魔法棒交互体验系统的制作方法

1.本发明涉及交互技术领域，特别涉及魔法棒交互体验系统。


背景技术：

2.魔法棒交互是通过使用一种手持反射介质，画出特定曲线后，被图像采集系统识别，经系统分析，判断曲线特性，进而做出系统指令的交互系统，目前魔法棒交互系统存在以下不足：1、环境适应性差，魔法棒系统之前主要在室内使用，环境一致性较高，没有日光干扰。大多数的相关技术及应用研究主要集中在目标轨迹识别及图像特征匹配方面，图像采集与处理系统自适应性不强。随着魔法棒的应用在室外应用的推广，市场上绝大部分系统已经无法适应目前应用环境，在环境变化较为复杂和室外日光环境下稳定性极差，且技术复杂度高，成本高；2、魔法棒图像采集设备普遍采用微软kinect2.0，由于kinect2.0集成度较高，所以系统灵活性及安装灵活性较低。另外，kinect2.0设备只适合在距离4.5米内进行识别操作，超出4.5米距离范围后完全无法识别。对有特殊距离要求的互动形式有应用瓶颈。其次，kinect2.0设备与系统主机连线不适合延长，一般采用设备直连的方式。在必须延长的场合，只能采用带有供电功能的usb3.0光纤延长器，实际应用中缺乏长期稳定性；3、魔法棒前端物理反射点较大，影响美观，受限于图像采集设备的分辨率及镜头焦距，为保证图像分析的准确性及复杂度，目前魔法棒前端物理反射点比较大，影响魔法棒的整体美观。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供魔法棒交互体验系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：魔法棒交互体验系统，包括：魔法棒，所述魔法棒端头采用高回归反射特性材料，所述魔法棒用来发出指令；图像采集模块，所述图像采集模块用于对魔法棒发出的信号进行采集，从而获得魔法棒指令；图像信息传输模块，所述图像传输模块用于对图像采集模块采集的信号进行传输；服务器，所述服务器用于对图像信息传输模块的传输的信号通过智能图像算法解析进行处理；执行模块，所述执行模块用于对服务器处理的信号进行执行。
5.优选的，所述图像采集模块由红外窄通相机和红外窄带补光灯组成，所述红外窄通相机的感光范围为940nm
±
5nm，所述红外窄带补光灯用于发射红外光源，所述红外光源与红外窄通相机的带通相匹配。
6.优选的，所述红外窄通相机的图片传输方式为usb和千兆网。
7.优选的，所述红外窄通相机采用多种定焦镜头，用于不同距离的互动需求。
8.优选的，所述服务器的流程包括：步骤一：混合高斯背景建模，利用像素在较长时间内大量样本值的概率密度等统计信息(如模式数量、每个模式的均值和标准差)表示背景，然后使用统计差分进行目标像素判断，对复杂动态背景进行建模；步骤二：图像滤波去噪，使用混合滤波方式对高斯噪声，泊松噪声，乘性噪声，椒盐噪声进行滤波降噪处理；步骤三：图像分块阈值化分割，通过优化算法根据图像局部信息在局部执行阈值化获得最优阈值分割，获得轨迹点；步骤四：图像形态学处理，通过对目标图像进行形态学操作，消除图像中的细小目标，填充目标的细小空间并平滑边缘；步骤五：基于神经网络的目标轨迹识别，基于神经网络与隐马尔可夫模型算法进行多目标轨迹识别，并进行曲线拟合；步骤六：平面曲线匹配，利用曲线特征点距离矩阵，确定匹配区间，并比较分段曲线曲率进行精准匹配，将识别出的曲线与系统预设曲线进行比较，识别目标曲线指令。
9.优选的，所述图像滤波去噪的设备包括中值滤波器和伪中值滤波器。
10.优选的，所述执行模块由投影仪、显示器、led屏、机电执行模块和特效设备其中一种或多种组成。
11.优选的，所述显示器用于进行实时三维场景驱动，在基于实现渲染引擎的三维空间内，系统根据是被指令对三维场景进行驱动，实现多种互动效果。
12.优选的，所述机电执行模块执行机构控制，系统可与运动控制设备进行通讯，对机械执行机构进行运动控制，如喷水、旋转、机模联动等。
13.本发明的技术效果和优点：本发明利用图像采集模块的设置，对环境光具有较强的抑制性，室外时光环境下，仍能保持较高的识别率，红外窄通相机对信号传输距离的限制较低，适合远距离通讯，可更换镜头，不同的识别距离采用不同焦距的镜头，在相机像素不变的情况下获得特征明显的图像数据，同时940nm补光灯波段为非可见光，无红暴现象，人眼无法察觉补光灯，便于设备隐藏，同时魔法棒前端采用的高回归反射特性的反射材料，高回归反射体逆向反射率远远高于普通漫反射体，在红外光源的照射下亮度明显高于周边像素，另外高回归反射特性决定了其对周边杂光反射率极低，有效的屏蔽了环境光干扰。
附图说明
14.图1为本发明系统整体结构示意图。
15.图2为本发明图像采集模块结构示意图。
16.图3为本发明执行模块结构示意图。
具体实施方式
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.本发明提供了如图1-3所示的魔法棒交互体验系统，包括魔法棒，魔法棒端头采用高回归反射特性材料，魔法棒用来发出指令，高回归反射体逆向反射率远远高于普通漫反射体，在红外光源的照射下亮度明显高于周边像素，另外高回归反射特性决定了其对周边杂光反射率极低，有效的屏蔽了环境光干扰；图像采集模块，图像采集模块用于对魔法棒发出的信号进行采集，从而获得魔法棒指令；图像信息传输模块，图像传输模块用于对图像采集模块采集的信号进行传输；服务器，服务器用于对图像信息传输模块的传输的信号通过智能图像算法解析进行处理；执行模块，执行模块用于对服务器处理的信号进行执行；图像采集模块由红外窄通相机和红外窄带补光灯组成，红外窄通相机的感光范围为940nm
±
5nm，940nm波长窄带相机由于其带通较窄，能屏蔽绝大部分可见光及其他杂光，仅能透过940nm
±
5nm波段光线，系统容错率较高，红外窄带补光灯用于发射红外光源，红外光源与红外窄通相机的带通相匹配，940nm波长红外光为非可见光，与可见光频谱距离较远，能比较好地抑制红暴现象；红外窄通相机的图片传输方式为usb和千兆网，红外窄通相机的图片传输方式与普通相机相似，便于信号延长，对于相机个服务器较远的情况下具有较强的适应性；红外窄通相机采用多种定焦镜头，用于不同距离的互动需求，距离较远的互动点位采用长焦镜头，保证反射点的图像信息，距离较近的互动点位采用短焦镜头，保证相机有效视野；服务器的流程包括：步骤一：混合高斯背景建模，利用像素在较长时间内大量样本值的概率密度等统计信息(如模式数量、每个模式的均值和标准差)表示背景，然后使用统计差分进行目标像素判断，对复杂动态背景进行建模，在混合高斯背景模型中，认为像素之间的颜色信息互不相关，对各像素点的处理都是相互独立的，对于视频图像中的每一个像素点，其值在序列图像中的变化可看作是不断产生像素值的随机过程，即用高斯分布来描述每个像素点的颜色呈现规律（单峰、多峰)，对于多峰高斯分布模型，图像的每一个像素点按不同权值的多个高斯分布的叠加来建模，每种高斯分布对应一个可能产生像素点所呈现颜色的状态，各个高斯分布的权值和分布参数随时间更新；步骤二：图像滤波去噪，使用混合滤波方式对高斯噪声，泊松噪声，乘性噪声，椒盐噪声进行滤波降噪处理，采用邻域平均法的均值滤波器非常适用于去除通过扫描得到的图像中的颗粒噪声，邻域平均法有力地抑制了噪声,同时也由于平均而引起了模糊现象,模糊程度与领域半径成正比；步骤三：图像分块阈值化分割，通过优化算法根据图像局部信息在局部执行阈值化获得最优阈值分割，获得轨迹点；步骤四：图像形态学处理，通过对目标图像进行形态学操作，消除图像中的细小目
标，填充目标的细小空间并平滑边缘；步骤五：基于神经网络的目标轨迹识别，基于神经网络与隐马尔可夫模型算法进行多目标轨迹识别，并进行曲线拟合；步骤六：平面曲线匹配，利用曲线特征点距离矩阵，确定匹配区间，并比较分段曲线曲率进行精准匹配，将识别出的曲线与系统预设曲线进行比较，识别目标曲线指令；图像滤波去噪的设备包括中值滤波器和伪中值滤波器，它是一种常用的非线性平滑滤波器,其基本原理是把数字图像或数字序列中一点的值用该点的一个领域中各点值的中值代换其主要功能是让周围象素灰度值的差比较大的像素改取与周围的像素值接近的值,从而可以消除孤立的噪声点,所以中值滤波对于滤除图像的椒盐噪声非常有效，中值滤波器可以做到既去除噪声又能保护图像的边缘,从而获得较满意的复原效果,而且,在实际运算过程中不需要图象的统计特性,这也带来不少方便,但对一些细节多,特别是点、线、尖顶细节较多的图象不宜采用中值滤波的方法；执行模块由投影仪、显示器、led屏、机电执行模块和特效设备其中一种或多种组成；显示器用于进行实时三维场景驱动，在基于实现渲染引擎的三维空间内，系统根据是被指令对三维场景进行驱动，实现多种互动效果；机电执行模块执行机构控制，系统可与运动控制设备进行通讯，对机械执行机构进行运动控制，如喷水、旋转、机模联动等。
19.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。