一種可靈活組合的實時光學定位系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于室內(nèi)定位技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種可靈活組合的實時光學定位系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著2012年一款頭戴式顯示器，OCULUS Rift，在Kickstarter網(wǎng)站參與眾籌，虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，簡稱VR)技術(shù)再一次進入大眾的視野。借助頭戴式顯示器這一款VR設備，用戶身體感官將完全沉浸于虛擬的游戲世界，幾乎沒有“屏幕”的概念。盡管頭戴式顯示器在內(nèi)容輸出上給用戶帶來全新的沉浸式體驗，VR在交互輸入技術(shù)方面仍面臨著挑戰(zhàn)。目前大部分借助頭戴式顯示器的VR應用都要求用戶處在固定的位置，無法實現(xiàn)自由移動，用戶體驗受到限制。而為了帶給用戶更好的體驗，就需要借助一項交互輸入技術(shù)一一用戶實時定位。借助該技術(shù)，系統(tǒng)可以追蹤到用戶在真實環(huán)境中自由行走的位置，進而將用戶的位置融合到對應的虛擬世界中，并輸出對應位置實時渲染的環(huán)境，同時觸發(fā)對應游戲事件。而作為VR交互應用中用戶位置輸入，要求定位系統(tǒng)達到厘米級的精度和至少20赫茲的采樣頻率，以避免VR體驗中出現(xiàn)跳屏、卡屏和延遲等問題。
[0003]當前的室內(nèi)定位系統(tǒng)，主要根據(jù)無線電波、超聲波技術(shù)或光學原理來實現(xiàn)，如基于射頻標簽(RFID)、ZigBee、藍牙(Bluetooth，BT)、超寬帶無線電(Ultra Wide Band,UffB)、紅外定位、LED定位、計算機視覺定位和超聲波定位等?；跓o線電波原理的定位系統(tǒng)，定位精度目前只能達到分米級，其中定位精度最好的是UWB定位系統(tǒng)，精度可達30cm。而基于超聲波技術(shù)的定位系統(tǒng)，由于受到聲速的限制，定位的采樣頻率較低，一般低于20赫茲?；诠鈱W原理的定位系統(tǒng)在定位精度和采樣頻率上都能滿足VR應用的要求，是較理想的用戶位置實時追蹤解決方案。但是，目前支持VR交互應用的光學定位系統(tǒng)較少，而且大部分光學定位系統(tǒng)的追蹤范圍有限且不可以通過靈活組合來適應VR應用需求。
[0004]微軟推出的Kinect體感控制器是與Xbox360配套使用的一款3D攝像頭，這款設備借助紅外線來識別人體的運動，可以實時追蹤用戶的骨骼部位。同時微軟也為開發(fā)人員提供了Windows平臺下的Kinect應用開發(fā)接口。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對VR交互應用中，用戶位置實時輸入的技術(shù)短缺，提供了一種可靈活組合的實時光學定位系統(tǒng)。本發(fā)明主要利用Kinect和微軟的開發(fā)接口來設計一套可適用于VR交互應用的實時光學定位系統(tǒng)。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明包括有至少一個基本定位模塊，至少一個基本定位模塊覆蓋VR應用場景區(qū)域;基本定位模塊組合成VR應用場景所需的定位構(gòu)型，并標定基本定位模塊，通過標定基本定位模塊，將現(xiàn)實環(huán)境和VR應用場景對應起來;基本定位模塊與服務器之間網(wǎng)絡連接;服務器和基本定位模塊實時獲取用戶位置信息，并傳送給VR應用程序處理。
[0008]所述的定位構(gòu)型為H型、T型、U型、5型、6型或8型。
[0009]所述的基本定位模塊具有至少一個Kinect。
[0010]所述的基本定位模塊是由PC機、第一 Kinect、第二 Kinect、第三Kinect和第四Kinect組成，第一Kinect、第二 Kinect、第三Kinect和第四Kinect通過USB線分別連接PC機的四個串口，實現(xiàn)第一Kinect、第二Kinect、第三Kinect和第四Kinect與PC機間的數(shù)據(jù)傳輸;PC機通過開發(fā)接口調(diào)用Kinect骨骼幀的讀取函數(shù)來獲取用戶質(zhì)心的空間位置信息；
[0011]基本定位模塊的實現(xiàn)方法:
[0012](I)Kinect布置:根據(jù)Kinect的垂直視角和一般用戶的身高，第一Kinect、第二Kinect、第三Kinect和第四Kinect水平的安裝于1.1米的高度，并將第一Kinect、第二Kinect、第三Kinect和第四Kinect的位置調(diào)整至等間距;Kinect之間的間距d根據(jù)定位需求設計；
[00?3] (2 )Kinect標定:規(guī)定基本定位模塊坐標系Oxy，從第一 Kinect開始標定;選取第一Kinect視場117里不同位置的樣本點，同時記錄實測基本定位模塊坐標系Oxy中樣本點的坐標值和第一Kinect坐標系OxiyI檢測到的樣本點坐標值；利用最大似然法估計得到第一Kinect坐標映射到基本定位模塊坐標的變換矩陣；由于Kinect視場邊界處精度降低，為保證位置信號在Kinect之間過渡區(qū)域的連續(xù)性，第二 Kinect通過標定好的第一 Kinect來標定;選取第一 Kinect視場117和第二 Kinect視場116之間的重疊區(qū)域113里不同位置的樣本點，同時記錄第一Kinect檢測到的樣本點在基本定位模塊坐標系Oxy中的坐標值和第二Kinect坐標系Ox2y2檢測到的樣本點坐標值;利用最大似然法估計得到第二 Kinect坐標映射到基本定位模塊坐標的變換矩陣;采用第二 Kinect標定的方法，依次地，第三Kinect通過標定好的第二 Kinect來標定，完成第三Kinect坐標系Ox3y3到基本定位模塊坐標系Oxy的轉(zhuǎn)換；第四Kinect通過標定好的第三Kinect來標定，完成第四Kinect坐標系0x4y4到基本定位模塊坐標系Oxy的轉(zhuǎn)換；通過標定第一 Kinect、第二 Kinect、第三Kinect和第四Kinect，將第一Kinect、第二 Kinect、第三Kinect和第四Kinect坐標映射到了基本定位模塊坐標，同時保證了第一 Kinect、第二 Kinect、第三Kinect和第四Kinect聯(lián)合工作時定位信號的連續(xù)性；
[0014](3)Kinect定位區(qū)域劃分和用戶位置追蹤:以相鄰Kinect的中間位置為分界線，從第一 Kinect、第二 Kinect、第三Kinect和第四Kinect的視場里劃分出相同且寬度均等于d的矩形區(qū)域塊，矩形區(qū)域塊橫向?qū)R、縱向相接，即第一Kinect視場117里的矩形區(qū)域塊114，第二 Kinect視場116里的矩形區(qū)域塊112，第三Kinect視場107里的矩形區(qū)域塊110和第四Kinect視場106里的矩形區(qū)域塊108;受限于Kinect最大檢測深度值為4.095m，矩形區(qū)域塊的長度最大取值是4.095-0.5b/tan(0.5f3)m，其中β為Kinect的水平視角，β = 57° ；第一Kinect、第二 Kinect、第三Kinect和第四Kinect聯(lián)合追蹤用戶115的位置，第一Kinect、第二Kinect、第三Kinect和第四Kinect分別負責實時追蹤視場里對應的矩形區(qū)域塊，第一Kinect、第二 Kinect、第三Kinect和第四Kinect視場的并集構(gòu)成了基本定位塊的視場，四個矩形區(qū)域塊組成了基本定位塊的定位區(qū)域。
[0015]基本定位模塊由一臺PC機和第一 Kinect、第二 Kinect、第三Kinect和第四Kinect組成;而在實際應用中，基本定位模塊中Kinect的數(shù)量可根據(jù)定位需求而配置，但一臺PC機最多只可連接四部Kinect;當配置好基本定位模塊后，就可以通過若干個基本定位模塊靈活地組合搭建出所需構(gòu)型的定位系統(tǒng)。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的有益效果是:
[0017](I)低成本，搭建方便，靈活組合;Kinect安裝方便，布置參數(shù)可調(diào)。基本定位模塊可以非常靈活地組合成不同的定位構(gòu)型，為不同VR交互應用提供了便利；
[0018](2)定位信號具有良好的實時性、連續(xù)性和穩(wěn)定性;系統(tǒng)具有很高采樣頻率，保證了較高的用戶位置信息更新頻率，實時性好;利用Kinect之間重疊區(qū)域進行校正的方法，保證了 Kinect之間過渡區(qū)域位置信號的連續(xù)性，避免出現(xiàn)跳格的情況；
[0019](3)系統(tǒng)具有通用性，可作為任意VR交互應用中的輸入設備；系統(tǒng)提供與VR交互應用的數(shù)據(jù)接口，作為其位置控制的輸入設備。
【附圖說明】
[0020]圖1是基本定位模塊示意圖。
[0021 ]圖2是基本定位塊組合成L型定位系統(tǒng)的示意圖。
[0022]圖3是基本定位模塊組合定位構(gòu)型為H型的實例。
[0023]圖4是基本定位模塊組合定位構(gòu)型為T型的實例。
[0024]圖5是基本定位模塊組合定位構(gòu)型為U型的實例。
[0025]圖6是基本定位模塊組合定位構(gòu)型為5型的實例。
[0026]圖7是基本定位模塊組合定位構(gòu)型為6型的實例。
[0027]圖8是基本定位模塊組合定位構(gòu)型為8型的實例。
[0028]圖9是本發(fā)明的實施流程框圖。
【具體實施方式】
[0029]本發(fā)明包括有至少一個基本定位模塊100，至少一個基本定位模塊100覆蓋VR應用場景區(qū)域;基本定位模塊100組合成VR應用場景所需的定位構(gòu)型，并標定基本定位模塊100，通過標定基本定位模塊(100)，將現(xiàn)實環(huán)境和VR應用場景對應起來;基本定位模塊100與服務器之間網(wǎng)絡連接;服務器和基本定位模塊100實時獲取用戶位置信息，并傳送給VR應用程序處理。
[0030]所述的定位構(gòu)型為H型、T型、U型、5型、6型或8型。
[0031 ] 所述的基本定位模塊100具有至少一個Kinect。
[0032]參閱圖1，基本定位模塊100是由PC機101、第一Kinect 102、第二Kinect 103、第三Kinect 104 和第四Kinect 105 組成，第一Kinect 102、第二 Kinect 103、第三 Kinect 104 和第四Kinect 105通過USB線分別連接PC機101的四個串口，實現(xiàn)第一Kinect 102、第二Kinect 103、第三Kinect 104和第四Kinect 105與PC機101間的數(shù)據(jù)傳輸;PC機101通過開發(fā)接口調(diào)用Kinect骨骼幀的讀取函數(shù)來獲取用戶質(zhì)心的空間位置信息；
[0033]基本定位模塊的實現(xiàn)方法:
[0034](I)Kinect布置:根據(jù)Kinect的垂直視角和一般用戶的身高，第一 Kinect 102、第二Kinect 103、第三Kinect 104和第四Kinect 105水平的安裝于1.1米的高度，并將第一Kinect 102、第二 Kinect 103、第三Kinect 104和第四Kinect 105的位置調(diào)整至等間距;Kinect之間的間距d根據(jù)定位需求設計；
[0035](2)Kinect標定:規(guī)定基本定位模塊100坐標系Oxy，從第一 Kinect 102開始標定；選取第一Kinect 102視場117里不同位置的樣本點，同時記錄實測基本定位模塊100坐標系Oxy中樣本點的坐標值和第一 Kinect 102坐標系Oxiyi檢測到的樣本點坐標值;利用最大似然法估計得到第一Kinect 102坐標映射到基本定位模塊100坐標的變換矩陣；由于Kinect視場邊界處精度降低，為保證位置信號在Kinect之間過渡區(qū)域的連續(xù)性，第二 Kinect 103通過標定好的第一Kinect 102來標定;選取第一Kinect 102視場117和第二 Kinect 103視場116之間的重疊區(qū)域113里不同位置的樣本點，同時記錄第一Kinect 102檢測到的樣本點在基本定位模塊100坐標系Oxy中的坐標值和第二 Kinect 103坐標系Ox2y2檢測到的樣本點坐標值;利用最大似然法估計得到第二 Kinect 103坐標映射到基本定位模塊100坐標的變換矩陣；采用第二Kinect 103標定的方法，依次地，第三Kinect 104通過標定好的第二Kinect 103來標定，完成第三Kinect 104坐標系Ox3y3到基本定位模塊100坐標系Oxy的轉(zhuǎn)換；第四Kinect 105通過標定好的