CN105445937B - 基于标记点的多目标实时定位追踪装置、方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于标记点的多目标实时定位追踪装置、基于标记点的多目标实时定位追踪方法及具有该基于标记点的多目标实时定位追踪装置的虚拟现实系统。该基于标记点的多目标实时定位追踪装置包括至少一个相机(10)、分别发出多种波长的光的多个发光体(40)、分别允许所述多种波长中的一种波长的光通过的多个红外滤光片(51，52，53，54，55)，所述多个发光体(40)分别布置在多个移动物体(200)上，所述多个红外滤光片(51，52，53，54，55)设置在所述至少一个相机(10)的镜头前方。实施本发明的基于标记点的多目标实时定位追踪装置，可同时精准监控多个移动物体的运动轨迹。

Description

基于标记点的多目标实时定位追踪装置、方法及系统

技术领域

本发明属于虚拟现实技术领域。本发明尤其涉及一种基于标记(mark)点的多目标实时定位追踪装置、基于标记点的多目标实时定位追踪方法及具备该基于标记点的多目标实时定位追踪装置的虚拟现实系统。

背景技术

虚拟现实(virtual Reality,VR，又称灵境、幻真等)技术是一个综合了计算机图形学、多媒体技术、计算机仿真技术、图象处理、模式识别、传感探测技术、以及心理学、生理学的综合学科领域,其应用已经涵盖了产品设计制造、模拟训练、远程医疗、太空探险、教育培训、科学研究、娱乐等等各类军民领域。虚拟现实具有浸没感(Immersion)、交互性(Interactivity)、构想性(Imagination)特征。

在虚拟现实环境中，需要对游戏玩家进行实时定位，以适应其通过虚拟眼镜、虚拟头盔等看到的景象，或防止游戏玩家碰到其他玩家或物体。目前有多种技术可以实现对多目标进行实时定位追踪，如普通摄像机、全球定位系统(GPS)、惯性导航等。普通摄像机可以直观观测视野内目标的运动，但在复杂检测环境中不容易区分出所关心的对象；全球定位系统(GPS)可以在开放环境中对目标进行精准定位追踪，但在电磁波传播受限的特殊密闭空间如矿井、信号差的大楼，GPS失效；惯性导航适用于开放环境或密闭空间中目标的定位追踪(如钻井)，可以弥补GPS定位的不足，但惯性导航技术尚不成熟。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于标记点的多目标实时定位追踪装置，可同时精准监控多个移动物体的运动轨迹。

本发明通过如下技术方案实现：一种基于标记点的多目标实时定位追踪装置，所述基于标记点的多目标实时定位追踪装置包括至少一个相机、分别发出多种波长的光的多个发光体、分别允许所述多种波长中的一种波长的光通过的多个红外滤光片，所述多个发光体分别布置在多个移动物体上，所述多个红外滤光片设置在所述至少一个相机的镜头前方。

作为上述技术方案的进一步改进，所述基于标记点的多目标实时定位追踪装置包括一个相机，该一个相机固定不动，且所述基于标记点的多目标实时定位追踪装置还包括转盘和用于驱动所述转盘旋转的驱动装置，所述转盘上绕周向均匀设置有用于镶嵌所述多个红外滤光片的通孔。

作为上述技术方案的进一步改进，所述基于标记点的多目标实时定位追踪装置包括一个相机，该一个相机固定不动，且所述基于标记点的多目标实时定位追踪装置还包括转盘和用于驱动所述转盘旋转的驱动装置，所述转盘上绕周向均匀设置有用于镶嵌所述多个红外滤光片的通孔，所述多个红外滤光片的数量、所述多个发光体的数量、所述通孔的数量均为5个以上。

作为上述技术方案的进一步改进，所述基于标记点的多目标实时定位追踪装置包括一个相机，该一个相机固定不动，且所述基于标记点的多目标实时定位追踪装置还包括移动板和用于驱动所述移动板往复移动的驱动装置，所述移动板上以相同间隔设置有用于镶嵌所述多个红外滤光片的穿孔。

作为上述技术方案的进一步改进，所述基于标记点的多目标实时定位追踪装置包括多个相机，该多个相机固定不动，且所述基于标记点的多目标实时定位追踪装置还包括转盘，所述转盘上绕周向均匀设置有用于镶嵌所述多个红外滤光片的通孔。

作为上述技术方案的进一步改进，所述基于标记点的多目标实时定位追踪装置包括多个相机，该多个相机固定不动，且所述基于标记点的多目标实时定位追踪装置还包括移动板，所述移动板上以相同间隔设置有用于镶嵌所述多个红外滤光片的穿孔。

作为上述技术方案的进一步改进，所述多个发光体发出的所述多种波长的范围为700nm至1500nm。

作为上述技术方案的进一步改进，所述多个发光体为LED灯。

根据本发明的另一方面，提供一种基于标记点的多目标实时定位追踪方法，所述基于标记点的多目标实时定位追踪方法包括如下步骤：

S11，利用上述的基于标记点的多目标实时定位追踪装置采集图像；

S12，对采集的图像按照波长进行分类；

S13，将各波长的图像按照拍摄时间顺序以一定速率播放；

S14，得到与各波长对应的移动物体的运动轨迹。

根据本发明的再一方面，提供一种虚拟现实系统，其包括虚拟眼镜和上述的基于标记点的多目标实时定位追踪装置，所述多个发光体的各发光体设置在所述虚拟眼镜上，所述多个移动物体例如为多个人，每人佩戴一个虚拟眼镜，所述运算设备用于根据通过基于标记点的多目标实时定位追踪装置采集的图像获得目标的位置信息。

实施本发明的有益效果是：本发明的基于标记点的多目标实时定位追踪装置包括至少一个相机、分别发出多种波长的光的多个发光体、分别允许所述多种波长中的一种波长的光通过的多个红外滤光片，将相机和波长分光技术结合，使用一个或多个相机同时精准监控一个或多个目标的运动轨迹，可以在开放环境或密闭空间中对所关心的多个目标进行实时定位追踪，得到各个目标的运动轨迹。

附图说明

图1是采用根据本发明的第一实施例的基于标记点的多目标实时定位追踪装置的虚拟现实系统的示意图；

图2是图1的基于标记点的多目标实时定位追踪装置的主要部分的立体示意图；

图3是图1的基于标记点的多目标实时定位追踪装置的主要部分的仰视示意图；

图4是根据本发明的第二实施例的基于标记点的多目标实时定位追踪装置的仰视示意图；

图5是根据本发明的第三实施例的基于标记点的多目标实时定位追踪装置的仰视示意图；

图6是根据本发明的第四实施例的基于标记点的多目标实时定位追踪装置的仰视示意图；

图7是与根据本发明的第一实施例的基于标记点的多目标实时定位追踪装置配合使用虚拟眼镜的立体示意图；

图8是根据本发明的一个实施例的基于标记点的多目标实时定位追踪方法的流程图；

图9是说明图8的基于标记点的多目标实时定位追踪方法中步骤S12的示意图；

图10是说明图8的基于标记点的多目标实时定位追踪方法中步骤S14的示意图；

图11是采用根据本发明的一个实施例的虚拟现实系统的示意框图；

图中标号含义如下：100，100C，100D-基于标记点的多目标实时定位追踪装置；10,10C,10D，11D，12D，13D，14D，15D，16D，17D-相机；20-驱动装置；51，52，53，54，55，51C，52C，53C，54C，55C，51D，52D，53D，54D，55D，56D，57D-红外滤光片；30-转盘；30A-固定盘；32-通孔；34C，34D-穿孔；30C-移动板；30D-固定板；40-发光体；200-移动物体；300-虚拟眼镜；400-运算设备；1000-虚拟现实系统。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的说明。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

本发明人锐意研究，发明出一种基于标记点的多目标实时定位追踪装置，将相机和波长分光技术结合，使用一个或多个相机同时精准监控一个或多个标记点(设置在移动物体或目标上)的运动轨迹，可以在开放环境或密闭空间中对所关心的多个标记点进行实时定位追踪，得到各个标记点的运动轨迹。该基于标记点的多目标实时定位追踪装置包括至少一个相机、分别发出多种波长的光的多个发光体、分别允许所述多种波长中的一种波长的光通过的多个红外滤光片，所述多个发光体分别布置在多个移动物体上，所述多个红外滤光片设置在所述至少一个相机的镜头前方。根据本发明的基于标记点的多目标实时定位追踪装置，可以在非可见光波段，使用光学方法实时监测追踪多个目标，给出目标的运动轨迹，并且使用红外光，可以一定程度避免可见光的影响。

结合图1-图3对本发明的第一实施例进行说明。在本实施例中，所述基于标记点的多目标实时定位追踪装置100包括一个相机10、分别发出5种波长的光的5个发光体40、分别允许所述5种波长中的一种波长的光通过的5个红外滤光片51，52，53，54，55。发光体40分别布置在多个移动物体200上。发光体40即所谓的标记点，其设置在移动物体或目标上。在本实施例中，移动物体200为处于虚拟现实系统中的人。

如图2和图3所示，在本实施例中，所述基于标记点的多目标实时定位追踪装置100包括一个相机10。该一个相机10固定不动。且所述基于标记点的多目标实时定位追踪装置100还包括转盘30和用于驱动所述转盘30旋转的驱动装置20。虽然在图示实施例中，相机10固定不动，5个红外滤光片51，52，53，54，55分别旋转至与相机10对准的位置，但本发明不限于此，例如可以这样：5个红外滤光片51，52，53，54，55固定不动，驱动装置驱动相机10旋转，相机10旋转至与5个红外滤光片51，52，53，54，55中的一个红外滤光片对准。

在本实施例中，驱动装置20包括马达和与马达动力连接的减速齿轮组。所述转盘30上绕周向均匀设置有用于镶嵌所述多个红外滤光片51，52，53，54，55的圆形的通孔32。圆形的红外滤光片51，52，53，54，55分别固定在5个通孔32内。而且，所述多个红外滤光片51，52，53，54，55均设置在相机10的镜头前方。

多个红外滤光片51，52，53，54，55例如为700nm至1500nm的窄带滤光片，优选为800nm至1100nm范围的窄带滤光片。红外滤光片51，52，53，54，55可以购买市面上的滤光片。第一实施例中，所述多个发光体40为LED灯。发光体40发出的光的波长与多个红外滤光片51，52，53，54，55允许通过的波长一一对应。

相机10为高速相机，该相机的拍摄速度为m帧/秒(m>100)，不同波长(λ1,λ2,λ3…λ5,其中，700nm<λ1,λ2,λ3…λ5<1500nm)的滤光片镶嵌在转盘30上，各圆形的红外滤光片的圆心均匀分布于半径为R的圆上，如图3所示，转盘30平行放置于在高速的相机10前端，在图像采集的过程中，高速相机10的镜头中心线垂直于转盘30且与转盘30的交点与某一红外滤光片51，52，53，54，55的圆心重合，驱动装置20(例如由直流电机与齿轮箱配合)带动转盘30旋转，转动角速度ω＝m/5转/秒。此外，分别发出5种波长(λ1,λ2,λ3…λ5)的光的5个发光体40设置在人的身上，人在虚拟现实系统设定的范围内移动，且人在相机10的拍摄视野内运动，相机10可以拍摄得到一系列图片。可以将基于标记点的多目标实时定位追踪装置100的相机10所得的所有图片传至后述的运算设备400(例如计算机、专用集成电路、专用软件)，按照波长不同将图片分类，将同一类图片按时间顺序放置，形成此波长下发光体40的运动轨迹(即可以算出人的运动轨迹和当前运动位置)。在虚拟现实系统中，当获得人的运动轨迹和当前运动位置后，便可以调整人通过虚拟头盔或虚拟眼镜看到的虚拟景象。

换言之，在第一实施例中，通过在高速相机前端放置波长分光装置，实现在不同波长(λ1,λ2,λ3…λ5)的滤光片之间切换，滤光片的切换速率与高速相机拍摄速度相匹配。不同波长(λ1,λ2,λ3…λ5)的红外光源在高速相机的视野内运动，高速相机拍摄得到一组图片。由于相机前端的滤光片切换，每张图片只能拍摄到当前滤光片所对应波长的光源，其它光源不出现在图片中，每相邻两张图片拍摄到不同波长的光源。对所有图片按照时间轴对于拍摄到不同波长的图片进行分类，将属于同一波长的图片按拍摄时间先后顺序放置，做图像处理，以一定速度播放图片形成该波长所对应目标的运动轨迹。

接着，结合图4对本发明的第二实施例进行说明。在第二实施例中，所述基于标记点的多目标实时定位追踪装置100A包括5个相机。5个相机分别为第一相机11、第二相机12、第三相机13、第四相机14、第五相机15。第一相机11、第二相机12、第三相机13、第四相机14、第五相机15固定不动，且所述基于标记点的多目标实时定位追踪装置还包括固定盘30A。所述固定盘30A上绕周向均匀设置有用于镶嵌所述多个红外滤光片51，52，53，54，55的通孔32。在第二实施例中，第一相机11与红外滤光片51配合使用，采集关于第一移动物体的图像。第二相机12与红外滤光片52配合使用，采集关于第二移动物体的图像。第三相机13与红外滤光片53配合使用，采集关于第三移动物体的图像。第四相机14与红外滤光片54配合使用，采集关于第四移动物体的图像。第五相机15与红外滤光片55配合使用，采集关于第五移动物体的图像。因此，在第二实施例中，无需设置驱动装置，基于标记点的多目标实时定位追踪装置100A的可靠性更高。

接着，结合图5对本发明的第三实施例进行说明。在第三实施例中，所述基于标记点的多目标实时定位追踪装置100C包括一个相机10C。该一个相机10C固定不动。且所述基于标记点的多目标实时定位追踪装置100C还包括移动板30C和用于驱动所述移动板30C往复移动的驱动装置(未示出)。第三实施例的驱动装置例如也可以包括马达和与马达动力连接的减速齿轮组，通过控制马达正反转，驱动所述移动板30C在左右方向上来回移动，本领域普通技术人员知晓该驱动方式，不做赘述。在所述移动板30C上以相同间隔(亦可不同间隔)设置有用于镶嵌所述5个红外滤光片51C，52C，53C，54C，55C的穿孔34C。

在需要采集移动物体的图像时，通过驱动装置驱动移动板30C移动，使得相机10C对准多个红外滤光片51C，52C，53C，54C，55C中的一个红外滤光片，拍摄到与所对准的红外滤光片允许通过的波长的发光体40对应的图像。

接着，结合图6对本发明的第四实施例进行说明。在第四实施例中，所述基于标记点的多目标实时定位追踪装置100D包括7个相机，7个相机分别为第一相机11D、第二相机12D、第三相机13D、第四相机14D、第五相机15D、第六相机16D、第七相机17D。其中，第一相机11D、第二相机12D、第三相机13D、第四相机14D、第五相机15D、第六相机16D、第七相机17D固定不动。且所述基于标记点的多目标实时定位追踪装置100D还包括固定板30D。所述固定板30D上以相同间隔(亦可不同间隔)设置有用于镶嵌所述7个红外滤光片51D，52D，53D，54D，55D，56D，57D的穿孔34D。在第四实施例中，第一相机11D与红外滤光片51D配合使用，采集关于第一移动物体的图像。第二相机12D与红外滤光片52D配合使用，采集关于第二移动物体的图像。第三相机13D与红外滤光片53D配合使用，采集关于第三移动物体的图像。第四相机14D与红外滤光片54D配合使用，采集关于第四移动物体的图像。第五相机15D与红外滤光片55D配合使用，采集关于第五移动物体的图像。第六相机16D与红外滤光片56D配合使用，采集关于第六移动物体的图像。第七相机17D与红外滤光片57D配合使用，采集关于第七移动物体的图像。因此，在第四实施例中，无需设置驱动装置，基于标记点的多目标实时定位追踪装置100D的可靠性更高。

本发明还提供一种基于标记点的多目标实时定位追踪方法。如图8至10所示，所述基于标记点的多目标实时定位追踪方法包括如下步骤：

S11，利用上述的基于标记点的多目标实时定位追踪装置采集图像；

S12，对采集的图像按照波长(λ1,λ2,λ3…λn)进行分类；

S13，将各波长的图像按照拍摄时间顺序以一定速率播放；

S14，得到与各波长(λ1,λ2,λ3…λn)对应的移动物体的运动轨迹。

如图11所示，本发明还提供一种虚拟现实系统1000。其包括虚拟眼镜300、上述的基于标记点的多目标实时定位追踪装置100/100C/100D和运算设备400，所述多个发光体的各发光体40作为标记点设置在所述虚拟眼镜300上。虚拟眼镜300例如可以为集成于虚拟头盔的虚拟眼镜。所述多个移动物体200例如为多个人。所述运算设备400用于根据通过基于标记点的多目标实时定位追踪装置100/100C/100D采集的图像获得目标的位置信息。

在基于标记点的多目标实时定位追踪方法中，步骤S12-S14例如通过运算设备400实现。运算设备400可以通过现有技术实现，不作赘述。此外，运算设备400可以集成在相机10内。

根据本发明的基于标记点的多目标实时定位追踪装置的实施例，将高速相机和波长分光技术结合，使用一个或多个相机同时精准监控一个或多个目标的运动轨迹，可以在开放环境或密闭空间中对所关心的多个目标进行实时定位追踪，得到各个目标的运动轨迹。这样，可以在非可见光波段，使用光学方法实时监测追踪多个目标，给出目标的运动轨迹，并且使用红外光，可以一定程度避免可见光的影响。

本发明的基于标记点的多目标实时定位追踪装置可以应用于虚拟看房、虚拟游戏、虚拟现实环境、场景建模等方面。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.基于标记点的多目标实时定位追踪装置，其特征在于，所述基于标记点的多目标实时定位追踪装置用于在虚拟现实系统中同时精准监控多个移动物体的运动轨迹，包括至少一个相机、分别发出多种波长的光的多个发光体、分别允许所述多种波长中的一种波长的光通过的多个红外滤光片，所述多个发光体分别布置在多个移动物体上，所述多个红外滤光片设置在所述至少一个相机的镜头前方，所述基于标记点的多目标实时定位追踪装置包括一个相机，该一个相机固定不动，且所述基于标记点的多目标实时定位追踪装置还包括转盘和用于驱动所述转盘旋转的驱动装置，所述转盘上绕周向均匀设置有用于镶嵌所述多个红外滤光片的通孔，所述多个红外滤光片的数量、所述多个发光体的数量、所述通孔的数量均为5个以上，移动物体为处于虚拟现实系统中的人。

2.根据权利要求1所述的基于标记点的多目标实时定位追踪装置，其特征在于，所述多个发光体发出的所述多种波长的范围为700nm至1500nm。

3.根据权利要求1所述的基于标记点的多目标实时定位追踪装置，其特征在于，所述多个发光体为LED灯。

4.一种基于标记点的多目标实时定位追踪方法，其特征在于，所述基于标记点的多目标实时定位追踪方法包括如下步骤：

S11，利用根据权利要求1所述的基于标记点的多目标实时定位追踪装置采集图像；

S12，对采集的图像按照波长进行分类；

S13，将各波长的图像按照拍摄时间顺序以一定速率播放；

S14，得到与各波长对应的移动物体的运动轨迹。

5.一种虚拟现实系统，其特征在于包括虚拟眼镜、根据权利要求1所述的基于标记点的多目标实时定位追踪装置及运算设备，所述多个发光体的各发光体设置在所述虚拟眼镜上，所述运算设备用于根据通过基于标记点的多目标实时定位追踪装置采集的图像获得目标的位置信息。