專利名稱：具有用于測量傾斜角的設備的投影儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種投影儀以及一種用于校正梯形失真的方法，其中該投影儀具有一個用于測量投影設備的投影光軸與投影表面之間的傾斜角的設備。
背景技術：
隨著固態(tài)像素顯示設備技術的快速發(fā)展，使得投影儀變得體積更小且性能更高，因此用于投影圖像的投影儀正被廣泛使用，并作為用以替代家用顯示型電視機的大型顯示裝置而變得更具有吸引力。
然而，由于投影儀不像顯示型電視機，它可將圖像投影到諸如屏幕或墻面的投影表面上，因此所顯示的圖像易于被失真的趨勢，這取決于投影儀的投影光軸和投影表面之間的相對關系。日本專利未決公開No.281597/97的說明書等公開了一種調(diào)節(jié)液晶顯示單元的角度的處理方法。該處理方法具有檢測液晶投影儀的安裝角的步驟，以及檢測該液晶投影儀與圖像要投影到的投影表面之間的距離的步驟。根據(jù)所公開的處理方法，液晶顯示單元的角度需要機械地進行調(diào)節(jié)。
還公開了一種投影儀裝置，該裝置檢測從投影透鏡到屏幕的距離，計算傾斜角，然后基于所檢測的距離自動校正失真。詳見日本專利未決公開No.355740/92，81593/2000以及122617/2000的說明書等。
然而，在檢測到屏幕的距離的這些現(xiàn)有技術系統(tǒng)或處理方法中，距離測量設備與投影儀是獨立地。沒有利用被投影的圖像。而且，如果屏幕由一個向著投影儀突出的框所環(huán)繞，或者該屏幕向遠離投影儀的方向傾斜，那么所測量的距離和實際到屏幕的距離并不總是相符合。
日本專利未決公開No.169211/2001的說明書等公開一種校正失真的處理方法，其通過從可控角度的激光指示器向彎曲的屏幕投射聚束光點來校正失真。根據(jù)所公開的處理方法，由投影儀產(chǎn)生光點圖像并將其投射到屏幕上，并且聚束光點和所投射的光點圖像由用于測量它們的位置的照相機所捕獲。移動光點圖像直到它與聚束光點重疊，然后在幀存儲器中，將光點圖像的像素坐標用聚束光點的坐標來替代，并被存儲在坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)存儲器中。盡管該處理方法對精確地獲得角度來說很出色，但它需要控制激光指示器的不同角度(位置)的裝置，并且還需要復雜的系統(tǒng)配置，這是因為必須使用激光指示器和具有二維成像元素陣列的數(shù)碼相機。
根據(jù)在市面上出售的另一種公開的投影儀，當屏幕垂直設置時，由重力傳感器來檢測容易導致失真的投影儀在垂直方向的傾斜。該失真依靠所檢測到的傾斜來校正。詳細參見日本未決專利公開No.5278/2003的說明書等。然而，如果屏幕沒有垂直設置或者屏幕相對于投影儀的投影光軸在水平面上傾斜，那么這種投影儀就不能正確地校正失真。
一旦檢測到投影儀裝置的光軸在垂直和水平方向上相對于屏幕的傾斜角，圖像就可以依靠諸如變換投影儀的幀存儲器的坐標等等的傳統(tǒng)技術，沒有失真地從投影儀投影到屏幕上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有梯形失真校正設備的投影儀，其中該設備能夠以簡單的機構(gòu)對投影表面的水平和垂直方向上相對于投影儀的投影光軸的傾斜角進行測量，以用于校正由投影儀投影到投影表面的圖像的失真。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種投影儀包括投影設備；相交線位置信息獲取設備，其用于獲取該投影設備的投影表面和與該投影表面相交的平面之間的相交線的位置信息；傾斜檢測設備，其用于基于該相交線位置信息獲取設備所獲取的位置信息，來計算該投影設備的投影光軸與該投影表面之間的傾斜角；以及圖像失真校正設備，其用于基于由該傾斜檢測設備所計算的傾斜角，校正提供給該投影設備的輸入圖像的梯形失真。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種投影儀包括投影設備；相交線位置信息獲取設備，其用于獲取該投影設備的投影表面和與該投影表面相交的平面之間的相交線的位置信息；垂直傾斜角獲取設備，其用于檢測該投影設備的投影光軸在垂直面上的傾斜角；傾斜檢測設備，其用于基于該相交線位置信息獲取設備所獲取的位置信息，來計算在水平面上投影光軸和投影表面之間的傾斜角；以及圖像失真校正設備，其用于基于由該傾斜檢測設備所計算的水平面上的傾斜角并基于由該垂直傾斜角獲取設備所計算的垂直面上的傾斜角，校正提供給該投影設備的輸入圖像的梯形失真。
根據(jù)本方面的又一方面，一種校正投影儀的梯形失真的方法，包括以下步驟獲取投影設備的投影表面和與該投影表面相交的平面之間的相交線的位置信息；基于所獲取的位置信息，計算該投影設備的投影光軸與該投影表面之間的傾斜角；以及基于所計算的傾斜角，校正提供給該投影設備的輸入圖像的梯形失真。
本發(fā)明在能以簡單機構(gòu)校正圖像的梯形失真的方面上具有優(yōu)越性，這是因為基于作為該投影表面的基本上垂直的墻面和與該墻面相交的平面之間的相交線的位置信息，能夠計算投影表面相對于該投影儀的投影光軸的水平和垂直傾斜角。
如果該投影儀還包括一個垂直傾斜傳感器，那么只需要基于該相交線的位置信息獲取水平傾斜角。在這種情況下這就足夠了，因為在圖像傳感器的成像范圍內(nèi)只出現(xiàn)前墻和天花板之間的相交線，并且該相交線非常可能出現(xiàn)。因此，本發(fā)明可應用于較寬的使用范圍，更容易對由于投影儀的水平和垂直傾斜而產(chǎn)生的梯形失真進行校正。
本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點將從參考示出本發(fā)明實施例的附圖所進行的下列描述中變得顯而易見。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的具有梯形失真校正設備的投影儀的方框圖；圖2A至圖2C分別是根據(jù)該第一實施例的具有梯形失真校正設備的投影儀的前視圖、側(cè)視圖和平面圖；圖3A和圖3B分別是水平和垂直方向上的截面圖，示出了當這樣設置投影儀以使得圖像傳感器的成像范圍包括墻壁、鄰接前墻的天花板和地板以及前墻時，所投影的圖像范圍和圖像傳感器成像范圍；圖4是示出當按照圖3A和圖3B所示設置投影儀時該圖像傳感器的成像設備所捕獲的圖像的視圖；圖5A和圖5B分別是水平和垂直截面圖，示出了當這樣設置投影儀以使得沿著在水平面上相對于前墻傾斜的投影儀的投影光軸投影圖像時，所投影的圖像范圍和圖像傳感器成像范圍；圖6是示出當按照圖5A和圖5B所示設置投影儀時該圖像傳感器的成像設備所捕獲的圖像的視圖；圖7是示出從圖4所示的所捕獲的圖像中檢測到的前墻和天花板之間的相交線的視圖；圖8A和圖8B是示出從圖6所示的所捕獲的圖像中檢測到的前墻和天花板之間的相交線的視圖；圖9A和圖9B分別是平面圖和側(cè)視圖，示出了圖5A和圖5B所示的前墻和天花板之間的實際相交線，以及由圖像傳感器的成像設備所捕獲的圖像中的相交線圖像；
圖10是示出當這樣設置投影儀以使得投影儀的機身只相對于前墻垂直傾斜時，由圖像傳感器的成像設備所捕獲的圖像的視圖；圖11A和圖11B是示出當這樣設置投影儀以使得投影儀相對于前墻在水平及垂直上傾斜時，由圖像傳感器的成像設備所捕獲的圖像的視圖；圖12A和圖12B是示出當前墻正面面對投影儀并相對于該投影儀傾斜時，投影儀和前墻之間的關系的視圖；圖13是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的具有梯形失真校正設備的投影儀的方框圖；圖14是根據(jù)該第二實施例的用于校正梯形失真的處理方法的流程圖；圖15是根據(jù)第三實施例的具有梯形失真校正設備的投影儀的方框圖；圖16A至圖16C是示出激光定位設備的配置和操作的視圖；以及圖17A和圖17B是示出為了獲取作為投影表面的前墻和天花板之間的相交線的處理方法的視圖，其中該天花板與前墻的上邊沿連在一起。
具體實施例方式
下面將參考圖1和2A至2C描述具有根據(jù)本發(fā)明第一實施例的梯形失真校正設備的投影儀。
如圖1和2A至2C所示，投影儀10具有具備投影透鏡21和顯示單元22的投影設備20、用于控制由顯示單元22產(chǎn)生的圖像的圖像控制器23、梯形失真校正設備30以及用于控制投影儀10全部操作的中央處理單元60。梯形失真校正設備30計算作為投影表面70的前墻與投影儀10之間的傾斜角，并校正輸入到梯形失真校正設備30的圖像的失真。圖像控制器23基于來自梯形失真校正設備30的輸出信號，控制顯示單元22的圖像，從而校正在投影表面70顯示的圖像的失真。根據(jù)中央處理單元60的預定處理自動地校正圖像失真。
根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，梯形失真校正設備30具有圖像傳感器50、圖像捕獲器31、傾斜檢測器32、圖像輸入單元41和圖像失真校正電路33。圖像傳感器50具有成像透鏡51和成像設備53。成像透鏡51設置于投影儀10的前表面上，并具有沿預定方向的光軸以及預定的成像范圍。成像設備53與成像透鏡51的光軸垂直設置。成像設備53檢測穿過成像透鏡51的光，并輸出由所檢測的光表示的圖像的所需位置信息。成像設備53具有覆蓋成像透鏡51的成像范圍的成像表面。成像設備53具有二維固態(tài)成像設備，例如攝像管或CCD(電荷耦合器件)，用于將圖像作為像素集合來輸出。圖像捕獲器31從成像設備53中捕獲圖像，作為圖像信息。傾斜檢測器32分析所捕獲的圖像的位置信息，并計算前墻和投影儀10之間的傾斜角。圖像失真校正電路33基于由傾斜檢測器32所計算的傾斜角，校正提供給圖像輸入單元41的圖像的梯形失真。將表示由投影設備20所投影的圖像的視頻信息提供給圖像輸入單元41，并將輸出信號提供給圖像控制器23。
根據(jù)本發(fā)明第一實施例的投影儀10利用在作為投影表面70的前墻面和與該前墻面相交的天花板或地板之間的水平相交線的位置信息，以及/或者在作為投影表面70的前墻面和與該前墻面相交的側(cè)墻面之間的垂直相交線的位置信息。具體地，基于由圖像傳感器50的成像設備53所獲得的相交線的位置信息，計算投影儀10的投影設備20的投影光軸27與投影表面70之間的水平和/或垂直傾斜角。
可通過各種處理方法來獲得相交線的位置信息。有兩種可用于成像設備53獲取圖像中的相交線的位置信息的處理方法。根據(jù)第一種處理方法，獲取相交線的位置信息，作為在所捕獲的圖像中的亮度變化線，它表示從投影儀10的前面包括投影表面70的反射表面所發(fā)射的全部反射光，其通過成像透鏡51到成像設備53。在這種處理方法中，相交線需要被包括在圖像傳感器50的成像范圍中。由于成像裝置是數(shù)碼相機，并且相交線通常被識別為亮度變化點的集合，因此可通過分析是否存在一定數(shù)量的亮度變化來獲得該位置信息。由于作為投影表面70的前墻面與成像透鏡的光軸之間所形成的夾角，以及與作為投影表面70的前墻面相交的側(cè)墻面、天花板或地板和成像透鏡的光軸之間所形成的夾角，極大地不同，所以通常檢測由成像設備53所產(chǎn)生的圖像中的相交線作為反射光的亮度中的變化。濾波或其它合適的處理方法都可用于圖像數(shù)據(jù)中，以獲取清晰的極限線。
如果投影設備20的投影范圍可充分地擴展到覆蓋天花板、地板或側(cè)墻，那么就可采用第二種處理方法。根據(jù)第二種處理方法，兩個或多個測試圖案從投影設備20投影到包括投影表面70的前表面，并獲取出現(xiàn)在反射光的所捕獲的圖像上的測試圖案的彎曲點，其中這兩個或多個測試圖案的每一個都包括垂直或水平的直線。計算在作為投影表面的平面以及與該平面相交的平面之間的相交線，作為與彎曲點相連的直線。
例如，當多個垂直的測試圖案被投影到作為投影表面70的墻面以及與該墻面相交的天花板上時，由于該墻面相對于投影光軸27傾斜，因此就在天花板和該墻面上產(chǎn)生彎曲的測試圖案的圖像。彎曲的測試圖案的圖像的反射光經(jīng)過投影儀10的成像透鏡51，并作為測試圖案的圖像提供給成像設備53的成像表面上。每個測試圖案的圖像都包括兩條直線，它們在位于天花板和墻面之間的相交線上在相交點相交。兩條相交的直線的每一組都由直線公式來確定，其中該公式采用這兩條直線的每一條上的兩個檢測點的坐標。直線之間的相交點被確定為在所確定的直線之間的相交點，并且該相交線可從根據(jù)直線公式所獲得的兩個相交點的坐標來確定。這種處理方法可應用于具有固態(tài)圖像顯示設備的投影儀中。
下面將描述根據(jù)本發(fā)明第一實施例的在投影儀的梯形失真校正設備中計算投影光軸和投影表面之間的傾斜角的處理方法。假設投影透鏡21的投影光軸27與成像透鏡51的光軸互相平行地放置。如果投影透鏡21的投影光軸27和成像透鏡51的光軸不是互相平行的，那么就可以基于已知的投影透鏡21的投影光軸27和成像透鏡51的光軸之間的關系，計算投影透鏡21的投影光軸27和投影表面70之間的傾斜角。
圖3A和圖3B分別是水平和垂直方向上的截面圖，示出了當這樣設置投影儀以使得圖像傳感器的成像范圍包括墻壁、鄰接前墻的天花板和地板以及前墻時，所投影的圖像范圍和圖像傳感器成像范圍。圖4是示出當按照圖3A和圖3B所示設置投影儀時該圖像傳感器的成像設備所捕獲的圖像的視圖。
所投影的圖像范圍71是顯示從投影透鏡21所投影的圖像的范圍，而圖像傳感器成像范圍72是由圖像傳感器50所捕獲的圖像的范圍。投影儀10通常如此設置以便將圖像投影到前墻61上，使得該圖像在水平方向上顯示在前墻61的基本中心區(qū)域上，并設計為在垂直方向上以輕微向上的角度來投影圖像。因此，所投影的圖像關于投影儀10的水平線在從前到后的方向上輕微向上。圖像傳感器50的成像范圍比投影儀10的所投影的圖像范圍寬。如果投影儀10按圖3A、圖3B和圖4來設置，那么前墻61、右側(cè)墻62、左側(cè)墻63、天花板64和地板65都包括在圖像傳感器50的成像范圍中。
投影儀通常設置在水平面的傾斜方向上，其投影光軸與前墻相傾斜。這是因為不僅在垂直方向上，而且還在水平方向上校正所投影的圖像的梯形失真的功能。圖5A和圖5B分別是水平和垂直截面圖，示出了當這樣設置投影儀以使得沿著在水平面上相對于前墻傾斜的投影儀的投影光軸投影圖像時，所投影的圖像范圍和圖像傳感器成像范圍。圖6是示出當按照圖5A和圖5B所示設置投影儀時該圖像傳感器的成像設備所捕獲的圖像的視圖。
到這里，有必要使用指出所投影的位置的調(diào)整條或指示器，手動地校正水平梯形失真。根據(jù)另一處理方法，如果屏幕設置在墻上，那么可通過檢測屏幕的框來自動地校正水平梯形失真。然而，如果圖像直接投影在墻上，那么仍需要手動調(diào)整水平梯形失真。
如果圖像是從只在水平方向上傾斜的投影儀10投影的，如圖5A和圖5B所示，那么圖像傳感器50的成像設備53捕獲如圖6所示的圖像。在圖6中，前墻61和天花板64之間以及前墻61和地板65之間的相交線，被捕獲以作為傾斜的相交線，它們與圖4所示的所捕獲的圖像不同。
梯形失真校正設備30的傾斜檢測器32根據(jù)上述的處理方法，檢測由圖像傳感器50的成像設備53產(chǎn)生并由圖像捕獲器31捕獲的圖像中的這些相交線，產(chǎn)生用于檢測圖像失真的參數(shù)，并將所產(chǎn)生的參數(shù)輸出到圖像失真校正電路33中。
下面將描述傾斜檢測器32的操作。圖7是示出從圖4所示的所捕獲的圖像中檢測到的前墻和天花板之間的相交線的視圖。圖8A和圖8B是示出從圖6所示的所捕獲的圖像中檢測到的前墻和天花板之間的相交線的視圖。圖8A示出了所捕獲的圖像，而圖8B示出了水平和垂直參考線，以確定在所捕獲的圖像中的相交線的位置信息。水平和垂直參考線作為假定線，并關于建立在所捕獲的圖像中心的原點來定義。檢測到的前墻和天花板之間的相交線以粗線來示出。
通過比較圖7、8A和8B可清晰地了解，如果投影儀10將圖像投影到前墻61，并且其機身在水平面上傾斜，那么在投影透鏡21附近設置的圖像傳感器50也在水平面上關于前墻61傾斜，結(jié)果，相交線被識別為圖像中的傾斜相交線。
如果投影儀10的機身只在水平面上關于前墻61傾斜，那么前墻61和投影儀10的機身之間的傾斜角可通過采用由圖像傳感器50所識別的位置信息，計算圖8A和8B中在所捕獲的圖像中的前墻圖像61b和天花板圖像64b之間的相交線66b的傾斜角來確定。
下面將描述識別前墻61和投影儀10的機身之間的傾斜角的處理方法。假設前墻61垂直延伸而天花板64水平延伸，前墻61和天花板64彼此垂直相交，并且通過連接前墻61和天花板64的邊緣而產(chǎn)生的相交線垂直于垂直方向地延伸。如果投影儀10只在水平面上傾斜，那么就根據(jù)上述處理方法從由圖像傳感器50所捕獲的圖像中檢測相交線66b，如圖8A所示。
如圖8B所示，分別在所捕獲的圖像的中央C的左側(cè)和右側(cè)以給定間距來設置左垂直參考線V1和右垂直參考線V2。假設相交線66b分別在相交點a0、a1與左垂直參考線V1和右垂直參考線V2相交，并且假設穿過中心C的中央垂直參考線V0在第一水平參考線H1穿過的相交點與相交線66b相交。相交點a0、a1的位置信息可由以中心C為原點的二維坐標系統(tǒng)中的坐標x，y來表示。在圖8B中，在相交點a0、a1之間的相交線66b的部分以粗線來示出。
如果投影儀10的投影光軸27只在水平面上關于前墻61傾斜，那么由圖像傳感器50的成像設備53捕獲前墻的圖像61b和右側(cè)墻的圖像62b之間的相交線67b，作為圖像中的垂直線。然而在相交線66b的相交點a0、a1之間的線段沒有在圖像傳感器50所捕獲的圖像中水平延伸，盡管前墻61和天花板64之間的實際相交線是水平延伸的。
圖9A和圖9B分別是平面圖和側(cè)視圖，示出了圖5A和圖5B所示的前墻和天花板之間的實際相交線，以及由圖像傳感器的成像設備所捕獲的圖像中的相交線圖像。圖9A和圖9B中的虛線表示用于解釋圖像傳感器50的成像設備53的成像表面的假想平面V。假想平面V垂直于光軸55延伸，其中該光軸55經(jīng)過成像設備53的成像表面的中心C以及成像透鏡51的中心52。假想平面V在與假想平面V平行地延伸的成像設備53的成像表面上以縮小的比例顯示。
如果假想平面V經(jīng)過圖9A和圖9B的相交點a0，那么相交線66b與左垂直參考線V1和右垂直參考線V2的兩個相交點a0、a1，在假想平面V上被捕獲為a0和a1’。現(xiàn)在假設(1)相交點a1和假想平面V之間的距離用L來表示，(2)假想平面V和成像透鏡中心52之間的平行于光軸55的距離用L0來表示，(3)在水平面上與光軸55垂直的方向上的相交點a1、a1’之間的距離用WC來表示，(4)假想平面V上的相交點a0、a1’之間的水平距離用WT來表示，(5)在水平面上，光軸55和連接成像透鏡中心52與相交點a1的直線之間所形成的夾角用β來表示，(6)在水平面上，光軸55和圖像傳感器成像范圍72的極限線之間所形成的夾角用β0來表示，(7)在相交線66b和假想平面V之間所形成的夾角用φ來表示，(8)在包括光軸55的水平面與相交點a0之間的垂直距離用Ha0來表示，(9)在包括光軸55的水平面與相交點a1’之間的垂直距離用Ha1來表示，(10)在包括光軸55的水平面與一個相交點之間的垂直距離用H0來表示，其中該相交點是圖像傳感器成像范圍72的極限線和假想平面V之間的相交點，(11)在垂直面上，光軸55和連接成像透鏡中心52與相交點a1的直線之間所形成的夾角用θ來表示，以及(12)在光軸55和圖像傳感器成像范圍72的極限線之間所形成的夾角用θ0來表示。
水平地設置實際相交點a0、a1。然而，由于傳感器50具有三維放射狀的范圍72，因此當如圖9B所示在橫向上觀察相交線66b的線段a0-a1時，捕獲相交點a1，好像它以角度θ旋轉(zhuǎn)到達圖像傳感器50的成像范圍的整個角度(θ0×2)。換句話說，因為由圖像傳感器50所捕獲的二維圖像作為投射到圖9B所示的假想平面V上的點的集合，所以捕獲相交點a1，好像它被投射到假想平面V上的點a1’。
相交點a1和假想平面V之間的距離L由下列公式來確定tanθ0＝H0/L0，L0＝H0/tanθ0tanθ＝Ha1/L0，L0＝Ha1/tanθH0/tanθ0＝Ha1/tanθ，tanθ＝tanθ0×Ha1/H0由于tanθ0是已知的，并且Ha1、H0可從由成像設備53所產(chǎn)生的圖像中確定，所以tanθ并由此θ也可以計算得出。然后距離L可通過下列用于三角的a0、a1、a1’的公式來確定L＝(Ha0-Ha1)/tanθ參考圖9A，相交線66b的線段a0-a1傾斜于假想平面V。如上參考圖9B所描述的，由于圖像傳感器50所捕獲的圖像具有三維放射狀范圍72，因此實際點a1作為假想平面V上的點a1’被捕獲，如圖9A所示。前墻61與垂直于圖像傳感器50的光軸55的平面之間的將在最后確定的傾斜角φ，可由下列公式來確定。首先，tanβ可由下列公式來確定，這是因為圖像傳感器成像范圍72的夾角β0是已知的，并且WT和W0是從成像設備53所捕獲的圖像中確定的，如圖8A和8B所示tanβ0＝W0/2L0，L0＝W0/2tanβ0tanβ＝WT/2L0，L0＝WT/2tanβW0/2tanβ0＝WT/2tanβ，tanβ＝tanβ0×WT/W0接著，傾斜角φ可由下列公式來確定，這是因為WC和WT是從成像設備53所捕獲的圖像中確定的L＝WC/tanβφ＝tan-1{L/(WC+WT)}因為上述計算包括三角函數(shù)，而這些三角函數(shù)會對包含在投影儀中的中央處理單元60帶來很重的負荷，因此可通過訪問預先準備的并表示光軸27與投影表面70之間的水平傾斜角和從位置信息中所獲得的變量之間的關系的表，來確定水平傾斜角。可選地，上述計算可由高性能CPU來處理。由于tanθ/tanθ0約等于θ/θ0，因此可通過下列近似來確定距離L而沒有顯著誤差θ＝θ0×Ha1/H0根據(jù)用于減少要由中央處理單元60執(zhí)行的計算量的另一種處理方法，上述三角關系值可以作為數(shù)據(jù)表存儲在存儲器中，并且該存儲的數(shù)據(jù)可以從存儲器中讀出?？蛇x地，表可存儲在存儲器中并可從中將其讀出，其表示由圖像傳感器上的諸如(xa0，ya0)，(xa1，ya1)的(x，y)坐標所表示的點a0、a1之間的關系以及角度數(shù)據(jù)。點a0、a1之間的關系和最終圖像轉(zhuǎn)換所需的任何其它的數(shù)據(jù)也可以存儲在存儲器中。這種處理方法可大大減少要由中央處理單元60執(zhí)行的計算量。
圖像傳感器的透鏡通常具有失真。通常必須考慮到這種透鏡的失真以便精確地計算位置信息，在本實施例中亦如此。在這種情況下，由圖像傳感器獲得的點的位置信息可被表示為位置信息(x0，y0)，并且位置信息(x0，y0)通過參考失真校正表，可在上述計算之前被轉(zhuǎn)換為位置信息(x0’，y0’)。以這種方式，就能考慮到透鏡的失真來校正圖像傳感器的透鏡的梯形失真，并且不必在單獨的處理中校正該失真。
圖像失真校正電路33通過使用上述處理方法所識別的傾斜角，按照一種已知的處理方式，為校正圖像的梯形失真而產(chǎn)生校正參數(shù)。這些參數(shù)被應用到輸入圖像中，并且可自動地校正其梯形失真。
如果投影儀10的機身只相對于前墻61垂直傾斜，那么圖像傳感器50如圖10所示捕獲圖像。圖10是示出當這樣設置投影儀以使得投影儀的機身只相對于前墻垂直傾斜時，由圖像傳感器的成像設備所捕獲的圖像的視圖。在這種情況下，如同投影儀只在水平面上相對于前墻傾斜的情況，前墻的圖像61c與右側(cè)墻的圖像62c之間的相交線67c的傾斜角可以按與上述方法相同的方式來計算。然后計算投影儀10的機身在垂直方向上相對于前墻61的傾斜角，這使得投影儀10可自動地校正所投影的圖像的梯形失真。
下面將描述當投影儀10的機身相對于前墻61在水平和垂直方向上皆傾斜時用于計算傾斜角的處理方法。在這種情況下，圖11A和圖11B所示的圖像由圖像傳感器來捕獲。圖11A和圖11B是示出當這樣設置投影儀以使得投影儀相對于前墻水平地及垂直地傾斜時，由圖像傳感器的成像設備所捕獲的圖像的視圖。圖11A示出了所捕獲的圖像，而圖11B示出了高亮的相交線。相交線66d和相交線67d在相交點e0處連接。相交線66d在圖像中有左端點e1。相交線67d和成像范圍的極限線在相交點e2互相相交。中央垂直參考線V0和中央水平參考線H0經(jīng)過作為原點的圖像中心C。右垂直參考線V3和第二水平參考線H2經(jīng)過相交點e0。在這種處理方法中，首先提取前墻的圖像61d和天花板的圖像64d之間的相交線66d，以及前墻的圖像61d和右側(cè)墻的圖像62d之間的相交線67d。然后計算相交點e0、端點e1和相交點e2的x，y和z坐標。
線段e0-e1、e0-e2可明確地以相交點e0的坐標(x，y，z)、在線段e0-e1與水平線之間所形成的夾角φh、在線段e0-e2與垂直線之間所形成的夾角φv以及在這些線段之間所形成的夾角φc來表示。
圖12A和圖12B是示出當前墻正面面對投影儀并相對于該投影儀傾斜時，投影儀和前墻之間的關系的視圖。在這些圖中，假設該投影儀是固定的，并且假設前墻關于該固定的投影儀旋轉(zhuǎn)。圖12B是示出線段S的平面圖，其中該線段S表示在圖像傳感器的成像范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)的垂直墻壁。線段S關于樞軸點Cr0旋轉(zhuǎn)，即當從圖像傳感器50看時在前后方向中移動。隨著線段S關于樞軸點Cr0旋轉(zhuǎn)，位于線段S終端的參考點d0也向著點d1或點d2移動。
可以在由圖像傳感器所捕獲的圖像中的夾角ψ所表示的范圍內(nèi)檢測參考點d0的移動。夾角ψ是由點d2和點d1所定義的，其中點d2位于從圖像傳感器50看去參考點d0與樞軸點Cr0重合的位置(這種情況通常不會出現(xiàn)，因為這意味著墻旋轉(zhuǎn)到被認為是與圖像傳感器50重合的角位置)，并且點d1位于從圖像傳感器50繪制出的假想線與線段S形成的直角的位置(墻的右側(cè)被認為是當從圖像傳感器50看時指向圖像傳感器50)。無論如何，相應于相交線圖像的參考點以假想平面V的旋轉(zhuǎn)角進行移動。如果投影儀10相對于前墻的傾斜角是0度，那么相交線如圖4A和圖4B所示是水平或垂直的。這樣，可通過關于x軸和y軸旋轉(zhuǎn)假想平面V以轉(zhuǎn)換相交點e0、e1、e2的坐標，并通過找到線段e0-e1和線段e0-e2分別為水平和垂直時的旋轉(zhuǎn)角，來確定投影儀10相對于前墻的傾斜角。
可選擇地，前墻的傾斜可通過在圖像傳感器50所捕獲的如圖11B所示的圖像中識別e0(x，y，z)、φh、φv、φc來計算。由于圖像傳感器的旋轉(zhuǎn)角可與這些參數(shù)一起識別，因此也可以檢測投影儀10的機身相對于垂直方向上的傾斜角。梯形失真校正設備30的傾斜檢測器32基于檢測到的投影儀10的機身相對于墻面的傾斜角，計算投影表面的參數(shù)，例如其位置和形狀。將所計算的參數(shù)應用到圖像失真校正電路33，投影設備20自動地向墻面投影適當形狀的圖像，即無失真圖像。
通常，最好應該這樣安裝投影儀以使所投影的圖像不是顯示在天花板或側(cè)墻上，而是只顯示在前墻上。由于相交線的位置信息是從所檢測的傾斜角中獲得的，因此可以只將所投影的圖像投影在前墻上。
在上述實施例中，通過使用前墻與連接到該前墻的表面之間的相交線，來獲取投影儀和前墻之間的傾斜角。然而，還可以通過使用前墻和與該前墻接觸的例如水平課桌之間的接觸線來獲取該角度。
下面將描述根據(jù)本發(fā)明第二實施例的在投影儀的梯形失真校正設備中計算投影光軸和投影表面之間的傾斜角的處理方法。圖13是具有根據(jù)本發(fā)明第二實施例的梯形失真校正設備的投影儀的方框圖。梯形失真校正設備30具有采用傳統(tǒng)加速度檢測器的傾斜傳感器(G傳感器)，其中例如用于在安裝機器時對其定中心。傾斜傳感器是垂直傾斜傳感器54，用于精確地測量相對于重力方向上的傾斜角，并用于將所測量的傾斜角作為數(shù)值數(shù)據(jù)輸出。根據(jù)該第二實施例的投影儀的其它細節(jié)與根據(jù)第一實施例的投影儀相同，與第一實施例相同的部分將由相同的附圖標記來表示，并且在下面不再詳細描述。
根據(jù)第一實施例，圖像的梯形失真只基于從圖像傳感器50捕獲的圖像中所獲得的信息來校正。為了獲取投影儀10在水平和垂直方向上相對于前墻61的傾斜角，就必須使諸如前墻61和天花板64之間的相交線66的水平相交線以及諸如前墻61和右側(cè)墻62之間的相交線67的垂直相交線被包含在圖像傳感器成像范圍中。由于通常將圖像投影到墻的上區(qū)域中，因此前墻61和天花板64之間的相交線66通常包括在圖像傳感器成像范圍72中。然而，因為通常圖像向著墻的中上區(qū)域投影，所以前墻61和側(cè)墻62、63之間的相交線67通常被排除在圖像傳感器成像范圍72之外。
如果只基于前墻61和天花板64之間的相交線66來校正圖像失真，那么投影儀10的機身就需要水平放置，這是因為不能關于垂直傾斜來校正圖像失真。因此，如果存在著垂直傾斜，那么也不能正確地校正圖像失真。
根據(jù)第二實施例，垂直方向上的傾斜角由垂直傾斜傳感器54來檢測，并被輸入到傾斜檢測器32中。圖像捕獲器31從成像設備53中捕獲圖像，并將前墻61和天花板64之間的相交線66的位置信息提供給傾斜檢測器32。傾斜檢測器32基于該位置信息計算在水平方向上的傾斜角。傾斜檢測器32將所計算的在水平方向上的傾斜角，以及由垂直傾斜傳感器54所檢測的在垂直方向上的傾斜角，輸出到圖像失真校正電路33。圖像失真校正電路33產(chǎn)生LSI控制參數(shù)，校正從圖像輸入單元41輸入的圖像的垂直和水平方向上的梯形失真，并將校正的圖像數(shù)據(jù)輸出到圖像控制器23。
在所描述的實施例中，垂直傾斜傳感器54是加速度傳感器或利用重力的重力傳感器。然而，垂直傾斜傳感器54可以是用于檢測投影儀10的機身的傾斜機構(gòu)的傾斜角的設備。
下面將參考圖14描述根據(jù)第二實施例的校正梯形失真的處理方法。這種處理方法包括以下步驟基于在圖像傳感器成像范圍中的墻面和天花板之間的相交線的位置信息來識別水平方向上的傾斜角，從垂直傾斜傳感器中獲取垂直方向上的傾斜角，以及校正投影中顯示單元上的輸出圖像。首先，在步驟S1中，從圖像傳感器50的成像設備53中獲取圖像信息。然后，傾斜檢測器32在步驟S2從該圖像信息中獲取前墻圖像61b和天花板圖像64b之間的相交線66b，在步驟S3中獲取圖像中的左參考線和右參考線V1、V2與相交線66b的相交點a0、a1。然后傾斜檢測器32在步驟S4中為相交點a0、a1指定坐標。其后，傾斜檢測器32在步驟S5中，基于垂直方向上兩個相交點之間的距離、在光軸55和圖像傳感器成像范圍的極限線之間的垂直方向上的距離以及圖像傳感器成像范圍的垂直夾角θ0，來計算在平行于光軸的方向上兩個相交點之間的距離。接著，傾斜檢測器32在步驟S6中，基于平行于光軸的方向上的兩個相交點之間的距離、在水平方向上兩個相交點之間的距離以及圖像傳感器成像范圍的水平夾角β0，來計算投影儀的水平方向上的傾斜角，在步驟S7中從垂直傾斜傳感器54中獲取投影儀的垂直方向上的傾斜角，并將所獲取和所計算的角度數(shù)據(jù)輸出給圖像失真校正電路33。圖像失真校正電路33在步驟S8中產(chǎn)生LSI控制參數(shù)，并在步驟S9中控制投影儀圖像處理LSI電路。然后校正輸入圖像24，并顯示單元22在步驟S25中產(chǎn)生輸出圖像25。當輸出圖像25投影到投影表面70上時，與輸入圖像24相似的圖像就顯示在投影表面70上。
下面將描述用于計算在根據(jù)本發(fā)明第三實施例的投影儀的梯形失真校正設備中的投影光軸和投影表面之間的傾斜角的處理方法。圖15是具有根據(jù)本發(fā)明第三實施例的梯形失真校正設備的投影儀的方框圖。
在第一和第二實施例中，圖像傳感器50和圖像捕獲器31獲取作為投影表面的平面和與該平面相交的另一平面之間的相交線的位置信息。根據(jù)第三實施例，激光定位設備150和位置獲取器131用于獲取相交線的位置信息。激光定位設備150通過激光指示器151將激光束指到所需位置，其中該激光指示器151能夠在包括由投影儀投影的圖像的預定范圍內(nèi)投射激光束。當在作為投影表面的平面和另一平面之間的相交線上的所需位置上選擇兩個或多個點時，位置獲取器131在假定圖像上獲取該相交線的位置信息，并將所獲取的位置信息輸出到傾斜檢測器32。按照與第一和第二實施例相同的方式，傾斜檢測器32處理所提供的位置信息，以計算投影設備20的投影光軸27與投影表面70之間的傾斜角。
根據(jù)第三實施例的投影儀與第一實施例的投影儀在配置和操作上都是相同的，只是第三實施例具有激光定位設備150和位置獲取器131，代替了圖像傳感器50和圖像捕獲器31。與第一實施例相同的部分將采用相同的附圖標記來表示，下面將不再詳細說明。
可采用各種有效的處理方法通過激光定位設備150來獲取相交線的位置信息。下面將以實例來描述一種典型的處理方法。在這種處理方法中，采用一種能夠控制激光方向并通過輸入的信號來確定假定圖像中的激光束位置的激光定位設備，其中是在激光束與相交線重合時輸入該信號。
圖16A至圖16C是示出激光定位設備的配置和操作的視圖。圖16A示出了激光指示器的操作方式。圖16B示出了限制激光指示器的移動的方式。圖16C示出了激光定位設備的安裝方式。激光定位設備150具有激光指示器151，該激光指示器151可在垂直和水平方向上關于樞軸點152移動，如圖16A所示。激光指示器151具有管狀部件，其穿過具有H型孔的板154，如圖16B所示。因此，在沿著H型孔的方向上從激光指示器151投射激光束。樞軸點152與用于測量水平和垂直方向上的位移(角)的位移獲取器(未示出)組合。激光指示器151是手動移動的。激光定位設備150安裝在投影儀10的投影透鏡21附近，如圖16C所示。
圖17A和圖17B是示出為了獲得作為投影表面的前墻和天花板之間的相交線的處理方法的視圖，其中該天花板與前墻的上邊沿連在一起。圖17A示出了房間的垂直截面圖，圖17B示出了在位置獲取器中獲取的假定圖像中的兩點a0、a1的情形。激光指示器151垂直及水平地移動，如圖17A所示，以在墻之間的相交線上指示激光束。當激光束指向該相交線時，按下激光定位設備150上的按鈕以便識別該位置，激光定位設備150將激光束的位置作為位置信息輸出到位置獲取器131的假定圖像中。當以這種方式獲取在位置獲取器131中的假定圖像中兩點a0、a1時，如圖17B所示，通過根據(jù)參考圖8A、8B和9A、9B所描述的第一實施例的處理方法，就能獲得投影儀10的投影光軸27相對于投影表面70的傾斜角。
盡管已經(jīng)使用專有術語對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了描述，但這種描述只是用于說明性的，可以理解能夠不偏離權利要求的精神或范圍作出改變和修改。
權利要求
1.一種投影儀，包括投影設備；相交線位置信息獲取設備，其用于獲取投影表面和與該投影表面相交的平面之間的相交線的位置信息；傾斜檢測設備，其用于基于該相交線位置信息獲取設備所獲取的位置信息，來計算該投影設備的投影光軸與該投影表面之間的傾斜角；以及圖像失真校正設備，其用于基于由該傾斜檢測設備所計算的傾斜角，來校正提供給該投影設備的輸入圖像的梯形失真。
2.根據(jù)權利要求1的投影儀，其中該相交線位置信息獲取設備具有圖像傳感器，其具有成像透鏡和成像設備，用于捕獲包括由該投影設備所投影的圖像的預定的成像范圍，以及其中該傾斜檢測設備基于該相交線和在成像范圍中建立的參考線之間的相交點的位置信息，從由成像設備所捕獲的圖像中檢測該相交線，并計算傾斜角。
3.根據(jù)權利要求1的投影儀，其中該傾斜檢測器被配置為基于位置信息來計算水平面上的傾斜角，其中該位置信息是通過將投影設備前面的前墻用作投影表面，并將與該前墻相交且水平延伸的天花板或地板用作與該投影表面相交的平面來獲得的。
4.根據(jù)權利要求1的投影儀，其中該傾斜檢測器被配置為基于位置信息來計算垂直面上的傾斜角，其中該位置信息是通過將投影設備前面的前墻用作投影表面，并將與該前墻相交且垂直延伸的墻用作與該投影表面相交的平面來獲得的。
5.根據(jù)權利要求1的投影儀，其中傾斜檢測器被配置為基于位置信息來計算水平和垂直平面上的傾斜角，其中該位置信息是通過將投影設備前面的前墻用作投影表面，并將與該前墻相交且水平延伸的天花板或地板，以及與該前墻相交且垂直延伸的墻用作與該投影表面相交的平面來獲得的。
6.根據(jù)權利要求2的投影儀，其中該傾斜檢測設備通過使用兩個相交點之間的垂直距離、圖像傳感器的光軸和該圖像傳感器的成像范圍的極限線之間的垂直距離，以及該成像范圍的垂直夾角，來計算在平行于投影光軸的方向上的兩個相交點之間的距離；以及通過使用平行于投影光軸的方向上的兩個相交點之間的距離、該兩個相交點之間的水平距離，以及該成像范圍的水平夾角，來計算水平面上的傾斜角。
7.根據(jù)權利要求2的投影儀，其中該傾斜檢測設備具有包含表示以下關系的數(shù)據(jù)的表(a)兩個相交點之間的垂直距離，與水平面上的傾斜角之間的關系；(b)圖像傳感器的光軸和該圖像傳感器的成像范圍的極限線之間的垂直距離，與水平面上的傾斜角之間的關系；(c)成像范圍的垂直夾角、兩個相交點之間的水平距離，與水平面上的傾斜角之間的關系；(d)成像范圍的水平夾角，水平面上的傾斜角，與水平面上的傾斜角之間的關系；以及基于該表計算水平面上的傾斜角。
8.根據(jù)權利要求2的投影儀，其中傾斜檢測設備通過檢測所捕獲的圖像中的位置來檢測該相交線，其中該位置是應用到成像設備的反射光的亮度發(fā)生改變的位置。
9.根據(jù)權利要求2的投影儀，其中投影設備投影至少兩個垂直或水平的直線測試圖案，并且傾斜檢測設備從測試圖案應用到成像設備的反射光的所捕獲的圖像中獲取彎曲點，并計算連接彎曲點的直線，從而檢測該相交線。
10.根據(jù)權利要求1的投影儀，其中該相交線位置信息獲取設備具有激光定位設備和位置獲取器，其中該激光定位設備用于在包括由投影設備所投影的圖像的預定范圍內(nèi)投射激光束，而該位置獲取器用于獲取假定圖像中的所投影的位置的位置信息；以及傾斜檢測設備通過使用假定圖像中的位置信息來檢測該相交線，并基于該相交線與在假定圖像中建立的預定參考線的相交點的位置信息，來計算傾斜角。
11.一種投影儀，包括投影設備；相交線位置信息獲取設備，其用于獲取投影表面和與該投影表面相交的平面之間的相交線的位置信息；垂直傾斜角獲取設備，其用于在垂直面上檢測該投影設備的投影光軸的傾斜角；傾斜檢測設備，其用于基于該相交線位置信息獲取設備所獲取的位置信息，來計算在水平面上投影光軸和投影表面之間的傾斜角；以及圖像失真校正設備，其用于基于由該傾斜檢測設備所計算的水平面上的傾斜角并基于由該垂直傾斜角獲取設備所檢測的垂直面上的傾斜角，來校正提供給該投影設備的輸入圖像的梯形失真。
12.根據(jù)權利要求11的投影儀，其中該相交線位置信息獲取設備具有圖像傳感器，其用于捕獲包括由該投影設備所投影的圖像的預定的成像范圍；該垂直傾斜角獲取設備具有垂直傾斜傳感器，用于在垂直面上檢測該投影光軸的傾斜角；以及該傾斜檢測設備具有傾斜檢測器，用于通過使用由該成像設備所捕獲的圖像，檢測在該投影設備前面的前墻和與該前墻相交且水平延伸的天花板或地板之間的相交線，基于該相交線與在成像范圍中建立的參考線的相交點的位置信息來計算水平面上的傾斜角，以及從該垂直傾斜傳感器中獲取垂直面上的傾斜角。
13.根據(jù)權利要求12的投影儀，其中該傾斜檢測設備通過使用兩個相交點之間的垂直距離、圖像傳感器的光軸和該圖像傳感器的成像范圍的極限線之間的垂直距離，以及使用該成像范圍的垂直夾角，來計算在平行于投影光軸的方向上的兩個相交點之間的距離；以及通過使用平行于投影光軸的方向上的兩個相交點之間的距離、該兩個相交點之間的水平距離，以及該成像范圍的水平夾角，來計算水平面上的傾斜角。
14.根據(jù)權利要求12的投影儀，其中該傾斜檢測設備具有包含表示以下關系的數(shù)據(jù)的表(a)兩個相交點之間的垂直距離，與水平面上的傾斜角之間的關系；(b)圖像傳感器的光軸和該圖像傳感器的成像范圍的極限線之間的垂直距離，與水平面上的傾斜角之間的關系；(c)成像范圍的垂直夾角，兩個相交點之間的水平距離，與水平面上的傾斜角之間的關系；(d)成像范圍的水平夾角，水平面上的傾斜角，與水平面上的傾斜角之間的關系；以及基于該表計算水平面上的傾斜角。
15.根據(jù)權利要求12的投影儀，其中該傾斜檢測設備通過檢測在所捕獲的圖像中的位置來檢測該相交線，其中該位置是應用到成像設備的反射光的亮度發(fā)生改變的位置。
16.根據(jù)權利要求12的投影儀，其中投影設備投影至少兩個垂直或水平的直線測試圖案，并且傾斜檢測設備從測試圖案應用到成像設備的反射光的所捕獲的圖像中獲取彎曲點，并計算連接彎曲點的直線，從而檢測該相交線。
17.一種校正投影儀的梯形失真的方法，包括以下步驟獲取投影表面和與該投影表面相交的平面之間的相交線的位置信息；基于所獲得的位置信息，計算該投影設備的投影光軸與該投影表面之間的傾斜角；以及基于所計算的傾斜角，校正提供給該投影設備的輸入圖像的梯形失真。
18.一種校正投影儀的梯形失真的方法，包括以下步驟獲取投影表面和與該投影表面相交的平面之間的相交線的位置信息；基于所獲得的位置信息，計算該投影設備的投影光軸與該投影表面之間在水平面上的傾斜角；以及基于重力加速度，計算垂直面上的投影光軸的傾斜角；以及基于所計算的在水平面和垂直面上的傾斜角，校正提供給該投影設備的輸入圖像的梯形失真。
全文摘要
一種投影儀包括投影設備；相交線位置信息獲取設備，其用于獲取該投影設備的投影表面和與該投影表面相交的平面之間的相交線的位置信息；傾斜檢測設備，其用于基于該相交線位置信息獲取設備所獲取的位置信息，計算該投影設備的投影光軸與該投影表面之間的傾斜角；以及圖像失真校正設備，其用于基于由該傾斜檢測設備所計算的傾斜角，校正提供給該投影設備的輸入圖像的梯形失真。
文檔編號G01B11/26GK1704837SQ20051007473
公開日2005年12月7日 申請日期2005年5月31日 優(yōu)先權日2004年5月31日
發(fā)明者望月和雄 申請人:日本電氣視象技術株式會社