虛擬成像動態(tài)演示系統(tǒng)

陳培宏， 梁佩瑩， 曹 輝， 葉嘉權(quán)， 羅夢嬋

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 光信息工程系，廣東 佛山 528000)

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·專題研討——虛擬仿真實(shí)驗(yàn)(36)·

虛擬成像動態(tài)演示系統(tǒng)

陳培宏， 梁佩瑩， 曹 輝， 葉嘉權(quán)， 羅夢嬋

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 光信息工程系，廣東 佛山 528000)

通過LabVIEW程序自動實(shí)現(xiàn)對物體的原始圖像采集、圖像處理、視頻投影源制作，并通過投影屏幕將投影數(shù)據(jù)源投射到金字塔投影膜中，實(shí)現(xiàn)物體的虛擬成像功能，通過手勢控制平臺對虛擬像進(jìn)行轉(zhuǎn)動控制，使系統(tǒng)擁有較高的人機(jī)交互性和可操控性。由于系統(tǒng)是由LabVIEW程序完成所有功能，無需人工操作，大大提高了系統(tǒng)的效率；同時系統(tǒng)采用單一攝像頭完成投影圖像的采集，具有造價(jià)低、性價(jià)比高、成像效果好的優(yōu)點(diǎn)?？蓱?yīng)用于產(chǎn)品展示、影視播放、游戲動畫人物制作等領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣泛。

虛擬成像； 動態(tài)演示； 手勢控制

0 引 言

虛擬成像技術(shù)是將實(shí)際物體的虛擬像呈現(xiàn)在由金字塔投影膜組成的成像系統(tǒng)中，三維立體圖像比傳統(tǒng)的平面圖像更加逼真，能夠給人帶來不同的視覺感受，能夠拉近我們與實(shí)際物體間的距離，營造一個亦真亦幻的顯示氛圍[1]。虛擬成像技術(shù)廣泛運(yùn)用于產(chǎn)品展示、影視演出、游戲動畫制作等領(lǐng)域，其獨(dú)特逼真的顯示效果能夠給各個應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展起到一定的推動作用[2]。傳統(tǒng)的虛擬成像系統(tǒng)是需要先對物體進(jìn)行360°外觀圖像采集，然后由人工完成視頻投影源的制作，最后將制作好的投影數(shù)據(jù)源通過顯示屏幕進(jìn)行投影。這一繁雜的人工制作過程造成時間和人工成本浪費(fèi)，無法實(shí)現(xiàn)對物體的快速成像，同時由于缺少系統(tǒng)的人機(jī)交互功能，使系統(tǒng)缺少人機(jī)交互性，降低系統(tǒng)的市場價(jià)值[3-4]。本系統(tǒng)通過單一攝像頭對物體進(jìn)行原始圖像采集，并通過LabVIEW軟件進(jìn)行圖像處理和投影數(shù)據(jù)源的制作，達(dá)到一體化虛擬成像的效果，并設(shè)計(jì)出手勢控制平臺，通過手勢控制平臺對虛擬成像進(jìn)行轉(zhuǎn)動控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)交互性和可操控性。

1 系統(tǒng)原理

虛擬成像動態(tài)演示系統(tǒng)是通過對物體進(jìn)行360°外觀圖像采集，并通過計(jì)算機(jī)自動實(shí)現(xiàn)圖像處理和投影視頻數(shù)據(jù)的制作，通過投影屏幕將投影數(shù)據(jù)投射到金字塔投影膜中，從而在金字塔投影膜中實(shí)現(xiàn)虛擬成像，并通過手勢控制平臺，對虛擬像進(jìn)行轉(zhuǎn)動控制，從而實(shí)現(xiàn)虛擬成像動態(tài)演示功能。

1.1 虛擬成像原理

虛擬成像技術(shù)是光學(xué)成像技術(shù)中的一種，是一種利用鏡面反射原理將物體的三維畫面呈現(xiàn)在投影膜中的成像技術(shù)。虛擬成像技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)畫面的空間感，增加用戶體驗(yàn)。與我們觀看3D電影不同，虛擬成像技術(shù)不需要佩戴偏光眼鏡，就可以觀看到物體的三維畫面，讓我們更加真切地感受到三維成像效果[5-6]。

虛擬成像技術(shù)是通過投影屏幕和金字塔投影膜來實(shí)現(xiàn)成像的，投影屏幕放置在金字塔投影膜的正上方，同時金字塔投影膜的塔尖剛好與投影視頻源的中心對稱點(diǎn)相重合，并且使金字塔投影膜的四個底邊剛好與投影屏幕的四個邊相平行，用投影屏幕將投影數(shù)據(jù)源投射到金字塔投影膜中，我們能夠在金字塔投影膜中看到物體的虛擬像[7]。

1.2 投影數(shù)據(jù)源制作原理

我們將物體放置在由步進(jìn)電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)的平臺上，并通過攝像頭與步進(jìn)電機(jī)協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動0.9°攝像頭拍攝一張圖片的功能，當(dāng)完成360°的旋轉(zhuǎn)時，攝像頭剛好采集到400張圖片，同時這400張圖片就包含被測物體360°外觀信息。步進(jìn)電機(jī)相對攝像頭向左轉(zhuǎn)動，由于400張圖片代表了物體360°的外觀信息，則每間隔100張圖片，就相當(dāng)于拍攝角度間隔90°，所以我們利用單一攝像頭采集到的400張圖片可以轉(zhuǎn)化成不同拍攝角度下的物體的圖像序列。采集到的第1張圖片對應(yīng)0°拍攝角度下的采集圖像，則第101張圖片則對應(yīng)90°拍攝角度下的采集圖像，第201張圖片則對應(yīng)180°拍攝角度下的采集圖像，第301張圖片則對應(yīng)270°拍攝角度下的采集圖像。單一攝像頭實(shí)現(xiàn)四角度拍攝示意圖如圖1所示。從而第1張到第400張、第101張到第400張和第1張到第100張、第201張到第400張和第1張到第200張、第301張到第400張和第1張到第300張這四個圖像序列實(shí)際上相當(dāng)于四個攝像頭分別從0°、90°、180°、270°四個拍攝角度對被測物體進(jìn)行拍攝得到的序列圖像。我們將劃分出來的四組序列圖像按照拍攝角度的角度間隔依次分布在投影屏幕中的相應(yīng)位置，并且呈現(xiàn)中心對稱，從而實(shí)現(xiàn)投影數(shù)據(jù)源的制作。

圖1 單一攝像頭實(shí)現(xiàn)四角度拍攝示意圖

1.3 手勢控制原理

系統(tǒng)的手勢控制功能模塊是通過手勢控制平臺和輔助光源來實(shí)現(xiàn)功能的，手勢控制平臺由三個光敏探測模塊組成，輔助光源架設(shè)在手勢控制平臺的正上方，當(dāng)操作者的手不在光敏探測模塊上方時，輔助光源提供的光照的亮度超過光敏探測模塊的亮度閾值，當(dāng)操作者的手在光敏探測模塊上方時，輔助光源提供的光被操作者的手擋住，從而進(jìn)入光敏探測模塊的光照的亮度沒有超過光敏探測模塊的亮度閾值，可以根據(jù)光敏探測模塊的輸出信號來判斷出操作者的手是否在該光敏探測模塊的上方，還可根據(jù)三個互相間隔15 cm的光敏探測模塊的信號輸出，得到操作者的手在每一個光敏探測模塊上方的時間，從而根據(jù)這個時間先后順序來得到操作者的手的滑動方向。根據(jù)操作者的手的滑動方向來控制投影屏幕的圖像播放順序，當(dāng)探測到操作者的手是向左滑動時，圖像播放順序是以當(dāng)前播放的圖像為基準(zhǔn)，并根據(jù)實(shí)現(xiàn)虛擬像向左轉(zhuǎn)動所需要的圖像播放順序來進(jìn)行圖像播放的順序調(diào)整，從而達(dá)到虛擬像向左轉(zhuǎn)動的目的；當(dāng)探測到操作者的手是向右滑動時，圖像播放順序是以當(dāng)前播放的圖像為基準(zhǔn)，并根據(jù)實(shí)現(xiàn)虛擬像向右轉(zhuǎn)動所需要的圖像播放順序來進(jìn)行圖像播放的順序調(diào)整，從而達(dá)到虛擬像向右轉(zhuǎn)動的目的。當(dāng)手在三個光敏探測模塊的某一個上方停留的時間超過設(shè)定的閾值時間時，啟動暫停轉(zhuǎn)動命令，從而使投影屏幕在當(dāng)前播放界面下進(jìn)行暫停操作，等到手離開光敏探測模塊上方時再繼續(xù)播放圖片，從而實(shí)現(xiàn)靜止觀看[8]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是由原始圖像采集功能模塊、投影源制作功能模塊、虛擬成像功能模塊和手勢控制功能模塊組成。原始圖像采集功能模塊是通過圖像采集裝置對物體進(jìn)行圖像采集，并將采集到的圖像進(jìn)行隊(duì)列保存。投影源制作功能模塊是將采集到的圖像進(jìn)行圖像濾波、角度旋轉(zhuǎn)、圖像顯示位置調(diào)整等一系列操作，最終實(shí)現(xiàn)投影源的制作。虛擬成像功能模塊是由投影屏幕和金字塔投影膜組成，通過投影屏幕將投影源投射到金字塔投影膜中，從而在金字塔投影膜中呈現(xiàn)虛擬像[9]。手勢控制功能模塊是通過光敏探測模塊與輔助光源相配合，從而探測出操作者的手是否在光敏探測模塊的上方，并根據(jù)操作者的手在三個光敏探測模塊上方的時間，來判斷操控者的手的滑動方向，從而根據(jù)操作者的手的滑動方向來對投影源的播放順序進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)虛擬像的轉(zhuǎn)動控制[10]。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 圖像采集裝置設(shè)計(jì)

圖像采集裝置是由攝像頭、步進(jìn)電機(jī)、平臺、背景屏幕、輔助光源等組成的。步進(jìn)電機(jī)與平臺相連，通過步進(jìn)電機(jī)帶動平臺水平旋轉(zhuǎn)，從而放置在平臺上的物體也隨之旋轉(zhuǎn)，攝像頭放置在圖像采集裝置的正前方，步進(jìn)電機(jī)每旋轉(zhuǎn)0.9°，攝像頭采集一張圖像，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動400個0.9°時，物體剛好旋轉(zhuǎn)360°，攝像頭采集到的400張圖片剛好包含實(shí)際物體的360°外觀信息[11]。圖像采集裝置外觀圖如圖3所示、圖像采集裝置內(nèi)部圖如圖4所示。

圖3 圖像采集裝置外觀圖

3.2 投影系統(tǒng)設(shè)計(jì)

投影系統(tǒng)是由投影屏幕和金字塔投影膜組成，投影屏幕倒放在金字塔投影膜上方，將投影視頻源投射到金字塔投影膜中。金字塔投影膜是由頂角為70.5°的四個相同等腰三角形構(gòu)成，將這四個相同的等腰三角形進(jìn)行拼接，實(shí)現(xiàn)金字塔構(gòu)造。將金字塔投影膜的四個底邊分別與投影屏幕的四個邊平行，并使金字塔投影膜的塔尖與投影屏幕的中心點(diǎn)相對應(yīng)，并調(diào)節(jié)好金字塔投影膜塔尖到投影屏幕之間的距離，實(shí)現(xiàn)最佳的投影效果[12]。投影系統(tǒng)實(shí)物圖如圖5所示。

圖4 圖像采集裝置內(nèi)部圖

圖5 投影系統(tǒng)實(shí)物圖

3.3 手勢控制平臺設(shè)計(jì)

手勢控制平臺是由三個光敏探測模塊和輔助光源組成的。輔助光源放置在光敏探測模塊的正上方，輔助光源將光投射到手勢控制平臺上，手勢控制平臺上的光敏探測模塊根據(jù)接收到的光照亮度是否超過亮度閾值，來進(jìn)行相應(yīng)的信號輸出。通過調(diào)節(jié)，使光照投射到手勢控制平臺上時，光的亮度剛好超過光敏探測模塊的閾值，當(dāng)我們用手在手勢控制平臺上方擋住光線時，進(jìn)入光敏探測模塊的光的亮度在閾值之下，所以我們可以根據(jù)光敏探測模塊的輸出信號來判斷操作人員的手是否在光敏探測模塊的上方。通過對三個光敏探測模塊進(jìn)行排序，從而得出操作人員的手在手勢控制平臺上的滑動方向，并根據(jù)手的滑動方向?qū)μ摂M像進(jìn)行轉(zhuǎn)動控制[13]。手勢控制平臺實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 手勢控制平臺實(shí)物圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是基于LabVIEW軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的，LabVIEW是一款圖形化的編程軟件，擁有高效的數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算功能，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)所需要的圖像采集、圖像處理、手勢控制等要求[14]。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是先對系統(tǒng)各個功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)試，并將所有的功能模塊進(jìn)行整合調(diào)試，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。

4.1 原始圖像采集

將被測物體放在旋轉(zhuǎn)平臺上，步進(jìn)電機(jī)每旋轉(zhuǎn)0.9°后攝像頭采集一張圖片，直到步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)了400個0.9°，則整個系統(tǒng)完成原始圖像的采集[15]。采集的400張圖片保存在事先選定好的文件夾中，每張圖片的保存名稱從0開始，依次遞增。原始圖像采集及隊(duì)列保存程序框圖如圖7所示。

圖7 原始圖像采集及隊(duì)列保存程序框圖

4.2 圖像角度轉(zhuǎn)換

由于投影視頻源所需要的圖像是物體四個擺放角度下的圖像，所以需要對采集到的400張?jiān)紙D像進(jìn)行角度轉(zhuǎn)換，由于我們采集到的圖像中物體的擺放角度為0°，所以我們需要將原始圖像分別轉(zhuǎn)換成90°、180°、270°的圖像。首先我們從保存原始圖像的文件夾里面找出第一張圖片，并對這張圖片進(jìn)行90°的旋轉(zhuǎn)，接著將該文件夾內(nèi)的其他圖片同樣進(jìn)行90°的旋轉(zhuǎn)，并將所有旋轉(zhuǎn)了90°的圖片保存在指定的文件夾中；同理將原始圖像轉(zhuǎn)換成180°和270°的圖像，并將這兩組經(jīng)過角度轉(zhuǎn)換的圖像分別保存在相應(yīng)的文件夾中，供下一步操作進(jìn)行調(diào)用[16]。圖像角度轉(zhuǎn)換程序框圖如圖8所示。

4.3 投影畫面調(diào)整

通過物體的四個拍攝角度下的圖像進(jìn)行拼接，并調(diào)整每個圖像中物體的擺放角度來實(shí)現(xiàn)投影數(shù)據(jù)源的制作。四個投影畫面在投影屏幕中是中心對稱的，從而與金字塔投影膜的四個面相對應(yīng)，使投影到金字塔投影膜的投影數(shù)據(jù)能夠在投影膜中形成虛擬像。我們通過調(diào)整每個畫面在顯示屏幕中的位置來實(shí)現(xiàn)四個顯示畫面的中心對稱。

4.4 手勢控制平臺程序設(shè)計(jì)

手勢控制平臺是利用三個光敏探測模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)的，我們通過探測光敏探測模塊的輸出數(shù)據(jù)來對當(dāng)前操作者的手是否在光敏探測模塊的上方進(jìn)行判斷，并結(jié)合三個光敏探測模塊的輸出數(shù)據(jù)，對操作者的手出現(xiàn)在三個光敏探測模塊上方的時間先后順序進(jìn)行探測，從而根據(jù)手出現(xiàn)在每個光敏探測模塊上方的時間先后順序來判斷出手的滑動方向，從而根據(jù)操作者手的滑動方向來進(jìn)行下一步操作[17-18]。手勢控制平臺程序框圖如圖9所示。

圖9 手勢控制平臺程序框圖

4.5 圖像轉(zhuǎn)動播放程序

當(dāng)要對虛擬像進(jìn)行轉(zhuǎn)動時，我們要相應(yīng)地改變每個拍攝角度下的物體的圖像的播放順序，當(dāng)虛擬像的轉(zhuǎn)動順序向右時，每一個角度下的物體的播放順序都是向左的；當(dāng)虛擬像的轉(zhuǎn)動順序向左時，每一個角度下的物體的播放順序都是向右的。每一個角度下，播放順序是按照往后遞增或者往前遞減來進(jìn)行循環(huán)播放的，當(dāng)改變轉(zhuǎn)動方向時，播放的圖像要根據(jù)之前播放到的圖片的張數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，從而實(shí)現(xiàn)在原來基礎(chǔ)上進(jìn)行方向的改變。圖像轉(zhuǎn)動控制程序框圖如圖10所示，投影屏幕界面圖如圖11所示。

圖11 投影屏幕界面圖

5 系統(tǒng)整合調(diào)試

通過將系統(tǒng)各個功能模塊進(jìn)行整合調(diào)試，系統(tǒng)能夠自動完成圖像采集、圖像處理，并自動完成投影數(shù)據(jù)源的制作，同時通過投影屏幕將投影數(shù)據(jù)源投射到金字塔投影膜中進(jìn)行虛擬成像，并通過手勢控制平臺實(shí)現(xiàn)虛擬像的轉(zhuǎn)動控制。系統(tǒng)成像效果好、手勢控制穩(wěn)定高效。系統(tǒng)成像效果圖如圖12所示、系統(tǒng)手勢控制效果圖如圖13所示。

6 結(jié) 語

本系統(tǒng)是利用LabVIEW程序?qū)ξ矬w進(jìn)行原始圖像采集、圖像處理、投影視頻源制作、投影數(shù)據(jù)源播放控制、手勢控制平臺控制等操作，從而實(shí)現(xiàn)物體的虛擬成像動態(tài)演示功能。系統(tǒng)可以對物體進(jìn)行一體化成像，避免了由于原始圖像的人工采集和投影視頻源的人工制作所造成的人工成本和時間成本的浪費(fèi)，大大提高了系統(tǒng)的效率，并通過手勢控制平臺實(shí)現(xiàn)虛擬像的轉(zhuǎn)動控制，提高了系統(tǒng)的人機(jī)交互性和可操控性，系統(tǒng)使用單一攝像頭實(shí)現(xiàn)投影視頻源的圖像采集，避免了由于使用多攝像頭圖像采集所帶來的設(shè)備浪費(fèi)，系統(tǒng)制作成本低、性價(jià)比高。系統(tǒng)可以用于產(chǎn)品展示、影視播放、游戲動漫人物制作等領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣泛。

圖12 系統(tǒng)成像效果圖

(a)手勢控制前(b)手向左滑動時(c)手向右滑動時

圖13 系統(tǒng)手勢控制效果圖

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Dynamic Demonstration System by Virtual Imaging

CHENPei-hong，LIANGPei-ying,CAOHui,YEJia-quan,LUOMeng-chan

(Department of Photoelectric Information and Engineering，F(xiàn)oshan University, Foshan 528000， China)

A LabVIEW based system which has the functionality of image acquisition and image processing is discussed. It also has the ability of video source producing, and projects the video source to pyramid projection film via projection screen so that virtual imagination could be realized. The whole system is implemented by using LabVIEW platform, and it is fully automated. i.e., no manual judgment or operation in the whole process, This much decreases the process cost that contains human resource cost and time cost which are mostly caused in image acquisition and video source producing stages, and it also increases the system efficiency greatly. Due to the fact that this system uses single camera to acquire images, it also saves the cost than a multi-camera system. So in overall, the system designed has the advantage of low cost, high performance and very good imagination, it could be widely adopted in many application areas such as product exhibition, video re-playing, gaming animation etc.

virtual imaging; dynamic presentation; gesture control

2015-09-17

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61275214);2015年度廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)資金項(xiàng)目;2014年度國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201411847004);廣東省公益研究與能力建設(shè)專項(xiàng)資金項(xiàng)目

陳培宏(1993-)，男，廣東潮州人，本科生，主要研究方向?yàn)楣怆娦畔⑻幚砑夹g(shù)。

梁佩瑩(1975-)，女，廣東佛山人，講師，主要研究方向?yàn)楣庑畔⑻幚?，光學(xué)檢測與傳感器。

Tel.：0757-83961169；E-mail：13450809109@163.com

TP 391.98

A

1006-7167(2016)08-0085-06