專利名稱：一種基于頭部姿態(tài)控制的隨動遠程視覺系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及視頻監(jiān)控、圖像處理領域，具體涉及一種基于頭部姿態(tài)控制的隨動遠程視覺系統。
背景技術：
隨著攝像頭制作成本的降低，攝像頭應用越來越廣泛。為了增大攝像頭可視角度， 很多應用中均采用了云臺實現對攝像頭上下左右運動的控制。而目前攝像頭云臺操作大部分采用手動搖桿的方式，即通過搖桿來控制云臺的運動，雖能實現基本運動控制功能，但操作靈活性相對較低，尤其對于機器人或航模上用到的FPV裝置。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為云臺攝像頭的操作者提供一種基于頭部姿態(tài)控制的隨動遠程視覺系統，通過配戴安裝有體感檢測傳感器的視頻眼鏡，實現對云臺的運動跟隨控制，增加虛擬現實的沉浸感，給操作者帶來視頻、聲音和運動的三維一體式操作體驗。本發(fā)明采用如下的技術方案
一種基于頭部姿態(tài)控制的隨動遠程視覺系統，包括視頻顯示與交互裝置和隨動視覺裝置。視頻顯示與交互裝置包括無線影音傳輸接收模塊、視頻眼鏡顯示模塊、頭部姿態(tài)檢測傳感器模塊、控制器和通信模塊。隨動視覺裝置包括具有音頻采集功能的攝像頭、無線影音傳輸發(fā)射模塊、舵機云臺裝置、通信模塊和控制器。視頻顯示與交互裝置中，姿態(tài)檢測傳感器模塊放置在視頻眼鏡內部，通過模式選擇引腳連接至控制器I/O端口，姿態(tài)檢測傳感器模塊的水平方向和垂直方向的電壓輸出連接至控制器I/O端口，電源電路輸出端連接至控制器的電源端口，通信模塊的輸入端連接至控制器的通信端口，信號指示燈連接至控制器的通用端口。隨動視覺裝置中，水平舵機和垂直舵機分別連至云臺控制器的兩個接口，電源電路輸出端連接至云臺控制器的電源端口，通信模塊的輸入端連接至云臺控制器的通信端口，信號指示燈連接至云臺控制器的通用端口。本發(fā)明系統由攝像頭采集實時的圖像和聲音信息，并輸出模擬信號，模擬信號經過傳輸模塊傳輸到視頻眼鏡顯示模塊，操作者即可通過視頻眼鏡觀察到攝像頭正前方的視野并可聽到現場聲音，其中傳輸模塊采用無線或有線傳輸模塊。頭部姿態(tài)檢測模塊中的控制器將檢測到的運動數據解析成對云臺的位置控制指令，并通過通信模塊將位置指令傳輸給云臺控制模塊，云臺控制模塊對云臺進行控制，從而實現攝像頭對人頭部姿態(tài)的跟蹤運動，即實現了攝像頭與頭部組成的二維隨動系統，其中的通信模塊可以是無線或有線方式。本發(fā)明系統工作流程如下
步驟一攝像頭采集其正前方的圖像信息，同時攝像頭內置麥克采集周圍的聲音信息， 圖像和聲音信號經無線影音傳輸發(fā)射模塊，以無線形式發(fā)送出去；步驟二無線影音傳輸接收模塊接收到無線影音信號后，輸出至視頻眼鏡，視頻眼鏡實時的將接收到的影音信號呈現給操作者；
步驟三安裝在視頻眼鏡上的頭部姿態(tài)檢測傳感器檢測操作者的水平和垂直姿態(tài)，并以電壓信號的形式輸出；
步驟四視頻顯示與交互裝置的控制器通過其內置的AD轉換模塊采集由頭部姿態(tài)檢測傳感器輸出的電壓信號，并將其換算成云臺舵機的控制指令，通過通信模塊將控制指令數據包發(fā)送給隨動視覺裝置；
首先初始化控制器內部各功能模塊，包括時鐘、GPIO、AD、SPI等模塊，然后初始化通信模塊，進入循環(huán)狀態(tài)，檢測姿態(tài)檢測傳感器輸出的電壓信號，并根據公式1計算舵機控制 PWM信號在一個周期內的高電平時間，將計算得到的水平舵機和垂直舵機的時間組成的數組，作為云臺的控制指令，通過通信模塊將控制指令發(fā)送給云臺控制裝置，如果接收到應答信號，則進入新一輪循環(huán)，否則繼續(xù)發(fā)送控制指令，直到接收到應答信號。Y=O. 606X+0. 5公式 1
其中，Y為舵機控制PWM信號在一個周期內的高電平時間，X為采集的MMA7620輸出的電壓值。AD轉換的參考電壓為3. 3V。步驟五隨動視覺裝置通過通信模塊接收由視頻顯示交互裝置發(fā)送的數據包，解析出云臺的控制指令，根據控制指令控制云臺執(zhí)行相應的動作，從而實現攝像頭對人頭部的跟隨運動。首先初始化控制器內部各功能模塊，包括時鐘、GPI0、AD、SPI等模塊，然后初始化通信模塊，進入命令接收等待狀態(tài)，當接收到舵機的控制指令后，判斷舵機控制PWM信號的高電平時間是否在0. 5ms 2. 5ms范圍內，如果在其范圍內，則控制舵機執(zhí)行相應的控制動作，并發(fā)送應答控制信號(0x55)；如果接收到的控制指令的數據不在0. 5ms 2. 5ms范圍內，則放棄該數據，并繼續(xù)接收，直到接收到正確的控制指令。有益效果本發(fā)明提供了一種體感交互操作方式，操作者通過配戴一種特殊的視頻眼鏡裝置，可實現攝像頭對操作者頭部的運動跟蹤。該裝置不僅實現了攝像頭的視覺和麥克的聲音復制給了操作者，而且實現了操作者就像利用頭部運動控制自己眼睛視野一樣控制攝像頭的視野，就像操作者身臨攝像頭位置一樣，使操縱者具有更好的“第一人稱視角”，尤其適合遙控機器人視覺系統和航模的FPV視覺系統。


圖1是本發(fā)明的系統結構圖2是本發(fā)明實施例的視頻顯示與交互裝置控制部分框圖； 圖3是本發(fā)明實施例的隨動視覺裝置控制部分的框圖； 圖4是本發(fā)明實施例LED指示燈電路和電源電路圖； 圖5是本發(fā)明實施例無線通信模塊的接口電路圖； 圖6是本發(fā)明實施例頭部姿態(tài)檢測模塊MMA7620電路圖； 圖7是本發(fā)明實施例舵機控制接口電路圖；圖8是本發(fā)明實施例姿態(tài)檢測裝置軟件流程圖； 圖9是本發(fā)明實施例云臺控制裝置軟件流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。一種基于頭部姿態(tài)控制的隨動遠程視覺系統，包括視頻顯示與交互裝置和隨動視覺裝置。視頻顯示與交互裝置包括無線影音傳輸接收模塊、視頻眼鏡顯示模塊、頭部姿態(tài)檢測傳感器模塊、控制器和通信模塊。隨動視覺裝置包括具有音頻采集功能的攝像頭、無線影音傳輸發(fā)射模塊、舵機云臺裝置、通信模塊和控制器。系統結構如圖1所示。攝像頭采集圖像和聲音，傳輸給發(fā)射模塊，發(fā)射模塊將影音傳輸給接收模塊，接收模塊再將信號傳輸給視頻眼鏡，從而使操作者能夠感受到聲音和圖像信息。當操作者頭部姿態(tài)發(fā)生變化時，姿態(tài)檢測裝置將變化的信息解析成位置控制命令，通過通信模塊對云臺進行控制，實現攝像頭跟隨人的頭部運動。視頻顯示與交互裝置控制部分隨動視覺裝置控制部分的框圖分別如圖2和圖3所示。本發(fā)明系統控制器選用STM32或STC89C52RC，本例中選用STM32F103控制器，視頻顯示與交互裝置中，姿態(tài)檢測傳感器采用了型號為MMA7620的MEMS傾角傳感器，檢測操作者的頭部姿態(tài)，系統的通信模塊可為有線通信模塊或無線通信模塊，本例中采用RF24L01 無線傳輸模塊。姿態(tài)檢測傳感器檢測操作者頭部二維姿態(tài)數據，傳輸給STM32F103控制器， 控制器根據經驗映射公式，解析出云臺的位置控制指令，通過通信模塊傳輸給云臺控制器， 控制器及姿態(tài)檢測傳感器由電源模塊提供3. 3V電源，并通過工作指示燈指示不同的工作狀態(tài)。舵機云臺裝置選用舵機型號MD933，攝像頭采用SONY的520線C⑶攝像頭，攝像頭內置聲音采集模塊，能夠采集其周圍的聲音信息，并同視頻信號一起通過無線影音傳輸發(fā)射模塊將信號傳輸給無線影音傳輸接收模塊，視頻眼鏡能夠顯示圖像，并可播放聲音，從而呈現給操作者。無線影音傳輸模塊選用柏通1. 2G 800MW無線影音傳輸發(fā)射器，視頻眼鏡顯示模塊選用睿器X-MEN72視頻眼鏡。隨動視覺裝置中，控制器STM32F103通過無線通信模塊RF24L01接收來自頭部姿態(tài)檢測裝置的控制指令，根據控制指令，控制云臺的水平舵機和垂直舵機，實現攝像頭對操作者頭部運動的跟隨，其中控制器由電源模塊提供3. 3V電源，并通過工作指示燈指示不同的工作狀態(tài)，舵機電源直接由4節(jié)1. 5V五號電池提供。LED指示燈電路和電源電路如圖4所示，其中的P3為電源輸入接口，通過 LMl 117-3. 3穩(wěn)壓芯片，輸出3. 3V穩(wěn)定的直流電壓。LED2為電源工作指示燈。RF24L01無線通信模塊的接口電路如圖5所示，MMA7620姿態(tài)檢測傳感器電路原理圖如圖6所示，MMA7620姿態(tài)檢測傳感器模塊放置在視頻眼鏡內部，與人臉朝向水平垂直。 其中GU G2、SLEEP MODE為模式選擇引腳，分別連接控制器的PCU PC2、PC3引腳。ADl和 AD2分別為水平方向和垂直方向的電壓輸出信號，分別連接控制器的PA6和PA7引腳。舵機的連接電路如圖7所示，水平舵機Servol連接控制器PAO接口，垂直舵機 Servo2連接處理器PAl接口。本發(fā)明系統工作流程如下
步驟一攝像頭采集其正前方的圖像信息，同時攝像頭內置麥克采集周圍的聲音信息，圖像和聲音信號經無線影音傳輸發(fā)射模塊，以無線形式發(fā)送出去；
步驟二無線影音傳輸接收模塊接收到無線影音信號后，輸出至視頻眼鏡，視頻眼鏡實時的將接收到的影音信號呈現給操作者；
步驟三安裝在視頻眼鏡上的頭部姿態(tài)檢測傳感器將檢測操作者的水平和垂直姿態(tài)， 并以電壓信號的形式輸出；
步驟四視頻顯示與交互裝置的控制器通過其內置的AD轉換模塊采集由頭部姿態(tài)檢測傳感器輸出的電壓信號，并將其換算成云臺舵機的控制指令，通過通信模塊將控制指令數據包發(fā)送給隨動視覺裝置；
如圖8所示，首先初始化控制器內部各功能模塊，包括時鐘、GPI0、AD、SPI等模塊，然后初始化通信模塊，進入循環(huán)狀態(tài)，檢測姿態(tài)檢測傳感器輸出的電壓信號，并根據公式1計算舵機控制PWM信號在一個周期內的高電平時間，將計算得到的水平舵機和垂直舵機的時間組成的數組，作為云臺的控制指令，通過通信模塊將控制指令發(fā)送給云臺控制裝置，如果接收到應答信號，則進入新一輪循環(huán)，否則繼續(xù)發(fā)送控制指令，直到接收到應答信號。Y=O. 606X+0. 5公式 1
其中，Y為舵機控制PWM信號在一個周期內的高電平時間，X為采集的MMA7620輸出的電壓值。AD轉換的參考電壓為3. 3V。步驟五隨動視覺裝置通過通信模塊接收由視頻顯示交互裝置發(fā)送的數據包，解析出云臺的控制指令，根據控制指令控制云臺執(zhí)行相應的動作，從而實現攝像頭對人頭部的跟隨運動。如圖9所示，首先初始化控制器內部各功能模塊，包括時鐘、GPI0、AD、SPI等模塊， 然后初始化通信模塊，進入命令接收等待狀態(tài)，當接收到舵機的控制指令后，判斷舵機控制 PWM信號的高電平時間是否在0. 5ms 2. 5ms范圍內，如果在其范圍內，則控制舵機執(zhí)行相應的控制動作，并發(fā)送應答控制信號(0x55)；如果接收到的控制指令的數據不在0. 5ms 2. 5ms范圍內，則放棄該數據，并繼續(xù)接收，直到接收到正確的控制指令。
權利要求
1.一種基于頭部姿態(tài)控制的隨動遠程視覺系統，其特征在于包括視頻顯示與交互裝置和隨動視覺裝置，視頻顯示與交互裝置包括無線影音傳輸接收模塊、視頻眼鏡顯示模塊、 頭部姿態(tài)檢測傳感器模塊、控制器和通信模塊；隨動視覺裝置包括具有音頻采集功能的攝像頭、無線影音傳輸發(fā)射模塊、舵機云臺裝置、通信模塊和控制器；所述視頻顯示與交互裝置中，姿態(tài)檢測傳感器模塊放置在視頻眼鏡內部，并通過模式選擇引腳連接至控制器I/O端口，姿態(tài)檢測傳感器模塊的水平方向和垂直方向的電壓輸出連接至控制器I/O端口，電源電路輸出端連接至控制器的電源端口，通信模塊的輸入端連接至控制器的通信端口，信號指示燈連接至控制器的通用端口 ；隨動視覺裝置中，水平舵機和垂直舵機分別連至云臺控制器的兩個接口，電源電路輸出端連接至云臺控制器的電源端口，通信模塊的輸入端連接至云臺控制器的通信端口，信號指示燈連接至云臺控制器的通用端口。
2.根據權利要求1所述的基于頭部姿態(tài)控制的遠程視覺系統，其特征在于系統工作流程如下步驟一攝像頭采集其正前方的圖像信息，同時攝像頭內置麥克采集周圍的聲音信息， 圖像和聲音信號經無線影音傳輸發(fā)射模塊，以無線形式發(fā)送出去；步驟二無線影音傳輸接收模塊接收到無線影音信號后，輸出至視頻眼鏡，視頻眼鏡實時的將接收到的影音信號呈現給操作者；步驟三安裝在視頻眼鏡上的頭部姿態(tài)檢測傳感器檢測操作者的水平和垂直姿態(tài)，并以電壓信號的形式輸出；步驟四視頻顯示與交互裝置的控制器通過其內置的AD轉換模塊采集由頭部姿態(tài)檢測傳感器輸出的電壓信號，并將其換算成云臺舵機的控制指令，通過通信模塊將控制指令數據包發(fā)送給隨動視覺裝置；首先初始化控制器內部各功能模塊，包括時鐘、GPIO、AD、SPI等模塊，然后初始化通信模塊，進入循環(huán)狀態(tài)，檢測姿態(tài)檢測傳感器輸出的電壓信號，并根據公式1計算舵機控制 PWM信號在一個周期內的高電平時間，將計算得到的水平舵機和垂直舵機的時間組成的數組，作為云臺的控制指令，通過通信模塊將控制指令發(fā)送給云臺控制裝置，如果接收到應答信號，則進入新一輪循環(huán)，否則繼續(xù)發(fā)送控制指令，直到接收到應答信號，Y=O. 606X+0. 5公式 1其中，Y為舵機控制PWM信號在一個周期內的高電平時間，X為采集的姿態(tài)檢測傳感器輸出的電壓值，AD轉換的參考電壓為3. 3V；步驟五隨動視覺裝置通過通信模塊接收由視頻顯示交互裝置發(fā)送的數據包，解析出云臺的控制指令，根據控制指令控制云臺執(zhí)行相應的動作，從而實現攝像頭對人頭部的跟隨運動；首先初始化控制器內部各功能模塊，包括時鐘、GPI0、AD、SPI等模塊，然后初始化通信模塊，進入命令接收等待狀態(tài)，當接收到舵機的控制指令后，判斷舵機控制PWM信號的高電平時間是否在0. 5ms 2. 5ms范圍內，如果在其范圍內，則控制舵機執(zhí)行相應的控制動作， 并發(fā)送應答控制信號；如果接收到的控制指令的數據不在0. 5ms 2. 5ms范圍內，則放棄該數據，并繼續(xù)接收，直到接收到正確的控制指令。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于頭部姿態(tài)控制的隨動遠程視覺系統，包括視頻顯示與交互裝置和隨動視覺裝置，視頻顯示與交互裝置包括無線影音傳輸接收模塊、視頻眼鏡顯示模塊、頭部姿態(tài)檢測傳感器模塊、控制器和通信模塊；隨動視覺裝置包括具有音頻采集功能的攝像頭、無線影音傳輸發(fā)射模塊、舵機云臺裝置、通信模塊和控制器。系統采用體感交互操作方式，通過配戴安裝有體感檢測傳感器的視頻眼鏡，實現了攝像頭的視覺和麥克的聲音復制給了操作者，而且實現了操作者就像利用頭部運動控制自己眼睛視野一樣控制攝像頭的視野，實現對云臺的運動跟隨控制，增加虛擬現實的沉浸感，給操作者帶來視頻、聲音和運動的三維一體式操作體驗。
文檔編號H04N5/232GK102348068SQ201110222250
公開日2012年2月8日 申請日期2011年8月3日 優(yōu)先權日2011年8月3日
發(fā)明者吳成東, 吳昊, 夏志佳, 張云洲, 騰賀, 韓泉城 申請人:東北大學