本發(fā)明涉及光學(xué)定位技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中的光學(xué)定位追蹤系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

人工路標(biāo)的設(shè)計(jì)主要從路標(biāo)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性及在大型復(fù)雜環(huán)境中的可擴(kuò)展性三方面考慮，在以往的路標(biāo)方案中大都以黑白的二維條碼或者圓形碼作為路標(biāo)圖案。這些方案雖然都具有一定的擴(kuò)展性，但受噪聲和拍攝角度的影響較大，解碼速度慢，且影響環(huán)境的美觀性。因此，綜合考慮人工路標(biāo)的設(shè)計(jì)要求和已提出的多種路標(biāo)方案，設(shè)計(jì)了一種基于可見(jiàn)光標(biāo)記與紅外標(biāo)記的可隱形組合路標(biāo)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種將現(xiàn)實(shí)世界信息和虛擬世界信息“完美銜接”的新技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中，虛擬模型與現(xiàn)實(shí)世界配準(zhǔn)不精確。在虛擬現(xiàn)實(shí)中，無(wú)法實(shí)現(xiàn)用戶在現(xiàn)實(shí)世界中與虛擬世界中的位置姿態(tài)關(guān)聯(lián)，且容易產(chǎn)生眩暈感。而穩(wěn)定的定位追蹤系統(tǒng)是解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)，目前虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備中的追蹤系統(tǒng)還存在著捕獲范圍小的問(wèn)題，而大范圍的追蹤系統(tǒng)多采用outside-in的方式，價(jià)格昂貴，難于部署。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本專利提出一種基于隱形組合路標(biāo)的光學(xué)定位追蹤系統(tǒng)及方法，特別適用于虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種基于隱形組合路標(biāo)的光學(xué)定位追蹤系統(tǒng)。它包含部署在環(huán)境中的組合路標(biāo)以及部署在待追蹤物體上的圖像采集模塊和圖像處理模塊。

組合路標(biāo)由可隱形的可見(jiàn)光標(biāo)記和可隱形的紅外標(biāo)記組成?？梢?jiàn)光標(biāo)記用于表示編碼信息，紅外標(biāo)記用于表示定位信息?？梢?jiàn)光標(biāo)記由多穩(wěn)態(tài)材料制成，能夠在多種顏色之間變化，而且只在改變顏色時(shí)需要能量，維持顏色狀態(tài)時(shí)不需要能量或需要少量能量，當(dāng)追蹤系統(tǒng)工作時(shí)，令可見(jiàn)光標(biāo)記顯示為指定的編碼顏色，當(dāng)追蹤體統(tǒng)停止工作時(shí)，為不影響環(huán)境美觀性，令可見(jiàn)光標(biāo)記與其所附著物體顏色相同或相近來(lái)實(shí)現(xiàn)其隱形功能。紅外標(biāo)記采用回歸反射材料，能夠?qū)⒓t外光反射回發(fā)光處，從而被圖像采集模塊捕獲。紅外標(biāo)記始終與所附著環(huán)境的顏色保持一致來(lái)實(shí)現(xiàn)其隱形功能。

圖像采集模塊是由感知紅外的紅外攝像頭和感知可見(jiàn)光的彩色攝像頭組成的雙目系統(tǒng)，或者是由一個(gè)攝像頭組成的單目系統(tǒng)，單目系統(tǒng)中攝像頭內(nèi)部的感光芯片交叉分布著可感知紅外的像素和感知可見(jiàn)光波段的像素。

圖像處理模塊，用于對(duì)圖像采集模塊所捕獲的圖像進(jìn)行解碼，并計(jì)算出圖像采集模塊在空間中六自由度的姿態(tài)信息。

將可見(jiàn)光標(biāo)記與紅外標(biāo)記進(jìn)行組合編碼，具體編碼方案如下：每個(gè)組合路標(biāo)包含一定數(shù)目的紅外標(biāo)記，將紅外標(biāo)記以特定的，容易識(shí)別的拓?fù)湫螤钸M(jìn)行部署，并且在每個(gè)紅外標(biāo)記的周圍布設(shè)某種顏色的可見(jiàn)光標(biāo)記，每種顏色都會(huì)映射為一個(gè)具體數(shù)值，將紅外標(biāo)記周圍的顏色所對(duì)應(yīng)的數(shù)值作為該紅外標(biāo)記的特征值，組合路標(biāo)內(nèi)所有紅外標(biāo)記按照規(guī)定順序排列，并依據(jù)該排列將組內(nèi)所有紅外標(biāo)記的特征值組合在一起，形成一個(gè)數(shù)值，此數(shù)值即為該組合路標(biāo)所對(duì)應(yīng)的編碼。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種基于隱形組合路標(biāo)的光學(xué)定位方法，包括如下步驟：

對(duì)組合路標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，計(jì)算出所有組合路標(biāo)的三維坐標(biāo)，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中；

圖像采集模塊獲取紅外圖像和可見(jiàn)光圖像；

圖像處理模塊對(duì)圖像中的組合路標(biāo)進(jìn)行解碼，得出每個(gè)組合路標(biāo)對(duì)應(yīng)的id；

將每個(gè)組合路標(biāo)的id作為索引，在數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索該組合路標(biāo)中每個(gè)紅外標(biāo)記所對(duì)應(yīng)的真實(shí)三維坐標(biāo)；

依據(jù)每個(gè)紅外標(biāo)記在紅外圖像中的坐標(biāo)、真實(shí)三維坐標(biāo)以及圖像采集裝置的內(nèi)參，計(jì)算出圖像采集裝置在三維空間內(nèi)的六自由度姿態(tài)。

其中圖像處理模塊對(duì)圖像中的組合路標(biāo)進(jìn)行解碼的步驟如下：

從紅外圖像中識(shí)別出每個(gè)紅外標(biāo)記；

將紅外標(biāo)記劃分為不同的組，每組紅外標(biāo)記屬于同一個(gè)組合路標(biāo)，去掉噪聲；

確定每組紅外標(biāo)記的排列順序；

將每個(gè)紅外標(biāo)記在紅外圖像中的坐標(biāo)，映射到可見(jiàn)光圖像中，找到紅外標(biāo)記在可見(jiàn)光圖像中的位置；

依據(jù)這個(gè)位置確定紅外標(biāo)記周圍可見(jiàn)光標(biāo)記的顏色；

將顏色映射為數(shù)值，作為該紅外標(biāo)記的特征值；

依據(jù)每組紅外標(biāo)記的順序，將每組紅外標(biāo)記的特征值按序組合成一個(gè)數(shù)字id，該數(shù)字id即該組合標(biāo)記的解碼結(jié)果。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所涉及的追蹤系統(tǒng)發(fā)明了可隱形的可見(jiàn)光與紅外組合路標(biāo)，采用inside-out的方式進(jìn)行定位追蹤，具有追蹤范圍大、延時(shí)低、價(jià)格低、部署容易且不影響環(huán)境美觀性的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的基于隱形組合路標(biāo)的光學(xué)定位追蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的基于隱形組合路標(biāo)的光學(xué)定位追蹤系統(tǒng)的組合路標(biāo)的組成結(jié)構(gòu)圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的一種基于隱形組合路標(biāo)的光學(xué)定位追蹤方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的敘述更加詳盡與完備，下文針對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式與具體實(shí)施例提出了說(shuō)明性的描述：但這并非實(shí)施或運(yùn)用本發(fā)明具體實(shí)施例的唯一方式。在以下描述中，將詳細(xì)敘述許多特定細(xì)節(jié)以使讀者能夠充分理解以下的實(shí)施例。然而，可在無(wú)此等特定細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐本發(fā)明的實(shí)施例。

圖1為一種基于隱形組合路標(biāo)的光學(xué)定位追蹤系統(tǒng)的組成框圖。它包含部署在環(huán)境中的組合路標(biāo)模塊1和部署在待追蹤物體上的圖像采集模塊2以及與圖像采集模塊2相連的圖像處理模塊3。

如圖2所示，組合路標(biāo)模塊1包含可見(jiàn)光標(biāo)記11、13、15、17和紅外標(biāo)記12、14、16、18。具體采用如下方法來(lái)設(shè)計(jì)組合路標(biāo)模塊，其中紅外標(biāo)記采用含有玻璃珠或微晶格的回歸反射材料制成，可見(jiàn)光標(biāo)記由多穩(wěn)態(tài)材料，如電子墨水或多穩(wěn)態(tài)液晶等制成。將四個(gè)紅外標(biāo)記12、14、16、18的中心按順時(shí)針?lè)较蛞砸欢ㄩg隔排列在正方形的四個(gè)頂點(diǎn)上，并在紅外標(biāo)記周圍布設(shè)某種顏色的可見(jiàn)光標(biāo)記，每種顏色都會(huì)映射為一個(gè)具體數(shù)值。將紅外標(biāo)記周圍的顏色所對(duì)應(yīng)的數(shù)值作為該紅外標(biāo)記的特征值，組合路標(biāo)內(nèi)所有紅外標(biāo)記按順時(shí)針?lè)较蚺帕校⒁罁?jù)該排列將組內(nèi)所有紅外標(biāo)記的特征值組合在一起，形成一個(gè)數(shù)值，此數(shù)值即為該組合路標(biāo)所對(duì)應(yīng)的編碼。例如，設(shè)紅、綠、藍(lán)、紫四色，將紅色映射為1，綠色映射為2，藍(lán)色映射為3，紫色映射為4。在紅外標(biāo)記12周圍布設(shè)紅色的可見(jiàn)光標(biāo)記11，在紅外標(biāo)記14周圍布設(shè)綠色的可見(jiàn)光標(biāo)記13，在紅外標(biāo)記16周圍布設(shè)藍(lán)色的可見(jiàn)光標(biāo)記15，在紅外標(biāo)記18周圍布設(shè)紫色的可見(jiàn)光標(biāo)記17，則該組合路標(biāo)順時(shí)針譯碼后的結(jié)果為1234。

將圖像采集模塊2安裝在虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備上，圖像采集模塊2由可感知紅外的紅外攝像頭21和可感知可見(jiàn)光的彩色攝像頭22組成。紅外攝像頭21用于捕獲組合路標(biāo)模塊1上的紅外標(biāo)記，彩色攝像頭模塊用于捕獲組合路標(biāo)模塊1上的可見(jiàn)光標(biāo)記。圖像處理模塊3用于對(duì)圖像采集模塊2所捕獲的圖像進(jìn)行解碼，并計(jì)算圖像采集模塊2在空間中六自由度的姿態(tài)信息。

如圖3所示為一種基于隱形組合路標(biāo)的光學(xué)定位追蹤方法的流程圖，下面結(jié)合圖1、圖2和圖3，對(duì)本方法的流程進(jìn)行說(shuō)明：

步驟1：對(duì)組合路標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，計(jì)算出所有組合路標(biāo)的三維坐標(biāo)，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中；

步驟2：圖像采集裝置獲取紅外圖像和可見(jiàn)光圖像；

步驟3：對(duì)識(shí)別出的紅外標(biāo)記進(jìn)行分組，每組紅外標(biāo)記屬于同一組合路標(biāo)；

步驟4：對(duì)步驟3所得分組進(jìn)行去噪處理，確定每組紅外標(biāo)記的排列順序；

步驟5：將每個(gè)紅外標(biāo)記在紅外圖像中的坐標(biāo)，映射到可見(jiàn)光圖像中，找到紅外標(biāo)記在可見(jiàn)光圖像中的位置；

步驟6：依據(jù)步驟5中所得位置確定紅外標(biāo)記周圍可見(jiàn)光標(biāo)記的顏色，將

顏色映射為數(shù)值，作為該紅外標(biāo)記的特征值；

步驟7：依據(jù)每組紅外標(biāo)記的順序，將每組紅外標(biāo)記的特征值按序組合成一

個(gè)數(shù)字id，該數(shù)字id即該組合標(biāo)記的解碼結(jié)果；

步驟8：計(jì)算出每個(gè)組合路標(biāo)對(duì)應(yīng)的id，將每個(gè)組合路標(biāo)的id作為索引，

在數(shù)據(jù)庫(kù)匯總搜索該組合路標(biāo)中每個(gè)紅外標(biāo)記所對(duì)應(yīng)的真實(shí)三維坐標(biāo)；

步驟9：依據(jù)每個(gè)紅外標(biāo)記在紅外圖像中的坐標(biāo)、真實(shí)三維坐標(biāo)以及圖像采集裝置的內(nèi)參，計(jì)算出圖像采集裝置在三維空間內(nèi)的六自由度姿態(tài)信息。