本發(fā)明涉及ar交互領(lǐng)域，具體為立體覆蓋隱形二維碼的ar交互與空間定位系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(ar)技術(shù)通過將虛擬信息與現(xiàn)實(shí)世界場(chǎng)景進(jìn)行疊加,為用戶提供了豐富的交互體驗(yàn)，這種技術(shù)在教育、娛樂、醫(yī)療、工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。然而,傳統(tǒng)ar技術(shù)在識(shí)別碼的使用上存在一些局限性,這些局限性往往會(huì)影響物理對(duì)象的美觀性,限制了ar技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景。

2、現(xiàn)有的ar識(shí)別技術(shù)主要包括以下幾種:

3、1.基于特定圖像標(biāo)記的識(shí)別方法,如artoolkit等，這種方法使用預(yù)定義的黑白方塊圖案作為標(biāo)記,雖然識(shí)別準(zhǔn)確度高,但標(biāo)記往往較為突兀,影響物體的整體美觀。

4、2.基于自然特征點(diǎn)的識(shí)別方法,如vuforia等，這種方法利用圖像的自然特征進(jìn)行識(shí)別,不需要特定標(biāo)記,但對(duì)環(huán)境光線和物體表面紋理要求較高,在一些光滑或單一顏色的物體上效果不佳。

5、3.基于3d物體模型的識(shí)別方法，這種方法通過匹配實(shí)際物體與預(yù)先建立的3d模型來實(shí)現(xiàn)識(shí)別,適用于復(fù)雜形狀的物體,但計(jì)算量大,實(shí)時(shí)性較差,且需要預(yù)先建立精確的3d模型庫。

6、4.基于gps和傳感器的定位識(shí)別方法，這種方法主要用于戶外大范圍ar應(yīng)用,但精度較低,且在室內(nèi)環(huán)境中效果不佳。

7、5.基于可見光通信的識(shí)別方法，這種方法利用led燈閃爍傳輸信息,可以實(shí)現(xiàn)無標(biāo)記識(shí)別,但需要特殊的硬件設(shè)備支持,應(yīng)用場(chǎng)景受限。

8、綜上所述，這些方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)ar識(shí)別和交互,但都存在一些局限性，如視覺干擾、環(huán)境依賴，計(jì)算復(fù)雜度高，信息容量有限，易受干擾和隱私保護(hù)等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供立體覆蓋隱形二維碼的ar交互與空間定位系統(tǒng)及方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：立體覆蓋隱形二維碼的ar交互與空間定位方法，所述方法包括以下步驟：

3、步驟s100:將預(yù)設(shè)的ar交互信息編碼生成隱形二維碼；

4、步驟s200:將所述隱形二維碼印制在目標(biāo)物理對(duì)象的多個(gè)表面或不同角度位置；

5、步驟s300:使用相機(jī)掃描所述目標(biāo)物理對(duì)象得到多個(gè)隱形二維碼圖像，對(duì)多個(gè)隱形二維碼圖像進(jìn)行處理,獲取ar交互信息；

6、步驟s400:分析多個(gè)隱形二維碼圖像的相對(duì)位置和方向,計(jì)算目標(biāo)物理對(duì)象的空間姿態(tài)和位置信息；

7、步驟s500:根據(jù)獲取的ar交互信息以及計(jì)算得到的空間姿態(tài)和位置信息,在用戶設(shè)備上疊加對(duì)應(yīng)的ar內(nèi)容，同時(shí)檢測(cè)用戶與ar內(nèi)容的交互操作并實(shí)時(shí)更新ar內(nèi)容顯示。

8、進(jìn)一步的，步驟s100將ar交互信息編碼為隱形二維碼的過程包括：

9、步驟101：將ar交互信息轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)流；

10、步驟102：將二進(jìn)制數(shù)據(jù)流按預(yù)設(shè)編碼規(guī)則生成二維碼矩陣；

11、步驟103：將二維碼矩陣中的黑白模塊替換為紅外吸收或反射材料，生成隱形二維碼圖案。

12、進(jìn)一步的，步驟s200將生成的隱形二維碼使用油墨通過印刷方式印制在目標(biāo)物理對(duì)象的多個(gè)表面或不同角度位置。

13、上述步驟s100和s200將ar交互信息通過編碼技術(shù)轉(zhuǎn)換為一種在視覺上幾乎不可見的隱形二維碼印制在物理對(duì)象的多個(gè)表面或不同角度位置，在不干擾物理對(duì)象外觀的前提下存儲(chǔ)和傳輸ar信息，不僅確保了物理對(duì)象原有視覺美感的完整性不受干擾，還實(shí)現(xiàn)了技術(shù)應(yīng)用的隱蔽性。

14、進(jìn)一步的，步驟s300使用相機(jī)掃描所述目標(biāo)物理對(duì)象得到多個(gè)隱形二維碼圖像，所述相機(jī)為近紅外相機(jī)；

15、所述對(duì)多個(gè)隱形二維碼圖像進(jìn)行處理,具體處理步驟包括圖像增強(qiáng)和解碼,所述圖像增強(qiáng)過程包括：

16、步驟301：對(duì)捕獲的隱形二維碼圖像進(jìn)行灰度化處理；

17、步驟302：使用自適應(yīng)閾值分割算法將圖像二值化；

18、步驟303：應(yīng)用形態(tài)學(xué)操作去除噪點(diǎn)和填充空洞；

19、步驟304：進(jìn)行透視校正,得到標(biāo)準(zhǔn)正視圖像；

20、所述解碼過程包括：在標(biāo)準(zhǔn)正視圖像中定位二維碼區(qū)域，讀取該區(qū)域內(nèi)的二進(jìn)制矩陣數(shù)據(jù)，應(yīng)用二維碼解碼算法解析數(shù)據(jù)，驗(yàn)證并解析出ar交互信息。

21、上述步驟中特定波段的相機(jī)能夠識(shí)別并捕獲肉眼難以察覺的隱形二維碼圖像，同時(shí)捕獲多個(gè)隱形二維碼圖像，有助于后續(xù)對(duì)物體空間姿態(tài)和位置的精確計(jì)算；圖像增強(qiáng)技術(shù)可以改善二維碼圖像的清晰度，使其更容易被解碼；解碼過程則是提取出存儲(chǔ)在二維碼中的ar交互信息，為后續(xù)在用戶設(shè)備上疊加ar內(nèi)容提供數(shù)據(jù)支持。

22、進(jìn)一步的，步驟s400中,通過以下方法計(jì)算物體的空間姿態(tài)和位置信息：

23、步驟s401：分析多個(gè)二維碼的畸變程度，估算每個(gè)二維碼相對(duì)于相機(jī)的傾斜角度，具體包括步驟包括圖像采集、圖像預(yù)處理、二維碼定位、特征點(diǎn)提取、畸變分析、透視變換、角度計(jì)算、多源融合、時(shí)序?yàn)V波；

24、所述圖像采集，使用近紅外相機(jī)捕獲包含隱形二維碼的高分辨率圖像；

25、所述圖像預(yù)處理，對(duì)采集到的高分辨率圖像進(jìn)行去噪處理、對(duì)比度增強(qiáng)、圖像二值化轉(zhuǎn)換；

26、所述二維碼定位，采用基于霍夫變換的邊緣檢測(cè)算法；

27、所述特征點(diǎn)提取，使用harris角點(diǎn)檢測(cè)器提取二維碼四個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算二維碼中心點(diǎn)坐標(biāo)；

28、所述畸變分析，計(jì)算四角點(diǎn)構(gòu)成的四邊形與標(biāo)準(zhǔn)正方形的偏差，測(cè)量對(duì)角線長(zhǎng)度比和相鄰邊長(zhǎng)比；

29、所述透視變換，構(gòu)建3x3透視變換矩陣h，滿足h*[x,y,1]^t＝[x,y,1]^t，其中(x,y)為畸變圖像坐標(biāo)，(x,y)為理想正方形對(duì)應(yīng)坐標(biāo)，t為轉(zhuǎn)置符號(hào)；

30、所述角度計(jì)算，對(duì)矩陣h進(jìn)行svd分解，提取旋轉(zhuǎn)矩陣r，將r轉(zhuǎn)換為歐拉角(α,β,γ)：

31、α＝arctan(r32/r33)；

32、β＝arcsin(-r31)；

33、γ＝arctan(r21/r11)；

34、所述多源融合，檢測(cè)到多個(gè)二維碼時(shí)，使用加權(quán)平均法融合傾角結(jié)果；

35、所述時(shí)序?yàn)V波，應(yīng)用擴(kuò)展卡爾曼濾波器(ekf)，狀態(tài)向量包含位置和角度，向量為當(dāng)前幀計(jì)算的角度值；

36、步驟s402：根據(jù)多個(gè)二維碼的相對(duì)位置關(guān)系，建立物體的空間坐標(biāo)系：

37、首先選擇清晰度最高的二維碼作為原點(diǎn)，其次根據(jù)其他二維碼相對(duì)于原點(diǎn)的位置，確定坐標(biāo)系的x、y、z軸方向；

38、步驟s403：利用三角測(cè)量原理，計(jì)算物體相對(duì)于相機(jī)的精確空間位置和姿態(tài)，具體包括以下步驟：

39、基于已知的相機(jī)內(nèi)參矩陣和二維碼實(shí)際尺寸，解算pnp(perspective-n-point)問題；

40、采用ransac算法提高解算精度，迭代次數(shù)不少于m次，所述m>＝100；

41、輸出物體相對(duì)于相機(jī)的6種自由度姿態(tài)，包括三個(gè)空間位置參數(shù)x,y,z和三個(gè)空間方向參數(shù)roll,pitch,yaw。

42、上述步驟通過分析分布在物理對(duì)象不同位置的多個(gè)隱形二維碼的相對(duì)位置和方向，可以計(jì)算出物體在三維空間中的姿態(tài)和位置信息，這些信息對(duì)于實(shí)現(xiàn)更精確的ar內(nèi)容定位和渲染至關(guān)重要，能夠提升ar體驗(yàn)的沉浸感和真實(shí)感。

43、進(jìn)一步的，步驟s500根據(jù)獲取的ar交互信息確定需要疊加顯示的具體ar內(nèi)容，結(jié)合計(jì)算得到的空間姿態(tài)和位置信息,在用戶設(shè)備上疊加對(duì)應(yīng)的ar內(nèi)容，同時(shí)檢測(cè)用戶與ar內(nèi)容的交互操作并實(shí)時(shí)更新ar內(nèi)容顯示。

44、上述步驟根據(jù)解碼得到的ar交互信息及計(jì)算得到的空間姿態(tài)和位置信息，用戶設(shè)備能夠在物理對(duì)象的真實(shí)視圖上疊加虛擬的ar內(nèi)容，這種疊加效果增強(qiáng)了用戶的視覺體驗(yàn)，使物理對(duì)象與虛擬信息無縫結(jié)合，同時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)這些交互操作，并根據(jù)操作指令更新ar內(nèi)容的顯示，實(shí)現(xiàn)更加動(dòng)態(tài)和個(gè)性化的用戶體驗(yàn)。

45、立體覆蓋隱形二維碼的ar交互與空間定位系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括隱形二維碼模塊、ar識(shí)別模塊、空間定位模塊、ar交互模塊；

46、所述隱形二維碼模塊,用于將預(yù)設(shè)ar交互信息編碼生成隱形二維碼并印制在物理對(duì)象的多個(gè)表面或不同角度位置；

47、所述ar識(shí)別模塊,用于通過相機(jī)掃描目標(biāo)物理對(duì)象,同時(shí)捕獲并解碼多個(gè)隱形二維碼,獲取ar交互信息；

48、所述空間定位模塊,用于通過分析立體覆蓋的多個(gè)隱形二維碼,計(jì)算物體的空間姿態(tài)和位置信息；

49、所述ar交互模塊,根據(jù)獲取的ar交互信息以及計(jì)算得到的空間姿態(tài)和位置信息,在用戶設(shè)備上疊加對(duì)應(yīng)的ar內(nèi)容，同時(shí)檢測(cè)用戶與ar內(nèi)容的交互操作并實(shí)時(shí)更新ar內(nèi)容顯示。

50、進(jìn)一步的，隱形二維碼生成模塊包括信息編碼單元、隱形處理單元、印制單元；

51、所述信息編碼單元，用于將ar交互信息轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)流并生成二維碼矩陣；

52、所述隱形處理單元,用于將二維碼矩陣中的黑白模塊替換為紅外吸收或反射材料；

53、所述印制單元,用于將處理后的隱形二維碼圖案印制在物理對(duì)象的多個(gè)表面或不同角度位置。

54、進(jìn)一步的，ar識(shí)別模塊用于通過相機(jī)同時(shí)掃描目標(biāo)物理對(duì)象的多個(gè)表面，捕獲多個(gè)隱形二維碼圖像并進(jìn)行處理,獲取ar交互信息，所述相機(jī)為近紅外相機(jī)；

55、所述對(duì)多個(gè)隱形二維碼圖像進(jìn)行處理,具體處理步驟包括圖像增強(qiáng)和解碼,所述圖像增強(qiáng)過程包括：

56、步驟301：對(duì)捕獲的隱形二維碼圖像進(jìn)行灰度化處理；

57、步驟302：使用自適應(yīng)閾值分割算法將圖像二值化；

58、步驟303：應(yīng)用形態(tài)學(xué)操作去除噪點(diǎn)和填充空洞；

59、步驟304：進(jìn)行透視校正,得到標(biāo)準(zhǔn)正視圖像；

60、所述解碼過程包括：在標(biāo)準(zhǔn)正視圖像中定位二維碼區(qū)域，讀取該區(qū)域內(nèi)的二進(jìn)制矩陣數(shù)據(jù)，應(yīng)用二維碼解碼算法解析數(shù)據(jù)，驗(yàn)證并解析出ar交互信息；

61、進(jìn)一步的，空間定位模塊包括二維碼位置分析單元、空間坐標(biāo)系建立單元和三角測(cè)量單元，通過分析立體覆蓋的多個(gè)隱形二維碼,計(jì)算物體的空間姿態(tài)和位置信息；

62、所述二維碼位置分析單元通過分析多個(gè)二維碼圖像的畸變程度,估算每個(gè)二維碼相對(duì)于相機(jī)的傾斜角度，具體包括步驟包括圖像采集、圖像預(yù)處理、二維碼定位、特征點(diǎn)提取、畸變分析、透視變換、角度計(jì)算、多源融合、時(shí)序?yàn)V波；

63、所述圖像采集，使用近紅外相機(jī)捕獲包含隱形二維碼的高分辨率圖像；

64、所述圖像預(yù)處理，對(duì)采集到的高分辨率圖像進(jìn)行去噪處理、對(duì)比度增強(qiáng)、圖像二值化轉(zhuǎn)換；

65、所述二維碼定位，采用基于霍夫變換的邊緣檢測(cè)算法；

66、所述特征點(diǎn)提取，使用harris角點(diǎn)檢測(cè)器提取二維碼四個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算二維碼中心點(diǎn)坐標(biāo)；

67、所述畸變分析，計(jì)算四角點(diǎn)構(gòu)成的四邊形與標(biāo)準(zhǔn)正方形的偏差，測(cè)量對(duì)角線長(zhǎng)度比和相鄰邊長(zhǎng)比；

68、所述透視變換，構(gòu)建3x3透視變換矩陣h，滿足h*[x,y,1]^t＝[x,y,1]^t，其中(x,y)為畸變圖像坐標(biāo)，(x,y)為理想正方形對(duì)應(yīng)坐標(biāo)，t為轉(zhuǎn)置符號(hào)；

69、所述角度計(jì)算，對(duì)矩陣h進(jìn)行svd分解，提取旋轉(zhuǎn)矩陣r，r轉(zhuǎn)換為歐拉角(α,β,γ)：

70、α＝arctan(r32/r33)；

71、β＝arcsin(-r31)；

72、γ＝arctan(r21/r11)；

73、所述多源融合，檢測(cè)到多個(gè)二維碼時(shí)，使用加權(quán)平均法融合傾角結(jié)果；

74、所述時(shí)序?yàn)V波，應(yīng)用擴(kuò)展卡爾曼濾波器(ekf)，狀態(tài)向量包含位置和角度，向量為當(dāng)前幀計(jì)算的角度值；

75、所述空間坐標(biāo)系建立單元根據(jù)多個(gè)二維碼的相對(duì)位置關(guān)系,建立物體的空間坐標(biāo)系；首先選擇清晰度最高的二維碼作為原點(diǎn)，其次根據(jù)其他二維碼相對(duì)于原點(diǎn)的位置，確定坐標(biāo)系的x、y、z軸方向；

76、所述三角測(cè)量單元利用已知的二維碼之間的幾何關(guān)系和相機(jī)參數(shù),通過三角測(cè)量原理計(jì)算物體相對(duì)于相機(jī)的精確空間位置和姿態(tài)，具體包括以下步驟：

77、基于已知的相機(jī)內(nèi)參矩陣和二維碼實(shí)際尺寸，解算pnp(perspective-n-point)問題；

78、采用ransac算法提高解算精度，迭代次數(shù)不少于m次，所述m>＝100；

79、輸出物體相對(duì)于相機(jī)的6種自由度姿態(tài)，包括三個(gè)空間位置參數(shù)x,y,z和三個(gè)空間方向參數(shù)roll,pitch,yaw。

80、進(jìn)一步的，ar交互模塊根據(jù)獲取的ar交互信息確定需要疊加顯示的具體ar內(nèi)容，結(jié)合計(jì)算得到的空間姿態(tài)和位置信息,在用戶設(shè)備上疊加對(duì)應(yīng)的ar內(nèi)容，同時(shí)檢測(cè)用戶與ar內(nèi)容的交互操作并實(shí)時(shí)更新ar內(nèi)容顯示。

81、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所達(dá)到的有益效果是：

82、本發(fā)明創(chuàng)造性地引入隱形二維碼作為ar識(shí)別媒介，不僅確保了物理對(duì)象原有視覺美感的完整性不受干擾，還實(shí)現(xiàn)了技術(shù)應(yīng)用的隱蔽性，提升了用戶體驗(yàn)的和諧度；

83、通過采用特定波段的相機(jī)進(jìn)行識(shí)別，本發(fā)明顯著提升了識(shí)別過程的精確度和穩(wěn)定性，有效克服了環(huán)境光線、背景干擾等因素對(duì)識(shí)別效果的影響，確保了ar內(nèi)容的精準(zhǔn)觸發(fā)與展示；

84、借助立體覆蓋二維碼技術(shù)，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)物體在三維空間中的精確定位，這一技術(shù)突破極大地增強(qiáng)了ar交互的真實(shí)感和沉浸感，使用戶能夠體驗(yàn)到更加精準(zhǔn)、自然的虛擬與現(xiàn)實(shí)融合效果；

85、本發(fā)明在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上注重了結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)潔性與實(shí)現(xiàn)的高效性，既降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，又便于后續(xù)的升級(jí)與維護(hù)，本發(fā)明的實(shí)施，不僅豐富了ar技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景，還推動(dòng)了其在多個(gè)領(lǐng)域的深入應(yīng)用，為技術(shù)的快速推廣與廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。