測量物體空間位置的方法和設備的製作方法
2023-07-11 01:56:06 2
專利名稱：測量物體空間位置的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及測量物體空間位置的方法和設備。
背景技術：
這種方法尤其適用於頭置顯示(HMD)設備。根據這種方法，觀察者頭戴一種顯示裝置，該顯示裝置生成觀察者能夠觀察到的圖像。為達到這種目的，這樣構造頭置顯示(HMD)設備，使得觀察者或者僅觀察到生成的圖像，或者觀察到與背景(即所謂的輔助實景)疊加在一起後生成的圖像。需要強調的是，為得到輔助實景，需要連續測量觀察者的移動情況和/或其頭部的方位並在生成圖像時加以考慮，以盡最大可能來實現重疊。
為此，經常採用各種與磁相關的方法。這類方法需要(靜態或動態地)準確測量磁場，其缺點在於位於觀測區域內的任何(含鐵)金屬物體都會影響磁場並因此降低測量精度。特別地，如果金屬物體不能靜態地處於某一位置，則還需要進行重新校準。
另外，還可以使用各種超聲系統。但此類系統使用的波長限制了系統的解析度。而且它們還極易受到幹擾。
再者，還可以使用包含陀螺儀的各種系統，但相當複雜。
發明內容
鑑於上述原因，本發明的目的是提供一種不太複雜但精度高的測量物體空間位置的方法和設備。
根據本發明，為達到上述目的，需要採用一種測量物體空間位置的方法。該方法包括將三個光源安裝在物體上以形成一個三角形的安裝步驟；接通光源的激活步驟；在接通光源的狀態下同時從第一和第二位置記錄物體的記錄步驟；以及確定被記錄圖像的光源位置，並根據確定的光源位置計算物體方位的判斷步驟。
在光源接通的狀態下同時記錄物體，將生成由三個光源形成的三角形的立體圖像對，其中在記錄時三個光源被同時接通。據此可用常見手段確定三角形的具體方位(位置和方向)，從而確定物體的具體方位。
例如，物體可以是頭盔或其它任何支持HMD設備中的顯示裝置的支持物。觀察者可將該支持物戴在頭上，從而能夠觀察到由顯示裝置生成的圖像。再例如，支持物還可以設計成帶有可架在耳朵上的弓形腿的眼鏡。這個情況中，形成三角形的三個光源既可以安裝在兩隻眼鏡腿上，也可以只安裝在其中一隻眼鏡腿上。
特別地，本發明中的方法能夠將光源的圖像從剩餘的背景圖像中分離出來以確定光源位置。這將提供具有三個分離的點的立體圖像(光源圖像)對，這些點可以很容易地被判斷出來。
可以使用諸如電子的方式將光源圖像從剩餘的背景圖像中分離出來。這就使進行電子圖像處理成為可能，其中圖像根據被記錄的(接通狀態下的)光源的亮度或顏色被分離。
特別優選地，在判斷步驟前光源被斷開，而物體在光源斷開的狀態下從第一位置和第二位置同時被記錄下來，從而在判斷步驟中從在光源接通狀態下的記錄中提取出在光源斷開狀態下的記錄，從而確定對於每一個記錄位置的光源位置。這樣，整個的背景圖像就與光源的圖像分離開來，進而呈現僅包括三個分離的點(光源圖像)的立體圖像對。運用常見的圖像處理程序即可完成圖像提取。
根據本發明的方法的一個優選實施例是，在安裝步驟中為物體安裝三個以上的光源，其中每次只有三個光源在判斷步驟中被接通。這就保證了在物體具有廣泛的活動空間時其上始終會有三個光源能夠從兩個位置被同時記錄下來。
特別地，當物體上安裝三個以上的光源時，就有可能在判斷步驟中始終接通能夠構成最大三角形並能從兩個位置被記錄下來的三個光源。最大三角形可以是面積最大的三角形，也可以是周長最長的三角形。這樣會增加方位確定的準確性。
本發明涉及的方法的一個特別優選的實施例是以脈衝的方式對光源進行操作。這樣很容易始終生成一個光源接通狀態下的圖像對和一個光源斷開狀態下的圖像對。利用這些圖像對就可以很容易地將光源圖像從背景圖像中分離出來。
於是，利用以脈衝方式操作的光源，圖像就能夠被同步記錄下來，從而交替記錄光源接通狀態下的圖像對和光源斷開狀態下的圖像對。接著就可以利用兩個連續的圖像對(即一個光源接通狀態下的圖像對和一個光源斷開狀態下的圖像對)進行上述的背景圖像分離(例如通過適當的圖像提取)。
而且，為識別各光源，可對光源逐個接通並單獨記錄。這就很容易通過三個接通的光源識別被記錄的圖像中的光源個體，從而確保能夠正確判斷物體方位。
在根據本發明的方法中可以用無線方式控制光源。當本發明中的方法應用於HMD設備時，這種無線方式因省去了不必要的電線連接而尤其具有優勢。
根據本發明的方法的另一個實施例是，光源在接通狀態下發出不可見波長範圍內(如紅外線範圍內)的光線(或電磁輻射)。其優點在於採用該方法的(如配備HMD設備的)觀察者不會受閃爍或光亮的幹擾。
本發明的另一個目的在於提供一種測量物體空間位置的設備。其中，該設備包括可安裝在物體上的三個光源；圖像記錄範圍相互重疊且分別放置的兩個圖像記錄設備；控制設備，用於控制光源的接通並控制兩個圖像記錄設備在光源接通的狀態下同時記錄物體；以及判斷單元，用於確定被記錄圖像中光源的位置並根據確定的光源位置確定物體的方位。
使用該設備，通過確定被記錄圖像中光源的位置可以輕鬆地確定光源的位置並進而確定物體的空間位置。
該控制設備和判斷單元可以由安裝了適當軟體的普通計算機來實現。
根據本發明的設備的另一個具有優點的實施例是，判斷單元將光源圖像從剩餘的背景圖像中分離出來以確定光源位置。特別地，這種分離可以通過電子方式來實現。
例如，這樣一來，控制設備可以斷開光源並控制兩個圖像記錄設備在光源斷開的狀態下同時記錄物體。而且，確定光源位置時，判斷單元可以把每一個圖像記錄設備在光源斷開狀態下記錄的圖像從光源接通狀態下記錄的圖像中抽取出來。這一過程通過常見圖像處理程序即可輕鬆實現，並可產生包含三個分離的點(光源圖像)的立體圖像對。通過立體圖像對，就能非常容易地確定物體的方位。
一個優選的實施例中採用多個紅外線(IR)二極體作為物體(如頭盔)上的光源，並採用多個對紅外線敏感的圖像拾取器或圖像記錄設備。每一個圖像拾取器前都會配備一個紅外線濾光器，只有波長大於830nm的光線才可以通過。這樣，呈現出來的一般的背景燈光相當暗，從而記錄的背景也相當暗。然而，由於IR二極體的光線波長為880nm，所以順利到達圖像拾取器的IR二極體的光線便成為強而有用的信號。這種措施在提取圖像時明顯提高了有用信號/幹擾信號比，並顯著提高了圖像中被分離的點的對比度。
本發明的另一個具體實施例中，運用進一步的圖像分析方法對被分離的點進行了判斷，在該圖像分析方法中相對於重心分析產生的光點(被記錄圖像中的光源圖像)。其結果是進一步顯著提高了本發明涉及的設備對方位確定的精確度。
由於光源(如發光二極體)的幾何圖形對計算光點的重心有直接的影響，本發明又做了進一步的改進。為此，光源(如發光二極體)被埋在一個用某種材料(如鋁，用於IR二極體)製成的圓柱形腔內，圓柱形腔在光源發出的光線或射線的波長範圍內不透光(如採用IR二極體作光源時的紅外線波長範圍內)。圓柱形腔上剩下的圓形開放表面上覆有一個薄的散射盤，其散射角度可以為，例如，60°。這一裝置使光點始終呈現圓形或橢圓形，從而據此產生的重心也更精確。
在從圖像拾取器到光源(如發光二極體或IR二極體)的相當長的距離內，這些可以由一個相對較強的電流驅動，以便在不同距離內始終達到理想的對比度。這樣，光源(如IR二極體)的亮度被一個可以是主控制電路一部分的控制電路以這樣的方式控制，即，隨著從圖像拾取器或從圖像記錄設備到光源距離的增大而施加更強的電流。這種控制由於距離的原因可以受到諸如漸強的遲滯的影響。
而且，根據本發明的設備中可以採用控制單元。控制單元與光源相連並在設備提供的無線信號的基礎上控制光源。其中，特別地，光源配有一個電流源或電壓源。這樣就很容易得到一個帶控制單元的可攜式光源裝置，它在HMD設備中尤其適用。
根據本發明的方法的一個特別優選的實施例中採用發光二極體，特別是紅外線發光二極體作為光源。使用發光二極體作光源，不僅體積小、價格便宜，而且使用壽命長，從而保證了根據本發明的設備的穩定性。使用紅外線二極體的另一個優點在於觀察者觀察不到發出的紅外線，從而免受幹擾。
另外，根據本發明的設備中，物體可以包含一個可安裝在觀察者頭部的顯示單元，從而觀察者可以觀察到其上生成的圖像。通過顯示單元，觀察者或者僅觀察到生成的圖像，或者觀察到與背景疊加在一起後生成的圖像。這樣就可以實現一個能方便可靠地確定觀察者頭部方位的HMD設備。
根據本發明的設備中，光源可用固定方式連接到物體上並形成三角形。這樣就保證了物體的方位總能夠從光源(或光源形成的三角形)的位置中推斷出來。
根據本發明的方法的另一個實施例中，光源可包含一個預定的放射光譜，而記錄設備可以只記錄具有預定放射光譜的光線。這樣在記錄的過程中就已經將光源圖像與背景圖像分離開來。特別地，可藉助濾光器進行分離。濾光器安裝在每一個記錄設備上並只允許具有預定放射光譜的光線通過。
下面將通過實例並結合圖形詳細介紹本發明。
圖1示意性地顯示了根據本發明的設備在HMD設備中的實施例；圖2示意性地顯示圖1中設備的功能簡圖；以及圖3示意性地顯示根據本發明的設備在HMD設備中的另一個實施例。
具體實施例方式
根據本發明的測量物體空間位置的設備包括頭盔1，其上裝有三個紅外線發光二極體2，3，4。其中第一發光二極體2裝於頭盔的頂部，另外兩個發光二極體3和4裝於頭盔1的底沿7，在圓周方向相互間隔約90°。
一個控制單元8，安裝在頭盔1上用於控制發光二極體2，3，4。控制單元將在下文詳述。
一個顯示單元9，以如下方式安裝於頭盔1，即佩戴頭盔1的觀察者(未示出)能夠觀察到顯示單元9生成的圖像。包含顯示單元9的頭盔1即為所謂的HMD設備。
根據本發明的設備還包括兩個攝像機10和11，能夠從不同位置記錄頭盔1或發光二極體2，3，4。為此，攝像機10和11被以如下方式安排和設計，即二者的圖像記錄區域12和13至少部分重疊，而且圖像記錄區域12和13的重疊部分覆蓋了頭盔1在預定用途中的活動範圍。
與發光二極體2，3，4相似，攝像機10和11受控制裝置14的控制。
顯然，尤其根據圖2，控制裝置14包括兩個分別對應於攝像機10和11的數位化單元15和16，由控制裝置14中的控制模塊17控制。
控制裝置14還包括一個發射單元18。通過發射單元18，控制模塊17將用於發光二極體2，3，4的控制信號以無線方式發射到控制單元8(如箭頭A所示)，信號被控制單元8中的接收單元19接收。
除接收單元20外，控制單元8還包括一個開關單元。該控制單元受接收到的信號的控制，將發光二極體2，3，4與控制單元8中的一個電壓源21相聯。
數位化單元15和16與一個判斷單元22相聯。判斷單元利用(數位化的)圖像計算發光二極體2，3，4的位置並依此計算頭盔1的方位，進而由此確定觀察者頭部的方位。與頭盔1的方位相關的數據由判斷單元22提供給控制模塊17及顯示單元9的一個顯示控制23，這樣，例如，由顯示單元9生成的圖像就能夠在通過該顯示單元9能夠觀察到的環境中被準確定位。
控制裝置14、判斷單元22以及顯示控制23可以通過一個或多個裝有適當軟體的計算機實現。
工作時，發光二極體2，3，4以脈衝方式被驅動並始終保持同時接通或斷開。圖1所示的實施例中，發光二極體2，3，4形成了示出的三角形24。
當發光二極體2，3，4接通時，攝像機10和11同時攝取三個二極體2，3，4接通狀態下頭盔1的一個圖像。被記錄的圖像由數位化單元15和16數位化並在判斷單元22中保存。
隨後，發光二極體2，3，4(受脈衝驅動)斷開。攝像機10和11同時記錄三個二極體2，3，4斷開狀態下的頭盔1。這些圖像同樣由數位化單元15和16數位化並被提供給判斷單元22。
接著，判斷單元22將發光二極體2，3，4斷開時攝像機10中攝取的圖像從發光二極體2，3，4接通時攝像機10攝取的圖像中抽取出來。由攝像機11拍攝的兩種圖像以同樣方式被分離。這樣，在理想情況下只包含三個分離的點(發光二極體2，3，4的圖像)的一對立體圖像便呈現出來。從而，運用已知方法並綜合考慮攝像機10和11的位置，就能夠計算出由發光二極體2，3，4形成的三角形24的空間位置。由於發光二極體2，3，4安裝在頭盔1上，而且它們在頭盔上的確切位置已知(例如通過一次性校準)，因而頭盔1的方位(位置和方向)可以被精確地確定下來。
根據頭盔1的空間位置，進而也根據顯示單元9的空間位置，顯示控制23按既定方式控制顯示單元9。這樣，例如，由顯示單元9生成的(立體)圖像就能夠被生成以便始終顯示在相同的空間位置而不受觀察者移動的影響。
接著，發光二極體2，3，4又被接通並同時被攝像機10和11記錄；然後攝像機10和11再次記錄頭盔1在發光二極體2，3，4斷開狀態下的圖像。於是依上述方法，記錄的圖像中又生成具有三個分離的點的立體圖像對。
照此步驟，就可以連續確定頭盔1的空間位置，進而連續確定觀察者頭部的空間位置。
當然也可以先記錄發光二極體2，3，4斷開時頭盔1的圖像然後再記錄發光二極體2，3，4接通時頭盔1的圖像，並據此生成具有三個分離的點的立體圖像對。
圖3示出了本發明涉及的另一個實施例。與圖1相比，圖3的主要區別僅在於頭盔1的底沿7上還放置了兩個發光二極體5和6，它們也都位於攝像機10和11的圖像記錄區域12和13的重疊區域內。圖1和圖3所示的實施例中相同元件的附圖標記相同，不再贅述。
既然圖3所示的實施例中頭盔1的底沿7上有四個發光二極體3，4，5，6，只要保持第一發光二極體2始終接通並與頭盔1的底沿7上的四個發光二極體3，4，5，6中的兩個相結合，就能生成多個不同的三角形。
一方面，這種安排的目的在於照亮由二極體形成的三角形並藉以得出最準確的判斷。二極體三角形可以是，例如，具有最大面積或最大周長的三角形。
或者，二極體2，3，4，5，6都能被激活以造成二極體三角形圍繞頭盔1的周邊運動的效果。例如，首先激活二極體2，4，5，接著激活二極體2，5，3，然後激活二極體2，3，6。隨後，再從二極體2，4，5開始重新依次激活。這就在頭盔1上生成了二極體三角形的局部循環。當頭盔1的運動趨勢同樣需要由判斷單元22計算時，這種局部激活二極體三角形的方法尤其適用。
除還可以再增加攝像機(未示出)外，另外還可以在頭盔1的底沿7再增加發光二極體(未示出)。這樣，每一個包含發光二極體2的發光二極體三角形都可以同時被至少兩個不同的攝像機所記錄。這就能夠生成一個圍繞頭盔1的周邊運動的二極體三角形。因該三角形始終被兩個攝像機同時記錄，其相對於頭盔1的空間位置就始終能夠被判斷出來。
另外，可以以這樣的方式實現判斷單元21與單個二極體2，3，4，5，6的同步，即，二極體2，3，4，5，6被逐個接通和斷開。這種同步在過程的開始就可以按規定的時間間隔或按要求來實施。
除所示的攝像機10和11及與之相關的數位化單元15和16外，當然還可以使用數碼攝像機。這樣一來，就不再需要單獨設置數位化單元14，15和16。
權利要求
1.用於測量物體空間位置的方法，包括安裝步驟，其中將三個光源(2，3，4，5，6)安裝在物體上以形成一個三角形；激活步驟，其中接通所述光源(2，3，4，5，6)；記錄步驟，其中在接通光源(2，3，4)的狀態下同時從第一和第二位置記錄物體；以及判斷步驟，其中確定所述光源(2，3，4)在被記錄圖像中的位置，並根據確定的光源(2，3，4)位置計算物體位置。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述光源(2，3，4)在接通狀態下的圖像從剩餘的背景圖像中分離出來以確定所述光源位置。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中光源(2，3，4)在判斷步驟前被斷開，而物體在光源(2，3，4)斷開的狀態下從第一位置和第二位置同時被記錄下來，從而在判斷步驟中將在光源(2，3，4)斷開的狀態下記錄的圖像從在光源(2，3，4)接通狀態下記錄的圖像中提取出來，以判斷每一個記錄位置上的光源位置。
4.如前述任一權利要求所述的方法，其中在安裝步驟中在物體上安裝三個以上的光源，但在每一個激活步驟中只接通其中三個。
5.如權利要求4所述的方法，其中在激活步驟中接通構成最大三角形並能夠從兩個位置被記錄的三個光源(2，3，4)。
6.如前述任一權利要求所述的方法，其中以脈衝方式驅動所述光源(2，3，4)。
7.如權利要求6所述的方法，其中以與脈衝光源同步的方式從兩個位置同步記錄圖像，從而交替獲得光源接通狀態下的記錄圖像對和光源斷開狀態下的記錄圖像對，在判斷步驟中基於兩個連續的圖像對確定光源位置。
8.如前述任一權利要求所述的方法，其中為了識別所述光源(2，3，4)，將所述光源(2，3，4)被逐個接通並記錄。
9.如前述任一權利要求所述的方法，其中以無線方式控制所述光源(2，3，4)。
10.用於測量物體空間位置的設備，所述設備包括三個光源(2，3，4)，可安裝在物體上並在安裝後形成一個三角形；分開設置的兩個圖像記錄裝置(10，11)，其圖像記錄區域(12，13)相互重疊；控制裝置(14)，控制所述光源(2，3，4)的接通並控制所述兩個圖像記錄裝置(10，11)在所述光源(2，3，4)接通狀態下同時記錄所述物體；以及判斷單元(22)，確定所述光源(2，3，4)在被記錄圖像中的位置並依據確定的所述光源(2，3，4)的位置計算所述物體的位置。
11.如權利要求10所述的設備，其中所述判斷單元(22)將所述光源(2，3，4)的圖像從剩餘的背景圖像中分離出來以確定所述光源位置。
12.如權利要求10或11所述的設備，其中控制裝置(14)控制所述光源(2，3，4)斷開並控制所述兩個圖像記錄裝置(10，11)在所述光源(2，3，4)斷開狀態下同時記錄所述物體，判斷單元(22)將所述光源(2，3，4)斷開狀態下記錄的圖像從所述光源(2，3，4)接通狀態下記錄的圖像中抽取出來以對於每一個圖像記錄裝置(10，11)確定所述光源位置。
13.如權利要求10至12中任一權利要求所述的設備，其中包括控制單元(8)，其與所述光源(2，3，4)連接並根據由控制裝置(14)無線發送的信號控制所述光源(2，3，4)，其中，特別為所述光源(2，3，4)提供了電流源或電壓源(20)。
14.如權利要求10至13中任一權利要求所述的設備，其中光源(2，3，4)為發光二極體，特別地，為紅外線發光二極體。
15.如權利要求10至14中任一權利要求所述的設備，其中所述物體包括顯示單元(9)，其可安裝在觀察者頭部，並在安裝後能夠生成觀察者可看到的圖像。
16.如權利要求10至15中任一權利要求所述的設備，其中所述光源(2，3，4)以靜態方式與所述物體連接。
17.如權利要求10至16中任一權利要求所述的設備，其中所述光源(2，3，4)包括預定發射光譜，所述記錄裝置(10，11)僅記錄具有預定發射光譜的光線，其中，特別對於每一個所述記錄裝置(10，11)都配有濾光器，所述濾光器僅允許具有預定發射光譜的光線通過。
全文摘要
本發明涉及一種用於記錄物體空間位置的方法，包括將三個光源(2，3，4)安裝在物體上以形成一個三角形的安裝步驟；接通光源(2，3，4)的激活步驟；在接通光源(2，3，4)的狀態下同時從第一和第二位置記錄物體的記錄步驟；以及確定被記錄圖像中的光源(2，3，4)的位置，並根據光源(2，3，4)的位置計算物體方位的判斷步驟。
文檔編號G01S3/78GK1788227SQ03813792
公開日2006年6月14日 申請日期2003年5月27日 優先權日2002年6月13日
發明者貝恩德·施普魯克 申請人:卡爾蔡司Ag公司