CN110988947A - 一种基于实时动态载波相位差分技术的增强现实定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于实时动态载波相位差分技术的增强现实定位方法，包括如下步骤：S1、RTK技术及优化：S1.1设备构成；S1.2获得RTK给定的定位点GPS信息，对RTK获得的定位点GPS信息进行处理，获得定位点在大地坐标系中的坐标；S2、将大地坐标系转换为空间直角坐标系；S3、空间直角坐标系与AR中世界坐标系的统一；S4、AR图像在真实位置的叠加。本发明能够实现增强现实场景（虚拟世界）与真实场景的高精度叠加，而且整个过程中可实现增强现实场景与真实世界的坐标实时同步。

Description

一种基于实时动态载波相位差分技术的增强现实定位方法

技术领域

本发明涉及一种定位技术，特别是涉及一种基于实时动态载波相位差分技术的增强现实定位方法。

背景技术

增强现实技术(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，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界与现实世界进行叠加渲染，从而产生进一步互动。

目前这种技术已经获得了较为成熟的发展，主要体现在各种AR眼镜、AR头盔等产品上。但是目前主要还是存在虚拟世界与现实世界叠加不够及时、准确等问题，特别是在室外，由于目前的GPS定位技术存在一定的延时，并且移动设备GPS定位精度不高，这就使得不能进行实时定位，也就会导致虚拟世界与现实世界直接发生坐标差，从而导致它们不能进行较好的融合，而且就算坐标同步后，叠加精度也不高，给使用者带来十分不友好的体验。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于实时动态载波相位差分技术的增强现实定位方法，其能够实现室外实时定位，且虚拟世界与现实世界之间具有较高的叠加精度。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于实时动态载波相位差分技术的增强现实定位方法，包括如下步骤：

S1、RTK技术及优化

S1.1设备构成：

1)基准站，采集的载波相位、观测量；通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站；

2)接收机，接收基准站采集的载波相位，同时接收卫星信号、把自己的观测量通过发送给流动站；

3)流动站，通过数据链接收来自基准站的数据，同时采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理；

4)获取装置，用于获取GPS定位点数据，作为定位装置以提供定位点信息，其中，所述定位点数据包括定位点(获取装置)的经度、纬度、高程、置信度，其中置信度由当前时间和速度计算得到；

S1.2获得RTK给定的定位点GPS信息，对RTK获得的定位点GPS信息进行处理，获得定位点在大地坐标系中的坐标；

S2、将大地坐标系转换为空间直角坐标系，根据获取装置获取到的定位点在大地坐标系中的坐标，将定位点在大地坐标系中的坐标转换为空间直角坐标系中的坐标，以参心o为原点，从而建立空间直角坐标系，具体为：

X＝(N+H)cosB*cosL； (1)

Y＝(N+H)cosB*sinL； (2)

Z＝[(N(1-e²)+H)]sinB； (3)

公式(1)-(3)中，B为纬度、L为经度、H为大地高，e为椭球的第一偏心率。其为现有技术，也就是现有参心大地坐标转化为参心空间直角坐标的算法。

S3、空间直角坐标系与AR中世界坐标系的统一，将AR中世界坐标系(虚拟世界的坐标系)的原点设置为相机镜头当前的位置，相机镜头当前的位置可在空间直角坐标系内获得坐标，从而可以将AR物体相对于AR中世界坐标系的坐标转换为其在空间直角坐标系内的坐标，也就将AR中世界坐标系与空间直角坐标系进行了统一；可以通过AR中世界坐标系的原点与空间直角坐标系原点之间的坐标偏移量进行换算。

S4、AR图像在真实位置的叠加，寻找真实世界的固定物体，将渲染3D内容的虚拟摄像头的姿态与真实位置的物体姿态对齐，即可达到AR图像在真实世界的叠加。这种叠加的精度较高，再基于RTK技术实时更新坐标即可实现虚拟世界与现实时间的高精度叠加。

本发明的有益效果是：本发明能够实现室外增强现实场景(即AR图像或虚拟世界)与真实场景的高精度叠加，而且整个过程中可实现增强现实场景与真实世界的坐标实时同步。

附图说明

图1是实施例中将大地坐标系转换为空间直角坐标系的流程示意图。

图2是实施例中整个运行过程的流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明：

参见图2，本实施例的大致过程如下：RTK位置和移动设备位置一致，需要叠加AR的真实物体位置确定；

然后移动设备开机，建立相机空间直角坐标系；RKT设备开机，实时获得移动设备的BLH坐标(大地坐标系中的坐标)；同时，获得真实物体的BLH坐标(大地坐标系中的坐标)；

然后对移动设备的BLH坐标、真实物体的BLH坐标进行插值、优化；再将优化后的BLH坐标转换为空间直角坐标系的坐标(世界坐标系)；

与此同时，相机空间直角坐标系确立AR渲染坐标，并且将相机空间直角坐标系与世界坐标系旋转、平移后统一；这就使得相机位置、AR渲染位置、真实物体位置在统一坐标系下使得AR渲染位置和真实物体位置叠加，达到AR效果。

本实施例，具体，包括如下步骤：

S1、RTK技术及优化

RTK(Real-time kinematic)载波相位差分技术，是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，其将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。这是一种新的常用的GPS测量方法，以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在室外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。

高精度的GPS测量必须采用载波相位观测值，RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。

在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时不足一秒钟。

流动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成整周模糊度的搜索求解。

在整周未知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动站可随时给出厘米级定位结果。

其中，基准站的接收机有两个任务：

1)接收卫星信号；

2)把自己的观测量通过发送给流动站。

流动站有三个任务：

1)接收卫星信号；

2)接收基准站所发送的基准站观测量；

3)对卫星信号与基准站观测量进行对比处理，从而对自己的观测量进行修正。

获取装置，用于获取GPS定位点数据，其作为定位设备使用，其中，所述定位点数据包括定位点的经度、纬度、高程、置信度，其中置信度由当前时间和速度计算得到。

参见图1，S1.2获得RTK给定的GPS参数：

对于不同频率的RTK设备，常常会出现RTK获得到GPS数据的频率小于系统要求的输入数据频率，此时，要对数据进行处理，如常见的插值和滤波等，通用的RTK设备一般在记录GPS信息的同时还能记录速度信息，那么这就给本实施例对数据进行操作和处理提供了可能。获得RTK给定的GPS参数如下：

经度：B(t)；

纬度：L(t)；

高程：H(t)；

时间戳：t，t_i，t_u，t_j，t_i＜t_u＜t_j；

因此RTK获得的位置信息可以表示为：z(t)＝{B(t)，L(t)，H(t)}。

优选地，还包括调节数据频率，对于不同频率的RTK设备，常常会出现RTK获得到GPS数据的频率小于系统要求的输入数据频率，此时，要对数据进行处理，如常见的插值和滤波等，通用的RTK设备一般在记录GPS信息的同时还还能记录速度信息，那么这就对数据进行操作和处理提供了可能；

对于部分RTK设备和手机设备，内置了加速度传感器，因此，可以获得位置与速度相关的关系式表达：

RTK随时间获得的加速度信息：a(t_u)＝f(t_u)；

RTK随时间获得的速度信息：

RTK随时间获得的位置信息：

由加速度的定义可得f(t_u)＝b+m(t_u-t_i)＝a(t_u)；

所以任意时刻的位置信息可以表达为：

由定义可得t_i＜t_u＜t_j，则可将t_u设为某一任意时刻，并将其抽象为后一时刻与前一时刻的关系，将上述部分式子代入：

a(t_u)＝b+m(t_u-t_i) (5)

则，任意时刻的位置z(t_u)，都可以表示为z(t_j)，z(t_i)之间的相互关系，这样就方便系统对任意两个时刻的位置之间，进行优化与插值。

线性插值：

线性插值可解决直线行走时，RTK数据频率不够的问题，插值算法如下：

此时，b＝m＝0。

贝塞尔曲线插值：

贝塞尔曲线插值可解决曲线行走时，RTK数据频率不够的问题，插值算法如下：

P₁＝z(t_i) (11)

线性插值、贝塞尔曲线插值可以分别解决直线和曲线行走的问题，对于在城市路面进行插值和优化时，能够起到较好的效果。

S2、将大地坐标系转换为空间直角坐标系

由于地球是个不规则球体，因此，上述方法中获得的经纬度数据，无法与AR功能下所需要的平面坐标数据等同，这就需要将获取到的定位点的经纬度转化为平面空间直角坐标系，本实施例采取以下方法：

z(t)＝{B(t)，L(t)，H(t)}为t时刻RTK测量到的经纬度数据；

g(t)＝{X(t)，Y(t)，Z(t)}为t时刻空间直角坐标系数据；

建立f(z(t))将两者进行换算，其中：

X＝(N+H)cosBcosL (1)

Y＝(N+H)cosBcosL (2)

Z＝[(N(1-e²)+H)sinB (3)

上述算式中：

因此对于每一个确定的经纬度坐标系，如：WGS-84，北京54坐标系或者西安80坐标系，皆可以求得g(t)＝{X(t)，Y(t)，Z(t)}。一段连续的g(t)即可形成一个空间直角坐标系。

本实施例中，选用北京54坐标系作为大地坐标系，从而建立空间直角坐标系。

我国GPS的测量成果使用的是WGS-84，为了便于用户使用，需要将其转换成北京54坐标系或者西安80坐标系。这些过程中需要进行的是坐标系统的转换。七参数空间坐标转换，实际上是两个不同基准面之间的空间空间直角坐标系的相似变换，涉及到了平移、旋转和缩放。对于这种既有旋转、缩放和平移的两个空间空间直角坐标系的坐标变换，存在三个平移参数。

S3、空间直角坐标系与AR中世界坐标系的统一，将AR中世界坐标系的原点设置为相机镜头当前的位置，相机镜头当前的位置可在空间直角坐标系内获得坐标，从而可以将AR物体相对于AR中世界坐标系的坐标转换为空间直角坐标系内的坐标，从而将AR物体坐标与空间直角坐标系进行统一。具体地：

得到的g(t)＝{X(t)，Y(t)，Z(t)}建立好空间直角坐标系后，本实施例称这一坐标系为世界坐标系。因为AR中的坐标系，是以程序启动时的相机位置为(0,0,0)点，本实施例称这一坐标系为相机空间直角坐标系，要能够实现AR图像在真实位置的叠加，需要世界坐标系与相机空间直角坐标系进行统一，则涉及到矩阵的变换与平移。

从相机建立的相机空间直角坐标系，旋转到由RTK对应的世界空间直角坐标系，因为相机拥有IMU传感器，可以检测到roll，pitch，yaw三个方向的参数，因此可以获得旋转矩阵：

在完成旋转操作后，将两个坐标系之间的位置距离通过平移矩阵消除，获得空间直角坐标系与AR中世界坐标系的统一：

S4、AR图像在真实位置的叠加，对于每一个在真实世界中存在的固定物体，如建筑物等，都有一个固定的GPS坐标，即其BLH(大地坐标系的坐标)是固定的，相对来说，此BLH对应的AR世界的XYZ(AR世界坐标系的坐标)也是固定的。

对于手机读取的视频帧而言，真实位置上既有现实位置坐标又有虚拟位置坐标，两者一致的映射关系成为而后感知交互顺利进行的先决条件。

本实施例通过将渲染3D内容的虚拟摄像头的姿态与真实位置的物体姿态对齐，即可达到AR图像在真实位置的叠加。

本实施例将作为参照的真实世界的固定物体的空间直角坐标系坐标换算为位于AR中世界坐标系的坐标，再计算这两个坐标的偏移量，然后通过调节渲染3D内容的虚拟摄像头按照上述偏移量进行偏转对齐即可，也就是将渲染3D内容的虚拟摄像头的姿态与真实位置的物体姿态对齐，从而实现高精度的叠加。

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (11)

1.一种基于实时动态载波相位差分技术的增强现实定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、RTK技术及优化

S1.1设备构成：

1)基准站，采集的载波相位、观测量；通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站；

2)接收机，接收基准站采集的载波相位，同时接收卫星信号、把自己的观测量通过发送给流动站；

3)流动站，通过数据链接收来自基准站的数据，同时采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理；

4)获取装置，用于获取GPS定位点数据，作为定位装置以提供定位点信息，其中，所述定位点数据包括定位点的经度、纬度、高程、置信度，其中置信度由当前时间和速度计算得到；

S1.2获得RTK给定的定位点GPS信息，对RTK获得的定位点GPS信息进行处理，获得定位点在大地坐标系中的坐标；

S2、将大地坐标系转换为空间直角坐标系；

S3、空间直角坐标系与AR中世界坐标系的统一、相机空间直角坐标系与空间直角坐标系进行统一；

S4、AR图像在真实位置的叠加。

2.如权利要求1所述的增强现实定位方法，其特征是：S2中，包括：根据获取装置获取到的定位点在大地坐标系中的坐标，将定位点在大地坐标系中的坐标转换为空间直角坐标系中的坐标，以参心o为原点，从而建立空间直角坐标系。

3.如权利要求1所述的增强现实定位方法，其特征是：S3中，包括：将AR中世界坐标系的原点设置为相机镜头当前的位置，相机镜头当前的位置可在空间直角坐标系内获得坐标，从而将AR物体相对于AR中世界坐标系的坐标转换为其在空间直角坐标系内的坐标，也就将AR中世界坐标系与空间直角坐标系进行了统一。

4.如权利要求1所述的增强现实定位方法，其特征是：S4中，包括：寻找真实世界的固定物体，将渲染3D内容的虚拟摄像头的姿态与真实位置的物体姿态对齐，即可达到AR图像在真实世界的叠加。

5.如权利要求4所述的增强现实定位方法，其特征是：将真实世界的固定物体的空间直角坐标系坐标换算为位于AR中世界坐标系的坐标，再计算这两个坐标的偏移量；然后通过调节渲染3D内容的虚拟摄像头，使其按照上述偏移量进行偏转对齐即可。

6.如权利要求1所述的增强现实定位方法，其特征是：S1.2中获取的位置信息为：经度：B(t)、纬度：L(t)、高程：H(t)、时间戳：t，t_i，t_u，t_j，t_i＜t_u＜t_j；RTK获得的位置信息表示为：z(t)＝{B(t)，L(t)，H(t)}。

7.如权利要求6所述的增强现实定位方法，其特征是：还包括调节数据频率，RTK设备和手机设备内置了加速度传感器，通过加速度传感器获得位置与速度相关的关系式表达：

RTK随时间获得的加速度信息：a(t_u)＝f(t_u)；

RTK随时间获得的速度信息：

RTK随时间获得的位置信息：

由加速度的定义可得f(t_u)＝b+m(t_u-t_i)＝a(t_u)；

所以任意时刻的位置信息可以表达为：

由定义可得t_i＜t_u＜t_j，则可将t_u设为某一任意时刻，并将其抽象为后一时刻与前一时刻的关系，将上述部分式子代入：

a(t_u)＝b+m(t_u-t_i) (5)

则，任意时刻的位置z(t_u)，都可以表示为z(t_j)，z(t_i)之间的相互关系，这就使得系统可对任意两个时刻的位置之间进行插值。

8.如权利要求7所述的增强现实定位方法，其特征是：所述插值为线性插值，插值算法如下：

此时，b＝m＝0。

9.如权利要求7所述的增强现实定位方法，其特征是：所述插值为贝塞尔曲线插值，插值算法如下：

P₁＝z(t_i) (11)

10.如权利要求7所述的增强现实定位方法，其特征是：S2中包括如下步骤：

z(t)＝{B(t)，L(t)，H(t)}为t时刻RTK测量到的经纬度数据；

g(t)＝{X(t)，Y(t)，Z(t)}为t时刻空间直角坐标系数据；

建立f(z(t))将两者进行换算，其中：

X＝(N+H)cosBcosL (1)

Y＝(N+H)cosBcosL (2)

Z＝[(N(1-e²)+H)sinB (3)

上述算式中：

对于每一个确定的经纬度坐标系，皆可求得g(t)＝{X(t)，Y(t)，Z(t)}，一段连续的g(t)即可形成一个空间直角坐标系。

11.如权利要求10所述的增强现实定位方法，其特征是：S3中，包括如下步骤：

得到的g(t)＝{X(t)，Y(t)，Z(t)}建立好空间直角坐标系即为世界坐标系，AR中世界坐标系需要以相机位置为原点建立，即为相机空间直角坐标系，而相机空间直角坐标系需要旋转、平移到与RTK对应的世界坐标系；

相机拥有IMU传感器，通过IMU传感器检测到roll、pitch、yaw三个方向的参数，可获得旋转矩阵：

在完成旋转操作后，将两个坐标系之间的位置距离通过平移矩阵消除，获得空间直角坐标系与AR中世界坐标系的统一：

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