一种投影系统效果的仿真验证方法技术方案

本发明专利技术公开了一种投影系统效果的仿真验证方法，其在具体的工程背景下，基于空间解析几何原理，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于空间解析几何原理的光学投影成像方法，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。
技术介绍
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，本专利技术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。
技术实现思路
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，需要获取某矩形幕布在摄像头不同拍摄方式下的成像信息，最终根据矩形幕布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矩形幕布后，得到幕布上任意一点在世界坐标系中的坐标。在矩形幕布上画出网格线(横向网格线与幕布横边平行，纵向网格线与幕布纵边平行)，将整个幕布划分为若干标准的矩形区域。每个矩形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平面所成角度任意，不只限于直角)对该矩形幕布进行拍摄时，上面的每个矩形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。利用本专利技术提出的方法，可以在设定好摄像头位置及摄像头光轴拍摄角度后，获得矩形幕布上每个矩形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。为了将矩形幕布上每个矩形区域在所成图像中的像(线或点)表示出来，首先建立了由幕布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，分别标定了矩形幕布、摄像头镜头采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(感光器件是一个矩形器件，其尺寸可根据器件规格和设计需求在程序中设定)所在矩形区域内，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。本专利技术中，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。当用该方法对矩形幕布进行拍摄时，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。本专利技术采用的技术方案，其特征是，用于获取矩形幕布3的图像，摄像头拍摄时的三个偏转角度α、β、Υ均可预先设定，摄像头与矩形幕布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。所述的，其特征是，仿真验证系统中α、β、Υ三个角度的大小、摄像头与矩形幕布3在世界坐标系中的相对位置及摄像头感光器件Ia尺寸确定后，B、B/ '、B2 '、B3 '、B4'在世界坐标系中的坐标值(Bx，By，Bz)、(Blx'，B1/ ,B1/ )、(B2x' ,B2/，B2z' )、(B3x'，B3/，B3z' )、(B4x' ,B4/，B4z')的求解算法。所述的，其特征是B ,B1 ' ,B2 '、B3 '、B4'在世界坐标系中的坐标值求出后，像点5a在图像坐标系中坐标(P' X，P' y)的求解算法，特别是图像坐标系中，Clpd2与P' X、P' y的正负关系。后文将结合附图及具体实施方式对
技术实现思路
进行详细论述。附图说明图1是摄像头对矩形幕布拍摄时的数学模型简略示意图；图2是摄像头对矩形幕布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是矩形幕布被划分成36个矩形区域后的示意图(带网格并编号)；图5是矩形幕布上保留网格交点并去除网格线后的示意图；图6是摄像头参数α、β、Y分别设定为10°、20°、3°后矩形幕布的图像(黑色矩形代表图像边界，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是镜头米光点(光心),3是矩形幕布(被拍物),4是物点,5a是像点(在感光器件区域内，成像)，5b是“像点”(不在感光器件区域内，未成像)，6是图像坐标系原点，7是摄像头光轴(焦距)。具体实施例方式矩形幕布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矩形区域(为了将36块矩形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 A15A16U A16A2 的比值可调，A1A2II > A21A311 > A31A411 > IA41A51U IA51A61U A61A4 的比值亦可调。当以上两组比值设置恰当时，矩形幕布3上各矩形区域的长宽比值将各不相同。并且，无论摄像头光轴7与幕布平面的夹角为何值(这个夹角根据实际工程背景有一定限制)，幕布图像上每个不规则四边形区域(如图6所示，为原幕布上相应矩形区域的像)的长宽比值将保持不同。如此，就可以根据36组各不相同的长宽比值，将幕布图像中的不规则四边形区域(像)与原幕布上的矩形区域(物)一一对应。 幕布各矩形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，进一步将矩形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。本专利技术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，确定矩形.布3与摄像头光心2的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种投影系统效果的仿真验证方法，其特征是，用于获取矩形幕布3的图像，摄像头拍摄时的三个偏转角度α、β、γ均可预先设定，摄像头与矩形幕布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1a尺寸（l1、l2与焦距l的长度）可预先设定。

【技术特征摘要】
1.一种投影系统效果的仿真验证方法，其特征是，用于获取矩形幕布3的图像，摄像头拍摄时的三个偏转角度a、0、Y均可预先设定，摄像头与矩形幕布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(1:、I2与焦距I的长度)可预先设定。2.根据权利要求1所述的一种投影系统效果的仿真验证方法，其特征是，仿真验证系统中a、0、Y三个角度的大小、摄像头与矩形幕布3在世界坐标系中的相对位置及摄像头感光器件Ia尺寸确定后，B、B/ '、B2 '、B3 '、B4'在世界坐标系中...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘雷，秦聚超，梁晟溟，
申请(专利权)人：哈尔滨飞羽科技有限公司，
类型：发明
国别省市：