CN103164690A - 利用运动趋势跟踪增强现实三维多标记的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用运动趋势跟踪增强现实三维多标记的方法和装置。利用运动趋势跟踪增强现实三维多标记的方法，包括：接收一帧摄影机图像；根据所述图像中的一个标记在在前帧中的位置识别结果，产生所述一个标记的运动趋势；根据所述运动趋势，动态确定对该帧摄影机图像中的各个区域进行识别的顺序；以及按所述顺序对该帧摄影机图像中的各个区域进行识别，并且当在该帧摄影机图像的一个区域中识别出所述一个标记时，在所识别出的位置处***三维虚拟物件。
Description
技术领域
本发明一般地涉及图像识别领域，更具体地，本发明涉及利用运动趋势跟踪增强现实(Augmented Reality，简称AR)三维多标记的方法和装置。
背景技术
增强现实，是一种实时地计算摄影机图像的位置及角度并加上相应图像的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。随着随身电子产品运算能力的提升，预期增强现实的用途将会越来越广。北卡罗来纳大学的Ronald Azuma于1997年提出增强现实包括三个方面的内容：将虚拟物与现实结合、即时互动和三维(3D)。
目前增强现实主要有如下几种实现方式：(1)通过全球定位***(GPS)、地磁传感器和加速度传感器来确定用户终端的地理位置、朝向以及倾斜角度等，然后根据所确定的位置信息来获取相关信息后叠加显示，采用这种实现方式的比如有PlaceEngine技术、SekaiCamera技术等；(2)预先保存标记(marker)图像的信息，然后通过图像识别技术，在当前图像中查找并识别标记图像，然后在标记图像上叠加相关信息，采用这种实现方式的比如有ARToolKit程序库；以及(3)对摄影图像进行解析，识别出风景、物体和空间，然后叠加相关信息，采用这种实现方式的比如有由英国牛津大学的Georg Klein和David Murray提出的并行跟踪和映射(Parallel Tracking and Mapping，简称PTAM)开发库。
在所提及的实现方式之中，通过对标记进行识别来实现信息叠加的技术被越来越广泛地使用。这种实现方式能够通过使用摄影机对真实图像中的标记进行识别来加入虚拟的3D物件，从而造成虚实结合的视觉效果。然而，当需要同时识别多个标记时，识别算法需要针对每个标记的特征点(feature point)来进行判断。除了AR Toolkit外，目前常用的识别方法还有Institute Graphische Datenverarbeitung、SCR(Semans AG)、HoffmanMarker System(HMS)等。
对于由摄影机镜头拍摄到的图像，我们必须设法识别出其中的特殊标记，并用此标记的方向，来***程序产生的3D虚拟物件。
在需要识别多个运动标记的应用中，识别的效率成为重要的考虑。如果识别的效率太低，则会造成3D虚拟物件在运动过程中的不顺畅。
目前识别摄影机图像中的标记，主要使用判断特征值计算所谓置信度(confidence level)的方法，当置信度超过一定数值，就视为侦测到标记。然而，特征值的判断必须针对个别的标记来判断。当标记数量变多时，判断的时间也因此增加。
传统AR 3D针对当前捕捉到的摄影机图像，进行多个3D标记的识别。目前的识别方法大多针对单一的标记进行识别，或是在有限数量(比如2-3个)的标记中进行识别。这在需要同时识别多个标记时，会造成大量的图像处理计算，因而无法在手持设备等计算效率有限的移动平台上达到实时计算与识别的要求。
发明内容
考虑到上述问题，本发明提出一种利用运动趋势跟踪增强现实三维多标记的方法和装置来提高AR 3D识别多个标记的效率。本发明使用连续图像之间3D物件运动的连续性，来加速对图像中多个3D标记的识别和跟踪。
根据本发明的一方面，一种标记识别方法包括以下步骤：接收一帧摄影机图像；根据所述图像中的一个标记在在前帧中的位置识别结果，产生所述一个标记的运动趋势；根据所述运动趋势，动态确定对该帧摄影机图像中的各个区域进行识别的顺序；以及按所述顺序对该帧摄影机图像中的各个区域进行识别，并且当在该帧摄影机图像的一个区域中识别出所述一个标记时，在所识别出的位置处***三维虚拟物件。
该方法考虑到物件运动的连续性，缩小了针对个别标记在摄影机传入的连续图像上的识别扫描区域，因此能够在3D标记数目增加时，降低识别各个标记的计算复杂度。该方法在要识别的标记数量增加时，能够在小于与标记数量成正比的时间内识别出图像中的所有标记。
此外，该方法因为使用标记的识别历史来减少需要比对的识别区域，因此能够比现有识别方法更快速地找出标记在图像中的新位置。
在根据本发明的方法中，产生运动趋势的步骤可以包括：根据一个标记在在前帧中的位置识别结果，确定该标记在当前摄影机图像帧中出现的可能位置。当前摄影机图像帧可以被划分为m×n个图像块区域，并且所确定的进行识别的顺序可以是：对可能位置所在的第一图像块区域进行识别；对与第一图像块区域相邻的八个第二图像块区域进行识别；以及对该帧摄影机图像中的其他图像块区域进行识别，并且，m和n可以是大于1的整数。对八个第二图像块区域进行识别的顺序可以是根据运动趋势动态确定的。对可能位置的确定可以是通过线性外插算法完成的。
在根据本发明的方法中，所述在前帧可以是紧邻所接收的一帧摄影机图像之前的2帧。
在根据本发明的方法中，一帧摄影机图像可以包含3个或更多个标记。
根据本发明的另一方面，一种标记识别装置包括：接收装置，用于接收一帧摄影机图像；运动趋势产生装置，用于根据所述图像中的一个标记在在前帧中的位置识别结果，产生所述一个标记的运动趋势；识别顺序确定装置，用于根据所述运动趋势，动态确定对该帧摄影机图像中的各个区域进行识别的顺序；以及三维虚拟物件***装置，用于按所述顺序对该帧摄影机图像中的各个区域进行识别，并且当在该帧摄影机图像的一个区域中识别出所述一个标记时，在所识别出的位置处***三维虚拟物件。
根据本发明的又一方面，一种标记识别终端设备包括上述标记识别装置。例如，该标记终端设备可以是移动电话、PDA、平板电脑、膝上型计算机、桌上型计算机等设备。
根据本发明的方法和装置通过优先对所接收图像中更可能出现标记的区域进行识别，能够减小标记识别的计算量，从而快速地识别出标记以确保实时地识别标记并将3D虚拟物件***到所接收图像中。通过提高对标记进行识别的效率，即使在需要同时识别多个标记(比如3个或更多个标记)的情况下，本发明的方法和装置也能够确保实时地识别标记并***3D虚拟物件。
从下面结合附图的详细描述中，可以看出本发明的其他特征和优点。注意，本发明并不限于图中所示的示例或者任何具体的实施例。
附图说明
结合附图，从下面对本发明实施例的详细描述，将更好地理解本发明，附图中类似的参考标注指示类似的部分，其中：
图1是示出根据本发明一个具体示例的对一帧图像的区域划分以及针对一个标记对该帧图像中的各区域的识别扫描顺序的示图；
图2是示出根据本发明另一具体示例的对一帧图像的区域划分以及针对一个标记对该帧图像中的各区域的识别扫描顺序的示图；
图3是示出根据本发明一个具体示例的利用运动趋势跟踪增强现实三维多标记的方法的流程的流程图；和
图4是示出根据本发明一个具体示例的利用运动趋势跟踪增强现实三维多标记的装置的内部结构的框图。
具体实施方式
在下面对本发明的详细描述中阐述了很多具体细节，以便于充分理解本发明。但是，没有这些具体细节也可以实施本发明，对于本领域的技术人员来说是很明显的。在另外一些例子里，没有对公知的方法、过程、部件和电路进行详细的描述，以避免喧宾夺主、淡化了本发明的主要内容。
以下，给出本发明的一个具体示例。
图1示出了对一帧摄影机图像的区域划分以及针对一个标记对该帧图像中的各个区域的进行识别扫描的顺序。
如图1所示，所接收的一帧摄影机图像被划分为4×3个图像块区域，这里，用(x，y)表示其中的一个图像块，并且0＜＝x＜4且0＜＝y＜3。
当要开始对如图1所示的摄影机图像中的多个标记之一进行识别时，与常规的对其进行从左到右、由上至下的扫描识别不同，本发明的方法首先基于要识别的那个标记在在前帧中的位置识别结果，来产生该标记的运动趋势。例如可以使用保存的该标记的紧邻在前的2帧图像中的位置识别结果来计算其运动趋势。具体地，可以使用线性外插算法来预测该标记在该帧摄影机图像中出现的可能位置：
其中(xk，yk)是前一次标记在二维图像帧上的位置，而(xk-1，yk-1)是更前面一次标记在二维图像帧上的位置。利用这两个最接近可能位置(x*，y*)的前两个识别位置，可以预测出标记最可能出现的可能位置(x*，y*)。如图1所示，连接标记的在前一帧中的位置(前一位置)和可能位置的虚线示出了该标记的运动趋势。或者换言之，以标记的前一位置为起点并且以标记的可能位置为终点的向量(vector)代表了该标记的运动趋势。以下将该向量称作运动趋势向量。
然后，根据所产生的运动趋势，动态确定对该帧摄影机图像中各个图像块区域进行识别的顺序。在图1所示的示例中，首先在标记最可能出现的可能位置所在的图像块(x+1，y+1)中进行识别，然后在与运动趋势更密切相关的图像块(x，y+1)和(x+1，y)中进行识别，最后在图像块(x，y)中进行识别。如图1所示，识别区域的选择顺序是编号1、2、3和4的顺序。如果在编号为1、2、3和4的图像块中都未能够识别到该标记，则接着在该可能位置周围的八个图像块中、尚未搜寻过的图像块中进行识别。如果仍没有识别到该标记，则再对该帧图像中的剩余图像块进行识别。可替代地，在确定可能位置所在的图像块时，可以将运动趋势向量转换为水平方向和垂直方向上的偏移量。在图1所示的示例中，运动趋势向量转换后的偏移值是(1，1)，因此可能位置所在的图像块是(x+1，y+1)。
也就是说，根据如图1所示的运动趋势所确定的识别顺序是这样的：首先对可能位置所在的编号为1的图像块进行识别，然后对编号为1的图像块周围的8个图像块之中的、编号为2、3、4的图像块依次进行识别，再然后对编号为1的图像块周围的8个图像块之中的、除编号为2、3、4的图像块之外的图像块进行识别，最后对该帧图像中的剩余图像块进行识别。
接下来，按照如上所述确定的顺序来对摄影机图像中的各个区域进行识别以识别出标记。当在摄影机图像的一个区域中识别出标记的位置时，根据所识别的位置以及该位置的方向来***相应的三维虚拟物件。具体地，如果在编号为1的图像块中识别出了标记，则不再继续识别过程，而是在所识别出的标记位置处根据需要***适当的3D虚拟物件。如果在编号为1的图像块中未识别出标记，则按照如上所述确定的顺序继续执行识别扫描，一旦识别出标记则***3D虚拟物件，否则就按照顺序继续扫描识别。对编号为1的图像块周围的8个图像块之中的、除编号为2、3、4的图像块之外的图像块进行识别的顺序以及对图像中的剩余图像块进行识别的顺序可以是从左到右、由上至下的顺序。
在图1所示出的示例中，通过使用标记的识别历史，能够优先对标记更可能出现的区域进行识别，从而降低了对标记进行识别的计算复杂度。因此，与现有的标记识别方法相比，本发明的方法能够更快速地找到标记在一帧摄影机图像中的新位置。尤其是在要同时识别3个或更多个标记时，本发明能够在小于与标记数量成正比的时间内识别出图像中的所有标记。
图2示出了根据另一示例的对一帧摄影机图像的区域划分以及针对一个标记对该帧图像中的各个区域的进行识别扫描的顺序。除了运动趋势的方向不同之外，图2所示出的情形与图1所示出的情形相同。
当运动趋势的方向改变时，如图2所示，当运动趋势是从左至右的时，根据该运动趋势确定的对摄影机图像中各个图像块进行识别的顺序可以是：首先对可能位置所在的编号为1的图像块进行搜索，接着对编号为1的图像块下方的编号为2图像块以及其左侧的编号为3图像块依次进行搜索，然后对编号为1的图像块周围的8个图像块之中的、除编号为2、3的图像块之外的图像块进行识别，最后对摄影机图像中的剩余图像块进行识别。
从图2所示的示例中可以看出，根据运动趋势的方向的不同，对可能位置所在的图像块周围的八个图像块进行识别的顺序也不尽相同。优选地，优先搜索这八个图像块之中的靠近运动趋势向量或者与之更相关的那些图像块。
下面，参考图3来描述根据本发明利用运动趋势跟踪增强现实三维多标记的方法的具体流程。图3的流程图示出了图1中所示情形下的方法步骤。在步骤S201，接收一帧摄影机图像。由于如上所述，要基于至少2帧在前图像中的标记位置识别结果来对运动趋势进行确定，所以这里接收的摄影机图像应当是第三帧摄影机图像或之后的摄影机图像。在步骤S202，将所接收的该帧摄影机图像划分为4×3个图像块区域。在步骤S203，基于要识别的那个标记在紧接在前的2帧中的位置识别结果，来产生该标记的运动趋势。该产生步骤包括基于紧接在前的2帧中的位置识别结果，使用线性外插算法来预测该标记在该帧摄影机图像中出现的可能位置。以标记的前一位置为起点并且以标记的所预测可能位置为终点的向量代表了该标记的运动趋势。在步骤S204，判断是否在编号为1的图像块中识别出了标记。如果是，则方法流程前进到步骤S207，在该步骤处，根据所识别的位置以及该位置的方向来***与标记相对应的三维虚拟物件。如果在编号为1的图像块中未识别出标记，则方法流程前进到步骤S205，在该步骤处，判断是否在编号为1的图像块周围的8个图像块识别出标记。具体地，在图1所示的情况下，对编号为2、3和4的图像块依次进行识别，然后对这8个图像块中的其他图像块按从左至右从上到下的顺序进行识别。如果在这8个图像块中的一个图像块中识别出了标记，则方法流程前进到步骤S207。如果在这8个图像块中的任一图像块中都未识别出标记，则方法流程前进到步骤S206，在步骤S206处，判断是否在该帧摄影机图像中的其他图像块中识别出标记。如果在这些剩余图像块中的一个中搜索到标记，则方法流程前进到步骤S207。如果在这些剩余图像块中的任一个中都未搜索到标记，则说明标记可能已经移出摄影机镜头或者标记被隐藏或者对标记识别失败，在此情况下，方法流程前进到步骤S208，在此步骤处，判断是否还有下一个标记需要被识别。如果还有标记要识别，则方法流程返回到步骤S203，然后从步骤S203到步骤S208的处理被重复。如果已经处理完所有的标记，则方法流程结束。
图4示出根据本发明一个具体示例的利用运动趋势跟踪增强现实三维多标记的装置400的内部结构的框图。如图所示，该装置400包括接收装置401、运动趋势产生装置402、识别顺序确定装置403和三维虚拟物件***装置404。接收装置401接收一帧摄影机图像，并将该帧摄影机图像输出到运动趋势产生装置402。运动趋势产生装置402根据该帧图像中的一个标记在在前帧中的位置识别结果，产生所述一个标记的运动趋势，并将该运动趋势输出到识别顺序确定装置403。识别顺序确定装置403根据所接收的运动趋势，动态确定对该帧摄影机图像中的各个区域进行识别的顺序，并将所确定的顺序输出到三维虚拟物件***装置404。三维虚拟物件***装置404按所确定的顺序对该帧摄影机图像中的各个区域进行识别，并且当在该帧摄影机图像的一个区域中识别出所述一个标记时，在所识别出的位置处***三维虚拟物件。
上面已经参考附图描述了根据本发明的具体示例。但是，本发明并不限于图中示出的特定情形和处理。
例如，在给出的具体示例中，在产生标记的运动趋势时，使用了紧邻在前的2帧图像中的位置识别结果。然而，显然也可以使用任意两个在前帧图像中的位置识别结果，或者使用更多个在前帧图像中的位置识别结果，来实现同样的甚至更好的效果。
另外，在给出的具体示例中，使用线性外插算法来计算标记的可能位置。然而，该算法仅仅是示例性的。还可以使用贝兹(Bezier)曲线等来预测标记可能出现的可能位置。
另外，在给出的具体示例中，将一帧图像划分为4×3个图像块区域，但是显然也可以根据实际需求，将一帧图像划分为更多或更少的图像块区域。例如，可以将一帧图像划分为3×3个、3×4个、8×6个甚至8×8个图像块，等等。这通常取决于帧图像的像素纵横比、要识别的标记的数目、所要求的帧速率等。
此外，在给出的具体示例中，将一帧图像划分为m×n(m＝4，n＝3)个图像块区域，然而这样的划分并不是必需的。例如，在一个具体示例中，在确定了一个标记最可能出现在一帧图像中的可能位置的情况下，可以优先对该可能位置所在的某一预定区域进行搜索，然后再对该帧图像中的除该预定区域之外的区域进行搜索。该预定区域可以是以所确定的可能位置为中心的一方形图像区域，该方形图像区域的边长是该帧图像的长或宽的二分之一、三分之一等等。或者，该方形图像区域的边长是一预定值。
此外，在给出的具体示例中，根据运动趋势向量方向的不同，动态决定对图像各区域进行识别的顺序。然而，也可以根据运动趋势向量大小的不同来动态决定对图像各区域进行识别的顺序。
在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神之后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
本发明的元素可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合，并且可以用在它们的***、子***、部件或者子部件中。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。
Claims (15)
1.一种标记识别方法，包括：
接收一帧摄影机图像；
根据所述图像中的一个标记在在前帧中的位置识别结果，产生所述一个标记的运动趋势；
根据所述运动趋势，动态确定对该帧摄影机图像中的各个区域进行识别的顺序；以及
按所述顺序对该帧摄影机图像中的各个区域进行识别，并且当在该帧摄影机图像的一个区域中识别出所述一个标记时，在所识别出的位置处***三维虚拟物件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述产生运动趋势的步骤包括：根据所述一个标记在在前帧中的位置识别结果，确定所述标记在该帧摄影机图像中出现的可能位置。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，该帧摄影机图像被划分为m×n个图像块区域，并且所确定的进行识别的顺序是：
对所述可能位置所在的第一图像块区域进行识别；
对与所述第一图像块相邻的八个第二图像块区域进行识别；以及
对该帧摄影机图像中的其他图像块区域进行识别，
并且其中，m和n是大于1的整数。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，对所述八个第二图像块区域进行识别的顺序是根据所述运动趋势动态确定的。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，对所述可能位置的确定是通过线性外插算法完成的。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述在前帧是紧邻所接收的一帧摄影机图像之前的2帧。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述摄影机图像中包含3个或更多个标记。
8.一种标记识别装置，包括：
接收装置，用于接收一帧摄影机图像；
运动趋势产生装置，用于根据所述图像中的一个标记在在前帧中的位置识别结果，产生所述一个标记的运动趋势；
识别顺序确定装置，用于根据所述运动趋势，动态确定对该帧摄影机图像中的各个区域进行识别的顺序；以及
三维虚拟物件***装置，用于按所述顺序对该帧摄影机图像中的各个区域进行识别，并且当在该帧摄影机图像的一个区域中识别出所述一个标记时，在所识别出的位置处***三维虚拟物件。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述运动趋势产生装置包括：可能位置确定装置，用于根据所述一个标记在在前帧中的位置识别结果，确定所述标记在该帧摄影机图像中出现的可能位置的装置。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，该帧摄影机图像被划分为m×n个图像块区域，并且所确定的进行识别的顺序是：
对所述可能位置所在的第一图像块区域进行识别；
对与所述第一图像块相邻的八个第二图像块区域进行识别；以及
对该帧摄影机图像中的其他图像块区域进行识别，
并且其中，m和n是大于1的整数。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，对所述八个第二图像块区域进行识别的顺序是根据所述运动趋势动态确定的。
12.根据权利要求9所述的装置，其中，对所述可能位置的确定是通过线性外插算法完成的。
13.根据权利要求8所述的装置，其中，所述在前帧是紧邻所接收的一帧摄影机图像之前的2帧。
14.根据权利要求8所述的装置，其中，所述摄影机图像中包含3个或更多个标记。
15.一种标记识别终端设备，包括：根据权利要求8-14中任意一个所述的装置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130619 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |