本發(fā)明屬于跟蹤定位領(lǐng)域，尤其涉及一種多目標(biāo)光學(xué)跟蹤方法。

背景技術(shù)：

在當(dāng)今的跟蹤定位領(lǐng)域中，Vicon和HTC VIVE是較為常用的技術(shù)。Vicon使用高幀率、高分辨率的攝像機(jī)作為信號(hào)捕捉設(shè)備，使用紅外反光球作為被跟蹤標(biāo)記物，若反光球被多個(gè)攝像機(jī)拍攝到，即可通過計(jì)算機(jī)視覺方法計(jì)算其空間位置。Vicon系統(tǒng)的跟蹤精度和刷新率與使用的跟蹤攝像機(jī)的性能相關(guān)，例如其V16攝像機(jī)分辨率達(dá)到1600萬像素而幀率到達(dá)120Hz。由于高性能攝像機(jī)的制造難度很大且需要后續(xù)數(shù)據(jù)處理設(shè)備，這導(dǎo)致Vicon系統(tǒng)的成本高昂，只能在專業(yè)領(lǐng)域使用而不能獲得廣泛普及。

HTC VIVE使用與本發(fā)明類似的技術(shù)原理，其硬件系統(tǒng)同樣由發(fā)射器和接收器構(gòu)成。該方案硬件系統(tǒng)較為簡單，成本低廉，已經(jīng)投入市場。如圖3所示，HTC VIVE在跟蹤時(shí)需要發(fā)射器先發(fā)出一幀同步掃描信號(hào)，然后再依次對(duì)水平和垂直方向進(jìn)行掃描。當(dāng)多個(gè)發(fā)射器級(jí)聯(lián)使用時(shí)，為了避免信號(hào)干擾，同一時(shí)間段內(nèi)只能讓一個(gè)發(fā)射器工作，必須由控制器分配工作時(shí)間，以保證同一時(shí)間段內(nèi)只有一個(gè)發(fā)射器對(duì)跟蹤區(qū)域進(jìn)行掃描。這導(dǎo)致該系統(tǒng)在多發(fā)射器級(jí)聯(lián)使用時(shí)的刷新率成倍下降。由于跟蹤區(qū)域越大，需要的發(fā)射器越多，因此為了保證足夠的跟蹤數(shù)據(jù)刷新率，目前的HTC VIVE系統(tǒng)只使用兩個(gè)發(fā)射器，而其跟蹤區(qū)域也被限制在5mx5m的空間內(nèi)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提供一種高精度、低成本的光學(xué)跟蹤方法，可允許所有發(fā)射器同時(shí)工作，保證了多發(fā)射器級(jí)聯(lián)使用時(shí)跟蹤數(shù)據(jù)刷新率不下降，可以通過多發(fā)射器級(jí)聯(lián)擴(kuò)展跟蹤區(qū)域的大小。

一種多目標(biāo)光學(xué)跟蹤方法，包括以下步驟：

步驟1：接收器分別記錄各個(gè)發(fā)射器在水平X方向上發(fā)出的掃描信號(hào)與起始信號(hào)的時(shí)間差，以及各個(gè)發(fā)射器在垂直Y方向上發(fā)出的掃描信號(hào)與起始信號(hào)的時(shí)間差；

步驟2：利用步驟1的時(shí)間差計(jì)算接收器相對(duì)于m個(gè)發(fā)射器的所有圖像坐標(biāo)u_i和v_i，其中u_i為接收器相對(duì)于第i個(gè)發(fā)射器的水平X方向上的圖像坐標(biāo)，v_i為接收器相對(duì)于第i個(gè)發(fā)射器的垂直Y方向上的圖像坐標(biāo)，i＝1,2,3,...,m；

步驟3：將m個(gè)水平X方向上的圖像坐標(biāo)u_i構(gòu)成集合{u_i}，m個(gè)水平Y(jié)方向上的圖像坐標(biāo)v_i構(gòu)成集合{v_i}，從集合{u_i}和集合{v_i}中分別任選一個(gè)圖像坐標(biāo)u_i和v_i進(jìn)行排列組合，得到接收器在一個(gè)周期內(nèi)相對(duì)于m個(gè)發(fā)射器所有可能的圖像坐標(biāo)的組合總數(shù)S；

步驟4：從S種組合中任意選一組圖像坐標(biāo)，將該組中接收器對(duì)應(yīng)各個(gè)發(fā)射器的估計(jì)圖像坐標(biāo)記為x_j，其中j＝1,2,3,...,S，表示第j種圖像坐標(biāo)組合；

步驟5：根據(jù)估計(jì)圖像坐標(biāo)x_j，利用超定線性投影方程計(jì)算接收器在第j組圖像坐標(biāo)組合下的理論空間三維坐標(biāo)X_w：

步驟6：將接收器理論空間三維坐標(biāo)X_w作為已知量代入超定線性投影方程，計(jì)算在第j種圖像坐標(biāo)組合情況下，接收器在m個(gè)發(fā)射器中對(duì)應(yīng)的理論圖像坐標(biāo)x_j'；

步驟7：對(duì)第j種圖像坐標(biāo)組合的估計(jì)值x_j與理論值x_j'進(jìn)行歐式距離評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果判斷當(dāng)前嘗試的第j組圖像坐標(biāo)組合與實(shí)際情況是否相符；

如果相符，則步驟5中獲得的接收器理論空間三維坐標(biāo)X_w正確，實(shí)現(xiàn)對(duì)接收器的光學(xué)跟蹤；

如果不相符，則進(jìn)入步驟8；

步驟8：選取新的圖像坐標(biāo)組合，重復(fù)步驟4-7進(jìn)行驗(yàn)證，直至找到正確的接收器三維空間坐標(biāo)X_w。

一種多目標(biāo)光學(xué)跟蹤方法，步驟1中所述的接收器分別記錄各個(gè)發(fā)射器在水平X方向上發(fā)出的掃描信號(hào)與起始信號(hào)的時(shí)間差，以及各個(gè)發(fā)射器在垂直Y方向上發(fā)出的掃描信號(hào)與起始信號(hào)的時(shí)間差，具體步驟為：

步驟11：固定m個(gè)發(fā)射器，將接收器置于m個(gè)發(fā)射器的掃描重疊區(qū)域內(nèi)；

步驟12：m個(gè)發(fā)射器同時(shí)發(fā)射一幀起始信號(hào)；

步驟13：接收器接收起始信號(hào)后，各發(fā)射器沿水平X方向?qū)Ω檯^(qū)域發(fā)射掃描信號(hào)，接收器記錄水平X方向的m個(gè)掃描信號(hào)與起始信號(hào)之間的時(shí)間差tx_i；

步驟14：m個(gè)發(fā)射器再同時(shí)發(fā)射一幀起始信號(hào)；

步驟15：接收器接收起始信號(hào)后，各發(fā)射器沿垂直Y方向?qū)Ω檯^(qū)域發(fā)射掃描信號(hào)，接收器記錄垂直Y方向的m個(gè)掃描信號(hào)與起始信號(hào)之間的時(shí)間差ty_i。

一種多目標(biāo)光學(xué)跟蹤方法，步驟2所述的計(jì)算接收器相對(duì)于m個(gè)發(fā)射器的所有圖像坐標(biāo)u_i和v_i具體方法為：

利用公式(1)依次計(jì)算接收器對(duì)應(yīng)m個(gè)發(fā)射器的所有圖像坐標(biāo)u_i和v_i：

其中ω為已知的掃描速度。

一種多目標(biāo)光學(xué)跟蹤方法，步驟3所述的m個(gè)發(fā)射器所有可能的圖像坐標(biāo)的組合總數(shù)S具體計(jì)算方法為：

對(duì)于m個(gè)發(fā)射器，每個(gè)接收器在水平X方向上對(duì)應(yīng)各發(fā)射器的圖像坐標(biāo)集合{u_i}共有種排列方式，垂直Y方向上對(duì)應(yīng)各發(fā)射器的圖像坐標(biāo)集合{v_i}同樣也有種排列方式，則一個(gè)接收器在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)應(yīng)的發(fā)射器圖像坐標(biāo)組合總數(shù)S為：

一種多目標(biāo)光學(xué)跟蹤方法，步驟5所述的理論空間三維坐標(biāo)X_w計(jì)算方法為：

令X_w＝X_w，X_w為接收器齊次坐標(biāo)形式的空間三維坐標(biāo)，其中X_w＝[X_w,1]^T，X_w＝[x,y,z]^T，X_w為接收器的非齊次形式的空間三維坐標(biāo)，上標(biāo)T表示矩陣轉(zhuǎn)置，求解接收器與m個(gè)發(fā)射器之間的超定線性投影方程(3)，得到接收器在第j組圖像坐標(biāo)組合下的理論空間三維坐標(biāo)X_w：

x_j＝PX_w (3)

其中P為通過初始標(biāo)定獲得的各個(gè)發(fā)射器對(duì)應(yīng)的投影矩陣，x_j為估計(jì)圖像坐標(biāo)x_j對(duì)應(yīng)的齊次坐標(biāo)。

一種多目標(biāo)光學(xué)跟蹤方法，步驟6所述的理論圖像坐標(biāo)x_j'計(jì)算方法為：

將步驟5中獲得的接收器理論空間三維坐標(biāo)X_w再次代入超定線性投影方程(3)中得到方程(4)，計(jì)算在第j種圖像坐標(biāo)組合情況下，接收器在m個(gè)發(fā)射器中對(duì)應(yīng)的理論圖像坐標(biāo)x_j'：

x_j'＝PX_w (4)

一種多目標(biāo)光學(xué)跟蹤方法，步驟7所述的對(duì)第j種圖像坐標(biāo)組合的估計(jì)值x_j與理論值x_j'進(jìn)行歐式距離評(píng)估具體為：使用判別函數(shù)f(x_j)對(duì)第j種圖像坐標(biāo)組合的估計(jì)值x_j與理論值x_j'進(jìn)行評(píng)估：

其中x_j*是x_j'的非齊次坐標(biāo)形式；

若判別函數(shù)f(x_j)的值小于設(shè)定閾值thresh，則當(dāng)前嘗試的第j組圖像坐標(biāo)組合與實(shí)際情況相符，完成接收器空間三維坐標(biāo)的計(jì)算；

若判別函數(shù)f(x_j)的值大于設(shè)定閾值thresh，則當(dāng)前嘗試的第j組圖像坐標(biāo)組合與實(shí)際情況不符，并進(jìn)入步驟8。

有益效果：

本發(fā)明采用一種基于光學(xué)跟蹤系統(tǒng)的多目標(biāo)光學(xué)跟蹤方法，其中硬件構(gòu)成包含發(fā)射器、接收器、處理器等；發(fā)射器在水平和垂直兩個(gè)方向?qū)Ω檯^(qū)域進(jìn)行掃描，接收器硬件可輸出某一時(shí)刻其在所有發(fā)射器中的圖像坐標(biāo)集合，但此時(shí)并不知道坐標(biāo)與各個(gè)發(fā)射器的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此本發(fā)明利用接收器計(jì)算接收到掃描信號(hào)的時(shí)間從而獲取接收器在發(fā)射器中的圖像坐標(biāo)，并對(duì)所有可能的圖像坐標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行檢驗(yàn)，從中找出唯一正確的接收器圖像坐標(biāo)與各發(fā)射器的對(duì)應(yīng)關(guān)系，繼而實(shí)現(xiàn)了接收器空間坐標(biāo)的解算；本發(fā)明從技術(shù)原理上解決了使用多發(fā)射器時(shí)的數(shù)據(jù)刷新率下降問題，可以級(jí)聯(lián)使用任意數(shù)量的發(fā)射器而不降低跟蹤數(shù)據(jù)刷新率。發(fā)射器數(shù)量越多，其掃描覆蓋范圍越大，本發(fā)明可以支持更多數(shù)量的發(fā)射器，因此可以將跟蹤區(qū)域擴(kuò)展到更大范圍；

本發(fā)明所有發(fā)射器同時(shí)發(fā)射同步信號(hào)和進(jìn)行X、Y方向掃描，根據(jù)所處位置的不同，一個(gè)掃描周期內(nèi)同一個(gè)接收器會(huì)先后接收到若干個(gè)掃描信號(hào)；通過對(duì)所有可能的圖像坐標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)沒有正確匹配的發(fā)射器圖像坐標(biāo)進(jìn)行配對(duì)，可允許所有發(fā)射器同時(shí)工作，保證了多發(fā)射器級(jí)聯(lián)使用時(shí)跟蹤數(shù)據(jù)刷新率不下降。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方法流程圖；

圖2為本發(fā)明的跟蹤系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為HTC VIVE的接收器信號(hào)波形圖；

圖4為本發(fā)明的接收器信號(hào)波形圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合發(fā)射器數(shù)量m＝3的具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1所示，為本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方法流程圖；具體的，一種多目標(biāo)光學(xué)跟蹤方法，包括以下步驟：

步驟1：接收器分別記錄各個(gè)發(fā)射器在水平X方向上發(fā)出的掃描信號(hào)與起始信號(hào)的時(shí)間差，以及各個(gè)發(fā)射器在垂直Y方向上發(fā)出的掃描信號(hào)與起始信號(hào)的時(shí)間差；

步驟2：利用步驟1的時(shí)間差計(jì)算接收器相對(duì)于3個(gè)發(fā)射器的所有圖像坐標(biāo)u_i和v_i，其中u_i為接收器相對(duì)于第i個(gè)發(fā)射器的水平X方向上的圖像坐標(biāo)，v_i為接收器相對(duì)于第i個(gè)發(fā)射器的垂直Y方向上的圖像坐標(biāo)，i＝1,2,3；

步驟3：將3個(gè)水平X方向上的圖像坐標(biāo)u_i構(gòu)成集合{u_i}，3個(gè)水平Y(jié)方向上的圖像坐標(biāo)v_i構(gòu)成集合{v_i}，從集合{u_i}和集合{v_i}中分別任選一個(gè)圖像坐標(biāo)u_i和v_i進(jìn)行組合，得到接收器在一個(gè)周期內(nèi)相對(duì)于3個(gè)發(fā)射器所有可能的圖像坐標(biāo)的組合總數(shù)S；

步驟4：所有圖像坐標(biāo)組合中只有一種是正確的組合，其它都是錯(cuò)誤的；從S種組合中任意選一組圖像坐標(biāo)，將該組中各個(gè)發(fā)射器對(duì)應(yīng)的接收器估計(jì)圖像坐標(biāo)記為x_j，其中j＝1,2,3,...,S，表示第j種圖像坐標(biāo)組合；由于每個(gè)圖像坐標(biāo)組合中包括3個(gè)坐標(biāo)，為了區(qū)分各個(gè)圖像坐標(biāo)組合中接收器對(duì)應(yīng)每個(gè)發(fā)射器的坐標(biāo)，將第j組估計(jì)圖像坐標(biāo)x_j記為x_ij，即x_1j、x_2j以及x_3j；

步驟5：根據(jù)估計(jì)圖像坐標(biāo)x_ij，利用超定線性投影方程計(jì)算接收器在第j組圖像坐標(biāo)組合下的理論空間三維坐標(biāo)X_w；

步驟6：將接收器理論空間三維坐標(biāo)X_w作為已知量代入超定線性投影方程，計(jì)算在第j種圖像坐標(biāo)組合情況下，接收器在3個(gè)發(fā)射器中對(duì)應(yīng)的理論圖像坐標(biāo)x_ij'；

步驟7：對(duì)第j種圖像坐標(biāo)組合的估計(jì)值x_ij與理論值x_ij'進(jìn)行歐式距離評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果判斷當(dāng)前嘗試的第j組圖像坐標(biāo)組合與實(shí)際情況是否相符；

如果相符，則步驟5中獲得的接收器理論空間三維坐標(biāo)X_w正確，實(shí)現(xiàn)對(duì)接收器的光學(xué)跟蹤；

如果不相符，則進(jìn)入步驟8；

步驟8：選取新的圖像坐標(biāo)組合，重復(fù)步驟4-7進(jìn)行驗(yàn)證，直至找到正確的接收器三維空間坐標(biāo)X_w。

步驟1中所述的接收器分別記錄各個(gè)發(fā)射器在水平X方向上發(fā)出的掃描信號(hào)與起始信號(hào)的時(shí)間差，以及各個(gè)發(fā)射器在垂直Y方向上發(fā)出的掃描信號(hào)與起始信號(hào)的時(shí)間差，具體步驟為：

步驟11：如圖2所示，固定3個(gè)發(fā)射器，將接收器置于3個(gè)發(fā)射器的掃描重疊區(qū)域內(nèi)；

步驟12：3個(gè)發(fā)射器首先讓其內(nèi)置紅外LED燈同時(shí)閃爍一次，照亮整個(gè)跟蹤區(qū)域，接收器收到該信號(hào)作為一幀信息的起始信號(hào)；

步驟13：接收器接收起始信號(hào)后，各發(fā)射器使用面激光器沿水平X方向?qū)Ω檯^(qū)域發(fā)射掃描信號(hào)，如圖4所示，接收器記錄水平X方向的3個(gè)掃描信號(hào)與起始信號(hào)之間的時(shí)間差tx₁，tx₂，tx₃；由于所有發(fā)射器均處于工作狀態(tài)，故此時(shí)無法判斷各個(gè)時(shí)間差對(duì)應(yīng)哪個(gè)發(fā)射器；

步驟14：3個(gè)發(fā)射器再讓其內(nèi)置紅外LED燈同時(shí)閃爍一次，照亮整個(gè)跟蹤區(qū)域，接收器收到該信號(hào)作為一幀信息的起始信號(hào)；

步驟15：接收器接收起始信號(hào)后，各發(fā)射器使用面激光器沿垂直Y方向?qū)Ω檯^(qū)域發(fā)射掃描信號(hào)，如圖4所示，接收器記錄垂直Y方向的3個(gè)掃描信號(hào)與起始信號(hào)之間的時(shí)間差ty₁，ty₂，ty₃；由于所有發(fā)射器均處于工作狀態(tài)，故此時(shí)無法判斷各個(gè)時(shí)間差對(duì)應(yīng)哪個(gè)發(fā)射器。

步驟2所述的計(jì)算接收器對(duì)應(yīng)3個(gè)發(fā)射器的所有圖像坐標(biāo)u_i和v_i具體方法為：

利用公式(1)依次計(jì)算接收器對(duì)應(yīng)3個(gè)發(fā)射器的所有圖像坐標(biāo)u_i和v_i，則有：

其中ω為已知的面激光器的掃描速度。

步驟3所述的3個(gè)發(fā)射器所有可能的圖像坐標(biāo)的組合總數(shù)S具體方法為：

對(duì)于3個(gè)發(fā)射器，每個(gè)接收器在水平X方向上對(duì)應(yīng)各發(fā)射器的圖像坐標(biāo)集合{u_i}共有種排列方式，垂直Y方向上對(duì)應(yīng)各發(fā)射器的圖像坐標(biāo)集合{v_i}同樣也有種排列方式，則一個(gè)接收器在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)應(yīng)的發(fā)射器圖像坐標(biāo)組合總數(shù)S為：

步驟5所述的理論空間三維坐標(biāo)X_w計(jì)算方法為：

令X_w＝X_w，根據(jù)超定線性投影方程(3)，獲得接收器在第j組圖像坐標(biāo)組合下的理論空間三維坐標(biāo)X_w：

其中P₁，P₂，P₃為通過初始標(biāo)定獲得的3個(gè)發(fā)射器對(duì)應(yīng)的投影矩陣，x_ij為估計(jì)圖像坐標(biāo)x_ij對(duì)應(yīng)的齊次坐標(biāo)，X_w為未知數(shù)，是接收器齊次坐標(biāo)形式的空間三維坐標(biāo)，其中X_w包含3個(gè)未知數(shù)；同時(shí)又有X_w＝[X_w,1]^T，X_w＝[x,y,z]^T，X_w為接收器的非齊次形式的空間三維坐標(biāo)，上標(biāo)T表示矩陣轉(zhuǎn)置。

由于將估計(jì)圖像坐標(biāo)x_ij代入公式(3)可得到公式(8)：

其中λ為未知非零系數(shù)(根據(jù)齊次坐標(biāo)定義，當(dāng)λ≠0時(shí)，x_ij與λx_ij等價(jià)，表示同一個(gè)坐標(biāo))。若設(shè)P_i＝[p_i1，p_i2，p_i3]^T，(p_i1，p_i2，p_i3，分別為矩陣P_i的三行)，則公式(8)可以展開寫為以下三個(gè)方程：

若x_ij＝[u_i,v_i,1]^T和P_i＝[p_i1，p_i2，p_i3]^T為已知條件，則由第三個(gè)方程可得到λ的值，再將λ帶入前兩個(gè)方程即可得到未知數(shù)為X_w＝[x,y,z,1]^T的兩個(gè)獨(dú)立方程。由此可知，一組三維空間坐標(biāo)到二維圖像坐標(biāo)的投影方程可提供2個(gè)關(guān)于X_w的獨(dú)立方程。

公式(7)中包含3組投影方程，共能提供2×3＝6個(gè)關(guān)于X_w的獨(dú)立方程，而接收器的空間三維坐標(biāo)X_w(齊次坐標(biāo)形式)為未知數(shù)，它包含3個(gè)未知數(shù)[x,y,z]^T，(接收器的非齊次空間坐標(biāo)表述為X_w＝[x,y,z]^T，X_w＝[X_w,1]^T)，因此可以通過求解超定線性方程組的方式求得X_w在最小二乘意義上的最優(yōu)解，繼而獲得接收器在第j組圖像坐標(biāo)組合下的理論三維位置，記為X_w。

步驟6所述的理論圖像坐標(biāo)x_ij'計(jì)算方法為：

將步驟5中獲得的接收器理論空間三維坐標(biāo)X_w再次帶入超定線性投影方程(3)中得到方程(4)，計(jì)算在第j種圖像坐標(biāo)組合情況下，接收器在m個(gè)發(fā)射器中對(duì)應(yīng)的理論圖像坐標(biāo)x_ij'：

步驟7所述的對(duì)第j種圖像坐標(biāo)組合的估計(jì)值x_ij與理論值x_ij'進(jìn)行歐式距離評(píng)估具體為：使用判別函數(shù)f(x_ij)對(duì)第j種圖像坐標(biāo)組合的估計(jì)值x_ij與理論值x_ij'進(jìn)行評(píng)估：

其中x_ij*是x_ij'的非齊次坐標(biāo)形式，即x_ij'＝[x_ij*,1]^T；

若當(dāng)前圖像坐標(biāo)組合與正確情況相符，那么判別函數(shù)的理論取值應(yīng)該為0，若圖像坐標(biāo)組合錯(cuò)誤，則判別函數(shù)取值必大于0。實(shí)際應(yīng)用中考慮到傳感器噪聲和計(jì)算誤差等因素，可以設(shè)置一個(gè)閾值thresh＝1。

若判別函數(shù)f(x_ij)的值小于閾值1，則當(dāng)前嘗試的第j組圖像坐標(biāo)組合與實(shí)際情況相符，完成接收器空間三維坐標(biāo)的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)接收器的光學(xué)跟蹤；

若判別函數(shù)f(x_ij)的值大于閾值1，則當(dāng)前嘗試的第j組圖像坐標(biāo)組合與實(shí)際情況不符，并進(jìn)入步驟8。

當(dāng)然，本發(fā)明還可有其他多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。