一種具有全方位特征面的裝置及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)三維注冊(cè)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及虛擬現(xiàn)實(shí)和人機(jī)交互技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有全方位特征面的裝 置及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)三維注冊(cè)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是在虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)，是通過科學(xué)技術(shù)使計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)提供虛擬信息并疊加到真實(shí)世界中，以增加用戶對(duì)現(xiàn)實(shí)世界感知的技術(shù)。三維注冊(cè)是增 強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的重要組成部分，首先獲取三維空間中具體物體的準(zhǔn)確的三維空間坐標(biāo)，然后 根據(jù)獲取的三維坐標(biāo)將由計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體綁定拼接到真實(shí)的三維空間中去，以達(dá)到 真實(shí)環(huán)境和虛擬物體的準(zhǔn)確無縫融合。
[0003] 在現(xiàn)有技術(shù)中，三維注冊(cè)方法主要采用基于特征點(diǎn)的方法。通過攝像機(jī)捕捉特征 點(diǎn)，并獲取每個(gè)特征點(diǎn)的三維位置坐標(biāo)和二維屏幕坐標(biāo)的映射，進(jìn)行三維注冊(cè)?，F(xiàn)有方法存 在以下問題：
[0004] 第一，特征點(diǎn)被遮擋造成三維注冊(cè)的失敗。
[0005] 第二，光照等外界因素影響特征點(diǎn)的檢測(cè)造成三維注冊(cè)的失敗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種具有全方位特征面的裝置及采用所述裝置的增強(qiáng)現(xiàn) 實(shí)三維注冊(cè)系統(tǒng)，從而解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的前述問題。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0008] -種具有全方位特征面的裝置，包括一個(gè)全封閉式或半封閉式箱體，所述箱體上 設(shè)有可打開和閉合的用于使用者出入的出入口，當(dāng)所述出入口閉合時(shí)所述箱體內(nèi)部形成一 個(gè)全封閉或半封閉的空間，所述箱體內(nèi)側(cè)布置有若干個(gè)相鄰且相互不重疊的特征點(diǎn)，所述 若干個(gè)特征點(diǎn)均互不相同且每一個(gè)所述特征點(diǎn)的位置均預(yù)先確定、每一個(gè)所述特征點(diǎn)與其 所在位置形成唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系。
[0009] 優(yōu)選的，所述特征點(diǎn)選用以下之一或以下兩種或多種的組合：
[0010] 顏色互不相同的色塊；
[0011] 形狀互不相同的幾何形狀塊；
[0012] 互不相同的圖形；
[0013] 互不相同的文字符號(hào)。
[0014] 優(yōu)選的，所述特征點(diǎn)選用以下之一或以下兩種或多種的組合：
[0015] 自發(fā)光設(shè)備；
[0016] 背光設(shè)備；
[0017] 反光設(shè)備；
[0018] 以上所述光為可見光和/或非可見光。
[0019] 優(yōu)選的，所述箱體的外部設(shè)置有用于驅(qū)動(dòng)所述箱體移動(dòng)位置的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
[0020] 優(yōu)選的，所述特征點(diǎn)布滿所述箱體的整個(gè)內(nèi)表面。
[0021] 優(yōu)選的，所述箱體內(nèi)部空間形狀為方形或圓形或不規(guī)則幾何形。
[0022] 優(yōu)選的，所述箱體上設(shè)有觀察窗和/或透氣孔。
[0023] -種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)三維注冊(cè)系統(tǒng)，包括所述的具有全方位特征面的裝置，還包括運(yùn)算 分析模塊和設(shè)置于所述具有全方位特征面的裝置內(nèi)部可移動(dòng)的圖像采集裝置，所述圖像采 集裝置用于采集所述特征點(diǎn)的圖像，所述運(yùn)算分析模塊用于對(duì)所述圖像采集裝置捕獲的圖 像進(jìn)行處理、運(yùn)算并得到所述圖像采集裝置的位置。
[0024] 優(yōu)選的，所述運(yùn)算分析模塊還用于將由計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體影像映射到所述具 有全方位特征面的裝置內(nèi)和/或外的指定位置，以達(dá)到虛擬物體和真實(shí)世界的準(zhǔn)確融合。
[0025] 優(yōu)選的，還包括運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制模塊，用于以所述圖像采集裝置的位置信息為參數(shù) 通過控制所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)而控制所述箱體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
[0026] 優(yōu)選的，所述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)包括：平移和/或旋轉(zhuǎn)和/或抖動(dòng)和/或升降。
[0027] 優(yōu)選的，所述圖像采集裝置為配置有標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的攝像機(jī)，或者為配置有廣角鏡頭 的攝像機(jī)。
[0028] 本發(fā)明的有益效果是：
[0029] 本發(fā)明的具有全方位特征面的裝置及采用所述裝置的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)三維注冊(cè)系統(tǒng)，通 過構(gòu)造一個(gè)封閉空間并在封閉空間內(nèi)表面設(shè)置特征點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)該封閉空間內(nèi)可移動(dòng)攝像 機(jī)的三維注冊(cè)，解決可移動(dòng)攝像機(jī)在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的外界光照等因素影響特征點(diǎn)檢測(cè) 造成三維注冊(cè)失敗的問題，以及特征點(diǎn)被遮擋造成三維注冊(cè)的失敗問題，實(shí)現(xiàn)全向無死角 (大范圍、多角度的）三維注冊(cè)。
【附圖說明】
[0030] 圖1是本發(fā)明的具有全方位特征面的裝置的透視示意圖（一）；
[0031] 圖2是本發(fā)明的具有全方位特征面的裝置的透視示意圖（二）；
[0032] 其中：1 特征點(diǎn)；2圖像采集裝置；3封閉式空間；
[0033] 圖3是本發(fā)明的具體實(shí)施例中單個(gè)特征點(diǎn)放大示意圖；
[0034] 圖4是本發(fā)明的具體實(shí)施例中由多特征點(diǎn)組成的特征面的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn) 行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的【具體實(shí)施方式】?jī)H僅用以解釋本發(fā)明，并不用于 限定本發(fā)明。
[0036] 本發(fā)明的目的在于提供一種具有全方位特征面的裝置及采用所述裝置的增強(qiáng)現(xiàn) 實(shí)三維注冊(cè)系統(tǒng)，通過構(gòu)造一個(gè)封閉空間并在封閉空間內(nèi)表面設(shè)置特征點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)該封 閉空間內(nèi)可移動(dòng)攝像機(jī)（圖像采集裝置）的三維注冊(cè)，解決可移動(dòng)攝像機(jī)在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境 中的外界光照等因素影響特征點(diǎn)檢測(cè)造成三維注冊(cè)失敗的問題，以及特征點(diǎn)被遮擋造成三 維注冊(cè)的失敗問題，實(shí)現(xiàn)全向無死角（大范圍、多角度的）三維注冊(cè)。
[0037] 本發(fā)明提出的具有全方位特征面的裝置內(nèi)部可以是長(zhǎng)方體、球體等全封閉或半封 閉幾何空間，這里的半封閉指的是長(zhǎng)方體、球體空間可能具有窗/門、觀察孔、透氣孔等開 口。長(zhǎng)方體、球體空間內(nèi)表面（例如長(zhǎng)方體的六個(gè)面、球體的整個(gè)內(nèi)表面）充滿特征點(diǎn)，特 征點(diǎn)位置被預(yù)先確定。特征點(diǎn)可以是互不相同的特殊的顏色塊，具有特殊形狀的互不相同 的方塊，互不相同的圖形和文字符號(hào)，也可以是自發(fā)光或帶背光的互不相同的圖形和文字 符號(hào)。自發(fā)光光源或背光光源可以是不可見的紅外光，這樣的圖形和文字符號(hào)對(duì)于人眼是 不可見的，可以提高使用者的舒適感。特征點(diǎn)充滿整個(gè)封閉空間內(nèi)表面，并且按照特定形狀 排列，使位于封閉空間內(nèi)部的攝像機(jī)在封閉空間有效范圍內(nèi)能夠捕捉3個(gè)以上特征點(diǎn)。封 閉空間有效范圍是指封閉空間中可以進(jìn)行攝像機(jī)三維注冊(cè)的空間范圍。
[0038] 具有全方位特征面的封閉空間是可以運(yùn)動(dòng)的。封閉空間自身具有運(yùn)動(dòng)裝置或者借 助外界運(yùn)動(dòng)裝置，發(fā)生平移、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。至少支持一個(gè)自由度（沿某軸向平移或轉(zhuǎn)動(dòng)），到 多自由度復(fù)雜運(yùn)動(dòng)?？梢酝ㄟ^外部的機(jī)械機(jī)構(gòu)/電磁等方式來驅(qū)動(dòng)本封閉空間（箱體）進(jìn) 行運(yùn)動(dòng)，從而模擬虛擬現(xiàn)實(shí)中的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，來帶身臨其境的真實(shí)感。
[0039] 本發(fā)明的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)三維注冊(cè)系統(tǒng)包含一個(gè)具有全方位特征面的裝置構(gòu)造的封閉 空間、至少一個(gè)攝像機(jī)和運(yùn)算分析模塊。封閉空間內(nèi)表面充滿特征點(diǎn)，特征點(diǎn)位置被預(yù)先確 定。攝像機(jī)位于封閉空間內(nèi)部，拍攝封閉空間內(nèi)表面特征點(diǎn)圖像。圖像采集裝置可以配置 標(biāo)準(zhǔn)鏡頭也可以配置廣角鏡頭。配置廣角鏡頭后，圖像采集裝置視角范圍大，可以涵蓋大范 圍景物，適當(dāng)減少封閉空間內(nèi)側(cè)特征點(diǎn)的密度后仍可進(jìn)行準(zhǔn)確的三維注冊(cè)。運(yùn)算分析模塊 用于對(duì)攝像機(jī)捕獲的圖像進(jìn)行處理、運(yùn)算并得到攝像機(jī)的位置，運(yùn)算分析模塊還可以用于 將由計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體映射到真實(shí)世界中，以達(dá)到虛擬物體和真實(shí)世界的準(zhǔn)確融合， 從而解決可移動(dòng)攝像機(jī)在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的三維注冊(cè)問題。
[0040] 針對(duì)本發(fā)明中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、三維注冊(cè)系統(tǒng)的概念解釋：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是通過計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)提供的信息增加用戶對(duì)現(xiàn)實(shí)世界感知的技術(shù)，將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，并將計(jì)算 機(jī)生成的虛擬物體、場(chǎng)景或系統(tǒng)提示信息疊加到真實(shí)場(chǎng)景中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)的增強(qiáng)。三維 注冊(cè)是指獲取三維空間中具體物體的準(zhǔn)確的三維空間坐標(biāo)。
[0041] 以下結(jié)合附圖具體說明：
[0042] 具有全方位特征面的封閉空間可以是長(zhǎng)方體、球體等全封閉或半封閉幾何空間， 這里的半封閉指的是長(zhǎng)方體、球體空間可能具有窗/門、觀察孔、透氣孔等開口。封閉空間 內(nèi)表面充滿特征點(diǎn)，如圖（1)、（2)所示。特征點(diǎn)用于進(jìn)行三維注冊(cè)，因此需要滿足：
[0043] 1)特征點(diǎn)的空間位置預(yù)先確定；
[0044] 2)不同特征點(diǎn)可以區(qū)分；
[0045] 3)特征點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)后仍能識(shí)別。
[0046] 根據(jù)上述要求，特征點(diǎn)可以是各不相同的特殊顏色塊，具有特殊形狀的各不相同 的方塊，各不相同的圖形和文字符號(hào)，也可以是自發(fā)光或帶背光的圖形和文字符號(hào)。自發(fā)光 光源或背光光源可以是不可見的紅外光，這樣的圖形和文字符號(hào)對(duì)于人眼是不可見的，也 可以避免環(huán)境光的影響，同時(shí)也可以提高使用者的舒適度。
[0047] 采用紅外光源具有特殊形狀的特征點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法可以選用如圖（3)所示的方案， 當(dāng)然也可以選用其他方案，只要能滿足前述三個(gè)條件即可，每個(gè)特征點(diǎn)采用多個(gè)輻射功率 較小的紅外光源，按一定的形狀排列組成。其中邊角位置用于對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行定位，包括3個(gè) 邊角由四個(gè)光源組成的光源組，1個(gè)邊角留空；其余12個(gè)位置用于對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行編碼，可以 編碼2 12 = 4096個(gè)不同的特征點(diǎn)。按照上述方法構(gòu)建特征點(diǎn)，可以滿足：1)不同特征點(diǎn)可 以區(qū)分，2)特征點(diǎn)旋轉(zhuǎn)后仍能識(shí)別。在預(yù)先確定的位置放置特征點(diǎn)，可以得到每個(gè)特征點(diǎn)的 空間位置。
[0048] 全方位特征面是由大小、位置不同的特征點(diǎn)構(gòu)成的，特征面部分區(qū)域如圖（4)所 示。按照上述方法構(gòu)建特征面，可以滿足：攝像機(jī)在較大的范圍內(nèi)捕獲3個(gè)以上的特征點(diǎn)， 從而進(jìn)行攝像機(jī)三維注冊(cè)。
[0049] 以下對(duì)運(yùn)算分析模塊具體的運(yùn)算分析過程詳細(xì)說明：
[0050