[发明专利]一种基于微惯性传感器的轨迹还原方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及轨迹还原技术，尤其是涉及一种基于微惯性传感器的轨迹还原方 法及系统，适用于影视后期制作技术中摄像机轨迹的还原。

背景技术

随着影视后期制作技术的发展，观众能在影视作品中看到各式各样的特效场 面。其中摄像机运动轨迹跟踪这一技术在特效场面中又有着举足轻重的作用，大部 分的特效制作都需要在拍摄后进行摄像机运动轨迹跟踪，其目的是为了给后期制作 创造一个能把计算机生成的三维素材融入真实镜头中的环境，使计算机生成的机器 或者生物的运动与实拍镜头合成后达到逼真的效果。

制作电影特效需要解决的基本问题之一是运动匹配，用于解决运动匹配问题的 主要技术是跟踪技术。为了解决摄像机运动这一问题，摄影机运动轨迹反求技术逐 渐兴起，其方法包括以下步骤：

一、录制二维画面；

二、通过计算机对二维画面进行像素检测，分析画面内元素的运动；

三、构建三维虚拟拍摄场景，找出原始拍摄轨迹。

上述方法的优点是操作简便，已经得到广泛应用。然而这种方法也存在许多缺 点。首先，摄影机轨迹反求技术是基于画面像素信息进行运算的，因此虽然它可以 通过一定的技术手段解决大多数情况下画面的跟踪要求，但在部分特殊情况下就无 法很好的工作，如画面中运动物体过多、遮挡物体过多等。另外，基于同样的原理， 摄影机轨迹反求技术对画面的质量也有一定的要求，如文件信息量大小、文件格式、 画面清晰度、运动幅度等等。

近年来，随着微电子机械系统技术的发展，这种建立在以微米、纳米技术基础 上的技术得以集合信息获取、处理和执行的多种功能，有着集成化程度高、尺寸小、 重量轻、功耗低、测量范围大、可靠性好、适合于批量化生产、易于实现数字化等 等优点。基于如上优点，微惯性传感器已经得到许多应用。然而目前的算法求解轨 迹都存在较大的误差，以纵深距离3000m、横向速度20m/s的坦克为例,误差都达 到了8m左右。与此同时，MotionControl等精度较高的控制系统的成本也较高。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于微惯性 传感器的轨迹还原方法及系统，解决摄像机的运动轨迹还原的准确性问题和成本问 题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于微惯性传感器的轨迹还原方法，包括以下步骤：

1)由多种微惯性传感器对载体的加速度、角速度和环境磁场数据进行高频采 集；

2)在高频采集的同时，对采集到的实时数据进行预处理；

3)根据预处理后的实时数据获得载体的初始姿态，并采用梯度下降法解算载 体姿态；

4)根据解算得的载体姿态通过积分方式求得三维空间内的轨迹。

步骤2)中，所述预处理包括确定量程和单位归一化处理。

步骤3)中，所述初始姿态为测量开始时静止状态的载体姿态，包括初始四元 数、初始姿态矩阵和初始姿态角。

步骤3)中，解算载体姿态具体为：

采用梯度下降法，将载体坐标系中重力造成的加速度理论值和预处理后的实时 数据中的加速度测量值间的误差作为目标函数，求解使所述误差最小的姿态四元 数。

步骤4)中，所述积分方式包括牛顿-柯斯特积分、数值积分、矩形积分或梯 形积分。

一种基于微惯性传感器的轨迹还原系统，包括：

轨迹记录装置，安装于载体上，用于高频采集载体的加速度、角速度和环境磁 场数据，并对采集得的实时数据进行预处理，所述轨迹记录装置包括多种微惯性传 感器；

后台处理器，通过无线网络与轨迹记录装置连接，用于根据预处理后的实时数 据采用梯度下降法还原载体在三维空间内的轨迹；

显示器，与后台处理器连接，用于显示后台处理器获得的轨迹。

所述后台处理器包括：

初始姿态获取模块，用于在预处理后的实时数据中分离出测量开始时静止状态 阶段的数据，获得初始姿态，所述初始姿态包括初始四元数、初始姿态矩阵和初始 姿态角；

载体姿态解算模块，用于采用梯度下降法将载体坐标系中重力造成的加速度理 论值和预处理后的实时数据中的加速度测量值间的误差作为目标函数，求解使所述 误差最小的姿态四元数；

积分模块，用于根据解算得的载体姿态通过积分方式求得三维空间内的轨迹。