CN107423720A - 目标跟踪系统和立体显示设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种目标跟踪系统和立体显示设备，该目标跟踪系统包括：红外线发射单元，发射红外线；红外线反射单元，反射来自所述红外线发射单元的红外线；红外线摄像单元，接收来自所述红外线反射单元的反射红外线而成像；空间位置计算单元，根据所述红外线摄像单元获取的图像，计算得到所述红外线反射单元的空间位置信息。本发明的目标跟踪系统和立体显示设备能够以简单易行的方式准确、快速获取目标位置信息，而且不会对观众造成干扰。

Description

目标跟踪系统和立体显示设备
技术领域
本发明涉及显示技术领域，具体而言，涉及一种目标跟踪系统和立体显示设备。
背景技术
立体显示技术能给人身临其境的感觉，当前立体显示技术分为佩戴眼镜式立体显示技术和不需佩戴眼镜的裸眼立体显示技术。
裸眼立体显示技术的最大优点就是不需观众佩戴眼镜。但由于该技术本身的特点，开始观看时必须寻找最佳的观看点，而且找到最佳观看点后，观众不能随意移动，这些特性严重影响了观众的观看体验。
为了解决这个问题，通常在现有裸眼立体显示技术基础上增加观众位置跟踪技术，通过实时跟踪目标观众的空间位置信息，同步移动视差合成图像或分光器件实现在任何位置均可观看到立体效果的目的。
当前，观众位置跟踪技术有两种主要方案：
1、通过摄像头获取人面部图像位置信息，进而获取观众位置信息。该方案需要对人面部特征信息进行提取，计算量大，稳定性、准确性差、用户体验差。尤其是用在实时采集显示领域，比如在医疗领域，如果位置跟踪不准、实时性差，将严重影响医生操作，甚至会影响手术成功。
2、通过佩戴类似眼镜的装置来获取观众位置信息。但是需要佩戴类似眼镜的装置，将对人造成干扰，这与裸眼3D显示技术不需佩戴眼镜的技术特征相悖，严重影响了观看体验，舒适性差。
如何准确、快速获取目标观众位置信息，又不对观众造成干扰成为当前需要解决的问题。
发明内容
本发明目的在于提出一种目标观众跟踪系统和采用该跟踪系统的立体显示设备，用以弥补当前技术的不足，改善观看体验。
本发明提出一种目标跟踪系统，包括：
红外线发射单元，发射红外线；
红外线反射单元，反射来自所述红外线发射单元的红外线；
红外线摄像单元，接收来自所述红外线反射单元的反射红外线而成像；
空间位置计算单元，根据所述红外线摄像单元获取的图像，计算得到所述红外线反射单元的空间位置信息。
在上述的目标跟踪系统中，所述红外线反射单元包括红外线吸收部和构成特征图案的红外线反射部。
在上述的目标跟踪系统中，所述红外线反射单元包括多个具有预定形状的红外线反射部，所述多个具有预定形状的红外线反射部包括圆形的红外线反射部和/或具有角部的红外线反射部。
在上述的目标跟踪系统中，所述特征图案位于所述红外线反射单元中间并且为对称图案。
在上述的目标跟踪系统中，所述红外线反射单元包括膜材料。
在上述的目标跟踪系统中，所述膜材料能粘贴在人体。
在上述的目标跟踪系统中，所述计算包括：
通过特征匹配获取所述红外线反射部的图像位置信息；
根据所述图像位置信息计算出所述红外线反射部的空间位置信息。
在上述的目标跟踪系统中，所述空间位置计算单元还根据所述红外线反射单元与目标观众的目标部位的相对位置偏移量、以及所述红外线反射单元的空间位置信息计算所述目标部位的空间位置信息。
在上述的目标跟踪系统中，还包括可见光摄像单元，拍摄所述目标观众的图像；所述空间位置计算单元对所述目标观众的图像进行分析以获得所述相对位置偏移量。
本发明还提供一种立体显示设备，包括：
上述的目标跟踪系统；
显示单元，根据所述空间位置信息调节显示相关参数。
本发明的目标跟踪系统包括：红外线发射单元、红外线反射单元、红外线摄像单元和空间位置计算单元。本发明的立体显示设备包括上述目标跟踪系统和显示单元。本发明与现有技术相比，不干扰目标观众、准确性高、抗干扰能力强、稳定性高、实时性高、观众体验好，而且成本低廉、易于实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明保护范围的限定。
图1示出了包括本发明目标跟踪系统的立体显示设备的一个实例的示意图。
图2示出了本发明的红外线反射单元的一个实例的示意图。
主要元件符号说明：
111-红外线发射单元；112-红外线反射单元；113-红外线摄像单元；114-空间位置计算单元；115-显示单元；201-红外线吸收部；202-红外线反射部。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种目标跟踪系统，包括：红外线发射单元，可用于发射红外线；红外线反射单元，可用于反射来自所述红外线发射单元的红外线；红外线摄像单元，可用于接收来自所述红外线反射单元的反射红外线而成像；空间位置计算单元，可用于根据所述红外线摄像单元获取的图像，计算得到所述红外线反射单元的空间位置信息。
红外线发射单元在通电后发射红外线，可以包括红外LED。红外发光二级管是一种将电能转换为光能的近红外发光器件，它具有体积小、功耗低、指向性好等一系列优点，广泛用于遥控、遥测、光隔离、光开关、光电控制等系统。
红外线反射单元在红外LED灯照射下成为红外发光体，可以包括红外线吸收部和构成特征图案的红外线反射部。
特征图案在包括点、角等便于识别的特征时，空间位置计算单元可以快捷地提取相关的特征来计算获得空间位置信息。
特征图案优选位于红外线反射单元中间，更优选为对称图案，由此，便于空间位置计算单元计算红外线反射单元的空间位置信息，减少计算量。所谓对称图案可以是左右对称、上下对称、点对称等。
当环境中有其他强反射体的时候，仅设置单个红外线反射部，抗干扰能力可能相对较弱。因此，在设置为单个红外线反射部时，为了提高抗干扰能力，可以将红外线反射部设置为例如Z字形、V字形、矩形框形、三角框形等构成特征图案。
此外，也可通过设置多个具有预定形状的红外线反射部以提高抗干扰能力。例如，多个具有预定形状的红外线反射部可以包括圆形的红外线反射部和/或具有角部的红外线反射部。
红外线反射单元在设置有圆形的红外线反射部和/或具有角部的红外线反射部的情况下，可方便、简单地通过角点识别和圆点识别技术进行图像结构解析。
红外线吸收部和红外线反射部优选采用柔性膜材料制成，该柔性膜材料优选可以直接粘贴在人体上。当然也可以在例如红外线吸收部上设置粘贴部，使得红外线反射单元可以粘贴在目标观众的衣服、帽子上。
红外线摄像单元接收红外线反射单元的反射红外光而成像，其中，红外线摄像单元可以包括一个或多个红外线摄像头。
空间位置计算单元可根据红外线摄像单元获取的图像位置信息计算红外线反射单元的空间位置信息。例如，在使用单个摄像头时，需要计算在不同位置单个像素对应的物理宽度比，比如在两米处1个像素对应1mm物理宽度，然后计算空间坐标。在使用两个摄像头时，可以利用例如双目测距方法计算红外线反射单元的空间坐标。在使用更多摄像头时，可以采用多目三维重建原理进行计算。
本发明的目标跟踪系统可以应用于立体显示设备，该显示设备包括显示单元，显示单元根据空间位置信息调节显示相关参数。当然，目标跟踪系统不仅可以应用于立体显示设备，也可以根据需要设置在其他需要位置追踪的应用中。
实施例
图1中示出了本发明一个实施例的立体显示设备的示意图。该立体显示设备包括目标跟踪系统和显示单元115。
该目标跟踪系统包括：红外线发射单元111，用于发射红外线；红外线反射单元112，可用于反射来自红外线发射单元111的红外线；红外线摄像单元113，用于接收反射单元112反射的红外线进行摄影；空间位置计算单元114用于根据所述红外线摄像单元获取的图像，计算得到所述红外线反射单元的空间位置信息。
图1中红外线发射单元111、红外线摄像单元113以及空间位置计算单元114设置在显示单元115的上方。然而，本发明并不限于此，上述单元可以根据需要设置。
例如，空间位置计算单元114可以根据需要设置在显示单元的其他任意位置。红外线发射单元111和红外线摄像单元113也可以根据需要设置在显示单元115的四周的其他位置；然而，优选设置在显示单元113的上方中间位置或下方中间位置。
图1中的红外线摄像单元113包括两个摄像头，然而，本发明并不限于此，可以根据需要设置一个或多于两个的摄像头。
空间位置计算单元114可以为例如嵌入式芯片，数字信号处理(DSP)芯片等。
显示单元115为裸眼立体显示器，其利用人两眼具有视差的特性，在不需要任何辅助设备(如3d眼镜，头盔等)的情况下，即可获得具有空间、深度的逼真立体形象的显示系统。
图2示出了本发明的红外线反射单元的一个实例的示意图。在图2中，红外线反射单元112包括红外线吸收部201以及多个具有预定形状的红外线反射部202。
红外线反射部202可设置在红外线吸收部201上，包括一个矩形框部以及位于矩形框部内的五个圆形部，其中四个圆形部的圆心连线构成矩形，剩余一个圆形部位于矩形框部中心。这些预定形状的红外线反射部构成特征图案，该特征图案在横向和竖向上分别对称，即图2中的特征图案是左右对称并且上下对称的。
在红外线吸收部201可以用常规的红外线吸收材料，红外吸收材料很多，例如，可以在普通材料里添加红外线吸收剂来实现。其他光线吸收材料也可以，只要吸收光谱范围包括特定的红外线即可。红外线反射部202可以是在普通材料里添加红外线反射物质。
红外线吸收部201和红外线反射部202优选为薄膜，例如聚乙烯膜、聚氯乙烯膜和聚偏二氯乙烯等。
白色颜料对于红外区段的光具有强烈的反射，而黑色颜料对于几乎所有波长的光都吸收。因此，例如，可以在聚乙烯膜中添加白色助剂来形成红外线反射部202，添加黑色助剂来形成红外线吸收部201。也可以在包括薄膜的常规材料上涂布白色、黑色涂料来形成红外线反射部202和红外线吸收部201。
空间位置计算单元114计算红外线反射单元112的空间位置信息时，可以包括：通过特征匹配快速获取红外线反射部202的图像位置信息；根据所述图像位置信息计算出红外线反射部202的空间位置信息。
空间位置计算单元114从红外线摄像单元获取的图像识别出红外线反射部，例如，通过模板匹配算法找出红外线反射部在图像中的位置信息，即在图像中行列坐标。然后，根据该图像位置信息计算出红外线反射部的空间位置信息，例如可以是红外线反射部的中心点空间坐标(x，y，z)。
例如，在使用单个摄像头时，将当前图像中的特征点的平面坐标与标准图像的参考特征点的平面坐标进行匹配，进行相应的变换来计算空间坐标；在使用两个摄像头时，可以利用双目测距方法计算红外线反射单元的空间坐标。在使用更多摄像头时，可以采用多目三维重建原理进行计算。本领域技术人员可以根据不同的摄像头数量进行相应的计算来获得空间位置信息，在此不再赘述。
在红外线反射部包括圆形的红外线反射部和/或具有角部的红外线反射部时，可以提取红外线反射部中的这些特征点来快速计算红外线反射部的空间位置。
例如，在包括矩形框或矩形的红外线反射部时，可以计算矩形的中心点；在包括圆形的红外线反射部时，可以计算圆形的中心点的空间位置。在此情况下，算法简单，计算量少。
如图2所示那样，包括多个具有预定形状的红外线反射部时，可以按几种方案计算特定图像的中心点。例如，可以计算矩形的中心点，直接通过中间的圆计算中心点，通过四角的圆心计算中心点。当其中一种方案失效时还可以有备选方案。此外，还可以将按不同方式计算的中心点进行平均，从而得到更为准确的中心点像素坐标。
在将红外线反射单元112粘贴到人手，可以追踪手的空间位置，从而可以识别出人的手势。
显示单元115可以根据不同的手势进行相应的参数调整，例如可以调节显示单元115的亮度、对比度等参数；也可以通过手势调节裸眼3D显示的效果。在此情况下，可以将根据所述图像位置信息计算出的红外线反射部202的空间位置信息直接作为目标对象的空间位置信息。
空间位置计算单元114还可根据红外线反射单元112与目标观众的目标部位的相对位置偏移量、以及红外线反射单元112的空间位置信息计算目标部位的空间位置信息。
例如，在将红外线反射单元112粘贴到人的额头，需要根据红外线反射单元112的位置来准确获取人的眼部的空间位置信息时，可以进行上述的步骤。此时，根据红外线反射单元112与目标观众的眼部的相对位置偏移量以及红外线反射单元112的空间位置信息计算眼部的空间位置信息。
红外线反射单元112与目标观众的眼部的相对位置偏移量可以手动录入数据产生，也可以通过可见光摄像单元(图1中未示出)拍摄目标观众的图像，然后进行图像分析获得该相对位置偏移量。可见光摄像单元的放置位置优选靠近红外线摄像单元。
显示单元115可根据观众的眼睛的空间位置信息调整显示的视差合成图像，实现观众在任何位置均能观看到立体图像的目的。
此外，为了确保目标跟踪系统更准确地跟踪目标对象的位置信息，系统完成机械装配后还可进行摄像头校准工作，包括：
1、每个摄像头焦距、摄像头像素间距、光心投影位置的确定。
2、多个摄像头与既定坐标系间位置变换关系的确定。
3、将上述参数写入计算单元的存储器长期保存。
上述的标定可利用张氏(微软张正友)标定法，可以调用(opencv或matlab)现有的算法库进行计算，算法库开源的。
本方案立体显示设备工作过程如下：
1、目标跟踪系统获取目标对象的位置信息。
2、该方案采用柔性、可粘贴红外线反射单元，质量轻粘贴在人体上不会对人体造成太大的干扰，同时预先设定的红外线反射单元图案将大大提高系统的抗干扰能力，计算时可只提取与预设图案相匹配的特征点即可，速度快、准确性高，这提高了整个系统的稳定性和实时性。
同时红外线反射单元具有结构简单，易于加工生产的优点。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种目标跟踪系统，其特征在于，包括：
红外线发射单元，发射红外线；
红外线反射单元，反射来自所述红外线发射单元的红外线；
红外线摄像单元，接收来自所述红外线反射单元的反射红外线而成像；
空间位置计算单元，根据所述红外线摄像单元获取的图像，计算得到所述红外线反射单元的空间位置信息。
2.根据权利要求1所述的目标跟踪系统，其特征在于，所述红外线反射单元包括红外线吸收部和构成特征图案的红外线反射部。
3.根据权利要求2所述的目标跟踪系统，其特征在于，所述红外线反射单元包括多个具有预定形状的红外线反射部，所述多个具有预定形状的红外线反射部包括圆形的红外线反射部和/或具有角部的红外线反射部。
4.根据权利要求2所述的目标跟踪系统，其特征在于，所述特征图案位于所述红外线反射单元中间并且为对称图案。
5.根据权利要求1所述的目标跟踪系统，其特征在于，所述红外线反射单元包括膜材料。
6.根据权利要求5所述的目标跟踪系统，其特征在于，所述膜材料能粘贴在人体。
7.根据权利要求1所述的目标跟踪系统，其特征在于，所述计算包括：
通过特征匹配获取所述红外线反射部的图像位置信息；
根据所述图像位置信息计算出所述红外线反射部的空间位置信息。
8.根据权利要求7所述的目标跟踪系统，其特征在于，所述空间位置计算单元还根据所述红外线反射单元与目标观众的目标部位的相对位置偏移量、以及所述红外线反射单元的空间位置信息计算所述目标部位的空间位置信息。
9.根据权利要求8所述的目标跟踪系统，其特征在于，还包括可见光摄像单元，拍摄所述目标观众的图像；所述空间位置计算单元对所述目标观众的图像进行分析以获得所述相对位置偏移量。
10.一种立体显示设备，其特征在于，包括：
根据权利要求1-9中任一项所述的目标跟踪系统；
显示单元，根据所述空间位置信息调节显示相关参数。
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