专利名称：一种自适应投影颜色补偿方法
技术领域：
本发明涉及一种在科研教育领域(科学可视化)、各类仿真领域(虚拟现实)、娱乐和会议(普适计算环境，具有纹理的墙壁拐角等复杂室内背景下的保真投影)、以及气象交通的大屏幕监控展示等领域中自适应复杂投影环境的投影颜色补偿方法。
背景技术：
在日常环境中对投影仪进行自适应校正需要解决非常规投影环境对投影图像的影响，其中需要解决的一个重要的难题就是投影显示表面的固有纹理以及环境光等因素所造成的颜色偏差和光亮度损失。对于投影图像的颜色校正，Nayar等对人类对投影图像颜色的视觉成像过程进行参数化分析，将图像经过投影仪投射到显示表面然后连同如投影纹理等干扰光一起反射回人眼的多次转换过程假设为颜色的多通道混合矩阵，然后使用相机采集多幅颜色标定图像来实现对颜色混合矩阵的求解。该方法由于对像素点进行逐个计算，其颜色校正精度较高， 相对应需要庞大的计算量，并且需要投影多幅图像才能完成颜色混合矩阵建立。Ashdown 等人提出了一种复杂的颜色校正计算框架，该方法使用一个经过颜色标定的高动态范围 (HDR)相机对投影表面进行高分辨率图像采集，然后将采集数据转换为基于人类视觉感知的CIELUV色彩空间并对色差值进行拟合，最后使用基于微分方程的松弛法颜色计算出颜色校正图像。该方法可以在投影表面纹理复杂以及存在多种环境干扰光的情况下实现精确的颜色校正，但是受限于求解方式的特殊性仅使用于对平面投影环境的静态投影图片进行颜色校正。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种自适应投影颜色补偿方法。该方法根据基于优化朗伯特反射模型的颜色补偿方法对投影图像进行颜色校正，可以有效消除复杂投影环境对投影图像造成的颜色偏差，观察者在视觉上感知不到投影表面固有纹理以及环境光对投影图像的影响，最终得到满足预先期望的投影图像。应用本发明公开的自适应颜色补偿方法可以摆脱传统投影设备对专业投影幕布的依赖，在日常生活环境实现如同在白色平板幕布进行放映的效果。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的一种自适应投影颜色补偿方法，包括以下步骤
(1)使用计算机视觉方法结合安装在投影仪上的摄像头完成系统标定。(2)使用计算机视觉方法对摄像头采集的图像数据进行分析和计算，确定投影仪与摄像头之间像素点对应关系，建立对应像素点坐标映射。(3)使用计算机视觉方法并结合摄像头采集的图像数据，为投影表面建立优化的朗伯特反射模型。(4)使用计算机视觉方法并结合摄像头采集的图像数据，将预投影图像进行预处理，根据计算的有效图像显示空间拉伸预投影图像的颜色范围。(5)使用计算机视觉方法并结合摄像头采集的图像数据，对初始颜色补偿图像进行全局亮度补偿，将像素颜色补偿值进行校验优化。(6)使用基于显卡的双通道渲染方法，对经过计算的投影颜色补偿图像进行绘制。本发明的有益效果是
1.可以有效消除投影表面的固有纹理和环境光照对投影仪颜色校正的影响，投影表面可以是具有任意颜色背景的反光物质表面，不需要专业投影幕布。2.可以智能感知投影环境调整投影图像，使得投影系统不受狭小空间的限制，实现了任意摆放投影仪随时随地进行投影。3.具有独立的实时在线校正系统，投影校正过程无需人工参与，极大简化了投影仪的安装调节过程。4.基于软件进行系统控制，极大的降低了硬件成本。5.采用计算机视觉方法对采集数据处理和分析，极大的降低了投影系统运行成本。
图1为基于优化朗伯特反射模型的颜色补偿方法实施例示图。图2为颜色补偿方法应用在非平面投影环境的实验示例图。
具体实施例方式1.系统安装首先，将一个摄像头安装在一台投影仪上，并保证摄像头镜头与投影仪的镜头同轴方向；然后将摄像头输出端口连接到计算机，并安装相应的驱动程序，同时将计算机显卡的一个输出口连接到投影仪。2.本发明自适应投影颜色补偿方法，具体包括以下步骤
(1)使用计算机视觉方法结合安装在投影仪上的摄像头完成系统标定。摄像头标定采用的是张正友提出的相机平面标定法，使用计算得到的摄像头内部参数对摄像头的径向畸变和切向畸变进行校正。标定后的摄像头实时获取投影显示图像并反馈投影环境信息。(2)使用计算机视觉方法对摄像头采集的图像数据进行分析和计算，确定投影仪与摄像头之间像素点对应关系，建立对应像素点坐标映射。(3)使用计算机视觉方法并结合摄像头采集的图像数据，为投影表面建立优化的朗伯特反射模型。在办公室、家庭等日常投影环境中，对于投影表面是具有规则花纹的窗帘、铺有墙纸的墙壁等情况时(图1 (a))，投影表面的材质、固有纹理和环境光都会导致投影图像发生颜色和光强度的偏差(图1 (e))。由于观察者的视觉形成来自于投影表面的漫反射光学成像，本发明采用一种对朗伯特反射模型(Lambertian Reflection Model)的优化方法，对投影表面进行参数化分析以便于计算投影图像的颜色补偿和光强度校正。标准的朗伯特反射模型是对非光滑表面的一种理想化估计，它假设表面对光源在不同角度的入射光辐射可以完全被反射，并且向任意角度的光辐射强度都一样，反射光辐射度取决于入三方面的因素入射光辐射度尽、入射光单位向量》、反射表面法向量《，设α为入射光单位向量 和反射表面法向量《的夹角，则标准的朗伯特反射模型计算的反射光辐射度馬可以表示为 Rs = (I^)-R权利要求
1.一种自适应投影颜色补偿方法，自适应投影颜色补偿系统包括摄像头、投影仪和计算机等，摄像头安装在投影仪上，摄像头镜头与投影仪的镜头同轴方向，摄像头的输出端口连接到计算机，计算机的显卡的一个输出口连接到投影仪；其特征在于，该方法包括以下步骤(1)使用计算机视觉方法结合安装在投影仪上的摄像头完成系统标定；(2)使用计算机视觉方法对摄像头采集的图像数据进行分析和计算，确定投影仪与摄像头之间像素点对应关系，建立对应像素点坐标映射；(3)使用计算机视觉方法并结合摄像头采集的图像数据，为投影表面建立优化的朗伯特反射模型；(4)使用计算机视觉方法并结合摄像头采集的图像数据，将预投影图像进行预处理，根据计算的有效图像显示空间拉伸预投影图像的颜色范围；(5)使用计算机视觉方法并结合摄像头采集的图像数据，对初始颜色补偿图像进行全局亮度补偿，将像素颜色补偿值进行校验优化；(6)使用基于显卡的双通道渲染方法，对经过计算的投影颜色补偿图像进行绘制。
2.根据权利要求1所述的自适应投影颜色补偿方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所说的系统标定是使用相机平面标定法对摄像头进行校准，消除摄像头的径向畸变和切向畸变。
3.根据权利要求1所述的自适应投影颜色补偿方法，其特征在于，所说的颜色补偿是计算机通过分析摄像头采集的颜色标定参考图像，首先对投影图像进行预处理和全局亮度补偿，然后使用优化的朗伯特反射模型的颜色补偿方法对投影图像进行颜色校正，最终消除投影表面固有纹理和环境光照对投影图像的干扰。
4.根据权利要求1所述的自适应投影颜色补偿方法，其特征在于，所述步骤(6)中，所说的双通道绘制方法是将预投影图像在显卡的第一个通道进行绘制得到一帧图像，然后使用颜色补偿方法对图像数据进行计算，并将计算结果输入第二个通道，在显卡的第二个通道绘制完成一帧新的图像，这帧图像通过第二个通道的输出端口输入给投影仪进行投影。
5.根据权利要求1所述的自适应投影颜色补偿方法，其特征在于，所说的投影仪可采用DLP投影仪。
6.根据权利要求1所述的自适应投影颜色补偿方法，其特征在于，所说的摄像头可采用网络摄像头。
7.根据权利要求1所述的自适应投影颜色补偿方法，其特征在于，所说的计算机可以是具有独立图形显卡的计算机系统。
全文摘要
本发明公开了一种自适应投影颜色补偿方法。该方法通过分析所采集的颜色标定参考图像，首先拉伸原始投影图像的颜色范围进行预处理，并对初始颜色补偿图像进行全局亮度补偿，对像素颜色补偿值进行校验优化，然后使用优化的朗伯特反射模型的颜色补偿方法对投影图像进行颜色校正，最终消除投影表面固有纹理和环境光照对投影图像的干扰。使用本发明公开的自适应颜色补偿方法在日常生活环境中进行投影，可以摆脱传统投影设备对专业投影幕布的依赖，观察者在视觉上感知不到投影表面固有纹理以及环境光对投影图像引起的颜色偏差，得到满足预先期望的投影图像，最终实现如同在白色平板幕布进行放映的效果。
文档编号G06F3/14GK102289360SQ20111024645
公开日2011年12月21日 申请日期2011年8月25日 优先权日2011年8月25日
发明者宋广华, 朱博, 解利军, 郑耀 申请人:浙江大学