CN107330862A - 基于四元数的两个独立系统坐标系之间的转换方法 - Google Patents

基于四元数的两个独立系统坐标系之间的转换方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107330862A
CN107330862A CN201710521886.8A CN201710521886A CN107330862A CN 107330862 A CN107330862 A CN 107330862A CN 201710521886 A CN201710521886 A CN 201710521886A CN 107330862 A CN107330862 A CN 107330862A
Authority
CN
China
Prior art keywords
information
mark
spatial attitude
positional information
attitude information
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201710521886.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107330862B (zh
Inventor
李元龙
周言明
黄昌正
李观喜
杨溢
商燕玲
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dongguan Yilian Interation Information Technology Co ltd
Fantasy Zhuhai Technology Co ltd
Guangzhou Huantek Co ltd
Original Assignee
Guangzhou Science And Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guangzhou Science And Technology Co Ltd filed Critical Guangzhou Science And Technology Co Ltd
Priority to CN201710521886.8A priority Critical patent/CN107330862B/zh
Publication of CN107330862A publication Critical patent/CN107330862A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107330862B publication Critical patent/CN107330862B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T3/00—Geometric image transformations in the plane of the image
    • G06T3/60—Rotation of whole images or parts thereof
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/70—Determining position or orientation of objects or cameras

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Manipulator (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Abstract

本发明公开了基于四元数的两个独立系统坐标系之间的转换方法，包括转换参数的标定过程和信息转换过程，转换参数的标定过程包括固定两个独立系统的标志物；保持标志物相对不动，同时转动标志物，获取运动过程的两个标志物的位置信息和空间姿态信息；把获取的位置信息和空间姿态信息转化为四元数；用最小二乘法估计变换参数；信息转换过程包括获取一个系统标志物的位置信息和空间姿态信息；把获取的位置信息和空间姿态信息转化为四元数；根据估计的变换参数，计算该标志物在另一系统的位置信息和空间姿态信息，本发明两个系统之间的位置信息和空间姿态信息可以相互转化，方便后续的数据融合，计算简单快捷，无需额外的测量仪器。

Description

基于四元数的两个独立系统坐标系之间的转换方法
技术领域
本发明具体涉及基于四元数的两个独立系统坐标系之间的转换方法。
背景技术
现行的虚拟现实系统和动作捕捉系统有很多。虚拟现实系统，如HTC Vive、OculusRift、PSVR；动作捕捉系统，如Perception Neuron、OptiTrack，它们都可以独立测量到3D场景中目标的位置信息和空间姿态信息，但是其坐标系、原点、测量精度等并不一定一致。在多系统混合使用的过程中，系统的位置信息和空间姿态信息需要进行变换，才能进行数据融合处理，已申请的专利CN 104834917A提到了一种混合动作捕捉的系统及方法，没有提及系统之间的信息转换方法。
发明内容
本发明的目的是为解决上述不足，提供基于四元数的两个独立系统坐标系之间的转换方法
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
基于四元数的两个独立系统坐标系之间的转换方法，包括转换参数的标定过程和信息转换过程，
转换参数的标定过程具体步骤如下：
S11：系统A的标志物为a，系统A测量标志物a的位置信息和空间姿态信息；系统B的标志物为b，系统B测量标志物b的位置信息和空间姿态信息。标志物a和标志物b固定在一个固定座上；
S12：保持标志物相对不动，转动固定座即同时转动标志物a和标志物b，获取n组运动过程的两个标志物的位置信息和空间姿态信息；
S13：以位置信息中的三维空间坐标为四元数的虚部，把位置信息转化为实部为0的四元数pmi＝(0,pxmi,pymi,pzmi),m＝a,b；i＝1,2…n，如果获取的空间姿态信息是单位四元数，则不用做处理，否则把获取的空间姿态信息转为描述旋转的单位四元数
qmi＝(qwmi,qxmi,qymi,qzmi),m＝a,b；i＝1,2…n；表示空间姿态的单位四元数两两组合，得出n(n-1)/2个相对旋转值
Qmk＝qmiqmj -1
m＝a,b
i,j＝1,2…n
i＜j
k＝n(i-1)+j
S14：设从系统A到系统B的转换参数为旋转参数qAB、原点偏
移参数pAB和标志物偏移参数pab。
系统A到系统B的信息转换公式为：
qb＝qABqaqAB -1
pb＝qAB(pa+pAB+qapabqa -1)qAB -1
把S13步骤的n(n-1)/2个表示相对空间姿态的单位四元数和n个表示位置的四元数代入公式中，最小化均方差：
采用高斯-牛顿迭代法来求解出最优参数qAB、pAB、pab；
信息转换过程具体步骤如下：
S21：通过系统A获取标志物a的位置信息和空间姿态信息；
S22：以位置信息中的三维空间坐标为四元数的虚部，把位置信息转化为实部为0的四元数pa＝(0,pxa,pya,pza)；如果获取的空间姿态信息是单位四元数，则不用做处理，否则把获取的空间姿态信息转为描述旋转的单位四元数qa＝(qwa,qxa,qya,qza)；
S23：根据信息转化公式，和标定后的转换参数，可以计算出该标志物在系统b下的位置信息pB和空间姿态信息qB：
qB＝qABqaqAB -1
pB＝qAB(pa+pAB+qapabqa -1)qAB -1
按照使用的需要，能够把位置信息pB等价地转化为平面直角坐标系的三维空间坐标、极坐标系的坐标等，把空间姿态信息qB等价地转化为旋转矩阵、欧拉角、单位四元数等；它们是可以等价转换的。
最优参数qAB、pAB能够通过高斯-牛顿迭代法，或者LM阻尼法，或者Dog-Leg法求出。
本发明具有如下有益的效果：
本发明为两独立测量的3D系统提供一种简单有效的坐标系转换的方法，两个系统之间的位置信息和空间姿态信息可以相互转化，方便后续的数据融合，计算简单快捷，无需额外的测量仪器。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的固定两独立系统标志物的示意图；
图3为本发明的标志物a和标志物b转动过程示意图；
图4为本发明的通过标志物a的信息转换的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
如图1-图4所示，基于四元数的两个独立系统坐标系之间的转换方法，包括转换参数的标定过程和信息转换过程，
转换参数的标定过程具体步骤如下：
S11：系统A的标志物为a，系统A测量标志物a的位置信息和空间姿态信息；系统B的标志物为b，系统B测量标志物b的位置信息和空间姿态信息。标志物a和标志物b固定在一个固定座上；
S12：保持标志物相对不动，转动固定座即同时转动标志物a和标志物b，获取n组运动过程的两个标志物的位置信息和空间姿态信息；
S13：以位置信息中的三维空间坐标为四元数的虚部，把位置信息转化为实部为0的四元数pmi＝(0,pxmi,pymi,pzmi),m＝a,b；i＝1,2…n，如果获取的空间姿态信息是单位四元数，则不用做处理，否则把获取的空间姿态信息转为描述旋转的单位四元数qmi＝(qwmi,qxmi,qymi,qzmi),m＝a,b；i＝1,2…n；空间姿态信息两两组合，得出n(n-1)/2个相对旋转值
Qmk＝qmiqmj -1
m＝a,b
i,j＝1,2…n
i＜j
k＝n(i-1)+j
S14：设从系统A到系统B的转换参数为旋转参数qAB、原点偏移参数pAB和标志物偏移参数pab。
系统A到系统B的信息转换公式为：
qb＝qABqaqAB -1
pb＝qAB(pa+pAB+qapabqa -1)qAB -1
把S13步骤的n(n-1)/2个表示相对空间姿态的单位四元数和n个表示位置的四元数代入公式中，最小化均方差：
采用高斯-牛顿迭代法来求解出最优参数qAB、pAB、pab；
信息转换过程具体步骤如下：
S21：通过系统A获取标志物a的位置信息和空间姿态信息；
S22：以位置信息中的三维空间坐标为四元数的虚部，把位置信息转化为实部为0的四元数pa＝(0,pxa,pya,pza)；如果获取的空间姿态信息是单位四元数，则不用做处理，否则把获取的空间姿态信息转为描述旋转的单位四元数qa＝(qwa,qxa,qya,qza)；
S23：根据信息转化公式，和标定后的转换参数，可以计算出该标志物在系统b下的位置信息pB和空间姿态信息qB：
qB＝qABqaqAB -1
pB＝qAB(pa+pAB+qapabqa -1)qAB -1
按照使用的需要，能够把位置信息pB等价地转化为平面直角坐标系的三维空间坐标、极坐标系的坐标等，把空间姿态信息qB等价地转化为旋转矩阵、欧拉角、单位四元数等；它们是可以等价转换的。
旋转参数qAB、原点偏移参数pAB和标志物偏移参数pab能够通过高斯-牛顿迭代法，或者LM阻尼法，或者Dog-Leg法求出。

Claims (4)

1.基于四元数的两个独立系统坐标系之间的转换方法，其特征在于包括转换参数的标定过程和信息转换过程。
2.根据权利要求1所述的基于四元数的两个独立系统坐标系之间的转换方法，其特征在于：所述的转换参数的标定过程包括以下步骤：
S11：系统A的标志物为a，系统A测量标志物a的位置信息和空间姿态信息；系统B的标志物为b，系统B测量标志物b的位置信息和空间姿态信息。标志物a和标志物b固定在一个固定座上；
S12：保持标志物相对不动，转动固定座即同时转动标志物a和标志物b，获取n组运动过程的两个标志物的位置信息和空间姿态信息；
S13：以位置信息中的三维空间坐标为四元数的虚部，把位置信息转化为实部为0的四元数pmi＝(0,pxmi,pymi,pzmi),m＝a,b；i＝1,2…n，如果获取的空间姿态信息是单位四元数，则不用做处理，否则把获取的空间姿态信息转为描述旋转的单位四元数qmi＝(qwmi,qxmi,qymi,qzmi),m＝a,b；i＝1,2…n；表示空间姿态的单位四元数两两组合，得出n(n-1)/2个相对旋转值
Qmk＝qmiqmj -1
m＝a,b
i,j＝1,2…n
i＜j
k＝n(i-1)+j
S14：设从系统A到系统B的转换参数为旋转参数qAB、原点偏移pAB和标志物偏移参数pab
系统A到系统B的信息转换公式为：
qb＝qABqaqAB -1
pb＝qAB(pa+pAB+qapabqa -1)qAB -1
把S13步骤的n(n-1)/2个表示相对空间姿态的单位四元数和n个表示位置的四元数代入公式中，最小化均方差：
采用高斯-牛顿迭代法来求解出最优参数qAB、pAB、pab。
3.根据权利要求1所述的基于四元数的两个独立系统坐标系之间的转换方法，其特征在于：所述的信息转换过程包含以下步骤：
S21：通过系统A获取标志物a的位置信息和空间姿态信息；
S22：以位置信息中的三维空间坐标为四元数的虚部，把位置信息转化为实部为0的四元数pa＝(0,pxa,pya,pza)；如果获取的空间姿态信息是单位四元数，则不用做处理，否则把获取的空间姿态信息转为描述旋转的单位四元数qa＝(qwa,qxa,qya,qza)；
S23：根据信息转化公式和标定后的转换参数，计算出该标志物在系统b下的位置信息pB和空间姿态信息qB：
qB＝qABqaqAB -1
pB＝qAB(pa+pAB+qapabqa -1)qAB -1
按照使用的需要，把位置信息pB等价地转化为平面直角坐标系的三维空间坐标、极坐标系的坐标等，把空间姿态信息qB等价地转化为旋转矩阵、欧拉角、单位四元数等。
4.根据权利要求2所述的基于四元数的两个独立系统坐标系之间的转换方法，其特征在于：所述的旋转参数qAB、原点偏移pAB和标志物偏移参数pab能够通过高斯-牛顿迭代法或LM阻尼法或者Dog-Leg法求出。
CN201710521886.8A 2017-06-30 2017-06-30 基于四元数的两个独立系统坐标系之间的转换方法 Active CN107330862B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710521886.8A CN107330862B (zh) 2017-06-30 2017-06-30 基于四元数的两个独立系统坐标系之间的转换方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710521886.8A CN107330862B (zh) 2017-06-30 2017-06-30 基于四元数的两个独立系统坐标系之间的转换方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107330862A true CN107330862A (zh) 2017-11-07
CN107330862B CN107330862B (zh) 2020-07-07

Family

ID=60198535

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710521886.8A Active CN107330862B (zh) 2017-06-30 2017-06-30 基于四元数的两个独立系统坐标系之间的转换方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107330862B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019184830A1 (zh) * 2018-03-30 2019-10-03 北京凌宇智控科技有限公司 一种免标定的定位方法及系统
CN111353941A (zh) * 2018-12-21 2020-06-30 广州幻境科技有限公司 一种空间坐标转换方法
US12031825B2 (en) 2018-03-30 2024-07-09 Nolo Co., Ltd. Calibration-free positioning method and system

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009155525A3 (en) * 2008-06-19 2010-03-11 University Of Utah Research Foundation Implementing and interpolating rotations from a computing input device
CN103700082A (zh) * 2013-12-23 2014-04-02 南京航空航天大学 基于对偶四元数相对定向的图像拼接方法
CN105208247A (zh) * 2015-09-02 2015-12-30 长春理工大学 一种基于四元数的全景稳像方法
CN106525034A (zh) * 2016-10-26 2017-03-22 郑州轻工业学院 一种基于对偶四元数的惯导系统传递对准建模方法
CN106547724A (zh) * 2016-09-23 2017-03-29 武汉市工程科学技术研究院 基于最小点集的欧式空间坐标转换参数获取方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009155525A3 (en) * 2008-06-19 2010-03-11 University Of Utah Research Foundation Implementing and interpolating rotations from a computing input device
CN103700082A (zh) * 2013-12-23 2014-04-02 南京航空航天大学 基于对偶四元数相对定向的图像拼接方法
CN105208247A (zh) * 2015-09-02 2015-12-30 长春理工大学 一种基于四元数的全景稳像方法
CN106547724A (zh) * 2016-09-23 2017-03-29 武汉市工程科学技术研究院 基于最小点集的欧式空间坐标转换参数获取方法
CN106525034A (zh) * 2016-10-26 2017-03-22 郑州轻工业学院 一种基于对偶四元数的惯导系统传递对准建模方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHIANG YI-TE等: "《Estimation of Pose and Motion by Constrained Kalman Filter》", 《CROSS-STRAIT WORKSHOP ON ENGINEERING MECHANICS》 *
J SCHMIDT等: "《Using Quaternions for Parametrizing 3–D Rotations in Unconstrained Nonlinear Optimization》", 《VISION,MODELING AND VISUALIZATION 2001》 *
李志伟等: "《基于单位四元数的任意旋转角度的三维坐标转换》", 《大地测量与地球动力学》 *
赵建军等: "《基于四元数的大地坐标转换算法及实现》", 《计算机工程与应用》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019184830A1 (zh) * 2018-03-30 2019-10-03 北京凌宇智控科技有限公司 一种免标定的定位方法及系统
US12031825B2 (en) 2018-03-30 2024-07-09 Nolo Co., Ltd. Calibration-free positioning method and system
CN111353941A (zh) * 2018-12-21 2020-06-30 广州幻境科技有限公司 一种空间坐标转换方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN107330862B (zh) 2020-07-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107367229B (zh) 自由双目立体视觉转轴参数标定方法
US20190371003A1 (en) Monocular vision tracking method, apparatus and non-volatile computer-readable storage medium
CN108759665B (zh) 一种基于坐标转换的空间目标三维重建精度分析方法
CN105823417B (zh) 一种基于摄影测量提高激光跟踪仪转站精度的方法
CN102589530B (zh) 基于二维相机和三维相机融合的非合作目标位姿测量方法
CN103679693B (zh) 一种多相机单视图标定装置及其标定方法
CN107358633A (zh) 一种基于三点标定物的多相机内外参标定方法
Wang et al. Single view based pose estimation from circle or parallel lines
Zhang Two-step calibration methods for miniature inertial and magnetic sensor units
Wang et al. Single view metrology from scene constraints
CN108748146A (zh) 一种机器人手眼标定方法及系统
Guo et al. Determine turntable coordinate system considering its non-orthogonality
Xia et al. Global calibration of multi-cameras with non-overlapping fields of view based on photogrammetry and reconfigurable target
CN108492017A (zh) 一种基于增强现实的产品质量信息传递方法
CN109737941B (zh) 一种人体动作捕捉方法
CN106323286B (zh) 一种机器人坐标系与三维测量坐标系的变换方法
CN104376553A (zh) 一种基于移动相机和双靶标的单轴旋转角的视觉测量方法
Niu et al. Calibration method for the relative orientation between the rotation axis and a camera using constrained global optimization
TW202006668A (zh) 空間座標轉換伺服器以及方法
CN103886595A (zh) 一种基于广义统一模型的折反射相机自标定方法
CN109099908A (zh) 指向设备位置跟踪的方法、架构、装置、系统
CN107330862A (zh) 基于四元数的两个独立系统坐标系之间的转换方法
CN115830135A (zh) 一种图像处理方法、装置及电子设备
CN113763478A (zh) 无人车相机标定方法、装置、设备、存储介质及系统
Chaochuan et al. An extrinsic calibration method for multiple RGB-D cameras in a limited field of view

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20201211

Address after: Room 01, 17 / F, Xingguang Yingjing, 117 Shuiyin Road, Yuexiu District, Guangzhou City, Guangdong Province 510075

Patentee after: GUANGZHOU HUANTEK Co.,Ltd.

Patentee after: DONGGUAN YILIAN INTERATION INFORMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Address before: Room 01, 17 / F, Xingguang Yingjing, 119 Shuiyin Road, Yuexiu District, Guangzhou City, Guangdong Province 510000*

Patentee before: GUANGZHOU HUANTEK Co.,Ltd.

TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20230619

Address after: 510635 self made room 01-011, third floor, No. 721, Tianhe North Road, Tianhe District, Guangzhou City, Guangdong Province (office only)

Patentee after: GUANGZHOU HUANTEK Co.,Ltd.

Patentee after: DONGGUAN YILIAN INTERATION INFORMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Patentee after: Fantasy (Zhuhai) Technology Co.,Ltd.

Address before: Room 01, 17 / F, Xingguang Yingjing, 117 Shuiyin Road, Yuexiu District, Guangzhou City, Guangdong Province 510075

Patentee before: GUANGZHOU HUANTEK Co.,Ltd.

Patentee before: DONGGUAN YILIAN INTERATION INFORMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd.