CN111402398B

CN111402398B - 基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建系统及方法

Info

Publication number: CN111402398B
Application number: CN202010157652.1A
Authority: CN
Inventors: 王濛; 朱雅鑫; 米海鹏; 徐迎庆
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2020-03-09
Filing date: 2020-03-09
Publication date: 2022-03-29
Anticipated expiration: 2040-03-09
Also published as: CN111402398A

Abstract

本发明实施例提供了一种基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建系统及方法，系统包括：分布式传感子系统和三维重建子系统，通过分布式传感子系统实现对各个实体积木的标识信息以及实体积木与其下部实体积木二者之间的连接信息的获取，通过三维重建子系统实现对实体积木以及下部实体积木的三维拼接模型的构建。本发明实施例中提供的基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建系统，引入主动式的、分布式传感子系统，在有效提高识别精度的同时，保持轻量级、可拓展的特点，而且可以提高整个系统的鲁棒性。本发明实施例中基于连接的实体积木以及下部实体积木之间的拓扑关系检测，能够从原理上解决计算机视觉方法所遇到的遮挡、识别等问题。

Description

基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建系统及方法

技术领域

本发明涉及计算机辅助设计技术领域，更具体地，涉及基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建系统及方法。

背景技术

随着数字技术的发展，数字三维模型被越来越多地用于各种各样的场景与领域，比如机械设计、建筑设计、娱乐设计等等。然而，三维建模仍然是一项专业性较强的工作，新手用户难以在短时间内学习三维模型的设计，进而也阻碍了用户针对自身需求、快速进行原型设计的可能性。在计算机辅助设计领域中，如何提供一种方便用户搭建数字模型的工具是一个一直以来的研究热点。

实体积木是一种常见的用于儿童教育以及创意设计的工具，具有易上手、灵活性高等特点。通过不同积木的组合，儿童或者设计师可以轻松创建出各式各样的建筑、工具、动画角色等实体模型。如果能够将实体积木所搭建出的模型进行实时的数字化重建与三维显示，就可以构建出一种实物与数字信息耦合的交互方式，使得用户可以通过实体交互进行数字互动内容的创作与体验。

传统的实体模型三维重建多采用计算机视觉技术的三维重建以及使用电容测量技术的三维重建。在使用计算机视觉技术的三维重建中，最常使用的方法是通过摄像头获取到的图像检测模型的结构信息。目前已有研究人员使用由玻璃纤维组成的积木，积木底部粘有用于视觉配准的标记，通过架设在积木底部的摄像头获取不同积木的平面坐标及高度信息。另有研究人员使用了深度相机识别桌面上拼出的积木结构。其他研究人员则通过深度相机进一步跟踪用户的拼装操作。在使用电容测量技术的三维重建中，电容测量技术是嵌入式传感中常用于位置、结构传感的技术，有研究人员利用熔融沉积3D打印机设计了一种由导电和非导电纤维共同组成的电容块，当这些电容块堆叠时，电容器并联，电容测量值以基数线性增加，系统通过测量电容值与模块数量的映射检测堆叠块的数量。此外另有研究人员提出了实体三维建模系统，可以同时识别更多内置有电容器的模块，其他研究人员则开发了一种基于电容触摸屏的传感系统，可以检测堆叠在电容触摸屏上的块的数量，当用户触摸到块的一侧时，会生成几个与触摸面板上堆叠的块数量相对应的接触点，系统可以根据生成的接触点的组合来估计块的数量。

然而，无论是采用计算机视觉技术的三维重建，还是使用电容测量技术的三维重建，均属于被动式检测技术，采用计算机视觉技术的三维重建时，其可实施性受限于摄像头的安装位置、图像质量等因素，重建效果也会受到光线、遮挡等因素的影响，识别稳定性较低。而使用电容测量技术的三维重建时，同样会面临很多外部环境的影响，如人手触摸或其他导体产生的干扰会导致识别错误。为此，现急需提供一种基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建系统及方法。

发明内容

为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供了一种基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建系统及方法。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建系统，包括：分布式传感子系统和三维重建子系统；

所述分布式传感子系统包括积木模块和协调器，所述积木模块设置于实体积木内，所述积木模块包括第一电路板、第二电路板、微处理器以及无线通信模块，所述第一电路板和所述第二电路板分别内嵌于所述实体积木的上层和下层，且所述第一电路板外侧焊接有对应于所述实体积木的凸起的第一类通讯器件，所述第二电路板外侧焊接有对应于所述实体积木的凹槽的第二类通讯器件；所述无线通信模块分别与所述微处理器和所述协调器连接；

所述微处理器和所述无线通信模块设置于所述第一电路板和所述第二电路板之间，所述微处理器分别与所述第一类通讯器件和所述第二类通讯器件连接，所述微处理器用于存储所述实体积木的标识信息，还用于基于所述实体积木内的第二类通讯器件获取所述实体积木连接的下部实体积木的标识信息并确定所述实体积木与所述下部实体积木之间的连接信息，并将所述实体积木的标识信息、所述下部实体积木的标识信息以及所述连接信息经所述无线通信模块发送至所述协调器，由所述协调器转发至所述三维重建子系统；

所述三维重建子系统用于基于所述实体积木的标识信息、所述下部实体积木的标识信息以及所述连接信息，构建所述实体积木与所述下部实体积木的三维拼接模型。

优选地，所述微处理器具体包括：多个第一类数字IO和多个第二类数字IO，每个第一类数字IO模拟为一个UART串口的TX端，每个第二类数字IO模拟为一个UART串口的RX端；

每个第一类数字IO分别与一个所述第一类通讯器件连接，每个第二类数字IO分别与一个所述第二类通讯器件连接。

优选地，若判断获知任一第一类数字IO对应的TX端工作时，则所述微处理器中包括的除所述任一第一类数字IO外的其他第一类数字 IO对应的TX端处于高电平；相应地，

若判断获知任一第二类数字IO对应的RX端工作时，则所述微处理器中包括的除所述任一第二类数字IO外的其他第二类数字IO对应的RX端处于高电平。

优选地，所述无线通信模块具体为Zigbee模块；

相应地，所述协调器具体为Zigbee协调器。

优选地，所述连接信息具体包括：所述实体积木内的微处理器中包含的、与所述下部实体积木对应连接的目标RX端的标识信息以及所述下部实体积木内的微处理器中包含的、与所述实体积木对应连接的目标TX端的标识信息。

优选地，所述三维重建子系统包括：结构重建模块，所述结构重建模块具体用于：

将所述目标RX端的标识信息和所述目标TX端的标识信息转换为二维向量；

基于所述二维向量计算所述下部实体积木相对于所述实体积木的平移向量以及所述下部实体积木相对于所述实体积木的旋转角度的余弦值和正弦值；

基于所述平移向量、所述余弦值以及所述正弦值，确定所述实体积木与所述下部实体积木之间的变换矩阵，并基于所述变换矩阵以及所述实体积木的三维模型的位置信息，计算所述下部实体积木的三维模型的位置信息，构建所述实体积木与所述下部实体积木的三维拼接模型。

优选地，所述积木模块还包括：电源管理模块和电池；

所述电源管理模块与所述无线通信模块的使能端连接，所述电源管理模块分别与所述微处理器和所述电池连接，所述电池用于为所述系统供电。

第二方面，本发明实施例提供了一种基于第一方面所述的系统实现的基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建方法，包括：

确定实体积木的标识信息，并基于所述实体积木内的第二类通讯器件获取所述实体积木连接的下部实体积木的标识信息并确定所述实体积木与所述下部实体积木之间的连接信息；

基于所述实体积木的标识信息、所述下部实体积木的标识信息以及所述连接信息，构建所述实体积木与所述下部实体积木的三维拼接模型。

第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括：存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第二方面所述的基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建方法的步骤。

第四方面，本发明实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第二方面所述的基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建方法的步骤。

本发明实施例提供的一种基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建系统及方法，系统包括：分布式传感子系统和三维重建子系统，通过分布式传感子系统实现对各个实体积木的标识信息以及连接的实体积木以及下部实体积木二者之间的连接信息的获取，通过三维重建子系统实现对实体积木以及下部实体积木的三维拼接模型的构建。本发明实施例中提供的基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建系统，从传感环境的普适性角度考虑，引入主动式的、分布式传感子系统，可以在有效提高识别精度的同时，保持轻量级、可拓展的特点，而且可以提高整个系统的鲁棒性。本发明实施例中基于连接的实体积木以及下部实体积木之间的拓扑关系检测，能够从原理上解决计算机视觉方法所遇到的遮挡、识别等问题，可以广泛应用于教育、娱乐、设计等多个技术领域。另外，本发明实施例中提供的系统中，可以使用体积更小的实体积木搭建更为精细、复杂的模型，同时拥有更高的灵活性、扩展性，用于更广泛的交互场景。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建系统的结构示意图；

图2a为本发明实施例提供的一种基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建系统中实体积木的结构示意图；

图2b为本发明实施例提供的一种基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建系统中实体积木的上层结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建系统中积木模块中的微处理器的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建系统中实体积木与下部实体积木的连接结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建方法的流程示意图；

图6为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、 “左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，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，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建系统，包括：分布式传感子系统1和三维重建子系统2。分布式传感子系统1包括积木模块11和协调器12，积木模块 11设置于实体积木内，积木模块11包括第一电路板111、第二电路板 112、微处理器113以及无线通信模块114，第一电路板111和第二电路板112分别内嵌于实体积木的上层和下层，且第一电路板111外侧焊接有对应于实体积木的凸起的第一类通讯器件，第二电路板112外侧焊接有对应于实体积木的凹槽的第二类通讯器件；无线通信模块114 分别与微处理器113和协调器12连接。

微处理器113和无线通信模块114设置于第一电路板111和第二电路板112之间，微处理器113分别与第一类通讯器件和第二类通讯器件连接，微处理器113用于存储实体积木的标识信息，还用于获取实体积木连接的下部实体积木的标识信息并确定实体积木与下部实体积木之间的连接信息，并将实体积木的标识信息、下部实体积木的标识信息以及连接信息经无线通信模块114发送至协调器12，由协调器12 转发至三维重建子系统2。

三维重建子系统2用于基于实体积木的标识信息、下部实体积木的标识信息以及连接信息，构建实体积木与下部实体积木的三维拼接模型。

具体地，本发明实施例中提供的基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建系统(以下简称为系统)，其进行实时的实体积木模型三维重建动作，即随着实体积木的拼接，每增加一个连接的实体积木，则系统进行一次三维重建动作。也就是说，当前执行的三维重建动作是基于上次三维重建的结果进行的。本发明实施例中仅以当前时刻连接的最顶层的实体积木B_i(i≥2)为例进行说明，其连接的下部实体积木表示为B_i-1，其未来连接的上部实体积木表示为B_i+1。当i＝1时，实体积木B₁的三维模型为系统中的第一个实体积木模型。

本发明实施例中的系统包括分布式传感子系统和三维重建子系统。分布式传感子系统包括积木模块和协调器，积木模块设置于每个实体积木内。如图2a和图2b所示，每个实体积木的外部结构和内部结构均一致，外部结构包括上层01和下层02，上层01和下层02组装形成实体积木的外壳。上层01具有多个凸起，可以按行进行编号，编号可以从0开始依次增加。下层02具有与每个凸起多个凹槽，每个实体积木的凸起和凹槽一一对应。内部结构包括一个积木模块11，积木模块11中包括的第一电路板111内嵌于实体积木的上层01，第二电路板112内嵌于实体积木的下层02，第一电路板111外侧焊接有第一类通讯器件，每个第一类通讯器件对应位于一个凸起内部，第二电路板 112外侧焊接有第二类通讯器件，每个第二类通讯器件对应位于一个凹槽内部。上层01和下层02组装后形成实体积木，第一类通讯器件和第二类通讯器件分别通过上层01和下层02上的孔洞暴露出来，当两块实体积木上下拼插到一起时，对应位置的第一类通讯器件和第二类通讯器件会通讯连接。也就是说，实体积木的凸起是不封闭的凸起，实体积木的凹槽也是不封闭的凹槽，以保证第二类通讯器件可以与该实体积木连接的下部实体积木的凸起中的第一类通讯器件通讯连接，第一类通讯器件可以与该实体积木连接的上部实体积木的凹槽中的第二类通讯器件通讯连接。

本发明实施例中，第一类通讯器件和第二类通讯器件之间的通讯连接具体可以是光通讯连接，也可以是电通讯连接。当通讯连接是光通讯连接时，第一类通讯器件具体可以是红外发射管，第二类通讯器件具体可以是红外光电管；当通讯连接是电通讯连接时，第一类通讯器件具体可以是金属触点，第二类通讯器件具体可以是弹簧针连接器。除此之外，第一类通讯器件和第二类通讯器件还可以是其他器件，本发明实施例中对此不作具体限定。

微处理器113和无线通信模块114设置于第一电路板111和第二电路板112之间，微处理器113分别与第一类通讯器件和第二类通讯器件连接，微处理器113通过第二类通讯器件获取实体积木连接的下部实体积木的标识信息以及下部实体积木中与实体积木的第一连接信息，并确定实体积木中与下部实体积木的第二连接信息，第一连接信息和第二连接信息共同构成实体积木与下部实体积木之间的连接信息，通过第一类通讯器件可以将自身存储的实体积木的标识信息以及实体积木中与未来连接的上部实体积木的第一连接信息传输至上部实体积木中的微处理器。微处理器113将实体积木的标识信息、下部实体积木的标识信息以及连接信息经无线通信模块114发送至协调器，由协调器转发至三维重建子系统。其中，可以事先为每个实体积木进行编号，标识信息即为每个实体积木的编号，连接信息即为两个连接的实体积木之间实现通讯连接的第一类通讯器件和第二类通讯器件之间的对应关系，第一连接信息具体可以是下部实体积木中包括的、与实体积木中的第二类通讯器件实现通讯连接的第一类通讯器件信息，第二连接信息具体可以是实体积木中包括的、与下部实体积木中的第一类通讯器件实现通讯连接的第二类通讯器件信息。

本发明实施例中，每个实体积木中包括的无线通信模块114分别与微处理器113和协调器12连接，微处理器113和无线通信模块114 上可以均具有硬件UART串口，无线通信模块114具体可以通过硬件 UART串口与微处理器113连接。无线通信模块114与协调器12通信连接。积木模块通过无线通信模块114将微处理器113中的信息发送至协调器，经协调器汇总处理并发送给三维重建子系统。本发明实施例中，系统中只需要一个协调器，所有的实体积木中包括的无线通信模块均与协调器连接，形成一个星型PAN网络。本发明实施例中，无线通信模块与协调器构成的PAN网络结构，需要保证每个网络结构的节点处的无线通信模块体积要足够小，方便嵌入与集成；而且可以保证大量实体积木可以同时使用，即保证网络结构中的节点数量；最后需要PAN网络结构能够和现有的交互设备比如平板电脑进行交互，通过手持设备承载三维重建子系统实现三维重建动作。因此，无线通信模块114具体可以是Zigbee模块；相应地，协调器具体为Zigbee协调器。协调器可以通过硬件UART串口桥接至一个蓝牙模块，通过蓝牙模块与交互设备进行交互，将汇总处理得到的信息传输至交互设备。

最后，本发明实施例中，可以将三维重建子系统安装在交互设备上，交互设备具体可以是电脑、平板电脑等，通过交互设备基于实体积木的标识信息、下部实体积木的标识信息以及连接信息，构建实体积木与下部实体积木的三维拼接模型。其中，构建三维拼接模型的过程，也就是通过拓扑关系检测确定拓扑连接结构的过程，即需要确定连接的实体积木以及下部实体积木各自的位置信息以及二者之间的连接信息等。

本发明实施例中提供了一种基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建系统，包括：分布式传感子系统和三维重建子系统，通过分布式传感子系统实现对各个实体积木的标识信息以及连接的实体积木以及下部实体积木二者之间的连接信息的获取，通过三维重建子系统实现对实体积木以及下部实体积木的三维拼接模型的构建。本发明实施例中提供的基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建系统，从传感环境的普适性角度考虑，引入主动式的、分布式传感子系统，可以在有效提高识别精度的同时，保持轻量级、可拓展的特点，而且可以提高整个系统的鲁棒性。本发明实施例中基于连接的实体积木以及下部实体积木之间的拓扑关系检测，能够从原理上解决计算机视觉方法所遇到的遮挡、识别等问题，可以广泛应用于教育、娱乐、设计等多个技术领域。另外，本发明实施例中提供的系统中，可以使用体积更小的实体积木搭建更为精细、复杂的模型，同时拥有更高的灵活性、扩展性，用于更广泛的交互场景。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建系统，所述微处理器具体包括：多个第一类数字IO和多个第二类数字IO，每个第一类数字IO模拟为一个 UART串口的TX端，每个第二类数字IO模拟为一个UART串口的 RX端；

具体地，本发明实施例中，如图3所示，微处理器具体包括：多个第一类数字IO和多个第二类数字IO，每个第一类数字IO通过软件方式模拟为一个UART串口的TX端，即每个第一类数字IO相当于一个UART串口的TX端，用于发送信息；每个第二类数字IO通过软件方式模拟为一个UART串口的RX端，即每个第二类数字IO相当于一个UART串口的RX端，用于接收信息。其中，第一类数字IO和第二类数字IO的数量与实体积木的凸起、凹槽的数量均相等。本发明实施例中的实体积木可以采用8颗粒实体积木为例进行说明，即第一类数字IO和第二类数字IO的数量均为8，模拟得到的TX端以及RX端的数量也均为8，本发明实施例中可以将TX端和RX端分别进行编号，具体可以从0开始，得到TX0、TX1、TX2、TX3、TX4、TX5、TX6、 TX7，以及RX0、RX1、RX2、RX3、RX4、RX5、RX6、RX7。也就是说，每个实体积木上使用16路独立数字IO并通过软件方式模拟为8 组独立的UART串口，编号为0-7。微处理器与第一电路板之间通过每个第一类数字IO分别与一个第一类通讯器件对应连接实现连接，微处理器与第二电路板之间通过每个第二类数字IO分别与一个第二类通讯器件对应连接实现连接。

在上述实施例的基础上，所述积木模块还包括：电源管理模块115 和电池116，如图3所示，电源管理模块115与无线通信模块114的使能端连接，电源管理模块115分别与微处理器113和电池116连接，电池116用于为系统供电。

具体地，电池116不仅为电源管理模块115和无线通信模块114 供电，还通过电源管理模块115实现对微处理器113的供电，电池116 具体可以为锂离子电池。无线通信模块114具有使能端，无线通信模块114的使能端与电源管理模块115连接，通过使能端控制电源管理模块115，使得系统可以在无数据时自动进入低功耗状态休眠。本发明实施例中电源管理模块115具体可以为电源管理芯片。

为便于对电池进行充电，在实体积木的上层设置有充电孔，充电器接入充电孔后可与电池连接，实现充电。充电孔的数量可以根据充电器的类型进行选择，具体可以为4个，两个“+”，两个“-”。

本发明实施例中，通过在积木模块内设置电池，可以增加积木模块的有效使用时间，引入使能端对电源管理模块进行控制，可以实现系统的节能，而且通过在实体积木的上层设置有充电孔，对电池进行充电，延长了实体积木的使用时间。

在上述实施例的基础上，若判断获知任一第一类数字IO对应的 TX端工作时，则所述微处理器中包括的除所述任一第一类数字IO外的其他第一类数字IO对应的TX端处于高电平；相应地，

具体地，由于UART串口通常要求连接的两端彼此共地以形成参考电平才能实现正确通讯。由于实体积木拼插形态的复杂性，很难通过增加物理连接点的方式进行共地，因此本发明实施例中，通过多路串口分时、分功能使用的方式，当某一TX/RX端口发送/接收数据时，闲置的其他TX/RX端口处于高电平，此时上下连接的闲置端口形成了等电位，以高电平作为参考电压使得通讯可以顺利进行。

在上述实施例的基础上，所述连接信息具体包括：所述实体积木内的微处理器中包含的、与所述下部实体积木对应连接的目标RX端的标识信息以及所述下部实体积木内的微处理器中包含的、与所述实体积木对应连接的目标TX端的标识信息。

具体地，本发明实施例中，第一连接信息具体可以是目标TX端的标识信息，即目标TX端的编号，第二连接信息具体可以是目标RX端的标识信息，即目标RX端的编号。其中，第一连接信息是实体积木内的微处理器经由第二类通讯器件获取的，第二连接信息时实体积木内的微处理器基于第一连接信息对应得到的。如图4所示，下部实体积木B₁中的TX7与实体积木B₂中的RX4连接，下部实体积木B₁中的TX3与实体积木B₂中的RX0连接。设下部实体积木B₁的标识信息为编号1，实体积木B₂的标识信息为编号2。下部实体积木B₁可以通过微处理器的TX端发送不同的信息给实体积木B₂中微处理器对应的 RX端。每一路UART串口发送的信息包含：下部实体积木B₁的标识信息以及下部实体积木B₁内的微处理器中包含的、与实体积木B₂对应连接的目标TX端的标识信息。TX端每次发送一个字节的数据，一个字节用二进制表示为8为，高四位代表下部实体积木B₁的标识信息，低四位代表目标TX端的标识信息。以图4为例，B₁的TX3以及TX7 均为目标TX端，B2的RX0、RX4均为目标TX端。B₁的TX7连接至 B₂的RX4，因此B₂的RX4收到的信息用十六进制可以表示为0x17， B₁的TX3连接至B₂的RX0，因此B₂的RX0收到的信息用十六进制可以表示为0x13。通过B₂的RX端收到的信息，每一个积木模块都能够还原出下部所有相连的实体积木的编号与连接方式；进一步地，所有积木模块通过无线通信模块以及协调器构成的PAN网络将信息传输至交互设备的上位机，即可通过上位机程序进行三维模型的重建。

需要说明的是，协调器的汇总处理，具体是将实体积木B₂的标识信息与实体积木B₂和下部实体积木B₁之间的第一连接信息进行拼接，B₂的标识信息占用一位，位于第一连接信息的前方，则0x17变为 20x17，0x13变为20x17。

在上述实施例的基础上，所述三维重建子系统包括：结构重建模块，所述结构重建模块具体用于：

基于所述平移向量、所述余弦值以及所述正弦值，确定所述下部实体积木相对于所述实体积木的变换矩阵，并基于所述变换矩阵以及所述实体积木的三维模型的位置信息，计算所述下部实体积木的三维模型的位置信息，构建所述实体积木与所述下部实体积木的三维拼接模型。

具体地，本发明实施例中，所述三维重建子系统具体可以包括：信息处理模块、结构重建模块及三维显示模块。三维重建子系统可以应用Unity引擎开发，通过C#语言编写。信息处理模块用于接收和解析实体积木内的微处理器发送的信息，并以回调函数的方式通知结构重建模块进行相应的拓扑检测计算；结构重建模块收到相应的信息，计算积木间的空间拓扑关联，并执行创建和释放模型数据结构的操作；三维显示模块提供实体积木与下部实体积木的三维拼接模型的视觉反馈，即显示三维拼接模型。

结构重建模块接收到的模型数据结构包含了实体积木的标识信息 (ID)、位置信息(Pos)和连接信息Con，具体表示为(ID,Pos,Con)。其中，Con＝Con(Key,Value)使用字典型数据结构储存，Key值为与该实体积木相连接的下部实体积木的标识信息，Value值为实体积木与下部实体积木对应连接的RX端以及TX端的编号组成的数组，数组中的每个元素可以记为[Portx,Porty]，Portx、Porty分别为实体积木的RX端口的编号、下部实体积木的TX端口的编号。实体积木与下部实体积木有几组RX端以及TX端对应连接，则对应有几个Value数组元素。B₂对应的模型数据结构具体可以表示为 (B2,Pos,Con(B1,Array([0,3],[4,7])))。拓扑检测的过程表现为一个递归的过程，即第一个创建的实体积木B₂作为根节点，以自身坐标为原点建立绝对坐标系，其位置信息可以设置为(0,0,0)，即作为坐标原点，以此确定其他实体积木的三维模型的位置信息。通过实体积木B₂向下的连接信息计算下部实体积木B₁相对于实体积木B₂的变换矩阵，进而确定与下部实体积木B₁的位置信息。确定变换矩阵方法具体如下：

将所述目标RX端的标识信息和所述目标TX端的标识信息转换为二维向量。记Array([0,3],[4,7]＝Array([P₁,Q₁],[P₂,Q₂]，转换二维向量时，可以以编号0为坐标原点，0-3编号方向为x轴，0-4编号方向为y轴进行转换，可得到

需要说明的是，当Value数组元素超过两个时，任意选取其中的两个数组成员进行二维向量转换并做后续处理即可。

根据二维向量，计算下部实体积木相对于实体积木的平移向量

具体可以根据选取出的任一元素进行计算，例如选取Arr(1)，即

中的第一个元素

平移向量

根据二维向量，通过如下公式计算下部实体积木相对于实体积木的旋转角度的余弦值：

其中，θ为下部实体积木相对于实体积木的旋转角度。

同理，可以计算出旋转角度的正弦值sinθ。

最后，根据平移向量

余弦值cosθ以及正弦值sinθ，通过如下公式确定实体积木与下部实体积木之间的变换矩阵M。

其中，

为平移向量

在x方向上的分量，

为平移向量

在 y方向上的分量。

为下部实体积木相对于实体积木的平移矩阵，

为下部实体积木相对于实体积木的旋转矩阵。

综上所述，本发明实施例中提供的基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建系统，可以实时检测实体积木的空间姿态及拓扑关联信息，并以虚拟三维模型的形式实时反馈给用户，建模的过程完全利用用户的真实搭建经验，自然且高效。进一步地，利用分布式传感，可以实现多个实体积木作为输入设备，体现了空间复用的特性，允许多个用户协作进行三维模型的搭建。

如图5所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供了一种基于上述实施例中的提供的系统实现的基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建方法，包括：

S51，确定实体积木的标识信息，并基于所述实体积木内的第二类通讯器件获取所述实体积木连接的下部实体积木的标识信息并确定所述实体积木与所述下部实体积木之间的连接信息；

S52，基于所述实体积木的标识信息、所述下部实体积木的标识信息以及所述连接信息，构建所述实体积木与所述下部实体积木的三维拼接模型。

具体地，本发明实施例中提供的方法，其执行主体为上述实施例中的系统，步骤S51具体通过每个实体积木中的积木模块内的微处理器实现，步骤S52具体通过三维重建子系统实现。具体实现过程及达到的技术效果参见上述系统类实施例，本发明实施例对此不再赘述。

图6所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供了一种电子设备，包括：处理器(processor)601、存储器(memory)602、通信接口(Communications Interface)603和通信总线604；其中，

所述处理器601、存储器602、通信接口603通过通信总线604完成相互间的通信。所述存储器602存储有可被所述处理器601执行的程序指令，处理器601用于调用存储器602中的程序指令，以执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：确定实体积木的标识信息，并基于所述实体积木内的第二类通讯器件获取所述实体积木连接的下部实体积木的标识信息并确定所述实体积木与所述下部实体积木之间的连接信息；基于所述实体积木的标识信息、所述下部实体积木的标识信息以及所述连接信息，构建所述实体积木与所述下部实体积木的三维拼接模型。

需要说明的是，本实施例中的电子设备在具体实现时可以为服务器，也可以为PC机，还可以为其他设备，只要其结构中包括如图6所示的处理器601、通信接口603、存储器602和通信总线604，其中处理器601、通信接口603和存储器602通过通信总线604完成相互间的通信，且处理器601可以调用存储器602中的逻辑指令以执行上述方法即可。本实施例不对电子设备的具体实现形式进行限定。

存储器602中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等) 执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

进一步地，本发明实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：确定实体积木的标识信息，并基于所述实体积木内的第二类通讯器件获取所述实体积木连接的下部实体积木的标识信息并确定所述实体积木与所述下部实体积木之间的连接信息；基于所述实体积木的标识信息、所述下部实体积木的标识信息以及所述连接信息，构建所述实体积木与所述下部实体积木的三维拼接模型。

在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的传输方法，例如包括：确定实体积木的标识信息，并基于所述实体积木内的第二类通讯器件获取所述实体积木连接的下部实体积木的标识信息并确定所述实体积木与所述下部实体积木之间的连接信息；基于所述实体积木的标识信息、所述下部实体积木的标识信息以及所述连接信息，构建所述实体积木与所述下部实体积木的三维拼接模型。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建系统，其特征在于，包括：分布式传感子系统和三维重建子系统；

所述三维重建子系统用于基于所述实体积木的标识信息、所述下部实体积木的标识信息以及所述连接信息，构建所述实体积木与所述下部实体积木的三维拼接模型；

所述连接信息具体包括：所述实体积木内的微处理器中包含的、与所述下部实体积木对应连接的目标RX端的标识信息以及所述下部实体积木内的微处理器中包含的、与所述实体积木对应连接的目标TX端的标识信息；

所述三维重建子系统包括：结构重建模块，所述结构重建模块具体用于：

2.根据权利要求1所述的基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建系统，其特征在于，所述微处理器具体包括：多个第一类数字IO和多个第二类数字IO，每个第一类数字IO模拟为一个UART串口的TX端，每个第二类数字IO模拟为一个UART串口的RX端；

3.根据权利要求2所述的基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建系统，其特征在于，若判断获知任一第一类数字IO对应的TX端工作时，则所述微处理器中包括的除所述任一第一类数字IO外的其他第一类数字IO对应的TX端处于高电平；相应地，

4.根据权利要求1所述的基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建系统，其特征在于，所述无线通信模块具体为Zigbee模块；

相应地，所述协调器具体为Zigbee协调器。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建系统，其特征在于，所述积木模块还包括：电源管理模块和电池；

6.一种基于权利要求1-5中任一项所述的系统实现的基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建方法，其特征在于，包括：

7.一种电子设备，包括：存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求6所述的基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建方法的步骤。

8.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求6所述的基于分布式传感的实体积木模型实时三维重建方法的步骤。