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CN104024936A - 投影捕获系统，程序和方法 - Google Patents

投影捕获系统，程序和方法 Download PDF

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CN104024936A
CN104024936A CN201180072717.1A CN201180072717A CN104024936A CN 104024936 A CN104024936 A CN 104024936A CN 201180072717 A CN201180072717 A CN 201180072717A CN 104024936 A CN104024936 A CN 104024936A
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Abstract

在一个示例中，一种投影捕获系统包括：控制器；操作地连接到控制器的工作空间相机，用于在工作空间中捕获对象的静态图像和视频图像；以及操作地连接到控制器的投影仪。控制器配置成控制工作空间相机和投影仪，用于在工作空间中捕获真实对象的图像并且将对象图像投影到工作空间中。在另一个示例中，一种工作空间协作方法包括：在第一工作空间中捕获真实对象的数字图像；将对象图像同时投影到包括第一工作空间的多个工作空间中；当对象图像正在工作空间之一中被改变时，捕获改变的对象图像的数字图像；以及将改变的对象图像同时投影到包括第一工作空间的多个工作空间中。

Description

投影捕获系统,程序和方法
背景技术
已经开发出了多种类型的混合现实系统以产生新的环境，其中，真实和虚拟对象在相同的地方同时存在并实时交互。另外也已经开发出了虚拟白板和其他类型的远程协作系统以使远程用户能够在多地同时共享和操纵作信息。
附图说明
图1A和1B是示出了新投影捕获系统的一个示例的透视外部图。在图1A中，已经捕获和显示了二维对象(硬拷贝照片(hardcopy photograph))的图像。在图1B中，已经捕获和显示了三维对象(立方体)的图像。
图2是示出了新投影捕获系统的一个示例的透视内部图。
图3是图2所示投影捕获系统的框图。
图4是示出了图2和3所示系统中的用户输入装置的一个示例的框图。
图5和图6分别是示出了图2和3所示投影捕获系统中的相机和投影仪的位置的侧视图和正视图。
图7-11是示出投影捕获系统中投影仪和相机的不同位置的侧视图的进展，说明了与将眩光点(glare spot)移出相机捕获区域相关联的一些问题。
图12和13示出了图2和3所示投影捕获系统中的相机的一个示例。
图14示出了图2和图3所示投影捕获系统中的投影仪的一个示例。
图15和16示出了图2和图3所示投影捕获系统中的用户输入装置的一个示例。
图17-19是示出了新便携式投影捕获装置的一个示例的透视图。
图20-22示出了使用带有其他装置的投影捕获系统的三个示例方案。
图23是示出了包括对象识别和音频/视频远程会议功能的新投影捕获装置的一个示例的框图。
图24是示出了在协作环境中实现投影捕获装置(诸如图23中所示的投影捕获装置)的一个示例架构的框图。
图25是示出了用于实现在其中把真实和虚拟对象当作视觉上可互换的逻辑层的分层技术的控制器的一个示例的框图。
图26表示在其中真实棋子位于投影到工作表面上的虚拟棋盘上的投影捕获系统。
图27示出了图26的系统中真实和虚拟对象的Z轴分层的一个示例。
图28是示出了用于实现在其中把真实和虚拟对象当作视觉上可互换的逻辑层的分层技术的一个示例方法的流程图。
贯穿所有附图，相同的附图标记代表相同或相似的部分。
具体实施方式
附图中所示和下面所述的示例并不限制在本说明书之后的权利要求中限定的发明。
已开发出了一种新投影捕获系统，以改善在物理工作表面上处理投影对象和真实对象的交互式用户体验，并改善多个远程用户之间的虚拟协作。例如，该新系统可以在普通工作表面上配置一个或多个独立的便携式装置中实现。将数字相机，投影仪和控制程序一起收纳在桌面单元中，该桌面单元实现投影增大的虚拟现实，在其中，能在多个远程用户之间同时操纵和共享真实以及投影/虚拟的对象。几乎在任何地点任何时间都能配置这样的便携式装置，以便跨越比较便宜的平台进行交互协作，该平台不仅适于较大型企业化商务环境而且适于小型商业甚至个人消费者。
正如本文中所使用的那样，“真实”对象意味着不是作为图像显示，投影或者以其他方式表现出的对象；“虚拟”对象意味着是作为图像显示，投影或者以其他方式表现出的对象。
将首先参考图1-19来描述新投影捕获系统和便携式投影捕获装置的示例。然后，将参考图20-28来描述该新投影捕获系统和装置在协作环境下的实现方式的示例。
投影捕获系统和装置
图1A和1B是透视外部图，示出了新投影捕获系统10和与系统10关联的交互工作空间12的一个示例。图2是透视图，示出了外部壳体13被移除的投影捕获系统10的一个示例。图3是图2所示系统10的框图。参考图1A，1B，2和3，投影捕获系统10包括数字相机14，投影仪16和控制器18。相机14和投影仪16可操作地连接到控制器18，以便相机14捕获在工作空间12中的对象20的图像，投影仪16把对象图像22投影到工作空间12，以及在一些示例中，相机14捕获被投影的对象图像22的图像。壳体13的下部包括位于投影仪16(和红外相机30)上方的透明窗21。
图1A所示的示例中，由相机14拍摄(图2)放置到工作空间12中的工作表面24上的二维对象20(硬拷贝照片)，对象20被移出到工作空间12的侧边，对象被图像22投影到工作表面24上，在那里对象图像22能被相机14拍摄到(图2)和/或由用户以其他方式操纵，然后再投影到工作空间12中。图1B所示的示例中，将被放置到工作表面24上的三维对象20(立方体)已经被相机14拍摄(图2)，对象20被移出到工作空间12的侧边，对象图像22被投影到工作空间12中，在那里对象图像22能被相机14拍摄到和/或由用户以其他方式操纵，然后再投影到工作空间12中。
在系统10的一个示例实现方式中，对控制器18进行编程，将投影仪16配置成当对象20的图像被相机14捕获时，把对象图像22投影到在工作空间24中的与对象20d位置相同的位置。因此，能将对象20的一比一比例的数字复制件22投影到原件的上方，允许本地用户或在相同投影工作空间12中协作的多个远程用户，如其所愿地对数字复制件在其位置处进行操纵，移动和采用其他方式进行修改。也能将投影图像从原件处移开，允许用户在相同的工作空间12中一起处理原件和复制件。
系统10还包括用户输入装置26，其允许用户与系统10进行交互。用户可以通过输入装置26与工作空间12中的对象20和/或对象图像22进行交互，在远程系统10(未示出)上把对象图像22传送到其他工作空间12以便协作用户的交互，并且，如果需要的话，相机14可拍摄对象图像22，并且再投影所述对象图像22到本地和/或远程工作空间12中以便进一步的用户交互。图1A中，工作表面24是桌面或其他下面的支撑结构23的一部分。在图1B中，工作表面24在可以包括触摸敏感区域的便携式垫板(mat)25上。例如，在图1A中，用户控制面板27被投影到工作表面24上，而在图1B中，控制面板27被嵌入到垫板25的触摸敏感区域。相似地，A4，信纸或其他标准尺寸的文件放置区域29，在图1A中可以被投影到工作表面24上，或在图1B中被印在垫板25上。当然，工作表面24的其他配置也是可以的。例如，可能令人期望的是：在一些应用中，系统10使用另外形式的空白垫板25来控制工作表面24的颜色，纹理或其他特性；并且因此，可以将控制面板27和文件放置区域29投影到图1B中的空白垫板25上，就和将它们投影到图1A中的桌面23上一样。
图4所示的示例中，用户输入装置26包括红外数字笔28(infrared digitalstylus)和用于在工作空间12中检测所述笔28的红外相机30。尽管可以使用任何适合的用户输入装置，但是数字笔具有无须感应平板或其他特殊的表面，而允许在三维空间中(包括沿着工作表面24)输入的优点。因此，系统10能够在更多种类的工作表面24上使用。另外，工作表面24的通常水平方向使它对于许多普通任务而言是有用的。在工作表面24上使用传统的书写设备的能力优于垂直或移动的计算界面。在工作桌面上投影交互的显示把在真实桌面上可以存在的标准对象与计算任务相混合，因此实体对象能够与投影的对象同时存在。如此，使用真实书写设备及其数字对应物(如，笔28)的舒适度是一种有效的使用模型。三维无平板的数字笔实现在实体对象的顶部或旁边的注释，而不用让感测平板以在工作表面24上使用传统设备的方式处理。
在系统10的一个示例实现方式中，投影仪16用作相机14的光源。相机捕获区域32(图12)和投影仪显示区域34(图14)在工作表面24上重叠。因此，使用既用于投影图像和又用于相机照明的投影仪16可以获得相当高的操作效率。应当相对于相机14来定位从投影仪16穿过工作空间12到达工作表面24的光路，以使用户显示能够与最小阴影遮挡互动，同时避免了工作表面24和工作空间12中的对象所发出的否则会使相机14致盲的镜面眩光。下面描述的系统配置避免会源于传统相机照明几何结构产生的眩光引起的伪像，同时还为工作空间12中二维和三维对象的正确照明和投影所需的投影仪光路保持有足够陡的入射角。
理想地，会以工作表面24之上无限的高度在工作空间12的上方直接安装投影仪16来确保平行光线。当然这种配置是不现实的。即使将投影仪16向下移动到工作表面24之上的现实高度(但是仍直线向下对准)，高光或半高光表面会将投影仪的光反射出，对象直线返回到相机14，产生致盲的镜面眩光。因此，必须将眩光点移出相机捕获区域32。(镜面眩光是指从镜面反射的眩光，其中入射光线的入射角和反射光线的反射角相等，并且入射，反射和法线方向在同一平面。)
为了实现镜面眩光这一问题的商业上合理的解决方案，如图5和6所示，将相机14和投影仪16从捕获和显示区域32，34的中心转移开，投影仪16位于下部接近底座36；将折叠镜(fold mirror)38引入投影仪光路中，以模拟高于工作表面24之上的投影仪位置。图5和6中假想线示的投影仪16的模拟位置和镜子38之上对应的光路。然而，在更详细地描述图5和6所示的配置之前，意识到与将眩光点移出相机捕获区域32的其他可能的配置相关联的问题是有有帮助的。
图7中，相机14位于捕获区域32的中心，顶置投影仪16稍微离开中心，以便相机14不会阻挡投影仪光路。在图7的配置中，镜面眩光点39(在入射光线41和反射光线43的交叉处)落入捕获区域32内，因此，将使得相机14对于在捕获区域32中的一些对象和图像致盲。此外，对于图7所示的配置(相机14和投影仪16都处在高于基座的上方)，系统10会头重脚轻，因此，不适合商业产品的实现方式。如图8所示，如果投影仪16处于相对于侧边以将眩光点39移出相机捕获区域32所需的距离，则所需的对应投影仪镜头偏移量会无法实现。此外，图8所示系统10的配置的任何产品实现方式的宽度会不合需要并且头重脚轻。
如图9所示，在捕获区域32上方移动相机14离开中心，使得投影仪16靠近，以使系统不那么宽，但是投影仪镜头偏移量仍太大，并且所述产品仍头重脚轻。如图10所示的配置中，
投影仪16被抬升到一高度，使得对于可接受的镜头偏移量，它可以足够接近的靠近，但是当然，此时产品太高而且头重脚轻。最令人期望的解决方案是图5和11所示的投影仪16的“折叠”光路，其中，使用折叠镜38来模拟图10的“高且紧凑”的配置。在图5和11中，投影仪16和上部光路在镜38的反射表面上折叠，以在工作表面24上投影与图10的配置相同的光路。图5中所见的折叠角θ1＝θ2和φ1＝φ2的这种折叠效果是最好的。
如图5和6所示，相机14位于镜38之前，工作空间12上方，使得它不遮挡投影仪的光路。在对于相机14和投影仪16都可接受的偏移量的情况下，作为整体几何结构的一部分，相机14在Y方向上偏离中心定位(图5)，以保持眩光点39在捕获区域32之外。投影仪16聚焦在镜38上，使得将投影仪16发出的光线反射离开镜38进入到工作空间12。通过向低处移动投影仪16并且在投影仪光路中引入折叠镜38，在可接受的投影仪偏移量的情况下，将眩光点39移出捕获区域32之外，并且系统10变得足够窄，短和稳定(不头重脚轻)以支持商业上有吸引力的产品实现方式。
因此，再次参考图1A，1B和2，将系统10的组件收纳在一起作为单独的装置40。也参考图3，有助于把系统10实现为集成且独立的装置40，控制器18包括一起收纳在装置40中的处理器42，存储器44和输入/输出46。如下面参考图20-22所描述的，输入/输出46允许装置40从外部装置接收信息和向外部装置发送信息。尽管输入/输出46在图3中作为控制器18的一部分被示出，但是一些或全部输入/输出46能与控制器18分离。
对于图3所示控制器18的配置，控制和协调相机14和投影仪16功能的系统程序可以大体上常驻在控制器存储器44以便由处理器42来执行，因此，实现独立装置40并且减少相机14和投影仪16的特殊程序的需要。可以以处理器可执行的介质的任意合适形式实现控制器18的编程，上述介质包括一个或更多软件模块，硬件模块，特殊目的硬件(例如，特定应用的硬件，特定应用的集成电路(ASIC)，嵌入式控制器，硬连接(hardwired)电路等)，或这些的某种组合。此外，尽管其他的结构也可能(例如，使用远离相机14和投影仪16的计算机或服务器整体地或部分地形成控制器18)，但是诸如图1A，1B和2所示装置40的紧凑独立应用，在集成的紧凑移动装置40中向用户提供了全部功能。
现在参考图12，相机14位于镜38的前面，工作空间12的上方偏离捕获区域32的中心的位置。如上所述，当在工作空间12中拍摄对象时，相机14的偏移位置有助于避免镜面眩光，而不阻挡投影仪16的光路。尽管相机14大致代表任何合适的用于选择地捕获工作空间12中的静态和视频图像的数字相机，但是在系统10的多数应用中，期望使用高分辨率数字相机。在本文中所使用的“高分辨率”数字相机意味着具有至少1200万像素的传感器阵列。较低分辨率的相机对于一些基本扫描和复印功能是可以接受的，但是低于1200万像素的分辨率目前不足以产生对于全方位操纵和协作功能的足够详细的数字图像。现在，具有高分辨率传感器的小型化高品质数字相机相当普遍并可从众多的相机生产者中商业化地得到。搭配在许多数字相机中所使用的高性能数字信号处理器(DSP)芯片的高分辨率传感器提供了足够快速的图像处理时间(例如，不到一秒的点击预览时间)，从而为大多数系统10的应用提供了可接受的性能。
在所示示例中，现在参考图13，相机传感器50定位在与工作表面24的平面平行的平面上，通过移轴镜头52使光线聚焦在传感器50上。传感器50和镜头52的这种配置可用于从光学上校正梯形失真，无须在对象图像中进行数字梯形校正。相机14的视场在工作空间12中定义了三维捕获空间51，在其中相机14能有效地捕获图像。在工作表面24上由摄像捕获区域32以X和Y尺寸来限定捕获空间51的边界。以对应于捕获空间51的固定距离，固定焦距和固定变焦来优化镜头52。
参考图14，投影仪16位于底座36附近投影仪显示区域34外侧，聚焦在镜38上，使得来自投影仪16的光线从镜子38上反射出进入到工作空间12。投影仪16和镜38在工作空间12定义了三维显示空间53，在其中投影仪16能有效地显示图像。投影仪显示空间53与相机捕获空间51(图12)重叠，在工作表面24上由显示区域34以X和Y尺寸来限定边界。尽管投影仪16代表大致任何合适的光学投影仪，但是对于大多数系统10的应用而言，紧凑尺寸和节能的LED或基于激光的DLP(数字光处理)投影仪是所期望的。投影仪16还可以采用移轴镜头以考虑到投影图像中完全光学梯形校正。如上所述，镜38的使用增加了投影仪有效光路的长度，模拟出投影仪16顶部的放置，同时仍允许用于集成的独立装置40的商业上合理的高度。
对于作为独立装置40的系统10，合适特性的一个示例表1中列出。(表1中的尺寸参考图5和6。)
表1
因为投影仪16充当用于静态和视频捕获的相机12的光源，所以投影仪的光必须足够亮以压倒任何会引起镜面眩光缺陷的环境光。已经确定的是：200流明或以上的投影仪的光将会足够亮到压倒系统10和装置40的典型桌面应用的环境光。对于视频捕获和实时视频协作，投影仪16照射白光到工作空间12中以照亮对象20。对于LED投影仪16，组成白光的红，绿，蓝LED的时序与相机14的视频帧率同步。对于每一个所捕获的帧，投影仪16的刷新率和每个LED子帧刷新周期应当是相机曝光时间的整数，以避免视频图像中的“彩虹条带”和其他不想要的效果。此外，相机的视频帧率还应该与典型地以两倍于交流(AC)线路频率(例如，对应于60Hz交流电线路为120Hz)闪烁的任何环境荧光照明的频率同步。可以使用环境光传感器来检测环境光频率并相应地调整相机14的视频帧率。对于静态图像的捕获，可以同时打开投影仪的红，绿和蓝LED以便相机闪光，从而在工作空间12中增加照明亮度，有助于压倒环境光并允许更快的快门速度和/或更小的光圈以在图像中降噪。
如附图所示以及上面所述的将系统10集成到独立装置40中的示例配置实现了在产品尺寸，性能，可用性和成本之间所期望的平衡。投影仪16的折叠光路降低了装置40的高度，同时保持了高于工作空间12上方的投影仪的有效布局，以在相机12的捕获区域中防止镜面眩光。投影仪的光路以较陡的角度照射在水平工作表面24上，以能够进行3D图像捕获。更长的光路以及陡的角度的这种组合使落下的光跨越捕获区域最小化，从而使相机闪光的光一致性最大化。此外，为了产品稳定性，折叠光路使得投影仪16的放置靠近基座36。
用于系统10中合适的输入装置和技术包括例如手指触摸，触摸姿势，笔，半空(in-air)姿势，声音识别，头部追踪和眼睛追踪。可以使用触摸板以使多点触摸界面能够导航图形用户界面或执行直觉姿势动作(如，推，弹，刮擦，滚动，捏动缩放，和双指旋转)。使用结构光，飞行时间，干扰光模式或立体视觉的深度相机也可用于在不使用触摸板的情况下实现半空姿势或受限触摸以及触摸姿势的检测。免触摸数字笔特别适合作为系统10的用户输入26。因此，在附图所示的示例中，用户输入26包括红外数字笔28和在工作空间12中检测笔28的红外相机30。如上所述，免触摸数字笔具有以下优点：在不用感应平板或其他特殊表面的情况下允许在三维空间(包括沿着工作表面24)的输入。
现在参考图4和15，输入装置26包括红外笔28，红外相机30和笔充电台54。笔28包括红外光56，根据触摸自动地打开和关闭光56的触摸感应笔尖开关58，以及手动地打开和关闭光56的手动开关60。(笔尖开关58和手动开关60如图4框图所示。)例如，如图15所示光56处于笔28的尖端，以有助于保持在相机30和光56之间的清晰视线。光56也可发射可见光，以有助于用户确定光是开着还是关着。
例如，可以触摸对大约2gr力灵敏的笔尖开关58，来模拟传统的书写设备。当笔尖触摸到工作表面24或其他对象时，笔尖开关58检测到接触并打开光56。由相机30检测光56打开，相机30发出触摸接触事件的信号(类似于鼠标键的点击或触摸板上的手指触摸)。只要光56处于开启状态，相机30继续发出接触信号，追踪笔28的任何运动。用户能够像笔那样在任何表面上到处滑动笔28来追踪表面或激活控制功能。当笔尖不再触摸到对象时，光56关闭，并且相机30发出无接触的信号。手动光开关60可以用于发出无触摸事件的信号。例如，当在三维工作空间12中工作时，用户可能希望在工作表面24之上通过手动地发出“虚拟”接触事件的信号来修改，改变或以其他方式操纵所投影的图像。
红外相机30和镜38在工作空间12中定义了三维的红外捕获空间61，在其中红外相机30能有效地检测来自笔28的光。在工作表面24上由红外相机捕获区域62以X和Y尺寸限定捕获空间61的边界。在所示的示例中，以对照图14和15所见的为佳，红外相机捕获空间61与投影仪显示空间53有着相同的范围。因此，红外相机30可在显示空间53中的任何位置捕获笔的激活。
在如图16所示的一个示例实现方式中，相机30集成进投影光路中，使得投影仪的视场和红外相机的视场一致，有助于确认笔28；并且因此，来自红外相机30的追踪信号与投影仪显示在工作空间12的任何位置都正确对齐。参考图16，由投影仪16中红，绿和蓝LED66，68和70所产生的可见光64穿过多种光学器件72(包括移轴镜头74)而出射到镜38(图14)。来自工作空间12中笔28的被镜子38反射出而朝向投影仪16的红外光75，由红外分光器78穿过移轴镜头80引向红外相机传感器76。(类似于上述相机14的示例配置，相机30的红外光传感器76位于平行于工作表面24平面的平面上，光穿过用于全光学梯形校正的移轴镜头80并聚焦在传感器76上。)
对于一些商业实现方式，如图16所示将投影仪16和红外相机30一起收纳在单独外壳82中可能是令人期望的。如图16所示的红外相机30的几何结构配置有助于确保笔追踪信号与显示对齐，而无论笔28在工作表面24之上有多高。如果投影仪视场和红外相机视场不一致，可能难以大于工作表面24之上的一个高度来校准所述笔追踪，在期望的笔的输入位置和结果所显示的位置之间产生视差位移的风险。
尽管期望工作空间12通常将包括用于支撑对象20的实体工作表面，但在没有实体工作表面的情况下，也能够把工作空间12实现为整体投影的工作空间。此外，工作空间12可以被实现为三维工作空间，用于处理二维和三维对象，或实现为二维工作空间，用于仅仅处理二维对象。尽管通常将主要由系统10的硬件和程序元件确定工作空间12的配置，但也可以由实体工作表面24的特性影响工作空间12的配置。因此，在系统10和装置40的一些示例中，当装置36操作时，虚拟工作空间伴随要在实体工作空间中表示的系统10这种意义上来讲，认为工作空间12是系统10的一部分可能是合适的；以及在其他示例中，认为工作空间12不是系统10的一部分可能是合适的。
图17-19是透视图，示出了便携式投影捕获装置40和与装置40关联的交互工作空间12的另一个示例。参考图17-19，便携式装置40包括数字相机14，用于在捕获区域32中(以及捕获空间51中)捕获对象20的静态和视频图像；以及投影仪16，用于照明捕获区域32中(以及捕获空间51中)的对象，并将图像投影到显示区域34上(以及显示空间53中)。相机14已拍摄放置在捕获区域32中的二维对象20(硬拷贝照片)(图17和18)，对象20被从捕获区域32中移出，并且对象图像22被投影到显示区域34上(图19)，在那里对象图像22能被相机14拍摄和/或以其他方式被用户操纵。
在这个示例中，装置40还包括电子显示器84，用于选择地显示来自相机14的实况图像(1ive feed)、相机14先前所捕获的图像、或用户通过投影到显示空间53中的图形用户界面(GUI)86操纵图像时图像的表示。(在图17-19所示的示例中将GUI86投影到显示区域32上。)通过控制器18将相机14，投影仪16和显示器84操作地连接到一起，并且一起收纳到外壳13中作为单个便携式装置40。投影仪16位于相机14之下外壳13的高处，以直接地投影光线到显示空间53中并且到显示区域34上。投影仪显示空间53和显示区域34重叠于相机捕获空间51和捕获区域32，使得投影仪16可以用作在空间51中和在区域32上捕获真实对象20的图像的相机14的光源，以及使得相机14能捕获投影到空间51中和区域32上的图像20的图像。
控制器18被编程以产生和投影仪16投影的GUI86，其包括例如：装置控制“按钮”(诸如，图17和18中捕获按钮88，以及图19中分别的撤销，固定和OK按钮90，92和94)。尽管图17-19中的装置40也可能在控制器18中包括更复杂的GUI和相应的的控制程序也可能包括其他的用户输入装置，但是图17-19的装置配置示出了更适合于较为便宜的消费者桌面产品市场的基本数字复制和图像操纵功能。
附图所示的系统10和装置40的具有一个相机14和一个投影仪16的示例，并不排除两个或更多的相机14和/或两个或更多的投影仪16的使用。事实上，在一些系统10和装置40的应用中，包括多于一个相机，多于一个投影仪或多于一个的其他系统组件可能是令人期望的。
在协作环境中的投影捕获
图20-22示出了使用具有其他设备的投影捕获装置40的三个示例方案。图20的使用方案中，投影捕获装置40链接到计算机工作站88和移动装置90。在图21的使用方案中，多个投影捕获装置40通过服务器92链接到一起。在图22的使用方案中，投影捕获装置40，计算机工作站88和移动装置90通过服务器92链接到一起。图20-22中的每一个链路94通常代表一个或更多的有线，无线，光纤；或经由电信链路，红外链路，射频链路，或在链接装置之间实现电子通讯的任何其他连接器或系统的远程连接。尽管单独的链路94被示出，但是多个装置可使用相同的链路。此外，其他使用案也是可能的。例如，多个投影捕获装置40能直接地链接到一起，而不用服务器92。
图20-22所示的每一个方案中，单独的用户能采用装置40，88，90来生成，操纵，转移和存储虚拟对象，并且多个用户能在装置40，88，90之间对真实和虚拟对象的混合进行协作。虚拟对象包括例如在投影捕获装置40以投影图像呈递的数字内容，以及在显示器上以幻灯片，文件，数字相片以及其他装置88和90上的类似形式呈递的数字内容。如上参照图1A，1B，2和3所述，每一个投影捕获装置40可配置成：在工作空间24中，将对象图像22投影到与对象20的位置(当相机14捕获到其图像时)相同的位置中。因此，能将对象20的一比一比例的数字复制件22投影到原件的上方，允许在装置40投影的或在装置88，90显示的工作空间12中协作的多个远程用户，如其所愿地对数字复制件在其位置处进行操纵，移动和其他方式的改变。可以使用的任何合适的改变技术例如包括，触摸和姿势识别(诸如，“捏动缩放”，或来自用于投影装置40的IR笔28的输入)和/或改变用于计算装置88，90的数字文件。也能将投影图像从原件处移开，允许用户在相同的工作空间12中一起处理原件和复制件。
图23是框图，示出了包括音频和视频远程会议特征96的投影捕获装置40的一个示例。参考图23，会议特征96包括前置相机98，麦克风100和扬声器102。会议特征96的附加允许装置40作为全特征的协作工具运行。图23中的投影捕获装置40还包括用于在工作空间中区别真实和虚拟对象的对象识别装置104。所示的示例中，对象识别装置104包括红外相机106和红外光源108。在工作空间中，相机14将看到真实对象和投影的图像(虚拟对象)，红外相机106将只能看到真实对象。因此，来自相机14和106的视频流(或静态图像数据)可用于在工作空间中区别真实对象和虚拟对象，例如，通过常驻在控制器18的程序来区别。
LED，激光或其他合适的红外光源108可与相机106一起使用，以照明工作空间从而改善对象的识别。此外，尽管使用相同的红外相机既用于对象识别(相机106)又用于感测IR笔(图4，15和16中的相机30)是可能的，但期望的是：用于对象识别的相机帧率通常不需要像用于感测笔的位置的帧率一样高，但是可以要求更高的分辨率。因此，使用独立的红外相机用于对象识别和笔的感测的一些实现方式是令人期望的。IR相机106就是合适的对象识别装置104的一个示例。其他的实现方式也是可能的。例如，在装置40中可以使用深度相机而不是IR相机，以在工作空间中区别真实和虚拟对象。
图24示出了程序和信号处理的一个示例架构，以在协作环境中实现来自图23的投影捕获装置40。在这个示例中，分别管理真实和虚拟对象。通过运动视频来管理工作空间相机14所捕获的真实对象，而通过静态图像图形元素(诸如，位图图像，矢量图形对象和文本)来管理虚拟对象。对于独立的投影捕获装置40，在控制器18中实现图24所示的框。参考图24，来自工作空间相机14和前置相机98的视频流进入传出视频管理器110，在此处，它们被输出到框112处的链接装置。将来自工作空间相机的静态图像被路由到对象管理器114。对象管理器114是储存和操纵数字内容的系统组件，包括在框116合成用于投影仪显示的图像对象，和在框118合成用于输出到链接装置的图像对象。来自会议麦克风100的音频信号转到输出音频管理器120，在此处它们被输出到方框112处的链接装置。将来自框122处的链接装置的输入路由到合适的管理器——静态图像被路由到对象管理器114，视频被路由到传入视频管理器124，以便输出到对象合成116和投影仪16；将音频路由到传入音频管理器126以便输出到扬声器102。
现在将参考图25-28来描述管理真实和虚拟对象之间交互的一个示例。在这个示例中，把真实和虚拟对象当做视觉上可互换的逻辑层，所示逻辑层允许投影捕获装置解释并控制其工作空间，以及在协作环境中，有助于每一个用户与本地和远程对象进行有效地交互。图25是框图，示出了通过常驻在投影捕获装置控制器18的程序模块128来实现该分层技术的一个示例。分层模块128把一个视觉层(或层组)与真实对象相关联，并把另一视觉层(或层组)与虚拟对象相关联。如上参考图24所述，通过数字运动视频来管理工作空间相机14捕获到的真实对象，而通过数字静态图像图形元素来管理虚拟对象。对象管理器114储存和操纵数字内容，包括在分层模块128中实现的视觉层。在一个示例中，每一个视频和静态图像数字元素都关联于XYZ坐标系中的位置。分层模块128使用XYZ位置信息，从而采用坐标系的每一个平面——XY，XZ和YZ平面中的层来表征每一个元素的相对位置。然后通过操纵对应层改变每一个元素的视觉位置。例如，在一个对象(或对象中的元素)的XY层最初可能出现在另一对象的XY层的上方的情况下，控制器18通过在Z方向上移动一个或两个层来改变这个视觉位置。
现在将参考图26和27以有助于说明所述分层技术。图26展示了投影捕获装置40和工作空间12，在其中真实棋子130位于被投影到工作表面24上的虚拟棋盘132之上。工作空间12还包括例如使用来自图22中的一个或多个链接装置40，88，90的数字内容投影到棋盘132上的虚拟棋子134。图26中实线表示真实对象，以及虚线表示虚拟对象。图27示出了图26中对象的Z轴分层。由在层138上面的逻辑层136来表示双(表示王的)棋子的Z轴位置。层138表示在层140上面的单棋子的位置。层140表示在层142上面的虚拟棋盘132的位置，层142表示工作表面24的位置。一旦对象或对象中的元素的位置与逻辑层相关联，分层模块128(图25)保持关于层的视觉顺序的状态信息。当视觉关系改变时(例如，当图26中的棋子移动时)，根据与一个或更多的数字元素相关联的新位置数据来记录所述层。
通常，参考图28的流程图以及图23和25的框图，在框202，控制器18例如使用工作空间相机14和对象识别装置104识别工作空间12中真实对象的存在和位置。在框204，分层模块128将真实对象与第一逻辑层(或三维空间定位用的第一组逻辑层)相关联。在框206，将虚拟对象(对象图像)投影到工作空间12中与第二逻辑层相对应的位置。然后，响应于对象之一的位置改变或响应于某个其他用户输入，在框208，分层模块128改变逻辑层的视觉邻接关系以反映改变/输入。例如，第一层最初可能视觉上邻接工作表面24，并且第二层视觉上邻接第一层。响应于改变/输入，层的顺序被反转，使得第二层变为视觉上邻接工作表面24，而第一层变为视觉上邻接第二层。
在协作环境中(诸如，图20-22所示的协作环境)投影捕获系统10的使用(例如，通过便携式装置40)使得每一个协作者能看到本地和远程的对象并与之进行交互。通过多种不同的输入装置和技术，链接装置之间的现场视频供给实时地共享用户输入。尽管当每一个参与者都正在使用投影捕获装置40(或系统10)时协作者的交互可能更加广泛，但使用不同类型的装置的有效协作环境仍然是可得到的。一个参与者使用投影捕获系统10而其他参与者使用运行有系统10客户端程序的装置的有趣的协作工作是可能的。在这样的“混合”环境中，参与者会通过客户端程序使用鼠标，键盘或触摸板进行交互，而不与系统10的工作空间进行交互。协作装置88或90上的客户端程序可以在计算机工作空间中使用窗口显示，而不用投影显示。并且，客户端应用使用可以使用截屏来捕获对象图像，而不用顶置相机。
如本说明书开头所述，附图中所示以及上面描述的示例并不限制本发明。其他的示例，实施例和实现方式都是可能的。因此，前面的说明书不应解释为限制本发明的范围，本发明的范围在接下来的权利要求中限定。

Claims (15)

1.一种投影捕获系统，包括：
控制器；
工作空间相机，操作地连接到控制器，用于在工作空间中捕获对象的静态图像和视频图像；
投影仪，操作地连接到控制器；以及
控制器，配置成控制工作空间相机和投影仪，用于在工作空间中捕获真实对象的图像并将对象图像投影到工作空间中。
2.如权利要求1所述的系统，其中控制器配置成控制投影仪将对象图像投影到工作空间中，作为真实对象的一比一比例的数字复制件。
3.如权利要求2所述的系统，其中控制器配置成控制投影仪将所述对象图像投影到工作空间中在捕获所述对象图像时由所述真实对象占据的相同位置处。
4.如权利要求1所述的系统，其中控制器，相机和投影仪被收纳到一起，作为单个便携式单元。
5.如权利要求所述1的系统，进一步包括对象识别设备，该对象识别设备操作地连接到控制器，用于区别工作空间中的所述真实对象和投影到工作空间中的对象图像。
6.如权利要求所述1的系统，其中控制器配置成控制相机和投影仪，以当所述对象图像正在工作空间中被改变时，捕获对象图像的图像，并将改变的对象图像投影到工作空间中。
7.如权利要求所述1的系统，进一步包括：
输入/输出，操作地连接到控制器，通过所述输入/输出可以从投影捕获设备外部的设备接收数字信息并且可以发送数字信息到所述投影捕获设备外部的设备；
视频会议相机，麦克风和扬声器均操作地连接到所述输入/输出，用于发送视频和音频信息到外部设备并且从外部设备接收视频和音频信息。
8.如权利要求所述7的系统，其中控制器，相机，投影仪，输入/输出，麦克风和扬声器被收纳到一起，作为单个便携式单元。
9.一种处理器可执行的介质，其上包括如下程序，当所述程序被执行时：
使相机在第一工作空间中捕获真实对象的图像；以及
使投影仪将对象图像投影到第一工作空间中，作为真实对象的一比一比例的数字复制件。
10.如权利要求9所述的介质，包括当被执行时使投影仪将所述对象图像投影到第一工作空间中在捕获所述对象图像时由所述真实对象占据的相同位置处的程序。
11.如权利要求9所述的介质，其上包括当被执行时使多个投影仪中的每一个将所述对象图像同时投影到包括第一工作空间的多个工作空间中相应的每一个的程序。
12.如权利要求11所述的介质，其上包括如下程序，当所述程序被执行时：
允许在多个工作空间的一个或多个中改变所述对象图像；以及
使多个投影仪中的每一个将改变的对象图像同时投影到包括第一工作空间的多个工作空间中相应的每一个。
13.一种工作空间协作的方法，包括：
在第一工作空间中捕获真实对象的数字图像；
将对象图像同时投影到包括第一工作空间的多个工作空间中；
当所述对象图像正在工作空间之一中被改变时，捕获改变的对象图像的数字图像；以及
将改变的对象图像同时投影到包括第一工作空间的多个工作空间中。
14.如权利要求13所述的方法，其中，将对象图像同时投影到多个工作空间中包括：将对象图像投影到第一工作空间中的真实对象上。
15.如权利要求13所述的方法，其中，将对象图像投影到多个工作空间中包括：将所述真实对象的一比一比例的数字复制件的图像投影到多个工作空间中。
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