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TWI755991B - 用於投影機系統的自動梯形校正方法 - Google Patents

用於投影機系統的自動梯形校正方法 Download PDF

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Abstract

一種用於投影機系統的自動梯形校正方法，該方法包括：利用一個掃描式多點飛行時間(TOF)測距裝置以及一個重力感測元件，以該(TOF)測距裝置取得該投影機系統投影至一平面的全視場座標作為第一基準畫面；利用該重力感測元件補償動態掃描的時間差，作為校正該投影機系統的水平與垂直移動時視場掃描線因該時間差造成的錯誤；以及利用固定視場角度的方式環繞該基準畫面的水平與垂直對稱軸取得建構線，達到快速的動態的梯形校正。

Description

用於投影機系統的自動梯形校正方法
本發明涉及一種投影機系統的畫面校正方法，特別是一種投影機系統無須產生圖案(Pattern)或定位座標而執行自動梯形校正的投影機系統。
隨著科技的進步，各類型投影(微投影)技術因應科技的演化，提高了其應用的靈活性與機動性。大畫面、高解析度、輕薄不受限空間而攜帶方便的投影技術，已與生活密不可分。上述投影技術闊展了其在家庭及公共領域應用的無限可能的同時，然而其在室內外的應用皆可能因受限於周遭環境或常態的移動架設而造成水平及垂直畫面偏轉，產生如梯形般的畫面失真。其中尤以短焦系統最為嚴重，當展開的視場(field of view,FOV)角度越大，在調整上會因其細膩的變化而變得愈困難。
除了手動調整外，目前部分投影機已具備自動校正的方法。傳統使用的自動校正的方法是利用產生圖像定位座標的方式，經由分離式(例如手機)攝像頭或是固定於投影機的攝像頭取得矩形偏移座標，再計算四角點修正來完成。但是，此方法執行效率不佳，易受環境背景光影響，甚至有邊框條件或投影幕材質的限制，自動校正的精確度往往受到外在環境影響而造成其品質不穩定，使得定位條件複雜且成本高。使用固定攝像頭的投影機運用於微投影技術時更是困難，因其受限於鏡頭與攝像頭不得取於同一個FOV夾角的限制，於相對短的夾角其解析度必須提升，成本因素造成普及困難。
基於上述缺失，本發明提出具有一種全自動的畫面校正方法的投 影機系統，設計後僅為一微小模組，無須攝像頭且不受裝設FOV角度限制，裝設於同一投影機本體上，不易受環境或是背景光源、或凹凸不平牆面的影響，無須邊框且無投影幕的限制。該方法結合重力感測器與飛行時間(time of flight,TOF)測距元件，精算相對垂直於法線的誤差予以修正；並可在移動定點後，以小於0.3sec完成一次調整的速度，動態微幅調整至最佳位置，不再因產生的圖像遮蔽畫面，而需反覆施作調整。
本發明另一實施例為應用於超短焦投影機的實施例，用以克服TOF測距裝置在短距離取FOV線會產生較大誤差率的問題，其係利用傾斜水平與垂直角度於投影機的安裝方式，維持固定FOV的水平與垂直角度，放大對角線的差異比率，可補償超短焦投影機於正投畫面的FOV誤差率並達到與一般焦距相同準確的功效。
為達上述FOV垂直或全部調整的目的，本發明的實施例提出一種包括單一投影機、投影平面以及本發明開發之處理器。單投影機可以投射任意角度方向影像，本發明開發之處理器計算投影機投影畫面FOV之水平與垂直法線夾角。取處理器與投影機方向基於同一垂直與水平旋轉之軸點，偵測同步投影成像的梯形變形量，以使處理器調整後的變形修正達到正矩形的目的，並保持原有的長寬比例。
本發明核心為取得視場(FOV)梯形變形後的水平與垂直偏移，可應用於任何焦距長度(含超短焦)及光源種類之投影技術，且具有梯形修正的系統，可以直接結合，無須再增加其他定位或讀取座標之裝置，即可於一投影平面完成梯形之校正。處理器啟動時間約數秒即可完成第一次定位，並可起始循環動態與靜態偵測，對於投影機使用過程、或投影機使用前之架設或環境需求之預設置步驟，將無須任何人工介入，可以達到全自動校正之目的。本發明包含可使用九軸(三軸加速度、三軸角速度及三軸磁力計)之重力感測器實現，導入包含三軸磁力計算法，求得對於歐拉角(Euler angle)變化率和角速度之影響，建構出適應環境變化之偵測，達到近似指北針效果之定向投影功能，可配合輸出轉動量於雲端平台，應用於展覽會館或移動載具中使用。
100:投影機系統
101:投影畫面
103:第一成像視場
105:第二成像視場
211、212、213、214、215:取樣線
310、310a、311a、312a、310b、311b、312b:運動強度變化線
420:微控制器
422:電位轉換裝置
424:TOF感測器
426:重力感測器
428:穩壓器
500:流程圖
501、503、505、506、507、509、511、513、517:步驟
圖1顯示本發明之動態偏移系統圖。
圖2顯示本發明所提出的動態校正原理示意圖。
圖3顯示本發明所提出的去抖動之原理示意圖。
圖4顯示本發明之硬體系統功能方塊圖。
圖5顯示本發明之系統程式流程圖。
此處本發明將針對發明具體實施例及其觀點加以詳細描述，此類描述為解釋本發明之結構或步驟流程，其係供以說明之用而非用以限制本發明之申請專利範圍。因此，除說明書中之具體實施例與較佳實施例外，本發明亦可廣泛施行於其他不同的實施例中。以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技術之人士可藉由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之功效性與其優點。且本發明亦可藉由其他具體實施例加以運用及實施，本說明書所闡述之各項細節亦可基於不同需求而應用，且在不悖離本發明之精神下進行各種不同的修飾或變更。
圖1顯示本發明之動態偏移系統圖，本發明之處理器固定裝置於投影機投影成像系統上，投影機投影成像系統內設置有投影所需的硬體例如光源、鏡面等光學系統以及重力感測器(已經整合加速度計acclereometer與陀螺儀Gyro)以及相關控制電路，因此當系統之處理器固定設置於投影機投影成像系統上即整合為一投影機系統100，其具有同一區域坐標系(local coordinate system)，該坐標系可以依據重力感測器設置方位定義出三軸方向(X、Y、Z方向)以及俯仰角(Pitch)、偏航角(Yaw)以及滾轉角(Roll)。投影系統包括投影機、處理器、可成像的平面，其中可成像的平面可為牆面、投影幕、凸面之壁紙/裝潢材質、或 其他適於觀賞投影畫面101的較平整平面。這裡首要考慮的情況是，當投影機系統因傾斜以及震動而造成水平及垂直畫面偏轉，產生如梯形般的畫面失真，投影機系統如何進行修正。這裡提出包含靜態、靜態轉動態以及動態轉靜態等修正方式，利用結合重力感測器與飛行時間(time of flight,TOF)測距元件，精算相對垂直於法線的誤差予以修正；並可在移動定點後，以小於0.3sec完成一次調整的速度，動態微幅調整至最佳位置，不再因產生的圖像遮蔽畫面，而需反覆施作調整。投影機系統(處理器)的第一成像視場(field of view,FOV)103表示為前一動態或靜態取得的FOV，取樣四邊測量長度(即圖示中所註記的原點四邊量測線)可得水平與垂直之夾角；投影機系統(處理器)第二成像視場(FOV)105表示後一動態或靜態取得的FOV，其中動態取得的FOV由重力感測(包含三軸線加速度以及三軸線角速度)計算歐拉角(Euler angle)變化率以及姿態四元數以建構新的量測線，然後TOF測距元件接續測點取得四邊測量長度以及FOV固定夾角，在連續的動態行為中反覆施作，以一較佳實施例而言，上述TOF測距元件可以是一個掃描式多點TOF測距元件。以一較佳實施例而言，本發明的投影機系統可以與是任一形式之投影機結合，例如，雷射投影機、數位光學處理投影機、短焦投影機或其他形式的投影機。其他具有平面成像或定位之設備亦可以應用於本發明之投影機系統。針對投影機之應用上，本發明投影機系統通常設置一單一處理器，如需要較大的投影涵蓋範圍或是於超短焦投影機需要更精確微調時，可裝設複數個處理器。以一較佳實施例而言，本發明的處理器可以是電腦中央處理裝置、微處理器、邏輯運算單元(FPGA)、亦可整合於投影機內，例如內建Scalar具嵌入式微處理微運算處理單元。以一較佳實施例而言，任何合理的整合重力感測器結合TOF測距元件的投影機技術或是硬體，相關等同變更都屬於本發明所揭露的投影機系統之範疇。
圖2顯示本發明所提出的動態校正原理示意圖，其揭示本發明在處理移動曲線的變化，動態校正原理示意圖是基於本發明的投影機系統(處理器與投影機)定軸於相同的三軸法線上，使投影畫面的FOV矩形變化為相等量，因此描繪於同一成像面上表示。本發明的重點在於開始並完成第一成像定位後，投影機或裝置位移運作，經過防顫抖運算排除誤動作後，即時動態計算、測距線取樣、並補償時間差達到即時修正的效果，並於裝置穩定投射角後精確修正， 經由TOF取得周邊線與中心點絕對距離，計算在固定夾角差內之全展開、中心點至四點展開的精確角度修正，獲得投影機系統之處理器與投影面之水平與垂直夾角。相關防抖動運算將於圖3詳述。
於圖2中，投影機系統100的水平與垂直移動表示為由第一成像視場103往第二成像視場105方向偏移，圖式中顯示在固定時間於水平與垂直測得五條取樣線(211、212、213、214、215)，並分別計算歐拉角(Euler angle)變化率取得俯仰角(Pitch)以及偏航角(Yaw)方向的旋轉角度，以第一成像視角為原點，動態改變每一取樣線的水平與垂直變化。取樣線為連續時間動作，端視時間動作延伸，並無取樣線數的限制。連貫圖1與圖2所示，本發明的技術要點為先靜態後動態且無盡循環自動補足之FOV角度校正系統的呈現，其中靜態轉動態的偵測是以重力感測器(G sensor)為主，可以補足TOF測距元件進行移動測量所導致的精確度失真的不可靠性問題；動態回復靜態對實時(real time)投影面之FOV成像是以TOF測距元件測量四邊與中心線來修正水平與垂直方向的最終夾角，最終獲得去梯形化並保持投影長寬比。任何利用合理變換歐拉角(Euler angle)變化率達到水平與垂直方向夾角的累計與角度修正關係的方式，都屬於本發明所揭露的範疇。
圖3為本發明所提出的去抖動之原理示意圖，闡述於球狀侷限時間運動空間(相位空間)中，內容主要顯示的概念為利用計算重力感測之歐拉角速度，三軸運動(即X、Y、Z方向運動)在一時間段內(period of time)圍繞運動核心、感測器受外力刺激而產生位移量之變化，形成加速度與重力值的變化，進而算出俯仰角(Pitch)、偏航角(Yaw)以及滾轉角(Roll)三個運動角度(其中，於座標系中Pitch對應於θ、Yaw對應於φ、Roll對應於Φ)與強度。圖3(A)為針對三軸之運動強度以及對應坐標系進行說明，圖示中顯示了俯仰角(Pitch)、偏航角(Yaw)以及滾轉角(Roll)三個運動角度與三軸的對應關係；其中，原點表示運動核心，垂直運動歐拉角即表示俯仰方向(Pitch)角度變化率、水平運動歐拉角即表示偏航方向(Yaw)角度變化率、而側向旋轉歐拉角即表示滾轉方向(Roll)角度變化率；圓球邊界外部即表示侷限時間運動空間中無效抖動範圍，即表示圓球形邊界外部為有效運動。圖3(B)顯示針對單軸之運動強度隨時間演化之說明，以水平運動為例(偏 航方向(Yaw)角度變化率)，其中由運動核心向外擴展之虛線同心圓表示由起始時間軸線to向外以一固定時間刻度△t的位移增量△r，而△t與重力感測器設置反應時間頻率有關。圖示中的運動強度變化線310顯示水平運動於最長時間軸線截止時(相同於圖3(A)所顯示之時空邊界)，未大於最大運動強度，於運算時將累計至此的軸線歸零計數。另外，考慮正常移動具有連續性以及於三軸方向(X、Y、Z方向)各自呈現單調遞增/遞減(monotonic increasing/decreasing)之單調函數(monotonic function)特性，而抖動運動具有於三軸方向(X、Y、Z方向)各自呈現反覆之非單調函數(non-monotonic function)特性，將重力產生之影響融入計算可得到在一時間段(period of time)運動的三個方向的正負抵銷作用，由此可以更為可靠的判別抖動與運動之間的區別，防止誤動作產生。判別方試請參見圖3(C)-(D)，其中圖3(C)為針對抖動之判別，圖3(C)中繪出水平運動、側向運動以及垂直運動的運動強度變化線(分別表示為310a、311、312)，利用歐拉(Euler)防抖動-三軸融合演算法於水平運動不為零時開始計量；起始計算至第二階時側向運動不為零，加入至該時間計量；接著起始計算至第四階時垂直運動不為零，加入至該時間計量；當達到時間軸線動強度標線前，三個運動方向都開始反轉，結束此循環，融合演算歸零。圖3(D)為針對運動之判別，圖3(D)中繪出水平運動、側向運動以及垂直運動的運動強度變化線(分別表示為310b、311b、312b)，利用歐拉(Euler)防抖動-三軸融合演算法於側向運動不為零時開始計量；起始計算至第二階時水平運動不為零，加入至該時間計量；接著起始計算至第四階時垂直運動不為零，加入至該時間計量；水平運動超量穩定增加(運動強度變化線310b)，重訂垂直運動為起點，從第二階增加二階模擬階層；水平運動達穩定增加條件，此循環判讀有效。以上判別方式的描述，可以總結為利用歐拉角速度於一時間段內進行環境變換計算，經由判斷該環境變換計算的俯仰角(Pitch)、偏航角(Yaw)以及滾轉角(Roll)轉動變化量，可以預設防抖動之強度門檻於該時間段內數次演變的結果，達到防抖動的目的。此一計算方法在穩定性與可靠度方面的展現，遠較傳統上利用設置閥(threshold)於重力感測器、陀螺儀、或加速度計上所估計的偏壓值更為精確，並且不會產生因低於閥值被排除計算而導致之單筆(或數筆)數據累計的誤差。採用六軸(三軸加速度、三軸陀螺儀)以及九軸之重力感測器(九軸即原先六軸加上三軸磁力計)必具備上述鑑別抖動之效能，本發明之處理器可以明確揭露此範疇。
圖4為本發明之硬體系統功能方塊圖，主運算單元為一可程式邏輯微控制器420，其以I2C標準協定經電位轉換裝置422，並聯TOF感測器(測距元件)424以及重力感測器(G sensor)426，供電設計由低壓線性穩壓器(low dropout linear regulator,LDO)428提供感測器核心電壓(感測器為低壓驅動設計，經LDO穩壓及後級濾波，更乾淨的電源及抑制電雜訊、漣波給予感測器穩定的工作環境)。對投影機或其他應用設備的通訊，本發明採用RS232以及預留RS485兩種方式，RS232為投影機常用之內部與外部的通訊介面，便利與系統結合以及商品開發效率提升，RS485則為半雙工的差動訊號，適用於大型的劇場平台，可支持較長距離的裝設於投影機外掛裝置使用。
圖5為本發明之系統程式流程圖500，以開機自動完成重力感測器的自動校正(G sensor auto-calibration)為第一程序(步驟501)，歐拉角(Euler angle)變化率的初始化(步驟503)並開始原點偵測的前置防抖動循環偵測(步驟505→506→507)，當排除抖動條件成立，判定為有效歐拉角變化率(步驟509)，執行融合三軸角度偏移原始計算(步驟511)，並取偏移後之中心線於原點至投影機的合理迴旋半徑，換算此次偏移角度的最大與最小合理範圍(中心線取值累計時間公差於防抖動偵測之計算截止點)(步驟513)，如判定為理想的偏移角度(步驟514)，則累計三軸的偏移量至新的座標位置(步驟515)，再繼續循環防抖動偵測(步驟507)。如否，判定為超量的偏移角度，可能是機台摔落、被攜行、轉移場地架設或是其他因素影響的環境變動，則重置姿態四元數並重新檢查是否為移動中(步驟517)，在於新的定位點取得重新定位。本發明之系統緊密結合與歐拉角變化率所影響層面之操作方法來設計，任何合理的動態、靜態或環境轉換使用歐拉角變化率於投影機完成的方法，都屬於本發明所揭露的範疇。
綜上所述，本發明描述了一種與投影機結合的系統，較傳統手動方法或是座標定位方法更彰顯效率，除本發明之處理器外，無須增添其他具有定位感測之設備，校正過程不會產生任何遮蔽畫面的圖案，投影機無須裝設攝像頭，無需於使用前進行架設或因環境改變裝設任何掃描/定位裝置，可以隨放隨用，並可於靜態置放後，進行微幅或極微幅動態調整，並使調整過程之投影 畫面所顯示影像與框架均符合預定的投影範圍。
以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本發明及其效益進行詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明權利要求的範圍。
100:投影機系統
101:投影畫面
103:第一成像視場
105:第二成像視場

Claims (9)

  1. 一種用於投影機系統的自動梯形校正方法，該方法包括：設置一測距元件、一重力感測元件、以及一微處理器於該投影機系統內；利用該測距元件取得該投影機系統投影至一平面的第一靜態視場水平與垂直夾角，用於靜態定位；利用該重力感測元件，於取得該第一靜態視場水平與垂直夾角後，其水平與垂直方向的任何動態偵測與位移量估計是利用計算歐拉(Euler)角變化率以及姿態四元數以建構新的量測線，以得到實時投影畫面；以及以固定視場角度的方式利用該測距元件量測該實時投影畫面之四邊與中心線來修正水平與垂直方向的最終夾角，其中更包含執行以下步驟：開機執行重力感測器的自動校正；歐拉角變化率的初始化；前置防抖動循環偵測；執行融合三軸角度偏移原始計算，並取偏移後之中心線於原點至投影機的合理迴旋半徑；如判定為理想的偏移角度，則累計三軸的偏移量至新的座標位置。
  2. 如請求項1所述的用於投影機系統的自動梯形校正方法，其中上述之測距裝置是多點掃描式飛行時間(TOF)測距元件。
  3. 如請求項1所述的用於投影機系統的自動梯形校正方法，其中上述之重力感測元件是整合加速度計以及陀螺儀的六軸重力感測元件。
  4. 如請求項3所述的用於投影機系統的自動梯形校正方法，其中更包含磁感測元件。
  5. 如請求項1所述的用於投影機系統的自動梯形校正方法，更包含利用歐拉角速度於一時間段內進行環境變換計算，經由判斷該環境變換計算的俯仰角(Pitch)、偏航角(Yaw)以及滾轉角(Roll)轉動變化量，可以預設防抖動之強度門檻於該時間段內數次演變的結果，達到防抖動的目的。
  6. 如請求項1所述的用於投影機系統的自動梯形校正方法，其中上述之微處理器作為一主運算單元，該微處理器以I2C標準協定經由一電位轉換裝置耦接該測距元件與該重力感測元件。
  7. 如請求項6所述的用於投影機系統的自動梯形校正方法，其中上述之測距元件與該重力感測元件並聯，並且由該微控制器控制。
  8. 如請求項6所述的用於投影機系統的自動梯形校正方法，其中上述之微處理器、該測距元件與該重力感測係由一低壓線性穩壓器供電。
  9. 如請求項1所述的用於投影機系統的自動梯形校正方法，其中上述之微處理器包含電腦中央處理裝置、微處理器、邏輯運算單元(FPGA)、內建Scalar具嵌入式微處理微運算處理單元。
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