拼接方法，尤其涉及一种基 于转台的多投影仪大屏幕的拼接方法和系统。
背景技术：
随着信息时代的到来，数字文化产业的迅猛发展，多々某体技术在各行 业得到普遍应用，大到立体影院、会议中心的建立，小到游戏平台、网络 电视终端的进行，都渴望获得大画面、多彩色、高亮度、高分辨的显示效果，而传统的CRT显示器很难满足人们这方面的要求，行业研究人员开始尝试建立大屏幕的显示设备。早在80年代初，研究人员就开始研究高分辨率的大屏幕展示技术，人 们使用多台显示器组成的显示墙来构建高分辨率大屏幕显示设备，但由于 显示器边界破坏了画面的连续性，这类的设备实际上并不能称为真正的高 分辨率大屏幕显示设备。卯年代中期之后，随着计算机技术和投影设备的发展，研究人员开始采用计算机和投影仪组成无缝的高分辨率大屏幕显示 设备。随着研究的不断深入，研究人员已经能够利用普通的计算机组成的 计算机机群以及普通的商用投影仪，通过搭载对投影仪画面进行无缝拼接 的软件组成高分辨率的多投影显示设备。无缝拼接大屏幕构建方法是对一组投影机投射出的画面进行边缘重 叠，并通过图像技术拼接成一个没有缝隙，更加明亮、超大、高分辨率的 整幅画面，最终显示的结果就好像是一台投影机投射的画面。当两台或多 台投影机组合投射一幅画面时，会有一部分影像灯光重叠，无缝拼接的最 主要功能就是把两台投影机重叠部分的灯光进行渐变调整，使重叠区的亮 度对比度与周边图像一致，从而使整幅画面完整统一，使人眼无法分辨出 多台投影机拼接的缝隙。高分辨率多投影显示设备的构建方法包含了两部分的内容 投影仪画面的几何拼接。在投影显示下，当投影屏幕为平面时，如果
投影机的光轴与屏幕不垂直，投影图像将发生梯度变形，梯形变形是线性形变的一种；当投影屏幕为曲面时，例如球面、柱面，甚至直角平面，即 使投影机的光轴与屏幕垂直，曲面屏幕上的投影图像则会发生非线性形 变。而各投影仪画面之间不可避免的会发生错位和比例不一致。所以，必 须进行投影仪画面的几何对齐。 一般来说，需要在对投影仪画面进行几何 校正的J^出上才能进行几何对齐操作。如果没有进行几何校正，需要对齐 的两幅画面的像素比例很不均匀，原本规则的区域经过投影会产生很大的 形变，自然无法进行对齐操作。投影仪画面的亮度一致化。投影仪画面投影在投影幕上时，相邻投影 仪的画面会发生重叠，从而使投影幕上出现发亮的缝隙，影响画面的整体 感；各投影仪的亮度不一致也会导致画面出现缝隙。这些都导致了多投影 显示设备的屏幕被划分成了孤立的单元，因此，需要对投影仪画面的亮度 进行调整。几何拼接是整个构建方法中基础的 一环，只有进行完几何拼接之后， 才能够进行亮度一致化调节。大屏拼接技术发展到现在，几何拼接的方法按照自动化水平的高低可 以分为3类1. 机械校正，纯手工校正机械校正和拼接方法主要通过建立一种机械装置，将投影仪放置于其 上，通过控制机械装置来调整投影仪的角度与位置，同时调整投影仪的内 部参数，从而达到对齐与拼接的效果。2. 人工辅助的软件校正手工的方法通常是用软件投影一些标识条紋，在手工控制下通过软件 拉伸这些条紋，使其在视觉上互相对齐，投影仪之间能够拼接对准，利用 软件或者手工记录下条紋的参数，从而利用这些参数进行绘制。3. 软件校正方法为了提高校正方法的自动化程度，科学家研究了 一类软件的校正方 法。针对规则的投影屏幕，如平面、柱面、球面等，可以采用数学公式进 行推算。校正的时候只需要求取出公式的系数就可以得到投影幕和投影仪 之间的图像坐标变换关系。根据投影幕和投影仪之间的图像坐标变换关 系，还能够很方便的得到投影仪和投影仪之间的图像坐标变换关系。有了 这两个变换关系就能够进行图像畸变校正和投影仪之间的图像对齐。还有一种方法不是求投影幕和投影仪之间的图像坐标变换关系，而是 求投影仪和相机之间的图像坐标变换关系，这种方法校正的结果是针对特 定视点的，这种视点一般位于相机的拍摄的位置，当然采用一定的图形学知识也能够在视点移动后实时生成拼接数据，针对当前^L点进行大屏拼 接。实际上，以上的方法都需要使用相机拍摄投影幕上的画面，使用数学 公式计算投影幕和投影仪的图像坐标变换关系7Up,t;^的方法中，首先需 要计算7;"，7;《和7_,7_,然后使用这两个关系计算u^。而第二种 方法中，直接利用的就是关系？;^，7;^。因而，求取7;，,7;^是大屏拼接技术中的关键问题，当多投影大屏幕系统的规模较小时，7;，,7;^是比较容易求取的，只需要让投影仪投影带有编码信息的图像，经过相机拍摄后，就能够得到照片中的点对应投影图 像中哪一个点，也就求出了7;^,t;《。然而，人们对更大尺寸、更高分辨率的显示设备的追求是没有终点的，随着大屏系统的规模越来越大，最终系统的屏幕尺寸超过了相机能够拍摄 的范围，上述使用单相机的方法也就无法顺利的求取 ;—p,7;—e。目前有两种方法解决这个问题，， 一种是使用多台相机拍摄画面，并将拍摄结果拼 接到同 一个相机的画面中。另 一种方法是每次拼接相机能够拍摄到的范围 内的投影仪画面，依次将相邻的投影仪画面拼接到已拼接好的投影仪集合 的画面中，逐步增加拼接好的投影仪数目，最终拼接好所有的投影仪画面。 上面的两种方法都只适合于规则的投影幕，还没有适用于超大规模的 非规则幕的拼接方法。发明内容本发明提供了 一种可实现无缝拼接的多投影大屏幕系统的几何拼接 方法。一种基于转台的多投影大屏拼接方法，包括以下步骤 (1)定标数据采集和求解；控制投影仪在投影幕上投影出带有编码信息的图象，控制转台使安置 在转台上的相机朝向屏幕方向，相机将带编码信息的图像拍撮下来，求出
投影仪在投影幕上投影出的带有编码信息的图象与相机拍摄下来的图象之间的坐标变换关系；操作时，将相机安置在二维转台(转台可以在两个方向上旋转)上时， 测量并记录相机CCD的X， Y轴和转台的两条旋转轴的夹角；相机的光 心和转台的两条旋转轴的延长线的交叉点重合。控制投影仪在投影幕上投影出带有编码信息的图像，相机拍摄投影仪 在投影幕上投影后所产生的画面，相机拍摄的图像被称为定标数据，定标 数据不但包含了上述的相机拍摄的照片，还包含了数控转台旋转的角度数 据，按照此流程拍摄下的定标数据包含了大屏拼接所需的所有信息。控制转台使相机朝向屏幕方向，设此方向为D。。对于任意投影仪《，将相机朝向方向A，从而确保其能够拍摄《投影在幕上的全部画面。控制 ^投影带编码信息的图像，相机将图像拍摄下来，设这组图像为A， ^上 附带有《标记的编码信息；根据/,求取出《的图像坐标和的图像之间的坐 标变换关系；坐标变换关系可以用于求取投影画面畸变校正数据、投影画 面对齐数据。继续在A位置拍摄/)附近的其它投影仪的图像。例如s的图像，得到 相机图像// ，根据//和/,能够求出投影仪图像的重叠区域。(2) 投影画面畸变校正；利用步骤(1)得到的《的图像坐标和的图像坐标之间的变换关系进行投影画面畸变校正，校正过程为^Nl机图像中的选取关键点，关键点插值得到一个曲多边形/,，将曲 多边形/,进行相似变换(按比例缩放)，从而在投影图像中找到一个相似的 曲多边形/2;找到/,的关键点在投影图像中的对应点，将/2中的关键点变 形到所述的对应点，同时对/2其它点进行插值，得到图像/3, /3经过投影 后得到的画面即已经校正了畸变。(3) 投影画面对齐；利用步骤(1)得到的坐标变换关系进行才更影画面对齐； 根据转台旋转的角度、相机定标所得的内部参数、照片中/)的图像对 应的位置求出《的图像在整体投影画面中的位置，进行投影画面对齐操作；在图像求解中得到了照片中一定区域对应于视线的集合，投影画面对 齐只需要根据视线集合求该视线集合对应的画面就能够保证每一条视线 看到的不同投影仪的画面是相同的。投影画面的对齐是分两类应用分别实现的， 一类是进行实时渲染的系 统，使用渲染机群进行分布式渲染，然后在投影的同时将渲染的画面拼接 起来。另一类应用是将已经拼接好的画面投影在投影幕上。(4)重叠区定位、亮度调整；利用步骤(1)得到的坐标变换关系求出不同投影仪在投影幕上投影 出的图象中发生重叠的区域，对重叠的区域进行亮度一致化过渡，完成多 投影大屏的无缝拼接。进行亮度一致化过渡即对重叠区投影的画面进行亮 度削减，使重叠区投影的画面亮度之和等于削减前单台投影仪投影的画面 亮度。相机在朝向Z),的同时拍摄和《画面发生重叠的其它投影仪的画面，设 《投影的画面和S投影的画面在投影幕上发生了重叠，则控制^投影带编 码信息的图像，相机将图像拍摄下来，设这组图像为//， //上附带有s标 记的编码信息，//和/,是相机在同一个地方拍摄的图像，所以//和/,中的 同一坐标对应的是投影幕上的同 一个点，求出相机图像中的点在s和^的 投影图像中的对应点，这样就能够求出投影仪《和s的图像中发生重叠的 区域；利用求出的重叠区域进行亮度一致化过渡，完成多投影大屏的无缝 拼接。实现本发明方法的整个系统包含带数控转台的拍摄硬件设备一套、多 投影大屏拼接系统一套以及多投影大屏幕系统一套。 本发明方法中传送至投影机的图像，简称投影图像相机拍摄下来的图像，简称相机图像投影机投影的画面在投影幕上所成的图像，筒称投影画面本发明方法中将相机放置在高精度的数控转台上，通过控制转台转动 改变相机朝向，使相机能够拍摄到更大、更全的区域，从而确保相机在能 够拍摄到大屏幕的所有区域的同时能够保持相当高的精度。将相机安装在 数控转台上。相机的安装必须满足如下两点要求 (a)通过定标测量并记录得到CCD (相机的感光原件)的X, Y轴
和转台的两条旋转轴的夹角，或者相才几CCD的X, Y轴和转台的两条旋 转轴保持平行或垂直(即夹角0或90度)；(b)相机的光心和转台的两条旋转轴的延长线的交叉点重合。 本发明方法能够完成几何校正和几何对齐，同时还能够进行重叠区的 定位，为亮度一致化做准备。本发明方法具有非常高的自动化程度。
图1 投影在投影幕上的画面发生变形的示意图；图2 求出照片和投影图像之间的对应关系的示意图；图3 结构光编解码示意图；图4 投影画面拍摄示意图；图5 投影画面对应视锥计算示意图；图6 重叠区域计算示意图；图7 计算后得到的重叠区域示意图；图8 投影画面畸变4史正流程图；图9 实时渲染视锥计算示意图；图10视锥体侧面方程计算示意图；图11重叠区域亮度调整示意图；图12 实现本发明方法的系统结构示意图；l为相机，2为二维数控精密转台；3为控制终端，4为工作站，用来 存储图片、进行计算等；5为多投影大屏拼接系统。相机l转配在二维数 控精密转台2上，利用控制终端3控制二维数控精密转台2的旋转，从而 使相机1能够拍摄到大屏幕的所有区域。
具体实施方式
定标数据采集和求解定标数据釆集控制投影仪在投影幕上投影出带有结构光编码的图像，相机在适当位 置拍摄投影仪在投影幕上投影后所产生的画面，对获得的图像进行解码就 能得到相机拍摄的照片和投影仪内图像的对应关系，相机拍摄的照片是定
标数据的一部分。在本发明中，定标数据不但包含了上述的相机拍摄的照 片，还包含了数控转台旋转的角度数据，按照此流程拍摄下的图像数据包 含了拼接所需的所有信息，通过定标数据求解能够得到这些信息。按照如下的流程进行定标数据的采集(1) 摆设转台，调节相机的高度和朝向，设定相机的初始朝向，使 其和观众的最佳观察方向的位置、朝向重合；(2) 判断相机能否拍摄当前需要拍摄的投影仪的画面，如果不行， 则转动转台，使其能够拍摄到当前期望拍摄的投影仪《投影画面的全部区 域。记录下转台在两个维度上相对于初始朝向分别旋转的角度(l),和a,，以上两个角度分别表示转台在水平和竖直方向上的旋转角度；(3) 在拍摄完投影仪《的画面之后，相机不移动，拍摄与《的画面有重叠的其它投影仪的图像，此过程中不需要保证能够拍摄到这些投影仪 的全部区域；(4) 按照上述步骤，依次拍摄编码图像，最终拍摄完所有投影仪以 及和它们发生重叠的投影仪的编码图像。定标数据求解通过定标数据求解，可以求出用于投影画面畸变校正、投影画面对齐 以及重叠区定位的数据。(1)投影画面畸变校正数据的生成 投影画面畸变校正数据实际上就是投影仪图像和相机拍摄画面上坐标的变换关系7;^，7;^。对于平面和二次曲面等规则投影幕而言，这个变换关系可以用一个数学公式来描述，而对于不规则的投影幕，则只能够使用关键点插值的方法来确定这个变换关系，如图2中的圆圏为关键点，虚线表示插值产生的点。不管哪一种方法，都需要先对几个采样点进行计算， 求出它们在两幅图像(相机图像和投影图像)中的对应点。目前求取这样的对应关系的算法很多，不过用的最普遍的是结构光的 算法。通过在投影图像上附加主动的特征编码，经过投影、拍摄，照片上 的点也具有这样的特征编码，具有同样编码信息的点就是照片和投影图像 上的对应点。在本发明中，采用的是一种时间多路编码，在一段时间内， 投影一组图像，这组图像组合起来使每个点具有不同的编码信息，在
J. Pagds， J. Salvi， R. Garcia and C. Matabosch.的 "Overview of coded light projection techniques for automatic 3D profiling"( 《IEEE International Conference on Robotics and Automation》ICRA， 2003:133-138 )中有相关 报道。例如，这种方法在t0、 tl、 t2、 t3四个时间点上投影4幅画面。t0 时刻的图像包含黑白条紋各一条，tl将t0时刻的条紋在进行切分，每条 条紋分裂成黑白两条条紋，也就是投影黑白条紋各两条，依此类推，t2时 刻投影黑白条紋各4条，t3时刻则投影黑白条紋各8条。将每幅图像中位 于黑色条紋中的点编码为1，白色条紋中的这对应于0。 t0、 tl、 t2、 t3四 个时刻的图像分别占有一个二进制数位，则四幅图像组合起来可以有从 0000~1111共16个编码，可以区分16个图像区域。当投影更多的图像时， 就能够获得更多的编码，区分更多的图像区域，从而可以唯一确定点的图 像坐标。当黑白条紋在水平方向上交错时，可以用来求对应点的横坐标。 图3是求对应点的横坐标对应关系的示意图；同理，投影竖直方向上交错 的黑白条紋，则可以求得对应点的纵坐标对应关系。 (2)投影画面对齐数据的生成 投影画面对齐操作之前，需要知道各个投影仪的画面在投影幕上的位 置和它们之间的相互关系，本发明中，使用视线来定位投影仪的画面在投 影幕上的位置和相互关系。人眼的视线和投影幕的交点就是这个视线方向 上所见的画面内容，而这个交点的画面内容可能是由多个投影画面一起作 用的结果，投影画面的对齐就是使每条3见线和上述的多个投影画面的多个 交叉点的内容都一样，这样就保证了各个投影画面之间的几何连续性。本图4所示的定标数据的拍摄效果图，其中坐标系O-XYZ为人眼的视 点坐标系统，直线尸尸'是相机一次拍摄过程中的光轴方向，光轴是过光心 垂直于相机CCD的直线。相机位于初始位置时，它的光轴与坐标系O-XYZ 的Z轴重合，光心与原点重合，由于在拍摄过程中已知了相机相对于初始 位置旋转的角度，也就得知了直线"'在坐标系O-XYZ中的位置。接下去需要根据户P'以及投影画面在相机图像中的位置求投影画面上 的点对应的视线在坐标系O-XYZ中的位置，本发明中包含了一个约束条 件，视线都通过了坐标系O-XYZ的原点，从而大大降低了计算的难度。如图5，外面阴影矩形区域表示相机图像，中央的白色区域表示拍摄
到的某台投影仪的画面，四棱锥的顶点表示相机透镜的光心，点("。，v。)表 示光轴和成像平面的交点，需要求白色区域，也就是投影画面对应的视 线集合。在实际应用中，可以首先求出上图中虚线所示白色区域的外接矩 形所包围的区域对应的视线集合，得到所谓的视域锥体，然后进行插值求 得白色区域内部的点所对应的视线集合，这样可以大大降低计算的难度， 并提高最终系统的速度。矩形区域内的视点集合可以采用和OpenGL中视域锥体的一样的表示 法，由于相机模拟的就是人眼，所以人眼的视域锥体是由相机的参数和直 线"'在坐标系O-XYZ中的位置求得。计算方法如下使用定标软件确定相机内参，/c_y， m。， v。等。其中{/" = //血，血，办分别表示照片上一个象素在CCD上所占的物理尺寸，/为光心到CCD的距离。由图5的三角关系容易得出关系《0-K-AV/c;c,也即面045和光轴 (视域锥体主视线)的夹角，同理可以求得视域锥体的其它侧面和光轴的夹 角，而视域锥体的底和光轴垂直。这样就求出了上图矩形区域对应的视线 集合。接下去需要求投影画面对应的视线集合，直接插值求相片上某一点对 应的视线方向比较复杂，所以首先得到矩形区域在整体投影图像中对应位 置，在这个位置内插值求出最终投影仪对应的画面，插值的方法将在接下 去的内容中阐述。(3)重叠区定位数据生成如图6，图6中左图示意的是投影仪《的图像，图6中右图为同样位 置下拍摄的投影仪《的图像，由于相机位置没有移动，因而左右两幅图像 上相同坐标上的点对应的是投影幕上的同 一点，如上面的绿色框内的照片 区域对应的是投影幕上的同一区域。因而两幅图像中白色区域求交就得到 了投影幕上《和《投影产生的重叠区域在照片上所成的像，如图7。而通过对编码图像的解码，就能够得到图7所示的重叠区在投影仪《 和S投影画面中的位置，也就是说求到了 A和尸;的重叠区在《画面中的位置。依照上面的方法，可以求出与f相关的其它重叠区。投影画面畸变校正投影画面畸变校正保证观众观察到的画面和经过处理之前的投影图像一样，在图1和图2中可以看到投影图像到投影画面的畸变情况，经过 计算得到了畸变后的画面上的点和投影图像的对应关系。投影画面畸变校 正的方法如图8，分为了4个步骤。(1 )从照片中的关键点以及关键点插值得到 一个曲多边形^ ,将/,进 行相似变换(按比例缩放)，从而在投影图像中找到一个相似的曲多边形(2)将这个曲多边形以及它们内部的点一起取出来；(3 )找到/,的关键点在投影图像中的对应点，将/2中的关键点变形到上述的对应点上，同时对其它点进行插值，得到图像/3;(4) /3经过投影，然后人眼观察得到/,, /,和/2相似，所以画面的畸变不再存在。经过以上的步骤就完成了投影仪画面畸变的校正。 投影画面对齐在图像求解中得到了照片中 一定区域对应于视线的集合，投影画面对 齐首先求取投影画面所对应的视线集合，然后只需要根据视线集合求对应 的画面就能够保证每一条视线和不同投影画面的交叉点是相同的，因而画 面之间能够平滑过渡，由于每幅投影画面的内部是连续的，所以整个拼接 好的画面也是连续的。这样就完成了投影画面的对齐。投影画面的对齐是分两类应用分别实现的， 一类是进行实时渲染的系 统，使用渲染机群进行分布式渲染，然后在投影的同时将各个渲染节点渲 染的画面拼接起来。另一类应用是将一幅完整的画面通过切割，然后投影 在投影幕上，投影的同时使画面重新拼接成为一幅完整的画面。对于实时渲染系统，每台渲染节点和一台投影仪相连，整个系统具有 一个视点和主视线方向，因而具有一个统一的视点坐标系，根据这个视点 和实现方向可以确定每一台节点的视点和主视线方向。在OpenGL的渲染 系统中，问题如下已知 (1 )在定标数据采集过程中得到了光轴在视点坐标系中的位置，即z轴负方向先绕Y轴正方向旋转角度^ ,再绕过视点坐标系原点的Y轴和负 Z轴当前位置的公共垂线旋转，最终和Y轴的角度为a,。光轴所在方向的 单位向量在Y轴上的投影cosa',在ZOX平面上的投影长度为since,，继续 在Z轴和X轴的投影分别为-sina, sin电和-sina, cos电。即光轴在一见点坐标系中的方向单位法向量为(—sin a,, sin《■ ， cos ap - sin a, cos《) (式1 )参见图9,同样道理可以得到，向上方向的单位法向量为(sin(90 - a》cos ^ ， cos(90 - a; )， sin(90 - a,) sin《 ) (式2 )(2)照片中投影画面所在区域的外接矩形与光轴的关系。这个关系 用成像四棱锥表示为四棱锥左侧面与光轴夹角为《，相应的右侧面、下 侧面和上侧面与光轴的夹角分别为《,《，& 。求gluLookat函数的参数，glFrustum函数的参数。结果gluLookat 函数的视点为整个系统的同一个视点，中间三个参数为视点坐标系中的点 (-sina,sin^,cosa,，-sina,cos^)在世界坐标系中的坐标值，最后三个参数为 -現点坐标系中的点(sin(90 —a》cos^,cos(卯-a,)，sin(90 —cOsin-,)经过变换在世 界坐标系中的位置。glFrustum函数的参数与近平面有关，设近平面到视点的距离为d ，则 函数中的/e/f, r/g似，6o"o附,fop参数分另'J为—d tan《，dtan《，一c/ tan 6>3 ， d tan《。将一幅完整的画面经过切割、然后投影在投影幕上， 一种方法是将画 面贴到一个圆柱体内表面或者立方体的表面上，然后进行上面的渲染方法 进行展示，这种方法的设置就类似于实时渲染的应用。另一种方法是采用 视线直接和需要展示的图像S求交，从而求出投影仪画面中每一点在S中 对应位置。计算步骤如下(1)计算投影仪对应视线集合形成的锥体的4个侧面的法线。下面 介绍下侧面和左侧面的计算方法(参见图10):下侧面和上侧面的法向量和OY， OV共面，由于OV是投影仪的光 轴方向，所以下侧面的法向量和Y轴的夹角为a + g+90，由此求得此法向量为(-sin(a,. +《+ 90) sin ^ ， cos(a, +《+ 90), - sin(ct; +《+ 90) cos《■)(式3 ) 根据上述方法同样可得上侧面的法向量为14(- sin(a,-《+卯)sin《，cos"-《+ 90)，—sin(a;-《+ 90) cos ^)(式4 ) 左侧面的法向量为向量(-sin(《+ ((>)， 0， - cos(《+ <)))) (式5 )绕向量(cos()),0，-sin(l))^走转a角度，即向量-sin(《+())) 0一COS(《+(|))"ifcosa + (l — cosa)cos2小 一sinasin(() —(l-cosa)cos())sin(j)sin a sin命 cos a — sin a cos (|)—(l — cosa)sin<()cos<|)sin a cos小 cosa + (l — cosa)sin2 ((>(式6)同理可得，右侧面的法向量为一sin((()-cos a + (1 - cos a) cos2今一sinasin(()一(l 一 cos a) cos <|) sin <j>0sin a sin小cos a—sin a cos <|)(式7)—COS((|)--《)一(l 一 cos a) sin * cos今sin a cos命cos a + (1 - cos a) sin2 <|>(2) 求4个侧面和待投影画面的交线，交线所围成的区域就是该投 影仪需要投影的画面。4争投影画面在三维坐标系中可以为曲面也可以为 平面，以平面的^:影画面为例，介绍计算方法。视图体的上侧面的法向量为(-sin(a; _《+ 90) sin办，cos(a, - 6>2 + 90),—sin(a, -《+ 90) cos ^)(式8 ) 则其平面方程为((-sin(a,—《+ 90) sin ^ );c + (cos(a;—《+ 90))^ - sin(a,—《+ 90) cos 0,》z = 0 (式9 ) 设待投影画面位于平面z『 (式IO)处，则它们的交线为f ((- sin(a,-《+ 90) sin办);c + (cos(a, — (92 +- sin(a, - (92 + 90) cos办))z = 0 ,丄、，，、 ■{ C式11 _)类似的可以求出其它侧平面和待"^影画面的交线。在这里，通过改变z,的值可以对画面进行缩放。利用这些交线就能够得到图5中的虚线矩形区域内的视线对应的画面。(3) 在求得虚线矩形区域内的视线对应的画面后，进行二维线性插 值就能求得中央白色区域对应的画面了 ，将这个画面拉伸成投影仪画面对 应的大小，也就得到了投影仪应该投影的画面。重叠区定位、亮度调整
在得到《，《之间的重叠区域后如图7，就可以对重叠区的亮度进行亮 度调整(亮度削减)，进行亮度削减的目的是使《和S在重叠区投影的画面亮度之和等于削减前单台投影仪投影的画面亮度。如图11所示，左侧的图是重叠区对应《中的画面亮度调整示意图， 右侧是对应于《中的画面亮度调整示意图。0和1是亮度调整的权值，分 别表示亮度调整为原亮度的比率，1为不调整，0为调整为黑色。亮度的 权值从各自画面的边缘向中央递增，重叠区最靠近图像中央的区域为1， 离图像中央最远的区域为0，称亮度权值为1的边界为内边界，亮度权值 为0的边界为外边界，如示意图中标记的0和1分别指示出外边界和内边 界。而对于重叠区出边界外的区域的亮度权值按照它们离边缘的距离进行 如下计算设投影仪凡D/^对照片中的某点;c;的亮度有贡献，其中/n^^n。那么 可以设定<formula>formula see original document page 16</formula> (式12)加5 )Sw其中表示投影仪中点x;到最近的重叠区外边界的距离， o.o"(x;)si.o。将照片中的点的亮度权值赋给投影仪画面中对应的点，就求得了投影 仪中点的亮度权值(非重叠区的点的亮度权值为i.o)，用这个权值削减投 影仪画面的亮度，最终投影在投影幕上的画面重叠区的亮度就和其它区域 一致了。
权利要求
1、一种基于转台的多投影大屏拼接方法，包括以下步骤(1)定标数据采集和求解控制投影仪在投影幕上投影出带有编码信息的图像，控制转台使安置在转台上的相机朝向屏幕方向，相机将带编码信息的图像拍摄下来，求出投影仪在投影幕上投影出的带有编码信息的图像与相机拍摄下来的图像之间的坐标变换关系；(2)投影画面畸变校正利用步骤(1)得到的坐标变换关系进行投影画面畸变校正；(3)投影画面对齐利用步骤(1)得到的坐标变换关系和转台偏转的角度进行投影画面对齐；(4)重叠区定位、亮度调整利用步骤(1)得到的坐标变换关系求出不同投影仪在投影幕上投影出的图像中发生重叠的区域，对重叠的区域进行亮度一致化过渡，完成多投影大屏的无缝拼接。
2、 如权利要求1所述的多投影大屏拼接方法，其特征在于步骤(1) 中相机安置在二维转台上时，测量并记录相机CCD的X, Y轴和转台的 两条旋转轴的夹角；相机的光心和转台的两条旋转轴的延长线的交叉点重 合。
3、 如权利要求1所述的多投影大屏拼接方法，其特征在于同时利 用了步骤(1)中所述的坐标变换关系和转台偏转的角度求取投影画面畸 变校正数据、投影画面对齐数据和重叠区定位数据。
4、 如权利要求l所述的多投影大屏拼接方法，其特征在于步骤(2) 中所述的投影画面畸变校正过程为^目机图像中的关键点以及关键点插 值得到一个曲多边形/,，将曲多边形/,按比例缩放进行相似变换，从而在 投影图像中找到 一个相似的曲多边形/2;找到的关键点在投影图像中的 对应点，将/2中的关键点变形到所述的对应点，同时对/2其它点进行插值， 得到图像/3, /3经过投影后得到的画面即已经校正了畸变。
5、 如权利要求l所述的多投影大屏拼接方法，其特征在于步骤(3) 所述的投影画面对齐是将已经拼接好的画面投影在投影幕上使用渲染机 群进行分布式渲染，或在投影的同时将渲染的画面拼接起来。
6、 如权利要求1所述的多投影大屏拼接方法，其特征在于步骤U) 中重叠区的定位采用位置不变的相机拍摄相邻的投影画面，利用相机图像 得到投影画面的重叠区域，进而利用坐标变换关系求出投影图像中的重叠 区域。
7、 如权利要求1所述的多投影大屏拼接方法，其特征在于步骤(4) 所述的进行亮度一致化过渡即对重叠区投影的画面进行亮度削减，使重叠 区投影的画面亮度之和等于削减前单台投影仪投影的画面亮度。
全文摘要
本发明公开了一种基于转台的多投影大屏拼接方法，包括以下步骤(1)定标数据采集和求解；(2)投影画面畸变校正；(3)投影画面对齐；(4)重叠区定位、亮度调整。本发明方法能够完成几何校正和几何对齐，同时还能够进行重叠区的定位，为亮度一致化做准备。本发明方法具有非常高的自动化程度。
文档编号H04N9/64GK101132535SQ20071007110
公开日2008年2月27日 申请日期2007年9月12日 优先权日2007年9月12日
发明者何跃明, 刁常宇, 朱经纬, 蛟 李, 袁庆曙, 鲁东明 申请人:浙江大学