一种基于微惯性传感器的轨迹还原方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及轨迹还原技术，尤其是涉及一种基于微惯性传感器的轨迹还原方法及 系统，适用于影视后期制作技术中摄像机轨迹的还原。
【背景技术】
[0002] 随着影视后期制作技术的发展，观众能在影视作品中看到各式各样的特效场面。 其中摄像机运动轨迹跟踪这一技术在特效场面中又有着举足轻重的作用，大部分的特效制 作都需要在拍摄后进行摄像机运动轨迹跟踪，其目的是为了给后期制作创造一个能把计算 机生成的三维素材融入真实镜头中的环境，使计算机生成的机器或者生物的运动与实拍镜 头合成后达到逼真的效果。
[0003] 制作电影特效需要解决的基本问题之一是运动匹配，用于解决运动匹配问题的主 要技术是跟踪技术。为了解决摄像机运动这一问题，摄影机运动轨迹反求技术逐渐兴起，其 方法包括以下步骤：
[0004] 一、录制二维画面；
[0005] 二、通过计算机对二维画面进行像素检测，分析画面内元素的运动；
[0006] 三、构建三维虚拟拍摄场景，找出原始拍摄轨迹。
[0007] 上述方法的优点是操作简便，已经得到广泛应用。然而这种方法也存在许多缺点。 首先，摄影机轨迹反求技术是基于画面像素信息进行运算的，因此虽然它可以通过一定的 技术手段解决大多数情况下画面的跟踪要求，但在部分特殊情况下就无法很好的工作，如 画面中运动物体过多、遮挡物体过多等。另外，基于同样的原理，摄影机轨迹反求技术对画 面的质量也有一定的要求，如文件信息量大小、文件格式、画面清晰度、运动幅度等等。
[0008] 近年来，随着微电子机械系统技术的发展，这种建立在以微米、纳米技术基础上的 技术得以集合信息获取、处理和执行的多种功能，有着集成化程度高、尺寸小、重量轻、功耗 低、测量范围大、可靠性好、适合于批量化生产、易于实现数字化等等优点。基于如上优点， 微惯性传感器已经得到许多应用。然而目前的算法求解轨迹都存在较大的误差，以纵深距 离3000m、横向速度20m/s的坦克为例，误差都达到了 8m左右。与此同时，Mot ion Control等 精度较高的控制系统的成本也较高。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于微惯性传 感器的轨迹还原方法及系统，解决摄像机的运动轨迹还原的准确性问题和成本问题。
[0010] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0011] -种基于微惯性传感器的轨迹还原方法，包括以下步骤：
[0012] 1)由多种微惯性传感器对载体的加速度、角速度和环境磁场数据进行高频采集；
[0013] 2)在高频采集的同时，对采集到的实时数据进行预处理；
[0014] 3)根据预处理后的实时数据获得载体的初始姿态，并采用梯度下降法解算载体姿 态；
[0015] 4)根据解算得的载体姿态通过积分方式求得三维空间内的轨迹。
[0016] 步骤2)中，所述预处理包括确定量程和单位归一化处理。
[0017] 步骤3)中，所述初始姿态为测量开始时静止状态的载体姿态，包括初始四元数、初 始姿态矩阵和初始姿态角。
[0018] 步骤3)中，解算载体姿态具体为：
[0019]采用梯度下降法，将载体坐标系中重力造成的加速度理论值和预处理后的实时数 据中的加速度测量值间的误差作为目标函数，求解使所述误差最小的姿态四元数。
[0020] 步骤4)中，所述积分方式包括牛顿-柯斯特积分、数值积分、矩形积分或梯形积分。
[0021] -种基于微惯性传感器的轨迹还原系统，包括：
[0022] 轨迹记录装置，安装于载体上，用于高频采集载体的加速度、角速度和环境磁场数 据，并对采集得的实时数据进行预处理，所述轨迹记录装置包括多种微惯性传感器；
[0023]后台处理器，通过无线网络与轨迹记录装置连接，用于根据预处理后的实时数据 采用梯度下降法还原载体在三维空间内的轨迹；
[0024] 显示器，与后台处理器连接，用于显示后台处理器获得的轨迹。
[0025]所述后台处理器包括：
[0026] 初始姿态获取模块，用于在预处理后的实时数据中分离出测量开始时静止状态阶 段的数据，获得初始姿态，所述初始姿态包括初始四元数、初始姿态矩阵和初始姿态角；
[0027] 载体姿态解算模块，用于采用梯度下降法将载体坐标系中重力造成的加速度理论 值和预处理后的实时数据中的加速度测量值间的误差作为目标函数，求解使所述误差最小 的姿态四元数；
[0028] 积分模块，用于根据解算得的载体姿态通过积分方式求得三维空间内的轨迹。
[0029] 所述多种微惯性传感器包括加速度计、磁力计和陀螺仪，其中，所述加速度计和磁 力计集成于同一模块中，共用一套寄存器地址。
[0030] 所述轨迹记录装置内还包括与多种微惯性传感器分别连接的数据处理芯片，所述 数据处理芯片通过无线传输模块与后台处理器连接。
[0031] 所述无线传输模块包括无线网卡或蓝牙芯片。
[0032] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0033] (1)本发明通过多种微惯性传感器组合对载体信息进行采集，通过算法还原运动 轨迹，解决了摄像机的运动轨迹还原的通过多个传感器数据对目标物体不同方面进行同步 追踪获取目标物体，从而提升的准确性；
[0034] (2)本发明的加速度计、磁力计和陀螺仪等多个惯性传感器均为微小型惯性传感 器，降低了成本；
[0035] (3)本发明在数据高频采集的同时对数据进行预处理，提高了数据的实时性，进一 步提升了轨迹还原的准确性。
【附图说明】
[0036] 图1为本发明轨迹还原方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案 为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于 下述的实施例。
[0038] 本实施例提供一种基于微惯性传感器的轨迹还原系统，适用于影视后期制作技术 中摄像机轨迹的还原，包括轨迹记录装置、后台处理器和显示器，其中，轨迹记录装置安装 于载体上，用于高频采集载体的加速度、角速度和环境磁场数据，并对采集得的实时数据进 行预处理，轨迹记录装置包括多种微惯性传感器；后台处理器通过无线网络与轨迹记录装 置连接，用于根据预处理后的实时数据采用梯度下降法还原载体在三维空间内的轨迹；显 示器与后台处理器连接，用于显示后台处理器获得的轨迹。载体包括摄像机等。
[0039]轨迹记录装置内还包括与多种微惯性传感器分别连接的数据处理芯片，数据处理 芯片通过无线传输模块与后台处理器连接，无线传输模块包括无线网卡或蓝牙芯片。轨迹 记录装置内设置的多种微惯性传感器包括加速度计、磁力计和陀螺仪，其中，加速度计和磁 力计集成于同一模块中，共用一套寄存器地址，陀螺仪则集成在另一模块，两模块共同将传 感器采集到的数据传输给数据处理芯片，数据处理芯片对采集的原始数据进行预处理，包 括设置量程、将原始ADC数据换算为公制单位值等，预处理后的数据通过串口由无线传输模 块输出给后台处理器，后续的轨迹还原将在后台处理器上进行。
[0040] 整个轨迹记录装置可被压缩至40mm*40mm*10mm的空间内。
[0041] 如图1所示，上述基于微惯性传感器的轨迹还原系统的具体轨迹还原过程为：
[0042] 1)由多种微惯性传感器对载体的加速度、角速度和环境磁