[发明专利]增强现实系统中三维扫描坐标与投影坐标快速匹配的方法

说明书

一种增强现实系统中三维扫描坐标与投影坐标快速匹配的方法。充分利用了可事先获得的投影视锥参数，在实际操作中将原“两次承接法”中的两次共面承接操作简化为一次非共面承接操作。在本发明方法中，扫描一次非共面承接的匹配图案，仅受到三维扫描仪的精度影响，投影视锥的各向夹角参数可以通过提前的其它高精度标定方法获取，或者直接从厂商的参数列表中获得。本发明方法相比于原有“两次承接法”，在系统误差与实际操作难度方面都有改善，在实际使用中则直接反映为匹配精度的提高。

技术领域

本发明涉及增强现实系统领域。

技术背景

目前国内外都有基于投影仪-摄像头系统(Projector-camera system/PCS)的增强现实计算机辅助设计工具，国外有如德国慕尼黑工业大学的Gerhard Schubert等人开发的CDP系统(http：//cdp.ai.ar.tum.de/)，麻省理工学院媒体实验室(media lab)开发的CityScope(https：//www.media.mit.edu/projects/cityscope/overview/)，国内有同济大学的孙澄宇开发的MR.SAP辅助设计平台。此类系统一般包含三个部分：三维扫描模块，模型处理模块，投影反馈模块，运行的原理一般为：

在不断重复的每一运算周期中：先通过三维扫描模块，以点云形式捕获工作范围内的实物对象的外形；然后在模型处理模块中，将其重构为由面组成的几何对象，在此基础上再对其进行各种预先设定的数值计算，以生成相应的二维信息图形；最终由投影反馈模块将该二维信息图形投射到实物对象上与之相匹配，实现增强现实的效果。通过不断重复进行的上述计算周期，在强大计算能力的支持下，可以体现为由计算机增强至实物对象的信息与人操作实物对象的动态过程形成实时互动关系。

为了正确生成二维信息图形，确保其能够准确地被回投到实物上，这类系统都需要在运行前完成三维扫描仪坐标与投影仪坐标的匹配。详细来讲就是在三维扫描仪坐标系中描述投影仪视锥的顶点与朝向。这样，二维信息图案才能被正确生成并用以投影，而三维扫描仪与投影仪坐标系的这一匹配精度就会直接影响最终投射在实物上的二维信息图形与其轮廓的重合效果。

接近的现有技术情况：

目前，一般的匹配方法是使用三维扫描仪识别出投影仪投出的特定匹配图案中特征点的三维空间坐标，计算出投影仪的投影视锥在三维扫描仪坐标系中的顶点位置与投射朝向，为后续计算任意对象的三维坐标在二维投影画面上的像素位置提供关键参数。

比如，孙澄宇等人的公开专利《一种互动区域可调的增强现实云台系统，201610715102.0》包含一种现有的匹配方法，其匹配过程是利用在投影光路中用两个平面承接到的匹配图案之上的多对特征点，描绘出各条投影视锥棱线的一部分，利用特征图案的已知几何特征计算投影仪视锥在三维扫描坐标系中的顶点与朝向。其所用的原理是光线沿直线传播与两直线的夹角，列出每根棱线的直线方程，并将其两两联立求解。对结果求得的平均值即是投影视锥的顶点。

本发明将《一种互动区域可调的增强现实云台系统》(专利号：201610715102.0)公开的匹配方法简称为“两次承接法”。

发明内容

本发明的目的在于对上述现有算法做出改进，使得在投影与捕获匹配图案时，只需要一次、且不需要确保特征图案的特征点在一个平面上，就可以完成匹配计算。

本发明需要保护的技术方案

一种增强现实系统中三维扫描坐标与投影坐标快速匹配的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1布置设备、定义工作范围。

现场设置有三维扫描模块、模型处理模块、投影反馈模块，所述三维扫描模块输入连接于模型处理模块，模型处理模块输出连接于投影反馈模块；所述三维扫描模块为三维扫描仪；所述模型处理模块为数据处理设备，用于特征分析、数据解算功能；所述投影反馈模块将预设的匹配图案投影出供三维扫描模块采集；