CN111277786B - 正确传达人脸视线方向的影像显示系统及影像显示方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种正确传达人脸视线方向的影像显示系统，其用于显示人脸的投影图像，包括一中空的椭球屏幕、设于该椭球屏幕的底部且投影方向为竖直向上的投影仪和设于该椭球屏幕的顶部的凸面镜，投影仪设置为发射人脸的投影图像，凸面镜设置为将人脸的投影图像反射并投影到椭球屏幕上，以在椭球屏幕上显示人脸的投影图像。本发明的正确传达人脸视线方向的影像显示系统采用的椭球屏幕的形状是相对于一竖直轴旋转对称的椭球曲面，使得人脸从任何角度观看都可以和实物外观大致保持一致。

Description

正确传达人脸视线方向的影像显示系统及影像显示方法
技术领域
本发明涉及一种影像显示系统以及影像显示方法，具体涉及一种正确传达人脸视线方向的影像显示系统以及其影像显示方法。
背景技术
如图1A和图1B所示，现有技术中的视频会议系统大多采用的是平面屏幕，其成本低且分辨率高，但是不能准确的传达视线方向，多人会议时影响相互之间顺畅交流。并且可以实用的会议系统，需要兼顾泛用性、低成本、便利性，并且考虑到听众不会有违和感，显示图像要和实物外观保持一致。
多人视频会议中，目前可采用裸眼立体屏幕或者立体人脸形状的屏幕的方式来传达正确的视线方向。但是大多数已有方案需要复杂的驱动机构，或者需要专用设备，作为实用产品成本过高。
现有技术中，和本文接近的方法为采用圆筒形一视点屏幕，参见文献1【Y.Pan andA.Steed.A gaze-preserving situated multiview telepresence system.In Proc.CHI,pp.2173–2176.ACM,New York,NY,USA,2014.doi:10.1145/2556288.2557320】。此屏幕采用圆筒形屏幕，可投影1张人脸图像，具有以下优点：
1.提供正确视线方向：相对平面屏幕可以正确传达视线方向；
2.高便利性：相对于竖直轴旋转对称的设计，可以通过旋转图像的方法来表示人脸左右朝向，不需要额外驱动机构来驱动圆筒形的屏幕旋转，可以节省成本减少故障率；
3.便宜：仅由普通的投影仪以及圆筒状屏幕构成，成本低廉；
4.对投影图像的处理简单：不需要3D扫描或者多视角图像合成，可以实时显示高精度的影像。
然而，我们一般是通过对方脸部局部特征及轮廓构成的整体结构来认出对方是谁的，如果显示物与实物外观不一致会产生违和感，所以需要展示图像和实物外观保持一致，参见文献2【平家雅之,川崎裕達,田中貴紘,藤田欣也,類似度と好感度を両立する個人化アバタのデフォルメ法の検討,ヒューマンインタフェース学会論文誌,Vol.13,No.3,pp.243-254,2011】。但是采用上述的圆筒形一视点屏幕的装置，可以保证实物大小观看感的范围很小，对于圆桌会议等需要观察左右90度的情况并不适用。给人的感观会影响会议品质，特别是在商会视频会议中，对远程参加者感到不适会对整个会议的质量有所影响，参见文献3【Henriette C.van Vugt,Elly A.Konijn,Johan F.Hoorn,Jolanda Veldhuis:WhyFat Interface Characters Are Better e-Health Advisors,Proc.of IVA 2006,pp.1-13,2006】，和文献4【Hall L.et al.(2006)FearNot’s Appearance:Reflecting Children’s Expectations and Perspectives.In:Gratch J.,Young M.,Aylett R.,Ballin D.,Olivier P.(eds)Intelligent Virtual Agents.IVA 2006.Lecture Notes in ComputerScience,vol 4133.Springer,Berlin,Heidelberg】。
发明内容
本发明的目的在于提供一种正确传达人脸视线方向的影像显示系统以及其影像显示方法，以在保证正确视线方向的同时具备更大观看视野。
为了实现上述目的，本发明提供了一种正确传达人脸视线方向的影像显示系统，其用于显示人脸的投影图像，包括一中空的椭球屏幕、设于椭球屏幕的底部且投影方向为竖直向上的投影仪和设于该椭球屏幕的顶部的凸面镜，所述椭球屏幕为半透明的屏幕，所述投影仪设置为发射人脸的投影图像，所述凸面镜设置为将所述人脸的投影图像反射并投影到所述椭球屏幕上，以在所述椭球屏幕上显示所述人脸的投影图像。
所述人脸的投影图像是在人脸的360°合成圆筒投影图像的基础上进行下颚部分的识别并将该下颚部分删除来得到的。
所述人脸的360°合成圆筒投影图像由360°环形分布的多个视觉传感器采集并合成得到。
所述椭球屏幕为灰色屏幕。
所述椭球屏幕的形状为相对于一竖直轴旋转对称的椭球曲面，所述投影仪和所述凸面镜均位于该竖直轴上。
所述投影仪为激光投影仪。
另一方面，本发明提供一种正确传达人脸视线方向的影像显示方法，包括：S1：提供一种正确传达人脸视线方向的影像显示系统，其包括一中空的椭球屏幕、设于椭球屏幕的底部且投影方向为竖直向上的投影仪和设于该椭球屏幕的顶部的凸面镜；S2：采用360°环形分布的多个视觉传感器对远程用户的人脸进行采集，并合成得到人脸的360°合成圆筒投影图像，并在人脸的360°合成圆筒投影图像的基础上进行下颚部分的识别并将该下颚部分删除，得到人脸的投影图像；S3：采用所述投影仪发射所述人脸的投影图像，并通过所述凸面镜将所述人脸的投影图像反射并投影到所述椭球屏幕上，以在所述椭球屏幕上显示人脸的投影图像。
所述椭球屏幕为灰色屏幕。
所述椭球屏幕的形状为相对于一竖直轴旋转对称的椭球曲面，所述投影仪和所述凸面镜均位于该竖直轴上。
所述投影仪为激光投影仪。
在所述步骤S2中，在得到人脸的投影图像之前，还包括：对远程用户的人脸进行瞳孔追踪，将瞳孔的方向作为目标点；随后，从所述人脸的360°合成圆筒投影图像中提取出眼球图像，提供椭球屏幕的模型并将该眼球图像投影变换到该模型上，其中眼球图像的瞳孔的第一预设方向设置为朝向所述目标点，以建立单独的眼球图像模型；最后，将所述眼球图像模型与被提取出眼球图像的360°合成圆筒投影图像进行合并；在所述步骤S3中，在所述椭球屏幕上显示人脸的投影图像时，所述眼球图像的瞳孔的朝向为第一预设方向。
本发明的正确传达人脸视线方向的影像显示系统采用的椭球屏幕的形状是相对于一竖直轴旋转对称的椭球曲面，使得人脸从任何角度观看都可以和实物外观大致保持一致；此外，由于人脸的投影图像基于人脸的360°合成圆筒投影图像，因此在具备上述圆筒形视点屏幕的正确视线方向、高便利性、便宜、显示简单的优点的同时，有更大的观看视野，可以兼顾视线传递准确性、便利性、实用性以及和实物保持一致性。
附图说明
图1A为现实中的人脸在传达视线方向时的示意图。
图1B为平面屏幕显示的人脸在传达视线方向时的示意图。
图2为根据本发明的一个实施例的可正确传达人脸视线方向的影像显示系统的结构示意图。
图3为人脸的圆筒合成图像的示意图。
图4为形状基于正脸尺寸设计的屏幕在显示侧脸时的示意图。
图5为形状基于侧脸尺寸设计的屏幕在显示正脸时的示意图。
图6为本发明的影像显示系统所采用的人脸投影图像的示意图。
图7为本发明的影像显示系统的实际显示效果的示意图。
图8为Wollaston错觉的原理图。
图9为视线方向的显示方法。
具体实施方式
如图2所示为根据本发明的一个实施例的正确传达人脸视线方向的影像显示系统，其用于显示人脸的投影图像，包括一中空的椭球屏幕1、设于该椭球屏幕1的底部且投影方向为竖直向上的投影仪2和设于该椭球屏幕1的顶部的凸面镜3，所述投影仪2设置为将人脸的投影图像发射到凸面镜3，所述凸面镜3设置为将所述投影图像反射并投影到椭球屏幕1上，以显示人脸的投影图像。
其中，投影仪2为小型的激光投影仪，其具有很大的景深，从而可以满足投影仪2到椭球屏幕1的不同显示位置的投射距离不同的需求，避免发生投影图像在椭球屏幕1的显示位置上无法聚焦的问题。投影仪2的尺寸设置为小型，可以降低成本，在本实施例中所采用的投影仪2为小型的投影仪中亮度最高的型号。
所述椭球屏幕1为半透明的屏幕，由此可以对光进行漫反射，以显示出人脸的投影图像。此外，所述椭球屏幕1为灰色屏幕，以提高屏幕对比度。如上所述，为了保证人脸的外观与实物一致，所述椭球屏幕1的形状为相对于一竖直轴旋转对称的椭球曲面，从而反映了需要在屏幕上显示的人脸的平均尺寸。在本实施例中，椭球屏幕1的形状是根据日本年轻男性的平均头部尺寸设计的，并稍加修改，其特定维度上的图形和曲线数据可以通过贝塞尔曲线的方式得到。所述投影仪2和所述凸面镜3均位于该竖直轴上，从而使得从任何角度观看都能和实物外观保持一致。所述凸面镜3的直径为110mm，且其曲率半径为85.625mm。
如图3所示，所述人脸的投影图像基于人脸的360°合成圆筒投影图像。其中，采用人脸的360°合成圆筒投影图像，可以保证显示的图像在任何角度观看都和实物保持外观一致。本发明的可正确传达人脸视线方向的影像显示系统还包括异地布置的360°环形分布的多个视觉传感器，所述人脸的360°合成圆筒投影图像由所述360°环形分布的多个视觉传感器采集并合成得到。具体地，如图6所示，所述人脸的投影图像是在人脸的360°合成圆筒投影图像的基础上进行下颚部分的识别并将该下颚部分删除(即将下颚部分显示为黑色)来得到的，由此，通过删除下颚部分的投影区域的设计，可以保证投影显示的图像如图7所示，从正面看不会觉得过于丰满并且从任何角度观看都有比较自然的人脸轮廓，避免了如图4所示的，在椭球屏幕1以正脸尺寸设计其形状的情况下显示侧脸时会出现的违和感，以及如图5所示的，在椭球屏幕1以侧脸尺寸设计其形状的情况下显示正脸时会出现违和感，进而，可以避免如图8所示的人脸轮廓对视线方向造成的影响，即避免造成Wollaston错觉，参见文献5【E.Nakato,Y.Otsuka,H.Konuma,S.Kanazawa,M.K.Yamaguchi,andM.Tomonaga.Perception of illusory shift of gaze direction byinfants.InfantBehavior and Development,32(4):422–428,2009】，以更好地传达正确的视线方向。
其中，将下颚部分删除需要采用下颚部分的轮廓线，下颚部分的轮廓线具体通过以下方式获取：首先，从脸的左/右开始，任意画出下颚部分的轮廓线，以使得下颚部分的轮廓看起来不像凹陷的脸颊；随后，我们从前方观察下颚部分的轮廓线(这会使得人脸看起来丰满)，并且修改该下颚部分的轮廓线以使得人脸看起来更瘦；接着对上述两个过程进行迭代，以使下颚部分的轮廓线的结果最优。
基于上文所述的正确传达人脸视线方向的影像显示系统，所实现的正确传达人脸视线方向的影像显示方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：提供一种正确传达人脸视线方向的影像显示系统，其包括一中空的椭球屏幕1、设于椭球屏幕1的底部且投影方向为竖直向上的投影仪2和设于该椭球屏幕1的顶部的凸面镜3。
步骤S2：采用360°环形分布的多个视觉传感器对远程用户的人脸进行采集，并合成得到人脸的360°合成圆筒投影图像，并在人脸的360°合成圆筒投影图像的基础上进行下颚部分的识别并将该下颚部分删除，得到人脸的投影图像。
此外，如图9所示，在所述步骤S2中，在得到人脸的投影图像之前，还可以包括：对远程用户的人脸进行瞳孔追踪，将瞳孔的方向作为目标点；随后，从所述人脸的360°合成圆筒投影图像中提取出眼球图像，提供所述椭球屏幕1的椭球形模型，采用计算机将该眼球图像投影变换到该模型上，其中眼球图像的瞳孔的第一预设方向设置为朝向所述目标点，以建立单独的眼球图像模型。由此，使得人脸的眼球部分和非眼球部分构成分开的图像模型。最后，将所述眼球图像模型与被提取出眼球图像的360°合成圆筒投影图像进行合并。
此外，被提取出眼球图像的人脸的360°合成圆筒投影图像具有第二预设方向，该第二预设方向通过测量远程用户的人脸的方向，如用摄像机进行头部跟踪，来得到。
由此，得到具有第一预设方向的瞳孔和具有第二预设方向的人脸其余部分的人脸的投影图像。
步骤S3：采用所述投影仪2将所述人脸的投影图像发射到凸面镜3上，并通过所述凸面镜3将所述投影图像反射并投影到所述椭球屏幕1上，以在所述椭球屏幕1上显示人脸的投影图像。
其中，在所述椭球屏幕1上显示人脸的投影图像时，眼球图像的瞳孔的朝向为第一预设方向，且被提取出眼球图像的人脸的360°合成圆筒投影图像的朝向为第二预设方向。由此，在所述椭球屏幕1上显示人脸的投影图像时，所述人脸的投影图像的瞳孔朝向所述目标点，从而可以进一步保证从目标点观看时能够感觉到视线方向的一致性，实现了被投影在椭球屏幕1上的远程用户的人脸的视线方向与本发明的正确传达人脸视线方向的影像显示系统所在房间内的人的精确目光接触。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (8)

1.一种正确传达人脸视线方向的影像显示系统，其用于显示人脸的投影图像，其特征在于，包括一中空的椭球屏幕（1）、设于该椭球屏幕（1）的底部且投影方向为竖直向上的投影仪（2）和设于该椭球屏幕（1）的顶部的凸面镜（3），所述椭球屏幕（1）为半透明的屏幕，所述投影仪（2）设置为发射人脸的投影图像，所述凸面镜（3）设置为将所述人脸的投影图像反射并投影到所述椭球屏幕（1）上，以在所述椭球屏幕（1）上显示所述人脸的投影图像；
所述人脸的投影图像是在人脸的360°合成圆筒投影图像的基础上进行下颚部分的识别并将该下颚部分删除来得到的；
在得到人脸的投影图像之前，还包括：对远程用户的人脸进行瞳孔追踪，将瞳孔的方向作为目标点；随后，从所述人脸的360°合成圆筒投影图像中提取出眼球图像，提供椭球屏幕（1）的模型并将该眼球图像投影变换到该模型上，其中眼球图像的瞳孔的第一预设方向设置为朝向所述目标点，以建立单独的眼球图像模型；最后，将所述眼球图像模型与被提取出眼球图像的360°合成圆筒投影图像进行合并；
在所述椭球屏幕（1）上显示人脸的投影图像时，所述眼球图像的瞳孔的朝向为第一预设方向。
2.根据权利要求1所述的正确传达人脸视线方向的影像显示系统，其特征在于，所述人脸的360°合成圆筒投影图像由360°环形分布的多个视觉传感器采集并合成得到。
3.根据权利要求1所述的正确传达人脸视线方向的影像显示系统，其特征在于，所述椭球屏幕（1）为灰色屏幕。
4.根据权利要求1所述的正确传达人脸视线方向的影像显示系统，其特征在于，所述椭球屏幕（1）的形状为相对于一竖直轴旋转对称的椭球曲面，所述投影仪（2）和所述凸面镜（3）均位于该竖直轴上。
5.根据权利要求1所述的正确传达人脸视线方向的影像显示系统，其特征在于，所述投影仪（2）为激光投影仪。
6.一种正确传达人脸视线方向的影像显示方法，其特征在于，包括：
步骤S1：提供一种正确传达人脸视线方向的影像显示系统，其包括一中空的椭球屏幕（1）、设于椭球屏幕（1）的底部且投影方向为竖直向上的投影仪（2）和设于该椭球屏幕（1）的顶部的凸面镜（3）；
步骤S2：采用360°环形分布的多个视觉传感器对远程用户的人脸进行采集，并合成得到人脸的360°合成圆筒投影图像，并在人脸的360°合成圆筒投影图像的基础上进行下颚部分的识别并将该下颚部分删除，得到人脸的投影图像；
步骤S3：采用所述投影仪（2）发射所述人脸的投影图像，并通过所述凸面镜（3）将所述人脸的投影图像反射并投影到所述椭球屏幕（1）上，以在所述椭球屏幕（1）上显示人脸的投影图像；
在所述步骤S2中，在得到人脸的投影图像之前，还包括：对远程用户的人脸进行瞳孔追踪，将瞳孔的方向作为目标点；随后，从所述人脸的360°合成圆筒投影图像中提取出眼球图像，提供椭球屏幕（1）的模型并将该眼球图像投影变换到该模型上，其中眼球图像的瞳孔的第一预设方向设置为朝向所述目标点，以建立单独的眼球图像模型；最后，将所述眼球图像模型与被提取出眼球图像的360°合成圆筒投影图像进行合并；
在所述步骤S3中，在所述椭球屏幕（1）上显示人脸的投影图像时，所述眼球图像的瞳孔的朝向为第一预设方向。
7.根据权利要求6所述的正确传达人脸视线方向的影像显示方法，其特征在于，所述椭球屏幕（1）为灰色屏幕。
8.根据权利要求6所述的正确传达人脸视线方向的影像显示方法，其特征在于，所述椭球屏幕（1）的形状为相对于一竖直轴旋转对称的椭球曲面，所述投影仪（2）和所述凸面镜（3）均位于该竖直轴上。
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