自動圖像監視器校準系統中坐標轉換的方法與裝置的製作方法
2023-05-26 14:51:11 1
專利名稱：自動圖像監視器校準系統中坐標轉換的方法與裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及圖像監視器及圖像監視器的自動校準系統，尤其是包括一個對顯示在監視器上的圖像進行捕捉並通過坐標系變換精確計算顯示圖像相對監視器的物理特性。
在視頻監視器的裝配過程中，為使顯示在監視器上的圖像獲得所需要的顯示特性，需調整圖像監視器的一些參數。傳統上，圖像監視器在運抵客戶之前，在工廠裡由有經驗的操作人員調整好。然而，監視器的人工調整存在著若干問題。首先，人工調整意味著人工測量顯示圖像的物理特性，這通常是採用捲尺。因此，測量與調整的精確性很大程度上取決於操作人員的經驗。其次，疲勞的操作人員經常調整不準確。第三，人工系統不可能保證調整的穩定性、客觀性和可重複性。
用於測量顯示圖像物理特性的另一種方法是採用光學裝置和/或一個裝設在X-Y定位平臺上的光傳感器。這種方法可以很精確，但需對CRT顯示的測量系統精確校準。這種方法也很慢，因此在監視器調整速度成為主要因素情況下，不適用於監視器的生產或製造設備。
頒發給本申請的受讓人的美國專利5,216,504公開了一個「自動精確視頻監視器校準系統」。該系統包括一個置於圖像監視器之前的單一的攝像機，用於拍攝顯示圖像，圖像隨後傳送給一臺計算機的圖像板來分析顯示圖像的物理特性。攝像機同時拍攝到限定CRT發光區外緣的顯示器框的圖像。邊框可以是一個陰罩、一個孔徑格柵、一個顯示邊框或一個面板等類似物。邊框的四個內角是確定的。當攝像機/監視器未對準時進行二維插值校正。然而，這種方法也受其精確度和角度無關性的限制。這主要是歸因於對CRT的三維幾何形狀採用二維補償方法。而且，由於CRT的曲率和玻璃厚度還存在著折射誤差。
本項發明就是在此背景下開發的，且目的是在現有技術基礎上進行改進。
本發明的用於自動圖像監視器校準系統中坐標系轉換的一種方法包括如下步驟拍攝圖像監視器及其顯示圖像的攝影圖像，將拍攝到的攝影圖像轉換為適合計算機處理的格式，對轉換圖像進行處理以確定轉換圖像的某些特徵，然後將轉換圖像預選部分的位置坐標變換為監視器上顯示圖像的坐標系。
本發明的用於自動圖像監視器校準系統中坐標系轉換的設備包括用於拍攝圖像監視器及其顯示圖像的攝影圖像的裝置，用於將拍攝到的攝影圖像轉換為適合計算機處理格式的裝置，用於對轉換圖像進行處理以確定轉換圖像某些特徵的裝置，以及用於將轉換圖像預選部分的位置坐標變換為監視器上顯示圖像坐標系的裝置。
本項發明的其它方面、特點及細節均可通過參閱下述結合附圖對優選實施例的詳細說明及所附的權利要求得到更完整地理解。
圖1是本發明的用於自動圖像監視器校準系統中坐標系轉換系統的方框圖；圖2A與圖2B分別是圖1中圖像監視器的前視圖和橫截面圖，描述相應的坐標系；圖3是圖1中圖像監視器中作為實例的陰極射線管的相對位置和表面形狀以及陰極射線管螢光物質層位置的圖示說明；圖4是圖1系統的攝像機像素到目標尺寸的幾何轉換的示圖；圖5是圖1中圖像監視器的陰極射線管的局部放大橫截面圖，圖中所示的一個通過射線管螢光屏的一束光的軌跡以說明從無窮遠處觀察和從攝像機位置觀察的視差；圖6是當不採用圖1系統時水平中心測量隨攝像機監視器傾角的誤差例子的圖示說明；圖7是採用圖1系統時水平中心測量隨攝像機監視器傾角的誤差例子的圖示說明。
本項發明的用於在自動圖像監視器校準系統中轉換坐標系的方法及裝置或系統10，採用了一個單一的攝像機系統。如圖1所示，系統10包含一個圖像監視器12，它由一個陰極射線管(CRT)14及其連帶邊框16組成，邊框如上所述可以是一個孔徑格柵、一個陰罩、一個顯示邊框或一個螢光屏等類似物。一個固態攝像機20置於監視器12的前面，用於拍攝顯示圖像的圖像。該攝像機與一個經改進的PC機22中的常規圖像板(未畫出)連接，來自攝像機的圖像信號24在計算機中通過一種常規方法處理成適於計算機處理的格式。計算機通過RS-232口30與圖像監視器和視頻信號發生器26進行通信。視頻信號發生器為圖像監視器提供一個彩色視頻信號32。計算機可從監視器收到設置信號，該信號告知計算機監視器的尺寸、CRT玻璃的厚度、CRT上的玻璃與螢光物質層的形狀及相對位置等相關數據。另外，計算機也可通過另一種資源，如一個存儲盤獲取監視器設置信息。
降低攝像機/圖像監視器固定狀態精確度的需求及用「平面」測量單位表徵結果是非常重要的。為同時解決這兩個問題，本發明的系統在測量時採用了幾個數字模型，這包括射線管面、螢光物質層和面板、塑料邊框形狀的模型以及從攝像機像素坐標系變換到「平面」單位的公式。
利用監示器的某些部分(如作為陰罩、面板或孔徑格柵的邊框)作為測量基準的一般方法在頒給本發明受讓人的編號為5,216,504的美國專利中予以公開，在此引用，以作參考。
本申請描述了一種射線管模型和用於從攝像機像素轉換到「平面」坐標系的公式。檢查顯示在CRT上的圖形的幾何形狀需採用這種模式。在攝像機像素坐標系中進行具體圖像的邊緣測量。攝像機像素坐標系進而變換成以毫米為單位的參照「平面」幀。這種變換考慮了攝像機的透視的影響並排除了視差的影響。
系統10可以通過測量一個作為基準的系統，如一個陰罩(未畫出)、一個孔徑格柵(未畫出)或一個顯示邊框16，計算出攝像機20相對CRT14的方向。通過將測量參考數據從攝像機像素迭代變換成「平面」坐標並與已知的基準尺度進行比較，計算出最佳視點。如上文所述，基準尺度是通過監視器的RS-232通訊接口30或通過預先存儲在計算機存儲盤上的數據獲得的。
這樣，由於每次被檢測的CRT置於攝像機20之前都計算視點，因此系統10不必依賴於精確定位。較小的定位容限仍是必要的，以確保布局在攝像機視場內或消除傳送帶的擺動。
為了表示這種結果，首先給出幾個定義。坐標系在圖2A和2B中顯示CRT的三維和「平面」坐標。坐標系是迪卡爾坐標系(X，Y，Z)。原點(0，0，0)位於CRT的前表面中CRT的軸線在螢光屏上穿出的位置。X軸沿CRT前表面水平延伸，Y軸沿CRT表面垂直延伸，Z軸從CRT軸線上水平突出。符號矢量用黑體表示，標量則不用。例如，攝像機的位置表示為vc＝(vcx，vcy，vcz)。矢量叉乘表示為x，點乘為·。攝像機像素坐標攝像機像素坐標位於攝像機傳感器陣列的圖像平面上。在640×480陣列上的坐標典型範圍為-320≤cpx≤319，-240≤cpy≤239。坐標原點為攝像機鏡頭光學軸與傳感器陣列的交點。視點把攝像機視為位於一個點上，該點由原點發出的矢量vc描述。攝像機指向的方向由一個單位長度矢量cpt描述。攝像機的水平像素軸由一個單位長度矢量cx描述。注意cx與cpt垂直。攝像機的垂直像素軸由一個單位長度矢量cy＝cx×cpt描述。只需三個矢量vc、cpt、cx即可完全描述對顯示器的攝像機的相應方向，它們的計算關係如上所述。射線管面模型管面模型是以(x，y)的函數形式對螢光物質層或射線管表面Z坐標的描述。管面可以描述成具有x和y方向的單一或複合場域。管面也可以描述成一個明確的公式，其中的參數描述表面的形狀。簡單起見，此處只給出帶參數a0-6的明確公式。
surface-hgt(p)＝a0[px]a1+a2[py]a3+a4[px]a5[py]a6。圖3所示為一個單一場域17英寸CRT的Surface-hgt60與phosphor-hgt62的例子。其它模型及尺寸將會有不同的數據。在本例中，表面場域為rx＝1,300毫米及ry＝40,000毫米。攝像機像素到「平面」的變換從攝像機像素到「平面」坐標系的變換可以用一組矢量方程來描述。這些矢量方程可得出數值解。每個部分可採用迭代的方法解得。但首先要給出一個能說明該變換重要原則的簡單實例。圖4所示為從攝像機像素到目標尺寸y′變換的簡單化幾何結構，單位為毫米。透鏡焦距fl及距目標距離dist已知。
在圖4中，實際圖像平面70的位置以虛線示出。在這些變換中，採用了相似三角形原理。數字上稱圖像平面70位於表示虛擬圖像平面72的線上，該線在攝像機位置74另一側的等距處。因此計算長度y′它是圖像上某部分的高度76，存在一個簡單的關係式，y′＝y·dist/fl。長度y是兩個圖像邊緣之間攝像機像素的數量乘以傳感器陣列上每像素的毫米距離。
例如，假設有一個系統，dist＝600毫米，fl＝16毫米，Y＝240像素·0.0135毫米/像素，則y′＝121.5毫米。但是如果距離有1毫米的誤差，則計算出的目標尺寸誤差將有0.2毫米。
圖5所示為通過射線管螢光屏的一束光的軌跡。這表明了從無窮遠處觀察和從攝像機位置觀察的視差。由於測量一個CRT的實際幾何尺寸是一個三維對象，由此需用矢量式。下面是幾個定義。
(cpx，cpy) 將被變換成「平面」坐標的攝像機像素坐標。
mmpx，mmpy毫米/每像素，傳感器陣列上攝像機像素的間距。
fl 透鏡焦距，單位毫米。
n 射線管表面s點處的單位法向矢量，方向向外。
變換開始先確定一個從攝像機位置vc指向被測量點的矢量p。該矢量p沿著所謂攝像機視線方向。
p＝fl·cpt+mmpx·cpx·cx+mmpy·cpy·cy確定視線在射線管表面的通過點s。這些方程的最後兩個通過迭代解得。
sz＝0s＝Vc-p·(Vcz-sz)/pzsz＝surface-hgt(s)計算得出一個在點s處垂直於射線管表面的矢量。這是一個單位長度矢量。
n＝normal-vect(s)確定s點處，平行n的玻璃厚度t。厚度t是s到e′的距離。
t＝nz·(surface-hgt(s)-Phosphor-hgt(s))沿著光線到達產生被測點的螢光物上的點e。計入管玻璃的拆射率ng。令p1為p方向的單位長度矢量。
p1＝p/|p|注意到|p1×n|的叉乘值為sinθ，這裡θ是視線p到玻璃表面的λ射角。考慮到折射率公式可以寫成n1sinθ2＝n2sinθ1。另外的三方程計入折射率的影響。結果是從s指向e的單位長度矢量p3。
p2＝-(p1×n)×n/ngp3＝p2-n·sgrt(1-p2·p2)現在可得螢光物質層上實際產生視頻圖像的點e。
e＝s-t·p3/(p3·n)為計算由於玻璃厚度引起的視差值，假定在無窮遠處有一視點，在該點的視矢量p′是平行於z軸的。設想在螢光物上有一虛擬點e′，假設攝像機置於無窮遠處，視線仍然穿過s。
p′＝(0，0，-10)p2′＝-(p′×n)×n/ngp3′＝p2′-n·sgrt(1-p2′·p2′)e′ ＝s-t·p3′/(p3′·n)確定表面上無窮遠的視點s′。由於我們假定在s區域，射線管表面和螢光物質層是平行的，玻璃厚度為常數，因此這是一種近似。
s′＝s+e-e′至此，從攝像機像素坐標(cpx，cpy)到「平面」坐標(s′x，s′y)轉換完成。
(cpx，cpy)＝(s′x，s′y)逆變換採用相似的方法，可從這些公式推導出。實驗驗證這裡說明了一個採用這些模型的優點的實例。通過對一臺典型的17英寸監視器的測量表明可消除視差的影響。對一定範圍的攝像機/監視器傾角測量了一個全白圖案的水平中心。監視器保持固定不動，而攝像機從左到右先後被置於幾個不同位置。圖6顯示出隨著攝像機/監視器方向變化，所測得的水平中心變化的大小。這是由於存在視差引起的。圖6的數據是通過有效地關閉本發明系統的三維模型部分而得出的。圖7所示為引入系統的三維模型時測得的水平中心，此時消除了視差的影響。
在CRT檢測中對攝像機視點的計算和從攝像機像素到「平面」坐標變換邊緣位置的能力具有多個優點。降低了對測試下CRT放置的定位的準確性要求。對每個顯示模型，檢測系統通過從存儲盤中調入一組新的模型參數(如Surface-hgt、phosphor-hgt、mmpx，mmpy，fl、…)進行改變。
需要這些變換使一個通用設計系統正確測量任何CRT顯示器的尺寸、中心定位、圖像幾何形狀。視差的影響被考慮進去並被消除，使得攝像機在一個很寬的位置範圍內均可獲得精確測量。
本實施例旨在生成實際上可用於任何CRT顯示器的通常設計的顯示系統。當系統被設定檢測某個特定CRT顯示器時，僅需改變某些模型參數。
雖然詳細地描述了上述本發明的一個當前優先實施例，然而應理解，這些細節是針對該實施例的，而本發明本身由所附權利要求來規定其範圍。
權利要求
1.一種將攝像機所拍攝的部分圖像的位置坐標變換成與在圖像監視器上顯示的圖像相關的圖像監視器基準坐標系下坐標的方法，包括如下步驟拍攝包括顯示在監視器上的顯示圖像的圖像監視器的攝像機圖像；將拍攝到的攝像機圖像轉換為適合計算機處理的格式；對轉換圖像進行處理以確定轉換圖像的某些特徵；及將轉換圖像的預選部分的位置坐標變換為監視器坐標系下的坐標。
2.如權利要求1中所述的方法，其中所述拍攝步驟包括拍攝沿著顯示器上顯示圖像的圖像監視器嵌框的圖像，並且還包括如下步驟接收顯示圖像監視器的尺寸和類型的結構數據；及其中，所述處理步驟包括比較拍攝到的嵌框圖像與從設置信號得出的所期望的嵌框圖像，並且所述處理步驟還包括通過上述比較確定圖像監視器相對攝像機的位置和基準，並在所述變換中利用所確定的位置和基準。
3.如權利要求2中所述的方法，其中所述結構數據從圖像監視器獲取。
4.如權利要求2中所述的方法，其中結構數據被預先獲得並保存。
5.如權利要求2中所述的方法，其中所述圖像監視器包括具有預定玻璃厚度的陰極射線管，並且其中所述處理步驟包括獲取玻璃厚度和曲率，以及其中所述變換步驟包括在所述變換中採用所述厚度和曲率。
6.如權利要求1中所述的方法，其中所述變換步驟包括從攝像機像素坐標到平面坐標變換位置坐標。
7.一種將攝像機所拍攝的部分圖像的位置坐標變換成與在圖像監視器上顯示的圖像相關的圖像監視器基準坐標系下的坐標的系統，包括拍攝包括監視器上顯示圖像的圖像監視器攝像機圖像的裝置；將拍攝到的攝像機圖像轉換為適合計算機處理的格式的拍攝的攝像機圖像接收裝置；對轉換圖像進行處理以確定轉換圖像某些特徵的裝置；以及將轉換圖像的預選部分的位置坐標變換為監示器上顯示圖像坐標系下坐標的裝置。
8.如權利要求7中所述的系統，其中所述拍攝裝置包括拍攝沿著監視器上顯示圖像的監視器嵌框的圖像，並且還包括接收表示圖像監視器的尺寸和類型的結構數據的裝置；及其中，所述處理裝置包括比較拍攝到的嵌框圖像與從設置信號得出的所期望的嵌框圖像，並且所述處理裝置還包括通過上述比較確定圖像監視器相對攝像機的位置和基準，並在所述變換中採用所述確定的位置和基準。
9.如權利要求8中所述的系統，其中所述結構數據從圖像監視器獲得。
10.如權利要求8中所述的系統，其中所述結構數據被預先獲得並保存。
11.如權利要求8中所述的系統，其中所述圖像監視器包括具有預定玻璃厚度的陰極射線管，並且，其中所述處理裝置包括獲取玻璃的厚度和曲率，以及其中所述變換裝置包括在所述變換中採用所述厚度和曲率。
12.如權利要求1中所述的系統，其中所述變換裝置包括從攝像機像素坐標到平面坐標變換位置坐標。
13.一種用於精確確定攝像機相對圖像監視器的三維位置的方法，包括如下步驟拍攝包括監視器上顯示圖像的圖像監視器的攝像機攝像機圖像；將拍攝到的攝像機圖像轉換為適合計算機處理的格式；對轉換圖像進行處理以確定包括監視器圖像的實際尺寸和形狀的轉換圖像的某些特徵；取得在攝像機處於相對監視器的預定三維位置情況下所期望的監視器圖像的尺寸和形狀；比較監視器圖像的實際尺寸和形狀和期望的監視器圖像的尺寸和形狀；在比較基礎上計算出攝像機相對監視器的三維位置。
全文摘要
一種在自動圖像監視校準系統中變換坐標系的系統，包括攝像機(20)和計算機(22)，用於攝入圍繞陰極射線管的顯示嵌框和CRT(12)上顯示圖像的圖像。採用CRT管殼顯示嵌框的三維模型來計算和補償攝像機的透視圖。則攝像機像素能夠變換到「平面」坐標下。通過校正攝像機(20)和CRT(12)的相對位置來消除視差影響從而能夠在生產線上更準確地檢測、測量和降低定位準確性要求。這樣，可將攝像機基準坐標系準確地坐標變換到監視器基準坐標系。
文檔編號H04N17/04GK1158684SQ95194449
公開日1997年9月3日 申請日期1995年6月13日 優先權日1994年6月13日
發明者詹姆斯·R·韋布, 格雷戈裡·A·克恩 申請人:顯示技術實驗室