專利名稱：投影顯示系統(tǒng)及其特性分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種顯示領(lǐng)域的系統(tǒng)構(gòu)建及其特性分析方法，尤其是針對日常生活中常見的帶有紋理或圖案的表面上以及照明環(huán)境下進行投影顯示時的系統(tǒng)構(gòu)建及其特性分析方法。

背景技術(shù)：
目前，市場上的投影儀價格低廉并具備多功能和便攜式等特點，應(yīng)用范圍逐漸從教育、商務(wù)會議等高端領(lǐng)域拓展進入人們?nèi)粘Ｉ?。為了提高投影儀的靈活性和適應(yīng)性，投影儀的應(yīng)用和推廣將不再受限于理想觀察環(huán)境以及高質(zhì)量純白色屏幕顯示而需要在日常照明環(huán)境下以及工作生活中常見的帶有紋理或圖案的表面上進行投影顯示。此時，投影顯示圖像不僅受到自身成像系統(tǒng)的局限還將受到環(huán)境照明和表面輻射特性的影響。具體來講，當在日常照明環(huán)境下進行投影顯示時，投影顯示圖像由投影輸出圖像和環(huán)境照明經(jīng)屏幕反射融合而成，與理想暗環(huán)境相比，其質(zhì)量將會明顯劣化；同時，如果投影儀將圖像投在非純白屏幕上時，投影顯示圖像將會由于屏幕的不均勻或者顏色干擾而出現(xiàn)人眼感知圖像外貌的失真。因此，為了有效控制并校正投影圖像質(zhì)量以再現(xiàn)其真實外貌，需要對該投影顯示的特性進行建模分析，包括投影顯示系統(tǒng)、顯示表面和環(huán)境照明的光度學或色度學特性。
已有的投影顯示特性分析方法主要分為兩類，一類是采用如光譜輻射度計或者色度計等高精度的輻射計量設(shè)備測量的分析方法，該類方法分析的精度高，但每次只能獲得一個空間位置的特性，而對于大尺寸畫面的投影顯示來講，其效率較低，而且不能獲得顯示特性的空間分布；另一類是采用相機測量的分析方法，即預(yù)先將相機進行標定，然后將相機拍攝投影顯示圖像，并對獲得的圖像進行特性分析。通過對相機每個像素點的分析即可獲得投影顯示對應(yīng)空間點的特性，該類方法的測量效率高，但測量精度依賴于參考白點和相對于白點的標定精度。針對上述新型投影顯示特性，現(xiàn)有的技術(shù)通常采用第二類方法或者兩類方法的組合進行分析，如文獻“Color nonuniformity in projection-baseddisplaysAnalysis and solutions”，并且將投影儀、相機和計算機處理系統(tǒng)組成投影儀相機系統(tǒng)，使得該新型顯示特性的分析可以實現(xiàn)自動化，如文獻“Making One Object Look Like Another-Controlling Appearance Using aProjector-Camera System”。然而，已有的基于投影儀相機系統(tǒng)分析方法都是以固定的白點為參考的。由于新型投影顯示環(huán)境的參考白點將會隨著使用場合改變而不斷變化，當顯示時的參考白點與預(yù)設(shè)的白點不一致時，分析結(jié)果將偏離視覺觀察的真實值。因此，為了使得投影顯示特性的分析實現(xiàn)實時在線應(yīng)用的同時提高其分析結(jié)果的可靠性，需要根據(jù)使用場合的變化實時地設(shè)定參考白點。另外，通道耦合現(xiàn)象常見于三通道以上投影顯示系統(tǒng)，由于已有的分析方法都沒有考慮到投影顯示系統(tǒng)通道間的復雜耦合特性，故適應(yīng)范圍受限于傳統(tǒng)的投影顯示技術(shù)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種投影顯示系統(tǒng)及其特性分析方法。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的一種投影顯示系統(tǒng)，它主要由顯示系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、微存儲處理模塊、白點定標元件和I/O接口模塊五個部分組成。其中，所述顯示系統(tǒng)、成像系統(tǒng)分別和I/O接口模塊相連，I/O接口模塊連接微存儲處理模塊。
一種應(yīng)用上述投影顯示系統(tǒng)的特性分析方法，該方法包括以下步驟 (1)建立顯示系統(tǒng)像素坐標(x，y)與成像系統(tǒng)對應(yīng)像素坐標(u，v)間的幾何映射關(guān)系。
(2)獲取顯示環(huán)境的參考白點和成像系統(tǒng)顏色通道的階調(diào)響應(yīng)曲線fc。
(3)通過階調(diào)響應(yīng)曲線fc的逆映射來分析得到顯示表面對投影圖像各個像素點的空間調(diào)制S和環(huán)境照明的疊加分布E。
(4)獲得投影顯示系統(tǒng)顏色通道的階調(diào)響應(yīng)曲線fp。
(5)建立投影顯示系統(tǒng)顏色通道間耦合映射關(guān)系。
本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明的投影顯示系統(tǒng)在傳統(tǒng)的投影儀相機系統(tǒng)構(gòu)成基礎(chǔ)上增加白點定標元件部分，有利于在線實時精確獲取顯示環(huán)境的白點，從而提高了系統(tǒng)的靈活性。本發(fā)明的特性分析方法，每個步驟可以在線自動地實施，且適應(yīng)于三通道及以上的投影顯示系統(tǒng)，為在帶有紋理或圖案的表面上以及照明環(huán)境下進行的投影顯示提供了多種顏色管理方案，有利于該投影顯示系統(tǒng)向高端應(yīng)用領(lǐng)域拓展。



圖1是投影顯示系統(tǒng)模塊構(gòu)建方案示意圖； 圖2是投影顯示系統(tǒng)工作時的數(shù)據(jù)流程示意圖； 圖3是ImgSurface示意圖； 圖4是ImgCapGray255示意圖； 圖5是ImgColor1024示意圖； 圖6是ImgCapColor1024示意圖； 圖7是ImgCapColorl024Co示意圖； 圖8是分析方法驗證結(jié)果示意圖。
具體實施方法 下面根據(jù)附圖和實施例詳細描述本發(fā)明，本發(fā)明的目的和效果將變得更加明顯。
為了使得投影顯示系統(tǒng)能在線精確獲得當時顯示環(huán)境的白點，本發(fā)明提供一種投影顯示系統(tǒng)構(gòu)建的新型方案，如圖1所示，由顯示系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、微存儲處理模塊、白點定標元件和I/O接口模塊五個部分組成，分別用A、B、C、D和E五個字母表示，顯示系統(tǒng)和成像系統(tǒng)分別連接I/O接口模塊，而I/O接口模塊連接微存儲處理模塊，白點定標元件則是自由靈活地安裝在系統(tǒng)中，可以很方便的裝卸。顯示系統(tǒng)是用來將圖像投影到顯示表面上，成像系統(tǒng)是將來自于顯示表面的輻射能量采集并轉(zhuǎn)化為圖像，微存儲處理模塊是將需要顯示的圖像和采集到的圖像存儲起來或者按照一定的規(guī)則進行相應(yīng)的處理，I/O接口模塊是用來將微存儲處理模塊傳來的數(shù)字信號經(jīng)過處理后傳輸給顯示系統(tǒng)，并接受成像系統(tǒng)輸出的信號通過再加以預(yù)處理后傳輸給微存儲處理模塊，白點定標元件是用來在線獲取顯示區(qū)域參考白點的一個零部件。
系統(tǒng)構(gòu)建的具體實施方案如下 顯示系統(tǒng)可以采用型號為VGA NEC LT 30+的DLP投影儀(其顏色通道數(shù)為4)，成像系統(tǒng)可以采用型號為HITACHI HV-D30的相機(顏色通道數(shù)為3)，微存儲處理模塊可以采用2.2GHz主頻和1.0G內(nèi)存計算機，I/O接口模塊可以采用型號為RADEON R9200SE的顯卡和型號為Matrox Meteor II/Multi-channel的圖像信號采集卡，白色定標元件可以采用一張白色的卡片，測得它在MacbethSpectralLightIII標準燈箱Daylight照明下測得卡片的(a*，b*)顏色值為(4.377，-7.008)。
當投影顯示系統(tǒng)在日常生活中常見的帶有紋理或圖案的表面上和日常環(huán)境照明的條件下工作時，從輸入圖像到輸出圖像的整個顯示流程可以分解為如圖2所示的四個主要過程。輸入圖像的數(shù)字值Iin＝[rin，gin，bin]T經(jīng)過顯示系統(tǒng)各個通道的階調(diào)響應(yīng)映射關(guān)系fp轉(zhuǎn)化為數(shù)字激勵值


而數(shù)字激勵值經(jīng)過顯示系統(tǒng)各通道之間耦合以及到成像系統(tǒng)對應(yīng)通道之間的映射關(guān)系fm轉(zhuǎn)化為顯示系統(tǒng)輸出的輻射亮度值Ip＝[rp，gp，bp]T。然后，輻射亮度值經(jīng)過環(huán)境照明的疊加分布E＝[er，eg，eb]T和顯示表面的空間調(diào)制S＝diag(Sr，Sg，Sb)反射轉(zhuǎn)換為成像系統(tǒng)接收到的照度值Ic＝[rc，gc，bc]T，該過程由采用數(shù)學公式(2)來描述 Ic＝S(Ip+E) (2) 最后，成像系統(tǒng)接收到的照度值經(jīng)其階調(diào)響應(yīng)映射關(guān)系fc轉(zhuǎn)化為輸出圖像的數(shù)字值
投影顯示特性分析的目的就是為了建立以上顯示過程的各種映射關(guān)系，本發(fā)明提供了五個步驟的方法，每個步驟可以理解為投影顯示系統(tǒng)的操作規(guī)程以及在操作規(guī)程當中需要微處理模塊執(zhí)行的指令，來指揮顯示系統(tǒng)或者成像系統(tǒng)完成特定的功能。
第一步，建立顯示系統(tǒng)像素坐標(x，y)與成像系統(tǒng)對應(yīng)像素坐標(u，v)間的幾何映射關(guān)系。
具體實施方法 采用專利文獻“投影圖像校正方法與裝置”中的幾何映射方法，同時為了減弱三通道以上的顯示系統(tǒng)中的通道間耦合對編碼識別的影響，采用紅、綠、藍、黑、白五種顏色且包括625色塊的編碼圖。
第二步，獲取顯示環(huán)境的參考白點和成像系統(tǒng)顏色通道的階調(diào)響應(yīng)曲線fc。
具體實施方法 首先，調(diào)整相機的視場以將投影顯示區(qū)域包括在內(nèi)，調(diào)整曝光時間為Ts(如0.04s)以及相機光圈使得投影顯示圖像的最大亮度在其動態(tài)范圍之內(nèi)，此時的曝光時間設(shè)為工作模式下的曝光時間。將相機的光圈關(guān)閉，采集得到圖像，記為ImgCapDark，然后在顯示表面上投影一幅顏色值為(255，255，255)的純白圖像，利用相機采集得到圖像，記為ImgCapGray255，找到ImgGray255中最亮的位置，記為P；在P位置對應(yīng)的顯示區(qū)域投影一個“+”標記，將白色定標元件安放在該位置標記上，并將顏色值為(255，255，255)的純白圖像再次投影到顯示表面，采集圖像并由P點位置定位元件的位置，取其中間區(qū)域并減去ImgDark相應(yīng)區(qū)域顏色值之后的平均值作為參考白點，記為(routw，goutw，boutw)。然后，計算得到成像系統(tǒng)輸出時的白平衡校正系數(shù)為

最后，將標定元件移離顯示區(qū)域，在顯示表面投影一幅從中間向兩邊由亮到暗豎條紋排列的投影顯示圖像，分別為1s，0.84s，0.68s，0.52s，0.36s，0.20s，0.04s等7次不同曝光時間時采集得到的一組圖像并分別減去ImgCapDark后乘以白平衡系數(shù)進行校正，利用文獻“Recovering High Dynamic Range Radiance Maps fromPhotographs”中的擬合方法來獲得成像系統(tǒng)顏色通道的階調(diào)響應(yīng)曲線及其逆向查找表。
第三步，通過階調(diào)響應(yīng)曲線fc的逆映射來分析得到顯示表面對投影圖像各個像素點的空間調(diào)制S和環(huán)境照明的疊加分布E。
具體實施方法 采用由12個不同顏色的色塊組成的測試表面，并將整個系統(tǒng)工作在一般的辦公室熒光燈日常照明環(huán)境下。首先，投影一幅顏色值為(0，0，0)的純黑圖像到顯示表面上，利用相機采集得到圖像，記為ImgCapGrayZero，減去ImgCapDark后乘以白平衡系數(shù)進行校正，由每個像素的像素值及成像系統(tǒng)階調(diào)響應(yīng)曲線的逆向查找表即可獲得環(huán)境照明(包括投影儀背光)的疊加分布E；然后，將ImgCapGray255減去ImgCapDark后乘以白平衡系數(shù)進行校正，由每個像素的像素值及成像系統(tǒng)階調(diào)響應(yīng)曲線的逆向查找表獲得來自于顯示表面對應(yīng)像素點的照度值

再減去環(huán)境照明的疊加部分并以P位置的照度值

為基準即可計算獲得顯示表面上每個像素點(u，v)的空間調(diào)制

其計算公式為 其中，ei(u，v)為像素點(u，v)處環(huán)境照明疊加分布的第i個通道分量。
第四步，獲得投影顯示系統(tǒng)顏色通道的階調(diào)響應(yīng)曲線fp。
具體實施方法 首先由投影儀將灰階值的色塊連續(xù)投影到顯示表面的P位置，例如n1＝8，分別為(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)，并由相機采集得到各個色塊的圖像；然后，將其各個像素(u，v)的顏色值減去ImgCapDark對應(yīng)像素的顏色值后進行白平衡校正，并由成像系統(tǒng)階調(diào)響應(yīng)曲線的逆向查找表獲得各個像素對應(yīng)的照度值Ic，再減去環(huán)境照明的疊加部分并除去空間調(diào)制，即 其中，ic′為校正后的照度值。最后，取色塊中央?yún)^(qū)域ic′的平均值即可獲得顯示系統(tǒng)各個通道階調(diào)響應(yīng)曲線n1個樣本點值，通過三次樣條插值的方法可獲得完整光滑的曲線。
第五步，建立投影顯示系統(tǒng)顏色通道間耦合映射關(guān)系。
具體實施方法 首先，投影一幅或者多幅色塊圖(總的顏色數(shù)為n2)，獲得n2組g和Ip的值。例如，取g向量的長度為7，采用文獻“Masking model for accurate colorimetriccharacterization of LCD”中掩膜模型的擴展方式。設(shè)計一幅有1024個色塊的圖像，在設(shè)備顏色空間中選取512個顏色值，分別從上到下和左至右排列一次，記為ImgColor1024；將該圖像投影到顯示表面，由相機采集得到色塊圖像，記為ImgCapColor1024；用類似于步驟三和步驟四的方法減去ImgCapDark的顏色值后進行白平衡校正并計算照度值和除去空間調(diào)制，獲得的分布圖記為ImgCapColor1024Co；取色塊中央?yún)^(qū)域的均值作為每個色塊的Ip值并兩次取平均，同時由選取的512個顏色值和顯示系統(tǒng)的通道響應(yīng)曲線可計算得到512個g值，并最終獲得512組g和Ip的值； 然后，對于通道數(shù)為m的投影顯示系統(tǒng)，采用數(shù)學公式(1)來描述耦合映射關(guān)系 Ip＝M·g (1) 其中，

n0≥m是由Itr進行擴展得到的向量，M為3×n0的耦合矩陣。由n2組g和Ip的值并采用最小誤差估計的方法來求得耦合矩陣M，例如，最小二乘擬合的方法。
為了驗證該分析方法的適應(yīng)性和精度，分別將構(gòu)建的投影顯示系統(tǒng)分別設(shè)置在“sRGB”(三通道)和“演示”(四通道)模式下并進行特性分析。利用分析的結(jié)果，可以預(yù)測測試圖像(記為ImgTest)在測試表面上的輸出圖像，記為ImgTestPre；同時，可以利用相機直接由投影圖像采集得到輸出圖像，記為ImgTestCap；將圖像ImgTestPre和ImgTestCap進行比較，得到絕對誤差的偽彩色圖，記為ImgDiff，亮的區(qū)域表示誤差大，反之則小，如圖8所示，并分別計算R、G、B三個顏色通道的平均誤差和均方根誤差，結(jié)果如下表，該分析方法在不同模式下的平均誤差都穩(wěn)定在10以下，而且誤差較大的區(qū)域主要分布在圖像的細節(jié)部分。


權(quán)利要求
1.一種投影顯示系統(tǒng)，其特征在于，它主要由顯示系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、微存儲處理模塊、白點定標元件和I/O接口模塊五個部分組成。其中，所述顯示系統(tǒng)、成像系統(tǒng)分別和I/O接口模塊相連，I/O接口模塊連接微存儲處理模塊。
2.一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述投影顯示系統(tǒng)的特性分析方法，其特征在于，該方法包括以下步驟
(1)建立顯示系統(tǒng)像素坐標(x，y)與成像系統(tǒng)對應(yīng)像素坐標(u，v)間的幾何映射關(guān)系。
(2)獲取顯示環(huán)境的參考白點和成像系統(tǒng)顏色通道的階調(diào)響應(yīng)曲線fc。
(3)通過階調(diào)響應(yīng)曲線fc的逆映射來分析得到顯示表面對投影圖像各個像素點的空間調(diào)制S和環(huán)境照明的疊加分布E。
(4)獲得投影顯示系統(tǒng)顏色通道的階調(diào)響應(yīng)曲線fp。
(5)建立投影顯示系統(tǒng)顏色通道間耦合映射關(guān)系。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述特性分析方法，其特征在于，所述步驟(2)具體為首先調(diào)整相機的視場以將投影顯示區(qū)域包括在內(nèi)，調(diào)整曝光時間Ts以及相機光圈使得投影顯示圖像的最大亮度在其動態(tài)范圍之內(nèi)，此時的曝光時間設(shè)為工作模式下的曝光時間。將相機的光圈關(guān)閉，采集得到圖像，記為ImgCapDark，然后在顯示表面上投影一幅顏色值為(255，255，255)的純白圖像，利用相機采集得到圖像，記為ImgCapGray255，找到ImgGray255中最亮的位置，記為P；在P位置對應(yīng)的顯示區(qū)域投影一個“+”標記，將白色定標元件安放在該位置標記上，并將顏色值為(255，255，255)的純白圖像再次投影到顯示表面，采集圖像并由P點位置定位元件的位置，取其中間區(qū)域并減去ImgDark相應(yīng)區(qū)域顏色值之后的平均值作為參考白點，記為(routw，goutw，boutw)。然后，計算得到成像系統(tǒng)輸出時的白平衡校正系數(shù)為
最后，將標定元件移離顯示區(qū)域，在顯示表面投影一幅從中間向兩邊由亮到暗豎條紋排列的投影顯示圖像，分別為1s，0.84s，0.68s，0.52s，0.36s，0.20s，0.04s等7次不同曝光時間時采集得到的一組圖像并分別減去ImgCapDark后乘以白平衡系數(shù)進行校正，擬合獲得成像系統(tǒng)顏色通道的階調(diào)響應(yīng)曲線及其逆向查找表。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述特性分析方法，其特征在于，所述步驟(3)具體為采用由12個不同顏色的色塊組成的測試表面，并將整個系統(tǒng)工作在一般的辦公室熒光燈日常照明環(huán)境下。首先，投影一幅顏色值為(0，0，0)的純黑圖像到顯示表面上，利用相機采集得到圖像，記為ImgCapGrayZero，減去ImgCapDark后乘以白平衡系數(shù)進行校正，由每個像素的像素值及成像系統(tǒng)階調(diào)響應(yīng)曲線的逆向查找表即可獲得環(huán)境照明的疊加分布E；然后，將ImgCapGray255減去ImgCapDark后乘以白平衡系數(shù)進行校正，由每個像素的像素值及成像系統(tǒng)階調(diào)響應(yīng)曲線的逆向查找表獲得來自于顯示表面對應(yīng)像素點的照度值
再減去環(huán)境照明的疊加部分并以P位置的照度值
為基準即可計算獲得顯示表面上每個像素點(u，v)的空間調(diào)制
其計算公式為
其中，ei(u，v)為像素點(u，v)處環(huán)境照明疊加分布的第i個通道分量。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述特性分析方法，其特征在于，所述步驟(4)具體為首先由投影儀將灰階值的色塊連續(xù)投影到顯示表面的P位置，并由相機采集得到各個色塊的圖像；然后，將其各個像素(u，v)的顏色值減去ImgCapDark對應(yīng)像素的顏色值后進行白平衡校正，并由成像系統(tǒng)階調(diào)響應(yīng)曲線的逆向查找表獲得各個像素對應(yīng)的照度值Ic，再減去環(huán)境照明的疊加部分并除去空間調(diào)制，即
其中，ic′為校正后的照度值。最后，取色塊中央?yún)^(qū)域ic′的平均值即可獲得顯示系統(tǒng)各個通道階調(diào)響應(yīng)曲線n1個樣本點值，通過三次樣條插值的方法可獲得完整光滑的曲線，n1為自然數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述特性分析方法，其特征在于，所述步驟(5)具體為首先，投影一幅或者多幅色塊圖，總的顏色數(shù)為n2，獲得n2組g和Ip的值。設(shè)計一幅有1024個色塊的圖像，在設(shè)備顏色空間中選取512個顏色值，分別從上到下和左至右排列一次，記為ImgColor1024；將該圖像投影到顯示表面，由相機采集得到色塊圖像，記為ImgCapColor1024；減去ImgCapDark的顏色值后進行白平衡校正并計算照度值和除去空間調(diào)制，獲得的分布圖記為ImgCapColor1024Co；取色塊中央?yún)^(qū)域的均值作為每個色塊的Ip值并兩次取平均，同時由選取的512個顏色值和顯示系統(tǒng)的通道響應(yīng)曲線可計算得到512個g值，并最終獲得512組g和Ip的值；然后，對于通道數(shù)為m的投影顯示系統(tǒng)，采用下式來描述耦合映射關(guān)系
Ip＝M·g；
其中，
n0≥m是由Itr進行擴展得到的向量，M為3×n0的耦合矩陣。由n2組g和Ip的值并采用最小誤差估計的方法來求得耦合矩陣M。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種投影顯示系統(tǒng)及其特性分析方法，本發(fā)明的投影顯示系統(tǒng)在傳統(tǒng)的投影儀相機系統(tǒng)構(gòu)成基礎(chǔ)上增加白點定標元件部分，有利于在線實時精確獲取顯示環(huán)境的白點，從而提高了系統(tǒng)的靈活性。本發(fā)明的特性分析方法，每個步驟可以在線自動地實施，且適應(yīng)于三通道及以上的投影顯示系統(tǒng)，為在帶有紋理或圖案的表面上以及照明環(huán)境下進行的投影顯示提供了多種顏色管理方案，有利于該投影顯示系統(tǒng)向高端應(yīng)用領(lǐng)域拓展。
文檔編號H04N5/74GK101815190SQ20101014848
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月16日
發(fā)明者徐海松, 鄒文海 申請人:浙江大學