基于IMU和TOF的快速梯形调整方法、设备及其介质与流程

本发明涉及图像处理，特别涉及基于imu和tof的快速梯形调整方法、设备及其介质。

背景技术：

1、在投影显示设备中，梯形失真是一个常见问题，其产生原因主要是投影角度的偏差或投影表面的不平整。传统的梯形调整方法主要依赖于图像处理算法，imu重力传感器或tof传感器进行修正梯形失真，虽然这些方法在一定程度上可以修正梯形失真，然而在处理速度和精度方面存在一定问题：

2、一、传统梯形调整方法主要依赖于图像处理算法，这些算法通常计算复杂度高，导致处理速度较慢，无法满足实时调整的需求。同时，由于投影设备的硬件性能和算法本身的限制，图像处理的精度往往难以达到理想的效果；

3、二、imu（惯性测量单元）内置的重力传感器可以准确快速地提供投影设备的姿态信息，包括俯仰角和滚动角。然而，imu在估算偏航角方面存在较大的局限性。偏航角是描述设备绕垂直轴旋转的角度，由于imu没有直接测量偏航角的传感器，因此只能通过积分陀螺仪数据来估算偏航角。这种方法不仅需要有一个初始的基准点来设定初始的偏航角，而且积分过程中产生的误差会随时间积累，导致偏航角的估算精度逐渐下降；

4、三、tof（飞行时间）传感器通过测量光线从发射到接收的时间来估算距离，结合多个tof传感器的数据，可以计算出设备的偏航角。tof传感器在提供偏航角信息方面具有高精度和稳定性，但其数据率较低，通常为10hz左右。这意味着在相同的时间内，tof传感器收集的数据点数较少，难以满足实时画面跟随的需求；

5、为此，提出基于imu和tof的快速梯形调整方法、设备及其介质。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例希望提供基于imu和tof的快速梯形调整方法、设备及其介质，以解决或缓解现有技术中存在的技术问题，至少提供一种有益的选择。

2、为解决上述技术问题，本技术采用的一个技术方案是：基于imu和tof的快速梯形调整方法，包括以下步骤：

3、步骤一、利用imu模块内置的加速度计和陀螺仪，实时检测投影设备的姿态变化，包括俯仰角pitch和滚动角roll；

4、步骤二、通过加速度计数据，根据重力加速度的方向计算俯仰角pitch和滚动角roll，进行投影设备姿态的感知；

5、步骤三、利用陀螺仪测量设备在各个轴向上的角速度，对这些角速度进行积分，得到设备在各个方向上的旋转角度，并利用互补滤波算法对偏航角yaw进行估计；

6、步骤四、利用tof传感器水平方向上的两个区域进行测距，结合这两个区域的fov信息，得到两个方向向量；

7、步骤五、根据imu获取设备的俯仰角pitch和滚动角roll，以及tof的水平方向的两个区域的测距信息以及这两个区域的fov角信息，计算精确的偏航角yaw；

8、步骤六、把稳定后的tof获取的精确的偏航角同步给imu 跟随模块，将imu和tof模块得到的姿态数据和偏航角数据进行融合；

9、步骤七、将融合后的数据实时应用于梯形校正功能，利用软件或硬件的方式对投影图像进行调整，使其呈现出标准的矩形形状。

10、提供作为本技术方案进一步优选的，在步骤二中，所述通过测量重力加速度在设备y轴和z轴上的分量，计算出俯仰角pitch。

11、俯仰角pitch的计算公式为：

12、；

13、其中，和分别是加速度计在y轴和z轴上测量到的重力加速度分量。

14、所述通过测量重力加速度在设备x轴和z轴上的分量，计算出滚动角roll。

15、滚动角roll的计算公式为：

16、；

17、其中，和分别是加速度计在x轴和z轴上测量到的重力加速度分量。

18、提供作为本技术方案进一步优选的，在步骤三中，所述定义陀螺仪的测量值gx、gy、gz，以及误差项ex、ey、ez和它们的积分项exint、eyint、ezint，初始化四元数q0、q1、q2、q3，设置陀螺仪和加速度计的噪声参数ki。

19、使用当前四元数q0、q1、q2、q3，估计重力方向vc、vy、vz的公式为：

20、；

21、；

22、；

23、根据时间步长dt和误差项以及积分增益ki对误差项进行积分的公式为：

24、；

25、；

26、；

27、利用陀螺仪的测量值和误差项的积分项，调整陀螺仪测量值的公式为：

28、；

29、；

30、；

31、；

32、使用更新后的四元数计算偏航角yaw的公式为：

33、；

34、其中，、、、为更新后的四元数。

35、提供作为本技术方案进一步优选的，在步骤五中，所述定义tof两个区域测距模型，fov角，d1和d2分别对应tof两个区域的距离，d1和d2的方向向量为向量和。

36、按欧拉角yaw→pitch→roll顺序旋转，可以得到旋转后的向量分别是和，其中：

37、绕z轴旋转（yaw）的旋转矩阵为：

38、；

39、绕y轴旋转（roll）的旋转矩阵为：

40、；

41、绕x轴旋转（pitch）的旋转矩阵为：

42、；

43、根据旋转公式计算旋转后的向量和的计算公式如下：

44、；

45、；

46、根据旋转后d1和d2，以及和利用解析几何反推出偏航角yaw（）；

47、具体的：设旋转后d1对应的向量；

48、d2对应的向量；

49、根据向量的点积公式：

50、；

51、其中，为两向量夹角，对于向量和，有：

52、；

53、又因为已知d1和d2的距离以及它们对应的fov角信息，可以通过几何关系得到的表达式，从而建立关于偏航角yaw（这里的yaw体现在旋转矩阵中的）的方程；

54、例如，如果已知d1和d2的距离为，d1对应的fov角为，d2对应的fov角为，通过一些几何推导（这里省略复杂的推导过程，因为它涉及到根据具体的几何图形和已知条件进行详细分析），可以得到：

55、；

56、其中，和可以根据d1和d2的距离以及角度关系进一步推导得到，这里只是示意性的公式。

57、将公式：

58、；

59、；

60、代入公式：

61、；

62、得到一个关于偏航角yaw的方程，然后通过数值计算方法或者进一步的代数化简求解这个方程得到偏航角yaw的值；

63、例如，如果通过化简得到方程：

64、；

65、这里a、b、c是根据前面的计算和已知条件得到的系数，可以使用辅助角公式：

66、；

67、将其变形为：

68、

69、其中，；

70、然后求解得到的值，即偏航角yaw的值。

71、提供作为本技术方案进一步优选的，在步骤一中，所述imu模块还包括温度传感器，用于实时检测投影设备的温度，并根据温度信息对imu模块的加速度计和陀螺仪的测量数据进行温度补偿，提高姿态检测的准确性。

72、提供作为本技术方案进一步优选的，在步骤七中，所述梯形校正功能利用投影设备的内置处理器或外部连接的计算机进行实现，校正过程中采用线性插值或双线性插值算法，进行图像的平滑性和准确性校正。

73、提供作为本技术方案进一步优选的，在步骤四中，所述tof传感器还用于检测投影设备与投影面之间的距离，该距离信息用于辅助计算投影图像的梯形失真程度。

74、提供作为本技术方案进一步优选的，在步骤六中，所述融合imu和tof模块得到的姿态数据和偏航角数据时，利用卡尔曼滤波器或扩展卡尔曼滤波器进行融合。

75、为解决上述技术问题，本技术采用的另一个技术方案是：一种计算机设备，

76、所述计算机设备包括：处理器，以及，与所述处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上述所述的基于imu和tof的快速梯形调整方法的步骤。

77、为解决上述技术问题，本技术采用的另一个技术方案是：一种计算机可读存储介质，存储有能够实现如上述所述的基于imu和tof的快速梯形调整方法的程序指令。

78、本发明实施例由于采用以上技术方案，其具有以下优点：

79、本发明通过结合imu模块内置的加速度计和陀螺仪，以及tof传感器，能够实时检测投影设备的姿态变化，包括俯仰角、滚动角和偏航角，从而快速且准确地调整投影图像的梯形失真，同时，利用加速度计数据计算俯仰角和滚动角，通过陀螺仪数据结合互补滤波算法估计偏航角，进一步结合tof传感器数据精确计算偏航角，提高了姿态感知的精确度，实现了快速、精确的梯形调整，显著提高了投影显示的质量和用户体验，且本发明对于tof的要求低，只需要支持两点测距就能精确的计算偏航角yaw，具备低成本，跟随迅速精准，使用体验好的优点。

80、上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。

技术特征：

1.基于imu和tof的快速梯形调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于imu和tof的快速梯形调整方法，其特征在于：在步骤二中，所述通过测量重力加速度在设备y轴和z轴上的分量，计算出俯仰角pitch；

3.根据权利要求1所述的基于imu和tof的快速梯形调整方法，其特征在于：在步骤三中，所述定义陀螺仪的测量值gx、gy、gz，以及误差项ex、ey、ez和它们的积分项exint、eyint、ezint，初始化四元数q0、q1、q2、q3，设置陀螺仪和加速度计的噪声参数ki；使用当前四元数q0、q1、q2、q3，估计重力方向vc、vy、vz的公式为：

4.根据权利要求1所述的基于imu和tof的快速梯形调整方法，其特征在于：在步骤五中，所述定义tof两个区域测距模型，fov角，d1和d2分别对应tof两个区域的距离，d1和d2的方向向量为向量和；

5.根据权利要求1所述的基于imu和tof的快速梯形调整方法，其特征在于：在步骤一中，所述imu模块还包括温度传感器，用于实时检测投影设备的温度，并根据温度信息对imu模块的加速度计和陀螺仪的测量数据进行温度补偿。

6.根据权利要求5所述的基于imu和tof的快速梯形调整方法，其特征在于：在步骤七中，所述梯形校正功能利用投影设备的内置处理器或外部连接的计算机进行实现，校正过程中采用线性插值或双线性插值算法，进行图像的平滑性和准确性校正。

7.根据权利要求1所述的基于imu和tof的快速梯形调整方法，其特征在于：在步骤四中，所述tof传感器还用于检测投影设备与投影面之间的距离，该距离信息用于辅助计算投影图像的梯形失真程度。

8.根据权利要求1所述的基于imu和tof的快速梯形调整方法，其特征在于：在步骤六中，所述融合imu和tof模块得到的姿态数据和偏航角数据时，利用卡尔曼滤波器或扩展卡尔曼滤波器进行融合。

9.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括：处理器，以及，与所述处理器通信连接的存储器；其中，

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令用于使计算机执行权利要求1-8任一所述的基于imu和tof的快速梯形调整方法。

技术总结
本发明提供了基于IMU和TOF的快速梯形调整方法、设备及其介质，包括以下步骤：步骤一、利用IMU模块内置的加速度计和陀螺仪，实时检测投影设备的姿态变化，包括俯仰角pitch和滚动角roll。本发明通过结合IMU模块内置的加速度计和陀螺仪，以及TOF传感器，能够实时检测投影设备的姿态变化，包括俯仰角、滚动角和偏航角，从而快速准确的调整投影图像的梯形失真，同时，利用加速度计数据计算俯仰角和滚动角，通过陀螺仪数据结合互补滤波算法估计偏航角，进一步结合TOF传感器数据精确计算偏航角，提高了姿态感知的精确度，实现了快速、精确的梯形调整，显著提高了投影显示的质量和用户体验，且本发明对于TOF的要求低，具备低成本，跟随迅速精准，使用体验好的优点。

技术研发人员：王涛,冀振
受保护的技术使用者：深圳新智联软件有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5