本發明屬于投影圖像處理領域，具體涉及投影圖像幾何畸變自動校正系統及

其校正方法。

背景技術：

多通道大視場投影顯示系統以其大視場、高臨場感的視覺效果，在虛擬戰場環境仿真、軍事訓練模擬、數字城市規劃、三維地理信息系統等方面得到了越來越廣泛的應用。近年來，多通道大視場投影顯示系統開始向展覽展示、調度控制、安防監控、指揮控制、工業控制、教育培訓、會議中心、戰場指揮等領域發展。多通道大視場投影顯示系統以多通道視景同步技術、幾何畸變校正技術、數字圖像邊緣融合技術、投影圖像亮度均衡和顏色校正技術為支撐，將成像計算機生成的數字圖像實時輸出并顯示在一個超大幅面的平面或曲面投影幕墻上，使觀看者和參與者獲得更大的顯示尺寸、更寬的視野、更多的顯示內容、更高的顯示分辨率、更具沖擊力和沉浸感的視覺效果。

通常情況下，大屏幕顯示系統的畫面是由多臺投影儀投射的畫面拼接而成，兩個投影儀所投射出的畫面之間會有縫隙；很多情況下大屏幕并不是平面的，而是柱狀環幕或球狀幕，這樣就使投射出的圖像產生幾何畸變，需要經過專業的圖像校正處理，即在投影前對圖像進行幾何畸變校正，最終生成一個完整、一體、無失真的多通道無縫拼接圖像。現有的投影顯示系統的圖像校正方法為傳統的手動校正方法，該方法通過手動方式進行幾何畸變校正、融合帶調整、邊緣融合和顏色校正。校正后畫面的顏色飽和度、色彩平衡、亮度均衡及圖像對比度均一般，畫面整體效果差，而且整個系統調試時間長。

技術實現要素：

本發明是在豐富的傳統手動圖像校正經驗基礎上，以先進的機器視覺技術為依托，研究開發的一種精確度高、畫面視覺效果好的投影圖像幾何畸變自動校正系統，目的在于解決手動圖像校正后畫面整體效果差，調整時間長的技術難題。

為實現上述目的，本發明所述的投影圖像幾何畸變自動校正系統包括：測控計算機、投影儀、角度檢測系統、圖像融合計算機和成像計算機；其中，所述測控計算機是系統檢測與控制的核心，是大屏幕顯示圖像自動校正系統的硬件控制平臺，測控計算機上安裝有幾何畸變自動校正軟件；所述投影儀是被校正對象，用于顯示系統投影圖像，與系統之間通過lan總線進行通信；所述角度檢測系統包括高精度機器視覺云臺和數字相機；所述高精度機器視覺云臺通過rs232總線與測控計算機連接，測控計算機發出動作指令，控制云臺動作，使其達到指定角度；所述數字相機安裝在高精度機器視覺云臺上，與測控計算機之間通過usb總線或lan總線進行通信，用于采集該角度一定范圍內的目標圖像；所述圖像融合計算機安裝有圖像融合軟件，用于完成投影圖像的邊緣融合與畸變校正，與系統之間通過lan總線連接；所述成像計算機是圖像源，用于生成幾何畸變校正所需要的校正圖像（控制點圖像），與系統之間通過lan總線連接。

所述幾何畸變自動校正軟件包括數字相機圖像采集與處理單元、云臺控制單元、投影儀設置模塊和投影儀校正處理單元。

其中，所述數字相機圖像采集與處理單元包括數字相機參數設置模塊、圖像采集模塊、圖像處理模塊，用于完成控制點圖像的采集、處理，并計算圖像中控制點的像素坐標值，最后將像素坐標值傳遞給投影儀校正處理單元作為控制點理論位置計算參數；所述數字相機參數設置模塊包括分辨率、曝光量、adc_level參數設置；所述圖像采集模塊，用于控制數字相機進行圖像采集，分為單幀采集和連續采集；所述圖像處理模塊，用于對圖像采集模塊所采集的圖像進行處理，包括參數設置、對比度處理、灰度處理、圖像檢測和控制點計算等，所述灰度處理法分為平均值法、加權法和最大值法。

所述云臺控制單元包括云臺狀態讀取模塊、云臺預備對準模塊，用于控制云臺搭載數字相機的成像中心指向控制點理論位置；所述云臺狀態讀取模塊，用于讀取高精度機器視覺云臺當前的水平角度和垂直角度；所述云臺預備對準模塊，用于精確控制云臺動作，直至圖像內控制點中心與數字相機所采集的圖像十字中心點重合。

所述投影儀設置模塊用于實現投影儀基本功能參數設置，并把水平和垂直投影視場傳遞給投影儀校正處理單元作為控制點理論位置計算參數；

所述投影儀校正處理單元包括控制點角度矩陣模塊、圖像畸變檢測模塊、圖像畸變校正模塊；用于將投影儀設置模塊提供的數據與其他系統參數一起進行計算得出控制點理論位置，然后控制云臺轉向此位置，再觸發數字相機圖像采集與處理單元工作，數字相機圖像采集與處理單元傳回控制點實際位置數據，最后使用控制點的理論位置和實際位置數據計算得出畸變校正矩陣，傳送給圖像融合計算機；所述控制點角度矩陣模塊，用于根據投影儀的參數設置和其他系統參數，計算云臺的轉動角度；所述圖像畸變檢測模塊，用于檢測云臺經過虛擬投影平面打出的標準點和投影儀經過虛擬投影平面打出的實際投影點，計算每個控制點的畸變角度或畸變像素數，求得投影儀水平畸變校正矩陣和垂直畸變校正矩陣；所述圖像畸變校正模塊，用于對圖像畸變檢測模塊所求得的投影儀水平畸變校正矩陣和垂直畸變校正矩陣進行進一步的數據處理，從而得到正確可靠的圖像畸變校正矩陣，最后將畸變校正矩陣通過lan總線發送到圖像融合計算機。

本發明的另一目的是提供一種投影圖像幾何畸變自動校正方法，具體包括以下步驟：

步驟s1，測控計算機控制成像計算機輸出要檢測的像素的亮點信號（稱為控制點），并通過投影儀在投影屏幕上顯示出該控制點，工作時全系統中只有一個控制點，即知道該像素在空間點應該存在的位置（實際空間坐標系內控制點中心所在水平和垂直位置，或在平面幕下對應的該控制點的水平和垂直角度）；

步驟s2，測控計算機發出移動指令，控制具有角度檢測系統的高精度機器視覺云臺轉至預定位置，即使數字相機的中心指向該像素應該存在的水平、垂直角度方向，由于顯示系統受到曲面投影屏幕和光學效應影響，導致數字相機的中心并沒有指向該像素中心應該存在的水平、垂直角度方向，也就是存在著畸變誤差；

步驟s3，測控計算機通過數字相機圖像采集與處理單元檢測分析出像素的亮點信號的中心坐標；

步驟s4，測控計算機通過數字相機圖像采集與處理單元計算出的像素的亮點信號的中心坐標在空間坐標系的坐標；

步驟s5，與該像素在空間點應該存在的理論位置（像素水平、垂直個數，或在平面幕下對應的該像素的水平和垂直角度）進行對比，計算出該像素的角度誤差和相對像素的位置誤差，形成矩陣形式的誤差表；

步驟s6，將該矩陣傳給圖像融合計算機，由圖像融合計算機完成畸變校正過程，最后通過投影儀將圖像顯示在投影屏幕上。

本發明所述的投影圖像幾何畸變自動校正原理：本發明是基于屏幕形狀和觀察點位置畸變量計算的自動調整方法，對于一個己知或可預知的光學投影系統可以通過光學的畸變計算來預先進行視景圖像的預變換，實現視景系統畸變校正。該畸變校正必要條件是已知：可用數學描繪的屏幕曲面形狀；投影儀相對屏幕曲面形狀位置；觀察者位置。當這三個特征量同時具備時，即可通過數學推導各象素畸變相關參量的方法，給予融合畸變校正計算機各個像素畸變量，實現數學畸變量計算的自動調整方法。

本發明的優點和積極效果：

（1）本發明所述的校正系統將成像計算機產生的vga或dvi信號輸入到融合計算機，經過校正后的信號再輸出到投影機，再投射到任意形狀的投影幕上，最終形成一幅整體化的、無失真的超大屏幕的投影顯示圖像。同時，可以通過調整色彩平衡和伽瑪值使得兩臺或多臺投影機投射出的圖像無縫地融合拼接在一起，從而使復雜投影環境中的多個彼此相鄰的投影圖像平滑無縫地連接，實現一體化整體顯示圖像。

（2）本發明所述的校正系統可以極為精確地設置和計算投影校正系統的設備參數及屏幕控制點參數，將這些參數輸入控制程序，啟動自動幾何校正功能，即可完成精度很高的自動幾何畸變校正，使得圖像中的每個像素都能被投射到正確的位置，從而精確控制畫面的視覺效果；幾何畸變校正參數可自動生成，可以極大地縮短系統集成周期，方便系統維護。

（3）本發明所述的校正系統可以通過修正融合計算機相關參數，修正投射圖像的幾何形狀，保證投射到幕上的畫面無幾何失真，而且支持超大尺寸的平面投幕、柱面（環形）投影幕和球面投影幕，以及各種異型投影幕顯示環境下的圖像處理，可以使任何輸入的圖像變形、彎曲、融合并使顏色匹配。

（4）本發明所述的校正方法畸變校正準確，逐像素點進行校正，不會造成局部畸變。利用控制點自動檢測算法和幾何畸變自動校正算法，解決單通道投影圖像的幾何畸變自動校正問題，幾何畸變小于2%；利用控制點識別算法，提高控制點檢測效率，單通道（9*9控制點矩陣）投影儀的幾何畸變自動校正時間小于120分鐘；對顯示系統多個通道進行幾何畸變自動校正，解決多通道投影圖像的投影畫面幾何一致性問題，實現相鄰投影儀重疊區域的無縫拼接，像素偏差小于2個像素。

附圖說明

圖1為本發明所述系統硬件部分連接示意圖。

圖2為本發明所述系統軟件部分結構框圖。

圖3為本發明所述系統工作流程圖。

圖4為本發明軟件部分進行畸變校正流程圖。

圖5投影儀參數設置示意圖。

圖6虛擬投影平面示意圖。

圖7圖像畸變原理圖。

具體實施方式

參閱圖1，本發明所述的投影圖像幾何畸變自動校正系統包括測控計算機1、投影儀2、角度檢測系統3、圖像融合計算機4和成像計算機5；其中，所述測控計算機1是系統檢測與控制的核心，是大屏幕顯示圖像自動校正系統的硬件控制平臺，測控計算機上安裝有幾何畸變自動校正軟件；所述投影儀2是被校正對象，用于顯示系統投影圖像，與系統之間通過lan總線進行通信；所述角度檢測系統3包括高精度機器視覺云臺和數字相機；所述高精度機器視覺云臺通過rs232總線與測控計算機連接，測控計算機發出移動指令，控制云臺動作，使高精度機器視覺云臺達到指定角度；所述數字相機安裝在高精度機器視覺云臺上，與測控計算機之間通過usb總線或lan總線進行通信，用于采集該角度一定范圍內的目標圖像；所述圖像融合計算機4安裝有圖像融合軟件，用于完成投影圖像的邊緣融合與曲面校正，與系統之間通過lan總線連接；所述成像計算機5是圖像源，用于生成幾何畸變校正所需要的校正圖像（控制點圖像），與系統之間通過lan總線進行通信。

參閱圖2、圖3，所述幾何畸變自動校正軟件包括數字相機圖像采集與處理單元、云臺控制單元b、投影儀設置模塊c、投影儀校正處理單元d。

其中，所述數字相機圖像采集與處理單元a包括數字相機參數設置模塊a、圖像采集模塊b、圖像處理模塊c，用于完成控制點圖像的采集、處理，并計算圖像中控制點的像素坐標值，最后將像素坐標值傳遞給投影儀校正處理單元d作為控制點理論位置計算參數；所述數字相機參數設置模塊a包括分辨率、曝光量、adc_level參數設置；所述圖像采集模塊b，用于控制數字相機進行圖像采集，分為單幀采集和連續采集；所述圖像處理模塊c，用于對圖像采集模塊所采集的圖像進行處理，包括參數設置、對比度處理、灰度處理、圖像檢測和控制點計算等，所述灰度處理法分為平均值法、加權法和最大值法。

所述云臺控制單元b包括云臺狀態讀取模塊d、云臺預備對準模塊e，用于控制云臺搭載數字相機的成像中心指向控制點理論位置；所述云臺狀態讀取模塊d，用于讀取高精度機器視覺云臺當前的水平角度和垂直角度；所述云臺預備對準模塊e，用于精確控制云臺動作，直至圖像內控制點中心與數字相機所采集的圖像十字中心點重合。

所述投影儀設置模塊c，用于實現投影儀基本功能參數設置，包括成像分辨率、控制點、成像視場等進行設置（參見圖5），并把水平和垂直投影視場傳遞給投影儀校正處理單元d作為控制點理論位置計算參數；例如：平面abcd為虛擬投影屏幕，投影儀與虛擬投影屏幕形成4棱錐形狀，虛擬投影屏幕后面的曲面為實際投影屏幕，左控制點e和右控制點f之間為屏幕水平視場，即∠epf；上控制點g和下控制點h之間為屏幕垂直視場，即∠gph；o為屏幕的基準控制點，即預備對準點（參見圖6）。

所述投影儀校正處理單元d包括控制點角度矩陣模塊f、圖像畸變檢測模塊g、圖像畸變校正模塊h；用于將投影儀設置模塊提供的數據與其他系統參數一起進行計算得出控制點理論位置，然后控制云臺轉向此位置，再觸發數字相機圖像采集與處理單元a工作，數字相機圖像采集與處理單元a傳回控制點實際位置數據，最后使用控制點的理論位置和實際位置數據計算得出畸變校正矩陣，傳送給圖像融合計算機；所述控制點角度矩陣模塊f，用于根據投影儀的參數設置，計算云臺的轉動角度，例如云臺當前水平角度為α，垂直角度為β；所述圖像畸變檢測模塊g，用于檢測云臺經過虛擬投影平面打出的標準點和投影儀經過虛擬投影平面打出的實際投影點，計算每個控制點的畸變角度或畸變像素數，求得投影儀水平畸變校正矩陣和垂直畸變校正矩陣。例如：當云臺p經過虛擬投影平面打出的標準點為s，而投影儀j經過虛擬投影平面打出的實際投影點為s’，因而圖像產生畸變，需計算每個控制點的畸變角度s’js∠或畸變像素數，以修正成像計算機，將實際投影點打到s上（參閱圖7）；所述圖像畸變校正模塊h，用于對圖像畸變檢測模塊所求得的投影儀水平畸變校正矩陣和垂直畸變校正矩陣進行進一步的數據處理，從而得到正確可靠的圖像畸變校正矩陣，最后將畸變校正矩陣通過lan總線發送到圖像融合計算機。

參閱圖3，本發明提供一種投影圖像幾何畸變自動校正方法，具體包括以下步驟：

步驟s1，測控計算機控制成像計算機輸出要檢測的像素的亮點信號（稱為控制點），并通過投影儀在投影屏幕上顯示出該控制點，工作時全系統中只有一個控制點，即知道該像素在空間點應該存在的位置（實際空間坐標系內控制點中心所在水平和垂直位置，或在平面幕下對應的該控制點的水平和垂直角度）；

步驟s2，測控計算機發出移動指令，控制具有角度檢測系統的高精度機器視覺云臺轉至預定位置，即使數字相機的中心指向該像素應該存在的水平、垂直角度方向，由于顯示系統受到曲面投影屏幕和光學效應影響，導致數字相機的中心并沒有指向該像素中心應該存在的水平、垂直角度方向，也就是存在著畸變誤差；

步驟s3，測控計算機通過數字相機圖像采集與處理單元檢測分析出像素的亮點信號的中心坐標；

步驟s4，測控計算機通過數字相機圖像采集與處理單元計算出的像素的亮點信號的中心坐標在空間坐標系的坐標；

步驟s5，與該像素在空間點應該存在的理論位置（像素水平、垂直個數，或在平面幕下對應的該像素的水平和垂直角度）進行對比，計算出該像素的角度誤差和相對像素的位置誤差，形成矩陣形式的誤差表；

步驟s6，將該矩陣傳給圖像融合計算機，由圖像融合計算機完成畸變校正過程，最后通過投影儀將圖像顯示在投影屏幕上。

如果有n個校正點可重復執行n次步驟s1至步驟s5，獲取n個誤差參數，然后將數據保存為包含n個元素的誤差矩陣，實現逐像素點進行校正，避免造成局部畸變。