述方程求解。
[0047] 进一步预测
[0048] 状态估计
[0049] 滤波增益矩 ⑶
[0050] -步预测误
[0051 ]估计误差方差阵:Ρκ=[Ι-ΚκΗκ]Ρκ,κ-! (5)
[0052] 给定初值Χο和Ρο,根据k时刻的观测值Ζκ，就可以递推计算得k时刻的状态估计 (Κ = 1，2，Ν)〇
[0053] 进而再一次更新四元数。然后通过反变换以及反三角函数求解出更新后的欧拉 角，从而得到地球仪的姿态以及偏角，得到θ，γ，Φ。
[0054] 第四步、手机获取自身姿态：
[0055] 手机通过和硬件同样的方法和算法检测自身的姿态，得到Θ1，γ 1，机。
[0056] 第五步、手机对地球仪球体进行识别，并确定球心位置以及摄像头中球的半径:手 机对地球仪球体进行识别，因为地球仪有着明显的图案来与背景区分，采用霍夫变换(参见 OpenCV标准函数库)可以精确的求得球心及轮廓与半径，确定球心在摄像头的位置XI，Υ1， 通过相似变换得到实际摄像头的偏移量Χ〇，Υ〇,根据球体在摄像头的半径r，以及实际半径 R，建立一个相似比例的标定，从而计算出摄像头到球体的距离D:r/dO = R/D。
[0057] 第六步、通过球心位置以及球在摄像头中的大小判断球的偏移角度：
[0058] 根据公5
汁算偏移角度
[0059] 第七步、通过以上数据重新建立球体坐标系：
[0060] 将以上欧拉角做差，重新建立球体的坐标系：Qfinape-ei-ehitfinaPit-lh-lh， yfinai = γ-γι，即为球体在手机端的姿态。
[0061] 第八步、手机客户端实现增强现实，并计算标记点的经炜度：
[0062] 客户端程序启动后通过设备蓝牙进行搜索与配对，连接成功后实时接收地球仪发 送的地球仪姿态等信息，确认连接建立成功后打开摄像头对图像进行识别找出轮廓圆的半 径和圆心，由圆心和相机中心确定射线方程(已知相机中心点和地球仪球心，根据两点式可 得出直线方程(131)/(1231) = (7-71)/(72-71) = (2-21)/(22-21))，再由半径确定深度 距离D(D:r/dO = R/D)，带入射线方程便可得出虚拟地球仪在相机坐标系的三维坐标，在通 过蓝牙接收到地球仪的角度信息便可得出移动设备的摄像头注视点经炜度（已知)及地球 仪在手机虚拟空间的相对位置与姿态。进而根据球面方程和球心确定切平面方向将数据传 送给3D渲染模块。
[0063]第九步、手机计算需要显示的增强现实模型：
[0064]客户端程序3D渲染模块接受到地球仪的姿态数据及切平面方向后，在根据后台数 据库与用户选择的结果将指定的3D模型通过手机注视点坐标及切平面方向放置在对应的 位置上进行渲染与实时视频背景拟合已达到增强现实的目的。
【主权项】
1. 地球仪的位姿检测方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤1:初始化地球仪中的巧螺仪传感器得到初始角度，根据初始角度计算得到初始四 元数； 步骤2:初始化刻度标定系数； 步骤3:用巧螺仪传感器检测地球仪状态，更新四元数，通过四元数及=角函数求出欧 拉角作为地球仪的姿态角度； 步骤4:手机通过步骤1到步骤3得到手机的姿态角度； 步骤5:手机对地球仪球体进行识别，通过步骤1所述的地球仪的姿态角度和步骤4所述 的手机的姿态角度结合霍夫变换确定球屯、在摄像头中的位置坐标； 步骤6:通过所述步骤5中地球仪的球屯、在摄像头的位置W及地球仪在摄像头中的半径 得到球的偏移角度； 步骤7:将步骤3中地球仪的姿态角度、步骤4中手机的姿态角度和步骤6中的偏移角度 做差得到地球仪在手机端的姿态角度； 步骤8:手机客户端接收地球仪的姿态角度、深度距离和地球仪的球屯、在摄像头的位置 信息，通过相机中屯、点、球屯、在摄像头的位置W及深度距离建立两点式得出虚拟地球仪在 相机坐标系的=维坐标，通过接收到的地球仪的角度信息得出移动设备的摄像头注视点经 缔度及地球仪在手机虚拟空间的相对位置与姿态角度。2. 根据权利要求1所述的地球仪的位姿检测方法，其特征在于，所述步骤1中根据初始 角度计算得到初始四元数的公式为：其中，9〇、91、92、93代表四元数； 恥表示方位角，0〇表示俯仰角，丫 O表示翻滚角。3. 根据权利要求1所述的地球仪的位姿检测方法，其特征在于，所述步骤2的具体步骤 为:所述刻度标定系数是通过延标尺移动手机将摄像头中呈现的图像和手机中呈现的图像 重合，并输入重合后手机在标尺上的刻度来初始化。4. 根据权利要求1所述的地球仪的位姿检测方法，其特征在于，所述步骤3中所述更新 四元数的具体方法为： 1) 在时间中断时获取巧螺仪传感器的数值； 2) 用获取的数值进行更新的四元数； 3) 将更新后的四元数进行优化进而再一次更新四元数。5. 根据权利要求1所述的地球仪的位姿检测方法，其特征在于，所述步骤6中球的偏移 角度具体的求解方法为： 1) 将球屯、在摄像头中的位置通过相似变换得到实际摄像头的偏移量； 2) 根据地球仪在摄像头中的半径和地球仪的实际半径建立相似比例标定得到摄像头 到球体的距离，即深度距离； 3) 根据实际摄像头的偏移量和深度距离求得偏移角度。6. 根据权利要求1所述的地球仪的位姿检测方法，其特征在于，所述位姿检测方法还包 括如下步骤： 客户端程序3D擅染模块接受到步骤5中得到的地球仪的姿态数据和切平面方向后，再 根据后台数据库与用户选择的结果将指定的3D模型通过手机注视点坐标及切平面方向放 置在对应的位置上进行擅染与实时视频背景拟合，根据步骤7中的球体在手机端的姿态，将 虚拟地球仪旋转至该角度与真实地球仪吻合，显示AR图像。7. 根据权利要求6所述的地球仪的位姿检测方法，其特征在于，所述切平面方向的确定 方法为:将步骤5中得到的球屯、坐标结合球面方程确定切平面方向。8. 根据权利要求4所述的地球仪的位姿检测方法，其特征在于，所述的优化四元数的方 法具体是:利用卡尔曼滤波算法进行滤波，包括卡尔曼滤波算法需要状态方程W及观测方 程进行滤波。9. 用于地球仪位姿检测的装置，其特征在于:包括地球仪与带摄像头的移动设备，地球 仪由巧螺仪传感器和控制忍片组成，巧螺仪传感器用于记录地球仪的姿态数据，通过移动 设备上的蓝牙进行捜索配对将地球仪的姿态数据发到移动设备。10. 根据权利要求9所述的用于地球仪位姿检测的装置，其特征在于:所述的移动设备 还包括3D擅染模块，用于接受到地球仪的姿态数据及切平面方向后，根据后台数据库与用 户选择的结果将指定的3D模型通过手机注视点坐标及切平面方向放置在对应的位置上进 行擅染与实时视频背景拟合;所述移动设备为带摄像头的手机或PAD;所述地球仪位姿检测 的装置还包括加速度传感器;所述地球仪位姿检测的装置还包括地磁传感器。
【专利摘要】本发明涉及地球仪的姿态检测方法及其装置，其属于科普、教育、智能加工领域。本发明通过硬件陀螺仪传感器及一系列算法，克服了技术本身常用计算方式的缺点，把此部分繁杂的位姿标定的计算过程交给硬件来完成，最大限度节省移动端的硬件资源给其他后续处理部分，比如后续用于3D渲染部分，以便渲染出更绚丽的图像。
【IPC分类】G06T7/60, G06T7/00, G06T15/00, G01C21/16
【公开号】CN105654466
【申请号】
【发明人】单伟, 赵良华, 赵良琦
【申请人】大连新锐天地传媒有限公司
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2015年12月21日