CN105046732A - 一种虚拟成像动态演示系统 - Google Patents

Abstract

本发明所述一种虚拟成像动态演示系统，包括以下步骤：1)原始图像采集：对物体进行旋转拍照；2)图像处理：进行图像滤波处理、图像角度旋转、对旋转角度的图像进行保存、图像显示位置调整；3)投影视频源制作：对处理过的图像进行四个角度的划分；4)虚拟成像；本发明通过单一摄像头实现对物体的原始图像采集，并通过LabVIEW程序实现图像处理、虚拟成像、手势控制等一系列功能。其可以广泛应用于产品展示、舞台展示、游戏动画制作等方面，应用范围广泛。

Description

一种虚拟成像动态演示系统

技术领域

本发明涉及投影成像领域，具体地说，涉及一种虚拟成像动态演示系统。

背景技术

虚拟成像作为光学成像的一种，由于其具有逼真的显示效果，具有二维图像无法展现的三维立体感而具有广泛的应用前景，在产品展示、影视演出、游戏动画制作等领域有广泛的应用。而一体化的系统操作、人机交互性、成像效果等方面会成为评价虚拟成像系统好坏的一个重要标准。

目前，国内在这项技术的研究方法主要是先将物体放置在由四个摄像头组成的图像采集系统或者用单一摄像头对固定的物体进行旋转一周的移动拍摄，然后进行投影视频源的人工制作，然后再将制作好的投影视频源输入到虚拟成像系统中，然后进行虚拟成像。目前的研究方法主要存在这些问题：采用四个摄像头会造成设备浪费，采用单一摄像头对固定物体进行拍摄会造成图像参数的不一致，造成后期图像处理的困难，使用人工制作投影源会造成时间和人工成本的浪费，无法实现实时展示。同时由于缺少人机交互功能，使传统的虚拟成像无法实现人机交互，使系统的观赏性和可操控性得不到提高。

发明内容

本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种虚拟成像动态演示系统，是一种可以自动实现原始图像数据采集、图像数据处理、虚拟成像、手势控制的一体化系统。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种虚拟成像动态演示系统，包括以下步骤：

1)原始图像采集：对物体进行旋转拍照；

2)图像处理：进行图像滤波处理、图像角度旋转、对旋转角度的图像进行保存、图像显示位置调整；

3)投影视频源制作：对处理过的图像进行四个角度的划分；

4)虚拟成像。

进一步，所述原始图像采集采用步进电机、旋转平台、摄像头、背景屏幕和主动光源，进行图像采集时，先将物体放置在旋转平台的中心，启动系统，步进电机驱动旋转平台旋转0.9度，然后摄像头拍摄一张图片，旋转平台再次旋转0.9度，摄像头再次拍摄一张图片，依此循环，直到旋转平台旋转了400次0.9度，刚好实现一周的旋转，同时摄像头也完成400张图像的采集，将采集到的400张图片按照文件名0、1、2、……、399的顺序保存到预先设定好的文件夹中，方便进行下一步的操作。

进一步，所述图像处理是对原始采集到的400张图像进行图像滤波处理、并对原始图像分别进行90度、180度、270度的角度旋转，并将这三组经过角度旋转的图像另外保存到我们预先设定好的文件夹中，并对图像在投影屏幕中的位置进行调整操作，将经过角度旋转的三组图像和原始图像总共四组图像分布在投影源播放界面的上、下、左、右四个方向，并且使这四个画面呈现中心对称的位置。

进一步，所述投影视频源制作是利用原始采集到的400张物体图像，进行四个角度的划分，由于是利用单一摄像头对旋转的物体进行图像采集，所以采集到的第1张图像、第101张图像、第201张图像、第301张图像相当于拍摄角度为0度、90度、180度、270度的四台与物体相平行的摄像机对固定物体进行拍摄时四个摄像头分别所得到的图像，从而根据原始图像划分为四个拍摄角度下的图像序列，将这四个拍摄角度下的图像序列的图像显示在投影屏幕上，四组画面按照拍摄角度的角度间隔依次分布在屏幕中的相应位置，并且呈现中心对称，通过播放图像，实现金字塔投影膜中的虚拟像的转动。

进一步，所述虚拟成像是通过投影屏幕将投影源投射到由四个等腰三角形组成的金字塔投影膜中进行虚拟展示，通过投影屏幕的图像播放，可以使金字塔投影膜中的虚拟像进行转动，使我们看到物体的全方位虚拟像，拉近我们与物体之间的距离。

进一步，还包括手势控制，其通过光敏探测模块和辅助光源进行配合，从而探测出操作者的手是否在光敏探测模块的上方，并结合三个光敏探测模块，从而对操作者的手在三个光敏探测模块上的先后顺序进行综合分析，从而得出操作者的手在三个光敏探测模块上方的滑动方向，从而根据操作者的手的滑动方向来控制投影源的图像播放顺序，从而控制金字塔投影膜中的虚拟像的转动方向，当操作者的手在光敏探测模块上方停留的时间超过我们设定的时间阈值的时候，系统会让虚拟像停止转动，从而实现静止观看。

进一步，系统是由支架搭建而成的，并将图像采集装置、虚拟成像装置、手势控制平台放置在支架的相应位置上，支架底部装有轮子，可以对整个系统进行移动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过单一摄像头实现对物体的原始图像采集，并通过LabVIEW程序实现图像处理、虚拟成像、手势控制等一系列功能。整个过程是通过计算机自动完成操作的，不需要任何人工操作，一体化程度高，系统造价低，性价比高，本系统可以广泛应用于产品展示、舞台展示、游戏动画制作等方面，应用范围广泛。

同时，还具有以下优点：

1.通过单一摄像头和步进电机带动的旋转平台完成原始图像的采集，避免了使用四个摄像头进行图像采集所造成的资源浪费，也避免了由于使用单一摄像头对固定物体进行旋转一周图像采集所带来的图像参数变化所造成的图像处理困难。

2.自动实现图像的滤波、角度旋转、位置调整，并自动完成投影源的制作，避免了由于人工操作所带来的时间和人工成本浪费。

3.通过手势控制平台可以对虚拟像进行控制，从而增加系统的人机交互性和可操控性。

4.系统运行稳定、造价低、性价比高。

5.系统使用方便，一体化程度高，适合大规模推广。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：

图1为系统的功能模块划分图。

图2为系统的整体构造图。

图3为图像采集装置的俯视图。

图4为图像采集装置的侧视图。

图5为图像处理功能模块的功能划分图。

图6为原始采集图像的第1张、第101张、第201张、第301张图像对比图。

图7为投影屏幕画面图。

图8为虚拟成像装置的构造图。

图9为金字塔投影膜中每一个等腰三角形侧面的示意图。

图10为手势控制装置的构造图。

图11为虚拟成像效果图。

图12为手势控制向左时的虚拟成像效果图。

图13为手势控制向右时的虚拟成像效果图。

图中，1——投影屏幕：2——支架；

3——金字塔投影膜；4——支撑板；

5——辅助光源；6——手势控制平台；

7——图像采集装置；8——移动滚轮；

9——底面固定板；10——摄像头；

11——主动光源；12——旋转平台；

13——背景屏幕；14——挡光板；

15——摄像头支架；16——透光口；

17——水平调节装置；18——通光口；

19——手势控制平台外壳；20——光敏探测模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种虚拟成像动态演示系统，实现物体的虚拟成像动态演示功能，具体原理如下：

参照图1，本系统由图像采集装置、图像处理装置、投影视频源制作装置、虚拟成像装置、手势控制装置组成。图像采集装置是通过将物体放置在由步进电机带动旋转的旋转平台12上，并通过摄像头10与步进电机的配合，实现旋转平台12旋转0.9度，摄像头10采集一张图片，当旋转平台12完成400个0.9度的旋转时，摄像头10采集到的400张图片就包含了物体的360度外观信息，从而完成原始图像的采集。图像处理装置主要是对原始采集到的图像进行滤波处理、角度转换、并对各个角度的图像在投影视频源中的位置进行调整。虚拟成像装置是将投影数据源通过投影屏幕1投射到金字塔投影膜3中，从而在金字塔投影膜3中实现虚拟成像。投影视频源制作装置是将原始采集到的图像和经过角度旋转的三组图像显示在投影屏幕1上，并根据图像序列的不同，将物体的前、后、左、右四个界面进行显示，从而实现投影数据源的制作。手势控制装置是通过三个光敏探测模块20和辅助光源5进行配合，从而探测出操作者的手是否在光敏探测模块20的上方，并结合三个光敏探测模块20，对操作者的手出现在光敏探测模块20上方的先后顺序进行综合分析，从而得出操作者的手的滑动方向，从而根据手的滑动方向来控制投影源的图像播放顺序，从而实现金字塔投影膜3中虚拟像的转动。当操作者的手在三个光敏探测模块20中任一个探测模块的上方停留的时间超过我们设定的时间阈值的时候，系统自动启动暂停操作，使虚拟像停止转动。

系统的整体构造参照图2，系统的整体高度和手势控制平台的高度是根据人体观看和人体手势控制最舒适的位置来进行设计的，整个系统各部分的高度可以根据实际需求进行调节，支架底部装有四个可移动的轮子，可以对整个系统进行移动。系统整体构造由投影屏幕1、支架2、金字塔投影膜3、支撑板4、辅助光源5、手势控制平台6、图像采集装置7、移动滚轮8组成。投影屏幕1放置在系统的最顶层并固定好，金字塔投影膜3放置在第二层的支撑板4上，辅助光源5放置在手势控制平台6的正上方，提供主动光源。图像采集装置7放置在系统的第三层，并由支撑板4支撑同时与支撑板4相固定。底面的四个移动滚轮8装置在系统支架的下方，使整个系统可以方便地进行移动。

参照图3、图4，图像采集装置7由摄像头10、主动光源11、旋转平台12、背景屏幕13、挡光板14、底面固定板9、摄像头支架15、透光口16、水平调节装置17组成。具体是摄像头10放置在底面固定板9上，并调节好摄像头10与旋转平台12的距离，使摄像头10能够采集到旋转平台12上的物体清晰的像，完成调节后将摄像头10固定在底面固定板9上，旋转平台12是与步进电机相连接，并通过步进电机带动旋转平台12旋转，主动光源11分布在旋转平台12的两侧并固定在挡光板14上，背景屏幕13与旋转平台12相垂直，并使背景屏幕13的画面能够充满摄像头10的采集画面，挡光板14分布在主动光源11、旋转平台12、背景屏幕13的外围，起到挡光作用。透光口16与摄像头10相对应，使摄像头10能够采集到旋转平台12上的物体。水平调节装置17起到系统的水平调节作用，通过水平调节装置17的调节，可以使系统处于水平状态，使采集的图像符合系统要求。

本实施例采用SunTimeFX80摄像头作为图像采集装置7的摄像头10，该摄像头10具有色彩还原性好、图像质量高、采集图像稳定高效的优点，能够完成系统的图像采集任务。

将摄像头10放置在正对着由步进电机带动旋转的旋转平台12上，调节摄像头10与旋转平台12的距离，并使摄像头10能够清晰拍摄到旋转平台12上的物体，调节完成后固定好摄像头10位置。进行图像采集时，旋转平台12转动0.9度，摄像头10完成一张图片的采集，旋转平台12继续转动0.9度，摄像头10再次完成一张图片的采集，直到旋转平台12完成400个0.9度的角度旋转，即实现物体一周的旋转，同时摄像头10采集到的400张图片就包含了物体的360度外观信息。

图像采集装置7的主动光源11是由LED灯珠构成，并分布在旋转平台12的两侧，LED灯珠可以实现开关和亮度的控制，从而使图像采集过程中可以根据不同的物体进行不同的灯光调节，从而能够采集到更好的原始图像。

图像采集装置7的背景屏幕13与摄像头10相对应，并且背景屏幕13与水平旋转平台12相垂直，背景屏幕13的颜色为黑色，同时可以根据实际拍摄物体对背景屏幕的颜色进行更换，方便进行图像采集。

参照图5，图像处理装置是由图像滤波处理、图像角度旋转、对旋转角度的图像进行保存、图像显示位置调整等部分组成。图像滤波处理能够将原始采集到的图像中的噪音干扰进行滤除，从而使采集到的图像的效果更好。图像角度旋转是由于投影视频源中，包括四个角度的原始图像画面，所以我们对原始采集到的每张图像分别进行90度、180度、270度的旋转。对旋转角度的图像进行保存是将已完成90度、180度、270度旋转的三组图像保存到我们预先设定好的文件夹中。图像显示位置调整是将物体的四个不同角度图像显示在投影屏幕的上、下、左、右四个面上，并且保持上下两个画面相互平行，同时使左右两个画面相互平行，并且使这四个显示画面呈现中心对称，中心对称点在显示画面的中心。

参照图6，投影视频源制作装置是利用原始采集到的400张物体图像，进行四个角度的划分。由于我们是利用单一摄像头对旋转的物体进行图像采集，所以我们采集到的第1张图像、第101张图像、第201张图像、第301张图像相当于拍摄角度为0度、90度、180度、270度的四台与物体相平行的摄像机对固定物体进行拍摄时四个摄像头分别所得到的图像，从而我们可以根据原始图像划分为四个拍摄角度下的图像序列。参照图7，将这四个拍摄角度下的图像序列的图像显示在投影屏幕上，四组画面按照拍摄角度的角度间隔依次分布在屏幕中的相应位置，并且呈现中心对称，通过播放图像，实现金字塔投影膜中的虚拟像的转动。

参照图8，虚拟成像装置是由投影屏幕1和金字塔投影膜3组成，使金字塔投影膜3的四个底边分别与投影屏幕1的四个边框相平行，并且使投影屏幕1的中心与金字塔投影膜3的塔尖相对应，金字塔投影膜3的塔尖与投影屏幕1的距离为5cm，并且该距离可以根据实际显示要求进行调节。本实施例的投影屏幕1是先锋LED-32B900V彩色液晶电视机，将该投影屏幕1放置在金字塔投影膜3的正上方，使屏幕发出的光能够投射到金字塔投影膜3上。参照图9，金字塔投影膜3是由四个等腰三角形拼接而成的，每个等腰三角形的顶角为70.5度，拼接后每个等腰三角形与底面的夹角为45度。

参照图10，手势控制装置是根据操作者的手的滑动方向来控制投影源的图像播放顺序，从而控制金字塔投影膜3中的虚拟像的转动方向。

其是由手势控制平台6和辅助光源5组成的，辅助光源5由LED光源组成，辅助光源5架设在手势控制平台6的正上方，手势控制平台6由三个光敏探测模块20组成，并且这三个光敏探测模块20各相隔15cm，在每个光敏探测模块20上方留有一个直径0.8cm的通光口18。手势控制平台外壳19是由有机玻璃制作而成。辅助光源5产生的光照射到手势控制平台6上的三个光敏探测模块20上，当手没有挡住光敏探测模块20的通光口18时，辅助光源5提供的光照的亮度超过光敏探测模块20的光照亮度阈值，当手放在光敏探测模块20的上方时，辅助光源5提供的光被手挡住，从而光敏探测模块20接收到的光照的亮度没有超过光敏探测模块20的亮度阈值，从而光敏探测模块20将根据接收到的光照的亮度是否超过亮度阈值来产生相应的信号输出，根据光敏探测模块20输出的信号，我们可以来判断当前时间下操作者的手是否放在该光敏探测模块20的上方。并根据三个光敏探测模块20对操作者的手出现在每一个光敏探测模块20上的先后顺序进行综合分析，从而判断出操作者的手的滑动方向，当探测到操作者的手是向左滑动时，图像播放顺序是以当前播放的图像为基准，并根据实现虚拟像向左转动所需要的图像播放顺序来进行图像播放的顺序调整，从而达到虚拟像向左转动的目的；当探测到操作者的手是向右滑动时，图像播放顺序是以当前播放的图像为基准，并根据实现虚拟像向右转动所需要的图像播放顺序来进行图像播放的顺序调整，从而达到虚拟像向右转动的目的。当操作者的手在三个光敏探测模块20中的任意一个模块上方停留的时间超过我们设定的时间阈值的时候，系统自动启动暂停投影视频源播放功能，从而将投影视频源的画面停留在产生暂停信号时的显示画面，从而使虚拟像处于静止状态，从而实现静止观看。

金字塔投影膜3中所成的虚拟像的效果参照图11，操作者的手在手势控制平台6上向左滑动时，虚拟像向左转动，参照图12，操作者的手在手势控制平台6上向右滑动时，虚拟像向右转动，参照图13。

整个系统是由支架2搭建而成的，支架2的材料为不锈钢材料，并将图像采集装置7、虚拟成像装置、手势控制平台6、辅助光源5放置在支架2的相应位置上，系统的整体高度和手势控制平台6的高度是根据人体观看和人体手势控制最舒适的位置来进行设计的，整个系统各部分的高度可以根据实际需求进行调节，支架2底部装有四个可移动的轮子，可以对整个系统进行移动。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种虚拟成像动态演示系统，其特征在于，包括以下步骤：

1)原始图像采集：对物体进行旋转拍照；

2)图像处理：进行图像滤波处理、图像角度旋转、对旋转角度的图像进行保存、图像显示位置调整；

3)投影视频源制作：对处理过的图像进行四个角度的划分；

4)虚拟成像。

2.根据权利要求1所述一种虚拟成像动态演示系统，其特征在于，所述原始图像采集采用步进电机、旋转平台、摄像头、背景屏幕和主动光源，进行图像采集时，先将物体放置在旋转平台的中心，启动系统，步进电机驱动旋转平台旋转0.9度，然后摄像头拍摄一张图片，旋转平台再次旋转0.9度，摄像头再次拍摄一张图片，依此循环，直到旋转平台旋转了400次0.9度，刚好实现一周的旋转，同时摄像头也完成400张图像的采集，将采集到的400张图片按照文件名0、1、2、……、399的顺序保存到预先设定好的文件夹中，方便进行下一步的操作。

3.根据权利要求2所述一种虚拟成像动态演示系统，其特征在于，所述图像处理是对原始采集到的400张图像进行图像滤波处理、并对原始图像分别进行90度、180度、270度的角度旋转，并将这三组经过角度旋转的图像另外保存到我们预先设定好的文件夹中，并对图像在投影屏幕中的位置进行调整操作，将经过角度旋转的三组图像和原始图像总共四组图像分布在投影源播放界面的上、下、左、右四个方向，并且使这四个画面呈现中心对称的位置。

4.根据权利要求2所述一种虚拟成像动态演示系统，其特征在于，所述投影视频源制作是利用原始采集到的400张物体图像，进行四个角度的划分，由于是利用单一摄像头对旋转的物体进行图像采集，所以采集到的第1张图像、第101张图像、第201张图像、第301张图像相当于拍摄角度为0度、90度、180度、270度的四台与物体相平行的摄像机对固定物体进行拍摄时四个摄像头分别所得到的图像，从而根据原始图像划分为四个拍摄角度下的图像序列，将这四个拍摄角度下的图像序列的图像显示在投影屏幕上，四组画面按照拍摄角度的角度间隔依次分布在屏幕中的相应位置，并且呈现中心对称，通过播放图像，实现金字塔投影膜中的虚拟像的转动。

5.根据权利要求2所述一种虚拟成像动态演示系统，其特征在于，所述虚拟成像是通过投影屏幕将投影源投射到由四个等腰三角形组成的金字塔投影膜中进行虚拟展示，通过投影屏幕的图像播放，可以使金字塔投影膜中的虚拟像进行转动，使我们看到物体的全方位虚拟像，拉近我们与物体之间的距离。

6.根据权利要求5所述一种虚拟成像动态演示系统，其特征在于，还包括手势控制，其通过光敏探测模块和辅助光源进行配合，从而探测出操作者的手是否在光敏探测模块的上方，并结合三个光敏探测模块，从而对操作者的手在三个光敏探测模块上的先后顺序进行综合分析，从而得出操作者的手在三个光敏探测模块上方的滑动方向，从而根据操作者的手的滑动方向来控制投影源的图像播放顺序，从而控制金字塔投影膜中的虚拟像的转动方向，当操作者的手在光敏探测模块上方停留的时间超过我们设定的时间阈值的时候，系统会让虚拟像停止转动，从而实现静止观看。

7.根据权利要求2至6任一项所述一种虚拟成像动态演示系统，其特征在于，系统是由支架搭建而成的，并将图像采集装置、虚拟成像装置、手势控制平台放置在支架的相应位置上，支架底部装有轮子，可以对整个系统进行移动。