[发明专利]基于云计算的增强现实虚实碰撞检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种增强现实虚实碰撞技术，具体地说是一种基于云计算 的单目视觉任意形状虚拟物体对实际物体碰撞检测及响应的方法。

背景技术

随着人们对交互体验的要求不断增强，增强现实（Augmented Reality，AR）应用已获得快速发展。基于视觉的AR系统因为对硬件要求不高已成为应用主流。不同于虚拟现实（Virtual Reality,VR）中虚拟对虚拟的碰撞，AR碰撞检测中实际物体是有物理特性的，而虚拟物体只具有虚拟物体的特性，必须人为地赋予虚拟物体一定的物理特性。准确的虚实碰撞检测及响应能使AR应用更加自然、真实，从而使自由的虚实人机交互成为可能。并且AR应用移植到移动设备上已成流行趋势，这些都对虚实碰撞检测及其响应算法提出了更高的要求。

对于碰撞检测研究，如中国专利：其名称为“一种基于平衡二叉树的大规模虚拟场景碰撞检测方法”，申请号CN200910086719.0；中国专利：其名称为“面向复杂场景实时交互操作的并行碰撞检测方法”，申请号CN200710043743.7；中国专利：其名称为“一种在服务器端实现三维游戏碰撞检测的方法”，申请号CN200710117826.6。这些碰撞检测方法首先是针对大规模复杂的虚拟场景的碰撞检测方法，是虚拟物体对虚拟物体的碰撞检测方法，不适合虚拟物体对实际物体的碰撞检测。其次，这些碰撞检测方法依靠硬件实现，不适合于移植到移动设备的要求。中国专利：其名称为“使用剪切的实时碰撞检测”，申请号CN200780048182.8；中国专利：其名称为“一种基于椭球体扫描的连续碰撞检测方法”；申请号CN200910087900.3；中国专利：其名称为“一种基于四叉包围盒树的柔性织物自碰撞检测方法”，申请号CN200910087902.2；中国专利：其名称为“一种基于剖分的并行碰撞检测方法”，申请号CN200810202774.7。这些碰撞检测算法主要针对的是虚拟场景中的虚拟物体对虚拟物体的碰撞检测，不适合增强现实中的虚拟物体对实际物体的碰撞检测。

上述专利及相关研究对硬件设备要求高，或者仅针对虚拟现实进行研究，并无专门针对增强现实的碰撞研究,也未使用廉价的单摄像头进行虚实碰撞研究。对3D重构方法进行碰撞检测，计算复杂，无法做到实时性。

发明内容

鉴于以上所述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的在于提供一种基于云计算的增强现实虚实碰撞检测方法，该方法首先通过关键帧中特征点提取；然后实际物体姿势估计及运动估计；再建立虚拟物体包围盒；之后进行基于云的虚实碰撞检测及响应；最后注册、渲染并显示虚拟物体，从而达到虚实碰撞检测效果。

为达到上述目的，本发明采用下述技术构思：根据摄影原理、计算机视觉技术、光学技术、云计算技术等，通过分布并行计算提高碰撞检测的速度，以达到实时的要求。

本发明采用以下技术方案实现上述基于云计算的增强现实虚实碰撞检测方法，其步骤如下：

1、关键帧的特征点提取：初始化时需要获得实际对象的正视图，作为计算变换矩阵的参考对象。之后从摄像头拍摄到的实际图像中提取关键帧图像，在图像中进行图像分割，获得屏幕坐标系中特征点的坐标                                                、，这些特征点数量为4点，分布规律呈矩形。

2、实际物体姿势及运动估计：通过计算世界坐标系到屏幕坐标系的变换矩阵，获得对应世界坐标系下的坐标，世界坐标系与屏幕坐标系坐标转换公式如下：

；

其中，是世界坐标系(,,)到摄像头坐标系(,,)的变换矩阵。在中为选择矩阵，为平移矩阵。在获得特征点后，通过获得碰撞平面的法向量；获得后，计算出质心C（）。则求得t时刻的实际物体的运动向量。

3、建立虚拟物体的包围盒：将虚拟物体视为球体，即使用包围球作为包围盒，对虚拟物体建立包围盒树。

4、基于云得虚实碰撞检测及响应：使用云计算中的关键技术之一的分布式计算对虚实碰撞进行检测：

1）、根据虚实碰撞检测节点的数量，对虚拟物体包围盒树进行分组。将每个包围球的编号记为key，将其质心G与半径r记为value，得到原始数据<key，value>。