專利名稱：一種基于紅外投影標(biāo)志點(diǎn)的視覺位置跟蹤系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及視覺位置跟蹤技術(shù)，尤其涉及一種基于紅外投影標(biāo)志點(diǎn)的視覺位置跟
蹤系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是將真實(shí)場景與計(jì)算機(jī)生成的虛擬場景實(shí)時(shí)融合的一種應(yīng)用技術(shù)。 其關(guān)鍵在于能在正確的位置以設(shè)定的方式疊加虛擬圖像，實(shí)現(xiàn)核心在于高精度的跟蹤定位 技術(shù)。 在大范圍增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，目標(biāo)物體是大范圍跟蹤系統(tǒng)的工作對象，用基于計(jì)算 機(jī)視覺跟蹤的注冊系統(tǒng)中，對指定目標(biāo)的跟蹤定位就是通過識別標(biāo)志點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的。標(biāo)志點(diǎn)按 制作方式可分為自然標(biāo)志點(diǎn)和人工標(biāo)志點(diǎn)。自然標(biāo)志點(diǎn)的識別在現(xiàn)有條件下還是比較困難 的，所以目前的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用大多使用較易實(shí)現(xiàn)的人工標(biāo)志點(diǎn)。 人工標(biāo)志點(diǎn)可以分為可見與不可見標(biāo)志點(diǎn)兩大類?？梢姌?biāo)志點(diǎn)是指由黑白或彩 色圖案組成的可識別標(biāo)志點(diǎn)，將可見標(biāo)志點(diǎn)置于建筑內(nèi)表面，圖像采集設(shè)備采集可見標(biāo)志 點(diǎn)的圖像并發(fā)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行可見標(biāo)志點(diǎn)的定位和跟蹤。可見標(biāo)志點(diǎn)的制作簡單，例如 可以采用打印設(shè)定的圖案得到，但易受環(huán)境光照等其他因素的影響，且影響虛實(shí)融合的 沉浸感。不可見標(biāo)志點(diǎn)最常見的是指紅外光圖案標(biāo)志點(diǎn)，通常也是將紅外光圖案標(biāo)志點(diǎn) 置于建筑內(nèi)表面，紅外光圖案標(biāo)志點(diǎn)的圖像在紅外圖像采集設(shè)備的CCD(電荷耦合元件， Charge-coupled Device)上成像，紅外圖像采集設(shè)備將成像得到的紅外光圖案標(biāo)志點(diǎn)的圖 像發(fā)送到計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行紅外光圖案標(biāo)志點(diǎn)的定位和跟蹤。紅外標(biāo)志點(diǎn)發(fā)出的光波 長一般在800nm以上，人眼不可見，故不影響人們在可見光范圍的觀測。在室內(nèi)環(huán)境下，紅 外發(fā)射源不多，且功率一般較低，因而紅外標(biāo)志點(diǎn)受到的干擾較小，更容易實(shí)現(xiàn)快速跟蹤。
目前常見的紅外標(biāo)志點(diǎn)有主動發(fā)光式和被動反射式。主動發(fā)光式是由紅外 LED(發(fā)光二極管)等可控紅外光源主動向外發(fā)射紅外光。這類型標(biāo)志點(diǎn)的特點(diǎn)是功率高， 亮度大，識別較容易，位置穩(wěn)定。若使用單片機(jī)控制紅外LED的亮滅還可實(shí)現(xiàn)標(biāo)志點(diǎn)的編 碼。但是，由于主動發(fā)光式標(biāo)志點(diǎn)電路較復(fù)雜且一般被固定在建筑內(nèi)表面上，維護(hù)不方便， 如果出現(xiàn)LED的損壞，或者想變更標(biāo)志點(diǎn)圖案都需要更換整個(gè)建筑內(nèi)表面。
被動反射式是指本身不發(fā)光，但由特殊材料制成可反射紅外光源。使用時(shí)，需要用 紅外光源照射標(biāo)志點(diǎn)，讓標(biāo)志點(diǎn)反射出紅外光，以便攝像機(jī)捕捉。反射式標(biāo)志點(diǎn)從制作到維 護(hù)都比主動發(fā)光式標(biāo)志點(diǎn)更加簡便。不足是反射材料會吸收部分光能，使得標(biāo)志點(diǎn)亮度不 及主動發(fā)光式標(biāo)志點(diǎn)；其次，非標(biāo)志點(diǎn)物體受到紅外光源照射也會反射部分紅外光，這對標(biāo) 志點(diǎn)來說是一種干擾。 目前，大范圍室內(nèi)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)已經(jīng)在軍事訓(xùn)練，娛樂，教育培訓(xùn)，工業(yè)輔助等多 個(gè)領(lǐng)域展開應(yīng)用，因此對新一代的不可見，安裝維護(hù)簡單，穩(wěn)定性好的紅外標(biāo)志點(diǎn)提出了新 的要求，且這種新一代的紅外標(biāo)志點(diǎn)需要滿足大范圍跟蹤注冊的要求。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于紅外投影標(biāo)志點(diǎn)的視覺位置跟蹤系統(tǒng)，能夠提 供不可見、安裝維護(hù)簡單、穩(wěn)定性好的紅外標(biāo)志點(diǎn)，且所提供的紅外標(biāo)志點(diǎn)能夠大范圍跟蹤 注冊的需求。 該紅外投影標(biāo)志點(diǎn)的視覺位置跟蹤系統(tǒng)，包括主標(biāo)志點(diǎn)產(chǎn)生裝置、輔助標(biāo)志點(diǎn)產(chǎn) 生裝置、紅外圖像采集裝置和計(jì)算裝置； 所述主標(biāo)志點(diǎn)產(chǎn)生裝置由紅外光源、第一菲聶耳透鏡、標(biāo)志點(diǎn)底片、第二菲聶耳透 鏡、投影鏡頭和滑動導(dǎo)軌組成； 所述紅外光源、第一菲聶耳透鏡、第二菲聶耳透鏡和投影鏡頭依次置于滑動導(dǎo)軌 上；具有預(yù)設(shè)主標(biāo)志點(diǎn)圖案的標(biāo)志點(diǎn)底片置于第一菲聶耳透鏡上；所述紅外光源發(fā)出的紅 外光依次通過第一菲聶耳透鏡上的標(biāo)志點(diǎn)底片、第二菲聶耳透鏡和投影鏡頭投射到指定區(qū) 域，形成主標(biāo)志點(diǎn)圖像；所述標(biāo)志點(diǎn)底片上的主標(biāo)志點(diǎn)圖案不透光或標(biāo)志點(diǎn)底片上除主標(biāo) 志點(diǎn)圖案的部分不透光； 所述輔助標(biāo)志點(diǎn)產(chǎn)生裝置包括支撐架和至少4個(gè)紅外激光發(fā)生器；每個(gè)紅外激光 發(fā)生器通過一個(gè)萬向軸承安裝在所述支撐架上；每個(gè)紅外激光發(fā)生器發(fā)出的紅外激光投射 到所述主標(biāo)志點(diǎn)圖像周邊的設(shè)定位置，形成一個(gè)輔助標(biāo)志點(diǎn)； 所述紅外圖像采集裝置，采集所述指定區(qū)域的紅外光圖像，并發(fā)送給所述計(jì)算裝 置； 所述計(jì)算裝置，根據(jù)紅外光圖像中的主標(biāo)志點(diǎn)圖像和輔助標(biāo)志點(diǎn)的位置，計(jì)算確
定紅外圖像采集裝置的當(dāng)前位置，利用計(jì)算出的位置完成虛實(shí)融合的位置注冊。 較佳地，該系統(tǒng)包括至少2個(gè)主標(biāo)志點(diǎn)產(chǎn)生裝置，各主標(biāo)志點(diǎn)產(chǎn)生裝置發(fā)出的主
標(biāo)志點(diǎn)圖像投射到指定區(qū)域的設(shè)定位置。 較佳地，所述輔助標(biāo)志點(diǎn)產(chǎn)生裝置包括8個(gè)紅外激光發(fā)生器，每個(gè)紅外激光發(fā)生 器為一個(gè)紅外激光發(fā)射二極管，8個(gè)紅外激光發(fā)生器分成兩列，通過8個(gè)萬向軸承安裝在支 撐架上。 較佳地，所述紅外光源由紅外發(fā)射二極管陣列組成，其總功率不小于36瓦。
其中，所述計(jì)算裝置包括二值化模塊、校正模塊、提取和識別模塊、位置計(jì)算模塊 和合成增強(qiáng)模塊； 所述二值化模塊，用于將紅外圖像采集裝置采集的紅外光圖像轉(zhuǎn)換為二值圖，并 發(fā)送給校正模塊； 所述校正模塊，用于對所述二值圖進(jìn)行圖像失真的校正，得到校正后的圖像，并發(fā) 送給提取和識別模塊； 所述提取和識別模塊，用于根據(jù)預(yù)先獲知的主標(biāo)志點(diǎn)位置，從所述校正后的圖像 中辨識主標(biāo)志點(diǎn)圖像，根據(jù)主標(biāo)志點(diǎn)圖像的位置識別輔助標(biāo)志點(diǎn)的位置并記錄；如果辨識 出的主標(biāo)志點(diǎn)圖像完整，則將主標(biāo)志點(diǎn)的位置信息發(fā)送給位置計(jì)算模塊；如果主標(biāo)志點(diǎn)圖 像不完整或沒有主標(biāo)志點(diǎn)圖像，則獲取已記錄的各輔助標(biāo)志點(diǎn)位置，將輔助標(biāo)志點(diǎn)位置發(fā) 送給位置計(jì)算模塊；如果圖像中沒有主標(biāo)志點(diǎn)圖像且識別到少于4個(gè)輔助標(biāo)記點(diǎn)，則確認(rèn) 跟蹤失??； 所述位置計(jì)算模塊，根據(jù)來自所述提取和識別模塊的主標(biāo)志點(diǎn)位置信息或輔助標(biāo)
4志點(diǎn)位置計(jì)算紅外圖像采集裝置的位置，并發(fā)送給合成增強(qiáng)模塊； 合成增強(qiáng)模塊，用于根據(jù)位置計(jì)算模塊提供的紅外圖像采集裝置的位置，利用計(jì) 算出的位置完成虛實(shí)融合的位置注冊。 根據(jù)以上技術(shù)方案可見，本發(fā)明采用紅外光源透過一具有預(yù)設(shè)主標(biāo)志點(diǎn)圖案的標(biāo) 志點(diǎn)底片向指定區(qū)域投影主標(biāo)志點(diǎn)圖像，由于本發(fā)明投影出的圖像為紅外光圖像，因此具 有不可見標(biāo)志點(diǎn)的功率高，亮度大，識別較容易，位置穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，且主標(biāo)志點(diǎn)圖像的形狀 由標(biāo)志點(diǎn)底片上的主標(biāo)志點(diǎn)圖案決定，當(dāng)需要更改主標(biāo)志點(diǎn)形狀時(shí)，只需要維護(hù)標(biāo)志點(diǎn)底 片即可，安裝維護(hù)操作均十分簡便。而且，為了實(shí)現(xiàn)大范圍的跟蹤注冊需求，本發(fā)明還在主 標(biāo)志點(diǎn)周圍投影至少4個(gè)輔助標(biāo)志點(diǎn)，當(dāng)由于紅外圖像采集裝置的移動，導(dǎo)致主標(biāo)志點(diǎn)部 分或全部移出采集區(qū)域時(shí)，能夠通過輔助標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行定位和跟蹤處理。


圖1為本發(fā)明基于紅外投影標(biāo)志點(diǎn)的視覺位置跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明主標(biāo)志點(diǎn)產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3(a)和圖3(b)為圖1中投影底片的示意圖。
圖4為本發(fā)明輔助標(biāo)志點(diǎn)產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5為本發(fā)明計(jì)算機(jī)根據(jù)包含主標(biāo)志點(diǎn)和輔助標(biāo)志點(diǎn)的圖像進(jìn)行增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)處理 的流程圖。 圖6為圖像中包括完整主標(biāo)志點(diǎn)和多個(gè)輔助標(biāo)志點(diǎn)的示意圖。
圖7為圖像中包括部分主標(biāo)識點(diǎn)和多個(gè)輔助標(biāo)志點(diǎn)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了一種基于紅外投影標(biāo)志點(diǎn)的視覺位置跟蹤系統(tǒng)，其基本思想是，該 系統(tǒng)采用紅外光源透過一具有預(yù)設(shè)主標(biāo)志點(diǎn)圖案的標(biāo)志點(diǎn)底片向指定區(qū)域投影主標(biāo)志點(diǎn) 圖像，由于本發(fā)明投影出的圖像為紅外光圖像，因此具有不可見標(biāo)志點(diǎn)的功率高，亮度大， 識別較容易，位置穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，且主標(biāo)志點(diǎn)圖像的形狀由標(biāo)志點(diǎn)底片上的主標(biāo)志點(diǎn)圖案決 定，當(dāng)需要更改主標(biāo)志點(diǎn)形狀時(shí)，只需要維護(hù)標(biāo)志點(diǎn)底片即可，安裝維護(hù)操作均十分簡便。 而且，為了實(shí)現(xiàn)大范圍的跟蹤注冊需求，本發(fā)明還在主標(biāo)志點(diǎn)周圍投影至少4個(gè)輔助標(biāo)志 點(diǎn)，當(dāng)由于紅外圖像采集裝置的移動，導(dǎo)致主標(biāo)志點(diǎn)部分或全部移出采集區(qū)域時(shí)，能夠通過 輔助標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行定位和跟蹤處理。 下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。 圖1為本發(fā)明基于紅外投影標(biāo)志點(diǎn)的視覺位置跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所 示，該系統(tǒng)包括至少1個(gè)主標(biāo)志點(diǎn)產(chǎn)生裝置、輔助標(biāo)志點(diǎn)產(chǎn)生裝置、紅外圖像采集裝置和計(jì) 算裝置。在本實(shí)施例中，紅外圖像采集裝置可以為紅外攝像機(jī)，計(jì)算裝置可以采用計(jì)算機(jī)。
圖2示出了圖1中主標(biāo)志點(diǎn)產(chǎn)生裝置，如圖2所示，每個(gè)主標(biāo)志點(diǎn)產(chǎn)生裝置由紅外 光源1、標(biāo)志點(diǎn)底片2、菲聶耳透鏡3、菲聶耳透鏡4、投影鏡頭5和滑動導(dǎo)軌6組成。
紅外光源1、菲聶耳透鏡3、菲聶耳透鏡4和投影鏡頭5依次置于滑動導(dǎo)軌6上，方 便調(diào)整其相對位置，從而投影出最清晰的圖像。為了使投影標(biāo)志點(diǎn)亮度足夠大，可選擇功率 較大的紅外LED燈陣列作為該系統(tǒng)的紅外光源l，例如紅外光源的總功率不小于36瓦。印
5有主標(biāo)志點(diǎn)圖案的標(biāo)志點(diǎn)底片2置于首個(gè)菲聶耳透鏡3上，較佳地，在保證成像質(zhì)量的前提
下，菲聶耳透鏡3應(yīng)盡量靠近光源，以提高光能利用率。菲聶耳透鏡3和4組成的菲聶耳透
鏡組的作用是使紅外光源的發(fā)散光盡可能匯聚，從而減小后級光路通光口徑，同時(shí)提高光
能利用率，其聚焦后的圖像經(jīng)由投影鏡頭5投射到面板，例如建筑物內(nèi)表面(墻面，天花板)
等等。投影鏡頭5與菲聶耳透鏡4之間的距離由投影鏡頭5的焦距決定。 由于標(biāo)志點(diǎn)底片2的存在，紅外光源1發(fā)出的紅外光依次通過菲聶耳透鏡3上的
標(biāo)志點(diǎn)底片2、菲聶耳透鏡4和投影鏡頭5投射到指定區(qū)域，較佳地，可以投射到指定區(qū)域的
中心，從而在指定區(qū)域中顯示出主標(biāo)志點(diǎn)圖像。主標(biāo)志點(diǎn)圖像透鏡的位置是預(yù)先設(shè)計(jì)確定
的，且在紅外攝像機(jī)移動過程中不改變其位置。 標(biāo)志點(diǎn)底片2可以采用亞克力板制成，其表面刻出特定的標(biāo)志點(diǎn)圖形的凹槽，在 標(biāo)志點(diǎn)圖像的凹槽處涂上不透光的涂料或者用膠泥封住，就能使標(biāo)志點(diǎn)圖形對應(yīng)的投影區(qū) 域不受光照，從而產(chǎn)生黑白對比的圖案。當(dāng)然，也可以在亞克力板上刻出形狀如標(biāo)志點(diǎn)圖形 的突起，然后在除了突起的部分涂上不透光的涂料或者用膠泥封住，那么就能使標(biāo)志點(diǎn)圖 像對應(yīng)的投影區(qū)域受到光照，從而產(chǎn)生黑白對比的圖案。如圖3(a)和圖3(b)示出了兩種 標(biāo)志點(diǎn)底片2的投影情況示意圖，圖3(a)的標(biāo)志點(diǎn)圖形為"T"字型，或圖3(b)的標(biāo)志點(diǎn)圖 形為"口"字形，且均是標(biāo)志點(diǎn)圖像部分受光，當(dāng)然在實(shí)際中也可以設(shè)計(jì)其他圖形作為主標(biāo) 志點(diǎn)。 本實(shí)施例中，紅外光源1、標(biāo)志點(diǎn)底片2、菲聶耳透鏡3、4和投影鏡頭5的具體參數(shù) 可以如下 1.紅外光源1中紅外LED燈陣列共7 X 5個(gè)LED燈，波長850nm。
2.菲聶耳透鏡組尺寸200mmX 150mm，焦距180mm。
3.投影鏡頭5 : 口徑130mm，焦距330mm。
4.標(biāo)志點(diǎn)底片2 :尺寸70X70mm。
本實(shí)施例中，各部件間距離可以為 紅外光源1中紅外LED與標(biāo)志點(diǎn)底片2之間的距離100mm ; 菲聶耳透鏡3和4之間的間距110mm ; 菲聶耳透鏡4與投影鏡頭5之間的距離150mm。 在大范圍跟蹤系統(tǒng)中，只使用主標(biāo)志點(diǎn)有時(shí)不能滿足精確定位的要求，因此本發(fā) 明在主標(biāo)志點(diǎn)周圍增加輔助標(biāo)志點(diǎn)，輔助標(biāo)志點(diǎn)系統(tǒng)可直接射出紅外激光點(diǎn)，其亮度高，位 置精確性好，可用于標(biāo)志點(diǎn)圖形的精確定位。各種圖形的主標(biāo)志點(diǎn)和各種位置的輔助標(biāo)志 點(diǎn)可以組成多種標(biāo)志點(diǎn)圖案編碼，由紅外攝像機(jī)拍攝主標(biāo)志點(diǎn)和輔助標(biāo)志點(diǎn)后，可根據(jù)不 同的標(biāo)志點(diǎn)編碼算法實(shí)時(shí)解算，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的位置跟蹤。 圖4示出了圖1中輔助標(biāo)志點(diǎn)產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，該輔助標(biāo)志點(diǎn) 產(chǎn)生裝置包括支撐架8和兩列共8個(gè)紅外激光發(fā)射二極管(波長850nm)，每個(gè)激光二極管 都安裝在一個(gè)萬向軸承上，萬向軸承安裝在支撐架8上，使得激光二極管發(fā)射方位可自由 調(diào)整。多個(gè)激光二極管發(fā)出的紅外激光投射到主標(biāo)志點(diǎn)圖像的周邊，形成多個(gè)輔助標(biāo)志點(diǎn)。 輔助標(biāo)志點(diǎn)的投影位置可以根據(jù)需要設(shè)置，與主標(biāo)志點(diǎn)相同，輔助標(biāo)志點(diǎn)在位置確定后，不 會在紅外攝像機(jī)移動過程中改變位置。 由主標(biāo)志點(diǎn)和輔標(biāo)志點(diǎn)配合投射在建筑物內(nèi)表面的標(biāo)志點(diǎn)，可以組成多種標(biāo)志點(diǎn)圖案編碼。通過紅外攝像機(jī)拍攝建筑物內(nèi)表面時(shí)，紅外主、輔標(biāo)志點(diǎn)將成像于紅外攝像機(jī)的CCD上。 計(jì)算機(jī)獲取紅外攝像機(jī)采集的紅外光圖像，根據(jù)紅外光圖像中主標(biāo)志點(diǎn)和輔助標(biāo)志點(diǎn)的位置，確定紅外攝像機(jī)的位置，利用紅外攝像機(jī)的位置完成虛實(shí)融合的位置注冊。
具體來說，計(jì)算機(jī)包括如下模塊二值化模塊、校正模塊、提取和識別模塊、位置計(jì)算模塊和合成增強(qiáng)模塊。下面結(jié)合圖4說明計(jì)算機(jī)根據(jù)包含主標(biāo)志點(diǎn)和輔助標(biāo)志點(diǎn)的圖像進(jìn)行增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)處理的流程。如圖4所示，該流程包括以下步驟 步驟1、二值化模塊將紅外攝像機(jī)采集的紅外光圖像轉(zhuǎn)換為二值圖，并發(fā)送給校正模塊。紅外攝像機(jī)采集投影標(biāo)志點(diǎn)的紅外圖像，由于其安裝了紅外濾光片，紅外攝像機(jī)所拍攝的紅外圖像基本上是一副具有255級灰度值的灰度圖像，因此這里使用簡單的二值化算法可以得到一幅黑白圖像。 步驟2、校正模塊對二值圖進(jìn)行圖像失真的校正，得到校正后的圖像，并發(fā)送給提取和識別模塊。 由于紅外攝像機(jī)使用廣角鏡頭，其采集的圖像會有很大的徑向失真，所以需要對圖像進(jìn)行相應(yīng)的校正，以得到一個(gè)針孔模型攝像機(jī)的圖像。 步驟3、提取和識別模塊根據(jù)預(yù)先獲知的主標(biāo)志點(diǎn)位置，從校正后的圖像中辨識主標(biāo)志點(diǎn)圖像，根據(jù)主標(biāo)志點(diǎn)圖像的位置識別輔助標(biāo)志點(diǎn)的位置并記錄；如果辨識出的主標(biāo)志點(diǎn)圖像完整，則將主標(biāo)志點(diǎn)的位置信息發(fā)送給位置計(jì)算模塊；如果主標(biāo)志點(diǎn)圖像不完整或沒有主標(biāo)志點(diǎn)圖像，則獲取已記錄的各輔助標(biāo)志點(diǎn)位置，將輔助標(biāo)志點(diǎn)位置發(fā)送給位置計(jì)算模塊；如果圖像中沒有主標(biāo)志點(diǎn)圖像且識別到少于4個(gè)輔助標(biāo)記點(diǎn)，則確認(rèn)跟蹤失敗。
在應(yīng)用中，可以通過調(diào)整主標(biāo)志點(diǎn)的位置，確保紅外攝像機(jī)在初始階段可以采集到完整主標(biāo)志點(diǎn)圖像，那么提取和識別模塊在獲取第一幀圖像后，辨識主標(biāo)志點(diǎn)圖像和識別輔助標(biāo)志點(diǎn)的位置，識別后可以在后臺處理圖像上標(biāo)記輔助標(biāo)志點(diǎn)的序號，以便處理后續(xù)幀時(shí)方便對輔助標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行識別。然后，針對第一幀圖像，根據(jù)主標(biāo)志點(diǎn)圖像是否完整，確定向位置計(jì)算模塊發(fā)送主標(biāo)志點(diǎn)的位置信息還是發(fā)送輔助標(biāo)志點(diǎn)位置。對于后續(xù)幀，直接根據(jù)主標(biāo)志點(diǎn)圖像是否完整，確定向位置計(jì)算模塊發(fā)送主標(biāo)志點(diǎn)的位置信息還是發(fā)送輔助標(biāo)志點(diǎn)位置，如果確認(rèn)跟蹤失敗，則在下一幀處理時(shí)，重新辨識主標(biāo)志點(diǎn)圖像和識別輔助標(biāo)志點(diǎn)的位置并進(jìn)行標(biāo)記。 舉個(gè)例子，圖像校正后，主標(biāo)志點(diǎn)和輔助標(biāo)志點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)在圖像畫面中，如圖6，辨識主標(biāo)志點(diǎn)后，標(biāo)記輔助標(biāo)志點(diǎn)1至8，由主標(biāo)志點(diǎn)可計(jì)算攝像機(jī)位置。主標(biāo)志點(diǎn)移出圖像后，如圖7，不能識別到完整主標(biāo)志點(diǎn)，可由輔助標(biāo)志點(diǎn)3至8計(jì)算攝像機(jī)位置。若圖像中無法識別到主標(biāo)志點(diǎn)，且識別到4個(gè)輔助標(biāo)志點(diǎn)以下，則跟蹤失敗。 步驟4、位置計(jì)算模塊根據(jù)主標(biāo)志點(diǎn)的位置信息或輔助標(biāo)志點(diǎn)位置計(jì)算紅外攝像機(jī)的在世界坐標(biāo)系中的位置。在已知標(biāo)志點(diǎn)位置的情況下，根據(jù)計(jì)算機(jī)視覺中攝像機(jī)模型，共面4點(diǎn)(主標(biāo)志點(diǎn)圖像的4個(gè)頂點(diǎn)，或者4個(gè)輔助標(biāo)志點(diǎn))計(jì)算攝像機(jī)位置為已有技術(shù)，這里不贅述。 步驟5、合成增強(qiáng)模塊根據(jù)位置計(jì)算模塊提供的紅外圖像采集裝置的位置，利用計(jì)算出的位置完成虛實(shí)融合的位置注冊。
權(quán)利要求
一種基于紅外投影標(biāo)志點(diǎn)的視覺位置跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，包括主標(biāo)志點(diǎn)產(chǎn)生裝置、輔助標(biāo)志點(diǎn)產(chǎn)生裝置、紅外圖像采集裝置和計(jì)算裝置；所述主標(biāo)志點(diǎn)產(chǎn)生裝置由紅外光源、第一菲聶耳透鏡、標(biāo)志點(diǎn)底片、第二菲聶耳透鏡、投影鏡頭和滑動導(dǎo)軌組成；所述紅外光源、第一菲聶耳透鏡、第二菲聶耳透鏡和投影鏡頭依次置于滑動導(dǎo)軌上；具有預(yù)設(shè)主標(biāo)志點(diǎn)圖案的標(biāo)志點(diǎn)底片置于第一菲聶耳透鏡上；所述紅外光源發(fā)出的紅外光依次通過第一菲聶耳透鏡上的標(biāo)志點(diǎn)底片、第二菲聶耳透鏡和投影鏡頭投射到指定區(qū)域，形成主標(biāo)志點(diǎn)圖像；所述標(biāo)志點(diǎn)底片上的主標(biāo)志點(diǎn)圖案不透光或標(biāo)志點(diǎn)底片上除主標(biāo)志點(diǎn)圖案的部分不透光；所述輔助標(biāo)志點(diǎn)產(chǎn)生裝置包括支撐架和至少4個(gè)紅外激光發(fā)生器；每個(gè)紅外激光發(fā)生器通過一個(gè)萬向軸承安裝在所述支撐架上；每個(gè)紅外激光發(fā)生器發(fā)出的紅外激光投射到所述主標(biāo)志點(diǎn)圖像周邊的設(shè)定位置，形成一個(gè)輔助標(biāo)志點(diǎn)；所述紅外圖像采集裝置，采集所述指定區(qū)域的紅外光圖像，并發(fā)送給所述計(jì)算裝置；所述計(jì)算裝置，根據(jù)紅外光圖像中的主標(biāo)志點(diǎn)圖像和輔助標(biāo)志點(diǎn)的位置，計(jì)算確定紅外圖像采集裝置的當(dāng)前位置，利用計(jì)算出的位置完成虛實(shí)融合的位置注冊。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于紅外投影標(biāo)志點(diǎn)的視覺位置跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，該系 統(tǒng)包括至少2個(gè)主標(biāo)志點(diǎn)產(chǎn)生裝置，各主標(biāo)志點(diǎn)產(chǎn)生裝置發(fā)出的主標(biāo)志點(diǎn)圖像投射到指定 區(qū)域的設(shè)定位置。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于紅外投影標(biāo)志點(diǎn)的視覺位置跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述 輔助標(biāo)志點(diǎn)產(chǎn)生裝置包括8個(gè)紅外激光發(fā)生器，每個(gè)紅外激光發(fā)生器為一個(gè)紅外激光發(fā)射 二極管，8個(gè)紅外激光發(fā)生器分成兩列，通過8個(gè)萬向軸承安裝在支撐架上。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于紅外投影標(biāo)志點(diǎn)的視覺位置跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述 紅外光源由紅外發(fā)射二極管陣列組成，其總功率不小于36瓦。
5. 如權(quán)利要求1所述的基于紅外投影標(biāo)志點(diǎn)的視覺位置跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述 計(jì)算裝置包括二值化模塊、校正模塊、提取和識別模塊、位置計(jì)算模塊和合成增強(qiáng)模塊；所述二值化模塊，用于將紅外圖像采集裝置采集的紅外光圖像轉(zhuǎn)換為二值圖，并發(fā)送 給校正模塊；所述校正模塊，用于對所述二值圖進(jìn)行圖像失真的校正，得到校正后的圖像，并發(fā)送給 提取和識別模塊；所述提取和識別模塊，用于根據(jù)預(yù)先獲知的主標(biāo)志點(diǎn)位置，從所述校正后的圖像中辨 識主標(biāo)志點(diǎn)圖像，根據(jù)主標(biāo)志點(diǎn)圖像的位置識別輔助標(biāo)志點(diǎn)的位置并記錄；如果辨識出的 主標(biāo)志點(diǎn)圖像完整，則將主標(biāo)志點(diǎn)的位置信息發(fā)送給位置計(jì)算模塊；如果主標(biāo)志點(diǎn)圖像不 完整或沒有主標(biāo)志點(diǎn)圖像，則獲取已記錄的各輔助標(biāo)志點(diǎn)位置，將輔助標(biāo)志點(diǎn)位置發(fā)送給 位置計(jì)算模塊；如果圖像中沒有主標(biāo)志點(diǎn)圖像且識別到少于4個(gè)輔助標(biāo)記點(diǎn)，則確認(rèn)跟蹤失?。凰鑫恢糜?jì)算模塊，根據(jù)來自所述提取和識別模塊的主標(biāo)志點(diǎn)位置信息或輔助標(biāo)志點(diǎn) 位置計(jì)算紅外圖像采集裝置的位置，并發(fā)送給合成增強(qiáng)模塊；合成增強(qiáng)模塊，用于根據(jù)位置計(jì)算模塊提供的紅外圖像采集裝置的位置，利用計(jì)算出 的位置完成虛實(shí)融合的位置注冊。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于紅外投影標(biāo)志點(diǎn)的視覺位置跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用紅外光源透過一具有預(yù)設(shè)主標(biāo)志點(diǎn)圖案的標(biāo)志點(diǎn)底片向指定區(qū)域投影主標(biāo)志點(diǎn)圖像，由于本發(fā)明投影出的圖像為紅外光圖像，因此具有不可見標(biāo)志點(diǎn)的功率高，亮度大，識別較容易，位置穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，且主標(biāo)志點(diǎn)圖像的形狀由標(biāo)志點(diǎn)底片上的主標(biāo)志點(diǎn)圖案決定，當(dāng)需要更改主標(biāo)志點(diǎn)形狀時(shí)，只需要維護(hù)標(biāo)志點(diǎn)底片即可，安裝維護(hù)操作均十分簡便。而且，為了實(shí)現(xiàn)大范圍的跟蹤注冊需求，本發(fā)明還在主標(biāo)志點(diǎn)周圍投影至少4個(gè)輔助標(biāo)志點(diǎn)，當(dāng)由于紅外圖像采集裝置的移動，導(dǎo)致主標(biāo)志點(diǎn)部分或全部移出采集區(qū)域時(shí)，能夠通過輔助標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行定位和跟蹤處理。
文檔編號G06K9/60GK101777123SQ20101003447
公開日2010年7月14日 申請日期2010年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月21日
發(fā)明者劉越, 王涌天, 翁冬冬, 黃業(yè)桃 申請人:北京理工大學(xué)