[发明专利]用于确定物体在空间中的六自由度姿态的方法和系统

说明书

一种用于确定物体在空间中的六自由度姿态的方法和系统使用了附接到该物体上的光学跟踪标记。该标记包括内部标记区域，该内部标记区域具有已知半径的圆形轮廓、以及限定了至少一个特有标记特征的标记图形。该标记的相机图像通常示出该圆形轮廓的椭圆形表示和该标记图形。基于该图像，确定描述该椭圆形表示的参数，并且使用这些参数推导出该标记在空间中的六自由度姿态。

技术领域

本发明涉及一种用于确定物体在空间中的六自由度姿态的方法和系统。更具体地，本发明涉及采用具有限定特征的一个或多个2D光学跟踪标记的方法和系统。将至少一个这样的光学跟踪标记附接到物体上，并且该至少一个光学跟踪标记附接到所述物体上时捕捉光学跟踪标记的至少一个图像。使用图像处理技术，可以确定光学跟踪标记在空间中的3D位置和3D取向，并且因此可以确定物体在空间中的3D位置和3D取向。

背景技术

确定物体在空间中的3D位置和3D取向都需要确定表示6个自由度(DOF)的至少6个参数，即表示沿着3D坐标系的三条轴线的3D位置的3个参数、以及表示关于三条轴线中的任一轴线的角度取向的另外3个参数。典型地，通过使用适当的校准，限定与至少一个相机相关的3D坐标系。6自由度(DOF)姿态包括相对于坐标系的3D位置和3D取向。

也转让给本发明的受让人的国际专利申请WO 2016/071227 A1讨论了使用光学跟踪标记确定物体在空间中的3D位置和取向的一些现有技术和新方法。根据现有技术，光学跟踪标记通常具有黑白棋盘图形(方格标志图形)，并且标记的质心通常由在所述图形的交替的明暗区域之间形成的直边或直线的交点来限定。通常，方格图形标记的质心被估计为标记在由相机捕捉到的2D图像内的位置。对于确定物体的6-DOF姿态，需要用于捕捉各种标记图像的多个标记和/或多个相机。

相比之下，WO 2016/071227提出了具有基本上连续或“模拟”的图形的光学跟踪标记，该图形包括根据沿着围绕标记质心的圆形路径的非二进制多音特性而变化的灰度值或颜色值。这种标记图形的图像分析允许提高精度。此外，通过使用不同的模拟标记图形，可以对多个标记进行单独编码并彼此区分。WO 2016/071227的方法已经证明是成功的，但仍有进一步改进的余地。具体地，希望进一步提高确定带有标记的物体的3D位置和3D取向的准确性。此外，希望使用最少数量的标记和相机来实现6-DOF姿态的确定，以便节省成本和空间。

IEEE国际计算机视觉与图形识别会议(CVPR)2016年第562-570页的由LilianCalvet、Pierre Gurdjos、Carsten Griwodz、Simone Gasparini发表的题为“Detectionand Accurate Localization of Circular Fiducials under Highly ChallengingConditions[高度挑战条件下的圆形基准点的检测和准确定位]”的会议论文提出了具有多个圆形同心黑白环的光学跟踪标记(称为基准点)。在一个学术实例中，对具有印刷有连续渐变的灰度值的单个环的圆形标记进行检查。创建标记成像器中的路径，使得各路径段的方向由图像梯度给出。

已知的方法和系统仍然存在改进的余地，尤其是在准确性、检测速度和实现成本方面。

发明内容

在此背景下，本发明的目的是提供一种用于高准确度地确定物体在空间中的6-DOF姿态的改进方法和改进系统。

另一目的是提供一种用于以成本有效的方式确定物体在空间中的6-DOF姿态的改进方法和改进系统。具体地，目的是提供用于以最少的相机和最少的光学跟踪标记来确定物体在空间中的6-DOF姿态的方法和系统。

又一目的是提供用于以快速和方便的方式使用2D光学跟踪标记来检测、标识和跟踪空间中的物体的方法和系统。

新的方法和系统的有利应用可以是在工业计量学、工业制造、计算机辅助手术及其他领域。