本發(fā)明涉及光學定位技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實中的光學定位追蹤系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

人工路標的設(shè)計主要從路標的準確性、實時性及在大型復雜環(huán)境中的可擴展性三方面考慮，在以往的路標方案中大都以黑白的二維條碼或者圓形碼作為路標圖案。這些方案雖然都具有一定的擴展性，但受噪聲和拍攝角度的影響較大，解碼速度慢，且影響環(huán)境的美觀性。因此，綜合考慮人工路標的設(shè)計要求和已提出的多種路標方案，設(shè)計了一種基于可見光標記與紅外標記的可隱形組合路標。

增強現(xiàn)實技術(shù)是一種將現(xiàn)實世界信息和虛擬世界信息“完美銜接”的新技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真技術(shù)。在增強現(xiàn)實中，虛擬模型與現(xiàn)實世界配準不精確。在虛擬現(xiàn)實中，無法實現(xiàn)用戶在現(xiàn)實世界中與虛擬世界中的位置姿態(tài)關(guān)聯(lián)，且容易產(chǎn)生眩暈感。而穩(wěn)定的定位追蹤系統(tǒng)是解決這些問題的關(guān)鍵技術(shù)，目前虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實設(shè)備中的追蹤系統(tǒng)還存在著捕獲范圍小的問題，而大范圍的追蹤系統(tǒng)多采用outside-in的方式，價格昂貴，難于部署。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本專利提出一種基于隱形組合路標的光學定位追蹤系統(tǒng)及方法，特別適用于虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種基于隱形組合路標的光學定位追蹤系統(tǒng)。它包含部署在環(huán)境中的組合路標以及部署在待追蹤物體上的圖像采集模塊和圖像處理模塊。

組合路標由可隱形的可見光標記和可隱形的紅外標記組成。可見光標記用于表示編碼信息，紅外標記用于表示定位信息。可見光標記由多穩(wěn)態(tài)材料制成，能夠在多種顏色之間變化，而且只在改變顏色時需要能量，維持顏色狀態(tài)時不需要能量或需要少量能量，當追蹤系統(tǒng)工作時，令可見光標記顯示為指定的編碼顏色，當追蹤體統(tǒng)停止工作時，為不影響環(huán)境美觀性，令可見光標記與其所附著物體顏色相同或相近來實現(xiàn)其隱形功能。紅外標記采用回歸反射材料，能夠?qū)⒓t外光反射回發(fā)光處，從而被圖像采集模塊捕獲。紅外標記始終與所附著環(huán)境的顏色保持一致來實現(xiàn)其隱形功能。

圖像采集模塊是由感知紅外的紅外攝像頭和感知可見光的彩色攝像頭組成的雙目系統(tǒng)，或者是由一個攝像頭組成的單目系統(tǒng)，單目系統(tǒng)中攝像頭內(nèi)部的感光芯片交叉分布著可感知紅外的像素和感知可見光波段的像素。

圖像處理模塊，用于對圖像采集模塊所捕獲的圖像進行解碼，并計算出圖像采集模塊在空間中六自由度的姿態(tài)信息。

將可見光標記與紅外標記進行組合編碼，具體編碼方案如下：每個組合路標包含一定數(shù)目的紅外標記，將紅外標記以特定的，容易識別的拓撲形狀進行部署，并且在每個紅外標記的周圍布設(shè)某種顏色的可見光標記，每種顏色都會映射為一個具體數(shù)值，將紅外標記周圍的顏色所對應(yīng)的數(shù)值作為該紅外標記的特征值，組合路標內(nèi)所有紅外標記按照規(guī)定順序排列，并依據(jù)該排列將組內(nèi)所有紅外標記的特征值組合在一起，形成一個數(shù)值，此數(shù)值即為該組合路標所對應(yīng)的編碼。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明進一步提供了一種基于隱形組合路標的光學定位方法，包括如下步驟：

對組合路標進行標定，計算出所有組合路標的三維坐標，并存入數(shù)據(jù)庫中；

圖像采集模塊獲取紅外圖像和可見光圖像；

圖像處理模塊對圖像中的組合路標進行解碼，得出每個組合路標對應(yīng)的id；

將每個組合路標的id作為索引，在數(shù)據(jù)庫中搜索該組合路標中每個紅外標記所對應(yīng)的真實三維坐標；

依據(jù)每個紅外標記在紅外圖像中的坐標、真實三維坐標以及圖像采集裝置的內(nèi)參，計算出圖像采集裝置在三維空間內(nèi)的六自由度姿態(tài)。

其中圖像處理模塊對圖像中的組合路標進行解碼的步驟如下：

從紅外圖像中識別出每個紅外標記；

將紅外標記劃分為不同的組，每組紅外標記屬于同一個組合路標，去掉噪聲；

確定每組紅外標記的排列順序；

將每個紅外標記在紅外圖像中的坐標，映射到可見光圖像中，找到紅外標記在可見光圖像中的位置；

依據(jù)這個位置確定紅外標記周圍可見光標記的顏色；

將顏色映射為數(shù)值，作為該紅外標記的特征值；

依據(jù)每組紅外標記的順序，將每組紅外標記的特征值按序組合成一個數(shù)字id，該數(shù)字id即該組合標記的解碼結(jié)果。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所涉及的追蹤系統(tǒng)發(fā)明了可隱形的可見光與紅外組合路標，采用inside-out的方式進行定位追蹤，具有追蹤范圍大、延時低、價格低、部署容易且不影響環(huán)境美觀性的優(yōu)點。

附圖說明

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的基于隱形組合路標的光學定位追蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的基于隱形組合路標的光學定位追蹤系統(tǒng)的組合路標的組成結(jié)構(gòu)圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的一種基于隱形組合路標的光學定位追蹤方法的流程圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的敘述更加詳盡與完備，下文針對本發(fā)明的實施方式與具體實施例提出了說明性的描述：但這并非實施或運用本發(fā)明具體實施例的唯一方式。在以下描述中，將詳細敘述許多特定細節(jié)以使讀者能夠充分理解以下的實施例。然而，可在無此等特定細節(jié)的情況下實踐本發(fā)明的實施例。

圖1為一種基于隱形組合路標的光學定位追蹤系統(tǒng)的組成框圖。它包含部署在環(huán)境中的組合路標模塊1和部署在待追蹤物體上的圖像采集模塊2以及與圖像采集模塊2相連的圖像處理模塊3。

如圖2所示，組合路標模塊1包含可見光標記11、13、15、17和紅外標記12、14、16、18。具體采用如下方法來設(shè)計組合路標模塊，其中紅外標記采用含有玻璃珠或微晶格的回歸反射材料制成，可見光標記由多穩(wěn)態(tài)材料，如電子墨水或多穩(wěn)態(tài)液晶等制成。將四個紅外標記12、14、16、18的中心按順時針方向以一定間隔排列在正方形的四個頂點上，并在紅外標記周圍布設(shè)某種顏色的可見光標記，每種顏色都會映射為一個具體數(shù)值。將紅外標記周圍的顏色所對應(yīng)的數(shù)值作為該紅外標記的特征值，組合路標內(nèi)所有紅外標記按順時針方向排列，并依據(jù)該排列將組內(nèi)所有紅外標記的特征值組合在一起，形成一個數(shù)值，此數(shù)值即為該組合路標所對應(yīng)的編碼。例如，設(shè)紅、綠、藍、紫四色，將紅色映射為1，綠色映射為2，藍色映射為3，紫色映射為4。在紅外標記12周圍布設(shè)紅色的可見光標記11，在紅外標記14周圍布設(shè)綠色的可見光標記13，在紅外標記16周圍布設(shè)藍色的可見光標記15，在紅外標記18周圍布設(shè)紫色的可見光標記17，則該組合路標順時針譯碼后的結(jié)果為1234。

將圖像采集模塊2安裝在虛擬現(xiàn)實設(shè)備上，圖像采集模塊2由可感知紅外的紅外攝像頭21和可感知可見光的彩色攝像頭22組成。紅外攝像頭21用于捕獲組合路標模塊1上的紅外標記，彩色攝像頭模塊用于捕獲組合路標模塊1上的可見光標記。圖像處理模塊3用于對圖像采集模塊2所捕獲的圖像進行解碼，并計算圖像采集模塊2在空間中六自由度的姿態(tài)信息。

如圖3所示為一種基于隱形組合路標的光學定位追蹤方法的流程圖，下面結(jié)合圖1、圖2和圖3，對本方法的流程進行說明：

步驟1：對組合路標進行標定，計算出所有組合路標的三維坐標，并存入數(shù)據(jù)庫中；

步驟2：圖像采集裝置獲取紅外圖像和可見光圖像；

步驟3：對識別出的紅外標記進行分組，每組紅外標記屬于同一組合路標；

步驟4：對步驟3所得分組進行去噪處理，確定每組紅外標記的排列順序；

步驟5：將每個紅外標記在紅外圖像中的坐標，映射到可見光圖像中，找到紅外標記在可見光圖像中的位置；

步驟6：依據(jù)步驟5中所得位置確定紅外標記周圍可見光標記的顏色，將

顏色映射為數(shù)值，作為該紅外標記的特征值；

步驟7：依據(jù)每組紅外標記的順序，將每組紅外標記的特征值按序組合成一

個數(shù)字id，該數(shù)字id即該組合標記的解碼結(jié)果；

步驟8：計算出每個組合路標對應(yīng)的id，將每個組合路標的id作為索引，

在數(shù)據(jù)庫匯總搜索該組合路標中每個紅外標記所對應(yīng)的真實三維坐標；

步驟9：依據(jù)每個紅外標記在紅外圖像中的坐標、真實三維坐標以及圖像采集裝置的內(nèi)參，計算出圖像采集裝置在三維空間內(nèi)的六自由度姿態(tài)信息。