本發(fā)明涉及三維體感操控領(lǐng)域，特別涉及一種三維體感雙向交互系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)移動智能終端和設(shè)備操控，如手機(jī)、平板電腦、家用電器等，主要采用按鍵或觸控方式進(jìn)行操控，但受限于精度的不足，難以實現(xiàn)精準(zhǔn)定位和復(fù)雜操控，同時操作過程也較為復(fù)雜，難以實現(xiàn)全范圍操控和智能化。隨著3D顯示時代的到來，虛擬現(xiàn)實及增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)正走向使用，原有的鼠標(biāo)、鍵盤操控方式已經(jīng)不適用于進(jìn)行3D現(xiàn)實條件下的人機(jī)交互，體感技術(shù)成為了一種最友好的人機(jī)交互方式，可以公布不同的肢體動作或手勢動作實現(xiàn)人機(jī)交互。體感技術(shù)的出現(xiàn)使得信息的采集更加的全方位，更能準(zhǔn)確的進(jìn)行判斷決策，在娛樂、運(yùn)動、健康醫(yī)療等領(lǐng)域會得到更廣泛的應(yīng)用。體感技術(shù)，在于人們可以很直接地使用肢體動作，與周邊的裝置或環(huán)境互動，而無需使用任何復(fù)雜的控制設(shè)備，便可讓人們身歷其境地與內(nèi)容做互動。

目前已有的體感技術(shù)雖然可以用更為自然的方式實現(xiàn)人機(jī)交互，但是與實體交互設(shè)備相比少了可以感受的裝置，人無法感知機(jī)器的反應(yīng)，交互成為了一種單向控制。例如已公開的專利文獻(xiàn)(公開號為CN103646425A)的中國專利提供了一種體感交互的方法及系統(tǒng)，能 快速有效的實現(xiàn)體感交互。但是其只能實現(xiàn)人對機(jī)器的操控，人體無法感知來自機(jī)器的反應(yīng)，所以人體無法對機(jī)器的反應(yīng)做出判斷從而進(jìn)行進(jìn)一步的操控，導(dǎo)致在實際應(yīng)用過程中出現(xiàn)反應(yīng)不足和操控不到位的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對以上問題，本發(fā)明專利目的在于提供了一種既可以控制機(jī)器又可以感知機(jī)器反應(yīng)的三維體感雙向交互系統(tǒng)和方法。

本發(fā)明提供一種三維體感雙向交互方法，包括人體三維坐標(biāo)獲取步驟和超聲力場生成觸感步驟；其中，

所述人體三維坐標(biāo)獲取步驟包括：

利用第一圖像傳感器和第二圖像傳感器獲取人體姿態(tài)圖像數(shù)據(jù)；

對所述第一圖像傳感器和第二圖像傳感器獲取的人體姿態(tài)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并選擇需要感知的人體目標(biāo)對象；

將所述需要感知的人體目標(biāo)對象進(jìn)行匹配，計算所述人體目標(biāo)對象的視差；

根據(jù)人體目標(biāo)對象的視差確定人體目標(biāo)對象的三維坐標(biāo)；

所述超聲力場生成觸感步驟：

將控制信號經(jīng)過控制系統(tǒng)編碼產(chǎn)生調(diào)制信號；

根據(jù)所述人體目標(biāo)對象的三維坐標(biāo)，調(diào)制超聲換能器驅(qū)動電路功率，產(chǎn)生不同功率的超聲力場，通過超聲力場生成觸感。

進(jìn)一步，本發(fā)明所述計算所述人體目標(biāo)對象的視差包括取出第二圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)，與第一圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，確定人體目標(biāo)對象在第二圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)中的位置，計算人體目標(biāo)對象在第一圖像傳感器和第二圖像傳感器圖像中的視差。

進(jìn)一步，本發(fā)明所述控制系統(tǒng)包括譯碼電路和頻率合成器，其中，

所述譯碼電路用于激活超聲陣列中特定形狀超聲換能器組合，用于控制超聲力場的形狀；

所述頻率合成器用于產(chǎn)生相應(yīng)頻率的激勵信號驅(qū)動超聲換能器以特定的頻率振蕩。

本發(fā)明還提供一種三維體感雙向交互系統(tǒng)，包括人體三維坐標(biāo)獲取模塊和超聲力場生成觸感模塊；其中，

所述體三維坐標(biāo)獲取模塊包括：

圖像數(shù)據(jù)獲取模塊，用于獲取人體姿態(tài)圖像數(shù)據(jù)；

圖像處理模塊，用于將所述人體姿態(tài)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并選擇需要感知的人體目標(biāo)對象；

對象匹配模塊，用于將所述需要感知的人體目標(biāo)對象進(jìn)行匹配；

計算模塊，用于計算所述人體目標(biāo)對象的視差并確定人體目標(biāo)對象的三維坐標(biāo)；

所述超聲力場生成觸感模塊包括：

譯碼電路，用于激活超聲陣列中特定形狀超聲換能器組合，用于控制超聲力場的形狀；

頻率合成器，用于產(chǎn)生相應(yīng)頻率的激勵信號驅(qū)動超聲換能器以特定的頻率振蕩；

觸感產(chǎn)生模塊，用于根據(jù)所述人體目標(biāo)對象的三維坐標(biāo)，調(diào)制超聲換能器驅(qū)動電路功率，產(chǎn)生不同功率的超聲力場，通過超聲力場生成觸感。

進(jìn)一步，本發(fā)明所述圖像數(shù)據(jù)獲取模塊包括第一圖像傳感器和第二圖像傳感器。

附圖說明

以下參照附圖對本發(fā)明實施例作進(jìn)一步說明，其中：

圖1是本發(fā)明三維體感雙向交互方法的人體三維坐標(biāo)獲取流程圖；

圖2是本發(fā)明三維體感雙向交互系統(tǒng)的三維坐標(biāo)提取裝置結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明三維體感雙向交互方法的超聲力場生成觸感流程圖；

圖4是本發(fā)明三維體感雙向交互系統(tǒng)的超聲陣列結(jié)構(gòu)圖；

圖5是本發(fā)明三維體感雙向交互系統(tǒng)的換能器結(jié)構(gòu)圖。

具體實施例

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明提供了一種既可以控制機(jī)器又可以感知機(jī)器反應(yīng)的雙向人機(jī)交互裝置。該裝置由兩個模塊構(gòu)成：(1)基于機(jī)器視覺的人體三維坐標(biāo)獲取系統(tǒng)，可以實時抓取人肢體(主要是手)的實時位置坐標(biāo)；(2)基于超聲波陣列的超聲力場生成觸感系統(tǒng)，對超聲波陣列的輸入信號進(jìn)行編碼可以產(chǎn)生不同形狀不同強(qiáng)度的壓力場，人肢體可以感受力場帶來的觸感，實現(xiàn)人與機(jī)器的雙向交互。

基于機(jī)器視覺的人體三維坐標(biāo)獲取模塊實時抓取肢體三維坐標(biāo)，該模塊基于雙目視覺原理，除平面信息外可以計算深度信息，從而實現(xiàn)對對象的三維信息提取。請參閱圖1是本發(fā)明三維體感雙向交互方法的人體三維坐標(biāo)獲取流程圖，主要步驟包括：(a)圖像數(shù)據(jù)輸入，將圖像傳感器1和圖像傳感器2的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過圖像處理器進(jìn)行編碼，變成視頻流信號輸入到處理機(jī)；(b)對象選擇，取出圖像傳感器1的視頻流信號，根據(jù)需求將背景剔除，選擇需要感知的對象；(c)目標(biāo)匹配，取出圖像傳感器2的視頻流信號，與圖像傳感器1的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，確定對象在圖像傳感器2中的位置，計算該對象在圖像傳感器1和圖像傳感器2中的視差；(d)深度計算：根據(jù)對象在圖像傳感器1和圖像傳感器2中的視差計算深度信息；(e)三維坐標(biāo)計算：根據(jù)對象在圖像傳感器1中的相對位置計算另外兩維坐標(biāo)。

三維坐標(biāo)提取裝置為基于雙目視覺的三維位置傳感系統(tǒng)。請參閱圖2是本發(fā)明三維體感雙向交互系統(tǒng)的三維坐標(biāo)提取裝置結(jié)構(gòu)圖，同一物體在兩個攝像頭(攝像頭1和攝像頭2，即為圖像傳感器1和圖像傳感器2)上成像在水平位置上存在視差，距圖像右邊緣距離分別 為d1和d2。那么Z方向高度h可以通過如下公式計算：

其中，f為鏡頭焦距，T為鏡頭間距。X，Y方向的位置可以通過物體在圖片中的相對位置等比例換算，那么物體在X，Y，Z方向上的坐標(biāo)分別可以確定。根據(jù)Z方向坐標(biāo)h，通過處理機(jī)計算超聲陣列驅(qū)動脈沖幅度。

超聲力場生成觸感模塊實現(xiàn)對超聲波力場強(qiáng)度、形狀的控制，請參閱圖3是本發(fā)明三維體感雙向交互方法的超聲力場生成觸感流程圖，主要步驟包括：(a)將上位機(jī)控制信號經(jīng)過控制系統(tǒng)編碼產(chǎn)生調(diào)制信號，主要包括譯碼電路和頻率合成器，譯碼電路用于激活超聲陣列中特定形狀超聲換能器組合，用于控制超聲力場的形狀，頻率合成器用于產(chǎn)生相應(yīng)頻率的激勵信號驅(qū)動超聲換能器以特定的頻率振蕩；(b)根據(jù)獲取的三維坐標(biāo)信號，調(diào)制超聲換能器驅(qū)動電路功率，用于產(chǎn)生不同功率的超聲力場，從而通過超聲力場生成觸感。

請參閱圖4是本發(fā)明三維體感雙向交互系統(tǒng)的超聲陣列結(jié)構(gòu)圖，通過對陣列中單個換能器選擇開關(guān)可以形成不同形狀的超聲陣列，請參閱圖5是本發(fā)明三維體感雙向交互系統(tǒng)的換能器結(jié)構(gòu)圖，通過對換能器的開關(guān)進(jìn)行控制從而形成不同形狀的超聲換能器陣列形狀，產(chǎn)生不同形狀的超聲力場；通過對單個換能器輸入信號調(diào)制頻率和振幅可以調(diào)節(jié)超聲波的強(qiáng)度和頻率。超聲陣列控制信號由圖2中的處理機(jī)計算得出，控制信號對驅(qū)動器信號進(jìn)行調(diào)制，從而得到不同形狀不同強(qiáng)度的超聲力場。

以上所述本發(fā)明的具體實施方式，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護(hù)范圍的 限定。任何根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思所做出的各種其他相應(yīng)的改變與變形，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。