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《浙江大学》 2017年
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多投影几何与色彩校正关键技术研究与应用

林志洁  
【摘要】:多投影显示系统在博物馆展陈、仿真训练等领域有着广泛的应用,其画面由多个单投影画面拼接而成,需要对拼接画面的几何扭曲及色彩失真进行校正。现有的几何校正技术已能较好地解决几何扭曲的校正精度问题,但尚未实现完全的连续在线自主几何校正。现有的色彩校正技术虽然已经能够较好地解决色彩失真问题和光度不一致问题,但如何在包围式投影环境中光线互相反射造成辐照不均和色彩偏差情况下保持较高显示质量,仍然是一项有挑战性的工作。本文分别从自适应几何校正方法、考虑投影环境影响的色彩补偿方法等方面比较分析了相关的研究工作,并指出了在多投影环境下影响几何校正连续性和色彩保真度的关键问题,针对这些问题本文重点研究了提高几何校正自适应程度和减少互反射导致的不均匀辐照以及色彩偏差的方法,提出了更加实用的方法,主要工作及学术贡献包括:1)针对曲面幕投影过程中投影仪或者幕布的位置发生微小变化导致的投影画面几何失真问题,提出一种场景感知的自适应几何校正方法,该方法利用场景感知的投影相机单元自标定算法,闭环反馈地观察投影画面,提取投影画面及场景特征进行投影变换关系计算和优化,实现了无需离线预校正的自适应标定。并采用基于动态序列消抖的校正噪声滤波算法,提升了在线自适应几何校正的收敛效率。该方法满足亚像素级的校正精度要求并提升了在线自适应几何校正的自适应程度,解决了传统几何校正需要预先校正的问题。2)针对包围结构投影环境中光的互反射问题,分别提出了面向朗伯面和非朗伯面的光照补偿色彩校正方法。针对朗伯投影面的互反射问题,提出了一种基于光谱反射曲线的直接光-间接光分离算法,并结合光度立体方法估算形状因子,利用标准辐射度补偿方法,高效便利地解决了朗伯面环境的互反射问题;针对非朗伯投影面的互反射问题,提出了一种非漫射环境互反射辐射度模型,并利用非负线性优化方法优化每个像素的辐射度能量输出生成补偿图像,消除了互反射对成像色彩的影响。3)基于上述关键技术,在120度环幕、半球幕等典型的投影环境下,以文化遗产的数字化展示为例进行了验证性应用,结果证明本文的方法能自适应进行多投影几何校正和色彩校正,效果良好。本文改进了多投影系统的自适应能力,使其在曲面投影环境中的几何校正更加高效,并有效解决了包围式投影环境中的互反射光影响成像色彩问题。其实用性与高效性可满足大多数多投影系统应用的需求,有利于其在更多领域中推广。
【关键词】:自校正 几何校正 色彩校正 多投影系统
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TP391.41
【目录】:
  • 摘要4-6
  • Abstract6-14
  • 第1章 绪论14-20
  • 1.1 课题背景14-16
  • 1.2 研究内容16-18
  • 1.3 课题研究意义18
  • 1.4 论文组织结构18-20
  • 第2章 多投影校正相关方法研究综述20-49
  • 2.1 多投影几何校正方法21-34
  • 2.1.1 多投影几何校正方法概述21-23
  • 2.1.2 多投影离线自动几何校正方法23-24
  • 2.1.3 多投影在线连续几何校正方法24-34
  • 2.2 多投影色彩校正方法34-43
  • 2.2.1 多投影色彩校正方法概述34-37
  • 2.2.2 不考虑投影环境因素的多投影色彩校正方法37-38
  • 2.2.3 考虑环境影响因素的多投影色彩校正方法38-43
  • 2.3 多投影系统43-47
  • 2.4 本章小结47-49
  • 第3章 在线自适应多投影几何校正方法49-75
  • 3.1 引言49
  • 3.2 基于场景感知的在线自适应多投影几何校正方法49-68
  • 3.2.1 场景感知的投影仪相机系统标定52-61
  • 3.2.2 投影区域及投影重叠区域自适应计算61-64
  • 3.2.3 连续在线自适应校正64-68
  • 3.3 自适应几何校正效果实验及分析68-74
  • 3.4 本章小结74-75
  • 第4章 包围式投影环境的色彩校正方法75-100
  • 4.1 引言75-76
  • 4.2 朗伯特投影表面互反射自适应色彩校正方法76-85
  • 4.2.1 朗伯面互反射模型及其简化表述78-80
  • 4.2.2 基于光度立体的形状因子估计80-81
  • 4.2.3 基于光谱反射曲线的直接光-间接光分离81-82
  • 4.2.4 朗伯特表面反射率估算82-85
  • 4.3 非朗伯特投影表面互反射自适应色彩校正方法85-93
  • 4.3.1 非朗伯包围式环境辐射度建模85-88
  • 4.3.2 基于辐射度能量优化的互反射色差补偿88-89
  • 4.3.3 非朗伯面球幕反射特性获取89
  • 4.3.4 投影仪非线性响应函数表示及优化89-93
  • 4.4 色彩校正效果实验及分析93-98
  • 4.5 本章小结98-100
  • 第5章 自适应校正多投影技术验证性应用研究100-118
  • 5.1 引言100
  • 5.2 基于自适应校正的多投影系统设计与集成开发100-105
  • 5.2.1 多投影框架设计方案100-102
  • 5.2.2 系统集成开发102-105
  • 5.3 基于自适应校正的环幕多投影应用105-110
  • 5.3.1 环幕自适应校正106-107
  • 5.3.2 环幕典型石窟艺术应用107-108
  • 5.3.3 环幕效果分析108-110
  • 5.4 基于自适应校正的球幕多投影应用110-117
  • 5.4.1 球幕自适应校正110-112
  • 5.4.2 球幕自适应校正效果分析112-113
  • 5.4.3 球幕典型石窟艺术应用113-117
  • 5.4.4 其他相关应用117
  • 5.5 本章小结117-118
  • 第6章 总结与展望118-121
  • 6.1 本文工作总结118-119
  • 6.2 今后研究工作展望119-121
  • 参考文献121-129
  • 攻读博士学位期间主要的成果与科研项目经历129-131
  • 致谢131-132

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