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《长春理工大学》 2018年
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可估量曲面的自主感知与多投影校正技术研究

杨帆  
【摘要】:多通道投影技术及系统可以实现高分辨率、高沉浸感、大规模复杂场景的高真实感实时绘制与显示,以及能够创造出新颖独特的视觉显示效果,其在商业、军事、科研等诸多领域都有着巨大的应用前景。然而,目前多数投影仪只具有投影显示的能力,不具备投影场景的感知能力,使其无法自适应的调整投影画面,因此在日常生活中投影仪的设计只针对常规表面(白色纹理、理想平面)。当投影仪应用在特定的复杂非常规显示环境下时,会受到纹理颜色、表面起伏不规则性等诸多因素的影响,使得投影显示画面对观看者产生严重的视觉干扰,因此在非常规投影表面环境下进行多通道投影图像的几何和颜色一致性校正,对比于常规的平面显示表面而言则更加复杂,从而使得其成为投影陈展技术发展过程中遇到的重要挑战和难题。为了能够实现对自由曲面的快速高精度感知重建以及非常规投影曲面的多投影自主校正,使其能够自适应调整畸变映射关系,实现对不同场景环境进行投影可视化显示,本文通过对投影仪相机视觉系统的成像机制以及多投影技术的相关理论方法进行探索性分析,开展了可估量曲面的自主感知与多投影校正技术研究,结合现有相关方法存在的问题,创新性地提出了一些新方法和新思路,其中本文的主要工作和创新点包括:(1)彩色编码结构光三维重建过程中,会因环境光源的复杂性以及投影仪和相机的非线性等因素对结构光解码产生影响,为了减少上述因素的影响以及提高结构光解码的精度和效率,提出了彩色编码结构光的高精度解码方法。首先将相机采集的调制图像转换到YUV颜色空间,提出了在YC通道下的滤波差分投影的边缘提取算法,实现对调制条纹的边缘定位;接着利用基于波形决策引导的中心条纹亚像素提取方法,获取调制条纹的中心特征线;考虑到待测曲面的反射率和场景环境等会造成调制条纹颜色识别精度低,故采用调制条纹颜色码聚类识别算法,获取中心特征线的颜色码信息值。通过实验结果,可知,本文方法具有较强的抗干扰性和鲁棒性。(2)当待测物体曲面纹理颜色较深时,会对彩色编码条纹颜色信息吸收和反射,使得相机采集的颜色码信息值与原始颜色码信息值存在严重偏差,从而在解码过程中出现颜色误判现象,导致颜色码识别错误和匹配错误,为此提出了多源层次化时序投影彩色物体三维重建方法。通过利用黑白条纹对纹理颜色干扰程度低的特点,对彩色编码条纹图像进行黑白条纹的多源层次化处理;在解码过程中,对层次化时序投影条纹进行中心特征线提取,来确定调制条纹的颜色码信息值;最后,提出了基于序列特征重复度的条纹码字匹配方法,对调制条纹颜色码与原始投影编码条纹颜色码进行匹配。实验结果表明,该方法不仅能够有效解决待测曲面纹理干扰问题,同时减少了环境因素以及系统硬件因素对解码产生的影响。(3)由于非规则曲面会对投影显示画面产生非线性拉伸和扭曲问题,无法实现高精度校正,限制了投影设备使用的灵活性,提出了非规则投影表面自适应校正方法。针对投影仪相机系统参数标定过程中角点识别精度低、抗噪性差等问题,提出角点亚像素检测算法,同时在系统参数的标定解算过程中,提出了成像反馈式的射影几何约束优化方法,提高了系统参数标定精度。接着,提出了基于拓扑结构分析的自主投影校正算法,有效解决了在复杂投影表面下的投影几何校正问题。通过实验分析可知,系统参数标定精度到达0.25pixel,具有较高的面平行度和线垂直度,同时有效解决了单投影显示技术在非常规投影环境下的“普适性显示”问题,使得观测者能够体验与平面投影显示环境下相似的视觉感知、理解投影图像显示内容。(4)为了解决在常规投影显示表面下的多投影显示画面的几何畸变扭曲问题以及显示画面的亮度不均匀性和颜色偏差问题,提出并实现了多投影显示画面的几何一致性校正和光度一致性校正,该方法无需人工过多调整系统硬件摆放姿态,简化多投影显示系统的安装调校过程,实现了快速自主的多投影展示效果。而对于非标自由曲面对多投影显示画面产生的不规则形变,以及纹理色彩对投影视效画面产生的干扰问题,提出了非标自由曲面的多投影自主感知校正算法和基于决策引导薄板样条插值的颜色补偿校正算法。通过实验分析可知,该方法有效降低了非标自由曲面对多投影显示画面产生的干扰,同时提高观察者对投影画面的视觉感知程度以及内容理解程度,以及扩大多投影显示技术的应用范围。(5)针对沉浸式多投影系统面临着的相邻投影屏幕之间的光线互散射效应,而导致投影画面出现颜色和亮度上的差异性等问题,通过深入分析多投影屏幕间互散射效应数理模型,提出了沉浸式多投影系统的光线互散射补偿算法,同时搭建了一套沉浸式多投影显示系统平台。通过实验分析可知,本文搭建的沉浸式多投影显示系统,不仅有效解决了背投影模式下的光线互散射问题,同时实现了高沉浸感的多通道投影无缝拼接融合一致性显示。本文的研究内容能够促进多投影显示技术朝着智能化、实用性与高效性等方向快速发展。
【学位授予单位】:

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