CN103226282B - 一种便携式虚拟现实投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种便携式虚拟现实投影装置，基于便携式投影装置来实现虚拟现实技术，便携式投影装置根据自身处于房间的不同位置和投影面积的大小，显示投影面贴图的不同位置。该便携式虚拟现实投影装置内保存有所在房间的三维立体模型和贴图信息，这里的房间为长方体，地面与地平面平行，各墙面与地平面垂直，且其内安装有获得自身的空间姿态信息的重力加速度传感器和倾角传感器以及三个激光测距装置，其中一个激光测距装置与投影镜头安装在同一平面，并设有电动对焦马达，对投影镜头进行变焦操作。本发明的优点在于：基于目前非常流行的便携式的投影装置实现虚拟现实技术，成本较低，携带及使用非常方便，市场前景广阔。

Description

一种便携式虚拟现实投影装置

技术领域

本发明涉及一种便携式虚拟现实投影装置，属于计算机图形学技术领域。

背景技术

现在基于计算机图形学的虚拟现实设备应用已经非常普遍，在展览、博物馆和电子娱乐场等都有广泛使用。传统的虚拟现实设备通常是采用固定显示装置，通过专用控制设备实现人机互动，通常这类设备成本比较高，实现起来相对较为复杂，不利用在日常生活中推广使用。

目前，便携式的投影装置已经开始非常流行，成本也比较低，因此，基于便携式投影装置来实现虚拟现实技术便成为可能。

发明内容

本发明提出一种基于便携式的投影装置实现虚拟现实技术的便携式虚拟现实投影装置。

本发明是通过以下技术方案实现上述技术问题的，一种便携式虚拟现实投影装置，其特征在于：基于便携式投影装置来实现虚拟现实技术，便携式投影装置根据自身处于房间的不同位置和投影面积的大小，显示投影面贴图的不同位置。这里所产生的效果就像在一间不亮灯的房间内，用手电筒去照亮房间里的情况，只有手电筒照亮的部分能看见，而其余部分无法看见。

作为进一步具体的技术方案：该便携式虚拟现实投影装置内，保存有所在房间的三维立体模型和贴图信息，这里的房间应为长方体，地面与地平面平行，各墙面与地平面垂直，并且便携式虚拟现实投影装置内安装有重力加速度传感器和倾角传感器，以获得自身的空间姿态信息，便携式虚拟现实投影装置内安装有三个激光测距装置，以测定便携式虚拟现实投影装置到各墙面的距离，其中一个激光测距装置与便携式虚拟现实投影装置的投影镜头安装在同一平面，便携式虚拟现实投影装置内安装有电动对焦马达，对投影镜头进行变焦操作。

作为进一步具体的技术方案，该便携式虚拟现实投影装置实现虚拟现实技术的步骤如下：

（1）进入虚拟现实投影模式；

（2）计算投影镜头所在平面的一个顶点为起始点沿宽边指向相邻顶点的单位向量与各贴图方向的夹角；

（3）判断上述夹角，如果该夹角满足设定条件，则确定需要投影的图像，如果不满足设定条件，则说明投影装置的姿态有问题，提示用户将投影装置水平握持，并且正对投影面；

（4）利用激光测距装置获取便携式虚拟现实投影装置到各墙面的距离；

（5）计算便携式虚拟现实投影装置距离投影墙面的距离；

（6）对便携式虚拟现实投影装置距离投影墙面的距离进行判断，判断其是否处于投影装置正常投影距离内，如果不是，则远离或靠近投影墙面；

（7）根据便携式虚拟现实投影装置的水平投影角度和垂直投影角度计算投影画面像素宽度和像素高度；

（8）计算投影镜头所在平面的一个顶点为起始点沿长边指向相邻顶点的单位向量与贴图水平方向向量的夹角，计算投影镜头所在平面的一个顶点为起始点沿高度边指向相邻顶点的单位向量与贴图垂直方向向量的夹角；

（9）计算投影中心点在投影贴图的坐标位置；

（10）根据投影中心点在投影贴图的坐标位置判断便携式虚拟现实投影装置是否距离墙面太近，若太近，则提醒用户远离墙面；

（11）将确定需要投影的图像的贴图进行裁剪后送至投影上进行显示。

（12）根据步骤（5）计算的便携式虚拟现实投影装置距离投影墙面的距离驱动电动对焦马达自动对焦，使投影图像清晰；

（13）重复（2）-（12）过程，直到用户退出虚拟现实投影模式。

本发明的优点在于：基于目前非常流行的便携式的投影装置实现虚拟现实技术，成本较低，携带及使用非常方便，市场前景广阔。

附图说明

图1是便携式投影装置显示投影面贴图的状态示意图。

图2是建立房间的三维立体模型坐标图。

图3和图4是便携式投影装置的自身的空间姿态信息示意图。

图5是便携式投影装置上安装的激光测距装置位置示意图。

图6是投影装置的投影角示意图。

图7是对贴图进行裁剪的示意图。

具体实施方式

请参阅图1，便携式投影装置可以自身处于房间的不同位置和投影面积的大小，显示投影面贴图的不同位置。

便携式投影装置内，保存有所在房间的三维立体模型和贴图信息。这里的房间应为长方体，地面与地平面平行，各墙面与地平面垂直。

请同时参阅图2，三维立体模型建立的具体过程如下：选择房间地面与墙面相交一顶点为原点O，如果以O为原点，建立起以地平面为参考系的直角坐标系，具体地，假设指向重力加速度方向的反方向的单位向量为指向正东方向的单位向量为和指向正北方向的单位向量为以O为起点，指向相邻三个顶点的向量分别为房间的三维模型可以用这三个向量来表示。测量从原点O到相邻三个顶点的距离测量和的方位角α和β，即和分别与正北方向的夹角。房间的三维模型信息可以保存为以下形式：

$\stackrel{\→}{L}=\left|\stackrel{\→}{L}\right|\cos \mathrm{\α}\stackrel{\→}{N}+\left|\stackrel{\→}{L}\right|\sin \mathrm{\α}\stackrel{\→}{E}$

$\stackrel{\→}{W}=\left|\stackrel{\→}{W}\right|\cos \mathrm{\β}\stackrel{\→}{N}+\left|\stackrel{\→}{W}\right|\sin \mathrm{\β}\stackrel{\→}{E}$

$\stackrel{\→}{H}=\left|\stackrel{\→}{H}\right|\stackrel{\→}{G}$

房间三维模型建立后，需要为房间的6个墙面各保存一幅图像作为贴图信息，为区分各墙面的贴图信息，建立以下数据结构来标识各墙面的图像：

${\mathrm{Image}}_n=(\stackrel{\→}{I_n},\stackrel{\→}{{\mathrm{IW}}_n},\stackrel{\→}{{\mathrm{IH}}_n},{\mathrm{PW}}_n,{\mathrm{PH}}_n)$

其中，定义为垂直于该墙面，指向房间内的单位向量。为图像水平方向向量，为图像垂直方向向量，PW_n为贴图的像素宽度，PH_n为贴图的像素高度。

具体为：

$\stackrel{\→}{I_1}=\frac{\stackrel{\→}{L}}{\left|\stackrel{\→}{L}\right|}=\cos \mathrm{\α}\stackrel{\→}{N}+\sin \mathrm{\α}\stackrel{\→}{E},\stackrel{\→}{{\mathrm{IW}}_1}=-\stackrel{\→}{W},\stackrel{\→}{{\mathrm{IH}}_1}=\stackrel{\→}{H}$

$\stackrel{\→}{I_2}=-\frac{\stackrel{\→}{L}}{\left|\stackrel{\→}{L}\right|}=-\cos \mathrm{\α}\stackrel{\→}{N}-\sin \mathrm{\α}\stackrel{\→}{E},\stackrel{\→}{{\mathrm{IW}}_2}=\stackrel{\→}{W},\stackrel{\→}{{\mathrm{IH}}_2}=\stackrel{\→}{H}$

$\stackrel{\→}{I_3}=\frac{\stackrel{\→}{W}}{\left|\stackrel{\→}{W}\right|}=\cos \mathrm{\β}\stackrel{\→}{N}+\sin \mathrm{\β}\stackrel{\→}{E},\stackrel{\→}{{\mathrm{IW}}_3}=\stackrel{\→}{L},\stackrel{\→}{{\mathrm{IH}}_3}=\stackrel{\→}{H}$

$\stackrel{\→}{I_4}=-\frac{\stackrel{\→}{W}}{\left|\stackrel{\→}{W}\right|}=-\cos \mathrm{\β}\stackrel{\→}{N}-\sin \mathrm{\β}\stackrel{\→}{E},\stackrel{\→}{{\mathrm{IW}}_4}=-\stackrel{\→}{L},\stackrel{\→}{{\mathrm{IH}}_4}=\stackrel{\→}{H}$

$\stackrel{\→}{I_5}=\frac{\stackrel{\→}{H}}{\left|\stackrel{\→}{H}\right|}=\stackrel{\→}{G},\stackrel{\→}{{\mathrm{IW}}_5}=-\stackrel{\→}{L},\stackrel{\→}{{\mathrm{IH}}_5}=\stackrel{\→}{W}$

$\stackrel{\→}{I_6}=-\frac{\stackrel{\→}{H}}{\left|\stackrel{\→}{H}\right|}=-\stackrel{\→}{G},\stackrel{\→}{{\mathrm{IW}}_6}=\stackrel{\→}{L},\stackrel{\→}{{\mathrm{IH}}_6}=\stackrel{\→}{W}$

便携式投影装置内安装有重力加速度传感器和倾角传感器，可以获得自身的空间姿态信息。

请同时参阅图3和图4所示，为了描述便携式投影装置的空间姿态，同样建立以地平面为参考的直角坐标系，具体地，假设指向重力加速度方向的反方向的单位向量为指向正东方向的单位向量为和指向正北方向的单位向量为便携式电子设备为该直角坐标系中的一个长方体，在长方体的其中一个平面上安装有投影镜头，以投影镜头所在平面的一个顶点为起始点，沿长，宽，高三条边指向相邻顶点的单位向量分别是单位向量与的夹角即为重力倾角θ₁，通过倾角传感器获得，单位向量在地平面的投影向量与的夹角即为方位角α₁，通过地磁传感器获得，则单位向量表示为：

$\stackrel{\→}{H_1}=\cos {\mathrm{\θ}}_1\·\stackrel{\→}{G}+\sin {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\α}}_1\·\stackrel{\→}{N}+\sin {\mathrm{\θ}}_1\sin {\mathrm{\α}}_1\·\stackrel{\→}{E}$

以此类推，单位向量与的夹角即为重力倾角θ₂，单位向量在地平面的投影向量与的夹角即为方位角α₂，单位向量表示为：

$\stackrel{\→}{L_1}=\cos {\mathrm{\θ}}_2\·\stackrel{\→}{G}+\sin {\mathrm{\θ}}_2\cos {\mathrm{\α}}_2\·\stackrel{\→}{N}+\sin {\mathrm{\θ}}_2\sin {\mathrm{\α}}_2\·\stackrel{\→}{E}$

以此类推，单位向量与的夹角即为重力倾角θ₃，单位向量在地平面的投影向量与的夹角即为方位角α₃，单位向量表示为：

$\stackrel{\→}{W_1}=\cos {\mathrm{\θ}}_3\·\stackrel{\→}{G}+\sin {\mathrm{\θ}}_3\cos {\mathrm{\α}}_3\·\stackrel{\→}{N}+\sin {\mathrm{\θ}}_3\sin {\mathrm{\α}}_3\·\stackrel{\→}{E}$

请参阅图5所示，便携式投影装置内安装有三个激光测距装置，分别为V₁、V₂和V₃。其可以测定便携式投影装置到各墙面的距离，精确度为1mm。其中，V₁与投影镜头安装在同一平面。这里假设V₁，V₂和V₃的测距结果分别为J₁，J₂，J₃。

便携式投影装置内安装有电动对焦马达，可对投影镜头进行变焦操作。

基于以上具体的方案，该便携式虚拟现实投影装置实现功能的具体流程如下：

（1）进入虚拟现实投影模式；

（2）计算与各贴图方向的夹角γ_1n（n为1,2,3,4,5,6其中之一），具体计算方法如下：

${\mathrm{\γ}}_{1n}={\cos }^{-1}\frac{\stackrel{\→}{W_1}\·\stackrel{\→}{I_n}}{\left|\stackrel{\→}{W_1}\right|\·\left|\stackrel{\→}{I_n}\right|}$

（3）对γ_1n进行判断，如果有γ_1s≤10°（s为1,2,3,4,5,6其中之一），则说明需要投影的图像为Image_s。如果γ_n均不满足上述条件，则说明投影装置的姿态有问题，此时可提示用户将投影装置水平握持，并且正对投影面；

（4）利用激光测距装置V₁，V₂和V₃获取距离J₁，J₂和J₃；

（5）计算便携式投影装置距离投影墙面的距离J₁’，具体方法为：

$J_1^{\′}=J_1\cos {\mathrm{\γ}}_S$

（6）对J₁’进行判断，看J₁’是否处于投影装置正常投影距离内，如果不是，则提示用户远离或靠近投影墙面；

（7）假设投影装置的水平投影角度为δ₁，垂直投影角度为δ₂，水平投影角度δ₁和垂直投影角度δ₂是所有投影装置本身的属性，如图6所示，则可以计算投影画面像素宽度TW₁和像素高度TH₁分别为：

${\mathrm{TW}}_1={2\mathrm{PW}}_s\·\tan \frac{{\mathrm{\δ}}_1}{2}\·{J_1}^{\′}/\left|\stackrel{\→}{{\mathrm{IW}}_s}\right|$

${\mathrm{TH}}_1={2\mathrm{PH}}_s\·\tan \frac{{\mathrm{\δ}}_2}{2}\·{J_1}^{\′}/\left|\stackrel{\→}{{\mathrm{IH}}_s}\right|$

（8）计算和的夹角，和的夹角，具体方法如下：

${\mathrm{\γ}}_{2s}={\cos }^{-1}\frac{\stackrel{\→}{L_1}\·\stackrel{\→}{{\mathrm{IW}}_s}}{\left|\stackrel{\→}{L_1}\right|\·|\stackrel{\→}{{\mathrm{IW}}_s|}}$

${\mathrm{\γ}}_{3s}={\cos }^{-1}\frac{\stackrel{\→}{H_1}\·\stackrel{\→}{{\mathrm{IH}}_s}}{\left|\stackrel{\→}{H_1}\right|\·|\stackrel{\→}{{\mathrm{IH}}_s|}}$

（9）计算投影中心点在投影贴图的坐标位置（x₀，y₀），具体方法如下：

$x_0={\mathrm{PW}}_s\·J_2\cos {\mathrm{\γ}}_{2s}/\left|\stackrel{\→}{{\mathrm{IW}}_s}\right|$

$y_0={\mathrm{PH}}_s\·\left(\right|\stackrel{\→}{{\mathrm{IH}}_s}|-J_3\cos {\mathrm{\γ}}_{3s})/\left|\stackrel{\→}{{\mathrm{IH}}_s}\right|$

（10）判断x₀<TW₁/2，PW_s-x₀<TW₁/2，y₀<TH₁/2和PH_s-y₀<TH₁/2，其中有任意一个成立，则说明距离墙面太近，此时可以提醒用户远离墙面；

（11）将标记为Image_s的贴图进行以下裁剪：如图7所示，假设该贴图的宽度为PW个像素，高度为PH个像素，以（x₀，y₀）为中心坐标，画一个宽度为TW₁，高度为TH₁的矩形，然后再将这个矩形顺时针旋转角度γ_3s，将该旋转后的矩形作为选区，截取贴图中的选中的部分，然后将截取的部分逆时针旋转角度γ_3s，最后将得到的图像送至投影上进行显示；

（12）根据J₁’驱动电动对焦马达自动对焦，使投影图像清晰；

（13）重复（2）-（12）过程，直到用户退出虚拟现实投影模式。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种便携式虚拟现实投影装置，其特征在于：该便携式虚拟现实投影装置内，保存有所在房间的三维立体模型和贴图信息，这里的房间为长方体，地面与地平面平行，各墙面与地平面垂直，并且便携式虚拟现实投影装置内安装有重力加速度传感器和倾角传感器，以获得自身的空间姿态信息，便携式虚拟现实投影装置内安装有三个激光测距装置，以测定便携式虚拟现实投影装置到各墙面的距离，其中一个激光测距装置与便携式虚拟现实投影装置的投影镜头安装在同一平面，便携式虚拟现实投影装置内安装有电动对焦马达，对投影镜头进行变焦操作，利用该便携式虚拟现实投影装置根据自身处于房间的不同位置和投影面积的大小，显示投影面贴图的不同位置，从而实现虚拟现实技术。