專利名稱：一種基于標志點的增強現(xiàn)實三維注冊方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于增強現(xiàn)實技術(shù)，特別是增強現(xiàn)實技術(shù)中的三維注冊技術(shù)，具 體的講是一種基于標志點的增強現(xiàn)實三維注冊方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
增強現(xiàn)實(augmented reality, AR)技術(shù)可以將虛擬的物體合并到現(xiàn)實場 景中，并能支持用戶與其進行交互，它己經(jīng)成為虛擬現(xiàn)實研究中的一個重要領(lǐng) 域，也是人機界面技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。
三維注冊技術(shù)是增強現(xiàn)實系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，也是衡量增強現(xiàn)實系統(tǒng)性能 的重要標準。三維注冊所要完成的任務(wù)是實時地檢測出攝像機的姿態(tài)，艮P: 攝像機的位置和方向。計算機根據(jù)檢測出的攝像機姿態(tài)信息確定所要添加的 虛擬信息在實際空間坐標中的映射位置，并將這些信息實時顯示在屏幕的正 確位置。
在現(xiàn)有技術(shù)中，三維注冊方法主要采用基于可見光標志點的方法?；?可見光標志點的方法需要首先在現(xiàn)實環(huán)境中放置一定數(shù)量的可見光標志點， 系統(tǒng)運行時通過攝像機拍攝標志點，從而獲得標志點在采集圖像中的屏幕坐 標，然后通過識別標志點的特征，以區(qū)分各個標志點。識別過程完成之后， 就可以獲得每個標志點的三維位置坐標和二維屏幕坐標之間的映射。將這些 映射作為計算機的輸入，就可以計算出攝像機的姿態(tài)，完成三維注冊。
但是上述三維注冊方法存在以下缺陷-
第一，為了實現(xiàn)三維注冊，需要在真實環(huán)境中放置一定數(shù)量的可見標志 點，這些可見標志點不僅對現(xiàn)有環(huán)境造成了破壞，而且部署起來也非常麻煩。
第二，可見光標志點的探測和識別很容易受到外界光照條件變化的影響， 從而導致三維注冊的失敗。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺點，本發(fā)提供了一種基于標志點的增強現(xiàn) 實三維注冊方法和系統(tǒng)，用以使標志點搭建簡便，跟蹤穩(wěn)定，提高定位精度。 本發(fā)明的技術(shù)方案為
一種基于標志點的增強現(xiàn)實三維注冊方法，所述方法包括以下步驟生 成不可見光標志點；將生成的不可見光標志點投影到現(xiàn)實環(huán)境的承載面上； 采用具有不可見光濾光片的攝像機對投影在承載面上的不可見光標志點進行 拍攝，獲取所述不可見光標志點在屏幕中的二維坐標數(shù)據(jù)；根據(jù)所述的二維 坐標數(shù)據(jù)對所述的不可見光標志點進行識別，獲取不可見光標志點在現(xiàn)實環(huán) 境的三維坐標與在屏幕中的二維坐標的映射；根據(jù)所述的映射計算出所述攝 像機的姿態(tài)。
一種基于標志點的增強現(xiàn)實三維注冊系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括不可見光標 志點生成裝置，用于生成不可見光標志點，并將生成的不可見光標志點投影 到現(xiàn)實環(huán)境的承載面上；攝像機，該攝像機具有不可見光濾光片，用于對投 影在承載面上的不可見光標志點進行拍攝，并輸出圖象數(shù)據(jù)；計算機，用于 接收所述攝像機輸出的圖象數(shù)據(jù)，并且該計算機進一步包括圖像采集及處 理單元，用于根據(jù)圖象數(shù)據(jù)獲取所述不可見光標志點在屏幕中的二維坐標數(shù) 據(jù)；識別單元，用于根據(jù)所述的二維坐標數(shù)據(jù)對所述的不可見光標志點進行 識別，獲取不可見光標志點在現(xiàn)實環(huán)境的三維坐標與在屏幕中的二維坐標的 映射；姿態(tài)計算及輸出單元，用于根據(jù)所述的映射計算出所述攝像機的姿態(tài)。
本發(fā)明的有益效果在于，采用大功率的紅外激光管用產(chǎn)生投影標志點， 可以實現(xiàn)穩(wěn)定的三維注冊；投影標志點具有人眼不可見的特點，從而不會給 觀察者帶來任何視覺上的影響，而且消除了可見光標志點對現(xiàn)有環(huán)境的破壞； 由于標志點的光譜位于紅外區(qū)域，所以避免了全光譜的發(fā)光體對探測標志點 的過程的干擾。
本發(fā)明具有定位精度高、標志點跟蹤穩(wěn)定、搭建簡便、可在任意不便放
置標志點的環(huán)境中實現(xiàn)的特點。有效的解決了現(xiàn)有基于可見光標志點的三維
注冊方法的諸多問題。


圖1是本發(fā)明實施例系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖； 圖2是本發(fā)明實施例的位置姿態(tài)跟蹤方法的流程圖； 圖3是本發(fā)明紅外發(fā)射裝置的工作流程圖； 圖4是本發(fā)明紅外發(fā)射裝置的結(jié)構(gòu)圖； 圖5是本發(fā)明紅外發(fā)射裝置的調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)圖； 圖6是本發(fā)明實施例的計算流程圖； 圖7是本發(fā)明紅外投影標志點的示意圖； 圖8是本發(fā)明實施例應(yīng)用示意圖。
具體實施例方式
以下參照附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明。如圖1所示，本發(fā)明的 基于標志點的增強現(xiàn)實三維注冊系統(tǒng)包括不可見光標志點生成裝置，用于 生成不可見光標志點，并將生成的不可見光標志點投影到現(xiàn)實環(huán)境的承載面 上；攝像機，該攝像機具有不可見光濾光片，用于對投影在承載面上的不可 見光標志點進行拍攝，并輸出圖象數(shù)據(jù)；計算機，用于接收所述攝像機輸出 的圖象數(shù)據(jù)，并且該計算機進一步包括圖像采集及處理單元，用于根據(jù)圖 象數(shù)據(jù)獲取所述不可見光標志點在屏幕中的二維坐標數(shù)據(jù)；識別單元，用于 根據(jù)所述的二維坐標數(shù)據(jù)對所述的不可見光標志點進行識別，獲取不可見光 標志點在現(xiàn)實環(huán)境的三維坐標與在屏幕中的二維坐標的映射；姿態(tài)計算及輸 出單元，用于根據(jù)所述的映射計算出所述攝像機的姿態(tài)。
圖2所示為本發(fā)明實施例的位置姿態(tài)跟蹤方法的流程圖。如步驟S201， 首先生成不可見光標志點并將生成的不可見光標志點投影到現(xiàn)實環(huán)境的承載 面上，在步驟S202采用具有不可見光濾光片的攝像機過濾光線，接著在步驟 S203對投影在承載面上的不可見光標志點進行拍攝，在步驟S204獲取所述不可見光標志點在屏幕中的二維坐標數(shù)據(jù)，根據(jù)所述的二維坐標數(shù)據(jù)對所述 的不可見光標志點進行識別，獲取不可見光標志點在現(xiàn)實環(huán)境的三維坐標與
在屏幕中的二維坐標的映射，最后在步驟S205根據(jù)所述的映射計算出所述攝 像機的姿態(tài)。 實施例1
基于投影標志點的三維注冊方法需要在現(xiàn)實環(huán)境中放置一個標志點產(chǎn)生 裝置。該裝置由大功率的紅外激光管組成，用于在環(huán)境中產(chǎn)生紅外標志點。 用于跟蹤的攝像機需要在鏡頭前加裝一塊紅外濾光片，用于拍攝紅外投影標 志點以獲得標志點的屏幕坐標信息。標志點產(chǎn)生器將紅外激光管產(chǎn)生的激光 投射到諸如天花板、墻壁等地方。跟蹤時，加裝紅外濾光片的攝像機探測標 志點以獲得它們在屏幕中的二維位置。進而進行標志點的識別和攝像機姿態(tài) 的計算。
投影標志點產(chǎn)生器的外觀如圖4所示。包括一底座303，支架302，紅外 激光管301，方向調(diào)節(jié)單元304。在支架302上順序安裝數(shù)枚大功率的紅外激 光管301。支架302和底座303上安裝有控制電路以及電源等裝置(圖未示)。 紅外發(fā)射裝置的工作流程圖如圖3所示每個紅外激光管301均通過控制電路 與電源連接，控制電路用于控制紅外激光管301的亮滅，其工作狀態(tài)與計算 機完全分離。電源與控制電路相連，并輸出9V的直流電。標志點產(chǎn)生器的方 向調(diào)節(jié)單元304，用于調(diào)節(jié)紅外線的投影方向，如圖5所示，在本實施例中， 紅外激光管方向調(diào)節(jié)單元304為一關(guān)節(jié)軸承，將紅外激光管502插入關(guān)節(jié)軸 承501中，利用關(guān)節(jié)軸承501控制激光管投射方向。
標志點產(chǎn)生器的作用就是按照預先設(shè)計好的模式產(chǎn)生出投影標志點。標 志點產(chǎn)生器由大功率的紅外激光管組成。攝像機鏡頭前加裝紅外濾光片用來 探測紅外標志點。系統(tǒng)工作示意圖如圖6所示，三維注冊流程如下首先將 標志點產(chǎn)生器放置在某個位置，打開產(chǎn)生器將標志點投影到攝像機可見的地 方。在步驟S401攝像機釆集場景的圖像，接著在步驟S402將圖像傳入計算
機，程序首先將采集到的圖像進行二值化以減少圖像中的噪聲對注冊結(jié)果的
影響，然后在步驟S403對二值化后的圖像進行逐行的掃描，從中尋找投影標 志點，尋找完畢獲得一定數(shù)量的標志點序列，然后在步驟S404采用幾何計算 的方法識別各個標志點，在步驟S405從而獲得它們的二維屏幕坐標和預先設(shè) 定好的三維世界坐標之間的對應(yīng)關(guān)系，進而在步驟S406計算攝像機的姿態(tài)完 成三維注冊。
圖7是拍攝紅外圖像的攝像機拍攝到的投影標志點的圖像。圖中的圓點
就是經(jīng)過紅外濾光片后激光投影標志點在屏幕上成的像。 一個具體的標志點識別過程如下
五個較小圓點為激光投影標志點在屏幕中所成的像(圖像為黑白圖像， 圖7只是為了方便說明問題，也就是說，所有的較小圓點在屏幕中為白色圓 點，而其他區(qū)域在屏幕中均為黑色)，在獲得標志點序列即途中5個較小圓 點的二維屏幕坐標，識別過程如下首先計算5個較小圓點兩兩之間的距離， 距離最近者為1號點和輔助識別點，然后計算將5個較小圓點的屏幕坐標相 加取平均值，獲得其重心的坐標，即圖中較大圓點的坐標，兩兩距離最近的 兩個點之中距離較大圓點較遠的點即為1號點，至此完成了對1號點的識別。 找到l號點之后，逆時針尋找即可分別確定2， 3， 4號點，從而將屏幕中外 觀上毫無分別的5個較小圓點加以區(qū)分，完成了識別的過程。
實施例2
圖8是本發(fā)明實施例應(yīng)用示意圖。首先將標志點產(chǎn)生器801放置在房間 角落等合適的位置上，啟動標志點產(chǎn)生裝置801將紅外激光照射到室內(nèi)天花 板上，這樣在產(chǎn)生裝置的控制下，墻壁以及天花板上就會出現(xiàn)的標志點802。 然后系統(tǒng)啟動，用戶804頭戴光學透視式頭盔顯示器或者手持平板電腦在室 內(nèi)自由的走動，用戶頭部的跟蹤裝置803裝有1號和2號兩個攝像機805， 其中2號攝像機鏡頭前加裝紅外濾光片，用來拍攝紅外標志點802以確定用 戶頭部姿態(tài)。1號攝像機安裝在用戶頭部直接拍攝前方真實景物，二者將獲
得的圖像同時傳入計算機，計算機首先從紅外圖像中探測被跟蹤到的標志點， 并利用它們的世界坐標以及屏幕坐標計算攝像機的姿態(tài)，進而確定用戶頭部 的姿態(tài)。然后，計算機就可以向1號攝像機拍攝的真實景物圖像上疊加虛擬 的信息。完成圖像的疊加之后，利用顯示設(shè)備將最終增強后的圖像呈現(xiàn)給用 戶。
本發(fā)明專利和現(xiàn)有的技術(shù)相比具有如下特點采用大功率的紅外激光管 用產(chǎn)生投影標志點，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的三維注冊；投影標志點具有人眼不可見
的特點，從而不會給觀察者帶來任何視覺上的影響，而且消除了可見光標志
點對現(xiàn)有環(huán)境的破壞；由于標志點的光譜位于紅外區(qū)域，所以避免了全光譜 的發(fā)光體對探測標志點的過程的干擾。
本發(fā)明專利具有定位精度高、標志點跟蹤穩(wěn)定、搭建簡便、可在任意不 便放置標志點的環(huán)境中實現(xiàn)的特點。有效的解決了現(xiàn)有基于可見光標志點的 三維注冊方法的諸多問題。
以上具體實施方式
僅用于說明本發(fā)明，而非用于限定本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種基于標志點的增強現(xiàn)實三維注冊方法，其特征是，所述方法包括以下步驟生成不可見光標志點；將生成的不可見光標志點投影到現(xiàn)實環(huán)境的承載面上；采用具有不可見光濾光片的攝像機對投影在承載面上的不可見光標志點進行拍攝，獲取所述不可見光標志點在屏幕中的二維坐標數(shù)據(jù)；根據(jù)所述的二維坐標數(shù)據(jù)對所述的不可見光標志點進行識別，獲取不可見光標志點在現(xiàn)實環(huán)境的三維坐標與在屏幕中的二維坐標的映射；根據(jù)所述的映射計算出所述攝像機的姿態(tài)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的不可見光標志點為紅外 線標志點；所述的不可見光濾光片為紅外濾光片。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的生成不可見光標志點是 指按照預先設(shè)定的模式生成多個不可見光標志點。
4. 一種基于標志點的增強現(xiàn)實三維注冊系統(tǒng)，其特征是，所述系統(tǒng)包括 不可見光標志點生成裝置，用于生成不可見光標志點，并將生成的不可見光標志點投影到現(xiàn)實環(huán)境的承載面上；攝像機，該攝像機具有不可見光濾光片，用于對投影在承載面上的不可見 光標志點進行拍攝，并輸出圖象數(shù)據(jù)；計算機，用于接收所述攝像機輸出的圖象數(shù)據(jù)，并且該計算機進一步包括:圖像采集及處理單元，用于根據(jù)圖象數(shù)據(jù)獲取所述不可見光標志點在屏幕 中的二維坐標數(shù)據(jù)；識別單元，用于根據(jù)所述的二維坐標數(shù)據(jù)對所述的不可見光標志點進行識 別，獲取不可見光標志點在現(xiàn)實環(huán)境的三維坐標與在屏幕中的二維坐標的映射;姿態(tài)計算及輸出單元，用于根據(jù)所述的映射計算出所述攝像機的姿態(tài)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的不可見光標志點為紅外線標志點；所述的不可見光濾光片為紅外濾光片。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的不可見光標志點生成裝 置包括多個紅外激光管、控制開關(guān)和電源；其中每個紅外激光管均通過所述的控制開關(guān)與電源連接，控制開關(guān)用于控制紅 外激光管的亮滅。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的不可見光標志點生成裝 置包括紅外激光管方向調(diào)節(jié)單元，用于調(diào)節(jié)紅外線的投影方向。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于標志點的增強現(xiàn)實三維注冊方法和系統(tǒng)，所述方法包括以下步驟生成不可見光標志點；將生成的不可見光標志點投影到現(xiàn)實環(huán)境的承載面上；采用具有不可見光濾光片的攝像機對投影在承載面上的不可見光標志點進行拍攝，獲取所述不可見光標志點在屏幕中的二維坐標數(shù)據(jù)；根據(jù)所述的二維坐標數(shù)據(jù)對所述的不可見光標志點進行識別，獲取不可見光標志點在現(xiàn)實環(huán)境的三維坐標與在屏幕中的二維坐標的映射；根據(jù)所述的映射計算出所述攝像機的姿態(tài)。用以使標志點搭建簡便，跟蹤穩(wěn)定，提高定位精度。
文檔編號G06T7/00GK101339654SQ20071011826
公開日2009年1月7日 申請日期2007年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月4日
發(fā)明者艷 孟, 暉 李, 雷錦超, 魏舜儀 申請人:北京威亞視訊科技有限公司