一种基于隐形组合路标的光学定位追踪系统及方法与流程

本发明涉及光学定位技术领域，特别涉及到虚拟现实和增强现实中的光学定位追踪系统及方法。

背景技术：

人工路标的设计主要从路标的准确性、实时性及在大型复杂环境中的可扩展性三方面考虑，在以往的路标方案中大都以黑白的二维条码或者圆形码作为路标图案。这些方案虽然都具有一定的扩展性，但受噪声和拍摄角度的影响较大，解码速度慢，且影响环境的美观性。因此，综合考虑人工路标的设计要求和已提出的多种路标方案，设计了一种基于可见光标记与红外标记的可隐形组合路标。

增强现实技术是一种将现实世界信息和虚拟世界信息“完美衔接”的新技术。虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真技术。在增强现实中，虚拟模型与现实世界配准不精确。在虚拟现实中，无法实现用户在现实世界中与虚拟世界中的位置姿态关联，且容易产生眩晕感。而稳定的定位追踪系统是解决这些问题的关键技术，目前虚拟现实与增强现实设备中的追踪系统还存在着捕获范围小的问题，而大范围的追踪系统多采用outside-in的方式，价格昂贵，难于部署。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本专利提出一种基于隐形组合路标的光学定位追踪系统及方法，特别适用于虚拟现实和增强现实。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于隐形组合路标的光学定位追踪系统。它包含部署在环境中的组合路标以及部署在待追踪物体上的图像采集模块和图像处理模块。

组合路标由可隐形的可见光标记和可隐形的红外标记组成。可见光标记用于表示编码信息，红外标记用于表示定位信息。可见光标记由多稳态材料制成，能够在多种颜色之间变化，而且只在改变颜色时需要能量，维持颜色状态时不需要能量或需要少量能量，当追踪系统工作时，令可见光标记显示为指定的编码颜色，当追踪体统停止工作时，为不影响环境美观性，令可见光标记与其所附着物体颜色相同或相近来实现其隐形功能。红外标记采用回归反射材料，能够将红外光反射回发光处，从而被图像采集模块捕获。红外标记始终与所附着环境的颜色保持一致来实现其隐形功能。

图像采集模块是由感知红外的红外摄像头和感知可见光的彩色摄像头组成的双目系统，或者是由一个摄像头组成的单目系统，单目系统中摄像头内部的感光芯片交叉分布着可感知红外的像素和感知可见光波段的像素。

图像处理模块，用于对图像采集模块所捕获的图像进行解码，并计算出图像采集模块在空间中六自由度的姿态信息。

将可见光标记与红外标记进行组合编码，具体编码方案如下：每个组合路标包含一定数目的红外标记，将红外标记以特定的，容易识别的拓扑形状进行部署，并且在每个红外标记的周围布设某种颜色的可见光标记，每种颜色都会映射为一个具体数值，将红外标记周围的颜色所对应的数值作为该红外标记的特征值，组合路标内所有红外标记按照规定顺序排列，并依据该排列将组内所有红外标记的特征值组合在一起，形成一个数值，此数值即为该组合路标所对应的编码。

为实现上述目的，本发明进一步提供了一种基于隐形组合路标的光学定位方法，包括如下步骤：

对组合路标进行标定，计算出所有组合路标的三维坐标，并存入数据库中；

图像采集模块获取红外图像和可见光图像；

图像处理模块对图像中的组合路标进行解码，得出每个组合路标对应的id；

将每个组合路标的id作为索引，在数据库中搜索该组合路标中每个红外标记所对应的真实三维坐标；

依据每个红外标记在红外图像中的坐标、真实三维坐标以及图像采集装置的内参，计算出图像采集装置在三维空间内的六自由度姿态。

其中图像处理模块对图像中的组合路标进行解码的步骤如下：

从红外图像中识别出每个红外标记；

将红外标记划分为不同的组，每组红外标记属于同一个组合路标，去掉噪声；

确定每组红外标记的排列顺序；

将每个红外标记在红外图像中的坐标，映射到可见光图像中，找到红外标记在可见光图像中的位置；

依据这个位置确定红外标记周围可见光标记的颜色；

将颜色映射为数值，作为该红外标记的特征值；

依据每组红外标记的顺序，将每组红外标记的特征值按序组合成一个数字id，该数字id即该组合标记的解码结果。

与现有技术相比，本发明所涉及的追踪系统发明了可隐形的可见光与红外组合路标，采用inside-out的方式进行定位追踪，具有追踪范围大、延时低、价格低、部署容易且不影响环境美观性的优点。

附图说明

图1示出了根据本发明优选实施例的基于隐形组合路标的光学定位追踪系统的结构示意图；

图2示出了根据本发明优选实施例的基于隐形组合路标的光学定位追踪系统的组合路标的组成结构图；

图3为根据本发明优选实施例的一种基于隐形组合路标的光学定位追踪方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述：但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一方式。在以下描述中，将详细叙述许多特定细节以使读者能够充分理解以下的实施例。然而，可在无此等特定细节的情况下实践本发明的实施例。

图1为一种基于隐形组合路标的光学定位追踪系统的组成框图。它包含部署在环境中的组合路标模块1和部署在待追踪物体上的图像采集模块2以及与图像采集模块2相连的图像处理模块3。

如图2所示，组合路标模块1包含可见光标记11、13、15、17和红外标记12、14、16、18。具体采用如下方法来设计组合路标模块，其中红外标记采用含有玻璃珠或微晶格的回归反射材料制成，可见光标记由多稳态材料，如电子墨水或多稳态液晶等制成。将四个红外标记12、14、16、18的中心按顺时针方向以一定间隔排列在正方形的四个顶点上，并在红外标记周围布设某种颜色的可见光标记，每种颜色都会映射为一个具体数值。将红外标记周围的颜色所对应的数值作为该红外标记的特征值，组合路标内所有红外标记按顺时针方向排列，并依据该排列将组内所有红外标记的特征值组合在一起，形成一个数值，此数值即为该组合路标所对应的编码。例如，设红、绿、蓝、紫四色，将红色映射为1，绿色映射为2，蓝色映射为3，紫色映射为4。在红外标记12周围布设红色的可见光标记11，在红外标记14周围布设绿色的可见光标记13，在红外标记16周围布设蓝色的可见光标记15，在红外标记18周围布设紫色的可见光标记17，则该组合路标顺时针译码后的结果为1234。

将图像采集模块2安装在虚拟现实设备上，图像采集模块2由可感知红外的红外摄像头21和可感知可见光的彩色摄像头22组成。红外摄像头21用于捕获组合路标模块1上的红外标记，彩色摄像头模块用于捕获组合路标模块1上的可见光标记。图像处理模块3用于对图像采集模块2所捕获的图像进行解码，并计算图像采集模块2在空间中六自由度的姿态信息。

如图3所示为一种基于隐形组合路标的光学定位追踪方法的流程图，下面结合图1、图2和图3，对本方法的流程进行说明：

步骤1：对组合路标进行标定，计算出所有组合路标的三维坐标，并存入数据库中；

步骤2：图像采集装置获取红外图像和可见光图像；

步骤3：对识别出的红外标记进行分组，每组红外标记属于同一组合路标；

步骤4：对步骤3所得分组进行去噪处理，确定每组红外标记的排列顺序；

步骤5：将每个红外标记在红外图像中的坐标，映射到可见光图像中，找到红外标记在可见光图像中的位置；

步骤6：依据步骤5中所得位置确定红外标记周围可见光标记的颜色，将

颜色映射为数值，作为该红外标记的特征值；

步骤7：依据每组红外标记的顺序，将每组红外标记的特征值按序组合成一

个数字id，该数字id即该组合标记的解码结果；

步骤8：计算出每个组合路标对应的id，将每个组合路标的id作为索引，

在数据库汇总搜索该组合路标中每个红外标记所对应的真实三维坐标；

步骤9：依据每个红外标记在红外图像中的坐标、真实三维坐标以及图像采集装置的内参，计算出图像采集装置在三维空间内的六自由度姿态信息。