专利名称：自动图像监视器校准系统中坐标转换的方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及图像监视器及图像监视器的自动校准系统，尤其是包括一个对显示在监视器上的图像进行捕捉并通过坐标系变换精确计算显示图像相对监视器的物理特性。
在视频监视器的装配过程中，为使显示在监视器上的图像获得所需要的显示特性，需调整图像监视器的一些参数。传统上，图像监视器在运抵客户之前，在工厂里由有经验的操作人员调整好。然而，监视器的人工调整存在着若干问题。首先，人工调整意味着人工测量显示图像的物理特性，这通常是采用卷尺。因此，测量与调整的精确性很大程度上取决于操作人员的经验。其次，疲劳的操作人员经常调整不准确。第三，人工系统不可能保证调整的稳定性、客观性和可重复性。
用于测量显示图像物理特性的另一种方法是采用光学装置和/或一个装设在X-Y定位平台上的光传感器。这种方法可以很精确，但需对CRT显示的测量系统精确校准。这种方法也很慢，因此在监视器调整速度成为主要因素情况下，不适用于监视器的生产或制造设备。
颁发给本申请的受让人的美国专利5,216,504公开了一个“自动精确视频监视器校准系统”。该系统包括一个置于图像监视器之前的单一的摄像机，用于拍摄显示图像，图像随后传送给一台计算机的图像板来分析显示图像的物理特性。摄像机同时拍摄到限定CRT发光区外缘的显示器框的图像。边框可以是一个阴罩、一个孔径格栅、一个显示边框或一个面板等类似物。边框的四个内角是确定的。当摄像机/监视器未对准时进行二维插值校正。然而，这种方法也受其精确度和角度无关性的限制。这主要是归因于对CRT的三维几何形状采用二维补偿方法。而且，由于CRT的曲率和玻璃厚度还存在着折射误差。
本项发明就是在此背景下开发的，且目的是在现有技术基础上进行改进。
本发明的用于自动图像监视器校准系统中坐标系转换的一种方法包括如下步骤拍摄图像监视器及其显示图像的摄影图像，将拍摄到的摄影图像转换为适合计算机处理的格式，对转换图像进行处理以确定转换图像的某些特征，然后将转换图像预选部分的位置坐标变换为监视器上显示图像的坐标系。
本发明的用于自动图像监视器校准系统中坐标系转换的设备包括用于拍摄图像监视器及其显示图像的摄影图像的装置，用于将拍摄到的摄影图像转换为适合计算机处理格式的装置，用于对转换图像进行处理以确定转换图像某些特征的装置，以及用于将转换图像预选部分的位置坐标变换为监视器上显示图像坐标系的装置。
本项发明的其它方面、特点及细节均可通过参阅下述结合附图对优选实施例的详细说明及所附的权利要求得到更完整地理解。
图1是本发明的用于自动图像监视器校准系统中坐标系转换系统的方框图；图2A与图2B分别是图1中图像监视器的前视图和横截面图，描述相应的坐标系；图3是图1中图像监视器中作为实例的阴极射线管的相对位置和表面形状以及阴极射线管荧光物质层位置的图示说明；图4是图1系统的摄像机像素到目标尺寸的几何转换的示图；图5是图1中图像监视器的阴极射线管的局部放大横截面图，图中所示的一个通过射线管荧光屏的一束光的轨迹以说明从无穷远处观察和从摄像机位置观察的视差；图6是当不采用图1系统时水平中心测量随摄像机监视器倾角的误差例子的图示说明；图7是采用图1系统时水平中心测量随摄像机监视器倾角的误差例子的图示说明。
本项发明的用于在自动图像监视器校准系统中转换坐标系的方法及装置或系统10，采用了一个单一的摄像机系统。如图1所示，系统10包含一个图像监视器12，它由一个阴极射线管(CRT)14及其连带边框16组成，边框如上所述可以是一个孔径格栅、一个阴罩、一个显示边框或一个荧光屏等类似物。一个固态摄像机20置于监视器12的前面，用于拍摄显示图像的图像。该摄像机与一个经改进的PC机22中的常规图像板(未画出)连接，来自摄像机的图像信号24在计算机中通过一种常规方法处理成适于计算机处理的格式。计算机通过RS-232口30与图像监视器和视频信号发生器26进行通信。视频信号发生器为图像监视器提供一个彩色视频信号32。计算机可从监视器收到设置信号，该信号告知计算机监视器的尺寸、CRT玻璃的厚度、CRT上的玻璃与荧光物质层的形状及相对位置等相关数据。另外，计算机也可通过另一种资源，如一个存储盘获取监视器设置信息。
降低摄像机/图像监视器固定状态精确度的需求及用“平面”测量单位表征结果是非常重要的。为同时解决这两个问题，本发明的系统在测量时采用了几个数字模型，这包括射线管面、荧光物质层和面板、塑料边框形状的模型以及从摄像机像素坐标系变换到“平面”单位的公式。
利用监示器的某些部分(如作为阴罩、面板或孔径格栅的边框)作为测量基准的一般方法在颁给本发明受让人的编号为5,216,504的美国专利中予以公开，在此引用，以作参考。
本申请描述了一种射线管模型和用于从摄像机像素转换到“平面”坐标系的公式。检查显示在CRT上的图形的几何形状需采用这种模式。在摄像机像素坐标系中进行具体图像的边缘测量。摄像机像素坐标系进而变换成以毫米为单位的参照“平面”帧。这种变换考虑了摄像机的透视的影响并排除了视差的影响。
系统10可以通过测量一个作为基准的系统，如一个阴罩(未画出)、一个孔径格栅(未画出)或一个显示边框16，计算出摄像机20相对CRT14的方向。通过将测量参考数据从摄像机像素迭代变换成“平面”坐标并与已知的基准尺度进行比较，计算出最佳视点。如上文所述，基准尺度是通过监视器的RS-232通讯接口30或通过预先存储在计算机存储盘上的数据获得的。
这样，由于每次被检测的CRT置于摄像机20之前都计算视点，因此系统10不必依赖于精确定位。较小的定位容限仍是必要的，以确保布局在摄像机视场内或消除传送带的摆动。
为了表示这种结果，首先给出几个定义。坐标系在图2A和2B中显示CRT的三维和“平面”坐标。坐标系是迪卡尔坐标系(X，Y，Z)。原点(0，0，0)位于CRT的前表面中CRT的轴线在荧光屏上穿出的位置。X轴沿CRT前表面水平延伸，Y轴沿CRT表面垂直延伸，Z轴从CRT轴线上水平突出。符号矢量用黑体表示，标量则不用。例如，摄像机的位置表示为vc＝(vcx，vcy，vcz)。矢量叉乘表示为x，点乘为·。摄像机像素坐标摄像机像素坐标位于摄像机传感器阵列的图像平面上。在640×480阵列上的坐标典型范围为-320≤cpx≤319，-240≤cpy≤239。坐标原点为摄像机镜头光学轴与传感器阵列的交点。视点把摄像机视为位于一个点上，该点由原点发出的矢量vc描述。摄像机指向的方向由一个单位长度矢量cpt描述。摄像机的水平像素轴由一个单位长度矢量cx描述。注意cx与cpt垂直。摄像机的垂直像素轴由一个单位长度矢量cy＝cx×cpt描述。只需三个矢量vc、cpt、cx即可完全描述对显示器的摄像机的相应方向，它们的计算关系如上所述。射线管面模型管面模型是以(x，y)的函数形式对荧光物质层或射线管表面Z坐标的描述。管面可以描述成具有x和y方向的单一或复合场域。管面也可以描述成一个明确的公式，其中的参数描述表面的形状。简单起见，此处只给出带参数a0-6的明确公式。
surface-hgt(p)＝a0[px]a1+a2[py]a3+a4[px]a5[py]a6。图3所示为一个单一场域17英寸CRT的Surface-hgt()60与phosphor-hgt()62的例子。其它模型及尺寸将会有不同的数据。在本例中，表面场域为rx＝1,300毫米及ry＝40,000毫米。摄像机像素到“平面”的变换从摄像机像素到“平面”坐标系的变换可以用一组矢量方程来描述。这些矢量方程可得出数值解。每个部分可采用迭代的方法解得。但首先要给出一个能说明该变换重要原则的简单实例。图4所示为从摄像机像素到目标尺寸y′变换的简单化几何结构，单位为毫米。透镜焦距fl及距目标距离dist已知。
在图4中，实际图像平面70的位置以虚线示出。在这些变换中，采用了相似三角形原理。数字上称图像平面70位于表示虚拟图像平面72的线上，该线在摄像机位置74另一侧的等距处。因此计算长度y′它是图像上某部分的高度76，存在一个简单的关系式，y′＝y·dist/fl。长度y是两个图像边缘之间摄像机像素的数量乘以传感器阵列上每像素的毫米距离。
例如，假设有一个系统，dist＝600毫米，fl＝16毫米，Y＝240像素·0.0135毫米/像素，则y′＝121.5毫米。但是如果距离有1毫米的误差，则计算出的目标尺寸误差将有0.2毫米。
图5所示为通过射线管荧光屏的一束光的轨迹。这表明了从无穷远处观察和从摄像机位置观察的视差。由于测量一个CRT的实际几何尺寸是一个三维对象，由此需用矢量式。下面是几个定义。
(cpx，cpy) 将被变换成“平面”坐标的摄像机像素坐标。
mmpx，mmpy毫米/每像素，传感器阵列上摄像机像素的间距。
fl 透镜焦距，单位毫米。
n 射线管表面s点处的单位法向矢量，方向向外。
变换开始先确定一个从摄像机位置vc指向被测量点的矢量p。该矢量p沿着所谓摄像机视线方向。
p＝fl·cpt+mmpx·cpx·cx+mmpy·cpy·cy确定视线在射线管表面的通过点s。这些方程的最后两个通过迭代解得。
sz＝0s＝Vc-p·(Vcz-sz)/pzsz＝surface-hgt(s)计算得出一个在点s处垂直于射线管表面的矢量。这是一个单位长度矢量。
n＝normal-vect(s)确定s点处，平行n的玻璃厚度t。厚度t是s到e′的距离。
t＝nz·(surface-hgt(s)-Phosphor-hgt(s))沿着光线到达产生被测点的荧光物上的点e。计入管玻璃的拆射率ng。令p1为p方向的单位长度矢量。
p1＝p/|p|注意到|p1×n|的叉乘值为sinθ，这里θ是视线p到玻璃表面的λ射角。考虑到折射率公式可以写成n1sinθ2＝n2sinθ1。另外的三方程计入折射率的影响。结果是从s指向e的单位长度矢量p3。
p2＝-(p1×n)×n/ngp3＝p2-n·sgrt(1-p2·p2)现在可得荧光物质层上实际产生视频图像的点e。
e＝s-t·p3/(p3·n)为计算由于玻璃厚度引起的视差值，假定在无穷远处有一视点，在该点的视矢量p′是平行于z轴的。设想在荧光物上有一虚拟点e′，假设摄像机置于无穷远处，视线仍然穿过s。
p′＝(0，0，-10)p2′＝-(p′×n)×n/ngp3′＝p2′-n·sgrt(1-p2′·p2′)e′ ＝s-t·p3′/(p3′·n)确定表面上无穷远的视点s′。由于我们假定在s区域，射线管表面和荧光物质层是平行的，玻璃厚度为常数，因此这是一种近似。
s′＝s+e-e′至此，从摄像机像素坐标(cpx，cpy)到“平面”坐标(s′x，s′y)转换完成。
(cpx，cpy)＝(s′x，s′y)逆变换采用相似的方法，可从这些公式推导出。实验验证这里说明了一个采用这些模型的优点的实例。通过对一台典型的17英寸监视器的测量表明可消除视差的影响。对一定范围的摄像机/监视器倾角测量了一个全白图案的水平中心。监视器保持固定不动，而摄像机从左到右先后被置于几个不同位置。图6显示出随着摄像机/监视器方向变化，所测得的水平中心变化的大小。这是由于存在视差引起的。图6的数据是通过有效地关闭本发明系统的三维模型部分而得出的。图7所示为引入系统的三维模型时测得的水平中心，此时消除了视差的影响。
在CRT检测中对摄像机视点的计算和从摄像机像素到“平面”坐标变换边缘位置的能力具有多个优点。降低了对测试下CRT放置的定位的准确性要求。对每个显示模型，检测系统通过从存储盘中调入一组新的模型参数(如Surface-hgt()、phosphor-hgt()、mmpx，mmpy，fl、…)进行改变。
需要这些变换使一个通用设计系统正确测量任何CRT显示器的尺寸、中心定位、图像几何形状。视差的影响被考虑进去并被消除，使得摄像机在一个很宽的位置范围内均可获得精确测量。
本实施例旨在生成实际上可用于任何CRT显示器的通常设计的显示系统。当系统被设定检测某个特定CRT显示器时，仅需改变某些模型参数。
虽然详细地描述了上述本发明的一个当前优先实施例，然而应理解，这些细节是针对该实施例的，而本发明本身由所附权利要求来规定其范围。
权利要求
1.一种将摄像机所拍摄的部分图像的位置坐标变换成与在图像监视器上显示的图像相关的图像监视器基准坐标系下坐标的方法，包括如下步骤拍摄包括显示在监视器上的显示图像的图像监视器的摄像机图像；将拍摄到的摄像机图像转换为适合计算机处理的格式；对转换图像进行处理以确定转换图像的某些特征；及将转换图像的预选部分的位置坐标变换为监视器坐标系下的坐标。
2.如权利要求1中所述的方法，其中所述拍摄步骤包括拍摄沿着显示器上显示图像的图像监视器嵌框的图像，并且还包括如下步骤接收显示图像监视器的尺寸和类型的结构数据；及其中，所述处理步骤包括比较拍摄到的嵌框图像与从设置信号得出的所期望的嵌框图像，并且所述处理步骤还包括通过上述比较确定图像监视器相对摄像机的位置和基准，并在所述变换中利用所确定的位置和基准。
3.如权利要求2中所述的方法，其中所述结构数据从图像监视器获取。
4.如权利要求2中所述的方法，其中结构数据被预先获得并保存。
5.如权利要求2中所述的方法，其中所述图像监视器包括具有预定玻璃厚度的阴极射线管，并且其中所述处理步骤包括获取玻璃厚度和曲率，以及其中所述变换步骤包括在所述变换中采用所述厚度和曲率。
6.如权利要求1中所述的方法，其中所述变换步骤包括从摄像机像素坐标到平面坐标变换位置坐标。
7.一种将摄像机所拍摄的部分图像的位置坐标变换成与在图像监视器上显示的图像相关的图像监视器基准坐标系下的坐标的系统，包括拍摄包括监视器上显示图像的图像监视器摄像机图像的装置；将拍摄到的摄像机图像转换为适合计算机处理的格式的拍摄的摄像机图像接收装置；对转换图像进行处理以确定转换图像某些特征的装置；以及将转换图像的预选部分的位置坐标变换为监示器上显示图像坐标系下坐标的装置。
8.如权利要求7中所述的系统，其中所述拍摄装置包括拍摄沿着监视器上显示图像的监视器嵌框的图像，并且还包括接收表示图像监视器的尺寸和类型的结构数据的装置；及其中，所述处理装置包括比较拍摄到的嵌框图像与从设置信号得出的所期望的嵌框图像，并且所述处理装置还包括通过上述比较确定图像监视器相对摄像机的位置和基准，并在所述变换中采用所述确定的位置和基准。
9.如权利要求8中所述的系统，其中所述结构数据从图像监视器获得。
10.如权利要求8中所述的系统，其中所述结构数据被预先获得并保存。
11.如权利要求8中所述的系统，其中所述图像监视器包括具有预定玻璃厚度的阴极射线管，并且，其中所述处理装置包括获取玻璃的厚度和曲率，以及其中所述变换装置包括在所述变换中采用所述厚度和曲率。
12.如权利要求1中所述的系统，其中所述变换装置包括从摄像机像素坐标到平面坐标变换位置坐标。
13.一种用于精确确定摄像机相对图像监视器的三维位置的方法，包括如下步骤拍摄包括监视器上显示图像的图像监视器的摄像机摄像机图像；将拍摄到的摄像机图像转换为适合计算机处理的格式；对转换图像进行处理以确定包括监视器图像的实际尺寸和形状的转换图像的某些特征；取得在摄像机处于相对监视器的预定三维位置情况下所期望的监视器图像的尺寸和形状；比较监视器图像的实际尺寸和形状和期望的监视器图像的尺寸和形状；在比较基础上计算出摄像机相对监视器的三维位置。
全文摘要
一种在自动图像监视校准系统中变换坐标系的系统，包括摄像机(20)和计算机(22)，用于摄入围绕阴极射线管的显示嵌框和CRT(12)上显示图像的图像。采用CRT管壳显示嵌框的三维模型来计算和补偿摄像机的透视图。则摄像机像素能够变换到“平面”坐标下。通过校正摄像机(20)和CRT(12)的相对位置来消除视差影响从而能够在生产线上更准确地检测、测量和降低定位准确性要求。这样，可将摄像机基准坐标系准确地坐标变换到监视器基准坐标系。
文档编号H04N17/04GK1158684SQ95194449
公开日1997年9月3日 申请日期1995年6月13日 优先权日1994年6月13日
发明者詹姆斯·R·韦布, 格雷戈里·A·克恩 申请人:显示技术实验室