CN103196362A - 一种用于确定发射装置相对检测装置的三维位置的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种用于确定发射装置相对检测装置的三维位置的系统。该系统包括：发射装置，包括用于发送控制信号的发射光源，以及用于辅助所述控制信号传输的光学单元；检测装置，包括摄像头，用于获取所述控制信号经所述光学单元在所述摄像头中的成像信息；计算装置，用于根据所述成像信息，确定所述发射装置相对所述检测装置的三维位置信息。与现有技术相比，本发明通过在发射装置中包括用于辅助所述控制信号传输的光学单元，实现了发射装置相对检测装置的三维位置的确定，不仅降低了配置成本与能耗水平，也使得基于三维位置信息的控制成为可行，进而提高了控制效率并提升了用户的控制体验。

Description

一种用于确定发射装置相对检测装置的三维位置的系统
技术领域
本发明涉及智能控制技术领域，尤其涉及一种用于确定发射装置相对检测装置的三维位置的技术。
背景技术
在智能电视、体感交互、虚拟现实等智能控制领域，通常通过检测装置检测由发射装置所发射的一定信号，如LED(Light EmittingDiode，发光二极管)所发送的光信号，来进行相应的控制操作，如打开或关闭受控设备。其中，位置信息，特别是发射装置相对检测装置的位置信息，对于提供控制精度、简化控制操作等方面都具有非常重要的意义，例如可以通过发射装置的位置变化来模拟鼠标应用，以提高用户与受控设备的交互能力并提升用户的操控体验。
然而，现有技术中，或者仅能确定二维位置，或者需要更为复杂的发射装置或检测装置，如包括多个发射源的发射装置或包括多个检测点的检测装置，才可能实现确定三维位置。前者往往因位置信息维度不够，具有控制精度不够等缺点；而后者虽然支持基于三维位置信息的控制，却具有配置成本高、能耗高等不足。
因此，如何针对上述不足，确定发射装置相对检测装置的三维位置，成为本领域技术人员亟需解决的技术问题之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于确定发射装置相对检测装置的三维位置的系统。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于确定发射装置相对检测装置的三维位置的系统，其中，该系统包括：
发射装置，包括用于发送控制信号的发射光源，以及用于辅助所述控制信号传输的光学单元；
检测装置，包括摄像头，用于获取所述控制信号经所述光学单元在所述摄像头中的成像信息；
计算装置，用于根据所述成像信息，确定所述发射装置相对所述检测装置的三维位置信息。
根据本发明的一个方面提供的用于确定发射装置相对检测装置的三维位置的系统的一个优选实施例，其中，所述计算装置包括：
输入确定单元，用于对所述成像信息进行图像识别处理，以获得与所述成像信息相对应的输入光域；
特征提取单元，用于提取所述输入光域的光域特征信息；
位置确定单元，用于根据实测所得的光域特征与三维位置信息的映射关系，基于所述光域特征信息，确定所述三维位置信息。
较佳地，所述光域特征信息包括以下至少任一项：
-所述输入光域的长轴信息；
-所述输入光域的短轴信息；
-所述输入光域的长轴与短轴的比值信息。
较佳地，所述特征提取单元用于提取所述输入光域的光域特征信息，其中，所述光域特征信息包括所述输入光域间的光域相关信息。
更佳地，所述光域相关信息包括以下至少任一项：
-所述输入光域间的中心连线方向信息；
-所述输入光域间的距离信息。
较佳地，所述三维位置信息包括所述发射装置相对所述检测装置的三维平动位置信息；
其中，所述位置确定单元用于：
-根据实测所得的光域特征与所述发射装置相对所述检测装置的距离的映射关系，基于所述光域特征信息，确定所述三维平动位置信息。
较佳地，所述三维位置信息包括所述发射装置相对所述检测装置的三维转动位置信息；
其中，所述位置确定单元用于：
-根据实测所得的光域特征与所述发射装置相对所述检测装置的夹角的映射关系，基于所述光域特征信息，确定所述三维转动位置信息。
较佳地，所述计算装置还包括去噪单元，该去噪单元用于：
-根据所述输入光域的发光模式和/或所述输入光域间的两两距离，对所述输入光域进行分组处理，以获得一个或多个光域集合，其中，每个光域集合包括一个或多个输入光域；
-根据所述光域集合的集合特征信息，从所述一个或多个光域集合中选择优选光域集合，以作为所述特征提取单元的处理对象。
根据本发明的一个方面提供的用于确定发射装置相对检测装置的三维位置的系统的又一个优选实施例，其中，该系统还包括：
位置调整装置，用于根据所述三维位置信息的位置参考信息，对所述三维位置信息进行调整，以获得调整后的所述三维位置信息。
较佳地，所述位置调整装置用于根据所述三维位置信息的位置参考信息，对所述三维位置信息进行调整，以获得调整后的所述三维位置信息，其中，所述位置参考信息包括所述三维位置信息所对应的历史位置信息。
较佳地，所述位置调整装置用于根据所述三维位置信息的位置参考信息，对所述三维位置信息进行调整，以获得调整后的所述三维位置信息，其中，所述位置参考信息包括所述成像信息所在帧的相关帧中与所述三维位置信息相对应的三维位置信息。
较佳地，该系统还包括：
位置预测装置，用于根据所述发射装置相对所述检测装置的历史三维位置信息，结合预定的运动模型，预测所述发射装置相对所述检测装置的预测三维位置信息；
其中，所述位置调整装置，用于根据包括所述预测三维位置信息的所述位置参考信息，对所述三维位置信息进行调整，以获得调整后的所述三维位置信息。
根据本发明的一个方面提供的用于确定发射装置相对检测装置的三维位置的系统的再一个优选实施例，其中，所述光学单元包括以下至少任一项：
-置于所述发射光源侧面或后端的反射体；
-置于所述发射光源前端的透光体。
较佳地，所述反射体具有凸形反射面。
较佳地，所述透光体朝向所述发射光源内凹以形成凹槽。
较佳地，所述发射装置包括多个发射光源，所述多个发射光源中至少一个配置有至少一个所述光学单元。
根据本发明的另一方面，还提供了一种用于对受控设备进行遥控的系统，其中，该系统包括：
发射装置，包括用于发送控制信号的发射光源，以及用于辅助所述控制信号传输的光学单元；
检测装置，包括摄像头，用于获取所述控制信号经所述光学单元在所述摄像头中的成像信息；
计算装置，用于根据所述成像信息，确定所述发射装置相对所述检测装置的三维位置信息；
控制装置，用于确定与所述三维位置信息相对应的控制指令，以用于对与所述系统相连接的受控设备进行控制。
与现有技术相比，本发明通过在发射装置中包括用于辅助所述控制信号传输的光学单元，实现了发射装置相对检测装置的三维位置的确定，不仅降低了配置成本与能耗水平，也使得基于三维位置信息的控制成为可行，进而提高了控制效率并提升了用户的控制体验。进一步地，本发明还可以用于确定发射装置相对检测装置的三维平动位置或三维转动位置。而且，本发明还可以通过结合运动模型，由对应的历史三维位置信息推测当前的三维位置信息，来调整实际检测得到的三维位置信息，从而获得更准确的三维位置信息。此外，本发明还可以直接应用于受控设备的遥控，从而不仅提高了控制效率，也提升了用户的控制体验。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出根据本发明一个方面的用于确定发射装置相对检测装置的三维位置的系统的示意图；
图2示出根据本发明一个优选实施例的计算装置的示意图；
图3示出根据本发明又一个优选实施例的用于确定发射装置相对检测装置的三维位置的系统的示意图；
图4a与图4b分别示出根据本发明再一个优选实施例的光学单元的示意图；
图5示出根据本发明另一个方面的用于对受控设备进行遥控的系统的示意图。
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1示出一种用于确定发射装置相对检测装置的三维位置的系统的示意图，其中，检测系统1包括发射装置11、检测装置12和计算装置13。
发射装置11包括用于发送控制信号的发射光源，以及用于辅助所述控制信号传输的光学单元。例如，在发射装置11中，该发射光源位于该光学单元的后端，该发射光源所发出的控制信号透射通过该光学单元，以供检测装置12通过其中的摄像头获取该控制信号的成像信息。或者，该光学单元位于该发射光源的后端，该光学单元将该发射光源所发出的控制信号，反射至检测装置12中的摄像头，以供检测该控制信号经该光学单元在该摄像头中的成像信息。优选地，该发射光源所发出的控制信号，经过多个相互配合的光学单元的传输，由检测装置12中的摄像头检测其在该摄像头中的成像信息。
在此，该发射光源包括但不限于点光源、面光源、球状光源或其他任意以一定发光频率进行发光的光源，如LED可见光光源、LED红外光光源、OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)光源、激光光源等。在此，LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光，并将所述光作为控制信号。以下实施例交替使用发射光源或LED，本领域技术人员应能理解，其他现有的或今后可能出现的其他形式的发射光源，特别地，如OLED，如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。
在此，该光学单元包括但不限于：1)置于所述发射光源后端或侧面的反射体；2)置于所述发射光源前端的透光体。优选地，所述反射体具有凹形或凸形反射面。例如，通过置于所述发射光源侧面的具有凸形反射面的所述反射体，检测装置12可获得该控制信号的其他的成像信息。优选地，所述透光体带有凹槽，该凹槽的开口方向与所述发射光源的控制信号传播方向同向或反向。
如图4a所示，在发射装置11中，该光学单元优选地包括置于该发射光源前端的透光体，其中，该透光体朝向该发射光源内凹以形成圆锥状的凹面。该圆锥状的凹面的纵截面可以是直线型、弧线型或不规则型，以获得该控制信号在该摄像头中不同的成像信息。
如图4b所示，在发射装置11中，该光学单元优选地包括置于该发射光源后端的凹形反射体，其中，该发射光源位于该凹形反射体的开口内，该凹形反射体的凹面呈圆锥状。该圆锥状的凹面的纵截面可以是直线型、弧线型或不规则型，以获得该控制信号在该摄像头中不同的成像信息。
较佳地，该发射装置11包括多个发射光源，其中，至少一个发射光源配置有至少一个光学单元。例如，该发射装置11包括N个发射光源，其中部分发射光源分别配置有数目不等、类型互异的光学单元，部分发射光源未配置有光学单元。
检测装置12包括摄像头，该摄像头用于获取所述控制信号经所述光学单元在所述摄像头中的成像信息，以供计算装置13确定所述发射装置相对所述检测装置的三维位置信息。
计算装置13根据检测装置所获取的成像信息，通过诸如查询预定的位置曲线，或者通过对查表所得的位置信息进行内插处理，以获得所述发射装置相对所述检测装置的三维位置信息。
如图2所示，计算装置13包括输入确定单元131、特征提取单元132和位置确定单元133。其中，输入确定单元131对所述成像信息进行图像识别处理，以获得与所述成像信息相对应的输入光域；特征提取单元132提取所述输入光域的光域特征信息；位置确定单元133根据实测所得的光域特征与三维位置信息的映射关系，基于所述光域特征信息，确定所述三维位置信息。
具体地，输入确定单元131通过诸如二值化、霍夫变换或对光点门限过滤等图像识别算法，对检测装置12所提供的成像信息进行处理，以获得与该成像信息相对应的输入光域，在此，输入光域是指该成像信息中的区别于其周围区域的光学区域；一般，该输入光域包括由发射光源所发送的控制信号直接在摄像头中形成的光学区域、该控制信号经光学单元反射和/或透射后在摄像头中形成的光学区域、或这两者的任意组合。例如，输入确定单元131通过预设的门限值，对该成像信息中每个像素进行二值化处理，得到对应的二值化图像；在对该二值化图像形成的边界进行霍夫变换，来获得该二值化图像中所存在的一个或多个光学区域，以作为输入光域。优选地，输入确定单元131还可以对前例中得到的一个或多个光学区域，再进一步筛选处理，如通过预设的特征参数的范围，如像素数量范围、半径大小范围、长短轴比值范围等，排除不符合的光学区域，以获得与该成像信息相对应的输入光域。例如，假设输入光域近似圆形，则只有半径落于预定有效半径范围内的输入光域才为有效的输入光域，若有多个符合条件的输入光域，可选最亮的一个或多个输入光域作为输入光域。
本领域技术人员应能理解，在此获得的输入光域可以是一个或多个靠近或相重叠近似圆形、椭圆形或其他规则或近似规则的图形，而且上述图像处理算法仅为举例，其他现有的或今后可能出现的其他图像处理算法如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。
特征提取单元132对输入确定单元131所获得的输入光域，通过霍夫变换、主成分分析(PCA)或独立成分分析(ICA)等方法进行图像处理，提取所述输入光域的光域特征信息。例如，当发射光源以一定的亮度发光，在此，亮度表明发射光源在特定方向单位立体角单位面积内的光通量，特征提取单元132例如通过计算输入光域的灰度值的平均值或总和，来确定该(等)输入区域所对应的亮度信息。又如，对于输入确定单元131所获得的一个输入光域，特征提取单元132通过PCA方法进行主轴变换，计算得区域分布最离散的轴的位置、大小与方向，以作为该长轴的位置、长度与方向。再如，对于输入确定单元131所获得的一个输入光域，特征提取单元132通过计算该输入光域中两个像素间的距离，确定距离最远的两个像素间的连线为该输入光域的长轴，对应距离为该长轴的长度。接前例，特征提取单元132还可将该长轴与该输入光域所属的成像信息的水平轴或垂直轴间的夹角，作为该长轴的方向信息。类似地，特征提取单元132可确定一个输入光域的短轴信息。在此，两个像素点间的距离计算可采用欧氏距离或马氏距离。本领域技术人员应能理解，上述用于获取光域特征信息的方法仅为举例，其他现有的或今后可能出现的其他获取光域特征信息的方法如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。
在此，该(等)光域特征信息包括以下至少任一项：
-所述输入光域的长轴信息，如该长轴的位置、长度、方向信息；
-所述输入光域的短轴信息，如该短轴的位置、长度、方向信息；
-所述输入光域的长轴与短轴的比值信息。
本领域技术人员应能理解，上述光域特征信息仅为举例，其他现有的或今后可能出现的其他光域特征信息如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。
优选地，所述特征提取单元提取所述输入光域的光域特征信息，其中，所述光域特征信息包括所述输入光域间的光域相关信息。具体地，所述特征提取单元132通过诸如对所述输入光域进行聚类或分割处理，来提取所述输入光域的光域特征信息，其中，所述光域特征信息包括所述输入光域间的光域相关信息，如所述输入光域间的中心连线方向信息、所述输入光域间的距离信息或其结合。
例如，所述特征提取单元132通过根据所述输入光域间的两两距离，对所述输入光域进行聚类处理，来获得一个或多个输入光域集合，其中，每个输入光域集合包括一个或多个输入光域；再根据诸如随机选择或优选的输入光域集合中的输入光域，譬如这些输入光域在所述成像信息中的位置信息，确定所述输入光域间的光域相关信息，如所述输入光域间的中心连线方向信息、所述输入光域间的距离信息或其结合。优选地，所述特征提取单元132还可以确定两个输入光域集合间的距离或其中心连线方向，以作为所述输入光域间的距离信息或中心连线方向信息。
又如，所述特征提取单元132通过诸如输入光域的形状或其长短轴的比值，检测输入光域是否满足分割的条件，如根据该输入光域的形状判断其是否包括重叠的输入光域，或者检测输入光域的长短轴的比值是否超过预定的阈值；当满足该(等)条件，对所述输入光域进行分割处理，例如在所述输入光域的重叠位置或其短轴所在位置进行分割，以获得两个或多个输入光域，并确定分割所得的输入光域间的距离或其中心连线方向，以作为所述输入光域间的距离信息或中心连线方向信息。
本领域技术人员应能理解，上述光域相关信息及其提取方式仅为举例，其他现有的或今后可能出现的光域相关信息或其提取方式如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。
位置确定单元133根据实测所得的光域特征与三维位置信息的映射关系，基于所述光域特征信息，确定所述三维位置信息。例如，位置确定单元133根据实测所得的输入光域的如亮度等光域特征信息与所述发射装置相对所述检测装置的距离的映射关系，如映射曲线或数据表格，直接来确定与所述光域特征信息相对应的三维位置信息，或者，得到与与所述光域特征信息较相关的多个候选三维位置信息，再对这多个候选三维位置信息进行插值处理，来确定与所述光域特征信息相对应的三维位置信息。在此，该映射关系存储于该检测系统，也可存储于与该检测系统通过网络相连接的位置服务器等第三方设备；该映射关系可通过在不同三维位置下光域特征信息的测量值来建立，当实测中的三维位置的步长越小，由该映射关系所得到的三维位置信息就越精确。该映射关系可按光域特征信息排序，或经哈希处理后存储，以提高搜索或查询效率。
在此，将输入光域的中心，如其长短轴的交点，在成像信息中基于图像中心的二维坐标标记为(x，y)。其中x是输入光域的中心在图像中的横坐标，y是输入光域的中心在图像中的纵坐标。
将某空间原点的三维坐标标记为(X0，Y0，Z0)，则发射装置11的三维平动位置信息为其三维坐标(X，Y，Z)，其中，X是发射装置11质心的水平坐标，Y是发射装置11质心的竖直坐标，Z是发射装置11质心的纵深坐标。通过公式X＝x(λ-Z)/λ，Y＝y(λ-Z)/λ，即可由发射装置11的二维圆心坐标(x，y)，计算获得该发射装置11的三维位置信息(X，Y，Z)，其中，λ为摄像头的焦距，发射装置11相对检测装置12的距离信息Z的具体计算方式将在后续内容中予以详细说明。
发射装置11的三维转动位置信息可标记为θ，其中，θ为发射装置11的轴线与该发射装置11到检测装置12连线之间的夹角。进一步地，发射装置11的三维转动位置信息还可标记为(θ，γ)，其中，γ为发射装置11围绕其质心轴的转角，即发射装置11的自转角度。此外，根据前述夹角θ，结合发射装置11的三维平动位置信息(X，Y，Z)，还可进一步将发射装置11的三维转动位置信息标记为(α，β，γ)，即该发射装置11通过其质心轴的空间方位，其中，α是发射装置11通过其质心轴的水平方向角，β是发射装置11通过其质心轴的竖直方向角。
当所述输入光域包括多个输入光域时，对于所述三维位置信息，至少可从以下两个维度来确定：
1)先确定所述输入光域中用于计算的输入光域，再根据该等输入光点，确定发射装置11的三维位置信息。其中，所述用于计算的输入光点可以是所述输入光域中的全部或部分输入光域；计算装置13可以选择所述输入光域组的任一输入光域作为所述用于计算的输入光域，并确定发射装置11的三维位置信息；也可以根据所选择的用于计算的输入光域之间的几何结构，确定相应的点的三维位置信息，以用于表征发射装置11的三维位置信息，如根据所选择输入光域所组成的几何体的重心，将该重心的三维位置信息作为发射装置11的三维位置信息。
2)先获取所述输入光域中每个输入光域的三维位置信息，再通过对该等三维位置信息的各种计算处理，确定发射装置11的三维位置信息。在此，所述计算处理包括但不限于任何可适用于本发明的，对所述输入光域中每个输入光域的三维位置信息进行的各种计算，诸如对所有输入光域的三维位置信息求均值、按照多个输入光域之间的几何结构进行的各种重心或顶点的三维位置信息的计算等。
优选地，所述三维位置信息包括所述发射装置相对所述检测装置的三维平动位置信息；其中，所述位置确定单元133根据实测所得的光域特征与所述发射装置相对所述检测装置的距离的映射关系，基于所述光域特征信息，确定所述三维平动位置信息。
例如，以输入光域为圆形为例，在确定发射光源的输入光域后，位置确定单元133根据所述输入光点的光点半径r和亮度I，基于预定的距离拟合曲线Z＝f(1/r，I)，确定发射装置11相对检测装置12的距离Z，并结合所述输入光域的圆心在所拍摄图像中的二维坐标(x，y)，通过公式X＝x(λ-Z)/λ，Y＝y(λ-Z)/λ，计算获得发射光源的三维平动位置信息(X，Y，Z)。
在此，关于距离拟合曲线的确定，可对距离Z测出相应的r和I，需对不同距离Z按一定步长测定足够多的样本，即r和l的值(或其他所用特征)，以一次或二次(或多)曲线以最小误差准则拟合r和I与Z的映射关系。采样时，应选在有效工作范围内光学特性可通过r和I的组合唯一确定距离Z的LED。
为简便操作，在采样时，可对不同距离Z按一定步长在不同夹角θ的测定足够多的样本，即r和I的值，并相应分别确定距离Z和夹角θ的拟合曲线。
此外，所述距离Z的拟合曲线还可以结合输入光点的光分布特性和/或发射光源111的发光模式等确定。其中，所述输入光点的光分布特性包括如光点内光分布的特征变换(PCA变换)的主轴方向和大小。通过特殊工艺对LED加入的发光模式，诸如LED光源中心不发光(相应的输入光点为中心黑点)、LED光源中心发白光(相应的输入光点为中心亮点)、或LED光源发不同颜色(频率)的光，或使LED光源被摄像头捕获的输入光点呈椭圆形而非通常的圆形等，该等发光模式可以帮助检测发射装置11的三维位置信息。。
例如，Z＝g(r，I，t1，t2)。其中t1，t2为描述输入光域内光分布特性的变量。由于有更多的反映三维位置的变量，这一方法对LED的适用更广，对LED三维位置的检测更精确。
或者，在此，按照一定距离间隔采集并存储足够多的r和I与Z的样本值，以建立光域特征信息-距离样本表。对于一组待查询的r和I，当样本表中尚未包含相应记录时，可以计算在该样本表中与待查询的r和I距离最近的一组或多组r和I样本，并通过对其对应的一个或多个Z样本进行内插计算，获得发射装置11相对检测装置12的距离Z。其中，所述内插算法包括但不限于最近邻域内插法，线性加杈内插法、双三次内插法(bicubic interpolation)等任何可适用于本发明的，现有的或将来可能实现的内插算法。
本领域技术人员应能理解，上述利用圆形输入光域获取发射装置11的三维平动位置信息的方式仅为举例，对于椭圆或其他形状的输入光域，利用其长短轴信息、输入光域间的距离等信息，采用类似的方式，亦可确定发射装置11的三维平动位置信息，故在此不再赘述，仅以引用的方式包含于此。
优选地，所述三维位置信息包括所述发射装置相对所述检测装置的三维转动位置信息；其中，所述位置确定单元133根据实测所得的光域特征与所述发射装置相对所述检测装置的夹角的映射关系，基于所述光域特征信息，确定所述三维转动位置信息。
在此，为确定关于光域特征与夹角的映射关系，如该两者的拟合曲线或查询表，可对夹角θ测出相应的r和I，需按一定步长在不同夹角θ下测定足够多的样本，即r和l的值(或其他所用特征)；以一次或二次(或多)曲线以最小误差准则拟合r、I与θ的映射关系。采样时，应选在有效工作范围内光学特性可通过r和I的组合唯一确定夹角θ的发射光源，如LED。
此外，所述夹角θ的拟合曲线还可以结合输入光域的光分布特性和/或发射光源的发光模式等确定。其中，所述输入光域的光分布特性包括如光域内光分布的特征变换(PCA变换)的主轴方向和大小。所述发光模式诸如LED中心不发光(黑点)、发白光(亮点)、或发不同颜色(频率)的光，或LED呈现椭圆形状的光点而不是通常圆形光点等，通过特殊工艺对LED加入的特殊发光模式，所述发光模式可以帮助检测发射光源111的三维位置信息。
例如，通过检测椭圆的方向可以获得LED的自夹角度γ，椭圆的方向为对椭圆分布的特征变换的主轴方向。通过检测输入光域的中心黑点或亮点的位置，可以检测夹角θ的偏转方向和大小，黑点或亮点为光点中最暗或最亮的中心位置。夹角θ的偏转方向为输入光点的中心至黑点或亮点中心的方向。检测在不同夹角θ的偏转方向和大小位置，相应的光点中心至黑点或亮点中心的距离d，以及输入光域在偏转方向的亮度变化的梯度大小k；θ＝h(d，k)。由于k也可能与距离Z有关，从而θ＝h(d，k，Z)；或更复杂的情况下，θ＝h(d，k，X，Y，Z)，相应地，此时需对不同X、Y、Z按一定步长在不同θ下测定足够多的样本，即d和k的值。
特别地，利用反射面为凹形的光学单元，检测装置12在有效工作范围当LED偏对摄像头可产生不同的输入光域，如反射圆点或使LED原点成为椭圆形；特征提取单元132根据这些输入光域来确定所述三维位置信息，例如根据反射园点的位置和它与LED光点之间的距离可以映射或样本内插出θ的偏转方向和大小。具体地，LED光点为亮度最高原点，其邻域的圆点则为反射点。由LED点至反射点的中心连线方向为θ的偏转方向。利用连线的长度，则可通过前述曲线映射或样本内插方式计算θ的大小。当θ较小或较大或对某些反射面时，发光点邻域圆点与发光点可能连在一起而产生椭圆或长形的光点。与以上通过检测特殊模式获得三维位置相似的方法，通过检测椭圆或长形的主轴方向和长度(大小)，可以曲线映射或样本内插方式计算θ的的偏转方向和大小。一旦获得θ的偏转方向和大小，根据发射装置11的三维平动位置便唯一确定α，β，从而得到发射装置11的三维转动位置。
优选地，所述计算装置还包括去噪单元(未示出)，该去噪单元根据所述输入光域的发光模式和/或所述输入光域间的两两距离，对所述输入光域进行分组处理，以获得一个或多个光域集合，其中，每个光域集合包括一个或多个输入光域；根据所述光域集合的集合特征信息，从所述一个或多个光域集合中选择优选光域集合，以作为所述特征提取单元的处理对象。
例如，该去噪单元根据发光模式将多个输入光域进行分类，得到分别对应的不同形状的光域集合；再根据根据这些光域集合的发光模式，从中选择优选光域集合，例如对应特定形状的光域集合，以作为所述特征提取单元的处理对象。又如，该去噪单元根据所述输入光域间的两两距离，对所述输入光域进行聚类处理，以获得一个或多个光域聚类集合，其中，每个光域聚类集合包括一个或多个输入光域；根据所述光域聚类集合的集合特征信息，从所述一个或多个光域聚类集合中选择优选光域聚类集合，以作为所述特征提取单元的处理对象。
例如，该去噪单元先把位置相近的输入光域聚成集合，然后提取每个集合的特征信息，如颜色(波长)组成、亮度组成、闪烁频率、发光模式、几何信息等，并根据这些特征信息，滤除不符合预定的发射光源所对应的的集合特征(如颜色(波长)组成、亮度组成、闪烁频率、发光模式、几何结构信息等)，这样可以有效去除噪声，让符合输入该预定的集合特征的集合作为输入的光点。为了有效地滤除噪声，可通过实际测量获得该发射光源所对应的集合特征，如不同颜色、不同亮度、不同发光模式、闪烁频率或其任意组合。
在此，发光模式包括以下至少任一项：
-预定形状；
-预定波长；
-预定闪烁频率；
-预定亮度；
-预定亮度分布。
例如，该(等)LED以预定形状发光，如发出三角形、圆形或方形等形状的光，如该(等)LED被制成特殊形状，则发出的光即具有该特殊形状，作为控制信号；或者，多个LED形成三角形、圆形或方形等形状，同时发光以作为控制信号；又或者，LED点阵中的各个LED，通过点亮或熄灭，形成具有特殊形状的发光图案，作为控制信号。又如，该(等)LED以预定波长发光，以形成与该预定波长对应的颜色。又如，该(等)LED以预定闪烁频率发光，如每秒闪烁十次。或者，该(等)LED以预定亮度发光，在此，亮度表明该(等)LED在特定方向单位立体角单位面积内的光通量，该亮度可通过计算该(等)LED在LED帧中所对应的成像信息的灰度值的平均值或总和来表示。又或者，该(等)LED以预定亮度分布发光，如以四周明亮、中间黑暗的预定亮度分布进行发光。更优选地，不管形状、波长(颜色)、亮度或亮度分布如何，该(等)LED总以预定闪烁频率发送所述控制信号，如每秒闪烁十次。
本领域技术人员应能理解上述发光模式仅为举例，其他现有的或今后可能出现的发光模式如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。
图3示出根据本发明又一个优选实施例的用于确定发射装置相对检测装置的三维位置的系统的示意图，其中，该系统还包括位置调整装置15’。具体地，发射装置11’包括用于发送控制信号的发射光源，以及用于辅助所述控制信号传输的光学单元；检测装置12’包括摄像头，用于获取所述控制信号经所述光学单元在所述摄像头中的成像信息；计算装置13’根据所述成像信息，确定所述发射装置相对所述检测装置的三维位置信息；位置调整装置15’根据所述三维位置信息的位置参考信息，对所述三维位置信息进行调整，以获得调整后的所述三维位置信息。其中，发射装置11’、检测装置12’和计算装置13’与前述实施例中对应装置相同或基本相同，故不再赘述，并通过引用的方式包含于此。
具体地，位置调整装置15’根据所述三维位置信息的位置参考信息，例如所述三维位置信息所对应的历史位置信息、所述成像信息所在帧的相关帧中与所述三维位置信息相对应的三维位置信息、或其任意组合，通过诸如加杈平均，或者先根据这些位置信息的集中度优选若干个位置信息、再对它们进行加杈平均，对所述三维位置信息进行调整，以获得调整后的所述三维位置信息。
例如，位置调整装置15’可将该三维位置信息的历史位置信息，如前N1个时刻的三维位置信息，通过加杈平均的方式，来对该三维位置信息进行调整，以获得调整后的所述三维位置信息。
又如，位置调整装置15’可将所述成像信息所在帧的相关帧中与所述三维位置信息相对应的三维位置信息，如前N2个帧中对应的三维位置信息、相近时刻其他摄像头所获得的N3个帧中对应的三维位置信息，通过加杈平均的方式，来对该三维位置信息进行调整，以获得调整后的所述三维位置信息。
本领域技术人员应能理解上述调整所述三维位置信息的方式仅为举例，其他现有的或今后可能出现的调整所述三维位置信息的方式如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。
优选地，该系统还包括位置预测装置16’。具体地，发射装置11’包括用于发送控制信号的发射光源，以及用于辅助所述控制信号传输的光学单元；检测装置12’包括摄像头，用于获取所述控制信号经所述光学单元在所述摄像头中的成像信息；计算装置13’根据所述成像信息，确定所述发射装置相对所述检测装置的三维位置信息；位置预测装置16’根据所述发射装置相对所述检测装置的历史三维位置信息，结合预定的运动模型，预测所述发射装置相对所述检测装置的预测三维位置信息；位置调整装置15’根据包括所述预测三维位置信息的所述位置参考信息，对所述三维位置信息进行调整，以获得调整后的所述三维位置信息。其中，发射装置11’、检测装置12’、计算装置13’和位置调整装置15’与前述实施例中对应装置相同或基本相同，故不再赘述，并通过引用的方式包含于此。
具体地，位置预测装置16’根据所述发射装置相对所述检测装置的历史三维位置信息，结合预定的运动模型，预测所述发射装置相对所述检测装置的预测三维位置信息。在此，预定的运动模型包括但不限于匀速模型、加速度模型等。在此，本实施例还可采用更复杂的光点运动跟踪算法，如采用粒子滤波(particle filter)方法，检测所述连续多个成像信息中的运动光点。
接着，位置调整装置15’根据包括所述预测三维位置信息的所述位置参考信息，对所述三维位置信息进行调整，如取两者的加杈平均值，以作为调整后的所述三维位置信息。优选地，本发明还可以根据调整后的三维位置信息，对所述预定的运动模型进行调整，以获得更新后的运动模型，供后续预测所述发射装置相对所述检测装置的三维位置信息使用。
图5示出根据本发明另一个方面的用于对受控设备进行遥控的系统的示意图；其中，该控制系统2包括发射装置21、检测装置22、计算装置23和控制装置24。具体地，发射装置21包括用于发送控制信号的发射光源，以及用于辅助所述控制信号传输的光学单元；检测装置24包括摄像头，用于获取所述控制信号经所述光学单元在所述摄像头中的成像信息；计算装置23根据所述成像信息，确定所述发射装置相对所述检测装置的三维位置信息；控制装置24确定与所述三维位置信息相对应的控制指令，以用于对与所述系统相连接的受控设备进行控制。其中，发射装置21、检测装置22和计算装置23，分别与图1前述实施例中对应的发射装置21、检测装置22和计算装置23相同或基本相同，故不再赘述，并通过引用的方式包含于此。在此，受控设备包括但不限于电视机、机顶盒、移动设备、游戏机或PC中的一个或多个。该控制系统与受控设备的连接可以是有线连接，或者wifi、红外、蓝牙、zigbee等无线通信连接。
具体地，控制装置24根据计算装置23所获得的发射装置21相对检测装置22的三维位置信息，确定与之相对应的控制指令，以对与该控制系统相连接的受控设备进行控制。优选地，控制装置24还可以根据该三维位置信息，并结合由发射装置21发送、为检测装置22所检测的控制辅助信息，确定与之相对应的控制指令，以对与该控制系统相连接的受控设备进行控制。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (18)

1.一种用于确定发射装置相对检测装置的三维位置的系统，其中，该系统包括：
发射装置，包括用于发送控制信号的发射光源，以及用于辅助所述控制信号传输的光学单元；
检测装置，包括摄像头，用于获取所述控制信号经所述光学单元在所述摄像头中的成像信息；
计算装置，用于根据所述成像信息，确定所述发射装置相对所述检测装置的三维位置信息。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述计算装置包括：
输入确定单元，用于对所述成像信息进行图像识别处理，以获得与所述成像信息相对应的输入光域；
特征提取单元，用于提取所述输入光域的光域特征信息；
位置确定单元，用于根据实测所得的光域特征与三维位置信息的映射关系，基于所述光域特征信息，确定所述三维位置信息。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述光域特征信息包括以下至少任一项：
-所述输入光域的长轴信息；
-所述输入光域的短轴信息；
-所述输入光域的长轴与短轴的比值信息。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述特征提取单元用于提取所述输入光域的光域特征信息，其中，所述光域特征信息包括所述输入光域间的光域相关信息。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述光域相关信息包括以下至少任一项：
-所述输入光域间的中心连线方向信息；
-所述输入光域间的距离信息。
6.根据权利要求2所述的系统，其中，所述三维位置信息包括所述发射装置相对所述检测装置的三维平动位置信息；
其中，所述位置确定单元用于：
-根据实测所得的光域特征与所述发射装置相对所述检测装置的距离的映射关系，基于所述光域特征信息，确定所述三维平动位置信息。
7.根据权利要求2所述的系统，其中，所述三维位置信息包括所述发射装置相对所述检测装置的三维转动位置信息；
其中，所述位置确定单元用于：
-根据实测所得的光域特征与所述发射装置相对所述检测装置的夹角的映射关系，基于所述光域特征信息，确定所述三维转动位置信息。
8.根据权利要求2所述的系统，其中，所述计算装置还包括去噪单元，该去噪单元用于：
-根据所述输入光域的发光模式和/或所述输入光域间的两两距离，对所述输入光域进行分组处理，以获得一个或多个光域集合，其中，每个光域集合包括一个或多个输入光域；
-根据所述光域集合的集合特征信息，从所述一个或多个光域集合中选择优选光域集合，以作为所述特征提取单元的处理对象。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，该系统还包括：
位置调整装置，用于根据所述三维位置信息的位置参考信息，对所述三维位置信息进行调整，以获得调整后的所述三维位置信息。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述位置调整装置用于根据所述三维位置信息的位置参考信息，对所述三维位置信息进行调整，以获得调整后的所述三维位置信息，其中，所述位置参考信息包括所述三维位置信息所对应的历史位置信息。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述位置调整装置用于根据所述三维位置信息的位置参考信息，对所述三维位置信息进行调整，以获得调整后的所述三维位置信息，其中，所述位置参考信息包括所述成像信息所在帧的相关帧中与所述三维位置信息相对应的三维位置信息。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，该系统还包括：
位置预测装置，用于根据所述发射装置相对所述检测装置的历史三维位置信息，结合预定的运动模型，预测所述发射装置相对所述检测装置的预测三维位置信息；
其中，所述位置调整装置，用于根据包括所述预测三维位置信息的所述位置参考信息，对所述三维位置信息进行调整，以获得调整后的所述三维位置信息。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光学单元包括以下至少任一项：
-置于所述发射光源侧面或后端的反射体；
-置于所述发射光源前端的透光体。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述反射体具有凸形反射面。
15.根据权利要求13所述的系统，其中，所述透光体朝向所述发射光源内凹以形成凹槽。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的系统，其中，所述发射装置包括多个发射光源，所述多个发射光源中至少一个配置有至少一个所述光学单元。
17.一种用于对受控设备进行遥控的系统，其中，该系统包括：
发射装置，包括用于发送控制信号的发射光源，以及用于辅助所述控制信号传输的光学单元；
检测装置，包括摄像头，用于获取所述控制信号经所述光学单元在所述摄像头中的成像信息；
计算装置，用于根据所述成像信息，确定所述发射装置相对所述检测装置的三维位置信息；
控制装置，用于确定与所述三维位置信息相对应的控制指令，以用于对与所述系统相连接的受控设备进行控制。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述受控设备包括电视机、机顶盒、移动设备、游戏机或PC中的一个或多个。
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