基于投影图像自适应校正方法的智能投影系统研究

摘要

随着可视化技术、虚拟现实以及普适计算环境的推广，以投影光学为核心技术的各种投影设备在日常生活中扮演着重要的角色。作为教育和科研领域的一种传统辅助显示设备，常规投影机可以提供大范围可伸缩的投影图像来适应各种不同尺寸的投影显示区域。近些年来，投影机在显示流明、像素质量、制造成本等多个方面有了突破进展，但是将投影机应用在日常生活环境以及特定功能可视化显示环境中仍然会遇到各种问题，诸如复杂的非常规投影显示环境对投影图像的视觉干扰和繁琐的人工投影图像校正手段都大大局限了投影机的使用人群和适用范围。
　　在这种背景下，针对投影图像的自适应校正算法和新型智能投影系统的研究是近些年计算机视觉和投影光学等研究领域的热门问题。本文对投影图像的自适应几何校正、投影图像的自适应颜色补偿、投影图像的失焦模糊消除这三个关键问题进行研究，分别针对以上三个方向提出了单投影系统自主感知复杂投影环境的几何形态并自适应投影图像几何校正、自主感知投影环境固有纹理和环境光干扰并自适应投影图像颜色校正，以及自主感知投影失焦效果并自适应投影图像模糊消除的实时投影图像校正算法。最终，基于该算法设计并实现了一套自主感知投影环境进行投影图像自适应校正的便携式智能投影系统，同时，以现代战场作为特定应用对象将智能投影系统作为一种可穿戴式作战辅助系统进行实例研究。
　　总结起来，作者认为本文的主要贡献在于:
　　1.研究了一种基于离散像素映射集合的投影图像几何校正算法，该算法有效解决了复杂几何投影环境的投影图像几何校正问题，其核心校正流程是一个独立的投影几何图像自主校正系统，不需要人工手动进行调整，不仅简化了投影机用户的安装调校过程，还可以不受空间限制、随时随地进行放映，实现了“任意摆放、随处投影”。
　　2.研究了一种基于优化朗伯特反射模型的投影图像颜色校正算法，该算法对投影设备进行平面和非平面环境的智能几何校正和颜色补偿，可以有效消除日常生活环境中多种复杂几何表面和固有不规则纹理对投影图像引起的颜色偏差和交叉面光散射现象，最终摆脱投影设备对专业投影幕布的依赖，将任意生活场景作为“白色幕布”进行放映。
　　3.研究了一种基于多尺度卷积核模板的投影模糊消除算法，基于该算法的投影模糊消除系统可以渲染并输出投影模糊消除图像直接进行投影，相对以往研究方法具有显著的精确度和计算效率的提高。同时，该算法可以直接应用于投影系统的实时演示放映，有效提升了投影图像分辨率和细节识别度，最终实现了投影图像自适应模糊消除。
　　4.综合以上技术，实现了一套自主感知投影环境并自适应进行投影图像校正的便携式智能投影系统，同时，以复杂多变的现代战场为特定场景并结合多种人机交互技术，作为一种可穿戴式战场辅助系统进行应用。理论分析和仿真实验最终验证了系统的功能有效性和可靠性，为日常生活场景的人机交互体验和增强现实的应用提供了一种新型的可视化技术和设备。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究内容和主要贡献

1．3 文章结构

1．4 基金资助

第2章 相关工作

2．1 投影图像几何校正

2．1．1 投影图像离线几何校正方法

2．1．2 自动化投影图像几何校正方法

2．1．3 主动在线投影图像几何校正方法

2．2 投影图像颜色校正

2．2．1 投影图像颜色补偿方法

2．2．2 投影图像光辐射度补偿方法

2．2．3 图影图像全局亮度补偿方法

2．3 投影图像模糊消除

2．4 智能投影系统

2．5 本章小结

第3章 基于像素离散映射集合的投影几何校正方法

3．1 智能自适应投影几何校正系统框架

3．2 基于线面交叉算法的“投影机-摄像头”系统标定方法

3．2．1 “投影机-摄像头”系统数学模型

3．2．2 “投影机-摄像头”系统标定算法概述

3．2．3 “投影机-摄像头”系统标定算法实现

3．3 自适应有效投影区域计算

3．3．1 投影机位姿获取

3．3．2 基于形态学“生长”算法的有效投影区域确定

3．4 基于像素离散映射集合的投影几何校正

3．4．1 基于高新球形的二进制编码结构光

3．4．2 特征图采集与图像处理

3．4．3 像素离散映射集合算法

3．4．4 双通道投影几何校正图像绘制

3．5 在线实时自主校正

3．6 系统实现和算法验证

3．7 本章小结

第4章 基于优化的朗伯特反射模型的颜色校正

4．1 投影反射面基本模型

4．2 优化的朗伯特反射面数学模型

4．2．1 Oren-Nayar反射面数学模型

4．2．2 改进的朗伯特反射面数学模型

4．3 平面投影图像颜色校正

4．3．1 颜色补偿参数获取

4．3．2 原始图像预处理

4．3．3 全局亮度补偿

4．4 非平面投影图像颜色校正

4．4．1 基于“形状因子”估计的交叉反射面光散射消除算法

4．4．2 交叉反射面投影环境数学模型

4．4．3 交叉反射面“形状因子”估计

4．4．4 交叉反射面“光散射”补偿

4．5 算法验证

4．5．1 平面实验结果

4．5．2 非平面实验结果

4．6 本章小结

第5章 基于多尺度卷积核模板的自适应投影模糊消除算法

5．1 投影模糊消除数学模型

5．2 投影模糊消除预处理

5．3 基于优化S-T算法的投影模糊图像锐利度评价函数

5．4 基于改进的Sobel-Tenengrad图像锐利评价函数的亮度均衡

5．5 多尺度高斯卷积核模板估计

5．6 算法验证

5．7 本章小结

第6章 基于投影图像自适应校正技术的便携式智能投影系统研究

6．1 系统原型

6．1．1 硬件系统

6．1．2 软件系统

6．2 系统应用场景

6．3 基于智能可穿戴计算装备的单兵作战辅助交互系统

6．3．1 基于智能可穿戴计算设备的单兵作战辅助交互系统设计

6．3．2 基于智能可穿戴计算设备的单兵作战辅助交互系统实现

6．3．3 基于智能可穿戴计算设备的单兵作战辅助交互系统应用

6．4 本章小结

第7章 总结与讨论

7．1 论文工作总结

7．2 未来工作展望

参考文献

攻读博士学位期间主要的研究成果

致谢