CN1788227A - 测量物体空间位置的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于记录物体空间位置的方法，包括将三个光源(2，3，4)安装在物体上以形成一个三角形的安装步骤；接通光源(2，3，4)的激活步骤；在接通光源(2，3，4)的状态下同时从第一和第二位置记录物体的记录步骤；以及确定被记录图像中的光源(2，3，4)的位置，并根据光源(2，3，4)的位置计算物体方位的判断步骤。

Description

测量物体空间位置的方法和设备

技术领域

本发明涉及测量物体空间位置的方法和设备。

背景技术

这种方法尤其适用于头置显示(HMD)设备。根据这种方法，观察者头戴一种显示装置，该显示装置生成观察者能够观察到的图像。为达到这种目的，这样构造头置显示(HMD)设备，使得观察者或者仅观察到生成的图像，或者观察到与背景(即所谓的辅助实景)叠加在一起后生成的图像。需要强调的是，为得到辅助实景，需要连续测量观察者的移动情况和/或其头部的方位并在生成图像时加以考虑，以尽最大可能来实现重叠。

为此，经常采用各种与磁相关的方法。这类方法需要(静态或动态地)准确测量磁场，其缺点在于位于观测区域内的任何(含铁)金属物体都会影响磁场并因此降低测量精度。特别地，如果金属物体不能静态地处于某一位置，则还需要进行重新校准。

另外，还可以使用各种超声系统。但此类系统使用的波长限制了系统的分辨率。而且它们还极易受到干扰。

再者，还可以使用包含陀螺仪的各种系统，但相当复杂。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种不太复杂但精度高的测量物体空间位置的方法和设备。

根据本发明，为达到上述目的，需要采用一种测量物体空间位置的方法。该方法包括：将三个光源安装在物体上以形成一个三角形的安装步骤；接通光源的激活步骤；在接通光源的状态下同时从第一和第二位置记录物体的记录步骤；以及确定被记录图像的光源位置，并根据确定的光源位置计算物体方位的判断步骤。

在光源接通的状态下同时记录物体，将生成由三个光源形成的三角形的立体图像对，其中在记录时三个光源被同时接通。据此可用常见手段确定三角形的具体方位(位置和方向)，从而确定物体的具体方位。

例如，物体可以是头盔或其它任何支持HMD设备中的显示装置的支持物。观察者可将该支持物戴在头上，从而能够观察到由显示装置生成的图像。再例如，支持物还可以设计成带有可架在耳朵上的弓形腿的眼镜。这个情况中，形成三角形的三个光源既可以安装在两只眼镜腿上，也可以只安装在其中一只眼镜腿上。

特别地，本发明中的方法能够将光源的图像从剩余的背景图像中分离出来以确定光源位置。这将提供具有三个分离的点的立体图像(光源图像)对，这些点可以很容易地被判断出来。

可以使用诸如电子的方式将光源图像从剩余的背景图像中分离出来。这就使进行电子图像处理成为可能，其中图像根据被记录的(接通状态下的)光源的亮度或颜色被分离。

特别优选地，在判断步骤前光源被断开，而物体在光源断开的状态下从第一位置和第二位置同时被记录下来，从而在判断步骤中从在光源接通状态下的记录中提取出在光源断开状态下的记录，从而确定对于每一个记录位置的光源位置。这样，整个的背景图像就与光源的图像分离开来，进而呈现仅包括三个分离的点(光源图像)的立体图像对。运用常见的图像处理程序即可完成图像提取。

根据本发明的方法的一个优选实施例是，在安装步骤中为物体安装三个以上的光源，其中每次只有三个光源在判断步骤中被接通。这就保证了在物体具有广泛的活动空间时其上始终会有三个光源能够从两个位置被同时记录下来。

特别地，当物体上安装三个以上的光源时，就有可能在判断步骤中始终接通能够构成最大三角形并能从两个位置被记录下来的三个光源。最大三角形可以是面积最大的三角形，也可以是周长最长的三角形。这样会增加方位确定的准确性。

本发明涉及的方法的一个特别优选的实施例是以脉冲的方式对光源进行操作。这样很容易始终生成一个光源接通状态下的图像对和一个光源断开状态下的图像对。利用这些图像对就可以很容易地将光源图像从背景图像中分离出来。

于是，利用以脉冲方式操作的光源，图像就能够被同步记录下来，从而交替记录光源接通状态下的图像对和光源断开状态下的图像对。接着就可以利用两个连续的图像对(即一个光源接通状态下的图像对和一个光源断开状态下的图像对)进行上述的背景图像分离(例如通过适当的图像提取)。

而且，为识别各光源，可对光源逐个接通并单独记录。这就很容易通过三个接通的光源识别被记录的图像中的光源个体，从而确保能够正确判断物体方位。

在根据本发明的方法中可以用无线方式控制光源。当本发明中的方法应用于HMD设备时，这种无线方式因省去了不必要的电线连接而尤其具有优势。

根据本发明的方法的另一个实施例是，光源在接通状态下发出不可见波长范围内(如红外线范围内)的光线(或电磁辐射)。其优点在于采用该方法的(如配备HMD设备的)观察者不会受闪烁或光亮的干扰。

本发明的另一个目的在于提供一种测量物体空间位置的设备。其中，该设备包括：可安装在物体上的三个光源；图像记录范围相互重叠且分别放置的两个图像记录设备；控制设备，用于控制光源的接通并控制两个图像记录设备在光源接通的状态下同时记录物体；以及判断单元，用于确定被记录图像中光源的位置并根据确定的光源位置确定物体的方位。

使用该设备，通过确定被记录图像中光源的位置可以轻松地确定光源的位置并进而确定物体的空间位置。

该控制设备和判断单元可以由安装了适当软件的普通计算机来实现。

根据本发明的设备的另一个具有优点的实施例是，判断单元将光源图像从剩余的背景图像中分离出来以确定光源位置。特别地，这种分离可以通过电子方式来实现。

例如，这样一来，控制设备可以断开光源并控制两个图像记录设备在光源断开的状态下同时记录物体。而且，确定光源位置时，判断单元可以把每一个图像记录设备在光源断开状态下记录的图像从光源接通状态下记录的图像中抽取出来。这一过程通过常见图像处理程序即可轻松实现，并可产生包含三个分离的点(光源图像)的立体图像对。通过立体图像对，就能非常容易地确定物体的方位。

一个优选的实施例中采用多个红外线(IR)二极管作为物体(如头盔)上的光源，并采用多个对红外线敏感的图像拾取器或图像记录设备。每一个图像拾取器前都会配备一个红外线滤光器，只有波长大于830nm的光线才可以通过。这样，呈现出来的一般的背景灯光相当暗，从而记录的背景也相当暗。然而，由于IR二极管的光线波长为880nm，所以顺利到达图像拾取器的IR二极管的光线便成为强而有用的信号。这种措施在提取图像时明显提高了有用信号/干扰信号比，并显著提高了图像中被分离的点的对比度。

本发明的另一个具体实施例中，运用进一步的图像分析方法对被分离的点进行了判断，在该图像分析方法中相对于重心分析产生的光点(被记录图像中的光源图像)。其结果是进一步显著提高了本发明涉及的设备对方位确定的精确度。

由于光源(如发光二极管)的几何图形对计算光点的重心有直接的影响，本发明又做了进一步的改进。为此，光源(如发光二极管)被埋在一个用某种材料(如铝，用于IR二极管)制成的圆柱形腔内，圆柱形腔在光源发出的光线或射线的波长范围内不透光(如采用IR二极管作光源时的红外线波长范围内)。圆柱形腔上剩下的圆形开放表面上覆有一个薄的散射盘，其散射角度可以为，例如，60°。这一装置使光点始终呈现圆形或椭圆形，从而据此产生的重心也更精确。

在从图像拾取器到光源(如发光二极管或IR二极管)的相当长的距离内，这些可以由一个相对较强的电流驱动，以便在不同距离内始终达到理想的对比度。这样，光源(如IR二极管)的亮度被一个可以是主控制电路一部分的控制电路以这样的方式控制，即，随着从图像拾取器或从图像记录设备到光源距离的增大而施加更强的电流。这种控制由于距离的原因可以受到诸如渐强的迟滞的影响。

而且，根据本发明的设备中可以采用控制单元。控制单元与光源相连并在设备提供的无线信号的基础上控制光源。其中，特别地，光源配有一个电流源或电压源。这样就很容易得到一个带控制单元的便携式光源装置，它在HMD设备中尤其适用。

根据本发明的方法的一个特别优选的实施例中采用发光二极管，特别是红外线发光二极管作为光源。使用发光二极管作光源，不仅体积小、价格便宜，而且使用寿命长，从而保证了根据本发明的设备的稳定性。使用红外线二极管的另一个优点在于观察者观察不到发出的红外线，从而免受干扰。

另外，根据本发明的设备中，物体可以包含一个可安装在观察者头部的显示单元，从而观察者可以观察到其上生成的图像。通过显示单元，观察者或者仅观察到生成的图像，或者观察到与背景叠加在一起后生成的图像。这样就可以实现一个能方便可靠地确定观察者头部方位的HMD设备。

根据本发明的设备中，光源可用固定方式连接到物体上并形成三角形。这样就保证了物体的方位总能够从光源(或光源形成的三角形)的位置中推断出来。

根据本发明的方法的另一个实施例中，光源可包含一个预定的放射光谱，而记录设备可以只记录具有预定放射光谱的光线。这样在记录的过程中就已经将光源图像与背景图像分离开来。特别地，可借助滤光器进行分离。滤光器安装在每一个记录设备上并只允许具有预定放射光谱的光线通过。

附图说明

下面将通过实例并结合图形详细介绍本发明。

图1示意性地显示了根据本发明的设备在HMD设备中的实施例；

图2示意性地显示图1中设备的功能简图；以及

图3示意性地显示根据本发明的设备在HMD设备中的另一个实施例。

具体实施方式

根据本发明的测量物体空间位置的设备包括头盔1，其上装有三个红外线发光二极管2，3，4。其中第一发光二极管2装于头盔的顶部，另外两个发光二极管3和4装于头盔1的底沿7，在圆周方向相互间隔约90°。

一个控制单元8，安装在头盔1上用于控制发光二极管2，3，4。控制单元将在下文详述。

一个显示单元9，以如下方式安装于头盔1，即佩戴头盔1的观察者(未示出)能够观察到显示单元9生成的图像。包含显示单元9的头盔1即为所谓的HMD设备。

根据本发明的设备还包括两个摄像机10和11，能够从不同位置记录头盔1或发光二极管2，3，4。为此，摄像机10和11被以如下方式安排和设计，即二者的图像记录区域12和13至少部分重叠，而且图像记录区域12和13的重叠部分覆盖了头盔1在预定用途中的活动范围。

与发光二极管2，3，4相似，摄像机10和11受控制装置14的控制。

显然，尤其根据图2，控制装置14包括两个分别对应于摄像机10和11的数字化单元15和16，由控制装置14中的控制模块17控制。

控制装置14还包括一个发射单元18。通过发射单元18，控制模块17将用于发光二极管2，3，4的控制信号以无线方式发射到控制单元8(如箭头A所示)，信号被控制单元8中的接收单元19接收。

除接收单元20外，控制单元8还包括一个开关单元。该控制单元受接收到的信号的控制，将发光二极管2，3，4与控制单元8中的一个电压源21相联。

数字化单元15和16与一个判断单元22相联。判断单元利用(数字化的)图像计算发光二极管2，3，4的位置并依此计算头盔1的方位，进而由此确定观察者头部的方位。与头盔1的方位相关的数据由判断单元22提供给控制模块17及显示单元9的一个显示控制23，这样，例如，由显示单元9生成的图像就能够在通过该显示单元9能够观察到的环境中被准确定位。

控制装置14、判断单元22以及显示控制23可以通过一个或多个装有适当软件的计算机实现。

工作时，发光二极管2，3，4以脉冲方式被驱动并始终保持同时接通或断开。图1所示的实施例中，发光二极管2，3，4形成了示出的三角形24。

当发光二极管2，3，4接通时，摄像机10和11同时摄取三个二极管2，3，4接通状态下头盔1的一个图像。被记录的图像由数字化单元15和16数字化并在判断单元22中保存。

随后，发光二极管2，3，4(受脉冲驱动)断开。摄像机10和11同时记录三个二极管2，3，4断开状态下的头盔1。这些图像同样由数字化单元15和16数字化并被提供给判断单元22。

接着，判断单元22将发光二极管2，3，4断开时摄像机10中摄取的图像从发光二极管2，3，4接通时摄像机10摄取的图像中抽取出来。由摄像机11拍摄的两种图像以同样方式被分离。这样，在理想情况下只包含三个分离的点(发光二极管2，3，4的图像)的一对立体图像便呈现出来。从而，运用已知方法并综合考虑摄像机10和11的位置，就能够计算出由发光二极管2，3，4形成的三角形24的空间位置。由于发光二极管2，3，4安装在头盔1上，而且它们在头盔上的确切位置已知(例如通过一次性校准)，因而头盔1的方位(位置和方向)可以被精确地确定下来。

根据头盔1的空间位置，进而也根据显示单元9的空间位置，显示控制23按既定方式控制显示单元9。这样，例如，由显示单元9生成的(立体)图像就能够被生成以便始终显示在相同的空间位置而不受观察者移动的影响。

接着，发光二极管2，3，4又被接通并同时被摄像机10和11记录；然后摄像机10和11再次记录头盔1在发光二极管2，3，4断开状态下的图像。于是依上述方法，记录的图像中又生成具有三个分离的点的立体图像对。

照此步骤，就可以连续确定头盔1的空间位置，进而连续确定观察者头部的空间位置。

当然也可以先记录发光二极管2，3，4断开时头盔1的图像然后再记录发光二极管2，3，4接通时头盔1的图像，并据此生成具有三个分离的点的立体图像对。

图3示出了本发明涉及的另一个实施例。与图1相比，图3的主要区别仅在于头盔1的底沿7上还放置了两个发光二极管5和6，它们也都位于摄像机10和11的图像记录区域12和13的重叠区域内。图1和图3所示的实施例中相同元件的附图标记相同，不再赘述。

既然图3所示的实施例中头盔1的底沿7上有四个发光二极管3，4，5，6，只要保持第一发光二极管2始终接通并与头盔1的底沿7上的四个发光二极管3，4，5，6中的两个相结合，就能生成多个不同的三角形。

一方面，这种安排的目的在于照亮由二极管形成的三角形并借以得出最准确的判断。二极管三角形可以是，例如，具有最大面积或最大周长的三角形。

或者，二极管2，3，4，5，6都能被激活以造成二极管三角形围绕头盔1的周边运动的效果。例如，首先激活二极管2，4，5，接着激活二极管2，5，3，然后激活二极管2，3，6。随后，再从二极管2，4，5开始重新依次激活。这就在头盔1上生成了二极管三角形的局部循环。当头盔1的运动趋势同样需要由判断单元22计算时，这种局部激活二极管三角形的方法尤其适用。

除还可以再增加摄像机(未示出)外，另外还可以在头盔1的底沿7再增加发光二极管(未示出)。这样，每一个包含发光二极管2的发光二极管三角形都可以同时被至少两个不同的摄像机所记录。这就能够生成一个围绕头盔1的周边运动的二极管三角形。因该三角形始终被两个摄像机同时记录，其相对于头盔1的空间位置就始终能够被判断出来。

另外，可以以这样的方式实现判断单元21与单个二极管2，3，4，5，6的同步，即，二极管2，3，4，5，6被逐个接通和断开。这种同步在过程的开始就可以按规定的时间间隔或按要求来实施。

除所示的摄像机10和11及与之相关的数字化单元15和16外，当然还可以使用数码摄像机。这样一来，就不再需要单独设置数字化单元14，15和16。

Claims (17)

1.用于测量物体空间位置的方法，包括：

安装步骤，其中将三个光源(2，3，4，5，6)安装在物体上以形成一个三角形；

激活步骤，其中接通所述光源(2，3，4，5，6)；

记录步骤，其中在接通光源(2，3，4)的状态下同时从第一和第二位置记录物体；以及

判断步骤，其中确定所述光源(2，3，4)在被记录图像中的位置，并根据确定的光源(2，3，4)位置计算物体位置。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述光源(2，3，4)在接通状态下的图像从剩余的背景图像中分离出来以确定所述光源位置。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中光源(2，3，4)在判断步骤前被断开，而物体在光源(2，3，4)断开的状态下从第一位置和第二位置同时被记录下来，从而在判断步骤中将在光源(2，3，4)断开的状态下记录的图像从在光源(2，3，4)接通状态下记录的图像中提取出来，以判断每一个记录位置上的光源位置。

4.如前述任一权利要求所述的方法，其中在安装步骤中在物体上安装三个以上的光源，但在每一个激活步骤中只接通其中三个。

5.如权利要求4所述的方法，其中在激活步骤中接通构成最大三角形并能够从两个位置被记录的三个光源(2，3，4)。

6.如前述任一权利要求所述的方法，其中以脉冲方式驱动所述光源(2，3，4)。

7.如权利要求6所述的方法，其中以与脉冲光源同步的方式从两个位置同步记录图像，从而交替获得光源接通状态下的记录图像对和光源断开状态下的记录图像对，在判断步骤中基于两个连续的图像对确定光源位置。

8.如前述任一权利要求所述的方法，其中为了识别所述光源(2，3，4)，将所述光源(2，3，4)被逐个接通并记录。

9.如前述任一权利要求所述的方法，其中以无线方式控制所述光源(2，3，4)。

10.用于测量物体空间位置的设备，所述设备包括：

三个光源(2，3，4)，可安装在物体上并在安装后形成一个三角形；

分开设置的两个图像记录装置(10，11)，其图像记录区域(12，13)相互重叠；

控制装置(14)，控制所述光源(2，3，4)的接通并控制所述两个图像记录装置(10，11)在所述光源(2，3，4)接通状态下同时记录所述物体；以及

判断单元(22)，确定所述光源(2，3，4)在被记录图像中的位置并依据确定的所述光源(2，3，4)的位置计算所述物体的位置。

11.如权利要求10所述的设备，其中所述判断单元(22)将所述光源(2，3，4)的图像从剩余的背景图像中分离出来以确定所述光源位置。

12.如权利要求10或11所述的设备，其中控制装置(14)控制所述光源(2，3，4)断开并控制所述两个图像记录装置(10，11)在所述光源(2，3，4)断开状态下同时记录所述物体，判断单元(22)将所述光源(2，3，4)断开状态下记录的图像从所述光源(2，3，4)接通状态下记录的图像中抽取出来以对于每一个图像记录装置(10，11)确定所述光源位置。

13.如权利要求10至12中任一权利要求所述的设备，其中包括控制单元(8)，其与所述光源(2，3，4)连接并根据由控制装置(14)无线发送的信号控制所述光源(2，3，4)，其中，特别为所述光源(2，3，4)提供了电流源或电压源(20)。

14.如权利要求10至13中任一权利要求所述的设备，其中光源(2，3，4)为发光二极管，特别地，为红外线发光二极管。

15.如权利要求10至14中任一权利要求所述的设备，其中所述物体包括显示单元(9)，其可安装在观察者头部，并在安装后能够生成观察者可看到的图像。

16.如权利要求10至15中任一权利要求所述的设备，其中所述光源(2，3，4)以静态方式与所述物体连接。

17.如权利要求10至16中任一权利要求所述的设备，其中所述光源(2，3，4)包括预定发射光谱，所述记录装置(10，11)仅记录具有预定发射光谱的光线，其中，特别对于每一个所述记录装置(10，11)都配有滤光器，所述滤光器仅允许具有预定发射光谱的光线通过。

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