CN102508578A - 投影定位装置及方法、交互***和交互方法 - Google Patents

投影定位装置及方法、交互***和交互方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种投影定位装置，包括：投影仪，用于将具有设定规律的条纹图案投影到被测物体表面；摄像机，用于摄取由被测物体表面形状所调制的变形条纹图像；处理装置，用于根据所述变形条纹图像确定被测物体的空间位置和/或位置变化。在此还公开了相应的投影定位方法、交互***和交互方法。通过将条纹图案投影到被测物体表面，摄取并分析被测物体表面起伏所调制的变形条纹图像，可以对被测物体例如具复杂三维手势的人手进行较高精度地定位和较快速度地实时跟踪，从而实现精准流畅的体感或触控操作。

Description

投影定位装置及方法、交互***和交互方法
技术领域
本发明涉及进行人机交互的技术，特别是涉及投影定位装置和方法以及基于投影定位的交互***和方法。
背景技术
随着计算机技术的飞速发展，人们越来越广泛地通过多媒体设备来展示更加丰富多彩的内容，如声音、图像、文字和视频。相应的，能显示出大幅面画面的投影设备也得到了日益广泛的应用与快速的发展。然而，早期的投影***无法实现人与投影屏幕间的直接互动操作，极大的限制了它的应用范围，如课堂教学、游戏娱乐等场合；无法满足人们追求更加自然、更具沉浸感的人机交互体验。
目前国内外较成熟的交互式投影***大多基于电子白板构建，主要包括触摸屏式、红外阵列式、电磁感应式以及激光扫描式等技术类型。其优点是定位可靠性和精度较高，跟踪速度较快；缺点是均需依赖特制的投影屏幕，无法实现在任意投影平面上的交互功能，安装和使用不方便，成本较高。另一类交互式投影***则采用特制的交互笔式设备，如超声波笔、红外光电笔、光电鼠标笔等，配合专用的接收传感器，可精确定位笔尖位置，实现在任意投影平面上的书写及触控操作。但用户在使用此类设备时必须借助交互笔，无法实现徒手交互功能，这给使用者带来一定的束缚，削弱了“自然”的交互体验。
近年来，基于视觉图像的手势识别技术作为人机交互领域中的重要研究方向，提供了自然直观的交互方式，以及逼真便捷的交互体验，迅速成为了研究的热点。目前的研究工作大多集中于手形特征提取算法，以及基于模式识别的动态或静态手势识别算法，其本质上都是对手势图像的二维处理与解析。而徒手交互功能，则需要对手势图像的三维信息，特别是指尖的空间位置和/或位置变化进行准确测量与实时跟踪，例如徒手触控、徒手书写等。针对这一问题，现有的解决方案主要基于一个或者多个探测器的立体视觉技术，以定位指尖空间位置和/或位置变化。然而，基于单目或者多目立体视觉原理提取图像三维信息，空间定位精度有限，难以实现精细的“触控”操作。此外，视觉图像信息量大，易受干扰，因而图像处理算法较为复杂，难以实现实时定位跟踪，尤其对于多点触控的情况，计算量更是成倍增加。因此，目前基于视觉图像的交互技术还难以满足人们“精确触控”的实用要求。                                                                                                       
发明内容
本发明的一个目的就是针对现有技术的不足，提供一种投影定位装置和方法，可以对被测物体例如具复杂三维手势的人手进行较高精度地定位和较快速度地实时跟踪，从而实现精准流畅的体感或触控操作。
本发明的另一目的是提供一种基于投影定位的交互***和交互方法，能够获得准确快速、自然流畅的人机交互体验。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种投影定位方法，包括以下步骤：
a.  将具有设定规律的条纹图案投影到被测物体表面；
b.  摄取由被测物体表面形状所调制的变形条纹图像；
c.  根据所述变形条纹图像确定被测物体的空间位置和/或位置变化。
优选地，所述方法用在投影仪向投影屏投影图像过程中，所述条纹图案是在每隔一帧或每隔多帧图像之间的时间间隙投影到被测物体表面。
优选地，所述被测物体的空间位置和/或位置变化是通过形貌测量算法得到物体表面三维轮廓的重建数据来确定，所述形貌测量算法选自傅里叶变换形貌测量法FTP、相移形貌测量法PSP、调制测量形貌测量法MMP 、空间相位检测法SPD中的一者或多者。
优选地，所述条纹图案包括：与被测物体的不同部位特征相适应的空间上的条纹组合，和/或与被测物体的姿态变换特征相适应的时序上的条纹组合。
优选地，所述设定规律的因素包括条纹的形状、粗细、间距、灰度、亮度、对比度和投影方向。
优选地，条纹的形状为环状或直线状或波浪状或网格状。
优选地，所述步骤c包括：先实施粗定位以大体锁定被测物体所在区域，再对其进行精确定位；和/或利用条纹灰度信息进行条纹细分处理。
优选地，所述被测物体为人手，步骤a之前，通过建立人手三维模型，分别选取不同形式的条纹图案进行仿真运算，分析每种条纹图案对不同手形、手势、手部位、肤色及运动模式的适应能力, 来预先设定可供投影的条纹图案。
优选地，所述条纹图案为非可见光条纹图案，例如红外线条纹图案。
优选地，步骤c中被测物体的空间位置和/或位置变化的确定经过误差处理，所述误差处理包括：
针对被测物体的实际位置与测量位置分析误差来源，建立误差模型；
分析投影镜头和摄像镜头的光学性能因素对误差的影响，和/或分析***整体几何结构对误差的影响，所述光学性能因素至少包括光学畸变和像散；
通过建立误差校正表或绘制误差校正曲线来进行误差校正和补偿。
一种基于投影定位的交互方法，用于与提供图像显示的***进行交互，包括：
在显示屏上显示图像的步骤；
根据前述任一种投影定位方法相对于被显示图像定位被测物体的步骤；
根据定位结果向所述***反馈控制信息的步骤。
一种投影定位装置，包括：
投影仪，用于将具有设定规律的条纹图案投影到被测物体表面；
摄像机，用于摄取由被测物体表面形状所调制的变形条纹图像；
处理装置，用于根据所述变形条纹图像确定被测物体的空间位置和/或位置变化。
优选地，所述投影仪也用于向投影屏投影图像，所述条纹图案是在每隔一帧或每隔多帧图像之间的时间间隙投影到被测物体表面。
优选地，所述被测物体为人手或触控件。
一种基于投影定位的交互***，包括显示屏和根据前述任一种投影定位装置。
优选地，所述显示屏为LCD显示屏或者LED显示屏或者投影屏。
本发明有益的技术效果是：
通过将具有一定规律的条纹图案投影到被测物体表面，摄取由被测物体表面起伏所调制的变形条纹图像，并对变形条纹图像进行处理和分析，即可以确定探测对象相对于屏幕显示内容的空间位置和/或位置变化，由此，本发明克服了传统的基于视觉图像处理方法定位精度有限、易受干扰、误判率较高的缺点，能够获得较高的定位精度和较快的实时跟踪速度，尤其是可以实现在***示屏面上的精准流畅的徒手体感操控，具有速度快、精度高、测量范围大等显著优点，获得了自然直观准确流畅的人机交互效果，并为用户提供很好的操控体验。本发明可应用于如课堂教学、游戏娱乐等各种人机交互场合，达到更具沉浸感的人机交互体验。
在优选实施方案下，本发明可用在用户与投影显示***的交互过程中进行投影定位，通过将条纹图案在每隔一帧或每隔多帧图像之间的时间间隙投影到被测物体表面，可使投影仪同时用于投影屏成像和条纹图案的投射。
附图说明
图1为本发明投影定位装置和交互***一个实施例的结构示意图；
图2为本发明投影定位装置一个实施例的功能框图；
图3为本发明投影定位方法一个实施例的流程图；
图4为一个实施例中条纹图案投影和摄取过程的示意图；
图5为一个实施例中实施粗定位和精确定位的示意图。
具体实施方式
以下通过实施例结合附图对本发明进行进一步的详细说明。
参见图1和图2，在一种实施例中，投影定位装置包括投影仪、投影仪和处理装置，其中，投影仪用于将具有设定规律的条纹图案投影到被测物体表面，摄像机用于摄取由被测物体表面形状所调制的变形条纹图像，并将所获图像信息传送给处理装置例如计算机，处理装置用于根据所述变形条纹图像确定被测物体的空间位置和/或位置变化。被测物体可以是人手或交互用触控件，对摄取到的变形条纹图像，可利用相应的形貌测量算法进行处理而得到物体表面三维轮廓的重建数据，从而确定人手或交互用触控件的空间位置和/或位置变化。
在优选的实施例中，所述投影仪也用于向投影屏投影图像，所述条纹图案是在每隔一帧或每隔多帧图像之间的时间间隙投影到被测物体表面。因此，本实施例投影定位装置是用于投影***中的人机交互，而且投影屏成像和条纹图案的投射定位共用投影仪的投影功能。由此构成的投影***即基于投影定位的交互***。
参照图1，一个优选实施例的交互***的各部分说明如下：
投影仪用于向投影屏投影图像，并用于在图像帧之间投射出设定规律的条纹图案。投影仪包括光学***和驱动电路，可以在正常图像显示的间隙投出条纹图案。
摄像机用于拍摄数码条纹，并将变化后的条纹传输给计算机。摄像机优选采用高速摄像机，如CCD探测器。
可采用超短距投影仪与广角摄像镜头以尽量避免被测物体的受到遮挡。
投影屏幕可为任意的可用于投影的屏幕。
计算机作为整个***的控制核心，负责控制投影仪工作以及分析摄像机拍摄的变形条纹图案，其通过一定的算法，得到物体表面三维轮廓的重建数据，分析并确定交互物体的空间位置和/或位置变化。优选地，计算机采用一定的误差模型以减小定位误差。
除了采用投影屏的投影式交互***，交互***也可以是采用其他类型显示屏的交互***，这些显示屏例如是LCD显示屏或者LED显示屏，可以是触摸屏或非触摸屏。通过向被测物体例如人手投影条纹图案，可以实现对被测物体相对于显示屏尤其是其上的显示内容的定位，从而将用户的三维动态手势反馈给交互***的处理装置，处理装置识别出这些三维动态手势并转换成***的控制命令，实现体感式交互。
参照图3，一种实施例的投影定位方法包括以下步骤：
步骤a.将具有设定规律的条纹图案投影到被测物体表面；
步骤b.摄取由被测物体表面形状所调制的变形条纹图像；
步骤c.根据所述变形条纹图像确定被测物体的空间位置和/或位置变化。
在较优的实施例中，本方法是用在投影***投影成像的过程中，可以用投影***的投影仪每隔一帧或每隔多帧图像之间的时间间隙投影条纹图案到被测物体表面。更优选地，在每个工作周期内，投影仪首先投出一帧图像，在下一帧图像投射之前，投出条纹图案到屏幕和被测物体上。在每帧图像的间隙都投射出条纹图案，可以迅速跟踪手势的变化，得到准确快速的定位。
可以手或用于交互识别的物体例如细棒进行交互操作。对于人体作为被测物体时，其被测对象可以是手指位置、手势动作及身体姿势的变化等。
条纹图案是可通过编程来实现设定和变化的，投影仪在图像帧投出的间隙，将编程好的数字条纹图案投到屏幕和用于进行交互的物体上。
从形状上来说，条纹图案可以是环形条纹、矩形条纹、线状条纹等，也可采用多种条纹图案组合的定位方法。条纹图案优选是不可见光构成的，例如红外数字条纹。
根据被测物体的特征和不同条纹图案的性能，可通过以条纹组合来定位的方式，以获得更高的定位精度与响应速度。在优选的实施例里，所述条纹图案包括与被测物体的不同部位（如手指指尖、指体和手背）特征相适应的空间上的条纹组合。
如图4所示，在各图像帧间隙投射出的条纹图案还可以是与被测物体的姿态变换特征如手势变动、运动模式相适应的时序上的条纹组合。例如，在分别投影出R（红色）、G（绿色）、B（蓝色）等不同颜色，形成彩色投影图像后，在一个时间间隙投射斜纹式的条纹1，在下一时间间隙投射斜交叉网格式的条纹2，在再下一时间间隙投射方形网格式的条纹3，从而更好地对被测物体实施定位。
在一些优选的实施例里，采用高速摄像机拍摄被测物体表面起伏所调制的变形条纹图像，将同步采集的各个变形后的条纹图案输送至计算机。计算机对采得的图像通过一定的算法进行分析处理，根据预先建立的人手三维模型，得到人手的三维轮廓及指尖位置信息。利用相应的形貌测量算法，可得到物体表面起伏所调制的变化条纹图像。形貌测量算法可以是傅里叶变换形貌测量法(FTP)、相移形貌测量法(PSP)、调制测量形貌测量法(MMP)、空间相位检测法(SPD)等中的一种或组合。
建立人手三维模型时，可分别选取不同形式的条纹进行仿真运算，通过调整条纹间距、投影方向等参数，分析每种条纹图案对不同手形的适应能力，确定定位精度、跟踪速度等性能参数。通过研究不同条纹对不同手形适应能力，投射出合适的条纹，可以提高定位精度与灵敏度。测试时，可通过在投影屏上选取若干标准点，测量***在不同位置处的静态定位精度以及动态响应速度。例如，可以手指或细棒进行触控操作，检验触控成功率及定位精度：快速移动手指或细棒，遍历整个投影屏幕，检测其跟踪速度；测试手形、肤色、手部位（如手指尖）、换手、手部姿势及运动模式等因素对***性能的影响，采用能够获得较高定位性能的条纹或条纹组合的投射图案。 
在一些优选的实施例里，计算机的分析处理还包括对误差影响的处理，这种处理可以包括：针对实际的位置（可以用相应的测量仪器得到物体的实际位置）与测量位置来分析误差来源，建立误差模型；分析投影镜头和摄像镜头的光学畸变、像散等因素对误差的影响，分析***整体几何结构对误差的影响；使用误差表、误差曲线拟合、误差估计等方法进行误差校正和补偿。通过尽可能地消除误差的影响，能够得到更为准确的定位与跟踪。根据这些实施例，首先根据误差来源建立误差模型，误差模型中包含有众多导致误差的因素，查找出导致误差的主要因素，其中光学性能因素通常是需要考虑的一项误差影响因素，从而可以根据导致误差的主要因素，建立误差校正表或者绘制误差校正曲线，用以对误差进行校正与补偿。若误差来源于投射图案的缘故，则可更改投射图案类型。
进一步来说，尤其可以采用如下更佳的定位方式。在这些优选的实施例里，根据采集到的条纹图案信息，采用“粗精两级”阶段实施定位跟踪，首先快速锁定指尖区域，再对其进行精确定位。采用“粗精两级”定位跟踪方式如图5所示，对于作为被测物体的人手，首先快速锁定指尖的大致区域A，再对其进行精确定位确定指尖精确区域B。
在一些优选的实施例里，也可以通过条纹灰度信息进行条纹细分处理，进一步提高测量精度和跟踪速度。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种投影定位方法，其特征在于,包括以下步骤：
a.  将具有设定规律的条纹图案投影到被测物体表面；
b.  摄取由被测物体表面形状所调制的变形条纹图像；
c.  根据所述变形条纹图像确定被测物体的空间位置和/或位置变化。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于, 所述方法用在投影仪向投影屏投影图像过程中，所述条纹图案是在每隔一帧或每隔多帧图像之间的时间间隙投影到被测物体表面。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于, 所述被测物体的空间位置和/或位置变化是通过形貌测量算法得到物体表面三维轮廓的重建数据来确定，所述形貌测量算法选自傅里叶变换形貌测量法FTP、相移形貌测量法PSP、调制测量形貌测量法MMP 、空间相位检测法SPD中的一者或多者。
4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于,所述条纹图案包括：与被测物体的不同部位特征相适应的空间上的条纹组合，和/或与被测物体的姿态变换特征相适应的时序上的条纹组合。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于,所述设定规律的因素包括条纹的形状、粗细、间距、灰度、亮度、对比度和投影方向。
6.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于,条纹的形状为环状或直线状或波浪状或网格状。
7.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于,所述步骤c包括：先实施粗定位以大体锁定被测物体所在区域，再对其进行精确定位；和/或利用条纹灰度信息进行条纹细分处理。
8.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于,所述被测物体为人手，步骤a之前，通过建立人手三维模型，分别选取不同形式的条纹图案进行仿真运算，分析每种条纹图案对不同手形、手势、手部位、肤色及运动模式的适应能力, 来预先设定可供投影的条纹图案。
9.权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于,所述条纹图案为非可见光例如红外线构成的条纹图案。
10.权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于, 步骤c中被测物体的空间位置和/或位置变化的确定经过误差处理，所述误差处理包括：
针对被测物体的实际位置与测量位置分析误差来源，建立误差模型；
分析投影镜头和摄像镜头的光学性能因素对误差的影响，和/或分析***整体几何结构对误差的影响，所述光学性能因素至少包括光学畸变和像散；
通过建立误差校正表或绘制误差校正曲线来进行误差校正和补偿。
11.一种基于投影定位的交互方法，用于与提供图像显示的***进行交互，其特征在于,包括：
在显示屏上显示图像的步骤；
根据权利要求1-10任一项所述的投影定位方法相对被显示图像定位被测物体的步骤；
根据定位结果向所述***反馈控制信息的步骤。
12.一种投影定位装置，其特征在于,包括：
投影仪，用于将具有设定规律的条纹图案投影到被测物体表面；
摄像机，用于摄取由被测物体表面形状所调制的变形条纹图像；
处理装置，用于根据所述变形条纹图像确定被测物体的空间位置和/或位置变化。
13.如权利要求12所述的投影定位装置，其特征在于,所述投影仪也用于向投影屏投影图像，所述条纹图案是在每隔一帧或每隔多帧图像之间的时间间隙投影到被测物体表面。
14.如权利要求12或13所述的投影定位装置，其特征在于,所述被测物体为人手或触控件。
15.一种基于投影定位的交互***，其特征在于,包括显示屏和根据权利要求12-14任一项所述的投影定位装置。
16.如权利要求15所述的交互***，其特征在于,所述显示屏为LCD显示屏或者LED显示屏或者投影屏。
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