CN101561746B - 全息光电再现虚影像实时交互显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全息光电再现虚影像实时交互显示装置。它由正交的双目视觉系统1、图像处理和存储单元2、基于电寻址空间光调制器的数字全息光电再现系统3、高速振动的图像薄膜接收器4和菲涅尔透镜5组成。由正交的双目视觉系统捕获手指的位置和移动信息，图像处理和存储单元根据手指信息从数字全息图序列中选择一幅数字全息图传输到基于电寻址空间光调制器的光电再现系统上，光电再现系统在空间再现物体的三维影像。再现的影像被投射到高速振动的图像薄膜接收器上，人们可以通过菲涅尔透镜观看到悬浮在空间的物体的三维虚影像，并可以通过手指的移动引导三维虚影像的显示。

Description

全息光电再现虚影像实时交互显示装置

技术领域

本发明涉及一种全息光电再现虚影像实时交互显示装置，该发明可以实现全息光电再现虚影像的三维实时交互显示。该发明中，利用光电再现系统得到物体的全息空间三维再现虚影像，并用手指上的标记物引导再现出来的全息影像，实现动态交互显示。

背景技术

空间显示技术现在已经得到了非常广泛的应用。传统的显示方法是将物体的影像呈现在空间介质之上。例如，普通的二维显示需要显示屏幕或投影屏幕作为显示载体；三维显示需要特殊的三维显示器作为空间影像的承载介质，或需要给用户佩戴立体眼镜和头盔辅助设备等。承载介质的存在大大减弱了人观察影像的真实感；辅助设备的使用也束缚了用户的观察自由度。

在交互方式上，传统的方法是采用鼠标、键盘、操纵杆、触摸屏、数据手套等接触设备作为输入方式。这些设备都是以机器为中心，交互起来不直观，也不自然。在人们的交流中，经常用手指向一个物体，来进行特定目标的选择，这是交互过程中最直接、最自然的方式之一。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术的不足，提供一种全息光电再现虚影像的实时交互显示装置，该装置可以在空间中呈现物体的悬浮三维虚影像，对于该悬浮三维虚影像人们不仅可以在一定视角范围内不需要任何辅助设备直接观察，而且还可以通过手指的指示动作来导航空间影像的显示，实现人与空间虚影像的交互。

为达到上述目的，本发明的构思是：通过光学全息技术或计算全息技术得到载有物体不同状态信息的数字全息图序列，存储在图像处理和存储单元中。以正交的双目视觉系统作为交互的输入方式，来检测观察者手指信息，当观察者移动手指时，显示系统会根据手指的移动情况在全息图序列中选择不同的全息图传输到空间光调制器上。当再现光束照射该空间光调制器时，根据光学全息理论，在空间可以再现出全息图中载波的物体的影像。该再现影像投射到高速振动的图像薄膜接收器上，人们通过菲涅尔透镜，就可以在空间中看到再现出来的物体三维悬浮虚影像。并且，此悬浮虚影像是根据人的手指位置和移动情况不断变化的，这样就可以实现空间虚影像的动态交互再现过程。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种全息光电再现虚影像实时交互显示装置，包括正交的双目视觉系统、图像处理和存储单元和菲涅尔透镜，其特征在于所述正交双目视觉系统与所述图像处理和存储单元相连，所述图像处理和存储单元根据所述正交双目视觉系统获取的视频图像分析手指的空间信息，并根据手指信息从数字全息图序列中选取一幅对应的全息图，所述图像处理和存储单元的输出与一个基于电寻址空间光调制器的全息光电再现系统的输入端相连，所述图像处理和存储单元将选择好的数字全息图输出到所述基于电寻址空间光调制器的全息光电再现系统上，通过所述电寻址空间光调制器的全息光电再现系统重建物体的影像，并将重建的影像投射到一个高速振动的图像薄膜接收器上，所述菲涅尔透镜置于观察者与所述高速振动的图像薄膜接收器之间，观察者可以透过菲涅尔透镜看到物体的空间三维悬浮虚影像，并可以通过手指移动引导显示出来的悬浮虚影像，从而实现全息光电再现虚影像的实时交互显示。

上述正交的双目视觉系统是两个正交的摄像机对准一个红外标记物，所述红外标记物佩戴在观察者的手指上，所述正交的双目摄像机用来获取所述红外标记物的空间位置图像，并将获取到的图像传输到所述图像处理和存储单元中。所述两个摄像机处于正交的分布状态，一个处在观察者的下面，用以检测手指的左右和前后运动，另一个摄像机处在观察者的侧面，用于检测手指的上下运动。

上述的图像处理和存储单元由一个图像处理单元和一个大容量的图像存储器组成，会根据正交双目摄像机系统传输进来的红外标记物的空间位置视频图像，分析出手指的空间位置和移动信息。

上述的基于电寻址空间光调制器的光电再现系统由一台激光器、一个光束扩束镜、一个会聚透镜、一个孔径光阑、一个电寻址空间光调制器和一个投影透镜组成。所述激光器发出的激光束，经过所述扩束镜和会聚透镜组成的扩束准直器扩束准直之后，经过所述孔径光阑，射向所述电寻址空间光调制器，而且所述图像处理和存储单元将所要输出的数字全息图输出到所述电寻址空间光调制器，则电寻址空间光调制器输出的衍射光束经投影透镜后投射到所述高速振动图像薄膜接收器上。

上述的高速振动图像薄膜接收器由一个图像薄膜、一个固定框架和两条平行导轨组成。所述图像薄膜安装在所述固定框架上，所述固定框架在平行导轨之上高速来回振动，并带动所述图像薄膜也来回地高速振动，以接收不同位置上的全息光电再现像。

所述观察者透过所述菲涅尔透镜观看悬浮在空间的一个物体三维虚影像，并通过所述手指上的所述红外标记物与所述物体三维虚影像进行交互。

本发明与现有显示技术相比较，具有如下的突出实质性特征和显著优点：

1)利用数字全息图的光电再现过程，能够在接收器上重建物体的真正三维信息。

2)利用投影透镜将再现出来的影像投影到高速振动图像薄膜接收器上，增大了重建出来的物体影像的大小。

3)利用菲涅尔透镜形成空间悬浮虚像，使观察者摆脱了承载介质的干扰，实现一种悬浮在空间中的三维虚影像，利用人的虚幻感觉，产生身临其境的效果。

4)利用视觉系统检测手指的移动情况，让人可以通过手指的指示引导虚影像的动态显示，增强了交互的娱乐性，也进一步加强了显示出来的虚影像的真实感。

5)发明装置采用了图像处理和存储单元，将对图像采集、控制、处理等都由图像处理和存储单元来完成，简化了装置结构，增强了实用性。

附图说明

图1是全息光电再现虚影像实时交互显示装置结构原理框图。

图2是全息光电再现虚影像实时交互显示装置的结构示意图。

图3是正交的两个摄像机的分布示意图。

图4是高速振动的图像薄膜显示器结构原理图。

图5是红外标记物的结构示意图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图详述如下：

如图1所示，本全息光电再现虚影像实时交互显示装置包括正交的双目视觉系统1、图像处理和存储单元2和菲涅尔透镜5，其特征在于所述正交双目视觉系统1与所述图像处理和存储单元2相连，所述图像处理和存储单元2根据所述正交双目视觉系统1获取的视频图像分析手指的空间信息，并根据手指信息从数字全息图序列中选取一幅对应的全息图，所述图像处理和存储单元2的输出与一个基于电寻址空间光调制器的光电再现系统3的输入端相连，所述图像处理和存储单元2将选择好的数字全息图输出到所述基于电寻址空间光调制器的光电再现系统3上，通过所述电寻址空间光调制器的光电再现系统3重建物体的影像，并将重建的影像投射到一个高速振动的图像薄膜接收器4上，所述菲涅尔透镜5置于观察者19与所述高速振动的图像薄膜接收器4之间，观察者19能透过所述菲涅尔透镜5看到物体的空间三维悬浮虚影像，并可以通过手指移动引导显示出来的悬浮虚影像，从而实现全息光电再现虚影像的实时交互显示。

如图2所示，上述的正交双目视觉系统1是两个正交的摄像机15、16对准一个红外标记物20，所述红外标记物20佩戴在观察者19的手指18上，所述正交的摄像机15、16用来获取所述红外标记物20的空间位置图像，并将获取到的图像传输到所述图像处理和存储单元2中。所述两个摄像机15、16处于正交的分布状态，用于检测所述手指18的三维空间位置和移动信息。两个摄像机15、16的功能如图3所示，底摄像机16用来检测手指18在x方向和y方向上的移动，边摄像机15用来检测手指18在z方向上的移动。

如图2所示，上述的图像处理和存储单元2由一个图像处理单元和一个大容量的图像存储器组成，会根据所述正交双目摄像机系统1传输进来的红外标记物20的空间位置视频图像，分析出手指18的空间位置和移动信息。参见图2、图3和图5，具体的分析过程是，首先对摄像机拍摄进来的图像进行单阈值分割，以分割出红外发光小球24的图像，即

$g(i,j)=\left\{\begin{array}{cc}1,& f(i,j)>T\\ 0,& f(i,j)\≤T\end{array}\right.$

这里T为分割阈值，f(i，j)是象素点(i，j)处的灰度值，g(i，j)是分割后该象素点的值；然后，估计分割出的红外发光小球24图像的灰度质心，并将此质心的位置坐标作为手指的图像坐标，即

$\left\{\begin{array}{c}{x}_c=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{ig}(i,j)}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}g(i,j)}\\ y_c=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{jg}(i,j)}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}g(i,j)}\end{array}\right.$

这里(x_c，y_c)即为红外发光小球24图像的灰度质心坐标，m、n为图像的行数和列数。用同样的方法，可以求出红外发光小球24在另一个摄像机中的图像位置坐标(x′_c，y′_c)，综合考虑(x_c，y_c)和(x′_c，y′_c)及它们随时间的变化，就可以得到手指的位置和移动信息。根据此手指信息，图像处理和存储单元14从数字全息图序列中选择一幅对应的数字全息图，并将这幅数字全息图以设定的方式传输到电寻址空间光调制器10上。

上述的基于电导址空间光调制器的全息光电再现系统3由一个激光器6，一个光束扩束器7，一个会聚透镜8，一个孔径光阑9，一个电寻址空间光调制器10和一个投影透镜组成。工作过程是：激光器6发出的激光束，由扩束7和会聚透镜8的扩束准直之后，经过孔径光阑9，射向电寻址空间光调制器10上。该空间光调制器10由于受图像处理和存储单元2传输进来的数字全息图的调制，从空间光调制器10衍射的光也受到了调制，在一定的空间位置再现出物体的三维影像，为了扩大再现影像的尺示，在系统中加入了投影透镜11，经过该投影透镜11的影像被投射到高速振动的半透膜接收器4上。

如图2所示，人们可以站在19的位置上观看悬浮在空间的物体三维虚影像17，并通过手指18上的红外标记物20与此三维虚影像17进行交互。

图4所示为上述的高速振动的图像薄膜接收器12的工作过程，图像薄膜21被固定框架22固定在平行的导轨23之上，固定框架22在平行导轨23上不停地来回高速振动，以带动半透膜21在不同位置接收光电再现系统3再现出来的全息三维影像。

所述的红外标记物20，如图5所示，其工作过程是：人们通过指套25将红外发光小球24佩戴在手指上，红外发光小球向四周发射红外光，钮扣电池盒26放置给红外发光小球24提供电能的钮扣电池。

Claims (6)

1.一种全息光电再现虚影像实时交互显示装置，包括正交的双目视觉系统(1)、图像处理和存储单元(2)和菲涅尔透镜(5)，其特征在于所述正交双目视觉系统(1)与所述图像处理和存储单元(2)相连，所述图像处理和存储单元(2)根据所述正交双目视觉系统(1)获取的视频图像分析手指的空间信息，并根据手指信息从数字全息图序列中选取一幅对应的全息图，所述图像处理和存储单元(2)的输出与一个基于电寻址空间光调制器的光电再现系统(3)的输入端相连，所述图像处理和存储单元(2)将选择好的数字全息图输出到所述基于电寻址空间光调制器的光电再现系统(3)上，通过所述电寻址空间光调制器的光电再现系统(3)重建物体的影像，并将重建的影像投射到一个高速振动的图像薄膜接收器(4)上，所述菲涅尔透镜(5)置于观察者(19)与所述高速振动的图像薄膜接收器(4)之间，观察者(19)能透过所述菲涅尔透镜(5)看到物体的空间三维悬浮虚影像，并可以通过手指移动引导显示出来的悬浮虚影像，从而实现全息光电再现虚影像的实时交互显示。

2.根据权利要求1所述的全息光电再现虚影像实时交互显示装置，其特征在于所述正交的双目视觉系统(1)是两个正交的摄像机(15、16)对准一个红外标记物(20)，所述红外标记物(20)佩戴在观察者(19)的手指(18)上，所述正交的摄像机(15、16)用来获取所述红外标记物(20)的空间位置图像，并将获取到的图像传输到所述图像处理和存储单元(2)中，所述两个摄像机(15、16)处于正交的分布状态，用于检测所述手指(18)的三维空间位置和移动信息。

3.根据权利要求1所述的全息光电再现虚影像实时交互显示装置，其特征在于所述的图像处理和存储单元(2)由一个图像处理单元和一个大容量的图像存储器组成，会根据所述正交双目视觉系统(1)传输进来的红外标记物(20)的空间位置视频图像，分析出手指(18)的空间位置和移动信息。

4.根据权利要求1所述全息光电再现虚影像实时交互显示装置，其特征在于所述基于电寻址空间光调制器的光电再现系统(3)由一台激光器(6)、一个光束扩束镜(7)、一个会聚透镜(8)、一个孔径光阑(9)、一个电寻址空间光调制器(10)和一个投影透镜(11)组成，所述激光器(6)发出的激光束，经过所述光束扩束镜(7)和会聚透镜(8)组成的扩束准直器扩束调整之后，经过所述孔径光阑(9)，射向所述电寻址空间光调制器(10)，而且所述图像处理和存储单元(2)将所要输出的数字全息图输出到所述电寻址空间光调制器(10)，则电寻址空间光调制器(10)输出的衍射光束经所述投影透镜(11)后投射到所述的高速振动图像薄膜接收器(4)上。

5.根据权利要求1所述的全息光电再现虚影像实时交互显示装置，其特征在于所述高速振动图像薄膜接收器(4)由一个图像薄膜(21)、一个固定框架(22)和两条平行导轨(23)组成，所述图像薄膜(21)安装在所述固定框架(22)上，所述固定框架(22)在所述平行导轨(23)之上高速来回振动，并带动所述图像薄膜(21)也来回地高速振动，以接收不同位置上的全息光电再现像。

6.根据权利要求1所述的全息光电再现虚影像实时交互显示装置，其特征在于所述观察者(19)透过所述菲涅尔透镜(5)观看悬浮在空间的一个物体三维虚影像(17)，并通过所述手指(18)上的所述红外标记物(20)与所述物体三维虚影像(17)进行交互。

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