專利名稱：全息光電再現(xiàn)虛影像實(shí)時交互顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全息光電再現(xiàn)虛影像實(shí)時交互顯示裝置，該發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)全息光電再 現(xiàn)虛影像的三維實(shí)時交互顯示。該發(fā)明中，利用光電再現(xiàn)系統(tǒng)得到物體的全息空間三維再現(xiàn) 虛影像，并用手指上的標(biāo)記物引導(dǎo)再現(xiàn)出來的全息影像，實(shí)現(xiàn)動態(tài)交互顯示。
背景技術(shù)：
空間顯示技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的顯示方法是將物體的影像呈現(xiàn) 在空間介質(zhì)之上。例如，普通的二維顯示需要顯示屏幕或投影屏幕作為顯示載體；三維顯 示需要特殊的三維顯示器作為空間影像的承載介質(zhì)，或需要給用戶佩戴立體眼鏡和頭盔輔 助設(shè)備等。承載介質(zhì)的存在大大減弱了人觀察影像的真實(shí)感；輔助設(shè)備的使用也束縛了用 戶的觀察自由度。
在交互方式上，傳統(tǒng)的方法是采用鼠標(biāo)、鍵盤、操縱桿、觸摸屏、數(shù)據(jù)手套等接觸設(shè) 備作為輸入方式。這些設(shè)備都是以機(jī)器為中心，交互起來不直觀，也不自然。在人們的交 流中，經(jīng)常用手指向一個物體，來進(jìn)行特定目標(biāo)的選擇，這是交互過程中最直接、最自然 的方式之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有技術(shù)的不足，提供一種全息光電再現(xiàn)虛影像的實(shí)時交互顯 示裝置，該裝置可以在空間中呈現(xiàn)物體的懸浮三維虛影像，對于該懸浮三維虛影像人們不 僅可以在一定視角范圍內(nèi)不需要任何輔助設(shè)備直接觀察，而且還可以通過手指的指示動作 來導(dǎo)航空間影像的顯示，實(shí)現(xiàn)人與空間虛影像的交互。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是通過光學(xué)全息技術(shù)或計(jì)算全息技術(shù)得到載有物體不 同狀態(tài)信息的數(shù)字全息圖序列,存儲在圖像處理和存儲單元中。以正交的雙目視覺系統(tǒng)作為 交互的輸入方式，來檢測觀察者手指信息，當(dāng)觀察者移動手指時，顯示系統(tǒng)會根據(jù)手指的 移動情況在全息圖序列中選擇不同的全息圖傳輸?shù)娇臻g光調(diào)制器上。當(dāng)再現(xiàn)光束照射該空 間光調(diào)制器時，根據(jù)光學(xué)全息理論，在空間可以再現(xiàn)出全息圖中載波的物體的影像。該再 現(xiàn)影像投射到高速振動的圖像薄膜接收器上，人們通過菲涅爾透鏡，就可以在空間中看到 再現(xiàn)出來的物體三維懸浮虛影像。并且，此懸浮虛影像是根據(jù)人的手指位置和移動情況不 斷變化的，這樣就可以實(shí)現(xiàn)空間虛影像的動態(tài)交互再現(xiàn)過程。
根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種全息光電再現(xiàn)虛影像實(shí)時交互顯示裝置，包括正交的雙目視覺系統(tǒng)、圖像處理和 存儲單元和菲涅爾透鏡，其特征在于所述正交雙目視覺系統(tǒng)與所述圖像處理和存儲單元相 連，所述圖像處理和存儲單元根據(jù)所述正交雙目視覺系統(tǒng)獲取的視頻圖像分析手指的空間 信息，并根據(jù)手指信息從數(shù)字全息圖序列中選取一幅對應(yīng)的全息圖，所述圖像處理和存儲 單元的輸出與一個基于電尋址空間光調(diào)制器的全息光電再現(xiàn)系統(tǒng)的輸入端相連，所述圖像 處理和存儲單元將選擇好的數(shù)字全息圖輸出到所述基于電尋址空間光調(diào)制器的全息光電再 現(xiàn)系統(tǒng)上，通過所述電尋址空間光調(diào)制器的全息光電再現(xiàn)系統(tǒng)重建物體的影像，并將重建 的影像投射到一個高速振動的圖像薄膜接收器上，所述菲涅爾透鏡置于觀察者與所述高速 振動的圖像薄膜接收器之間，觀察者可以透過菲涅爾透鏡看到物體的空間三維懸浮虛影像， 并可以通過手指移動引導(dǎo)顯示出來的懸浮虛影像，從而實(shí)現(xiàn)全息光電再現(xiàn)虛影像的實(shí)時交 互顯示。
上述正交的雙目視覺系統(tǒng)是兩個正交的攝像機(jī)對準(zhǔn)一個紅外標(biāo)記物，所述紅外標(biāo)記物 佩戴在觀察者的手指上，所述正交的雙目攝像機(jī)用來獲取所述紅外標(biāo)記物的空間位置圖像， 并將獲取到的圖像傳輸?shù)剿鰣D像處理和存儲單元中。所述兩個攝像機(jī)處于正交的分布狀 態(tài)， 一個處在觀察者的下面，用以檢測手指的左右和前后運(yùn)動，另一個攝像機(jī)處在觀察者 的側(cè)面，用于檢測手指的上下運(yùn)動。
上述的圖像處理和存儲單元由一個圖像處理單元和一個大容量的圖像存儲器組成，會 根據(jù)正交雙目攝像機(jī)系統(tǒng)傳輸進(jìn)來的紅外標(biāo)記物的空間位置視頻圖像，分析出手指的空間 位置和移動信息。
上述的基于電尋址空間光調(diào)制器的光電再現(xiàn)系統(tǒng)由一臺激光器、 一個光束擴(kuò)束鏡、一 個會聚透鏡、 一個孔徑光闌、 一個電尋址空間光調(diào)制器和一個投影透鏡組成。所述激光器 發(fā)出的激光束，經(jīng)過所述擴(kuò)束鏡和會聚透鏡組成的擴(kuò)束準(zhǔn)直器擴(kuò)束準(zhǔn)直之后，經(jīng)過所述孔 徑光闌，射向所述電尋址空間光調(diào)制器，而且所述圖像處理和存儲單元將所要輸出的數(shù)字 全息圖輸出到所述電尋址空間光調(diào)制器，則電尋址空間光調(diào)制器輸出的衍射光束經(jīng)投影透 鏡后投射到所述高速振動圖像薄膜接收器上。
上述的高速振動圖像薄膜接收器由一個圖像薄膜、一個固定框架和兩條平行導(dǎo)軌組成。 所述圖像薄膜安裝在所述固定框架上，所述固定框架在平行導(dǎo)軌之上高速來回振動，并帶 動所述圖像薄膜也來回地高速振動，以接收不同位置上的全息光電再現(xiàn)像。
所述觀察者透過所述菲涅爾透鏡觀看懸浮在空間的一個物體三維虛影像，并通過所述手指上的所述紅外標(biāo)記物與所述物體三維虛影像進(jìn)行交互。
本發(fā)明與現(xiàn)有顯示技術(shù)相比較，具有如下的突出實(shí)質(zhì)性特征和顯著優(yōu)點(diǎn)
1) 利用數(shù)字全息圖的光電再現(xiàn)過程，能夠在接收器上重建物體的真正三維信息。
2) 利用投影透鏡將再現(xiàn)出來的影像投影到高速振動圖像薄膜接收器上，增大了重建 出來的物體影像的大小。
3) 利用菲涅爾透鏡形成空間懸浮虛像，使觀察者擺脫了承載介質(zhì)的干擾，實(shí)現(xiàn)一種 懸浮在空間中的三維虛影像，利用人的虛幻感覺，產(chǎn)生身臨其境的效果。
4) 利用視覺系統(tǒng)檢測手指的移動情況，讓人可以通過手指的指示引導(dǎo)虛影像的動態(tài) 顯示，增強(qiáng)了交互的娛樂性，也進(jìn)一步加強(qiáng)了顯示出來的虛影像的真實(shí)感。
5) 發(fā)明裝置采用了圖像處理和存儲單元，將對圖像采集、控制、處理等都由圖像處
理和存儲單元來完成，簡化了裝置結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了實(shí)用性。


圖1是全息光電再現(xiàn)虛影像實(shí)時交互顯示裝置結(jié)構(gòu)原理框圖。
圖2是全息光電再現(xiàn)虛影像實(shí)時交互顯示裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是正交的兩個攝像機(jī)的分布示意圖。 圖4是高速振動的圖像薄膜顯示器結(jié)構(gòu)原理圖。 圖5是紅外標(biāo)記物的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合附圖詳述如下
如圖1所示,本全息光電再現(xiàn)虛影像實(shí)時交互顯示裝置包括正交的雙目視覺系統(tǒng)1、圖
像處理和存儲單元2和菲涅爾透鏡5，其特征在于所述正交雙目視覺系統(tǒng)1與所述圖像處 理和存儲單元2相連，所述圖像處理和存儲單元2根據(jù)所述正交雙目視覺系統(tǒng)1獲取的視 頻圖像分析手指的空間信息，并根據(jù)手指信息從數(shù)字全息圖序列中選取一幅對應(yīng)的全息圖， 所述圖像處理和存儲單元2的輸出與一個基于電尋址空間光調(diào)制器的光電再現(xiàn)系統(tǒng)3的輸 入端相連，所述圖像處理和存儲單元2將選擇好的數(shù)字全息圖輸出到所述基于電尋址空間 光調(diào)制器的光電再現(xiàn)系統(tǒng)3上，通過所述電尋址空間光調(diào)制器的光電再現(xiàn)系統(tǒng)3重建物體 的影像，并將重建的影像投射到一個高速振動的圖像薄膜接收器4上，所述菲涅爾透鏡5 置于觀察者19與所述高速振動的圖像薄膜接收器4之間，觀察者19能透過所述菲涅爾透鏡5看到物體的空間三維懸浮虛影像，并可以通過手指移動引導(dǎo)顯示出來的懸浮虛影像， 從而實(shí)現(xiàn)全息光電再現(xiàn)虛影像的實(shí)時交互顯示。
如圖2所示，上述的正交雙目視覺系統(tǒng)1是兩個正交的攝像機(jī)15、 16對準(zhǔn)一個紅外標(biāo) 記物20，所述紅外標(biāo)記物20佩戴在觀察者19的手指18上，所述正交的攝像機(jī)15、 16用 來獲取所述紅外標(biāo)記物20的空間位置圖像，并將獲取到的圖像傳輸?shù)剿鰣D像處理和存儲 單元2中。所述兩個攝像機(jī)15、 16處于正交的分布狀態(tài)，用于檢測所述手指18的三維空 間位置和移動信息。兩個攝像機(jī)15、 16的功能如圖3所示，底攝像機(jī)16用來檢測手指18 在x方向和y方向上的移動，邊攝像機(jī)15用來檢測手指18在z方向上的移動。
如圖2所示，上述的圖像處理和存儲單元2由一個圖像處理單元和一個大容量的圖像 存儲器組成，會根據(jù)所述正交雙目攝像機(jī)系統(tǒng)1傳輸進(jìn)來的紅外標(biāo)記物20的空間位置視頻 圖像，分析出手指18的空間位置和移動信息。參見圖2、圖3和圖5，具體的分析過程是， 首先對攝像機(jī)拍攝進(jìn)來的圖像進(jìn)行單閾值分割，以分割出紅外發(fā)光小球24的圖像，即
1， /(zW)>r 、0，
這里T為分割閾值，f(i， j)是象素點(diǎn)(i, j)處的灰度值，g(i， j)是分割后該象素點(diǎn)的值；然 后，估計(jì)分割出的紅外發(fā)光小球24圖像的灰度質(zhì)心，并將此質(zhì)心的位置坐標(biāo)作為手指的圖 像坐標(biāo)，即
M 乂=1_
附 w
附 n
' =1 >i_
附 w i=l 乂=1
這里Oe，K)即為紅外發(fā)光小球24圖像的灰度質(zhì)心坐標(biāo)，m、 n為圖像的行數(shù)和列數(shù)。用 同樣的方法，可以求出紅外發(fā)光小球24在另一個攝像機(jī)中的圖像位置坐標(biāo)(X:，義)，綜合
考慮(、，凡)和Ol，夂)及它們隨時間的變化，就可以得到手指的位置和移動信息。根據(jù) 此手指信息，圖像處理和存儲單元14從數(shù)字全息圖序列中選擇一幅對應(yīng)的數(shù)字全息圖，并將這幅數(shù)字全息圖以設(shè)定的方式傳輸?shù)诫妼ぶ房臻g光調(diào)制器10上。
上述的基于電導(dǎo)址空間光調(diào)制器的全息光電再現(xiàn)系統(tǒng)3由一個激光器6， 一個光束擴(kuò) 束器7， 一個會聚透鏡8， 一個孔徑光闌9， 一個電尋址空間光調(diào)制器10和一個投影透鏡 組成。工作過程是激光器6發(fā)出的激光束，由擴(kuò)束7和會聚透鏡8的擴(kuò)束準(zhǔn)直之后，經(jīng) 過孔徑光闌9，射向電尋址空間光調(diào)制器10上。該空間光調(diào)制器10由于受圖像處理和存 儲單元2傳輸進(jìn)來的數(shù)字全息圖的調(diào)制，從空間光調(diào)制器10衍射的光也受到了調(diào)制，在一 定的空間位置再現(xiàn)出物體的三維影像，為了擴(kuò)大再現(xiàn)影像的尺示，在系統(tǒng)中加入了投影透 鏡11，經(jīng)過該投影透鏡11的影像被投射到高速振動的半透膜接收器4上。
如圖2所示，人們可以站在19的位置上觀看懸浮在空間的物體三維虛影像17，并通 過手指18上的紅外標(biāo)記物20與此三維虛影像17進(jìn)行交互。
圖4所示為上述的高速振動的圖像薄膜接收器12的工作過程，圖像薄膜21被固定框 架22固定在平行的導(dǎo)軌23之上，固定框架22在平行導(dǎo)軌23上不停地來回高速振動，以 帶動半透膜21在不同位置接收光電再現(xiàn)系統(tǒng)3再現(xiàn)出來的全息三維影像。
所述的紅外標(biāo)記物20，如圖5所示，其工作過程是人們通過指套25將紅外發(fā)光小球 24佩戴在手指上，紅外發(fā)光小球向四周發(fā)射紅外光，鈕扣電池盒26放置給紅外發(fā)光小球24 提供電能的鈕扣電池。
權(quán)利要求
1.一種全息光電再現(xiàn)虛影像實(shí)時交互顯示裝置，包括正交的雙目視覺系統(tǒng)(1)、圖像處理和存儲單元(2)和菲涅爾透鏡(5)，其特征在于所述正交雙目視覺系統(tǒng)(1)與所述圖像處理和存儲單元(2)相連，所述圖像處理和存儲單元(2)根據(jù)所述正交雙目視覺系統(tǒng)(1)獲取的視頻圖像分析手指的空間信息，并根據(jù)手指信息從數(shù)字全息圖序列中選取一幅對應(yīng)的全息圖，所述圖像處理和存儲單元(2)的輸出與一個基于電尋址空間光調(diào)制器的光電再現(xiàn)系統(tǒng)(3)的輸入端相連，所述圖像處理和存儲單元(2)將選擇好的數(shù)字全息圖輸出到所述基于電尋址空間光調(diào)制器的光電再現(xiàn)系統(tǒng)(3)上，通過所述電尋址空間光調(diào)制器的光電再現(xiàn)系統(tǒng)(3)重建物體的影像，并將重建的影像投射到一個高速振動的圖像薄膜接收器(4)上，所述菲涅爾透鏡(5)置于觀察者(19)與所述高速振動的圖像薄膜接收器(4)之間，觀察者(19)能透過所述菲涅爾透鏡(5)看到物體的空間三維懸浮虛影像，并可以通過手指移動引導(dǎo)顯示出來的懸浮虛影像，從而實(shí)現(xiàn)全息光電再現(xiàn)虛影像的實(shí)時交互顯示。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全息光電再現(xiàn)虛影像實(shí)時交互顯示裝置，其特征在于所述正交的 雙目視覺系統(tǒng)(1)是兩個正交的攝像機(jī)(15、 16)對準(zhǔn)一個紅外標(biāo)記物(20)，所述紅外標(biāo) 記物(20)佩戴在觀察者(19)的手指(18)上，所述正交的攝像機(jī)(15、 16)用來獲取所述紅 外標(biāo)記物(20)的空間位置圖像，并將獲取到的圖像傳輸?shù)剿鰣D像處理和存儲單元(2) 中。所述兩個攝像機(jī)(15、 16)處于正交的分布狀態(tài)，用于檢測所述手指(18)的三維空間 位置和移動信息。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全息光電再現(xiàn)虛影像實(shí)時交互顯示裝置，其特征在于所述的圖像 處理和存儲單元(2)由一個圖像處理單元和一個大容量的圖像存儲器組成，會根據(jù)所述 正交雙目攝像機(jī)系統(tǒng)(1)傳輸進(jìn)來的紅外標(biāo)記物(20)的空間位置視頻圖像，分析出手指 (18)的空間位置和移動信息。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述全息光電再現(xiàn)虛影像實(shí)時交互顯示裝置，其特征在于所述基于電尋 址空間光調(diào)制器的光電再現(xiàn)系統(tǒng)(3)由一臺激光器(6)、 一個光束擴(kuò)束鏡(7)、 一個會聚 透鏡(S)、 一個孔徑光闌(9)、 一個電尋址空間光調(diào)制器(10)和一個投影透鏡(11)組成， 所述激光器(6)發(fā)出的激光束，經(jīng)過所述擴(kuò)束鏡(7)和會聚透鏡(8)組成的擴(kuò)束準(zhǔn)直器擴(kuò) 束調(diào)整之后，經(jīng)過所述孔徑光闌(9)，射向所述電尋址空間光調(diào)制器(IO)，而且所述圖 像處理和存儲單元(2)將所要輸出的數(shù)字全息圖輸出到所述電尋址空間光調(diào)制器(10)， 則電尋址空間光調(diào)制器(10)輸出的衍射光束經(jīng)所述投影透鏡(11)后投射到所述的高速 振動圖像薄膜接收器(4)上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全息光電再現(xiàn)虛影像實(shí)時交互顯示裝置，其特征在于所述高速振 動圖像薄膜接收器(4)由一個圖像薄膜(21)、 一個固定框架(22)和兩條平行導(dǎo)軌(23)組 成，所述圖像薄膜(21)安裝在所述固定框架(22)上，所述固定框架(22)在所述平行導(dǎo)軌 (23)之上高速來回振動，并帶動所述圖像薄膜(21)也來回地高速振動，以接收不同位置 上的全息光電再現(xiàn)像。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全息光電再現(xiàn)虛影像實(shí)時交互顯示裝置，其特征在于所述觀察者 (19)透過所述菲涅爾透鏡(5)觀看懸浮在空間的一個物體三維虛影像(17)，并通過所述 手指(18)上的所述紅外標(biāo)記物(20)與所述物體三維虛影像(17)進(jìn)行交互。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種全息光電再現(xiàn)虛影像實(shí)時交互顯示裝置。它由正交的雙目視覺系統(tǒng)1、圖像處理和存儲單元2、基于電尋址空間光調(diào)制器的數(shù)字全息光電再現(xiàn)系統(tǒng)3、高速振動的圖像薄膜接收器4和菲涅爾透鏡5組成。由正交的雙目視覺系統(tǒng)捕獲手指的位置和移動信息，圖像處理和存儲單元根據(jù)手指信息從數(shù)字全息圖序列中選擇一幅數(shù)字全息圖傳輸?shù)交陔妼ぶ房臻g光調(diào)制器的光電再現(xiàn)系統(tǒng)上，光電再現(xiàn)系統(tǒng)在空間再現(xiàn)物體的三維影像。再現(xiàn)的影像被投射到高速振動的圖像薄膜接收器上，人們可以通過菲涅爾透鏡觀看到懸浮在空間的物體的三維虛影像，并可以通過手指的移動引導(dǎo)三維虛影像的顯示。
文檔編號G03H1/22GK101561746SQ20091005205
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月26日
發(fā)明者于瀛潔, 張之江, 李雨浪, 濤 王, 鄭華東 申請人:上海大學(xué)