專利名稱：基于增強現(xiàn)實技術的生命探測與救援系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種基于增強現(xiàn)實技術的生命探測與救援系統(tǒng)。
背景技術：
隨著城市化進程逐步加快，城鄉(xiāng)建(構)筑物的規(guī)模、高度以及跨度都逐漸增加， 人口密度也越來越大，地震災害造成的潛在危險性與日俱增，一旦發(fā)生破壞性地震，將造成 人民生命財產的巨大損失。如何最大限度地減輕地震災害造成的損失，是各國防震減災工 作的重要任務，其中如何搶救被壓埋人員，有效地減少人員傷亡是減輕災害損失的首要任 務，也是最能體現(xiàn)出減災實效的關鍵環(huán)節(jié)。據(jù)有關專家調查統(tǒng)計，唐山地震發(fā)生后，第一 天將被壓埋人員救出救活率為81%，第二天內救出救活率為53%，第三天內救出救活率為 36. 7%，第四天內救出救活率為19%，第五天內救出救活率為7. 4 %，越晚救活的希望就越小。 上述數(shù)據(jù)表明，實施救助的時間越早，救出的人員越多；尤其震后72小時是救助被埋人 員的關鍵時期。國內、外歷次大震救援的事實證明，對壓埋人員搶救越快越及時，救出救活 的可能性越大。因此，震后對于被埋人員的迅速定位、迅速救援就成了救災的關鍵，同時這 也對救援技術和設備提出了更高的要求。目前，我國的地震救援隊已配備了搜救犬和多種 搜救儀器，包括聲波振動生命探測儀、光學生命探測儀、紅外聲明探測儀等。這些手段雖然 能夠探測到生命信息的存在，但是對于精確定位方面做得還很不夠，以致于耽誤了寶貴的 救援時間。因此如何進行精確定位、可視救援在當前抗震救援中的一個亟待解決的難題。增強現(xiàn)實(AR，Augmented Reality )，通常也稱作擴充現(xiàn)實、增強視覺或增強現(xiàn) 實視覺，是近年來國際上在虛擬現(xiàn)實研究的基礎上發(fā)展出來的一個新的研究方向，也是虛 擬現(xiàn)實研究領域的一個難點熱點問題。增強現(xiàn)實技術就是將計算機生成的虛擬圖像或其他 信息有機地、實時地、動態(tài)地疊加(或融合)在觀察者所看到的現(xiàn)實環(huán)境當中，并且這些虛擬 信息與用戶周圍的現(xiàn)實環(huán)境融為一體，使用戶從感官效果上確信虛擬環(huán)境是其周圍真實環(huán) 境的有機組成部分，當用戶在真實場景中移動時，虛擬物體也隨之發(fā)生變化，就好像這些虛 擬物體是真的存在于真實場景中一樣。這種增強信息可以是在真實環(huán)境中與真實物體共存 的虛擬物體，也可以是關于存在的真實物體的非幾何信息。從目前國內外發(fā)展的現(xiàn)狀來看， 增強現(xiàn)實系統(tǒng)仍然處于實驗室階段，目前已開發(fā)成功的跟蹤注冊技術一般需要在環(huán)境可控 的條件下才可以取得精確的結果。相對于室內增強現(xiàn)實系統(tǒng)的發(fā)展，室外增強現(xiàn)實系統(tǒng)的 發(fā)展相對滯后。要將虛擬圖像準確地疊加在客觀世界的場景上，就必須精確、實時地確定用 戶的位置和視線方向。對于室外增強現(xiàn)實系統(tǒng)，目前國際上通常采用的跟蹤定位方法主要 分三類基于計算機視覺的注冊定位、基于跟蹤設備的注冊定位、基于視覺和跟蹤設備的混 合注冊定位?；谟嬎銠C視覺的三維注冊方法以計算機視覺理論為基礎，對CCD攝像機拍 攝到的現(xiàn)實環(huán)境圖像進行處理與識別，獲取跟蹤信息，其特點是設備簡單、成本低廉，目前 對基于計算機視覺的注冊技術的研究在AR領域處于主導地位。但是對于大范圍未知的戶 外環(huán)境，采用計算機視覺的注冊方式并不合適。采用高精度定位方式，例如GPS RTK技術可 以將定位精度達到厘米級，完全可以滿足戶外增強現(xiàn)實系統(tǒng)的需求。[0004]利用增強現(xiàn)實技術將生命探測儀探測到的被埋人員信息實時疊加到救援人員所 看到的現(xiàn)場視頻圖像上，就可以使救援人員實時看到被埋人員，不但使救援更加有的放矢， 更重要是節(jié)省了寶貝的救援時間，具有重要的現(xiàn)實意義。

實用新型內容本實用新型的目的就是為了解決上述問題，提供一種基于增強現(xiàn)實技術的生命探 測與救援系統(tǒng)，它可以在救援現(xiàn)場快速、精確定位被埋人員，并生成增強現(xiàn)實圖像，指導救 援的實現(xiàn)。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術方案—種基于增強現(xiàn)實技術的生命探測與救援系統(tǒng)，它包括集成了三維電子羅盤的生 命探測儀，三維電子羅盤和生命探測儀均與穿戴式計算機連接；同時穿戴式計算機還與定 位設備以及頭盔顯示器連接，并且頭盔顯示器也集成了三維電子羅盤和CXD攝像機。所述定位設備為GPS接收機或光學或電磁或聲學定位設備。所述生命探測儀、定位設備以及頭盔顯示器與穿戴式計算機采用有線連接或無線 連接方式?；谠鰪姮F(xiàn)實技術的生命探測與救援系統(tǒng)方法，它的具體步驟為a.通過高精度定位設備進行實時、精確的測定救援人員的三維位置；b.利用三維電子羅盤與生命探測儀，獲得在某一已知位置點測定指向被埋人員 的三維方向信息，即指向被埋人員的生命探測儀天線的三維角度信息；c.通過至少兩點的測量，得出被埋人員位置的三維坐標，具體計算方法如下設過已知觀測點
徹P2(X2JM)......Pa(^n)且已測定方向的η條直線U2......4 ,其中，η為自然
數(shù)；則各直線方程如下
X-X1_ Z-Z1
COSOi1cos P1cos J^1Ti 一—廣Λ ·CObCOS爲cos γ2_y-yn ■一
cos ax cos β^ cos γχ其中 COS 外 COS β^ C0S;Vj, cos Q12, COS 爲,COS Y2......COSC^, COS 各 COS Yx 分別是各直線
的方向余弦，對于η條直線，…人，理論上應該相交于一點A，由于測量誤差的存在，不
會相交于一點，但總能分別求出到兩兩直線的最短點…乂，則A的平均值即為最優(yōu) 值；d.通過穿戴式計算機的三維虛擬圖形繪制軟件，利用步驟a和步驟b所得到的信 息參數(shù)以及通過步驟c得到的三維坐標實時繪制出基于被埋人員三維位置的虛擬圖形；
4[0018]e.通過救援人員穿戴的頭盔顯示器上的CXD攝像機獲取救援現(xiàn)場的視頻圖像；f.通過救援人員穿戴的頭盔顯示器上的高精度三維電子羅盤可以得到救援人員 視線方向信息；g.將步驟d所得到的被埋人員位置的虛擬圖像利用穿戴式計算機內的增強現(xiàn)實 軟件，得到疊加了被埋人員虛擬圖形的視頻圖像；h.將步驟g得到的增強現(xiàn)實圖像傳輸?shù)骄仍藛T穿戴的頭盔顯示器上，使救援 人員實時看到疊加了被埋人員三維虛擬圖形的視頻圖像；i.當救援人員的位置和視線方向發(fā)生變化的時候，其所看到的被埋人員的虛擬 圖形也相應地發(fā)生變化。本實用新型的基于增強現(xiàn)實技術的生命探測與救援系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法，它包括生 命探測設備、高精度三維電子羅盤、定位設備、穿戴式電腦、頭盔顯示器等硬件設備及其相 應的軟件，各種設備均通過相應接口集成到穿戴式電腦上，并通過穿戴式電腦上運行的增 強現(xiàn)實系統(tǒng)處理相應的數(shù)據(jù)。本實用新型的有益效果是可以通過生命探測儀和三維電子羅盤實現(xiàn)對被埋人員 的快速、精確定位，在救援現(xiàn)場通過救援人員佩戴的頭盔顯示器可以實時看到疊加了被埋 人員三維虛擬圖形的視頻圖像，就像救援人員能真的看到被埋人員一樣，并且其所看到的 被埋人員的虛擬圖形隨著救援人員位置和視線方向的變化而相應的變化。從而可以更好的 指導救援，縮短了救援時間。

圖1本實用新型專利的系統(tǒng)結構圖。圖2本實用新型工作流程示意圖。圖3為利用生命探測儀及定位定向設備來測定被埋人員位置原理圖。其中，1.生命探測儀，2.三維電子羅盤，3.定位設備，4.頭盔顯示器，5.穿戴式計 算機，6. CXD攝像機。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型專利作進一步說明。圖1中，本系統(tǒng)集成了生命探測儀1、高精度的三維電子羅盤2、高精度的定位設備 3、穿戴式計算機5、頭盔顯示器4等硬件設備及相應的軟件，其中頭盔顯示器4集成了三維 電子羅盤2和CXD攝像機6。通過生命探測儀1、三維電子羅盤2、定位設備3的多點(至少 兩點)測量可以精確地測定被埋人員的三維位置，通過穿戴式計算機中5的圖形處理軟件 繪制出基于被埋人員三維位置的虛擬圖形，然后通過定位設備3、穿戴式計算機5、頭盔顯 示器4及穿戴式計算機5中的增強現(xiàn)實軟件系統(tǒng)可以使救援人員實時看到疊加了被埋人員 三維虛擬圖形的現(xiàn)場視頻圖像，并且隨著救援人員位置和視線方向的變化而相應地發(fā)生變 化。本實用新型涉及到基于增強現(xiàn)實技術的生命探測與救援系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法，該方 法利用高精度定位手段(例如GPS RTK等)實時、精確測定救援人員的三維位置；通過將高 精度三維電子羅盤與生命探測儀集成，可以在某一已知位置點測定指向被埋人員的三維方向信息，即指向被埋人員的生命探測儀天線的三維角度信息；通過多點(至少兩點)的探測， 可以解求出被埋人員位置的三維坐標；通過穿戴式電腦的三維虛擬圖形繪制軟件，并利用 所獲取的坐標系轉換參數(shù)實時繪制出基于被埋人員三維位置的虛擬圖形；通過救援人員攜 帶的頭盔顯示器可以實時看到疊加了被埋人員三維虛擬圖形的視頻圖像，當救援人員的 位置和視線方向發(fā)生變化的時候，其所看到的被埋人員的虛擬圖形也相應地發(fā)生變化，就 像真的看到被埋人員一樣，可以更好的指導救援。本實用新型的工作流程如圖2所示a.通過高精度定位手段(例如GPS RTK等)可以實時、精確測定救援人員(即生命 探測儀)的三維位置；b.通過將高精度三維電子羅盤與生命探測儀集成，可以在某一已知位置點測定 指向被埋人員的三維方向信息，即指向被埋人員的生命探測儀天線的三維角度信息；c.通過至少兩點的測量，得出被埋人員位置的三維坐標，具體計算方法如下設過已知觀測點召O1J1O P2(X25J2^2)......HW)且已測定方向的η條直
線認......h ,其中，η為自然數(shù)；則各直線方程如下
X-X1cos Oilcos Picos Y1X-X2cosa0COS &COS K
IzI^ = IzIi = EzIi.
cos as cos 總 cos γη其中 cos Op cos β^ Cosyr cos aT cos ^cos γ2......cos O5, cos βΜ、cos γη 分另ij 是各直線
的方向余弦，對于η條直線ΑΛ.…人，理論上應該相交于一點A，由于測量誤差的存在，不
會相交于一點，但總能分別求出到兩兩直線的最短點‘，^ ,則^的平均值即為最優(yōu) 值；d.通過穿戴式電腦的三維虛擬圖形繪制軟件，并利用步驟a和步驟b所得到的信 息參數(shù)以及通過步驟c得到的三維坐標可以實時繪制出基于被埋人員三維位置的虛擬圖 形；e.通過救援人員穿戴的頭盔顯示器上的CXD攝像機可以獲取救援現(xiàn)場的視頻圖 像；f.通過救援人員穿戴的頭盔顯示器上集成的高精度三維電子羅盤可以得到救援 人員視線方向信息；g.將步驟d所得到的被埋人員位置的三維虛擬圖形利用穿戴式電腦內的虛擬圖 像和視頻圖像實時疊加軟件，得到增強現(xiàn)實圖像。h.將通過步驟g得到的增強現(xiàn)實圖像傳輸?shù)骄仍藛T穿戴的頭盔顯示器上，就 可以得到疊加了被埋人員三維虛擬圖像的視頻圖像。
6[0044]i.當救援人員的位置(步驟a)和視線方向(步驟f)發(fā)生變化的時候，其所看到的 被埋人員的虛擬圖形也相應地發(fā)生變化，就像真的看到被埋人員一樣，可以更好的指導救援。步驟a中利用高精度定位手段實時測定救援人員的三維坐標。步驟b中將高精度三維電子羅盤與生命探測儀進行集成，當生命探測儀探測到有 生命信息存在時，生命探測儀天線所指示的方向即為生命信息存在的方向，此時可通過集 成的高精度三維電子羅盤來測定生命探測儀天線的三維方向。步驟c中每個點的測定都包含了步驟a和步驟b，可以通過重復多點(至少兩點) 的測定，解算出被埋人員的三維位置坐標。步驟d中，根據(jù)步驟a和步驟b所得到的信息可以計算出相關坐標系轉換參數(shù)，將 解算出的被埋人員的三維坐標轉換到頭盔顯示器上的CCD攝像機坐標系，并通過穿戴式電 腦中的三維圖形繪制軟件，繪制出基于被埋人員三維位置的虛擬圖形。步驟e中，救援人員可以通過其穿戴的頭盔顯示器上的CXD攝像機獲取現(xiàn)場的視 頻圖像。步驟f中，救援人員可以通過穿戴的頭盔顯示器上的高精度三維電子羅盤來實時 獲取視線方向的三維信息。步驟g中，通過救援人員穿戴式電腦中的增強現(xiàn)實功能軟件，實現(xiàn)被埋人員虛擬 圖形與現(xiàn)場視頻圖像的實時疊加。步驟h中，救援人員通過其穿戴的頭盔顯示器可以實時看到疊加了被埋人員虛擬 圖形的救援現(xiàn)場視頻圖像，頭盔顯示器和穿戴式電腦相連接。步驟i中，當救援人員的位置和視線方向發(fā)生變化的時候，疊加的虛擬圖形也相 應地發(fā)生變化，就像救援人員真的看到被埋人員一樣，這樣就可以高效地指導救援工作進 行。本實用新型利用生命探測儀及定位定向設備測定被埋人員位置的原理示意圖 如圖3所示，救援人員通過生命探測儀及定位定向設備測量并求出某一點的三維位置
P1O1J^1)和三維方向(餌，存J1),同理獲取第二點的三維位置巧(巧7272)和三維方向
(瑪，爲J2)、直至獲取第η點的三維位置巧和三維方向(AJtA)，通過相關 的空間解析幾何公式可以解算出被埋人員的三維位置坐標。
權利要求一種基于增強現(xiàn)實技術的生命探測與救援系統(tǒng)，其特征是，它包括集成了三維電子羅盤的生命探測儀，三維電子羅盤和生命探測儀均與穿戴式計算機連接；同時穿戴式計算機還與定位設備以及頭盔顯示器連接，并且頭盔顯示器也集成了三維電子羅盤和CCD攝像機。
2.如權利要求1所述的基于增強現(xiàn)實技術的生命探測與救援系統(tǒng)，其特征是，所述定 位設備為GPS接收機或光學或電磁或聲學定位設備。
3.如權利要求1所述的基于增強現(xiàn)實技術的生命探測與救援系統(tǒng)，其特征是，所述生 命探測儀、定位設備以及頭盔顯示器與穿戴式計算機采用有線連接或無線連接方式。
專利摘要本實用新型涉及一種基于增強現(xiàn)實技術的生命探測與救援系統(tǒng)。它包括集成了三維電子羅盤的生命探測儀，三維電子羅盤和生命探測儀均與穿戴式計算機連接；同時穿戴式計算機還與定位設備以及頭盔顯示器連接，并且頭盔顯示器也集成了三維電子羅盤和CCD攝像機。通過生命探測儀、高精度三維電子羅盤、高精度定位設備的多點(至少兩點)測量可以精確地測定被埋人員的三維位置，然后通過高精度定位設備、穿戴式電腦、頭盔顯示器及穿戴式電腦中的增強現(xiàn)實軟件系統(tǒng)可以使救援人員實時看到疊加了被埋人員三維虛擬圖形的現(xiàn)場視頻圖像，并且隨著救援人員位置和視線方向的變化而相應地發(fā)生變化，因此可以更好地指導救援工作的進行，縮短了救援時間。
文檔編號G06T17/00GK201673267SQ201020193530
公開日2010年12月15日 申請日期2010年5月18日 優(yōu)先權日2010年5月18日
發(fā)明者常勇 申請人:山東師范大學