CN105987683A - 一种基于高反光红外标识的视觉定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于红外高反光标识的视觉定位系统，包括多个标识点、红外摄像装置、图像处理模块。多个标识点由红外高反光材料制成的无源被动标识点且等间距设置在需要定位的平面上；红外摄像装置用于拍摄标识点的反光图像；图像处理单元通过获取并分析红外摄像头拍摄的图像信息来得出相对位置和相对姿态变化。此外还提供一种基于红外高反光标识的视觉定位的方法。本发明的视觉定位系统及方法具有结构简单、无需供电、成本低、无延迟且定位精度高等优点。

Description

一种基于高反光红外标识的视觉定位系统及方法

技术领域

本发明涉及一种视觉定位系统及方法，特别涉及一种基于红外高反光标识的视觉定位系统及方法。

背景技术

通常，在计算机视觉领域，尤其是虚拟现实领域中，通过对环境中标识点的图像进行处理分析并定位出图像采集设备(如摄像机)的坐标信息和姿态信息。

目前主要采用的标识点均为有源主动标识点，这些有源主动标识点都分配有坐标信息且内部还必须包括信号发射器等模块，如果用于较大空间的定位则需要大量的这种有源主动标识点，此外还具有结构比较复杂、容易出现故障、布置安放不方便、定位延迟等缺点。

基于上述现有技术的不足之处，因此需要开发出一种结构简单、布置方便、且实时定位的无源被动标识的视觉定位系统及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于红外高反光标识的视觉定位系统，包括多个标识点、红外摄像装置、图像处理模块；其中，

多个标识点，由红外高反光材料制成的无源被动标识点，所述标识点等间距设置在需要定位的平面上；

红外摄像装置，包括红外摄像头和红外光源，用于拍摄所述多个标识点的反光图像，红外光源的照射范围应覆盖红外摄像头的拍摄区域；

图像处理单元，通过连续获取红外摄像头拍摄的图像中至少3个且不在一条直线上的所述标识点之间的位置关系，进一步对比相邻标识点的位置关系来得出所述红外摄像头相对位置和相对姿态的连续变化。

优选地，所述多个标识点由金属粉制成。

优选地，所述多个标识点为可粘贴或可热熔的薄片状结构。

优选地，所述红外摄像头为广角摄像头。

优选地，所述红外摄像头数量为1个或2个。

优选地，所述多个标识点铺设在地砖四边的交点处。

优选地，所述地砖的尺寸规格根据红外摄像头的拍摄高度或其移动速度值并由图像处理单元技术算得出。

优选地，所述标识点之间的位置关系包括所述标识点之间的距离、所述标识点连线的夹角以及所包围的面积。

优选地，还包括若干个有源主动信号点和位于所述红外摄像装置中的信号接收器，该信号接收器用于接收有源主动信号点发出的绝对定位信息。

本发明还提供了一种基于红外高反光标识的视觉定位方法，用于确定移动目标的相对位移和姿态，其中所述移动目标在设置有多个无源红外标识点的环境中移动，所述移动目标配置有红外摄像头用于在红外光源的照射下拍摄所述红外标识点，包括如下步骤：

a)所述移动目标配置的红外摄像头拍摄包含所述红外标识点的第一图像，并记录第一拍摄时间；

b)判断所述第一图像中的红外标识点是否至少为3个且不在同一直线上，若是，则选择其中一组或若干组不在同一直线上的至少3个点构造第一族多边形，然后进入步骤c)，否则返回步骤a)；

c)经过第一时间间隔后，所述移动目标配置的红外摄像头拍摄包含所述红外标识点的第二图像，并记录第二拍摄时间；

d)判断所述第二图像中的红外标识点是否多于3个且不在同一直线上，若是，则选择其中一组或若干组不在同一直线上的至少3个点构造第二族多边形，然后进入步骤e)，否则返回步骤c)；

e)计算所述第一族多边形和所述第二族多边形之间的相对位移和/或形状变化，得到所述移动目标在第二拍摄时间下相对于第一拍摄时间的相对位移和姿态。

本发明一种基于红外高反光标识的视觉定位系统及方法在实现定位的同时还可以获取使用者的姿态信息。由红外高反光材料制成被动标识点还具有结构简单、无需供电、使用方便、成本低、无延迟等优点。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出本发明视觉定位系统的应用示意图；

图2示意性示出本发明视觉定位系统的系统框架图；

图3和图4示意性示出本发明视觉定位方法的图像处理分析图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

图1和图2分别示出了根据本发明一种基于红外高反光标识的视觉定位系统的应用示意图和系统框架图。本发明的视觉定位系统100包括红外摄像装置101、多个标识点102、图像处理单元103。

红外摄像装置101，主要由红外摄像头101a和红外光源101b组成。红外光源101b用于发射红外光源，且红外光的照射范围应该覆盖红外摄像头101a的拍摄区域。红外摄像头101a优选地为广角摄像头，其数量为至少一个，优选地为1个或2个，用于连续拍摄多个标识点102的反光照片，并将拍摄的照片传输至图像处理单元103。

多个标识点102，由红外高反光材料制成，例如金属粉(反光率可达80～90％)，该标识点一般制作成可粘贴或可热熔的薄片状结构，用于粘贴或融合在需要视觉定位的地方，用于反射由红外光源101b发出的红外光线，从而被红外摄像头101a拍摄捕捉到并在图像中显示为多个光斑。根据本发明的一个实施例，多个标识点102定位空间内排列成等间距的网格状，例如等间距的方形网格或正三角形网格(如图3所示)。所述标识点102为无源被动信号点，即标识点102本身没有具体坐标信息。如果用于室内定位的话，所述标识点102可以粘贴在室内的地板或墙面、或与地板和墙面融为一体，例如粘贴或融合在每块地板四边的交点处或直接嵌入地板表面；如果用于室外定位的话，则可以铺设在外部的马路上或与马路上的斑马线融为一体以及其他需要定位的地方。

图像处理单元103，用于分析红外摄像头101a所拍摄图像中标识点102的反光位置，从而确定红外摄像头101a相对于图像中标识点102的相对位置以及姿态信息。如果多个标识点102呈现方格网格布置，则红外摄像头101a拍摄的图像中应至少包含4个且不在一条直线上的标识点102，进一步获取标识点102之间的位置关系，从而实现定位的需求，同样如果多个标识点102呈现正三角形网格布置，则红外摄像头101a拍摄的图像中应至少包含3个且不在一条直线上的标识点102；如果存在冗余的标识点则可用于校验定位的准确性，从而能够提高视觉定位的精度。

红外摄像头101a所拍摄图像中多个标识点102之间通过连线形成多族三角形或四边形，如图3(a)和图3(b)所示，图像处理单元103通过分析其中一族三角形或四边形的位置关系(例如角度、边长和面积)即可确定红外摄像头101a的相对位置以及姿态信息，例如四边形为方形，即表明红外摄像头101a正对着标识点102所在的平面，如果四边形不为方形，即表明红外摄像头101a与标识点102所在的平面存在一定的拍摄角度，进一步通过图像处理得到四边形的边长、角度或面积，从而计算出红外摄像头101a相对于标识点102的连续相对位置关系和姿态信息。

根据以上内容可以得出一种用于确定移动目标的相对位移和姿态的方法，其中所述移动目标在设置有多个无源红外标识点102的环境中移动，所述移动目标配置有红外摄像头101a用于在红外光源101b的照射下拍摄所述红外标识点102，包括如下步骤：

a)所述移动目标配置的红外摄像头101a拍摄包含所述红外标识点102的第一图像A，并记录第一拍摄时间；

b)判断所述第一图像中的红外标识点101a是否至少为3个且不在同一直线上，若是，则选择其中一组或若干组不在同一直线上的至少3个点构造第一族多边形，然后进入步骤c)，否则返回步骤a)；

c)经过第一时间间隔后，所述移动目标配置的红外摄像头101a拍摄包含所述红外标识点102的第二图像B，并记录第二拍摄时间；

d)判断所述第二图像B中的红外标识点102是否多于3个且不在同一直线上，若是，则选择其中一组或若干组不在同一直线上的至少3个点构造第二族多边形，然后进入步骤e)，否则返回步骤c)；

e)计算所述第一族多边形和所述第二族多边形之间的相对位移和/或形状变化，得到所述移动目标在第二拍摄时间下相对于第一拍摄时间的相对位移和姿态。

此外，假如标识点102是铺设在地板砖四边的交点处，而常见地板砖的尺寸一般为30×30cm、60×60cm、100×100cm等规格，根据地砖的尺寸规格和拍摄图像中表示点102的连线具体以及其构成的四边形形状来确定红外摄像头101a的相对位置变化和姿态信息。

如果已知铺设地砖尺寸规格的情况下，则可根据连续两张图像中的标识点102位置变换而计算得出红外摄像头101a的相对位置变化。

如果未知铺设地砖尺寸规格的情况下，则首先应确定铺设地砖的尺寸规格，具体地，通过已知的红外摄像头101a距离地砖的高度与拍摄图像中相邻标识点102之间距离的最大值的比值，由于地砖规格相差较大，所以可以通过该比值来推算出地砖的尺寸规格；也可以通过在相邻t1时刻和t2时刻红外摄像头101a的移动距离与图像中标识点102的位置变化值之间的比值来确定地砖的尺寸规格，其中红外摄像头101a的移动距离可通过其移动速度来确定，如图4(a)和图4(b)所示，根据红外摄像头101a的移动距离即可计算得出标识点102的位置变化S，进一步可获得图像中任意两标识点102间的距离L，从而可以推算出地砖的尺寸规格。

图像处理单元103就可以结合红外摄像头101a的移动速度和拍摄频率来确定所铺设地板砖的规格，例如图像处理单元103利用连续两张图像中的标识点102位置变化并结合红外摄像头101a的移动速度和拍摄频率即可得出地板砖的规格。

本发明一种基于红外高反光标识的视觉定位系统的应用领域广泛，例如智能机器人、头戴显示设备、导盲或导航等领域，当用于头戴显示设备时，本发明的视觉定位系统通常与头戴显示设备集成为一体，使用者戴上集成有本发明视觉定位系统的头戴显示设备后，则可以定位出使用者的相对位置及姿态信息。

根据本发明的另一实施例，由于本发明的标识点102为被动标识点102，只能定位出相对位置，因此本发明还可以包括若干个有源主动信号点104以及信号接收器105，每个主动信号点104具有绝对的坐标信息并且主动发出带有坐标信号，红外摄像装置101中的信号接收器105可以接受到该信号，从而实现自身的绝对定位。有源主动信号点104用于大范围的绝对定位，而无源被动标识点102用于局部小范围的精确相对定位以及获取姿态信息(例如室内定位)，利用大范围的绝对定位和小范围的相对定位可以实现快速精确定位的目的，达到了实时无延迟定位的效果。

主动信号点104的数量不需要很多，只要满足红外摄像装置101或头戴显示设备能够接收到所述主动信号点104发出的信号即可。主动信号点104一般布置在大楼顶端的边沿或广告牌等地方，使用者通过戴上集成有本发明视觉定位系统的头戴显示设备即可将自己处于虚拟环境中，通过主动信号点104和多个标识点102进行精确定位，从而可以实现虚拟现实的目的。

综上所述，本发明一种基于红外高反光标识的视觉定位系统既可以实现小范围的相对定位，也可以实现大范围的绝对定位，同时还可以获取使用者的姿态信息。特别是红外高反光材料制成被动标识点102具有结构简单、无需供电、使用方便、成本低、无延迟、定位精度高等优点。

所述附图仅为示意性的并且未按比例画出。虽然已经结合优选实施例对本发明进行了描述，但应当理解本发明的保护范围并不局限于这里所描述的实施例。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种基于红外高反光标识的视觉定位系统，包括多个标识点、红外摄像装置、图像处理模块；其中，

多个标识点，由红外高反光材料制成的无源被动标识点，所述标识点等间距设置在需要定位的平面上；

红外摄像装置，包括红外摄像头和红外光源，用于拍摄所述多个标识点的反光图像，红外光源的照射范围应覆盖红外摄像头的拍摄区域；

图像处理单元，通过连续获取红外摄像头拍摄的图像中至少3个且不在一条直线上的所述标识点之间的位置关系，进一步对比相邻标识点的位置关系来得出所述红外摄像头相对位置和相对姿态的连续变化。

2.根据权利要求1所述的视觉定位系统，其特征在于：所述多个标识点由金属粉制成。

3.根据权利要求1或2所述的视觉定位系统，其特征在于：所述多个标识点为可粘贴或可热熔的薄片状结构。

4.根据权利要求1所述的视觉定位系统，其特征在于：所述红外摄像头为广角摄像头。

5.根据权利要求1或4所述的视觉定位系统，其特征在于：所述红外摄像头数量为1个或2个。

6.根据权利要求1所述的视觉定位系统，其特征在于：所述多个标识点铺设在地砖四边的交点处。

7.根据权利要求6所述的视觉定位系统，其特征在于：所述地砖的尺寸规格根据红外摄像头的拍摄高度或其移动速度值并由图像处理单元技术算得出。

8.根据权利要求1所述的视觉定位系统，其特征在于：所述标识点之间的位置关系包括所述标识点之间的距离、所述标识点连线的夹角以及所包围的面积。

9.根据权利要求1所述的视觉定位系统，其特征在于：还包括若干个有源主动信号点和位于所述红外摄像装置中的信号接收器，该信号接收器用于接收有源主动信号点发出的绝对定位信息。

10.一种基于红外高反光标识的视觉定位方法，用于确定移动目标的相对位移和姿态，其中所述移动目标在设置有多个无源红外标识点的环境中移动，所述移动目标配置有红外摄像头用于在红外光源的照射下拍摄所述红外标识点，包括如下步骤：

a)所述移动目标配置的红外摄像头拍摄包含所述红外标识点的第一图像，并记录第一拍摄时间；

b)判断所述第一图像中的红外标识点是否至少为3个且不在同一直线上，若是，则选择其中一组或若干组不在同一直线上的至少3个点构造第一族多边形，然后进入步骤c)，否则返回步骤a)；

c)经过第一时间间隔后，所述移动目标配置的红外摄像头拍摄包含所述红外标识点的第二图像，并记录第二拍摄时间；

d)判断所述第二图像中的红外标识点是否多于3个且不在同一直线上，若是，则选择其中一组或若干组不在同一直线上的至少3个点构造第二族多边形，然后进入步骤e)，否则返回步骤c)；

e)计算所述第一族多边形和所述第二族多边形之间的相对位移和/或形状变化，得到所述移动目标在第二拍摄时间下相对于第一拍摄时间的相对位移和姿态。