一种基于蓝牙通信的交互式全息早教系统及其方法与流程

本发明涉及体感控制的全息成像系统技术领域，具体涉及一种基于蓝牙通信的交互式全息早教系统。

背景技术：

现在的智能早教机市场以故事讲读机和2D平面早教机为主，故事讲读机单纯以声音对话的形式进行交互，功能单一，内容乏味难以引发孩子的学习兴趣。而基于2D动画的智能早教机只能显示2D图像。大多数的早教机系统直接采用屏幕进行显示，只实现了早教机的功能却无法对孩子的健康进行保护，机器运行时所产生的电磁辐射、屏幕工作时产生的蓝光辐射均无法隔离且对孩子的健康产生了危害。

全息投影是一种将三维画面悬浮在实景中成像技术，相比一般显示屏，营造了更亦幻亦真的氛围，效果奇特，具有强烈的立体纵深感、启发性，其所表现景象非常具有真实性，用全息投影实现早教将是很好的解决方案。

基于金字塔结构全息成像的原理为金字塔结构表面的全息膜水平反射上方图像，而金字塔的倾斜角度可将拉伸图像还原为正常比例，所以呈现给观察者的图像则是悬浮在金字塔的内部，因此产生立体感。

现有较为成熟的全息成像技术，一般是在通过大型展示柜内进行实现，或者在各类大型舞台上结合多个投影灯实现，其结构庞大、线缆众多，不便携，同时，展示柜成像单一，完全不适合儿童教育或使用。

现有全息成像图像预先制作图像帧所占存储体积容量是普通摄像的上百倍，主要是成像过程全是通过不断刷新完整、新的图像帧，但是经过观察可以发现，大量相邻图像帧存在着较大的重复性，这主要是由于全息成像对象造成，例如，呈现一个全息讲课的人物时，其几秒内的像可能有一侧部位完全没有空间移动，在图像帧中即体现为该发光区域所呈现图像在相邻帧中相同，然而现有技术由于是每帧刷新整幅图像，对这些相同图像帧均进行了独立存储，那么即造成了大量冗余全息图像数据，占据超大存储空间，导致成本上升。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明目的在于提供一种基于蓝牙通信的交互式全息早教系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于蓝牙通信的交互式全息成像方法，包括以下步骤：

步骤1、按金字塔全息成像像的衍射耦合关系分别定义对应四个发光区域的相对独立四部分全息数据，同时预置对应不同蓝牙遥控信号的控制指令集并定义控制指令对全息数据和语音数据的调用关系；

步骤2、获取蓝牙遥控信号；

步骤3、根据蓝牙遥控信号所对应的控制指令集，在每次根据控制指令调用全息数据时，在每个发光区域分别判断当前控制指令与相邻控制指令所调用全息数据是否相同，若相同，则令该发光区域等待其他发光区域更新全息数据后，由第一同步时钟将四块发光区域的全息数据转换为全息同步数据，再等待语音数据调用后，再用第二同步时钟对全息同步数据和语音数据进行选择，获得同步数据并将同步数据输出至成像端，跳转至步骤2，若不相同，进行步骤4；

步骤4、等待四个发光区域全部更新全息数据后，由第三同步时钟将四块发光区域的全息数据转换为全息同步数据，再等待语音数据调用后，再用第二同步时钟对全息同步数据和语音数据进行选择，获得同步数据并将同步数据输出至成像端，跳转至步骤2。

一种基于蓝牙通信的交互式全息早教系统,包括

控制器；

外存储器，用于存储语音数据和全息数据，连接至控制器；

体感遥控，用于输出具有语音数据和全息数据的蓝牙遥控信号,语音数据为加载于蓝牙信号的全息早教本机语音模块控制信号数据，全息数据包含动作感应数据且是加载于蓝牙信号的全息早教本机显示模块控制信号数据；

无线模块，接收蓝牙遥控信号且对应蓝牙遥控信号输出控制信号至控制器；

显示模块，用于转换全息数据至投影光，包括至少4个呈中心对称、相对独立的发光区域；

语音模块，通过由控制器所接收的控制信号选择地与显示模块同步；

锥形全息成像结构，其顶点与显示模块对称中心同轴、其设置有与每个发光区域投影对准的成像板，成像板按锥形结构组合且耦合投影光为全息像；

所述的控制器由控制信号选择地按语音数据和全息数据驱动显示模块投影锥形全息成像结构且选择地同步驱动语音模块。

上述方案中，所述的控制器，选用ARM9处理器。

上述方案中，所述的体感遥控包括处理模块、总线模块、六轴陀螺仪和蓝牙模块；所述的处理模块，通过总线模块连接六轴陀螺仪和蓝牙模块；所述的六轴陀螺仪，包括加速度传感器和三轴角速度传感器。

上述方案中，所述的总线模块，包括IIC总线和UART串口。

上述方案中，所述的处理模块，通过IIC总线和UART串口连接六轴陀螺仪，所述的六轴陀螺仪包括三轴加速度计和三轴陀螺仪。

上述方案中，所述的显示模块，包括至少4块中心对称的同步显示屏、至少4个中心对称的同步投影仪或中心对称的一个显示屏。

上述方案中，所述的锥形全息成像结构，选用金字塔成像结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果：实现相同持续时间的全息成像过程所需存储空间显著减小；为实现具有响应式、无线缆、强交互特性智能早教机系统提供硬件基础，其电路系统利用更低功耗、集成度更高的模块，成本更低廉且设备实现的空间体积显著减小。

附图说明

图1为本发明的电路模块示意图；

图2为本发明实施例中早教机本体外壳正视图；

图3为本发明实施例中早教机本体外壳打开圆形顶盖后的俯视图；

图4为本发明实施例中蓝牙体感遥控壳体正视图；

图5为本发明实施例中蓝牙体感遥控壳体左视图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合附图对本发明做进一步说明：

实施例1

一种基于蓝牙通信的交互式全息成像方法，包括以下步骤

步骤1、按金字塔全息成像像的衍射耦合关系分别定义对应四个发光区域的相对独立四部分全息数据，同时预置对应不同蓝牙遥控信号的控制指令集并定义控制指令对全息数据和语音数据的调用关系；

步骤2、获取蓝牙遥控信号；

步骤3、根据蓝牙遥控信号所对应的控制指令集，在每次根据控制指令调用全息数据时，在每个发光区域分别判断当前控制指令与相邻控制指令所调用全息数据是否相同，若相同，则令该发光区域等待其他发光区域更新全息数据后，由第一同步时钟将四块发光区域的全息数据转换为全息同步数据，再等待语音数据调用后，再用第二同步时钟对全息同步数据和语音数据进行选择，获得同步数据并将同步数据输出至成像端，跳转至步骤2，若不相同，进行步骤4；

步骤4、等待四个发光区域全部更新全息数据后，由第三同步时钟将四块发光区域的全息数据转换为全息同步数据，再等待语音数据调用后，再用第二同步时钟对全息同步数据和语音数据进行选择，获得同步数据并将同步数据输出至成像端，跳转至步骤2。将原来的整幅图像分为四部分分别存储，读取图像帧时，判断相邻帧变化情况，按需更新，这样既减小了全息图像数据存储所需空间，又降低了系统负担，增加了四部分每帧图像利用效率。

一种基于蓝牙通信的交互式全息早教系统，包括体感遥控BTR，体感遥控BTR输出蓝牙遥控信号Sig_bt，蓝牙遥控信号Sig_bt包括语音数据Sig_voc和/或全息数据Sig_holo；电源P；控制器CTRL，由电源P驱动；外存储器S，用于存储语音数据Sig_voc和全息数据Sig_holo，连接至控制器CTRL；无线模块WLCM，包括用于与蓝牙遥控交互的蓝牙模块，接收蓝牙遥控信号Sig_bt且对应蓝牙遥控信号Sig_bt输出控制信号至控制器CTRL；显示模块PRJ，包括至少4个呈中心对称、相对独立的发光区域；语音模块VOC；锥形全息成像结构PYR，其顶点与显示模块PRJ对称中心同轴、其设置有与每个发光区域投影对准的成像板，成像板按锥形结构组合且耦合投影光为全息像；所述的控制器CTRL由控制信号选择地按语音数据Sig_voc和全息数据Sig_holo驱动显示模块PRJ投影锥形全息成像结构PYR且选择地同步驱动语音模块VOC。语音数据Sig_voc和全息数据Sig_holo是由同步时钟CLK_syn选取的图片和音频流，由控制器CTRL根据蓝牙遥控信号Sig_bt按需调用它们从而向儿童呈现出响应式游戏、课程讲授等充满乐趣的全息三维实景。

上述方案中，所述的无线模块WLCM还包括用于与互联网数据交互的Wi-Fi模块，Wi-Fi模块上传或下载语音数据Sig_holo和全息数据Sig_voc至外存储器S。相比传统展示柜式全息成像，本发明能够获取从互联网获取更多预制的语音数据Sig_voc、全息数据Sig_holo，保证早教内容的新颖。

上述方案中，所述的电源P包括重复充电锂电池和重复充电锂电池的电源管理模块，或包括无线电源模块。在使用时，即不用在连接电源线，以防意外绊倒儿童。

上述方案中，所述的控制器CTRL，选用ARM9处理器。

上述方案中，所述的外存储器S，选用固态存储器、SD卡或机械硬盘。

上述方案中，所述的无线模块WLCM，包括具有蓝牙4.0协议的蓝牙芯片。在实际设计时，可直接选用具有ARM9处理器和无线模块的开发板。

上述方案中，所述的显示模块PRJ，包括至少4块中心对称的同步显示屏、至少4个中心对称的同步投影仪或中心对称的一个显示屏。4块同步显示屏或4个同步投影仪能的方案比一个显示屏的方案节省更多的外存储器空间，单块显示屏要求全息数据Sig_holo为完整四发光区域连续帧，而多显示屏结合的全息数据Sig_holo可以为独立调用单发光区域图像帧，然后用单独同步时钟进行选择即可。

上述方案中，所述的体感遥控BTR，包括对称结构的壳体和设置于壳体内的集成电路，集成电路包括处理模块、总线模块、六轴陀螺仪和蓝牙模块；所述的处理模块，通过总线模块连接六轴陀螺仪和蓝牙模块；所述的六轴陀螺仪，包括加速度传感器和三轴角速度传感器。本遥控模块通过蓝牙模块与全息早教机进行数据交互，以让全息早教机进行对应控制指令的投影，例如壳体上使用与处理模块直连的按钮进行触发指令发出，或由处理模块及时算出体感操作指令并通过蓝牙模块传输至全息早教机等。利用对称外壳结构，通过六轴陀螺仪的双传感组合，以更微小的动作幅度实现了更精确的移动、位置切换检测，显著提高了体感动作利用率，非常适合儿童使用。

上述方案中，所述的体感遥控BTR，可以耦合至如图4、5的壳体中，壳体包括前盖4和后盖5；所述的前盖4呈轴对称曲弧型结构，设置有轴对称分布的功能按键3且还设置有中心在对称轴上的悬浮式方向键盘2；所述的后盖5相对于前盖4呈半个倒置的保龄球瓶结构；所述的集成电路设置于所述的后盖5内，所述的前盖4由集成电路与功能按键3、悬浮式方向键盘2的对应关系耦合所述的后盖5。所述的前盖4，上端部和下端部的轮廓均为圆弧、圆弧圆心所在直线为前盖4的对称轴且前盖4中部的两侧轮廓为直线，上端部、中部和下端部共同构成轴对称的曲弧型结构。所述的前盖4，上端部圆弧半径大于下端部圆弧半径。所述的悬浮式方向键盘2，设置有八个按钮方向或四个按钮方向，其外形选为圆形。所述的前盖4，相对于悬浮式方向键盘2的上部还设置有状态灯1且状态灯1中心在前盖4的对称轴上。所述的后盖5，其半个保龄球瓶结构的小凹槽作为电池的容纳空间且大凹槽作为集成电路的容纳空间。状态灯1连接至处理模块的LED引脚。

上述方案中，所述的总线模块，包括IIC总线和UART串口。

上述方案中，所述的处理模块，通过IIC总线和UART串口连接六轴陀螺仪，所述的六轴陀螺仪包括三轴加速度计和三轴陀螺仪。

上述方案中，所述的处理模块，通过UART串口连接蓝牙模块，基于蓝牙4.0协议的蓝牙芯片具有优良的传输和功耗性能，通信质量高，速度快，省电，使用方便，不会受到杂质信号的干扰，控制精度高，例如使用微带天线、带通滤波器和CC2541型号的蓝牙芯片组合，具有超低功耗特性并且支持自组网。

上述方案中，所述的处理模块，选用STM8L101单片机。

上述方案中，所述的六轴陀螺仪,选用MPU6050型号的传感芯片。

上述方案中，所述的锥形全息成像结构PYR，选用金字塔成像结构。金字塔成像结构的透明成像板上还可进一步贴上滤蓝光薄膜，滤除显示模块所带来的蓝光，保护儿童视力。

上述方案中，还包括至少两个快捷按钮，快捷按钮与控制器自定义针脚直连或显示屏处理器自定义针脚直连。快捷按钮可以是自定义的一键启动按钮、预设模式按钮和复位开关按钮等。

上述方案中，可将一种基于蓝牙通信的交互式全息早教系统耦合至图2和图3中外壳结构中，外壳包括球形成像腔B2、支撑结构B1，球形成像腔B2腔体开有观测窗，球形成像腔内设置有全息成像结构B5(图1中的锥形全息成像结构PYR)，显示模块PRJ设置于支撑结构B1且与全息成像结构B5(图1中的锥形全息成像结构PYR)光学对准。球形成像腔B2体积略小于篮球体积。

上述方案中，所述的球形成像腔B2顶部有圆形投影开口；所述的支撑结构B1包括与圆形投影开口直径相等的顶板支撑结构C1，顶板支撑结构C1中部设有矩形开口，顶板支撑结构C1通过镂窗固定卡扣C5连接球形成像腔B2且在矩形开口内通过显示屏固定卡扣C2安装所述的显示屏C3(图1的显示模块PRJ)。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。