CN109729760A - 即时180度3d成像和回放方法 - Google Patents

即时180度3d成像和回放方法 Download PDF

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Abstract

本发明包括一个成像系统，其中正确设置并对准两个相机，两个摄像机被适当地定位和瞄准，使得中央视野为高分辨率的3D，而左、右边缘视场为单目的，从而提供了很宽的总视野。

Description

即时180度3D成像和回放方法
关于联邦政府资助的研究或开发的声明
不适用
参考序列表，表格或计算机程序，列表光盘附录
不适用
背景技术
本发明涉及成像显示方法，提供一种即时拟180度的3D成像和回放。虽然拟180度是主要的应用模式，成像和显示的总水平角不限于180度，而是可以覆盖直至完全360度的任意广角。并且，总垂直角也不限于附图所显示的实例。例如，成像和显示的双眼融合视野可以是半球形圆顶。
更具体地，本发明的设计分别利用左眼和右眼两个视野的部分重合。两个视野的重合部分相当于3D深度视觉。非重合的部分为单眼的，并且不提供视觉视差，但它们却把同时视野扩展到为几乎整个半球。人类视觉系统中重合和非重合部分的边界是存在的并且可以在对照实验中测量，但此种边界的主观视觉很弱并且是下意识的，很大的可能是由于大脑强大的视觉学习能力以及边界所在之处的低视觉敏感度。
一方面，IMAX和球幕影院的宽屏单眼放映可以提供广阔的视野，但它们是单眼的——不能提供视差带来的深度视觉。另一方面，诸如3D电影和3D头盔式放映的3D放映虽然提供了深度视觉，但视野有限。本发明中提供的成像和显示的新方法同时提供即时宽视野和重合子视野中的物体的3D感知。
现代虚拟现实头盔式显示器(HMD)需要在视野、显示屏像素数目、以及成本之间进行取舍。例如，一种消费级耳机，Oculus Rift，虽然允许3D显示，但折中处理了视野。相对狭窄的视野给人一种从小窗户观看的感觉。虽然小窗户可以在不同时间切换到场景的不同部位，但没有办法得到即时的宽视野。本发明的即时180度3D，也即即时半球3D，能够在影剧/内容制作、电影、广告、博物馆、康复、手术、虚拟现实、以及电子游戏中提供更强的沉浸感。当用于人类互动实时教机器学习的情形时，此种新的成像显示方法为机器学习者提供更强的沉浸感，也为教师提供了一种更加一致的体验，因为机器所能即时看到的和人类教师看到的是一致的。这将造就更强大的机器，并减少人类训练者的错误。
另外一款HMD虚拟现实耳机，StarVR，利用有着大量像素的单显示屏把通常的视野扩展为210°x 130°。这需要昂贵的菲涅尔镜片，即每眼包含众多镜片的镜片。但它可能不会渲染3D，因为没有提供3D相关的信息。本发明利用人眼周边区域的低敏感度，在双眼的每一眼增加了一个成本相当低的半分辨率单眼面板。
因此，即时水平视野增加到360度，而总像素数目以及需要渲染、存储和传输的数据只是适度增加。因此，我们预计显示设备的成本相对于传统的头盔显示器仅适度增加。与2D影院相比，I180度3D影院的成像设备和投影设备预计也会有类似的适度成本增加。
专利号为6529331的美国专利公开的宽视野HMD也应用拟180度的视野。他们使用大量的显示面板来实现这种视野，显示面板彼此之间构成一定夹角，以产生弯曲屏幕的错觉。但是，此专利可能不提供3D，因为没有提供3D相关的信息。假如此发明使用大量显示面板，面板之间的这些夹角和间隙将会落入眼睛的高敏感区域，可能为头盔佩戴者所察觉，从而降低感知质量。相比之下，本发明仅在每一眼的低敏感部位引入两个间隙。就如同汽车的挡风板边界一样，如果相应的面板很可能是连接在一起的，以减小间隙，这两个间隙可能不会太明显。
目前的虚拟现实头盔是用来打游戏和观看预制的内容。这些头盔在创作-回放的循环中播放创作的内容，而不能连接外部相机以播放来自已连接相机的即时记录。
目前的虚拟现实头盔使用物理上分开的一个屏幕或两个单独的屏幕来创建双目显示器，来为每一眼显示重叠的影像。没有大的曲面屏幕，这种每眼单屏幕是不能显示完整的周边视野的。完整的周边视野可以通过在每个屏幕之间用不显眼的小边框分隔的多个屏幕来创建。
对2D内容的向后兼容很重要，这样HMD的内容就可以不必仅是3D的了。由三星电子有限公司开发，并在美国专利2006/0139448A1(2004年12月29申请)中概述的方法通过自动检测流的类型，允许在2D和3D之间无缝转换。此技术允许屏幕的某些区域是3D的，而其他区域则不是。
发明内容
本发明包括一个成像系统，其中两个相机被正确地设置并对准，使得中央视野为高分辨率的3D，而左、右边缘视场为单眼的，从而提供了很宽的总视野。
本发明还包括一个有着宽视野和高分辨率的再现系统。所述再现系统即时播放来自成像系统的内容。使得使用者感觉与成像中的事件是同步的。所述事件也可以是预先录制并之后回放的。
所述再现系统可以是位于具有宽屏幕或者穹顶的影院。观看者佩戴立体眼镜(例如，偏振或者电子快门)，使得每只眼睛仅看到两个影像中的一个。或者，再现系统可以是可穿戴系统，其显示屏非常靠近观看者的眼睛，因此这种很小的可穿戴设备可提供宽视角。例如，虚拟现实头盔式显示器(HMD)，以有线的或者是无线的，实时的或者是离线的方式通过存储设备或者互联网连接到成像系统。
再现系统在水平方向180度左右使用接近人类视觉的整个视野。它在中央使用高分辨率，
在周边视野使用较低分辨率。这使得成本可控，而不会降低整体沉浸体验。
播放方面，本发明的一个实施例使用至少两片面板，其边缘的分辨率降低。面板是弯曲的，使得所有区域的镜片和屏幕等距离。另外一个实施例中，屏幕分成四个，使得中心视觉和边缘视觉构成一定角度。此实施例中，屏幕尽可能紧密地连接，以免远离体验。
本发明的摄像机镜头得到优化，能够在本发明的HMD上观看。镜头向后兼容，能够在任何立体装置上观看。仅需利用一个相机的录像，就能够与任何二维的播放装置向后兼容。
为了减少长时间观看的疲劳，本发明的设计旨在最小化重量的不平衡。例如，用于视频播放的手机放置在脑后部，以便和显示目镜的前部组件的重量平衡。
如果图像采集时每个像素的投影线和图像再现时对应像素的投影线的3D方向相同，则物理投影一致性得到保持。这种一致性对于要求一致性的应用是必须的，诸如物理瞄准、物理拍摄、以及物理操作。一致性的质量可能受到相机镜头失真和显示面板失真的影响，但可以通过使用数字图像处理软件或者硬件进行校准来最小化。
向下兼容是可取的：常规3D和2D的内容在本发明的任何i180系统上播放是可取的。
向上兼容也是有用的：i180度3D内容可以在任何没有完整i180度3D性能的3D和2D系统上观看。
i180度3D双向兼容标准(2CS)与图像和视频的常规3D、2D标准是向下和向上兼容的，不需要对现有系统进行任何修改。其使用文件扩展名的多级系统，从右向左为从低到高。
附图说明
图1显示了成像配置的设计示意图，与人眼如何形成视野其角度相一致。两个相机没有像传统配置那样可以聚焦或者平行瞄准。相反地，两个相机发散，形成所需的六个视野：左相机的左边缘、左中央发散、左中央会聚，以及右相机的右中央会聚、右中央发散、右边缘。显示的总视角即时跨越所需的180度。可选地，两个相机的组合视野可以跨越整个半球。
图2显示了与成像配置一致的显示配置的设计示意图。显示的总视角即时跨越所需的180度。可选地，两个相机的组合视野可以跨越整个半球。
图3显示了显示面板的三个实施例，包括纵横比和单个显示面板(平面或曲面)。
图4显示了即时共同跨越180度的双眼融合的主观视场的三个实施例。
图5所示的可穿戴显示器的再现装置位于头后部，以平衡重量。
具体实施方式
本发明公开了一个头盔式显示器和3D相机之间的系统。本系统中，头盔式显示器和3D相机通过互联网连接。该连接使得相机录制的内容即时在HMD上播放。相机和HMD都连接到用于收发数据的主机。在一个实施例中，该主机是能上网的手机。
本发明还公开了一个宽视野高分辨率的虚拟现实头盔式显示器。耳机利用多个镜头和至少两个屏幕来达到水平180度的视野。每眼包括含有至少90度的双目区域每眼的135度视野。图2的实施例显示如何配置屏幕与眼睛之间的关系，以及180视野是如何创建的。
图2中，每个眼睛的两个中央区域，标记为LCD、LCC以及RCC、RCD，构成了显示器的双目区域。外部区域，即图2中的RP和LP，构成了每眼的单目区域。这种单目区域与传统头盔具有重要的区别，单目区域添加了传统耳机所缺失的每个眼睛的边缘视野。
本发明的一个实施例包含两个弯曲屏幕，以便取得180度的视野。在图3(c)可以看到这种设置的一个例子。每个弯曲屏幕都有一个点，在该点跳转到较低的分辨率以节省每个屏幕的成本，在图3(c)中标记为RP和LP。
本发明的另外一个实施例在视野方面使用4个平板屏幕。在图3(a)和(b)中可以看到这种设置的一个例子。两个屏幕中央区域的每一个都有着较高的分辨率，在图3(a)和(b)中标为LCD、LCC、RCC、RCD。边缘外围屏幕有着较低于中央屏幕的分辨率，在图3(a)和(b)中标记为RP和LP。
边缘部分和屏幕的这些低分辨率降低了头盔的成本。这种分辨率变化带来的另一个好处是网络带宽的降低。例如，边缘区域水平和竖直方向的分辨率都降低50％。因为边缘区域尺寸是双目区域水平方向尺寸的一半，两个边缘区域需要的带宽仅仅是中央区域带宽的八分之一。分辨率的降低并没有造成体验质量的降低，因为分辨率在边缘视野降低，而人类视觉在边缘视野的敏感度远远低于有着全分辨率的中央区域的敏感度。
为了正确地观看播放的内容，本发明为每只眼睛包括的镜片放大并且创建了让用户身临其境的效果。头盔上包括调整两眼之间距离和镜片高度的调节器，以便头盔适合每个用户。这种可调节性使得戴眼镜的用户在使用本发明的时候不需要戴他们的眼镜。
远离眼睛的影像对两只眼睛都是可见的，因此需要特殊的技术让每只眼睛看到其所应当看的。创建此效果有多种途径。美国专利20020021832(2001年6月28日申请)概述了一个实施例，该实施例中，头盔使用立体图来分离每只眼睛所要看的影像。美国专利20070008406(2006年7月10日申请)概述了另外一个实施例，头盔使用极化让眼睛看到正确的内容。美国专利20050117216(2004年11月24日申请)概述了另外一个实施例，该实施例中，使用电子快门显示快速交替的左眼和右眼的影像，而仅让每只眼睛看到其该看的。另外一个实施例中，头盔使用物理屏障分离每只眼睛的影响，确保每只眼睛始终能够看到正确的图像。
对于近眼显示器(如HMD)，显示屏非常靠近眼睛，因此每只眼睛都可以从分配给它的显示屏的唯一正确一侧看到图像，而不需要【0032】段的技术。对于此种近眼显示器，屏与眼睛的距离至关重要，因为每个屏必须显示精确的视野。图1和图2显示了这是如何相关的。如果显示器移开较远，视野将太小。
头盔需要通过端口(例如微型USB)，或者无线(例如Wi-Fi)连接到主机。主机为机器学习引擎提供了计算中心。一个实施例中，主机是便携式设备。例如，高端的智能手机可以作为主机。
对于使用智能手机作为主机的实施例，头盔在头后部为主机设置支架，HMD可以在此处为主机设置连接器，并且主机的重量用来与HMD取得平衡。这种平衡将减少长时间观看的佩戴者的颈部压力。
头盔包括改善佩戴者身体体验的若干功能。头盔可以在视图区域内包括通风口，以排出热气和湿气。在一个实施例中，该通风口配置一个或者多个风扇，保持空气可以持续流进和流出头盔。
头盔可以包括依靠脸部，特别是鼻子，以舒适地支撑自身的结构。在一个实施例中，此结构是适应多种脸部形状或眼镜的泡沫条。此结构避免佩戴者触碰镜头，并且镜头不会被眼睛、睫毛或其他事物碰脏。此结构不是主支撑点，因为鼻子承受过重的重量会使得头盔让人很快不舒服。
本发明还公开了一个广角双目相机系统，其中相机系统使用两个广角鱼眼镜头相机。
两个相机分开，使得它们能够从人眼能捕捉到的角度捕捉视频。相机之间同步，使得录像是同一时间的。
两个相机的镜头拼接在一起以同时捕捉。这使得视频能够立即在连接的设备上播放。该系统包括一个纠正鱼眼镜头失真图像的系统。
本发明包括使用固定焦距以更一致地捕捉视频的相机。每个相机还使用自动对焦和自动曝光。
本发明配置有麦克风、加速度计和陀螺仪。这些传感器使得相机能够把动作和声音传递到所连接的设备上的录制和同步播放。
相机系统使用Wi-Fi或者微型USB连接到主机。在一个实施例中，主机是便携式设备。例如，可以使用高端智能手机作为主机。主机提供用于图像再现的计算中心，并且还可能用于机器学习。
i180度3D的双向兼容方案使用三级的文件扩展名。例如，myfile.i180.left.jpg有三级文件扩展名，一级：jpg，二级：left，三级：i180。I180°成像系统生成三个影像(或视频文件或者视频直播链接)，例如，myimage.i180.left.jpg、myimage.i180.right.jpg、myimage.i180.per.jpg。影像播放的基文件名仅为myimage.i180.left.jpg(或者myimage.i180.right.jpg)，其中三级文件扩展名i180告诉具有i180功能的系统，它是一个具有两个附加文件的i180格式。
首先考虑单目的情形。例如“viewer myimage.i180.left.jpg”，对于传统的单目装置，其单目播放仅加载和播放myimage.i180.left.jpg，因为其不具备i180功能。同样，对于传统的单目装置，“viewer myimage.i180.right.jpg”仅加载和播放myimage.i180.right.jpg。
其次，考虑传统的立体声播放装置。有一些立体声文件命名约定，如myfile.left.jpg、myfile.right.jpg、myfile.l.jpg、myfile.r.jpg。二级文件扩展名left或者1，以及right或者r，告诉播放装置还有另外一个可用文件。立体声装置在执行命令“stereoviewer myfile.i180.left.jpg”的时候，在加载myfile.i180.left.jpg后也加载myfile.i180.right.jpg。同样，“stereoviewer myfile.i180.right.jpg”在加载myfile.i180.right.jpg后也加载myfile.i180.left.jpg。
第三，考虑i180装置。立体声装置“i180viewer”在执行命令“i180viewermyfile.i180.left.jpg”时，不仅会加载myfile.i180.left.jpg，还会加载myfile.i180.right.jpg，最后还加载myfile.i180.per.jpg，其中myfile.i180.per.jpg是左边缘视场和右边缘视场的文件名。如果仅找不到文件myfile.i180.per.jpg，在i180装置显示3D影像，而两个边缘面板都是黑屏(但如果错误报告标志是打开的，会报告边缘视场文件找不到)。这说明i180viewer和传统2D设备的内容是向下兼容的。如果进一步，i180.right.jpg文件也找不到，i180viewer仅在左右中央面板播放文件myfile.i180.left.jpg(但如果错误报告标志是打开的，会报告仅找到单边视场文件)。这说明i180viewer和传统1D设备的内容是向下兼容的。
相同的双向兼容方案对于其他类型的硬件和软件功能都是适用的，例如拷贝和网络连接。
传统上，如果软件需要几个不同的文件，它会输入文件主名，例如myfile，然后生成和处理具有相应的一级文件扩展名的其他文件，例如myfiles.jpg和myfile.tiff。本发明所提出的三级文件扩展名方案不仅使得i180系统能够播放传统的3D和2D影像，传统的3D和2D系统也能够使用i180系统的内容。后者的情形，功能是完整的。
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Claims (8)

1.一种双目录像与双目回放方法，其特征在于包括：
具有两个相机的录像装置；
具有两个影像播放装置的回放装置。
2.如权利要求1所述的双目录像方法，其特征在于所述两个相机是摄像机或者胶片记录仪，把时变序列流记录到录像媒介，具有中央双目、左单目、和右单目三个视场。
3.如权利要求1所述的双目录像方法，其特征在于所述两个相机是数码相机，把静态图像记录到录像媒介，具有中央双目、左单目、和右单目三个视场。
4.如权利要求1所述的双目回放方法，其特征在于所述两个双目播放装置是电影放映机、视频放映机、或者电视屏幕，从录像媒介播放时变序列流，具有中央双目、左单目、和右单目三个视场。
5.如权利要求1所述的双目回放方法，其特征在于所述两个双目播放装置是静态图像投影仪或者影像播放装置，从录像媒介播放静态图像，具有中央双目、左单目、和右单目三个视场。
6.一种头盔播放装置，接收来自移动电话或者手提影像播放器的影像信号，其特征在于移动电话或者手提影像播放器放置在头盔佩戴者的脑后部，而头盔播放器放置在头盔佩戴者胸前。
7.如权利要求1所述的物理一致性，其特征在于所采集图像的每个像素的投影线和图像再现时对应像素的投影线的3D方向相同或者尽可能相同。
8.如权利要求1所述的双向兼容性，其特征在于文件主名具有多级别的文件扩展名。
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