CN101815190B - 投影显示系统及其特性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种投影显示系统及其特性分析方法，本发明的投影显示系统在传统的投影仪相机系统构成基础上增加白点定标元件部分，有利于在线实时精确获取显示环境的白点，从而提高了系统的灵活性。本发明的特性分析方法，每个步骤可以在线自动地实施，且适应于三通道及以上的投影显示系统，为在带有纹理或图案的表面上以及照明环境下进行的投影显示提供了多种颜色管理方案，有利于该投影显示系统向高端应用领域拓展。

Description

投影显示系统及其特性分析方法

技术领域

本发明涉及一种显示领域的系统构建及其特性分析方法，尤其是针对日常生活中常见的带有纹理或图案的表面上以及照明环境下进行投影显示时的系统构建及其特性分析方法。

背景技术

目前，市场上的投影仪价格低廉并具备多功能和便携式等特点，应用范围逐渐从教育、商务会议等高端领域拓展进入人们日常生活。为了提高投影仪的灵活性和适应性，投影仪的应用和推广将不再受限于理想观察环境以及高质量纯白色屏幕显示而需要在日常照明环境下以及工作生活中常见的带有纹理或图案的表面上进行投影显示。此时，投影显示图像不仅受到自身成像系统的局限还将受到环境照明和表面辐射特性的影响。具体来讲，当在日常照明环境下进行投影显示时，投影显示图像由投影输出图像和环境照明经屏幕反射融合而成，与理想暗环境相比，其质量将会明显劣化；同时，如果投影仪将图像投在非纯白屏幕上时，投影显示图像将会由于屏幕的不均匀或者颜色干扰而出现人眼感知图像外貌的失真。因此，为了有效控制并校正投影图像质量以再现其真实外貌，需要对该投影显示的特性进行建模分析，包括投影显示系统、显示表面和环境照明的光度学或色度学特性。

已有的投影显示特性分析方法主要分为两类，一类是采用如光谱辐射度计或者色度计等高精度的辐射计量设备测量的分析方法，该类方法分析的精度高，但每次只能获得一个空间位置的特性，而对于大尺寸画面的投影显示来讲，其效率较低，而且不能获得显示特性的空间分布；另一类是采用相机测量的分析方法，即预先将相机进行标定，然后将相机拍摄投影显示图像，并对获得的图像进行特性分析。通过对相机每个像素点的分析即可获得投影显示对应空间点的特性，该类方法的测量效率高，但测量精度依赖于参考白点和相对于白点的标定精度。针对上述新型投影显示特性，现有的技术通常采用第二类方法或者两类方法的组合进行分析，如文献“Color nonuniformity in projection-baseddisplays：Analysis and solutions”，并且将投影仪、相机和计算机处理系统组成投影仪相机系统，使得该新型显示特性的分析可以实现自动化，如文献“Making One Object Look Like Another-Controlling Appearance Using aProjector-Camera System”。然而，已有的基于投影仪相机系统分析方法都是以固定的白点为参考的。由于新型投影显示环境的参考白点将会随着使用场合改变而不断变化，当显示时的参考白点与预设的白点不一致时，分析结果将偏离视觉观察的真实值。因此，为了使得投影显示特性的分析实现实时在线应用的同时提高其分析结果的可靠性，需要根据使用场合的变化实时地设定参考白点。另外，通道耦合现象常见于三通道以上投影显示系统，由于已有的分析方法都没有考虑到投影显示系统通道间的复杂耦合特性，故适应范围受限于传统的投影显示技术。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种投影显示系统及其特性分析方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种投影显示系统，它主要由显示系统、成像系统、微存储处理模块、白点定标元件和I/O接口模块五个部分组成。其中，所述显示系统、成像系统分别和I/O接口模块相连，I/O接口模块连接微存储处理模块。

一种应用上述投影显示系统的特性分析方法，该方法包括以下步骤：

(1)建立显示系统像素坐标(x，y)与成像系统对应像素坐标(u，v)间的几何映射关系。

(2)获取显示环境的参考白点和成像系统颜色通道的阶调响应曲线f^c。

(3)通过阶调响应曲线f^c的逆映射来分析得到显示表面对投影图像各个像素点的空间调制S和环境照明的叠加分布E。

(4)获得投影显示系统颜色通道的阶调响应曲线f^p。

(5)建立投影显示系统颜色通道间耦合映射关系。

本发明的有益效果是，本发明的投影显示系统在传统的投影仪相机系统构成基础上增加白点定标元件部分，有利于在线实时精确获取显示环境的白点，从而提高了系统的灵活性。本发明的特性分析方法，每个步骤可以在线自动地实施，且适应于三通道及以上的投影显示系统，为在带有纹理或图案的表面上以及照明环境下进行的投影显示提供了多种颜色管理方案，有利于该投影显示系统向高端应用领域拓展。

附图说明

图1是投影显示系统模块构建方案示意图；

图2是投影显示系统工作时的数据流程示意图；

图3是ImgSurface示意图；

图4是ImgCapGray255示意图；

图5是ImgColor1024示意图；

图6是ImgCapColor1024示意图；

图7是ImgCapColorl024Co示意图；

图8是分析方法验证结果示意图。

具体实施方法：

下面根据附图和实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

为了使得投影显示系统能在线精确获得当时显示环境的白点，本发明提供一种投影显示系统构建的新型方案，如图1所示，由显示系统、成像系统、微存储处理模块、白点定标元件和I/O接口模块五个部分组成，分别用A、B、C、D和E五个字母表示，显示系统和成像系统分别连接I/O接口模块，而I/O接口模块连接微存储处理模块，白点定标元件则是自由灵活地安装在系统中，可以很方便的装卸。显示系统是用来将图像投影到显示表面上，成像系统是将来自于显示表面的辐射能量采集并转化为图像，微存储处理模块是将需要显示的图像和采集到的图像存储起来或者按照一定的规则进行相应的处理，I/O接口模块是用来将微存储处理模块传来的数字信号经过处理后传输给显示系统，并接受成像系统输出的信号通过再加以预处理后传输给微存储处理模块，白点定标元件是用来在线获取显示区域参考白点的一个零部件。

系统构建的具体实施方案如下：

显示系统可以采用型号为VGA NEC LT 30+的DLP投影仪(其颜色通道数为4)，成像系统可以采用型号为HITACHI HV-D30的相机(颜色通道数为3)，微存储处理模块可以采用2.2GHz主频和1.0G内存计算机，I/O接口模块可以采用型号为RADEON R9200SE的显卡和型号为Matrox Meteor II/Multi-channel的图像信号采集卡，白色定标元件可以采用一张白色的卡片，测得它在MacbethSpectralLightIII标准灯箱Daylight照明下测得卡片的(a^*，b^*)颜色值为(4.377，-7.008)。

当投影显示系统在日常生活中常见的带有纹理或图案的表面上和日常环境照明的条件下工作时，从输入图像到输出图像的整个显示流程可以分解为如图2所示的四个主要过程。输入图像的数字值I_in＝[r_in，g_in，b_in]^T经过显示系统各个通道的阶调响应映射关系f^p转化为数字激励值

而数字激励值经过显示系统各通道之间耦合以及到成像系统对应通道之间的映射关系f_m转化为显示系统输出的辐射亮度值I_p＝[r_p，g_p，b_p]^T。然后，辐射亮度值经过环境照明的叠加分布E＝[e_r，e_g，e_b]^T和显示表面的空间调制S＝diag(S_r，S_g，S_b)反射转换为成像系统接收到的照度值I_c＝[r_c，g_c，b_c]^T，该过程由采用数学公式(2)来描述

I_c＝S(I_p+E)                       (2)

最后，成像系统接收到的照度值经其阶调响应映射关系f^c转化为输出图像的数字值

投影显示特性分析的目的就是为了建立以上显示过程的各种映射关系，本发明提供了五个步骤的方法，每个步骤可以理解为投影显示系统的操作规程以及在操作规程当中需要微处理模块执行的指令，来指挥显示系统或者成像系统完成特定的功能。

第一步，建立显示系统像素坐标(x，y)与成像系统对应像素坐标(u，v)间的几何映射关系。

具体实施方法：

采用专利文献“投影图像校正方法与装置”中的几何映射方法，同时为了减弱三通道以上的显示系统中的通道间耦合对编码识别的影响，采用红、绿、蓝、黑、白五种颜色且包括625色块的编码图。

第二步，获取显示环境的参考白点和成像系统颜色通道的阶调响应曲线f^c。

具体实施方法：

首先，调整相机的视场以将投影显示区域包括在内，调整曝光时间为Ts(如0.04s)以及相机光圈使得投影显示图像的最大亮度在其动态范围之内，此时的曝光时间设为工作模式下的曝光时间。将相机的光圈关闭，采集得到图像，记为ImgCapDark，然后在显示表面上投影一幅颜色值为(255，255，255)的纯白图像，利用相机采集得到图像，记为ImgCapGray255，找到ImgGray255中最亮的位置，记为P；在P位置对应的显示区域投影一个“+”标记，将白色定标元件安放在该位置标记上，并将颜色值为(255，255，255)的纯白图像再次投影到显示表面，采集图像并由P点位置定位元件的位置，取其中间区域并减去ImgDark相应区域颜色值之后的平均值作为参考白点，记为(r_out ^w，g_out ^w，b_out ^w)。然后，计算得到成像系统输出时的白平衡校正系数为

最后，将标定元件移离显示区域，在显示表面投影一幅从中间向两边由亮到暗竖条纹排列的投影显示图像，分别为1s，0.84s，0.68s，0.52s，0.36s，0.20s，0.04s等7次不同曝光时间时采集得到的一组图像并分别减去ImgCapDark后乘以白平衡系数进行校正，利用文献“Recovering High Dynamic Range Radiance Maps fromPhotographs”中的拟合方法来获得成像系统颜色通道的阶调响应曲线及其逆向查找表。

第三步，通过阶调响应曲线f^c的逆映射来分析得到显示表面对投影图像各个像素点的空间调制S和环境照明的叠加分布E。

具体实施方法：

采用由12个不同颜色的色块组成的测试表面，并将整个系统工作在一般的办公室荧光灯日常照明环境下。首先，投影一幅颜色值为(0，0，0)的纯黑图像到显示表面上，利用相机采集得到图像，记为ImgCapGrayZero，减去ImgCapDark后乘以白平衡系数进行校正，由每个像素的像素值及成像系统阶调响应曲线的逆向查找表即可获得环境照明(包括投影仪背光)的叠加分布E；然后，将ImgCapGray255减去ImgCapDark后乘以白平衡系数进行校正，由每个像素的像素值及成像系统阶调响应曲线的逆向查找表获得来自于显示表面对应像素点的照度值

再减去环境照明的叠加部分并以P位置的照度值为基准即可计算获得显示表面上每个像素点(u，v)的空间调制

其计算公式为

$S_i^{(u,v)}=\frac{i_c^{(u,v)}-e_i^{(u,v)}}{i_c^w},i=r,g,b---\left(1\right)$

其中，e_i ^(u，v)为像素点(u，v)处环境照明叠加分布的第i个通道分量。

第四步，获得投影显示系统颜色通道的阶调响应曲线f^p。

具体实施方法：

首先由投影仪将灰阶值的色块连续投影到显示表面的P位置，例如n₁＝8，分别为(0，0，0)、(32，32，32)、(64，64，64)、(96，96，96)、(128，128，128)、(160，160，160)、(192，192，192)、(224，224，224)、(255，255，255)，并由相机采集得到各个色块的图像；然后，将其各个像素(u，v)的颜色值减去ImgCapDark对应像素的颜色值后进行白平衡校正，并由成像系统阶调响应曲线的逆向查找表获得各个像素对应的照度值I_c，再减去环境照明的叠加部分并除去空间调制，即

$i_c^{\′}=\frac{i_c-e_i}{S_i},i=r,g,b---\left(2\right)$

其中，i_c′为校正后的照度值。最后，取色块中央区域i_c′的平均值即可获得显示系统各个通道阶调响应曲线n₁个样本点值，通过三次样条插值的方法可获得完整光滑的曲线。

第五步，建立投影显示系统颜色通道间耦合映射关系。

具体实施方法：

首先，投影一幅或者多幅色块图(总的颜色数为n₂)，获得n₂组g和I_p的值。例如，取g向量的长度为7，采用文献“Masking model for accurate colorimetriccharacterization of LCD”中掩膜模型的扩展方式。设计一幅有1024个色块的图像，在设备颜色空间中选取512个颜色值，分别从上到下和左至右排列一次，记为ImgColor1024；将该图像投影到显示表面，由相机采集得到色块图像，记为ImgCapColor1024；用类似于步骤三和步骤四的方法减去ImgCapDark的颜色值后进行白平衡校正并计算照度值和除去空间调制，获得的分布图记为ImgCapColor1024Co；取色块中央区域的均值作为每个色块的I_p值并两次取平均，同时由选取的512个颜色值和显示系统的通道响应曲线可计算得到512个g值，并最终获得512组g和I_p的值；

然后，对于通道数为m的投影显示系统，采用数学公式(1)来描述耦合映射关系

I_p＝M·g                           (1)

其中，

n₀≥m是由I_tr进行扩展得到的向量，M为3×n₀的耦合矩阵。由n₂组g和I_p的值并采用最小误差估计的方法来求得耦合矩阵M，例如，最小二乘拟合的方法。

为了验证该分析方法的适应性和精度，分别将构建的投影显示系统分别设置在“sRGB”(三通道)和“演示”(四通道)模式下并进行特性分析。利用分析的结果，可以预测测试图像(记为ImgTest)在测试表面上的输出图像，记为ImgTestPre；同时，可以利用相机直接由投影图像采集得到输出图像，记为ImgTestCap；将图像ImgTestPre和ImgTestCap进行比较，得到绝对误差的伪彩色图，记为ImgDiff，亮的区域表示误差大，反之则小，如图8所示，并分别计算R、G、B三个颜色通道的平均误差和均方根误差，结果如下表，该分析方法在不同模式下的平均误差都稳定在10以下，而且误差较大的区域主要分布在图像的细节部分。

Claims (2)

1.一种投影显示系统，其特征在于，它包括：

一显示系统：为投影仪，将图像投影到显示表面上；

一成像系统，为相机，采集来自于显示表面的辐射能量并转化为图像；

一微存储处理模块：为计算机，将需要显示的图像和采集到的图像存储起来或者进行处理；

一I/O接口模块：由显卡和图像信号采集卡组成，显卡和图像信号采集卡均与微存储处理模块相连，显卡与显示系统相连、图像信号采集卡与成像系统相连，图像信号采集卡将成像系统输出的信号传输给微存储处理模块，显卡将微存储处理模块传来的数字信号传输给显示系统；

一白点定标元件：为白色的卡片，安装在投影显示系统中，在线获取显示区域参考白点。

2.一种应用权利要求1所述投影显示系统的特性分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)建立显示系统像素坐标(x，y)与成像系统对应像素坐标(u，v)间的几何映射关系；

(2)获取显示环境的参考白点和成像系统颜色通道的阶调响应曲线f^c；

(3)通过阶调响应曲线f^c的逆映射来分析得到显示表面对投影图像各个像素点的空间调制S和环境照明的叠加分布E；

(4)获得投影显示系统颜色通道的阶调响应曲线f^p；

(5)建立投影显示系统颜色通道间耦合映射关系；

所述步骤(2)具体为：首先调整相机的视场以将投影显示区域包括在内，调整曝光时间Ts以及相机光圈使得投影显示图像的最大亮度在其动态范围之内，此时的曝光时间设为工作模式下的曝光时间；将相机的光圈关闭，采集得到图像，记为ImgCapDark，然后在显示表面上投影一幅颜色值为(255，255，255)的纯白图像，利用相机采集得到图像，记为ImgCapGray255，找到ImgCapGray255中最亮的位置，记为P；在P位置对应的显示区域投影一个“+”标记，将白点定标元件安放在该位置标记上，并将颜色值为(255，255，255)的纯白图像再次投影到显示表面，采集图像并由P点位置定位元件的位置，取其中间区域并减去ImgCapDark相应区域颜色值之后的平均值作为参考白点，记为

然后，计算得到成像系统输出时的白平衡校正系数为

最后，将白点定标元件移离显示区域，在显示表面投影一幅从中间向两边由亮到暗竖条纹排列的投影显示图像，分别为1s，0.84s，0.68s，0.52s，0.36s，0.20s，0.04s等7次不同曝光时间时采集得到的一组图像并分别减去ImgCapDark后乘以白平衡系数进行校正，拟合获得成像系统颜色通道的阶调响应曲线及其逆向查找表；

所述步骤(3)具体为：采用由12个不同颜色的色块组成的测试表面，并将整个系统工作在一般的办公室荧光灯日常照明环境下；首先，投影一幅颜色值为(0，0，0)的纯黑图像到显示表面上，利用相机采集得到图像，记为ImgCapGrayZero，减去ImgCapDark后乘以白平衡系数进行校正，由每个像素的像素值及成像系统阶调响应曲线的逆向查找表即可获得环境照明的叠加分布E；然后，将ImgCapGray255减去ImgCapDark后乘以白平衡系数进行校正，由每个像素的像素值及成像系统阶调响应曲线的逆向查找表获得来自于显示表面对应像素点的照度值

再减去环境照明的叠加部分并以P位置的照度值为基准即可计算获得显示表面上每个像素点(u，v)的空间调制

其计算公式为

$S_i^{(u,v)}=\frac{i_c^{(u,v)}-e_i^{(u,v)}}{i_c^w}$ i＝r，g，b，

其中，

为像素点(u，v)处环境照明叠加分布的第i个通道分量；

所述步骤(4)具体为：首先由投影仪将灰阶值的色块连续投影到显示表面的P位置，并由相机采集得到各个色块的图像；然后，将其各个像素(u，v)的颜色值减去ImgCapDark对应像素的颜色值后进行白平衡校正，并由成像系统阶调响应曲线的逆向查找表获得各个像素对应的照度值I_c，再减去环境照明的叠加部分并除去空间调制，即

$i_c^{\′}=\frac{i_c-e_i}{S_i}$ i＝r，g，b；

其中，i′_c为校正后的照度值；最后，取色块中央区域i′_c的平均值即可获得显示系统各个通道阶调响应曲线n₁个样本点值，通过三次样条插值的方法可获得完整光滑的曲线，n₁为自然数；

所述步骤(5)具体为：首先，投影一幅或者多幅色块图，总的颜色数为n₂，获得n₂组g和I_p的值；

设计一幅有1024个色块的图像，在设备颜色空间中选取512个颜色值，分别从上到下和左至右排列一次，记为ImgColor1024；将该图像投影到显示表面，由相机采集得到色块图像，记为ImgCapColor1024；减去ImgCapDark的颜色值后进行白平衡校正并计算照度值和除去空间调制，获得的分布图记为ImgCapColor1024Co；取色块中央区域的均值作为每个色块的I_p值并两次取平均，同时由选取的512个颜色值和显示系统的通道响应曲线可计算得到512个g值，并最终获得512组g和I_p的值；然后，对于通道数为m的投影显示系统，采用下式来描述耦合映射关系：

I_p＝M·g；

其中，

n₀≥m，

是由I_tr进行扩展得到的向量，g是由

组成的向量矩阵，M为3×n₀的耦合矩阵；由n₂组g和I_p的值并采用最小误差估计的方法来求得耦合矩阵M。

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