[发明专利]一种便携式跟踪装置及其位置姿态跟踪方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及人机交互系统领域，特别涉及通过判断物体的位置和姿态来进行人机交互的技术，具体的讲是一种便携式跟踪装置及其位置姿态跟踪方法和系统。

背景技术

当前国内外最常见的用于人机交互的位置姿态跟踪系统是光学位置姿态跟踪系统，而光学位置姿态跟踪系统大多基于计算机视觉原理。从理论上说，对于空间中的一个点，只要它能同时为两部摄像机所见，则根据同一时刻两部摄像机所拍摄的图像和摄像机参数，可以确定这一时刻该点在空间中的位置。当同时确定了一个物体的多个点时，则还可以确定该物体在空间中的姿态。当摄像机以足够高的速率连续拍摄时，从所得到的图像序列中就可以获取该点或该物体的运动轨迹。

现有的光学位置姿态跟踪系统分为两种，一种是被动反光式位置姿态跟踪系统，另一种是主动发光式位置姿态跟踪系统。

典型的被动反光式位置姿态跟踪器系统通常使用6～8个环绕表演场地排列的摄像机，而且摄像机的镜头上还附有发出红外光的光源。这些摄像机的视野重叠区域就是跟踪对象的动作范围，为了便于处理，通常要求跟踪对象穿上单色的服装，在身体的关键部位，如关节、髋部、肘、腕等位置贴上一些特制的标志或反光点，称为“标志点(Marker)”，接下来视觉系统将识别和处理这些标志点。系统定标后，摄像机连续拍摄跟踪对象的动作，并将图像序列保存下来，然后再进行分析和处理，识别其中的标志点，并计算其在每一瞬间的空间位置，进而得到其运动轨迹。为了得到准确的运动轨迹，摄像机应有较高的拍摄速率，一般要达到每秒60帧以上。如果在跟踪对象的脸部表情关键点贴上标志点，则可以实现表情捕捉。

这种装置虽然可以捕捉实时运动，但是需要多个摄像机，成本加大，且后处理(包括标志点的识别、跟踪、空间坐标的计算)的工作量也很大，而且对于表演场地的光照、反射情况有一定的要求，装置定标也较为烦琐。特别是当运动复杂时，不同部位的标志点有可能发生混淆、遮挡，产生错误结果，这时需要人工干预后处理过程。所以现有的这种位置姿态跟踪系统很难普及且不适合推广。

主动发光式位置姿态跟踪系统是指所要跟踪的物体自身附有红外光源，用摄像机采集该物体所发出的红外图像，并从该红外图像中提取并分辨出跟踪物体的位置姿态。但是，这种系统同样也是采用6～8个环绕表演场地排列的摄像机，并且以独立的点为跟踪单位，根据一个点在多个摄像机中的位置来计算其在三维空间中的位置。这样很容易发生点与点之间混淆的情况，为了避免混淆也同样需要较为复杂的图像处理过程。

因此，上述的无论是被动反光式还是主动发光式位置姿态跟踪器系统都使用较多数量的摄像机，并且图像处理过程均较复杂，使得设备成本增加，一般都用于科学研究、媒体制作等方面，并不利于推广以及家庭使用。

发明内容

为了解决上述现有技术中的缺点，本发明提供一种便携式跟踪装置及其位置姿态跟踪方法和系统，用于实时的跟踪物体的位置和姿态。

本发明的目的之一是，提供一种便携式跟踪装置，所述的装置包括：一支架和固定在所述支架上的一透明柱体；所述的支架上设置有不可见光发射装置，用于形成不可见光的点发光体；所述的透明柱体内设置有多个不可见光发射装置，用于形成不可见光的线发光体。

所述支架具有一承载面，所述的透明柱体垂直的固定于所述的承载面上。

所述的不可见光是指红外光；所述的支架上设置有多个红外发射装置，所述的多个红外发射装置沿着所述承载面上的边缘间隔设置，用于形成多个红外的点发光体。

所述的不可见光是指红外光；所述透明柱体内设置的多个红外发射装置沿着所述透明柱体的轴向依次紧密排列，用于形成红外的直线发光体。

所述的便携式跟踪装置还包括：一手持部，所述的手持部固定在所述的支架上。

本发明的另一目的是，提供一种位置姿态跟踪系统，所述的系统包括：便携式跟踪装置，该便携式跟踪装置上设置有不可见光发射装置，用于形成不可见光的点发光体和线发光体；所述的系统还包括：滤光装置、摄像装置、图像采集处理装置和控制装置，所述的摄像装置通过图像采集处理装置与控制装置相连接；其中所述的滤光装置，用于对所述的不可见光进行滤光；所述的摄像装置，用于透过所述的滤光装置对所述点发光体和线发光体进行摄像；所述的图像采集处理装置，用于对所述摄像装置摄取的图像进行采集处理；所述的控制装置，用于根据所述图像采集处理装置采集并处理的图像数据得出被摄物体的位置姿态轨迹。

所述点发光体和线发光体一起构成一个特定的空间形状。

所述的控制装置包括：计算机、游戏机、PDA。