投影仪的二维校准方法、投影仪以及校准系统与流程

本发明涉及一种投影仪的二维校准方法、投影仪以及校准系统。

背景技术：

三维重建是指对三维物体建立适合计算机表示和处理的数学模型，是在计算机环境下对其进行处理、操作和分析其性质的基础，也是在计算机中建立表达客观世界的虚拟现实的关键技术。

光栅投影进行三维重建是一种三维重建方式，将光栅分别投影到参考平面和被测物体表面，由于参考平面选取的是水平平面，投影到上面的参考光栅不会发生变形；当光栅投影到被测物体表面时，光栅会产生不同程度的变形，是由于投影光栅受到了被测物体表面高度的调制。所放置的被测物体高度不同，光栅的相位变化程度也随之不同，二维平面变形条纹的相位变化中携带有物体表面的三维形貌信息。因此，通过求取相位的变化值，可以得到物体在相应点处的高度，从而得到三维物体的轮廓形状。

现有的光栅投影进行三维重建中存在对投影装置精度要求较高，民用投影仪因为失真现象无法获取精准的3d模型的缺陷。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中光栅投影进行三维重建中存在对投影装置精度要求较高，民用投影仪因为失真现象无法获取精准3d模型的缺陷，提供一种能够提高投影仪投射影像的保真率，提升投影效果，利用投影仪光栅建立3d模型更加准确的投影仪的二维校准方法、投影仪以及校准系统。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种投影仪的二维校准方法，其特点在于，所述二维校准方法包括：

所述投影仪按照亮度值依次投射若干灰度影像，每一灰度影像设有一亮度值；

拍摄所述投影仪投射的灰度影像以获取拍摄影像，每一拍摄影像与校准影像一一对应；

获取灰度影像的亮度值与拍摄影像的亮度信息的对应关系，其中所述亮度信息包括至少两个亮度值及亮度值之间的关联信息；

所述投影仪利用所述对应关系的逆变换处理一目标影像获取一校准影像。

较佳地，所述获取灰度影像的亮度值与拍摄影像的亮度信息的对应关系包括：

对于一目标拍摄影像，将目标拍摄影像对应的拍摄影像划分为若干影像区域；

获取每一影像区域的亮度值以及影像区域的位置信息；

根据影像区域的亮度值和位置信息获取所述亮度信息；

获取灰度影像的亮度值与拍摄影像的亮度信息的对应关系。

较佳地，所述对应关系为灰度影像的亮度值与拍摄影像的亮度信息的映射表，所述投影仪按照亮度值依次投射若干灰度影像包括：

获取一n-bit的图像；

将所述n-bit的图像划分为2ⁿ/m个亮度等级的灰度图像，任意两个相邻灰度图像的亮度值的差值为m。

较佳地，所述拍摄所述投影仪投射的灰度影像以获取拍摄影像包括：

拍摄所述投影仪投射的灰度影像以获取初始影像；

通过对比相邻初始影像中的差异部分获取所述初始影像中的所述投影仪的投影区域影像；

在投影区域影像中截取一预设尺寸的影像作为所述拍摄影像。

较佳地，所述二维校准方法包括：

识别所述初始影像中的所述投影仪的投影区域影像；

获取除所述投影区域影像以外的背景影像；

获取背景区域的亮度平均值；

根据亮度平均值获取一背景亮度补偿值；

获取灰度影像的亮度值与拍摄影像的优化亮度值的对应关系，所述优化亮度值为所述拍摄影像结合所述背景亮度补偿值后的亮度值。

较佳地，所述二维校准方法包括：

所述投影仪利用所述对应关系的逆变换处理一光栅影像获取一光栅校准影像；

所述投影仪向一目标物体投射所述光栅校准影像；

拍摄所述光栅校准影像的投影影像已生成反馈影像；

根据所述反馈影像生成所述目标物体的3d模型。

本发明还提供一种投影仪，其特点在于，所述投影仪包括一投影模块、一获取模块以及一校准模块，

所述投影模块用于按照亮度值依次投射若干灰度影像，每一灰度影像设有一亮度值；

所述获取模块用于获取灰度影像的亮度值与拍摄影像的亮度信息的对应关系，其中所述亮度信息包括至少两个亮度值及亮度值之间的关联信息，所述拍摄影像为拍摄所述投影仪投射的灰度影像所获取的拍摄影像，每一拍摄影像与校准影像一一对应；

所述校准模块用于利用所述对应关系的逆变换处理一目标影像获取一校准影像。

较佳地，所述对应关系为灰度影像的亮度值与拍摄影像的亮度信息的映射表，所述投影模块用于获取一n-bit的图像，并将所述n-bit的图像划分为2ⁿ/m个亮度等级的灰度图像，任意两个相邻灰度图像的亮度值的差值为m。

较佳地，所述获取模块用于获取灰度影像的亮度值与拍摄影像的优化亮度值的对应关系，所述优化亮度值为所述拍摄影像结合背景亮度补偿值后的亮度值，所述背景亮度补偿值通过所述拍摄影像中除投影区域影像以外的背景影像的亮度平均值获取。

本发明还提供一种校准系统，其特点在于，所述校准系统包括一投影仪以及一拍摄装置，所述校准系统用于实现如上所述的二维校准方法。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

本发明的投影仪的二维校准方法、投影仪以及校准系统能够使提高投影仪投射影像的保真率，提升投影效果，利用投影仪光栅建立3d模型更加准确。

附图说明

图1为本发明实施例1的投影仪的二维校准方法的流程图。

图2为本发明实施例2的投影仪的二维校准方法的流程图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

本实施例提供一种校准系统，所述校准系统包括一投影仪以及一拍摄装置。

所述投影仪包括一投影模块、一获取模块以及一校准模块。

所述投影模块用于按照亮度值依次投射若干灰度影像，每一灰度影像设有一亮度值。

具体地，所述投影模块用于获取一n-bit的图像，并将所述n-bit的图像划分为2ⁿ/m个亮度等级的灰度图像，任意两个相邻灰度图像的亮度值的差值为m。

本实施例中，所述n取值为8，m取值为2。

所述拍摄装置用于拍摄所述投影仪投射的灰度影像以获取拍摄影像，每一拍摄影像与校准影像一一对应；

本实施例的校准系统还包括一处理端，所述处理端用于生成灰度影像的亮度值与拍摄影像的亮度信息的对应关系。其中所述亮度信息包括至少两个亮度值及亮度值之间的关联信息。

所述获取模块用于获取所述对应关系。

所述校准模块用于利用所述对应关系的逆变换处理一目标影像获取一校准影像。

具体地，在本实施例中：

对于一目标拍摄影像，处理端用于将目标拍摄影像对应的拍摄影像划分为若干影像区域，并获取每一影像区域的亮度值以及影像区域的位置信息；然后根据影像区域的亮度值和位置信息获取所述亮度信息，最后生成灰度影像的亮度值与拍摄影像的亮度信息的对应关系。

由于拍摄影像中不同的区域灰度值不同，本申请根据不同区域的灰度值来校准所述投影仪，能够使投影仪获得更高的保真度。

利用所述校准系统还能够生成3d模型，包括：

所述投影仪还用于利用所述对应关系的逆变换处理一光栅影像获取一光栅校准影像。

所述投影仪还用于向一目标物体投射所述光栅校准影像。

所述拍摄装置用于拍摄所述光栅校准影像的投影影像已生成反馈影像；

所述处理端用于根据所述反馈影像生成所述目标物体的3d模型。

现有技术中，3d重建需要根据投影出来的光栅，计算每个点的相移，它对抓拍到的图像的线性度高度敏感。用消费级投影做投影光栅时，投影的亮度经过了gamma变化，投影设备本体的非一致性，用工业相机抓拍投影光栅时，投影的原始图片灰度等级与抓拍的灰度等级存在非线性关系。一般方案是预先估算投影输出的gamma曲线参数，对抓拍的图像减去一个背景亮度后，然后求反gamma变换，得出近似的投影图片的灰度等级，用此来计算投影光栅的算法。

此方法有如下缺点：

被动式校正的方法，在不同亮度背景下，需要估算背景亮度值。背景亮度可能实时变化，因此每次3d重建都需要重新估算背景亮度，导致系统实时性变差。如果一次性估算，系统鲁棒性变差，致系统精度变差。

由于背景亮度在投影仪投射空间区域不是均匀的，为了估算整个投影空间的亮度值存在较大问题，而且随着时间变化，或者人影变化，会导致背景亮度在变化，导致真是的背景亮度是不稳定的，从而导致3d重建精度不高。

现有主动式缺点：用多项式曲线拟合非线性存在不能完全恢复线性。

本实施例能够解决上述缺陷，实现提高投影仪投射影像的保真率，提升投影效果，利用投影仪光栅建立3d模型更加准确

先求出投影仪亮度和投影输入灰阶等级的线性关系。通过投影不同亮度等级的灰度图，采用高级相机抓拍投影区域的中心部分，分析投影图片灰度等级与亮度等级的非线性关系，用函数表示lcd_out＝f(input_level)，lcd_out表示接收的拍摄影像，上述非线性关系(所述对应关系)可以表格方式，或者曲线系数表达方式，要保证函数表示的整体无法达到最小，如果函数表达不准，可以按照表格对应关系表示非线性转换关系。

为了解决非线性的问题，在图片投影之前，把图片按照lcd的gamma，进行逆变换，再投影时，在进行gamma变化(伽玛校正)，这样投影出来的亮度就是线性的。解决了带有gamma投影的非线性问题。

参见图1，利用上述校准系统，本实施例提供一种二维校准方法，包括：

步骤100、获取一n-bit的图像；

步骤101、将所述n-bit的图像划分为2ⁿ/m个亮度等级的灰度图像，每一灰度影像设有一亮度值，任意两个相邻灰度图像的亮度值的差值为m；

步骤102、拍摄所述投影仪投射的灰度影像以获取拍摄影像，每一拍摄影像与校准影像一一对应；

步骤103、对于一目标拍摄影像，将目标拍摄影像对应的拍摄影像划分为若干影像区域；

步骤104、获取每一影像区域的亮度值以及影像区域的位置信息；

步骤105、根据影像区域的亮度值和位置信息获取所述亮度信息；

步骤106、获取灰度影像的亮度值与拍摄影像的亮度信息的对应关系。

在本实施例中，所述影像区域的个数为12个，每个区域的面积相同，其中所述亮度信息包括至少12个亮度值及亮度值之间的关联信息，所述关联信息是指区域的亮度值与在拍摄影像中的位置相关联。

步骤107、所述投影仪利用所述对应关系的逆变换处理一目标影像获取一校准影像。

本实施例中，所述n取值为8，m取值为2。

获取128个灰度图像，每个图像的亮度值依次是0、2、4、6…，相对应的，本实施例的拍摄影像获取的投影区域的亮度信息分别为0所对应的一个包括12个亮度值以及位置信息的列表、2所对应的一个包括12个亮度值以及位置信息的列表、4所对应的一个包括12个亮度值以及位置信息的列表、6所对应的一个包括12个亮度值以及位置信息的列表…。

利用上述的灰度图像及拍摄影像的亮度信息建立映射表格。

利用所述映射的逆变换来处理目标影像能够获取更加保真的校准影像。

利用上述二维校准方法能够实现3d建模，包括：

所述投影仪利用所述对应关系的逆变换处理一光栅影像获取一光栅校准影像；

所述投影仪向一目标物体投射所述光栅校准影像；

拍摄所述光栅校准影像的投影影像已生成反馈影像；

根据所述反馈影像生成所述目标物体的3d模型。

本实施例的投影仪的二维校准方法、投影仪以及校准系统能够使提高投影仪投射影像的保真率，提升投影效果，利用投影仪光栅建立3d模型更加准确。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：

所述拍摄装置用于拍摄所述投影仪投射的灰度影像以获取初始影像；

所述处理端用于识别所述初始影像中的所述投影仪的投影区域影像，具体地，通过对比相邻初始影像中的差异部分获取所述初始影像中的所述投影仪的投影区域影像。

所述处理端还用于在投影区域影像中截取一预设尺寸的影像作为所述拍摄影像。

所述处理端还用于识别所述初始影像中的所述投影仪的投影区域影像，并获取除所述投影区域影像以外的背景影像，然后获取背景区域的亮度平均值，最后根据亮度平均值获取一背景亮度补偿值；

所述投影仪的获取模块用于获取灰度影像的亮度值与拍摄影像的优化亮度值的对应关系，所述优化亮度值为所述拍摄影像结合所述背景亮度补偿值后的亮度值。

相对应的，本实施例的二维校准方法包括：

步骤200、拍摄所述投影仪投射的灰度影像以获取初始影像；

步骤201、识别所述初始影像中的所述投影仪的投影区域影像，通过对比相邻初始影像中的差异部分获取所述初始影像中的所述投影仪的投影区域影像。

步骤202、在投影区域影像中截取一预设尺寸的影像作为所述拍摄影像。

步骤203、识别所述初始影像中的所述投影仪的投影区域影像；

步骤204、获取除所述投影区域影像以外的背景影像；

步骤205、获取背景区域的亮度平均值；

步骤206、根据亮度平均值获取一背景亮度补偿值；

步骤207、获取灰度影像的亮度值与拍摄影像的优化亮度值的对应关系，所述优化亮度值为所述拍摄影像结合所述背景亮度补偿值后的亮度值。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。