一种基于人机交互的三维绘图系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及图像技术领域，尤其涉及一种基于人机交互的三维绘图系统及方法。
【背景技术】
[0002] 以SolidWorks、UG、ProE等为代表的这类三维绘图软件虽然能够帮助设计人员 绘制所需的3D模型，但是这样的方式有一个根本性的缺点：所有的绘制工作都是在二维平 面上完成，而绘制的模型却是三维的，这样的绘制方式对于使用者而言是不直观的。同时， 目前的三维绘图软件都是在电脑上完成，使用者被限定在一个二维显示器面前完成绘图操 作，这就不能够让设计者在任何时间任何地点都能够完成设计过程。
[0003] 随着技术的发展，智能眼镜已经渐渐进入人们的视野中，对于可透视型智能眼镜 来说，当人戴上这种眼镜后，周围可见光能够透过眼镜镜片，人的双眼能够正常看到四周的 环境；同时智能眼镜能够将一些图像信息叠加在人的真实视野上，由于拥有这样的特性，可 透视型智能眼镜将在众多行业和领域发挥巨大作用。
[0004] 目前，所有的3D建模工作都是在二维显示器上完成，还没有能够在三维空间中进 行建模的技术出现。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种基于人机交互的三维绘图系统，能够在三维空间中进行 三维绘图。
[0006] 为了达到上述目的，本发明提供的一种基于人机交互的三维绘图系统，包括：
[0007] 智能眼镜，用于在三维空间中显示图像信息，包括：
[0008] 平面识别单元，用于确定所述智能眼镜的工作平面；
[0009] 定位跟踪单元，用于跟踪所述智能眼镜的佩戴者头部位置，并根据所述头部位置 实时调整所述智能眼镜叠加在所述工作平面上的图像，使所述佩戴者与所述图像保持相对 静止；
[0010] 交互笔，信号连接于所述智能眼镜，用于执行二维图形的绘制；
[0011] 主机，信号连接于所述智能眼镜，所述主机安装有三维绘图软件，所述主机通过无 线信号将所述三维绘图软件的界面传递到所述智能眼镜中，所述智能眼镜将所述三维绘图 软件的界面显示在所述工作平面上，所述交互笔在所述三维绘图软件的界面绘制二维图 形，所述交互笔还用于对所述二维图形进行处理，以形成三维图形；
[0012] 所述交互笔还用于控制所述三维图形脱离所述三维绘图软件的界面，进入所述三 维空间中，再经所述智能眼镜显示所述三维图形的信息。
[0013] 优选地，所述平面识别单元包括第一摄像头、第二摄像头、红外矩阵网格LED及第 一处理器，所述第一摄像头、第二摄像头分别对称设置于所述智能眼镜的左右两端，所述红 外矩阵网格LED设置于所述智能眼镜的中心，所述红外矩阵网格LED用于产生红外线矩阵 网格，所述第一处理器内置于所述智能眼镜的内部，所述第一摄像头、第二摄像头用于识别 所述红外矩阵网格LED投射在所述智能眼镜佩戴者眼前的平面上散射的红外线，所述第一 处理器用于分析所述散射的红外线，并得出所述平面相对于所述智能眼镜的距离和角度， 从而确定所述智能眼镜的工作平面。
[0014] 优选地，所述红外矩阵网格LED包括开设有网格槽的挡板和位于所述挡板正前方 的红外LED，所述红外LED产生的红外线经所述挡板后产生红外线矩阵网格。
[0015] 优选地，所述定位跟踪单元包括三轴加速度传感器和三轴陀螺仪，所述三轴加速 度传感器用于跟踪所述佩戴者的头部在Χ、γ、ζ坐标轴方向上的移动；所述三轴陀螺仪用于 跟踪所述佩戴者的头部在X、Y、Z坐标轴方向上的转动。
[0016] 优选地，所述智能眼镜还包括第一红外LED，所述第一红外LED设置于所述智能眼 镜的中心且位于所述红外矩阵网格LED的上方，所述第一摄像头、第二摄像头及所述第一 红外LED形成手指识别单元，所述手指识别单元用于识别所述佩戴者的手指在所述三维空 间中的位置关系。
[0017] 优选地，所述交互笔包括笔尖、第一红外线发射点、第二红外线发射点及处理器， 所述第一红外线发射点及第二红外线发射点分别位于所述交互笔的两端，通过所述第一红 外线发射点、第二红外线发射点可确定所述笔尖的坐标，所述处理器设置于所述交互笔的 内部，用于控制交互笔的整体工作。
[0018] 优选地，所述主机为电脑或者网络上的云。
[0019] 另外，本发明还提供了一种基于人机交互的三维绘图方法，包括下述步骤：
[0020] 步骤A :通过所述平面识别单元确定所述智能眼镜的工作平面；
[0021] 步骤B :所述智能眼镜将显示的图像画面叠加在所述工作平面上；
[0022] 步骤C :通过定位跟踪单元跟踪所述智能眼镜的佩戴者头部位置，并根据所述头 部位置实时调整所述智能眼镜叠加在所述工作平面上的图像，使所述佩戴者与所述图像保 持相对静止；
[0023] 步骤D :开启所述主机上的三维绘图软件，所述主机通过无线信号将所述三维绘 图软件的界面传递到所述智能眼镜中，所述智能眼镜将所述三维绘图软件的界面显示在所 述工作平面上，并通过所述交互笔在所述三维绘图软件的界面绘制二维图形；
[0024] 步骤E :通过所述交互笔对所述二维图形进行处理，以形成三维图形；
[0025] 步骤F :通过所述交互笔控制所述三维图形脱离所述三维绘图软件的界面，进入 所述三维空间中；
[0026] 步骤G :所述智能眼镜显示所述三维图形的信息。
[0027] 优选地，还包括步骤H，使用者通过手指对置于三维空间中的三维图形模型进行移 动、旋转操作，实现所述三维图形和其他绘制的3D模型之间的配合、组装。
[0028] 优选地，在完成步骤H之前还包括采用双目立体视觉算法，通过所述手指识别单 元识别使用者手指在所述智能眼镜三维空间内的位置关系的步骤。
[0029] 优选地，步骤A中，通过所述平面识别单元确定所述智能眼镜的工作平面，包括下 述步骤：
[0030] 步骤Al :所述红外矩阵网格LED产生红外线矩阵网格；
[0031] 步骤A2 :所述第一摄像头、第二摄像头识别所述红外矩阵网格LED投射在所述智 能眼镜佩戴者眼前的平面上散射的红外线；
[0032] 步骤A3 :所述第一处理器分析所述散射的红外线，并得出所述平面相对于所述智 能眼镜的距离和角度，从而确定所述智能眼镜的工作平面。
[0033] 优选地，步骤C中，通过定位跟踪单元跟踪所述智能眼镜的佩戴者头部位置，并根 据所述头部位置实时调整所述智能眼镜叠加在所述工作平面上的图像，使所述佩戴者与所 述图像保持相对静止，具体包括下述步骤：
[0034] 步骤Cl :跟踪所述智能眼镜的佩戴者头部位置,记为ax, ay, ajP ωχ, COy, ωζ，所述 ax，ay，azS所述佩戴者的头部在Χ、Υ、Ζ坐标轴方向上运动的加速度，所述ω χ，coy，ωζ为所 述佩戴者的头部在X、Y、Z坐标轴方向上转动的角速度；
[0035] 步骤C2 :分别对所述ax，ay，az进行时间的二重积分得到所述佩戴者头部在该时 间范围内在三个坐标轴方向上发生的位移，并记为：Ax= / / axdt、Ay= / / aydt及 Δ Z= / / azdt ；
[0036] 步骤C3 :分别对所述ωχ，coy，ωζ进行时间的一重积分得到所述佩戴者头部在该 时间范围内绕着三个坐标轴方向发生转动的角度，并记为：Λ θχ