CN108303708B - 三维重建系统及方法、移动设备、护眼方法、ar设备 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种三维重建系统及方法、具有护眼功能的移动设备、应用于移动设备的护眼方法、以及AR设备，涉及三维信息技术领域。该三维重建系统包括：红外光源阵列，包括多个红外子光源，每个红外子光源用于发射红外光，不同红外子光源为相干光源；红外探测器，用于接收从目标对象反射的红外光，该反射的红外光为相干光源发射的干涉光束的反射光；计算模块，用于根据反射的红外光以及红外子光源发射的红外光计算目标对象上的反射点与红外子光源之间的参考距离；三维重建模块，用于根据多个参考距离对目标对象进行三维图像的重建。本公开的三维重建系统不仅技术难度低，而且结构简单、成本低廉。

Description

三维重建系统及方法、移动设备、护眼方法、AR设备

技术领域

本公开涉及三维信息技术领域，尤其涉及一种三维重建系统及方法、具有护眼功能的移动设备、应用于移动设备的护眼方法、以及AR设备。

背景技术

随着移动通信技术的高速发展，移动设备例如手机的应用越来越为广泛，而且智能设备的多样化功能更能吸引消费者的关注。但是，过度的沉浸于手机或者使用手机的姿势不正确，将会对眼睛造成很大的伤害，例如容易引起视疲劳或者加速近视等。因此在使用手机的过程中，提醒消费者合理并正确的使用手机十分重要。

传统的移动设备例如手机可以采用红外传感器来探测人脸到手机的距离，其工作原理为：红外光源发出红外光，光线到达人脸后发生反射，红外探测器接收反射光，并根据反射光的光强来判断人脸到手机的距离。这种探测方式无法计算出人脸各个部位与手机之间的距离，因此所得到的距离仅是人脸到手机之间的粗略距离。基于此，亟需提供一种新的基于三维图像的距离探测技术来实现精确的距离探测。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种三维重建系统及方法、具有护眼功能的移动设备、应用于移动设备的护眼方法、以及AR设备，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。

根据本公开的一个方面，提供一种三维重建系统，包括：

红外光源阵列，包括多个红外子光源，每个所述红外子光源用于发射红外光，不同所述红外子光源为相干光源；

红外探测器，用于接收从目标对象反射的红外光，该反射的红外光为所述相干光源发射的干涉光束的反射光；

计算模块，用于根据反射的红外光以及所述红外子光源发射的红外光计算所述目标对象上的反射点与所述红外子光源之间的参考距离；以及，

三维重建模块，用于根据多个所述参考距离对所述目标对象进行三维图像的重建。

本公开的一种示例性实施例中，所述三维重建系统还包括：

光源控制模块，用于控制每个所述红外子光源发射预设相位的红外光，以使所述干涉光束在所述目标对象上的目标区域增强、在所述目标对象上或者所述目标对象之外的非目标区域减弱。

本公开的一种示例性实施例中，所述红外光源阵列还包括设置在所述红外子光源的出光侧的准直透镜。

本公开的一种示例性实施例中，所述红外探测器包括红外感光器件。

根据本公开的一个方面，提供一种三维重建方法，包括：

利用红外光源阵列中的多个红外子光源发射相干的红外光，不同所述红外子光源为相干光源；

利用红外探测器接收从目标对象反射的红外光，该反射的红外光为所述相干光源发射的干涉光束的反射光；

根据反射的红外光以及所述红外子光源发射的红外光计算所述目标对象上的反射点与所述红外子光源之间的参考距离；

根据多个所述参考距离对所述目标对象进行三维图像的重建。

本公开的一种示例性实施例中，所述利用红外光源阵列中的多个红外子光源发射相干的红外光包括：

控制所述红外光源阵列中的每个红外子光源发射预设相位的红外光，以使所述干涉光束在所述目标对象上的目标区域增强、在所述目标对象上或者所述目标对象之外的非目标区域减弱。

根据本公开的一个方面，提供一种具有护眼功能的移动设备，包括上述的三维重建系统、处理模块、以及警示模块；

所述三维重建系统根据人脸的多个反射点与红外子光源之间的参考距离获取人脸的三维图像；

所述处理模块基于所述人脸的三维图像获取人眼与移动设备之间的相对位置关系并判断该相对位置关系是否满足预设结果；

所述警示模块在人眼与移动设备之间的相对位置关系满足所述预设结果时发出提示音。

本公开的一种示例性实施例中，所述预设结果包括：人眼与移动设备之间的距离小于预设距离；或者，人眼与移动设备之间的角度大于预设角度。

根据本公开的一个方面，提供一种应用于移动设备的护眼方法，包括：

利用上述的三维重建方法根据人脸的多个反射点与红外子光源之间的参考距离获取人脸的三维图像；

基于所述人脸的三维图像获取人眼与移动设备之间的相对位置关系；

在人眼与移动设备之间的相对位置关系满足预设结果时发出提示音。

根据本公开的一个方面，提供一种增强现实AR设备，包括上述的三维重建系统。

本公开示例性实施方式所提供的三维重建系统及方法，利用多光源干涉法对目标对象的不同点进行照明，则红外探测器接收到的反射光就是目标对象表面某一点的反射光，由于不同点到红外子光源的距离不同，因此通过该方法将目标对象的所有位置历遍，即可得到其三维图像信息，从而实现对目标对象的三维图像的重建。一方面，该三维重建系统利用光的干涉实现不同点的距离检测，其技术难度相对较低；另一方面，利用相干光的相位差来实现对目标对象的扫描，相比于机械扫描的复杂结构，其不仅结构简单，同时还能减少机械转动所耗费的响应时间；再一方面，利用红外探测器进行光强的检测，无需使用高分辨率的传感器或摄像头，因此成本得以降低。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示意性示出本公开示例性实施例中三维重建系统的应用架构图；

图2示意性示出本公开示例性实施例中三维重建系统的功能模块图一；

图3示意性示出本公开示例性实施例中三维重建系统的工作原理图；

图4示意性示出本公开示例性实施例中三维重建系统的功能模块图二；

图5示意性示出本公开示例性实施例中双光束干涉的实验示意图；

图6示意性示出本公开示例性实施例中三维重建方法的流程图；

图7示意性示出本公开示例性实施例中应用于移动设备的护眼方法流程图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

三维重建技术是指对三维物体建立适合计算机表示和处理的数学模型，是在计算机环境下对其进行处理、操作和分析其性质的基础，也是在计算机中建立表达客观世界的虚拟现实的关键技术。现有技术中，三维重建方法通常可以采用以下两种方式实现。其一，采用由线激光投射器、摄像头、以及外部辅助定位装置组成的手持式三维扫描装置，通过外部辅助定位装置进行激光跟踪或者在室内进行无线定位来实现三维扫描和重建，但该装置的体积较大。其二，采用具有后置摄像头和微型投影仪的手机，利用投射出的多幅结构光实现三维扫描和重建，但该装置的成本较高。

基于此，如图1所示，本示例实施方式提供一种三维重建系统10，可用于对目标对象20进行三维图像的重建。本实施例所提供的三维重建系统10具有体积小和成本低等优点，因此可适用于移动设备例如手机、AR(Augmented Reality、增强现实)设备、以及VR(Virtual Reality，虚拟现实)设备等。

图2所示为本示例实施方式所提供的三维重建系统10的功能模块图。由图可知，所述三维重建系统10主要可以包括：

红外光源阵列101，可包括图3所示的多个红外子光源100，每个红外子光源100用于发射红外光，不同红外子光源100为相干光源，即多个红外子光源100可发射相干红外光；

红外探测器102，可用于接收从目标对象反射的红外光，该反射的红外光为相干光源发射的干涉光束在目标对象的某一点的反射光；

计算模块103，可用于根据反射的红外光以及红外子光源100发射的红外光计算目标对象上的反射点与红外子光源100之间的参考距离；以及，

三维重建模块104，可用于根据多个反射点与红外子光源100的参考距离对目标对象进行三维图像的重建。

其中，所述多个反射点与红外子光源100的参考距离应当包括尽可能多的反射点的距离信息，以此获得精确度高的三维重建图像。

需要说明的是：所述反射点是指目标对象的表面接收并反射红外光干涉光束的位置，且该位置恰好为干涉光束的亮度增强点。

本公开示例实施方式所提供的三维重建系统10，利用多光源干涉法对目标对象20的不同点进行照明，则红外探测器102接收到的反射光就是目标对象20表面某一点的反射光，由于不同点到红外子光源100的距离不同，因此通过该方法将目标对象20的所有位置历遍，即可得到其三维图像信息，从而实现对目标对象20的三维图像的重建。一方面，该三维重建系统10利用光的干涉实现不同点的距离检测，其技术难度相对较低；另一方面，利用相干光的相位差来实现对目标对象的扫描，相比于机械扫描的复杂结构，其不仅结构简单，同时还能减少机械转动所耗费的响应时间；再一方面，利用红外探测器102进行光强的检测，无需使用高分辨率的传感器或摄像头，因此成本得以降低。

基于上述的三维重建系统，考虑到需要控制和调整各个红外子光源100所发射的红外光的相位，如图4所示，该三维重建系统10还可以进一步包括：

光源控制模块105，用于控制每个红外子光源100发射预设相位的红外光，以使干涉光束在目标对象上的目标区域M增强、在目标对象上或者目标对象之外的非目标区域减弱。

其中，参考图1所示，所述目标区域M是指每一次扫描过程中需要获取距离信息的部位，且本实施例优选该目标区域M为目标对象20上的一点，则该点即为干涉光束的反射点。

这样一来，通过调整每个红外子光源100所发射的红外光的相位，即可有目的的控制干涉光束仅照亮目标对象20的一目标区域M例如某一点，此时红外探测器102接收到的反射光即为该点的反射光，由此计算出的参考距离也为该点到红外子光源100之间的距离。

本示例实施方式中，所述红外光源阵列101还可以包括设置在红外子光源100的出光侧的准直透镜。这样可使红外子光源100发射的红外光变为平面波，从而简化处理过程。

本示例实施方式中，所述红外探测器102可以为红外传感器。本实施例中，所述红外探测器102可以仅包括红外感光器件，其相当于将红外摄像头的光学结构部分全部舍弃，因此体积较小。此外，在本实施例中，采用红外阵列光源的干涉光束的反射光来获得深度信息，只需要设置普通的感光元件即可进行测量，因此对于红外感光器件的分辨率要求较低，因此可以有效的降低成本。

由于本实施例是通过调节相干光的相位来实现对某一点距离的精确测量，继而得到全部视角范围内的距离信息，因此可实现任一点在任意时间的测量，使用更加方便灵活，且视角范围可达120°。

下面结合图5以双光束干涉为例对本示例的距离检测原理进行说明。两束相干光S1和S2在空间传播过程中发生干涉而相互叠加，从而形成光强的加强区和减弱区，例如杨氏双缝实验中明暗相间的条纹。

在双光束干涉的情况下，空间任一点的光强度可以通过如下公式进行计算：

I(r)＝I₁+I₂+2×[(I₁×I₂)cos(θ₁-θ₂)]²；

其中，I(r)是干涉叠加后r点处的光强，I₁和I₂分别为两束光的光强，θ₁和θ₂分别为两束光的相位。

由此可知，该r点处的光强度是加强还是减弱可由发生干涉的两束光的相位差决定。在此基础上，多光束干涉的效果将更进一步，即，多束光的干涉叠加可使空间大部分区域的光强度叠加后为零，而特定区域的光强度叠加后增强，从而实现特定小区域的光照。由于相干光发生干涉时光强度增加的区域到光源的距离是一定的，因此通过多束光干涉法照亮目标对象的某一点即可得到该点与光源的距离。

相应的，本示例实施方式还提供了一种三维重建方法，可用于对目标对象20进行三维图像的重建。如图6所示，该三维重建方法可以包括：

S1、利用红外光源阵列101中的多个红外子光源100发射相干的红外光，不同红外子光源100为相干光源；

S2、利用红外探测器102接收从目标对象反射的红外光，该反射的红外光为相干光源发射的干涉光束的反射光；

S3、根据反射的红外光以及红外子光源100发射的红外光计算目标对象上的反射点与红外子光源100之间的参考距离；

S4、根据多个反射点与红外子光源100的参考距离对目标对象进行三维图像的重建。

其中，所述多个反射点与红外子光源100的参考距离应当包括尽可能多的反射点的距离信息，以此获得精确度高的三维重建图像。

本公开示例实施方式所提供的三维重建方法，利用多光源干涉法对目标对象20的不同点进行照明，则红外探测器102接收到的反射光就是目标对象20表面某一点的反射光，由于不同点到红外子光源100的距离不同，因此通过该方法将目标对象20的所有位置历遍，即可得到其三维图像信息，从而实现对目标对象20的三维图像的重建。一方面，该三维重建系统10利用光的干涉实现不同点的距离检测，其技术难度相对较低；另一方面，利用相干光的相位差来实现对目标对象的扫描，相比于机械扫描的复杂结构，其不仅结构简单，同时还能减少机械转动所耗费的响应时间；再一方面，利用红外探测器102进行光强的检测，无需使用高分辨率的传感器或摄像头，因此成本得以降低。

基于上述的三维重建方法，在利用红外光源阵列101中的多个红外子光源100发射相干的红外光时，还可以通过光源控制模块105控制红外光源阵列101中的每个红外子光源100发射预设相位的红外光，以使干涉光束在目标对象上的目标区域M增强、在目标对象上或者目标对象之外的非目标区域减弱。这样即可有目的的控制干涉光束仅照亮目标对象20的某一点，由此计算出的参考距离即为该点到红外子光源100之间的距离。

需要说明的是：所述三维重建方法的具体细节已经在对应的三维重建系统中进行了详细的描述，这里不再赘述。

基于上述的三维重建系统及方法，考虑到其具有技术难度低、结构简单、体积小巧、成本低廉等诸多优点，本示例实施方式还提供了一种应用该三维重建系统及方法来实现护眼功能的移动设备。

图6所示为本示例实施方式所提供的具有护眼功能的移动设备的模块示意图。由图可知，所述移动设备可以包括上述的三维重建系统10、处理模块30、以及警示模块40。在此情况下，参考图1所示，所述目标对象20即为移动设备使用者的面部。

具体而言，所述三维重建系统10可以根据人脸的多个反射点与红外子光源100之间的参考距离来获取人脸的三维图像；所述处理模块30可以基于该人脸的三维图像来获取人眼与移动设备之间的相对位置关系并判断该相对位置关系是否满足预设结果；所述警示模块40可以在人眼与移动设备之间的相对位置关系满足预设结果时发出提示音。其中，所述预设结果例如可以包括：人眼与移动设备之间的距离小于预设距离；或者，人眼与移动设备之间的角度大于预设角度。

这样一来，本示例实施方式利用三维重建系统10即可实现对移动设备使用者的整个面部扫描，从而还原出使用者的面型信息。由于多束光发生干涉的亮度增强区即光斑投射的区域是通过不同红外光的相位进行控制的，因此在还原使用者面部信息的同时，处理模块30已经获取到了面部所有部位相对于移动设备的位置关系，并以此判断该相对位置关系是否满足预设结果。在此基础上，警示模块40可在该相对位置关系满足预设结果时提示移动设备使用者设备到眼睛的距离太近或者设备不在眼睛正前方等，从而预防近视或者眼球歪斜等眼部问题，达到保护使用者眼睛的目的。

相应的，本示例实施方式还提供了一种应用于移动设备的护眼方法，如图7所示，该护眼方法可以包括：

S10、利用上述的三维重建方法根据人脸的多个反射点与红外子光源100之间的参考距离获取人脸的三维图像；

S20、基于该人脸的三维图像获取人眼与移动设备之间的相对位置关系；

S30、在人眼与移动设备之间的相对位置关系满足预设结果时发出提示音。

其中，所述预设结果例如可以包括：人眼与移动设备之间的距离小于预设距离；或者，人眼与移动设备之间的角度大于预设角度。

这样一来，本示例实施方式利用三维重建方法对移动设备使用者的整个面部扫描，从而还原出使用者的面型信息。由于多束光发生干涉的亮度增强区即光斑投射的区域是通过不同红外光的相位进行控制的，因此在还原使用者面部信息的同时已经获取到了面部所有部位相对于移动设备的位置关系，并以此判断该相对位置关系是否满足预设结果。基于此，在该相对位置关系满足预设结果时提示移动设备使用者设备到眼睛的距离太近或者设备不在眼睛正前方等，从而预防近视或者眼球歪斜等眼部问题，达到保护使用者眼睛的目的。

本示例实施方式还提供了一种AR设备，包括上述的三维重建系统10。该三维重建系统10可以实现准确的空间三维重建，从而为投影叠加图像提供基础。

本示例实施方式还提供了一种VR设备，包括上述的三维重建系统10。该三维重建系统10可以实现准确的空间三维重建，从而为投影叠加图像提供基础。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。

此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其他实施例。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。

Claims (6)

1.一种具有护眼功能的移动设备，其特征在于，包括三维重建系统、处理模块、以及警示模块；所述三维重建系统包括：

红外光源阵列，包括多个红外子光源，每个所述红外子光源用于发射红外光，不同所述红外子光源为相干光源；

光源控制模块，用于控制每个所述红外子光源发射预设相位的红外光，并利用相干光的相位差对目标对象进行扫描，以使干涉光束在所述目标对象上的目标区域增强、在所述目标对象上或者所述目标对象之外的非目标区域叠加后为零；

红外探测器，用于接收从目标对象反射的红外光，该反射的红外光为所述相干光源发射的干涉光束的反射光；

计算模块，用于根据反射的红外光以及所述红外子光源发射的红外光计算所述目标对象上的反射点与所述红外子光源之间的参考距离；以及，

三维重建模块，用于根据多个所述参考距离对所述目标对象进行三维图像的重建，获取人脸的三维图像；

所述处理模块基于所述人脸的三维图像获取人眼与移动设备之间的相对位置关系并判断该相对位置关系是否满足预设结果；

所述警示模块在人眼与移动设备之间的相对位置关系满足所述预设结果时发出提示音；

所述目标区域是指每一次扫描过程中需要获取所述参考距离的部位；通过调整每个所述红外子光源所发射的红外光的相位，能控制干涉光束仅照亮所述目标对象的一目标区域。

2.根据权利要求1所述的移动设备，其特征在于，所述红外光源阵列还包括设置在所述红外子光源的出光侧的准直透镜。

3.根据权利要求1所述的移动设备，其特征在于，所述红外探测器包括红外感光器件。

4.根据权利要求1所述的移动设备，其特征在于，所述预设结果包括：人眼与移动设备之间的距离小于预设距离；或者，人眼与移动设备之间的角度大于预设角度。

5.一种应用于移动设备的护眼方法，其特征在于，包括：

利用红外光源阵列中的多个红外子光源发射相干的红外光，不同所述红外子光源为相干光源；

利用红外探测器接收从目标对象反射的红外光，该反射的红外光为所述相干光源发射的干涉光束的反射光；控制所述红外光源阵列中的每个红外子光源发射预设相位的红外光，并利用相干光的相位差对所述目标对象进行扫描，以使所述干涉光束在所述目标对象上的目标区域增强、在所述目标对象上或者所述目标对象之外的非目标区域叠加后为零；

根据反射的红外光以及所述红外子光源发射的红外光计算所述目标对象上的反射点与所述红外子光源之间的参考距离；

根据多个所述参考距离对所述目标对象进行三维图像的重建，获取人脸的三维图像；

基于所述人脸的三维图像获取人眼与移动设备之间的相对位置关系；

在人眼与移动设备之间的相对位置关系满足预设结果时发出提示音；

所述目标区域是指每一次扫描过程中需要获取所述参考距离的部位；通过调整每个所述红外子光源所发射的红外光的相位，能控制干涉光束仅照亮所述目标对象的一目标区域。

6.一种增强现实AR设备，其特征在于，包括三维重建系统，所述三维重建系统包括：

红外光源阵列，包括多个红外子光源，每个所述红外子光源用于发射红外光，不同所述红外子光源为相干光源；

光源控制模块，用于控制每个所述红外子光源发射预设相位的红外光，并利用相干光的相位差对目标对象进行扫描，以使干涉光束在所述目标对象上的目标区域增强、在所述目标对象上或者所述目标对象之外的非目标区域叠加后为零；

红外探测器，用于接收从目标对象反射的红外光，该反射的红外光为所述相干光源发射的干涉光束的反射光；

计算模块，用于根据反射的红外光以及所述红外子光源发射的红外光计算所述目标对象上的反射点与所述红外子光源之间的参考距离；以及，

三维重建模块，用于根据多个所述参考距离对所述目标对象进行三维图像的重建，获取人脸的三维图像；

所述目标区域是指每一次扫描过程中需要获取所述参考距离的部位；通过调整每个所述红外子光源所发射的红外光的相位，能控制干涉光束仅照亮所述目标对象的一目标区域。

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