CN108627157A - 一种基于立体标记板的头显定位方法、装置和立体标记板 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种立体标记板，还提供了基于立体标记板的头显定位方法和装置，该立体标记板包括底板和多个红外发光元件，其中，一部分红外发光元件设置在底板上；另一部分红外发光元件设置在位于底板的多个连杆上；每个连杆的一端设置有一个红外发光元件、另一端与底板铰接在一起。这样，将连杆放倒后即可有效缩小上述立体标记板的体积，从而方便了携带。另外，基于该立体标记板的头显定位方法和装置通过对两种方法计算得到的姿态数据进行融合，从而得到精确的头显姿态。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟现实技术领域，特别是涉及一种基于立体标记板的头显定位方法、装置和立体标记板。
背景技术
对于VR/AR设备，只有当虚拟世界与现实世界的旋转、移动同步时，才能使用户得到完美的沉浸体验，其中的关键便是定位追踪技术。目前VR头显的定位追踪解决方案大致分为“Outside-in”和“Inside-out”两大类型。Outside-in，顾名思义就是依靠外部的摄像头和发射器来捕捉和追踪用户的动作，但是其缺陷是要搭建复杂的环境，用户只能在特定区域内活动。而Inside-out方案通过将摄像头和传感器直接安装到头显上面，以用户自身为基点，扫描周围的环境，从而计算出用户在空间中的相对位置和运动轨迹，该方案的好处是能给予用户充分的移动性和便捷性。
基于可见光的inside-out技术由于受环境光的影响，并且计算复杂度高，因此其稳定、实时定位的效果较差；而基于红外的定位方案可以不受环境的影响，图像处理算法简单，可以轻松实现稳定实时的定位。在基于红外的定位方案中，需要使用红外标记板进行辅助定位。
当前红外标记板要么是平面的，要么是立体的。对于平面标记板来说，当相机与其夹角过小时或者相距较远时，红外点可能会粘连，因此仅利用平面上的点阵来估计得到的红外相机的姿态的精确性较差；而立体标记板则可以解决所得姿态的奇异性和准确性，但是立体标记板所占空间较大，对于消费级产品(VR/AR)而言便携性较差，不利于用户携带。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于立体标记板的头显定位方法、装置和立体标记板，以解决不利于用户携带的问题。
为了解决上述问题，本发明公开了一种立体标记板，包括底板和多个红外发光元件，其中：
所述多个红外发光元件中部分红外发光元件设置在所述底板上；
所述多个红外发光元件的其余红外发光元件中每个所述红外发光元件设置在一个连杆的一端，所述连杆的另一端铰接在所述底板上。
一种基于立体标记板的头显定位方法，应用于增强现实系统或虚拟现实系统，所述增强现实系统或所述虚拟现实系统均设置有相机和头显，所述立体标记板上设置有多个红外发光元件，所述红外定位方法包括：
获取所述立体标记板的红外图像，并获取所述相机的3Dof位姿数据；
对所述红外图像的特征数据和所述3Dof位姿数据进行融合计算，得到所述头显的当前姿态。
可选的，所述对所述红图像的特征数据和所述位姿数据进行融合计算，包括：
对所述红外图像进行特征点检测，得到所有所述红外发光元件在所述红外图像上的红外灯点集；
确定所述红外灯点集中每个点的像素坐标和其对应的所述红外发光元件的编号；
根据所述像素坐标和所述编号计算所述相机的第一姿态数据；
根据所述3Dof位姿数据计算所述相机的第二姿态数据；
将所述第一姿态数据和所述第二姿态数据进行姿态融合处理，得到所述头戴式显示器的当前6Dof姿态。
可选的，所述根据所述像素坐标和所述编号计算所述相机的第一姿态数据，包括：
根据所述像素坐标和所述编号，并利用标定后的相机参数，通过求解PNP问题得到所述第一姿态数据。
可选的，所述根据所述位姿数据计算所述相机的第二姿态数据，包括：
对所述位姿数据中的多个惯性数据进行积分累加，得到所述第二姿态数据。
一种基于立体标记板的头显定位装置，应用于增强现实系统或虚拟现实系统，所述增强现实系统或所述虚拟现实系统均设置有相机和头显，所述立体标记板上设置有多个红外发光元件，所述红外定位装置包括：
数据获取模块，用于获取所述立体标记板的红外图像，并获取所述头显的3Dof数据；
姿态计算模块，用于对所述红外图像的特征数据和所述位姿数据进行融合计算，得到所述头显的当前6Dof姿态。
可选的，所述姿态计算模块包括：
特征点检测单元，用于对所述红外图像进行特征点检测，得到所有所述红外发光元件在所述红外图像上的红外灯点集；
参数确定单元，用于确定所述红外灯点集中每个点的像素坐标以及每个点所对应的红外发光元件的编号；
第一计算单元，用于根据所述像素坐标和所述编号计算所述相机的第一姿态数据；
第二计算单元，用于根据所述位姿数据计算所述相机的第二姿态数据；
融合计算单元，用于将所述第一姿态数据和所述第二姿态数据进行姿态融合处理，得到所述头戴式显示器的当前姿态。
可选的，所述第一计算单元具体用于根据所述像素坐标和所述编号，并利用标定后的相机参数，通过求解PNP问题得到所述第一姿态数据。
可选的，所述第二计算单元具体用于对所述位姿数据中的多个惯性数据进行积分累加，得到所述第二姿态数据。
从上述技术方案可以看出，本发明提供了一种立体标记板，还提供了基于立体标记板的头显定位方法和装置，该立体标记板包括底板和多个红外发光元件，其中，一部分红外发光元件设置在底板上；另一部分红外发光元件设置在位于底板的多个连杆上；每个连杆的一端设置有一个红外发光元件、另一端与底板铰接在一起。这样，将连杆放倒后即可有效缩小上述立体标记板的体积，从而方便了携带。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种立体标记板的示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种立体标记板的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于立体标记板的头显定位方法的步骤流程图；
图4为本发明实施例提供的一种特征点检测结果的示意图；
图5为本发明实施例提供的一种模式匹配的结果示意图；
图6为本发明实施例提供的一种基于立体标记板的头显定位装置的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
图1为本发明实施例提供的一种立体标记板的示意图。
本实施例提供的立体标记板用于使增强现实系统或者虚拟现实系统，用于使上述系统能够根据该立体标记板对空间进行定位，以确定上述系统的头显相对于该空间的具体姿态。
参照图1所示，本实施例提供的立体标记板包括底板和多个红外发元件，每个发光元件均有相应的编号，并发射不同编码的红外信号。
多个红外发光元件的一部分直接设置在该底板上，另一部分红外发光元件则设置在连杆的一端上，连杆的另一端则设置在该底板上，连杆的另一端通过铰接元件铰接在该底板上。每个连杆的一端仅设置一个红外发光元件。
例如，本实施例中共8个红外发光元件，其中5个直接设置在底板上，另外3个则分别设置在3个连杆上。连杆可以通过与底板的铰接直立或者放倒。这样，当使用其进行定位时，可以将连杆相对底板直立，在携带时则可以将每个连杆放倒，如图2所示，从而方便携带。
从上述技术方案中可以看出，本实施例提供了一种立体标记板，包括底板和多个红外发光元件，其中，一部分红外发光元件设置在底板上；另一部分红外发光元件设置在位于底板的多个连杆上；每个连杆的一端设置有一个红外发光元件、另一端与底板铰接在一起。这样，将连杆放倒后即可有效缩小上述立体标记板的体积，从而方便了携带。
实施例二
图3为本发明实施例提供的一种基于立体标记板的头显定位方法的步骤流程图。
本实施例中的立体标记板为上述实施例中的立体标记板，且实施定位的时候立体标记板中的连杆处于直立状态。本实施例的头显定位方法应用于增强现实系统或者虚拟现实系统，上述系统均设置有相应的相机和头显，头显为头戴式现实设备的简称。
参照图3所示，本实施例提供的头显定位方法具体包括如下步骤：
S101：获取立体标记板的红外图像和相机的位姿数据。
如前所述，上述的增强现实系统和虚拟现实系统均设置有相应的相机和头显，这里相机用于获取外部影像，这里也包括设置在相应位置的立体标记板的红外图像，在相机摄像后，从该相机获取立体标记板的红外图像；
另外，相机的位姿数据来自于设置在头显内的惯性测量元件，惯性测量元件在头显移动过程中可以推算出相机的位姿数据。惯性测量单元IMU是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。一般一个IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，
S102：根据红外图像的特征数据和位姿数据进行融合计算。
即在得到上述红外图像和位姿数据后，通过对红外图像进行处理可以得到其特征数据，并根据该特征数据和相机的位姿数据进行融合计算，从而得到头显的当前姿态。具体的计算过程包括：
1、对红外图像进行orb特征点检测，检测结果如图4所示，通过进一步分类，即可得到红外图像中每个红外发光元件在红外图像上的红外点集。
2、确定红外点集后，对红外发光元件进行模式匹配，即识别出每个斑点对应于哪个红外发光元件，具体为识别出每个元件所处的像素坐标以及对应的元件的编号，由于立体标记板上红外发光元件的排布不具有奇异性，因此每个元件都能在图像上对应特定的斑点。匹配结果如图5所示，每个斑点对应一个特定的红外灯。
3、根据红外发光元件在红外图像上的像素坐标和元件的编号，并利用相机的标定后的相机参数，相机参数包括光圈、快门速度等，通过求解PNP问题即可计算得到相机的第一姿态数据。OpenCV中有solvePnP以及solvePnPRansac用来实现已知点坐标确定摄像头相对世界坐标系的平移量和旋转量。
PNP问题就是指通过世界坐标系中的N个特征点与图像成像中的N个像点，计算出其投影关系，从而获得相机或物体位姿的问题。求解PNP问题即可得到该物体位姿。PNP问题中的N是指特征点的多少，例如本申请中的方案可以看做是求解P8P问题。在求解PNP问题时，将世界坐标系中的N个特征点、本申请中的8个红外发光元件在世界坐标系中的位置数据代入预设的坐标变换方程中进行求解，得到红外发光元件与图像中相应红外点的投影关系，从而根据该投影关系得到相机相对于世界坐标系的平移量和旋转量。
4、根据位姿数据进行积分累加计算，从而得到相机的第二姿态数据。我们知道IMU得到的位姿数据中包括角速度、加速度等数据。重力加速度g的方向总是竖直向下的，通过获得重力加速度在其X轴，Y轴上的分量，我们可以计算出物体相对于水平面的倾斜角度。通过陀螺仪的积分来获得四轴的旋转角度，然后通过加速度计的比例和积分运算来获得平移量。
5、在得到上述第一姿态数据和第二姿态数据后，将两者进行融合处理，从而得到头显的当前姿态。
具体来说，可以用Visual-Inertial Odometry(VIO)算法把第一姿态姿态和第二姿态数据进行融合处理，即可得到上述当前姿态。VIO算法是一种使用移动平台自身传感器(相机及惯性测量单元)所获得的数据进行融合计算，以此来估计其位置和旋转变化的技术。
从上述技术方案可以看出，本实施例提供了一种基于立体标记板的头显定位方法，该定位方法应用于增强现实系统或虚拟现实系统，具体为获取所述立体标记板的红外图像，并获取所述相机的位姿数据；对所述红图像的特征数据和所述位姿数据进行融合计算，得到所述头显的当前姿态。这里最终得到的当前姿态是根据对红外图像的特征数据和相机的位姿数据进行融合处理的结果，从而能够提供更为精确的头显的当前姿态。
需要说明的是，对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明实施例所必须的。
实施例三
图6为本发明实施例提供的一种基于立体标记板的头显定位装置的结构框图。
本实施例中的立体标记板为上述实施例中的立体标记板，且实施定位的时候立体标记板中的连杆处于直立状态。本实施例的头显定位方法应用于增强现实系统或者虚拟现实系统，上述系统均设置有相应的相机和头显，头显为头戴式现实设备的简称。
参照图6所示，本实施例提供的头显定位装置具体包括数据获取模块10和姿态计算模块20。
数据获取模块用于获取立体标记板的红外图像和相机的位姿数据。
如前所述，上述的增强现实系统和虚拟现实系统均设置有相应的相机和头显，这里相机用于获取外部影像，这里也包括设置在相应位置的立体标记板的红外图像，在相机摄像后，从该相机接收立体标记板的红外图像；
另外，相机的位姿数据来自于设置在相机内的惯性测量元件，惯性测量元件在相机移动过程中会得到该相机的位姿数据。惯性测量单元IMU是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。一般一个IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，
姿态计算模块用于根据红外图像的特征数据和位姿数据进行融合计算。
即在得到上述红外图像和位姿数据后，通过对红外图像进行处理可以得到其特征数据，并根据该特征数据和相机的位姿数据进行融合计算，从而得到头显的当前姿态。该姿态计算模块具体包括特征点检测单元、参数确定单元、第一计算单元、第二计算单元和融合计算单元。
特征点检测单元用于对红外图像进行orb特征点检测，检测结果如图4所示，通过进一步分类，即可得到红外图像中每个红外发光元件在红外图像上的红外点集。
参数确定单元用于在特征点检测单元确定红外点集后，对红外发光元件进行模式匹配，即识别出每个斑点对应于哪个红外发光元件，具体为识别出每个元件所处的像素坐标以及对应的元件的编号，由于立体标记板上红外发光元件的排布不具有奇异性，因此每个元件都能在图像上对应特定的斑点。匹配结果如图5所示，每个斑点对应一个特定的红外灯。
第一计算单元用于根据红外发光元件在红外图像上的像素坐标和元件的编号，并利用相机的标定后的相机参数，通过求解PNP问题即可计算得到相机的第一姿态数据。OpenCV中有solvePnP以及solvePnPRansac用来实现已知点坐标确定摄像头相对世界坐标系的平移量和旋转量。
第二计算单元用于根据位姿数据进行积分累加计算，从而得到相机的第二姿态数据。我们知道IMU得到的位姿数据中包括角速度、加速度等数据。重力加速度g的方向总是竖直向下的，通过获得重力加速度在其X轴，Y轴上的分量，我们可以计算出物体相对于水平面的倾斜角度。通过陀螺仪的积分来获得四轴的旋转角度，然后通过加速度计的比例和积分运算来获得平移。
融合计算单元用于在得到上述第一姿态数据和第二姿态数据后，将两者进行融合处理，从而得到头显的当前姿态。
具体来说，可以用Visual-Inertial Odometry(VIO)算法把第一姿态姿态和第二姿态数据进行融合处理，即可得到上述当前姿态。
从上述技术方案可以看出，本实施例提供了一种基于立体标记板的头显定位装置，该定位装置应用于增强现实系统或虚拟现实系统，具体为获取所述立体标记板的红外图像，并获取所述相机的位姿数据；对所述红图像的特征数据和所述位姿数据进行融合计算，得到所述头显的当前姿态。这里最终得到的当前姿态是根据对红外图像的特征数据和相机的位姿数据进行融合处理的结果，从而能够提供更为精确的头显的当前姿态。
对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
本领域内的技术人员应明白，本发明实施例的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种立体标记板，其特征在于，包括底板和多个红外发光元件，其中：
所述多个红外发光元件中的部分红外发光元件设置在所述底板上；
所述多个红外发光元件的其余红外发光元件中每个所述红外发光元件设置在一个连杆的一端，所述连杆的另一端铰接在所述底板上。
2.一种基于立体标记板的头显定位方法，应用于增强现实系统或虚拟现实系统，所述增强现实系统或所述虚拟现实系统均设置有相机和头显，所述立体标记板上设置有多个红外发光元件，其特征在于，所述红外定位方法包括：
获取所述立体标记板的红外图像，并获取所述头显的3Dof位姿数据；
对所述红外图像的特征数据和所述3Dof位姿数据进行融合计算，得到所述头显的当前姿态。
3.如权利要求2所述的头显定位方法，其特征在于，对所述红外图像的特征数据和所述3Dof位姿数据进行融合计算，包括：
对所述红外图像进行特征点检测，得到所有所述红外发光元件在所述红外图像上的红外灯点集；
确定所述红外灯点集中每个点的像素坐标以及每个点所对应的红外发光元件的编号；
根据所述像素坐标和所述编号计算所述相机的第一姿态数据；
根据所述3Dof位姿数据计算所述相机的第二姿态数据；
将所述第一姿态数据和所述第二姿态数据进行姿态融合处理，得到所述头戴式显示器的当前6Dof姿态。
4.如权利要求3所述的头显定位方法，其特征在于，所述根据所述像素坐标和所述编号计算所述相机的第一姿态数据，包括：
根据所述像素坐标和所述编号，并利用标定后的相机参数，通过求解PNP问题得到所述第一姿态数据。
5.如权利要求3所述的头显定位方法，其特征在于，所述根据所述位姿数据计算所述相机的第二姿态数据，包括：
对所述位姿数据中的多个惯性数据进行积分累加，得到所述第二姿态数据。
6.一种基于立体标记板的头显定位装置，应用于增强现实系统或虚拟现实系统，所述增强现实系统或所述虚拟现实系统均设置有相机和头显，所述立体标记板上设置有多个红外发光元件，其特征在于，所述红外定位装置包括：
数据获取模块，用于获取所述立体标记板的红外图像，并获取所述头显的位姿数据；
姿态计算模块，用于还对所述红外图像的特征数据和所述位姿数据进行融合计算，得到所述头显的当前6Dof姿态。
7.如权利要求6所述的头显定位装置，其特征在于，所述姿态计算模块包括：
特征点检测单元，用于对所述红外图像进行特征点检测，得到所有所述红外发光元件在所述红外图像上的红外灯点集；
参数确定单元，用于确定所述红外灯点集中每个点的像素坐标以及每个点所对应的红外发光元件的编号；
第一计算单元，用于根据所述像素坐标和所述编号计算所述相机的第一姿态数据；
第二计算单元，用于根据所述位姿数据计算所述相机的第二姿态数据；
融合计算单元，用于将所述第一姿态数据和所述第二姿态数据进行姿态融合处理，得到所述头戴式显示器的当前姿态。
8.如权利要求7所述的头显定位装置，其特征在于，所述第一计算单元具体用于根据所述像素坐标和所述编号，并利用标定后的相机参数，通过求解PNP问题得到所述第一姿态数据。
9.如权利要求7所述的头显定位装置，其特征在于，所述第二计算单元具体用于对所述位姿数据中的多个惯性数据进行积分累加，得到所述第二姿态数据。
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| CN201810450125.2A CN108627157A (zh) | 2018-05-11 | 2018-05-11 | 一种基于立体标记板的头显定位方法、装置和立体标记板 |
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