大規模立體拼接顯示牆的校正方法
2023-09-16 16:06:00 1
專利名稱：大規模立體拼接顯示牆的校正方法
技術領域：
本發明涉及用於可視化和虛擬實境等科學研究中的大規模立體顯示牆的安裝校正方法。
背景技術：
隨著投影技術的發展，建立高解析度，大屏幕顯示畫面的幕拼接顯示系統(又稱投影牆)成為虛擬實境和可視化技術發展的迫切需求。
現代的數據可視化(Data Visualization)技術指的是運用計算機圖形學和圖像處理技術，將數據換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來，並進行交互處理的理論、方法和技術。它的一個重要研究內容是研究如何把科學數據一數值與圖像轉變為可視的圖形(圖像)。以下是當前可視化研究的幾個重要研究課題1)醫學影像數據的可視化通過CT、MRI和正電子放射斷層掃描(PET)等手段獲得有關器官和組織的二維斷層圖象，採用可視化軟體系統重構其三維圖象，為醫學診斷和治療提供依據和指導。
2)流場的可視化對複雜的幾何模型求解，計算出流場中各種參數在每一時刻的數值，利用可視化技術在屏幕上將數據動態地顯示出來。例如，用多種不同方法表示出每一點的速度、壓力、溫度和組分等，並顯示出渦流、衝擊波、剪切層、尾流及湍流等。
3)腦結構及其功能可視化在人腦研究過程中，利用可視化技術輔助獲取數據(CT和MR等)、提取特徵(根據實驗數據生成腦的三維結構圖和功能圖)並進行腦圖分析，以適當的三維方式顯示出來。
以上應用中，都需要處理大量的科學數據，轉換生成不同的圖形(圖像)顯示出來供分析和研究。通常這些應用對顯示設備的解析度都有很高的要求，在腦結構的研究中，繪製人腦的神經元要求極高的解析度，在流場的可視化中，要逼真地顯示流場的細微結構和各種參數的等值面，解析度的一點損失可能會造成重要信息的丟失，甚至會造成實驗結果的無效。
追求亮麗的超大畫面、純真的色彩、高解析度的顯示效果，歷來是人們對視覺感受的一種潛在要求。不僅僅是科學可視化，大到指揮監控中心、網管中心的建立，小到視頻會議、學術報告、技術講座和多功能會議的進行，對大畫面、多色彩、高解析度顯示效果的渴望越來越強烈，單臺顯示設備所能顯示的信息已經遠遠不能滿足人們的需求，隨著投影顯示技術的不斷發展與創新，更高的解析度顯示成為顯示系統的迫切需求。
為了滿足人們對超大畫面和高解析度顯示的迫切需求，隨著投影技術的發展，大屏幕拼接顯示系統(又稱投影牆，Display Wall)應時而生。它具有以下特點顯示面積大，積木式拼接，可達幾十、上百平方米，甚至更大；解析度高、清晰度高。理論上可以隨著拼接規模增大而不斷累加。
拼接顯示系統通過把若干個獨立的低解析度顯示設備(顯示器或投影儀，本文中採用投影儀)拼接在一起共同組成一個大的高解析度大屏幕顯示系統。很不幸，在可視化的世界裡，一加一從來不等於二。我們在機場，廣場和一些購物中心看到的商業上的拼接顯示牆要麼就是分辨太低，要麼就是拼縫太過明顯，而且這些設備成本十分昂貴。傳統的幾何校正方法是硬體校正為每一臺投影儀都配備一個具有多個調節自由度的底座，通過手工對每一自由度進行調節(包括位置，角度等)，使得投影儀的投影方向垂直與投影屏幕，並且相鄰投影儀能正確拼接顯示，這是一個十分煩瑣和費時的工作；而且當投影儀的數量較大時，這一工作尤其困難。因此該方法一般只用於投影儀數量較少的場合。
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發明內容
本發明的目的是展示構造一個低成本，基於計算機視覺進行校正的大規模立體拼接顯示牆的校正方法，致力於將單個的標準解析度的顯示輸出組合成無縫的高解析度顯示整體。
本發明的大規模立體顯示牆的安裝校正方法，其特徵是包括以下步驟1)用Linux集群系統驅動構成顯示牆的多臺投影儀，將集群的每臺計算機作為一個節點，按照InfiniBand 架構布置集群網絡，並為每個集群節點安裝與InfiniBand對應的軟體；為每個集群節點安裝具有雙輸出口的顯卡，並安裝與顯卡相應的驅動程序；2)按照每兩個投影儀為一組，其中一個投影儀標記為奇數，另一個標記為偶數，兩個投影儀分別與同一個節點的兩個輸出口相連，調整投影儀位置，使得每組投影儀在幕布上覆蓋相同的區域，相鄰組投影儀之間有重疊區；在所有的投影儀上安裝起振片，使得奇數投影儀和偶數投影儀起振片發射出兩種正交偏振光；3)用計算機視覺的方法進行圖像幾何校正，使得多臺投影儀投出來的圖像拼接組成一幅統一的圖像；4)對投影儀投射的圖像進行邊緣融合，消除相鄰投影儀拼接處的縫隙和過亮區域；5)用計算機視覺的方法進行圖像顏色校正，減少各個投影儀之間的色度差。
本發明中，所說的圖像幾何校正是先讓同為奇數或者同為偶數的投影儀投影具有特徵圖形的圖片，用相機拍照整個屏幕，然後對照片進行圖像處理，提取特徵點；再根據特徵點，運用矩陣理論，計算出顯卡幀緩存區與投影屏幕上的點之間的一一映射；最後，根據計算出來的映射矩陣，對幀緩存進行投影變換。
本發明中，所說的圖像邊緣融合是對每臺投影儀根據其與相鄰投影儀的重疊區，生成相應的包含光滑處理函數的掩膜，然後根據掩膜對幀緩存區進行融合。
本發明校正方法，將投影儀安裝在幕布的背面為好，幕布可採用光學屏幕的背投軟幕。
本發明中，所說的投影儀可採用LCD投影儀。
本發明的有益效果在於
1.基於軟體進行無縫的幾何和色彩校正，極大的降低了硬體成本。
2.基於計算機視覺進行校正數據獲取，極大的降低了顯示牆維護成本。
3.可以根據具體需求靈活配置投影儀數量，顯示尺寸和解析度。
4.可以通過添加集群繪製節點，實現大規模場景實時繪製。
圖1為採用本發明方法的大規模立體拼接顯示牆的架構圖；圖2為每組兩個投影儀的投影示意圖。
具體實施例方式
微機集群大屏幕顯示牆使用並行繪製技術，採用多臺投影儀取代原來的單臺投影儀使得顯示屏幕增大為相應的倍數；各個投影儀由單獨的計算機進行驅動，計算任務的分擔使得顯示速度也大大提高。同時，實時的圖形顯示中，各個計算機之間有著大量的網絡數據傳輸，使得大帶寬、低延遲的網絡傳輸系統代替普通的區域網成為一種必然，這也是我們選擇微機集群的主要依據，集群中用高速網絡取代通常的乙太網卡，從而大大提高了網絡傳輸速度。
投影方式投影有正投和背投兩種不同方式，所謂正投，就是投影儀的位置安裝在顯示屏幕的前面，與觀眾同側，投影儀發出的光線投射到屏幕，在屏幕上形成圖像，再反射到人的眼睛；背投方式下投影儀安裝在屏幕的背面，投影儀和觀眾分別位於屏幕的前後方，投影儀發出的光線從屏幕的後方直射到屏幕，光線透過屏幕進入觀眾眼睛。
相對於正投來說，背投具有視角較窄和在屏幕背後需要佔用一定空間的特點，但在對抗環境光的幹擾性、顯示效果和用戶方便性等方面均優於正投，因此選用背投方式為好。
幕布背投方式採用的背投幕從材質上看，有軟質幕和硬質幕之分。軟質幕具有相對廉價、無縫(尺寸可以定製)、運輸安裝方便(可以摺疊)等優點。軟質幕的缺點是穩定性容易受溫度、溼度和氣流的影響從而造成圖像的晃動，耐用性較差。與之相比，硬質幕壽命長，穩定性好，但價格昂貴，尺寸固定和運輸和安裝不太方便。
從光學結構上分，背投幕有兩種，一種是漫反射屏幕，一種是光學屏幕，他們的顯示效果不同。漫反射屏幕是一個普通的透明膠板或者玻璃層，裡面加了漫反射材料。漫反射屏幕顯示的圖像其光線不是均勻地發送到觀眾眼裡，而是不規則地向各個方向發散的，太陽效應很厲害，角落比較暗。光學屏幕吸收來自投影機的光線後均勻地發送給觀眾。光線平均地分布屏幕的中心及角落。其中，光學背投幕布依靠微細光學機構來完成投影光能的分布，是目前公認效果最好的顯示方式。
綜合以上兩個因素，選擇採用光學屏幕的背投軟幕。
投影儀投影儀主要技術有CRT(Cathode Ray Tube，陰極射線管)、LCD(LiquidCrystal Display，液晶顯示器)和DLP(Digital Light Processor，數碼光路處理器)三大類型。
由於投影牆必須採用輕巧的可攜式投影儀，而且價格必須相對低廉，所以首先排除性能穩定但十分笨重的CRT投影儀。接下來所需要做的只是對LCD投影儀和DLP投影儀進行比較和選擇。對比兩種產品，DLP投影儀輕巧便攜，對比度高，黑白圖像清晰銳利，暗部層次豐富，細節表現豐富，畫面質量穩定。LCD投影儀圖像色彩飽和度好，比DLP投影儀更為節能(功率低)，但在對比度和亮度的均勻性方面都要遜於DLP。總體來說，DLP投影儀的顯示質量優於LCD投影儀。但一方面因為LCD投影儀巨大的價格優勢，另一方面，考慮到在這一具體的應用中，LCD各方面的參數已經達到了所需的要求，所以選擇LCD投影儀。
被動立體被動立體投影顯示常用的是偏振光技術。使用該技術的顯示設備必須配有起振片，通過配有起振片的顯示設備發射出兩種正交偏振光，即平行與垂直方向振動的光。採用在所有的投影儀上安裝起振片，使得奇數投影儀和偶數投影儀起振片發射出兩種正交偏振光；用戶佩帶偏振光眼鏡，兩眼分別看到不同方向振動的光，分別看到不同組的投影儀投射的圖像，從而產生立體效果。這裡，採用基於偏振光片的被動立體。
幾何校正對於由多臺投影儀拼接顯示的投影牆系統來說，一個十分關鍵和必須解決的問題是如何校正每臺投影儀的位置，角度，使得所有的投影儀都能投影到正確的矩形區域，保證所有的投影顯示區域能夠一一的拼接起來，形成一個無縫的，邏輯上單一的顯示設備；採用如下的幾何校正方法對用於投影的幕布進行邏輯上的劃分，將其分為大小相同的分塊，每個投影儀負責顯示其中的一塊，只要將每臺投影儀的顯示圖像校正到對應的矩形區域內，便可實現顯示圖像的正確拼接。這樣做使投影圖像的分布均勻美觀，同時使得各顯示節點的繪製任務趨於平衡。
要進行校正，需要知道投影儀上圖像點陣(即集群節點上幀緩存中的原始圖像)和投放到顯示屏幕上後對應圖像點陣之間的映射關係。假設投影過程沒有任何的光學扭曲，而投影幕布的表面是一個平面，那麼幀緩存中原始圖像與相機圖像、投影圖像與相機圖像之間都可以看成線性變換，分別用3×3矩陣C和T表示，用P來表示原始圖像與投影圖像之間的映射，則P＝C』T(C』表示C的逆矩陣)(1)由於C和T都是3×3的矩陣，則P也是3×3的矩陣。如果用傳統的三維圖形流水線進行繪製，那麼P可以擴展為一個4×4的矩陣，將它和視圖投影矩陣連接對圖像進行預變換，可以生成正確的拼接圖像，而這不需要任何額外的計算代價。
由式(1)，可以看出，只要得到矩陣C和T，便可求得幀緩存中圖像和投影圖像之間的關係P，而C和T可以通過投影測試圖像和相機拍照來計算獲得。
為了將每臺投影儀對應幀緩衝區中的圖像坐標與投影幕布上的圖像全局坐標建立一一映射，通過數位相機拍照獲取一組特徵點，然後進行映射。但是，由於相機拍攝受各種參數和環境的影響，使得拍攝的圖片與實際情形可能有很大的不同，光照的強弱，投放圖片的顏色、形狀都會影響到特徵點提取的精度。校正方法中，使用一組綠色的圓作為特徵點，然後每臺投影儀依次投影這些特徵點，通過數位相機對投影屏幕進行拍攝，得到每臺投影儀投射的特徵點在投影屏幕上的圖像。要得到3×3的映射矩陣，至少需要四組特徵點，所以我們至少需要四個圓；在計算映射矩陣的過程中，採用最小二乘法進行模擬，多一些數據能夠提高校正結果的精度。
在得到每臺投影儀的投影特徵網格後，還需要將這一投影屏幕上的全局特徵網格和本身幀緩衝區中的特徵網格建立一一映射。由於環境光的影響和數位相機本身的不精確性，有可能造成所拍圖像特徵點不明顯，所以在進行特徵點提取前，需要先做圖像處理。圖像處理上通常的做法是將圖像進行二值化轉化為灰度圖，由於投影的圓是綠色的，所以可以根據RGB值中G值的不同來對圖像進行二值化。
受拍攝環境的和相機參數的影響，排出的照片會有很大差別，要進行正確的二值化所選擇的閥值可能會不同，程序將會自動去嘗試選擇正確的閥值。
得到二值化處理結果圖像後，需將圖中的所有圓形區域轉換為點值坐標，以方便建立幀緩衝區和投影屏幕全局坐標之間的一一映射。但是，由於相機解析度和精度的局限性，有可能造成二值化的特徵網格中的每一個圓形區域並不是精確的圓，圓到點的轉換算法必須有一定的容錯性，取圓形區域的平均中心點作為特徵值是一個比較好的選擇。
在得到了每臺投影儀測試圖片上的特徵點後，便可以求得映射矩陣，從而進行矩陣變換。在變換矩陣P的計算中，設{(xi，yi)，(Xi，Yi)}是提取特徵點後建立的一一映射點集，則根據線性代數知識，我們便可以求出P。得到P後，要在屏幕上得到投影區域，便可以求出各頂點在幀緩存中的對應位置，繪製時，只需對幀緩存中的圖像進行變換，在屏幕上便可得到正確的拼接圖。
邊緣融合即使幾何校正的結果十分精確，投影儀間顏色上的不一致，仍然會使得拼接處的過渡產生跳變，由於亮度上的突兀過度，拼接處縫隙會十分明顯。而且，事實上由於計算精度的誤差，幾何上的拼接一般會有1-2個象素的偏差，拼接處可能會出現微小的縫隙或重疊。邊緣融合就是為了避免這些跳變，使相鄰的屏幕重疊區同時顯示，但這樣會造成重疊區的高亮，所以需要對重疊區的亮度進行融合，使得拼接後能夠看成一個統一的屏幕。
為了進行邊緣融合，為每個投影儀設置一個包含光滑處理函數的掩膜(alpha mask)，alpha mask的象素點值表示對應顯示圖像融合的權重，1(白色)表示完全顯示，0(黑色)表示不顯示，0.5則表示以一半的亮度值顯示。在進行圖像繪製時將原圖與alpha mask進行融合，在重疊區域便可實現投影儀間的平滑過渡。
以左右兩個投影儀的重疊區為例，重疊區域R內一點(象素)M，與R的左邊緣距離為d1，與R的右邊緣距離為d2，為了使這一點的亮度與非重疊區域內的亮度一樣，在該點兩個投影儀貢獻的亮度之和應等於非重疊區域內的亮度。為了使投影圖像顯得平滑自然，該點在R內距離哪個投影儀的邊緣越近，則該投影儀貢獻的光強應該越低，設左側投影儀應貢獻的光強為Lleft，右側投影儀應貢獻的光強為Lright，非重疊區的光強為L，則可以得到以下幾個等式L＝Lleft+LrightLleft=L*d2d1+d2]]>Lright=L*d1d1+d2---(2)]]>但是由於顏色信息傳輸到投影儀投射出後經過了一個非線形的變換，顯示的光強和電壓是一種冪函數的關係，在這些冪函數中的指數統稱為gamma；而電壓和原始顏色的強度是線形關係。因此，在求融合權重alpha mask時，應用式(2)求解後，還應該再做一個額外的gamma逆變換，這樣才能使得投放出來的光強在重疊區域內和非重疊區域內相等。Alpha mask有了以後，可以用OpenGL中的glBlendFunc函數進行邊緣融合。
顏色校正不同的投影儀在投射相同顏色時，由於物理光學屬性的不同，會產生顏色偏差，主要有色度差和亮度差前者指在投射相同顏色時，不同的投影儀會不同程度地夾雜其他顏色，使該色不「純」；後者指在投射相同亮度顏色時，不同投影儀會產生不同的亮度，偏亮或者偏暗。以上兩者會導致視覺上的不一致性，從而引進了顏色校正。
為了進行顏色校正，需對投影儀的R，G，B三個通道分別進行校正，從而來減少色彩差異。首先，用數位相機拍照測量出不同投影儀在投射相同亮度顏色時，所產生的實際亮度，R、G、B三種顏色各拍十張，其亮度分別從0.1～1.0(1.0為最大亮度)。為使不同亮度都能拍攝出清楚的圖像，需要手動設置相機的曝光時間，並將其記錄下來，以備之後的程序使用。其次，由於在拍攝不同強度照片時採用了不同的曝光時間，產生的照片並不能直接比較象素值，而是需要通過像素值轉換成真實的亮度值。即真實的亮度值是關於像素值和當前照片曝光時間的函數，該函數是一個照相機的物理屬性，通過採樣一系列不同曝光值的照片來擬合該函數。然後，通過圖像處理，對不同亮度下拍攝的照片進行處理，得到每臺投影儀的顏色映射表。最後，在每臺投影儀投影顯示之前，設置不同屏幕的XWindow的colormap表，產生一個顏色值的映射，使得投射出的顏色儘量相似。
以下結合附圖並通過實側對本發明作進一步的說明圖1所示的大規模立體拼接顯示牆由10個節點的微機集群1驅動18臺投影儀2組成(圖中只畫了8個節點)，其投影面積大約為2.5m×2.2m，解析度為3000×2000象素，其中幕布3選擇了美國Stewart公司原裝進口的film screen背投軟幕，投影儀採用EPSON EMP-74的LCD投影儀，它具有高亮度(達到2000流明)，並有RS485控制接口，以便通過軟體來控制投影儀陣列；顯卡採用具有雙輸出通道的Geforce FX5200，這樣可以使得每組投影儀由一個集群節點控制。先將該18個投影儀分為9組，每組兩個投影儀，兩個投影儀分別與同一個節點的兩個輸出口相連，在兩臺投影儀前面放上方向相差90度的偏振片4(如圖2所示)，並調節投影方向，使得每組投影儀投在幕布上相同區域；而且相鄰組投影儀之間要有重疊區。
在布局好整個硬體系統後，首先，按照InfiniBand架構布置集群網絡，並為每個集群節點安裝與InfiniBand對應的軟體，同時，為了使顯卡運行時能夠有好的性能，為每塊顯卡安裝相應的顯卡驅動程序。
接下來，用計算機視覺的方法進行圖像幾何校正，首先在每個投影儀上投影出相同的7×7的圓陣圖片，然後用相機拍攝照片，並對照片進行圖像處理，提取出特徵點，然後運用矩陣理論，通過這些特徵點計算出幀緩存中的圖像與投影圖像之間的映射，然後根據該映射關係，對幀緩存中的圖像進行相應的變換，便可以完成兒何校正。
然後，對投影儀投射的圖像進行邊緣融合，根據每臺投影儀與周圍相鄰投影儀重疊區的不同，為它們生成相對應的包含光滑處理函數的掩膜，並將這些掩膜映射到幀緩存區中的圖像上去，便可以使相鄰投影儀拼接處實現平穩過渡，而不會出現縫隙或者過於高亮的情況。
最後，用計算機視覺的方法進行圖像顏色校正，對投影儀的R，G，B三個通道分別進行校正，從而來減少色彩差異。首先，用數位相機拍照測量出不同投影儀在投射相同亮度顏色時，所產生的實際亮度，R、G、B三種顏色各拍十張，其亮度分別從0.1～1.0(1.0為最大亮度)。然後，通過圖像處理，對不同亮度下拍攝的照片進行處理，得到每臺投影儀的顏色映射表。最後，在每臺投影儀投影顯示之前，設置不同屏幕的XWindow的colormap表，產生一個顏色值的映射，使得投射出的顏色儘量相似。
權利要求
1.大規模立體拼接顯示牆的校正方法，其特徵是包括以下步驟1)用Linux集群系統驅動構成顯示牆的多臺投影儀，將集群的每臺計算機作為一個節點，按照InfiniBand架構布置集群網絡，並為每個集群節點安裝與InfiniBand對應的軟體；為每個集群節點安裝具有雙輸出口的顯卡，並安裝與顯卡相應的驅動程序；2)按照每兩個投影儀為一組，其中一個投影儀標記為奇數，另一個標記為偶數，兩個投影儀分別與同一個節點的兩個輸出口相連，調整投影儀位置，使得每組投影儀在幕布上覆蓋相同的區域，相鄰組投影儀之間有重疊區；在所有的投影儀上安裝起振片，使得奇數投影儀和偶數投影儀起振片發射出兩種正交偏振光；3)用計算機視覺的方法進行圖像幾何校正，使得多臺投影儀投出來的圖像拼接組成一幅統一的圖像；4)對投影儀投射的圖像進行邊緣融合，消除相鄰投影儀拼接處的縫隙和過亮區域；5)用計算機視覺的方法進行圖像顏色校正，減少各個投影儀之間的色度差。
2.根據權利要求1所述的大規模立體拼接顯示牆的校正方法，其特徵在於所說的圖像幾何校正是先讓同為奇數或者同為偶數的投影儀投影具有特徵圖形的圖片，用相機拍照整個屏幕，然後對照片進行圖像處理，提取特徵點；再根據特徵點，運用矩陣理論，計算出顯卡幀緩存區與投影屏幕上的點之間的一一映射；最後，根據計算出來的映射矩陣，對幀緩存進行投影變換。
3.根據權利要求1所述的大規模立體拼接顯示牆的校正方法，其特徵在於所說的圖像邊緣融合是對每臺投影儀根據其與相鄰投影儀的重疊區，生成相應的包含光滑處理函數的掩膜，然後根據掩膜對幀緩存區進行融合。
4.根據權利要求1所述的大規模立體拼接顯示牆的校正方法，其特徵在於投影儀安裝在幕布的背面。
5.根據權利要求4所述的大規模立體拼接顯示牆的校正方法，其特徵在於幕布為光學屏幕的背投軟幕。
6.根據權利要求1所述的大規模立體拼接顯示牆的校正方法，其特徵在於投影儀為LCD投影儀。
全文摘要
本發明公開了大規模立體拼接顯示牆的校正方法，由Linux集群系統驅動多臺投影儀，投影儀按每兩個一組，分別與同一個集群節點的兩個輸出口相連，用計算機視覺的方法對投影儀投出來的圖像進行幾何校正、邊緣融合和顏色校正，將投影圖像拼接成一個統一的高解析度、大規模的立體顯示畫面。本發明方法基於軟體進行無縫的幾何和色彩校正，極大的降低了硬體成本；採用計算機視覺的方法進行校正數據獲取，極大的降低了顯示牆維護成本；另外，還可以根據具體需求靈活配置投影儀數量，顯示尺寸和解析度，通過添加集群繪製節點，實現大規模場景實時繪製。
文檔編號G06T5/00GK1971504SQ20061015524
公開日2007年5月30日 申請日期2006年12月15日 優先權日2006年12月15日
發明者鄭耀, 宋廣華, 解利軍, 張繼發, 黃爭舸, 楊廷俊, 高文軒, 潘寧河 申請人:浙江大學