投影系统中曲面的光度补偿

论文摘要

随着技术的不断进步,个人计算机有体积越来越小,而功能越来越多的发展趋势。在计算机视觉（Computer Vision）领域,增强现实（Augmented Reality）是一项极具潜力的技术。投影式增强现实由于其空间显示范围广、可操作性以及适用性强的特点而得到越来越广泛的关注。投影式增强现实系统多采用的是投影仪-相机系统,目前基于投影仪-相机的投影式增强现实领域已经有了一些深入的研究与具体的应用,包括投影墙的自动校准、交互式投影表面、智能环境与艺术表现等方面。在投影仪-相机系统中,由于投影仪与相机本身仪器性能的特点以及投影面存在几何不规则性和带有色彩的纹理,投影的效果往往不能达到预期的显示要求。我们就需要针对仪器本身属性和环境属性对投影图像施行光度补偿算法。本文提出了一种曲面上的光度补偿方法,使投影在有纹理的曲面上成为可能,同时该方法基于视点变化实时地对投影图片进行几何矫正。该算法在光度补偿领域的贡献和创新点主要包括以下几个方面:1.基于辐射度光照模型,改进原有的光度补偿模型,提出系统颜色混合矩阵的概念。由于该矩阵对于已经选定的投影仪-相机系统是固定不变的特点,可以在对图像做光度补偿之前,预先计算得到,从而加速了光度补偿算法。2.为了获得投影仪和相机之间的几何映射,我们总结前人的经验,采用了快速打点的二进制点阵结构光方法。该方法具有精度高、稳定性好的特点,并且获得的几何映射信息可以运用到跟踪视点的交互中去。3.在交互方面,我们分析了多种视点跟踪方法,选择使用双相机（标定相机和视点相机）系统作为交互系统。该系统在视点变化范围不大的情况下,可以达到较高的精度,并且给出了针对视点变化剧烈和投影面存在自遮挡的情况,实验的进一步解决方案。实验结果表明,本文提出的曲面光度补偿算法,已经可以在不存在自遮挡的曲面上实时、准确、稳定的进行光度补偿。在速度上,该算法已经可以对视频进行实时的光度补偿。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 插图目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及选题意义
• 1.2 相关研究技术
• 1.2.1 增强现实技术的研究与应用
• 1.2.2 投影式增强现实技术的相关工作
• 1.2.3 投影仪‐相机系统的相关工作
• 1.2.4 光度补偿算法的相关工作
• 1.3 本论文的主要研究工作及贡献
• 1.3.1 主要内容安排
• 1.3.2 本文贡献
• 第二章 投影式增强现实
• 2.1 增强现实
• 2.2 投影式增强现实简介
• 2.2.1 增强现实中的显示技术
• 2.2.2 投影式增强现实
• 2.3 投影式增强现实在实际中遇到的问题
• 2.4 本章小结
• 第三章 投影仪‐相机系统理论基础
• 3.1 辐射度光照模型
• 3.1.1 投影缩减效应
• 3.1.2 立体角
• 3.1.3 辐射能
• 3.1.4 屏幕光照模型
• 3.1.5 相机成像原理
• 3.2 投影仪‐相机系统框架
• 3.3 投影仪‐相机系统的辐射度模型
• 3.4 曲面的几何映射
• 3.4.1 Image‐Based 方法
• 3.4.2 Geometry‐Based 方法
• 3.5 本章小结
• 第四章 固定视点下曲面的光度补偿
• 4.1 几何映射
• 4.1.1 平面的几何映射
• 4.1.2 曲面的几何映射
• 4.2 系统的亮度响应函数
• 4.2.1 相机亮度响应函数带来的影响
• 4.2.2 相机亮度非线性响应函数
• 4.2.3 实验中标定响应函数
• 4.2.4 投影仪亮度响应函数
• 4.3 计算投影仪与相机通道之间的颜色混合
• 4.4 光度补偿模型
• 4.5 光度补偿实现
• 4.6 算法流程总结
• 4.7 本章小结
• 第五章 视点跟踪
• 5.1 视点跟踪技术分类
• 5.2 实际中视点跟踪解决方案
• 5.3 光流算法
• 5.4 跟踪视点流程
• 5.5 本章小结
• 第六章 实验效果与分析
• 6.1 实验器材
• 6.2 几何映射精度
• 6.3 光度补偿算法速度
• 6.4 补偿图片的效果
• 6.5 对视频进行实时的光度补偿
• 6.6 效果比较
• 6.7 本章小结
• 第七章 全文总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文