一种基于3D建模和位置查表技术的图像非线性几何校正方法

技术领域

 本发明涉及图像显示领域的非线性几何校正方法技术领域，特别是涉及一种曲面投影系统中的图像几何变换方法。

背景技术

现有的多投影机大屏幕拼接系统的投影幕通常为圆柱型或球型等曲面幕，由于普通投影仪只能适应平面幕墙的投影，如果画面直接投影到曲面幕上，画面将出现严重的变形，在柱形幕上会明显上下“鼓”起来，球形幕上则会在上下左右四个方向“鼓”起来，画面内部也都存在不均匀的情况，严重影响画面质量和展示效果。因而在画面投影前需要进行图像几何校正，抵消柱形幕或球形幕等曲面幕造成的几何失真，使画面能够均匀无变形地展现在曲面幕上，保证画面的质量和震撼的展示效果。

由于幕的参数和投影机位置参数都会影响到画面不同位置的变形程度，画面变形情况由复杂三维空间众多位置关系共同确定，无法用直接的表达描述这种变形关系，而且图像变形又是几何非线性的，这给图像校正带来了很大的困难。在视频播放系统中，需要对每帧图像实时校正，这要求图像的校正算法拥有很高的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种以三维建模技术为基础建立投影仪和幕墙的三维空间模型，结合投影透视变换技术，获取图像校正过程中每个象素位置的映射关系并生成图像预变形的偏移地址查找表，实际图像校正过程中通过查找表的方式快速实时实现图像的非线性几何校正。

一种基于3D建模和位置查表技术的图像非线性几何校正方法，其步骤如下：

(1)用足够数量，通常是投影仪分辨率个数，且位置编号的小矩形对曲面幕布进行三维建模；

(2)通过透视投影变换获取图像几何变形关系，并生成像素位置查找表；

(3)通过像素位置查找表依次从原图选择像素数据，生成校正图像。

所述步骤(1)中的用足够数量（通常是投影仪分辨率个数）的小矩形对曲面幕布进行建模，建模工具可以选用OpenGL或Direct3D等常用建模工具，采用常用的顶点坐标方式绘制小矩形，由这些小矩形共同“构成”曲面幕，小矩形的填充颜色为其位置标识值，设置投影仪位置为视点，投影区域和曲面幕相交的平面为视面完成三维建模。

所述步骤(2)中，通过透视投影变换后，在视面上将生成反映图像位置变化关系的数据，将该位置变换关系转换为像素数据偏移地址查找表。位置偏移查找表实际存放的是目标像素点在原始图像数据中的偏移地址，如目标图像第5行（起始行为0行）第10列（起始列为0列）的像素点对应原始图像第3行第12列的像素点，则位置偏移值为：(每行像素数×3+12)×每像素占字节数。如果图像分辨率为1920×1080，每像素占4字节，则该像素点位置偏移值为(1920×3+12)×4=23088，也即从原始图像起始地址向后偏移23088字节的像素为目标图像第5行第10列的像素值。位置偏移查找表每个数据可以设置为4字节（无符号整形），每个表项数据依顺序表示每像素点在原始图像的偏移地址。对于目标像素点在原始图像中没有对应像素点的情况（这时应该设置目标像素为全黑色），可以定义一个特殊值来标识（如0xFFFF_FFFF）。

所述步骤(3)中，位置查找表依次存放校正图像每个像素点在原始图像中的偏移地址，逐个读取该表中偏移地址指向的像素值，组成新的图像即为校正后图像，该图像通过投影机进行投影，在曲面幕上将是均匀图像，达到图像非线性几何校正的要求。

本发明的主要原理如下：用小矩形块对弧幕进行三维建模，小矩形块数量为投影仪分辨率，小矩形块颜色值为其位置编号；设置投影仪为视点，沿投影方向作透视投影变换，视面上将出现弧幕小矩形块的“成像”，由于弧幕小矩形块的颜色值是位置坐标，因而视面的“成像”刚好反映了图像的变形关系，根据这种变形关系生成图像位置查找表；图像位置查找表按照像素点顺序存放各自像素点在校正前图像数据中的地址偏移量，则根据查找表的偏移值逐个取原始图像的像素数据，就生成校正后的图像，该图像投影到弧幕上将是均匀无变形的。

本发明一种基于3D建模和位置查表技术的图像非线性几何校正方法的优点是：由于该方法是建立在三维建模技术上，校正精度非常高，能够实现像素级校正，校正效果很好；又因为生成的校正参数在实际校正过程中转化为位置查找表，通过查找位置关系表就能完成图像的非线性校正，图像校正速度快，能满足高分辨率视频实时校正的需求；另外，该方法只需要借助三维建模工具（如OpenGL）对投影幕的曲面用小方块进行三维建模，以投影机位置为视点进行透视变换，便可获取图像预变形关系，由于柱面、球面、二次曲线面、样条曲线面、贝塞尔曲线面等投影幕面非常容易通过上述三维建模工具进行建模，因而该方法适应性强，很容易适应各类不规则曲面投影幕。

附图说明

图1是非线性几何校正实现过程示意图；

图2-a是非线性几何校正原理示意图的原始图像；

图2-b是非线性几何校正原理示意图的非线性校正（预变形）；

图2-c是非线性几何校正原理示意图的目标均匀图像（柱幕）；

图3是本发明流程示意图；

图4是本发明中小矩形块编号方法及透视投影变换后小矩形块位置的变化的示意图。

具体实施方式：

根据图1-图4所示，一种基于3D建模和位置查表技术的图像非线性几何校正方法，包括三个步骤：

(1)基于三维建模技术用小矩形块对曲面幕进行建模，小矩形块数量为投影仪分辨率，并对每个小矩形块根据位置顺序依次编号，将各自的编号作为颜色值对小矩形进行颜色填充；

(2)以投影仪为视点，投影区域和曲面幕相交平面为视面进行透视投影变换，然后从视面缓冲区读取透视变换数据，由于每个小矩形块的颜色值是其位置编号，则视面数据直接反映了图像像素点位置变化情况，即图像几何变形关系；

(3)根据图像几何变形关系生成图像几何校正查找表，查找表按顺序依次存放目标像素在原始图像数据中的偏移值，根据查找表偏移值从原始图像依次读取像素颜色，即生成所需的几何校正图像。

一种基于3D建模和位置查表技术的图像非线性几何校正方法，具体步骤如下：

(1)用投影仪分辨率个数且位置编号的小矩形对曲面幕进行三维建模

用投影仪分辨率个数的小矩形对曲面幕进行建模，小矩形的填充颜色为其位置标识值。如本发明的一个应用中，图像像素数据为32位宽，曲面幕为圆柱面幕，则小方块可依次编号为0x8000_0000，0x8000_0004，0x8000_0008……其中最高位为1表示编号数据，步长为4表示颜色值为32位。设置投影机位置为视点，投影区域和曲面幕相交的平面为视面进行三维建模。

(2)通过透视投影变换获取图像几何变形关系，并生成像素位置查找表

通过透视投影变换后，在视面上将生成反映图像位置变化关系的数据，将该位置变换关系转换为像素偏移地址查找表。如上面(1)步骤例子中，视面数据将由0和0x80xx_xxxx组成，0表示无图像数据，用纯黑色代替，0x80xx_xxxx中的0x00xx_xxxx表示该像素在原图像中的偏移地址。

(3)通过像素位置查找表依次从原图选择像素数据，生成校正图像

位置查找表逐个存放校正图像每个像素点在原始图像中的偏移地址，逐个读取该表中偏移地址指向的像素值，组成新的图像即为校正后的图像。该图像通过投影机进行投影，在曲面幕上将是均匀图像，达到图像非线性几何校正的要求。如上面(1)和(2)步骤实例中，图像位置查找表由0和0x00xx_xxxx组成，如果是0，目标像素则设置为0x0000_0000，如果是0x00xx_xxxx，则从原始图像数据中偏移地址为0x00xx_xxxx的像素为该位置的像素数据。遍历整个位置查找表，则生成完整的校正图像。