一種基于微慣性傳感器的軌跡還原方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及軌跡還原技術(shù)，尤其是涉及一種基于微慣性傳感器的軌跡還原方法及 系統(tǒng)，適用于影視后期制作技術(shù)中攝像機軌跡的還原。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著影視后期制作技術(shù)的發(fā)展，觀眾能在影視作品中看到各式各樣的特效場面。 其中攝像機運動軌跡跟蹤這一技術(shù)在特效場面中又有著舉足輕重的作用，大部分的特效制 作都需要在拍攝后進行攝像機運動軌跡跟蹤，其目的是為了給后期制作創(chuàng)造一個能把計算 機生成的三維素材融入真實鏡頭中的環(huán)境，使計算機生成的機器或者生物的運動與實拍鏡 頭合成后達到逼真的效果。
[0003] 制作電影特效需要解決的基本問題之一是運動匹配，用于解決運動匹配問題的主 要技術(shù)是跟蹤技術(shù)。為了解決攝像機運動這一問題，攝影機運動軌跡反求技術(shù)逐漸興起，其 方法包括以下步驟：
[0004] 一、錄制二維畫面；
[0005] 二、通過計算機對二維畫面進行像素檢測，分析畫面內(nèi)元素的運動；
[0006] 三、構(gòu)建三維虛擬拍攝場景，找出原始拍攝軌跡。
[0007] 上述方法的優(yōu)點是操作簡便，已經(jīng)得到廣泛應用。然而這種方法也存在許多缺點。 首先，攝影機軌跡反求技術(shù)是基于畫面像素信息進行運算的，因此雖然它可以通過一定的 技術(shù)手段解決大多數(shù)情況下畫面的跟蹤要求，但在部分特殊情況下就無法很好的工作，如 畫面中運動物體過多、遮擋物體過多等。另外，基于同樣的原理，攝影機軌跡反求技術(shù)對畫 面的質(zhì)量也有一定的要求，如文件信息量大小、文件格式、畫面清晰度、運動幅度等等。
[0008] 近年來，隨著微電子機械系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，這種建立在以微米、納米技術(shù)基礎(chǔ)上的 技術(shù)得以集合信息獲取、處理和執(zhí)行的多種功能，有著集成化程度高、尺寸小、重量輕、功耗 低、測量范圍大、可靠性好、適合于批量化生產(chǎn)、易于實現(xiàn)數(shù)字化等等優(yōu)點?；谌缟蟽?yōu)點， 微慣性傳感器已經(jīng)得到許多應用。然而目前的算法求解軌跡都存在較大的誤差，以縱深距 離3000m、橫向速度20m/s的坦克為例，誤差都達到了 8m左右。與此同時，Mot ion Control等 精度較高的控制系統(tǒng)的成本也較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于微慣性傳 感器的軌跡還原方法及系統(tǒng)，解決攝像機的運動軌跡還原的準確性問題和成本問題。
[0010] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0011] -種基于微慣性傳感器的軌跡還原方法，包括以下步驟：
[0012] 1)由多種微慣性傳感器對載體的加速度、角速度和環(huán)境磁場數(shù)據(jù)進行高頻采集；
[0013] 2)在高頻采集的同時，對采集到的實時數(shù)據(jù)進行預處理；
[0014] 3)根據(jù)預處理后的實時數(shù)據(jù)獲得載體的初始姿態(tài)，并采用梯度下降法解算載體姿 態(tài)；
[0015] 4)根據(jù)解算得的載體姿態(tài)通過積分方式求得三維空間內(nèi)的軌跡。
[0016] 步驟2)中，所述預處理包括確定量程和單位歸一化處理。
[0017] 步驟3)中，所述初始姿態(tài)為測量開始時靜止狀態(tài)的載體姿態(tài)，包括初始四元數(shù)、初 始姿態(tài)矩陣和初始姿態(tài)角。
[0018] 步驟3)中，解算載體姿態(tài)具體為：
[0019]采用梯度下降法，將載體坐標系中重力造成的加速度理論值和預處理后的實時數(shù) 據(jù)中的加速度測量值間的誤差作為目標函數(shù)，求解使所述誤差最小的姿態(tài)四元數(shù)。
[0020] 步驟4)中，所述積分方式包括牛頓-柯斯特積分、數(shù)值積分、矩形積分或梯形積分。
[0021] -種基于微慣性傳感器的軌跡還原系統(tǒng)，包括：
[0022] 軌跡記錄裝置，安裝于載體上，用于高頻采集載體的加速度、角速度和環(huán)境磁場數(shù) 據(jù)，并對采集得的實時數(shù)據(jù)進行預處理，所述軌跡記錄裝置包括多種微慣性傳感器；
[0023]后臺處理器，通過無線網(wǎng)絡(luò)與軌跡記錄裝置連接，用于根據(jù)預處理后的實時數(shù)據(jù) 采用梯度下降法還原載體在三維空間內(nèi)的軌跡；
[0024] 顯示器，與后臺處理器連接，用于顯示后臺處理器獲得的軌跡。
[0025]所述后臺處理器包括：
[0026] 初始姿態(tài)獲取模塊，用于在預處理后的實時數(shù)據(jù)中分離出測量開始時靜止狀態(tài)階 段的數(shù)據(jù)，獲得初始姿態(tài)，所述初始姿態(tài)包括初始四元數(shù)、初始姿態(tài)矩陣和初始姿態(tài)角；
[0027] 載體姿態(tài)解算模塊，用于采用梯度下降法將載體坐標系中重力造成的加速度理論 值和預處理后的實時數(shù)據(jù)中的加速度測量值間的誤差作為目標函數(shù)，求解使所述誤差最小 的姿態(tài)四元數(shù)；
[0028] 積分模塊，用于根據(jù)解算得的載體姿態(tài)通過積分方式求得三維空間內(nèi)的軌跡。
[0029] 所述多種微慣性傳感器包括加速度計、磁力計和陀螺儀，其中，所述加速度計和磁 力計集成于同一模塊中，共用一套寄存器地址。
[0030] 所述軌跡記錄裝置內(nèi)還包括與多種微慣性傳感器分別連接的數(shù)據(jù)處理芯片，所述 數(shù)據(jù)處理芯片通過無線傳輸模塊與后臺處理器連接。
[0031] 所述無線傳輸模塊包括無線網(wǎng)卡或藍牙芯片。
[0032] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0033] (1)本發(fā)明通過多種微慣性傳感器組合對載體信息進行采集，通過算法還原運動 軌跡，解決了攝像機的運動軌跡還原的通過多個傳感器數(shù)據(jù)對目標物體不同方面進行同步 追蹤獲取目標物體，從而提升的準確性；
[0034] (2)本發(fā)明的加速度計、磁力計和陀螺儀等多個慣性傳感器均為微小型慣性傳感 器，降低了成本；
[0035] (3)本發(fā)明在數(shù)據(jù)高頻采集的同時對數(shù)據(jù)進行預處理，提高了數(shù)據(jù)的實時性，進一 步提升了軌跡還原的準確性。
【附圖說明】
[0036] 圖1為本發(fā)明軌跡還原方法的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0037] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。本實施例以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于 下述的實施例。
[0038] 本實施例提供一種基于微慣性傳感器的軌跡還原系統(tǒng)，適用于影視后期制作技術(shù) 中攝像機軌跡的還原，包括軌跡記錄裝置、后臺處理器和顯示器，其中，軌跡記錄裝置安裝 于載體上，用于高頻采集載體的加速度、角速度和環(huán)境磁場數(shù)據(jù)，并對采集得的實時數(shù)據(jù)進 行預處理，軌跡記錄裝置包括多種微慣性傳感器；后臺處理器通過無線網(wǎng)絡(luò)與軌跡記錄裝 置連接，用于根據(jù)預處理后的實時數(shù)據(jù)采用梯度下降法還原載體在三維空間內(nèi)的軌跡；顯 示器與后臺處理器連接，用于顯示后臺處理器獲得的軌跡。載體包括攝像機等。
[0039]軌跡記錄裝置內(nèi)還包括與多種微慣性傳感器分別連接的數(shù)據(jù)處理芯片，數(shù)據(jù)處理 芯片通過無線傳輸模塊與后臺處理器連接，無線傳輸模塊包括無線網(wǎng)卡或藍牙芯片。軌跡 記錄裝置內(nèi)設(shè)置的多種微慣性傳感器包括加速度計、磁力計和陀螺儀，其中，加速度計和磁 力計集成于同一模塊中，共用一套寄存器地址，陀螺儀則集成在另一模塊，兩模塊共同將傳 感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理芯片，數(shù)據(jù)處理芯片對采集的原始數(shù)據(jù)進行預處理，包 括設(shè)置量程、將原始ADC數(shù)據(jù)換算為公制單位值等，預處理后的數(shù)據(jù)通過串口由無線傳輸模 塊輸出給后臺處理器，后續(xù)的軌跡還原將在后臺處理器上進行。
[0040] 整個軌跡記錄裝置可被壓縮至40mm*40mm*10mm的空間內(nèi)。
[0041] 如圖1所示，上述基于微慣性傳感器的軌跡還原系統(tǒng)的具體軌跡還原過程為：
[0042] 1)由多種微慣性傳感器對載體的加速度、角速度和環(huán)境磁