CN114911048A - 望远镜及用于望远镜的图像显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种望远镜及图像显示方法，通过利用与镜筒相连的编码器和惯性传感器探测得到的第一转动数据和第二转动数据，并对第一转动数据和第二转动数据经过一系列计算得到与实时朝向对应的输出图像，从而可以结合编码器探测结果准确度高和惯性传感器探测结果平滑连续、实时性好的优点，在保证观测效果的前提下实现较低的制造成本。

Description

望远镜及用于望远镜的图像显示方法

技术领域

本发明涉及望远镜技术，具体而言，涉及一种望远镜及用于望远镜的图像显示方法。

背景技术

近年来，人们开始在望远镜上引入例如增强现实(AR,Augmented Reality)显示以及混合现实(MR,Mixed Reality)显示，其中将通过望远镜物镜获得的光学影像与例如显示器显示的电子图像混合输出到同一光路中，最后例如可以通过目镜一起呈现给观测者。如何在望远镜的应用场景下提供高质量的显示尚有待于关注和解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种望远镜及用于望远镜的图像显示方法，其至少部分地克服了现有技术中的不足。

本发明提供了一种望远镜，包括镜筒及与所述镜筒相连的编码器和惯性传感器，其中，所述编码器探测所述镜筒的转动动作得到第一转动数据，所述惯性传感器探测所述镜筒的转动动作得到第二转动数据，并且所述望远镜还包括计算模块，所述计算模块接收来自所述编码器的第一转动数据和来自所述惯性传感器的第二转动数据，将两者融合得到所述镜筒的实时转动数据，并且所述计算模块基于所述实时转动数据计算得到所述望远镜的实时朝向，并获取与所述实时朝向对应的输出图像。

优选地，所述望远镜还包括显示装置和目镜，所述目镜安装在所述镜筒上，所述显示装置用于显示所述输出图像并且设置于所述镜筒内使得所述输出图像能够通过所述目镜被观察到。

优选地，所述望远镜还包括物镜和混合光路装置；所述物镜安装在所述镜筒上，所述混合光路装置设置于所述镜筒内并位于所述显示装置到所述目镜的光路以及所述物镜到所述目镜的光路中，用于将所述输出图像及所述物镜获取的光学影像混合，使得它们能够同时通过所述目镜被观察到。

优选地，所述计算模块对所述第一转动数据及第二转动数据进行加权平均计算得到所述镜筒的实时转动数据。

优选地，所述计算模块利用所述第二转动数据对所述第一转动数据进行插值得到所述镜筒的实时转动数据。

优选地，所述望远镜还包括初始定位模块，所述初始定位模块用于确定所述望远镜的初始朝向，并且其中所述计算模块根据所述初始朝向及所述实时转动数据得到所述望远镜的实时朝向。

优选地，所述初始朝向包括所述望远镜的天文坐标系；所述实时朝向包括所述望远镜在所述天文坐标系下的高度和方位角；所述输出图像包括与所述高度及所述方位角所对应的天文图像以及用于对所述天文图像进行标注的标注信息中的至少一种。

优选地，所述标注信息包括星点的天文学编号、星点的名称、星点的天文坐标、星点的亮度、星座的轮廓、星座的名称中的至少一种。

根据本发明的另一方面，还提供一种用于望远镜的图像显示方法，包括：

利用编码器探测镜筒的转动运动得到第一转动数据，利用惯性传感器探测镜筒的转动运动得到第二转动数据；

融合所述第一转动数据及所述第二转动数据得到所述镜筒的实时转动数据；

基于所述实时转动数据得到所述望远镜的实时朝向；以及

获取与所述实时朝向对应的输出图像。

优选地，基于所述实时转动数据得到所述望远镜的实时朝向包括：

获得所述望远镜的初始朝向；以及

根据所述初始朝向及所述实时转动数据计算得到所述望远镜的实时朝向。

优选地，还包括：将所述输出图像与所述望远镜的物镜获取的光学影像通过一混合光路被送入到望远镜的目镜中，使得所述输出图像和所述物镜获取的光学影像能够同时通过所述目镜被观察到。

优选地，所述输出图像包含用于对天文图像进行标注的标注信息，所述标注信息包括星点的天文学编号、星点的名称、星点的天文坐标、星点的亮度、星座的轮廓、星座的名称中的至少一种。

本发明实施例提供一种望远镜，通过利用与镜筒相连的编码器和惯性传感器探测得到的第一转动数据和第二转动数据，并对第一转动数据和第二转动数据经过一系列计算得到与实时朝向对应的输出图像，从而可以结合编码器探测结果准确度高和惯性传感器探测结果平滑连续、实时性好的优点，在保证观测效果的前提下实现较低的制造成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为根据本发明实施例的望远镜的示意性框图；

图2为可用于图1所示的望远镜的图像显示方法的流程图；

图3为基于第一转动数据及第二转动数据获取输出图像的示意图；

图4为根据本发明实施例的望远镜的一个示例的结构示意图；

图5为对输出图像及物镜观测到的光学影像进行融合的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明的发明人发现：增强现实或混合现实显示的望远镜可以根据望远镜镜筒的实时朝向产生要通过望远镜显示给观测者的画面；在望远镜初始定位之后利用编码器跟踪探测望远镜的朝向变化是本领域中常用的方式；然而，假如仅以编码器的探测结果来生成通过望远镜显示给观测者的画面，则由于编码器所能探测到的旋转角度彼此之间具有一定间隔(对应于编码器的探测精度)，而无法进行连续的旋转角度探测，所以所得到的画面也是跳动的，影响用户的观测体验。

为此，根据本发明实施例提供了一种望远镜。图1为根据本发明实施例的望远镜的一个示例的示意性框图，如图1所示，根据本发明实施例的望远镜1包括镜筒10、与镜筒10相连的编码器11和惯性传感器12、以及计算模块13。编码器11和惯性传感器12探测镜筒10的转动动作，其中通过编码器11得到第一转动数据(见图3的“P1”)，通过惯性传感器12得到第二转动数据(见图3的“P2”)。计算模块13接收上述的第一转动数据及第二转动数据，并将其融合得到镜筒的实时转动数据(见图3的“P3”)，基于实时转动数据计算得到望远镜1的实时朝向，并获取与实时朝向对应的输出图像。本发明中的惯性传感器可以是仅包括陀螺仪，也可以是陀螺仪和加速度计等其他能够输出平滑的第二转动数据的形式。

可以看到，根据本发明实施例的望远镜中，将编码器的探测数据与惯性传感器的探测数据融合得到准确度和连续性都良好的实时朝向数据并基于此生成输出图像。这使得望远镜能够提供更加平滑、逼真的动态显示，改善用户体验。从成本角度来看，相对于采用高精度的编码器，编码器与惯性传感器数据的融合使得能够采用低精度编码器，有利于降低成本。

应该理解的是，本发明所提供的望远镜并不仅限于包括物镜等结构并能够进行实际观测的常规的望远镜，还包括不包括物镜，通过虚拟现实显示提供观测功能的望远镜等形式。

如图1所示，望远镜1还可以包括初始朝向模块14，初始朝向模块14用于确定望远镜的初始朝向。在一些实施例中，初始朝向模块14可以是能够自动寻找如北极星等标志物并依据标志物的坐标，确定望远镜在赤道坐标系下的初始朝向的装置。在另一些实施例中，初始朝向模块14也可以是能根据地磁场和重力方向等地理信息确定望远镜在地平坐标系下的初始朝向的装置等。

相应地，计算模块13可以配置为能够执行以下处理：基于初始朝向及实时转动数据计算得到望远镜的实时朝向。这里的计算方式可以是以初始朝向为基准，对实时转动数据做积分运算并得到实时朝向等，根据具体情景进行设置即可。

图2示出了根据本发明实施例的图像显示方法100，其可用于图1所示的望远镜1。如图2所示，图像显示方法100具体包括如下处理：

处理S110：利用编码器探测镜筒的转动运动得到第一转动数据，利用惯性传感器探测镜筒的转动运动得到第二转动数据；

处理S120：融合第一转动数据及第二转动数据得到镜筒的实时转动数据；

处理S130：基于初始朝向及实时转动数据计算得到望远镜的实时朝向；

处理S140：获取与实时朝向对应的输出图像。

在处理S110中，由于编码器的工作方式是通过转子转动到固定的角度并触发码盘等机构，从而输出这个固定转动角度，使得编码器能够准确地探测到该固定的转动角度，但不能探测到小于该固定转动角度的角度。因此，编码器探测得到的第一转动数据的特点是准确度高但是数据相对稀疏、不平滑。惯性传感器的工作方式是对转动动作所带来的惯性变化进行连续探测并进行积分运算，进而得到转动动作对应的转动角度；惯性传感器的输出数据的密集程度取决于数据采样频率，该频率现在已经可以达到很高的水平。然而，惯性传感器存在漂移问题。因此，惯性传感器探测得到的第二转动数据的特点是能够实时反映动态变化，数据平滑，但是存在漂移，准确度不足。

在处理S120中，将第一转动数据与第二转动数据融合，以消除两者各自存在的不足，并得到较为准确且平滑连续的实时转动数据。对第一转动数据及第二转动数据进行融合的具体方式可以是加权平均计算，也可以是利用第二转动数据对第一转动数据进行插值，还可以是先进行加权平均计算，再利用加权计算的结果对第一转动数据进行插值等。

仅作为示例，处理S120中采用的加权平均计算可以是利用t₁时刻的第一转动数据对t1时刻附近的多个第二转动数据进行加权平均计算，以校正第二转动数据；也可以是利用t₁及t₂两个相邻的第一转动数据对处于t₁及t₂之间的第二转动数据进行加权平均计算；还可以是利用t₁时刻的第一转动数据对t1时刻之前的多个第二转动数据进行加权平均计算等多种能够获得较为准确的实时转动数据的计算方法，此处不一一列举。

仅作为示例，处理S120中使用第二转动数据对第一转动数据进行插值的具体方式可以是：对于第一转动数据中相邻的两个数据点，找到第二转动数据中分别与它们最接近的两个对应点，并依据第二转动数据中这两个对应点以及它们之间的点确定出的转动变化曲线对第一转动数据中的所述相邻的两个数据点之间进行插值。处理S120中对第一转动数据与第二转动数据的融合，主要是为了将第一转动数据的准确及第二转动数据的平滑连续的优点结合起来，以期得到尽可能平滑连续且准确的实时转动数据。

在处理S130中，通过实时转动数据所获取的实时朝向可以是地平坐标系下的方位角及朝向，还可以是赤道坐标系下的方位角及朝向等。地平坐标系下的实时朝向可以结合时间及经纬度等信息以确定对应的天文图像；赤道坐标系下的实时朝向则可以直接确定对应的天文图像。当然，实时朝向不仅可以用于天文观测，还可以用于观测地面的观测对象。

在处理S140中，在获得了实时朝向后，可以例如通过预先存储的数据库或网络检索等获得与实时朝向对应的输出图像。例如根据实时朝向，在网络上检索得到与实时朝向对应的星图，并将该星图作为输出图像；或者根据实时朝向，在预存的完整的宇宙图像中截取对应的区域，并将所截取的区域作为输出图像等。

根据本发明实施例得到的输出图像可以利用虚拟现实显示或增强现实显示或混合现实显示的方式显示给观测者。从前文讨论可以得知，由于根据本发明实施例得到的望远镜实时转动数据是平滑连续且准确的，所以对应的输出图像也是平滑连续且准确的，用户观看输出图像时能获得逼真、舒适的体验。

为了便于理解，进一步通过图3示出了通过第一转动数据和第二转动数据获得实时转动数据并结合预存的天文图像获得连续的输出图像的一个示例。在图3所示示例中，通过对望远镜的镜筒的转动动作的探测，编码器获取了第一转动数据P1，惯性传感器获取了第二转动数据P2，并由第二转动数据P2对第一转动数据P1进行融合得到了实时转动数据P3，并基于实时转动数据P3计算所得到的实时朝向，在预存的星图A中获得了与实时朝向对应的输出图像A’。从图3中可以看出，若仅根据第一转动数据P1获取输出图像，则仅能获取三个输出图像A’，这三个输出图像A’间隔较远且不连续，明显不能满足用户的观测需求，而根据实时转动数据P3所获得的多个输出图像A’彼此之间间隔较小，连续性也有很大提升，能够改善用户的观测体验。

图4示出了根据本发明实施例的望远镜的一个示例的示意性结构图。如图4所示，望远镜1’包括镜筒10’、与镜筒10’相连的编码器11’和惯性传感器12’、以及计算模块13’。与参照图1介绍的相同，编码器11’和惯性传感器12’探测镜筒10’的转动动作，其中通过编码器11’得到第一转动数据，通过惯性传感器12’得到第二转动数据；计算模块13’接收上述的第一转动数据及第二转动数据，并将其融合得到镜筒的实时转动数据，基于实时转动数据计算得到望远镜1’的实时朝向，并获取与实时朝向对应的输出图像。

应该理解的是，图4所示编码器11’、惯性传感器12’和计算模块13’在望远镜上的安装位置以及编码器、惯性传感器12’的数量等仅仅是示例性的，这些部件的安装和数量等只要能够符合它们工作的需要即为可行的，本发明在这方面不受限制。例如，编码器11’可以包括分别测量两个相互垂直的方向上的转动角度的两个编码器，它们的安装位置可以不一样；计算模块13’可以设置在望远镜上的任意位置，只要计算模块13能够与其它部件通信并接收或发送相应的数据、指令等。

在图4所示示例中，望远镜1’还包括显示装置14’和目镜15’。显示装置14’例如可以包括微显示器，用于显示通过上述方法100所获取的输出图像，并使得输出图像能够通过目镜15’被观察到。这样当用户将眼睛贴在目镜15’上，并像操作常规望远镜一样转动望远镜时，可以通过目镜15’观测到显示装置14’所显示的一连串的输出图像。

本发明所提供的望远镜的工作方式可以是虚拟现实显示，例如通过图4所示的显示装置14’以虚拟现实显示的方式显示图3中的输出图像A’，则用户通过目镜15’会看到随着自己转动望远镜而不断变化的星图。由于星图的变化与用户转动望远镜的操作相互对应，这就使得用户无需在夜晚也能获得使用望远镜观测星空的体验。此外，这还可以用于练习操作望远镜或学习天文知识，具有望远镜或天文知识的教学价值。

本发明所提供的望远镜的工作方式也可以是增强现实显示。如图4所示，望远镜1’还可以包括物镜17和混合光路装置16’，物镜17’用于形成观测对象(例如星球、星座、星云等天体)的光学影像，混合光路装置16’例如可以包括合光镜，用于将输出图像和通过物镜17’获取的光学影像进行混合，从而达到增强现实显示的效果。为了实现这一效果，混合光路装置16’设置于镜筒10’的内部并位于显示装置14’到目镜15’及物镜17’到目镜15’的光路中，从而使输出图像和通过物镜17’获取的光学影像同时被目镜15’被观察到，下面将对输出图像和光学影像进行混合作示意性说明。

图5示意性地示出了混合输出图像a1和通过物镜获取的光学影像a2以进行增强现实显示的一个示例。仅作为示例，输出图像a1中可以包含星座的标识及名称，通过物镜获取的光学影像a2可以为现实中的星空的影像；在图5所示示例中，两者经过混合光路装置的混合后，用户通过目镜所能观察到的图像a3为在现实星空影像上叠加了星座标识及名称的图像，这样用户在观察星空的同时，可以直观的了解和学习星座的有关知识。当然，输出图像a1中也可以包括能够用于对天文图像进行标注的其它标注信息，包括但不限于星点的天文学编号、星点的名称、星点的天文坐标、星点的亮度、星座的轮廓、星座的名称等。

本发明所提供的望远镜的工作方式还可以是混合现实显示。除了上述标注信息外，输出图像还可以是根据实时朝向获取并增强亮度的星图，将增强亮度的星图通过混合现实显示的方式与通过物镜17’获取的真实的星图进行叠加从而使各个星点的图像更加明亮，可以在天气状况不佳等情况下保证用户能够清晰的观察到各个星点的位置。

本发明实施例提供一种望远镜，通过利用与镜筒相连的编码器和惯性传感器探测得到的第一转动数据和第二转动数据，并对第一转动数据和第二转动数据经过一系列计算得到与实时朝向对应的输出图像，从而可以结合编码器精度较高和惯性传感器分辨率较高的优点，在保证观测效果的前提下实现较低的制造成本。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (12)

1.一种望远镜，包括镜筒及与所述镜筒相连的编码器和惯性传感器，其中，所述编码器探测所述镜筒的转动动作得到第一转动数据，所述惯性传感器探测所述镜筒的转动动作得到第二转动数据，并且

所述望远镜还包括计算模块，所述计算模块接收来自所述编码器的第一转动数据和来自所述惯性传感器的第二转动数据，将两者融合得到所述镜筒的实时转动数据，并且所述计算模块基于所述实时转动数据计算得到所述望远镜的实时朝向，并获取与所述实时朝向对应的输出图像。

2.如权利要求1所述的望远镜，其中，所述望远镜还包括显示装置和目镜，所述目镜安装在所述镜筒上，所述显示装置用于显示所述输出图像并且设置于所述镜筒内使得所述输出图像能够通过所述目镜被观察到。

3.如权利要求2所述的望远镜，其中，所述望远镜还包括物镜和混合光路装置；

所述物镜安装在所述镜筒上，所述混合光路装置设置于所述镜筒内并位于所述显示装置到所述目镜的光路以及所述物镜到所述目镜的光路中，用于将所述输出图像及所述物镜获取的光学影像混合，使得它们能够同时通过所述目镜被观察到。

4.如权利要求1所述的望远镜，其中，所述计算模块对所述第一转动数据及第二转动数据进行加权平均计算得到所述镜筒的实时转动数据。

5.如权利要求1所述的望远镜，其中，所述计算模块利用所述第二转动数据对所述第一转动数据进行插值得到所述镜筒的实时转动数据。

6.如权利要求1所述的望远镜，其中，所述望远镜还包括初始定位模块，所述初始定位模块用于确定所述望远镜的初始朝向，并且其中所述计算模块根据所述初始朝向及所述实时转动数据得到所述望远镜的实时朝向。

7.如权利要求6所述的望远镜，其中，所述初始朝向包括所述望远镜的天文坐标系；

所述实时朝向包括所述望远镜在所述天文坐标系下的高度和方位角；

所述输出图像包括与所述高度及所述方位角所对应的天文图像以及用于对所述天文图像进行标注的标注信息中的至少一种。

8.如权利要求7所述的望远镜，其中，所述标注信息包括星点的天文学编号、星点的名称、星点的天文坐标、星点的亮度、星座的轮廓、星座的名称中的至少一种。

9.一种用于望远镜的图像显示方法，包括：

利用编码器探测镜筒的转动运动得到第一转动数据，利用惯性传感器探测镜筒的转动运动得到第二转动数据；

融合所述第一转动数据及所述第二转动数据得到所述镜筒的实时转动数据；

基于所述实时转动数据得到所述望远镜的实时朝向；以及

获取与所述实时朝向对应的输出图像。

10.如权利要求9所述的图像显示方法，其中，基于所述实时转动数据得到所述望远镜的实时朝向包括：

获得所述望远镜的初始朝向；以及

根据所述初始朝向及所述实时转动数据计算得到所述望远镜的实时朝向。

11.如权利要求9所述的图像显示方法，还包括：

将所述输出图像与所述望远镜的物镜获取的光学影像通过一混合光路被送入到望远镜的目镜中，使得所述输出图像和所述物镜获取的光学影像能够同时通过所述目镜被观察到。

12.如权利要求9-11中任一项所述的图像显示方法，其中，所述输出图像包含用于对天文图像进行标注的标注信息，所述标注信息包括星点的天文学编号、星点的名称、星点的天文坐标、星点的亮度、星座的轮廓、星座的名称中的至少一种。

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