CN102132091B - 借助投影仪以3d对象的更改的2d图像来照明该3d对象的方法，以及适合于执行该方法的投影仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种以3D对象10的更改的2D图像照明3D对象10的方法。另外，本发明提供了一种用于执行该方法的专用投影仪40。该投影仪40还包括用于捕获对象的2D图像的图像传感器60，该2D图像在被更改为更改的2D图像之后可以被投影仪40投影在3D对象10上。

Description

借助投影仪以3D对象的更改的2D图像来照明该3D对象的方法,以及适合于执行该方法的投影仪

技术领域

本发明涉及一种借助(在使用时)将3D对象的更改的2D图像投影在3D对象上的投影仪以该3D对象的更改的2D图像照明3D对象、特别是3D艺术对象的方法。本发明还涉及适合于执行该方法的投影仪。 

背景技术

在现有技术中，以特定设计或者图形照明对象是已知的。例如US2003/0034974描述了通过首先获得对象的3D图形模型来制作3D物理对象动画的计算机执行方法。该文献中所描述的发明构思为以投影影像照明的非彩色对象代替具有固有的颜色、纹理和材料特征的物理对象，从而在该对象上直接复制原始的或者可替换的外观。在该方法中，对象的期望视觉特征被有效“空运”至投影仪。特别地，计算机执行方法通过首先获得对象的3D图形模型来制作3D物理对象的动画。以图形制作工具编辑该模型以反映对象的期望外观。考虑到用户的位置和实际光的位置，该编辑的模型被呈现为图像。然后，根据对象表面的方位和表面上的辐射度来修正图像的强度值。最后可以以修正的图像来照明该3D物理对象以给出当从用户的位置观看时实际光下的3D物理对象的期望的外观。 

另外，US 2005/0116667描述了一种瓷砖照明***，其中由LED以例如栅格或者边沿照亮形式来照亮瓷砖的内部空间，并将光扩散面板设置在内部空间上方。瓷砖照明***可以和其它***结合以使任何表面(例如地板、天花板、墙壁或者建筑物外部)瓷砖化。照明控制信号可被提供来在瓷砖照明单元上产生宽范围的影响，包括在不同的瓷砖照明单元中协调的影响。根据该文献考虑了二维和三维的实施例。 

发明内容

现有技术的***的缺点在于获得3D对象的图像的方法非常复杂，例如通过彻底扫描3D对象、获得3D模型等等。另一个缺点在于现有技术的方法需要人工编辑所形成的3D对象图像。因此，现有技术的方法不是非常适用于3D(艺术)对象的自动化效果照明。 

因此，本发明的一个方面在于提供一种以图像照明3D对象的可替代方法，该方法优选地进一步规避上述的一个或多个缺点。本发明的另一方面在于提供可替代的投影仪，该投影仪优选允许用这样的投影仪执行本发明的方法。 

根据本发明的第一方面，提供了一种采用设置在观察点的投影仪以3D对象的更改的2D图像照明某位置上的3D对象的方法，其中在不通过该投影仪以更改的2D图像照明3D对象时，如从观察点观察，该3D对象具有选自(i)具有特殊纹理的区域、(ii)阴影区域、(iii)反射区域、(iv)彩色区域以及(v)除前面提到的区域之外的区域的一个或多个特征，其中该方法包括： 

a.在不通过投影仪以更改的2D图像照明3D对象时，提供图像传感器从观察点捕获的对象的2D图像； 

b.确定2D图像上对应于选自(i)具有特殊纹理的区域、(ii)阴影区域、(iii)反射区域、(iv)彩色区域以及(v)和3D对象上的其他区域的一个或多个特征的一个或多个2D图像区域； 

c.通过改变选自(i)颜色和(ii)亮度的一个或多个特征来更改2D图像的一个或多个2D图像区域的至少其中一个以获得更改的2D图像的一个或多个更改的图像区域； 

d.通过由投影仪在3D对象上投影更改的2D图像来照明3D对象，其中3D对象上的一个或多个更改图像区域的投影基本上与3D对象上的一个或多个区域重叠。有利地，该方法提供了一种可替代方法，该方法可相对容易地允许创建用于对3D对象进行照明的更改图像。另外，它还可以允许以更改图像全自动地照明诸如3D艺术对象的3D对象，这些3D对象是以其2D图像进行照明的。此外，不需要复杂地获取图像。 

根据本发明的另一方面，提供了一种投影仪，该投影仪包括光源、用于显示更改的2D图像的面板、和透镜，其中光源、面板和透镜被设置为通过光束投影更改的2D图像，其中该投影仪还包括具有观察 窗的图像传感器(用于采集2D图像)，其中光束和观察窗至少部分重叠。在实施例中，利用数字投影仪。 

有利地，投影仪容易地提供了执行本发明的方法的可能性。它还允许在不同位置使用不同3D对象和对不同3D对象进行照明，而不需要复杂地对准投影仪和对象以及不需要精心获取3D对象的图像。 

借助根据本发明的方法和投影仪，3D对象(例如3D艺术对象)可以以对象本身的处理图像进行照明，从而提供惊人的效果、产生一种逼真的艺术、以及为3D艺术对象增添额外的艺术维度。这样的图像可随着时间变化、可以被随机或者预定地处理，等等。 

选自(i)颜色和(ii)亮度的一个或多个特征的变化可以是随机变化，但在另一个实施例中也可以是(3D对象的2D图像上的一个或多个区域的)预定的变化。另外，还可采用随机变化和预定变化的组合。在这里“随机”指的是随机选择改变颜色和/或改变亮度。在这里术语“预定”指的是(2D图像上的)某类区域与颜色和/或亮度的变化之间的预定联系。短语“可采用随机变化和预定变化的组合”指的是将2D图像更改为可在随后执行或者可同时执行的更改的2D图像(即通过将更改的2D图像投影在3D对象上来照明这里指定的区域)。 

在特殊实施例中，短语“(i)颜色”指的是多种颜色。在另一个实施例中，“(ii)亮度”指的是多个亮度强度。在特定实施例中，短语“选自(i)颜色和(ii)亮度的一个或多个特征”指的是选自(i)多种颜色和(ii)多个亮度强度的一个或多个特征。术语“颜色”在这里还指(投影仪可用的)任何颜色，包括白色。这一点意味着红色区域可以以任何颜色照明，包括红光和白光。术语“亮度”指的是(投影仪可用的)任何亮度，包括没有照明。这一点意味着可以以某强度的光照明某区域，包括没有照明。因此，更改2D图像以及因此以更改的2D图像照明3D对象在一个实施例中导致以选自颜色和亮度矩阵的光来照明(如这里所定义的)区域。如上所述，以颜色和亮度照明(或者不照明)区域的方法的选择可以为随机选择或者预定选择，或者其组合。 

通常，3D对象将包括选自(i)具有特殊纹理的区域、(ii)阴影区域、(iii)反射区域、(iv)彩色区域以及(v)除前面提到的区域之外的区域的多个区域或者特征。在特殊实施例中，3D对象将包括至少选自(i)具有特殊纹理的区域、(ii)阴影区域、(iii)反射区域、(iv)彩色区域的多个区域或者特征。更改的2D图像可以以这样的方式进行更改：所述多个区域中的一个区域、多于一个区域、或者所有区域被更改。例如，给定了具有三个不同阴影区域的3D对象时，更改的2D图像可以以投影仪照明一个、两个或者三个这些区域中的3D对象的方式进行更改。同样，这些更改可随时间变化，即3D对象以多个不同地更改的2D图像进行照明。 

因此，在特殊实施例中，该方法包括由投影仪以多个不同更改的2D图像连续照明3D对象。这样可创建一种逼真艺术作品(“放映幻灯片”)。短语“连续照明”不排除投影仪照明的临时缺失。通常，当执行根据本发明的方法时，其中3D对象根本不由投影仪借助更改的2D图像进行照明的时域将不会长于约0.5-5分钟。但是，如本领域技术人员将清楚，可选地本发明的方法和投影仪可配备例如基于用户输入信号或者传感器输入信号的“睡眠模式”。投影仪可手动切换至(或者切换出)睡眠模式，但是传感器也可例如检测人(观众)是否存在并分别根据人的缺失和/或存在创建用于打开和/或关闭睡眠模式的输入信号。 

看起来，借助本发明的方法和投影仪，当在大约1-5mm范围的空间周期下3D对象的由均方根值表征的表面粗糙度处于大约0.01-50mm的范围内时，可获得最佳结果。这一点意味着，假定在3D对象上的任何位置，在大约1-5mm范围内例如2或者4mm的距离上，均方根表面粗糙度处于大约0.01-5mm的范围内，例如0.1或者1mm。在实施例中，这一点不排除3D(艺术)对象上存在开口区域(“孔”)。 

在特殊实施例中，投影仪还包括控制器，该控制器被设置为更改选自由位于观察点的图像传感器采集的某位置上的3D对象的2D图像的一个或多个2D图像区域的(i)颜色和(ii)亮度的一个或多个特征以获得所述更改的2D图像的一个或多个更改图像区域以用于将更改的2D图像投影至3D对象，其中，在没有借助投影仪用更改的2D图像照明3D对象时，从观察点观看时3D对象具有包括如下特征的一个或多个区域，所述特征选自(i)具有特殊纹理的区域、(ii)阴影区域、(iii)反射区域、(iv)彩色区域以及(v)除前面提到的 区域之外的区域，并且其中一个或多个更改图像区域在3D对象上的投影基本上与3D对象上的一个或多个区域重叠。控制器可产生待投影在3D对象上的更改图像的颜色和/或强度的随机和/或预定更改。另外，控制器可被设置为控制对准或者控制对准步骤。 

如上所述，一个或多个更改图像区域投影在3D对象上的投影基本上与3D对象上的一个或多个区域重叠。为此，该方法在实施例中还包括对准步骤。例如，当将更改的2D投影至3D对象上时，图像传感器可捕获被照明3D对象的第二2D图像并且可(自动核对)更改的2D图像在3D对象上的投影是否与3D对象相配。如果不是，则更改的2D图像可被调整以与3D对象相配和/或可优化投影仪的对准。在迭代过程中，可校正所述更改的2D图像和/或投影仪的对准直到获得需要的对准。 

作为经验法则，短语“基本重叠”对应于第二2D图像上图像区域面积和更改的2D图像在3D对象上投影面积之差在0-5％、特别是0-2％的范围内。这里，术语“第二2D图像”指的是在由投影仪以更改的2D图像照明3D对象时从观察点观察的3D对象的图像。因此，术语“基本重叠”指的是从观察点观察时两个或者更多区域相互重叠并且在2D尺度(包括面积)上基本没有差别的情形。 

此外或者可替代地，还可通过其中提供3D对象的(第三)2D图像的步骤进行对准，其中，在捕获该图像(从观察点)的同时，一栅格被投影在3D对象上。此后，在栅格也被投影至3D图像上的同时，具有栅格投影的3D对象的(第三)2D图像被投影至3D对象上。通过对准投影仪，即通过对准步骤，栅格的投影和具有栅格投影的3D对象的2D图像(即，“第三图像”)能被对准并且可实现基本重叠。可由任何装置，包括根据本发明的投影仪所包括的可选、附加栅格投影设备，来执行栅格的投影。这样的对准可特别地在执行本发明的方法的步骤a-d之前执行。 

虽然是从观察点分别捕获和投射2D图像和2D图像的投影，但是也可从另一个位置投射栅格的投影。 

这里，对准步骤可包括下列步骤的一个或多个：投影仪的图像对准、焦点对准、图像投影尺寸变更、以及几何变形校正。术语“图像对准”特别指的是投影仪透镜的x，y对准，但尤其还可指其中投影 仪沿水平和/或垂直方向和/或倾斜地移动的步骤。术语“几何变形校正”包括例如(水平和/或垂直)梯形失真校正。术语“焦点对准”涉及图像在3D对象上的投影是清晰的还是模糊的。术语“图像投影尺寸变更”涉及通过放大和按比例缩小来控制更改的2D图像在3D对象上投影的尺寸。在特殊实施例中，由控制器控制下列步骤的一个或多个以及更尤其是下列所有步骤：投影仪的图像对准、焦点对准、几何变形校正以及图像投影尺寸变更。该控制器可基于预定的可执行指令和/或输入信号(例如用户输入信号或者传感器输入信号)控制所述对准。 

在另一个实施例中，投影仪可包括设置来感测到3D对象的距离的距离传感器。基于被感测的距离和将距离和投影仪设置(例如焦距和图像投影尺寸)关联的一组预定数据，投影仪可将更改的2D图像投影在3D对象上，从而3D对象上的投影和各区域基本上重叠。 

如上所提到的，根据本发明的投影仪还包括具有至少部分与光束观察窗重叠的观察窗的图像传感器。因此，投影仪可至少在重叠区域既观察3D对象又以光束照明3D对象。选择和设置图像传感器和投影仪(即，投影光学器件)使得所述重叠区域的至少部分处于图像传感器透镜的焦距内以及处于投影仪透镜的焦距内。这里，术语“图像传感器透镜”可指一组例如用于照相机的透镜，例如自动对焦***。另外，术语“投影仪透镜”可指如在投影仪中经常使用一组透镜。 

这里，投影仪可以为被设置来显示图像、特别是数字图像以及根据本发明的一方面进一步包括图像传感器的常规或者专用投影仪。图像传感器可特别为设置来捕获图像的照相机，特别是数码照相机。所述照相机还可为多个照相机。 

图像传感器和投影仪分别可以从观察点捕获图像和将更改图像投影在3D对象上，即，既采用相同位置捕获图像又将更改图像投影至3D对象10上。 

根据本发明的方法，在一个实施例中可通过首先以图像传感器捕获3D对象的图像然后以投影仪替换图像传感器而实现这一点。这样，两者都被(连续地)设置在观察点。特别是，在一个实施例中，图像传感器的最后透镜和投影仪的最后透镜之间的位置差不大于约20cm，特别是不大于约10cm。这样，视野不会明显不同，而图像传感器的 观察窗可基本上与光束重叠。这里，术语“最后透镜”指的是图像传感器或者投影仪(即投影仪透镜)的一透镜，其下游没有设置透镜以及其上游可设置一个或多个透镜。例如，投影仪透镜可包括多个透镜。设置在投影仪的所述多个透镜的所有透镜(相对于光源的)下游的透镜被表示为最后透镜或者投影仪的最后透镜。 

投影仪的最后透镜的表面通常比被光束用来投影更改的2D图像的表面更大。换言之，透镜的一部分通常不被使用。在本发明的投影仪的特殊实施例中，图像传感器设置在投影仪最后透镜的上游。 

而在另一个实施例中，图像传感器的光轴和投影仪的光轴可重合。可通过多种方法实现这一点。 

在一个实施例中，投影仪还可包括设置在面板和透镜之间的分束器单元，以使得分束器下游的投影仪的光轴可基本上与分束器下游的图像传感器的光轴重合。 

在另一个实施例中，投影仪可还包括设置在面板和透镜之间的单透镜反射单元，以使得单透镜反射单元下游的投影仪的光轴可基本上与单透镜反光单元下游的图像传感器的光轴重合。该单透镜反射单元可被构造为将反射镜设置在最后透镜和面板之间并将该光重新指向图像传感器。这样，图像传感器可基本上覆盖与投影仪借助其光束覆盖的范围的相同的(范围)。在捕获2D图像之后，可去除反射镜并且投影仪可投影更改的2D图像，这与观察者看到的图像和照相机捕获的图像相同的单透镜反射照相机的原理相似。 

这里，给定分束器或者单透镜反射单元的原理，图像传感器可具有与投影仪的光束至少部分重叠或者可甚至全部重叠(即覆盖相同区域)的观察窗。 

在特殊实施例中，光源包括一个或多个单色光源。这样的光源可特别包括一个或多个LED(发光二极管)。而在另一个实施例中，光源包括超高压(UHP)灯。因此，在特殊实施例中，光源可仅仅产生光的一种颜色，但是该颜色是可调节的。例如可以借助红色、绿色和蓝色LED实现这一点。这样，投影仪的光学器件可变得相对简单：可仅仅采用一个具有大孔径的面板，而不需要滤色镜或者分色专用光学器件。其优点在于高透射和廉价的单面板解决方案。颜色可随着时间变化。在另一个实施例中光源包括色环和UHP灯。 

附图说明

现在将参考所附的示意图仅仅借助于示例来描述本发明的实施例，在附图中，相应的附图标记表示相应的部件，并且其中： 

图1a、1b示意性地分别以前视图和侧视图描述艺术3D对象(“3D艺术对象”)； 

图2a-2e示意性地描述了本发明方法的实施例； 

图3以结构图示意性地描述了本发明方法的实施例； 

图4a-4b示意性地以侧视图描述了本发明方法的实施例； 

图5a-5d示意性地描述了现有技术的投影仪(5a)和根据本发明的投影仪的实施例(5b-5d)。 

具体实施方式

为更详细描述本发明，首先详细描述3D艺术对象。该3D艺术对象被用作说明和描述本发明的实例。 

图1a和1b分别以前视图和侧视图示意性地示出了以标记10表示的该3D对象。3D对象10包括平坦的背景101，其在该实例中可以为黑色。它可以例如为框架上拉伸的帆布或者告示板。在该平坦黑色背景101上，附着了变形的三方锥100。该锥体100具有3个面，并将其底部(PB)附着至背景101。该锥体具有一个大的面102、一个较小的面104和另一个较小的面103。面102和103具有边114，面102和104具有边113，而面103和104具有边115。 

锥体100上具有多种颜色和结构。附图标记105指的是面102的彩色区域，附图标记110指的是面103的彩色区域。另外，面103具有彩色区域112。面104完全以一种颜色着色。附图标记111指的是面102上的反射区域。面102、103和104基本上是平坦的，除了高度差大约为5-10mm(分别相对于面102和103)的纹理化环状结构107、108和109以外。如从图1a和1b可以看出，3D对象10不是2D对象，即不是平坦的，而是一3D的对象10，这是因为锥体100从平坦的背景101伸出以及存在突起区域107、108和109。3D对象10具有宽度w、长度l。另外，锥体相对于平坦背景100的高度以标记h表示(在图1b中)。 

粗糙表面通常包括一种结构，从而提供高度轮廓。这种表面的高度轮廓可用现有技术已知的技术来表征。该高度轮廓可被定义为局部高度相对于轮廓平均高度的差。不必定义非常详细的高度轮廓，即不必知道在每个位置的轮廓高度。描述结构的关键特征的一组数字将实现此功能。一组适合的数字为表面上一组特征长度的高度的均方根(rms)粗糙度值。 

通常采用正弦波的均方根值来表征粗糙度，其可描述纹理化对象的表面，即 

乘以波的幅度。正弦波的波长被称为空间周期。粗糙度的空间周期(即波长)为光学元件的重要量。注意到，对于真实表面，粗糙度是在一系列空间周期上被表征或者指定的，这是因为单个空间周期不能描述粗糙度的整个效应。这一点还意味着不是采用单个正弦波而是采用具有某(范围)系列的空间周期的正弦波的叠加来计算rms值。当3D对象10在大约1-5mm范围的空间周期上具有由大约0.01-50mm的范围内的rms值表征的表面粗糙度时，获得最佳结果。这样，高度h在3D对象10上将不会变化太多。 

图2a-2e描述了采用如上所述的3D对象10如何可以应用本发明的方法。本发明不限于在这里所描述的3D对象10。3D对象10仅仅用作3D对象10的示例。在该示例中，3D对象10为艺术对象。 

图2a示意性示出了空间300上的3D对象。在3D对象10上方提供可以照明3D对象10的灯200。3D对象10设置在空间300中的位置21上。另外，在观察点25，设置图像传感器60，例如照相机，特别是数码照相机。图像传感器60具有观察窗61。图像传感器60可以为单独的照相机，或者可被集成在投影仪中，如本发明的投影仪的多个实施例(参见下文)的情形。图像传感器60相对于3D对象10的特定定位以及灯200的特定定位仅仅是示例性的。 

这里，现在按照3D对象10的特定区域描述3D对象10。为简单起见，每个区域以该区域专用的参考标记表示。但是注意一个区域可具有超过一个的特性/特征。由特征表征的这些区域选自(i)具有特殊结构(31)的区域、(ii)阴影区域(32)、(iii)反射区域(33)、(i v)彩色区域(34)以及(v)除前面提到的区域(31，32，33，34)之外的区域(35)。在图2a中指示了这些区域，并且这些区域对应上述的以及在图1a和1b中示意性描述的面和面的区域。另外， 表1(参见下文)总结了3D对象10的特征和可在该示例性3D对象10上区分的特定区域。 

图像传感器60可构造3D对象10的图像。这样的图像为2D图像(本身)并且可特别为数字2D图像。在图2b中示意性描述了所获得的2D图像，并且在附图中以附图标记30表示。这里，图像，或者2D图像是相同的。为将3D对象与对象的2D图像区分开，图像被“加框”。 

现在，确定和归类2D图像30上的不同区域。无论是否通过软件(例如图像识别软件和/或图像表征软件)，用户都可以区分不同区域(即特征)。为简单起见，分别以31′、32′、33′、34′和35′表示2D图像30上的这些区域。注意，原则上不必知道在2D图像30上区分哪种类型的区域，即以什么特征表征该区域。例如，当一个人不能将反射区域与白色区域区分开或者一个人(或软件)不能将纹理化区域与黑色区域区分开时可能就是如此。但是，用户和/或软件仍然能够区分不同区域的存在，这是因为2D图像30将以不同颜色和/或亮度示出这些区域。 

确定了2D图像30上的不同区域之后，可设计更改的2D图像。这里，术语更改图像或者更改的2D图像是相同的。再次可由用户和/或软件实现这一点。图2d示意性描述了更改的2D图像50。注意，在该实例中，通过实例，每个区域改变为更改区域。但是，可更改一个或多个区域，或者可更改所有区域。另外，可设计多个更改图像50，其可按顺序被投影(参见下文)，其中在所述多个更改的2D图像50的各个更改的2D图像50之间，其更改可能不同。另外，可以以随时间变化的亮度和/或颜色照明(或者不照明)各区域，并获得一种幻灯片放映，其给出3D对象10的其它的艺术特征。 

表1：3D对象和2D图像上各区域的附图标记 

类型

3D对象  10

2D图像  30

2D图像  30上确  定的区  域

更改的  2D图像  50上的  区域

(非限 制性)可 能的照 明效果 实例

[0055] 

彩色区  域(例如  红、黄和  蓝)	105，  110，  112	34	34’	34*	彩色区  域→以  不同亮  度的白  光明亮  照明
						反射区  域	111	33	33’	33*	反射区  域→以  黄光照  明
阴影区  域	104	32	32’	32*	阴影→  弱照明  (阴影  变弱)
						纹理化  区域	107，  108，  109	31	31’	31*	纹理化  区域→  没有照  明
其他区  域	101	35	35’	35*	黑色→  以绿光  照明

设计了更改的2D图像50后，该更改的2D图像50可以以投影仪投射至3D对象10上。图2e示意性示出了这一点。在和捕获2D图像相同的观察点25处，投影仪40现在将3D对象10的更改的2D图像50投射至3D对象10上。3D对象10上的一个或多个区域现在可具有另一种颜色，可以被照明或者可以不被照明，可去除阴影，区域可比其他区域更亮等等。以黑色和白色示出这些可并不容易，但是投影仪40以光束46来照明3D对象10。光束46表示投影仪光束，该光束可将更改的2D图像50投射至3D对象10上。为清楚起见，2D对象的更改图像50在3D对象上的投影未显示在附图中，但是因为该区域基本上重叠，更改区域N^*(例如33^*或者34^*等等)的投影将对应图2e 中所表示的区域N(例如分别为33或者34)。 

在表1所示和如上所述的更改的实例中，表示了可如何产生更改以及可获得什么效果。假定白光源被用作投影仪光源(也参见下文)，2D图像30上的3个区域34′例如可被更改为具有不同灰度级的3个区域34^*，从而可以用来自投影仪的不同强度(亮度)的白光照明3D对象10上的三个区域105、110、112。2D图像上的区域33′例如可被更改为更改的2D图像50上的黄色区域33^*，从而可以以黄光照明3D对象10的反射区域111。2D图像30上的阴影区域32′例如可被更改为更改的2D图像50上具有相对较灰/黑外观的区域32^*，从而可以用弱光照明3D对象10的阴影区域32(这可“擦除”3D对象10上的阴影；在图2e中通过描述具有非灰色外观的面104来示意性表示这一点，好像现在由投影仪40照明阴影区域32)。2D图像上的区域31′例如可被更改为更改的2D图像50上的区域31^*，该区域为黑色，从而阻止照明3D对象10的纹理化区域107、108和109。2D图像上的区域35′例如可被更改为更改的2D图像50上的区域35^*，该区域是透明的，从而可以用强光照明3D对象10的(在该实例中为黑色的)其它区域101。 

更改区域(31^*-35^*)在区域(31-35)上的投影基本上重叠，即(单个或多个)更改区域的投影基本上不与3D对象10上其不对应的区域重叠。例如，更改区域33^*在3D对象10上的区域111的投影不应与区域108、104、105和103等等重叠，但是应当基本上仅仅与区域33重叠。如这里所描述，可控制重叠。例如可通过捕获3D对象的第二2D图像实现这一点。术语“第二”仅仅用于和2D图像30区分。在由投影仪40以更改的2D图像50照明3D对象时捕获第二2D图像，并且第二2D图像优选地还从观察点25捕获。现在，在一个实施例中，比较第二2D图像上一个或多个图像区域(即分别为31′-35′)的面积和也在第二2D图像上的相应的一个或多个更改区域的一个或多个投影(即分别为更改区域31^*-35^*的投影)。例如，当第二2D图像上的区域31′的面积为x且更改区域31^*的投影面积(如也从该第二2D图像所评估的)例如为x-0.03x或者例如为x+0.01x，则图像区域面积和更改的2D图像在第二2D图像上3D对象上的投影面积之差分别为3％或者1％。 

在一个实施例中，可将其它信息添加至更改图像50。例如，还可将字母或者数字投影至3D对象上。 

图3示意性描述了本发明方法中的可能阶段。首先，进行图像构造阶段(I)，即图像传感器60捕获2D图像30。然后进行图像识别和图像更改(II)。随后，更改的2D图像50被投影至3D对象10上(阶段III)。可选地，在下个阶段，可以进行对准(IV)。例如，当将更改的2D图像50投影至3D对象10上时，可捕获第二2D图像。基于对第二图像的评估，可决定更改的2D图像50的更改区域在3D对象10的区域上的投影是否可接受或者是否存在太多重叠和/或所投影图像是否清晰等等。这一点可导致更改的2D图像50的更改和/或可导致图像和/或焦点对准，等等(参见上文)，因此可执行对准步骤。图3示意性描述了本发明方法的实施例。如上所述，还可以在图像构造阶段(I)之前例如如上所述相对于栅格在3D对象10上的投影执行对准步骤。如将清楚的，还可在图像构造阶段之前以及在投影阶段(III)期间执行对准步骤。 

图4a和4b以侧视图示意性描述了其中采用图像传感器60构造3D对象10的2D图像30的图像构造阶段(I)(图4a)和其中更改的2D图像50被投影在3D对象10上的投影阶段(III)(图4b)。在图4a和4b中，图像传感器60和投影仪40为不同的设备。但是，如这里所描述，其还可被集成在一个投影仪设备中(也参见下文)。 

关于这一点，参考附图5b-5d进一步解释了根据本发明的投影仪40的实施例。首先，在图5a中示意性示出了例如也可能被使用的现有技术投影仪的状况(例如参见示意图2e和4b)。在图5a-5d中仅仅示意性示出了投影仪的必要部分。 

根据图5a的示意图的投影仪包括光源41、照明光学器件49、面板43和透镜或者透镜单元44。另外，投影仪可包括例如用于控制光源41和面板49的控制器70。控制器70可用于控制光源41，例如其亮度，但是(另外)还可用于产生图像，例如面板上的更改的2D图像50。另外，控制器70在一个实施例中还可用于将3D对象10的2D图像30更改为更改的2D图像50。在这种情况下，2D图像30可从外部源例如记忆棒、计算机、数码照相机等等传送至控制器。 

为理解起见，根据本发明的实施例在观察点25设置投影仪40， 并将3D对象10设置在位置21。另外，示出了可将更改的2D图像50投影至3D对象10的光束46。图5a为可用在本发明方法实施例中的现有技术投影仪的状况的示意性视图。 

图5b-5d示意性描述了根据本发明的投影仪40的实施例，其中投影仪40还包括图像传感器60。图像传感器60可以以多种方法集成在投影仪或者投影仪设备40中。这里，根据本发明的投影仪40还表示为投影仪设备。 

图5b示出了其中图像传感器60被设置在透镜44侧面的选项。标记64指的是图像传感器60的最后透镜。如图5b所示，图像传感器60的观察窗61和光束46至少部分重叠。这里短语“观察窗和光束至少部分重叠”和投影仪或者投影仪设备40相关，其中图像传感器60和投影仪，即特别是光源41、投影光学器件49、面板43和透镜44，被设置为分别具有观察窗61和光束46(在使用投影仪40时)，观察窗61和光束46至少部分重叠，即在使用时，光束46至少部分与图像传感器60的观察窗61重叠。通过示出图像传感器60和投影仪40的光轴进一步描述这一点。投影仪40具有光轴48，而图像传感器60具有光轴68。在图5b中示意性描述的该实施例中，所述轴可在空间上一点处交叉。但是，在另一个实施例中，这些轴可以是基本上平行的。 

特别是在该实施例中，图像传感器60的最后透镜64和投影仪40的最后透镜44之间的位置差z不大于约20cm，特别是不大于约10cm。这样，视野不会明显不同，并且图像传感器的视窗可基本上与光束重叠。 

投影仪40的(最后)透镜44的表面通常比由光束46使用以投影更改的2D图像50的表面更大。换言之，透镜44的一部分通常不被使用。在本发明的投影仪40的具体实施例中，图像传感器60被设置在投影仪40的最后透镜44的上游。在图5b中示意性示出了这一点。这样，视窗61和光束46可基本上重叠。如这里所提到的，透镜44还表示为“最后透镜”。 

这里，相对于光的源或者光源41使用术语“上游”和“下游”。距离光源41更近的投影仪40中的对象以及处于光源41和(最后)透镜44之间的光路上的对象相对于距离光源41更远且也处于光源 41和最后透镜44之间的光路上的其他对象处于上游。例如，最后透镜44处于面板43的下游。 

在如图5d所示意性描述的另一个具体实施例中，分束器47或者单透镜反射单元147被设置在透镜44和面板43之间，即透镜44的上游和面板43的下游。在附图中，以标记47、147表示这一点。通常，存在分束器47或者单透镜反射单元147。 

分束器可以为偏振分束器。另外，分束器47可以为按照10-90∶90∶10，例如按照50-50的比率或者例如80-20(或者20-80)的比率，分离光的分束器。特别是，指向图像传感器60的部分小于“朝向”面板的部分(例如图像传感器∶面板＝10∶90)。但是，在具体选项中，分束器47是可去除的，即仅仅当图像传感器60捕获图像时才存在分束器47，而当更改的2D图像50投影至3D对象10时，去除分束器47。这样的具有可去除分束器47的实施例与其中投影仪40包括单透镜反射单元147的实施例类似。在具有分束器47或者具有单透镜反射单元147的实施例中，投影仪40的光轴48和图像传感器60的光轴68可重合。另外，如图5d示意性示出，光束46和观察窗61可基本上重叠。 

在投影仪40中所采用的图像传感器60可用于执行对准步骤，这是因为3D对象10的第二2D图像在以更改的2D图像50照明时可以由图像传感器60捕获，并且更改的2D图像50在3D对象10上的投影的质量被评估。当投影不清晰和/或当存在不期望的重叠时，可对准投影仪和/或进一步更改更改的2D图像50。在迭代的过程中，投影质量可被提高到期望的质量。为此，还可使用控制器70。 

控制器70可包括存储器、输入-输出单元和处理器(未描述)。特别是，控制器70可包括具有可执行指令的存储器，输入-输出单元，其配置来(i)从选自(1)一个或多个传感器和(2)用户输入设备的一个或多个元件接收一个或多个输入信号以及(ii)发送一个或多个输出信号以控制下列的一个或多个(且特别是所有)：投影仪40的对准、光源41的强度和对2D图像30至更改的2D图像50的更改；以及还包括设计用于基于可执行指令将一个或多个输入信号处理为一个或多个输出信号的处理器。 

光源41可具体化为UHP灯，例如在常规投影仪中那样，但是可 替代地可以选自一个或多个LED，例如发射白光LED、三重频带LED或者单色发光LED(即发出一种颜色例如蓝色、绿色、黄色、琥珀色、橙色或者红色的LED)。投影仪40不一定具有发白光的光源。在一个实施例中，根据对LED的选择及其相应的发光强度来组合发出不同颜色光的LED例如以提供彩色光和白光。在一个实施例中，可以以不同的强度组合发出红光、绿光和蓝光的LED以实现任意单种颜色和白光。 

面板43特别地为常规面板，其为显示计算机生成图像的面板。但是，在另一个实施例中，面板为具有对应一个或多个区域的孔的板，即该一个或多个孔对应一个或多个更改的区域。 

在一个实施例中，图像传感器60还可包括多个图像传感器。基于多个图像，可如同从观察点25观看似地提供2D图像30。这样，例如可采用立体图像，并且可选地，可从这些图像获得3D深度信息。 

在这里常常在“使用时”描述投影仪40和图像传感器60。如本领域技术人员将清楚，本发明还涉及未处于使用中的设备，但是这些设备被构造为当使用其时执行所描述的行为或者过程或者方法。 

应当注意的是上述实施例描述而非限制本发明，以及本领域技术人员将能够设计许多可替换实施例而不偏离所附权利要求的范围。在权利要求中，任何置于括号中的附图标记不应被解释为限制该权利要求。动词“包括”及其变形的使用不排除与权利要求中所陈述的不同的元件或者步骤的存在。元件前面的冠词“一”不排除多个该元件的存在。可以通过包括若干不同元件的硬件以及通过适当编程的计算机实现本发明。在列出若干装置的设备权利要求中，这些装置中的若干可以由可由同一项硬件来具体化。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的起码事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。 

附图标记 

10     3D艺术对象 

100    类三方锥对象 

101    平坦的背景 

102    从平坦的背景101延伸的锥体的面 

103    从平坦的背景101延伸的锥体的面 

104    从平坦的背景101延伸的锥体的面 

105    面102的彩色区域 

107    面102上具有浮雕的突起区域 

108    面102上具有浮雕的突起区域 

109    面103上具有浮雕的突起区域 

110    面103的彩色区域 

111    面102的反射区域 

112    面103的彩色区域 

113    面102/104之间的边 

114    面102/103之间的边 

115    面103/104之间的边 

147    单透镜反射单元 

200    用于照明3D对象10的灯 

21     3D对象10的位置 

25     观察点 

30     3D对象的2D图像 

300    空间 

31     3D对象上具有特殊纹理的区域 

31^*    更改的2D图像50上具有特殊纹理的区域 

31’   2D图像30上具有特殊纹理的区域 

32     3D对象上的阴影区域 

32^*    更改的2D图像50上的阴影区域 

32’   2D图像30上的阴影区域 

33     3D对象上的反射区域 

33^*    更改的2D图像50上的反射区域 

33’   2D图像30上的反射区域 

34     3D对象上的彩色区域 

34^*    更改的2D图像50上的彩色区域 

34’   2D图像30上的彩色区域 

35     3D对象上除了区域(31、32、33、34)之外的区域 

35^*    更改的2D图像50上的除了区域(31^*、32^*、33^*、34^*)之外的区域 

35’   2D图像30上的除了区域(31’、32’、33’、34’)之外的区域 

40     投影仪 

41     光源 

43     面板 

44     投影仪40的(最后)透镜 

46     光束 

47     分束器 

48     投影仪40的光轴 

49     照明光学器件 

50     3D对象的更改的2D图像 

60     图像传感器 

61     图像传感器60的观察窗 

64     图像传感器60的(最后)透镜 

68     图像传感器60的光轴 

70     控制器 

H      3D艺术对象10的高度 

l      3D艺术对象10的长度 

W      3D艺术对象10的宽度 

PB     锥体100的底部 

Claims (8)

1.一种由设置在观察点(25)的投影仪(40)以一位置(21)上的3D对象(10)的更改的2D图像(50)来照明该3D对象(10)的方法，其中在投影仪(40)没有以更改的2D图像(50)照明3D对象(10)时从观察点(25)观察，3D对象(10)具有一个或多个特征，所述特征选自包括如下各项的组：(i)具有特定纹理的区域(31)、(ii)阴影区域(32)、(iii)反射区域(33)、(iv)彩色区域(34)以及(v)除前面提到的区域(31、32、33、34)之外的区域(35)，其中该方法包括：

在投影仪(40)没有以更改的2D图像(50)照明3D对象(10)时，提供由图像传感器(60)从观察点(25)捕获的对象(10)的2D图像(30)；

确定在2D图像上对应于选自包括(i)具有特定纹理的区域(31)、(ii)阴影区域(32)、(iii)反射区域(33)、(iv)彩色区域(34)以及(v)3D对象(10)上的其他区域(35)的组的所述一个或多个特征的一个或多个2D图像区域(31′、32′、33′、34′、35′)；

通过改变选自包括(i)颜色和(ii)亮度的组的一个或多个特征来更改2D图像(30)的一个或多个2D图像区域(31′、32′、33′、34′、35′)中的至少一个以获得更改的2D图像(50)的一个或多个更改图像区域(31^*、32^*、33^*、34^*、35^*)；

由投影仪(40)通过在3D对象(10)上投影更改的2D图像来照明3D对象(10)，其中3D对象(10)上的一个或多个更改图像区域(31^*、32^*、33^*、34^*、35^*)的投影基本上与3D对象(10)上的一个或多个区域(31、32、33、34、35)重叠。

2.根据权利要求1的方法，其中选自包括(i)颜色和(ii)亮度的组的一个或多个特征的变化为随机变化。

3.根据前面权利要求中任一项的方法，其中该方法包括由投影仪(40)以多个不同地更改的2D图像(50)连续照明3D对象(10)。

4.根据前面权利要求任一项的方法，其中3D对象(10)的表面粗糙度由在1-5mm范围的空间周期下处于0.01-50mm的范围的rms值来表征。

5.根据前面权利要求中任一项的方法，其中该方法还包括对准过程。

6.一种投影仪(40)，被设置在观察点(25)用于以一位置(21)上的3D对象(10)的更改的2D图像(50)照明该3D对象(10)，其中在投影仪(40)没有以更改的2D图像(50)照明3D对象(10)时从观察点(25)观察，3D对象(10)具有一个或多个特征，所述特征选自包括如下各项的组：(i)具有特定纹理的区域(31)、(ii)阴影区域(32)、(iii)反射区域(33)、(iv)彩色区域(34)以及(v)除前面提到的区域(31、32、33、34)之外的区域(35)，

其中该投影仪(40)包括光源(41)、用于显示更改的2D图像(50)的面板(43)和透镜(44)，其中光源(41)、面板(43)和透镜(44)被设置为通过光束(46)投影更改的2D图像(50)，其中该投影仪(40)还包括用于在投影仪(40)没有以更改的2D图像(50)照明3D对象(10)时用观察窗(61)捕获3D对象的2D图像(30)的图像传感器(60)，其中光束(46)和观察窗(61)至少部分重叠，

该投影仪(40)还包括控制器(70)，该控制器被设置为更改由图像传感器(60)在观察点(25)获得的一位置(21)上的3D对象(10)的所述2D图像(30)的一个或多个2D图像区域(31′、32′、33′、34′、35′)的选自包括(i)颜色和(ii)亮度的组的一个或多个特征，以获得更改的2D图像(50)的一个或多个更改图像区域(31^*、32^*、33^*、34^*、35^*)用于将更改的2D图像(50)投影至3D对象(10)，其中，在投影仪(40)没有以更改的2D图像(50)照明3D对象(10)时，如从观察点(25)观察的，3D对象(10)具有一个或多个区域(31、32、33、34、35)，所述区域具有选自包括如下各项的组的特征：(i)具有特定纹理的区域(31)、(ii)阴影区域(32)、(iii)反射区域(33)、(iv)彩色区域(34)以及(v)除前面提到的区域(31、32、33、34)之外的区域(35)，并且其中一个或多个更改图像区域(31^*、32^*、33^*、34^*、35^*)在3D对象(10)上的投影基本上与3D对象(10)上的一个或多个区域(31、32、33、34、35)重叠。

7.根据权利要求6的投影仪(40)，还包括设置在面板(43)和透镜(44)之间的分束器(47)或者单透镜反射单元(147)，以允许分束器(47)或者单透镜反射单元(147)下游的投影仪(40)的光轴(48)基本上与分束器(47)或者单透镜反射单元(147)下游的图像传感器(60)的光轴(68)重合。

8.根据权利要求6-7中任一项的投影仪(40)，其中光源(41)包括一个或多个单色光源。

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