[发明专利]带姿态解算的可编码主动光标识球

说明书

一种带姿态解算的可编码主动光标识球，其特征在于：包括无线通信模块、LED灯、9轴传感器模块、姿态解算及控制模块；当标识球进行俯仰角、偏航角和翻滚角的姿态输入时，姿态解算及控制模块对从9轴传感器模块中获得的原始传感器数据进行自校准解算，上位机连接信号接收端模块实时获取通过姿态解算及控制模块自校准解算出的高频的姿态数据，上位机根据姿态数据进行虚拟现实应用程序计算；同时姿态解算及控制模块还按指定频率及16位编码控制LED灯的亮灭，LED灯的亮灭频率为摄像机曝光频率的一半；在识别出编码后对识别出的编码球进行跟踪，在跟踪丢失后可以启用再次识别。在追踪系统中使用主动光标识球作为定位标识使得摄像机使用广角的鱼眼镜成为可能，在同等面积下可减少摄像机数目从而可有效的降低VR系统的成本。

技术领域

本发明涉及虚拟现实(VR)技术领域，具体地是一种带姿态解算的可编码主动光标识球。

背景技术

随着科技的迅速发展，人类与计算机类设备交互维度的需求不断增加。在很长时间内，人类与计算机的交互主要是在二维空间内，如平面显示器和鼠标、触控板。使用二维空间描述三维物体会造成使用不便和一定局限，特别是在三维设计和三维娱乐发展的今天，用户无法通过自然的动作交互看到设计中的三维空间。

随着虚拟现实技术的发展，实现动作交互可以通过光学式动作捕捉来实现。运动捕捉就是要测量、跟踪、记录物体在三维空间中的运动轨迹。典型的运动捕捉设备一般包括：传感器、信号捕捉设备、数据传输设备、数据处理设备等部分。光学式运动捕捉通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。常见的光学式运动捕捉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相机所见，则根据同一时刻两部相机所拍摄的图像和相机参数，可以确定这一时刻该点在空间中的位置。当相机以足够高的速率连续拍摄时，从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。典型的光学式运动捕捉系统通常使用多台相机环绕表演场地排列，这些相机的视野重叠区域就是表演者的动作范围。为了便于处理，通常要求表演者穿上单色的服装，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，视觉系统将识别和处理这些标志。系统定标后，相机连续拍摄动作，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，相机应有较高的拍摄速率，一般要达到每秒60帧以上。虽然光学式动作捕捉已经进入了实用化阶段，有多家厂商相继推出了多种应用于虚拟现实、游戏、人体工程学研究、模拟训练、生物力学研究等领域的商品化的运动捕捉设备。但是，光学式动作捕捉目前依然存在一些技术问题有待解决。

虚拟现实，特别是光学式运动捕捉技术需要解决的最重要问题之一就是室内空间中的定位问题，目前室内较大空间中可以实现毫米级的精度定位解决方案主要使用计算机视觉技术来实现。通过在室内空间中架设多组摄像机，先对所有摄像机进行标定获取摄像机的内外参数，根据所有摄像机同步曝光后求取图像中标记点的二维坐标，并对追踪到标记点的2个以上图像上的二维点进行匹配，再根据相应摄像机的内外参求取出目标标记点在三维空间中的位置。

在该实现中，如何对多幅图像中的二维点进行匹配，目前大致有以下两种方法。一是，使用带有颜色的标记点用可见光彩色摄像机对标记点进行拍摄，在二维点匹配时使用不同的颜色来区分，但该方案中由于使用可见光，光污染比较严重对追踪极易造成干扰，同时无法对超过一定数量的标记点进行识别。二是，使用不可见反光球的红外光进行反射，这需要使用三个以上的反光球形成刚体才能对每个刚体进行识别，因此会需要较多的标记点，更易造成互相干扰并导致计算量增大，同时该种方法中由于红外光源来自摄像机，因此摄像机间容易造成串扰现象，尤其是在视场角较大的情况下，摄像机覆盖的区域利用率不高，造成系统成本偏高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有目标标记点定位方案中光污染严重或摄像机间串扰现象严重、计算量较大、追踪标记点所受干扰较大、标记点数量受限、摄像机覆盖区域利用率不高、定位追踪方案总体成本偏高等缺点，提供一种带姿态解算的可编码主动光标识球。