CN110031880B - 基于地理位置定位的高精度增强现实方法及设备 - Google Patents

基于地理位置定位的高精度增强现实方法及设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于地理位置定位的高精度增强现实方法，该高精度增强现实方法结合差分全球定位系统，提供厘米级的高精度定位数据，另外利用SLAM技术，获得移动终端的相对定位及时构建地图，提高移动过程中增强现实的准确度，进而提高增强现实在现实场景中的应用。

Description

基于地理位置定位的高精度增强现实方法及设备
技术领域
本发明涉及增强现实领域，特别涉及一种基于地理位置定位的高精度现实方法及设备。
背景技术
增强现实(Augmented Reality)，简称AR，是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像、视频、3D模型的技术，这种技术的目标就是把虚拟场景叠加到现实场景里，将真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到同一个画面和空间内同时存在。由于其虚实结合的特点，其在城市规划和管理中的应用越来越广泛，特别是基于地理位置定位的增强现实系统，其可根据现实场景的地理位置应用虚拟场景。
然而，目前普通手机和移动终端的全球卫星定位精度在10米以上，地理位置的定位误差太大，故虚拟场景和现实场景相叠加的准确性相差甚远，经常会出现虚拟场景在现实场景中的累加位置偏差的情况，从而导致增强现实效果和价值大打折扣。当然，目前市面上还有另外一些辅助定位的技术，比如：二维码或图片识别、附近建筑物或标示物辅助定位、红外或者WIFI定位等技术，然而实际应用中发现以上提及的辅助定位技术存在叠加效果差、高成本硬件投入、高成本技术投入等缺陷，不能得到广泛的应用。
综上所述，现急需提供一种可提高基于地理位置定位的增强现实精度的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于地理位置定位的高精度增强现实方法及设备，该高精度增强现实系统结合差分全球定位系统，提供厘米级的高精度定位数据，另外利用SLAM技术，获得移动终端的相对定位及时构建地图，提高移动过程中增强现实的准确度，进而提高增强现实在现实场景中的应用。
为了实现以上任一发明目的，本方法提供一种基于地理位置定位的高精度增强现实方法，包括以下步骤：
S1：获取移动终端的差分定位数据以及虚拟场景模型数据包，其中所述差分定位数据包括但不限于该移动终端的定位精度；其中所述虚拟场景模型数据包包括但不限于该虚拟场景对应的三维模型空间数据以及地理数据，所述地理数据至少包括虚拟场景坐标系原点对应的地理经纬度和方位数据；
S2：依据移动终端的差分定位数据，当该差分定位数据的定位精度小于50 厘米时，结合所述虚拟场景模型数据包中的地理数据，加载移动终端周边的虚拟场景模型，结合SLAM技术记录当前移动终端的初始位姿，其中初始位姿包括但不限于移动终端的初始定位数据和初始定姿数据，以当前移动终端的初始定位数据为原点，建立增强现实空间坐标系，并记录该增强现实空间坐标系原点对应的当前地理数据；
S3：获取移动终端当前位置的现实场景，根据虚拟场景坐标系原点的地理数据和增强现实空间坐标系原点的地理数据，计算出虚拟场景模型的相对位置和方位，实时渲染并叠加虚拟场景模型和现实场景，建立增强现实场景；
S4：通过SLAM技术获取移动终端移动过程中的相对位姿数据，在同一个增强现实空间坐标系内，依据所述相对位姿数据调整虚拟场景模型相对移动终端的位置和视角，实时渲染并更新增强现实场景；
S5：当移动终端停止移动后，获取移动终端当前的差分定位数据，当该差分定位数据的定位精度小于50厘米时，重复步骤S2-S4，重新确定虚拟场景模型相对移动终端的位置和视角，实时渲染并更新增强现实场景。
根据本发明的另一方面，本发明提供一种基于地理位置定位的高精度增强现实设备，该设备包括配置有SLAM技术的移动终端，该移动终端内置有处理器，所述处理器包括：
差分定位获取单元，获取该移动终端的差分定位数据，其中所述差分定位数据包括但不限于该移动终端的定位精度；
虚拟场景终端下载单元，获取虚拟场景模型数据包，其中所述虚拟场景模型数据包包括但不限于该虚拟场景对应的三维模型空间数据以及地理数据，所述地理数据至少包括虚拟场景坐标系原点对应的地理经纬度和方位数据；
现实获取单元，获取移动终端当前位置的现实场景；
增强现实单元，当该差分定位数据的定位精度小于50厘米时，基于移动终端的差分定位数据结合虚拟场景模型数据包中的地理数据，加载移动终端周边的虚拟场景模型，结合SLAM技术记录当前移动终端的初始位姿，其中初始位姿包括但不限于移动终端的初始定位数据和初始定姿数据，以当前移动终端的初始定位数据为原点，建立增强现实空间坐标系，并记录该增强现实空间坐标系原点对应的当前地理数据；
根据虚拟场景坐标系原点的地理数据和增强现实空间坐标系原点的地理数据，计算出虚拟场景模型的相对位置和方位，实时渲染并叠加虚拟场景模型和现实场景，建立增强现实场景；
移动调整单元，通过SLAM技术获取移动终端在移动过程中的相对位姿数据，在同一个增强现实空间坐标系内，依据所述相对位姿数据调整虚拟场景模型相对移动终端的位置和视角；以及
修正调整单元，当移动终端停止移动后，再次获取当前的差分定位数据，当该差分定位数据的定位精度小于50厘米时，重新确定虚拟场景模型相对移动终端的位置和视角。
根据本发明的另一方面，提供一种处理器，加载其上的基于地理位置定位的高精度增强现实方法。
相较现有技术，本发明具有以下的有益效果：
1、利用差分全球定位系统取代现有移动终端的全球卫星定位系统，获取高精度的定位数据，将该定位数据和虚拟场景自身的坐标位置进行结合调整，从而获取基于差分全球定位系统的高精度增强现实场景。
2、根据移动终端实时的位置加载附近的虚拟场景模型，计算虚拟场景坐标位置和使用者坐标位置的距离和方位数据，实时渲染虚拟场景，以给使用者提供真实的虚拟现实体验感。
3、利用定位终端的惯性导航或者移动终端的SLAM技术，获取移动终端的相对定位，及时定位和地图构建，保证移动终端在移动过程中增强现实的准确度。
4、结合差分全球定位系统和SLAM技术，利用高精度的定位数据修正SLAM 技术的测量误差，重新计算虚拟现实场景和使用者之间的相对距离和方位，修正虚拟模型的位置，始终保证增强现实的准确度。
5、该基于地理位置定位的高精度增强现实系统在智慧城市的设计和管理，比如城市地下管网、城市更新的旧城改造、建筑物的施工管理、智慧景区的导览、美丽乡村的改造中都有着广泛的应用。
附图说明
图1是根据本发明的一实施例的基于地理位置定位的高精度增强现实方法的流程示意图。
图2和图3是根据本发明的一实施例的基于地理位置定位的高精度增强现实系统的使用应用图。
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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
本发明提供一基于地理位置定位的高精度增强现实系统，该高精度增强现实系统结合差分全球定位系统的定位技术(差分GPS)和及时定位地图构建技术 (SLAM)于增强现实系统中，提高虚拟场景和现实场景结合时的地理准确性。
以下先简要介绍差分全球定位系统(Differential Global PositioningSystem，简称DGPS或差分GPS)：是应用于全球卫星定位系统中用以提高民用定位精度的技术，在位置已精确测定的已知点上配备一台GPS接收机作为基准站并和用户同时进行GPS观测，将得到的单点定位的结果与基准站坐标比较，求解出实时差分修正值，修正其GPS定位，很大地提高定位精度。目前外置的定位设备，如千寻位置的北斗伴侣M1，外观尺寸7.6CM X1.7CM，重75克，携带方便，支持差分站定位，配合千寻位置提供的定位服务，可以实现厘米的高精度定位。
及时定位和地图构建(Simultaneous Localization And Mapping，简称 SLAM)是指能够根据传感器测量数据和摄像头重复观测周边环境的特点，建立环境地图，同时定位自身的位置和姿态，尤其是视觉SLAM，采用双目视觉传感器或摄像机，能够在成本较为低廉的情况下(相较于激光雷达)，获取包含尽可能丰富的方位特征信息量，用以执行局部区域环境的即使定位和路径特征地图构建；同时搭配上基于双目视觉传感器或摄像机采集图像而获得的视觉深度图像，能够有效地提供障碍物的三维占据信息，能够用以及时地重建局部环境 3D场景地图。
本发明提供一基于地理位置定位的高精度增强现实方法及设备，该方法在配置有支持SLAM技术的移动终端上实现，包括以下步骤：
S1：获取移动终端的差分定位数据以及虚拟场景模型数据包，其中所述差分定位数据包括但不限于该移动终端的定位精度；其中所述虚拟场景模型数据包包括但不限于该虚拟场景对应的三维模型空间数据以及地理数据，所述地理数据至少包括虚拟场景坐标系原点对应的地理经纬度和方位数据；
S2：依据移动终端的差分定位数据，当该差分定位数据的定位精度小于50 厘米时，结合所述虚拟场景模型数据包中的地理数据，加载移动终端周边的虚拟场景模型，结合SLAM技术记录当前移动终端的初始位姿，其中初始位姿包括但不限于移动终端的初始定位数据和初始定姿数据，以当前移动终端的初始定位数据为原点，建立增强现实空间坐标系，并记录该增强现实空间坐标系原点对应的当前地理数据；
S3：获取移动终端当前位置的现实场景，根据虚拟场景坐标系原点的地理数据和增强现实空间坐标系原点的地理数据，计算出虚拟场景模型的相对位置和方位，实时渲染并叠加虚拟场景模型和现实场景，建立增强现实场景；
S4：通过SLAM技术获取移动终端移动过程中的相对位姿数据，在同一个增强现实空间坐标系内，依据所述相对位姿数据调整虚拟场景模型相对移动终端的位置和视角，实时渲染并更新增强现实场景；
S5：当移动终端停止移动后，获取移动终端当前的差分定位数据，当该差分定位数据的定位精度小于50厘米时，重复步骤S2-S4，重新确定虚拟场景模型相对移动终端的位置和视角，实时渲染并更新增强现实场景。
支持SLAM的移动终端包括有：硬件支持SLAM的手机，如：Apple的大部分手机和平板，Android的主要品牌的部分准高端和高端手机。以及安装有支持 SLAM应用的软件的移动终端，如：Google的ARCore、Apple的ARKit和Vuforia 等开发包。
具体而言，步骤S1中获取移动终端的差分定位数据的具体方法如下：
1、移动终端内置有支持差分定位的GPS定位器，比如无人机直接获取该移动终端的差分定位数据；
2、移动终端内有普通GPS定位器，使用支持支持差分定位的GPS定位器，获取误差，该误差用以修正普通GPS定位器获取的普通定位数据，获取差分定位数据。
值得一提的是，差分定位数据包括设备电量、卫星数量、定位精度、纬度、经度、定位模式、时间、速度、方位等，且其定位精度可控制在厘米或者毫米级，相较普通的定位数据可更加准确地获取到移动终端的定位。
另外，所述虚拟场景模型数据包中还包括对应三维模型的贴图材质数据，其内的地理数据至少包括虚拟场景坐标系原点对应的地理经纬度和方位数据，从而可以确定该虚拟场景的实际应当处的位置。
步骤S1中获取虚拟场景模型数据包的具体方法如下：
虚拟场景模型数据包存储在云端或者移动终端内部，通过下载或者其他传输的方式传输至移动终端；值得一提的是，虚拟场景模型数据包包括地理数据，该地理数据为该虚拟场景的虚拟场景坐标系原点对应的地理经纬度和方位数据。
举例说明，对应A高楼的虚拟场景模型数据包包括该A楼的场景模拟数据， A楼模型空间原点对应的经度、纬度以及方位。
在所述步骤S2当中，根据移动终端的差分定位数据，从虚拟场景模型数据包中选择落入移动终端周边设定的定位区域范围内的虚拟场景，加载模拟场景数据。
另外，根据移动终端的差分定位数据，结合SLAM技术记录当前移动终端的初始位姿，以初始定位数据为原点，建立增强现实空间坐标系，并记录坐标系原点对应的地理数据，其中初始位姿包括但不限于移动终端的初始定位数据和初始定姿数据，定位数据是三维空间坐标系的位置和方位数据，定姿数据指的是移动终端摄像头绕三个轴(XYZ轴)的旋转角度pitch、yaw、roll。根据虚拟场景坐标系原点的地理数据和增强现实空间坐标系原点的地理数据，计算虚拟场景和移动终端的相对距离和方位等数据，可以确定虚拟场景模型的相对位置。
举例说明，获取A楼相对于移动终端的东南方30度10米的位置。
在步骤S3中，实时渲染并加载虚拟场景，然后把虚拟场景叠加到摄像头捕捉到的现实场景上，此时现实场景其实就是虚拟场景的底图。
在步骤S4中，当移动终端在移动过程中，由于差分定位技术会存在米级的误差，此时可依据移动终端的惯性导航或SLAM技术获取移动终端移动过程中的相对位姿数据，该相对位姿数据为移动终端在漫游过程中通过SLAM得到的相对定位数据和定姿数据，相对定位数据是指增强现实三维空间坐标系中相对原点的位置和方位，相对定姿数据是指移动终端摄像头绕三个轴旋转角度的变化值。
惯性导航是利用移动终端内置的惯性元件(加速度计)来测量本身的加速度，经过积分和运算得到速度和位置，从而计算得到移动终端运动时的具体位置。
SLAM技术是利用移动终端内置的传感器和摄像头，实时获取视觉深度图像，从而计算得到移动终端运动时的具体位置。
具体而言，在移动终端移动之前已获取了移动终端的初始位姿，在移动过程中通过SLAM技术获取移动终端相对于初始位姿的距离和方位，得到实时的位姿，由于虚拟场景和移动终端共用同一坐标系，该实时位姿也反映虚拟场景的位置状态信息和方位信息，进而建立增强现实场景。
由于本方案中初始位姿是通过差分GPS定位获得的高精度定位，而现有技术中的初始位姿是通过图片识别和参照物识别等方式获取的，在现有技术中初始位姿本身存在一定的精度误差，进而导致SLAM技术获取的相对位姿在原本就失准的定位数据上更加偏移正确的定位数据，导致虚拟场景和现实场景的结合存在偏差。而本方案在精准的初始位姿的基础上进行SLAM调整，保证虚拟场景和现实场景结合的精度。
在步骤S5中，当移动终端停止移动后，当差分定位数据的定位精度小于50 厘米时再次获取当前位置的差分定位数据，重复步骤S2到S4，获取差分定位数据的方法同上。
另外，增强现实空间坐标系是由移动终端初始位姿的初始定位数据为原点建立的空间坐标系，虚拟场景坐标系是其自身三维模型空间坐标系，根据两个坐标系原点的地理数据，计算出虚拟场景模型插入的相对位置和方位。
对应地，本发明提供一基于地理位置定位的高精度增强现实设备，该设备包括配置有SLAM技术的移动终端，该移动终端内处理器，所述处理器应用其上提到的方法进行增强现实处理。
所述处理器包括：
差分定位获取单元，获取该移动终端的差分定位数据，其中所述差分定位数据包括但不限于该移动终端的经度、纬度、方位以及定位精度；
虚拟场景终端下载单元，获取虚拟场景模型数据包，其中所述虚拟场景模型数据包包括但不限于该虚拟场景对应的三维模型空间数据以及地理数据，所述地理数据至少包括虚拟场景坐标系原点对应的地理经纬度和方位数据；
现实获取单元，获取移动终端当前位置的现实场景；
增强现实单元，当该差分定位数据的定位精度小于50厘米时，基于移动终端的差分定位数据结合虚拟场景模型数据包中的地理数据，加载移动终端周边的虚拟场景模型，结合SLAM技术记录当前移动终端的初始位姿，其中初始位姿包括但不限于移动终端的初始定位数据和初始定姿数据，以当前移动终端的初始定位数据为原点，建立增强现实空间坐标系，并记录该增强现实空间坐标系原点对应的当前地理数据；
根据虚拟场景坐标系原点的地理数据和增强现实空间坐标系原点的地理数据，计算出虚拟场景模型的相对位置和方位，实时渲染并叠加虚拟场景模型和现实场景，建立增强现实场景；
移动调整单元，通过SLAM技术获取移动终端在移动过程中的相对位姿数据，在同一个增强现实空间坐标系内，依据所述相对位姿数据调整虚拟场景模型相对移动终端的位置和视角；以及
修正调整单元，当移动终端停止移动后，再次获取当前的差分定位数据，当该差分定位数据的定位精度小于50厘米时，重新确定虚拟场景模型相对移动终端的位置和视角。
具体的处理器的处理方法参见其上对基于地理位置定位的高精度增强现实方法，在此不累赘说明。
本发明另外保护加载有该处理器的移动终端。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于地理位置定位的高精度增强现实方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取移动终端的差分定位数据以及虚拟场景模型数据包，其中所述差分定位数据包括但不限于该移动终端的定位精度；其中所述虚拟场景模型数据包包括但不限于该虚拟场景对应的三维模型空间数据以及地理数据，所述地理数据至少包括虚拟场景坐标系原点对应的地理经纬度和方位数据；
S2：依据移动终端的差分定位数据，当该差分定位数据的定位精度小于50厘米时，结合所述虚拟场景模型数据包中的地理数据，加载移动终端周边的虚拟场景模型，结合SLAM技术记录当前移动终端的初始位姿，其中初始位姿包括但不限于移动终端的初始定位数据和初始定姿数据，以当前移动终端的初始定位数据为原点，建立增强现实空间坐标系，并记录该增强现实空间坐标系原点对应的当前地理数据；
S3：获取移动终端当前位置的现实场景，根据虚拟场景坐标系原点的地理数据和增强现实空间坐标系原点的地理数据，计算出虚拟场景模型的相对位置和方位，实时渲染并叠加虚拟场景模型和现实场景，建立增强现实场景；
S4：通过SLAM技术获取移动终端移动过程中的相对位姿数据，在同一个增强现实空间坐标系内，依据所述相对位姿数据调整虚拟场景模型相对移动终端的位置和视角，实时渲染并更新增强现实场景；
S5：当移动终端停止移动后，获取移动终端当前的差分定位数据，当该差分定位数据的定位精度小于50厘米时，重复步骤S2-S4，重新确定虚拟场景模型相对移动终端的位置和视角，实时渲染并更新增强现实场景。
2.根据权利要求1所述的基于地理位置定位的高精度增强现实方法，其特征在于，在所述步骤S2当中，定位数据是增强现实空间坐标系的位置数据，定姿数据是当前移动终端摄像头绕xyz轴的旋转角度。
3.根据权利要求1所述的基于地理位置定位的高精度增强现实方法，其特征在于，在所述步骤S4当中，所述相对位姿数据包括但不限于移动终端在漫游过程中通过SLAM技术得到的相对定位数据和相对定姿数据，相对定位数据是指增强现实空间坐标系中相对初始定位数据的位置，相对定姿数据是指移动终端摄像头绕XYZ轴旋转角度相对于初始定姿数据的变化值。
4.根据权利要求1所述的基于地理位置定位的高精度增强现实方法，其特征在于，在所述步骤S1当中，移动终端通过内置有支持差分定位的GPS定位器获取当前移动终端的差分定位数据；或者，移动终端通过外置的GPS定位器修正当前移动终端的定位数据，获取差分定位数据。
5.根据权利要求1所述的基于地理位置定位的高精度增强现实方法，其特征在于，增强现实空间坐标系是基于差分定位数据和通过SLAM技术建立的空间坐标系。
6.一种基于地理位置定位的高精度增强现实设备，该设备包括配置有SLAM技术的移动终端，该移动终端内置有处理器，其特征在于，所述处理器包括：
差分定位获取单元，获取该移动终端的差分定位数据，其中所述差分定位数据包括但不限于该移动终端的定位精度；
虚拟场景终端下载单元，获取虚拟场景模型数据包，其中所述虚拟场景模型数据包包括但不限于该虚拟场景对应的三维模型空间数据以及地理数据，所述地理数据至少包括虚拟场景坐标系原点对应的地理经纬度和方位数据；
现实获取单元，获取移动终端当前位置的现实场景；
增强现实单元，当该差分定位数据的定位精度小于50厘米时，基于移动终端的差分定位数据结合虚拟场景模型数据包中的地理数据，加载移动终端周边的虚拟场景模型，结合SLAM技术记录当前移动终端的初始位姿，其中初始位姿包括但不限于移动终端的初始定位数据和初始定姿数据，以当前移动终端的初始定位数据为原点，建立增强现实空间坐标系，并记录该增强现实空间坐标系原点对应的当前地理数据；
根据虚拟场景坐标系原点的地理数据和增强现实空间坐标系原点的地理数据，计算出虚拟场景模型的相对位置和方位，实时渲染并叠加虚拟场景模型和现实场景，建立增强现实场景；
移动调整单元，通过SLAM技术获取移动终端在移动过程中的相对位姿数据，在同一个增强现实空间坐标系内，依据所述相对位姿数据调整虚拟场景模型相对移动终端的位置和视角；以及
修正调整单元，当移动终端停止移动后，再次获取当前的差分定位数据，当该差分定位数据的定位精度小于50厘米时，重新确定虚拟场景模型相对移动终端的位置和视角。
7.根据权利要求6所述的基于地理位置定位的高精度增强现实设备，其特征在于，在建立增强现实场景后，定位数据是增强现实空间坐标系的位置数据，定姿数据是当前移动终端摄像头绕xyz轴的旋转角度。
8.根据权利要求6所述的基于地理位置定位的高精度增强现实设备，其特征在于，所述相对位姿数据包括但不限于移动终端在漫游过程中通过SLAM技术得到的相对定位数据和相对定姿数据，相对定位数据是指增强现实空间坐标系中相对初始定位数据的位置，相对定姿数据是指移动终端摄像头绕XYZ轴旋转角度相对于初始定姿数据的变化值。
9.一种处理器，其特征在于，加载权利要求1到5任一所述的基于地理位置定位的高精度增强现实方法。
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