CN110502106A - 一种基于3d动态触摸的交互式全息显示系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于3D动态触摸的交互式全息显示系统及方法，属于全息3D显示和计算机视觉交叉技术领域。本发明通过数字全息3D再现装置在空中再现真实的3D图像。触摸检测装置拍摄用户动态触摸空中3D图像的场景并传输给主控制器。主控制器根据用户触摸空中3D图像时的散射光信息检测用户指令，并根据用户指令加载相应的全息图到数字全息3D再现装置，再现新的空中3D图像。本发明实现了用户与空中再现的多个3D图像的动态触摸交互，用户能够通过直接触摸控制空中3D图像的转动方向和转动角度。与以往非触摸的交互方式相比，本发明能够给用户带来更加真实、自由、丰富的交互体验，进一步提升了对用户的吸引力。

Description

一种基于3D动态触摸的交互式全息显示系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于3D动态触摸的交互式全息显示系统及方法，属于全息3D显示和计算机视觉交叉技术领域。
背景技术
人机交互正朝着更自然和直观的方式发展，2D的屏幕触摸方式已越来越难以满足人们对交互过程中真实体验的需求。目前研究较多的是基于手势的3D交互方式，但是基于手势的交互方式用户无法与交互对象进行直接接触。因此，期望3D显示技术与用户交互界面更好的结合，探索更多的交互方式，以提供更加丰富、自然、真实的交互体验。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种基于3D动态触摸的交互式全息显示系统及方法，本发明能用户能够直接触摸空中再现的3D图像进行交互。能够在空中再现真实的3D图像，用户可以通过触摸选择要交互的对象，通过触摸滑动控制空中3D图像的转动。
本发明技术方案是：一种基于3D动态触摸的交互式全息显示系统，包括主控制器、数字全息3D再现装置和触摸采集装置；
所述主控制器用于对接收自触摸采集装置的场景图像进行处理得到用户触摸指令，并且根据用户触摸指令生成新的全息图并加载对应的全息图到数字全息3D再现装置；
所述数字全息3D再现装置用于接收主控制器传输的全息图，并实现全息图的空中3D再现；其中数字全息3D再现装置包括空间光调制器、数字全息3D再现光路和全息屏幕；空间光调制器与主控制器通过HDMI接口连接，用于接收主控制器传输的全息图，并呈现在Lcos(硅基液晶)相位微显示器上；数字全息3D再现光路用于生成平行光，使用平行光与Lcos相位微显示器上的全息图发生衍射，并将衍射光反射到全息屏幕上；全息屏幕用于接收数字全息3D再现光路反射来的衍射光，在空中再现真实的3D图像；
所述触摸采集装置采用一部放置在全息屏幕正后方的摄像机，与主控制器通过USB连接，用于拍摄用户与空中3D图像的触摸并实时传输给主控制器处理。
进一步地，所述主控制器是一台安装python软件的PC。
进一步地，所述数字全息3D再现光路用于生成平行光，并用平行光与Lcos微相位显示器上的全息图发生衍射，最后将衍射光反射至全息屏幕；具体包括激光器、扩束镜、起偏器、准直镜、光阑、检偏器、投影透镜。
一种基于3D动态触摸的交互式全息显示方法，所述方法的具体步骤如下：
Step1、主控制器将预设的全息图加载至数字全息3D再现装置；
Step2、数字全息3D再现装置接收主控制器传输的全息图，并在空中呈现真实的3D图像；
Step3、触摸采集装置拍摄交互区域的场景，并实时传输给主控制器处理；
Step4、主控制器接收触摸采集装置传输的场景图像并进行处理，根据用户触摸空中3D图像时产生的散射光信息，识别出用户触摸指令和触摸的空中3D对象；其中触摸指令包括转动方向和转动角度；
Step5、主控制器根据识别到的用户动态触摸指令，包括转动方向和转动角度，生成新的全息图并加载对应的全息图至数字全息3D再现装置，再现新的空中3D图像。
进一步地，所述Step4中得到转动方向和转动角度的具体步骤如下：
Step4.1、首先接收触摸采集装置传输的场景图像，将没有用户触摸时的图像作为背景图像存储起来；
Step4.2、用接收到的用户触摸时的图像减去背景图像，再通过阈值处理生成仅剩下散射光的图像；
其中如果像素值不在再现的空中3D图像颜色范围之内则将像素设置为0；
Step4.3、对得到的散射光图像使用圆滤波器滤波，减少图像的噪声；
Step4.4、接着找出图像像素中的最大值，此最大值的像素点位置被认为是用户指尖的位置；
Step4.5、接着计算最大值像素点坐标周围像素点颜色的平均值，此平均值作为散射光的颜色；
Step4.6、将计算得到的散射光颜色信息与再现的空中3D图像颜色进行比较，以这种方式确定用户触摸的是哪个再现的空中3D图像；
Step4.7、将带有用户触摸信息的图像按时间顺序组成一个图像序列，提取图
ˉˉ像序列中检测到的用户指尖位置坐标，计算指尖坐标序列的平均坐标(x,y)，参考式(1)，m代表坐标序列总数，i代表坐标序列的排序，xi就是序列中第i个坐标的横坐标，yi就是序列中第i个坐标的纵坐标；以序列中用户第一个指尖坐标(x1,y1)为起始点，计算起始点和平均坐标的角度，此角度为用户指尖触摸滑动的方向；
Step4.8、计算上述图像序列中用户指尖起始点坐标与结束点坐标的欧式距离记为h，由式(2)计算得到用户指尖实际划动的距离H，其中，D为3D图像的投放半径，f为摄像机焦距；
Step4.9、检索用户指尖所触摸的空中3D图像的宽度，记为B；由公式(3)计算得到用户指尖触摸转动的角度α；
本发明的有益效果是：
1本发明提供了一种新颖的交互系统，基于3D动态触摸的交互式全息显示系统。本系统能根据用户触摸空中3D图像时产生的散射光信息识别用户的动态触摸。用户可以通过动态触摸划动控制空中3D图像的转动方向和角度；本发明丰富了人机交互方式，能够提供准确的视觉感知和更加自然、真实的交互体验；
2、本系统实现了用户与空中再现3D图像的动态触摸交互，这与以往的人机交互方式不同，能够使用户投入更多的精力和兴趣在此，基于3D动态触摸的交互式全息显示系统，进一步提升对用户的吸引力，丰富了人机交互方式，或许是未来人机交互方式的发展方向之一；
3、它能够在空中再现真实的3D图像，用户可以通过触摸选择要交互的对象，通过触摸滑动控制空中3D图像的转动；本发明提供了一种与空中3D图像直接触摸的交互方式，使得交互更加真实，自然，极大的提高了人机交互的互动效率和对用户的吸引力。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图；
图2是本发明数字全息3D再现光路示意图；
图3是本发明3D触摸交互概念模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1-3所示，一种基于3D动态触摸的交互式全息显示系统，包括主控制器、数字全息3D再现装置和触摸采集装置；
所述主控制器用于对接收自触摸采集装置的场景图像进行处理得到用户触摸指令，并且根据用户触摸指令生成新的全息图并加载对应的全息图到数字全息3D再现装置；
所述数字全息3D再现装置用于接收主控制器传输的全息图，并实现全息图的空中3D再现；其中数字全息3D再现装置包括空间光调制器、数字全息3D再现光路和全息屏幕；空间光调制器与主控制器通过HDMI接口连接，用于接收主控制器传输的全息图，并呈现在Lcos相位微显示器上；数字全息3D再现光路用于生成平行光，使用平行光与Lcos相位微显示器上的全息图发生衍射，并将衍射光反射到全息屏幕上；全息屏幕用于接收数字全息3D再现光路反射来的衍射光，在空中再现真实的3D图像；
所述触摸采集装置采用一部放置在全息屏幕正后方的摄像机，与主控制器通过USB连接，用于拍摄用户与空中3D图像的触摸并实时传输给主控制器处理。
进一步地，所述主控制器是一台安装python软件的PC。
进一步地，所述数字全息3D再现光路用于生成平行光，并用平行光与Lcos微相位显示器上的全息图发生衍射，最后将衍射光反射至全息屏幕；具体包括激光器、扩束镜、起偏器、准直镜、光阑、检偏器、投影透镜。
一种基于3D动态触摸的交互式全息显示方法，所述方法的具体步骤如下：
Step1、主控制器将预设的全息图加载至数字全息3D再现装置；
Step2、数字全息3D再现装置接收主控制器传输的全息图，并在空中呈现真实的3D图像；
Step3、触摸采集装置拍摄交互区域的场景，并实时传输给主控制器处理；
Step4、主控制器接收触摸采集装置传输的场景图像并进行处理，根据用户触摸空中3D图像时产生的散射光信息，识别出用户触摸指令和触摸的空中3D对象；其中触摸指令包括转动方向和转动角度；
Step5、主控制器根据识别到的用户动态触摸指令，包括转动方向和转动角度，生成新的全息图并加载对应的全息图至数字全息3D再现装置，再现新的空中3D图像。
进一步地，所述Step4中得到转动方向和转动角度的具体步骤如下：
Step4.1、首先接收触摸采集装置传输的场景图像，将没有用户触摸时的图像作为背景图像存储起来；
Step4.2、用接收到的用户触摸时的图像减去背景图像，再通过阈值处理生成仅剩下散射光的图像；
其中如果像素值不在再现的空中3D图像颜色范围之内则将像素设置为0；
Step4.3、对得到的散射光图像使用圆滤波器滤波，减少图像的噪声；
Step4.4、接着找出图像像素中的最大值，此最大值的像素点位置被认为是用户指尖的位置；
Step4.5、接着计算最大值像素点坐标周围像素点颜色的平均值，此平均值作为散射光的颜色；
Step4.6、将计算得到的散射光颜色信息与再现的空中3D图像颜色进行比较，以这种方式确定用户触摸的是哪个再现的空中3D图像；
Step4.7、将带有用户触摸信息的图像按时间顺序组成一个图像序列，提取图像序列中检测到的用户指尖位置坐标，计算指尖坐标序列的平均坐标参考式(1)，m代表坐标序列总数，i代表坐标序列的排序，xi就是序列中第i个坐标的横坐标，yi就是序列中第i个坐标的纵坐标；以序列中用户第一个指尖坐标(x1,y1)为起始点，计算起始点和平均坐标的角度，此角度为用户指尖触摸滑动的方向；
Step4.8、计算上述图像序列中用户指尖起始点坐标与结束点坐标的欧式距离记为h，由式(2)计算得到用户指尖实际划动的距离H，其中，D为3D图像的投放半径，f为摄像机焦距；
Step4.9、检索用户指尖所触摸的空中3D图像的宽度，记为B；由公式(3)计算得到用户指尖触摸转动的角度α；
本发明的工作原理是：
所述主控制器可以是安装python软件的PC。所述主控制器加载全息图至空间光调制器，是利用基于python语言开发的Psychopy工具箱，把空间光调制器作为PC的第二屏幕，只需要将加载的全息图显示在第二幕上，就成功把全息图加载至空间光调制器。
所述数字全息3D再现装置由空间光调制器、数字全息3D再现光路和全息屏幕组成。其中，数字全息再现光路如图2所示，包括激光器、扩束镜、起偏器、准直镜、光阑、检偏器、投影透镜。用于生成平行光，并用平行光与Lcos微相位显示器上的全息图发生衍射，最后将衍射光反射至全息屏幕；所述全息屏幕是体积反射型，具有波长选择性，只有具有特定波长的窄带光才会被衍射，因此用户触摸空中3D图像产生的散射光在经过全息屏幕时不会衍射。所述数字全息3D再现装置如图3所示，数字全息3D再现装置在全息屏幕前方空中再现3D图像，再现的空中3D图像包括蓝色部分(图3中的长方体)和红色部分(图3中的球形)。当用户使用指尖触摸空中3D图像的红色部分时，红色部分的光线被指尖散射，形成红色散射光被触摸采集转置被捕捉。
所述触摸采集装置包括摄像机一部，如图3所示，摄像机放置在全息屏幕正后方，因全息屏幕是透明的，当用户使用指尖触摸空中3D图像时，空中3D图像的光线被指尖散射，生成的散射光被摄像机采集到，并实时传输至主控制器处理。
所述主控制器识别用户触摸指令，算法处理流程原理是：首先接收触摸采集装置传输的场景图像，将没有用户触摸时的图像作为背景图像存储起来；用接收到的用户触摸时的图像减去背景图像，再通过阈值处理(其中如果像素值不在再现的空中3D图像颜色范围之内则将像素设置为0)生成仅剩下散射光的图像；对得到的散射光图像使用圆滤波器滤波，减少图像的噪声；接着找出图像像素中的最大值，此最大值的像素点位置被认为是用户指尖的位置；接着计算最大值像素点坐标周围像素点颜色的平均值，此平均值作为散射光的颜色；将计算得到的散射光颜色信息与再现的空中3D图像颜色进行比较，以这种方式确定用户触摸的是哪个再现的空中3D图像；将带有用户触摸信息的图像按时间顺序组成一个图像序列，提取图像序列中检测到的用户指尖位置坐标，计算指尖坐标序列的平均坐标参考式(1)，m代表坐标序列总数，i代表坐标序列的排序，xi就是序列中第i个坐标的横坐标，yi就是序列中第i个坐标的纵坐标。以序列中用户第一个指尖坐标(x1,y1)为起始点，计算起始点和平均坐标的角度，此角度为用户指尖触摸滑动的方向；
计算上述图像序列中用户指尖起始点坐标与结束点坐标的欧式距离记为h，由式(2)计算得到用户指尖实际划动的距离H，其中，D为3D图像的投放半径，f为摄像机焦距；
检索用户指尖所触摸的空中3D图像的宽度，记为B。由公式(3)计算得到用户指尖触摸转动的角度α。
所述主控制器根据识别到的用户动态触摸指令(划动方向和划动角度)，生成新的全息图，并加载对应的全息图至数字全息3D再现装置，再现新的空中3D图像。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种基于3D动态触摸的交互式全息显示系统，其特征在于：包括主控制器、数字全息3D再现装置和触摸采集装置；
所述主控制器用于对接收自触摸采集装置的场景图像进行处理得到用户触摸指令，并且根据用户触摸指令生成新的全息图并加载对应的全息图到数字全息3D再现装置；
所述数字全息3D再现装置用于接收主控制器传输的全息图，并实现全息图的空中3D再现；其中数字全息3D再现装置包括空间光调制器、数字全息3D再现光路和全息屏幕；空间光调制器与主控制器通过HDMI接口连接，用于接收主控制器传输的全息图，并呈现在Lcos相位微显示器上；数字全息3D再现光路用于生成平行光，使用平行光与Lcos相位微显示器上的全息图发生衍射，并将衍射光反射到全息屏幕上；全息屏幕用于接收数字全息3D再现光路反射来的衍射光，在空中再现真实的3D图像；
所述触摸采集装置采用一部放置在全息屏幕正后方的摄像机，与主控制器通过USB连接，用于拍摄用户与空中3D图像的触摸并实时传输给主控制器处理。
2.根据权利要求1所述的基于3D动态触摸的交互式全息显示系统及方法，其特征在于：所述主控制器是一台安装python软件的PC。
3.根据权利要求1所述的基于3D动态触摸的交互式全息显示系统及方法，其特征在于：所述数字全息3D再现光路用于生成平行光，并用平行光与Lcos微相位显示器上的全息图发生衍射，最后将衍射光反射至全息屏幕；具体包括激光器、扩束镜、起偏器、准直镜、光阑、检偏器、投影透镜。
4.一种基于3D动态触摸的交互式全息显示方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：
Step1、主控制器将预设的全息图加载至数字全息3D再现装置；
Step2、数字全息3D再现装置接收主控制器传输的全息图，并在空中呈现真实的3D图像；
Step3、触摸采集装置拍摄交互区域的场景，并实时传输给主控制器处理；
Step4、主控制器接收触摸采集装置传输的场景图像并进行处理，根据用户触摸空中3D图像时产生的散射光信息，识别出用户触摸指令和触摸的空中3D对象；其中触摸指令包括转动方向和转动角度；
Step5、主控制器根据识别到的用户动态触摸指令，包括转动方向和转动角度，生成新的全息图并加载对应的全息图至数字全息3D再现装置，再现新的空中3D图像。
5.根据权利要求4所示的一种基于3D动态触摸的交互式全息显示方法，其特征在于：所述Step4中得到转动方向和转动角度的具体步骤如下：
Step4.1、首先接收触摸采集装置传输的场景图像，将没有用户触摸时的图像作为背景图像存储起来；
Step4.2、用接收到的用户触摸时的图像减去背景图像，再通过阈值处理生成仅剩下散射光的图像；
其中如果像素值不在再现的空中3D图像颜色范围之内则将像素设置为0；
Step4.3、对得到的散射光图像使用圆滤波器滤波，减少图像的噪声；
Step4.4、接着找出图像像素中的最大值，此最大值的像素点位置被认为是用户指尖的位置；
Step4.5、接着计算最大值像素点坐标周围像素点颜色的平均值，此平均值作为散射光的颜色；
Step4.6、将计算得到的散射光颜色信息与再现的空中3D图像颜色进行比较，以这种方式确定用户触摸的是哪个再现的空中3D图像；
Step4.7、将带有用户触摸信息的图像按时间顺序组成一个图像序列，提取图像序列中检测到的用户指尖位置坐标，计算指尖坐标序列的平均坐标参考式(1)，m代表坐标序列总数，i代表坐标序列的排序，xi就是序列中第i个坐标的横坐标，yi就是序列中第i个坐标的纵坐标；以序列中用户第一个指尖坐标(x1,y1)为起始点，计算起始点和平均坐标的角度，此角度为用户指尖触摸滑动的方向；
Step4.8、计算上述图像序列中用户指尖起始点坐标与结束点坐标的欧式距离记为h，由式(2)计算得到用户指尖实际划动的距离H，其中，D为3D图像的投放半径，f为摄像机焦距；
Step4.9、检索用户指尖所触摸的空中3D图像的宽度，记为B；由公式(3)计算得到用户指尖触摸转动的角度α；
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Application publication date: 20191126

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