颜色补偿映射域的期望可视图像归约方法与流程

本发明涉及一种颜色补偿映射域的期望可视图像归约方法，属于增强现实技术和投影显示技术领域。

背景技术：

传统普适性的投影接收表面具有漫反射或近似漫反射的物理特性，它是具有统一反射率的标准化理想表面。顺应数据可视化、增强现实、互动影视等领域的突进式发展，为了呈现出新奇、炫动、震撼、融入感的视觉画面和特殊显示效果，多种构成形式的智能型投影系统被使用的越来越具针对性。由于投影表面材质、纹理、形状和外界环境因素等物理属性会产生变化，因此必将引起投影显示画面的几何畸变和颜色失真，二者共同决定了人眼对投影显示画面的视觉感受。

关于投影显示画面几何畸变方面的校正技术研究，已经存在多种有效的解决方案能够保障投影显示画面几何校正的可用性，这方面取得了相当数量的重要成果并显见成效，其中：既存在依靠大量人工交互调节的几何校正实现方式，又存在无需人工交互调节的自主几何校正实现方式。相对于投影显示画面的几何畸变而言，人类视觉特性决定了人眼对投影显示画面颜色失真的敏感性更高，使之成为投影显示技术领域的重点研究问题之一。关于投影显示画面颜色失真方面的补偿技术研究，虽然领域内开展了大量的、细致的、极具针对性的补偿技术研究工作，但是由于颜色失真的补偿过程严重受限于投影系统所处的现实环境和摄像系统的颜色复原能力，因此，不同工作环境中投影显示画面补偿后的显示结果也会产生色度、亮度、对比度等方面的视觉差异，甚至某些情况会导致颜色补偿过程完全失效而无法修正投影显示画面的颜色失真。投影仪-摄像机(procam)系统的颜色转换与传递过程是复杂的，它不仅与投影仪和摄像机的光学特性相关，更与现实环境的光照、硬件工作参数的设定、光线路径的中心指向等息息相关。

预投影图像颜色补偿的投影显示画面是提供给观察者的，而观察者对投影显示画面的主观视觉感受却无法直接获得，故需借助摄像机间接地模拟或替代观察者的主观视觉响应，并以此为依据具体量化如何补偿预投影图像。利用摄像机拍摄的多幅亮度标定图像，可以拟合得到投影仪与摄像机之间的亮度映射曲线，由每个像素点亮度响应曲线构成的离散映射集合仅反映了预投影图像与投影显示画面的间接变换关系，而无法保证任意预投影图像都能得到有效的补偿。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种颜色补偿映射域的期望可视图像归约方法，旨在解决期望可视图像所对应预投影图像的颜色补偿失效问题。通过对预投影图像进行颜色补偿映射域的压缩和剔除处理，确保颜色补偿过程中所有像素点的预补偿颜色值都能够得到有效计算，而不会产生颜色溢出或存在无效颜色补偿值等情况。

本发明的技术方案是这样实现的：颜色补偿映射域的期望可视图像归约方法，其特征在于：预投影图像gp的像素分辨率为q×p，其中：预投影图像gp的横向像素分辨率q＝1024、预投影图像gp的纵向像素分辨率p＝768，该方法的具体实现步骤如下：

步骤s1、设置投影仪-摄像机系统的图像采集像素分辨率为n×m，此处：图像采集的横向像素分辨率n＝5616、图像采集的纵向像素分辨率m＝3744，使用投影仪-摄像机系统拍摄一幅投影仪工作状态时的工作图像gw，工作图像gw的有效投影区域记为pz，工作图像gw中所有像素点的亮度映射曲线构成了离散映射集合ms；

步骤s2、以摄像机采集的有效投影区域pz为底版，绘制有效投影区域pz的单通道掩模图像gm，单通道掩模图像gm的像素分辨率为n×m，单通道掩模图像gm中第i行第j列像素点的取值gm(i,j)如表达式eq1所示；

表达式eq1：

步骤s3、根据单通道掩模图像gm中第i行第j列像素点的取值gm(i,j)，将离散映射集合ms中无用像素点对应的亮度映射曲线过滤掉，得到过滤后的离散映射集合mf，离散映射集合mf中第i行第j列像素点颜色通道c对应的亮度映射曲线mf(i,j,c)如表达式eq2所示；

表达式eq2：

其中：aijc、bijc、dijc、eijc均为第i行第j列像素点颜色通道c对应的亮度映射曲线mf(i,j,c)表达式的已知计算系数，sijc为投影仪投射图像中第i行第j列像素点颜色通道c对应的亮度值，rijc(sijc)为摄像机拍摄图像中第i行第j列像素点颜色通道c对应的亮度值，并且i∈[0,m-1]，j∈[0,n-1]，c∈{redgreenblue}，sijc∈[0,255]，rijc(sijc)∈[0,255]；

步骤s4、设定离散映射集合mf中亮度映射曲线mf(i,j,c)的响应区间阈值ε为180，以drijc＝rijc(255)-rijc(0)为限定条件，对离散映射集合mf中存在异常的亮度映射曲线进行清洗，则可得到异常数据清洗后的离散映射集合mw，离散映射集合mw中第i行第j列像素点颜色通道c对应的亮度映射曲线mw(i,j,c)如表达式eq3所示；

表达式eq3：wrijc(wsijc)＝aijc×arctan(bijc×wsijc+dijc)+eijcdrijc≥ε

其中：aijc、bijc、dijc、eijc均为第i行第j列像素点颜色通道c对应的亮度映射曲线mf(i,j,c)表达式的已知计算系数，wsijc为投影仪投射图像中第i行第j列像素点颜色通道c对应的亮度值，wrijc(wsijc)为摄像机拍摄图像中第i行第j列像素点颜色通道c对应的亮度值，i∈[0,m-1]，j∈[0,n-1]，c∈{redgreenblue}，wsijc∈[0,255]，wrijc(wsijc)∈[0,255]；

步骤s5、根据亮度映射曲线mw(i,j,c)的表达式eq3，利用wrijc(0)计算得到离散映射集合mw中第i行第j列像素点颜色通道c对应的最小响应值nsijc，利用wrijc(255)计算得到离散映射集合mw中第i行第j列像素点颜色通道c对应的最大响应值xsijc，其中：i∈[0,m-1]，j∈[0,n-1]，c∈{redgreenblue}，所有最小响应值nsijc构成最小响应值序列ns，所有最大响应值xsijc构成最大响应值序列xs；

步骤s6、将预投影图像gp以填充的方式叠加于有效投影区域pz之上，则形成一幅模拟图像gs，模拟图像gs的像素分辨率为n×m，模拟图像gs中第i行第j列像素点颜色通道c的取值gs(i,j,c)如表达式eq4所示，其中：i∈[0,m-1]，j∈[0,n-1]，c∈{redgreenblue}；

表达式eq4：

步骤s7、令最小响应值序列ns的最小值fsmin＝min(ns)，令最小响应值序列ns的最大值fsmax＝max(ns)，最大响应值序列xs的最小值csmin＝min(xs)，最大响应值序列xs的最大值csmax＝max(xs)，定义变量：数据量tfn、数据量tcx、全局偏移量tdf、全局压缩比trc，并且tfn＝fmsin、tcx＝csmax、trc＝1.0；

步骤s8、令全局偏移量tdf＝fsmax-tfn、数据量tcx＝tcx×trc，使得数据量tcx＝tcx+tdf，则得到如表达式eq5所示的全局压缩比trc值；

表达式eq5：

步骤s9、利用表达式eq5对模拟图像gs的每一个像素点进行全局映射偏移与压缩处理，模拟图像gs中第i行第j列像素点颜色通道c的取值gs(i,j,c)如表达式eq6所示，其中：i∈[0,m-1]，j∈[0,n-1]，c∈{redgreenblue}；

表达式eq6：gs(i，j，c)＝(gs(i，j，c)+tdf)×trc

步骤s10、令数据量tfn＝(tfn+tdf)×trc，则全局偏移量tdf＝fsmax-tfn，如果全局偏移量tdf＞5则回退至步骤s8继续处理，否则结束全局映射偏移与压缩处理，最后得到符合颜色补偿映射域的期望可视图像。

通过使用以上步骤可以得出离散映射集合的多个统计特性，根据这些统计特性不仅可以明确判断预投影图像是否符合颜色补偿映射域的取值限定要求，还能够利用这些统计结果对不符合颜色补偿映射域限定要求的预投影图像进行颜色变换，进而得到视觉感官最为理想的期望可视图像。

本发明的积极效果在于提供了一种颜色补偿映射域的期望可视图像归约方法，该方法通过对离散映射集合进行统计与分析，能够准确地得到应用于预投影图像的颜色变换参数，利用这些具有指导意义的辅助数据完成预投影图像的颜色变换，有效地优化了期望可视图像的全局表现和投影显示画面的量化调控；能够根据预投影图像的颜色分布情况不同，动态地对预投影图像进行颜色变换而生成最佳的期望可视图像。

附图说明

图1为本发明中期望可视图像归约方法的工作流程图，其中：“异常数据清洗”对应于具体实现步骤中的s2～s4；“全局映射偏移与压缩”对应于具体实现步骤中的s5～s10。

图2为本发明中投影仪-摄像机系统工作状态时的工作图像和有效投影区域示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述；图1为期望可视图像归约方法的工作流程图，其中：“异常数据清洗”对应于具体实现步骤中的s2～s4；“全局映射偏移与压缩”对应于具体实现步骤中的s5～s10；图2为投影仪-摄像机系统工作状态时的工作图像和有效投影区域示意图。颜色补偿映射域的期望可视图像归约方法，其特征在于:预投影图像gp的像素分辨率为q×p，其中：预投影图像gp的横向像素分辨率q＝1024、预投影图像gp的纵向像素分辨率p＝768，该方法的具体实现步骤如下：

步骤s1、设置投影仪-摄像机系统的图像采集像素分辨率为n×m，此处：图像采集的横向像素分辨率n＝5616、图像采集的纵向像素分辨率m＝3744，使用投影仪-摄像机系统拍摄一幅投影仪工作状态时的工作图像gw，工作图像gw的有效投影区域记为pz，工作图像gw中所有像素点的亮度映射曲线构成了离散映射集合ms；

步骤s2、以摄像机采集的有效投影区域pz为底版，绘制有效投影区域pz的单通道掩模图像gm，单通道掩模图像gm的像素分辨率为n×m，单通道掩模图像gm中第i行第j列像素点的取值gm(i,j)如表达式eq1所示；

表达式eq1：

步骤s3、根据单通道掩模图像gm中第i行第j列像素点的取值gm(i,j)，将离散映射集合ms中无用像素点对应的亮度映射曲线过滤掉，得到过滤后的离散映射集合mf，离散映射集合mf中第i行第j列像素点颜色通道c对应的亮度映射曲线mf(i,j,c)如表达式eq2所示；

表达式eq2：

其中：aijc、bijc、dijc、eijc均为第i行第j列像素点颜色通道c对应的亮度映射曲线mf(i,j,c)表达式的已知计算系数，sijc为投影仪投射图像中第i行第j列像素点颜色通道c对应的亮度值，rijc(sijc)为摄像机拍摄图像中第i行第j列像素点颜色通道c对应的亮度值，并且i∈[0,m-1]，j∈[0,n-1]，c∈{redgreenblue}，sijc∈[0,255]，rijc(sijc)∈[0,255]；

步骤s4、设定离散映射集合mf中亮度映射曲线mf(i,j,c)的响应区间阈值ε为180，以drijc＝rijc(255)-rijc(0)为限定条件，对离散映射集合mf中存在异常的亮度映射曲线进行清洗，则可得到异常数据清洗后的离散映射集合mw，离散映射集合mw中第i行第j列像素点颜色通道c对应的亮度映射曲线mw(i,j,c)如表达式eq3所示；

表达式eq3：wrijc(wsijc)＝aijc×arctan(bijc×wsijc+dijc)+eijcdrijc≥ε

其中：aijc、bijc、dijc、eijc均为第i行第j列像素点颜色通道c对应的亮度映射曲线mf(i,j,c)表达式的已知计算系数，wsijc为投影仪投射图像中第i行第j列像素点颜色通道c对应的亮度值，wrijc(wsijc)为摄像机拍摄图像中第i行第j列像素点颜色通道c对应的亮度值，i∈[0,m-1]，j∈[0,n-1]，c∈{redgreenblue}，wsijc∈[0,255]，wrijc(wsijc)∈[0,255]；

步骤s5、根据亮度映射曲线mw(i,j,c)的表达式eq3，利用wrijc(0)计算得到离散映射集合mw中第i行第j列像素点颜色通道c对应的最小响应值nsijc，利用wrijc(255)计算得到离散映射集合mw中第i行第j列像素点颜色通道c对应的最大响应值xsijc，其中：i∈[0,m-1]，j∈[0,n-1]，c∈{redgreenblue}，所有最小响应值nsijc构成最小响应值序列ns，所有最大响应值xsijc构成最大响应值序列xs；

步骤s6、将预投影图像gp以填充的方式叠加于有效投影区域pz之上，则形成一幅模拟图像gs，模拟图像gs的像素分辨率为n×m，模拟图像gs中第i行第j列像素点颜色通道c的取值gs(i,j,c)如表达式eq4所示，其中：i∈[0,m-1]，j∈[0,n-1]，c∈{redgreenblue}；

表达式eq4：

步骤s7、令最小响应值序列ns的最小值fsmin＝min(ns)，令最小响应值序列ns的最大值fsmax＝max(ns)，最大响应值序列xs的最小值csmin＝min(xs)，最大响应值序列xs的最大值csmax＝max(xs)，定义变量：数据量tfn、数据量tcx、全局偏移量tdf、全局压缩比trc，并且tfn＝fmsin、tcx＝csmax、trc＝1.0；

步骤s8、令全局偏移量tdf＝fsmax-tfn、数据量tcx＝tcx×trc，使得数据量tcx＝tcx+tdf，则得到如表达式eq5所示的全局压缩比trc值；

表达式eq5：

步骤s9、利用表达式eq5对模拟图像gs的每一个像素点进行全局映射偏移与压缩处理，模拟图像gs中第i行第j列像素点颜色通道c的取值gs(i,j,c)如表达式eq6所示，其中：i∈[0,m-1]，j∈[0,n-1]，c∈{redgreenblue}；

表达式eq6：gs(i,j,c)＝(gs(i,j,c)+tdf)×trc

步骤s10、令数据量tfn＝(tfn+tdf)×trc，则全局偏移量tdf＝fsmax-tfn，如果全局偏移量tdf＞5则回退至步骤s8继续处理，否则结束全局映射偏移与压缩处理，最后得到符合颜色补偿映射域的期望可视图像。

通过使用以上步骤可以得出离散映射集合的多个统计特性，根据这些统计特性不仅可以明确判断预投影图像是否符合颜色补偿映射域的取值限定要求，还能够利用这些统计结果对不符合颜色补偿映射域限定要求的预投影图像进行颜色变换，进而得到视觉感官最为理想的期望可视图像。