基于光纖傳感器的投影圖像梯形失真校正系統(tǒng)

楊春勇，徐 杰

(中南民族大學(xué)電子信息工程學(xué)院，武漢430074)

投影儀已在人們的學(xué)習(xí)、工作和生活中得到廣泛應(yīng)用.然而投影儀繁瑣的調(diào)校過程讓用戶時(shí)常感覺苦惱無奈.比如，在某些特殊環(huán)境下，因難以保證投影儀與投影屏幕位置正對，故采用投影儀自帶的梯形校正功能進(jìn)行光學(xué)或者數(shù)碼調(diào)校［1］，但此方法操作繁瑣、耗時(shí)且校正尺度小，還需用戶對投影儀的調(diào)校操作較為熟練.若投影環(huán)境發(fā)生改變，又需重新調(diào)校，極為不便.為解決此問題，人們已進(jìn)行了多種嘗試.如，在投影儀內(nèi)置入加速傳感器(NEC NP61+系列商務(wù)投影儀)，計(jì)算投影儀的傾斜角度，但加速傳感器不能識別投影儀水平方向偏移角;或通過攝像頭反饋投射屏幕的圖像形狀，進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整［2］，攝像頭反饋方法自適應(yīng)校正耗時(shí)過長，且容易受環(huán)境光的干擾.綜合看來，現(xiàn)有方法均存在不足.

針對現(xiàn)有方法上的不足，本文設(shè)計(jì)一種基于嵌入式光纖傳感技術(shù)的投影自動(dòng)校正系統(tǒng).該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是在投影屏幕的4個(gè)頂點(diǎn)埋置嵌入式光纖傳感器，利用光纖傳感器感測投影儀投射出的結(jié)構(gòu)光信號，通過計(jì)算得出投影屏幕與投影儀間的透視關(guān)系，再以此對源圖像進(jìn)行反向補(bǔ)償校正，用以抵消圖像投影過程中產(chǎn)生的梯形失真.

1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的投影自動(dòng)校正系統(tǒng)是先通過定位子系統(tǒng)獲取投影屏幕空間位置信息，以此建立投影屏幕與投影儀間的透視關(guān)系模型;再根據(jù)模型得出的校正參數(shù)對源圖像進(jìn)行數(shù)碼校正;最后投影輸出，實(shí)現(xiàn)校正功能.系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型Fig.1 System architecturemodel

在投影幕布4個(gè)頂點(diǎn)位置分別嵌入編號為A、B、C、D的光纖探頭;4個(gè)頂點(diǎn)采集到的結(jié)構(gòu)光信號分別通過光纖導(dǎo)連至傳感控制器;傳感控制器利用光傳感器將感測到的光強(qiáng)信號編碼成二進(jìn)制數(shù)碼位，通過無線傳輸?shù)男问桨l(fā)送給校正處理系統(tǒng)服務(wù)端;Server端對投影幕布與投影儀的透視位置關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，獲取圖像補(bǔ)償參數(shù);Client端將用戶的桌面圖像傳輸?shù)絊erver端;Server端在補(bǔ)償參數(shù)的作用下利用圖像幾何失真校正原理，將用戶的桌面圖像進(jìn)行補(bǔ)償后輸出給投影儀執(zhí)行投射;Server端與投影儀之間通過視頻傳輸線連接，與Client端之間用5類雙絞線跳線連接.

Server端是該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的核心，主要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)光掃描定位、接收校正Client端圖像和投影輸出.

2 投影定位

投影定位系統(tǒng)主要由嵌入式光纖傳感反饋系統(tǒng)和掃描定位系統(tǒng)兩部分組成.

2.1 嵌入式光纖傳感反饋系統(tǒng)

本子系統(tǒng)將光纖嵌入到投影屏幕上，可以結(jié)合基于格雷碼結(jié)構(gòu)光的掃描定位模塊精確地判定屏幕的位置坐標(biāo).系統(tǒng)硬件主要由光纖、光電轉(zhuǎn)換模塊、自動(dòng)增益控制模塊、濾波模塊、AD采樣模塊、MCU數(shù)據(jù)處理模塊以及其他電路模塊組成，硬件電路框圖如圖2所示.

圖2 硬件電路框圖Fig.2 Diagram of the hardware circuit

(1)光電轉(zhuǎn)換模塊.在本系統(tǒng)中，投影儀投射出來的光為可見光，波長范圍為390～770nm，掃描頻率為2Hz;由于投影屏幕距離較遠(yuǎn)，光纖導(dǎo)入的光比較微弱.因此，系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換模塊需要具備響應(yīng)速度快、靈敏度高、抗干擾等功能.基于暗電流、響應(yīng)時(shí)間、上升速度等方面的綜合考慮，本文選用PC10-6-TO5型號的PIN光電二極管感測掃描信號.該型號的光電二極管具有較大的感光面積(約10mm2)和較小的暗電流(0.2nA)，在可見光波長范圍內(nèi)響應(yīng)度可達(dá)到0.5A/W，光波長響應(yīng)覆蓋整個(gè)可見光波長范圍.在本微弱光信號環(huán)境中，為了減小光電二極管的暗電流噪聲的影響，系統(tǒng)中光電二極管工作于光電壓模式［3］.

(2)自動(dòng)增益控制模塊.由于光電檢測器轉(zhuǎn)換得到的光電流很微弱，不便于判斷比較，所以本文需要對其進(jìn)行放大處理.在微弱光信號檢測系統(tǒng)中前置放大器應(yīng)具備低噪聲、高增益、低輸出阻抗、足夠的信號帶寬和負(fù)載能力，以及良好的線性和抗干擾能力的要求.因此，本系統(tǒng)選用了ICL7650S芯片［4］作為前置放大器.基于投影儀使用環(huán)境多變的考慮，光信號的強(qiáng)弱變化不定，前置放大器的增益須能動(dòng)態(tài)調(diào)整.否則，會出現(xiàn)小信號得不到有效放大而降低A/D轉(zhuǎn)換的精度，而信號過大則可能超出A/D的檢測范圍的問題.因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過單片機(jī)對多路模擬開關(guān)CD4051的控制，實(shí)現(xiàn)傳感器自動(dòng)量程選擇.CD4051 6個(gè)通道上的反饋電阻大小分別為25kΩ、50kΩ、100kΩ、250kΩ、500kΩ、1MΩ.

(3)濾波模塊.雖然前端的自動(dòng)增益部分對微弱直流信號進(jìn)行了放大，但同時(shí)也放大了電路中的噪聲信號.在本系統(tǒng)的傳感檢測模塊中，有用信號的頻率范圍為0～100Hz，所以本文采用OP07運(yùn)放構(gòu)成正向放大電路，R8、C1構(gòu)成RC低通濾波器(如圖3所示)降低系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲.其電路截止頻率，符合設(shè)計(jì)要求.

(4)A/D及MCU模塊.濾波后的電壓信號由OUT端(圖3標(biāo)識OUT端)送至MCU進(jìn)行A/D采樣，在MCU內(nèi)部需將采樣電壓換算為光電二極管上產(chǎn)生的電流信號的大小.MCU控制電路分別對4路信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并將最終的數(shù)據(jù)(即由4路光纖采集的光信號轉(zhuǎn)化而來的格雷碼數(shù)據(jù))通過無線模塊傳送至上位機(jī).該系統(tǒng)的MCU選用的是Silicon Labs公司開發(fā)的完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU-C8051F310.

圖3 傳感反饋控制電路圖Fig.3 Diagram of sensing feedback control circuit

(5)掃描信號的識別.掃描定位的時(shí)候，光纖傳感器接收到的基于格雷碼的結(jié)構(gòu)光信號是明暗變換的，具有明顯的二值特性.因此，傳感控制器系統(tǒng)對光信號的變化識別采用較為簡單的絕對判別法即可完成要求.掃描開始時(shí)，上位機(jī)先將橫向和縱向掃描的圖像幅數(shù)發(fā)送給傳感控制器的MCU.第1幅掃描圖像為全白圖像，4路傳感器的采集值存放在數(shù)組中;第2幅掃描圖像為全黑圖像，4路采集值存放在數(shù)組中.然后，依據(jù)絕對判別法分別計(jì)算得出4路信號的參考值.用數(shù)組表示，可寫為:

以后每采集4路值，都要分別與掃描開始時(shí)各自確定的參考值進(jìn)行比較，如果采集值大于其參考值則判為1，反之則為0;將得到的0、1代碼存放在一個(gè)二維數(shù)組中.掃描結(jié)束后，通過無線傳輸?shù)姆绞綄⒃摱S數(shù)組發(fā)送給上位機(jī).

傳感反饋系統(tǒng)的MCU軟件流程，如圖4所示.

圖4 MCU軟件流程圖Fig.4 Diagram of the MCU software process

2.2 掃描定位系統(tǒng)

2.2.1 基于格雷碼的結(jié)構(gòu)光模型

依據(jù)PC屏幕分辨率(如1024×768)，縱向折半生成第1幅格雷碼明暗圖像，記為01(黑白).再在第1幅圖像的基礎(chǔ)上，依據(jù)格雷碼變換生成第2幅圖像0110(黑白白黑)，以此類推生成log2N幅掃描圖像(橫向方向亦按照此規(guī)則生成掃描圖像)，生成圖像經(jīng)投影儀依次投射輸出，即可產(chǎn)生格雷碼編碼的結(jié)構(gòu)光［5，6］.

2.2.2 掃描定位

如果投影儀未正對投影屏幕，在使用的過程中就會產(chǎn)生一個(gè)投影圖像的梯形失真.對于圖像梯形失真的數(shù)碼校正，本文首先要確定投射目標(biāo)的相對屏幕坐標(biāo)位置，以此建立投影屏幕與投影儀間的透視關(guān)系模型.這一位置參數(shù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)碼校正的重要依據(jù).以PC屏幕分辨率1024×768為例，其4個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)分別為:(0，0)，(1023，0)，(0，767)，(1023，767)，當(dāng)投影儀非正對屏幕時(shí)(如圖5所示，Z為投影儀光源)，原圖像abcd經(jīng)投影生成一個(gè)不規(guī)則的4邊形a'b'c'd'.兩幅圖像各像素點(diǎn)成一一對應(yīng)的關(guān)系.

圖5 投影儀側(cè)向擺放投影模型Fig.5 Projector placed lateral projection model

現(xiàn)將光纖傳感器嵌入矩形投影屏幕4個(gè)頂點(diǎn)的背面，為了便于接收投影儀的光信號，光纖探頭須露出少許.當(dāng)啟動(dòng)投影掃描定位軟件，基于格雷碼的結(jié)構(gòu)光序列掃描投影屏幕時(shí)，位于 a'、b'、c'、d'4 個(gè)頂點(diǎn)的傳感器接收到信號，經(jīng)過傳感控制器處理反饋給PC.通過圖6所示的模型可以看出，投影反饋后得到的投影屏幕相對電腦屏幕坐標(biāo)為一個(gè)不規(guī)則矩形abcd.

圖6 投影定位的反饋模型Fig.6 Projection model for positioning feedback

經(jīng)格雷碼結(jié)構(gòu)光序列掃描后，4個(gè)傳感器頂點(diǎn)分別接收到橫向掃描10個(gè)二進(jìn)制數(shù)、縱向掃描10個(gè)二進(jìn)制數(shù)，例如點(diǎn) a'得到的數(shù)據(jù)為(1000010101，1111100010)，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)表示為(998，700).以此類推，即可確定其他幾個(gè)點(diǎn)的相對電腦屏幕坐標(biāo).據(jù)理論推導(dǎo)，本文將原圖的4個(gè)頂點(diǎn)(0，0)，(1023，0)，(0，767)，(1023，767)按照掃描定位模塊反饋回來的4個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)建立透視關(guān)系模型，以此對原圖像進(jìn)行梯形失真校正，再通過投影儀輸出，即可實(shí)現(xiàn)圖像的規(guī)整表示.

3 圖像信息的處理

對于投影的梯形失真，通常人們只是做靜態(tài)圖像的校正處理，當(dāng)投影畫面為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化的時(shí)候，由于Windows系統(tǒng)的權(quán)限限制和基于Windows的窗口類結(jié)構(gòu)要求，在本地校正顯示圖像須反復(fù)地切換PC桌面與顯示窗口.由于此方法將導(dǎo)致無法正常投影，本系統(tǒng)采用了屏幕信息獲取與校正顯示相分離的處理辦法，由 Client端和 Server端兩部分完成相應(yīng)工作.

(1)Client端.首先獲取屏幕DC，在內(nèi)存中生成與設(shè)備無關(guān)的32位hbitmap位圖，剝離alpha通道轉(zhuǎn)換為24位BMP內(nèi)存位圖.再將內(nèi)存中的位圖進(jìn)行jpg編碼壓縮［7］，采用 TCP/IP協(xié)議和 UDP協(xié)議發(fā)送內(nèi)存數(shù)據(jù)給Server端.本模塊采用了Intel的libjpg庫對內(nèi)存圖像進(jìn)行壓縮，如表1所示，壓縮速率較快，圖像壓縮效果好，可滿足每秒24幀的人眼視覺要求.

表1 Client端圖像壓縮數(shù)據(jù)表Tab.1 Client side image compression table

(2)Server端

服務(wù)端工作由3部分完成:格雷碼掃描定位、傳感反饋通信與控制、圖像數(shù)碼校正與顯示.當(dāng)服務(wù)端接收到反饋的投射屏幕空間坐標(biāo)，綁定本地IP端口，等待接收Client端發(fā)送來的jpg數(shù)據(jù).如果收到數(shù)據(jù)，則在內(nèi)存中進(jìn)行圖像的 jpg解碼，還原成hbitmap位圖，然后對其進(jìn)行數(shù)碼校正投影顯示.解碼工作同樣也采用了Intel的libjpg庫，如表2所示，解壓速率也比較快，在局域網(wǎng)測試中達(dá)到了每秒24幀的最低視覺要求.

表2 Server端圖像解壓數(shù)據(jù)表Tab.2 Server side image decompression table

以上數(shù)據(jù)測試環(huán)境為:Windows XP系統(tǒng)、Intel I5處理器、2GB內(nèi)存、GeForce 9800 GT顯卡、320GB硬盤、1000Mbit/s局域網(wǎng).

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)投影定位模型的反饋?zhàn)鴺?biāo)，通過空間變換和雙線性內(nèi)插法［8］對原圖像進(jìn)行數(shù)碼校正后，本系統(tǒng)的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示.

圖7 投影校正仿真對比Fig.7 Comparison of simulation projection correction

圖7(a)為水平梯形失真的投影圖像，投影區(qū)域中放置了嵌入光纖的投影屏幕.圖7(b)為校正后的投影輸出圖像，可以明顯地看出校正后的圖像能十分準(zhǔn)確地投影在目標(biāo)屏幕上.為了便于對比校正效果，圖7(b)中對原投影失真圖像的邊緣部分用白色邊框標(biāo)記.

5 結(jié)語

本系統(tǒng)依據(jù)PC屏幕信息產(chǎn)生基于格雷碼的結(jié)構(gòu)光掃描投影目標(biāo)，由嵌入的光纖傳感系統(tǒng)探測反饋信息，為梯形失真的校正提供輸入?yún)?shù).測試結(jié)果表明:系統(tǒng)可在10s內(nèi)完成精準(zhǔn)定位，校正后的投影效果良好，能實(shí)現(xiàn)投影畫面的流暢輸出.系統(tǒng)定位誤差為±2mm，校正范圍為0～60°(投影儀鏡頭中軸線夾角).實(shí)驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的基于嵌入式光纖傳感的投影圖像梯形失真自動(dòng)校正系統(tǒng)具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，能較為迅速的解決大尺度、高精度和動(dòng)態(tài)顯示的投影校正難題.projector［C］//IEEE.2001 IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition(CVPR).Kauai(USA):IEEE，2001:II-504-II-508.

［1］Ramesh Raskar，Paul Beardsley. A self-correcting

［2］王 煒，包衛(wèi)東.攝像反饋的投影儀畸變圖像的自動(dòng)校正［J］.華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，33(z1):1-5.

［3］龔 涵，陳浩宇.微弱光信號檢測電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)械與電子，2007(27):85-87.

［4］陳國杰，徐志民.基于ICL7650程控微電流放大器的設(shè)計(jì)［J］.佛山科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，19(4):8-10.

［5］張 超，楊華明，韓 成，等.基于格雷碼結(jié)構(gòu)光的編碼研究［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，32(4):635-638.

［6］KIM Daesik，RYU Moonwook，LEE Sukhan.Antipodal gray codes for structured light［C］//IEEE.2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation.Pasadena(USA):IEEE，2008:3016-3021.

［7］張?jiān)獋ィ瑒┞?基于JPEG標(biāo)準(zhǔn)的靜態(tài)圖像壓縮算法研究［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2010，18(2):78-80.

［8］田雄敏，沈慶宏，曹鳳蓮，等.基于圖像空間變換和插值運(yùn)算的投影儀校正算法［J］.電子測量技術(shù)，2007，30(3):10-12.