地球仪的位姿检测方法及其装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及地球仪的姿态检测方法及其装置，其属于科普、教育、智能加工领域。
【背景技术】
[0002] 目前没有一种技术对于真实的三维物体位姿标定，三维物体位姿标定是目前识别 技术的难点，普通的图像识别技术运算量巨大，效果不是很好，达不到实时的要求，并且计 算过程复杂繁琐，与其他技术结合时占用硬件资源。
【发明内容】
[0003] 鉴于已有生产方法存在的缺陷，本发明提供地球仪的姿态检测方法及其装置克服 了原有技术的缺点，通过硬件陀螺仪传感器简化计算过程，为与其他技术结合时节省硬件 资源。
[0004] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是地球仪的姿态检测方法，包括如下 步骤：
[0005] 步骤1:初始化地球仪中的陀螺仪传感器得到初始角度，根据初始角度计算得到初 始四元数；
[0006] 步骤2:初始化刻度标定系数；
[0007] 步骤3:用陀螺仪传感器检测地球仪状态，更新四元数，通过四元数及三角函数求 出欧拉角作为地球仪的姿态角度；
[0008] 步骤4:手机通过步骤1到步骤3得到手机的姿态角度;具体为初始化手机中的陀螺 仪传感器得到初始角度，根据初始角度计算得到初始四元数;初始化刻度标定系数;用陀螺 仪传感器检测手机状态，更新四元数，通过四元数及三角函数求出欧拉角作为手机的姿态 角度；
[0009] 步骤5:手机对地球仪球体进行识别，通过步骤1所述的地球仪的姿态角度和步骤4 所述的手机的姿态角度结合霍夫变换确定球心在摄像头中的位置坐标。
[0010] 步骤6:通过所述步骤5中地球仪的球心在摄像头的位置以及地球仪在摄像头中的 半径得到球的偏移角度。
[0011] 步骤7:将步骤3中地球仪的姿态角度、步骤4中手机的姿态角度和步骤6中的偏移 角度做差得到地球仪在手机端的姿态角度。
[0012] 步骤8:手机客户端接收地球仪的姿态角度、深度距离和地球仪的球心在摄像头的 位置信息，通过相机中心点、球心在摄像头的位置以及深度距离建立两点式得出虚拟地球 仪在相机坐标系的三维坐标，通过接收到的地球仪的角度信息得出移动设备的摄像头注视 点经炜度及地球仪在手机虚拟空间的相对位置与姿态角度。所述步骤1中根据初始角度计 算得到初始四元数的公式为：
[0013]
[0014]
[0015] 其中，q0、ql、q2、q3代表四元数；
[0016] Φο表示方位角，θ〇表示俯仰角，γ Q表示翻滚角。
[0017] 通过延标尺移动手机将摄像头中呈现的图像和手机中呈现的图像重合，并输入重 合后手机在标尺上的刻度。
[0018] 所述步骤3中所述更新四元数的具体方法为：
[0019] 1)在时间中断时获取陀螺仪传感器的数值；
[0020] 2)用获取的数值进行更新的四元数；
[0021] 3)将更新后的四元数进行优化进而再一次更新四元数。
[0022] 所述步骤6中球的偏移角度具体的求解方法为：
[0023] 1)将球心在摄像头中的位置通过相似变换得到实际摄像头的偏移量；
[0024] 2)根据地球仪在摄像头中的半径和地球仪的实际半径建立相似比例标定得到摄 像头到球体的距离，即深度距离；
[0025] 3)根据实际摄像头的偏移量和深度距离求得偏移角度。
[0026] 所述位姿检测方法还包括如下步骤：
[0027]客户端程序3D渲染模块接受到步骤5中得到的地球仪的姿态数据和切平面方向 后，再根据后台数据库与用户选择的结果将指定的3D模型通过手机注视点坐标及切平面方 向放置在对应的位置上进行渲染与实时视频背景拟合，根据步骤7中的球体在手机端的姿 态，将虚拟地球仪旋转至该角度与真实地球仪吻合，显示AR图像。
[0028] 将步骤5中得到的球心坐标结合球面方程确定切平面方向。
[0029] 所述的优化四元数的方法具体是:利用卡尔曼滤波算法进行滤波，包括卡尔曼滤 波算法需要状态方程以及观测方程进行滤波。
[0030] 用于地球仪位姿检测的装置，包括地球仪与带摄像头的移动设备，地球仪由陀螺 仪传感器和控制芯片组成，陀螺仪传感器用于记录地球仪的姿态数据，通过移动设备上的 蓝牙进行搜索配对将地球仪的姿态数据发到移动设备。
[0031] 用于地球仪位姿检测的装置，所述的移动设备还包括3D渲染模块，用于接受到地 球仪的姿态数据及切平面方向后，根据后台数据库与用户选择的结果将指定的3D模型通过 手机注视点坐标及切平面方向放置在对应的位置上进行渲染与实时视频背景拟合;所述移 动设备为带摄像头的手机或PAD;所述地球仪位姿检测的装置还包括加速度传感器;所述地 球仪位姿检测的装置还包括地磁传感器。
[0032] 采用上述方法后，与现有技术方法相比具有以下有益效果:本发明克服了技术本 身常用计算方式的缺点，把此部分繁杂的位姿标定的计算过程交给硬件来完成，最大限度 节省移动端的硬件资源给其他后续处理部分，比如后续用于3D渲染部分，以便渲染出更绚 丽的图像。
【附图说明】
[0033] 图1为硬件流程图。
【具体实施方式】
[0034] 第一步、打开地球仪电源，地球仪硬件参数初始化：
[0035] 对地球仪上电，对地球仪内部电路传感器进行硬件电路初始化，包括MPU5060陀螺 仪传感器初始化，加速度传感器初始化，地磁传感器初始化;并读取加速度传感器的原始加 速度，在静止的条件下求取了 1600个陀螺仪的平均值，初始化时间中断寄存器，使硬件电路 在之后以每20ms的频率采集各个传感器的信息。并初始化四元数算法，得到初始的方位角 Φ〇，俯仰角θ〇，翻滚角γ 〇，MPU5060陀螺仪传感器的标准输出参数命名方位角，俯仰角θ〇，翻 滚角γ 〇,即MPU5060XYZ三个轴上的角度值并通过
[0036]
[0037]
[0038] 第二步、打开手机应用程序，初始化刻度标定系数：
[0039]初始化刻度标定系数是为了校正不同摄像头测量距离的差别，使用者在手机或者 平板电脑第一次使用需要进行摄像头测量的标定，此时手机摄像头会出现一个和实物一样 图案的图样，使用者通过延标尺移动手机将摄像头中呈现的图像和手机中呈现的图像重 合，并输入重合后手机在标尺上的刻度d0。
[0040] 第三步、地球仪检测球的角度，将自己的方向以及球的角度通过蓝牙传输到手机： 硬件在时间中断中获取加速度、地磁、陀螺仪传感器的数值，在XYZ三个轴的数值分别为： AX，AY，AZ; MX，MY，MZ; GX，GY，GZ。将这些数值进行更新新的四元数：
[0041]
[0042] AQxyz是ΛΘ在xyz三轴上的分量，ΛΘ是角度变化的大小
[0043]更新后的四元数，使用卡尔曼滤波算法进行优化，卡尔曼滤波算法需要状态方程 (滤波和估计的参数）以及观测方程(传感器的精确数值)设动态系统的状态方程和测量方 程分别为：
[0044]
[0045]
[0046] 上两式子中，Χκ是k时刻的系统状态，Φκ,κ-4Ρ 1^,1(-1是1^-1时刻到k时刻的状态转移 矩阵，Ζκ是k时刻的测量值，Ηκ是测量系统的参数，W K和VK分别表示过程和测量的噪声，他们 被假设成高斯白噪声。如果被估计状态和观测量是满足上述第一式，系统过程噪声和观测 噪声满足第二式的假设，k时刻的观测Χκ的估计I可按下