一種具有全方位特征面的裝置及增強現實三維注冊系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及虛擬現實和人機交互技術領域，尤其涉及一種具有全方位特征面的裝 置及增強現實三維注冊系統。
【背景技術】
[0002] 增強現實是在虛擬現實的基礎上發展起來的新技術，是通過科學技術使計算機系 統提供虛擬信息并疊加到真實世界中，以增加用戶對現實世界感知的技術。三維注冊是增 強現實系統的重要組成部分，首先獲取三維空間中具體物體的準確的三維空間坐標，然后 根據獲取的三維坐標將由計算機生成的虛擬物體綁定拼接到真實的三維空間中去，以達到 真實環境和虛擬物體的準確無縫融合。
[0003] 在現有技術中，三維注冊方法主要采用基于特征點的方法。通過攝像機捕捉特征 點，并獲取每個特征點的三維位置坐標和二維屏幕坐標的映射，進行三維注冊。現有方法存 在以下問題：
[0004] 第一，特征點被遮擋造成三維注冊的失敗。
[0005] 第二，光照等外界因素影響特征點的檢測造成三維注冊的失敗。

【發明內容】

[0006] 本發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現 實三維注冊系統，從而解決現有技術中存在的前述問題。
[0007] 為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：
[0008] -種具有全方位特征面的裝置，包括一個全封閉式或半封閉式箱體，所述箱體上 設有可打開和閉合的用于使用者出入的出入口，當所述出入口閉合時所述箱體內部形成一 個全封閉或半封閉的空間，所述箱體內側布置有若干個相鄰且相互不重疊的特征點，所述 若干個特征點均互不相同且每一個所述特征點的位置均預先確定、每一個所述特征點與其 所在位置形成唯一對應關系。
[0009] 優選的，所述特征點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。
[0014] 優選的，所述特征點選用以下之一或以下兩種或多種的組合：
[0015] 自發光設備；
[0016] 背光設備；
[0017] 反光設備；
[0018] 以上所述光為可見光和/或非可見光。
[0019] 優選的，所述箱體的外部設置有用于驅動所述箱體移動位置的驅動機構。
[0020] 優選的，所述特征點布滿所述箱體的整個內表面。
[0021] 優選的，所述箱體內部空間形狀為方形或圓形或不規則幾何形。
[0022] 優選的，所述箱體上設有觀察窗和/或透氣孔。
[0023] -種增強現實三維注冊系統，包括所述的具有全方位特征面的裝置，還包括運算 分析模塊和設置于所述具有全方位特征面的裝置內部可移動的圖像采集裝置，所述圖像采 集裝置用于采集所述特征點的圖像，所述運算分析模塊用于對所述圖像采集裝置捕獲的圖 像進行處理、運算并得到所述圖像采集裝置的位置。
[0024] 優選的，所述運算分析模塊還用于將由計算機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和/或外的指定位置，以達到虛擬物體和真實世界的準確融合。
[0025] 優選的，還包括運動狀態控制模塊，用于以所述圖像采集裝置的位置信息為參數 通過控制所述驅動機構運動進而控制所述箱體的運動狀態。
[0026] 優選的，所述運動狀態包括：平移和/或旋轉和/或抖動和/或升降。
[0027] 優選的，所述圖像采集裝置為配置有標準鏡頭的攝像機，或者為配置有廣角鏡頭 的攝像機。
[0028] 本發明的有益效果是：
[0029] 本發明的具有全方位特征面的裝置及采用所述裝置的增強現實三維注冊系統，通 過構造一個封閉空間并在封閉空間內表面設置特征點，可以實現該封閉空間內可移動攝像 機的三維注冊，解決可移動攝像機在增強現實環境中的外界光照等因素影響特征點檢測 造成三維注冊失敗的問題，以及特征點被遮擋造成三維注冊的失敗問題，實現全向無死角 (大范圍、多角度的）三維注冊。
【附圖說明】
[0030] 圖1是本發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；2圖像采集裝置；3封閉式空間；
[0033] 圖3是本發明的具體實施例中單個特征點放大示意圖；
[0034] 圖4是本發明的具體實施例中由多特征點組成的特征面的示意圖。
【具體實施方式】
[0035] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖，對本發明進 行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的【具體實施方式】僅僅用以解釋本發明，并不用于 限定本發明。
[0036] 本發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現 實三維注冊系統，通過構造一個封閉空間并在封閉空間內表面設置特征點，可以實現該封 閉空間內可移動攝像機（圖像采集裝置）的三維注冊，解決可移動攝像機在增強現實環境 中的外界光照等因素影響特征點檢測造成三維注冊失敗的問題，以及特征點被遮擋造成三 維注冊的失敗問題，實現全向無死角（大范圍、多角度的）三維注冊。
[0037] 本發明提出的具有全方位特征面的裝置內部可以是長方體、球體等全封閉或半封 閉幾何空間，這里的半封閉指的是長方體、球體空間可能具有窗/門、觀察孔、透氣孔等開 口。長方體、球體空間內表面（例如長方體的六個面、球體的整個內表面）充滿特征點，特 征點位置被預先確定。特征點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，也可以是自發光或帶背光的互不相同的圖形和文字 符號。自發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對于人眼是 不可見的，可以提高使用者的舒適感。特征點充滿整個封閉空間內表面，并且按照特定形狀 排列，使位于封閉空間內部的攝像機在封閉空間有效范圍內能夠捕捉3個以上特征點。封 閉空間有效范圍是指封閉空間中可以進行攝像機三維注冊的空間范圍。
[0038] 具有全方位特征面的封閉空間是可以運動的。封閉空間自身具有運動裝置或者借 助外界運動裝置，發生平移、旋轉等運動。至少支持一個自由度（沿某軸向平移或轉動），到 多自由度復雜運動。可以通過外部的機械機構/電磁等方式來驅動本封閉空間（箱體）進 行運動，從而模擬虛擬現實中的運動場景，來帶身臨其境的真實感。
[0039] 本發明的增強現實三維注冊系統包含一個具有全方位特征面的裝置構造的封閉 空間、至少一個攝像機和運算分析模塊。封閉空間內表面充滿特征點，特征點位置被預先確 定。攝像機位于封閉空間內部，拍攝封閉空間內表面特征點圖像。圖像采集裝置可以配置 標準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，適當減少封閉空間內側特征點的密度后仍可進行準確的三維注冊。運算分析模塊 用于對攝像機捕獲的圖像進行處理、運算并得到攝像機的位置，運算分析模塊還可以用于 將由計算機生成的虛擬物體映射到真實世界中，以達到虛擬物體和真實世界的準確融合， 從而解決可移動攝像機在增強現實環境中的三維注冊問題。
[0040] 針對本發明中的增強現實、三維注冊系統的概念解釋：增強現實是通過計算機系 統提供的信息增加用戶對現實世界感知的技術，將虛擬的信息應用到真實世界，并將計算 機生成的虛擬物體、場景或系統提示信息疊加到真實場景中，從而實現對現實的增強。三維 注冊是指獲取三維空間中具體物體的準確的三維空間坐標。
[0041] 以下結合附圖具體說明：
[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 內表面充滿特征點，如圖（1)、（2)所示。特征點用于進行三維注冊，因此需要滿足：
[0043] 1)特征點的空間位置預先確定；
[0044] 2)不同特征點可以區分；
[0045] 3)特征點在旋轉后仍能識別。
[0046] 根據上述要求，特征點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，也可以是自發光或帶背光的圖形和文字符號。自發光 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對于人眼是不可見的，也 可以避免環境光的影響，同時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的設計方法可以選用如圖（3)所示的方案， 當然也可以選用其他方案，只要能滿足前述三個條件即可，每個特征點采用多個輻射功率 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特征點進行定位，包括3個 邊角由四個光源組成的光源組，1個邊角留空；其余12個位置用于對特征點進行編碼，可以 編碼2 12 = 4096個不同的特征點。按照上述方法構建特征點，可以滿足：1)不同特征點可 以區分，2)特征點旋轉后仍能識別。在預先確定的位置放置特征點，可以得到每個特征點的 空間位置。
[0048] 全方位特征面是由大小、位置不同的特征點構成的，特征面部分區域如圖（4)所 示。按照上述方法構建特征面，可以滿足：攝像機在較大的范圍內捕獲3個以上的特征點， 從而進行攝像機三維注冊。
[0049] 以下對運算分析模塊具體的運算分析過程詳細說明：
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