非平面投影系统几何优化关键技术研究

发布时间：2017-03-21 08:13

  本文关键词：非平面投影系统几何优化关键技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：非平面投影技术凭借其逼真的显示效果、灵活的场景布局和多样的表现形式,弥补了传统平面投影技术的不足,在虚拟现实、展览展示、模拟仿真等领域具有广阔的应用前景,受到国内外众多研究者的广泛关注。现有的非平面投影技术主要存在以下不足:首先,现有技术未能考虑投影机安放位置与投射角度对投影分辨率、成像清晰度等参数的影响,在量化评价投影机非理想光学特性条件下的投影效果方面缺乏理论指导,限制了投影显示效果的进一步提升;其次,投影图像的纹理细节与被投物体的空间外形难以匹配,特别当生成投影图像所用的虚拟渲染模型与被投实物外形存在偏差时,无法对投影纹理误差进行修正;最后,现有方法对柱面、球面这类可参数化描述的投影表面进行图像拼接校正时,多使用手工校正方法而没有建立误差闭环控制系统,导致校正工作效率低下且难以保证精度。为此本文针对非平面投影系统中的几何校正关键技术展开研究,主要工作和创新点包括:(1)投影性能评价及投影机位姿优化方法。为了定量描述投影机非理想光学特性对投影效果的影响,本文提出了投影分辨率、分辨率差异、投影距离差在内的三种投影性能评价标准并给出了量化计算方法。构建了投影性能评价函数,通过使用多初始值方法和蒙特卡洛方法对该评价函数进行最优化求解,获得使投影效果最佳的投影机位姿参数。实验结果表明本文提出的投影性能评价标准可以准确描述投影机摆放位姿对投影分辨率的影响,所构建的投影机位姿优化方法在不同面型屏幕以及不同投影机数量条件下均具有良好表现,形成的优化部署方案相较于随机部署方案投影分辨率可提高30%以上,为实际投影机部署提供了理论指导。(2)基于重建的自由表面投影校正方法。针对无规则自由表面投影系统,本文提出了一种利用三维重建获取被投物体外形、通过模型匹配和空间坐标转换获得投影机视点下渲染模型图像的投影几何校正方法。为了消除重建模型与渲染模型之间存在的差异,提出一种基于后期图像调整的纹理匹配误差修正方法。实验表明该方法对于改善自由表面投影中出现的几何畸变具有显著作用,可将投影图像与投影表面之间的像素匹配误差降低60%以上,实现了投影纹理与被投物体外形的精确对齐。(3)参数化表面自动投影校正方法。针对可使用解析表达式描述的参数化表面投影系统,本文提出了一种非重建的参数化表面投影校正方法,该方法利用参数化表面的外形已知条件,顾及了参数化表面在加工、搬运中引入的倾斜、表面起伏等外形偏差对投影图像的影响,根据投影机之间的内在约束更新投影机位姿信息,利用摄像机建立的投影机像素映射关系修正屏幕外形误差引起的投影图像畸变,实现了参数化屏幕多投影机系统的自动拼接。实验结果表明该方法在投影校正过程中具有耗时短、精度高的特点,在投影表面外形与理论参数模型出现偏差的条件下可将投影拼接误差控制在投影系统分辨率的0.5%以下。
【关键词】：非平面投影 投影性能评价 投影机位姿优化 参数化表面 投影几何校正
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-34
• 1.1 选题背景及意义12-13
• 1.2 研究现状13-31
• 1.2.1 非重建的投影校正技术16-24
• 1.2.2 基于重建的投影校正技术24-30
• 1.2.3 研究现状总结30-31
• 1.3 研究内容及论文结构31-34
• 1.3.1 研究内容31-32
• 1.3.2 论文结构32-34
• 第二章 基于投影机-摄像机结构的非平面投影校正34-60
• 2.1 投影校正系统处理流程34-38
• 2.2 硬件系统标定38-43
• 2.2.1 摄像机标定38-40
• 2.2.2 投影机标定40-43
• 2.3 投影表面三维重建43-50
• 2.3.1 结构光三维重建原理44-45
• 2.3.2 时域编码45-46
• 2.3.3 空域编码46-50
• 2.4 二维图像调整50-53
• 2.4.1 Bezier曲线50-51
• 2.4.2 图像变形51-53
• 2.5 投影光度校正53-59
• 2.5.1 摄像机亮度响应标定53-56
• 2.5.2 投影机颜色一致性校正56-57
• 2.5.3 投影亮度融合57-59
• 2.6 本章小结59-60
• 第三章 投影性能评价及投影机位姿优化60-80
• 3.1 投影性能量化评价标准60-64
• 3.1.1 投影分辨率60-62
• 3.1.2 分辨率差异62-63
• 3.1.3 投影距离差63
• 3.1.4 投影性能评价函数63-64
• 3.2 投影机优化部署求解64-69
• 3.2.1 基于采样点的评价函数65-66
• 3.2.2 目标函数的最优化求解66-69
• 3.3 实验结果与分析69-79
• 3.3.1 多初始值方法验证69-73
• 3.3.2 蒙特卡洛方法验证73-75
• 3.3.3 不同面型及多投影机验证75-78
• 3.3.4 实际投影效果仿真与验证78-79
• 3.4 本章小结79-80
• 第四章 基于重建的自由表面投影校正80-102
• 4.1 概述80-82
• 4.2 被投表面三维模型获取82-87
• 4.3 重建模型与渲染模型匹配87-91
• 4.3.1 相似尺度模型点云匹配88-89
• 4.3.2 非相似尺度模型点云匹配89-91
• 4.4 投影图像几何校正91-93
• 4.4.1 图像校正优化模型构建91-92
• 4.4.2 优化约束设定92-93
• 4.5 实验结果与分析93-101
• 4.5.1 实验要求与设备标定93-94
• 4.5.2 模型重建与匹配94-96
• 4.5.3 图像几何校正96-101
• 4.6 本章小结101-102
• 第五章 参数化表面自动投影校正102-126
• 5.1 概述102-104
• 5.2 初始投影图像生成104-110
• 5.2.1 投影表面参数化104-106
• 5.2.2 摄像机与投影机位姿标定106-108
• 5.2.3 投影机投影矩阵约束标定108-110
• 5.3 投影图像几何校正110-114
• 5.3.1 图像拼接误差111-112
• 5.3.2 多投影机扩展与优化约束设定112-114
• 5.4 实验结果与分析114-125
• 5.4.1 结构光映射114-117
• 5.4.2 投影机标定117-118
• 5.4.3 图像几何校正118-122
• 5.4.4 精度与速度122-125
• 5.5 本章小结125-126
• 结论126-130
• 参考文献130-140
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单140-143
• 致谢143-144
• 作者简介144

【参考文献】

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本文编号：259337