CN1252150A - 将计算机生成的效果叠加到实况图象的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种观察展示地的方法和装置能够将计算机生成的图象和声音叠加在实况展示地上,并根据一对细节不同程度的要求生成和显示叠加图象,在无需指令,操纵员,调整,训练或指导可由一般公众在室内或户外设备中使用。观察装置(100)可包括一个观察部分(350),一个处理部分,一个显示部分,和一个音频部分。这些组成部分组合起来使用户能够观察叠加有信息或历史再现的真实展示地以增强展示经历,与将展示地参观者的注意力引离真实展示地的单独的显示小室或其它手段相反。

Description

将计算机生成的效果叠加到实况图象的方法和装置

相关申请的相互参考

本申请要求美国临时专利申请No.60/039.040的利益，该申请于1997年2月24日提出。

技术领域

本发明涉及一种交互式观察设备。尤其涉及一种装置，该装置在显示集成有与位置相关的计算机生成的声音和图象效果的实况展览点时提供了一种可以多种自由度来操纵观察器的方法和装置。而且，这种方法和装置能够按要求进行叠加显示，该叠加可由非熟练公众进行操作和控制。

发明背景

很多历史的、自然的和物理展览景点，如国家公园的展览点，是依靠书报、海报或人的讲述来传达发生在该展览点的历史事件。这些展示手段虽然花费比较少，但却不能给参观者提供发生在实际展示点的历史事件的真实再现。实际上，只有“人力密集”的再现表演，如那些在国内战争现场使用演员进行的表演，为参观者提供了有效的历史事件的现场表演。但是人力密集的再现表演花费昂贵，难于安排并经常会破坏展示点。当安排有再现表演时，参观者往往会蜂拥到展示地使展示地拥挤不堪。由于这些原因，在展示地很少安排人再现表演。

另外，人力密集进行再现表演的方法不能用于再现自然现象如圣·海伦山的爆发，神话遭遇如Loch Ness怪物的形象，或人类的成就如建造Rushmore山。对这些类型的展览，展览者一般借助电影，照片或动画以再现历史事件。但是，这些展示手段往往使参观者的注意力集中到电视屏幕上，而不是展览地本身。这样，就需要一种能够提供真实的再现并使参观者的兴趣集中在展览地的展示方法。进一步需要一种不需要“人力密集”的再现表演的展示手段。

也已经有了不同于上述的那些方法观察展览地的展示方法。有时使用的一种展示工具是用硬币操作的放大装置。例如，这种放大装置可能安装在风景眺望点或一个高层建筑上使参观者能够看到放大的自然景色。虽然这些放大装置确实提供给参观者当时展览地的放大的图象，它们不能再现或再表演该展示地发生的历史事件，这样，就需要一种展示工具，它可以提供展览地的风景并在放大的风景上显示再现的历史事件。

有时头安装的模拟现实显示器或吊杆安装的模拟现实装置也作为展示工具。但是，这些模拟现实装置不能与现有展示地进行交互操作来为用户提供历史再现。而且，这些模拟现实装置一般比较脆弱不适于长期在户外环境中使用。这样，就需要一种结实的观察装置来和真实的展示地结合在一起产生模拟现实的再现。

有一些众所周知的处理可以通过用户自由操纵来生成计算机图象并实时地叠加到自然景点上。例如，有一些正在进行的军事应用为步兵训练应用提供了这种功能。但是，所有已知的这种类型的产品都使用昂贵的液晶显示(LCD)技术来叠加图象。而且，这些现有的装置没有一个能够为了虚拟现实叠加而使用能够与更高端部件互换的低成本的技术。而且，这些处理都没有将叠加处理与同步声象效果处理结合在一起。现有技术既没有被集成在展示工具结构中以使公众与之交互，也没有采用一个结构化的过程允许参观者进行交互操作。现有装置也不支持物理上可删除的内容。这样就需要为便宜的用于将计算机生成的图象叠加到参观的图象上的展示工具以提供一种用于用户交互的现场可替置的内容，以及同步的声音和图象效果处理应用。

发明总结

本发明通过提供一种允许通过公众操作将计算机生成的音象效果叠加到实况图象上的展示辅助装置的装置和方法来满足上述需要。本发明的实施方式允许根据用户的要求显示模拟现实再现和扩充的现实再现。

本发明的各方面使用户可以与展示地进行较现有技术展示工具的更好的交互。本发明的各方面允许用户通过一个观察装置来参观真正的展览地并在展览地有兴趣的点上根据需要生成再现。在参观展览地时，可以确定人正在参观哪个位置并可以向用户显示视觉和音频信息包括效果仿真，历史电影胶片叠加，以及重要事件的教育类型的动画。在用户参观实际的展览地时为用户操作和显示这在以前都是不可能的。只有本发明提供了一种适于公众使用(室内和户外)的装置和一个允许用户交互地操作和要求用于修饰肉眼可见的和不借助工具耳朵听到的效果的叠加效果从而使展览地看上去就象它过去曾经有的样子或它在未来某一时刻的样子。

一方面，本发明提供一个包括观测部分即所谓的图象头的观测装置来进行操作。用户投入一个代用币如果本发明设置为要求这么做的活。投入代用币后，用户可以启动观测部分，将其对准展览地有兴趣的任何点，然后按下开始按钮。当用户按开始按钮时，一个计时器显示剩余观测时间。观察装置初始化时确定它相对于初始方向的位置并确定需显示给用户的图画内容。观察装置然后提供一个自然的展览地的“透过镜头”的景象。一连串的声音讲述会开始告诉观察者关于展览地的信息。提供信息给用户以指导其朝向现场景点的正确的观察点。当该观察点可见或出现在观察窗口的中心时，观察装置识别用户关于其它信息的要求。观察装置之后会将计算机生成的效果叠加到景点的“透过镜头”的图象上。

另一方面，本发明是一个包括用于封装集成电子系统的图象头的展览观察装置。为了动态的和相关的生成并将声音和图象效果叠加到通过展览观察装置观察到的自然光源下的展览点上。该集成电子系统是可再配置的。展示观察装置还包括一个用于用户控制图象头的移动的头支架。展示观察装置还可能包括一个连接到头支架上的用于保持展示观察装置稳定的支架，它还使用户可以接近该展示观察装置。集成电子系统可操作产生声音信号，图象头可能包括一个广播该声音信号的扬声器系统。

在另一方面，展示观察装置可能包括一个位置跟踪系统以确定展示观察装置的仰角和方位角使得视觉效果可以被协调，产生并叠加到通过展示观察装置观察到的正常自然光源下的展示点上。在其它装置中，位置跟踪系统可能包括一个电磁测量装置或数字轴编码器。

在另外一方面，观察装置的集成电子系统可以包括光学部件，用于将视觉效果叠加到自然光源下的展示点上。另一方面，本发明是一种在通过观察装置观察展示点电子系统中用于将计算机生成的图象叠加到观察到的展示点的图象上的方法。观察装置的位置是确定的。观察装置的用户被指导移动，或自由选择使观察装置对准展示景点的特定位置。根据展示景点的特定位置生成计算机画面或声音。计算机效果被叠加到透过观察装置的镜头观察的图象上。该方法还可以包括在确定观察装置的位置前判断是否在观察装置中投入一个纪念币。

另一方面，该方面可以包括在指导用户移动观察装置前提供声音效果和镜头景色给用户。指导观察装置的用户将观察装置移动到展示地的特定位置的步骤包括在观察装置的镜头景色上显示箭头。该箭头与用户应移动观察装置以达到特定位置的方向一致。

另一方面，本发明提供一种独特的装备适用于在公园、博物馆、饭店、学校、科学中心和其它高交通、低监督的领域的公共使用。该装置采用一种结实的设计将电子元件包装在一个基本外壳和图象头里以确保保护它们。该装置提供一种可靠的方法用于在两维进行浏览并允许为计算机处理收集方向数据；为点观察器提供一个结实的外壳，包括扬声器、计算机显示、电子扬声器和开关，位置测量装置，图象捕获设备，计算机处理、图象集成和控制存储。

另一方面，本发明提供一种独特的装置允许用户交互地浏览并从景点的实况景色中选择解释信息。该装置允许用户改变方位角或仰角而保持计算生成位置叠加的精确性。该装置提供一种特有的无须培训和帮助的直观方法。当用户浏览展示景点并将感兴趣的点放在观察的中心时该装置显示计算机生成的信息。该装置还根据用户的要求提供附加信息。该装置响应用户要求附加信息的要求。该装置显示表格指明附加信息。如果用户将该装置置于指示器上并激活该信息，按下一个按钮，该装置可能显示扩展的信息叠加。

在系统的另一方面，该装置提供了一种独特的聚焦手段。当用户将装置转向感兴趣的区域时，该装置测量方位以确定感兴趣的位置并调整放大倍数及其它照相机选项，如背光，以便清晰地显示景点和计算机生成的图象。本发明的这种独特功能允许其为不同距离的多个景点项目显示解说和交互数据。

另外，该装置可以连接到网络上以允许放大的现实交互游戏，使得连接设备显示给用户叠加有计算机生成图象的实况景色的一致景象。例如，在景点四周可以设置多个装置，如火车仓库、金矿、大坝、磨坊、工厂、或组装线，允许每个单独的用户观察景点的几个方面，当与其它用户结合起来时，该组可以虚拟地操作景点。本发明利用网络在装置中交换每个用户的活动，使得每个装置可以提供一个一致的画面。

通过阅读下面对公开实施方式的详细描述并参看所附加的附图和权利要求书可以更好地理解和评价本发明的这些和其它特点，优点以其各个方面。

附图的简单说明

图1A和1B分别示出了根据本发明的一个实施方式的一个观察装置的侧视图和正视图。

图1C示出了包括为观察装置生成图象叠加和声音信号的电子元件的处理系统。

图1D示出了观察装置的可选的电源。

图2A和2B分别示出了观察装置的图象头，头支架和架子的侧视图和正视图。

图3A和3B分别示出了图象头的侧剖面视图和正剖面视图，详细地示出图象头的内部结构。

图4A和4B分别示出了平台基座的侧视图和侧截面视图。

图5是本发明一个实施方式的处理系统的功能框图。

图6概念性地示出了本发明一个实施方式中显示给用户的可视图象。

图7示出了说明观察装置数据流的数据流图。

图8示出了根据本发明的一个实施方式的引入了一个主色度混合器和视频监视器组合的光学单元。

图9示出了根据本发明的一个实施方式的引入了一个基于镜像的观察器和一个简单光线分离滤光器的光学单元。

图10示出了根据本发明的一个实施方式的引入了一个液晶显示基于滤光的观察器的光学单元。

图11示出了根据本发明的一个实施方式的引入了域视图扩展技术的光学单元。

图12示出了根据本发明的一个实施方式的引入了光学立体技术的光学单元。

图13是说明根据本发明的一个实施方式的用于将计算机生成图象叠加到观察到的图象的方法的流程图。

详细说明

本发明是指将计算机生成的动画叠加到通过放大观察装置观察到的视图上的方法和装置。本发明的实施方式允许虚拟现实再现和可以根据用户的要求从放大观察装置显示的放大的现实再现。

本发明使用户可以较原有技术展示工具更好地与展示地交互。本发明允许用户通过观察装置观察实际的展示地并对用户感兴趣的地点根据用户的要求进行再现。在观察展示地时，本发明可能确定用户正在观察的位置并显示可视的和音频信息包括效果模拟，叠加历史电影胶片以及重要事件的教育型动画。这种在用户查看实际展示地时给用户展示的功能在以前是不可能的。原有技术的展示手段要求参观者观看海报或电视监视器来取代展示地。只有本发明可以将肉眼看到的景色装饰起来使展示地看上去是原有的模样或在将来某一时刻的模样。

在一个实施例中，本发明通过提供一个包括称为图象头的观察部分的观察装置来动作。如果本发明设置为要求投币，用户投入一个纪念币，投入纪念币之后，用户可以操作观察部分，将其对准展示地上感兴趣的任一点，并按下开始铵钮。当用户按下开始按钮，一个计时器显示所剩的观察时间。观察装置初始化确定其相对于初始方位的位置并确定动画内容。然后观察装置提供展示地的自然的“透过镜头”的景象。一个声音讲述序列可能开始告诉观察者关于展示地的一些信息。提供信息用于指导用户观察展示地上正确的观察点。当正确的观察点可见或出现在观察屏幕的中心时，观察装置识别用户要求附加信息的要求。

观察装置然后生成历史事件的计算机动画或其它与特定展示地有关的适当信息。观察装置之后将计算机动画叠加到用户观察到的展示地的实际透过镜头的图象上。这提供给用户一种幻觉觉得自己正在观看发生在展示地的历史事件的真实再现，讲述在继续，还可以辅有声音效果，如爆炸，火山喷火，或其它合适的声音。最后，计时器到时显示结束。

在替代实施方式中，可能生成包括“热点”，或观察屏上标注的很多观察者感兴趣的点的区域的覆盖图。将观察装置转向一个热点，用户可以得到关于展示地上该感兴趣点的附加信息。

当我们在运行于计算机的操作系统上的计算机程序的一般上下文中讨论本发明的一些方面时，熟练的技术人员将认识到，一般来说，计算机程序包括例程，组件，数据结构等完成特定的任务或执行特定的抽象数据类型。现在参看附图(在所有几个图中，相同的数字代表相同的元素)来讲述本发明的几个方面。

现在参看图1A和1B，来讲述根据本发明的一个实施方式的观察装置100的侧视图和正视图。观察装置包括一个图象头110，头支架120和架子130。

图象头110封装了处理系统140(图1C所示)，该处理系统包括生成视频叠加和音频信号的电子元件。

头支架120支撑着图象头110。观察装置100还包括图象头110两边突出的使图象头110可以转动的柄160。柄160一般来说是圆柱形包括一个穿过头支架120将图象头110和头支架120连接起来的轴部分165。用户通过移动柄160，可以改变图象头110的观察方位角和仰角，从而改变用户观察的景象。头支架120按装在架子130的顶部围绕架子130的轴旋转以改变观察方位。柄160绕柄160的轴旋转图象头110以改变图象头110的观察仰角。将头支架120的底座连接到架子130的顶部的组件170允许图象头110和头支架120绕架子130的轴旋转。

观察装置100还可能包括一个如图1D所示的辅助电源150。

现在参看图2A和2B，来讲述观察装置100的图象头100，头支架120，架子130的侧视图和正视图。图象头110包括首选用螺针连接在一起的前片210和后片220。观察装置100首选有模块结构，使得各元件可以被混合和匹配以便根据各个用户性能性格比的要求优化观察装置。

头支架120以螺针230固定在架子130上。头支架120通过柄160连接到图象头110上。轴承240使头支架120可以绕架子130旋转。架子130可以由钢柱子构成。电源可以通过头支架120中的管道250传输给图象头110中的电子元件，然后通过柄160。

现在参看图3A和3B来讲述图象头110的侧剖面视图和正剖面视图。图象头110封装了一个扬声器系统310，该系统靠近用户使用观察装置100时耳朵所在的位置。扬声器系统310的位置使用户可以轻松地听到低音量播放的声音。该音量可以由可选的拨动按扭320来控制。

位置跟踪系统330或3301和3302，监测图象头110的方位数据(俯仰角和移动)并将方位数据传输给处理系统140。处理系统140处理方位数据以计算观察装置100的方位，来生成用于叠加的计算机生成图象。位置跟踪系统330可以是位于图象头110中的电磁测量装置。作为可选择方案，位置跟踪系统3301，3302可以包括图象头110绕其旋转的两个轴上的轴编码器。

处理系统140生成计算机生成图象并将这些图象传输给光学单元350以便叠加到自然景色上。启动开关360通上电并初始化处理系统140里的观察序列。可选的I/O接口370可以上载附加内容，如可视模板，音响效果以及观察装修，给处理系统140。

还是参看图3A和3B，图象头110还可以进一步包括一个左手封装壳365和右手封装壳375，两者通过螺钉377连接，由密封壳体380隔开。除了密封壳体，图象头110还可以进一步包括一个观察者密封体382，一个I/O接口密封体384，一个开始开关密封体386以及一个音量控制密封体388。这些密封体首选由橡胶构成，也可以选用具有密封特性的类似物质。这些密封体可以保持图象头110内部元件的湿度使其可以在组件内正常工作而不损坏。

图象头110还可以包括一个降温风扇390和一个电源转换器395。观察口399，首选采用玻璃，一般位于扬声器系统310之间。观察口399类似于双目镜头使用户可以浏览展示的或类似地面的放大的图象。

现在参看在图4A和4B讲述平台基座400的侧视图和侧剖面视图。平台基座400一般是一个支架130底下的多层装置，它使不同高度的用户不用调整观察装置100的高度就可以观览展示地。架子130可以通过螺钉420与平台基座400相连接。平台基座400包括多层430作为不同高度用户的台阶。电源输送管道430，一般采用PVC，可以扩展到平台基座400的底下。电源输送管道400使电源电缆通过架子130将电源传输至图象头110。在本发明的替代实施方式中，电源供给可以是直流电该电源位于平台基座400底下的一个盒子里或在图象头110里。

现在参看图5讲述用于本发明的一个实施方式的处理系统140的功能框图。处理系统140当用户按下开始按钮360时开始处理，按下开始按钮触发可选销售系统575。在大多数实施方式中，销售系统575用于接收硬币，纪念币或其它支付手段以初始化使用观察装置的观察会话。需要理解的是销售系统可能采用很多不同的装置，如信用卡、支票卡，或其它磁条卡、或其它形式的支付手段。在投入一个硬币给销售系统575并按下开始按钮360之后，一个信号被发送给计算机系统510。为了响应指明投入硬币和开始按钮按下的信号，计算机系统510将显示初始化画面给用户。需要理解的是熟练的技术人员可以将计算机系统510集成到图象头110中或将其放置在平台基座400上。如果放置在平台基座400上，计算机系统510被封装在一个保护性的封罩内，落在平台基座400的板上，通过穿过架子130的电线与图象头交互。

初始化完观察序列后，计算机系统510查询位置跟踪系统330(该系统通过端口#1519连接到图象生成计算机511上)。以确定观察装置100的方位。诊断系统576确保处理系统140的每个元件工作正常。

确定方位信息之后，图象生成计算机511查询内容存储装置580确定需向用户显示的图象序列。内容存储装置580可以是一个EPROM，一个EPROM，一个计算机磁盘，一个激光盘，或其它海量存储媒体。内容存储装置580存储信息，如计算机生成的图象，该图象将被叠加到展示地的自然景色之上。

需要理解的是在播放从内容存储装置580取得的显示序列时，计算机系统510通过I/O控制器515和扩展总线接口514从光学系统530接收可视输入。图象生成计算机511将内容存储装置580中取得显示序列如动画与从光学系统530的一个镜头532接收的自然景色可视输入对齐并合并。计算机系统510然后通过视频输出513将合并后的可视图象输出给监视器531。用户也可以选择手工设置监视器531的各种显示特性，如亮度或对比度以使显示结果最佳。本发明的其它实施方式将采用数字图象处理以确定这些要求并自动为之作出调整。

输出可视输出的同时，计算机系统510可以通过音频输出516输出同步的音频信息以伴随和增强可视输出。音频信号可存储于内容存储装置580。音频系统550从立体声放大器551的音频输出接收音频信号。立体声放大器551将音频信号放大并输出给扬声器系统310给用户听。用户可通过操作可选音量按钮320发送给音频系统550的音量控制554信号来控制音量。立体声放大器551可位于图象头110内或集成到平台基座内的计算机系统内。

电源系统590通过每个元件上的不同电源接口591给处理系统140的每个元件提供电源。电源系统590可以是一个AC电源和变压器也可以是DC电源或两种系统的组合。还可以包括一个备份电源。在一些实施方式中，系统将只在系统的底部或一些较远的位置保持原始电源供给，而只供给图象头以低电流电力供给以确保用户安全。

现在参看图6讲述本发明的一个实施方式中显示给用户的可视图象的概念性描述。本发明的实施方式使用独制的处理确定用户的兴趣并显示裁剪过的画面，显示同时控制放大程度，音频和动画效果，并使这些效果与用户自由移动观察装置100保持同步。图6示出了一个代表性的展示地，通过观察装置100看来是一个火山并有信息详细说明叠加到透过镜头观察到的图象上，如图6所示，该装置生成叠加图象使该火山看上去象是喷发前的模样。叠加图象被精确的定位和调整大小以提供一个现实和计算机生成图象混合成的再现景象，叠加是有时间顺序并与音响效果和讲解结合起来产生有教育意义的经历。

现在参看图7，示出了描述观察装置100的数据流的数据流图。数据流可以由运行在观察装置100的处理系统140内的软件来实现。一个附加的过程可以操作连接到处理系统140的外围设备。图7中的圆形代表软件功能。图7中的线代表数据流。图7中的箭头表示数据流的方向。每个线标注有传递的数据。图7中的圆柱形代表软件使用的数据库。

观察装置100的关键软件元素是内容管理器710。内容管理器710一般为观察装置100作出初级决定。内容管理器710从其它软件函数接收输入并生成输出输出给其它函数。内容管理器710当从开始检测720例程接收到开始信号时进行初始化。内容管理器710然后将开始信号发送给时钟730并从事件播放器740中载入第一个事件。根据载入的事件，内容管理器可能为计时器750设置时间限制，从兴趣点播放器760中载入感兴趣的点，或从位置监视器770中载入观察装置的位置。随着内容管理器710持续处理来自事件播放器740感兴趣点播放器760和位置监视器770的输入，它为音频生成器780和景色生成器790生成数据。

内容管理器710将当前位置，事件感兴趣的点发送给景色生成器790。内容管理器710将当前位置和声音发送给音频生成器780。

本发明的不同实施方式的特有的内容，如计算机生成的图象存储在内容数据库791中。内容数据791包括观察装置100的代表所有事件和兴趣点的数据。内容数据库读器792从内容数据库791中抽取内容数据并将事件数据发送给事件播放器740，代表兴趣点的位置数据发送给兴趣点播放器760。事件播放器740根据其从时钟730接收到的时间处理事件。兴趣点播放器760根据其从位置监视器770接收到的位置和方位处理兴趣点数据。事件播放器740和兴趣点播放器760都传送数据给内容管理器710。

本发明的各个实施方式不同的可视模板和虚拟世界模板存储在可视模板数据库793和虚拟世界数据库794中。可视模板和虚拟世界模拟由模板载入器795以数据库格式读出。模板载入器795将数据库格式的模板转换为合适的数字格式并将模板和地面信息发送给可视补偿器796。

景色生成器790从内容管理器710接收位置，兴趣点和事件。根据该事件和位置，景色生成器790确定景色中有哪些物体。物体和位置由景色生成器790发送给可视补偿器796。可视补偿器796接收物体和位置并选择适当的模板和地面。模板和地面被转换为几何体、结构和动画发送给图形驱动器797。图形驱动器797在观察到的图象上显示几何体、结构和动画给用户。

本发明每个实施方式的不同的声音以声音文件存储在音频数据库781中。声音文件由音频载入器782从音频数据库781中读出。音频载入器782将适当的数字格式的声音文件发送给音频生成器780。音频生成器780从内容管理器710接收声音的名字和位置，使用这种信息，音频生成器780生成声音信号，如立体声，数字的，特制的以及环绕音发送给音频驱动器783。音频驱动器接着为用户播放声音。

观察装置100还包括一个I/O端口处理器712。I/O端口处理器712首选有两种模式，安装和运行。在安装模式下，I/O端口处理器712将用户输入发送给安装工具711。安装工具711在位置数据库771中存储观察装置100的位置。位置监视器770从位置数据库771接收观察装置100的位置。在运行模式下，I/O端口处理器712将观察装置100的方位发送给位置监视器770。位置监视器770将位置发送给内容管理器710并将位置和方位发送给兴趣点播放器760。

计时器750从内容管理器710接收时间限制并将剩余时间发送给内容管理器710。内容管理器710将用于指挥连接到本发明上的外围设备的命令发送给I/O控制器驱动器713。这些命令可能包括亮度，对比度和图象缩放。

现在参看图8-10，需要理解的是观察装置100的光学单元350有几种不同的选择以满足购买者的不同的性能价格比要求。

现在参看图8，示出了根据本发明一个实施方式的光学单元350。光学单元350可包括一个显示器和由混合器805驱动的基于混合器的观察窗口，其中混合器805将计算机生成的图象和照相机生成的视频集成在一起。混合器805可能通常是一个主色度混合器或是一个计算机数字混合器。混合器805从对准展示地825的摄像机820接收国家电视标准委员会(NTSC)视频信号810。混合器805还从图象生成计算机511接收VGA叠加信号815。混合器805混合NTSC视频信号810和VGA叠加信号815并将输出的NTSC视频信号830输出给监视器835使得其可由观察窗840看到。在混合过程中，显示所有的VGA数据代替NTSC数据，除非VGA数据为“蓝色背景”。VGA背景图象不叠加到NTSC数据，从而产生一个放大的图象。

现在参看图9，讲述根据本发明的一个实施方式的光学单元350的另一个图解。光学单元350包括一个基于镜子的观察器(mirror-basedviewer)，如图9所示。光学单元350将计算机图形的显示和自然光源集成在一起。光学单元也可选择集成一个观察过滤装置以过滤自然光图象并将两种光源反映到一个观察平面。观察过滤装置，如液晶显示板或分束器，可以从计算机图象生成器接收信号以为实际展示地上需去掉的部分显示“黑”块。计算机图象生成器在反射时为每个这样的块发送图象给监视器，提供代替图象。

现在参看图10，讲述根据本发明的一个实施方式的光学单元350的另一个图示。光学单元350包括一个基于显示的观察器允许光线穿过，如图10所示，该观察器直接将计算机生成图象与自然光图象直接集成显示。计算机图象生成器只将代表叠加数据位置的象素的VGA数据发送给显示器。因为显示器没有黑色光，它使完整的实况图象穿过并与由VGA信号点亮的那些象素一起传送到用户的眼睛。

每个光学单元的配置可以选择包括FOV(视场)扩展，如图11所示，或光学立体装置，如图12所示。

如图11所示，FOV扩展系统包括置于每个图象源前面的FOV压缩镜头1110和置于每个视点前面的FOV扩展镜头1120。照相机镜头1110生成展示地的一个广角视图并将其压缩以备光学系统的光学处理用。图象生成系统以与压缩镜头相同的压缩比率提供叠加数据。一旦光学系统生成实况图象和计算机图象的集成视图，压缩数据被显示然后通过放大镜头观察使小的压缩的显示图象看上去与压缩前一样大。这保持了观察器的放大率，这对产生观察经叠加处理的展示地的放大效果至关重要。

现在参看图12，光学立体装置包括置于每个视点前面的简易LCD快门1210用于控制由计算机动画装置生成的右左眼图象的显示。在图12中，采用快门系统产生3-D效果。光学系统在显示器上显示以30Hz以上的速率振动的右眼和左眼视图。镜头将显示的视图聚焦到两个快门上。快门以与光学显示器相同的间隔和频率振动使右眼和左眼看该眼的透视图而不是看另一只眼的透视图。在装置中为每个眼睛使用一个独立的监视器代替镜头和快门也可以实现同样的效果。

现在参看图13，讲述根据本发明的一个实施方式中将计算机生成的图象叠加到观察到的图象之上的方法1300的流程图。方法1300从开始步骤1300开始执行步骤1310。优选地，当用户往观察装置中投入一个硬币或代用币启动方法1300时执行步骤1310。需要理解的是也可以选用其它熟练技术人员所知的其它支付手段。

在步骤1310中，观察装置通过确定观察装置相对初始方位的位置来初始化。确定观察装置相对于初始方位的位置之后，方法1300执行步骤1325。

在步骤1315中，提供给用户展示地的自然的“透过镜头”的图象和与用户正在观察的位置有关的讲解。然后该方法执行步骤1320。

在步骤1320中，提供信息给用户以引导用户观察展示地适当的观察位置。例如，可在观察屏幕上提供箭头，根据下一个要讲解的观察位置，指导用户向上，向下，向左或向右移动观察装置。该方法然后执行步骤1315。

在步骤1325中，观察装置识别用户关于展示地的某一位置的附加信息的要求。用户可以通过将感兴趣的区域置于观察装置的中心并按下图象头上的一个按钮来激活对附加信息的要求。该方法然后执行步骤1330。

在步骤1330中，观察装置生成用户通过观察装置正在观察的展示地的位置有关的计算机生成动画。方法1300然后执行步骤1335。

需要理解的是如果在开始叠加之后移动了图象头，可能发生以下步骤。第一，确定图象头在上下左右方向的移动，第二，确定图象头的新位置。第三，产生与新观察位置有关的叠加图象。最后，新的计算机生成的叠加图象显示在实况图象上。

在步骤1335中，计算机生成的动画叠加到用户透过镜头观察到的实际的图象上。当计时器到期时该方法结束于步骤1399并且观察装置关闭。

从上述的描述中，熟练技术人员可以明显看出本发明提供一种方法和装置用于将计算机生成的动画叠加于通过放大观察装置观察到的图象上。

需要理解的是观察装置100有许多不同的实施方式。例如，观察装置的电源供给可以是AC或DC兼容，也能够支持太阳能生成器。另一个例子是图象头110的外壳可以是金属的也可以是塑料的，取决于观察装置100可能遇到的环境条件。还有另一个例子是，可以将图象头110，头支架120，架子130和处理系统140制造为可以适应严酷环境条件以在户外使用。

另外，需要注意的是观察装置100可以构造为静态的也可以构造为单自由度配置。这些配置将除去头支架120(图象头110将直接安装在架子130上)，位置跟踪系统330，和架子上的齿轮240。需要进一步理解的是本发明可以不配置音频选项。

观察装置100还可以有其它应用。例如，可以生成信息叠加告诉用户火山是如何喷发的，或Grand峡谷是如何形成的。别的应用包括在眺望景色上标注路标、交互式游戏、建造和改革计划，产品展示的教育工具，大量的再现，理论提案，以及其它。本发明的应用是无限的。

很明显对于那些熟练技术人员来说本发明提供了一种将计算机生成的动画叠加在通过放大观察装置观察到的图象上的方法和装置，它比以人再现更经济而且用户更容易获得，这将消除由以人再现带来的很多拥挤问题。

显然本发明包括独特的处理能力包括将浏览处理和查询处理集成在一起使用户能够通过嵌入的叠加装置接收有指导的游览。

虽然这里发表的本发明是经过精心设计以满足上述的目标，应该理解本领域的普通技术人员能够设计大量的修改和实施方式。本文所附的权利要求书覆盖了所有这些处于本发明真正主旨和范围之内的修改和实施方式。虽然讲述本发明时引述了示例的实施方式的细节，如下面专门指出和单独要求的那样，这些细节并不用于限制本发明的范围。

Claims (23)

1.一个展示观察装置，包括：

一个图象头用于封装集成电子系统，其中为了将动态地相关产生的可视效果加到通过展示观察装置观察到的自然光源展示地之上，所述集成电子系统是可重配置的；以及

一个头支架用于由用户控制移动图象头。

2.权利要求1的展示观察装置，其中集成电子系统还可以进一步生成音频信号以及其中的图象头还可以包括一个广播音频信号的扬声器系统。

3.权利要求1的展示观察装置，进一步包括一个位置跟踪系统，确定展示观察装置的观察仰角和观察方位，使得可视效果可以被协调生成并叠加于通过展示观察装置观察到的适当的自然光源展示地上。

4.权利要求3的展示观察装置，其中位置跟踪系统是一个电磁测量装置。

5.权利要求3的展示观察装置，其中位置跟踪系统包括轴编码器。

6.权利要求1的展示观察装置，其中集成电子系统包括一个将可视效果叠加于自然光源展示地上的光学单元。

7.权利要求1的展示观察装置，其中图象头进一步包括观察口，用户透过该观察口观察自然光源展示地并叠加视觉效果。

8.权利要求1的展示观察装置，其中该装置可适应户外天气变化从而可使户外展示地被叠加。

9.权利要求1的展示观察装置，其中图象头固定在一个头上结构上。

10.权利要求1的展示观察装置，其中图象头容纳于类似于ATM机的适应天气变化的商亭结构中。

11.一种观察装置中用于观察展示地的电子系统中将计算机生成的图象叠加于观察到的展示地的图象上的方法，包括以下步骤：

确定观察装置的位置；

生成关于展示地特定点的计算机动画；以及

将计算机动画叠加到观察装置的镜头视图上。

12.权利要求11的方法，进一步包括在确定观察装置的位置前确定是否往观察装置中投入了代用币的步骤。

13.权利要求11的方法，进一步包括在指导用户移动观察装置前给用户提供音频效果和镜头视图的步骤。

14.权利要求11的方法，进一步包括指导观察装置的用户将观察装置移向展示地的特定位置的步骤。

15.权利要求14的方法，其中指导观察装置的用户将观察装置移向展示地的特定位置的步骤包括在观察装置的镜头视图上显示箭头，其中箭头与用户应移动观察装置到特定位置的方向一致。

16.权利要求11的方法，进一步包括在生成关于展示地的特定位置的计算机动画前识别用户对于关于特定位置的更多信息的要求的步骤。

17.权利要求11的方法，其中确定观察装置的位置的步骤包括确定观察装置相对于观察装置初始方向所处的方向。

18.一种计算机可读媒体，具有用于完成权利要求11的步骤的计算机可执行指令。

19.权利要求11的方法进一步包括确定观察器正在观察什么并自动调整照相机聚焦设置和叠加缩放信息的计算机显示以支持离该装置不同距离的多个展示的步骤。

20.权利要求11的方法，其中该方法是一个直观交互扩充现实方法，其中用户无需特殊指令，调整或训练可以简单地操纵设备，接收叠加信息，或要求附加数据。

21.一种扩充现实技术包，使公众无需指导即可使用并避免一般破坏，从而允许非熟练用户在公园、博物馆和其它教育和娱乐中心应用。

22.权利要求1的展示观察装置，进一步包括连接到头支架的支架用于稳定展示观察装置并使用户可以使用展示观察装置。

23.权利要求1的展示观察装置，进一步包括一个外壳，其中该外壳封装图象头和头支架。

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