一种基于IR-UWB和图像矩的装备展示导览系统
专利汇可以提供一种基于IR-UWB和图像矩的装备展示导览系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种IR‑UWB和图像矩的装备展示导览系统，属于 增强现实 和 计算机视觉 技术领域。主要包括以下步骤：构建融合展品图像矩、 位置 和视 角 坐标、展品相关文字说明、三维模型和图片的展品信息 数据库 ；对使用者位置估计和视角确定；通过采集真实场景图像送到 可穿戴计算 机 进行处理，提取对应展品的矩特征并且在上一步得到的位置和视角领域完成场景的检索和识别；通过坐标变换和 渲染 确定在真实空间坐标中的映射位置，并将这些信息实时显示在头盔显示屏的正确位置。与 现有技术 相比，本发明首次将IR‑UWB技术应用于增强现实的三维注册，结合图像矩表征和三维 电子 罗盘视角测定，具有 定位 精度 高、结构简单、成本低、不依赖标志物、实时性强等优点。，下面是一种基于IR-UWB和图像矩的装备展示导览系统专利的具体信息内容。
1.一种基于IR-UWB和图像矩的装备展示导览方法，应用于基于IR-UWB和图像矩的装备展示导览系统，其特征在于：所述基于IR-UWB和图像矩的装备展示导览系统包括：CMOS摄像机、头盔显示器、图像矩特征模块、IR-UWB定位模块、三维电子罗盘、虚拟场景生成模块、虚实融合模块和数据融合模块；
导览过程包括以下步骤：
(1)展品信息关系数据库构建阶段：建立来自不同定位参考点和不同视角的展品信息关系数据库，展品信息关系数据库包含定位参考点位置、视角坐标、某一定位参考点位置和某一视角坐标下对应展品对象的矩特征、相关文字说明、三维模型和图片；
(2)实时在线导览阶段：采用基于TOA的IR-UWB测距技术和三维电子罗盘进行参观者位置估计和视角确定；对每一幅CMOS摄像机实时传入的当前视频帧做如下处理：根据IR-UWB获得的位置信息和三维电子罗盘获得的角度信息将用户当前所处场景的检索范围进行缩小；通过固定在使用者头盔上的CMOS摄像机采集真实场景图像，送到可穿戴计算机进行处理，提取当前视频帧中对应展品的矩特征，在缩小后的检索范围内完成场景的检索和识别；
可穿戴计算机根据使用者头部的位置信息和视线方向计算摄像机姿态，确定所要添加的虚拟信息在真实空间坐标中的映射位置，并将这些信息实时显示在头盔显示器的正确位置；
所述数据融合模块是将来自图像矩特征数据、定位数据、姿态测量数据以及相关文字说明、三维模型和图片进行组织；
采用基于TOA的IR-UWB测距技术进行位置估计，在各定位参考点得到估计信号的到达时间后，通过确定的定位算法进行移动目标节点位置估计，在对移动目标节点的位置进行估计时，其定位准确率影响因素包括室内环境下定位模块的结构、参与TOA估计和位置估计的定位参考点的数目、位置以及定位算法的选择，具体步骤如下：
(1)t0时刻，可穿戴计算机选定系统中的N个定位参考点进行特定的定位任务，由其中某定位参考点发送包含目标节点ID的IR-UWB定位命令信号；
(2)在所有目标节点中，仅有能够满足ID匹配的IR-UWB移动目标节点进行IR-UWB信号的反射，被选定的N个定位参考点同时进行反射信号的接收与检测，并将检测到的TOA数据送入可穿戴计算机，TOA数据为移动目标发射信号到达各个定位参考点的时间；
(3)可穿戴计算机根据各个定位参考点所测量到的TOA数据，采用Chan算法进行位置估计，估算出移动目标节点的位置后，传送给虚拟场景生成模块和数据融合模块。
2.如权利要求1所述的基于IR-UWB和图像矩的装备展示导览方法，其特征在于：每个定位参考点对应多个视角，在每个定位参考点处，从多个视线方向观察展品对象，每个定位参考点处对应的视角个数根据展品的布局密度灵活调整；并且，在某定位参考点对应的某视角对应多个展品对象。
3.如权利要求1所述的基于IR-UWB和图像矩的装备展示导览方法，其特征在于：在图像矩特征模块中采用矩特征进行识别。
4.如权利要求1所述的基于IR-UWB和图像矩的装备展示导览方法，其特征在于：
对于使用者视角的确定，采用WOOSENSWMC系列高精度三维电子罗盘。
5.如权利要求1所述的基于IR-UWB和图像矩的装备展示导览方法，其特征在于：系统包括虚拟场景生成模块，该模块根据获得的位置和姿态信息，结合展品信息关系数据库，从虚拟模型库中调出当前位置和视角所需要的虚拟对象，利用注册信息对其进行坐标和投影变换，结合环境的光照信息对模型进行渲染，之后根据采用的头盔显示器的透视形式，生成适合用户的虚拟场景。
6.如权利要求1所述的基于IR-UWB和图像矩的装备展示导览方法，其特征在于：系统包括虚实融合模块，该模块先获得真实场景图像，根据虚拟对象的注册信息，对虚拟对象进行坐标变换和渲染后，采用图像融合技术将其与真实场景图像叠加，实现虚实融合。
7.如权利要求6所述的基于IR-UWB和图像矩的装备展示导览方法，其特征在于：添加相关文字、声音增强信息，分左、右视点对图像进行取样，提供给头盔显示器，形成具有沉浸感的立体增强现实图像。
一种基于IR-UWB和图像矩的装备展示导览系统
技术领域
背景技术
一种技术，具有虚实结合、实时交互、三维注册的新特点。Azuma是这样描述增强现实：“虚实结合，实时交互，三维注册增强现实系统，是利用附加的图形或文字信息，对周围真实世界的场景动态进行增强”。相比于虚拟现实技术，增强现实是把计算机带入到用户的世界中，而不是把用户沉浸到计算机的世界中。该技术将计算机生成的虚拟物体叠加到现实景物
上，并且使用者可以通过各种方式来与虚拟物体进行交互，在虚拟现实与真实世界之间架
起一座桥梁，被广泛应用于军事、医学、制造、旅游、娱乐等领域。
根据注册信息对虚拟对象进行坐标变换和渲染，将其与真实场景融合；(5)通过显示设备将虚实结合的增强图像信息提供给用户。
目前传统的室内三维注册方法是在真实的环境中设置人工标志物，通过对标志物信息的提
取获得注册所需的信息而达到注册目的。然而这种人工标志有许多不足之处，如在每帧图
像中必须存在一个标志物，否则就不能实现注册，还要考虑标志物的大小和方位问题；另
外，涉及文化遗产保护的应用中是不允许添加标志点的，这些情况都对注册产生很大影响。
册，能够达到厘米级的定位精度。构建了融合展品图像矩、位置和视角坐标、展品相关文字说明、三维模型和图片的展品信息数据库。根据IR-UWB获得的位置信息和三维电 子罗盘获得的角度信息进行坐标变换和渲染，确定所要添加的虚拟信息在真实空间坐标中的映射位
置，并将虚实结合的增强图像信息实时显示在头盔显示器的正确位置。
发明内容
角坐标下对应展品对象的矩特征(必选)、相关文字说明(必选)、三维图形(可选)、图片(可选)。同一个位置对应多个不同视角，而同一位置的同一视角对应一个或多个展品。
围；再通过固定在观察者头盔上的CMOS摄像机采集真实场景图像，送到可穿戴计算机进行
处理，提取当前视频帧中对应展品的矩特征，在上一步得到的较小范围内完成场景的检索
和识别；然后，可穿戴计算机根据使用者的位置信息和视线方向计算摄像机姿态，确定所要添加的虚拟信息在真实空间坐标中的映射位置，并将这些信息实时显示在头盔显示屏的正
确位置。
虚拟场景生成模块参照带位置和视角坐标的展品信息数据库产生，然后经由虚实融合模块
将摄像机采集的信息与虚拟场景生成模块产生的虚拟对象融合起来，合成渲染后由封闭式
头盔中放置在使用者眼睛前方的小型显示器显示给用户。其原理结构图如图1所示(见附图
说明)。各子模块说明如下：
图形还是虚拟图像或者两者同时存在。正因为如此，视频方式所产生的图像会比传统的光
学方式产生的图像真实的多。另外，由于视频方式中的真实景物图像和虚拟图像都是数字
图像，可以调整真实图像的放映速度以适应处理虚拟物体图像所消耗的延迟时间，避免了
传统光学方式中真实景物无法与虚拟物体的显示延迟进行匹配的缺点。
分布的统计特征，矩特征具有区分性好、识别率高的特点。
IR-UWB的无线定位技术具有最佳的距离分辨精度和时间分辨能力。本模块所要实现的三维
环境注册是增强现实系统的关键性技术，也是衡量系统性能的重要标准。三维环境注册所
要完成的任务是实时地检测出使用者头部的位置和视线方向，计算机根据这些信息确定所
要添加的虚拟信息在真实空间坐标中的映射位置，并将这些信息实时显示在显示屏的正确
位置。目前国际上采用的注册定位方法主要包括基于跟踪设备的注册定位、基于计算机视
觉的注册定位、基于视觉和跟踪设备的混合注册定位等。其中方位跟踪设备主要包括机械
跟踪设备、电磁跟踪设备、光学跟踪设备和超声波跟踪设备等。这些硬件跟踪器各有优缺
点，但大多容易受外界干扰的影响。与采用硬件跟踪器的三维注册算法相比较，基于计算机视觉的三维注册算法以计算机视觉理论为依据，对摄像机拍摄到的现实环境图像进行处理
与识别，跟踪用户头部方位的改变，通用性强、设备简单、成本低廉。基于视觉的跟踪技术虽然实现简单，跟踪精度可达到亚像素级，但是存在实时性与准确性、跟踪精度与跟踪范围之间的矛盾。硬件跟踪设备具有鲁棒性好、跟踪速度快的特点，其中GPS虽然能够实现户外目标的定位，但定位精度低，且由于较难穿透建筑物，在某些高楼林立的街道便无法使用，因此不适合室内定位。其他常用的室内定位技术中，基于Wi-Fi的定位是一种基于信号强度的定位解决方案，它成本适中，主要应 用于中小范围室内定位，但现有Wi-Fi无线定位技术在定位精度、抗干扰能力、能耗控制等方面都存在一定缺陷；RFID射频技术很适合只需要在特定区域进行定位的用户，具有极高实用价值；缺点就是标签部署对定位精度影响大，定位精度差，射频辐射较强，标签可读范围有限，不具有通信能力，不便于整合到其他系统中；超声波室内定位系统采用反射式测距法，整体定位精度较高，但需要大量的底层硬件设备，成本较高；蓝牙定位系统用于室内时，通过测量信号强度进行定位，最大的优点是设备体积小，缺点是蓝牙设备价格高，在室内复杂环境下系统稳定性较差，易受噪声信号的干扰。因此，本发明采用IR-UWB进行定位，其系统原理结构图如图2所示(见附图说明)。具体实现时，采用基于信号到达时间(TOA)方法进行位置估计。对于参观者视角的确定，本发明采用
WOOSENSWMC系列高精度三维电子罗盘。该系列三维电子罗盘将三轴磁传感器和三轴加速度
传感器集成在一起，采用了先进的算法对软磁干扰与硬磁干扰进行校正，提供精确的方位
信息，其特征是低功耗、高性能、高精度、倾角补偿、软磁与硬磁补偿。
附图说明
具体实施方式
...n)，其中视角坐标由三维电子罗盘测得。然后利用下列中心矩计算公式求出第i个观察
参考点中第j个视角对应的各个展品对象的矩特征。
HSQLDB，以适合硬件资源有限的可穿戴计算机，HSQLDB是一个开放源代码的JAVA数据库，其具有标准的SQL语法和JAVA接口，它可以自由使用和分发，非常简洁和快速的，有服务器和In-Process两种模式。本发明采用In-Process模式，在这种模式下，数据库引擎作为应用程序的一部分在同一个JVM中运行，因为数据不用转换和通过网络的传送而使速度更快。
图，各定位参考点为位置已知的IR-UWB收发设备，通过频率锁定共有一个参考时钟，即保持时钟同步。移动目标节点为需要进行位置估计的参观者位置，参观者身上带有IR-UWB标签。
算机。
品图像矩和检索范围内的图像矩之间的匹配计算，匹配采用基于欧氏距离的方法，具体过
程如下：
空间中的方位(x，y，z，α，β，γ)已经通过前述阶段确定。
器，形成具有沉浸感的立体增强现实图像。
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