一种运动目标的定位和姿态估计方法、装置及系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于发光体的多目标实时姿态跟踪和定位的方法。该方法需要至少一台图像采集器，以及布置在被跟踪物体上的至少一个发光体等设备和装置。首先开始同步图像采集器的曝光和发光体的亮度，通过在多个发光体中区分不同发光体的方法，确定各发光体的编码，随后跟踪各发光体；明确发光体编码后，将所有发光体按设定好的顺序输入到姿态解算的算法中进行解算，得到布置了发光体的移动物体的姿态和位置信息；如果跟踪丢失，则重新进行同步，识别不同发光体编码。本发明专利技术公开的方法可同时精准跟踪多个移动物体的姿态和移动轨迹。

A method, device and system for positioning and attitude estimation of a moving target

The invention discloses a multi-objective real-time attitude tracking and positioning method based on the luminescent body. The method requires at least one image collector, as well as at least one light emitting device and device arranged on the object to be tracked. Start synchronous image acquisition and exposure luminous brightness, by distinguishing different methods of luminous body in multiple luminous body, determine the encoding of the luminous bodies, then tracking the luminous bodies; clear light encoding, all light input in order to set a good attitude solution algorithm for the solution obtained, layout of the attitude and position information of moving objects in a luminous body; if the loss of tracking, re synchronization, identification of different illuminant encoding. The method disclosed by the invention can accurately track the attitude and moving trajectory of a plurality of moving objects simultaneously.

【技术实现步骤摘要】
一种运动目标的定位和姿态估计方法、装置及系统
本专利技术涉及计算机视觉领域，尤其涉及一种姿态跟踪和定位方法、装置。
技术介绍
目前市面上的基于光学的跟踪定位方案主要有三种：OptiTrack，Lighthouse，和相机自定位。OptiTrack方案应该是所有光学定位中准确率最高，追踪目标最多的一种方案，但该方案场地布置复杂，采集设备价格昂贵。在使用OptiTrack系统之前要架设多个专用摄像头并进行复杂校准后才能进行数据采集与计算工作，单凭场地布置这一项，此方案就不太适合于普通消费级用户。Lighthouse方案是目前三大“PC级”VR中使用范围最大使用体验最好的一个，但他也有几个缺点，首先是抗干扰性稍差，按照lighthouse的原理，其使用环境中要尽量避免反光物体，比如光亮的地板和墙上的镜子都是lighthouse的干扰源，这个主要是由于lighthouse头盔是一个激光“感应”装置，若激光在反光平面中折射后再进入头盔会严重影响其姿态计算。其次是lighthouse的扩展性较差，根据原理性分析，目前使用该技术的产品的“灯塔”为了避免发射激光的相互干扰且能达到每秒60帧以上的姿态估计效果应该已经将每个马达的速度设定为240转/秒以上，这样才能让两个灯塔的四个马达在1秒内完成全图的扫描。试想一下，按照这个原理，若想扩大使用空间，再加入两个灯塔的话，每个马达的转速要在480转以上，这会限制后续的工程实现、制造和成本控制。相机自定位跟踪系统主要有两个方向：第一个是需要外部大量布置观测点的自定位跟踪。这种跟踪有这移动范围大的优势，但需要提前布置大量跟踪点是阻碍其推向消费级市场的主要原因，再有是他们的跟踪只有头部跟踪没有体感交互，使得用户还是不能与VR世界进行深度“沟通”。第二个主要方向是未进行跟踪点布置的自定位与自然手势识别，但这种算法计算量极大，而且很容易受光线影响，比如较暗的室内就无法进行定位和跟踪了，这也极大的限制了这种方式的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于为了克服以上现有技术的不足而提供一种可同时精准跟踪多个移动物体的的姿态跟踪和定位方法、装置及系统。根据本专利技术的一个方面，提供了一种区分不同标记物的方法，其特征在于：设定相机的n帧曝光作为一个同步周期，在一个同步周期内，每一个标记物对应相机的每一帧曝光时间，有不同的亮灭/明暗顺序；这样，一个同步周期内同一个标记物按相机曝光顺序形成的亮灭/明暗效果，组成一个编码序列，该编码序列用于区分不同的标记物。进一步的，组成所述编码序列的具体方法为：在n个连续曝光周期内，根据每一个标记物亮度情况，对应所述每一个标记物得到一个由n个0/1组成的数字序列，将此数字序列按照对应于同步信号的顺序排列，组成一个n位二进制数，此二进制数即为对应于该标记物的ID。进一步的，二进制数由同步信号时序图决定，其中n的大小与最多可区分的ID数目m有关。进一步的，优选m＝2n。进一步的，每一个所述标记物，在同一个曝光时间内，只保持一种亮度状态。进一步的，所述标记物为发光体。根据本专利技术的一个方面，提供了一种基于发光体的多目标实时姿态跟踪和定位的方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)同步相机的曝光和发光体的明暗；(2)通过在多个发光体中区分不同发光体的方法，确定各发光体的编号，随后跟踪各发光体；(3)明确发光体编号后，将所有发光体按设定顺序输入到姿态解算的算法中进行解算，得到布置了发光体的一个或多个移动物体的姿态和/或位置信息；其中，步骤(2)所述在多个发光体中区分不同发光体的方法为：设定相机的n帧曝光作为一个同步周期，在一个同步周期内，每一个发光体对应相机的每一帧曝光时间，有不同的亮灭/明暗顺序；这样，一个同步周期内同一个发光体按相机曝光顺序形成的亮灭/明暗效果，组成一个编码序列，该编码序列用于区分不同的发光体。进一步的，实现所述步骤(1)的方法为：系统开始工作后，由控制器分别向标记物和图像采集器发出控制信号，来控制标记物的亮度变化，和图像采集器的曝光。进一步的，实现所述步骤(2)的方法为：在帧同步过程中，控制器控制所有的标记物，在图像采集器的每一帧曝光时间内，处于不同的亮度状态；预先设定好亮度阈值L，当某一个标记物X的亮度大于L时，记该帧曝光时，标记物X的值为1；反之，其亮度小于或等于L，记该帧曝光时，标记物X的值为0；这样在n帧同步结束后，得到对应每一个标记物的n个0/1数字序列，将这个数字序列，按照曝光时间依次排列即可得到一个n位二进制数值，此数值即为该标记物的ID；其中，所述帧同步过程为标记物ID的识别过程。根据本专利技术的一个方面，提供一种区分不同标记物的方法，其特征在于：包括如下步骤：S10、系统控制器先向所有标记物发出各自对应的同步信号，再向图像采集器发出同步信号，用来控制标记物在图像采集器曝光的时间内各自保持一定的亮度；S20、设定亮度阈值L，对于每一个标记物，如果其亮度大于L，记该帧曝光时，该标记物的值为1；反之，如果其亮度小于或等于L，记该帧曝光时，该标记物的值为0；S30、由所述系统控制器控制，在所述图像采集器n个连续曝光周期内，系统通过所述每一个标记物亮度情况，对应所述每一个标记物可以得到一个由n个0/1组成的数字序列，将此数字序列按照对应于所述控制器同步信号的顺序排列，组成一个n位二进制数，此二进制数即为对应于该标记物的ID。进一步的，所述二进制数中0/1数字的顺序，由同步信号时序图决定，可根据控制器的控制信号，预先定义好一种顺序，并不唯一。进一步的，n的大小与系统最多可区分的ID数目m有关。进一步的，优选m＝2n。进一步的，每一个所述标记物，在同一个曝光时间内，只保持一种亮度状态。进一步的，所述图像采集器每次曝光后将采集到图像发送到预先连接的图像处理器，由所述图像处理器对每一个发光点进行处理，得到相关特征；根据特征区分标记物和噪声点，并获取到标记点的亮度值。根据本专利技术的一个方面，提供了一种基于发光体的多目标实时姿态跟踪和定位的装置，包括同步信号产生器、图片采集器、图像处理单元、发光体跟踪单元和姿态估计单元；其特征在于：图像处理单元，用于将图片采集器发送过来的信号进行图像算法处理，将原始的彩色图变为去除噪声和散斑的二值图，计算每个发光体的ID，并发送给发光体跟踪单元。进一步的，同步信号产生器用于产生两个用于同步信号，一个发送给图片采集器，用于控制其曝光时刻，另一个发送给发光体同步信号接收器，用于控制发光体亮灭/明暗的变化。进一步的，图片采集器用于采集发光体的图像并发送给图像处理单元；在同步阶段图片采集器接收同步信号进行同步曝光，在跟踪阶段则进行自动曝光。进一步的，发光体跟踪单元，用于用跟踪算法跟踪图像处理单元发送过来的二值图中的发光体，若跟踪状态正常则将，二值图数据发送给姿态估计单元。进一步的，姿态估计单元，用于根据接收到的跟踪单元发送的数据，结合相机参数，发光体三维模型参数计算出发光体在相机坐标系下的姿态。根据本专利技术的一个方面，提供了一种定位跟踪系统，包括上述任一项的基于发光体的多目标实时姿态跟踪和定位的装置，其特征在于：还包括发光体同步信号接收器和发光体；其中，发光体同步信号接收器接收同步信号产生器发出的同步信号，再利用此同步信号控制发光体的明暗变化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种区分不同标记物的方法，其特征在于：设定相机的n帧曝光作为一个同步周期，在一个同步周期内，每一个标记物对应相机的每一帧曝光时间，有不同的亮灭/明暗顺序；这样，一个同步周期内同一个标记物按相机曝光顺序形成的亮灭/明暗效果，组成一个编码序列，该编码序列用于区分不同的标记物。

【技术特征摘要】
1.一种区分不同标记物的方法，其特征在于：设定相机的n帧曝光作为一个同步周期，在一个同步周期内，每一个标记物对应相机的每一帧曝光时间，有不同的亮灭/明暗顺序；这样，一个同步周期内同一个标记物按相机曝光顺序形成的亮灭/明暗效果，组成一个编码序列，该编码序列用于区分不同的标记物。2.如权利要求1所述的一种区分不同标记物的方法，其特征在于，组成所述编码序列的具体方法为：在n个连续曝光周期内，根据每一个标记物亮度情况，对应所述每一个标记物得到一个由n个0/1组成的数字序列，将此数字序列按照对应于同步信号的顺序排列，组成一个n位二进制数，此二进制数即为对应于该标记物的ID。3.如权利要求2所述的所述一种区分不同标记物的方法，其特征在于，所述二进制数由同步信号时序图决定，其中n的大小与最多可区分的ID数目m有关，m＝2n。4.一种基于发光体的多目标实时姿态跟踪和定位的方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)同步相机的曝光和发光体的明暗；(2)通过在多个发光体中区分不同发光体的方法，确定各发光体的编号，随后跟踪各发光体；(3)明确发光体编号后，将所有发光体按设定顺序输入到姿态解算的算法中进行解算，得到布置了发光体的一个或多个移动物体的姿态和/或位置信息；其中，步骤(2)所述在多个发光体中区分不同发光体的方法为：设定相机的n帧曝光作为一个同步周期，在一个同步周期内，每一个发光体对应相机的每一帧曝光时间，有不同的亮灭/明暗顺序；这样，一个同步周期内同一个发光体按相机曝光顺序形成的亮灭/明暗效果，组成一个编码序列，该编码序列用于区分不同的发光体。5.如权利要求4所述的一种基于发光体的多目标实时姿态跟踪和定位的方法，其特征在于，实现所述步骤(1)的方法为：系统开始工作后，由控制器分别向标记物和图像采集器发出控制信号，来控制标记物的亮度变化，和图像采集器的曝光；实现所述步骤(2)的方法为：在帧同步过程中，控制器控制所有的标记物，在图像采集器的每一帧曝光时间内，处于不同的亮度状态；预先设定好亮度阈值L，当某一个标记物X的亮度大于L时，记该帧曝光时，标记物X的值为1；反之，其亮度小于或等于L，记该帧曝光时，标记物X的值为0；这样在n帧同步结束后，得到对应每一个标记物的n个0/1数字序列，将这个数字序列，按照曝光时间依次排列即可得到一个n位二进制数值，此数值即为该标记物的ID；其中，所述帧同步过程为标记物ID的识别过程...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋博，李旭，
申请(专利权)人：蒋博，李旭，
类型：发明
国别省市：北京,11