一種基于信標的視覺定位系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種視覺定位系統(tǒng)及方法，特別涉及一種基于信標的視覺定位系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002]通常，在計算機視覺領域，尤其是增強現(xiàn)實領域中，對環(huán)境信標的圖像分析可以定位出圖像采集設備(如攝像機)的相對位置和姿態(tài)信息。
[0003]目前主要采用的信標系統(tǒng)為常亮式信標系統(tǒng)，對信標之間不加以區(qū)分，而采用窮舉的方式進行推算。當同一畫面中出現(xiàn)的信標數(shù)量過大時，計算復雜性增加，無法實現(xiàn)快速識別。另有一種信標系統(tǒng)，信標采用的是二維碼的形式，但其運算量仍然過大，不適用于便攜式設備，例如頭戴式設備。此外還有一種信標系統(tǒng)采用的是二進制頻閃方式，但是當信標數(shù)量過大時(100個以上)和二進制碼過長(7位以上)時，在快速運動時很難持續(xù)跟蹤采集，容易導致識別信標的失敗。
[0004]基于上述現(xiàn)有技術的不足之處，因此需要開發(fā)出一種能夠對大量信標進行快速識別的信標系統(tǒng)。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種基于信標的視覺定位系統(tǒng)，包括信號發(fā)射模塊、多個進行編號的信標模塊、圖像采集模塊和圖像處理模塊，其中，信號發(fā)射模塊，用于發(fā)射至少一組連續(xù)的控制信號來控制所述各個信標模塊的亮滅狀態(tài)；信標模塊，包括信號接收單元和指示燈；信號接收單元用于接收所述信號發(fā)射模塊發(fā)出的控制信號控制指示燈的亮滅或者通過控制所述信號單元內部的時鐘模塊來控制指示燈的亮滅；每個編號的信標模塊均對應唯一一個位置坐標；圖像采集模塊，包括信號同步單元和攝像單元，所述同步單元用于接收所述信號發(fā)射模塊發(fā)出的控制信號，所述攝像單元根據(jù)所述同步單元接收到的控制信號的頻率同步拍攝所述信標模塊的圖像序列；圖像處理模塊，通過獲取圖像采集模塊拍攝的圖像序列中至少3個滅燈的且位置不在一條直線上的所述信標模塊，通過控制信號時間確定所述信標模塊的編號，以得到該信標單元的位置坐標，并根據(jù)所述信標模塊的位置坐標來計算所述攝像單元的位置。
[0006]優(yōu)選地，所述信號接收單元和所述同步單元均內置有時鐘模塊，所述信號發(fā)射模塊發(fā)出控制信號同時激活所述時鐘模塊并通過所示時鐘模塊控制指示燈的亮滅，所述攝像單元根據(jù)所述時鐘模塊的頻率同步拍攝所述信標模塊的圖像序列。
[0007]優(yōu)選地，所述多個信標模塊的指示燈分為多組，每組發(fā)出不同波段的光。
[0008]優(yōu)選地，所述不同波段的指示燈發(fā)出白光、藍光、綠光、紅光、紅外光中的一種或多種。
[0009]優(yōu)選地，位于不同組中的信標模塊的指示燈通過同一控制信號同時滅燈。
[0010]優(yōu)選地，所述指示燈的亮滅信號為方波脈沖信號。
[0011]優(yōu)選地，所述方波指示燈的亮滅信號為正單脈沖、正雙脈沖、負單脈沖和負雙脈沖其中之一。
[0012]優(yōu)選地，所述攝像單元包括兩個間距為50?100毫米的平行攝像頭。
[0013]優(yōu)選地，所述信標模塊呈扁平狀的圓柱體，圓柱體頂面中心處半球形凸起為所述信標指示燈。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種利用上述視覺定位系統(tǒng)的定位方法，其定位步驟如下:a)在需要定位的空間中均勻布置所述信標模塊，對每個所述信標模塊編號，記錄下每個所述信標模塊對應的唯一位置坐標山)所述信號發(fā)射模塊發(fā)出不同的控制信號，所述圖像采集模塊中的同步單元和所述信標模塊同步接受控制信號，所述攝像單元根據(jù)接收到的控制信號頻率或時鐘模塊頻率同步拍攝所述信標模塊的圖像序列；c)所述圖像處理模塊根據(jù)采集到的圖像序列，識別出圖像中不同時刻滅燈的至少三個位置不在同一條直線上的所述信標模塊；d)通過脈沖時間確定所識別的信標模塊的編號，以得到該信標單元的位置坐標，并根據(jù)所述信標模塊的位置坐標來計算所述攝像單元的位置。
[0015]本發(fā)明的一種基于信標的視覺定位系統(tǒng)和方法具有快速的信標識別功能，特別是針對大量的信標系統(tǒng)，更加能體現(xiàn)出本發(fā)明視覺定位系統(tǒng)在識別速度上的優(yōu)勢，且同時需要的運算量很小，且相比較其他信標識別系統(tǒng)還具有可靠的穩(wěn)定性。
[0016]應當理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應當用作對本發(fā)明所要求保護內容的限制。
【附圖說明】
[0017]參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點將通過本發(fā)明實施方式的如下描述得以闡明，其中:
[0018]圖1(a)和圖1(b)示意性示出本發(fā)明視覺定位系統(tǒng)的系統(tǒng)架構示意圖；
[0019]圖2示意性示出了四種不同的控制信號圖；
[0020]圖3示出了本發(fā)明實施例中的具體應用示意圖。
【具體實施方式】
[0021]通過參考示范性實施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實施例；可以通過不同形式來對其加以實現(xiàn)。說明書的實質僅僅是幫助相關領域技術人員綜合理解本發(fā)明的具體細節(jié)。
[0022]在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實施例。在附圖中，相同的附圖標記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。
[0023]本發(fā)明提供了一種基于信標的視覺定位系統(tǒng)，通過采集圖像并分析圖像中信標的分布特征來確定圖像采集設備在空間中的位置。
[0024]圖1(a)和圖1(b)示出了根據(jù)本發(fā)明一種基于信標的視覺定位系統(tǒng)的架構示意圖。本發(fā)明的視覺定位系統(tǒng)100包括多個信標模塊101、信號發(fā)射模塊102、圖像采集模塊103、圖像處理模塊104。
[0025]信標模塊101，用于標識空間中的位置坐標。根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，空間中均勻且彼此相鄰等間距地設置有多個信標模塊101，每個信標模塊101均對應著一個位置坐標，多個位置坐標即構成了一個空間，且所有信標模塊101位置信息也構成了位置坐標表。根據(jù)本發(fā)明，至少三個信標模塊101就可以用于定位一個位置。信標模塊101整體呈現(xiàn)扁平狀的圓柱體，圓柱體頂面中心處半球形凸起為信標指示燈101b，而信號接收單元1la位于圓柱體的底部位置。優(yōu)選地，圓柱體的直徑大約為8?10厘米、高5?8厘米，總體體積較小便于布置。
[0026]優(yōu)選地，信標指示燈1lb的亮滅信號，即點亮時間與熄滅時間呈現(xiàn)為具有一定脈沖寬度的脈沖信號。如圖2所示，圖2(a)和圖2(b)為正單脈沖和正雙脈沖，圖2(c)和圖2(d)為負單脈沖和負雙脈沖。單脈沖信號與雙脈沖信號不同點在于信標指示燈1lb連續(xù)滅燈的次數(shù)。更加優(yōu)選地，為了增加控制信號的辨識度和防止誤判，信標指示燈1lb的亮滅信號應采用雙脈沖方波信號，這樣信標指示燈1lb就會連續(xù)滅燈兩次。最后應當理解的是，本發(fā)明可以使用的信標指示燈1lb的亮滅信號不僅僅局限于以上四種方波信號。
[0027]此外優(yōu)選地，如果需要定位空間較大，此時發(fā)射單一波段光線的信標模塊101難以滿足定位需求，而為了提高定位的精確性，可以設置多波段多組信標系統(tǒng)，例如藍光、綠光、紅光、紅外光四個波段的信標模塊101，每個波段的信標模塊101組成一組，四個波段即為四組信標系統(tǒng)。
[0028]信號發(fā)射裝置102，用于發(fā)射至少一組連續(xù)的控制信號來控制各個信標模塊101的亮滅狀態(tài)。每個信標模塊101均包括信號接收單元1la和信標指示燈101b，其中信號接收單元1la用于接收信號發(fā)射模塊102發(fā)出的控制信號，其中控制方法例如可以選自如下兩種:
[0029](I)上述控制信號直接用于控制信標指示燈1lb的亮滅，如果接收到的控制信號為當前信標指示燈1lb的控制開啟信號，則該信標指示燈1lb滅掉，否則即保持亮燈狀
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[0030](2)上述控制信號用于先激活信號接收單元1la內部的時鐘模塊，并通過該時鐘模塊控制信標指示燈1lb的亮滅。信號接收單元1la內部的時鐘模塊被激活后開始計數(shù)，并判斷計數(shù)的數(shù)值是否與當前信標模塊101相符合，如果不符合則滅掉當前信標模塊101的指示燈101b，反之亦然。
[0031]其中一組控制信號對應著一組信標系統(tǒng)，且一組信標系統(tǒng)內的每個信標模塊101均對應著不同的控制信號，即通過不同時間點的控制信號觸發(fā)滅燈。根據(jù)一個實施例，多組信標系統(tǒng)之間的控制信號也可以是相同的，例如，藍光、綠光、紅光、紅外光四個波段的信標模塊101分別在不同的信標系統(tǒng)中。優(yōu)選地，這四個信標模塊101對應的控制信號可以是相同的，只是它們的波段和呈現(xiàn)的顯色不相同，從而可以通過識別顏色來區(qū)分信標模塊101。利用不同顏色但同時被觸發(fā)的信標信號，可以同時觸發(fā)多個不同顏色的信標模塊101，從而大大提高定位識別的速度。
[0032]圖像采集模塊103，用于同步接收控制信號以及連續(xù)采集圖像。圖像采集模塊103包括信號同步單元103a和攝像單元103b。
[0033]信號同步單元103a同樣用于接收信號發(fā)射模塊102發(fā)出的控制信號，該控制信號直接控制信號同步單元103a，且與信標模塊101中的信號接收單元1la接收控制信號的時間是同步的，進一步可以根據(jù)接收到的控制信號判斷此時有哪些編號的是滅燈的信標模塊101。同樣地，信號同步單元103a也可以通過控制信號激活內部的時鐘模塊，并與信標指示燈1lb內部設置的時鐘模塊同步計數(shù)，從而達到與控制信息直接控制信號同步單元103a相同的效果。
[0034]攝像單元103b用于連續(xù)采集圖像，每拍攝一張圖像均通過信號同步單元103a記錄下拍攝時有哪些是滅燈的信標模塊101，同時根據(jù)同步后的脈沖時間得到滅燈信標模塊101的編號。攝像