一种基于ir-uwb和图像矩的装备展示导览系统的制作方法

文档序号:9524779阅读:484来源:国知局
一种基于ir-uwb和图像矩的装备展示导览系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及增强现实技术领域,特别构建一种基于IR-UWB和图像矩的装备展示 导览系统。
【背景技术】
[0002] 增强现实技术是在虚拟现实技术的基础上发展起来的一个与虚拟现实非常接近 的新兴研究方向,是把计算机生成的虚拟物体或其他信息合成到用户感知的真实世界中的 一种技术,具有虚实结合、实时交互、Η维注册的新特点。Azuma是送样描述增强现实;"虚 实结合,实时交互,Η维注册增强现实系统,是利用附加的图形或文字信息,对周围真实世 界的场景动态进行增强"。相比于虚拟现实技术,增强现实是把计算机带入到用户的世界 中,而不是把用户沉浸到计算机的世界中。该技术将计算机生成的虚拟物体叠加到现实景 物上,并且使用者可W通过各种方式来与虚拟物体进行交互,在虚拟现实与真实世界之间 架起一座桥梁,被广泛应用于军事、医学、制造、旅游、娱乐等领域。
[0003] 增强现实系统的实现一般包括5个步骤;(1)获取真实场景图像;(2)构建虚拟对 象数据库;(3)获取虚拟对象准确地加入到真实场景中所需要的位置和姿态信息;(4)计算 机根据注册信息对虚拟对象进行坐标变换和道染,将其与真实场景融合;(5)通过显示设 备将虚实结合的增强图像信息提供给用户。
[0004] 构造一个成功的增强现实系统的关键是实现准确的Η维跟踪注册(即将虚拟物 体与真实物体的对准),从而可W将周围世界真实场景与计算机生成的虚拟增强信息相融 合。目前传统的室内Η维注册方法是在真实的环境中设置人工标志物,通过对标志物信息 的提取获得注册所需的信息而达到注册目的。然而送种人工标志有许多不足之处,如在每 顿图像中必须存在一个标志物,否则就不能实现注册,还要考虑标志物的大小和方位问题; 另外,涉及文化遗产保护的应用中是不允许添加标志点的,送些情况都对注册产生很大影 响。
[0005] 本发明构建了一个装备展示导览系统,重点在对现有传统增强现实Η维注册方法 进行深入分析和比较的基础上,首次将超宽带脉冲(IR-UWB)技术应用于增强现实的Η维 注册,能够达到厘米级的定位精度。构建了融合展品图像矩、位置和视角坐标、展品相关文 字说明、Η维模型和图片的展品信息数据库。根据IR-UWB获得的位置信息和Η维电子罗 盘获得的角度信息进行坐标变换和道染,确定所要添加的虚拟信息在真实空间坐标中的映 射位置,并将虚实结合的增强图像信息实时显示在头盎显示器的正确位置。

【发明内容】

[0006] 本发明主要包括信息库构建和在线处理两个阶段,步骤如下:
[0007] 1)信息库构建阶段;建立来自不同定位参考点和不同视角的展品信息库。该数据 库包含观察参考点位置坐标(必选)、视角坐标(必选)、某一观察参考点位置坐标和某一 视角坐标下对应展品对象的矩特征(必选)、相关文字说明(必选)、Η维图形(可选)、图 片(可选)。同一个位置对应多个不同视角,而同一位置的同一视角对应一个或多个展品。
[0008] 2)实时在线导览阶段;对每一幅摄像头实时传入的当前顿做如下处理;首先根据 IR-UWB获得的位置信息和Η维电子罗盘获得的角度信息缩小用户当前所处场景的检索范 围;再通过固定在观察者头盎上的CMOS摄像机采集真实场景图像,送到可穿戴计算机进行 处理,提取当前视频顿中对应展品的矩特征,在上一步得到的较小范围内完成场景的检索 和识别;然后,可穿戴计算机根据使用者的位置信息和视线方向计算摄像机姿态,确定所要 添加的虚拟信息在真实空间坐标中的映射位置,并将送些信息实时显示在头盎显示屏的正 确位置。
[0009]该系统采用视频透视式头盎显示器,该型头盎显示器由一个封闭式头盎和一到两 个放置在头盎上的摄像机组成,由摄像机来提供用户真实环境的图像。虚拟物体的图像由 虚拟场景生成模块参照带位置和视角坐标的展品信息数据库产生,然后经由虚实融合模块 将摄像机采集的信息与虚拟场景生成模块产生的虚拟对象融合起来,合成道染后由封闭式 头盎中放置在使用者眼睛前方的小型显示器显示给用户。其原理结构图如图1所示(见附 图说明)。各子模块说明如下:
[0010] 1.头盎显示器
[0011] 本发明的技术方案中采用视频型头盎显示器,该型头盎显示器合成策略灵活,因 为真实和虚拟图像都是W数字信号的形式存在的,视频设备可W逐个象素的选择采用真实 图形还是虚拟图像或者两者同时存在。正因为如此,视频方式所产生的图像会比传统的光 学方式产生的图像真实的多。另外,由于视频方式中的真实景物图像和虚拟图像都是数字 图像,可W调整真实图像的放映速度W适应处理虚拟物体图像所消耗的延迟时间,避免了 传统光学方式中真实景物无法与虚拟物体的显示延迟进行匹配的缺点。
[001引2.CMOS摄像机
[0013]本发明的技术方案中采用CMOS摄像机,该类摄像机读取速度快、访问灵活、系统 集成性好。另外,CMOS摄像机可通过只读取感光面上感兴趣的很小区域来提高顿速率,其 本身在动态范围和光敏感度上的提高也有利于顿速率的提高。
[0014] 3.图像矩特征模块
[0015]本发明的技术方案中采用矩特征进行识别。在实际应用中,由于成像距离、方向W及位置等因素的变化,使得图像发生平移、旋转W及尺度变化。矩特征利用目标的全局 信息,具有平移、旋转和尺度不变性,满足目标特征具备的"可区分性、可靠性和独立性"特 点,已成功应用于很多目标的识别。所谓可区分性,是指对于属于不同类别的对象,它们的 特征应具有明显的差异;可靠性,是指对同类的特征应比较相近,且具有某种不变性;独立 性,是指所用的各特征应彼此不相关。相对于传统的纹理特征、几何形状特征W及描述图像 灰度分布的统计特征,矩特征具有区分性好、识别率高的特点。
[0016] 4.IR-UWB定位和姿态测量模块
[0017]本发明的技术方案中采用脉冲超宽带(IR-UWB)技术和高精度Η维电子罗盘进行Η维注册定位。国内外尚未见到将IR-UWB技术用于增强现实领域的报道,其特征在于:能 够使定位系统在标识大小、功耗、造价、精度、实时性、通信能力W及可扩充性能等方面得到 大幅度提升,满足人们对室内定位的新要求。与传统定位技术的精度与应用范围比较,基 于IR-UWB的无线定位技术具有最佳的距离分辨精度和时间分辨能力。本模块所要实现的 Η维环境注册是增强现实系统的关键性技术,也是衡量系统性能的重要标准。Η维环境注 册所要完成的任务是实时地检测出使用者头部的位置和视线方向,计算机根据送些信息确 定所要添加的虚拟信息在真实空间坐标中的映射位置,并将送些信息实时显示在显示屏的 正确位置。目前国际上采用的注册定位方法主要包括基于跟踪设备的注册定位、基于计算 机视觉的注册定位、基于视觉和跟踪设备的混合注册定位等。其中方位跟踪设备主要包括 机械跟踪设备、电磁跟踪设备、光学跟踪设备和超声波跟踪设备等。送些硬件跟踪器各有优 缺点,但大多容易受外界干扰的影响。与采用硬件跟踪器的Η维注册算法相比较,基于计算 机视觉的Η维注册算法W计算机视觉理论为依据,对摄像机拍摄到的现实环境图像进行处 理与识别,跟踪用户头部方位的改变,通用性强、设备简单、成本低廉。基于视觉的跟踪技术 虽然实现简单,跟踪精度可达到亚像素级,但是存在实时性与准确性、跟踪精度与跟踪范围 之间的矛盾。硬件跟踪设备具有鲁棒性好、跟踪速度快的特点,其中GI^虽然能够实现户外 目标的定位,但定位精度低,且由于较难穿透建筑物,在某些高楼林立的街道便无法使用, 因此不适合室内定位。其他常用的室内定位技术中,基于Wi-Fi的定位是一种基于信号强 度的定位解决方案,它成本适中,主要应用于中小范围室内定位,但现有Wi-Fi无线定位 技术在定位精度、抗干扰能力、能耗控制等方面都存在一定缺陷;RFID射频技术很适合只 需要在特定区域进行定位的用户,具有极高实用价值;缺点就是标签部署对定位精度影响 大,定
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