CN113375662A - 双光球交互笔的刚体姿态确定方法、装置和计算机设备 - Google Patents

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CN113375662A CN202110520992.0A CN202110520992A CN113375662A CN 113375662 A CN113375662 A CN 113375662A CN 202110520992 A CN202110520992 A CN 202110520992A CN 113375662 A CN113375662 A CN 113375662A
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Abstract

本发明涉及一种双光球交互笔的刚体姿态确定方法、装置、计算机设备和存储介质，所述方法包括：初始时刻，在第一红外反光球和第二红外反光球的法向量上设置虚拟点，将虚拟点的位置设置为第一坐标位置点；在双光球交互笔旋转时，根据初始时刻第一坐标位置点、上一时刻双光球交互笔的刚体的旋转姿态和位置姿态计算得到当前时刻虚拟点的第二坐标位置点；根据当前时刻第一红外反光球以及第二红外反光球的坐标位置点和第二坐标位置点，联合初始时刻第一红外反光球以及第二红外反光球的坐标位置点和第一坐标位置点，采用奇异值分解法求解得当前时刻双光球交互笔的刚体的旋转姿态和位置姿态。上述方法解决双光球交互笔的刚体姿态求解问题。

Description

双光球交互笔的刚体姿态确定方法、装置和计算机设备
技术领域
本发明涉及交互笔姿态处理技术领域，特别是涉及一种双光球交互笔的刚体姿态确定方法、装置、计算机设备和存储介质。
背景技术
双光球惯性传感器的交互笔，是一种笔头和笔尾分别镶嵌一颗红外反光球、笔体内部装配一块以惯性传感器为核心芯片的全息3D桌面交互笔。在光学运动捕捉***中，要想实现刚体姿态。需要对将惯性传感器旋转姿态对齐到刚体的旋转姿态。
求解惯性传感器旋转姿态对齐到刚体旋转姿态的转换关系，通常做法是，先采集多帧惯性传感器IMU和刚体对应的旋转姿态数据，然后再通过解算惯性传感器IMU旋转姿态和刚体旋转姿态之间满足的方程，从而求解出两者旋转姿态间的转换关系。但是双光球直接求解旋转姿态是不可行的，因为双光球只有一个轴向是稳定的，另外两个轴则存在不稳定性。因此，当前求解出的双光球交互笔的刚体姿态准确度低，不利于双光球交互笔的姿态认定，由此双光球交互笔的刚体姿态求解问题继续解决。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种双光球交互笔的刚体姿态确定方法、装置、计算机设备和存储介质，能够解决双光球交互笔的刚体姿态求解问题、提高双光球交互笔的刚体姿态的准确度。
为了解决上述中至少一个技术问题，本发明实施例提供了一种双光球交互笔的刚体姿态确定方法，所述双光球交互笔的笔头设置有第一红外反光球，所述双光球交互笔的笔尾设置有第二红外反光球，所述双光球交互笔的笔体内装配有惯性传感器，所述方法包括：
初始时刻，在所述第一红外反光球和所述第二红外反光球的法向量上设置虚拟点，将所述虚拟点的位置设置为第一坐标位置点；
在所述双光球交互笔旋转时，根据初始时刻的所述第一坐标位置点、上一时刻所述双光球交互笔的刚体的旋转姿态和位置姿态计算得到当前时刻的所述虚拟点的第二坐标位置点；
根据当前时刻的所述第一红外反光球的坐标位置点、所述第二红外反光球的坐标位置点和所述第二坐标位置点，联合初始时刻所述第一红外反光球的坐标位置点、所述第二红外反光球的坐标位置点和所述第一坐标位置点，采用奇异值分解法求解得到当前时刻的所述双光球交互笔的刚体的旋转姿态和位置姿态。
在其中一个实施例中，所述方法还包括：
初始时刻，将所述第一红外反光球和所述第二红外反光球在的平面作为坐标系的xoy平面，
确定所述第一红外反光球和所述第二红外反光球在所述xoy平面的中点位置，在所述中点位置设置z轴，所述法向量在所述z轴上；
根据所述xoy平面和所述z轴得到初始时刻的坐标系；
以所述坐标系为参考，确定初始时刻所述虚拟点的位置设置为第一坐标位置点；
以所述坐标系为参考，确定双光球交互笔旋转时各个时刻的双光球交互笔的刚体的旋转姿态和位置姿态。
在其中一个实施例中，所述根据初始时刻的所述第一坐标位置点、上一时刻所述双光球交互笔的刚体的旋转姿态和位置姿态计算得到当前时刻的所述虚拟点的第二坐标位置点，包括：
获取所述初始时刻的所述第一坐标位置点的坐标向量与上一时刻所述双光球交互笔的刚体的旋转姿态的旋转矩阵进行乘积处理，得到第一向量；
将所述第一向量与上一时刻所述双光球交互笔的刚体的位置姿态的平移向量进行累加处理，得到第二向量；
根据所述第二向量确定当前时刻的所述虚拟点的第二坐标位置点。
在其中一个实施例中，所述方法还包括：
以所述坐标系为参考，确定双光球交互笔旋转时各个时刻的双光球交互笔的刚体的旋转姿态的旋转矩阵以及位置姿态的平移向量。
在其中一个实施例中，所述方法还包括：
初始时刻，采用奇异值分解法获得随机的旋转姿态以及随机的位置姿态，将所述随机的旋转姿态作为所述双光球交互笔的初始旋转姿态，将所述随机的位置姿态作为所述双光球交互笔的初始位置姿态。
在其中一个实施例中，所述方法还包括：
初始时刻，读取所述双光球交互笔的所述双光球交互笔的刚体的实际旋转姿态和实际位置姿态，将所述实际旋转姿态作为所述双光球交互笔的初始旋转姿态，将所述实际位置姿态作为所述双光球交互笔的初始位置姿态。
在其中一个实施例中，初始时刻，所述虚拟点的第一坐标位置点为(0、0、1)。
一种双光球交互笔的刚体姿态确定装置，所述双光球交互笔的笔头设置有第一红外反光球，所述双光球交互笔的笔尾设置有第二红外反光球，所述双光球交互笔的笔体内装配有惯性传感器，所述装置包括：
设置模块，用于初始时刻，在所述第一红外反光球和所述第二红外反光球的法向量上设置虚拟点，将所述虚拟点的位置设置为第一坐标位置点；
计算模块，用于在所述双光球交互笔旋转时，根据初始时刻的所述第一坐标位置点、上一时刻所述双光球交互笔的刚体的旋转姿态和位置姿态计算得到当前时刻的所述虚拟点的第二坐标位置点；
求解模块，用于根据当前时刻的所述第一红外反光球的坐标位置点、所述第二红外反光球的坐标位置点和所述第二坐标位置点，联合初始时刻所述第一红外反光球的坐标位置点、所述第二红外反光球的坐标位置点和所述第一坐标位置点，采用奇异值分解法求解得到当前时刻的所述双光球交互笔的刚体的旋转姿态和位置姿态。
另外，本发明实施例还提供了一种计算机设备，其包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的应用程序，处理器执行应用程序时实现上述任一实施例方法的步骤。
另外，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有应用程序，应用程序被处理器执行时实现上述任一实施例方法的步骤。
在本发明实施例中，通过实施上述方法，通过设置虚拟点的方式，将原来的两点刚体等效为三点刚体，从而能够求解出惯性传感器的旋转姿态对齐到刚体旋转姿态所需要的刚体旋转姿态数据。采用本发明实施例的方法求解出的两点刚体的旋转姿态，从一定原理上能做到很好地与惯性传感器的旋转姿态融合。
附图说明
图1是本发明实施例中的一种双光球交互笔的刚体姿态确定方法的流程示意图；
图2是本发明实施例中的一种双光球交互笔的状态示意图；
图3是本发明实施例中的一种双光球交互笔的状态变化示意图；
图4是本发明实施例中的一种双光球交互笔的刚体姿态确定装置的结构示意图；
图5是本发明实施例中的计算机设备的结构组成示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种双光球交互笔的刚体姿态确定方法。所述双光球交互笔的笔头设置有第一红外反光球，所述双光球交互笔的笔尾设置有第二红外反光球，所述双光球交互笔的笔体内装配有惯性传感器。如图1所示，该一种双光球交互笔的刚体姿态确定方法包括以下步骤：
S102，初始时刻，在所述第一红外反光球和所述第二红外反光球的法向量上设置虚拟点，将所述虚拟点的位置设置为第一坐标位置点。
优选地，初始时刻，所述虚拟点的第一坐标位置点为(0、0、1)。
具体地，初始时刻，如图2所示，在双光球刚体合适的法向量上增加一个合适的虚拟点，即第三个点C，记双光球本身的两个点为A点、B点，以达到三点刚体的目的。
在一实施例中，S102之前，还包括：初始时刻，将所述第一红外反光球和所述第二红外反光球在的平面作为坐标系的xoy平面，确定所述第一红外反光球和所述第二红外反光球在所述xoy平面的中点位置，在所述中点位置设置z轴，所述法向量在所述z轴上；根据所述xoy平面和所述z轴得到初始时刻的坐标系；以所述坐标系为参考，确定初始时刻所述虚拟点的位置设置为第一坐标位置点；以所述坐标系为参考，确定双光球交互笔旋转时各个时刻的双光球交互笔的刚体的旋转姿态和位置姿态。
S104，在所述双光球交互笔旋转时，根据初始时刻的所述第一坐标位置点、上一时刻所述双光球交互笔的刚体的旋转姿态和位置姿态计算得到当前时刻的所述虚拟点的第二坐标位置点。
在一实施例中，所述根据初始时刻的所述第一坐标位置点、上一时刻所述双光球交互笔的刚体的旋转姿态和位置姿态计算得到当前时刻的所述虚拟点的第二坐标位置点，包括：获取所述初始时刻的所述第一坐标位置点的坐标向量与上一时刻所述双光球交互笔的刚体的旋转姿态的旋转矩阵进行乘积处理，得到第一向量；将所述第一向量与上一时刻所述双光球交互笔的刚体的位置姿态的平移向量进行累加处理，得到第二向量；根据所述第二向量确定当前时刻的所述虚拟点的第二坐标位置点。
具体地，如图3所示，后续每个时刻，均根据第三个点C初始时刻的坐标PC，o、刚体上一时刻的旋转平移Rk-1和Tk-1，通过公式PCk＝PC，0*Rk-1+Tk-1变换得到第三个点C在当前时刻的该帧下近似的坐标位置PCk。
优选地，所述方法还包括：以所述坐标系为参考，确定双光球交互笔旋转时各个时刻的双光球交互笔的刚体的旋转姿态的旋转矩阵以及位置姿态的平移向量。
具体地，结合图2和图3所示，所述双光球交互笔的刚体的旋转姿态和位置姿态需通过坐标系确定。通过A点、B点和C点可确定出参考的坐标系，进而在坐标系中确定出双光球交互笔的刚体的各个时刻的旋转姿态和位置姿态。因此，能够求解出IMU旋转姿态对齐到刚体旋转姿态所需要的刚体的姿态数据。
S106，根据当前时刻的所述第一红外反光球的坐标位置点、所述第二红外反光球的坐标位置点和所述第二坐标位置点，联合初始时刻所述第一红外反光球的坐标位置点、所述第二红外反光球的坐标位置点和所述第一坐标位置点，采用奇异值分解法求解得到当前时刻的所述双光球交互笔的刚体的旋转姿态和位置姿态。
具体地，如图3所示，联合当前时刻该帧下A、B、C三个点的位置信息和初始时刻A、B、C三个点的位置信息，使用奇异值分解法SVD分解，求解出当前时刻的旋转姿态Rk和位置姿态Tk。以此循环往复，便可求解出双光球刚体在每个时刻近似的稳定的姿态Rm、Tm，如图3所示。这样求出的每个时刻的旋转姿态和位置姿态必然是稳定的。
在一实施例中，所述方法还包括：初始时刻，采用奇异值分解法获得随机的旋转姿态以及随机的位置姿态，将所述随机的旋转姿态作为所述双光球交互笔的初始旋转姿态，将所述随机的位置姿态作为所述双光球交互笔的初始位置姿态。
在一实施例中，所述方法还包括：初始时刻，读取所述双光球交互笔的所述双光球交互笔的刚体的实际旋转姿态和实际位置姿态，将所述实际旋转姿态作为所述双光球交互笔的初始旋转姿态，将所述实际位置姿态作为所述双光球交互笔的初始位置姿态。
在初始时刻，通常采用使用奇异值分解法SVD求解，得到一个随机的初始旋转姿态R0，并解算出相应的位置姿态T0。如果已知实际期望的初始姿态为Re0、Te0，那么一种更为合理的做法是，直接初始化初始旋转姿态和位置姿态为R0＝Re0、T0＝Te0。例如初始时刻，双光球IMU(惯性传感器)的交互笔的初始旋转姿态和位置姿态通常可以设为E、O，其中E为标定单位旋转矩阵、O表示平移向量。
通过实施上述方法，通过设置虚拟点的方式，将原来的两点刚体等效为三点刚体，从而能够求解出惯性传感器的旋转姿态对齐到刚体旋转姿态所需要的刚体旋转姿态数据。采用本发明实施例的方法求解出的两点刚体的旋转姿态，从一定原理上能做到很好地与惯性传感器的旋转姿态融合。此外，通过实施上述方法，能够解决双光球交互笔的刚体姿态求解问题、提高双光球交互笔的刚体姿态的准确度。
在一实施例中，本发明还提供一种双光球交互笔的刚体姿态确定装置，所述双光球交互笔的笔头设置有第一红外反光球，所述双光球交互笔的笔尾设置有第二红外反光球，所述双光球交互笔的笔体内装配有惯性传感器。如图4所示，该装置包括：
设置模块12，用于初始时刻，在所述第一红外反光球和所述第二红外反光球的法向量上设置虚拟点，将所述虚拟点的位置设置为第一坐标位置点；
计算模块14，用于在所述双光球交互笔旋转时，根据初始时刻的所述第一坐标位置点、上一时刻所述双光球交互笔的刚体的旋转姿态和位置姿态计算得到当前时刻的所述虚拟点的第二坐标位置点；
求解模块16，用于根据当前时刻的所述第一红外反光球的坐标位置点、所述第二红外反光球的坐标位置点和所述第二坐标位置点，联合初始时刻所述第一红外反光球的坐标位置点、所述第二红外反光球的坐标位置点和所述第一坐标位置点，采用奇异值分解法求解得到当前时刻的所述双光球交互笔的刚体的旋转姿态和位置姿态。
关于一种双光球交互笔的刚体姿态确定装置的具体限定可以参见上文中对于一种双光球交互笔的刚体姿态确定方法的限定，在此不再赘述。上述一种双光球交互笔的刚体姿态确定装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
本发明实施例提供的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有应用程序，该程序被处理器执行时实现上述实施例中任意一个实施例的一种双光球交互笔的刚体姿态确定方法。其中，所述计算机可读存储介质包括但不限于任何类型的盘(包括软盘、硬盘、光盘、CD-ROM、和磁光盘)、ROM(Read-Only Memory，只读存储器)、RAM(RandomAcceSS Memory，随即存储器)、EPROM(EraSable Programmable Read-Only Memory，可擦写可编程只读存储器)、EEPROM(Electrically EraSable ProgrammableRead-Only Memory，电可擦可编程只读存储器)、闪存、磁性卡片或光线卡片。也就是，存储设备包括由设备(例如，计算机、手机)以能够读的形式存储或传输信息的任何介质，可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
本发明实施例还提供了一种计算机应用程序，其运行在计算机上，该计算机应用程序用于执行上述中任意一个实施例的一种双光球交互笔的刚体姿态确定方法。
此外，图5是本发明实施例中的计算机设备的结构组成示意图。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，如图5所示。所述计算机设备包括处理器502、存储器503、输入单元504以及显示单元505等器件。本领域技术人员可以理解，图5示出的设备结构器件并不构成对所有设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件。存储器503可用于存储应用程序501以及各功能模块，处理器502运行存储在存储器503的应用程序501，从而执行设备的各种功能应用以及数据处理。存储器可以是内存储器或外存储器，或者包括内存储器和外存储器两者。内存储器可以包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦写可编程ROM(EEPROM)、快闪存储器、或者随机存储器。外存储器可以包括硬盘、软盘、ZIP盘、U盘、磁带等。本发明所公开的存储器包括但不限于这些类型的存储器。本发明所公开的存储器只作为例子而非作为限定。
输入单元504用于接收信号的输入，以及接收用户输入的关键字。输入单元504可包括触控面板以及其它输入设备。触控面板可收集用户在其上或附近的触摸操作(比如用户使用手指、触笔等任何适合的物体或附件在触控面板上或在触控面板附近的操作)，并根据预先设定的程序驱动相应的连接装置；其它输入设备可以包括但不限于物理键盘、功能键(比如播放控制按键、开关按键等)、轨迹球、鼠标、操作杆等中的一种或多种。显示单元505可用于显示用户输入的信息或提供给用户的信息以及终端设备的各种菜单。显示单元505可采用液晶显示器、有机发光二极管等形式。处理器502是终端设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个设备的各个部分，通过运行或执行存储在存储器503内的软件程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，执行各种功能和处理数据。
作为一个实施例，所述计算机设备包括：一个或多个处理器502，存储器503，一个或多个应用程序501，其中所述一个或多个应用程序501被存储在存储器503中并被配置为由所述一个或多个处理器502执行，所述一个或多个应用程序501配置用于执行上述实施例中的任意一实施例中的一种双光球交互笔的刚体姿态确定方法。
另外，以上对本发明实施例所提供的一种双光球交互笔的刚体姿态确定方法、装置、计算机设备和存储介质进行了详细介绍，本文中应采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种双光球交互笔的刚体姿态确定方法，其特征在于，所述双光球交互笔的笔头设置有第一红外反光球，所述双光球交互笔的笔尾设置有第二红外反光球，所述双光球交互笔的笔体内装配有惯性传感器，所述方法包括：
初始时刻，在所述第一红外反光球和所述第二红外反光球的法向量上设置虚拟点，将所述虚拟点的位置设置为第一坐标位置点；
在所述双光球交互笔旋转时，根据初始时刻的所述第一坐标位置点、上一时刻所述双光球交互笔的刚体的旋转姿态和位置姿态计算得到当前时刻的所述虚拟点的第二坐标位置点；其中，所述计算公式为：PCk＝PC，0*Rk-1+Tk-1，PC，o为所述虚拟点的初始时刻的第一坐标位置点，Rk-1为上一时刻所述双光球交互笔的刚体的旋转姿态，Tk-1为上一时刻所述双光球交互笔的刚体的位置姿态，后续每个时刻，均根据所述公式变换得到所述虚拟点在当前时刻的第二坐标位置点PCk；
根据当前时刻的所述第一红外反光球的坐标位置点、所述第二红外反光球的坐标位置点和所述第二坐标位置点，联合初始时刻所述第一红外反光球的坐标位置点、所述第二红外反光球的坐标位置点和所述第一坐标位置点，采用奇异值分解法求解得到当前时刻的所述双光球交互笔的刚体的旋转姿态和位置姿态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
初始时刻，将所述第一红外反光球和所述第二红外反光球在的平面作为坐标系的xoy平面，
确定所述第一红外反光球和所述第二红外反光球在所述xoy平面的中点位置，在所述中点位置设置z轴，所述法向量在所述z轴上；
根据所述xoy平面和所述z轴得到初始时刻的坐标系；
以所述坐标系为参考，确定初始时刻所述虚拟点的位置设置为第一坐标位置点；
以所述坐标系为参考，确定双光球交互笔旋转时各个时刻的双光球交互笔的刚体的旋转姿态和位置姿态。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据初始时刻的所述第一坐标位置点、上一时刻所述双光球交互笔的刚体的旋转姿态和位置姿态计算得到当前时刻的所述虚拟点的第二坐标位置点，包括：
获取所述初始时刻的所述第一坐标位置点的坐标向量与上一时刻所述双光球交互笔的刚体的旋转姿态的旋转矩阵进行乘积处理，得到第一向量；
将所述第一向量与上一时刻所述双光球交互笔的刚体的位置姿态的平移向量进行累加处理，得到第二向量；
根据所述第二向量确定当前时刻的所述虚拟点的第二坐标位置点。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
以所述坐标系为参考，确定双光球交互笔旋转时各个时刻的双光球交互笔的刚体的旋转姿态的旋转矩阵以及位置姿态的平移向量。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
初始时刻，采用奇异值分解法获得随机的旋转姿态以及随机的位置姿态，将所述随机的旋转姿态作为所述双光球交互笔的初始旋转姿态，将所述随机的位置姿态作为所述双光球交互笔的初始位置姿态。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
初始时刻，读取所述双光球交互笔的所述双光球交互笔的刚体的实际旋转姿态和实际位置姿态，将所述实际旋转姿态作为所述双光球交互笔的初始旋转姿态，将所述实际位置姿态作为所述双光球交互笔的初始位置姿态。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，初始时刻，所述虚拟点的第一坐标位置点为(0、0、1)。
8.一种双光球交互笔的刚体姿态确定装置，其特征在于，所述双光球交互笔的笔头设置有第一红外反光球，所述双光球交互笔的笔尾设置有第二红外反光球，所述双光球交互笔的笔体内装配有惯性传感器，所述装置包括：
设置模块，用于初始时刻，在所述第一红外反光球和所述第二红外反光球的法向量上设置虚拟点，将所述虚拟点的位置设置为第一坐标位置点；
计算模块，用于在所述双光球交互笔旋转时，根据初始时刻的所述第一坐标位置点、上一时刻所述双光球交互笔的刚体的旋转姿态和位置姿态计算得到当前时刻的所述虚拟点的第二坐标位置点；其中，所述计算公式为：PCk＝PC，0*Rk-1+Tk-1，PC，0为所述虚拟点的初始时刻的第一坐标位置点，Rk-1为上一时刻所述双光球交互笔的刚体的旋转姿态，Tk-1为上一时刻所述双光球交互笔的刚体的位置姿态，后续每个时刻，均根据所述公式变换得到所述虚拟点在当前时刻的第二坐标位置点PCk；
求解模块，用于根据当前时刻的所述第一红外反光球的坐标位置点、所述第二红外反光球的第二坐标位置点和所述第二坐标位置点，联合初始时刻所述第一红外反光球的坐标位置点、所述第二红外反光球的坐标位置点和所述第一坐标位置点，采用奇异值分解法求解得到当前时刻的所述双光球交互笔的刚体的旋转姿态和位置姿态。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的应用程序，其特征在于，所述处理器执行所述应用程序时实现权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有应用程序，其特征在于，所述应用程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
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