專(zhuān)利名稱(chēng)：基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的生命探測(cè)與救援系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的生命探測(cè)與救援系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著城市化進(jìn)程逐步加快，城鄉(xiāng)建(構(gòu))筑物的規(guī)模、高度以及跨度都逐漸增加， 人口密度也越來(lái)越大，地震災(zāi)害造成的潛在危險(xiǎn)性與日俱增，一旦發(fā)生破壞性地震，將造成 人民生命財(cái)產(chǎn)的巨大損失。如何最大限度地減輕地震災(zāi)害造成的損失，是各國(guó)防震減災(zāi)工 作的重要任務(wù)，其中如何搶救被壓埋人員，有效地減少人員傷亡是減輕災(zāi)害損失的首要任 務(wù)，也是最能體現(xiàn)出減災(zāi)實(shí)效的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。據(jù)有關(guān)專(zhuān)家調(diào)查統(tǒng)計(jì)，唐山地震發(fā)生后，第一 天將被壓埋人員救出救活率為81%，第二天內(nèi)救出救活率為53%，第三天內(nèi)救出救活率為 36. 7%，第四天內(nèi)救出救活率為19%，第五天內(nèi)救出救活率為7. 4 %，越晚救活的希望就越小。 上述數(shù)據(jù)表明，實(shí)施救助的時(shí)間越早，救出的人員越多；尤其震后72小時(shí)是救助被埋人 員的關(guān)鍵時(shí)期。國(guó)內(nèi)、外歷次大震救援的事實(shí)證明，對(duì)壓埋人員搶救越快越及時(shí)，救出救活 的可能性越大。因此，震后對(duì)于被埋人員的迅速定位、迅速救援就成了救災(zāi)的關(guān)鍵，同時(shí)這 也對(duì)救援技術(shù)和設(shè)備提出了更高的要求。目前，我國(guó)的地震救援隊(duì)已配備了搜救犬和多種 搜救儀器，包括聲波振動(dòng)生命探測(cè)儀、光學(xué)生命探測(cè)儀、紅外聲明探測(cè)儀等。這些手段雖然 能夠探測(cè)到生命信息的存在，但是對(duì)于精確定位方面做得還很不夠，以致于耽誤了寶貴的 救援時(shí)間。因此如何進(jìn)行精確定位、可視救援在當(dāng)前抗震救援中的一個(gè)亟待解決的難題。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR，Augmented Reality )，通常也稱(chēng)作擴(kuò)充現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)視覺(jué)或增強(qiáng)現(xiàn) 實(shí)視覺(jué)，是近年來(lái)國(guó)際上在虛擬現(xiàn)實(shí)研究的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的一個(gè)新的研究方向，也是虛 擬現(xiàn)實(shí)研究領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)熱點(diǎn)問(wèn)題。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是將計(jì)算機(jī)生成的虛擬圖像或其他 信息有機(jī)地、實(shí)時(shí)地、動(dòng)態(tài)地疊加(或融合)在觀察者所看到的現(xiàn)實(shí)環(huán)境當(dāng)中，并且這些虛擬 信息與用戶(hù)周?chē)默F(xiàn)實(shí)環(huán)境融為一體，使用戶(hù)從感官效果上確信虛擬環(huán)境是其周?chē)鎸?shí)環(huán) 境的有機(jī)組成部分，當(dāng)用戶(hù)在真實(shí)場(chǎng)景中移動(dòng)時(shí)，虛擬物體也隨之發(fā)生變化，就好像這些虛 擬物體是真的存在于真實(shí)場(chǎng)景中一樣。這種增強(qiáng)信息可以是在真實(shí)環(huán)境中與真實(shí)物體共存 的虛擬物體，也可以是關(guān)于存在的真實(shí)物體的非幾何信息。從目前國(guó)內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀來(lái)看， 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)仍然處于實(shí)驗(yàn)室階段，目前已開(kāi)發(fā)成功的跟蹤注冊(cè)技術(shù)一般需要在環(huán)境可控 的條件下才可以取得精確的結(jié)果。相對(duì)于室內(nèi)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的發(fā)展，室外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的 發(fā)展相對(duì)滯后。要將虛擬圖像準(zhǔn)確地疊加在客觀世界的場(chǎng)景上，就必須精確、實(shí)時(shí)地確定用 戶(hù)的位置和視線(xiàn)方向。對(duì)于室外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，目前國(guó)際上通常采用的跟蹤定位方法主要 分三類(lèi)基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的注冊(cè)定位、基于跟蹤設(shè)備的注冊(cè)定位、基于視覺(jué)和跟蹤設(shè)備的混 合注冊(cè)定位。基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的三維注冊(cè)方法以計(jì)算機(jī)視覺(jué)理論為基礎(chǔ)，對(duì)CCD攝像機(jī)拍 攝到的現(xiàn)實(shí)環(huán)境圖像進(jìn)行處理與識(shí)別，獲取跟蹤信息，其特點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低廉，目前 對(duì)基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的注冊(cè)技術(shù)的研究在AR領(lǐng)域處于主導(dǎo)地位。但是對(duì)于大范圍未知的戶(hù) 外環(huán)境，采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)的注冊(cè)方式并不合適。采用高精度定位方式，例如GPS RTK技術(shù)可 以將定位精度達(dá)到厘米級(jí)，完全可以滿(mǎn)足戶(hù)外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的需求。[0004]利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將生命探測(cè)儀探測(cè)到的被埋人員信息實(shí)時(shí)疊加到救援人員所 看到的現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像上，就可以使救援人員實(shí)時(shí)看到被埋人員，不但使救援更加有的放矢， 更重要是節(jié)省了寶貝的救援時(shí)間，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是為了解決上述問(wèn)題，提供一種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的生命探 測(cè)與救援系統(tǒng)，它可以在救援現(xiàn)場(chǎng)快速、精確定位被埋人員，并生成增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)圖像，指導(dǎo)救 援的實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案—種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的生命探測(cè)與救援系統(tǒng)，它包括集成了三維電子羅盤(pán)的生 命探測(cè)儀，三維電子羅盤(pán)和生命探測(cè)儀均與穿戴式計(jì)算機(jī)連接；同時(shí)穿戴式計(jì)算機(jī)還與定 位設(shè)備以及頭盔顯示器連接，并且頭盔顯示器也集成了三維電子羅盤(pán)和CXD攝像機(jī)。所述定位設(shè)備為GPS接收機(jī)或光學(xué)或電磁或聲學(xué)定位設(shè)備。所述生命探測(cè)儀、定位設(shè)備以及頭盔顯示器與穿戴式計(jì)算機(jī)采用有線(xiàn)連接或無(wú)線(xiàn) 連接方式?；谠鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的生命探測(cè)與救援系統(tǒng)方法，它的具體步驟為a.通過(guò)高精度定位設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確的測(cè)定救援人員的三維位置；b.利用三維電子羅盤(pán)與生命探測(cè)儀，獲得在某一已知位置點(diǎn)測(cè)定指向被埋人員 的三維方向信息，即指向被埋人員的生命探測(cè)儀天線(xiàn)的三維角度信息；c.通過(guò)至少兩點(diǎn)的測(cè)量，得出被埋人員位置的三維坐標(biāo)，具體計(jì)算方法如下設(shè)過(guò)已知觀測(cè)點(diǎn)
徹P2(X2JM)......Pa(^n)且已測(cè)定方向的η條直線(xiàn)U2......4 ,其中，η為自然
數(shù)；則各直線(xiàn)方程如下
X-X1_ Z-Z1
COSOi1cos P1cos J^1Ti 一—廣Λ ·CObCOS爲(wèi)cos γ2_y-yn ■一
cos ax cos β^ cos γχ其中 COS 外 COS β^ C0S;Vj, cos Q12, COS 爲(wèi),COS Y2......COSC^, COS 各 COS Yx 分別是各直線(xiàn)
的方向余弦，對(duì)于η條直線(xiàn)，…人，理論上應(yīng)該相交于一點(diǎn)A，由于測(cè)量誤差的存在，不
會(huì)相交于一點(diǎn)，但總能分別求出到兩兩直線(xiàn)的最短點(diǎn)…乂，則A的平均值即為最優(yōu) 值；d.通過(guò)穿戴式計(jì)算機(jī)的三維虛擬圖形繪制軟件，利用步驟a和步驟b所得到的信 息參數(shù)以及通過(guò)步驟c得到的三維坐標(biāo)實(shí)時(shí)繪制出基于被埋人員三維位置的虛擬圖形；
4[0018]e.通過(guò)救援人員穿戴的頭盔顯示器上的CXD攝像機(jī)獲取救援現(xiàn)場(chǎng)的視頻圖像；f.通過(guò)救援人員穿戴的頭盔顯示器上的高精度三維電子羅盤(pán)可以得到救援人員 視線(xiàn)方向信息；g.將步驟d所得到的被埋人員位置的虛擬圖像利用穿戴式計(jì)算機(jī)內(nèi)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) 軟件，得到疊加了被埋人員虛擬圖形的視頻圖像；h.將步驟g得到的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)圖像傳輸?shù)骄仍藛T穿戴的頭盔顯示器上，使救援 人員實(shí)時(shí)看到疊加了被埋人員三維虛擬圖形的視頻圖像；i.當(dāng)救援人員的位置和視線(xiàn)方向發(fā)生變化的時(shí)候，其所看到的被埋人員的虛擬 圖形也相應(yīng)地發(fā)生變化。本實(shí)用新型的基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的生命探測(cè)與救援系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法，它包括生 命探測(cè)設(shè)備、高精度三維電子羅盤(pán)、定位設(shè)備、穿戴式電腦、頭盔顯示器等硬件設(shè)備及其相 應(yīng)的軟件，各種設(shè)備均通過(guò)相應(yīng)接口集成到穿戴式電腦上，并通過(guò)穿戴式電腦上運(yùn)行的增 強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)。本實(shí)用新型的有益效果是可以通過(guò)生命探測(cè)儀和三維電子羅盤(pán)實(shí)現(xiàn)對(duì)被埋人員 的快速、精確定位，在救援現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)救援人員佩戴的頭盔顯示器可以實(shí)時(shí)看到疊加了被埋 人員三維虛擬圖形的視頻圖像，就像救援人員能真的看到被埋人員一樣，并且其所看到的 被埋人員的虛擬圖形隨著救援人員位置和視線(xiàn)方向的變化而相應(yīng)的變化。從而可以更好的 指導(dǎo)救援，縮短了救援時(shí)間。

圖1本實(shí)用新型專(zhuān)利的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2本實(shí)用新型工作流程示意圖。圖3為利用生命探測(cè)儀及定位定向設(shè)備來(lái)測(cè)定被埋人員位置原理圖。其中，1.生命探測(cè)儀，2.三維電子羅盤(pán)，3.定位設(shè)備，4.頭盔顯示器，5.穿戴式計(jì) 算機(jī)，6. CXD攝像機(jī)。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型專(zhuān)利作進(jìn)一步說(shuō)明。圖1中，本系統(tǒng)集成了生命探測(cè)儀1、高精度的三維電子羅盤(pán)2、高精度的定位設(shè)備 3、穿戴式計(jì)算機(jī)5、頭盔顯示器4等硬件設(shè)備及相應(yīng)的軟件，其中頭盔顯示器4集成了三維 電子羅盤(pán)2和CXD攝像機(jī)6。通過(guò)生命探測(cè)儀1、三維電子羅盤(pán)2、定位設(shè)備3的多點(diǎn)(至少 兩點(diǎn))測(cè)量可以精確地測(cè)定被埋人員的三維位置，通過(guò)穿戴式計(jì)算機(jī)中5的圖形處理軟件 繪制出基于被埋人員三維位置的虛擬圖形，然后通過(guò)定位設(shè)備3、穿戴式計(jì)算機(jī)5、頭盔顯 示器4及穿戴式計(jì)算機(jī)5中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件系統(tǒng)可以使救援人員實(shí)時(shí)看到疊加了被埋人員 三維虛擬圖形的現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像，并且隨著救援人員位置和視線(xiàn)方向的變化而相應(yīng)地發(fā)生變 化。本實(shí)用新型涉及到基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的生命探測(cè)與救援系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法，該方 法利用高精度定位手段(例如GPS RTK等)實(shí)時(shí)、精確測(cè)定救援人員的三維位置；通過(guò)將高 精度三維電子羅盤(pán)與生命探測(cè)儀集成，可以在某一已知位置點(diǎn)測(cè)定指向被埋人員的三維方向信息，即指向被埋人員的生命探測(cè)儀天線(xiàn)的三維角度信息；通過(guò)多點(diǎn)(至少兩點(diǎn))的探測(cè)， 可以解求出被埋人員位置的三維坐標(biāo)；通過(guò)穿戴式電腦的三維虛擬圖形繪制軟件，并利用 所獲取的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)實(shí)時(shí)繪制出基于被埋人員三維位置的虛擬圖形；通過(guò)救援人員攜 帶的頭盔顯示器可以實(shí)時(shí)看到疊加了被埋人員三維虛擬圖形的視頻圖像，當(dāng)救援人員的 位置和視線(xiàn)方向發(fā)生變化的時(shí)候，其所看到的被埋人員的虛擬圖形也相應(yīng)地發(fā)生變化，就 像真的看到被埋人員一樣，可以更好的指導(dǎo)救援。本實(shí)用新型的工作流程如圖2所示a.通過(guò)高精度定位手段(例如GPS RTK等)可以實(shí)時(shí)、精確測(cè)定救援人員(即生命 探測(cè)儀)的三維位置；b.通過(guò)將高精度三維電子羅盤(pán)與生命探測(cè)儀集成，可以在某一已知位置點(diǎn)測(cè)定 指向被埋人員的三維方向信息，即指向被埋人員的生命探測(cè)儀天線(xiàn)的三維角度信息；c.通過(guò)至少兩點(diǎn)的測(cè)量，得出被埋人員位置的三維坐標(biāo)，具體計(jì)算方法如下設(shè)過(guò)已知觀測(cè)點(diǎn)召O1J1O P2(X25J2^2)......HW)且已測(cè)定方向的η條直
線(xiàn)認(rèn)......h ,其中，η為自然數(shù)；則各直線(xiàn)方程如下
X-X1cos Oilcos Picos Y1X-X2cosa0COS &COS K
IzI^ = IzIi = EzIi.
cos as cos 總 cos γη其中 cos Op cos β^ Cosyr cos aT cos ^cos γ2......cos O5, cos βΜ、cos γη 分另ij 是各直線(xiàn)
的方向余弦，對(duì)于η條直線(xiàn)ΑΛ.…人，理論上應(yīng)該相交于一點(diǎn)A，由于測(cè)量誤差的存在，不
會(huì)相交于一點(diǎn)，但總能分別求出到兩兩直線(xiàn)的最短點(diǎn)‘，^ ,則^的平均值即為最優(yōu) 值；d.通過(guò)穿戴式電腦的三維虛擬圖形繪制軟件，并利用步驟a和步驟b所得到的信 息參數(shù)以及通過(guò)步驟c得到的三維坐標(biāo)可以實(shí)時(shí)繪制出基于被埋人員三維位置的虛擬圖 形；e.通過(guò)救援人員穿戴的頭盔顯示器上的CXD攝像機(jī)可以獲取救援現(xiàn)場(chǎng)的視頻圖 像；f.通過(guò)救援人員穿戴的頭盔顯示器上集成的高精度三維電子羅盤(pán)可以得到救援 人員視線(xiàn)方向信息；g.將步驟d所得到的被埋人員位置的三維虛擬圖形利用穿戴式電腦內(nèi)的虛擬圖 像和視頻圖像實(shí)時(shí)疊加軟件，得到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)圖像。h.將通過(guò)步驟g得到的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)圖像傳輸?shù)骄仍藛T穿戴的頭盔顯示器上，就 可以得到疊加了被埋人員三維虛擬圖像的視頻圖像。
6[0044]i.當(dāng)救援人員的位置(步驟a)和視線(xiàn)方向(步驟f)發(fā)生變化的時(shí)候，其所看到的 被埋人員的虛擬圖形也相應(yīng)地發(fā)生變化，就像真的看到被埋人員一樣，可以更好的指導(dǎo)救援。步驟a中利用高精度定位手段實(shí)時(shí)測(cè)定救援人員的三維坐標(biāo)。步驟b中將高精度三維電子羅盤(pán)與生命探測(cè)儀進(jìn)行集成，當(dāng)生命探測(cè)儀探測(cè)到有 生命信息存在時(shí)，生命探測(cè)儀天線(xiàn)所指示的方向即為生命信息存在的方向，此時(shí)可通過(guò)集 成的高精度三維電子羅盤(pán)來(lái)測(cè)定生命探測(cè)儀天線(xiàn)的三維方向。步驟c中每個(gè)點(diǎn)的測(cè)定都包含了步驟a和步驟b，可以通過(guò)重復(fù)多點(diǎn)(至少兩點(diǎn)) 的測(cè)定，解算出被埋人員的三維位置坐標(biāo)。步驟d中，根據(jù)步驟a和步驟b所得到的信息可以計(jì)算出相關(guān)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)，將 解算出的被埋人員的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到頭盔顯示器上的CCD攝像機(jī)坐標(biāo)系，并通過(guò)穿戴式電 腦中的三維圖形繪制軟件，繪制出基于被埋人員三維位置的虛擬圖形。步驟e中，救援人員可以通過(guò)其穿戴的頭盔顯示器上的CXD攝像機(jī)獲取現(xiàn)場(chǎng)的視 頻圖像。步驟f中，救援人員可以通過(guò)穿戴的頭盔顯示器上的高精度三維電子羅盤(pán)來(lái)實(shí)時(shí) 獲取視線(xiàn)方向的三維信息。步驟g中，通過(guò)救援人員穿戴式電腦中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能軟件，實(shí)現(xiàn)被埋人員虛擬 圖形與現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像的實(shí)時(shí)疊加。步驟h中，救援人員通過(guò)其穿戴的頭盔顯示器可以實(shí)時(shí)看到疊加了被埋人員虛擬 圖形的救援現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像，頭盔顯示器和穿戴式電腦相連接。步驟i中，當(dāng)救援人員的位置和視線(xiàn)方向發(fā)生變化的時(shí)候，疊加的虛擬圖形也相 應(yīng)地發(fā)生變化，就像救援人員真的看到被埋人員一樣，這樣就可以高效地指導(dǎo)救援工作進(jìn) 行。本實(shí)用新型利用生命探測(cè)儀及定位定向設(shè)備測(cè)定被埋人員位置的原理示意圖 如圖3所示，救援人員通過(guò)生命探測(cè)儀及定位定向設(shè)備測(cè)量并求出某一點(diǎn)的三維位置
P1O1J^1)和三維方向(餌，存J1),同理獲取第二點(diǎn)的三維位置巧(巧7272)和三維方向
(瑪，爲(wèi)J2)、直至獲取第η點(diǎn)的三維位置巧和三維方向(AJtA)，通過(guò)相關(guān) 的空間解析幾何公式可以解算出被埋人員的三維位置坐標(biāo)。
權(quán)利要求一種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的生命探測(cè)與救援系統(tǒng)，其特征是，它包括集成了三維電子羅盤(pán)的生命探測(cè)儀，三維電子羅盤(pán)和生命探測(cè)儀均與穿戴式計(jì)算機(jī)連接；同時(shí)穿戴式計(jì)算機(jī)還與定位設(shè)備以及頭盔顯示器連接，并且頭盔顯示器也集成了三維電子羅盤(pán)和CCD攝像機(jī)。
2.如權(quán)利要求1所述的基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的生命探測(cè)與救援系統(tǒng)，其特征是，所述定 位設(shè)備為GPS接收機(jī)或光學(xué)或電磁或聲學(xué)定位設(shè)備。
3.如權(quán)利要求1所述的基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的生命探測(cè)與救援系統(tǒng)，其特征是，所述生 命探測(cè)儀、定位設(shè)備以及頭盔顯示器與穿戴式計(jì)算機(jī)采用有線(xiàn)連接或無(wú)線(xiàn)連接方式。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的生命探測(cè)與救援系統(tǒng)。它包括集成了三維電子羅盤(pán)的生命探測(cè)儀，三維電子羅盤(pán)和生命探測(cè)儀均與穿戴式計(jì)算機(jī)連接；同時(shí)穿戴式計(jì)算機(jī)還與定位設(shè)備以及頭盔顯示器連接，并且頭盔顯示器也集成了三維電子羅盤(pán)和CCD攝像機(jī)。通過(guò)生命探測(cè)儀、高精度三維電子羅盤(pán)、高精度定位設(shè)備的多點(diǎn)(至少兩點(diǎn))測(cè)量可以精確地測(cè)定被埋人員的三維位置，然后通過(guò)高精度定位設(shè)備、穿戴式電腦、頭盔顯示器及穿戴式電腦中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件系統(tǒng)可以使救援人員實(shí)時(shí)看到疊加了被埋人員三維虛擬圖形的現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像，并且隨著救援人員位置和視線(xiàn)方向的變化而相應(yīng)地發(fā)生變化，因此可以更好地指導(dǎo)救援工作的進(jìn)行，縮短了救援時(shí)間。
文檔編號(hào)G06T17/00GK201673267SQ201020193530
公開(kāi)日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2010年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月18日
發(fā)明者常勇 申請(qǐng)人:山東師范大學(xué)