多投影无缝高清大屏显示技术研究

多投影无缝高清大屏显示技术研究

汪理 汪婷 周英

广东技术师范大学天河学院 电气与电子工程学院 广东广州 510540

摘要:。目前，普教中信息化教学的媒体仍然以幻灯、投影为主。这是因为其教学设备简单，利于普及。教师可以利用幻灯、投影图片进行问答，引导学生在己有经验和知识的基础上积极思考，从而获得新知识。传统的幻灯、投影是用一台投影机把所要显示的内容投射到屏幕上，受限于投影机本身显示分辨率不是很高，虽然可以通过调整投影机的到屏幕的摆放距离来显示较大的投影画面，但相应的投影亮度将会大打折扣，一台投影机投射出的画面也是相当有限的，这也决定了它所显示的内容将相当有限。特别地，在一些大教室或大会议室等需要投影显示的地方，这种缺陷就更加明显。基于这样的现实，综合考量后，本项目提出多投影无缝高清大屏显示技术研究，通过采用融合技术实现多台投影机的无缝拼接以构建一个分辨率更大，显示内容更加丰富的大屏显示系统。对提高校园投影教学质量、激发学生的学习积极性以及创造性有重要的理论和现实意义

1、影像拼接系统的发展现状

当前的大屏显示技术主要有LCD液晶拼接屏、PDP等离子拼接屏、DLP背投拼接屏、小间距LED屏、边缘融合投影屏等。其中LCD拼接具有厚度薄、重量轻、低能耗、长寿命、无辐射和成本低廉等优点，但LCD拼接屏幕表面镜面化厉害，容易造成反光，且为有缝拼接；PDP等离子拼接屏颜色鲜亮、高亮度的特性使得其画面显示效果具有突出的优势，但拼接屏有缝且成本高，主要适用于画面质量要求较高一些展览展示活动和政府机关；DLP背投拼接屏投影像素是扩散光，没有眩光、画面柔和，适合长时间观看，并可以进行屏幕色彩的校正，保持画面一致，但色彩的饱和度不够，亮度偏低；本项目拟采用边缘融合投影屏，其投影像素是反射扩散光，没有眩光、画面柔和，适合长时间观看，并可以进行屏幕色彩的快速校正，保持画面色彩一致。当前边缘融合投影屏要解决的关键技术主要是几何校正和颜色校正。

在市面的产品中，几何校正主要采用人工校正的方式完成。在颜色校正中，对重叠区域的亮度校正主要是选取适当的融合函数，对相邻投影图像的重叠区域内像素亮度进行渐入渐出的衰减，使得图像的颜色在重叠区域可以平滑过渡。

在国内，关于颜色校正的研究也有很多。主要是集中在亮度融合方面，贾庆轩[15]等人根据投影图像亮度响应差异，采用直接逼近、二次曲线衰减以及μ比例修正算法，实现了多投影显示系统的亮度匹配和边缘融合。

2、研究内容

本课题主要致力于多投影无缝高清显示的三大关键技术研究，包括几何校正、颜色校正及投影显示（实时显示，不卡顿）

2.1 几何校正研究

鉴于可能出现的每台投影机由于品牌不同、摆放位置与角度不一致等因素导致的投影大小和投影形状偏差，有必要对每台投影机的投影输出画面进行几何校正预处理，以保证所有的投影机都能输出同样大小和同样形状的画面。

2.2 颜色校正研究

有别于传统的有缝拼接，本项拟实现无缝拼接。无缝拼接的前提是投影机与投影机投影画面之间要有重叠的部分，而投影重叠部分因为亮度叠加必然会导致的画面过亮，颜色校正主要解决此问题。

2.3 投影显示研究

本课题最后需要解决的是投影显示问题。几何校正及颜色校正完成之后，如何加载几何校正与颜色校正的结果参数、如何高效采集主屏画面并将其分割各台投影机投影显示是该阶段需要解决的问题。主要实现实时显示不卡顿。

3、研究方法

几何校正：采用基于数码相机反馈的自动校正+手动校正方法。涉及相机位置确定、校正图案的选择、特征提取、变换矩阵的计算。

颜色校正：仍然采用采用基于数码相机反馈的自动校正+手动校正方法。涉及颜色失真分析，非重叠部分的颜色校正及重叠面的颜色校正。

大屏显示：拟采用GPU硬件加速技术，达到显示画面无卡顿。

4、项目研究实施路线

几何校正：几何校正具体实施分为6个步骤，具体如下：（1）相机拍摄位置确定。（2）校正图案绘制及样本采集。（3）特征点提取：通过滤波、二值化、边缘检测等图像处理方法，获得投影幕上的特征点，根据具体的校正图案及应用环境，涉及特征提取算法的研究。（4）投影变换矩阵计算。（5）预扭曲矩阵计算及应用。（6）手动校正。

颜色校正：颜色校正分为非重叠区域的校正和重叠区域的校正。

非重叠区域的颜色失调主要由投影仪本身输出图像的时间变化特性和空间变化特性导致。因投影仪输出图像亮度有上限值，所以考虑以最暗的投影仪输出图像颜色特征为基准，对其他投影仪进行校正。基于投影机R、G、B三原色成像原理，需要分别对投影机R、G、B三通道进行校正，考虑到每个通道都包含256级色阶，所以在本项目中将对每个通道的分别采集m个样本，每个样本包含n个色阶。其中第一个样本的色阶为（0,16,2n，.....）,第二个样本的色阶为（1,17,2n+1,.....）以此类推。每个样本可以获得n个色阶的亮度值，最终得到R、G、B三通道所有色阶的亮度值表。取所有亮度表中最低阶颜色值的最大亮度值作为整体投影亮度的最小值，取所有亮度表中最高阶颜色值的最小亮度值作为整体投影亮度的最大值，其他中间值采用等分的方法求取，建立整体投影机R、G、B三通道最终显示的亮度表。后期主要工作为如何快速准确的得出m个样本的校正参数。

重叠区域即多投影机投影重合的区域，以两投影机重叠面为例，假设1图像亮度为I₁(x),2图像亮度为I₂(x)，则重合区域的亮度为I₁(x)+I₂(x)，表现为偏亮；若能找出函数ɑ(x)对图像进行边缘亮度融合，则有：I(X)= ɑI₁(X)+(1-ɑ)I₂(X)。其中ɑ(x)可为常数0.5、线性函数、余弦函数、指数函数等。由于图像颜色与电压信号为线性关系，而光强度与电压信号为非线性，所以一般还要进行Gamma校正。

后期主要目标是找出合适的融合参数，达到消除重叠区域偏亮的问题，实验方法与非重叠区域类似。

五、投影显示模块。

在完成几何校正与颜色校正的前提下，投影显示模块需要实现对主屏幕信息的截取，并根据投影机的数量以及融合带的大小将其等分。然后结合几何校正与颜色校正参数，最终完成整个系统的投影显示功能。

参考文献

[1]浅谈边缘融合技术[J]. 杜宪瑞. 中国新通信. 2017(08)

[2]大屏幕边缘融合投影系统原理及工程应用[J]. 易学军. 智能建筑与城市信息. 2011(08)

[3] 多投影仪显示系统异形重叠区域的边缘融合方法[J]. 张军,王邦平,李晓峰. 四川大学学报(工程科学版). 2010(01)

[4]多投影仪自由立体显示的GPU几何及亮度校正技术[J]. 周艳霞,秦开怀,罗建利.  计算机辅助设计与图形学学报. 2011(04)

5]多投影显示墙的全局颜色校正[J]. 王修晖,华炜,鲍虎军.  计算机辅助设计与图形学学报. 2007(01)