一种互动区域可调的增强现实实现方法技术

一种互动区域可调的增强现实实现方法，包括如下步骤实现:步骤1，构建云台；步骤2，实现互动区域可调；步骤3，操作方法；步骤4，读入数据并运行实现空间匹配。通过调节三维扫描设备与投影显示设备之间相对空间位置的四个维度，实现对增强现实互动区域及主信息图形投影方向的调节；利用三维扫描两次捕获到由投影显示设备满屏显示的同一个具有非中心对称关系图案的图形，通过算法计算出三维扫描设备与投影显示设备之间的相对位置关系，及显示设备的主要投影参数。有益效果：本发明专利技术加入旧有的增强现实互动系统中后，实现三维扫描设备与投影显示设备之间形成的互动区域,及主信息图形投影方向的可调节，拓展了旧有系统的应用场合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术所属增强现实

技术介绍
目前，国内外都有基于增强现实技术的三维对象互动系统，如德国慕尼黑工业大学的GerhardSchubert等人开发的CDP系统(http://cdp.ai.ar.tum.de/)，又如张伊娜专利技术的技术《一种三维模型互动演示装置》(授予公告号CN205281823U)。此类系统的运行具有相似的原理，即在不断循环的每一计算片断中，先通过三维扫描模块，以点云形式捕获参与互动的实物对象的外形，然后通过图形处理模块将其重构为由面组成的几何对象，在此基础上由数据处理模块对其进行各种数值计算，以生成相应的二维信息图形，最终由投影显示系统将该二维信息图形投射到与实物对象相匹配的空间位置，实现增强现实的效果。不断循环进行的上述计算片段，在强大计算能力的支持下，可以体现为由计算机增强至实物对象的信息与人操作实物对象的动态过程形成实时互动关系。显然，上述旧有系统依赖于，以经三维扫描而来的实物对象所处的三维空间坐标系统为参考，描述投影显示的空间轨迹，基于此描述才有可能实现二维信息图形在真实空间中与实物对象的正确匹配。由于此类系统的投影显示设备与三维扫描设备都由市场采购集成而来，一方面缺乏相对于物理设备的准确焦点位置和扫描原点的技术信息，另一方面在集成安装过程中也总是存在各种误差，因此目前上述系统均采用了三维扫描模块与投影显示模块相对位置固定的设计，在搭建系统后可以通过在扫描而来的三维坐标系统中，为投影原点与方向引入三维调节参数，反复调试校准，来实现两者的匹配。正因为匹配工作较为困难，所以投影显示设备与三维扫描设备相对位置固定，而由两者的有效工作空间所交汇的互动区域(两个四棱锥的交集空间)亦被固定下来。上述固定的互动区域对于灵活多变的应用需求而言就是一个问题。由于现有三维扫描设备可以获得其观察点处实物对象可见部分的所有点云(那些法线与扫描线呈较大锐角夹角的侧向面依然可以被点云覆盖，只是面上点的密度有所降低，但一般不影响面的重构计算)，而这些侧面上的投影效果却随着夹角的变大相应变差(圆形的像素在这些侧面上变成椭圆形，颜色、亮度、清晰度都会随之变差)。所以在旧有系统中两者相对位置固定的情况下，它往往只能提供一个几乎垂直于投影设备的最佳工作面(目前旧有系统不约而同地采取水平桌面作为最佳工作面，而扫描与投影设备固定于其正上方，主要的信息图形投影在实物对象的顶面及其各平行面)。显然，当信息图形需要投影在实物对象的不同方向时，这样的固定互动区域系统无法胜任；同时当实物对象的尺度超出桌面、或不可置于桌上，或在周围一定区域移动时，这样的固定互动区域系统也无法胜任。本专利技术旨在基于旧有系统的一般原理，提出增加一个令互动区域可调的云台系统(云台自身可灵活安装在各种方向的固定或移动平台上)，云台上面固定的三维扫描设备与投影显示设备之间的相对位置可调，由配套操作与算法实现两者的快速空间匹配，获得一个新的互动区域，提高对各种实物对象的适应能力。
技术实现思路
本专利技术旨在基于旧有系统的一般原理，提出增加一个令互动区域可调的云台系统，云台上面固定的三维扫描设备与投影显示设备之间的相对位置可调，由配套操作与算法实现两者的快速空间匹配，获得一个新的互动区域，提高对各种实物对象的适应能力。为此，本专利技术给出的方法技术方案为：一种互动区域可调的增强现实实现方法，其特征在于，包括如下步骤实现:步骤1，构建云台该云台设计为上下两个刚性构件，两者以旋钮V同时实现竖向间距调节、围绕R-R'轴的旋转定位。下方构件的底部用于与其他固定或可移动支座连接，其上部用于连接三维扫描设备。上方构件用于连接投影设备，并通过横向调节螺母H实现横向平移与方向调节。步骤2，实现互动区域可调当三维扫描设备与投影显示设备通过该云台连接，分别通过调节旋钮H与V，实现在横向相对位置、竖向相对位置、横向方向相对夹角、竖向方向相对夹角的可变，调节到某一相对位置时，两者(三维扫描设备、投影显示设备)各自的工作范围(四棱锥)在空间中形成一个交集，该交集中在扫描设备的有效工作距离Smin至Smax之间，且在投影设备的最小聚焦距离Pmin以外，形成了有效的互动区域及主信息图形投影方向。即实现对于互动区域的调节。步骤3，操作方法首先由投影显示设备满屏显示一个具有非中心对称关系图案的图形，设在图像宽度为w个像素、高度为h个像素的满屏画面中，四角分别有红、绿、蓝、灰四个边长为t个像素的正方形色块，然后由操作者斜持一平板在互动区域内先后两次在两个不同位置分别承接完整的上述图形。步骤4，读入数据并运行实现空间匹配由三维扫描设备将两次采集该图形四角色块的点云(每点包含三维坐标与颜色值)，设三维扫描以O点为原点的点云空间坐标系统来描述投影显示设备的投影焦点P，扫描数据读入增强现实控制器中的图形与数据处理单元8，所述图形与数据处理单元8运行空间匹配算法，由空间匹配算法计算出P点的空间坐标及其各投影参数。最后一步中算法的基本思路是：1)分别在两次采集所得的具有非中心对称关系图案的图形中找到至少三组特征点对，且它们在各自所在采集面中不共线；2)通过求出各点对之间连线的空间交点，得到投影焦点P的空间坐标；3)过任意一个点，求一个平面多边形，除该点外其余顶点分别位于其他相应点对连线及延长线上，且该平面多边形与之前投影的图案中的相应多边形为相似多边形关系(图案在该平面及其平行平面上不变形)，该求得平面即为投影聚焦平面；4)在投影聚焦平面上根据特征点在原图案中的位置关系，求得画面的横向、竖向、法向矢量；5)根据上述矢量，以及特征点在原画面中与画面四角的像素比例关系，即可从特征点的空间坐标求得该投影聚焦平面上画面的四角坐标，求出投影四棱锥四条棱的矢量。除了本专利技术利用紧凑的四维度可调节云台来实现投影设备与扫描设备的相对位置调节以外，还可以通过将投影设备与三维扫描设备分别安装于各自的云台上,并设置于不同的空间位置，在确保投影的匹配图象能被扫描设备完整采集的条件下,亦可在一定空间范围内实现互动区域的可变。在这种情况下,两个设备依然可通过本专利技术中的匹配方法,快速完成投影设备与扫描设备空间位置关系的匹配。这种实施方式,应看作是本专利技术构思在尺度延伸后的另一种具体实施方式。以上技术方案的关键技术点:1)可以通过调节三维扫描设备与投影显示设备之间相对空间位置的四个维度(横向距离、竖向距离、横向夹角、竖向夹角)，实现对增强现实互动区域及主信息图形投影方向的调节；2)在无需知晓投影显示设备投影参数的条件下，利用三维扫描两次捕获到由投影显示设备满屏显示的同一个具有非中心对称关系图案的图形，通过算法计算出三维扫描设备与投影显示设备之间的相对位置关系，及显示设备的主要投影参数。与现有技术相比，本专利技术的益效果:本专利技术加入旧有的增强现实互动系统中后，可以实现三维扫描设备与投影显示设备之间形成的互动区域,及主信息图形投影方向的可调节，从而可以使信息图形按需要投影到实物对象的不同方向、适应尺度超出桌面、或不可置于桌上，或在周围一定区域移动的实物对象，大大拓展了旧有系统的应用场合。附图说明图1云台构成图2加入云台后的增强现实系统图3满屏显示的特殊图形图4投影焦点P及其投影参数图5聚焦平面与画面四角标记说明：1扫描设备2云台本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种互动区域可调的增强现实实现方法，其特征在于，包括如下步骤实现:步骤1，构建云台该云台设计为上下两个刚性构件，两者以旋钮V同时实现竖向间距调节、围绕R‑R'轴的旋转定位；下方构件的底部用于与其他固定或可移动支座连接，其上部用于连接三维扫描设备；上方构件用于连接投影设备，并通过横向调节螺母H实现横向平移与方向调节；步骤2，实现互动区域可调当三维扫描设备与投影显示设备通过该云台连接，分别通过调节旋钮H与V，实现在横向相对位置、竖向相对位置、横向方向相对夹角、竖向方向相对夹角的可变，调节到某一相对位置时，两者(三维扫描设备、投影显示设备)各自的工作范围(四棱锥)在空间中形成一个交集，该交集中在扫描设备的有效工作距离Smin至Smax之间，且在投影设备的最小聚焦距离Pmin以外，形成了有效的互动区域及主信息图形投影方向。即实现对于互动区域的调节；步骤3，操作方法首先由投影显示设备满屏显示一个具有非中心对称关系图案的图形，设在图像宽度为w个像素、高度为h个像素的满屏画面中，四角分别有红、绿、蓝、灰四个边长为t个像素的正方形色块，然后由操作者斜持一平板在互动区域内先后两次在两个不同位置分别承接完整的上述图形；步骤4，读入数据并运行实现空间匹配由三维扫描设备将两次采集该图形四角色块的点云(每点包含三维坐标与颜色值)，设三维扫描以O点为原点的点云空间坐标系统来描述投影显示设备的投影焦点P，扫描数据读入增强现实控制器中的图形与数据处理单元(8)，所述图形与数据处理单元(8)运行空间匹配算法，由空间匹配算法计算出P点的空间坐标及其各投影参数。...

【技术特征摘要】
1.一种互动区域可调的增强现实实现方法，其特征在于，包括如下步骤实现:步骤1，构建云台该云台设计为上下两个刚性构件，两者以旋钮V同时实现竖向间距调节、围绕R-R'轴的旋转定位；下方构件的底部用于与其他固定或可移动支座连接，其上部用于连接三维扫描设备；上方构件用于连接投影设备，并通过横向调节螺母H实现横向平移与方向调节；步骤2，实现互动区域可调当三维扫描设备与投影显示设备通过该云台连接，分别通过调节旋钮H与V，实现在横向相对位置、竖向相对位置、横向方向相对夹角、竖向方向相对夹角的可变，调节到某一相对位置时，两者(三维扫描设备、投影显示设备)各自的工作范围(四棱锥)在空间中形成一个交集，该交集中在扫描设备的有效工作距离Smin至Smax之间，且在投影设备的最小聚焦距离Pmin以外，形成了有效的互动区域及主信息图形投影方向。即实现对于互动区域的调节；步骤3，操作方法首先由投影显示设备满屏显示一个具有非中心对称关系图案的图形，设在图像宽度为w个像素、高度为h个像素的满屏画面中，四角分别有红、绿、蓝、灰四个边长为t个像素的正方形色块，然后由操作者斜持一平板在互动区域内先后两次在两个不同位置分别承接完整的上述图形；步骤4，读入数据并运行实现空间匹配由三维扫描设备将两次采集该图形四角色块的点云(每点包含三维坐标与颜色值)，设三维扫描以O点为原点的...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙澄宇，王宇泽，郑兆华，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31