本發(fā)明實(shí)施例涉及體感交互技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定方法、裝置及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，體感交互技術(shù)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，例如體感游戲、人與機(jī)器人的交互等。體感交互技術(shù)中，準(zhǔn)確捕捉人體姿態(tài)、動(dòng)作等在一個(gè)統(tǒng)一的觀察坐標(biāo)系中的描述，是其他上層應(yīng)用的關(guān)鍵。

多傳感信息融合理論和技術(shù)是提升人體姿態(tài)和動(dòng)作捕捉的范圍和精度等指標(biāo)的有效途徑。而傳感器之間的相對(duì)位姿標(biāo)定則是多傳感信息融合的基礎(chǔ)。在應(yīng)用深度相機(jī)與慣性測(cè)量單元來(lái)捕捉人體動(dòng)作進(jìn)而遠(yuǎn)程操縱機(jī)器人時(shí)，為融合深度相機(jī)和慣性測(cè)量單元的傳感數(shù)據(jù)需先標(biāo)定兩傳感器坐標(biāo)系之間的相對(duì)姿態(tài)，即使用深度相機(jī)與慣性測(cè)量單元結(jié)合捕獲人體運(yùn)動(dòng)信息時(shí)，如何用簡(jiǎn)易的方法獲取深度相機(jī)與慣性測(cè)量單元相對(duì)姿態(tài)的準(zhǔn)確描述。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例的目的是提供一種相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定方法、裝置及系統(tǒng)，以提高標(biāo)定深度相機(jī)與慣性測(cè)量單元相對(duì)姿態(tài)的準(zhǔn)確性。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例提供以下技術(shù)方案：

本發(fā)明實(shí)施例一方面提供了一種相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定方法，包括：

獲取固定在待標(biāo)定應(yīng)用場(chǎng)景一側(cè)的深度相機(jī)，采集對(duì)象物體做剛體運(yùn)動(dòng)時(shí)的第一位移信息；

獲取與所述深度相機(jī)相對(duì)自由移動(dòng)的慣性測(cè)量單元，在同一時(shí)間段采集的所述對(duì)象物體做剛體運(yùn)動(dòng)時(shí)的角速度及加速度，以獲取所述物體在三維空間的第二位移信息；

根據(jù)所述第一位移信息與所述第二位移信息，利用標(biāo)定原理，計(jì)算得到所述深度相機(jī)與所述慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣。

可選的，還包括：

根據(jù)所述姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣，將所述深度相機(jī)與所述慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)按照預(yù)設(shè)的姿態(tài)表示方式進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

可選的，所述慣性測(cè)量單元綁定于所述對(duì)象物體的運(yùn)動(dòng)部位。

可選的，所述根據(jù)所述相對(duì)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣，將所述深度相機(jī)與所述慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)按照預(yù)設(shè)的姿態(tài)表示方式進(jìn)行轉(zhuǎn)化包括：

根據(jù)所述相對(duì)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣，將所述深度相機(jī)與所述慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)按照歐拉角姿態(tài)表示法進(jìn)行轉(zhuǎn)化，以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角表示所述深度相機(jī)與所述慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)。

可選的，所述根據(jù)所述第一位移信息與所述第二位移信息，利用標(biāo)定原理，計(jì)算得到所述深度相機(jī)與所述慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣包括：

基于剛體運(yùn)動(dòng)在不同笛卡爾測(cè)量坐標(biāo)系下描述的不變性，根據(jù)所述第一位移信息與所述第二位移信息構(gòu)造標(biāo)定求解模型，利用最小二乘法求解所述標(biāo)定求解模型，以得到所述深度相機(jī)與所述慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣。

可選的，所述根據(jù)所述第一位移信息與所述第二位移信息，利用標(biāo)定原理，計(jì)算得到所述深度相機(jī)與所述慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣包括：

根據(jù)多組所述第一位移信息對(duì)應(yīng)的位移向量，構(gòu)造第一位移向量矩陣；根據(jù)多組所述第二位移信息對(duì)應(yīng)的位移向量，構(gòu)造第二位移向量矩陣；

基于剛體運(yùn)動(dòng)在不同笛卡爾測(cè)量坐標(biāo)系下描述的不變性，根據(jù)所述第一位移向量矩陣與所述第二位移向量矩陣構(gòu)造標(biāo)定求解模型；

根據(jù)預(yù)設(shè)算法求解所述標(biāo)定求解模型，以得到所述深度相機(jī)與所述慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣；

多組所述第一位移信息為所述深度相機(jī)多次采集，所述對(duì)象物體在任一方向按照預(yù)設(shè)的動(dòng)作序列，進(jìn)行有位移移動(dòng)時(shí)的第一位移信息；多組所述第二位移信息為所述慣性測(cè)量單元在相應(yīng)的同一時(shí)間段采集所述對(duì)象物體的第二位移信息。

可選的，所述對(duì)象物體為人的身體部位。

本發(fā)明實(shí)施例另一方面提供了一種相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定裝置，包括：

位移信息獲取模塊，用于獲取固定在待標(biāo)定應(yīng)用場(chǎng)景一側(cè)的深度相機(jī)，采集對(duì)象物體做剛體運(yùn)動(dòng)時(shí)的第一位移信息；獲取與所述深度相機(jī)相對(duì)自由移動(dòng)的慣性測(cè)量單元，在同一時(shí)間段采集的所述對(duì)象物體做剛體運(yùn)動(dòng)時(shí)的角速度及加速度，以獲取所述物體在三維空間的第二位移信息；

姿態(tài)標(biāo)定模塊，用于根據(jù)所述第一位移信息與所述第二位移信息，利用標(biāo)定原理，計(jì)算得到所述深度相機(jī)與所述慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣。

可選的，還包括：

相對(duì)姿態(tài)表示模塊，用于根據(jù)所述姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣，將所述深度相機(jī)與所述慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)按照預(yù)設(shè)的姿態(tài)表示方式進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定系統(tǒng)，包括深度相機(jī)、慣性測(cè)量單元以及如上任意一項(xiàng)所述的相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定裝置，

其中，所述深度相機(jī)用于獲取物體的三維空間信息，固定在待標(biāo)定應(yīng)用場(chǎng)景一側(cè)，與所述相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定裝置通過(guò)有線(xiàn)相連；

所述慣性測(cè)量單元用于測(cè)量所述物體在三維空間中的角速度及加速度，相對(duì)所述深度相機(jī)自由移動(dòng)，與所述相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定裝置相連。

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定方法，獲取固定在待標(biāo)定應(yīng)用場(chǎng)景一側(cè)的深度相機(jī)，采集對(duì)象物體做剛體運(yùn)動(dòng)時(shí)的第一位移信息；獲取與深度相機(jī)相對(duì)自由移動(dòng)的慣性測(cè)量單元，在同一時(shí)間段采集的對(duì)象物體做剛體運(yùn)動(dòng)時(shí)的角速度及加速度，以獲取對(duì)象物體在三維空間的第二位移信息；根據(jù)第一位移信息與第二位移信息，利用標(biāo)定原理，計(jì)算得到深度相機(jī)與慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣。

本申請(qǐng)?zhí)峁┑募夹g(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)在于，利用固定的深度相機(jī)與可自由移動(dòng)的慣性測(cè)量單元記錄對(duì)象物體在三維空間中進(jìn)行移動(dòng)時(shí)的位移信息，利用標(biāo)定原理，根據(jù)這些位移信息計(jì)算得到深度相機(jī)與慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣。整個(gè)相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定過(guò)程易于操作、精度高、無(wú)需額外的標(biāo)定輔助設(shè)備且為非接觸式標(biāo)定，有利于提升深度相機(jī)與慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)標(biāo)定的效率與準(zhǔn)確率，從而為機(jī)器人遠(yuǎn)程操縱和體感游戲設(shè)備校準(zhǔn)等體感交互技術(shù)領(lǐng)域提供啟發(fā)和準(zhǔn)確的標(biāo)定信息。

此外，本發(fā)明實(shí)施例還針對(duì)相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定方法提供了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)裝置及系統(tǒng)，進(jìn)一步使得所述方法更具有實(shí)用性，所述裝置及系統(tǒng)具有相應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

為了更清楚的說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單的介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一個(gè)示意性例子的框架示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定方法的流程示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的不同笛卡爾測(cè)量坐標(biāo)系的示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的另一種相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定方法的流程示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的另外一個(gè)示意性例子在具體的應(yīng)用場(chǎng)景下的曲線(xiàn)示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定裝置的一種具體實(shí)施方式結(jié)構(gòu)圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定裝置的另一種具體實(shí)施方式結(jié)構(gòu)圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定系統(tǒng)的一種具體實(shí)施方式結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本申請(qǐng)的說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)及上述附圖中的術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于區(qū)別不同的對(duì)象，而不是用于描述特定的順序。此外術(shù)語(yǔ)“包括”和“具有”以及他們?nèi)魏巫冃?，意圖在于覆蓋不排他的包含。例如包含了一系列步驟或單元的過(guò)程、方法、系統(tǒng)、產(chǎn)品或設(shè)備沒(méi)有限定于已列出的步驟或單元，而是可包括沒(méi)有列出的步驟或單元。

本申請(qǐng)的發(fā)明人經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于使用深度相機(jī)與慣性測(cè)量單元結(jié)合捕獲人體運(yùn)動(dòng)信息時(shí)，如何用簡(jiǎn)易的方法獲取深度相機(jī)與慣性測(cè)量單元相對(duì)姿態(tài)的準(zhǔn)確描述，亦即深度相機(jī)與慣性測(cè)量單元相對(duì)姿態(tài)的簡(jiǎn)易有效標(biāo)定，目前的技術(shù)方案無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需求。

現(xiàn)有技術(shù)的三種技術(shù)方案如下：一般相機(jī)與慣性測(cè)量單元的相對(duì)位姿標(biāo)定，應(yīng)用這種方法可以得到一個(gè)次優(yōu)的解，但是需要標(biāo)定板的輔助；深度相機(jī)與慣性測(cè)量單元采用擴(kuò)展卡爾曼濾波器等智能算法來(lái)讓兩傳感器上坐標(biāo)系的相對(duì)位姿收斂于真實(shí)值，但是由于深度相機(jī)與慣性測(cè)量單元的位置關(guān)系是確定的，即是兩傳感器是安裝在同一個(gè)平臺(tái)上，更適用于機(jī)器人定位和導(dǎo)航；還有一種深度相機(jī)與慣性測(cè)量單元的位置關(guān)系不固定，即兩者分別位于兩個(gè)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的載體上，利用人工直接觀察、估計(jì)的方法來(lái)標(biāo)定二者的相對(duì)姿態(tài)，人工操作的不可避免的弊端，導(dǎo)致精度很難保證。

鑒于此，本申請(qǐng)通過(guò)獲取固定在待標(biāo)定應(yīng)用場(chǎng)景一側(cè)的深度相機(jī)，采集對(duì)象物體做剛體運(yùn)動(dòng)時(shí)的第一位移信息；獲取與深度相機(jī)相對(duì)自由移動(dòng)的慣性測(cè)量單元，在同一時(shí)間段采集的對(duì)象物體做剛體運(yùn)動(dòng)時(shí)的角速度及加速度，以獲取對(duì)象物體在三維空間的第二位移信息；根據(jù)第一位移信息與第二位移信息，利用標(biāo)定原理，計(jì)算得到深度相機(jī)與慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣，以實(shí)現(xiàn)深度相機(jī)與慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定。

基于上述本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面首先結(jié)合圖1對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案涉及的一些可能的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行舉例介紹，圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一個(gè)示意性例子的框架示意圖。

如圖1所示，相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定系統(tǒng)中包括深度相機(jī)、慣性測(cè)量單元(inertialmeasurementunit，imu)，電腦。深度相機(jī)固定在應(yīng)用場(chǎng)景的一側(cè)，用于獲取人身體部位運(yùn)動(dòng)的三維空間信息；慣性測(cè)量單元綁定在人身體的運(yùn)動(dòng)部位，用于在同一時(shí)間段測(cè)量人某一身體部位運(yùn)動(dòng)時(shí)的角速度及加速度，通過(guò)對(duì)角速度及加速度進(jìn)行積分，得到當(dāng)前的姿態(tài)信息；電腦分別與深度相機(jī)、慣性測(cè)量單元相連，用于獲取深度相機(jī)采集對(duì)象物體在任一方向按照預(yù)設(shè)的動(dòng)作序列，進(jìn)行有位移移動(dòng)時(shí)的第一位移信息；及慣性測(cè)量單元在相應(yīng)的同一時(shí)間段對(duì)所述對(duì)象物體采集的第二位移信息；然后根據(jù)第一位移信息與第二位移信息，利用標(biāo)定原理，計(jì)算得到深度相機(jī)與慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣。

需要注意的是，上述應(yīng)用場(chǎng)景僅是為了便于理解本申請(qǐng)的思想和原理而示出，本申請(qǐng)的實(shí)施方式在此方面不受任何限制。相反，本申請(qǐng)的實(shí)施方式可以應(yīng)用于適用的任何場(chǎng)景。

在介紹了本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案后，下面詳細(xì)的說(shuō)明本申請(qǐng)的各種非限制性實(shí)施方式。

首先參見(jiàn)圖2，圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定方法的流程示意圖，本發(fā)明實(shí)施例可包括以下內(nèi)容：

s201：獲取固定在待標(biāo)定應(yīng)用場(chǎng)景一側(cè)的深度相機(jī)，采集對(duì)象物體做剛體運(yùn)動(dòng)時(shí)的第一位移信息。

深度相機(jī)固定在當(dāng)前待標(biāo)定的應(yīng)用場(chǎng)景的一側(cè)，例如，靜置于人與機(jī)器人交互的場(chǎng)景中，深度相機(jī)的固定位置可全方位捕捉到當(dāng)前人的全部動(dòng)作。

深度相機(jī)為一種光學(xué)傳感器，用于捕捉當(dāng)前對(duì)象物體的三維空間信息，與普通相機(jī)不同的是，可獲取對(duì)象物體的深度信息。深度相機(jī)指代但不限于基于雙目視覺(jué)、結(jié)構(gòu)光或飛行時(shí)間原理的可獲取物體三維空間信息的光學(xué)傳感器。

對(duì)象物體為滿(mǎn)足剛體運(yùn)動(dòng)的對(duì)象，剛體運(yùn)動(dòng)也可以理解為保持長(zhǎng)度，角度，面積等不變的仿射變換，即保持內(nèi)積和度量不變。從坐標(biāo)變換上看，旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)行列式為1的正交矩陣。例如人體各個(gè)部位的運(yùn)動(dòng)是剛體運(yùn)動(dòng)；而人整體的運(yùn)動(dòng)是非剛體運(yùn)動(dòng)。此外，剛體變換下，具有物理意義的量，如梯度，散度和旋度都保持不變。

舉例來(lái)說(shuō)，深度相機(jī)可實(shí)時(shí)獲取手心關(guān)節(jié)的空間位置，使用前后靜止階段的位置平均值相減即可獲得位移向量，即第一位移信息。

s202：獲取與所述深度相機(jī)相對(duì)自由移動(dòng)的慣性測(cè)量單元，在同一時(shí)間段采集的所述對(duì)象物體做剛體運(yùn)動(dòng)時(shí)的角速度及加速度，以獲取所述對(duì)象物體在三維空間的第二位移信息。

慣性測(cè)量單元相對(duì)深度相機(jī)而言，為自由移動(dòng)的，即深度相機(jī)靜置于應(yīng)用場(chǎng)景中，慣性測(cè)量單元不固定，可自由移動(dòng)?？蛇x的，可將慣性測(cè)量單元綁定于對(duì)象物體上，以使慣性測(cè)量單元隨著對(duì)象物體運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。例如，當(dāng)對(duì)象物體為人的手部時(shí)，可將慣性測(cè)量單元綁定于人手部而隨手部在空間運(yùn)動(dòng)。

慣性測(cè)量單元指代但不限于集成多軸加速度計(jì)、多軸陀螺儀和磁力計(jì)的可直接測(cè)量物體在三維空間中的角速度和加速度的傳感器，對(duì)角速度和加速度積分即可獲得物體在三維空間中的姿態(tài)信息，通過(guò)姿態(tài)信息可獲得對(duì)象物體的位移信息。

第二位移信息與第一位移信息為對(duì)同一個(gè)對(duì)象物體在按照同一動(dòng)作序列進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，在同一時(shí)間分別利用不同的采集工具獲取得到的信息，即第一位移信息為深度相機(jī)捕捉的信息，第二位移信息為慣性測(cè)量單元捕捉的信息。

舉例來(lái)說(shuō)，慣性測(cè)量單元可獲得手心運(yùn)動(dòng)的加速度信息與其相對(duì)于地磁坐標(biāo)系的相對(duì)姿態(tài)信息，可構(gòu)造慣性測(cè)量單元獲得的位移向量，首先將加速度從慣性測(cè)量單元的坐標(biāo)系i映射到地磁場(chǎng)坐標(biāo)系g：

其中，a^g是g中的加速度向量，是慣性測(cè)量單元坐標(biāo)系與地磁場(chǎng)坐標(biāo)系之間的相對(duì)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣，可通過(guò)慣性測(cè)量單元直接讀取或者由角速度分量積分得到，aⁱ是從慣性測(cè)量單元中讀取的加速度向量，g是在g坐標(biāo)系中的重力信息，取9.8m/s²，并按一定比例t轉(zhuǎn)換為無(wú)量綱向量g＝[0，0，9.8t]^t。然后通過(guò)設(shè)定閾值對(duì)g中的合成加速度進(jìn)行判斷，獲取運(yùn)動(dòng)段的啟停點(diǎn)，再使用運(yùn)動(dòng)段每一時(shí)刻的加速度信息進(jìn)行迭代，以求得位移量：

vi^g表示i時(shí)刻的速度向量，ti表示從i-1時(shí)刻到i時(shí)刻之間的時(shí)間間隔，每個(gè)周期系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間會(huì)有所浮動(dòng)。先用加速度值迭代得到每個(gè)時(shí)刻的速度，進(jìn)而求得i時(shí)刻的位移向量。如此迭代至運(yùn)動(dòng)段結(jié)束即可求得慣性測(cè)量單元在g坐標(biāo)系下表示的位移向量

如果對(duì)慣性測(cè)量單元運(yùn)動(dòng)段檢測(cè)失敗，從而導(dǎo)致位移向量提取失敗，則重新獲取第一位移信息和第二位移信息。

需要說(shuō)明的是，s201與s202的執(zhí)行順序不固定，可以先執(zhí)行s201，也可先執(zhí)行s202，當(dāng)然，也可同時(shí)執(zhí)行s201與s202，這均不影響本申請(qǐng)的實(shí)現(xiàn)。

s203：根據(jù)所述第一位移信息與所述第二位移信息，利用標(biāo)定原理，計(jì)算得到所述深度相機(jī)與所述慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣。

基于剛體運(yùn)動(dòng)在不同笛卡爾測(cè)量坐標(biāo)系下描述的不變性，即在深度相機(jī)建立三維坐標(biāo)系c，慣性測(cè)量單元建立三維坐標(biāo)系i，地磁場(chǎng)坐標(biāo)系g中，請(qǐng)參閱圖3所示，剛體運(yùn)動(dòng)描述為相同的。

標(biāo)定求解目標(biāo)是確定c與i之間的姿態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系9軸慣性測(cè)量單元中的地磁計(jì)在沒(méi)有外部磁場(chǎng)干擾的情況下可以自動(dòng)校準(zhǔn)坐標(biāo)系i與地磁場(chǎng)坐標(biāo)系g之間的相對(duì)姿態(tài)信息，即為已知量。根據(jù)坐標(biāo)系變換關(guān)系可知，對(duì)的求解問(wèn)題可轉(zhuǎn)化為對(duì)的求解，亦即確定深度相機(jī)在地磁場(chǎng)坐標(biāo)系中的姿態(tài)描述

根據(jù)第一位移信息與第二位移信息構(gòu)造標(biāo)定求解模型，利用最小二乘法求解所述標(biāo)定求解模型，以得到所述深度相機(jī)與所述慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣，具體的可為：

根據(jù)多組所述第一位移信息對(duì)應(yīng)的位移向量，構(gòu)造第一位移向量矩陣；根據(jù)多組所述第二位移信息對(duì)應(yīng)的位移向量，構(gòu)造第二位移向量矩陣；

基于剛體運(yùn)動(dòng)在不同笛卡爾測(cè)量坐標(biāo)系下描述的不變性，根據(jù)所述第一位移向量矩陣與所述第二位移向量矩陣構(gòu)造標(biāo)定求解模型；

根據(jù)預(yù)設(shè)算法求解所述標(biāo)定求解模型，以得到所述深度相機(jī)與所述慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣；

多組所述第一位移信息為所述深度相機(jī)多次采集，所述對(duì)象物體在任一方向按照預(yù)設(shè)的動(dòng)作序列，進(jìn)行有位移移動(dòng)時(shí)的第一位移信息；多組所述第二位移信息為所述慣性測(cè)量單元在相應(yīng)的同一時(shí)間段采集所述對(duì)象物體的第二位移信息。

動(dòng)作序列為對(duì)象物體運(yùn)動(dòng)的軌跡，有明確的起始點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)方向，需要能獲取讓空間中任意方向的一段位移信息和起止點(diǎn)的位置信息即可，可為有位移的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，也可為曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，這均不影響本申請(qǐng)的實(shí)現(xiàn)。例如，靜止2s--運(yùn)動(dòng)--靜止2s，其中手部靜止2s旨在讓傳感器有充足的時(shí)間確定手部運(yùn)動(dòng)的起始和終止位置。

舉例來(lái)說(shuō)，手部在空間中以某一動(dòng)作序列沿任意方向運(yùn)動(dòng)作為系統(tǒng)的輸入，且手部運(yùn)動(dòng)三次；然后使用上位機(jī)軟件分別記錄慣性測(cè)量單元產(chǎn)生的加速度和歐拉角信息，深度相機(jī)中的手部位置信息，還有記錄下數(shù)據(jù)的時(shí)間戳；利用深度相機(jī)和慣性測(cè)量單元同時(shí)獲取同一人手部運(yùn)動(dòng)的位移向量；利用所得到的三組位移向量，可由下式可求得旋轉(zhuǎn)矩陣：

其中，m^g表示的是在地磁場(chǎng)坐標(biāo)中任意3個(gè)位移向量組成的一個(gè)3×3的位移向量矩陣，它的形式為分別為地磁場(chǎng)坐標(biāo)下任意的3×1位移列向量；同理，m^c是深度相機(jī)的深度坐標(biāo)系下的位移矩陣，表示形式與m^g一樣；是深度相機(jī)坐標(biāo)系c與g之間的旋轉(zhuǎn)矩陣。但由于傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)總會(huì)存在偏差，因此根據(jù)上式求解出來(lái)的旋轉(zhuǎn)矩陣有時(shí)會(huì)偏差很大。

基于剛體運(yùn)動(dòng)在不同笛卡爾測(cè)量坐標(biāo)系下描述的不變性構(gòu)造標(biāo)定求解模型然后通過(guò)最小二乘法解算出深度相機(jī)和地磁場(chǎng)坐標(biāo)系的慣性測(cè)量單元相對(duì)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣：

由圖3所示坐標(biāo)系變換關(guān)系可知慣性測(cè)量單元坐標(biāo)系在深度相機(jī)坐標(biāo)系中的姿態(tài)描述為：

其中，即是慣性測(cè)量單元板上坐標(biāo)系與地磁場(chǎng)坐標(biāo)系之間的相對(duì)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣，即利用上式可求得深度相機(jī)和慣性測(cè)量單元之間的相對(duì)姿態(tài)矩陣。

還需要說(shuō)明的是，上述實(shí)施例的執(zhí)行主語(yǔ)可為計(jì)算機(jī)，指代但不限于具有計(jì)算能力的個(gè)人計(jì)算機(jī)或者嵌入式系統(tǒng)；深度相機(jī)與計(jì)算機(jī)有線(xiàn)連接，從而可實(shí)時(shí)向計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)；慣性測(cè)量單元與計(jì)算機(jī)有線(xiàn)或者無(wú)線(xiàn)連接，同樣可實(shí)時(shí)向計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)；而深度相機(jī)和慣性測(cè)量單元之間無(wú)直接連接或者數(shù)據(jù)共享；計(jì)算機(jī)中安裝有自行開(kāi)發(fā)的上位機(jī)軟件，負(fù)責(zé)獲取和處理深度相機(jī)和慣性測(cè)量單元的數(shù)據(jù)，根據(jù)標(biāo)定原理求解深度相機(jī)和慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣。

在本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案中，利用固定的深度相機(jī)與可自由移動(dòng)的慣性測(cè)量單元記錄對(duì)象物體在三維空間中進(jìn)行移動(dòng)時(shí)的位移信息，利用標(biāo)定原理，根據(jù)這些位移信息計(jì)算得到深度相機(jī)與慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣。整個(gè)相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定過(guò)程易于操作、精度高、無(wú)需額外的標(biāo)定輔助設(shè)備且為非接觸式標(biāo)定，有利于提升深度相機(jī)與慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)標(biāo)定的效率與準(zhǔn)確率，從而為機(jī)器人遠(yuǎn)程操縱和體感游戲設(shè)備校準(zhǔn)等體感交互技術(shù)領(lǐng)域提供啟發(fā)和準(zhǔn)確的標(biāo)定信息。

在一種具體的實(shí)施方式中，由于不同的應(yīng)用場(chǎng)景下，深度相機(jī)與慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)的表述方式不同，鑒于此，針對(duì)上述實(shí)施例，請(qǐng)參閱圖4，本申請(qǐng)還提供了另外一個(gè)實(shí)施例，具體可包括：

s204：根據(jù)所述姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣，將所述深度相機(jī)與所述慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)按照預(yù)設(shè)的姿態(tài)表示方式進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

姿態(tài)表示方式根據(jù)當(dāng)前應(yīng)用場(chǎng)景或用戶(hù)的需求而定，本申請(qǐng)對(duì)此不做任何限定。

根據(jù)所述姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣，將所述深度相機(jī)與所述慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)按照歐拉角姿態(tài)表示法進(jìn)行轉(zhuǎn)化，以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角表示所述深度相機(jī)與所述慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)。

例如上述實(shí)例，標(biāo)定過(guò)程完成后，輸出的是由得到的歐拉角姿態(tài)表示法的3個(gè)參數(shù)，即旋轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角。

按照不同的表述方式進(jìn)行轉(zhuǎn)化，提升了本申請(qǐng)技術(shù)方案的適用性，有利于提升用戶(hù)使用體驗(yàn)。

為了本領(lǐng)域技術(shù)人員更清楚的明白本申請(qǐng)的技術(shù)方案，還提供了具體的實(shí)例，具體的可為：

操作者站在深度相機(jī)前，按照以下動(dòng)作序列執(zhí)行：手自然下垂--向前抬手，手心向前，手臂盡量平行--向前走一步--手自然放下。深度相機(jī)與慣性測(cè)量單元的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，該軟件負(fù)責(zé)管理與協(xié)調(diào)各傳感器的運(yùn)行，并記錄每一時(shí)刻的傳感器數(shù)據(jù)。圖5中所示的曲線(xiàn)表示地磁場(chǎng)坐標(biāo)系中z軸方向上的空間位置信息，該信息由深度相機(jī)所測(cè)得的手心空間位置根據(jù)上面求得的相對(duì)姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣轉(zhuǎn)換后所得。圖5中的1、2、3階段分別對(duì)應(yīng)抬手、向前邁步、放下手等幾個(gè)階段，其他時(shí)段均為靜止階段。手抬起的位置以墻面的標(biāo)記位為參考點(diǎn)，該標(biāo)記位是根據(jù)實(shí)驗(yàn)者的臂長(zhǎng)預(yù)先設(shè)置的。實(shí)驗(yàn)者手心到肩膀的長(zhǎng)度約為63cm，當(dāng)手臂抬起并盡量與地面平行，手心向前時(shí)，手心比肩膀高出約5cm，因此手部下垂的標(biāo)記位與抬手后的標(biāo)記位的垂直高度為68cm。從圖中可知，實(shí)線(xiàn)所示是根據(jù)標(biāo)定后的旋轉(zhuǎn)矩陣將位置信息從深度坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換地磁場(chǎng)坐標(biāo)系，抬手后與抬手前的位置差在68到70cm之間，而放下手后的位置與抬手前的位置差為0.81cm，證明該標(biāo)定結(jié)果可行。相比之下，虛線(xiàn)使用未經(jīng)標(biāo)定，人工讀取的轉(zhuǎn)換矩陣進(jìn)行處理，垂直高度差在78到79cm之間，放下手后的前后位置偏差為5.42cm。標(biāo)定過(guò)的結(jié)果明顯優(yōu)于未經(jīng)標(biāo)定的結(jié)果，突顯出本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本發(fā)明實(shí)施例還針對(duì)相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定方法提供了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)裝置，進(jìn)一步使得所述方法更具有實(shí)用性。下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施例提供的相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定裝置進(jìn)行介紹，下文描述的相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定裝置與上文描述的相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定方法可相互對(duì)應(yīng)參照。

參見(jiàn)圖6，圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定裝置在一種具體實(shí)施方式下的結(jié)構(gòu)圖，該裝置可包括：

位移信息獲取模塊601，用于獲取固定在待標(biāo)定應(yīng)用場(chǎng)景一側(cè)的深度相機(jī)，采集對(duì)象物體做剛體運(yùn)動(dòng)時(shí)的第一位移信息；獲取與所述深度相機(jī)相對(duì)自由移動(dòng)的慣性測(cè)量單元，在同一時(shí)間段采集的所述對(duì)象物體做剛體運(yùn)動(dòng)時(shí)的角速度及加速度，以獲取所述對(duì)象物體在三維空間的第二位移信息。

姿態(tài)標(biāo)定模塊602，用于根據(jù)所述第一位移信息與所述第二位移信息，利用標(biāo)定原理，計(jì)算得到所述深度相機(jī)與所述慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣。

在本發(fā)明實(shí)施例的一些具體實(shí)施方式下，所述姿態(tài)標(biāo)定模塊602可包括：

位移向量構(gòu)造單元6021，用于根據(jù)多組所述第一位移信息對(duì)應(yīng)的位移向量，構(gòu)造第一位移向量矩陣；根據(jù)多組所述第二位移信息對(duì)應(yīng)的位移向量，構(gòu)造第二位移向量矩陣；多組所述第一位移信息為所述深度相機(jī)多次采集，所述對(duì)象物體在任一方向按照預(yù)設(shè)的動(dòng)作序列，進(jìn)行有位移移動(dòng)時(shí)的第一位移信息；多組所述第二位移信息為所述慣性測(cè)量單元在相應(yīng)的同一時(shí)間段采集所述對(duì)象物體的第二位移信息；

標(biāo)定求解模型構(gòu)造單元6022，用于基于剛體運(yùn)動(dòng)在不同笛卡爾測(cè)量坐標(biāo)系下描述的不變性，根據(jù)所述第一位移向量矩陣與所述第二位移向量矩陣構(gòu)造標(biāo)定求解模型；

計(jì)算姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣模塊6023，用于根據(jù)預(yù)設(shè)算法求解所述標(biāo)定求解模型，以得到所述深度相機(jī)與所述慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣。

在另外一些實(shí)施方式下，所述姿態(tài)標(biāo)定模塊602還可為基于剛體運(yùn)動(dòng)在不同笛卡爾測(cè)量坐標(biāo)系下描述的不變性，根據(jù)所述第一位移信息與所述第二位移信息構(gòu)造標(biāo)定求解模型，利用最小二乘法求解所述標(biāo)定求解模型，以得到所述深度相機(jī)與所述慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣的模塊。

可選的，在本實(shí)施例的一些實(shí)施方式中，請(qǐng)參與圖7，所述裝置例如還可以包括：

相對(duì)姿態(tài)表示模塊603，用于根據(jù)所述姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣，將所述深度相機(jī)與所述慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)按照預(yù)設(shè)的姿態(tài)表示方式進(jìn)行轉(zhuǎn)化。本發(fā)明實(shí)施例所述相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定裝置的各功能模塊的功能可根據(jù)上述方法實(shí)施例中的方法具體實(shí)現(xiàn)，其具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程可以參照上述方法實(shí)施例的相關(guān)描述，此處不再贅述。

在一些具體實(shí)施方式下，所述相對(duì)姿態(tài)表示模塊603可為根據(jù)所述姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣，將所述深度相機(jī)與所述慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)按照歐拉角姿態(tài)表示法進(jìn)行轉(zhuǎn)化，以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角表示所述深度相機(jī)與所述慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)的模塊。

由上可知，本發(fā)明實(shí)施例利用固定的深度相機(jī)與可自由移動(dòng)的慣性測(cè)量單元記錄對(duì)象物體在三維空間中進(jìn)行移動(dòng)時(shí)的位移信息，利用標(biāo)定原理，根據(jù)這些位移信息計(jì)算得到深度相機(jī)與慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣。整個(gè)相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定過(guò)程易于操作、精度高、無(wú)需額外的標(biāo)定輔助設(shè)備且為非接觸式標(biāo)定，有利于提升深度相機(jī)與慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)標(biāo)定的效率與準(zhǔn)確率，從而為機(jī)器人遠(yuǎn)程操縱和體感游戲設(shè)備校準(zhǔn)等體感交互技術(shù)領(lǐng)域提供啟發(fā)和準(zhǔn)確的標(biāo)定信息。

本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定系統(tǒng)，請(qǐng)參見(jiàn)圖8，可包括：

深度相機(jī)801、慣性測(cè)量單元802及相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定裝置803；

其中，所述深度相機(jī)801用于獲取物體的三維空間信息，固定在待標(biāo)定應(yīng)用場(chǎng)景一側(cè)，與所述相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定裝置703通過(guò)有線(xiàn)相連；

所述慣性測(cè)量單元802用于測(cè)量所述物體在三維空間中的角速度及加速度，相對(duì)所述深度相機(jī)自由移動(dòng)，與所述相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定裝置703相連。

所述相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定裝置803的各功能模塊的功能可根據(jù)上述方法實(shí)施例中的方法具體實(shí)現(xiàn)，其具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程可以參照上述方法實(shí)施例的相關(guān)描述，此處不再贅述。

本發(fā)明實(shí)施例所述相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定系統(tǒng)的各功能模塊的功能可根據(jù)上述方法實(shí)施例中的方法具體實(shí)現(xiàn)，其具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程可以參照上述方法實(shí)施例的相關(guān)描述，此處不再贅述。

由上可知，本發(fā)明實(shí)施例利用固定的深度相機(jī)與可自由移動(dòng)的慣性測(cè)量單元記錄對(duì)象物體在三維空間中進(jìn)行移動(dòng)時(shí)的位移信息，利用標(biāo)定原理，根據(jù)這些位移信息計(jì)算得到深度相機(jī)與慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣。整個(gè)相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定過(guò)程易于操作、精度高、無(wú)需額外的標(biāo)定輔助設(shè)備且為非接觸式標(biāo)定，有利于提升深度相機(jī)與慣性測(cè)量單元的相對(duì)姿態(tài)標(biāo)定的效率與準(zhǔn)確率，從而為機(jī)器人遠(yuǎn)程操縱和體感游戲設(shè)備校準(zhǔn)等體感交互技術(shù)領(lǐng)域提供啟發(fā)和準(zhǔn)確的標(biāo)定信息。

本說(shuō)明書(shū)中各個(gè)實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說(shuō)明的都是與其它實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同或相似部分互相參見(jiàn)即可。對(duì)于實(shí)施例公開(kāi)的裝置而言，由于其與實(shí)施例公開(kāi)的方法相對(duì)應(yīng)，所以描述的比較簡(jiǎn)單，相關(guān)之處參見(jiàn)方法部分說(shuō)明即可。

專(zhuān)業(yè)人員還可以進(jìn)一步意識(shí)到，結(jié)合本文中所公開(kāi)的實(shí)施例描述的各示例的單元及算法步驟，能夠以電子硬件、計(jì)算機(jī)軟件或者二者的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)，為了清楚地說(shuō)明硬件和軟件的可互換性，在上述說(shuō)明中已經(jīng)按照功能一般性地描述了各示例的組成及步驟。這些功能究竟以硬件還是軟件方式來(lái)執(zhí)行，取決于技術(shù)方案的特定應(yīng)用和設(shè)計(jì)約束條件。專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員可以對(duì)每個(gè)特定的應(yīng)用來(lái)使用不同方法來(lái)實(shí)現(xiàn)所描述的功能，但是這種實(shí)現(xiàn)不應(yīng)認(rèn)為超出本發(fā)明的范圍。

結(jié)合本文中所公開(kāi)的實(shí)施例描述的方法或算法的步驟可以直接用硬件、處理器執(zhí)行的軟件模塊，或者二者的結(jié)合來(lái)實(shí)施。軟件模塊可以置于隨機(jī)存儲(chǔ)器(ram)、內(nèi)存、只讀存儲(chǔ)器(rom)、電可編程rom、電可擦除可編程rom、寄存器、硬盤(pán)、可移動(dòng)磁盤(pán)、cd-rom、或技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)所公知的任意其它形式的存儲(chǔ)介質(zhì)中。

以上對(duì)本發(fā)明所提供的一種相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定方法、裝置及系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。