CN111739359A - 增强现实的课件生成系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了增强现实的课件生成系统,该增强现实的课件生成系统摄像机模块、视线范围确定模块、课件信息投影模块和投影状态调整模块,其通过对目标对象进行摄像以得到在观看投影于屏幕上的课件信息过程中目标对象的双目影像,接着对该双目影像进行计算分析以确定目标对象的实时视线范围,再根据该实时视线范围调整该课件信息投影模块的投影参数,从而使得该系统能够准确地根据目标对象的实时视线范围变化来调整课件的投影位置,以确保目标对象始终能够观看到完成的投影课件,并且大大提高课件投影的增强现实性、和改善教学质量与教学智能化程度。
Description
技术领域
本发明涉及智能教育的技术领域,特别涉及增强现实的课件生成系统。
背景技术
在教学过程中,通常需要借助投影设备来将课件投影至屏幕上,从而实现课件的增强现实显示。现有技术的教学投影方式都只是要求将课件精确地对准屏幕投影即可,但是在实际教学过程中,学生的视线范围会由于学生的坐姿或者学生的注意力集成程度而发生变化,这就会导致学生无法全程的观看与视线范围相匹配的投影课件,从而降低课件投影的增强现实性和降低教学质量。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷,本发明提供增强现实的课件生成系统,该增强现实的课件生成系统摄像机模块、视线范围确定模块、课件信息投影模块和投影状态调整模块,其通过对目标对象进行摄像以得到在观看投影于屏幕上的课件信息过程中目标对象的双目影像,接着对该双目影像进行计算分析以确定目标对象的实时视线范围,再根据该实时视线范围调整该课件信息投影模块的投影参数,从而使得该系统能够准确地根据目标对象的实时视线范围变化来调整课件的投影位置,以确保目标对象始终能够观看到完成的投影课件,并且大大提高课件投影的增强现实性、和改善教学质量与教学智能化程度。
本发明提供增强现实的课件生成系统,其特征在于:
所述增强现实的课件生成系统包括摄像机模块、视线范围确定模块、课件信息投影模块和投影状态调整模块;其中,
所述摄像机模块用于对目标对象进行摄像,从而拍摄得到在观看投影于屏幕上的课件信息过程中所述目标对象的双目影像;
所述视线范围确定模块用于对所述双目影像进行计算分析,从而确定所述目标对象的实时视线范围;
所述课件信息投影模块用于将图像形式的课件信息投影在所述屏幕上;
所述投影状态调整模块用于根据所述实时视线范围,调整所述课件信息投影模块的投影参数;
进一步,所述摄像机模块包括双目摄像头单元、红外追踪单元和摄像调整单元;其中,
所述双目摄像头单元包括相对于所述目标对象设置在不同位置处的两个摄像头,其用于拍摄获得关于所述目标对象的所述双目影像;
所述红外追踪单元用于对所述目标对象发射红外线,并根据所述目标对象反射的红外线,对所述目标对象进行追踪定位;
所述摄像调整单元用于根据所述红外追踪单元对所述目标对象的追踪定位结果,调整所述双目摄像头单元的拍摄参数,其中,所述拍摄参数包括拍摄方向和/或拍摄焦距长度;
进一步,所述双目摄像头单元还包括同步拍摄触发器,所述同步拍摄触发器用于同时向所述两个摄像头发送拍摄动作触发指令,从而使所述两个摄像头能够对所述目标对象进行同步拍摄;
或者,
所述红外追踪单元包括红外线发射器、红外线接收器和位置确定器;其中,
所述红外线发射器用于向所述目标对象扫描发射红外线;
所述红外线接收器用于接收到达所述目标对象并被所述目标对象反射的所述红外线;
所述位置确定器用于根据所述红外线接收器接收到的所述红外线的强度变化状态,计算得到所述目标对象的实时位置;
进一步,所述视线范围确定模块包括图像帧提取单元、双目视差计算单元和视线范围计算单元;其中,
所述图像帧提取单元用于从所述双目影像中提取在同一时刻关于所述目标对象的双目图像帧;
所述双目视差计算单元用于计算所述双目图像帧中包含的两个不同方位图像之间的图像视差;
所述视线范围计算单元用于根据所述图像视差计算所述目标对象的实际视线范围;
进一步,所述课件信息投影模块包括投影图像源单元和投影镜头单元;其中,
所述投影图像源单元用于提供与所述课件信息对应的待投影图像,其中,所述投影图像源单元为液晶显示器或者LED显示器;
所述投影镜头单元用于将所述待投影图像投影成像至所述屏幕上;
进一步,所述投影状态调整模块包括图像投影位姿调整单元和投影光学参数调整单元;其中,
所述图像投影位姿调整单元用于根据所述实时视线范围,调整所述课件信息投影模块将所述图像形式的课件信息投影至所述屏幕上的位姿,其中,所述位姿包括所述图像形式的课件信息相对于所述屏幕的旋转方位;
所述投影光学参数调整单元用于根据所述实时视线范围,调整所述课件信息投影模块将所述图像形式的课件信息投影至所述屏幕上的投影大小、投影分辨率和投影亮度中的至少一者;
进一步,所述图像投影位姿调整单元包括投影位姿计算子单元,所述投影位姿计算子单元用于计算所述图像形式的课件信息相对于所述屏幕的所述位姿,其过程具体为,
S1、以所述实时视线范围对应的视线矩形平面区域的四个边界顶点为标记点,根据下面公式(1)确定世界坐标系(O1-XYZ)与摄像机坐标系(O-XpYpZp)之间的变换关系,
在上述公式(1)中,(xp,yp,zp)表示任一待计算点在所述摄像机坐标系中的坐标,(xh,yh,0)表示所述任一待计算点在所述世界坐标系中的坐标,表示控制所述图像形式的课件信息进行投影方向旋转的矩阵,qij表示所述矩阵的元素,i=1、2、3,j=1、2、3,(b1,b2,b3)表示已知平移向量B,b1、b2、b3分别为所述平移向量的元素,符号T表示转置运算;
S2、结合上述公式(1)与光学投影原理,得到下面公式(2)所表示的方程组,
S3、对上述(2)对应的方程组进行解算,从而计算得到所述矩阵对应的具体数学形式;
所述图像投影位姿调整单元再根据所述矩阵,调整所述课件信息投影模块将所述图像形式的课件信息投影至所述屏幕上的位姿;
进一步,所述图像投影位姿调整单元还包括图像投影位置优化子单元,所述图像投影位置优化子单元用于对投影在所述屏幕上的所述图像形式的课件信息进行投影位置的优化调整,其过程具体为,
T1、根据下面公式(3)形成一投影位置优化调整函数
在上述公式(3)中,x表示投影位置X方向横坐标点信息,I(x)表示投影输入的图像尺寸信息,T(x)表示投影变换后的图像尺寸信息,W(x;B)表示投影所进行的图像变换,B表示所述预先已知的平移向量;
T3、所述图像投影位置优化子单元再根据所述梯度对投影在所述屏幕上的所述图像形式的课件信息进行平移,即根据所述梯度确定投影图像在投影面上的横轴方向和/或纵轴方向上偏离理想投影位置的偏离值,再根据所述偏离值对所述图像形式的课件信息进行横轴方向和/或纵轴方向的平移,从而实现所述投影位置的优化调整。
相比于现有技术,该增强现实的课件生成系统摄像机模块、视线范围确定模块、课件信息投影模块和投影状态调整模块,其通过对目标对象进行摄像以得到在观看投影于屏幕上的课件信息过程中目标对象的双目影像,接着对该双目影像进行计算分析以确定目标对象的实时视线范围,再根据该实时视线范围调整该课件信息投影模块的投影参数,从而使得该系统能够准确地根据目标对象的实时视线范围变化来调整课件的投影位置,以确保目标对象始终能够观看到完成的投影课件,并且大大提高课件投影的增强现实性、和改善教学质量与教学智能化程度。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,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为本发明提供的增强现实的课件生成系统的整体结构示意图。
图2为本发明提供的增强现实的课件生成系统中摄像机模块的结构示意图。
图3为本发明提供的增强现实的课件生成系统中视线范围确定模块的结构示意图。
图4为本发明提供的增强现实的课件生成系统中课件信息投影模块的结构示意图。
图5为本发明提供的增强现实的课件生成系统中投影状态调整模块的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
参阅图1,为本发明实施例提供的增强现实的课件生成系统的整体结构示意图。该增强现实的课件生成系统包括摄像机模块、视线范围确定模块、课件信息投影模块和投影状态调整模块;其中,
该摄像机模块用于对目标对象进行摄像,从而拍摄得到在观看投影于屏幕上的课件信息过程中该目标对象的双目影像;
该视线范围确定模块用于对该双目影像进行计算分析,从而确定该目标对象的实时视线范围;
该课件信息投影模块用于将图像形式的课件信息投影在该屏幕上;
该投影状态调整模块用于根据该实时视线范围,调整该课件信息投影模块的投影参数。
该增强现实的课件生成系统不同于以往的课件投影系统只能进行投影位置固定投影或者手动调整投影位置的工作方式,其能够通过拍摄目标对象的双目影像并以此确定目标对象的实时视线范围,再根据该实时视线范围调整图像形式的课件信息的投影位姿和/或投影位置等参数,从而实现课件投影的智能化调整以及改善课件投影教学的增强现实感。
参阅图2,为本发明实施例提供的增强现实的课件生成系统中摄像机模块的整体结构示意图。该摄像机模块包括双目摄像头单元、红外追踪单元和摄像调整单元;其中,
该双目摄像头单元包括相对于该目标对象设置在不同位置处的两个摄像头,其用于拍摄获得关于该目标对象的该双目影像;
该红外追踪单元用于对该目标对象发射红外线,并根据该目标对象反射的红外线,对该目标对象进行追踪定位;
该摄像调整单元用于根据该红外追踪单元对该目标对象的追踪定位结果,调整该双目摄像头单元的拍摄参数,其中,该拍摄参数包括拍摄方向和/或拍摄焦距长度。
优选地,该双目摄像头单元还包括同步拍摄触发器,该同步拍摄触发器用于同时向该两个摄像头发送拍摄动作触发指令,从而使该两个摄像头能够对该目标对象进行同步拍摄。
优选地,该红外追踪单元包括红外线发射器、红外线接收器和位置确定器;其中,
该红外线发射器用于向该目标对象扫描发射红外线;
该红外线接收器用于接收到达该目标对象并被该目标对象反射的该红外线;
该位置确定器用于根据该红外线接收器接收到的该红外线的强度变化状态,计算得到该目标对象的实时位置。
由于摄像机模块能否拍摄到目标对象的完整影像会影响后续对目标对象实际视线范围的计算精确性,为了确保摄像机模块对目标对象的拍摄完整性和可调性,通过红外追踪定位的方式来确定目标对象的实时位置,再适应性地调整摄像头的拍摄方向和/或拍摄焦距长度,从而保证该摄像机模块始终能够获得关于目标对象的完整的和清晰的影像。
参阅图3,为本发明实施例提供的增强现实的课件生成系统中视线范围确定模块的整体结构示意图。该视线范围确定模块包括图像帧提取单元、双目视差计算单元和视线范围计算单元;其中,
该图像帧提取单元用于从该双目影像中提取在同一时刻关于该目标对象的双目图像帧;
该双目视差计算单元用于计算该双目图像帧中包含的两个不同方位图像之间的图像视差;
该视线范围计算单元用于根据该图像视差计算该目标对象的实际视线范围。
由于该双目影像是关于目标对象在不同方位上的两个不同的影像,其中包含有该目标对象观看屏幕上的投影课件的视线方向范围信息,这样通过计算该双目影像中对应的双目图像帧之间的图像视差信息能够快速地和精确地确定该目标对象的实际视线范围,从而保证该实际视线范围的真实性和有效性。
参阅图4,为本发明实施例提供的增强现实的课件生成系统中课件信息投影模块的整体结构示意图。该课件信息投影模块包括投影图像源单元和投影镜头单元;其中,
该投影图像源单元用于提供与该课件信息对应的待投影图像,其中,该投影图像源单元为液晶显示器或者LED显示器;
该投影镜头单元用于将该待投影图像投影成像至该屏幕上。
采用液晶显示器或者LED显示器作为投影图像源能够便于进行课件信息的图像形式转换和丰富该待投影图像的色彩丰富性和色饱和度。
参阅图5,为本发明实施例提供的增强现实的课件生成系统中投影状态调整模块的整体结构示意图。该投影状态调整模块包括图像投影位姿调整单元和投影光学参数调整单元;其中,
该图像投影位姿调整单元用于根据该实时视线范围,调整该课件信息投影模块将该图像形式的课件信息投影至该屏幕上的位姿,其中,该位姿包括该图像形式的课件信息相对于该屏幕的旋转方位;
该投影光学参数调整单元用于根据该实时视线范围,调整该课件信息投影模块将该图像形式的课件信息投影至该屏幕上的投影大小、投影分辨率和投影亮度中的至少一者。
优选地,该图像投影位姿调整单元包括投影位姿计算子单元,该投影位姿计算子单元用于计算该图像形式的课件信息相对于该屏幕的该位姿,其过程具体为,
S1、以该实时视线范围对应的视线矩形平面区域的四个边界顶点为标记点,根据下面公式(1)确定世界坐标系(O1-XYZ)与摄像机坐标系(O-XpYpZp)之间的变换关系,
在上述公式(1)中,(xp,yp,zp)表示任一待计算点在该摄像机坐标系中的坐标,(xh,yh,0)表示该任一待计算点在该世界坐标系中的坐标,表示控制该图像形式的课件信息进行投影方向旋转的矩阵,qij表示该矩阵的元素,i=1、2、3,j=1、2、3,(b1,b2,b3)表示已知平移向量B,b1、b2、b3分别为该平移向量的元素,符号T表示转置运算;
S2、结合上述公式(1)与光学投影原理,得到下面公式(2)所表示的方程组,
S3、对上述(2)对应的方程组进行解算,从而计算得到该矩阵对应的具体数学形式;
该图像投影位姿调整单元再根据该矩阵,调整该课件信息投影模块将该图像形式的课件信息投影至该屏幕上的位姿。
优选地,该图像投影位姿调整单元还包括图像投影位置优化子单元,该图像投影位置优化子单元用于对投影在该屏幕上的该图像形式的课件信息进行投影位置的优化调整,其过程具体为,
T1、根据下面公式(3)形成一投影位置优化调整函数
在上述公式(3)中,x表示投影位置X方向横坐标点信息,I(x)表示投影输入的图像尺寸信息,T(x)表示投影变换后的图像尺寸信息,W(x;B)表示投影所进行的图像变换,B表示该预先已知的平移向量;
T3、该图像投影位置优化子单元再根据该梯度对投影在该屏幕上的该图像形式的课件信息进行平移,即根据该梯度确定投影图像在投影面上的横轴方向和/或纵轴方向上偏离理想投影位置的偏离值,再根据该偏离值对该图像形式的课件信息进行横轴方向和/或纵轴方向的平移,从而实现该投影位置的优化调整。
下面表格为该图像投影位置优化子单元进行投影位置的优化调整过程中对应的投影位置识别范围、投影位置偏差和优化处理时间的对照表
组别 | 识别范围(厘米) | 偏差(厘米) | 处理时间(f<sub>ps</sub>) |
1 | 4-5 | 2.56 | 1.33 |
2 | 3-8 | 2.14 | 1.42 |
3 | 6-8 | 2.34 | 1.83 |
4 | 5-9 | 3.25 | 1.98 |
5 | 7-8 | 3.51 | 2.51 |
从上面表格可知,该图像投影位置优化子单元能够在不同数值对应的投影位置识别范围内进行精度匹配的位置偏差调整,并且其优化处理时间都非常短,这有利于实现快速的位置偏差调整,从而避免在位置偏差调整过程中出现投影失真的情况。
此外,上述投影位姿计算子单元和图像投影位置优化子单元的投影调整过程能够有效地减少进行投影调整所需要的投影识别标定点,从而能够加速相应的投影识别计算过程,并且还能适用于如空间交互构图的数学教学以及空间设计制图的土木机械教学等不同学科的课件投影教学,在投影过程中还能够实现无画面卡顿投影,以此改善用户的体验;相比于传统投影处理方法,其提供了内容丰富和表达形式多样的课件投影形式,同时也提高了系统的投影调整响应速度,并大大改善教学质量与教学智能化程度。
从上述实施例的内容可知,该增强现实的课件生成系统摄像机模块、视线范围确定模块、课件信息投影模块和投影状态调整模块,其通过对目标对象进行摄像以得到在观看投影于屏幕上的课件信息过程中目标对象的双目影像,接着对该双目影像进行计算分析以确定目标对象的实时视线范围,再根据该实时视线范围调整该课件信息投影模块的投影参数,从而使得该系统能够准确地根据目标对象的实时视线范围变化来调整课件的投影位置,以确保目标对象始终能够观看到完成的投影课件,并且大大提高课件投影的增强现实性、和改善教学质量与教学智能化程度。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.增强现实的课件生成系统,其特征在于:
所述增强现实的课件生成系统包括摄像机模块、视线范围确定模块、课件信息投影模块和投影状态调整模块;其中,
所述摄像机模块用于对目标对象进行摄像,从而拍摄得到在观看投影于屏幕上的课件信息过程中所述目标对象的双目影像;
所述视线范围确定模块用于对所述双目影像进行计算分析,从而确定所述目标对象的实时视线范围;
所述课件信息投影模块用于将图像形式的课件信息投影在所述屏幕上;
所述投影状态调整模块用于根据所述实时视线范围,调整所述课件信息投影模块的投影参数。
2.如权利要求1所述的增强现实的课件生成系统,其特征在于:
所述摄像机模块包括双目摄像头单元、红外追踪单元和摄像调整单元;其中,
所述双目摄像头单元包括相对于所述目标对象设置在不同位置处的两个摄像头,其用于拍摄获得关于所述目标对象的所述双目影像;
所述红外追踪单元用于对所述目标对象发射红外线,并根据所述目标对象反射的红外线,对所述目标对象进行追踪定位;
所述摄像调整单元用于根据所述红外追踪单元对所述目标对象的追踪定位结果,调整所述双目摄像头单元的拍摄参数,其中,所述拍摄参数包括拍摄方向和/或拍摄焦距长度。
3.如权利要求2所述的增强现实的课件生成系统,其特征在于:
所述双目摄像头单元还包括同步拍摄触发器,所述同步拍摄触发器用于同时向所述两个摄像头发送拍摄动作触发指令,从而使所述两个摄像头能够对所述目标对象进行同步拍摄;
或者,
所述红外追踪单元包括红外线发射器、红外线接收器和位置确定器;其中,
所述红外线发射器用于向所述目标对象扫描发射红外线;
所述红外线接收器用于接收到达所述目标对象并被所述目标对象反射的所述红外线;
所述位置确定器用于根据所述红外线接收器接收到的所述红外线的强度变化状态,计算得到所述目标对象的实时位置。
4.如权利要求1所述的增强现实的课件生成系统,其特征在于:
所述视线范围确定模块包括图像帧提取单元、双目视差计算单元和视线范围计算单元;其中,
所述图像帧提取单元用于从所述双目影像中提取在同一时刻关于所述目标对象的双目图像帧;
所述双目视差计算单元用于计算所述双目图像帧对应的双目图像视差;
所述视线范围计算单元用于根据所述双目图像视差计算所述目标对象的实际视线范围。
5.如权利要求1所述的增强现实的课件生成系统,其特征在于:
所述课件信息投影模块包括投影图像源单元和投影镜头单元;其中,
所述投影图像源单元用于提供与所述课件信息对应的待投影图像,其中,
所述投影图像源单元为液晶显示器或者LED显示器;
所述投影镜头单元用于将所述待投影图像投影成像至所述屏幕上。
6.如权利要求1所述的增强现实的课件生成系统,其特征在于:
所述投影状态调整模块包括图像投影位姿调整单元和投影光学参数调整单元;其中,
所述图像投影位姿调整单元用于根据所述实时视线范围,调整所述课件信息投影模块将所述图像形式的课件信息投影至所述屏幕上的位姿,其中,所述位姿包括所述图像形式的课件信息相对于所述屏幕的旋转方位;
所述投影光学参数调整单元用于根据所述实时视线范围,调整所述课件信息投影模块将所述图像形式的课件信息投影至所述屏幕上的投影大小、投影分辨率和投影亮度中的至少一者。
7.如权利要求6所述的增强现实的课件生成系统,其特征在于
所述图像投影位姿调整单元包括投影位姿计算子单元,所述投影位姿计算子单元用于计算所述图像形式的课件信息相对于所述屏幕的所述位姿,其过程具体为,
S1、以所述实时视线范围对应的视线矩形平面区域的四个边界顶点为标记点,根据下面公式(1)确定世界坐标系(O1-XYZ)与摄像机坐标系(O-XpYpZp)之间的变换关系,
在上述公式(1)中,(xp,yp,zp)表示任一待计算点在所述摄像机坐标系中的坐标,(xh,yh,0)表示所述任一待计算点在所述世界坐标系中的坐标,表示控制所述图像形式的课件信息进行投影方向旋转的矩阵,qij表示所述矩阵的元素,i=1、2、3,j=1、2、3,(b1,b2,b3)表示一个预先已知的平移向量B,b1、b2、b3分别为所述平移向量的元素,符号T表示转置运算;
S2、结合上述公式(1)与光学投影原理,得到下面公式(2)所表示的方程组,
S3、对上述(2)对应的方程组进行解算,从而计算得到所述矩阵对应的具体数学形式;
所述图像投影位姿调整单元再根据所述矩阵,调整所述课件信息投影模块将所述图像形式的课件信息投影至所述屏幕上的位姿。
8.如权利要求7所述的增强现实的课件生成系统,其特征在于:
所述图像投影位姿调整单元还包括图像投影位置优化子单元,所述图像投影位置优化子单元用于对投影在所述屏幕上的所述图像形式的课件信息进行投影位置的优化调整,其过程具体为,
T1、根据下面公式(3)形成一投影位置优化调整函数
在上述公式(3)中,x表示投影位置X方向横坐标点信息,I(x)表示投影输入的图像尺寸信息,T(x)表示投影变换后的图像尺寸信息,W(x;B)表示投影所进行的图像变换,B表示所述预先已知的平移向量;
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