CN111290567B - 一种智能家居装饰显像系统及虚拟家具摆放方法 - Google Patents

一种智能家居装饰显像系统及虚拟家具摆放方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及智能家居领域，特别涉及一种智能家居装饰显像系统及虚拟家具摆放方法；激光器在场景背景上投射出不同排布的激光光斑阵列，再由双目立体视觉相机获取实时的场景信息并传输至图像处理器，图像处理器进行激光光斑阵列的识别、三维信息获取、编码与序号显示、虚拟家具注册与虚实融合等处理后，并根据遥控器选择的位置实时完成虚拟家具与场景的融合，最终将显示信息传输至显示设备与光学透射式设备内，由显示设备进行场景中虚实信息的显示，用户配戴光学透视式显示设备可看见虚拟家具，且通过摇控器可灵活、便捷地实现虚拟家具的摆放，从而使用户从感官上构建更加真实的增强现实场景。

Description

一种智能家居装饰显像系统及虚拟家具摆放方法
技术领域
本发明涉及智能家居领域，特别涉及一种智能家居装饰显像系统及虚拟家具摆放方法。
背景技术
增强现实(Augmented Reality，AR)技术(简称AR技术)是在虚拟现实技术的基础上发展起来的一种综合了计算机视觉、图形学、图像处理、多传感器技术、显示技术的新兴计算机应用和人机交互技术。
在自主智能家装中，AR技术展现出了非常广泛的应用前景，能为用户带来一种超现实的真实体验，且可以更准确地还原真实的家装后的效果，其中，三维虚拟家具在真实场景的快捷、准确的注册技术是一项重要的研究内容。
目前的虚拟家居布放存在着操作复杂，精准度较差的问题，很难使用户从感观上相信虚拟物体在真实环境中的存在性及其一体性，甚至会改变用户对其周围环境的感觉，产生完全错误的行为。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种智能家居装饰显像系统，由激光器将光斑阵列投影到场景背景中，并获取实时的场景信息并传输至图像处理器，图像处理器进行激光光斑阵列的识别与信息获取、光斑编码与显示、虚拟家具注册与虚实融合等处理，基于光斑阵列完成虚拟家具模型摆放，最终形成智能家居的装饰效果而显示；还提供一种虚拟家具摆放方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种智能家居装饰显像系统，其中，包括：
激光器，用于发射激光在场景的背景上产生激光光斑阵列；
双目立体视觉相机，用于获取实时的场景信息并传输至图像处理器；
图像处理器，进行激光光斑阵列的识别与信息获取、光斑编码与显示、虚拟家具注册与虚实融合等处理，并将相关信息传输至显示设备与光学透视式显示设备；
显示设备，用于接收所述图像处理器传输至的虚实融合信息并将其显示；
光学透视式显示设备，用于接收所述图像处理器传输至的虚拟家具信息并进行显示；
遥控器，用于通过光斑的选择控制虚拟家具的摆放位置，并将相关参数输出至图像处理器。
作为本发明的一种改进，所述激光器内设置有用于将激光分光成激光光斑阵列的光斑阵列生成模块。
作为本发明的进一步改进，还包括用于调整所述双目立体视觉相机的高度的调整装置，所述调整装置包括基座、云台调整机构和调平水泡，所述调平水泡安装在所述双目立体视觉相机的上表面，所述云台调整机构的一端连接在所述双目立体视觉相机的下表面，所述云台调整机构的另一端连接在所述基座上。
作为本发明的更进一步改进，所述云台调整机构包括第一套管、第二套管和旋钮，所述第一套管套在所述第二套管内，所述第一套管与所述第二套管螺纹连接，所述第二套管的侧壁设置有通孔，所述旋钮螺纹连接在所述通孔上。
作为本发明的更进一步改进，所述图像处理器内设置有：
光斑识别模块，用于识别激光光斑阵列，并获取激光光斑阵列内各个光斑的三维信息；
编码与显示模块，用于对所述光斑识别模块所识别的光斑进行编码，并将编码值显示在光斑的中心位置；
虚拟家具注册与虚实融合模块，用于从所述遥控器获取虚拟家具摆放位置完成虚拟家具注册，并完成虚拟家具与现实场景的融合。
一种虚拟家具摆放方法，其中，包括如下步骤：
步骤S1、安装好激光器和双目立体视觉相机，并调整好激光器、双目立体视觉相机与场景背景的位置。
步骤S2、激光器发射激光在场景的背景上产生激光光斑阵列；
步骤S3、双目立体视觉相机获取实时的场景信息并传输至图像处理器；
步骤S4、图像处理器接收所述双目立体视觉相机传输的信息，做光斑识别、编码与显示、虚拟家具注册与虚实融合处理，并传输至显示设备；
步骤S5、显示设备接收所述图像处理器传输至的虚实融合信息并将其显示；
步骤S6、光学透视式显示设备接收所述图像处理器传输至的虚拟家具信息并进行显示；
步骤S7、遥控器通过光斑的选择控制虚拟家具的摆放位置，并将位置参数传输至所述图像处理器。
作为本发明的一种改进，在步骤S2中，所述激光器投射出不同排布的激光光斑阵列。
作为本发明的进一步改进，步骤S4包括：
步骤S41、图像处理器内的光斑识别模块识别激光光斑阵列，并获取激光光斑阵列内各个光斑的三维信息；
步骤S42、编码与显示模块用于对所述光斑识别模块所识别的光斑进行编码，并将编码值显示在光斑的中心位置；
步骤S43、虚拟家具注册于虚实融合模块用于从所述遥控器获取虚拟家具摆放位置完成虚拟家具注册，并完成虚拟家具与现实场景的融合。
作为本发明的更进一步改进，在步骤S7内，遥控器通过方向键输入或输入编码值来控制所述图像处理器对在所述显示设备上的光斑模块进行摆放，同时判定各个虚拟家具是否碰撞，如果碰撞，则重新输入编码值进行调整。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的激光器在场景背景上投射出不同排布的激光光斑阵列，再由双目立体视觉相机获取实时的场景信息并传输至图像处理器，图像处理器进行激光光斑阵列的识别与信息获取、光斑编码与显示、虚拟家具注册与虚实融合等处理并根据遥控器选择的位置实时完成虚拟家具与场景的融合，最终将显示信息传输至显示设备与光学透视式显示设备内，显示设备进行场景中虚实信息的显示，用户配戴光学透视式显示设备可看见虚拟家具，且通过摇控器可灵活、便捷地实现虚拟家具的摆放，从而使用户从感官上构建更加真实的增强现实场景，这对不同场景下的智能家居装饰都具有重要的意义和应用价值。
附图说明
图1为本发明的智能家居装饰显像系统的结构框图；
图2为本发明的双目立体视觉相机的内部连接框图；
图3为本发明的虚拟家具摆放方法的步骤框图；
图4为本发明的虚拟家具摆放方法的步骤S4的具体步骤框图；
图5为本发明的实施例一中某一光斑的获取效果图；
图6为本发明的实施例一中某一光斑的编码效果；
图7为本发明的激光器发射激光的光束分束原理图；
图8为本发明的激光器发射激光在场景背景的光束分束效果图。
具体实施方式
如图1至图8所示，本发明提供一种智能家居装饰显像系统，包括：
激光器1，用于发射激光在场景8背景上产生激光光斑阵列；
双目立体视觉相机2，用于获取实时的场景8信息并传输至图像处理器3内；
图像处理器3，用于接收双目立体视觉相机2传输的信息，进行激光光斑阵列的识别与信息获取、光斑编码与显示、虚拟家具注册与虚实融合等处理，并将相关信息传输至显示设备4与光学透视式显示设备5；
显示设备4，用于接收图像处理器3传输至的虚实融合信息并将其显示；
光学透视式显示设备5，用于接收图像处理器3传输至的虚拟家具信息并显示；
遥控器6，用于通过光斑的选择控制虚拟家具的摆放位置，并将相关参数输出至图像处理器3。
在本发明中，激光器1在场景背景8上投射出不同排布的激光光斑阵列，再由双目立体视觉相机2获取实时的场景8信息并传输至图像处理器3内，图像处理器3进行激光光斑阵列的识别、编码与显示、虚拟家具注册、虚实融合等处理后将图像信息传输至显示设备4和光学透视式显示设备5内，由显示设备4进行场景中虚实信息的显示，用户配戴光学透视式显示设备5可看见虚拟家具，摇控器6可灵活、便捷地实现虚拟家具的摆放从而使用户从感官上构建更加真实的增强现实场景，这对不同场景下的智能家居装饰都具有重要的意义和应用价值。
激光器1采用市场上上常用的波长550nm红光指示激光器。
在本发明中，激光器1内设置有用于将激光分光成激光光斑阵列的光斑阵列生成模块，激光器1上设置有衍射光学元件11，衍射光学元件11将一束激光光斑分为等距的激光光斑阵列，分光原理图如7和图8所示。
本发明还包括用于调整双目立体视觉相机2的高度的调整装置7，调整装置7包括基座71、云台调整机构72和调平水泡73，调平水泡73安装在双目立体视觉相机2的上表面，云台调整机构72的一端连接在双目立体视觉相机2的下表面，云台调整机构72的另一端连接在基座71上；云台调整机构72包括第一套管、第二套管和旋钮，第一套管套在第二套管内，第一套管与第二套管螺纹连接，第二套管的侧壁设置有通孔，旋钮螺纹连接在所述通孔上。通过调整旋钮使第一套管在第二套管内升降，使双目立体视觉相机2、与激光器1、场景背景8处于同一水平面，且使调平水泡73内水泡73处于中间。
双目立体视觉相机2选用美国Stereolabs公司的ZED双目立体相机获取真实场景信息，该相机能够以15fps的速度去处理最高4416x1242分辨率的实时景深图，可对20米范围的物体深度进行绘制。
如图2所示，图像处理器3内设置有：
光斑识别模块21，用于识别激光光斑阵列，并获取激光光斑阵列内各个光斑的三维信息；
编码与显示模块22，用于对所述光斑识别模块所识别的光斑进行编码，并将编码值显示在光斑的中心位置；
虚拟家具注册与虚实融合模块23，用于从所述遥控器获取虚拟家具摆放位置完成虚拟家具注册，并完成虚拟家具与现实场景的融合。
通过获取场景中各点的三维信息，光斑识别模块21再基于光斑识别算法获取出场景背景中光斑信息(包括光斑的个数、各个光斑的圆心坐标)，再确定所选用的光斑模型，编码与显示模块22依次对光斑进行编码，并将编码值显示在光斑的中心位置，虚拟家具注册与虚实融合模块23从所述遥控器获取虚拟家具摆放位置完成虚拟家具注册，并完成虚拟家具与现实场景的融合。
光斑识别模块21通过光斑识别算法获取出场景背景中光斑信息，如图5中，由于场景中光斑为红色圆形，其与背景存在较大对比度差异，采用基于圆拟合的激光光斑中心检测算法，原理是根据最小二乘原理用圆来逼近激光光斑轮廓。
在本发明中，图像处理器3可采用图像处理计算机，显示设备4可采用显示电脑，光学透视式显示设备5可采用3D眼镜或AR眼镜。
如图3所示，本发明提供一种虚拟家具摆放方法，包括如下步骤：
步骤S1、安装好激光器1和双目立体视觉相机2，并调整好激光器1、双目立体视觉相机2与场景背景8的位置且使三者处于同一水平面。
步骤S2、激光器1发射激光在场景背景8上产生激光光斑阵列；
步骤S3、双目立体视觉相机2获取实时的场景8信息并传输至图像处理器3；
步骤S4、图像处理器3接收双目立体视觉相机2传输的信息，做光斑识别、编码与显示、虚拟家具注册与虚实融合处理，并传输至显示设备4与光学透视式显示设备5；
步骤S5、显示设备4接收图像处理器3传输至的虚实融合信息并将其显示；
步骤S6、光学透视式显示设备5接收图像处理器3传输至的虚拟家具信息并显示；
步骤S7、遥控器6通过光斑的选择控制虚拟家具的摆放位置，并将位置参数传输至图像处理器3。
其中，在步骤S2中，激光器1投射出不同排布的激光光斑阵列。
如图4所示，步骤S4包括：
步骤S41、图像处理器内光斑识别模块识别激光光斑阵列，并获取各个光斑的三维信息；
步骤S42、编码与显示模块用于对所述光斑识别模块所识别的光斑进行编码，并将编码值显示在光斑的中心位置；
步骤S43、虚拟家具注册与虚实融合模块用于从所述遥控器获取虚拟家具摆放位置完成虚拟家具注册，并完成虚拟家具与现实场景的融合。
在本发明中，在步骤S7内，遥控器6通过输入编码值或方向键来控制图像处理器3对在显示设备4上的光斑模块进行摆放，同时判定各个虚拟家具是否碰撞，如果碰撞，则控制方向键或重新输入编码值进行调整。
本发明提供一个实施例一，该实施例一包括激光器1、双目立体视觉相机2、图像处理器3、显示设备4、光学透视式显示设备5、遥控器6；图像处理器3包括光斑识别模块21、编码与显示模块22、虚拟家具注册与虚实融合模块23；激光器1在场景背景8上投射出不同排布的激光光斑阵列，再由双目立体视觉相机2获取实时的场景信息并传输至图像处理器3，图像处理器3接收双目立体视觉相机2传输的信息，做光斑识别、编码与显示、虚拟家具注册与虚实融合处理，并传输至显示设备4与光学透视式显示设备5；由显示设备4进行虚拟家具显示，用户配戴光学透视式显示设备5可看见虚拟家具，通过摇控器6进行输入虚拟家具的摆放。
在该实施例一中，通过双目立体视觉相机2获取场景中光斑的三维信息，图像处理器3基于光斑识别算法获取出场景中光斑信息(包括光斑的个数、各个光斑的圆心坐标)，确定所选用的光斑模型，并依次对光斑进行编码，并将编码值显示到光斑的中心位置，用户可放大场景中的光斑，并通过遥控输入方式确定虚拟家具所需要摆放的光斑序号，最后判定虚拟家具是否满足碰撞检测，否则重新进行光斑选择，直至完成虚拟家居的注册过程。
在该实施例一中，如图5所示某一光斑模型的光斑信息获取效果图，光斑阵列中每一光斑均包含三维坐标信息，如图3中，圆心位置坐标0i(Xi,Yi,Zi)，其中i＝1.2.3……n，n为光斑个数，将光斑沿z轴进行投影，便可得到二维光斑信息，并对光斑依次按照行、列进行编码，获得光斑编码结果，如图6所示；以图6中图像中某一光斑为例：假设采集到某一光斑的图像大小为x×y像素，E是光斑边界的集合， (xi，yi)为光斑边界像素的坐标，x,y满足：
Figure GDA0003472326690000081
那么光斑中心的坐标(a,b)由下式可得：
Figure GDA0003472326690000082
Figure GDA0003472326690000083
在该实施例一中，基于圆拟合的方法运算速度快，且精度较高,实际操作中还可根据实际捕获光斑阵列特点调整检测算法。
在该实施例一中，图5所示，对光斑从左至右、从上之下依次进行编码，该过程可首先对光斑二维坐标按y、x坐标值区段分别进行分类，区分出不同行、列的光斑，然后对光斑依次按行、列进行排序实现。以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种智能家居装饰显像系统，其特征在于，包括：
激光器，用于发射激光在场景的背景上产生激光光斑阵列；
双目立体视觉相机，用于获取实时的场景信息并传输至图像处理器；
图像处理器，用于接收所述双目立体视觉相机传输的实时的场景信息，提取光斑及其三维信息，做编码及序号显示处理，并依据遥控输入完成虚拟家具注册，做虚实融合处理后传输至显示设备及光学透视式显示设备；
显示设备，用于接收所述图像处理器传输至的虚实融合信息并将其显示；
光学透视式显示设备，用于接收所述图像处理器传输至的虚拟家具信息并进行显示；
遥控器，用于通过光斑的选择控制虚拟家具的摆放位置，并将相关参数输出至图像处理器；
所述图像处理器内设置有：
光斑识别模块，用于识别激光光斑阵列，并获取激光光斑阵列内各个光斑的三维信息；
编码与显示模块，用于对所述光斑识别模块所识别的光斑进行编码，并将编码值显示在光斑的中心位置；
虚拟家具注册与虚实融合模块，用于从所述遥控器获取虚拟家具摆放位置完成虚拟家具注册，并完成虚拟家具与现实场景的融合。
2.根据权利要求1所述的一种智能家居装饰显像系统，其特征在于，所述激光器内设置有用于将激光分光成激光光斑阵列的光斑阵列生成模块。
3.根据权利要求1所述的一种智能家居装饰显像系统，其特征在于，还包括用于调整所述双目立体视觉相机的高度的调整装置，所述调整装置包括基座、云台调整机构和调平水泡，所述调平水泡安装在所述双目立体视觉相机的上表面，所述云台调整机构的一端连接在所述双目立体视觉相机的下表面，所述云台调整机构的另一端连接在所述基座上。
4.根据权利要求3所述的一种智能家居装饰显像系统，其特征在于，所述云台调整机构包括第一套管、第二套管和旋钮，所述第一套管套在所述第二套管内，所述第一套管与所述第二套管螺纹连接，所述第二套管的侧壁设置有通孔，所述旋钮螺纹连接在所述通孔上。
5.一种虚拟家具摆放方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、安装好激光器和双目立体视觉相机，并调整好激光器、双目立体视觉相机与场景背景的位置；
步骤S2、激光器发射激光在场景的背景上产生激光光斑阵列；
步骤S3、双目立体视觉相机获取实时的场景信息并传输至图像处理器；
步骤S4、图像处理器接收所述双目立体视觉相机传输的信息，做光斑识别、编码与显示、虚拟家具注册与虚实融合处理，并传输至显示设备与光学透视式显示设备；
步骤S5、显示设备接收所述图像处理器传输至的虚实融合信息并将其显示；
步骤S6、光学透视式显示设备接收所述图像处理器传输至的虚拟家具信息并进行显示；
步骤S7、遥控器通过光斑的选择控制虚拟家具的摆放位置，并将位置参数传输至所述图像处理器；
步骤S4包括：
步骤S41、图像处理器内的光斑识别模块识别激光光斑阵列，并获取激光光斑阵列内各个光斑的三维信息；
步骤S42、编码与显示模块用于对所述光斑识别模块所识别的光斑进行编码，并将编码值显示在光斑的中心位置；
步骤S43、虚拟家具注册与虚实融合模块用于从所述遥控器获取虚拟家具摆放位置完成虚拟家具注册，并完成虚拟家具与现实场景的融合。
6.根据权利要求5所述的一种虚拟家具摆放方法，其特征在于，在步骤S2中，所述激光器投射出不同排布的激光光斑阵列。
7.根据权利要求6所述的一种虚拟家具摆放方法，其特征在于，在步骤S7内，遥控器通过输入编码值或方向键来控制所述图像处理器对在所述显示设备上的光斑模块进行摆放，同时判定各个虚拟家具是否碰撞，如果碰撞，则控制方向键或重新输入编码值进行调整。
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