CN108535734A - 光学定位结构、光学定位***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光学定位结构、光学定位***及方法，该光学定位结构包括：立体承载体、多个反光件；所述多个反光件分布固定于所述立体承载体上，分布位置使得构成至少两组位于不同角度平面上的反光件组，每组反光件组有至少三个不共线的反光件，且所述立体承载体上所有反光件中任意两个反光件的空间相对位置关系均不同。本发明的光学定位结构、光学定位***及方法，可提高可视角，克服遮挡问题。

Description

光学定位结构、光学定位***及方法

技术领域

本发明涉及光学定位技术，尤其涉及的是一种光学定位结构、光学定位***及方法。

背景技术

定位技术应用在多个领域中，例如是医学领域中，通过3个以上标记件组成的刚体、探针等定位结构，来对空间中某一点进行定位，当该定位结构点选于某一空间位置点或与某一空间位置点相对固定时，可以通过光学***探测该定位结构上的标记件，根据标记件与该空间位置点的相对位置关系，来定位该空间位置点。

目前，通常是将标记件设置在平面结构上，因而形成的定位结构为平面刚体。然而，由于标记件仅在平面刚体的单面，仅正面可见，在平面刚体翻转或侧翻时光学***不可视，因而可视角较小；另外，受限于装置的结构设计要求和定位物体的摆放，可能存在遮挡的问题。为了扩大可视角，用反光小球来作为标记件制作定位装置，但是制作空间360全角度反射的小球制备成本高、工艺难度大，导致定位结构整体价格较高，由于球体也要有安装用的平面结构等，所增大的视角仍有限，同样也不能解决定位物体摆放后可能存在的遮挡问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种光学定位结构、光学定位***及方法，可提高可视角，克服遮挡问题。

为解决上述问题，本发明提出一种光学定位结构，包括：立体承载体、多个反光件；所述多个反光件分布固定于所述立体承载体上，分布位置使得构成至少两组位于不同角度平面上的反光件组，每组反光件组有至少三个不共线的反光件，且所述立体承载体上所有反光件中任意两个反光件的空间相对位置关系均不同。

根据本发明的一个实施例，所述立体承载体具有多个承载面；所述多个反光件分布固定于所述立体承载体的各个承载面上，使得至少两个承载面上设置有至少三个不共线的反光件，且所有反光件中任意两个反光件的空间相对位置关系均不同。

根据本发明的一个实施例，所述立体承载体为多面体，其至少三个表面作为所述承载面。

根据本发明的一个实施例，所述立体承载体的每个承载面上均设置有至少三个不共线的反光件。

根据本发明的一个实施例，所述立体承载体为不透明的非反光结构。

根据本发明的一个实施例，所述立体承载体呈树状支架结构，具有多个分支；所述多个反光件分布固定于所述立体承载体的分支上。

根据本发明的一个实施例，所述反光件为反光贴，贴附固定在所述立体承载体上；或者，所述反光件为反光球，固接在所述立体承载体上。

本发明还提供一种光学定位***，包括：光学定位追踪设备及如前述实施例中任意一项所述的光学定位结构；

所述光学定位追踪设备内预设有所述光学定位结构的所有反光件中任意三个反光件的空间相对位置关系数据；所述光学定位结构设置在所述光学定位追踪设备的可视区域中，所述光学定位追踪设备可识别所述光学定位结构的反光件。

根据本发明的一个实施例，所述光学定位结构相对于所述光学定位追踪设备的姿态可调。

根据本发明的一个实施例，所述光学定位追踪设备识别所述光学定位结构上的反光件，当所识别的反光件为三个以上时读取并计算相应反光件之间的实际空间相对位置关系，将所述实际空间相对位置关系与所述空间相对位置关系数据进行匹配，以确定所述光学定位结构所定位的空间位置点。

根据本发明的一个实施例，所述光学定位追踪设备通过优化算法求解读取后得到的反光件的实际空间相对位置关系与预设的所述空间相对位置关系数据之间匹配度最高的结果，以此结果建立空间坐标系，以确定所述光学定位结构所定位的空间位置点在所述空间坐标系中的位置。

根据本发明的一个实施例，所有反光件中任意三个反光件具有指定顺序，以在读取后依据指定顺序确定三个反光件的空间相对位置关系。

本发明还提供一种光学定位方法，采用如前述实施例所述的光学定位***，该方法包括以下步骤：

所述光学定位结构相对于所述光学定位追踪设备调整姿态，以确定一待定位空间位置点，并使得所述光学定位结构位于所述光学定位追踪设备的可视区域中；

所述光学定位追踪设备识别所述光学定位结构上的反光件，当所识别的反光件为三个以上时读取并计算相应反光件之间的实际空间相对位置关系；

所述光学定位追踪设备通过优化算法求解读取后得到的反光件的实际空间相对位置关系与预设的所述空间相对位置关系数据之间匹配度最高的结果；

所述光学定位追踪设备以此结果建立空间坐标系，以确定所述待定位空间位置点在所述空间坐标系中的位置。

采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有以下有益效果：

光学定位结构通过在立体承载体上分布设置多个反光件，并通过反光件的分布使得构成至少两个虚拟标记面，每个虚拟标记面上设置有三个以上不共线的反光件，且任意两个反光件的空间相对位置关系均不同，在使用光学设备进行捕捉时，只需读取所有反光件中的任意三个(这三个不需要是同一个面上的三个反光件)，即可以推算出其他所有点的空间位置，从而唯一确定整个模型的空间位置，并可确定与此模型空间相对位置确定的待定位点，且虚拟标记面不共面也不平行，也即相互之间存在夹角，因而使得整体可视角扩大，而且即使其中一个或几个反光件被遮挡，也可以通过其他反光件来弥补，克服了遮挡带来的问题；

在前述实施例的反光件与立体承载体的分布关系基础上，将反光件设置为反光贴，不仅可以降低反光件的制作成本及难度，而且不会影响光学定位结构的可视角，也不会影响其解决遮挡问题。

附图说明

图1为本发明一实施例的光学定位结构的透视结构示意图；

图2为本发明另一实施例的光学定位结构的结构示意图；

图3为本发明一实施例的光学定位方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

本发明实施例的光学定位结构，包括：立体承载体、多个反光件。本发明实施例的光学定位结构可配合光学***工作，例如光学定位追踪设备使用。立体承载体为反光件的承载结构，多个反光件分布固定于立体承载体上。立体承载体的具体结构不限，只要能够将反光件分布固定在所需的位置上以满足相互之间的位置关系即可。

各个反光件在立体承载体上的分布位置使得构成至少两组位于不同角度平面上的反光件组，每组反光件组有至少三个不共线的反光件，且所述立体承载体上所有反光件中任意两个反光件的空间相对位置关系均不同。至少两组位于不同角度平面上的反光件组指的是，存在至少两组反光件组，位于不同平面上(该平面可以是虚拟的或实体的)，且这些平面的角度不同(不共面且不平行，相互之间存在夹角)。

光学定位结构通过在立体承载体上分布设置多个反光件，并通过反光件的分布使得构成至少两个虚拟标记面，每个虚拟标记面上设置有三个以上不共线的反光件，且任意两个反光件的空间相对位置关系均不同，在使用光学设备进行捕捉时，只需读取所有反光件中的任意三个(这三个不需要是同一个面上的三个反光件)，即可以推算出其他所有点的空间位置，从而唯一确定整个模型的空间位置，并可确定与此模型空间相对位置确定的待定位点，且虚拟标记面不共面也不平行，也即相互之间存在夹角，因而使得整体可视角扩大，而且即使其中一个或几个反光件被遮挡，也可以通过其他反光件来弥补，克服了遮挡带来的问题。

参看图1，在一个实施例中，光学定位结构可以包括：立体承载体1、多个反光件，图中示出了九个反光件a1-a3、b1-b3、c1-c3，当然不限于此，可以更多或更少。反光件a1-a3、b1-b3、c1-c3是设置在立体承载体1上的标记件，可以被光学***识别。

立体承载体1具有多个承载面11-13，这些承载面11-13可以是位于不同角度上的平面，当然也可以不用是平面，而是曲面或不规则面等等，但是为了最大化光学***的可视角，最好这些承载面11-13都是平面，在立体承载体1上用来设置反光件a1-a3、b1-b3、c1-c3的表面将其称之为承载面，可以理解，立体承载体1上不用所有面都是承载面，可以有表面是不设置反光件的。图中示出的立体承载体1为三棱柱，其三个侧面分别为第一承载面11、第二承载面12和第三承载面13，当然，在其顶面和底面上也是可以作为承载面的。

多个反光件分布固定于立体承载体1的各个承载面上，使得至少两个承载面上设置有至少三个不共线的反光件，且所有反光件中任意两个反光件的空间相对位置关系均不同，构成了N点多面刚体，N大于等于6。图1中，第一承载面11、第二承载面12和第三承载面13分别设置有反光件a1-a3、反光件b1-b3、反光件c1-c3，当然，还可以设置更多的反光件，第一承载面11上的三个反光件a1-a3不共线，第二承载面12上的三个反光件b1-b3不共线，第三承载面13上的三个反光件c1-c3不共线，而且，第一承载面11、第二承载面12和第三承载面13上的所有反光件a1-a3、b1-b3、c1-c3中每两个反光件的空间相对位置关系均不同的。

假如N点多面刚体的N＝10，即立体承载体上有10个反光件，得到的标记点分别记作A，B，C，D，E，F，G，H，I，J。则每两点间的相对位置关系有45(通过将N代入计算得到)种正向关系和45种逆向关系，正逆关系可通过求逆运算来互相转换，如设定该刚体模型局部坐标系O-xyz，那么这些相对位置关系可用向量差V＝[u，v，w]来表示。如取10点中的任意3点建立相对位置关系R＝[V₁，V₂，V₃]，当以任意顺序建立时，则有720组，当以指定顺序(即A到J的点的唯一顺序)建立时，有120组。

读取N个点中的任意3个点都能有唯一解并能够进行逆运算得到所有点的解。在进行所读到的点与预存刚体的空间点的位置参数进行匹配时，应通过算法的优化设计，如使用分治算法或动态规划算法而非穷举法，来提高匹配的运算速度，从而大幅度缩短读取的时间。

当多面刚体每个承载面都有3个反光件时，在使用光学设备进行捕捉时，大部分情况可以读取到大于3个反光件的位置信息，从而可以通过最小二乘、取平均值等数学优化算法减少误差。另外还可以通过多角度的光学设备进行捕捉，同样以最小二乘、取平均值等数学优化算法减少误差。

在光学定位结构设计时，需要使得这45个反光件的空间相对位置关系各不相同，使得每三个反光件的空间相对位置关系都是唯一的，由此可以使得光学***可识别出任意一组三个反光件的位置关系。当读取到刚体的其中3个点时，所读到的点是空间中的绝对位置，由于预设的是一个相对位置关系，可先根据读取的位置，计算出它们的相对位置关系，然后可以通过最小二乘法的计算方法求解读取后得到的相对位置关系与已知的120组3点间相对位置关系匹配度最高的结果，从而使得相对位置关系对应到空间中的绝对位置上去，然后通过该结果去建立坐标系，然后根据其他已知的相对位置关系去推算出其他所有点的位置，该其他已知的相对位置关系可以包括与其他所有反光件的相对位置关系或与待定位的空间位置点的相对位置关系，借此确定其他所有反光件及待定位的空间位置点的位置。

光学定位结构通过在具有多个承载面的立体承载体上分布设置多个反光件，构成一个多面刚体，至少两个承载面上设置有三个以上不共线的反光件，在使用光学设备进行捕捉时，只需读取所有反光件中的任意三个(这三个不需要是同一个面上的三个反光件)，即可以推算出其他所有点的空间位置，从而唯一确定整个模型的空间位置，并可确定与此模型空间相对位置确定的待定位点，由于承载面是不同的面，相互之间必然存在着角度，因而使得多面刚体的整体可视角扩大，而且即使其中一个或几个反光件被遮挡，也可以通过其他反光件来弥补，克服了遮挡带来的问题。

优选的，继续参看图1，立体承载体为多面体，多面体的至少三个表面作为承载面。多面体是指四个或四个以上多边形所围成的立体。由于所有反光件的两两空间相对位置关系都是不同的，因而将立体承载体设置为多面体，可以简化反光件整***置排布的设计难度。

更优的，继续参看图1，立体承载体的每个承载面上均设置有至少三个不共线的反光件，例如可以每个承载面上均设置三个反光件，同样满足全部反光件中每两个的空间相对位置关系均不同，每个承载面上设置反光件可最大化可虚拟标记体平面的数量，同时尽可能地减少后续处理的数据量。

如图1中所示，该立体承载体1为三棱柱体，第一承载面11、第二承载面12和第三承载面13分别设置有反光件a1-a3、反光件b1-b3、反光件c1-c3，由C3|9＝84可知，可以虚拟出84个标记体平面，通过三个面和9个反光件虚拟出84个标记体平面，光学***仅需检测出其中一个标记体平面，便能实现定位，极大地扩展了可视角。当然立体承载体也可以为其他多面体，例如长方体、五棱柱等等。

由于立体承载体1是要与反光件a1-a3、b1-b3、c1-c3区分开的结构，因而需要是不反光的，而且为了降低光学***后续处理的标记数据量，立体承载体最好是不透明的。换言之，立体承载体1为不透明的非反光结构。

参看图2，在另一个实施例中，立体承载体2也可以呈树状支架结构，具有多个分支21，这些分支21的分布情况可以根据其上的反光件3的位置分布而定。多个反光件3分布固定于立体承载体2的分支21上，分布关系仍然满足前述实施例中反光件之间的位置关系，即：各个反光件3在立体承载体2上的分布位置使得构成至少两组位于不同角度平面上的反光件组，每组反光件组有至少三个不共线的反光件3，且立体承载体2上所有反光件3中任意两个反光件3的空间相对位置关系均不同。

继续参看图1，优选的，反光件a1-a3、b1-b3、c1-c3可以为反光贴，贴附固定在立体承载体1的各个承载面11-12上。反光贴为平面贴，可以平整地贴到承载面上，反光贴朝外一面可以是涂布有反光材质，反面则可以涂有背胶，通过粘贴的方式直接固定在承载面上，当然也可以是其他的固定方式。在前述实施例的反光件与立体承载体的分布关系基础上，将反光件设置为反光贴，不仅可以降低反光件的制作成本及难度，而且不会影响光学定位结构的可视角，也不会影响其解决遮挡问题。

参看图2，反光件3也可以是反光球，各个反光件3固定在立体承载体2的各个分支21末端上，连接方式可以是粘接或者螺接等等不限。

当然，图1中的反光件a1-a3、b1-b3、c1-c3也可以是反光球，反光球的部分嵌设固定在立体承载体的各个承载面上，同样可以实现前述实施例的内容，只是成本等较大。图2中的反光件也可以通过反光贴贴附到与立体承载体的分支末端来实现。当然反光件也可以是反光贴和反光球结合使用，或者为其他结构使用。

本发明还提供一种光学定位***，包括：光学定位追踪设备及如前述实施例中任意一项所述的光学定位结构1，该光学定位结构1的形式同样可以参看图1和图2，具体内容可以参看前述实施例中的描述内容，下面以图1中的光学定位结构为例展开描述。

光学定位追踪设备内预设有光学定位结构1的所有反光件a1-a3、b1-b3、c1-c3中任意三个反光件的空间相对位置关系数据。光学定位追踪设备为双目视觉***，检测到一反光件后可确定其绝对的空间位置，因而可以预先检测好全部反光件的空间位置关系，并建立起所有反光件a1-a3、b1-b3、c1-c3中任意三个反光件的空间相对位置关系。双目视觉***对空间位置点的定位可以参看现有的双目视觉技术，在此不再赘述。

光学定位结构1设置在光学定位追踪设备的可视区域中，光学定位追踪设备可识别光学定位结构1的反光件a1-a3、b1-b3、c1-c3。光学定位追踪设备可通过识别光学定位结构1的反光件a1-a3、b1-b3、c1-c3来实现光学定位结构的所有反光件及待定位空间位置点的定位。

光学定位追踪设备可以是现有的NDI Polaris Spectra，具体型号不限。

在一个实施例中，光学定位结构1相对于光学定位追踪设备的姿态可调。由于本发明实施例的光学定位结构1的可视角得到了极大的扩展，因而无需保持光学定位结构1正对着光学定位追踪设备，而是可以在多个角度上可调节，其上反光件a1-a3、b1-b3、c1-c3仍可被光学定位追踪设备识别到，并根据识别的反光件a1-a3、b1-b3、c1-c3来虚拟出相应的标记体平面进行定位。

光学定位结构1上可以设置一些手持结构、连接结构、或定位尖端结构等等，可增强光学定位结构1的便利性，具体可视其所应用的场景而定，当然，这些结构最好是不影响光学定位结构上的反光件的。

在一个实施例中，在进行定位的工作中，光学定位追踪设备识别光学定位结构1上的反光件a1-a3、b1-b3、c1-c3，当所识别的反光件为三个以上(包括三个)时读取这些反光件，并计算这些反光件之间的实际空间相对位置关系，然后将实际空间相对位置关系与空间相对位置关系数据进行匹配(由于空间相对位置关系数据中存在着所有反光件a1-a3、b1-b3、c1-c3中任意三个反光件的相对位置关系，因而匹配过程事实上是查找过程，使得这些实际空间相对位置关系能够与空间相对位置关系数据中的相应部分对应一致)，以确定光学定位结构1所定位的空间位置点。

优选的，光学定位追踪设备通过优化算法求解读取后得到的反光件的实际空间相对位置关系与预设的空间相对位置关系数据之间匹配度最高的结果，以此结果建立空间坐标系，以确定所述光学定位结构1所定位的空间位置点在空间坐标系中的位置。优化算法求解的结果为所读取的点到预设模型点的最短距离之和、或最短距离的二阶或更多阶之和，因而可使得位置关系的匹配精度最高。

优化算法例如可以是最小二乘法，或者可以是迭代优化方法，如Newton法(牛顿法)，Levenberg-Marquardt法(列文伯格-马夸尔特法)等。

相比于现有的三个点作为刚体标记而言，本发明实施例中，由于反光件a1-a3、b1-b3、c1-c3分布范围较广，数量较多，光学定位追踪设备一般都会读到大于三个的标记点，点数增多时，进行匹配的过程则精度更高，使得整体定位精度更高。

优选的，所有反光件a1-a3、b1-b3、c1-c3中任意三个反光件具有指定顺序，以在读取后依据指定顺序确定三个反光件的空间相对位置关系。例如反光件a1、a2、a3之间的顺序必须是如此的先后顺序，当检测到这三个点时，确定的必然是a1到a2、a2到a3、a3到a1的位置关系，避免重复计算，可减轻数据处理量。

参看图3，本发明还提供一种光学定位方法，采用如前述实施例所述的光学定位***，该方法包括以下步骤：

S1：所述光学定位结构相对于所述光学定位追踪设备调整姿态，以确定一待定位空间位置点，并使得所述光学定位结构位于所述光学定位追踪设备的可视区域中；

S2：所述光学定位追踪设备识别所述光学定位结构上的反光件，当所识别的反光件为三个以上时读取并计算相应反光件之间的实际空间相对位置关系；

S3：所述光学定位追踪设备通过优化算法求解读取后得到的反光件的实际空间相对位置关系与预设的所述空间相对位置关系数据之间匹配度最高的结果；

S4：所述光学定位追踪设备以此结果建立空间坐标系，以确定所述待定位空间位置点在所述空间坐标系中的位置。

关于本发明实施例的光学定位方法的具体内容可以参看前述实施例中关于光学定位***的描述内容，在此不再赘述。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (13)

1.一种光学定位结构，其特征在于，包括：立体承载体、多个反光件；所述多个反光件分布固定于所述立体承载体上，分布位置使得构成至少两组位于不同角度平面上的反光件组，每组反光件组有至少三个不共线的反光件，且所述立体承载体上所有反光件中任意两个反光件的空间相对位置关系均不同。

2.如权利要求1所述的光学定位结构，其特征在于，所述立体承载体具有多个承载面；所述多个反光件分布固定于所述立体承载体的各个承载面上，使得至少两个承载面上设置有至少三个不共线的反光件，且所有反光件中任意两个反光件的空间相对位置关系均不同。

3.如权利要求2所述的光学定位结构，其特征在于，所述立体承载体为多面体，其至少三个表面作为所述承载面。

4.如权利要求3所述的光学定位结构，其特征在于，所述立体承载体的每个承载面上均设置有至少三个不共线的反光件。

5.如权利要求2所述的光学定位结构，其特征在于，所述立体承载体为不透明的非反光结构。

6.如权利要求1所述的光学定位结构，其特征在于，所述立体承载体呈树状支架结构，具有多个分支；所述多个反光件分布固定于所述立体承载体的分支上。

7.如权利要求1所述的光学定位结构，其特征在于，所述反光件为反光贴，贴附固定在所述立体承载体上；或者，所述反光件为反光球，固接在所述立体承载体上。

8.一种光学定位***，其特征在于，包括：光学定位追踪设备及如权利要求1-7中任意一项所述的光学定位结构；

所述光学定位追踪设备内预设有所述光学定位结构的所有反光件中任意三个反光件的空间相对位置关系数据；所述光学定位结构设置在所述光学定位追踪设备的可视区域中，所述光学定位追踪设备可识别所述光学定位结构的反光件。

9.如权利要求8所述的光学定位***，其特征在于，所述光学定位结构相对于所述光学定位追踪设备的姿态可调。

10.如权利要求9所述的光学定位***，其特征在于，所述光学定位追踪设备识别所述光学定位结构上的反光件，当所识别的反光件为三个以上时读取并计算相应反光件之间的实际空间相对位置关系，将所述实际空间相对位置关系与所述空间相对位置关系数据进行匹配，以确定所述光学定位结构所定位的空间位置点。

11.如权利要求10所述的光学定位***，其特征在于，所述光学定位追踪设备通过优化算法求解读取后得到的反光件的实际空间相对位置关系与预设的所述空间相对位置关系数据之间匹配度最高的结果，以此结果建立空间坐标系，以确定所述光学定位结构所定位的空间位置点在所述空间坐标系中的位置。

12.如权利要求10所述的光学定位***，其特征在于，所有反光件中任意三个反光件具有指定顺序，以在读取后依据指定顺序确定三个反光件的空间相对位置关系。

13.一种光学定位方法，其特征在于，采用如权利要求8所述的光学定位***，该方法包括以下步骤：

所述光学定位结构相对于所述光学定位追踪设备调整姿态，以确定一待定位空间位置点，并使得所述光学定位结构位于所述光学定位追踪设备的可视区域中；

所述光学定位追踪设备识别所述光学定位结构上的反光件，当所识别的反光件为三个以上时读取并计算相应反光件之间的实际空间相对位置关系；

所述光学定位追踪设备通过优化算法求解读取后得到的反光件的实际空间相对位置关系与预设的所述空间相对位置关系数据之间匹配度最高的结果；

所述光学定位追踪设备以此结果建立空间坐标系，以确定所述待定位空间位置点在所述空间坐标系中的位置。