一種基于高反光紅外標識的視覺定位系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于紅外高反光標識的視覺定位系統(tǒng)，包括多個標識點、紅外攝像裝置、圖像處理模塊。多個標識點由紅外高反光材料制成的無源被動標識點且等間距設(shè)置在需要定位的平面上；紅外攝像裝置用于拍攝標識點的反光圖像；圖像處理單元通過獲取并分析紅外攝像頭拍攝的圖像信息來得出相對位置和相對姿態(tài)變化。此外還提供一種基于紅外高反光標識的視覺定位的方法。本發(fā)明的視覺定位系統(tǒng)及方法具有結(jié)構(gòu)簡單、無需供電、成本低、無延遲且定位精度高等優(yōu)點。
【專利說明】
一種基于高反光紅外標識的視覺定位系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種視覺定位系統(tǒng)及方法，特別涉及一種基于紅外高反光標識的視覺定位系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]通常，在計算機視覺領(lǐng)域，尤其是虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域中，通過對環(huán)境中標識點的圖像進行處理分析并定位出圖像采集設(shè)備(如攝像機)的坐標信息和姿態(tài)信息。
[0003]目前主要采用的標識點均為有源主動標識點，這些有源主動標識點都分配有坐標信息且內(nèi)部還必須包括信號發(fā)射器等模塊，如果用于較大空間的定位則需要大量的這種有源主動標識點，此外還具有結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、容易出現(xiàn)故障、布置安放不方便、定位延遲等缺點。
[0004]基于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，因此需要開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)簡單、布置方便、且實時定位的無源被動標識的視覺定位系統(tǒng)及方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種基于紅外高反光標識的視覺定位系統(tǒng)，包括多個標識點、紅外攝像裝置、圖像處理模塊；其中，
[0006]多個標識點，由紅外高反光材料制成的無源被動標識點，所述標識點等間距設(shè)置在需要定位的平面上；
[0007]紅外攝像裝置，包括紅外攝像頭和紅外光源，用于拍攝所述多個標識點的反光圖像，紅外光源的照射范圍應(yīng)覆蓋紅外攝像頭的拍攝區(qū)域；
[0008]圖像處理單元，通過連續(xù)獲取紅外攝像頭拍攝的圖像中至少3個且不在一條直線上的所述標識點之間的位置關(guān)系，進一步對比相鄰標識點的位置關(guān)系來得出所述紅外攝像頭相對位置和相對姿態(tài)的連續(xù)變化。
[0009]優(yōu)選地，所述多個標識點由金屬粉制成。
[0010]優(yōu)選地，所述多個標識點為可粘貼或可熱熔的薄片狀結(jié)構(gòu)。
[0011]優(yōu)選地，所述紅外攝像頭為廣角攝像頭。
[0012]優(yōu)選地，所述紅外攝像頭數(shù)量為I個或2個。
[0013]優(yōu)選地，所述多個標識點鋪設(shè)在地磚四邊的交點處。
[0014]優(yōu)選地，所述地磚的尺寸規(guī)格根據(jù)紅外攝像頭的拍攝高度或其移動速度值并由圖像處理單元技術(shù)算得出。
[0015]優(yōu)選地，所述標識點之間的位置關(guān)系包括所述標識點之間的距離、所述標識點連線的夾角以及所包圍的面積。
[0016]優(yōu)選地，還包括若干個有源主動信號點和位于所述紅外攝像裝置中的信號接收器，該信號接收器用于接收有源主動信號點發(fā)出的絕對定位信息。
[0017]本發(fā)明還提供了一種基于紅外高反光標識的視覺定位方法，用于確定移動目標的相對位移和姿態(tài)，其中所述移動目標在設(shè)置有多個無源紅外標識點的環(huán)境中移動，所述移動目標配置有紅外攝像頭用于在紅外光源的照射下拍攝所述紅外標識點，包括如下步驟:
[0018]a)所述移動目標配置的紅外攝像頭拍攝包含所述紅外標識點的第一圖像，并記錄弟一拍攝時間；
[0019]b)判斷所述第一圖像中的紅外標識點是否至少為3個且不在同一直線上，若是，則選擇其中一組或若干組不在同一直線上的至少3個點構(gòu)造第一族多邊形，然后進入步驟C)，否則返回步驟a);
[0020]c)經(jīng)過第一時間間隔后，所述移動目標配置的紅外攝像頭拍攝包含所述紅外標識點的第二圖像，并記錄第二拍攝時間；
[0021]d)判斷所述第二圖像中的紅外標識點是否多于3個且不在同一直線上，若是，則選擇其中一組或若干組不在同一直線上的至少3個點構(gòu)造第二族多邊形，然后進入步驟
e)，否則返回步驟c);
[0022]e)計算所述第一族多邊形和所述第二族多邊形之間的相對位移和/或形狀變化，得到所述移動目標在第二拍攝時間下相對于第一拍攝時間的相對位移和姿態(tài)。
[0023]本發(fā)明一種基于紅外高反光標識的視覺定位系統(tǒng)及方法在實現(xiàn)定位的同時還可以獲取使用者的姿態(tài)信息。由紅外高反光材料制成被動標識點還具有結(jié)構(gòu)簡單、無需供電、使用方便、成本低、無延遲等優(yōu)點。
[0024]應(yīng)當理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應(yīng)當用作對本發(fā)明所要求保護內(nèi)容的限制。
【附圖說明】
[0025]參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點將通過本發(fā)明實施方式的如下描述得以闡明，其中:
[0026]圖1示意性示出本發(fā)明視覺定位系統(tǒng)的應(yīng)用示意圖；
[0027]圖2示意性示出本發(fā)明視覺定位系統(tǒng)的系統(tǒng)框架圖；
[0028]圖3和圖4示意性示出本發(fā)明視覺定位方法的圖像處理分析圖。
【具體實施方式】
[0029]通過參考示范性實施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實施例；可以通過不同形式來對其加以實現(xiàn)。說明書的實質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細節(jié)。
[0030]在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實施例。在附圖中，相同的附圖標記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。
[0031]圖1和圖2分別示出了根據(jù)本發(fā)明一種基于紅外高反光標識的視覺定位系統(tǒng)的應(yīng)用示意圖和系統(tǒng)框架圖。本發(fā)明的視覺定位系統(tǒng)100包括紅外攝像裝置101、多個標識點102、圖像處理單元103。
[0032]紅外攝像裝置101，主要由紅外攝像頭1la和紅外光源1lb組成。紅外光源1lb用于發(fā)射紅外光源，且紅外光的照射范圍應(yīng)該覆蓋紅外攝像頭1la的拍攝區(qū)域。紅外攝像頭1la優(yōu)選地為廣角攝像頭，其數(shù)量為至少一個，優(yōu)選地為I個或2個，用于連續(xù)拍攝多個標識點102的反光照片，并將拍攝的照片傳輸至圖像處理單元103。
[0033]多個標識點102，由紅外高反光材料制成，例如金屬粉(反光率可達80?90% )，該標識點一般制作成可粘貼或可熱熔的薄片狀結(jié)構(gòu)，用于粘貼或融合在需要視覺定位的地方，用于反射由紅外光源1lb發(fā)出的紅外光線，從而被紅外攝像頭1la拍攝捕捉到并在圖像中顯示為多個光斑。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，多個標識點102定位空間內(nèi)排列成等間距的網(wǎng)格狀，例如等間距的方形網(wǎng)格或正三角形網(wǎng)格(如圖3所示)。所述標識點102為無源被動信號點，即標識點102本身沒有具體坐標信息。如果用于室內(nèi)定位的話，所述標識點102可以粘貼在室內(nèi)的地板或墻面、或與地板和墻面融為一體，例如粘貼或融合在每塊地板四邊的交點處或直接嵌入地板表面；如果用于室外定位的話，則可以鋪設(shè)在外部的馬路上或與馬路上的斑馬線融為一體以及其他需要定位的地方。
[0034]圖像處理單元103，用于分析紅外攝像頭1la所拍攝圖像中標識點102的反光位置，從而確定紅外攝像頭1la相對于圖像中標識點102的相對位置以及姿態(tài)信息。如果多個標識點102呈現(xiàn)方格網(wǎng)格布置，則紅外攝像頭1la拍攝的圖像中應(yīng)至少包含4個且不在一條直線上的標識點102，進一步獲取標識點102之間的位置關(guān)系，從而實現(xiàn)定位的需求，同樣如果多個標識點102呈現(xiàn)正三角形網(wǎng)格布置，則紅外攝像頭1la拍攝的圖像中應(yīng)至少包含3個且不在一條直線上的標識點102 ;如果存在冗余的標識點則可用于校驗定位的準確性，從而能夠提尚視覺定位的精度。
[0035]紅外攝像頭1la所拍攝圖像中多個標識點102之間通過連線形成多族三角形或四邊形，如圖3(a)和圖3(b)所示，圖像處理單元103通過分析其中一族三角形或四邊形的位置關(guān)系(例如角度、邊長和面積)即可確定紅外攝像頭1la的相對位置以及姿態(tài)信息，例如四邊形為方形，即表明紅外攝像頭1la正對著標識點102所在的平面，如果四邊形不為方形，即表明紅外攝像頭1la與標識點102所在的平面存在一定的拍攝角度，進一步通過圖像處理得到四邊形的邊長、角度或面積，從而計算出紅外攝像頭1la相對于標識點102的連續(xù)相對位置關(guān)系和姿態(tài)信息。
[0036]根據(jù)以上內(nèi)容可以得出一種用于確定移動目標的相對位移和姿態(tài)的方法，其中所述移動目標在設(shè)置有多個無源紅外標識點102的環(huán)境中移動，所述移動目標配置有紅外攝像頭1la用于在紅外光源1lb的照射下拍攝所述紅外標識點102，包括如下步驟:
[0037]a)所述移動目標配置的紅外攝像頭1la拍攝包含所述紅外標識點102的第一圖像A，并記錄第一拍攝時間；
[0038]b)判斷所述第一圖像中的紅外標識點1la是否至少為3個且不在同一直線上，若是，則選擇其中一組或若干組不在同一直線上的至少3個點構(gòu)造第一族多邊形，然后進入步驟C)，否則返回步驟a);
[0039]c)經(jīng)過第一時間間隔后，所述移動目標配置的紅外攝像頭1la拍攝包含所述紅外標識點102的第二圖像B，并記錄第二拍攝時間；
[0040]d)判斷所述第二圖像B中的紅外標識點102是否多于3個且不在同一直線上，若是，則選擇其中一組或若干組不在同一直線上的至少3個點構(gòu)造第二族多邊形，然后進入步驟e)，否則返回步驟c);
[0041]e)計算所述第一族多邊形和所述第二族多邊形之間的相對位移和/或形狀變化，得到所述移動目標在第二拍攝時間下相對于第一拍攝時間的相對位移和姿態(tài)。
[0042]此外，假如標識點102是鋪設(shè)在地板磚四邊的交點處，而常見地板磚的尺寸一般為30 X 30cm,60 X 60cm、100 X 10cm等規(guī)格，根據(jù)地磚的尺寸規(guī)格和拍攝圖像中表示點102的連線具體以及其構(gòu)成的四邊形形狀來確定紅外攝像頭1la的相對位置變化和姿態(tài)信息。
[0043]如果已知鋪設(shè)地磚尺寸規(guī)格的情況下，則可根據(jù)連續(xù)兩張圖像中的標識點102位置變換而計算得出紅外攝像頭1la的相對位置變化。
[0044]如果未知鋪設(shè)地磚尺寸規(guī)格的情況下，則首先應(yīng)確定鋪設(shè)地磚的尺寸規(guī)格，具體地，通過已知的紅外攝像頭1la距離地磚的高度與拍攝圖像中相鄰標識點102之間距離的最大值的比值，由于地磚規(guī)格相差較大，所以可以通過該比值來推算出地磚的尺寸規(guī)格；也可以通過在相鄰tl時刻和t2時刻紅外攝像頭1la的移動距離與圖像中標識點102的位置變化值之間的比值來確定地磚的尺寸規(guī)格，其中紅外攝像頭1la的移動距離可通過其移動速度來確定，如圖4(a)和圖4(b)所示，根據(jù)紅外攝像頭1la的移動距離即可計算得出標識點102的位置變化S，進一步可獲得圖像中任意兩標識點102間的距離L，從而可以推算出地磚的尺寸規(guī)格。
[0045]圖像處理單元103就可以結(jié)合紅外攝像頭1la的移動速度和拍攝頻率來確定所鋪設(shè)地板磚的規(guī)格，例如圖像處理單元103利用連續(xù)兩張圖像中的標識點102位置變化并結(jié)合紅外攝像頭1la的移動速度和拍攝頻率即可得出地板磚的規(guī)格。
[0046]本發(fā)明一種基于紅外高反光標識的視覺定位系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，例如智能機器人、頭戴顯示設(shè)備、導(dǎo)盲或?qū)Ш降阮I(lǐng)域，當用于頭戴顯示設(shè)備時，本發(fā)明的視覺定位系統(tǒng)通常與頭戴顯示設(shè)備集成為一體，使用者戴上集成有本發(fā)明視覺定位系統(tǒng)的頭戴顯示設(shè)備后，則可以定位出使用者的相對位置及姿態(tài)信息。
[0047]根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，由于本發(fā)明的標識點102為被動標識點102，只能定位出相對位置，因此本發(fā)明還可以包括若干個有源主動信號點104以及信號接收器105，每個主動信號點104具有絕對的坐標信息并且主動發(fā)出帶有坐標信號，紅外攝像裝置101中的信號接收器105可以接受到該信號，從而實現(xiàn)自身的絕對定位。有源主動信號點104用于大范圍的絕對定位，而無源被動標識點102用于局部小范圍的精確相對定位以及獲取姿態(tài)信息(例如室內(nèi)定位)，利用大范圍的絕對定位和小范圍的相對定位可以實現(xiàn)快速精確定位的目的，達到了實時無延遲定位的效果。
[0048]主動信號點104的數(shù)量不需要很多，只要滿足紅外攝像裝置101或頭戴顯示設(shè)備能夠接收到所述主動信號點104發(fā)出的信號即可。主動信號點104 —般布置在大樓頂端的邊沿或廣告牌等地方，使用者通過戴上集成有本發(fā)明視覺定位系統(tǒng)的頭戴顯示設(shè)備即可將自己處于虛擬環(huán)境中，通過主動信號點104和多個標識點102進行精確定位，從而可以實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的目的。
[0049]綜上所述，本發(fā)明一種基于紅外高反光標識的視覺定位系統(tǒng)既可以實現(xiàn)小范圍的相對定位，也可以實現(xiàn)大范圍的絕對定位，同時還可以獲取使用者的姿態(tài)信息。特別是紅外高反光材料制成被動標識點102具有結(jié)構(gòu)簡單、無需供電、使用方便、成本低、無延遲、定位精度高等優(yōu)點。
[0050]所述附圖僅為示意性的并且未按比例畫出。雖然已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了描述，但應(yīng)當理解本發(fā)明的保護范圍并不局限于這里所描述的實施例。
[0051]結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說明和實踐，本發(fā)明的其他實施例對于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說明和實施例僅被認為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。
【主權(quán)項】
1.一種基于紅外高反光標識的視覺定位系統(tǒng)，包括多個標識點、紅外攝像裝置、圖像處理模塊；其中， 多個標識點，由紅外高反光材料制成的無源被動標識點，所述標識點等間距設(shè)置在需要定位的平面上； 紅外攝像裝置，包括紅外攝像頭和紅外光源，用于拍攝所述多個標識點的反光圖像，紅外光源的照射范圍應(yīng)覆蓋紅外攝像頭的拍攝區(qū)域； 圖像處理單元，通過連續(xù)獲取紅外攝像頭拍攝的圖像中至少3個且不在一條直線上的所述標識點之間的位置關(guān)系，進一步對比相鄰標識點的位置關(guān)系來得出所述紅外攝像頭相對位置和相對姿態(tài)的連續(xù)變化。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的視覺定位系統(tǒng)，其特征在于:所述多個標識點由金屬粉制成。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的視覺定位系統(tǒng)，其特征在于:所述多個標識點為可粘貼或可熱熔的薄片狀結(jié)構(gòu)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的視覺定位系統(tǒng)，其特征在于:所述紅外攝像頭為廣角攝像頭。5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的視覺定位系統(tǒng)，其特征在于:所述紅外攝像頭數(shù)量為I個或2個。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的視覺定位系統(tǒng)，其特征在于:所述多個標識點鋪設(shè)在地磚四邊的交點處。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的視覺定位系統(tǒng)，其特征在于:所述地磚的尺寸規(guī)格根據(jù)紅外攝像頭的拍攝高度或其移動速度值并由圖像處理單元技術(shù)算得出。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的視覺定位系統(tǒng)，其特征在于:所述標識點之間的位置關(guān)系包括所述標識點之間的距離、所述標識點連線的夾角以及所包圍的面積。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的視覺定位系統(tǒng)，其特征在于:還包括若干個有源主動信號點和位于所述紅外攝像裝置中的信號接收器，該信號接收器用于接收有源主動信號點發(fā)出的絕對定位信息。10.一種基于紅外高反光標識的視覺定位方法，用于確定移動目標的相對位移和姿態(tài)，其中所述移動目標在設(shè)置有多個無源紅外標識點的環(huán)境中移動，所述移動目標配置有紅外攝像頭用于在紅外光源的照射下拍攝所述紅外標識點，包括如下步驟: a)所述移動目標配置的紅外攝像頭拍攝包含所述紅外標識點的第一圖像，并記錄第一拍攝時間； b)判斷所述第一圖像中的紅外標識點是否至少為3個且不在同一直線上，若是，則選擇其中一組或若干組不在同一直線上的至少3個點構(gòu)造第一族多邊形，然后進入步驟c)，否則返回步驟a); c)經(jīng)過第一時間間隔后，所述移動目標配置的紅外攝像頭拍攝包含所述紅外標識點的第二圖像，并記錄第二拍攝時間； d)判斷所述第二圖像中的紅外標識點是否多于3個且不在同一直線上，若是，則選擇其中一組或若干組不在同一直線上的至少3個點構(gòu)造第二族多邊形，然后進入步驟e)，否則返回步驟c); e)計算所述第一族多邊形和所述第二族多邊形之間的相對位移和/或形狀變化，得到所述移動目標在第二拍攝時間下相對于第一拍攝時間的相對位移和姿態(tài)。
【文檔編號】G01C11/12GK105987683SQ201510181372
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年4月16日
【發(fā)明人】覃政
【申請人】北京蟻視科技有限公司