CN108564623A - 一种主动光学定位方法、设备及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于单点标定物的多相机内外参标定方、设备及系统。具体地，在任意定位空间内，根据定位空间实际需求布设红外相机。目标物佩戴Tracker，Tracker表面附着可编码可发射红外光的LED marker点。系统通过无线及有线通信的方式控制相机曝光、LED marker闪烁同步，通过红外相机实时获取定位空间的图像信息，根据图像信息识别Marker点的编码并获取marker点的空间位置信息。根据marker点的空间位置信息计算Tracker的空间位置信息，也即目标物的空间位置信息，实现目标物的实时位置追踪。本发明的有益效果在于：本发明采用主动光学定位技术，对比被动光定位方案抗干扰性更强，鲁棒性更好，可推向户外场景；且主动光方案相机工作距离大，单位面积需安装的相机数量少，大大降低成本。

Description

一种主动光学定位方法、设备及系统

技术领域

本发明涉及计算机视觉领域，具体是一种主动光学定位方法、设备及系统

背景技术

相机标定技术利用标定物体的二维图像恢复出相机内外参数，进而重建出场景的三维信息，是计算机视觉领域的关键步骤，在工业、航天、文化创意等领域具有广泛应用。近年来，随着虚拟现实的蓬勃发展，单个相机的视角无法满足人们对大范围三维空间的期望，多相机组合及标定逐渐成为新的研究热点。然而，现有的多相机标定方法，往往要求标定物同时在所有相机的公共视场内运动，增加了实际操作的难度，且标定精度较低，因此，如何通过方便快捷的操作，同时获取多相机的高精度的内外参数，是目前急需解决的问题。

空间定位技术可以为体验者提供一种真正“进入”虚拟世界的方式，即位置交互，位置交互使得用户可以获得完全的沉浸感。因此，可以说空间定位技术是VR产业隐形钥匙。目前VR行业应用的空间定位技术主要有激光定位技术和光学定位技术。

激光定位技术的代表产品为HTC Vive的Lighthouse室内定位技术。基本原理就是利用定位光塔，对定位空间发射横竖两个方向扫射的激光，在被定位物体上放置多个激光感应接收器，通过计算两束光线到达定位物体的角度差，解算出待测定位节点的坐标。激光定位技术目前存在的最大问题是空间扩展。而目前实现空间扩展的激光定位方案也均存在有效帧率较低、多区干扰严重等问题。

现有的光学定位方案是基于被动光实现的空间定位：红外摄像机主动发射的红外光，受到marker点(标记点)表面涂层的被动反射后，被相机自身拍照接收，从而识别出该marker点。该方案的缺点显而易见：摄像机之间应杜绝互相间直接照射、以避免红外光互相干扰，因此对摄像机安装配置苛刻；平滑面极易反射红外光，因此场景中易产生较多干扰点，鲁棒性较差；被动光受反射制约，工作距离有限(如不超过5米)。

发明内容

本发明目的就在于为解决上述问题而提供一种主动光学定位方法、设备及系统。

根据本发明的一个方面，提供了一种主动光学定位方法，通过该种主动光学定位方法实现上述目的：

一种主动光学定位方法，具体包括：在任意定位空间内，根据定位空间实际需求布设红外相机。目标物佩戴内置有惯性传感器的Tracker，且Tracker表面附着有可编码的主动发红外光的LED marker点。系统可以通过红外相机实时获取定位空间的图像信息，通过计算识别Marker点的编码并获取marker点的空间位置信息。根据marker点的空间位置信息获取Tracker的空间位置信息，进而获取目标物的空间位置信息，实现目标物的实时位置追踪。具体而言：

S31：两个或更多个相机同时获取定位空间同一Marker的图像。

S32：基于两个或者更多个图像中Marker点的像素坐标和相机的内外方位元素，获取Marker的空间位置信息。

S33：根据Marker在某一台相机中的连续多帧图像，进行解码，识别Marker的ID。

S34：基于Marker的ID及空间位置信息，确定Tracker的位置信息，进而确定目标物的位置信息。

根据本发明的另一方面，提供了一种主动光学定位设备，包括红外相机和Tracker。多台红外相机布置于定位空间内的多个空间位置，用于同时向Tracker拍照，以获取多个图像。Tracker主要包括marker模块、无线通信模块及控制单元。无线通信模块用于实现Tracker与系统计算单元之间的通信，从而实现Tracker与系统其它部分的同步。该无线通信可以基于ZigBee协议，但不限于该协议。

Tracker表面携带有多个主动发光的marker点，这些marker点之间呈刚性连接，能够发射红外光。

marker点按照一定的编码方式频闪，频闪方式包括但不限于按照一定频率切换亮、灭状态或者按照一定频率切换亮、半亮状态，其中亮、半亮状态需要保证两种状态下marker点所呈图像大小可区分。同一定位空间内，不同Marker点的编码不同。这样，通过相机拍摄的多帧图像分析即可识别marker点的ID。

考虑到主动光LED灯频闪与相机组曝光间不同步，为识别主动光LED的ID功能，采用LED灯按照编码状态执行频闪并周期循环的方案。具体编码原则如下：

S11：将每一位编码数据用两位LED灯频闪编码表示，若该位编码数据为“1”，则两位LED灯频闪编码中不翻转，即第二位编码与第一位编码相同；若该位编码数据为“0”，则两位LED灯频闪编码中翻转，即第二位编码为第一位编码的取反值。

S12：相邻两位编码数据对应的LED编码的相邻处，需进行一次状态翻转。状态翻转设计可保证对错误获取数据的敏感性，同时因为编码数据中不可能同时存在连续3位相同状态的情况，更有利于对LED灯marker点的跟踪。

S13：开始位，由于LED灯按照编码状态周期循环输出，同时LED灯的闪灭与相机曝光周期间是不同步的，因此需要从一个周期的LED灯频闪数据中准确提取出循环数据的第一位数据。为此，设计在LED灯频闪编码前加入“111”的三位开始位，随后按S11、S12编码规则执行编码工作。

本发明采用的主动光编码方法，具有1位查错能力。

根据本发明的另一方面，还提供了一种主动光学定位系统，用于对定位空间中的目标物进行定位，该定位系统包括：定位空间内布设至少两台相机，不同的相机在所述定位空间内的位置不同，每个所述相机在系统控制下同步同周期曝光，获取空间图像信息，并传至计算单元中计算。基于所述多台相机的图像信息，确定所述Tracker在所述定位空间中的位置；以及上文所述及的主动光学定位设备。

综上，本发明的有益效果在于：本系统采用主动发光LED marker点，可以避免被动光定位方案中的干扰问题，提高了光学定位技术鲁棒性，甚至推向户外应用场景；采用异步信号获取机制，大大减少了系统结构的复杂度，便于安装且成本低；采用主动光方式，工作距离大，单位面积需要安装的相机数量降低，进一步降低成本。本发明具有较高的定位精准度、较大的定位范围、较强的鲁棒性、较高的结构简洁性，较低的成本等优势。

附图说明

图1是本发明所述一种主动光学定位方案的实现流程；

图2是本发明所述一种主动光学定位Tracker结构示意图；

图3是本发明所述一种主动光学定位Tracker组件示意图；

图4是本发明所述一种主动光学定位系统场景示意图。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明的内容作进一步说明。

如图4所示，本发明所述的一种主动光学定位系统示意图。在定位空间中布设多台红外相机，分别布设于定位空间的不同位置，保证红外相机的照射范围可以覆盖整个定位空间。计算单元(即上位机)通过有线的方式与红外相机通信，通过无线的方式与Tracker通信。上位机通过通信模块发送同步信息给相机及Tracker实现系统同步。

如图2所示，本发明所述的一种主动光学定位设备Tracker，其特征在于，所述Tracker表面携带有多个主动发射红外光的marker点。多个marker点之间呈刚性连接，能够发射红外光，可以使用红外LED灯制作。marker点可以按照一定的编码方式频闪，同一定位空间内的所有marker点编码均不同，从而保证定位空间中每个marker点编码唯一性。

如图1所示，本发明所述的一种主动光学定位系统运行流程，其特征在于：系统开始工作，发送同步信号，控制Tracker上布设的Marker点及相机同步工作。Marker点根据自己的编码周期频闪。与此同时，定位空间内所有相机在同步机制控制下同时、同周期曝光，实时采集定位空间内图像信息。系统对图像信息进行处理，识别各Marker点的ID并通过三维重建、跟踪等计算获取位置数据并输出。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种主动光学定位方法，基于定位空间中的多台红外相机获取表面上携带有Tracker的目标物的图像信息，对目标物进行定位。

其中，所述定位空间内设有至少两台相机，不同的相机在所述定位空间内的位置不同，每个所述相机在系统控制下同步同周期曝光，获取空间图像信息，并传至计算单元中计算。基于所述多台相机的图像信息，确定所述Tracker在所述定位空间中的位置。

2.一种主动光学定位设备，其特征在于，包括多台红外相机、Tracker。所述多台红外相机布设于所述定位空间的多个不同的空间位置，并用于同时向Tracker拍照，以获取多个图像。

3.根据权利要求2所述的一种主动光学定位设备，其特征在于，所述Tracker主要包括marker模块、无线通信模块及控制单元。

4.根据权利要求2所述的一种主动光学定位设备，其特征在于，所述Tracker表面携带有多个主动发射红外光的marker点，所述marker点可以但不限于用红外LED灯。所述多个marker点之间呈刚性连接，能够发射红外光。所述marker点按照自身唯一的编码频闪，所述编码不与所述定位空间中的其他Marker点编码相同。

所述频闪方式包括但不限于按照一定频率切换亮、灭状态或者按照一定频率切换亮、半亮状态，其中亮、半亮状态需要保证两种状态下marker点所呈图像大小可区分。

所述编码方式原则如下：

S21：将每一位编码数据用两位marker点频闪编码表示，若该位编码数据为“1”，则两位marker点频闪编码中不翻转，即第二位编码与第一位编码相同；若该位编码数据为“0”，则两位marker点频闪编码中翻转，即第二位编码为第一位编码的取反值。

S22：相邻两位编码数据对应的marker点编码的相邻处，需进行一次状态翻转。

S23：在编码前加入“111”的三位开始位，随后按S11、S12规则循环执行编码。

5.根据权利要求2所述的一种主动光学定位设备，其特征在于，所述Tracker内有无线通信模块，用于实现所述Tracker与系统计算单元之间的通信，实现所述Tracker与系统其它部分的同步。所述无线通信可以基于但不限于ZigBee协议。

6.根据权利要求1所述的主动光学定位方法，其中，所述基于所述多台相机的图像信息，确定所述Tracker在所述定位空间中的位置的步骤包括：

S31：两个或更多个所述相机同时获取所述定位空间某一Marker的图像。

S32：基于所述两个或者更多个图像中所述Marker点的像素坐标和所述相机的内外方位元素，获取所述Marker的空间位置信息。

S33：根据所述Marker在某一台相机中的连续多帧图像，进行解码，识别所述Marker的ID。

S34：基于所述Marker的ID及空间位置信息，确定所述Traker的位置信息，进而确定所述目标物的位置信息。

7.一种主动光学定位系统，用于对定位空间中的目标物进行定位，该定位系统包括：定位空间内布设至少两台相机，不同的相机在所述定位空间内的位置不同，每个所述相机在系统控制下同步同周期曝光，获取空间图像信息，并传至计算单元中计算。基于所述多台相机的图像信息，确定所述Tracker在所述定位空间中的位置；以及

8.根据权利要求2所述的主动光学定位设备。