CN109520415A - 通过摄像头实现六自由度传感的方法及*** - Google Patents

通过摄像头实现六自由度传感的方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及六自由度传感技术领域，具体涉及一种通过摄像头实现六自由度传感的方法及***。通过摄像头实时采集目标物体在摄像头传感器上的投影坐标信息和与传感器的距离信息；通过目标物体在传感器上的投影坐标信息和与传感器的距离信息计算目标物体的空间坐标信息；将目标物体当前的空间坐标信息与存储的上一次空间坐标信息进行比较，分析出目标物体的空间坐标信息变化量；根据空间坐标信息变化量判断目标物体的移动方向，实现六自由度传感。在保证精度的前提下，其计算简便快捷、成本低廉，适用于普及使用。

Description

通过摄像头实现六自由度传感的方法及***
技术领域
本发明涉及六自由度传感技术领域，具体涉及一种通过摄像头实现六自由度传感的方法及***。
背景技术
随着虚拟现实技术的发展，虚拟现实设备将得到大规模的应用。在用户用VR设备玩游戏时，很多游戏内容，都需要感知用户的活动状态，如：用户向前后、左右、上下活动时的位移距离，以及在前后、左右、上下轴向的转动范围，也称此变化为六自由度，简称6Dof。
传统的六自由度传感主要采用G-Sensor等传感器来判断和感知动作，其涉及到大量的运算，制作成本较高，导致VR设备价格昂贵，不适于普及使用。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种算法简便、成本低廉，易于普及使用的通过摄像头实现六自由度传感的方法及***。
本发明一种通过摄像头实现六自由度传感的方法，其技术方案为：通过摄像头实时采集目标物体在摄像头传感器上的投影坐标信息和与传感器的距离信息；
通过目标物体在传感器上的投影坐标信息和与传感器的距离信息计算目标物体的空间坐标信息；
将目标物体当前的空间坐标信息与存储的上一次空间坐标信息进行比较，分析出目标物体的空间坐标信息变化量；
根据空间坐标信息变化量判断目标物体的移动方向，实现六自由度传感；
其中，摄像头以固定的采样间隔采集目标物体的数据，最新采样得到的数据为当前数据，一个采样间隔前采样的数据为存储的上一次数据。
较为优选的，所述通过目标物体在传感器上的投影坐标信息和与传感器的距离信息计算目标物体的空间坐标信息包括：
构建传感器平面坐标系、与传感器平面坐标系原点重合的三维物体坐标系和与三维物体坐标系原点重合的空间坐标系；
在目标物体上取一点为参照点，获取该参照点在传感器上的投影坐标信息(Cx,Cy)和与传感器的距离信息u；
根据传感器平面坐标系与三维物体坐标系的对应关系得到该参照点的三维物体坐标(mCx,nCy,u)；
根据三维物体坐标系与空间坐标系的对应关系得到该参照点的空间坐标(mCx,u,nCy)；
其中，m、n为根据sensor每像素尺寸大小与实际应用场景的活动范围设定的常数。
较为优选的，所述参照点与传感器的距离信息u通过公式u＝Sorig*v/Simg计算得到，所述Sorig为目标物体的长度，v为摄像头中传感器到镜头的距离，Simg为物体在传感器中的成像大小。
较为优选的，所述根据空间坐标信息变化量判断目标物体的移动方向包括：
分析参照点的空间坐标(mCx,u,nCy)中mCx、u、nCy的变化；
当nCy、u不变，mCx数值变化时，判断目标物体沿左右方向移动，其中，mCx变大为向右移动，mCX变小为向左移动；
当mCx、nCy不变，u数值变化时，判断目标物体沿前后方向移动，其中，u变大为向前移动，u变小为向后移动；
当mCx、u不变，nCy数值变化时，判断目标物体沿上下方向移动，其中，nCy变大为向下移动，nCy变小为向上移动；
当mCx数值不变，nCy与u数值变化时，判断目标物体饶X轴向转动；
当u数值不变，mCx与nCy数值变化时，判断目标物体饶Z轴向转动；
当nCy数值不变，mCx与u数值变化时，判断目标物体饶Y轴向转动；
其中，沿空间坐标系x轴正向运动为向右移动，沿空间坐标系Y轴正向运动为向前移动，空间坐标系Z轴正向运动为向下移动。
本发明一种通过摄像头实现六自由度传感的***，其技术方案为：包括
摄像头：用于实时采集目标物体在摄像头传感器上的投影坐标信息和与传感器的距离信息；
计算模块：用于通过目标物体在传感器上的投影坐标信息和与传感器的距离信息计算目标物体的空间坐标信息；将目标物体当前的空间坐标信息与存储的上一次空间坐标信息进行比较，分析出目标物体的空间坐标信息变化量；以及根据空间坐标信息变化量判断目标物体的移动方向。
较为优选的，所述计算模块通过目标物体在传感器上的投影坐标信息和与传感器的距离信息计算目标物体的空间坐标信息包括：
构建传感器平面坐标系、与传感器平面坐标系原点重合的三维物体坐标系和与三维物体坐标系原点重合的空间坐标系；
在目标物体上取一点为参照点，获取该参照点在传感器上的投影坐标信息(Cx,Cy)和与传感器的距离信息u；
根据传感器平面坐标系与三维物体坐标系的对应关系得到该参照点的三维物体坐标(mCx,nCy,u)；
根据三维物体坐标系与空间坐标系的对应关系得到该参照点的空间坐标(mCx,u,nCy)；
其中，m、n为根据sensor每像素尺寸大小与实际应用场景的活动范围设定的常数。
较为优选的，所述参照点与传感器的距离信息u通过公式u＝Sorig*v/Simg计算得到，所述Sorig为目标物体的长度，v为摄像头中传感器到镜头的距离，Simg为物体在传感器中的成像大小。
较为优选的，所述计算模块根据空间坐标信息变化量判断目标物体的移动方向包括：
分析参照点的空间坐标(mCx,u,nCy)中mCx、u、nCy的变化；
当nCy、u不变，mCx数值变化时，判断目标物体沿左右方向移动，其中，mCx变大为向右移动，mCX变小为向左移动；
当mCx、nCy不变，u数值变化时，判断目标物体沿前后方向移动，其中，u变大为向前移动，u变小为向后移动；
当mCx、u不变，nCy数值变化时，判断目标物体沿上下方向移动，其中，nCy变大为向下移动，nCy变小为向上移动；
当mCx数值不变，nCy与u数值变化时，判断目标物体饶X轴向转动；
当u数值不变，mCx与nCy数值变化时，判断目标物体饶Z轴向转动；
当nCy数值不变，mCx与u数值变化时，判断目标物体饶Y轴向转动；
其中，沿空间坐标系x轴正向运动为向右移动，沿空间坐标系Y轴正向运动为向前移动，空间坐标系Z轴正向运动为向下移动。
本发明的有益效果为：采用摄像头代替传统的G-Sensor等传感器，通过摄像头采集目标物体参照点在传感器上的投影坐标信息和与传感器的距离信息后，通过简单的计算转化为空间坐标系坐标信息，分析空间坐标系中各个坐标的变化，既能实现六自由度传感。在保证精度的前提下，其计算简便快捷、成本低廉，适用于普及使用。
附图说明
图1为本发明一种通过摄像头实现六自由度传感方法的流程图；
图2为本发明为摄像头成像原理图；
图3为本发明传感器平面坐标系和三维物体坐标系示意图；
图4为本发明三维物体坐标与空间坐标系对比示意图；
图5为本发明一种通过摄像头实现六自由度传感***构架图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图5所示，一种通过摄像头实现六自由度传感***包括摄像头和计算模块，其中摄像头主要包括镜头和传感器。
如图1所示，一种通过摄像头实现六自由度传方法的流程如下：
设备开启后，摄像头开始工作。
摄像头实时采集目标物体在摄像头传感器上的投影坐标信息和与传感器的距离信息：
构建传感器平面坐标系、与传感器平面坐标系原点重合的三维物体坐标系和与三维物体坐标系原点重合的空间坐标系；
在目标物体上取一点为参照点，获取该参照点在传感器上的投影坐标信息(Cx,Cy)和与传感器的距离信息u；
如图2所示，凸透镜成像原理：在像距和焦距固定的情况下，物距的不同会使得成像大小相应改变。
相同大小的物体处于u1和u2的位置，在Sensor(即摄像头中的传感器，其作为用成像，并将光学信号转化为电信号发送给计算模块)上成像的大小分别为s1和s2。设物体边缘透过透镜中心的光线与水平线所成夹角为angle，物体到镜头的距离为u，Sensor到镜头的距离为v，物体的原始大小(即长度)为Sorig，则物距u计算公式为：u＝Sorig*v/Simg。即为，物体离sensor的距离u，与物体在sensor中的图像大小s成反比；当物体离sensor距离近时，在sensor上呈现的图像大，当物体离sensor距离远时，在sensor上呈现的图像小。由此，可根据物体在sensor中的图像大小，算出物体离sensor间的距离。
根据传感器平面坐标系与三维物体坐标系的对应关系得到该参照点的三维物体坐标(mCx,nCy,u)。如图3所示，a,b,c,d四边形为sensor面积，oxy为a,b,c,d平面内坐标(即传感器平面坐标系)，OXYZ为三维物体坐标系，Pl(Cx,Cy)为物体上参照点P在sensor上的投影坐标(Cx,Cy)，本例中设oO坐标两坐标重合(实际应用，设两坐标原点重合)，都为sensor中心点。则P点在物体三维坐标中可表示为(mCx,nCy,u),m、n为两个常数，可根据sensor每像素尺寸大小与实际应用场景的活动范围设定其大小，u为物体与sensor间的距离。
根据三维物体坐标系与空间坐标系的对应关系得到该参照点的空间坐标(mCx,u,nCy)。如图4所示，空间坐标为(X,Y,Z)，三维物体坐标为(X,Z,Y)，三维物体坐标与空间坐标对应为：X-X，Y-Z，Z-Y，即三维物体坐标转到空间坐标表示为：(mCx,u,nCy)。
计算模块将目标物体当前的空间坐标信息与存储的上一次空间坐标信息进行比较，分析出目标物体的空间坐标信息变化量,以及根据空间坐标信息变化量判断目标物体的移动方向
分析参照点的空间坐标(mCx,u,nCy)中mCx、u、nCy的变化；
当nCy、u不变，mCx数值变化时，判断目标物体沿左右方向移动，其中，mCx变大为向右移动，mCX变小为向左移动；
当mCx、nCy不变，u数值变化时，判断目标物体沿前后方向移动，其中，u变大为向前移动，u变小为向后移动；
当mCx、u不变，nCy数值变化时，判断目标物体沿上下方向移动，其中，nCy变大为向下移动，nCy变小为向上移动；
当mCx数值不变，nCy与u数值变化时，判断目标物体饶X轴向转动；
当u数值不变，mCx与nCy数值变化时，判断目标物体饶Z轴向转动；
当nCy数值不变，mCx与u数值变化时，判断目标物体饶Y轴向转动；
其中，沿空间坐标系x轴正向运动为向右移动，沿空间坐标系Y轴正向运动为向前移动，空间坐标系Z轴正向运动为向下移动。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种通过摄像头实现六自由度传感的方法，其特征在于：
通过摄像头实时采集目标物体在摄像头传感器上的投影坐标信息和与传感器的距离信息；
通过目标物体在传感器上的投影坐标信息和与传感器的距离信息计算目标物体的空间坐标信息；
将目标物体当前的空间坐标信息与存储的上一次空间坐标信息进行比较，分析出目标物体的空间坐标信息变化量；
根据空间坐标信息变化量判断目标物体的移动方向，实现六自由度传感；
其中，摄像头以固定的采样间隔采集目标物体的数据，最新采样得到的数据为当前数据，一个采样间隔前采样的数据为存储的上一次数据。
2.根据权利要求1所述的通过摄像头实现六自由度传感的方法，其特征在于，所述通过目标物体在传感器上的投影坐标信息和与传感器的距离信息计算目标物体的空间坐标信息包括：
构建传感器平面坐标系、与传感器平面坐标系原点重合的三维物体坐标系和与三维物体坐标系原点重合的空间坐标系；
在目标物体上取一点为参照点，获取该参照点在传感器上的投影坐标信息(Cx,Cy)和与传感器的距离信息u；
根据传感器平面坐标系与三维物体坐标系的对应关系得到该参照点的三维物体坐标(mCx,nCy,u)；
根据三维物体坐标系与空间坐标系的对应关系得到该参照点的空间坐标(mCx,u,nCy)；
其中，m、n为根据sensor每像素尺寸大小与实际应用场景的活动范围设定的常数。
3.根据权利要求2所述的通过摄像头实现六自由度传感的方法，其特征在于，所述参照点与传感器的距离信息u通过公式u＝Sorig*v/Simg计算得到，所述Sorig为目标物体的长度，v为摄像头中传感器到镜头的距离，Simg为物体在传感器中的成像大小。
4.根据权利要求2所述的通过摄像头实现六自由度传感的方法，其特征在于，所述根据空间坐标信息变化量判断目标物体的移动方向包括：
分析参照点的空间坐标(mCx,u,nCy)中mCx、u、nCy的变化；
当nCy、u不变，mCx数值变化时，判断目标物体沿左右方向移动，其中，mCx变大为向右移动，mCX变小为向左移动；
当mCx、nCy不变，u数值变化时，判断目标物体沿前后方向移动，其中，u变大为向前移动，u变小为向后移动；
当mCx、u不变，nCy数值变化时，判断目标物体沿上下方向移动，其中，nCy变大为向下移动，nCy变小为向上移动；
当mCx数值不变，nCy与u数值变化时，判断目标物体饶X轴向转动；
当u数值不变，mCx与nCy数值变化时，判断目标物体饶Z轴向转动；
当nCy数值不变，mCx与u数值变化时，判断目标物体饶Y轴向转动；
其中，沿空间坐标系x轴正向运动为向右移动，沿空间坐标系Y轴正向运动为向前移动，空间坐标系Z轴正向运动为向下移动。
5.一种通过摄像头实现六自由度传感的***，其特征在于：包括
摄像头：用于实时采集目标物体在摄像头传感器上的投影坐标信息和与传感器的距离信息；
计算模块：用于通过目标物体在传感器上的投影坐标信息和与传感器的距离信息计算目标物体的空间坐标信息；将目标物体当前的空间坐标信息与存储的上一次空间坐标信息进行比较，分析出目标物体的空间坐标信息变化量；以及根据空间坐标信息变化量判断目标物体的移动方向。
6.根据权利要求5所述的通过摄像头实现六自由度传感的***，其特征在于，所述计算模块通过目标物体在传感器上的投影坐标信息和与传感器的距离信息计算目标物体的空间坐标信息包括：
构建传感器平面坐标系、与传感器平面坐标系原点重合的三维物体坐标系和与三维物体坐标系原点重合的空间坐标系；
在目标物体上取一点为参照点，获取该参照点在传感器上的投影坐标信息(Cx,Cy)和与传感器的距离信息u；
根据传感器平面坐标系与三维物体坐标系的对应关系得到该参照点的三维物体坐标(mCx,nCy,u)；
根据三维物体坐标系与空间坐标系的对应关系得到该参照点的空间坐标(mCx,u,nCy)；
其中，m、n为根据sensor每像素尺寸大小与实际应用场景的活动范围设定的常数。
7.根据权利要求6所述的通过摄像头实现六自由度传感的***，其特征在于，所述参照点与传感器的距离信息u通过公式u＝Sorig*v/Simg计算得到，所述Sorig为目标物体的长度，v为摄像头中传感器到镜头的距离，Simg为物体在传感器中的成像大小。
8.根据权利要求6所述的通过摄像头实现六自由度传感的***，其特征在于，所述计算模块根据空间坐标信息变化量判断目标物体的移动方向包括：
分析参照点的空间坐标(mCx,u,nCy)中mCx、u、nCy的变化；
当nCy、u不变，mCx数值变化时，判断目标物体沿左右方向移动，其中，mCx变大为向右移动，mCX变小为向左移动；
当mCx、nCy不变，u数值变化时，判断目标物体沿前后方向移动，其中，u变大为向前移动，u变小为向后移动；
当mCx、u不变，nCy数值变化时，判断目标物体沿上下方向移动，其中，nCy变大为向下移动，nCy变小为向上移动；
当mCx数值不变，nCy与u数值变化时，判断目标物体饶X轴向转动；
当u数值不变，mCx与nCy数值变化时，判断目标物体饶Z轴向转动；
当nCy数值不变，mCx与u数值变化时，判断目标物体饶Y轴向转动；
其中，沿空间坐标系x轴正向运动为向右移动，沿空间坐标系Y轴正向运动为向前移动，空间坐标系Z轴正向运动为向下移动。
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