一种用于桌面级虚拟现实系统的标定装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提出一种用于桌面级虚拟现实系统的标定装置和方法，设计了由靶标体、测头、基座组成的标定装置，靶标体上分布有用于视觉定位光靶标点，靶标体可以和测头连接在一起，基座上有圆锥孔。提出了基于标定装置的标定方法，结合视觉定位理论，首先通过建立测头中心位置不变的约束，标定出测头探球在靶标体坐标系下的坐标；然后利用靶标体作为参考物标定出桌面级虚拟现实系统中各相机间的位姿参数；最后通过靶标体的测头与显示器接触，建立虚拟现实系统中视觉坐标系和显示器坐标系间的坐标联系，进而标定出两者的位姿关系。本发明专利技术设计的标定装置和提出的标定方法，满足桌面级虚拟现实系统的标定工作需求，具有操作简单、精度高的优点。

A Calibration Device and Method for Desktop-Level Virtual Reality System

The invention provides a calibration device and method for desktop virtual reality system, and designs a calibration device consisting of a target body, a probe and a base. The target body is distributed with light target points for visual positioning. The target body can be connected with the probe, and a conical hole is arranged on the base. A calibration method based on calibration device is proposed. Combining with visual positioning theory, the coordinates of probe probe probe in target coordinate system are calibrated by establishing constraints of invariant center position of probe. Then the position and attitude parameters of cameras in desktop virtual reality system are calibrated by using target as reference object. Finally, the virtual image is established by contacting the probe of target with the display. The coordinate relationship between the visual coordinate system and the display coordinate system in the pseudo-reality system is then calibrated. The calibration device designed by the invention and the calibration method proposed meet the calibration requirements of desktop virtual reality system, and have the advantages of simple operation and high accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种用于桌面级虚拟现实系统的标定装置及方法
本专利技术涉及虚拟现实
，尤其涉及一种可用于桌面级虚拟现实系统的标定装置和方法。
技术介绍
近年来，虚拟现实(VR)技术取得了迅速发展，相关产品层出不穷。虚拟现实产品按照用户参与形式的不同可分为：桌面式、沉浸式、增强式和分布式。应用领域涵盖有工业设计及制造、医疗、数字娱乐、教育培训等方面。桌面级虚拟现实系统，以下简称桌面VR系统，主要包含图形工作站、立体(3D)显示器以及定位设备，工作时，系统会实时跟踪定位用户的观察视角和操作信息，并据此生成相应的3D图像，实现用户与虚拟空间的交互，具有良好的人机体验效果。桌面式虚拟现实系统可应用于设计、演示、教育等诸多领域，形式简单、交互效果好，并且成本低、易推广，是虚拟现实市场一个重要的发展方向。桌面VR系统，通常采用视觉定位方法，显示器周围分布安装有若干相机，用户佩戴的3D眼镜和操作设备(交互笔、手柄等)上安装有定位靶标点。系统通过相机拍摄定位靶标点的图像，利用计算机视觉技术即可定位出人眼视角和手部运动信息。视觉定位系统中，视觉参数的标定精度直接决定了视觉定位的精度，桌面VR系统中需要标定的视觉参数有相机内参数(焦距、像元间距、畸变系数等)和相机间外参数(坐标系平移旋转关系)两部分。其中，相机内参数标定方法比较成熟且装机前即可独立进行，而相机间外参数在系统组建后才能进行标定。与此同时，由于图像的产生和显示是基于显示器坐标系，而视觉定位是基于相机坐标系的，因此还需要标定出显示器坐标系，和由相机组成的视觉系统间的位姿关系。综上所述，相机间位姿参数以及视觉系统与显示器间的位姿参数是桌面VR系统出厂前重要的标定工作，标定精度的高低是影响系统交互效果的关键因素。根据机器视觉理论，相机间外参数可以通过借助合作靶标体完成，其中靶标体上分布有位置关系已知的靶标点，基于PNP(PerspectiveNPoint)的单目视觉定位模型，可以求出各个相机和靶标体间的位姿参数信息，然后以靶标体坐标系作为参考坐标系，便可推算出相机之间的位姿参数。同理，要想标定出视觉系统和显示器之间的位姿参数，必须建立靶标体和显示器坐标系间的联系，而常用的靶标体无法实现该功能。因此，设计一种标定装置，一方面具有视觉靶标点，另一方面可以和显示器建立直接的坐标联系，则这种装置对桌面VR系统的标定工作具有重要的实用意义。
技术实现思路
本专利技术在常用视觉靶标体的基础上进行了改进，提出一种适用于桌面VR系统的标定装置和方法，操作简单、精度高，可方便快速地完成系统标定工作。本专利技术的技术方案为：所述一种用于桌面级虚拟现实系统的标定装置，其特征在于：包括靶标体、测头和基座；所述靶标体上分布有光靶标点，光靶标点的相对空间位置通过提前标定已知，光靶标点的个数满足PNP算法所需个数；所述测头由测杆和测杆端部的探球组成；所述靶标体与所述测杆端部固定连接；所述基座上具有圆锥孔。进一步的优选方案，所述一种用于桌面级虚拟现实系统的标定装置，其特征在于：所述光靶标点采用主动发光的LED或者涂有反光材料的标志点。利用上述标定装置对桌面级虚拟现实系统进行标定的标定方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：标定探球中心在靶标体坐标系中的坐标；步骤2：标定桌面级虚拟现实系统中各相机间的位姿参数；步骤3：标定桌面级虚拟现实系统中视觉系统和显示器间位姿参数。进一步的优选方案，所述一种对桌面级虚拟现实系统进行标定的标定方法，其特征在于：步骤1中标定探球中心在靶标体坐标系中的坐标的具体过程为：步骤1.1：将测头安装在靶标体上，并将探球置于基座的圆锥孔中，整体保持在桌面级虚拟现实系统中某个相机的视场范围内；步骤1.2：保持基座不动，将靶标体绕探球进行转动，采集至少6幅图像；步骤1.3：基于PNP的单目视觉定位模型，利用探球中心位置在相机坐标系和靶标体坐标系中均保持不变的特性，建立目标函数并进行最优化求解，得到探球中心在靶标体坐标系下的坐标。进一步的优选方案，所述一种对桌面级虚拟现实系统进行标定的标定方法，其特征在于：步骤1.3中，对于第i幅图像，有公式[xC0i,yC0i,zC0i]T＝RCTi[xT0,yT0,zT0]T+TCTi，其中(xC0i,yC0i,zC0i)为对应第i幅图像，探球中心在相机坐标系下的坐标，(xT0,yT0,zT0)为探球中心在靶标体坐标系下的坐标，RCTi为第i幅图像对应的相机坐标系和靶标体坐标系的旋转关系，TCTi为第i幅图像对应的相机坐标系和靶标体坐标系的平移关系；建立的目标函数为其中n为采集的图像数；(xC0,yC0,zC0)为探球中心在相机坐标系下的坐标。进一步的优选方案，所述一种对桌面级虚拟现实系统进行标定的标定方法，其特征在于：步骤2中标定桌面级虚拟现实系统中各相机间的位姿参数的具体过程为：步骤2.1：根据桌面虚拟现实系统内相机的分布，将靶标体置于至少两个相机的公共视场内，并采集图像；步骤2.2：基于PNP的单目视觉定位模型，求出各相机和靶标体坐标系间的位姿关系，进而得到相机间的位姿关系；步骤2.3：移动靶标体位置，重复上述步骤，直至得到桌面虚拟现实系统内相邻相机间的位姿关系。进一步的优选方案，所述一种对桌面级虚拟现实系统进行标定的标定方法，其特征在于：步骤3中标定桌面级虚拟现实系统中视觉系统和显示器间位姿参数的具体过程为：步骤3.1：选取一个相机的相机坐标系作为整个视觉系统坐标系，将其余各个相机的坐标系统一到视觉系统坐标系中；步骤3.2：将探球与显示器表面接触，使靶标体位于至少一个相机的视场内，采集图像；步骤3.3：测量接触点在显示器上所处的位置，结合探球球径，求出探球中心在显示器坐标系下的坐标；步骤3.4：基于PNP的单目视觉定位模型，求出探球中心在视觉系统坐标系下的坐标；步骤3.5：移动靶标体改变接触点位置，重复步骤3.2—3.4，记录至少3组探球中心在显示器坐标系和视觉系统坐标系下的坐标信息；步骤3.6：根据步骤3.5得到多组探球中心在显示器坐标系和视觉系统坐标系下的坐标信息，求出视觉系统和显示器坐标系间的位姿关系。有益效果本专利技术的有益效果是：结合桌面VR系统的标定需求，提出了带测头的靶标体及辅助标定装置，解决了通用靶标体无法实现桌面VR系统中视觉坐标系和显示器坐标系关系标定的问题，并设计了标定方法，可实现桌面VR系统中各位姿参数简单快速精确的标定。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是标定装置示意图。图2是典型桌面VR系统示意图(省略主机和交互设备)。图3是探头中心在靶标体坐标系中标定示意图。图4是桌面VR系统中各相机位姿关系标定示意图。图5是视觉系统和显示器坐标系间位姿关系标定示意图。其中，1.靶标体，2.测头，3.测杆，4.探球，5.基座，6.显示器，7.定位相机。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。本实施例提出了由靶标体、测头、基座组成的标定装置。其中靶标体上分布有主动发光或被动反光式靶标点，靶标点个数满足本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于桌面级虚拟现实系统的标定装置，其特征在于：包括靶标体、测头和基座；所述靶标体上分布有光靶标点，光靶标点的相对空间位置通过提前标定已知，光靶标点的个数满足PNP算法所需个数；所述测头由测杆和测杆端部的探球组成；所述靶标体与所述测杆端部固定连接；所述基座上具有圆锥孔。

【技术特征摘要】
1.一种用于桌面级虚拟现实系统的标定装置，其特征在于：包括靶标体、测头和基座；所述靶标体上分布有光靶标点，光靶标点的相对空间位置通过提前标定已知，光靶标点的个数满足PNP算法所需个数；所述测头由测杆和测杆端部的探球组成；所述靶标体与所述测杆端部固定连接；所述基座上具有圆锥孔。2.根据权利要求1所述一种用于桌面级虚拟现实系统的标定装置，其特征在于：所述光靶标点采用主动发光的LED或者涂有反光材料的标志点。3.利用权利要求1所述标定装置对桌面级虚拟现实系统进行标定的标定方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：标定探球中心在靶标体坐标系中的坐标；步骤2：标定桌面级虚拟现实系统中各相机间的位姿参数；步骤3：标定桌面级虚拟现实系统中视觉系统和显示器间位姿参数。4.根据权利要求3所述一种对桌面级虚拟现实系统进行标定的标定方法，其特征在于：步骤1中标定探球中心在靶标体坐标系中的坐标的具体过程为：步骤1.1：将测头安装在靶标体上，并将探球置于基座的圆锥孔中，整体保持在桌面级虚拟现实系统中某个相机的视场范围内；步骤1.2：保持基座不动，将靶标体绕探球进行转动，采集至少6幅图像；步骤1.3：基于PNP的单目视觉定位模型，利用探球中心位置在相机坐标系和靶标体坐标系中均保持不变的特性，建立目标函数并进行最优化求解，得到探球中心在靶标体坐标系下的坐标。5.根据权利要求4所述一种对桌面级虚拟现实系统进行标定的标定方法，其特征在于：步骤1.3中，对于第i幅图像，有公式[xC0i,yC0i,zC0i]T＝RCTi[xT0,yT0,zT0]T+TCTi，其中(xC0i,yC0i,zC0i)为对应第i幅图像，探球中心在相机坐标系下的坐标，(xT0,yT0,zT0...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋宣晓，孙汉振，孟灵非，张伊慧，刘帅杰，郭晓光，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，
类型：发明
国别省市：河南,41