CN107888900A - 一种全视差三维显示的投影机器人及该机器人的投影方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子通信技术领域，具体涉及一种全视差三维显示的投影机器人及该机器人的投影方法。本发明通过图像输出设备与快门式3D眼镜的配合，让观察者的左右眼看到稍有差别的视差对图像，以产生立体视觉。高速投影机投影出高帧频的图像，同时输出同步信号，经过快门同步系统后，被3D眼镜接收。3D眼镜根据同步信号，控制镜片的通光状态，让特定的图像进入设定的观察者眼睛。这种全视差三维显示的投影机器人及该机器人的投影方法克服已有全景立体视觉成像装置的不符合人的视觉习惯、制造成本高、视觉范围有限、缺乏实时全景拍摄能力等不足，可同时对多人提供全视差、360度的特定显示图像，并具有三维场景显示效果，显示信息量大、分辨率高。

Description

一种全视差三维显示的投影机器人及该机器人的投影方法

技术领域

本发明涉及电子通信技术领域，具体涉及一种全视差三维显示的投影机器人及该机器人的投影方法。

背景技术

随着立体电视在全球的普及和互联网的飞速发展，三维成像技术的应用领域不断扩大，商业前景十分广阔。三维成像技术应用的范围目前非常广泛，在影视、军事、摄影、手机、电脑、广告、教育、设计、医学、魔术、展览展示、航空航天、远程医疗、文体观赏、娱乐游戏、电子商务等领域均可规模应用。立体电视系统主要由立体摄像机和立体显示设备组成。作为立体摄像机，它具有双镜头，综合计算机、测控、图像处理技术，拍摄过程符合人的视觉机理。目前立体摄像机技术已经比较成熟，但是在全景立体摄像方面的技术极为鲜见。作为立体显示设备，目前不少国家已研发出立体电视机、电脑显示器、手机、投影机等显示设备。在这个背景下需要发展一种新型的全景立体摄像技术。

发明内容

本发明的目的在于克服已有全景立体视觉成像装置的不符合人的视觉习惯、制造成本高、视觉范围有限、缺乏实时全景拍摄能力等不足，提供一种全视差三维显示系统，解决以上技术问题；

一种全视差三维显示系统，包括，

投影单元，用于投射图像，并同时输出每一帧图像所对应的同步信号；

显示模块，用于对所述投影单元投射的图像漫反射，显示每个观察者所需的图像；

位置追踪模块，用于获取各观察者的位置信息；

图像发生模块，连接所述位置追踪模块，根据待显示的3D场景信息和各观察者的位置信息，向所述投影单元输送图像；

3D眼镜，用于各观察者佩戴，根据与之匹配的同步信号，控制镜片的通光状态，使观察者在所述显示模块上观看到具有立体视觉的图像。

上述的全视差三维显示系统，所述投影单元为一片或三片式DLP投影机。

上述的全视差三维显示系统，所述显示模块为与屏幕法线呈22.5°到67.5°角之间具有较大增益的漫散射屏。。

上述的全视差三维显示系统，所述位置追踪模块用于确认360°范围内的观察者的位置，包括成像模块和图像识别处理模块；

成像模块，连接所述3D眼镜，用于获取设于3D眼镜上的两个标志点的图像；图像识别处理模块，连接所述成像模块，根据两个标志点在图像中的位置、图像中两个标志点之间的距离、以及成像模块位置坐标，得到各观察者的位置信息。

上述的全视差三维显示系统，还包括快门同步模块，用于获取投影单元输出的同步信号并以无线方式输出给各观察者佩戴的所述3D眼镜。

一种全视差三维显示的投影机器人，包括以上任一所述的全视差三维显示系统。

本发明的目的还在于可同时对多人提供全视差、360度的特定显示图像，并具有三维场景显示效果，显示信息量大、分辨率高，提供一种基于全视差三维显示的投影机器人的投影方法，解决以上技术问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：一种基于全视差三维显示的投影机器人的投影方法，包括以下步骤：

步骤A，通过位置追踪模块确定各观察者的位置信息，图像发生模块根据需显示的3D场景信息和各观察者的位置信息，向投影单元输送图像；

步骤B，投影单元将图像投影到显示模块上，并同时向各观察者佩戴的3D眼镜输送同步信号；

步骤C，3D眼镜在接受到正确的同步信号后，控制镜片的通光状态，使观察者在所述显示模块上观看到具有立体视觉的特定图像。

上述的基于全视差三维显示的投影机器人的投影方法，所述步骤A中包括：

步骤A1，在3D眼镜的镜框上设置两个距离固定的标志点；

步骤A2，利用成像模块获取两个标志点的图像；

步骤A3，根据两个标志点在图像中的位置、图像中两个标志点之间的距离、以及所述成像模块位置坐标，算得各观察者的位置信息。

上述的基于全视差三维显示的投影机器人的投影方法，所述步骤B中包括：步骤B1，投影单元输出的同步信号被相应的快门同步模块获取，然后以无线通信方式输出给各观察者佩戴的3D眼镜。

上述的基于全视差三维显示的投影机器人的投影方法，所述步骤B还包括：步骤B2，同步信号中带有各3D眼镜的设备编码信息，各3D眼镜接收到同步信号后，先对比同步信号中的设备编码信息是否与自身的设备编码一致，在设备编码匹配时，控制镜片通光状态。

有益效果：由于采用以上技术方案，本发明这种全视差三维显示的投影机器人及该机器人的投影方法克服已有全景立体视觉成像装置的不符合人的视觉习惯、制造成本高、视觉范围有限、缺乏实时全景拍摄能力等不足，可同时对多人提供全视差、360度的特定显示图像，并具有三维场景显示效果，显示信息量大、分辨率高。

附图说明

图1为本发明实施例中的一种全视差三维显示系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中的一种基于全视差三维显示的投影机器人的投影方法的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

参照图1，一种全视差三维显示系统，包括，

投影单元1，用于投射图像，并同时输出每一帧图像所对应的同步信号；

显示模块2，用于对投影单元1投射的图像漫反射，显示每个观察者所需的图像；

位置追踪模块3，用于获取各观察者的位置信息；

图像发生模块4，连接位置追踪模块3，根据待显示的3D场景信息和各观察者的位置信息，向投影单元1输送图像；

3D眼镜5，用于各观察者佩戴，根据与之匹配的同步信号，控制镜片的通光状态，使观察者在显示模块2上观看到具有立体视觉的图像。

其中，图像发生模块4是高性能计算机或图形工作站，需要根据3D场景模型及观察者的位置数据，针对每一个观察者，输出对应位置的视差对图像。每个观察者所看到的图像应为在观察者眼睛位置对3D场景向屏幕上的映射，而观察者的位置并不是不变的，为了保证观察者始终能看到正确的图像，图像必须根据观察者位置实时的绘制，3D场景越复杂，所需的计算量越大。同时，为了使观察者能不感觉到闪烁感，每名观察者每只眼睛看到的图像需要达到至少60Hz的刷新速度，即提供给每名观察者的图像的帧频需要为120Hz，那么如果有N个观察者，则需要输出的帧频为N*120Hz。同时，位置追踪模块3追踪观察者位置时，也需要较大的运算量，因此，需要高性能的计算机或者图形工作站才能满足这里的要求。

投影单元1为可高帧频输出图像的投影机设备，现有的投影机设备中，液晶和硅基液晶刷新频率都不能太高，现在的能做到240Hz已经属于较高的水准，只有DLP技术可以做到高帧率输出，甚至可达30000帧以上。不过DLP投影的图像为二值化图像，如果需要具有灰度的图像，需要进行脉宽调制，帧率会有较大幅度的下降。但是，如果配合照明的光源强度调制技术，如LED亮度调制技术，则下降的幅度则较小。同时，为了实现色彩，可以采用色轮技术，或者是3片式DLP技术，3片式DLP技术成本较高，但是亮度，色彩还原性，帧率等，均比色轮技术有较大优势。

进一步地，本发明一种全视差三维显示系统的较佳的实施例中，显示模块2为与屏幕法线呈22.5°到67.5°角之间具有较大增益的漫散射屏。

进一步地，本发明一种全视差三维显示系统的较佳的实施例中，位置追踪模块3用于确认360°范围内的观察者的位置，包括成像模块31和图像识别处理模块32；

成像模块31，连接3D眼镜5，用于获取设于3D眼镜5上的两个标志点的图像；

图像识别处理模块32，连接成像模块31，根据两个标志点在图像中的位置、图像中两个标志点之间的距离、以及成像模块31位置坐标，得到各观察者的位置信息。

位置追踪模块3利用普通的摄像头，结合装有图像识别软件的计算机对3D眼镜5上的标志点进行跟踪。在每个3D眼镜5的镜框上设置两个距离固定的标志点，例如红外LED，用加装可以滤除可见光的红外滤光片的普通摄像头获取图像。获取的图像中，红外LED在绝大多数情况下是最亮的点，取合适阈值，就可以把LED位置与背景分开。获取的LED在图像中的位置，反映了观察者相对于摄像头的水平角度和观察者高度，而两个LED之间的距离，则反映了观察者离摄像头的距离。这样，相当于获得了以摄像头为原点的圆柱坐标系内的观察者坐标。结合摄像头自身位置坐标，经过简单的坐标系变换，就可以获得观察者的绝对坐标。单台普通摄像头因为视角有限，无法完成360°位置捕捉的任务，可以用几台进行视场的拼接。也可以使用环带相机，则一台就可以实现360°位置捕捉的任务，原理与普通摄像头相同。

进一步地，本发明一种全视差三维显示系统的较佳的实施例中，还包括快门同步模块6，用于获取投影单元1输出的同步信号并以无线方式输出给各观察者佩戴的3D眼镜5；

同步信号中带有各3D眼镜5的设备编码信息，各3D眼镜5接收到同步信号后，先对比同步信号中的设备编码信息是否与自身的设备编码一致，在设备编码匹配时，控制镜片通光状态。

每个3D眼镜5上均有两个距离固定的标志点，以供位置追踪设备捕捉位置。另外，每个3D眼镜5上应该还设有其他标识，如互不相同的红外高反射图案，例如二维码，以供位置追踪设备区别不同的观察者。

另外，3D眼镜5应具有超高速的帧频，以匹配高速投影机的帧频，在较低频率，如几百Hz，可以通过铁电液晶实现，如果观察者较多，则可以通过两块铁电液晶板，以级联的方式，实现高速的调制。这种情况下，只有前后两块液晶板处于开状态时，眼镜片才处于开的状态，而只要有一块液晶板处于关闭状态，则整个镜片处于关闭状态，通过时钟的调制，可以把两块液晶板开启与关闭的时间差设置的很小，则可以得到很快的开关速度。

3D眼镜5在位置追踪设备中的计算机注册，将其设备码与其识别标志对应关系输入到计算机中。图像发生模块4由输入的N，决定输出帧频为120*N。摄像头以30幅/s的帧频采集一幅360°的图像，输入计算机，计算机先进行阈值分割，得到每个3D眼镜5的LED标志点及标志图案，经过坐标运算，得到每个观察者的位置。计算机根据3D场景模型及各个观察者位置，生成N个视差对图像，同时，将这些视差对图像输出给高速投影机。高速投影机将N个视差对图像投影到屏幕上，并同时向快门同步模块6输出同步信号，快门同步模块6将同步信号与3D眼镜5的设备码编码后，调制到载波上以无线方式发送，3D眼镜5接收后，对比同步信号中的设备码是否与自身的一致，如果一致则按信号中的信号控制相应镜片的开关，如果设备码不一致，则保持两个镜片关闭。于是，每个观察者都能且只能观察到属于自己的视差对图像，由此产生立体视觉。

计算机每秒所要绘制的图像总数为N*30*2幅，因为虽然每个人眼所需要的帧频为60Hz，但是实际上只要30幅的图像就可以让人感觉到连续。因为产生的图像是根据观察者位置实时绘制的，因此观察者可以观察到逼真细腻的3D场景，且具有运动视差。

本发明这种全视差三维显示系统中主动快门式三维显示系统是通过图像输出设备与快门式3D眼镜的配合，让观察者的左右眼看到稍有差别的视差对图像，以产生立体视觉。高速投影机投影出高帧频的图像，同时输出同步信号，经过快门同步系统后，被3D眼镜接收。3D眼镜根据同步信号，控制镜片的通光状态，让特定的图像进入设定的观察者眼睛。对3D的参数进行完成自动设定，不需要特有的专业人员来掌控摄像机的3D景深和3D效果的好坏。可广泛的应用于机器人视觉、动画电影、游戏等许多应用领域。

一种全视差三维显示的投影机器人，包括以上任一的全视差三维显示系统。

参照图2，一种基于全视差三维显示的投影机器人的投影方法，包括以下步骤：

步骤A，通过位置追踪模块确定各观察者的位置信息，图像发生模块根据需显示的3D场景信息和各观察者的位置信息，向投影单元输送图像；

步骤B，投影单元将图像投影到显示模块上，并同时向各观察者佩戴的3D眼镜输送同步信号；

步骤C，3D眼镜在接受到正确的同步信号后，控制镜片的通光状态，使观察者在显示模块上观看到具有立体视觉的特定图像。

进一步地，本发明一种基于全视差三维显示的投影机器人的投影方法的较佳的实施例中，步骤A中包括：

步骤A1，在3D眼镜的镜框上设置两个距离固定的标志点；

步骤A2，利用成像模块获取两个标志点的图像；

步骤A3，根据两个标志点在图像中的位置、图像中两个标志点之间的距离、以及成像模块位置坐标，算得各观察者的位置信息。

进一步地，本发明一种基于全视差三维显示的投影机器人的投影方法的较佳的实施例中，步骤B中包括：步骤B1，投影单元输出的同步信号被相应的快门同步模块获取，然后以无线通信方式输出给各观察者佩戴的3D眼镜。

进一步地，本发明一种基于全视差三维显示的投影机器人的投影方法的较佳的实施例中，步骤B还包括：步骤B2，同步信号中带有各3D眼镜的设备编码信息，各3D眼镜接收到同步信号后，先对比同步信号中的设备编码信息是否与自身的设备编码一致，在设备编码匹配时，控制镜片通光状态。

本发明这种全视差三维显示的投影机器人及该机器人的投影方法克服已有全景立体视觉成像装置的不符合人的视觉习惯、制造成本高、视觉范围有限、缺乏实时全景拍摄能力等不足，可同时对多人提供全视差、360度的特定显示图像，并具有三维场景显示效果，显示信息量大、分辨率高。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种全视差三维显示系统，其特征在于，包括，

投影单元(1)，用于投射图像，并同时输出每一帧图像所对应的同步信号；显示模块(2)，用于对所述投影单元(1)投射的图像漫反射，显示每个观察者所需的图像；

位置追踪模块(3)，用于获取各观察者的位置信息；

图像发生模块(4)，连接所述位置追踪模块(3)，根据待显示的3D场景信息和各观察者的位置信息，向所述投影单元(1)输送图像；

3D眼镜(5)，用于各观察者佩戴，根据与之匹配的同步信号，控制镜片的通光状态，使观察者在所述显示模块(2)上观看到具有立体视觉的图像。

2.根据权利要求1所述的一种全视差三维显示系统，其特征在于，所述投影单元(1)为一片或三片式DLP投影机。

3.根据权利要求1所述的一种全视差三维显示系统，其特征在于，所述显示模块(2)为与屏幕法线呈22.5°到67.5°角之间具有较大增益的漫散射屏。

4.根据权利要求1所述的一种全视差三维显示系统，其特征在于，所述位置追踪模块(3)用于确认360°范围内的观察者的位置，包括成像模块(31)和图像识别处理模块(32)；

成像模块(31)，连接所述3D眼镜(5)，用于获取设于3D眼镜(5)上的两个标志点的图像；

图像识别处理模块(32)，连接所述成像模块(31)，根据两个标志点在图像中的位置、图像中两个标志点之间的距离、以及成像模块(31)位置坐标，得到各观察者的位置信息。

5.根据权利要求1所述的一种全视差三维显示系统，其特征在于，还包括快门同步模块(6)，用于获取投影单元(1)输出的同步信号并以无线方式输出给各观察者佩戴的所述3D眼镜(5)。

6.一种全视差三维显示的投影机器人，其特征在于，包括权利要求1～5的任一所述的全视差三维显示系统。

7.一种基于全视差三维显示的投影机器人的投影方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A，通过位置追踪模块确定各观察者的位置信息，图像发生模块根据需显示的3D场景信息和各观察者的位置信息，向投影单元输送图像；

步骤B，投影单元将图像投影到显示模块上，并同时向各观察者佩戴的3D眼镜输送同步信号；

步骤C，3D眼镜在接受到正确的同步信号后，控制镜片的通光状态，使观察者在所述显示模块上观看到具有立体视觉的特定图像。

8.根据权利要求7所述的一种基于全视差三维显示的投影机器人的投影方法，其特征在于，所述步骤A中包括：

步骤A1，在3D眼镜的镜框上设置两个距离固定的标志点；

步骤A2，利用成像模块获取两个标志点的图像；

步骤A3，根据两个标志点在图像中的位置、图像中两个标志点之间的距离、以及所述成像模块位置坐标，算得各观察者的位置信息。

9.根据权利要求7所述的一种基于全视差三维显示的投影机器人的投影方法，其特征在于，所述步骤B中包括：步骤B1，投影单元输出的同步信号被相应的快门同步模块获取，然后以无线通信方式输出给各观察者佩戴的3D眼镜。

10.根据权利要求9所述的一种基于全视差三维显示的投影机器人的投影方法，其特征在于，所述步骤B还包括：步骤B2，同步信号中带有各3D眼镜的设备编码信息，各3D眼镜接收到同步信号后，先对比同步信号中的设备编码信息是否与自身的设备编码一致，在设备编码匹配时，控制镜片通光状态。