專利名稱：一種智能電視的遠(yuǎn)紅外三維手勢探測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及智能平板電視的遙控領(lǐng)域，尤其涉及一種智能平板電視的遠(yuǎn)紅外三維手勢探測裝置。
背景技術(shù)：
自從大尺寸智能平板電視(SmartTV)面世以來，智能電視的內(nèi)容與應(yīng)用不斷成長，2 4m距離(用戶收看電視節(jié)目的平均距離)的用戶界面操作為所有智能電視廠商無法回避的課題，而適用于遠(yuǎn)距離操作圖型化接口的手勢控制(Gesture Control)及動作感應(yīng)遙控器(Motion-sensing Controller)皆為主流的解決方案。手勢控制免除尋找遙控器之苦，為客廳中最自然的智能電視導(dǎo)覽方式。手勢辨識可分為二維感測及三維感測。二維感測技術(shù)可直接透過相機(jī)的X軸及Y軸影像進(jìn)行手勢判斷，然由于缺乏深度信息，僅能判斷簡單的肢體動作。三維感測亦稱深度感測(D印th sensing)。目前主流三維深度感測可再分為主動式的結(jié)構(gòu)光法(Structured Light),飛行時間法(Time of Flight )及被動式的立體視覺法(Stereo Vision)。結(jié)構(gòu)光法投射近紅外光透過已知樣板至待測物體上，以近紅外相機(jī)擷取影像，再將得到的扭曲影像與原樣版進(jìn)行三角測量(Triangulation)。樣板可由一群無規(guī)則的小斑點組成，每個斑點的形狀各異，以便對照出樣板與扭區(qū)影像中的同一個點來進(jìn)行三角測量，如此便可算得物體深度。這種方法需要一定量的3D影像處理運算。另外樣板的陰影部分信息無法獲得，所以會產(chǎn)生交互影響的問題。飛行時間法則通過相鄰的近紅外發(fā)射器發(fā)出的光線反射到影像傳感器過程中花費的時間來探測手勢深度。每段“飛行時間”由每個像素測量，累積的數(shù)據(jù)實時計算出距離，得到每個手勢的深度信息。飛行時間法在近距離的測量準(zhǔn)確性不高，另外也存在交互影響的問題。被動式的立體視覺法先使用二相對距離固定的彩色相機(jī)同步時擷取相同影像，接著先進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，對應(yīng)二影像的相同點，最后再用三角測量計算每個點的距離。這種方法由于需要對兩個相機(jī)的影像進(jìn)行分析，所以需要的運算量特別大。另外由于采用彩色相機(jī)獲取影像，所以需要對被測的人體有一定的照明，這樣就限制了在較暗室內(nèi)環(huán)境下的使用。以上三種主流的三維手勢控制都采用近紅外或可見光的CMOS或CXD傳感器獲取影像，并從影像中分析提取出手勢的運動，不同之處在于判定手勢深度的方法。這種由近紅外或可見光拍攝的影像，都會受到背景環(huán)境，以及用戶服飾等信息的干擾，不可避免的會出現(xiàn)對手勢的誤判和漏判情況。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有智能平板電視三維手勢探測方式的不足，本發(fā)明的目的是提供一種遠(yuǎn)紅外三維手勢探測裝置，它能快速準(zhǔn)確的探測出手勢的三維運動姿態(tài)，同時給智能電視發(fā)出相應(yīng)的指令，比如影像移動，縮放，旋轉(zhuǎn)，以及三維物體的拉近和推遠(yuǎn)等。本發(fā)明改進(jìn)了原有的被動式立體視覺法，采用兩個相對位置固定的遠(yuǎn)紅外相機(jī)代替普通的彩色相機(jī)，通過對人體的左右兩個遠(yuǎn)紅外影像進(jìn)行分析比對，從而判定人手的運動的三維方位。由于體溫的因素，人體輻射的遠(yuǎn)紅外線可以輕易的被遠(yuǎn)紅外相機(jī)所捕捉。尤其是人手等部位暴露在空氣中，其遠(yuǎn)紅外影像更容易被識別。采用遠(yuǎn)紅外外影像進(jìn)行手勢探測，可以不受背景環(huán)境和人體服飾的影響。如果在客廳中無外界熱源，相機(jī)基本只會看到人體的熱影像。即使客廳中有固定的熱源也可以被分析軟件識別并去除。另外遠(yuǎn)紅外手勢探測時無需環(huán)境照明，在極暗的環(huán)境也可進(jìn)行操作。


圖1是帶遠(yuǎn)紅外三維手勢探測裝置的智能平板電視示意 圖2是遠(yuǎn)紅外三維手勢探測裝置的外形示意 圖3是遠(yuǎn)紅外三維手勢探測裝置的內(nèi)部剖面結(jié)構(gòu)示意 圖4是遠(yuǎn)紅外相機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面示意 圖5是對人體的遠(yuǎn)紅外影像分析示意 圖6是單個手勢平移控制電視顯示物體移動的示意 圖7是兩個手勢平移控制電視顯示物體放大和縮小的示意 圖8是手勢旋轉(zhuǎn)控制電視顯示物體旋轉(zhuǎn)的示意 圖9是手勢前后移動控制電視顯示物體拉近和推遠(yuǎn)的示意 圖10是手勢上下擺動對電視發(fā)出“確定”指令的示意圖。其中附圖標(biāo)記
I為遠(yuǎn)紅外三維手勢探測裝置；
2為智能平板電視；
3為電視底座支架；
4為遠(yuǎn)紅外三維手勢探測裝置的支架；
5為手勢探測裝置的外殼；
6為手勢探測裝置的主電路板；
7為遠(yuǎn)紅外相機(jī)；
8為鍺窗口片；
9為硫系玻璃透鏡；
10為透鏡套筒；
11為非制冷紅外焦平面(IRFPA)探測器；
12為IRFPA探測器的電路板；
13為人體的遠(yuǎn)紅外影像；
14為右手的遠(yuǎn)紅外影像；
15為左手的遠(yuǎn)紅外影像。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例和附圖，對發(fā)明作詳細(xì)說明。但本發(fā)明的實施方式不限于此。附圖中相同標(biāo)記表示相同的部件。為了更好的理解，附圖中所示的部件是示意性表示，它們是按比例繪制的，即該附圖的部件不表示真實尺寸，這些真實尺寸對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說都是公知的，因此這里不做詳細(xì)描述。圖1為帶遠(yuǎn)紅外三維手勢探測裝置的智能平板電視示意圖。遠(yuǎn)紅外三維手勢探測裝置I安置在智能平板電視2的上方中間位置，其中智能平板電視2由底座支架3固定。圖2為遠(yuǎn)紅外三維手勢探測裝置的外形示意圖。手勢探測裝置由支架4與智能電視固定并連接。圖3為遠(yuǎn)紅外三維手勢探測裝置的內(nèi)部剖面結(jié)構(gòu)示意圖。其中兩個遠(yuǎn)紅外相機(jī)7的中心間隔為100_，并與主電路板6連接。主電路板6和遠(yuǎn)紅外相機(jī)7安置在手勢探測裝置外殼5內(nèi)。大尺寸智能平板電視的通常觀看距離為2 4m，在這個距離內(nèi)如果要通過左右兩個影像的比對來計算出手勢的深度，則左右相機(jī)的相對位置要固定，并且觀測方向一致。由于IRFPA探測器的分辨率不高，為了提高手勢深度的探測精度，所以兩個相機(jī)之間要有一定的距離。圖4為遠(yuǎn)紅外相機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面示意圖。其中遠(yuǎn)紅外光學(xué)系統(tǒng)由鍺窗口片8，硫系玻璃透鏡9，透鏡套筒10和非制冷紅外焦平面(IRFPA)探測器11所構(gòu)成。人體所發(fā)射的遠(yuǎn)紅外線波長為iTlOum，本發(fā)明所選用的遠(yuǎn)紅外材料鍺和硫系玻璃在這個波段都可以透過。窗口片8的材料為單晶鍺或多晶鍺，其兩個光學(xué)面鍍有紅外減反膜，厚度為1mm，有效孔徑為2.6_。單晶鍺或多晶鍺相對于其他遠(yuǎn)紅外材料，具有較好的機(jī)械強(qiáng)度和硬度，非常適合做為遠(yuǎn)紅相機(jī)的光學(xué)窗口片。硫系玻璃透鏡9的材料成分為As-Se體系，9um波長下的折射率為1.78，兩個光學(xué)面同樣鍍有減反膜。As-Se體系的硫系玻璃的轉(zhuǎn)變溫度低于200度，所以這種玻璃非常適合于精密模壓。本發(fā)明所采用的硫系玻璃透鏡也是由拋光的球透鏡預(yù)形體直接精密壓型而成，這樣可以大大降低透鏡的加工成本，并提高材料使用率。非制冷紅外焦平面(IRFPA)探測器11的分辨率為320x240，像元間距為32um，由電路板12固定和連接。整個遠(yuǎn)紅外光學(xué)系統(tǒng)的視場角為40度，焦距為5.5mm，像方數(shù)值孔徑(NA)為
0.23。下面參考圖5，對人體的遠(yuǎn)紅外影像分析示意圖。圖中上面兩幅分別為左右相機(jī)拍攝到的人體遠(yuǎn)紅外圖像13。由于遠(yuǎn)紅外影像基本不受背景和人體服飾的影響，所以可以通過對人體影像的分析很容易判定左手和右手的影像，圖中分別為15和14。當(dāng)左右紅外相機(jī)將拍攝到人體影像合成比對，就得到了圖中下面的一幅圖像。通過測量人手的在圖像中的距離，并結(jié)合左右紅外相機(jī)的間距，就可以計算出人手相對于平板電視的距離。下面參考圖6到圖10，為了給智能電視發(fā)出相應(yīng)的手勢指令，比如使物體移動，縮放，旋轉(zhuǎn)，以及對三維物體的拉近和推遠(yuǎn)等，本發(fā)明給出了以下的具體實施例子:
圖6中，當(dāng)單手伸向電視，并在垂直面移動時，屏幕中的物體姿勢不變，并跟隨單手的移動而作二維方向移動；
圖7中，當(dāng)雙手伸向電視，并在垂直面相互靠近或拉遠(yuǎn)時，屏幕中的物體姿勢不變，并跟隨雙手的靠近或拉遠(yuǎn)而被縮小或放大；
圖8中，當(dāng)雙手伸向電視，其中一個手不動，另一個手做旋轉(zhuǎn)運動時，屏幕中的物體跟隨手的旋轉(zhuǎn)方向做相應(yīng)旋轉(zhuǎn)； 圖9中，當(dāng)單手伸向電視，并在水平方向做前后移動時，屏幕中的3維物體跟隨手的前后移動而被推遠(yuǎn)或拉出；
圖10中，當(dāng)單手伸向電視，手掌做下拍連續(xù)兩次下拍動作時，則向智能電視發(fā)出“確定”指令。上述實施例為本發(fā)明的較佳實施方式，但本發(fā)明的實施方式不受所述實施例的限制，任何其他未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所做的改變，修飾，替代，組合，簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種適用于智能平板電視的遠(yuǎn)紅外三維手勢探測裝置，其特征在于，內(nèi)置有兩個相對位置固定的遠(yuǎn)紅外相機(jī)，相機(jī)的工作波長為8 12um，手勢探測裝置通過分析比對兩個相機(jī)拍攝的人體遠(yuǎn)紅外影像，從而判定人手的運動的三維方位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述智能平板電視，其特征在于，遠(yuǎn)紅外手勢3維探測裝置安置于平板電視上方中間位置，并由支架與電視固定并連接。
3.根據(jù)上述權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)紅外相機(jī)，其特征在于，其中相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)由鍺窗口片，硫系玻璃透鏡，透鏡套筒和非制冷紅外焦平面(IRFPA)探測器所構(gòu)成。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一項所述的硫系玻璃透鏡，其特征在于，硫系玻璃材料成分為As-Se體系，透鏡的兩個光學(xué)面都鍍有減反膜，透鏡的成型是由拋光的球透鏡預(yù)形體精密壓而成。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一項所述的手勢探測裝置，其特征在于，分別對左右兩個遠(yuǎn)紅外相機(jī)所拍攝到的人體影像進(jìn)行分析，從而判定左手和右手的影像和在垂直面的2維方位，然后將左右相機(jī)的人體影像合成比對，測量同一人手的在合成影像的距離，并結(jié)合兩個相機(jī)的間距，計算出人手相對于平板電視的距離，即深度信息。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一項所述的手勢探測裝置，其特征在于，手勢的運動可以控制電視內(nèi)所顯示物體的運動。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制方式具體如下:當(dāng)單手伸向電視，并在垂直面移動時，屏幕中的物體姿勢不變，并跟隨單手的移動而作二維方向移動；當(dāng)雙手伸向電視，并在垂直面相互靠近或拉遠(yuǎn)時，屏幕中的物體姿勢不變，并跟隨雙手的靠近或拉遠(yuǎn)而被縮小或放大；當(dāng)雙手伸向電視，其中一個手不動，另一個手做旋轉(zhuǎn)運動時，屏幕中的物體跟隨手的旋轉(zhuǎn)方向做相應(yīng)旋轉(zhuǎn)；當(dāng)單手伸向電視，并在水平方向做前后移動時，屏幕中的3維物體跟隨手的前后移動而被推遠(yuǎn)或拉出；當(dāng)單手伸向電視，手掌做下拍連續(xù)兩次下拍動作時，則向智能電視發(fā)出“確定”指令。
全文摘要
一種遠(yuǎn)紅外三維手勢探測裝置，它能快速準(zhǔn)確的探測出手勢的三維運動姿態(tài)，同時給智能電視發(fā)出相應(yīng)的指令，如移動，縮放，旋轉(zhuǎn)，以及三維物體的拉近和推遠(yuǎn)等。本發(fā)明改進(jìn)了原有的被動式立體視覺法，采用兩個相對位置固定的遠(yuǎn)紅外相機(jī)代替普通的彩色相機(jī)，通過對人體的左右兩個遠(yuǎn)紅外影像進(jìn)行分析比對，從而判定人手的運動的三維方位。由于體溫的因素，人體輻射的遠(yuǎn)紅外線可以輕易的被遠(yuǎn)紅外相機(jī)所捕捉。尤其是人手暴露在空氣中，其遠(yuǎn)紅外影像更容易被識別。采用該方式進(jìn)行手勢探測，不受背景環(huán)境和人體服飾的影響，也無需環(huán)境照明，在極暗的環(huán)境也可操作。
文檔編號H04N21/422GK103152626SQ20131007327
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月8日
發(fā)明者張倩 申請人:蘇州百納思光學(xué)科技有限公司