專利名稱：一種投影系統(tǒng)效果的仿真驗證方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于空間解析幾何原理的光學投影成像方法，可以精準預(yù)測光學投影系統(tǒng)的成像效果，即以軟件程序為工具預(yù)先獲取被拍物的圖像，以便進行投影系統(tǒng)總體設(shè)計、虛擬加工及調(diào)試。
背景技術(shù)：
數(shù)字圖像處理技術(shù)已經(jīng)融入到日常生活中的各個領(lǐng)域，并且發(fā)揮著越來越大的作用。它所具有的意義已不僅限于提高圖像視感質(zhì)量、提取圖像信息及圖像數(shù)據(jù)操作等傳統(tǒng)范疇，同時也在與眾多科學設(shè)想的實現(xiàn)產(chǎn)生越來越緊密的聯(lián)系。本方法旨在為相關(guān)數(shù)字圖 像處理系統(tǒng)的設(shè)計、加工和調(diào)試提供必要的虛擬圖像數(shù)據(jù)支持。比如，欲設(shè)計機動車的車型識別系統(tǒng)，常見設(shè)計思路為，采集各型號車輛的輪廓特征并存儲于計算機數(shù)據(jù)庫中，如此，當攝像頭拍攝某型號車輛后，就能以圖像中獲取的特定信息為依據(jù)，在計算機數(shù)據(jù)庫中篩選對應(yīng)的車輛型號。為了精確構(gòu)建各型號車輛的輪廓特征信息數(shù)據(jù)庫，就需要預(yù)知攝像頭在某些特定位置、特定角度情形下對各型號車輛拍照后所得圖像中的幾何輪廓信息。事實上，要想在一個空間坐標系中精確定位攝像頭及車輛的坐標、精確設(shè)定攝像頭鏡頭光軸(光軸即為鏡頭采光點與感光器件中心點所連直線)的三個角度(水平方位角α、垂直俯仰角β及軸向旋轉(zhuǎn)角Y)具有一定的技術(shù)難度。為此，本發(fā)明提出了一種投影成像系統(tǒng)效果仿真方法。根據(jù)該方法，可以在程序中對鏡頭光軸的三個拍攝角度進行精準設(shè)定，還可以在空間直角坐標系中隨意且準確地設(shè)定被拍物和攝像頭采光點(亦稱為“光心”)的相對位置，即在拍攝方式可任意選擇的情況下，幾乎毫無誤差地獲取所需圖像。

發(fā)明內(nèi)容
本文將通過一個實際工程背景來說明該方法的內(nèi)涵。在工程中，需要獲取某矩形幕布在攝像頭不同拍攝方式下的成像信息，最終根據(jù)矩形幕布圖像中的像點坐標來得到相應(yīng)的物點坐標。通過建立世界坐標系，可在固定好尺寸已知的矩形幕布后，得到幕布上任意一點在世界坐標系中的坐標。在矩形幕布上畫出網(wǎng)格線(橫向網(wǎng)格線與幕布橫邊平行，縱向網(wǎng)格線與幕布縱邊平行)，將整個幕布劃分為若干標準的矩形區(qū)域。每個矩形區(qū)域的四個頂點涂為黑色圓點。當攝像頭光軸以不同角度(即光軸所在直線與幕布平面所成角度任意，不只限于直角)對該矩形幕布進行拍攝時，上面的每個矩形區(qū)域在幕布圖像中所成像不再是標準的矩形，而是不規(guī)則的四邊形。利用本發(fā)明提出的方法，可以在設(shè)定好攝像頭位置及攝像頭光軸拍攝角度后，獲得矩形幕布上每個矩形區(qū)域在幕布圖像中的成像信息，即每個不規(guī)則四邊形的準確形狀。為了將矩形幕布上每個矩形區(qū)域在所成圖像中的像(線或點)表示出來，首先建立了由幕布與攝像頭共同組成的拍攝系統(tǒng)的空間幾何模型。在這個模型中，建立了世界坐標系，分別標定了矩形幕布、攝像頭鏡頭采光點和鏡頭感光器件在該坐標系中的坐標；在感光器件所在平面上建立了圖像坐標系，成功根據(jù)小孔成像原理實現(xiàn)了由物點到像點的轉(zhuǎn)換。具體而言，就是描繪連接物點與采光點之間的連線，該直線與感光器件所在平面交于一點，如果該點處于感光器件(感光器件是一個矩形器件，其尺寸可根據(jù)器件規(guī)格和設(shè)計需求在程序中設(shè)定)所在矩形區(qū)域內(nèi)，那么它即為物點在照片中的像點；否則，原物點不會在照片中成像，即超出了攝像頭鏡頭的視場范圍。在以上過程中，解決的核心問題是，在設(shè)定好攝像頭鏡頭采光點位置、攝像頭光軸三個扭轉(zhuǎn)角度的基礎(chǔ)上，獲取感光器件在世界坐標系中的數(shù)據(jù)表示方法。本發(fā)明中，世界坐標系是以鏡頭采光點為原點建立的。在該坐標系中，攝像頭光軸與y坐標軸重合，作為初始拍攝方向；感光器件與χΟζ面平行，且其四條邊分別與X軸、z軸平行，這樣就對感光器件的初始位置進行了設(shè)定。當用該方法對矩形幕布進行拍攝時，幕布在世界坐標系中的位置將隨鏡頭米光點(即坐標系原點)位置的確定而確定；而且，鏡頭光軸的拍攝方向一旦確定，光軸與其初始拍攝方向之間的偏角也可由前面提到的三個角度(水平方位角α、垂直俯仰角 β及軸向旋轉(zhuǎn)角Y)定量標定。本發(fā)明采用的技術(shù)方案一種投影系統(tǒng)效果的仿真驗證方法，其特征是，用于獲取矩形幕布3的圖像，攝像頭拍攝時的三個偏轉(zhuǎn)角度α、β、Υ均可預(yù)先設(shè)定，攝像頭與矩形幕布3在世界坐標系中的相對位置可預(yù)先設(shè)定，照相機感光器件Ia尺寸(lp I2與焦距I的長度)可預(yù)先設(shè)定。所述的一種投影系統(tǒng)效果的仿真驗證方法，其特征是，仿真驗證系統(tǒng)中α、β、Υ三個角度的大小、攝像頭與矩形幕布3在世界坐標系中的相對位置及攝像頭感光器件Ia尺寸確定后，B"、B/ '、B2" '、B3" '、B4"'在世界坐標系中的坐標值(Bx，By，Bz)、(Blx'，B1/ ,B1/ )、(B2x' ,B2/，B2z' )、(B3x'，B3/，B3z' )、(B4x' ,B4/，B4z')的求解算法。所述的一種投影系統(tǒng)效果的仿真驗證方法，其特征是B" ,B1 " ' ,B2 "'、B3" '、B4"'在世界坐標系中的坐標值求出后，像點5a在圖像坐標系中坐標(P' X，P' y)的求解算法，特別是圖像坐標系中，Clpd2與P' X、P' y的正負關(guān)系。后文將結(jié)合附圖及具體實施方式
對發(fā)明內(nèi)容進行詳細論述。


圖1是攝像頭對矩形幕布拍攝時的數(shù)學模型簡略示意圖；圖2是攝像頭對矩形幕布拍攝時的數(shù)學模型示意圖；圖3是像點由世界坐標系到圖像坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系不意圖；圖4是矩形幕布被劃分成36個矩形區(qū)域后的示意圖(帶網(wǎng)格并編號)；圖5是矩形幕布上保留網(wǎng)格交點并去除網(wǎng)格線后的示意圖；圖6是攝像頭參數(shù)α、β、Y分別設(shè)定為10°、20°、3°后矩形幕布的圖像(黑色矩形代表圖像邊界，區(qū)域外的部分未能成像);圖7是攝像頭鏡頭焦距、感光器件尺寸與鏡頭視場角范圍的關(guān)系示意圖。符號說明Ia是初始位置的感光器件，Ib是設(shè)定水平方位角為α后的感光器件，Ic是在Ib的基礎(chǔ)上再設(shè)定豎直俯仰角為β后的感光器件，Id是在Ic的基礎(chǔ)上繞光軸旋轉(zhuǎn)Y角度后的感光器件，2是鏡頭米光點(光心),3是矩形幕布(被拍物),4是物點,5a是像點(在感光器件區(qū)域內(nèi)，成像)，5b是“像點”(不在感光器件區(qū)域內(nèi)，未成像)，6是圖像坐標系原點，7是攝像頭光軸(焦距)。
具體實施例方式矩形幕布3的實際情形如圖5所示，其上分布有49個點，每4個點圍成一個標準的矩形區(qū)域(為了將36塊矩形區(qū)域區(qū)分得更加明確，圖4在圖5的基礎(chǔ)上畫出了網(wǎng)格線，并對每個區(qū)域進行了編號)。其中，Ia1A12U A12A13U A13A14U A14A15U A15A16U A16A2 的比值可調(diào)，A1A2II > A21A311 > A31A411 > IA41A51U IA51A61U A61A4 的比值亦可調(diào)。當以上兩組比值設(shè)置恰當時，矩形幕布3上各矩形區(qū)域的長寬比值將各不相同。并且，無論攝像頭光軸7與幕布平面的夾角為何值(這個夾角根據(jù)實際工程背景有一定限制)，幕布圖像上每個不規(guī)則四邊形區(qū)域(如圖6所示，為原幕布上相應(yīng)矩形區(qū)域的像)的長寬比值將保持不同。如此，就可以根據(jù)36組各不相同的長寬比值，將幕布圖像中的不規(guī)則四邊形區(qū)域(像)與原幕布上的矩形區(qū)域(物)一一對應(yīng)。 幕布各矩形區(qū)域與幕布圖像中各不規(guī)則四邊形區(qū)域建立起一一對應(yīng)關(guān)系后，就可以利用特定的算法，進一步將矩形區(qū)域中的點與相應(yīng)不規(guī)則四邊形中的點建立映射關(guān)系，從而實現(xiàn)由像點坐標(在圖像坐標系中)到物點坐標(在世界坐標系中)的轉(zhuǎn)換，達到工程要求。本發(fā)明的主體內(nèi)容就是求得軟件程序所需算法。通過該軟件程序可以建立世界坐標系和圖像坐標系，確定矩形.布3與攝像頭光心2的相對位直，精確設(shè)定攝像頭的拍攝角度(即α、β、Υ三個角度)，進而獲取幕布3在當前拍攝情形下的圖像。獲取圖像的最終目的在于為設(shè)置兩組合理的比值(IA1A12U A12A13U A13A14U A14A15U IA15A16U A16A2的比值與 IA1A211、IA21A311、IA31A411、IA41A511、| A51A611、| A61A41 的比值)做準備。下面闡釋本專利所述方法的主體內(nèi)容。圖7畫出了攝像頭內(nèi)感光器件la、光軸(焦距)7與鏡頭視場角范圍的關(guān)系。設(shè)B1B2長度為I1, B2B3長度為12。O點為攝像頭鏡頭采光點2, OB為其焦距7 (0B垂直于四邊形B1B2B3B4所在平面，垂足為B)，長度為I。A1, A2分別為B1B2' B3B4的中點，分別作直線OA1、OA2 (如圖7中虛線所示)，兩線夾角為β，則角β即為攝像頭豎直方向的視角(設(shè)B1B2水平放置，B2B3豎直放置)。β、1與I2的關(guān)系如(I)式所示。
權(quán)利要求
1.一種投影系統(tǒng)效果的仿真驗證方法，其特征是，用于獲取矩形幕布3的圖像，攝像頭拍攝時的三個偏轉(zhuǎn)角度a、0、Y均可預(yù)先設(shè)定，攝像頭與矩形幕布3在世界坐標系中的相對位置可預(yù)先設(shè)定，照相機感光器件Ia尺寸(1:、I2與焦距I的長度)可預(yù)先設(shè)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種投影系統(tǒng)效果的仿真驗證方法，其特征是，仿真驗證系統(tǒng)中a、0、Y三個角度的大小、攝像頭與矩形幕布3在世界坐標系中的相對位置及攝像頭感光器件Ia尺寸確定后，B"、B/ '、B2" '、B3" '、B4"'在世界坐標系中的坐標值(Bx，By，Bz)、(Blx' j Bly' , Blz' )、(B2x' j B2y' , B2z' )、(B3x' B3y; B3z; )> (B4x' , B4y; B4z;)的求解算法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種投影系統(tǒng)效果的仿真驗證方法，其特征是B"、B1" '、B2" '、B3" '、B4"'在世界坐標系中的坐標值求出后，像點5a在圖像坐標系中坐標(Px'，P/ )的求解算法，特別是圖像坐標系中，Clpd2與Px'、P/的正負關(guān)系。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種投影系統(tǒng)效果的仿真驗證方法，其在具體的工程背景下，基于空間解析幾何原理，通過計算機軟件程序?qū)崿F(xiàn)?；谠摲椒?，可以在程序中精確設(shè)定被拍物與攝像頭鏡頭采光點的空間相對位置、拍攝時攝像頭的擺放姿勢(即鏡頭光軸指向)，以獲取各種拍攝情形下被拍物的圖像。該方法的提出旨在為投影系統(tǒng)總體設(shè)計、虛擬加工及調(diào)試提供必要的圖像數(shù)據(jù)支持。
文檔編號G03B21/00GK103019011SQ20121050660
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月3日
發(fā)明者劉雷, 秦聚超, 梁晟溟 申請人:哈爾濱飛羽科技有限公司