基于電磁式位置追蹤器和運(yùn)動捕捉系統(tǒng)的注冊跟蹤方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于電磁式位置追蹤器和運(yùn)動捕捉系統(tǒng)的注冊跟蹤方法，屬于增 強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的注冊跟蹤技術(shù)是一種能夠?qū)⑻摂M場景與真實(shí)世界精確對準(zhǔn)的方 法，它實(shí)現(xiàn)了虛擬場景和真實(shí)世界的完美結(jié)合。一般來說，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的注冊跟蹤技術(shù)主 要包括三種方式：基于計(jì)算機(jī)視覺的注冊跟蹤方法、基于傳感器的注冊跟蹤方法和混合式 注冊跟蹤方法?；谟?jì)算機(jī)視覺的注冊跟蹤方法利用圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛 擬場景在真實(shí)世界中的注冊跟蹤，這種方法具有成本低、精度高的優(yōu)點(diǎn)，但卻存在容易受光 照、遮擋等環(huán)境因素影響的缺點(diǎn)?；趥鞲衅鞯淖愿櫡椒ㄒ话憔哂卸ㄎ凰俣瓤?、實(shí)時(shí)性 好的優(yōu)點(diǎn)，但是注冊跟蹤過程中容易受到磁場、超聲波等外界因素的干擾。混合式注冊跟蹤 方法則在注冊跟蹤過程中使用了兩種或兩種以上的注冊跟蹤方法，從而實(shí)現(xiàn)各種注冊跟蹤 方法之間的優(yōu)勢互補(bǔ)。
[0003] 基于電磁式位置追蹤器的注冊跟蹤系統(tǒng)是一種比較常用的注冊跟蹤方法，電磁式 位置追蹤器主要由電磁發(fā)射器和電磁接收器兩個(gè)重要部分組成。電磁接收器接收的數(shù)據(jù)中 包含了六個(gè)自由度的空間向量信息（Χ，γ，ζ， α，β，γ)，即：電磁接收器坐標(biāo)系原點(diǎn)相對于 電磁發(fā)射器坐標(biāo)系原點(diǎn)的空間位置信息（X，Υ，Ζ)和電磁接收器坐標(biāo)系相對于電磁發(fā)射器坐 標(biāo)系的空間姿態(tài)信息（α，β，γ)。電磁式位置追蹤器雖然具有速度快、實(shí)時(shí)性好、定標(biāo)簡 單、魯棒性好、成本低廉、無遮擋等優(yōu)點(diǎn)，但是電磁式位置追蹤器對周圍環(huán)境的要求比較嚴(yán) 格，為了避免對電磁式位置追蹤器造成電磁場畸變而影響精度，在工作空間附近區(qū)域不能 有數(shù)量較多和面積較大的金屬物品。光學(xué)式運(yùn)動捕捉系統(tǒng)是使用最廣泛而且也是技術(shù)最完 善的運(yùn)動捕捉系統(tǒng)，這種類型的運(yùn)動捕捉系統(tǒng)通過對目標(biāo)物體上特定標(biāo)記點(diǎn)的識別和跟蹤 來完成運(yùn)動捕捉的任務(wù)，基于運(yùn)動捕捉系統(tǒng)的注冊跟蹤方法是一種基于計(jì)算機(jī)視覺的注冊 跟蹤方法。運(yùn)動捕捉系統(tǒng)通過對拍攝到的特定標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行圖像處理，計(jì)算出特定標(biāo)記點(diǎn)組 成的剛體在三維空間中的六個(gè)自由度的空間向量信息。
[0004] 混合式注冊跟蹤方法是一種使用兩組或兩組以上注冊跟蹤數(shù)據(jù)并將多組注冊跟 蹤數(shù)據(jù)進(jìn)行合并或融合的注冊跟蹤技術(shù)，混合式注冊跟蹤方法雖然在系統(tǒng)復(fù)雜性方面比單 一方式的注冊跟蹤方法高，但是混合式注冊跟蹤方法在保持高精度注冊跟蹤的同時(shí)還增強(qiáng) 了注冊跟蹤的魯棒性。在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用的混合式注冊跟蹤方法主要有以下幾類：基 于計(jì)算機(jī)視覺和電磁傳感器的注冊跟蹤方法、基于計(jì)算機(jī)視覺和慣性傳感器的注冊跟蹤方 法、基于計(jì)算機(jī)視覺和GPS傳感器的注冊跟蹤方法。Hirota等人將基于計(jì)算機(jī)視覺和電磁 傳感器的注冊跟蹤方法很好地應(yīng)用于多個(gè)系統(tǒng)；Azuma等人則設(shè)計(jì)了一種基于GPS傳感器、 慣性傳感器和計(jì)算機(jī)視覺的戶外注冊跟蹤系統(tǒng)；陳靖等人使用了基于計(jì)算機(jī)視覺和慣性傳 感器的注冊跟蹤方法用于運(yùn)動結(jié)構(gòu)的恢復(fù)和戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提出了一種基于電磁式位置追蹤器和運(yùn)動捕捉系統(tǒng)的注冊跟蹤方法，在保 持增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中注冊跟蹤精度的前提下，為了提升注冊跟蹤過程的魯棒性和健壯性，其 將使用電磁式位置追蹤器和運(yùn)動捕捉系統(tǒng)進(jìn)行增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的注冊跟蹤，運(yùn)動捕捉系統(tǒng)由 于拍攝圖像的遮擋可能會造成特定標(biāo)記點(diǎn)不能被正常計(jì)算，從而影響正確的注冊跟蹤結(jié) 果，此時(shí)將借助電磁式位置追蹤器接收到的六個(gè)自由度的空間向量信息對注冊跟蹤過程進(jìn) 行必要的補(bǔ)充以及修正；另一方面，電磁式位置追蹤器由于金屬等因素干擾電磁場，從而影 響電磁式位置追蹤器的數(shù)據(jù)計(jì)算，此時(shí)將借助運(yùn)動捕捉系統(tǒng)進(jìn)行正常的注冊跟蹤。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：基于電磁式位置追蹤器和運(yùn)動捕捉系統(tǒng)的注冊 跟蹤方法，由運(yùn)動捕捉攝像機(jī)組，攝像機(jī)數(shù)據(jù)傳輸交換機(jī)，高性能圖形工作站，附加3個(gè)特 定標(biāo)記點(diǎn)的平面塑料板，電磁發(fā)射器，電磁接收器組成；其特征在于：運(yùn)動捕捉攝像機(jī)組通 過網(wǎng)線連接到攝像機(jī)數(shù)據(jù)傳輸交換機(jī)上，從運(yùn)動捕捉系統(tǒng)獲取的特定標(biāo)記點(diǎn)圖像信息通過 攝像機(jī)數(shù)據(jù)傳輸交換機(jī)傳輸給高性能圖形工作站進(jìn)行處理與識別計(jì)算；電磁接收器接收電 磁發(fā)射器發(fā)射的電磁信號并利用電磁接收器內(nèi)部的計(jì)算單元計(jì)算出電磁接收器在電磁發(fā) 射器中的六個(gè)自由度信息，電磁接收器通過無線傳輸將六個(gè)自由度信息發(fā)送至高性能圖形 工作站；高性能圖形工作站獲取到電磁接收器和附加3個(gè)特定標(biāo)記點(diǎn)的平面塑料板的兩組 六個(gè)自由度信息后，便可計(jì)算出注冊跟蹤需要的變換矩陣，最后通過高性能圖形工作站的 顯示設(shè)備進(jìn)行注冊跟蹤效果的預(yù)覽； 具體步驟如下： 步驟1、將電磁接收器固定在附加3個(gè)特定標(biāo)記點(diǎn)的平面塑料板上，把附加3個(gè)特定標(biāo) 記點(diǎn)的平面塑料板放置在運(yùn)動捕捉攝像機(jī)組的有效拍攝范圍之內(nèi)，該有效拍攝范圍必須保 證附加3個(gè)特定標(biāo)記點(diǎn)的平面塑料板中每一個(gè)特定標(biāo)記點(diǎn)都能夠至少被3個(gè)攝像機(jī)拍攝 到，保持附加3個(gè)特定標(biāo)記點(diǎn)的平面塑料板和電磁接收器處于靜止?fàn)顟B(tài)； 步驟2、通過運(yùn)動捕捉攝像機(jī)組從運(yùn)動捕捉系統(tǒng)中獲取附加3個(gè)特定標(biāo)記點(diǎn)的平面塑 料板中3個(gè)特定標(biāo)記點(diǎn)組成的剛體的六個(gè)自由度信息：剛體空間位置信息（Xs，Ys，Zs)和剛 體空間姿態(tài)信息（^^，0 3，丫3)，剛體的六個(gè)自由度信息（\，乙，23，（13，|^，丫 3)是相對于 運(yùn)動捕捉系統(tǒng)坐標(biāo)系原點(diǎn)得到的數(shù)據(jù)； 步驟3、通過電磁接收器獲取電磁接收器在電磁發(fā)射器所產(chǎn)生磁場中的六個(gè)自由度信 息：電磁接收器空間位置信息（Xm，Ym，Zm)和電磁接收器空間姿態(tài)信息（α π，βπ，γπ)，電磁 接收器的六個(gè)自由度信息（Xm，Y m，Zm，απ，βπ，γπ)是相對于電磁發(fā)射器的坐標(biāo)系原點(diǎn)得到 的數(shù)據(jù)； 步驟4、使用方程組（1)和方程組（2)計(jì)算出電磁接收器相對于剛體六個(gè)自由度數(shù)據(jù)的 差值，以便將電磁接收器的六個(gè)自由度信息變換到運(yùn)動捕捉系統(tǒng)坐標(biāo)系中：
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于電磁式位置追蹤器和運(yùn)動捕捉系統(tǒng)的注冊跟蹤方法，由運(yùn)動捕捉攝像機(jī)組，攝 像機(jī)數(shù)據(jù)傳輸交換機(jī)，高性能圖形工作站，附加3個(gè)特定標(biāo)記點(diǎn)的平面塑料板，電磁發(fā)射 器，電磁接收器組成；其特征在于：運(yùn)動捕捉攝像機(jī)組通過網(wǎng)線連接到攝像機(jī)數(shù)據(jù)傳輸交 換機(jī)上，從運(yùn)動捕捉系統(tǒng)獲取的特定標(biāo)記點(diǎn)圖像信息通過攝像機(jī)數(shù)據(jù)傳輸交換機(jī)傳輸給高 性能圖形工作站進(jìn)行處理與識別計(jì)算；電磁接收器接收電磁發(fā)射器發(fā)射的電磁信號并利用 電磁接收器內(nèi)部的計(jì)