专利名称：一种柱幕投影系统效果的仿真验证方法
技术领域：
本发明涉及一种基于空间解析几何原理的柱幕投影系统效果的仿真验证方法，可以精准预测光学投影系统的成像效果，即以软件程序为工具预先获取柱幕被拍物的图像，以便进行投影系统总体设计、虚拟加工及调试。
背景技术：
数字图像处理技术已经融入到日常生活中的各个领域，并且发挥着越来越大的作用。它所具有的意义已不仅限于提高图像视感质量、提取图像信息及图像数据操作等传统范畴，同时也在与众多科学设想的实现产生越来越紧密的联系。本方法旨在为相关数字图像处理系统的设计、加工和调试提供必要的虚拟图像数据支持。比如，欲设计机动车的车型识别系统，常见设计思路为，采集各型号车辆的轮廓特征并存储于计算机数据库中，如此，当摄像头拍摄某型号车辆后，就能以图像中获取的特定信息为依据，在计算机数据库中筛选对应的车辆型号。为了精确构建各型号车辆的轮廓特征信息数据库，就需要预知摄像头在某些特定位置、特定角度情形下对各型号车辆拍照后所得图像中的几何轮廓信息。事实上，要想在一个空间坐标系中精确定位摄像头及车辆的坐标、精确设定摄像头镜头光轴(光轴即为镜头采光点与感光器件中心点所连直线)的三个角度(水平方位角α、垂直俯仰角β及轴向旋转角Y)具有一定的技术难度。为此，本发明提出了一种投影成像系统效果仿真方法。根据该方法，可以在程序中对镜头光轴的三个拍摄角度进行精准设定，还可以在空间直角坐标系中随意且准确地设定被拍物和摄像头采光点(亦称为“光心”)的相对位置，即在拍摄方式可任意选择的情况下，几乎毫无误差地获取所需图像。
发明内容
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本文将通过一个实际工程背景来说明该方法的内涵。在工程中，需要获取某柱幕被拍物在摄像头不同拍摄方式下的成像信息，最终根据柱幕被拍物图像中的像点坐标来得到相应的物点坐标。通过建立世界坐标系，可在固定好尺寸已知的柱幕后，得到幕布上任意一点在世界坐标系中的坐标。在幕布上画出网格线，将整个幕布划分为若干标准的柱面区域。每个柱面区域的四个顶点涂为黑色圆点。当摄像头光轴以不同角度(即光轴所在直线与幕布柱面所成角度任意，不只限于直角)对该柱幕被拍物进行拍摄时，上面的每个柱面区域在幕布图像中所成像不再是标准的矩形，而是不规则的四边形。利用本发明提出的方法，可以在设定好摄像头位置及摄像头光轴拍摄角度后，获得幕布上每个柱面区域在幕布图像中的成像信息，即每个不规则四边形的准确形状。为了将柱幕被拍物上每个柱面区域在所成图像中的像(线或点)表示出来，首先建立了由柱幕被拍物与摄像头共同组成的拍摄系统的空间几何模型。在这个模型中，建立了世界坐标系，分别标定了.布、摄像头镜头米光点和镜头感光器件在该坐标系中的坐标；在感光器件所在平面上建立了图像坐标系，成功根据小孔成像原理实现了由物点到像点的转换。具体而言，就是描绘连接物点与采光点之间的连线，该直线与感光器件所在平面交于一点，如果该点处于感光器件(感光器件是一个柱面器件，其尺寸可根据器件规格和设计需求在程序中设定)所在柱面区域内，那么它即为物点在照片中的像点；否则，原物点不会在照片中成像，即超出了摄像头镜头的视场范围。在以上过程中，解决的核心问题是，在设定好摄像头镜头采光点位置、摄像头光轴三个扭转角度的基础上，获取感光器件在世界坐标系中的数据表示方法。本发明中，世界坐标系是以镜头采光点为原点建立的。在该坐标系中，摄像头光轴与y坐标轴重合，作为初始拍摄方向；感光器件与χΟζ面平行，且其四条边分别与X轴、z轴平行，这样就对感光器件的初始位置进行了设定。当用该方法对柱幕被拍物进行拍摄时，幕布在世界坐标系中的位置将随镜头米光点(即坐标系原点)位置的确定而确定；而且，镜头光轴的拍摄方向一旦确定，光轴与其初始拍摄方向之间的偏角也可由前面提到的三个角度(水平方位角α、垂直俯仰角β及轴向旋转角Y)定量标定。本发明采用的技术方案
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一种投影系统效果的仿真验证方法，其特征是，用于获取柱幕被拍物3的图像，摄像头拍摄时的三个角度α、β、Υ均可预先设定，摄像头与柱幕被拍物3在世界坐标系中的相对位置可预先设定，照相机感光器件Ia尺寸(lp I2与焦距I的长度)可预先设定。所述仿真验证系统中，设定好摄像头拍摄时的三个偏转角度(S卩α、β、Y )、摄像头与柱幕被拍物3在世界坐标系中的相对位置以及摄像头感光器件Ia尺寸后，B"、B1" '、Β2" '、Β3" '、Β4"'在世界坐标系中坐标值(Bx，By，Bz)、(Blx' , B1/，Blz')、(B2x' ,B2/ , B2/ )、(Β3χ'，Β3/，Β3ζ' )、(Β4χ' ,B4/ ,B4/ )的求解算法。B"、B/ '、Β2" '、Β3" '、Β4"'在世界坐标系中的坐标值求出后，像点5在图像坐标系中坐标(Px' ,P/ )的求解算法，特别是图像坐标系中Clpd2与Px'、Ρ/的正负关系O后文将结合附图及具体实施方式
对发明内容进行详细论述。
图1是摄像头对柱幕被拍物拍摄时的数学模型简略示意图；图2是摄像头对柱幕被拍物拍摄时的数学模型示意图；图3是像点由世界坐标系到图像坐标系的转换关系不意图；图4是柱幕被拍物被划分成36个柱面区域后的正视图(带网格并编号)；图5是柱幕被拍物上保留网格交点并去除网格线后的正视图；图6是摄像头参数α、β、Y分别设定为10°、20°、3°后柱幕被拍物的图像(黑色柱面代表图像边界，区域外的部分未能成像);图7是摄像头镜头焦距、感光器件尺寸与镜头视场角范围的关系示意图。符号说明Ia是初始位置的感光器件，Ib是设定水平方位角为α后的感光器件，Ic是在Ib的基础上再设定竖直俯仰角为β后的感光器件，Id是在Ic的基础上绕光轴旋转Y角度后的感光器件，2是镜头采光点(光心)，3是柱幕被拍物，4是物点，5是像点，6是图像坐标系原点，7是摄像头光轴(焦距)。
具体实施例方式柱幕被拍物3的实际情形如图5所示，其上分布有49个点，每4个点围成一个标准的柱面区域(为了将36块柱面区域区分得更加明确，图4在图5的基础上画出了网格线，并对每个区域进行了编号)。其中，IA1A12U A12A13U A13A14U A14A15U IA15A16U A16A2 的弧长长度比值可调，IA1A21U A21A311 > A31A411 > A41A511 > IAmA61U A61A4的比值亦可调。当以上两组比值设置恰当时，柱幕被拍物3上各柱面区域弧长与高的比值将各不相同。并且，无论摄像头光轴7的拍摄偏角为何值，幕布图像上每个不规则四边形区域(如图6所示，为原幕布上相应柱面区域的像)的弧长与高的比值将保持不同。如此，就可以根据36组各不相同的比值，将幕布图像中的不规则四边形区域(像)与原幕布上的柱面区域(物)一一对应。幕布各柱面区域与幕布图像中各不规则四边形区域建立起一一对应关系后，就可以利用特定的算法，进一步将柱面区域中的点与相应不规则四边形中的点建立映射关系，从而实现由像点坐标(在图像坐标系中)到物点坐标(在世界坐标系中)的转换，达到工程要求。本发明的主体内容就是求得软件程序所需算法。通过该软件程序可以建立世界坐标系和图像坐标系，确定柱.被拍物3与摄像头光心2的相对位直，精确设定摄像头的拍摄角度(即α、β、γ三个角度),进而获取幕布3在当前拍摄情形下的图像。获取图像的最终目的在于为设置两组合理的比值(IA1A12U A12A13U A13A14U A14A15U IA15A16U A16A2的弧长长度比值与 Ia1A21U IA21A3IU Ia31A41U Ia41A51U Ia51A61U Ia61A4 的比值)做准备。下面阐释本专利所述方法的主体内容。图7画出了摄像头内感光器件la、光轴(焦距)7与镜头视场角范围的关系。设B1B2长度为I1, B2B3长度为12。O点为摄像头 镜头采光点2, OB为其焦距7 (0B垂直于四边形B1B2B3B4所在平面，垂足为B)，长度为I。
A1, A2分别为B1B2' B3B4的中点，分别作直线OA1、OA2 (如图7中虚线所示)，两线夹角为β，则角β即为摄像头竖直方向的视角(设B1B2水平放置，B2B3竖直放置)。β、1与I2的关系如(I)式所示。
权利要求
1.一种投影系统效果的仿真验证方法，其特征是，用于获取柱幕被拍物3的图像，摄像头拍摄时的三个偏转角度α、β、Y均可预先设定，摄像头与柱幕被拍物3在世界坐标系中的相对位置可预先设定，照相机感光器件Ia尺寸(lp I2与焦距I的长度)可预先设定。
全文摘要
本发明公开了一种柱幕投影系统效果的仿真验证方法，该方法可以通过计算机软件程序实现。基于该方法，可以在程序中精确设定柱幕被拍物与摄像头镜头采光点的空间相对位置、拍摄时摄像头的摆放姿势(即镜头光轴指向)，以获取各种拍摄情形下柱幕被拍物的图像。该方法的提出旨在为投影系统总体设计、虚拟加工及调试提供必要的图像数据支持。
文档编号G01M11/02GK103033342SQ20121053540
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月12日 优先权日2012年12月12日
发明者刘雷, 秦聚超, 梁晟溟 申请人:哈尔滨飞羽科技有限公司