[发明专利]面向多人增强现实交互的空间一致性保持方法

说明书

本发明提出一种面向多人增强现实交互的空间一致性保持方法。基于计算机视觉中的定向定位原理，利用Lighthouse基站得到分布在头显上的多个光传感器相对于每一个基站的方位角，利用头显的前置摄像头得到基站相对于头显的方位角，再结合头显多个光传感器以及前置摄像头之间已知的位置关系，计算得到每一个基站在头显前置摄像机的相机坐标系下的坐标。进一步地，使用三个基站确定虚拟场景的模型坐标系，则能够建立头显与模型坐标系之间的变换关系，从而保持多人增强现实交互的空间一致性，能够以较低的计算量实现多个头显的追踪，且无需进行多个基站的标定。

技术领域

本发明属于计算机视觉领域，涉及空间一致性保持方法，尤其涉及一种面向多人增强现实交互的空间一致性保持方法。

背景技术

近年来，计算机处理器能力的快速提升为虚拟现实(Virtual Reality，VR)与增强现实领域(Augmented Reality，AR)的快速发展提供了有利条件，各大科技公司纷纷推出自己的头戴式VR或AR显示设备，如HTC Vive，Oculus Rift，Microsoft HoloLens等。多人增强现实交互是新型AR设备的主要用途之一，交互过程中应使所有用户观察到的增强现实场景是一致的，即保持空间一致性。具体地，需要精确实时地获取头戴式显示(简称头显)设备的位置和姿态(简称位姿)，以将虚拟场景正确地投影到每一个用户所佩戴的显示设备上。

传统的头显设备的位姿跟踪方法是使用惯性传感器。惯性传感器只能准确测三维的转动和三维的加速度，当用于测量三维空间的位置时，累积误较大，无法满足定位的精度要求。

引入计算机视觉方法能够有效提高位姿测量的精度，现有方案主要分为两种：一是“由外而内”(Outside-in)，如Oculus所采用的方案：以固定位置的摄像头追踪覆盖在头显设备上的红外点光源；二是“由内而外”(Inside-out)，如Vive所用的Lighthouse系统，该技术由HTC和Valve合作开发，其原理是利用不断旋转的激光面击中分布在头显上的光传感器(Photodiode)，传感器则根据击中的时间间隔计算出其相对于光传感器的方位角(激光旋转速度恒定)，进而确定其在空间中的位置，这一技术目前被国内创业公司Hypereal开源。

这两种方式各有优劣：“由外而内”方案结构更简单，只需要在头显表面放置红外点光源就可以了，但是在实际使用中仍有诸多问题，追踪范围和距离都有较大限制。并且当需追踪的头显数量增加时，计算量也将急剧增加；“由内而外”方案本质上是一个分布式系统，每个传感器负责计算自己的方位，所以系统没有追踪个数的上限，缺点是电路复杂，且需要预先对发射激光的基站进行标定。

发明内容

本发明基于计算机视觉中的定向定位原理，提出一种面向多人增强现实交互的空间一致性保持方法。利用Lighthouse基站能够得到分布在头显上的多个光传感器相对于每一个基站的方位角，利用头显的前置摄像头则可得到基站相对于头显的方位角，再结合头显多个光传感器以及前置摄像头之间已知的位置关系，计算得到每一个基站在头显前置摄像机的相机坐标系下的坐标。进一步地，使用三个基站确定虚拟场景的模型坐标系，则能够建立头显与模型坐标系之间的变换关系，从而保持多人增强现实交互的空间一致性，能够以较低的计算量实现多个头显的追踪，且无需进行多个基站的标定。

具体地，本发明采用的技术方案是：

一种面向多人增强现实交互的空间一致性保持方法，其特征在于包括以下步骤：

S1.利用Lighthouse基站对光传感器的定向功能，得到头显上所有光传感器相对于每一个基站的方位角；

S2.利用头显的前置摄像头得到基站相对于头显的方位角；

S3.在S1中得到的光传感器方位角与S2中得到的基站方位角基础上，结合头显多个光传感器以及前置摄像头之间已知的位置关系，计算得到每一个基站在头显前置摄像机的相机坐标系下的坐标；