CN105787941B - 一种混合现实仿真系统的快速配准方法 - Google Patents

一种混合现实仿真系统的快速配准方法 Download PDF

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CN105787941B CN201610112630.7A CN201610112630A CN105787941B CN 105787941 B CN105787941 B CN 105787941B CN 201610112630 A CN201610112630 A CN 201610112630A CN 105787941 B CN105787941 B CN 105787941B
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Abstract

本发明涉及一种混合现实仿真系统的快速配准方法，包括：提供一虚拟被标定体、一现实被标定体，且虚拟被标定体与现实被标定体具有相同的形状，并且具有相同的姿态Qt，同时虚拟被标定体和现实被标定体的同一端点被定义为标定点B；建立虚拟空间的全局坐标系XYZ；建立虚拟被标定体的局部坐标系X
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 72098DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 700526DEST_PATH_IMAGE001
；最后，对现实被标定体进行快速配准。采用本发明所述方法对混合现实仿真系统配准后，使用现实被标定体进行操作时，现实被标定体的操作动作可以与虚拟被标定体的操作动作准确吻合，从而实现真实操作在虚拟场景中的同步及可视化操作，并且配准方法简单快速易操作，应用领域广，包括医学、军事、运动、工业制造、动画制作等领域混合现实仿真系统。

Description

一种混合现实仿真系统的快速配准方法
技术领域
本发明属于混合现实仿真技术领域，具体涉及一种混合现实仿真系统的快速配准方法。
背景技术
混合现实技术是虚拟现实技术的进一步发展，该技术通过在虚拟环境中引入现实场景信息，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感。混合现实技术的研究具有很强的现实意义，混合现实仿真系统在实际操作时，需要进行标定才能使现实的操作动作与虚拟的操作动作同步，因此有必要发明一种混合现实仿真系统的快速配准方法，来使现实的操作动作与虚拟的操作动作达到准确同步的效果。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种混合现实仿真系统的快速配准方法。
本发明所采用的技术方案为：一种混合现实仿真系统的快速配准方法，包括：
（1）提供一虚拟被标定体、一现实被标定体，且虚拟被标定体与现实被标定体具有相同的形状，并且具有相同的姿态Qt，同时虚拟被标定体和现实被标定体的同一端点被定义为标定点B；
（2）建立虚拟空间的全局坐标系XYZ，坐标原点为O；建立虚拟被标定体的局部坐标系X
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 837167DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 234650DEST_PATH_IMAGE001
，坐标原点为O；
（3）对于不包含活塞类结构的现实被标定体，提供一定位传感器，并通过连接件设置于现实被标定体的非两端位置，定位传感器所处的位置定义为采样点P；定义虚拟被标定体的一端点为局部坐标系X
Figure 871747DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 166462DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 672530DEST_PATH_IMAGE001
的坐标原点O；
开启电磁跟踪系统和计算机系统，采用三点定位的方法将定位传感器所捕捉采样点P的磁场空间坐标系数据变换为全局坐标系XYZ的数据，包括反映其空间位置的位置数据P0和反映其空间姿态的姿态数据Q0，则采样点P在局部坐标系XY
Figure 513950DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 486192DEST_PATH_IMAGE001
中的坐标为：
空间位置
Figure 252023DEST_PATH_IMAGE002
空间姿态
局部坐标系XY
Figure 383293DEST_PATH_IMAGE001
Z中坐标原点O
Figure 96613DEST_PATH_IMAGE001
与定位传感器采样点P的偏移为-P
Figure 423689DEST_PATH_IMAGE001
，变换至全局坐标系XYZ中偏移为-QP
Figure 504778DEST_PATH_IMAGE001
，不管操作时现实被标定体在什么位置，不会影响此偏移，故，由定位传感器采集的空间位置数据P和空间姿态数据Q确定的局部坐标系X
Figure 979621DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 69937DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 251520DEST_PATH_IMAGE001
中坐标原点O
Figure 291061DEST_PATH_IMAGE001
在全局坐标系XYZ中的坐标为：
空间位置
Figure 253201DEST_PATH_IMAGE004
Figure 819312DEST_PATH_IMAGE005
空间姿态
Figure 917718DEST_PATH_IMAGE006
最后，虚拟全局空间记录上述坐标标定点位置数据和姿态数据并与虚拟被标定体进行相对位置的相应锁定，完成混合现实仿真系统中不包含活塞类结构的现实被标定体的快速配准；
与（3）并列的：
（4）对于具有活塞类结构的现实被标定体，提供两个定位传感器，分别通过连接件，在现实被标定体的空筒前端安装第一传感器，在活塞柄末端安装第二传感器，第二传感器所处的位置定义为采样点P；第一传感器所处的位置定义为局部坐标系X
Figure 543871DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 727728DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 661311DEST_PATH_IMAGE001
的坐标原点O
Figure 817486DEST_PATH_IMAGE001
；开启电磁跟踪系统和计算机系统，开始配准：
Figure 676857DEST_PATH_IMAGE007
第一传感器采集其所处位置的全局坐标系XYZ的数据P0和Q0；
Figure 348010DEST_PATH_IMAGE008
将现实被标定体的活塞完全推下，标定第一点P1，第二传感器采集第一点的全局坐标系XYZ的数据P1和Q1，由此可得出采样点P1点在局部坐标系X
Figure 255923DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 889774DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 857730DEST_PATH_IMAGE001
中的坐标为：
Figure 16178DEST_PATH_IMAGE009
Figure 790099DEST_PATH_IMAGE010
保持现实被标定体的第
Figure 920866DEST_PATH_IMAGE008
步的状态，将活塞拔出至最大刻度，标定第二点P2，第二传感器采集第二点的全局坐标系XYZ的数据P2和Q2，由此可得出采样点P2点在局部坐标系X
Figure 122041DEST_PATH_IMAGE011
Y
Figure 3671DEST_PATH_IMAGE011
Z
Figure 518966DEST_PATH_IMAGE011
中的坐标为：
Figure 566557DEST_PATH_IMAGE012
Figure 938632DEST_PATH_IMAGE013
保持现实被标定体的第
Figure 743777DEST_PATH_IMAGE010
步的状态，将活塞顺时针旋转一第一角度θ1，标定第三点P3，第二传感器采集第三点的全局坐标系XYZ的数据P3和Q3，由此可得出采样点P3点在局部坐标系X
Figure 859501DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 260133DEST_PATH_IMAGE001
Z中的坐标为：
Figure 361130DEST_PATH_IMAGE014
保持现实被标定体的第步的状态，将活塞再顺时针旋转一第二角度θ2，标定第四点P4，第二传感器采集第四点的全局坐标系XYZ的数据P4和Q4，由此可得出采样点P4点在局部坐标系XY
Figure 468446DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 427437DEST_PATH_IMAGE001
中的坐标为：
Figure 241809DEST_PATH_IMAGE016
Figure DEST_PATH_IMAGE017
最后，虚拟全局空间记录上述坐标采样点数据并与虚拟被标定体进行相对位置的相应锁定，完成混合现实仿真系统中具有活塞类结构的现实被标定体的快速配准；
进一步，具有活塞类结构的现实被标定体在推注操作时的评价方法如下：
在现实被标定体进行推注操作时，第一传感器的全局坐标系数据为
Figure 455939DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure 717156DEST_PATH_IMAGE020
，第二传感器的全局坐标系数据为
Figure 386035DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 940251DEST_PATH_IMAGE022
，则，第二传感器在局部坐标系X
Figure 694580DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 759488DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 345190DEST_PATH_IMAGE001
中的坐标为：
Figure 509455DEST_PATH_IMAGE023
由
Figure 813397DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 354100DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 295774DEST_PATH_IMAGE026
，可得出现实被标定体推注的极限长度：
Figure 422179DEST_PATH_IMAGE028
其中，N为现实被标定体的轴向方向：
Figure 828889DEST_PATH_IMAGE029
那么，现实被标定体当前相对的推注量为：
Figure 61287DEST_PATH_IMAGE030
最后，计算机系统记录以上推注量数据并与操作要求的标准推注量进行比较，完成具有活塞类结构的现实被标定体推注量操作的评价；
与（3）并列的：
（5）对于具有旋转关节结构的被标定体，按照第（3）步进行锁定配准。
进一步，所述第一角度θ1的要求0○＜θ1＜360○。
进一步，所述第二角度θ2的要求0○＜θ2＜360○且θ2≠360○-θ1。
进一步，所述具有旋转关节结构的被标定体，其相邻关节两端被标定体具有同一标定点。
本发明所述的混合现实仿真系统的快速配准方法，有益效果在于：采用本发明快速配准方法对混合现实仿真系统配准后，使用现实被标定体进行仿真操作时，现实被标定体的操作动作可以与虚拟被标定体的操作动作准确吻合，从而实现真实操作在场景中的同步及可视化操作，并且配准方法简单快速、易操作，应用领域广，包括医学、军事、运动、工业制造、动画制作等领域混合现实仿真系统。
附图说明
图1是本发明混合现实仿真系统实施例1虚拟妇科检查仿真系统的示意图。
图2是本发明混合现实仿真系统实施例2虚拟枪械射击仿真系统的示意图。
图3是本发明混合现实仿真系统实施例3虚拟胸腔穿刺仿真系统的示意图。
图4是本发明混合现实仿真系统实施例4虚拟人体动画仿真系统的示意图。
图5是本发明混合现实仿真系统实施例5虚拟臀部注射仿真系统的示意图。
图6是本发明混合现实仿真系统实施例6虚拟机器人涂胶仿真系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，被标定体可以为：手指、指套、穿刺针、手臂、注射器、机器人涂胶装置、机器人手臂、手术器械、动画制作工具、危险实验操作训练工具等。
在本发明的权利要求书和说明书中，为了清楚的表述本发明，多次出现了“姿态“这一名词，现对它说明如下：本发明所述的姿态是采用四元数据来描述的。
实施例1
图1是本发明混合现实仿真系统实施例1虚拟妇科检查仿真系统的示意图，本发明所述混合现实仿真系统的快速配准方法，包括：
（1）提供一虚拟3D妇科模型101、虚拟3D检查手指102、虚拟3D检查指套103；提供一妇科模型104、一检查手指106、一检查指套105并戴在检查手指106上；虚拟3D妇科模型101与妇科模型104具有相同的形状、大小和姿态；虚拟3D检查指套103与检查指套105具有相同的形状、大小和姿态；虚拟3D检查手指102与检查手指106具有相同的形状、大小和姿态Qt1，姿态Qt1优选虚拟3D检查手指102的指尖与虚拟3D妇科模型101肛门表面接触，并且虚拟3D检查手指102平行于水平面；同时带有检查指套105的检查手指106的指尖与妇科模型104的肛门表面接触，并且检查手指106平行于水平面；虚拟3D检查手指102和检查手指106的指尖端点被定义为标定点B；妇科模型104可采用3D打印、模具成型或数控机床（CNC, Computernumerical control）加工而制成，虚拟3D妇科模型101、虚拟3D检查手指102和虚拟3D检查指套103可采用3D扫描或计算机绘制而成；
（2）建立虚拟3D妇科模型101的全局坐标系XYZ，坐标原点为O；建立虚拟3D检查手指102的局部坐标系X
Figure 895251DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 845890DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 289247DEST_PATH_IMAGE001
，坐标原点为O
Figure 704048DEST_PATH_IMAGE001
；
（3）提供一定位传感器107，并通过连接件设置于检查指套105于靠近检查手指106指尖的位置处，定位传感器107所处的位置定义为采样点P；虚拟3D检查手指102的指尖端点定义为局部坐标系X
Figure 646596DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 146848DEST_PATH_IMAGE001
Z的坐标原点O；
开启电磁跟踪系统和计算机系统，采用三点定位的方法将定位传感器107所捕捉采样点P的磁场空间坐标系数据变换为全局坐标系XYZ的数据，包括反映其空间位置的位置数据P0和反映其空间姿态的姿态数据Q0，则采样点P在局部坐标系X
Figure 215801DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 704813DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 991438DEST_PATH_IMAGE001
中的坐标为：
空间位置
Figure 318514DEST_PATH_IMAGE002
空间姿态
Figure 399603DEST_PATH_IMAGE003
局部坐标系X
Figure 812129DEST_PATH_IMAGE001
YZ
Figure 84028DEST_PATH_IMAGE001
中坐标原点O
Figure 100132DEST_PATH_IMAGE001
与定位传感器107采样点P的偏移为-P
Figure 734376DEST_PATH_IMAGE001
，变换至全局坐标系XYZ中偏移为-QP，不管检查训练时带有检查指套105的检查手指106在什么位置，不会影响此偏移，故，由定位传感器107采集的空间位置数据P和空间姿态数据Q确定的局部坐标系X
Figure 726788DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 352942DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 536798DEST_PATH_IMAGE001
中坐标原点O
Figure 906600DEST_PATH_IMAGE001
在全局坐标系XYZ中的坐标为：
空间位置
Figure 626556DEST_PATH_IMAGE004
Figure 423611DEST_PATH_IMAGE005
空间姿态
Figure 94764DEST_PATH_IMAGE006
最后，虚拟全局空间记录上述坐标标定点位置数据和姿态数据并与虚拟3D检查手指102进行相对位置的相应锁定，完成混合现实仿真系统中检查指套105和检查手指106的快速配准，使用带有检查指套105的检查手指106对妇科模型104进行仿真检查训练时，手指的检查动作可以与虚拟3D检查手指的检查动作准确吻合，从而实现真实操作在3D场景中的同步及可视化操作，并且配准方法简单快速、易操作，可应用于医学妇科检查的培训和考核。
实施例2
图2是本发明混合现实仿真系统实施例2虚拟枪械射击仿真系统的示意图，本发明所述混合现实仿真系统的快速配准方法，包括：
（1）提供一虚拟3D枪械模型201、虚拟3D叩击手指202、虚拟3D叩击指套203；提供一枪械204、一叩击手指206、一叩击指套205并戴在叩击手指206上；虚拟3D枪械模型201与枪械204具有相同的形状、大小和姿态；虚拟3D叩击指套203与叩击指套205具有相同的形状、大小和姿态； 虚拟3D叩击手指202与叩击手指206具有相同的形状、大小和姿态Qt2，姿态Qt2优选虚拟3D叩击手指202的指尖与虚拟3D枪械模型201的扳机侧面接触，并且垂直于扳机侧面；同时带有叩击指套205的叩击手指206的指尖与枪械204的扳机侧面接触，并且垂直于扳机侧面；虚拟3D叩击手指202和叩击手指206的指尖端点被定义为标定点B；虚拟3D枪械模型201、虚拟3D叩击手指202和虚拟3D叩击指套203可采用3D扫描或计算机绘制而成；
（2）建立虚拟3D枪械模型201的全局坐标系XYZ，坐标原点为O；建立虚拟3D叩击手指202的局部坐标系X
Figure 64994DEST_PATH_IMAGE011
YZ
Figure 105948DEST_PATH_IMAGE011
，坐标原点为O
Figure 202080DEST_PATH_IMAGE011
；
（3）提供一定位传感器207，并通过连接件设置于叩击指套205靠近指尖的位置处，定位传感器207所处的位置定义为采样点P；虚拟3D叩击手指202的指尖端点定义为局部坐标系X
Figure 474536DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 339724DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 540898DEST_PATH_IMAGE001
的坐标原点O
Figure 186643DEST_PATH_IMAGE001
；
开启电磁跟踪系统和计算机系统，采用三点定位的方法将定位传感器207所捕捉采样点P的磁场空间坐标系数据变换为全局坐标系XYZ的数据，包括反映其空间位置的位置数据P0和反映其空间姿态的姿态数据Q0，则采样点P在局部坐标系X
Figure 701938DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 483949DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 793708DEST_PATH_IMAGE001
中的坐标为：
空间位置
Figure 428214DEST_PATH_IMAGE002
空间姿态
Figure 543937DEST_PATH_IMAGE003
局部坐标系X
Figure 446034DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 926694DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 547031DEST_PATH_IMAGE001
中坐标原点O
Figure 699402DEST_PATH_IMAGE001
与定位传感器207采样点P的偏移为-P
Figure 393688DEST_PATH_IMAGE001
，变换至全局坐标系XYZ中偏移为-QP
Figure 373146DEST_PATH_IMAGE001
，不管射击训练时带有叩击指套205的叩击手指206在什么位置，不会影响此偏移，故，由定位传感器207采集的空间位置数据P和空间姿态数据Q确定的局部坐标系XY
Figure 672726DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 50880DEST_PATH_IMAGE001
中坐标原点O在全局坐标系XYZ中的坐标为：
空间位置
Figure 202693DEST_PATH_IMAGE004
Figure 463910DEST_PATH_IMAGE005
空间姿态
Figure 195105DEST_PATH_IMAGE006
最后，虚拟全局空间记录上述坐标标定点位置数据和姿态数据并与虚拟3D叩击手指202进行相对位置的相应锁定，完成混合现实仿真系统中叩击指套205和叩击手指206的快速配准，使用带有叩击指套的叩击手指对现实枪械进行仿真射击训练时，叩击手指的叩击动作可以与虚拟3D叩击手指的叩击动作准确吻合，从而实现真实操作在3D场景中的同步及可视化操作，并且配准方法简单快速、易操作，可用于军事或运动射击项目时的射击动作分析，提高技战水平。
实施例3
图3是本发明混合现实仿真系统实施例3虚拟胸腔穿刺仿真系统的示意图，本发明所述混合现实仿真系统的快速配准方法，包括：
（1）提供一虚拟3D穿刺模型301、虚拟3D穿刺针302；提供一穿刺模型303、一穿刺针304；虚拟3D穿刺模型301与穿刺模型303具有相同的形状、大小和姿态；虚拟3D穿刺针302与穿刺针304具有相同的形状、大小和姿态Qt3，姿态Qt3优选虚拟3D穿刺针302与虚拟3D穿刺模型301接触点所处曲面的法线重合；同时穿刺针304与穿刺模型303接触点所处曲面的法线重合；虚拟3D穿刺针302和穿刺针304的针尖端点被定义为标定点B；穿刺模型303可采用3D打印、模具成型或数控机床（CNC, Computer numerical control）加工而制成，虚拟3D穿刺模型301、虚拟3D穿刺针302可采用3D扫描或计算机绘制而成；
（2）建立虚拟3D穿刺模型301的全局坐标系XYZ，坐标原点为O；建立虚拟3D穿刺针302的局部坐标系XY
Figure 527088DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 326417DEST_PATH_IMAGE001
，坐标原点为O
Figure 849802DEST_PATH_IMAGE001
；
（5）提供一定位传感器305，并通过连接件设置于穿刺针304的靠近针尖的位置处，定位传感器305所处的位置定义为采样点P；虚拟3D穿刺针302的针尖定义端点为局部坐标系X
Figure 341963DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 645906DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 921029DEST_PATH_IMAGE001
的坐标原点O；
开启电磁跟踪系统和计算机系统，采用三点定位的方法将定位传感器305所捕捉采样点P的磁场空间坐标系数据变换为全局坐标系XYZ的数据，包括反映其空间位置的位置数据P0和反映其空间姿态的姿态数据Q0，则采样点P在局部坐标系XYZ
Figure 395818DEST_PATH_IMAGE001
中的坐标为：
空间位置
Figure 893795DEST_PATH_IMAGE002
空间姿态
Figure 727759DEST_PATH_IMAGE003
局部坐标系X
Figure 678398DEST_PATH_IMAGE011
Y
Figure 184072DEST_PATH_IMAGE011
Z
Figure 536556DEST_PATH_IMAGE011
中坐标原点O
Figure 541421DEST_PATH_IMAGE011
与定位传感器305采样点P的偏移为-P
Figure 979356DEST_PATH_IMAGE011
，变换至全局坐标系XYZ中偏移为-QP
Figure 462290DEST_PATH_IMAGE001
，不管穿刺训练时穿刺针304在什么位置，不会影响此偏移，故，由定位传感器305采集的空间位置数据P和空间姿态数据Q确定的局部坐标系X
Figure 498641DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 612090DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 599638DEST_PATH_IMAGE001
中坐标原点O
Figure 886263DEST_PATH_IMAGE001
在全局坐标系XYZ中的坐标为：
空间位置
Figure 947760DEST_PATH_IMAGE004
Figure 294428DEST_PATH_IMAGE005
空间姿态
Figure 706954DEST_PATH_IMAGE006
最后，虚拟全局空间记录上述坐标标定点位置数据和姿态数据并与虚拟3D穿刺针302进行相对位置的相应锁定，完成混合现实仿真系统中穿刺针304的快速配准，使用穿刺针对穿刺模型进行操作训练时，穿刺针的操作动作可以与虚拟3D穿刺针的操作动作准确吻合，从而实现真实操作在3D场景中的同步及可视化操作，并且配准方法简单快速、易操作，可应用于医学穿刺的培训和考核。
实施例4
图4是本发明混合现实仿真系统实施例4虚拟人体动画仿真系统的示意图，本发明所述混合现实仿真系统的快速配准方法，包括：
（1）提供一虚拟3D人体模型401、虚拟3D手臂模型402；虚拟3D人体模型401与人体403具有相同的形状、大小和姿态；虚拟3D手臂模型402与手臂404具有相同的形状、大小和姿态Qt4，姿态Qt4优选虚拟3D手臂模型402与水平面垂直；同时手臂404与水平面垂直；虚拟3D手臂模型402和手臂404的肘关节端点被定义为标定点B；虚拟3D人体模型401、虚拟3D手臂模型402可采用3D扫描或计算机绘制而成；
（2）建立虚拟3D人体模型401的全局坐标系XYZ，坐标原点为O；建立虚拟3D手臂模型402的局部坐标系XY
Figure 539705DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 791695DEST_PATH_IMAGE001
，坐标原点为O；
（3）提供一定位传感器405，并通过连接件设置于手臂404的靠近肘关节的位置处，定位传感器405所处的位置定义为采样点P；虚拟3D手臂模型402的肘关节端点定义为局部坐标系X
Figure 883727DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 247712DEST_PATH_IMAGE001
Z的坐标原点O
Figure 57722DEST_PATH_IMAGE001
；
开启电磁跟踪系统和计算机系统，采用三点定位的方法将定位传感器405所捕捉采样点P的磁场空间坐标系数据变换为全局坐标系XYZ的数据，包括反映其空间位置的位置数据P0和反映其空间姿态的姿态数据Q0，则采样点P在局部坐标系X
Figure 489840DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 941288DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 738343DEST_PATH_IMAGE001
中的坐标为：
空间位置
Figure 409495DEST_PATH_IMAGE002
空间姿态
局部坐标系XYZ
Figure 346173DEST_PATH_IMAGE001
中坐标原点O
Figure 57777DEST_PATH_IMAGE001
与定位传感器405采样点P的偏移为-P，变换至全局坐标系XYZ中偏移为-QP
Figure 124139DEST_PATH_IMAGE001
，不管手臂404在什么位置，不会影响此偏移，故，由定位传感器405采集的空间位置数据P和空间姿态数据Q确定的局部坐标系X
Figure 769884DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 19599DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 67190DEST_PATH_IMAGE001
中坐标原点O
Figure 937801DEST_PATH_IMAGE001
在全局坐标系XYZ中的坐标为：
空间位置
Figure 8525DEST_PATH_IMAGE004
Figure 124248DEST_PATH_IMAGE005
空间姿态
Figure 964028DEST_PATH_IMAGE006
最后，虚拟全局空间记录上述坐标标定点位置数据和姿态数据并与虚拟3D手臂模型402进行相对位置的相应锁定，完成混合现实仿真系统中手臂404（具有旋转关节结构的被标定体）的快速配准，手臂的操作动作可以与虚拟3D手臂模型的操作动作准确吻合，从而实现真实操作在3D场景中的同步及可视化操作，并且配准方法简单快速、易操作，可应用于人体动画的模拟以及人体运动的分析。
实施例5
图5是本发明混合现实仿真系统实施例5虚拟臀部注射仿真系统的示意图，本发明所述混合现实仿真系统的快速配准方法，包括：
（1）提供一虚拟3D臀部注射模型501、虚拟3D注射器502；提供一臀部注射模型503、一注射器504；虚拟3D臀部注射模型501与臀部注射模型503具有相同的形状、大小和姿态；虚拟3D注射器502与注射器504具有相同的形状、大小和姿态Qt5，姿态Qt5优选虚拟3D注射器502与虚拟3D臀部注射模型501接触点所处曲面的法线重合；同时注射器504与臀部注射模型503接触点所处曲面的法线重合；虚拟3D注射器502和注射器504的针尖端点被定义为标定点B；臀部注射模型503可采用3D打印、模具成型或数控机床（CNC, Computer numericalcontrol）加工而制成，虚拟3D臀部注射模型501、虚拟3D注射器502可采用3D扫描或计算机绘制而成；
（2）建立虚拟3D臀部注射模型501的全局坐标系XYZ，坐标原点为O；建立虚拟3D注射器502的局部坐标系XY
Figure 799446DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 718861DEST_PATH_IMAGE001
，坐标原点为O；
（3）提供两个定位传感器，分别通过连接件在注射器504的针筒前端安装第一传感器505，在注射器的活塞柄末端安装第二传感器506，第二传感器506所处的位置定义为采样点Px；第一传感器505所处的位置定义为局部坐标系XY
Figure 736123DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 131333DEST_PATH_IMAGE001
的坐标原点O
Figure 742443DEST_PATH_IMAGE001
；开启电磁跟踪系统和计算机系统，开始配准：
第一传感器505采集其所处位置的全局坐标系XYZ的数据P0和Q0；
Figure 159834DEST_PATH_IMAGE008
将注射器504的活塞完全推下，标定第一点P1，第二传感器506采集第一点的全局坐标系XYZ的数据P1和Q1，由此可得出采样点P1点在局部坐标系XYZ
Figure 644146DEST_PATH_IMAGE001
中的坐标为：
Figure 398475DEST_PATH_IMAGE009
Figure 197804DEST_PATH_IMAGE010
保持注射器504的第步的状态，将活塞拔出至最大刻度，标定第二点P2，第二传感器506采集第二点的全局坐标系XYZ的数据P2和Q2，由此可得出采样点P2点在局部坐标系X
Figure 213351DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 753179DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 293881DEST_PATH_IMAGE001
中的坐标为：
Figure 999669DEST_PATH_IMAGE012
Figure 334836DEST_PATH_IMAGE013
保持注射器504的第
Figure 126074DEST_PATH_IMAGE010
步的状态，将活塞顺时针旋转一第一角度θ1，标定第三点P3，要求0○＜θ1＜360○，第一角度θ1优选120○，第二传感器506采集第三点的全局坐标系XYZ的数据P3和Q3，由此可得出采样点P3点在局部坐标系X
Figure 204889DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 765183DEST_PATH_IMAGE001
Z中的坐标为：
Figure 993143DEST_PATH_IMAGE015
保持注射器504的第
Figure 345627DEST_PATH_IMAGE013
步的状态，将活塞再顺时针旋转一第二角度θ2，标定第四点P4，要求0○＜θ2＜360○且θ2≠360○-θ1，第二角度θ2优选120○，第二传感器506采集第四点的全局坐标系XYZ的数据P4和Q4，由此可得出采样点P4点在局部坐标系X
Figure 350492DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 788426DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 271360DEST_PATH_IMAGE001
中的坐标为：
Figure 155582DEST_PATH_IMAGE017
最后，虚拟全局空间记录上述坐标采样点数据并与虚拟3D注射器502进行相对位置的相应锁定，完成混合现实仿真系统中注射器504（具有活塞类结构的被标定体）的快速配准；
Figure 143129DEST_PATH_IMAGE018
进一步，注射器504在推注操作时的评价方法如下：
在注射器504进行推注操作时，第一传感器505的全局坐标系数据为
Figure 367437DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure 756830DEST_PATH_IMAGE020
，第二传感器506的全局坐标系数据为
Figure 41181DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 516025DEST_PATH_IMAGE022
，则，第二传感器506在局部坐标系X
Figure 839297DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 20879DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 538448DEST_PATH_IMAGE001
中的坐标为：
由
Figure 66699DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 165105DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 791258DEST_PATH_IMAGE026
，可得出注射器504推注的极限长度：
Figure 846381DEST_PATH_IMAGE028
其中，N为注射器504的轴向方向：
Figure 330452DEST_PATH_IMAGE029
那么，注射器504当前相对的推注量为：
Figure 127507DEST_PATH_IMAGE030
最后，计算机系统记录以上推注量数据并与训练操作要求的标准推注量进行比较，完成注射器504推注操作的评价。采用本发明配准方法对混合现实仿真系统配准后，使用注射器（具有活塞类结构的被标定体）对医学模型进行操作训练时，注射器的操作动作可以与虚拟3D注射器的操作动作准确吻合，包括推注状态，从而实现真实操作在3D场景中的同步及可视化操作，并且配准方法简单快速、易操作，可用于医学注射操作的培训及考核。
实施例6
图6是本发明混合现实仿真系统实施例6虚拟机器人涂胶仿真系统的示意图，本发明所述混合现实仿真系统的快速配准方法，包括：
（1）提供一虚拟3D汽车风挡玻璃模型601、虚拟3D机器人涂胶装置602；提供一汽车风挡玻璃603、一机器人涂胶装置604；虚拟3D汽车风挡玻璃模型601与汽车风挡玻璃603具有相同的形状、大小和姿态；虚拟3D机器人涂胶装置602与机器人涂胶装置604具有相同的形状、大小和姿态Qt6，姿态Qt6优选虚拟3D机器人涂胶装置602出胶口与虚拟3D汽车风挡玻璃模型601接触，并且虚拟3D机器人涂胶装置602的活塞方向与接触点所处曲面的法线重合；同时机器人涂胶装置604出胶口与汽车风挡玻璃模型603接触，并且机器人涂胶装置604的活塞方向与接触点所处曲面的法线重合；虚拟3D机器人涂胶装置602和机器人涂胶装置604的出胶口端点被定义为标定点B；虚拟3D汽车风挡玻璃模型601、虚拟3D机器人涂胶装置602可采用3D扫描或计算机绘制而成；
（2）建立虚拟3D汽车风挡玻璃模型601的全局坐标系XYZ，坐标原点为O；建立虚拟3D机器人涂胶装置602的局部坐标系X
Figure 533080DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 768889DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 779571DEST_PATH_IMAGE001
，坐标原点为O
Figure 331816DEST_PATH_IMAGE001
；
（3）提供两个定位传感器，分别通过连接件在机器人涂胶装置604的胶筒前端安装第一传感器605，在活塞末端安装第二传感器606，第二传感器606所处的位置定义为采样点Px；第一传感器605所处的位置定义为局部坐标系X
Figure 427948DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 936290DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 394953DEST_PATH_IMAGE001
的坐标原点O
Figure 533810DEST_PATH_IMAGE001
；开启电磁跟踪系统和计算机系统，开始配准：
Figure 913976DEST_PATH_IMAGE007
第一传感器605采集其所处位置的全局坐标系XYZ的数据P0和Q0；
Figure 163692DEST_PATH_IMAGE008
将机器人涂胶装置604的活塞完全推下，标定第一点P1，第二传感器606采集第一点的全局坐标系XYZ的数据P1和Q1，由此可得出采样点P1点在局部坐标系X
Figure 712747DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 22506DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 421126DEST_PATH_IMAGE001
中的坐标为：
Figure 111051DEST_PATH_IMAGE010
保持机器人涂胶装置604的第步的状态，将活塞拔出至最大刻度，标定第二点P2，第二传感器606采集第二点的全局坐标系XYZ的数据P2和Q2，由此可得出采样点P2点在局部坐标系XY
Figure 364418DEST_PATH_IMAGE001
Z中的坐标为：
Figure 772583DEST_PATH_IMAGE012
Figure 145795DEST_PATH_IMAGE013
保持机器人涂胶装置604的第
Figure 337742DEST_PATH_IMAGE010
步的状态，将活塞顺时针旋转一第一角度θ1，标定第三点P3，要求0○＜θ1＜360○，第一角度θ1优选120○，第二传感器606采集第三点的全局坐标系XYZ的数据P3和Q3，由此可得出采样点P3点在局部坐标系X
Figure 886535DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 803938DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 133288DEST_PATH_IMAGE001
中的坐标为：
Figure 532225DEST_PATH_IMAGE015
保持机器人涂胶装置604的第步的状态，将活塞再顺时针旋转一第二角度θ2，标定第四点P4，要求0○＜θ2＜360○且θ2≠360○-θ1，第二角度θ2优选120○，第二传感器606采集第四点的全局坐标系XYZ的数据P4和Q4，由此可得出采样点P4点在局部坐标系X
Figure 607815DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 905679DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 429064DEST_PATH_IMAGE001
中的坐标为：
Figure 921225DEST_PATH_IMAGE016
最后，虚拟全局空间记录上述坐标采样点数据并与虚拟3D机器人涂胶装置602进行相对位置的相应锁定，完成混合现实仿真系统中机器人涂胶装置604（具有活塞类结构的被标定体）的快速配准；
Figure 765870DEST_PATH_IMAGE018
进一步，机器人涂胶装置604在推注操作时的评价方法如下：
在机器人涂胶机604进行推注操作时，第一传感器605的全局坐标系数据为
Figure 940499DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure 541245DEST_PATH_IMAGE020
，第二传感器606的全局坐标系数据为
Figure 833948DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 178342DEST_PATH_IMAGE022
，则，第二传感器606在局部坐标系X
Figure 738636DEST_PATH_IMAGE001
Y
Figure 307021DEST_PATH_IMAGE001
Z
Figure 523239DEST_PATH_IMAGE001
中的坐标为：
由，
Figure 792787DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 558617DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure 307131DEST_PATH_IMAGE027
可得出机器人涂胶装置604推注的极限长度：
Figure 514121DEST_PATH_IMAGE028
其中，N为机器人涂胶装置604的轴向方向：
Figure 689887DEST_PATH_IMAGE029
那么，机器人涂胶装置604当前相对的推注量为：
Figure 178900DEST_PATH_IMAGE030
最后，计算机系统记录以上推注量数据并与操作要求的标准推注量进行比较，完成机器人涂胶装置604推注量操作的评价。采用本发明配准方法对混合现实仿真系统配准后，使用机器人涂胶装置（具有活塞类结构的被标定体）对汽车风挡玻璃进行涂胶操作时，机器人涂胶装置的操作动作可以与虚拟3D机器人涂胶装置的操作动作准确吻合，包括推注状态，从而实现真实操作在3D场景中的同步及可视化操作，并且配准方法简单快速、易操作，可应用于机器人涂胶装置对汽车风挡玻璃涂胶工艺的技术及工艺质量分析。
以上表示了本发明的优选实施例，应该理解的是，本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，以上描述并不作为对本发明的限制，凡依本发明所做的任何变更，皆属本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种混合现实仿真系统的快速配准方法，其特征在于，包括：
(1)提供一虚拟被标定体、一现实被标定体，且虚拟被标定体与现实被标定体具有相同的形状，并且具有相同的姿态Qt，同时虚拟被标定体和现实被标定体的同一端点被定义为标定点B；
(2)建立虚拟空间的全局坐标系XYZ，坐标原点为O；建立虚拟被标定体的局部坐标系X′Y′Z′，坐标原点O′；
(3)对于不包含活塞结构的现实被标定体，提供一定位传感器，并通过连接件设置于现实被标定体的非两端位置，定位传感器所处的位置定义为采样点P；定义虚拟被标定体的一端点为局部坐标系X′Y′Z′的坐标原点O′；
开启电磁跟踪系统和计算机系统，采用三点定位的方法将定位传感器所捕捉采样点P的磁场空间坐标系数据变换为全局坐标系XYZ的数据，包括反映其空间位置的位置数据P0和反映其空间姿态的姿态数据Q0，则采样点P在局部坐标系X′Y′Z′中的坐标为：
空间位置P′＝Q0 -1×(P0-B)
空间姿态
Figure FDA0002134338050000011
局部坐标系X′Y′Z′中坐标原点O′与定位传感器采样点P的偏移为-P′，变换至全局坐标系XYZ中偏移为-QP′，不管操作时现实被标定体在什么位置，不会影响此偏移，故，由定位传感器采集的空间位置数据P和空间姿态数据Q确定的局部坐标系X′Y′Z′中坐标原点O′在全局坐标系XYZ中的坐标为：
空间位置
Figure FDA0002134338050000012
Figure FDA0002134338050000013
空间姿态
Figure FDA0002134338050000014
最后，虚拟全局空间记录上述坐标标定点位置数据和姿态数据并与虚拟被标定体进行相对位置的相应锁定，完成混合现实仿真系统中不包含活塞结构的现实被标定体的快速配准；
与(3)并列的：
(4)对于具有活塞结构的现实被标定体，提供两个定位传感器，分别通过连接件，在现实被标定体的空筒前端安装第一传感器，在活塞柄末端安装第二传感器，第二传感器所处的位置定义为采样点P；第一传感器所处的位置定义为局部坐标系X′Y′Z′的坐标原点O′；开启电磁跟踪系统和计算机系统，开始配准：
①第一传感器采集其所处位置的全局坐标系XYZ的数据P0和Q0；
②将现实被标定体的活塞完全推下，标定第一点P1，第二传感器采集第一点的全局坐标系XYZ的数据P1和Q1，由此可得出采样点P1点在局部坐标系X′Y′Z′中的坐标为：
Figure FDA0002134338050000021
③保持现实被标定体的第②步的状态，将活塞拔出至最大刻度，标定第二点P2，第二传感器采集第二点的全局坐标系XYZ的数据P2和Q2，由此可得出采样点P2点在局部坐标系X′Y′Z′中的坐标为：
④保持现实被标定体的第③步的状态，将活塞顺时针旋转一第一角度θ1，标定第三点P3，第二传感器采集第三点的全局坐标系XYZ的数据P3和Q3，由此可得出采样点P3点在局部坐标系X′Y′Z′中的坐标为：
Figure FDA0002134338050000023
⑤保持现实被标定体的第④步的状态，将活塞再顺时针旋转一第二角度θ2，标定第四点P4，第二传感器采集第四点的全局坐标系XYZ的数据P4和Q4，由此可得出采样点P4点在局部坐标系X′Y′Z′中的坐标为：
Figure FDA0002134338050000024
⑥最后，虚拟全局空间记录上述坐标采样点数据并与虚拟被标定体进行相对位置的相应锁定，完成混合现实仿真系统中具有活塞结构的现实被标定体的快速配准；
⑦进一步，具有活塞结构的现实被标定体在推注操作时的评价方法如下：
在现实被标定体进行推注操作时，第一传感器的全局坐标系数据为P″1和Q″1，第二传感器的全局坐标系数据为P″2和Q″2，则，第二传感器在局部坐标系X′Y′Z′中的坐标为：
P″2＝Q″1 -1×(P″2-P″1)
由P′1，P′2，P′3，P′4可得出现实被标定体推注的极限长度：
LMax＝|(P′2-P′1)×N|
其中，N为现实被标定体的轴向方向：
N＝(P′3-P′2)×(P′4-P′2)
那么，现实被标定体当前相对的推注量为：
Figure FDA0002134338050000025
最后，计算机系统记录以上推注量数据并与操作要求的标准推注量进行比较，完成具有活塞结构的现实被标定体推注量操作的评价；
与(3)并列的：
(5)对于具有旋转关节结构的被标定体，按照第(3)步进行锁定配准。
2.根据权利要求1所述的一种混合现实仿真系统的快速配准方法，其特征在于：所述第一角度θ1的要求0°＜θ1＜360°。
3.根据权利要求1所述的一种混合现实仿真系统的快速配准方法，其特征在于：所述第二角度θ2的要求0°＜θ2＜360°且θ2≠360°-θ1。
4.根据权利要求1所述的一种混合现实仿真系统的快速配准方法，其特征在于：所述具有旋转关节结构的被标定体，其相邻关节两端被标定体具有同一标定点。
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