本公開總體上涉及人機(jī)交互領(lǐng)域，具體涉及一種位姿識(shí)別裝置及安裝此裝置的虛擬現(xiàn)實(shí)顯示裝置以及虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目標(biāo)物體的姿態(tài)及其運(yùn)動(dòng)檢測(cè)是常用于人機(jī)交互領(lǐng)域的一種技術(shù)。在現(xiàn)有的目標(biāo)物體姿態(tài)及其運(yùn)動(dòng)檢測(cè)設(shè)備中，頭部姿勢(shì)變化或者運(yùn)動(dòng)通常關(guān)聯(lián)相應(yīng)的具體功能實(shí)現(xiàn)。其次，虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中畫面的視角顯示也依賴于目標(biāo)物體的姿態(tài)及其運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。因此，精確地采集目標(biāo)物體姿態(tài)及其運(yùn)動(dòng)成為虛擬現(xiàn)實(shí)裝置中非常重要的一環(huán)。

當(dāng)前，主要存在兩種檢測(cè)目標(biāo)物體姿態(tài)的技術(shù)。一種是利用傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)傳感器檢測(cè)目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)來獲得目標(biāo)物體的姿態(tài)。例如：通過三軸加速度計(jì)，三軸陀螺儀和三軸地磁計(jì)來實(shí)現(xiàn)慣性姿態(tài)的檢測(cè)。另一種是圖像技術(shù)，其包括采用光學(xué)雷達(dá)技術(shù)或者外置攝像頭對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)裝置上的發(fā)光點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)定位。

傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)傳感器檢測(cè)方法由于誤差的累計(jì)往往存在長(zhǎng)時(shí)間零位飄移的問題。同時(shí)，采用慣性姿態(tài)檢測(cè)也無法解決目標(biāo)物體在一個(gè)空間內(nèi)移動(dòng)的情況。采用外置攝像頭對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)裝置上檢測(cè)定位的缺點(diǎn)在于，由于虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備上的發(fā)光點(diǎn)距離較近，導(dǎo)致位置檢測(cè)精度差，存在盲區(qū)。例如，當(dāng)目標(biāo)物體背對(duì)攝像頭時(shí)，則無法檢測(cè)，因此檢測(cè)范圍小。同時(shí)，額外設(shè)置外置攝像頭不僅導(dǎo)致設(shè)備成本的提高，而且大大增加線路接線和設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的難度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷或不足，期望提供一種位姿識(shí)別裝置以及安裝此裝置的虛擬現(xiàn)實(shí)(VR,virtual real ity)顯示裝置、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)以期解決運(yùn)動(dòng)傳感器檢測(cè)中長(zhǎng)時(shí)間零位飄移的問題以及采用外置攝像頭帶來的圖像技術(shù)檢測(cè)盲區(qū)等問題。

第一方面，本發(fā)明提供一種位姿識(shí)別裝置，包括：

安置于目標(biāo)物體上的圖像采集單元，配置用以在所述目標(biāo)物體處于初始位置和初始姿態(tài)時(shí)采集分布在預(yù)定形狀的面上的多個(gè)標(biāo)記的初始圖像，以及實(shí)時(shí)地采集所述多個(gè)標(biāo)記的實(shí)時(shí)圖像；

處理和計(jì)算單元，配置用以基于所述初始圖像和實(shí)時(shí)圖像、所述面的預(yù)定形狀以及所述目標(biāo)物體的初始位置和初始姿態(tài)計(jì)算所述目標(biāo)物體的實(shí)時(shí)位置及實(shí)時(shí)姿態(tài)。

第二方面，本發(fā)明提供一種虛擬現(xiàn)實(shí)顯示裝置，用于佩戴在目標(biāo)物體上以根據(jù)目標(biāo)物體的位姿顯示相應(yīng)畫面，包括上述位姿識(shí)別裝置，配置用于獲取所述目標(biāo)物體的實(shí)時(shí)位置和實(shí)時(shí)姿態(tài)；以及顯示組件，配置用以顯示根據(jù)所述目標(biāo)物體的實(shí)時(shí)位置及實(shí)時(shí)姿態(tài)而生成的畫面。

第三方面，本發(fā)明還提供一種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，用于根據(jù)目標(biāo)物體的位姿顯示相應(yīng)畫面，包括:上述虛擬現(xiàn)實(shí)顯示裝置，以及與所述位姿識(shí)別裝置的處理和計(jì)算單元通信的上位機(jī)單元，配置用以根據(jù)來自所述處理和計(jì)算單元的所述目標(biāo)物體的實(shí)時(shí)位置及實(shí)時(shí)姿態(tài)生成相應(yīng)的畫面，并將所述畫面?zhèn)魉徒o所述虛擬現(xiàn)實(shí)顯示裝置。

根據(jù)本申請(qǐng)實(shí)施例提供的技術(shù)方案，通過圖像采集單元以及處理和計(jì)算單元的配合使用，解決了現(xiàn)有技術(shù)中采用慣性姿態(tài)檢測(cè)無法檢測(cè)目標(biāo)物體空間內(nèi)移動(dòng)的情況，同時(shí)，由于本發(fā)明中不需要額外設(shè)置外置攝像頭對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)顯示裝置上的發(fā)光點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)定位。因此，檢測(cè)盲區(qū)問題，連接線路復(fù)雜以及后續(xù)運(yùn)行維護(hù)難等問題都可以避免。使得本公開的位姿識(shí)別裝置的檢測(cè)精度更高，設(shè)備成本低，處理速度快。進(jìn)一步的，根據(jù)本申請(qǐng)的某些實(shí)施例，如通過微處理器的設(shè)置，還能解決因?yàn)槎嘈盘?hào)傳輸帶來的信號(hào)丟失及其處理速度慢等問題，從而獲得更高的檢測(cè)效率和檢測(cè)精確。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖所作的對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本申請(qǐng)的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1a為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例一的位姿識(shí)別裝置的示意性框圖；

圖1b為圖1a所示位姿識(shí)別裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2a為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例二的位姿識(shí)別裝置的示意性框圖；

圖2b和圖2c分別為圖2a所示位姿識(shí)別裝置的兩個(gè)示例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3a為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例三的虛擬現(xiàn)實(shí)顯示裝置的示意性框圖；

圖3b示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例三的虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡；

圖4為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例四的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的示意性框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本申請(qǐng)作進(jìn)一步的詳細(xì)說明?？梢岳斫獾氖?，此處所描述的具體實(shí)施例僅用于解釋相關(guān)發(fā)明，而非對(duì)該發(fā)明的限定。另外還需要說明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與發(fā)明相關(guān)的部分。

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來詳細(xì)說明本申請(qǐng)。

首先參照?qǐng)D1a-1b以及圖2a-2c介紹根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的位姿識(shí)別裝置1，該位姿識(shí)別裝置用于安裝在目標(biāo)物體上以實(shí)時(shí)地識(shí)別該目標(biāo)物體的空間位置和姿態(tài)。例如，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的位姿識(shí)別裝置1可以佩戴在人的頭部，用于實(shí)時(shí)地獲取人頭部的位置和姿態(tài)。

圖1a、1b示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例一的位姿識(shí)別裝置1A。

如圖1a和1b所示，位姿識(shí)別裝置1A包括可安置于目標(biāo)物體10上的圖像采集單元11以及處理和計(jì)算單元13。圖像采集單元11采集目標(biāo)物體10處于初始位置和初始姿態(tài)時(shí)分布在預(yù)定形狀的面12上的多個(gè)標(biāo)記14的初始圖像以及實(shí)時(shí)地采集多個(gè)標(biāo)記14的實(shí)時(shí)圖像。處理和計(jì)算單元13基于圖像采集單元11采集的初始圖像以及實(shí)時(shí)圖像、所述面12的預(yù)定形狀和目標(biāo)物體10的初始位置和初始姿態(tài)計(jì)算出所述目標(biāo)物體10的實(shí)時(shí)位置及實(shí)時(shí)姿態(tài)。

通過圖像采集單元11以及處理和計(jì)算單元13的配合使用，解決了現(xiàn)有技術(shù)中采用慣性姿態(tài)檢測(cè)無法檢測(cè)目標(biāo)物體10在空間內(nèi)移動(dòng)的情況的問題。同時(shí)，由于本發(fā)明中不需要額外設(shè)置外置攝像頭對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)顯示裝置上的發(fā)光點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)定位，因此，檢測(cè)盲區(qū)問題，連接線路復(fù)雜以及后續(xù)運(yùn)行維護(hù)難等問題都可以避免。

面12的預(yù)定形狀可以為平面、曲面(例如球面、拋物面)或任意平面和/或曲面的組合，只要該預(yù)定形狀是已知。同時(shí)，面12可以是建筑中已經(jīng)存在的面，例如天花板、墻面、穹頂之類的，但是也可以是專門添設(shè)的面，例如投影幕布。此外，應(yīng)該注意的是，本發(fā)明并不限于實(shí)體的面12，面12也可以是虛擬的空間概念上的面。例如從屋頂垂掛下來多盞燈用于發(fā)光提供多個(gè)標(biāo)記14，這時(shí)，多盞燈所處的空間位置的集合即表征出面12。

多個(gè)標(biāo)記14可以為安裝在墻面或天花板或其它適合的面12上的燈具、煙霧報(bào)警器、開關(guān)、壁畫或其他類似的實(shí)體物體，也可以是發(fā)光或反射光而形成的標(biāo)記。多個(gè)標(biāo)記14不均勻地分布于12面上。

在本實(shí)施例中，圖像采集單元可以包括CCD(Charged Coupled Device)圖像傳感器、CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)圖像傳感器或者任何其他類型的適合的圖像傳感器。

參考圖1a，處理和計(jì)算單元13可以進(jìn)一步包括圖像處理單元131和位姿計(jì)算單元132。本公開中的處理和計(jì)算單元13可以通過如下方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體10的實(shí)時(shí)位置和姿態(tài)計(jì)算：

圖像處理單元131從初始圖像中提取多個(gè)標(biāo)記14在該圖像中的初始二維坐標(biāo)和從實(shí)時(shí)圖像中提取多個(gè)標(biāo)記14在該圖像中的實(shí)時(shí)二維坐標(biāo)。位姿計(jì)算單元132接收來自所述圖像處理單元131的初始二維坐標(biāo)和實(shí)時(shí)二維坐標(biāo)。位姿計(jì)算單元132識(shí)別多個(gè)標(biāo)記14，以建立所述實(shí)時(shí)圖像中的多個(gè)標(biāo)記14與初始圖像中的多個(gè)標(biāo)記14的對(duì)應(yīng)關(guān)系。然后基于所述對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算多個(gè)標(biāo)記14的實(shí)時(shí)二維坐標(biāo)與初始二維坐標(biāo)之間的仿射矩陣以及根據(jù)所述仿射矩陣以及目標(biāo)物體10的初始位置和初始姿態(tài)，位姿計(jì)算單元132計(jì)算出目標(biāo)物體10的實(shí)時(shí)位置和實(shí)時(shí)姿態(tài)。

圖像處理單元131與圖像采集單元11可以集成在能夠佩戴在目標(biāo)物體10上的支架上。

在一些示例中，位姿計(jì)算單元132可以形成為與圖像處理單元131和圖像采集單元11分立的部件。位姿計(jì)算單元132可以通過有線或無線的方式與圖像處理單元131連接。這里，無線連接的方式包括但不限于藍(lán)牙、Wi-Fi、RFID、ZigBee等。這種情況下，位姿計(jì)算單元132可以集成在上述支架上，或者也可以不集成在支架上。例如，除了佩戴在目標(biāo)物體10上的部分之外，位姿識(shí)別裝置1還可以包括與該部分有線或無線通訊的“主機(jī)”部分，位姿計(jì)算單元132可以集成在該“主機(jī)”部分中。這種情況下，可以減輕佩戴在目標(biāo)物體10上的部件的重量，提高使用的輕便性和舒適性。

在另一些示例中，處理和計(jì)算單元13的圖像處理單元131和位姿計(jì)算單元132可以用一個(gè)植入算法的微處理器實(shí)現(xiàn)。該微處理器與圖像采集單元11為分立元件且例如通過支架固定設(shè)置于目標(biāo)物體10上。微處理器接收?qǐng)D像采集單元11采集的初始圖像以及實(shí)時(shí)圖像，并且通過算法識(shí)別初始圖像與實(shí)時(shí)圖像中多個(gè)標(biāo)記14的初始二維坐標(biāo)及其實(shí)時(shí)二維坐標(biāo)，并且基于多個(gè)標(biāo)記14的初始二維坐標(biāo)及其實(shí)時(shí)二維坐標(biāo)、面12的預(yù)定形狀以及目標(biāo)物體10的初始位置和初始姿態(tài)計(jì)算目標(biāo)物體10的實(shí)時(shí)位置及實(shí)時(shí)姿態(tài)。采用微處理器一體實(shí)現(xiàn)圖像處理單元131和位姿計(jì)算單元132可以避免因?yàn)閳D像處理單元131跟位姿計(jì)算單元132通信過程中帶來的信號(hào)缺失或者因?yàn)樾盘?hào)屏蔽導(dǎo)致圖像處理單元131不能及時(shí)地將信號(hào)傳輸給位姿計(jì)算單元132。同時(shí)，通過在微處理器中植入算法程序，圖像處理的效率更高，從而盡量減少圖像采集到圖像計(jì)算這個(gè)時(shí)間差造成的實(shí)時(shí)位姿計(jì)算的延遲。

以下通過一個(gè)具體示例對(duì)位姿識(shí)別裝置1A進(jìn)行示例性的說明：

在本示例中，圖像采集單元11為相機(jī)，所述相機(jī)在預(yù)定三維坐標(biāo)系的X軸的旋轉(zhuǎn)角度為ψ、Y軸的旋轉(zhuǎn)角度為θ，旋轉(zhuǎn)范圍均為(-90°,90°)，即-π/2<θ<π/2,-π/2<ψ<π/2，Z軸的旋轉(zhuǎn)角度為φ，旋轉(zhuǎn)范圍為(-180°,180°)，即預(yù)定形狀的面12優(yōu)選為室內(nèi)的屋頂平面，其中包括4個(gè)標(biāo)記14。

由于相機(jī)佩戴在目標(biāo)物體上，從而隨著目標(biāo)物體變換位姿，所以相機(jī)的X軸的旋轉(zhuǎn)角度為ψ、Y軸的旋轉(zhuǎn)角度為θ、Z軸的旋轉(zhuǎn)角度為φ即為目標(biāo)物體的X軸、Y軸和Z軸的旋轉(zhuǎn)角度，反映出目標(biāo)物體的姿態(tài)變化。

在其它實(shí)施例中，還可根據(jù)實(shí)際需求配置不同的圖像采集單元11、預(yù)定三維坐標(biāo)系及其各軸的旋轉(zhuǎn)角度范圍、面12的預(yù)定形狀及標(biāo)記14的數(shù)量，只要標(biāo)記的數(shù)量不少于4個(gè)，X軸/Y軸的旋轉(zhuǎn)范圍不超過180°，即可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)效果。

具體地，所述相機(jī)在預(yù)定三維坐標(biāo)系的預(yù)定參考位置處采集初始圖像，以供圖像處理單元131從初始圖像中提取各標(biāo)記14在初始圖像中的初始二維坐標(biāo)X₀；

當(dāng)所述相機(jī)隨目標(biāo)物體10改變了位置或姿態(tài)之后，采集實(shí)時(shí)圖像，以供圖像處理單元131從實(shí)時(shí)圖像中提取各標(biāo)記14在實(shí)時(shí)圖像中的實(shí)時(shí)二維坐標(biāo)X₁。

位姿計(jì)算單元132例如通過星敏算法識(shí)別初始圖像和實(shí)時(shí)圖像中的各標(biāo)記14。

識(shí)別出各標(biāo)記14之后，位姿計(jì)算單元132建立實(shí)時(shí)圖像中的各標(biāo)記14與初始圖像中的各標(biāo)記14的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

對(duì)于各標(biāo)記X，分別有：

X₀＝[X₀₁ X₀₂ 1]^T,X₁＝[X₁₁ X₁₂ 1]^T, (1)

其中，X₀₁、X₀₂分別為標(biāo)記X在初始圖像中的二維坐標(biāo)X₀的左右坐標(biāo)，X₁₁、X₁₂分別為標(biāo)記X在實(shí)時(shí)圖像中的二維坐標(biāo)X₁的左右坐標(biāo)；

以及，基于所述對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算所述多個(gè)標(biāo)記14的實(shí)時(shí)二維坐標(biāo)與初始二維坐標(biāo)之間的仿射矩陣：

對(duì)于各組X₀與X₁，分別有：

X₀＝wHX₁, (2)

其中，w為非零常數(shù)因子，H為初始圖像和實(shí)時(shí)圖像關(guān)于預(yù)定形狀的面12的仿射矩陣。

根據(jù)各標(biāo)記14的式(1)和(2)對(duì)仿射矩陣H進(jìn)行求解：

其中，h₁₁、h₁₂、h₁₃、h₂₁、h₂₂、h₂₃、h₃₁、h₃₂分別為仿射矩陣H的解中對(duì)應(yīng)位置的數(shù)值。

仿射矩陣H與目標(biāo)物體10的旋轉(zhuǎn)矩陣[R,t]滿足以下關(guān)系：

其中，r₁₁、r₁₂、t₁、r₂₁、r₂₂、t₂、r₃₁、r₃₂分別為旋轉(zhuǎn)矩陣中對(duì)應(yīng)位置的數(shù)值，t₁、t₂分別為目標(biāo)物體10在X軸/Y軸方向上位移，ψ、θ、φ分別為目標(biāo)物體10從初始位置到實(shí)時(shí)位置發(fā)生的X軸、Y軸和Z軸旋轉(zhuǎn)角度。

通過上述關(guān)系式(4)，可以得到：

r₁₁＝cosθcosφ＝h₁₁ (5)

r₂₁＝cosθsinφ＝h₂₁ (6)

r₁₂＝sinψsinθcosφ-cosψsinφ＝h₁₂ (7)

r₂₂＝sinψsinθsinφ+cosψcosφ＝h₂₂ (8)

t₁＝h₁₃, (9)

t₂＝h₂₃, (10)

位姿計(jì)算單元132通過上述式(5)-(10)，計(jì)算得到目標(biāo)物體10從初始位置到實(shí)時(shí)位置發(fā)生的X軸、Y軸和Z軸旋轉(zhuǎn)角度ψ、θ、φ以及目標(biāo)物體10在X軸/Y軸方向上位移t₁、t₂，從而根據(jù)仿射矩陣H以及所述目標(biāo)物體10的初始位置和初始姿態(tài)，計(jì)算出所述目標(biāo)物體10的實(shí)時(shí)位置和實(shí)時(shí)姿態(tài)。

具體而言，由于-π/2<θ<π/2,-π/2<ψ<π/2,根據(jù)式(5)-(8)求解可得：

同時(shí)，根據(jù)式(5)-(6)求解可得：

其中，θ的正負(fù)符號(hào)根據(jù)所述坐標(biāo)系中坐標(biāo)的增量方向確定，具體地，將任一標(biāo)記X的在初始圖像中的二維坐標(biāo)X₀記為(X₀₁,X₀₂)，在實(shí)時(shí)圖像中的二維坐標(biāo)X₁記為(X₁₁,X₁₂)，再將X₁中繞Z軸的旋轉(zhuǎn)量恢復(fù)到初始值，即將Z軸歸零后的坐標(biāo)記為(X₂₁,X₂₂)，則有：

令X₂₁-X₁₁＞0時(shí)，-π/2<θ<0，X₂₁-X₁₁≤0時(shí)，0≤θ<π/2，代入式(12)，則有：

令a＝sinθ,b＝sinφ,c＝cosφ，代入式(7)-(8)，求解可得：

根據(jù)式(15)求解可得：

此外，根據(jù)式(4)可解得目標(biāo)物體10在X軸/Y軸方向上的位移t₁、t₂，根據(jù)式(4)和相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)矩陣可解得目標(biāo)物體10在Z軸方向上位移t₃，從而最終根據(jù)目標(biāo)物體10繞X軸/Y軸/Z軸的各旋轉(zhuǎn)角度，以及在X軸/Y軸/Z軸方向上的各位移確定目標(biāo)物體10的實(shí)時(shí)位置和實(shí)時(shí)姿態(tài)。

以所述相機(jī)繞X軸旋轉(zhuǎn)30度，保持Y軸，Z軸不動(dòng)、未發(fā)生位移，且標(biāo)記14的數(shù)量為4個(gè)為例，4個(gè)標(biāo)記(A,B,C,D)在初始圖像中的初始二維坐標(biāo)：A₀(400,100)；B₀(600,100)；C₀(600,200)；D₀(400,200)；在實(shí)時(shí)圖像中的實(shí)時(shí)二維坐標(biāo)：A₁(400,86)；B₁(600,86)；C₁(600,173)；D₁(400,173)。

根據(jù)上述裝置和方法求解得到：

最終解得ψ＝29.5°、θ＝0°，φ＝0°，t₁、t₂、t₃均為0。

圖像采集單元11采集多個(gè)標(biāo)記14的初始圖像以及實(shí)時(shí)圖像。圖像處理單元131提取初始圖像和實(shí)時(shí)圖像中多個(gè)標(biāo)記14的二維坐標(biāo)。位姿計(jì)算單元132接收來自圖像處理單元131的多個(gè)標(biāo)記14的初始二維坐標(biāo)和實(shí)時(shí)二維坐標(biāo)。位姿計(jì)算單元132根據(jù)多個(gè)標(biāo)記14的初始二維坐標(biāo)、實(shí)時(shí)二維坐標(biāo)以及目標(biāo)物體10的初始位置和姿勢(shì)計(jì)算出目標(biāo)物體10的實(shí)時(shí)位置和姿勢(shì)。

圖2a-2c示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例二的位姿識(shí)別裝置，其中圖2a為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例二的位姿識(shí)別裝置的示意性框圖，圖2b和圖2c分別示出了兩個(gè)示例。

如圖2a所示，根據(jù)實(shí)施例二的位姿識(shí)別裝置1B與根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例一的位姿識(shí)別裝置基本上相同，不同之處在于，如圖2a所示，前者還包括一個(gè)合作標(biāo)記單元15用以產(chǎn)生多個(gè)標(biāo)記14。

在圖2b所示位姿識(shí)別裝置1B中，合作標(biāo)記單元15為星點(diǎn)投射組件151，星點(diǎn)投射組件151發(fā)光以向預(yù)定形狀的面12上投射作為多個(gè)標(biāo)記14的多個(gè)星點(diǎn)(光斑)。星點(diǎn)不均勻地分布于預(yù)定形狀的面12上。

優(yōu)選，星點(diǎn)投射組件151發(fā)射脈沖光。圖像采集單元11優(yōu)選配置為與星點(diǎn)投射組件151的脈沖光同步地進(jìn)行圖像采集。由于圖像采集單元11采用CMOS/CCD圖像傳感器能夠以每秒幾十幀到上百幀的拍攝速度進(jìn)行拍攝，所以在星點(diǎn)投射組件151采用連續(xù)光源的情況下，在曝光過程中，如果目標(biāo)物體10產(chǎn)生了快速運(yùn)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致所拍攝的星點(diǎn)拉線，進(jìn)而影響星點(diǎn)的檢測(cè)精度。若星點(diǎn)投射組件151采用脈沖光進(jìn)行星點(diǎn)投射，由于發(fā)光脈沖較短，在短時(shí)間內(nèi)即使頭部速度較快，圖像采集單元11采集的星點(diǎn)也依然為點(diǎn)狀，不會(huì)產(chǎn)生拉線。同時(shí)，將圖像采集單元11設(shè)置為與星點(diǎn)投射組件151的脈沖光同步，使得圖像傳感器的曝光時(shí)間設(shè)置為等于或者略大于脈沖時(shí)間，這樣可以降低環(huán)境光對(duì)星點(diǎn)的干擾，提高星點(diǎn)檢測(cè)的性噪比。在位姿識(shí)別裝置1剛開始運(yùn)行的時(shí)候，可以通過搜索過程來實(shí)現(xiàn)曝光時(shí)間與合作標(biāo)記單元15脈沖發(fā)光時(shí)刻的同步。本領(lǐng)域技術(shù)人員已知有不同的同步實(shí)現(xiàn)方法，而本發(fā)明并不限于同步的具體實(shí)現(xiàn)方式，因此在此不再贅述。

圖像采集單元11采集不均勻分布于面12上的初始星點(diǎn)圖像(多個(gè)標(biāo)記的初始圖像)。處理和計(jì)算單元13包括圖像處理單元131和位姿計(jì)算單元132。圖像處理單元131提取位于初始星點(diǎn)圖像上面的星點(diǎn)的二維坐標(biāo)并產(chǎn)生一張初始星表。該初始星表包含有所獲得初始星點(diǎn)圖像的所有檢測(cè)出的星點(diǎn)二維坐標(biāo)。然后，通過無線或有線的方式將該星表傳輸給位姿計(jì)算單元132。初始拍攝完成后，圖像采集單元11繼續(xù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將經(jīng)過圖像處理單元131提取的實(shí)時(shí)星點(diǎn)坐標(biāo)通過有線或者無線的方式傳輸給位姿計(jì)算單元132。

位姿計(jì)算單元132在獲得當(dāng)前幀的星點(diǎn)位置以后，可以采用例如星圖匹配算法來識(shí)別出每一個(gè)星點(diǎn)與初始星表中星點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。然后選取當(dāng)前幀和初始星表中共有的星點(diǎn)作為變化后和變化前的點(diǎn)集合，由于頭部的姿態(tài)變化和在空間中的位移，當(dāng)前幀所獲得的星點(diǎn)集合可以視為初始幀的星點(diǎn)集合的仿射變換，因此如以上結(jié)合實(shí)施例一所討論的，通過求解仿射變換矩陣，即可獲得當(dāng)前幀所對(duì)應(yīng)的12面相對(duì)于初始幀所對(duì)應(yīng)的面12的旋轉(zhuǎn)、平移的變化量。由于實(shí)際的星點(diǎn)所在平面和星點(diǎn)位置并沒有變化，該變化量是由于目標(biāo)物體10的運(yùn)動(dòng)引起，所以上述變化量即為目標(biāo)物體10相對(duì)于初始狀態(tài)的位置、姿態(tài)變化量。

圖2c示意性地示出了根據(jù)實(shí)施例二的位姿識(shí)別裝置的另一示例，位姿識(shí)別裝置1B’。如圖2c所示，位姿識(shí)別裝置1B’與位姿識(shí)別裝置1B基本上相同，不同之處在于：位姿識(shí)別裝置1B’中的合作標(biāo)記單元15’包括分布在面12上的發(fā)光組件152，發(fā)光組件152發(fā)光以提供多個(gè)標(biāo)記14。優(yōu)選地，發(fā)光組件152為L(zhǎng)ED組件，所述多個(gè)標(biāo)記14為L(zhǎng)ED組件發(fā)光產(chǎn)生的光點(diǎn)。更優(yōu)選，可以通過控制LED組件的多個(gè)發(fā)光二極管發(fā)射脈沖光，并且設(shè)置圖像采集單元11與所述脈沖光同步地采集標(biāo)記的圖像。在一個(gè)示例中，多個(gè)發(fā)光二極管發(fā)光產(chǎn)生的光點(diǎn)不均勻地分布于面12上，并且后續(xù)處理和計(jì)算單元13的位姿計(jì)算單元132可以例如通過星敏算法識(shí)別各個(gè)標(biāo)記。

以下將結(jié)合圖3a和圖3b介紹根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例三的虛擬現(xiàn)實(shí)顯示裝置2，其用于佩戴在目標(biāo)物體10上以根據(jù)目標(biāo)物體的位姿顯示相應(yīng)畫面。例如可以佩戴在人的頭部，以根據(jù)人的運(yùn)動(dòng)以及頭部的姿態(tài)顯示相應(yīng)的虛擬現(xiàn)實(shí)畫面。

如圖3a所示，虛擬現(xiàn)實(shí)顯示裝置2包括位姿識(shí)別裝置210，以及顯示組件220。位姿識(shí)別裝置210配置用于獲取目標(biāo)物體10的實(shí)時(shí)位置和實(shí)時(shí)姿態(tài)。顯示組件220配置用以顯示根據(jù)目標(biāo)物體10的實(shí)時(shí)位置及實(shí)時(shí)姿態(tài)而生成的畫面。所述畫面可以為單幅的靜態(tài)畫面，也可以為由多幅畫面組成的動(dòng)態(tài)畫面。

虛擬現(xiàn)實(shí)顯示裝置還可以包括支架230,用于將位姿識(shí)別裝置210和顯示組件220支撐在目標(biāo)物體10上。

位姿識(shí)別裝置210可以實(shí)現(xiàn)為根據(jù)上述實(shí)施例一的位姿識(shí)別裝置。具體而言，位姿識(shí)別裝置210可以包括圖像采集單元211以及處理和計(jì)算單元213。圖像采集單元211采集目標(biāo)物體10處于初始位置和初始姿態(tài)時(shí)分布在預(yù)定形狀的面12上的多個(gè)標(biāo)記14的初始圖像以及實(shí)時(shí)地采集多個(gè)標(biāo)記14的實(shí)時(shí)圖像。處理和計(jì)算單元213基于圖像采集單元211采集的初始圖像以及實(shí)時(shí)圖像、所述面12的預(yù)定形狀和目標(biāo)物體10的初始位置和初始姿態(tài)計(jì)算出所述目標(biāo)物體10的實(shí)時(shí)位置及實(shí)時(shí)姿態(tài)。

處理和計(jì)算單元213可以進(jìn)一步包括圖像處理單元2131和位姿計(jì)算單元2132。圖像處理單元2131從初始圖像中提取多個(gè)標(biāo)記14在該圖像中的初始二維坐標(biāo)和從實(shí)時(shí)圖像中提取多個(gè)標(biāo)記14在該圖像中的實(shí)時(shí)二維坐標(biāo)。位姿計(jì)算單元2132接收來自所述圖像處理單元2131的初始二維坐標(biāo)和實(shí)時(shí)二維坐標(biāo)。位姿計(jì)算單元2132識(shí)別多個(gè)標(biāo)記14，以建立所述實(shí)時(shí)圖像中的多個(gè)標(biāo)記14與初始圖像中的多個(gè)標(biāo)記14的對(duì)應(yīng)關(guān)系。然后基于所述對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算多個(gè)標(biāo)記14的實(shí)時(shí)二維坐標(biāo)與初始二維坐標(biāo)之間的仿射矩陣以及根據(jù)所述仿射矩陣以及目標(biāo)物體10的初始位置和初始姿態(tài)，位姿計(jì)算單元2132計(jì)算出目標(biāo)物體10的實(shí)時(shí)位置和實(shí)時(shí)姿態(tài)。

在圖3b所示示例中，虛擬現(xiàn)實(shí)顯示裝置2實(shí)現(xiàn)為虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡。在其它示例中，還可根據(jù)實(shí)際需求將所述虛擬現(xiàn)實(shí)顯示裝置2配置為其它類型的頭戴裝置乃至由若干佩戴組件共同組成的裝置等不同結(jié)構(gòu)的虛擬現(xiàn)實(shí)顯示裝置。

在虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡2中，支架230可以為眼鏡的鏡架；而顯示組件220可以包括顯示屏和投影鏡頭。在圖3b所示示例中，顯示組件220包括：第一顯示屏221、第二顯示屏222、第一投影鏡頭223以及第二投影鏡頭224。第一顯示屏221、第二顯示屏222、第一投影鏡頭223以及第二投影鏡頭224分別對(duì)應(yīng)著人的左眼和右眼布置，第一投影鏡頭223以及第二投影鏡頭224布置為相對(duì)于第一顯示屏221、第二顯示屏222更加靠近人的眼睛。

以下將結(jié)合圖4介紹根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例四的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)3，該系統(tǒng)用于根據(jù)目標(biāo)物體的位姿顯示相應(yīng)畫面。圖4示出了該系統(tǒng)的示意性框圖。

如圖4所示，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)3包括:虛擬現(xiàn)實(shí)顯示裝置32，以及與虛擬現(xiàn)實(shí)顯示裝置32通信的上位機(jī)單元31。上位機(jī)單元31配置用以根據(jù)來自虛擬現(xiàn)實(shí)顯示裝置32中的位姿識(shí)別裝置310的所述目標(biāo)物體的實(shí)時(shí)位置及實(shí)時(shí)姿態(tài)生成相應(yīng)的畫面，并將所述畫面?zhèn)魉徒o所述虛擬現(xiàn)實(shí)顯示裝置32中的顯示組件320，以顯示相應(yīng)的畫面。

虛擬現(xiàn)實(shí)顯示裝置32可以實(shí)現(xiàn)為根據(jù)上述實(shí)施例三的虛擬現(xiàn)實(shí)顯示裝置2，在此不再贅述。

上位機(jī)單元31可以由通用計(jì)算機(jī)構(gòu)成，也可以實(shí)現(xiàn)為專用于該虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)裝置。特別是，上位機(jī)單元31可以實(shí)現(xiàn)為便攜式的主機(jī)裝置，例如，能夠佩戴在人的腰間的小型主機(jī)裝置。本發(fā)明的虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)3并不限于上位機(jī)單元31的具體形式，而只要其能夠提供足夠的運(yùn)算能力，能夠根據(jù)實(shí)時(shí)的位姿生成相應(yīng)的虛擬現(xiàn)實(shí)畫面。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)3還可以包括合作標(biāo)記單元315，用于產(chǎn)生配合根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的虛擬現(xiàn)實(shí)顯示裝置32使用的多個(gè)標(biāo)記。合作標(biāo)記單元315可以實(shí)現(xiàn)為例如結(jié)合圖2b和2c介紹的合作標(biāo)記單元15或合作標(biāo)記單元15’，在此不再贅述。

以上描述僅為本申請(qǐng)的較佳實(shí)施例以及對(duì)所運(yùn)用技術(shù)原理的說明。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本申請(qǐng)中所涉及的發(fā)明范圍，并不限于上述技術(shù)特征的特定組合而成的技術(shù)方案，同時(shí)也應(yīng)涵蓋在不脫離所述發(fā)明構(gòu)思的情況下，由上述技術(shù)特征或其等同特征進(jìn)行任意組合而形成的其它技術(shù)方案。例如上述特征與本申請(qǐng)中公開的(但不限于)具有類似功能的技術(shù)特征進(jìn)行互相替換而形成的技術(shù)方案。