一种基于模式分类的光学定位方法技术

本发明专利技术提供了一种基于模式分类的光学定位方法，能够简便、高效地确定扫描信号与发射器的对应关系，实时获得定位结果，提高了跟踪数据的刷新频率。本发明专利技术相对于运算量极大的遍历方法，基于模式分类将接收信号与发射信号源的匹配计算进行简化，在级联使用多个发射器时，提高了计算效率，能够将所有可能的计算情况降低到3种坐标组合以下，更多情况下一次就可完成接收信号与发射信号源的匹配，大大减少了运算量和运行时间。另外，本发明专利技术的模式分类的模型可以通过离线操作获得，在实际使用时，直接输入数据即可得到输出结果；并且在发射器的相对位置固定时，则可以连续使用。

An optical location method based on pattern classification

The invention provides an optical positioning method based on pattern classification, which can easily and efficiently determine the corresponding relationship between the scanning signal and the transmitter, obtain the positioning results in real time, and improve the refresh frequency of the tracking data. Compared with the traversal method with a great amount of computation, the matching calculation between the received signal and the transmitted signal source is simplified based on pattern classification, and the calculation efficiency is improved when multiple transmitters are cascaded, and the possible calculation can be reduced to less than three coordinate combinations, and the connection can be completed in more cases at one time. The matching of the received signal and the transmitting signal source greatly reduces the computation and running time. In addition, the pattern classification model of the invention can be obtained by off-line operation, and the output result can be obtained by directly inputting data in practical use, and can be continuously used when the relative position of the transmitter is fixed.

【技术实现步骤摘要】
一种基于模式分类的光学定位方法方法领域本专利技术属于跟踪定位
，基于HTC-VIVE的扩展跟踪方法进行定位，具体涉及一种基于模式分类的光学定位方法。
技术介绍
HTC-VIVE由发射器和光敏接收器构成。发射器可发出周期性光信号对跟踪区域的扫描，接收器接收到发射器的扫描信号后，将光信号转换为数字信号，从而得到接收器相对于发射器的图像坐标。利用发射器扫描一定数量的接收器后，可利用计算机视觉算法获得接收器组成的刚体的空间位姿。但是HTC-VIVE在跟踪时需要发射器先发出一帧同步扫描信号，然后再依次对水平和垂直方向进行扫描。当多个发射器级联使用时，为了避免信号干扰，同一时间段内只能让一个发射器工作，这导致在多发射器级联使用时的跟踪数据刷新率成倍下降。由于跟踪区域越大，需要的发射器越多，因此为了保证足够的跟踪数据刷新率，目前的HTCVIVE系统只使用两个发射器，而其跟踪区域也被限制在5m×5m的空间内。专利申请号为201710545643.8的一种基于HTC-VIVE的扩展跟踪方法，该方法对HTC-VIVE进行了扩展，使用了同步控制器与频闪器结合的发射器编码方案以及对应的后续解码算法，从原理上解决了多发射器信号干扰问题，扩大了发射器数目上限，增加了系统跟踪范围。但是在扫描信号与发射器的对应关系的确定方法上，采用了“遍历所有可能性”的方法。随着发射器数量的增加，运算量会急剧增加，使得运算时间增加。在确定扫描信号与发射器的对应关系时，信号与发射器之间的匹配所需的时间增加，导致定位结果延迟，降低了跟踪数据的刷新频率。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种基于模式分类的光学定位方法，能够简便、高效地确定扫描信号与发射器的对应关系，实时获得定位结果，提高了跟踪数据的刷新频率。为实现上述目的，本专利技术基于模式分类的光学定位方法包括如下步骤：步骤1，布设HTC–VIVE，其中HTC–VIVE中的所有M个发射器同步发射信号；在HTC–VIVE的跟踪范围内选取接收器采样点，依次对各采样点进行成像，获取其对应的训练数据；其中，采样点对应的训练数据获得方式为：步骤1.1，设立坐标排列组合方式标签：接收器在M个发射器中的图像坐标(u，v)在u方向和v方向的排列组合方式共有种，将每种坐标排列组合方式贴上对应的label标签；步骤1.2，针对各接收器采样点，将接收器采样点在M个发射器中的图像坐标(u，v)按照相同的设定好的规律进行排序，获得其在该排序规律下的label标签，在该排序规律下的图像坐标及其对应标签即为该采样点的训练数据；步骤2，通过分类器对步骤1得到的训练数据进行分类训练，得到分类模型F()；其中分类模型F()的输入为接收器采样点在M个发射器中的图像坐标按步骤1.2所述规律排序得到的图像坐标组合，输出为该图像坐标组合对应步骤1中各个label标签的概率；步骤3，基于步骤2得到的分类模型F()，实现对接收器的定位，包括如下子步骤：步骤3.1，将接收器接收到的其在M个发射器中的图像坐标按步骤1.2所述规律进行排序，得到待检坐标组合，将待检坐标组合输入到分类模型F()中，得到待检坐标组合对应于各种label标签的概率；步骤3.2，按照概率从大到小的顺序依次选出标签所对应的坐标排列组合方式，执行步骤3.3；步骤3.3，计算接收器在选定的发射器坐标组合方式下的理论三维位置；根据得到的接收器的理论三维位置计算接收器理论上在发射器图像坐标系中的坐标；对接收器理论上在发射器图像坐标系中的坐标与接收器在发射器中的实际图像坐标进行对比，如两者误差小于设定阈值，则依据当前的发射器坐标组合方式确定接收器在各个发射器图像坐标系内的图像坐标，完成接收器的跟踪，否则将当前的发射器图像坐标组合方式剔除，然后返回步骤3.2选取新的图像坐标组合方式，重复执行步骤3.3，直至两者误差小于设定阈值。其中，所述步骤3.2中，将label标签的概率为0的发射器坐标组合方式排除，得到接收器在本次扫描周期内对应的发射器坐标组合方式总数S；从S种发射器坐标组合方式中按照概率从大到小的顺序依次选出一组执行步骤3.3。其中，所述设定阈值大小依据接收器噪声和计算误差来确定。其中，在u方向和v方向的坐标均按照从小到大或从大到小的顺序进行排序。有益效果：本专利技术相对于运算量极大的遍历方法，基于模式分类将接收信号与发射信号源(即接收器的图像坐标与发射器)的匹配计算进行简化，在级联使用多个发射器时，提高了计算效率，能够将所有可能的计算情况降低到3种坐标组合以下，更多情况下一次就可完成接收信号与发射信号源的匹配，大大减少了运算量和运行时间。另外，本专利技术的模式分类的模型可以通过离线操作获得，在实际使用时，直接输入数据即可得到输出结果；并且在发射器的相对位置固定时，则可以连续使用。附图说明图1为本专利技术基于模式分类对图像坐标和发射器进行匹配流程图。图2为本专利技术基于HTC-VIVE系统构成的扩展跟踪系统结构图。图3为本专利技术的训练数据示意图。图4为P1～P36的概率Plabel示意图。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本专利技术涉及一种基于HTCVIVE的扩展跟踪方法，通过在HTCVIVE发射器上添加一个同步控制器和频闪器，实现了多发射器信号同步，将同时工作的发射器数目由原来的2个增加为数十个(理论上无上限，但数目增加会导致计算复杂)。该扩展跟踪方法可根据申请号为201710545643.8的专利申请实现。本专利技术在上述扩展追踪方法的基础上采用模式分类方法，将接收器收到的HTCVIVE多发射器信号进行一一对应分类，从而简化了接收器多信号与信号源的对应关系匹配计算，在保证跟踪数据的刷新频率情况下，增加了同时工作的发射器数目的扩展极限，进而大大提升了跟踪系统的跟踪范围。本专利技术可用于动作捕捉、手术导航、虚拟现实等需要跟踪定位的应用领域。本专利技术中基于模式分类对图像坐标和发射器进行匹配流程图如图1所示，以3个发射器的情况为例，本专利技术基于HTC-VIVE系统构成的扩展跟踪系统结构图如图2所示。搭建好跟踪设备之后，三个发射器的本地坐标系即可确定，如图3中的O1、O2、O3所示。图3中长方体内部为跟踪范围，在跟踪区域中选定任意一点建立世界坐标系，如图3中的坐标系OwXwYwZw所示，那么三个发射器在世界坐标系中的坐标即可确定。如此，三个发射器本地坐标系与世界坐标系之间的旋转和平移关系即可确定。在世界坐标系中，按照一定的采样间隔(根据计算精度和速度设定)在跟踪范围内选取采样点，如图3中的网格交点所示。本实施例包括如下步骤：步骤1，布设HTC–VIVE，HTC–VIVE中的所有M个发射器同步发射信号；在HTC–VIVE的跟踪范围内选取接收器采样点，依次对各采样点进行定位，获取其对应的训练数据；其中，采样点对应的训练数据获得方式为：步骤1.1，设立坐标排列组合方式标签：接收器在M个发射器中的图像坐标(u，v)在u方向和v方向的排列组合方式共有种，将每种坐标排列组合方式贴上对应的label标签；设接收器在世界坐标系下的三维坐标为Xw＝[x，y，z]T，其在不同发射器中对应的图像坐标为xi＝[ui，vi]T，i＝1，2，3...，M，下标i代表发射器的编号；M表示发射器总数目；本实施例中M＝3。根据投影本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模式分类的光学定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，布设HTC–VIVE，其中HTC–VIVE中的所有M个发射器同步发射信号；在HTC–VIVE的跟踪范围内选取接收器采样点，依次对各采样点进行成像，获取其对应的训练数据；其中，采样点对应的训练数据获得方式为：步骤1.1，设立坐标排列组合方式标签：接收器在M个发射器中的图像坐标(u，v)在u方向和v方向的排列组合方式共有

【技术特征摘要】
1.一种基于模式分类的光学定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，布设HTC–VIVE，其中HTC–VIVE中的所有M个发射器同步发射信号；在HTC–VIVE的跟踪范围内选取接收器采样点，依次对各采样点进行成像，获取其对应的训练数据；其中，采样点对应的训练数据获得方式为：步骤1.1，设立坐标排列组合方式标签：接收器在M个发射器中的图像坐标(u，v)在u方向和v方向的排列组合方式共有种，将每种坐标排列组合方式贴上对应的label标签；步骤1.2，针对各接收器采样点，将接收器采样点在M个发射器中的图像坐标(u，v)按照相同的设定好的规律进行排序，获得其在该排序规律下的label标签，在该排序规律下的图像坐标及其对应标签即为该采样点的训练数据；步骤2，通过分类器对步骤1得到的训练数据进行分类训练，得到分类模型F()；其中分类模型F()的输入为接收器采样点在M个发射器中的图像坐标按步骤1.2所述规律排序得到的图像坐标组合，输出为该图像坐标组合对应步骤1中各个label标签的概率；步骤3，基于步骤2得到的分类模型F()，实现对接收器的定位，包括如下子步骤：步骤3.1，将接收器接收到的其在M个发射器中的图像坐标按步骤1.2所述规律进行排序，得到待检坐标组合，将待检坐标组合输入到分类模型F()中，得到待检...

【专利技术属性】
技术研发人员：翁冬冬，李跃，李冬，荀航，胡翔，
申请(专利权)人：北京理工大学，南昌虚拟现实检测技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11