复杂表面的多投影系统的研究

摘要

投影系统为人们提供一种更自然的显示过程,目前该技术已从单投影系统发展到多投影系统,从平面投影发展到复杂面投影。理论上,通过投影仪数量的增加,可以近乎无限的扩充投影面的尺寸和分辨率,从而来达到一种沉浸式的用户体验。在科学可视化,虚拟现实以及视感强化等诸多领略,多投影系统都有着广泛的应用。本文针对多投影系统在复杂表面进行投影的问题展开了研究。就目前的多投影间光度校准技术而言,应用最广有两种：边缘融合和光度衰减矩阵(LAM)。对于边缘融合算法,无论投影面是固定或者不固定(如窗帘),其都可以很好的解决投影重叠区域无缝拼接。但是,由于其本身算法的局限性,它无法解决一些环境因素所造成的负面影响,如因投影仪之间亮度差别、或因屏幕不规则所造成的环境光折射。对于光度衰减矩阵,当投影面为固定的时候,它能很好地进行无缝拼接。但是对投影介质的固定度和几何校准的精确性都有很高的要求。所以,当遇到窗帘、幕布等具有轻微摆动的悬挂式投影面,或者因为几何校准算法所产生一些细微的误差时,该算法会产生“重叠区边缘光度不一致”的问题。简而言之,他们各自的优点却是对方的缺点。而这些缺点也不能靠简单地做两次不同校准而解决。本文突破了传统投影仪应用对于投影表面的约束,改进了原有光度校准算法,能够解决LAM的缺点并且同时引进边缘融合的优点,使其能够投影在复杂的真实场景中,更接近增强现实的要求,具有积极的研究意义。我们围绕复杂投影表面下多投影系统的光度校准问题,使其达到更好的视觉效果,主要做了两方面研究工作：一方面,通过有限制地做局部光度衰减和加入区域羽化的方法,我们提出了具有融合效果的全局光度一致性矩阵(blending luminance uniformity matrix),简称BLUM。BLUM拥有边缘融合和LAM的各自优点,它成功解决了LAM的“重叠区边缘光度不一致”的问题,在复杂表面的多投影系统中达到全局光度一致性和融合边缘光度一致性效果的。同时通过融合技术消除了这些光度不一致。边缘光度不一致的主要原因是几何校准的误差,即便这些误差是合理的。而引起这些误差的是一些无可避免的环境因素,比如轻微摆动的悬挂式投影面。实验结果表明,所提的方法在重叠区域边缘的光度锐变可以通过BLUM很好地解决。另一方面,LAM因其算法的局限性,为了确保全局光度一致,都是简单地采用最小流明值来计算各个像素点的衰减权值,使得光度校准后的显示亮度远远暗于原始图像。因此我们提出了一种寻找更合适的通用流明值算法,通过该值,我们投影效果的亮度要远远高于LAM的投影亮度,后者仅仅采用的是最小流明值。在我们的实验中,数据表明大约有占总量3%~7%的像素亮度值远远低于全部像素的中位值和平均值,而且这些像素几何全部分布在边缘,因此进行衰减权值计算时可以忽略它们,而对整体投影效果的影响几乎为零。这样,实验结果表明,所提的方法,通用流明值会有很大的提高,从而提高了整体亮度,光度校准的效果更好。最后,本论文工作还在应用方面采用分布式的架构,满足了灵活性与扩展性的要求,同时兼顾设备成本、精度等因素,使得多投影系统实施更便捷、成本更低,更具普及性。

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摘要

ABSTRACT

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插图目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 增强现实中的投影技术

1.3 多投影技术

1.4 本文主要研究内容和创新点

1.5 论文组织结构

1.6 本章小结

第二章 国内外研究现状

2.1 多投影系统架构的研究现状

2.2 多投影系统校准技术的研究现状

2.2.1 简单投影表面下的多投影系统

2.2.2 复杂投影表面下的多投影系统

2.3 本章小结

第三章 系统的架构与设计

3.1 硬件设备

3.2 系统的架构

3.3 系统的优势和缺点

3.4 本章小结

第四章 多投影系统下光度衰减矩阵的亮度增强

4.1 技术概要

4.1.1 问题背景

4.1.2 问题分析

4.2 算法流程

4.2.1 光亮度值得测量

4.2.2 通用流明值的计算

4.2.3 全局光度衰减矩阵的计算

4.3 实验分析与结果

4.4 本章小结

第五章 具有融合效果的全局光度一致矩阵

5.1 技术概要

5.1.1 问题背景

5.1.2 问题的分析

5.2 算法流程

5.2.1 减少重叠区光度衰减的区域

5.2.2 融合光度一致性矩阵的计算

5.3 实验分析与结果

5.4 本章小结

第六章 本文总结与展望

6.1 本文总结

6.2 未来展望

6.3 本章小结

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文