[发明专利]一种空间增强现实系统中自动跟踪移动物体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及在空间增强现实系统中扩展单个投影仪的有限视口范围、并自动跟踪移动物体的方法，尤其是跟踪大规模环境中沿一定曲线轨迹移动的物体。具体讲就是采用旋转的投影仪和动态更新投影矩阵的方法实现沿一定轨迹移动的物体的自动跟踪。

背景技术

空间增强现实技术是通过数字投影仪把不同形式的数字信息(如文字、图形、图像、视频、动画等)投影到现实世界物体表面上，从而增强对现实世界物体的描述和交互。增强现实系统具有虚实结合和实时交互的特点，在医疗研究、教育培训、工业设计、国防建设、市政规划、文物保护、文化娱乐等许多领域具有十分广泛的应用前景。例如，医生可以利用增强现实系统把病症信息(如位置、形状)投影到病人身体相应位置以实时导向手术操作或辅助医生做手术规划。现有的增强现实系统的有效性常常受限于投影仪的有限的视口尺寸。在实际应用中，用户可能需要投影增强信息到沿某个轨迹移动的物体上以对物体进行跟踪，如对在工业生产的流水线上移动的物体进行跟踪和交互。在增强现实系统中，单个投影仪由于其视口的尺寸限制，常常无法对大规模环境中超出其视口范围的物体进行增强。在对移动物体进行跟踪和增强时，单个投影仪无法跟踪超出其视口范围的运动物体。对于沿着某种特殊轨迹如以投影仪为中心的圆形轨迹移动的物体的跟踪，单个固定的投影仪更是无能为力。

为了对大范围移动的物体进行增强，现有技术通常采用多个投影仪来克服单个投影仪视口的局限性。现有技术采用多种不同的基于硬件或软件的方法实现跟踪定位：1)光学式跟踪方法：采用照相机加光传感器接收具有一定几何分布的光源或反光球所发出的光，通过接收的图像及光源和传感器的空间位置来计算运动物体的六自由度信息，该方法的一个主要缺点是有遮挡问题。2)电磁式跟踪方法：根据磁场发射信号和磁感应信号之间的耦合关系确定被测对象的方位，该方法易受工作环境中磁场和金属物体的影响。3)机械式跟踪方法：使用机械关节的物理连接来测量运动物体的位置及方向，该方法的工作范围小。其他的跟踪方法还包括基于计算机视觉以及和硬件相结合的方法。但是，现有技术一方面由于需要额外的硬件设备使系统实现的费用和复杂度大大提高，另一方面缺乏必要的灵活性，如对沿着以投影仪为中心的圆形轨迹上移动的物体的跟踪。

发明内容

本发明的目的在于公布一种扩展单个投影仪视口范围、并自动跟踪平面上沿曲线轨迹移动的物体的方法。本发明具有不仅能扩展单个投影仪的投影范围，而且在不使用其他硬件设备如照相机或光传感器等的情况下能够对移动的物体在给定轨迹上进行自动跟踪。本发明降低了跟踪移动物体需要的投影仪个数，系统实现的复杂度降低。本发明可以对以投影仪为中心的任意角度上沿一定轨迹移动的物体进行跟踪，提高了增强现实系统的灵活性。本发明要解决的技术问题是：1)采用旋转投影仪扩展投影仪视口范围；2)自动跟踪沿曲线轨迹移动的物体。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：本发明采用一个能自动反馈当前旋转角度的圆盘形旋转底座，投影仪固定在这个圆盘形旋转底座上。当物体运动时，通过圆盘形旋转底座的转动实现投影仪的旋转，本发明同时提出了针对运动物体计算旋转投影仪的投影矩阵的方法，从而可以实现投影仪对任意角度运动的物体的跟踪并投影数字信息到物体表面上。本发明所采用的技术方案的系统配置见附图所示。

本发明的投影矩阵的计算过程如下：设当前投影矩阵为M_view，投影仪基于旋转圆盘的旋转角度为θ(用旋转矩阵表示为R_proj)，物体的移动可用矩阵表示为T_obj。在系统运行阶段，以运动轨迹为圆弧形轨迹为例，首先选取物体运动轨迹上的任意不重合的三点A、B和C分别对投影仪进行校准，该校准步骤获取物体(也即运动轨迹点)在A、B和C的世界坐标。根据几何定理，此三点的世界坐标唯一确定了平面上物体运动轨迹的世界坐标方程。对其他形状的运动轨迹，需要选取用于投影仪校准的点数取决于在平面上能唯一确定该运动轨迹方程的点数。在确定物体的运动轨迹的世界坐标方程后，在系统运行阶段的任意时刻可以得到投影仪的旋转矩阵R_proj和物体的平移矩阵T_obj。基于旋转矩阵R_proj和平移矩阵T_obj，运动物体的新的投影矩阵M′_view可以表示为：

M′_view＝R_proj×M_view×T_obj.(1)