一种面向增强现实装配的全景三维注册系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种面向增强现实装配的全景三维注册系统及方法，属于增强现实技术领域，解决了现有技术中注册错误率高、应用环境尺寸小、照明要求高、算法计算量高、定位精度低的问题。包括：iGPS发射器，用于发射扇面激光；iGPS基准尺，用于对测量坐标系进行标定；iGPS矢量传感器，用于接收发射器发出的激光信号；iGPS工作站，用于求取iGPS矢量传感器中激光信号接收点的坐标；摄像终端，用于获取现实场景图像；计算及显示终端，用于将虚拟信息进行坐标变换，并叠加在现实场景图像中。本发明专利技术无需进行特征识别，可实现所有尺寸产品、视野角度、任何照明环境的全景三维注册；同时，算法计算量低，定位精度为0.2mm，可应用于增强现实装配过程的精确展示。

【技术实现步骤摘要】
一种面向增强现实装配的全景三维注册系统及方法
本专利技术涉及增强现实
，尤其涉及一种面向增强现实装配的全景三维注册系统及方法。
技术介绍
增强现实是随着虚拟现实技术发展起来的一种新的交互技术，它将虚拟信息实时叠加在真实环境中，从而给人一种虚实融合的视觉感受。增强现实装配指的是将增强现实技术运用于装配现场，以进行装配引导、提示以及纠错的过程。三维注册方法指如何确定虚拟场景与现实环境坐标系之间的变换关系，并将变换后的虚拟信息叠加在现实图像上。传统的增强现实装配三维注册方法主要有基于视觉的三维注册方法与基于地理定位的三维注册方法。其中，基于视觉的三维注册方法，如“扫码增强现实”产品，主要依靠摄像头对装配场景中的标志物进行特征识别，并计算标识物的位置、姿态，从而得到虚拟与现实环境坐标系之间的变换关系，并将变换后的虚拟信息叠加在现实图像上。基于视觉的三维注册方法定位精度为毫米级，可以实现装配过程的精确展示，但是存在以下问题：(1)识别注册错误率高。当待识别标志物的关键特征存在遮挡时，容易导致标志物无法识别；当待识别标志物与其他标识物存在相似特征时，容易发生特征识别匹配错误。(2)应用对象尺寸小。必须保证标识物在拍摄图像中占有一定尺寸，使其拥有足够像素用于特征识别，只能用于中小尺寸产品、部分视野角度的增强现实三维注册过程。(3)照明要求高。必须保证装配环境中有足够照明，以支持标识物通过摄像头进行特征识别。(4)算法计算量高。计算过程需要对拍摄图像中所有的像素点进行离散分析，对计算设备的性能要求高，三维注册过程容易出现卡顿。同时，基于地理定位的三维注册方法，如“PokemonGo”产品，采用增强现实摄像设备所自带的GPS、重力、角度等传感器，来感知摄像设备的位置、姿态，从而得到虚拟与现实环境坐标系之间的转换关系。但基于地理定位的三维注册方法其定位精度只有米级，无法精确展示产品的装配过程。
技术实现思路
鉴于上述的分析，本专利技术旨在提供一种面向增强现实装配的全景三维注册系统及方法，用以解决现有增强现实装配三维注册方法存在的注册错误率高、应用环境尺寸小、照明要求高、算法计算量高、定位精度低的问题。本专利技术的目的主要是通过以下技术方案实现的：一方面，提供了一种面向增强现实装配的全景三维注册系统，包括：iGPS发射器、iGPS基准尺、iGPS矢量传感器、iGPS工作站、摄像终端、计算及显示终端；所述iGPS发射器，用于发射扇面激光；所述iGPS基准尺，用于对测量坐标系进行标定；所述iGPS矢量传感器，包含两个激光信号接收点，用于接收发射器发出的激光信号，并传输给所述iGPS工作站；所述iGPS工作站，对接收到的激光信号进行处理，求取上述激光信号接收点在测量坐标系中的坐标，并传输给所述计算及显示终端；所述摄像终端，与所述iGPS矢量传感器固定连接，用于获取现实场景图像，并传输给所述计算及显示终端；所述计算及显示终端，用于接收上述激光信号接收点坐标及现实场景图像，并根据虚拟信息与现实环境坐标系之间的变换关系，将虚拟信息进行坐标变换后，叠加在现实场景图像中。本专利技术有益效果如下：(1)识别注册准确。本专利技术通过iGPS激光定位确定摄像设备位置、姿态，无需进行特征识别；实现装配环境中无标识物的全景精确三维注册。(2)实现全景三维注册。本专利技术通过外部测量确定摄像设备位置、姿态，对拍摄图像不做要求，可实现所有尺寸产品、视野角度的全景三维注册。(3)无照明要求。本专利技术无需通过机器视觉识别标志物，可以适用于任何照明环境。(4)算法计算量低。本专利技术计算过程不涉及图像处理、特征提取、匹配等过程，算法计算量低。(5)定位精度高。本专利技术所使用的iGPS测量设备定位精度为0.2mm，可应用于增强现实装配过程的精确展示。在上述方案的基础上，本专利技术还做了如下改进：进一步，所述iGPS矢量传感器的数量为两个，且两个iGPS矢量传感器呈一定夹角放置。进一步，还包括：用以固定连接iGPS矢量传感器与摄像终端的固定架。进一步，所述iGPS发射器固定安装在装配现场，以固定频率旋转发射扇面激光；所述iGPS发射器的数量不少于四台。进一步，所述工作站，将接收到的激光信号转化为数字化的角度信息，再通过角度交会方法及三角测量原理计算iGPS矢量传感器中激光信号接收点的坐标。另一方面，提供了一种面向增强现实装配的全景三维注册方法，包括以下步骤：步骤S1、在装配现场四周布置四台iGPS发射器、iGPS基准尺、两个iGPS矢量传感器、iGPS工作站、计算及显示终端；使用iGPS基准尺对iGPS测量网络进行标定，建立测量坐标系；将两个iGPS矢量传感器放置在设计坐标系的已知位置，记录两个iGPS矢量传感器上四个激光信号接收点在设计坐标系中的坐标Pw0_i；并求取两个iGPS矢量传感器上四个激光信号接收点的测量坐标系坐标Pm0_i；i取1……4；步骤S2、将上述获取的四个激光信号接收点的坐标Pw0_i、Pm0_i代入设计坐标系与测量坐标系之间的转换公式中，求得测量坐标系与设计坐标系之间的变换矩阵Hwm；步骤S3、将两个iGPS矢量传感器从步骤S1中放置的位置取下，与摄像终端一起安装在固定架上；记录iGPS矢量传感器的四个激光信号接收点在摄像设备坐标系中的坐标Pc_i；并实时求取iGPS矢量传感器上四个激光信号接收点的测量坐标系坐标Pm_i；步骤S4、将上述实时获取的Pc_i、Pm_i及测量坐标系与设计坐标系之间的变换矩阵Hwm代入摄像设备坐标系、设计坐标系、测量坐标系之间的转换公式中，求得当前摄像终端获取第k帧图像时的摄像设备坐标系与设计坐标系之间变换矩阵Hcw(k)；步骤S5、根据摄像设备成像原理，求取投影矩阵Hsc；步骤S6、实时将增强现实装配设计的虚拟信息第k帧图像中的各像素点坐标P′w(X′w，Y′w，Z′w)及上述求取的第k帧图像的摄像设备坐标系与设计坐标系之间变换矩阵Hcw(k)，代入显示器坐标系与设计坐标系之间的转换公式中，可以得到各像素点在显示器坐标系中的坐标P′s(Xs，Ys)，并叠加在摄像头获取的视频图像上。本专利技术有益效果如下：该方法无需进行特征识别，可实现所有尺寸产品、视野角度、任何照明环境的全景三维注册。该方法计算过程不涉及图像处理、特征提取、匹配等过程，算法计算量低，定位精度为0.2mm，可应用于增强现实装配过程的精确展示。在上述方案的基础上，本专利技术还做了如下改进：进一步，所述设计坐标系与测量坐标系之间的转换关系为：式中，Pw(Xw，Yw，Zw)为点P在设计坐标系中的坐标，Pm(Xm，Ym，Zm)为点P在测量坐标系中的坐标，Hwm为测量坐标系与设计坐标系之间的变换矩阵；为设计坐标系旋转矩阵，为设计坐标系平移向量。进一步，所述摄像设备坐标系、设计坐标系、测量坐标系之间的转换关系为：式中，Pc(Xc，Yc，Zc)为点P在摄像设备坐标系中的坐标、Pw(Xw，Yw，Zw)为点P在设计坐标系中的坐标、Pm(Xm，Ym，Zm)为点P在测量坐标系中的坐标；Hcw为摄像设备坐标系与设计坐标系之间的变换矩阵；为摄像设备坐标系旋转矩阵，为摄像设备坐标系平移向量。进一步，所述投影矩阵Hsc为：式中，f为摄像设备的焦距参数，dx、dy表示显示器在X轴与Y轴方向的放缩比例，表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向增强现实装配的全景三维注册系统，其特征在于，包括：iGPS发射器、iGPS基准尺、iGPS矢量传感器、iGPS工作站、摄像终端、计算及显示终端；所述iGPS发射器，用于发射扇面激光；所述iGPS基准尺，用于对测量坐标系进行标定；所述iGPS矢量传感器，包含两个激光信号接收点，用于接收发射器发出的激光信号，并传输给所述iGPS工作站；所述iGPS工作站，对接收到的激光信号进行处理，求取上述激光信号接收点在测量坐标系中的坐标，并传输给所述计算及显示终端；所述摄像终端，与所述iGPS矢量传感器固定连接，用于获取现实场景图像，并传输给所述计算及显示终端；所述计算及显示终端，用于接收上述激光信号接收点坐标及现实场景图像，并根据虚拟信息与现实环境坐标系之间的变换关系，将虚拟信息进行坐标变换后，叠加在现实场景图像中。

【技术特征摘要】
1.一种面向增强现实装配的全景三维注册系统，其特征在于，包括：iGPS发射器、iGPS基准尺、iGPS矢量传感器、iGPS工作站、摄像终端、计算及显示终端；所述iGPS发射器，用于发射扇面激光；所述iGPS基准尺，用于对测量坐标系进行标定；所述iGPS矢量传感器，包含两个激光信号接收点，用于接收发射器发出的激光信号，并传输给所述iGPS工作站；所述iGPS工作站，对接收到的激光信号进行处理，求取上述激光信号接收点在测量坐标系中的坐标，并传输给所述计算及显示终端；所述摄像终端，与所述iGPS矢量传感器固定连接，用于获取现实场景图像，并传输给所述计算及显示终端；所述计算及显示终端，用于接收上述激光信号接收点坐标及现实场景图像，并根据虚拟信息与现实环境坐标系之间的变换关系，将虚拟信息进行坐标变换后，叠加在现实场景图像中。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述iGPS矢量传感器的数量为两个，且两个iGPS矢量传感器呈一定夹角放置。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括：用以固定连接iGPS矢量传感器与摄像终端的固定架。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述iGPS发射器固定安装在装配现场，以固定频率旋转发射扇面激光；所述iGPS发射器的数量不少于四台。5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述工作站，将接收到的激光信号转化为数字化的角度信息，再通过角度交会方法及三角测量原理计算iGPS矢量传感器中激光信号接收点的坐标。6.一种面向增强现实装配的全景三维注册方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、在装配现场四周布置四台iGPS发射器、iGPS基准尺、两个iGPS矢量传感器、iGPS工作站、计算及显示终端；使用iGPS基准尺对iGPS测量网络进行标定，建立测量坐标系；将两个iGPS矢量传感器放置在设计坐标系的已知位置，记录两个iGPS矢量传感器上四个激光信号接收点在设计坐标系中的坐标Pw0_i；并求取两个iGPS矢量传感器上四个激光信号接收点的测量坐标系坐标Pm0_i；i取1……4；步骤S2、将上述获取的四个激光信号接收点的坐标Pw0_i、Pm0_i代入设计坐标系与测量坐标系之间的转换公式中，求得测量坐标系与设计坐标系之间的变换矩阵Hwm；步骤S3、将两个iGPS矢量...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹传豪，郭建华，王超凡，胡建中，蒋科，
申请(专利权)人：北京机械设备研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11