方向矫正装置、投影发射装置、投影图像矫正系统和投影图像矫正方法

摘要

本发明提供了一种方向矫正装置，包括图像采集单元，图像分析处理单元，方向矫正单元。图像采集单元的周围安装有光束发射单元，图像采集单元接收所述光束发射单元投射到投影平面的光斑信息。图像分析处理单元，将所述光束发射单元投射到投影平面的光斑信息与标准图形进行比对，得到方向矫正控制信号，控制待调整方向的装置所指的方向。本装置可以应用于对目标装置进行角度调整。本发明还提供了一种相应的投影发射装置、投影图像矫正系统和投影图像矫正方法。本发明可在不对视频输出信号进行处理的情况下进行图像失真矫正，具有操作简便、图像失真度小的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及机械控制技术领域，尤其涉及对投影发射装置的投影方 向进行机械矫正的技术领域。

背景技术

日常生活中，经常会遇到对目标装置的指向进行精确调整的情况。 例如，在用投影机投射图像时，为了避免失真，需要将投影镜头垂直于 投影屏幕投射。但是，在初次安装或者更改投影机的安装位置时，会存 在投影镜头摆放位置不与投影屏幕垂直的情况。源图像由投影镜头发 出，由于摆放位置角度等问题，投影在投影屏幕上的效果为失真图像。

在现有技术中，发明人发现目前具有自动矫正的投影设备通过重力 传感器，矫正画面垂直角度的梯形失真，其他方向的失真则需要手动进 行调整，操作不太方便，安装调试耗费时间。另外，进行投影设备图像 失真矫正时必须要在投影镜头投射图像的情况下进行，操作不便。

另外，目前的投影技术通常是检测到失真角度之后，通过对信号 处理电路对输出信号进行调节，矫正输出的投影发生的形状畸变。但 在进行图像信号处理的同时，输出的图像信号与原始的图像信号相比 会有变化，不能完全真实地再现原有的图像信号。

发明内容

为了解决现有技术中存在的以上问题以及其他问题，本发明的实 施例提供了一种新的方向矫正装置，包括图像采集单元，图像分析处 理单元，方向矫正单元。图像采集单元的周围(如四周或附近)安装 有光束发射单元，光束发射单元可以发射出呈一定几何形状的光束， 例如所述光束在与光束发射方向向垂直的截面上的投影形状为环形、 圆形，或者由多个围绕光束发射单元的中心点呈环形分布的点状图形 结构。所述光束可以由平行光组成，也可以由发散的光组成。图像采 集单元接收所述光束发射单元投射到投影平面的光斑信息。图像分析 处理单元，将所述光束发射单元投射到投影平面的光斑信息与标准图 形进行比对，得到方向矫正控制信号，控制控制待调整方向的装置(如 投影镜头或投影屏幕)所指的方向。本装置可以应用于对目标装置(如 投影镜头或投影屏幕)进行角度调整。

此外，本发明还提供了一种相应的投影发射装置、投影图像矫正 系统和投影图像矫正方法。

本发明可在不对视频输出信号进行处理的情况下对投影图像进行 图像失真矫正，具有操作简便、图像失真度小的特点。

此外，在本发明所提供的部分实施例中，方向矫正装置的工作方 式可以不依赖于投影发射装置的工作方式而独立工作，可以在投影发 射装置没有图像输出的情况下对投影镜头的方向进行调整，因而可以 节约电能。

附图说明

图1a为本发明的实施例1中所述的光束发射单元发射光束为平行光情 况下的光路及其投射方向与投影屏幕的偏转角度示意图；

图1b为本发明的实施例1中所述的光束发射单元发射光束为平行光情 况下的光路及其投射方向与投影屏幕的偏转角度矫正情况示意图；

图2为本发明的实施例2中所述的光束发射单元发射光束的光路及其投 射方向与投影屏幕的偏转角度矫正情况示意图；

图3a为本发明的实施例5中所述的光束发射单元发射光束为发散光情 况下的光路及其投射方向与投影屏幕的偏转角度示意图；

图3b为本发明的实施例5中所述的光束发射单元发射的光束为发散光 情况下的光路及其投射方向与投影屏幕的偏转角度矫正情况示意图；

图4为本发明的实施例11中所述的投影发射装置的系统框图；

图5a为本发明的实施例12中所述的投影图像矫正系统的结构框图；

图5b为本发明的实施例13中所述的投影图像矫正系统的结构框图；

图6为本发明的实施例14中所述的投影图像的矫正方法的流程图。

图7至图10为本发明的实施例15或本发明实施例16中所述的在投影机 镜头盖上开孔的方式来代替光束发射单元的示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案更加清楚，下面结合附图及具体实施例对本发明 进行详细说明。

实施例1

本发明的实施例1提供了一种方向矫正装置，包括图像采集单元， 如摄像头，图像采集单元的四周安装有光束发射单元，如红外光激光器、 可见光激光器或者其它发射高能量光束的装置。光束发射单元发射出的光 束在与光束发射方向向垂直的截面上的投影形状为环形，光束发射单 元与图像采集单元的中心点位置在同一轴线上，所述光束发射单元发 射的光束互相平行。

首先光束发射单元将发射光束投射到投影平面上，图像采集单元采 集光束发射单元发射到投影平面上的光斑信息，并将光斑信息发送到图 像分析处理单元。图像分析处理单元提取光斑的形状信息，并利用以下 方法构建运算模型。

假设环形光斑的外径为AB，且光束发射单元的投射方向不与投影 平面垂直或平行时，光束发射单元在投影平面上形成的光斑形状将是一 个椭圆形，如图1a所示，光束发射单元的发光体位置是图1下方的圆 环101，光束发射单元在投影平面上形成的光斑形状为图1上方的椭圆 环102，其中心位置是O点，Ab是椭圆102的长轴，A点是椭圆102长 轴上的的一个端点，矢量AB所在的圆是投射光束在过A点与投射光束 相垂直的平面上的投影，称为标准图形，矢量AB是矢量Ab在上述平面 上的投影。

为了使光束发射单元的投射方向与投影平面垂直，在投影平面不变 的情况下，图像分析处理单元通过以下运算方法，得到控制信息，并将 控制信息发送到待调整装置上的方向矫正单元(所述待调整装置可以是 方向矫正装置本身，也可以是与方向矫正装置固定连接的其他装置，例 如投影镜头)，对待调整装置的方向进行调整。下面以待调整装置为投 影镜头，且投影镜头的中心点与方向矫正装置上的光束发射单元的中心点 在同一轴线上进行说明。由于投影镜头的中心点与方向矫正装置上的光束 发射单元的中心点在同一轴线上，因此，投影镜头投射图像的中心点必然也 与方向矫正装置投射图像的中心点重合，投影镜头的投射方向即方向矫正装 置的投射方向，此时，对投影镜头方向的调整与对方向矫正装置的光束发射 单元的调整是一致的。

首先给出角度判断的定义。以∠bAB为例，如果b点在B点的上方， 即b点位于圆103所在平面的后方，定义为∠bAB＞0；如果b点在B点 的下方，即b点位于圆103所在平面的前方，定义为∠bAB＜0。如果b 点与B点重合，定义为∠Bab＝0(以下对于角度的定义与此相同，不再 赘述)。

当∠bAB＞0时，如图1b所示，图像分析处理单元向方向矫正单元 发出方向矫正控制信号，使方向矫正装置的投射方向即投影镜头的投射方 向XP沿矢量bA的方向旋转角度∠bAB(直至指向Xp)，即将光束发射 单元由101的位置调整到图1a中虚线环104的位置，即使光束发射单 元投射的光束在投影平面上的光斑位置为虚线圆105，其中心点为o点。 此时，投影镜头的方向即与投影平面相垂直。当∠bAB＜0时，按照类似 的方法进行反方向调整即可，不再赘述。当∠bAB＝0时，则说明使投影 镜头的方向已经与投影平面相垂直，不需要调整。

当投影镜头的方向自XP旋转到垂直于屏幕的Xp方向之后，如果光 束发射单元的位置及投影平面的位置不变，所投射图像的中心点也会从 原来的椭圆102的中心点O点转移到新的投影位置(即圆105的圆心o 点)。如果仍然希望投影图像的中心点位置在O点，可以在不调整屏幕 位置的前提下，将光束发射单元在与投影屏幕相平行的平面上沿矢量oO 的方向进行平移，直到投影的中心点与O点重合。

投射光束的截面形状也可以为为圆形，或者由多个围绕光束发射单 元的中心点呈环形分布的点状图形结构，此时对投影镜头进行调整的方 法的情况与本实施例类似，不再赘述。(当然，也可以是圆形其原理与 实现方式大致相同，后面不再一一列举)

如果光束发射单元的中心点与图像采集单元的中心点相邻近但不 重合时，例如，光束发射单元位于图像采集单元的下方，由于光束发射 单元的中心点与图像采集单元的中心点之间的距离相对于方向矫正装 置与投影平面距离来说非常小，因此由此带来的误差可忽略不计，仍可 按照本实施例的技术方案实现。

投射光束的截面形状也可以为为圆形，或者由多个围绕光束发射单 元的中心点呈环形分布的点状图形结构，此时对投影镜头进行调整的方 法的情况与本实施例类似，不再赘述。(当然，也可以是圆形其原理与 实现方式大致相同，后面不再一一列举)

如果光束发射单元的中心点与图像采集单元的中心点相邻近但不 重合时，例如，光束发射单元位于图像采集单元的下方，由于光束发射 单元的中心点与图像采集单元的中心点之间的距离相对于方向矫正装 置与投影平面距离来说非常小，因此由此带来的误差可忽略不计，仍可 按照本实施例的技术方案实现。

如果投影镜头的中心点与方向矫正装置上的光束发射单元的中心点 不在同一轴线上，在对投影镜头进行矫正时，为了将投影图像的位置置 于投影屏幕的中心点，需要根据两个中心点的位置差异对投影图像的中 心位置进行平移、补偿。例如，当图像采集单元的中心点位于投影镜头 中心点位置上方5cm时，在将投影方向调整到与投影屏幕相垂直之后， 还需将投影镜头向上平移5cm，或将投影屏幕向下平移5cm。

实施例2：

在实施例1中，当光束发射单元的投射方向即投影镜头的方向自XP 旋转到垂直于屏幕的Xp方向之后，如果光束发射单元的位置及投影平 面的位置不变，所投射图像的中心点也会从原来的椭圆102的中心点O 点转移到新的投影位置(即圆105的圆心o点)。如果在不调整屏幕位 置及光束发射单元的位置的前提下，仍然希望投影图像的中心点位置在 O点，可以通过调整屏幕角度的方法进行调整。具体实现方案如下：

为了使方向矫正装置的投射方向即投影镜头的方向与投影平面垂直， 在投影发射装置的位置，即光束发射单元不变的情况下，图像分析处理 单元通过以下运算方法，得到控制信息，并将控制信息发送到位于投影 屏幕上的屏幕角度调整单元，对屏幕的角度进行调整。

具体而言，首先判断∠bAB。如果∠bAB＞0，屏幕角度调整单元对 投影屏幕上的角度调整装置发出方向矫正控制信号，使投影屏幕以O点 为中心，沿矢量bB方向旋转∠bAB，即旋转到图1b中虚线圆106所在 的平面上(虚线圆106所在的平面实际上就是过O点与圆101平行且全 等的圆)，这时，新的投影平面所处方向即与投影方向矢量XP垂直。 (如图2所示)

如果∠bAB＜0，按照类似的方法进行反方向调整即可，不再赘述。 如果b点与B点重合，则说明投影镜头的投射方向已经与投影平面相垂 直，不需要调整。

实施例3

实施例1中所述的光束发射单元也可以是一个围绕旋转轴心旋转 的点状激光发射装置。此时，图像采集单元还包括一个图像信息存储单 元，可以每隔一定时间存储一次图像采集单元采集到的上述光束发射单 元的光斑位置信息，并将相关信息发送到图像分析处理单元。图像分析 处理单元对光斑在不同时间的位置进行分析、计算，合成其运动轨迹。 如果其运动轨迹是正圆形，说明当前的投影方向与投影屏幕垂直，不需 要调整；如果其运动轨迹是椭圆形，说明当前的投影方向与投影屏幕不 垂直，需要调整。具体的调整方法可分别参照实施例1和实施例2，将 实施例1或实施例2中光束在投影平面上形成的椭圆投影图形的外轮廓 用光斑的运动轨迹代替即可。

实施例4

实施例1中所述的光束发射单元也可以是两个围绕旋转轴心旋转 的点状激光发射装置，这两个点状激光发射装置距离旋转中心的距离相 等，且分别处于旋转轨迹中一条直径的两个端点。此时，图像采集单元 还包括一个图像信息存储单元，可以每隔一定时间存储一次图像采集单 元采集到的上述光束发射单元的光斑位置信息，并将相关信息发送到图 像分析处理单元。图像分析处理单元对两个光斑在不同时间的距离进行 分析。如果两点之间的距离始终相等，说明当前的投影方向与投影屏幕 垂直，不需要调整；如果两点之间的距离在最大值和最小值之间变化， 说明当前的投影方向与投影屏幕不垂直，需要调整。具体的调整方法可 以参照实施例1或实施例2，将实施例1或实施例2中光束在投影平面 上形成的椭圆投影图形的外轮廓用光斑的运动轨迹代替即可。

此外，也可以根据光斑之间距离的大小随光斑所在的位置的变化规 律，判断投影角度的偏差情况，并进行对投影角度进行调整。

实施例5

针对以上实施例，当所述光束发射单元发出的光不是平行光时，例 如，光束发射单元发出的光是呈发散状态的光时，仍然可以采用上述实 施例中的方法进行调整。下面以实施例1为例进行说明。

首先，图像采集单元采集光束发射单元发射到投影平面上的光斑信 息，并将光斑信息发送到图像分析处理单元。图像分析处理单元提取光 斑的形状信息，并利用以下方法构建运算模型。

如果光束发射单元发出的光是呈发散状态，且当投射光束的垂直截 面的投影形状为环形(说明：投射光束的截面形状为圆形或呈环形分布 的点状图形结构的情况与本实施例类似)，投影镜头的中心点与方向矫 正装置上的光束发射单元的中心点在同一轴线上，且光束发射单元的投影 方向与投影镜头方向相同，且不与投影平面垂直或平行时，如图3a所 示，光束发射单元的发光体位置是图1下方的圆环301，光束发射单元 在投影平面上形成的光斑形状为图1上方的椭圆环302，其中心位置是 O点，Ab是椭圆302的长轴，A点是椭圆302长轴上的的一个端点，矢 量AB所在的圆是投射光束在过A点与投射光束相垂直的平面上的投影， 称为标准图像，矢量AB是矢量Ab在上述平面上的投影。

为了使光束发射单元的投射方向即投影镜头的方向与投影平面垂 直，在投影平面不变的情况下，图像分析处理单元通过以下运算方法， 得到控制信息，并将控制信息发送到方向矫正单元，对投影镜头的方向 进行调整。

具体而言，首先判断∠bAB。如果∠bAB＞0，如图3a所示，说明b 点位置在圆103的后方。

图像分析处理单元向方向矫正单元发出方向矫正控制信号，使投影 镜头的方向XP沿矢量bA的方向旋转角度∠bAB(直至指向Xp)，即将 光束发射单元由301的位置调整到图1a中虚线环304的位置，即使投 影镜头投射的光束在投影平面上的光斑位置为虚线圆305，其中心点为 o点。此时，投影镜头的投射方向即与投影平面相垂直(如图3b所示)。 如果b点在B点的下方，按照类似的方法进行反方向调整即可，不再赘 述。如果b点与B点重合，则说明投影镜头的投射方向已经与投影平面 相垂直，不需要调整。

当投影镜头方向自XP旋转到垂直于屏幕的Xp方向之后，如果投影 发射装置位置及投影平面的位置不变，所投射图像的中心点也会从原来 的椭圆302的中心点O点转移到新的投影位置(即圆305的圆心o点)。 如果仍然希望投影图像的中心点位置在O点，可以在不调整屏幕位置的 前提下，将投影镜头在与投影屏幕相平行的平面上沿矢量oO的方向进 行平移，直到投影的中心点与O点重合。

实施例6

实施例6提供了一种投影镜头盖，投影镜头盖上包含有图像采集单 元。该图像采集单元与位于投影镜头或投影发射装置其他位置上的环形 或呈环形分布的光束发射单元一起，按照上述实施例中提供的方法，对 投影发射装置的投射方向进行矫正。这样，可以不打开镜头盖的情况下 实现对投影发射装置的投射方向进行矫正的目的。

实施例7

实施例7提供了一种投影镜头盖，围绕投影镜头盖的中心安装有环 形或呈环形分布的光束发射单元。该光束发射单元与位于镜头盖或者投 影发射装置上的图像采集单元一起，按照上述实施例中提供的方法，对 投影发射装置的投射方向进行矫正。这样，可以不打开镜头盖的情况下 实现对投影发射装置的投射方向进行矫正的目的。

实施例8

实施例8提供了一种投影镜头盖，以投影镜头盖的中心点为中心开 有圆形、环形或呈环形分布的小孔，当投影镜头盖盖在投影镜头上，投 影镜头投射出光束时，所述光束通过小孔形成具有特定形状的光束。该 镜头盖与位于镜头盖或者投影发射装置上的图像采集单元一起，在投影 镜头发光时，按照上述实施例中提供的方法，对投影发射装置的投射方 向进行矫正。

实施例9

实施例9提供了一种投影发射装置，包括上述实施例中所述的方向 矫正装置，所述方向矫正装置与投影镜头的位置相对固定，且其投射方 向与投影镜头的投射方向平行。

当投影镜头的中心点与方向矫正装置上的光束发射单元的中心点在 同一轴线上时，通过上述实施例中所述的技术方案，将方向矫正装置的 投射方向调整到与投影屏幕垂直时，即可实现对投影发射装置的投射方 向进行矫正的目的。

当投影镜头的中心点与方向矫正装置上的光束发射单元的中心点不 在同一轴线上时，在对投影镜头进行矫正时，为了将投影图像的位置置 于投影屏幕的中心点，需要根据两个中心点的位置差异对投影图像的中 心位置进行平移、补偿。例如，当图像采集单元的中心点位于投影镜头 中心点位置上方5cm时，在将投影方向调整到与投影屏幕相垂直之后， 还需将投影镜头向上平移5cm，或将投影屏幕向下平移5cm。

实施例10

实施例10提供了一种投影发射装置，包含图像采集单元，投影镜 头。所述投影镜头可以发射出特定形状的投影图像信号，如以图像中心 点为圆心的圆形、环形图形图像或呈环形分布的多个离散点状图形图 像，或者绕图像中心点运动的点状图形图像。这时，可利用上述实施例 中提供的相关技术方案，对投影镜头的投射方向进行矫正。

实施例11

实施例11提供了一种投影发射装置，包括投影发射装置、图像采 集单元和光束发射单元、图像分析处理单元及方向矫正单元，利用上述 实施例中提供的相关技术方案，对投影发射装置的投射方向进行矫正。

实施例12

实施例12提供了一种投影图像矫正系统，包括投影发射装置，投 影屏幕，方向矫正装置，方向矫正单元，所述方向矫正单元位于投影发 射装置上，可根据所述图像分析处理单元发出的方向矫正控制信号控制 投影发射装置上的投影镜头的指向。所述方向矫正控制信号是按照前面 所述的实施例中所提供的相关技术方案得到的。

实施例13

实施例13提供了一种投影图像矫正系统，包括投影发射装置，投 影屏幕，方向矫正装置，方向矫正单元，所述方向矫正单元位于投影屏 幕上，所述投影屏幕上设有屏幕角度调整单元，可根据图像分析处理单 元发出的方向矫正控制信号调整投影屏幕的角度。所述方向矫正控制信 号是按照前面所述的实施例中所提供的相关技术方案得到的。

实施例14

实施例14提供了一种投影图像矫正方法，包括：

光束发射单元将一定几何形状的图像通过光束发射单元投射到投 影平面上；所述一定几何形状的图像包括环形、圆形，围绕光束发射单 元的中心点呈环形分布的点状图形结构。

图像采集单元采集投影平面上的图像信息；

图像分析处理单元按照前述实施例中提供的相关技术方案，将所述 图像信息与标准图形进行比对，得到方向矫正控制信号；

方向矫正单元根据所述方向矫正控制信号，对投影镜头的投射角 度或投影屏幕的摆放角度进行矫正，使投影镜头的投射角度与所述投影 平面垂直。

实施例15

如图7至图10所示，实施例15提供了一种投影机，包括镜头盖401， 镜头盖上开有小孔402。所述小孔402可以有一个，且位于靠近镜头盖 边缘位置；所述镜头盖上连接有驱动电机，驱动电机可以驱动镜头盖围 绕镜头盖的中心轴旋转(如图9所示)；所述小孔402也可以有多个， 其形状可以为任意平面几何形状，例如，小孔可以为以镜头盖的中心为 圆心的圆环上的弧孔或圆孔(如图7所示)；所述小孔402也可以仅有 一个，且位于投影机镜头盖的中心位置(如图10所示)；

所述投影机还包括图像采集单元403，所述图像采集单元可以位于 镜头盖401的轴心位置，也可以位于投影机镜头盖401的四周(如图10 所示)。

投影镜头透过镜头盖401向屏幕投射光束，图像采集单元403接收 投影镜头投射到屏幕上的光斑信息。

所述投影机还包括还包括图像分析处理单元，依照本发明上述相关 实施例中提供的技术方案，将所述光束发射单元投射到投影平面的光斑 信息与标准图形进行比对，得到方向矫正控制信号。

所述投影机还可以包括方向矫正单元，所述方向矫正单元与投影机 镜头固定连接，用以控制投影机镜头所指的方向。

实施例16

与实施例15相对应，实施例16提供了一种投影机镜头盖，所述镜 头盖上开有小孔。

特别地，镜头盖上还包括图像采集单元，所述图像采集单元位于镜 头盖的轴心位置。

需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于 限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变 化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进 等，均应包含在本发明的保护范围之内。