一种实现投影仪和摄像机软件同步的方法与流程

本发明属于三维扫描成像领域，尤其涉及一种投影仪和摄像机之间的软件同步方法。

背景技术：

在三维成像领域，通常人们会用投影仪和摄像机来构建基于结构光的三维扫描装置。其原理是采用投射装置(比如dlp投影仪)向被测物体投射不同图案的结构光，同时拍摄经被测物体表面调制而发生变形的结构光图像，然后通过算法反演出被测物体表面的三维形貌信息。投影仪投射的每一帧都需要显示不同的纹理。由于硬件设备限制，普通的投影仪最大帧率是60hz或120hz，对于这种实时性要求高的扫描任务，摄像机需要严格对齐投影仪的帧开始时间和帧结束时间才能正确的曝光，这往往需要投影仪和摄像机在硬件上实现精准的时间同步。要低成本地实现这一看似简单的目的往往却是比较难的。对于用硬件实现的方法，投影仪触发摄像机曝光或者摄像机触发投影仪刷新是两种常用的硬件同步手段。使用专用的投影仪硬件和摄像头并且加上同步电路可以使采集速率达到投影仪的最大扫描帧率60hz或120hz，但是带来的问题是高昂的硬件设备成本。普通的投影仪和摄像机是没有硬件同步的电路的。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明解决的是在没有同步触发硬件的条件下，如何实现普通投影仪和摄像机的时间同步问题，简化了三维成像系统装置并可相应地降低设备成本。

本发明创新性地提出一种只用软件算法即可同步投影仪和摄像机的方法，该方法解决了目前结构光三维扫描技术中投影仪与摄像机之间难以精确时间同步的问题，可以使采集到的图案频率稳定在例如30hz或60hz，从而使用普通投影仪和摄像机(没有硬件触发机构)也能够高速地采集结构光图案，可大大简化三维扫描装置并降低成本。

本发明建立在现有三维扫描装置基础上，所需的硬件设备相同，包括：投影仪、摄像机、投射屏以及计算机。计算机分别连接投影仪和摄像机，向投影仪输出投影图像信息，接收摄像机拍摄的图像信息，并根据结果判断投影仪和摄像机是否同步以及进行必要的校准。

方法包括以下步骤：

步骤1、投影仪按正片、纯黑图像、负片、纯黑图像的顺序，以s的速度投射图像；

步骤2、摄像机按s/2的速度和2/s的曝光时间拍摄步骤1投出的图像；

步骤3、计算机分析步骤2中拍摄到的图像，并计算其灰度、对比度；

步骤4、计算机根据步骤3的分析和计算，判断投影仪和摄像机是否同步，若同步，则整个同步过程结束；若不同步，则指令投影仪投射一帧纯黑图像，然后返回步骤1。

进一步地，计算机通过软件进行步骤3、步骤4中的分析和判断。

进一步地，正片、负片为互补的两幅图案。

优选地，正片、负片均为具有尖锐对比度的图案。

优选地，正片、负片均为黑白两色图案。

优选地，正片、负片均为由黑白交错的小方块组成的类似国际象棋棋盘的图案。

优选地，s的值为60hz或者120hz。

进一步地，判断投影仪和摄像机是否同步的方法为：选定一灰度值，统计具有此灰度值的像素数量，若像素数量超出或低于某一阈值，则判断为同步，否则为不同步。

优选地，选取灰度值0，统计具有此灰度值的像素数量，若像素数量超出某一阈值，则判断为同步，否则为不同步。

优选地，选取灰度值128，统计具有此灰度值的像素数量，若像素数量低于某一阈值，则判断为同步，否则为不同步。

本发明基于软件方法即可判断摄像机和投影仪是否同步，当在二者异步的时候只要在纯黑图像之前再插入一帧纯黑图像即可恢复同步，实现投影仪的每帧图像恰好被摄像机拍摄到。由此完成摄像机与投影仪二者之间的软件同步。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.基于软件实现，无需改动原有的硬件，并且不增加成本；

2.方法具有通用性。由于不借助于硬件上功能，即可解决摄像机与投影仪之间同步的难题，且该方法适用于所有此类设备；

3.方法易于实现、操作简单、不改动硬件、成本低等优点，通过相应算法可以快速实现判断，并仍保持较高的成像刷新率。

附图说明

图1、本申请的一个实施例的投影拍摄时间序列示意图；

图2、本申请的一个实施例的投影和摄像校准流程图示意图；

图3、本申请的一个实施例的理想的校准过程中拍摄到的连续两张图像以及一系列连续图像的灰度直方图，其中(1)(2)(3)对应的是同步的情况,(4)(5)(6)对应的是不同步的情况；

图4、本申请的一个实施例的在校准过程所拍摄到图像以及灰度直方图，其中(1)和(2)是同步时的结果，(3)和(4)是不同步时的结果。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本申请的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本申请可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本申请的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

以下将对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步的说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果，但本发明的保护不仅限于此。

本发明的一个实施例中，投影和拍摄的同步方法说明如下：

第一步，如图1中的投影(1)所示，投影仪投射校准图像，即图中的图案1-3，在原本连续的校准图像序列中，依次插入一帧纯黑色图像，形成交错的投影序列，这样，原来以s的速度投影，比如120fps，间隔性地插入纯黑色图像后，校准图像序列的速度变为s/2，即60fps；

第二步，用摄像机以s/2(即60hz)的速度和2/s(即1/60s)的曝光时间来拍摄投影的图像。此时拍摄到的图像序列要么是正确曝光的，如图1中的拍摄(1)，此时一次曝光时间内只出现一个校准图像，其余为纯黑色图像；要么是错误曝光的，如图1中的拍摄(2)，此时一次曝光时间内出现两个校准图像的部分从而产生图像重叠；

第三步：根据拍摄采集到的校准图案的灰度值或对比度值，选择是否需额外插入一帧纯黑色的图像，使得有效图案序列延迟一个周期，如图1中，投影(1)在额外插入一帧纯黑色的图像后变成如投影(2)的情况，此时原本错误的曝光拍摄(2)就能得到正确的结果。

如图2所示，为整个同步校准操作过程的流程图。校准开始时，投影仪以自身刷新频率s依次投射校准图案的正片、纯黑图案、校准图案的负片、纯黑图案。同时摄像机以s/2的频率和2/s的曝光时间进行拍摄。计算机根据实际拍摄图像的灰度值或者对比度来进行判断二者是否同步。

如果计算所得图像对灰度值或对比度超过阈值，则说明投影和拍摄同步，校准结束。如果计算所得图像对灰度值或对比度低于阈值，说明投影和拍摄不同步，此时在下一时刻纯黑图案之后再插入一帧，仍为纯黑图案，再进入下一步投影；如此循环直至所得的投影和拍摄同步为止。

如图3所示，图3.1为正片图像，图3.2为负片图像，两者都是黑白交错的小方块组成的类似国际象棋棋盘的图案，但黑白互补，即在图案的同一位置上，正负片黑白色正好相反，即正片为黑负片为白，或正片为白负片为黑。投影机按正片、纯黑图案、校准图案的负片、纯黑图案的序列以s的速度进行投影，摄像机以s/2的速度和2/s的曝光时间进行拍摄，统计采集到的每一帧图像的灰度像素的数量，以灰度像素最少的或者对比度最大为判断标准以此来确定摄像机的帧初始相位是否正确。具体为：如果时间同步，那么在一次拍摄中，摄像机拍摄到的图像是一个完整的正片(或负片)图像与两部分纯黑图像的叠加，此时在对比度分析上可以得到图3.3结果。如果时间不同步，那么在一次拍摄中，摄像机拍摄到的图像是部分正片图像、部分负片图像和一个完整的纯黑图像的叠加，拍摄到的图像总体效果上是从黑或白向灰色方向变化，如图3.4或3.5的所示，此时在对比度分析上可以得到如图3.6结果。由此，可以通过得到图像的对比度来判断投影仪和摄像机是否同步。

图4示出了本发明实施例产生的结果之一。当校准开始时，投影仪和摄像机基本同步，在同一拍摄积分时间内只曝光了一个黑白棋盘图像，即如图1中的拍摄1情况。此时摄像机拍摄到的黑白棋盘图像清晰，如图4.1，通过对比度分析，可以看到图像像素的灰度值集中分布在0值或255值附近，如图4.2；而当投影仪和摄像机异步时，如图1中的拍摄2，在同一拍摄积分时间内部分曝光了两个互补的黑白棋盘图像，此时摄像机拍摄到的图像是二者的重叠，如图4.3，结果是使得图像的对比度明显下降，图像像素的灰度值基本分布在中值或者弥散分布，如图4.4。此时就需要如上述的矫正步骤，即在纯黑图像之前再插入一帧纯黑图像即可恢复同步，如图1中的投影2。

同步时，图像灰度值集中分布在0值或255值附近，而不同步时，图像灰度值基本分布在中值或者弥散分布。所以，可以选取几个灰度值，例如0、128、255，统计像素数量，然后与某一设定的阈值比对，在灰度值0、255处像素数量超出阈值的，判断为同步，在灰度值128处像素数量超出阈值的，判断为不同步。

以上详细描述了本申请的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本申请的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本申请的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。