CN102254346A

CN102254346A - 基于云计算的增强现实虚实碰撞检测方法

Info

Publication number: CN102254346A
Application number: CN201110181327XA
Authority: CN
Inventors: 凌晨; 陈明; 田丰
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2011-11-23

Abstract

本发明公开了一种基于云计算的增强现实虚实碰撞检测方法。该方法首先通过关键帧的特征点提取；然后实际物体姿势及运动估计；再建立虚拟物体的包围盒；之后进行基于云的虚实碰撞检测及响应；最后注册、渲染并显示虚拟物体，从而达到虚实碰撞检测效果。该方法商业化的云计算来提高虚拟物体与实际物体碰撞检测和响应的速度，使增强现实虚实碰撞达到实时的要求。

Description

基于云计算的增强现实虚实碰撞检测方法

技术领域

本发明涉及的是一种增强现实虚实碰撞技术，具体地说是一种基于云计算的单目视觉任意形状虚拟物体对实际物体碰撞检测及响应的方法。

背景技术

随着人们对交互体验的要求不断增强，增强现实（Augmented Reality，AR）应用已获得快速发展。基于视觉的AR系统因为对硬件要求不高已成为应用主流。不同于虚拟现实（Virtual Reality,VR）中虚拟对虚拟的碰撞，AR碰撞检测中实际物体是有物理特性的，而虚拟物体只具有虚拟物体的特性，必须人为地赋予虚拟物体一定的物理特性。准确的虚实碰撞检测及响应能使AR应用更加自然、真实，从而使自由的虚实人机交互成为可能。并且AR应用移植到移动设备上已成流行趋势，这些都对虚实碰撞检测及其响应算法提出了更高的要求。

对于碰撞检测研究，如中国专利：其名称为“一种基于平衡二叉树的大规模虚拟场景碰撞检测方法”，申请号CN200910086719.0；中国专利：其名称为“面向复杂场景实时交互操作的并行碰撞检测方法”，申请号CN200710043743.7；中国专利：其名称为“一种在服务器端实现三维游戏碰撞检测的方法”，申请号CN200710117826.6。这些碰撞检测方法首先是针对大规模复杂的虚拟场景的碰撞检测方法，是虚拟物体对虚拟物体的碰撞检测方法，不适合虚拟物体对实际物体的碰撞检测。其次，这些碰撞检测方法依靠硬件实现，不适合于移植到移动设备的要求。中国专利：其名称为“使用剪切的实时碰撞检测”，申请号CN200780048182.8；中国专利：其名称为“一种基于椭球体扫描的连续碰撞检测方法”；申请号CN200910087900.3；中国专利：其名称为“一种基于四叉包围盒树的柔性织物自碰撞检测方法”，申请号CN200910087902.2；中国专利：其名称为“一种基于剖分的并行碰撞检测方法”，申请号CN200810202774.7。这些碰撞检测算法主要针对的是虚拟场景中的虚拟物体对虚拟物体的碰撞检测，不适合增强现实中的虚拟物体对实际物体的碰撞检测。

上述专利及相关研究对硬件设备要求高，或者仅针对虚拟现实进行研究，并无专门针对增强现实的碰撞研究,也未使用廉价的单摄像头进行虚实碰撞研究。对3D重构方法进行碰撞检测，计算复杂，无法做到实时性。

发明内容

鉴于以上所述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的在于提供一种基于云计算的增强现实虚实碰撞检测方法，该方法首先通过关键帧中特征点提取；然后实际物体姿势估计及运动估计；再建立虚拟物体包围盒；之后进行基于云的虚实碰撞检测及响应；最后注册、渲染并显示虚拟物体，从而达到虚实碰撞检测效果。

为达到上述目的，本发明采用下述技术构思：根据摄影原理、计算机视觉技术、光学技术、云计算技术等，通过分布并行计算提高碰撞检测的速度，以达到实时的要求。

本发明采用以下技术方案实现上述基于云计算的增强现实虚实碰撞检测方法，其步骤如下：

1、关键帧的特征点提取：初始化时需要获得实际对象的正视图，作为计算变换矩阵的参考对象。之后从摄像头拍摄到的实际图像中提取关键帧图像，在图像中进行图像分割，获得屏幕坐标系中特征点的坐标、

，这些特征点数量为4点，分布规律呈矩形。

2、实际物体姿势及运动估计：通过计算世界坐标系到屏幕坐标系的变换矩阵，获得对应世界坐标系下

的坐标，世界坐标系与屏幕坐标系坐标转换公式如下：

；

其中，

是世界坐标系(,

,

)到摄像头坐标系(

,

,)的变换矩阵。在

中

为选择矩阵，

为平移矩阵。在获得特征点后，通过获得碰撞平面的法向量

；获得

后，计算出质心C（

）。则求得t时刻的实际物体的运动向量

。

3、建立虚拟物体的包围盒：将虚拟物体视为球体，即使用包围球作为包围盒，对虚拟物体建立包围盒树。

4、基于云得虚实碰撞检测及响应：使用云计算中的关键技术之一的分布式计算对虚实碰撞进行检测：

1）、根据虚实碰撞检测节点的数量，对虚拟物体包围盒树进行分组。将每个包围球的编号记为key，将其质心G与半径r记为value，得到原始数据<key，value>。

2）、将各组原始数据<key，value>送入虚实碰撞检测节点进行虚实碰撞检测。虚拟物体近似为一个球体，虚拟物体与实际物体碰撞看作是球与平面的碰撞。虚拟物体球的质心G到碰撞平面的距离即是向量

在法向量

上的投影d。此时碰撞检测的前提条件是：d≤τr，其中r为球的半径，τ为G到碰撞平面Π的距离占r的比例。如不满足条件即不产生虚实碰撞。当满足此条件，则计算出质心G在碰撞平面的投影G’。并且判断是否G’在有特征点

所围成的碰撞区域内部：

；

如果满足此条件则发生了碰撞。将质心G在碰撞平面的投影G’记入value中，的到新的数据<key，value’>。

3）、将<key，value’>送入虚实碰撞响应节点，判断value’中是否包含碰撞点的信息，即是否发生了虚实碰撞，如果未发生虚实碰撞，则下一帧虚拟物体的运动向量

与此帧虚拟物体的运动向量

相同。如发生了虚实碰撞，则计算碰撞平面的法向量与虚拟物体的运动向量夹角是否在90°到180°之间。在其区间中，则

，其中

为冲量；不在区间之间则

5、虚拟物体注册渲染显示：根据虚实碰撞响应结果，对虚拟物体在世界坐标系中进行注册，根据虚实碰撞响应结果计算下一帧虚拟物体的运动位置，并进行渲染后显示输出。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出特点和显著优点：本发明使用云计算中的分布计算对虚实碰撞进行检测和响应，不受计算机性能不足局限，分配灵活，大大提高了计算的速度，做到实时性的要求。不同于网格计算，云计算已商业化，使用户在任何时间任何地点，只要连接到网络，就能得到超级计算机的计算能力，使移动增强现实技术成为可能。

附图说明

图1为本发明基于云计算的增强现实虚实碰撞检测方法程序框图；

图2为本发明基于云的虚实碰撞检测及响应的示意图；

图3为本发明基于云的虚实碰撞检测及响应的程序框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步的详细说明。

本发明的一个具体优选实施例，如图1所示，本基于云计算的增强现实虚实碰撞检测方法包括步骤如下：

①、关键帧的特征点提取；

②、实际物体姿势及运动估计；

③、建立虚拟物体的包围盒；

④、基于云的虚实碰撞检测及响应；

⑤、虚拟物体注册渲染显示。

上述步骤①所述的关键帧的特征点提取，其具体步骤如下：

（1）、通过单目摄像头获取实际物体的关键帧图像；

（2）、对图像进行肤色检测；

（3）、进行连通域检测；

（4）、计算连通域面积并去除小面积的区域；

（5）、提取四个矩形分布的特征点。

上述步骤②所述的实际物体姿势及运动估计，其具体步骤如下：

（6）、根据步骤①获得的特征点，计算变换矩阵；

（7）、计算特征点在世界坐标系中的坐标；

（8）、计算特征点构成的碰撞平面的单位法向量

；

（9）、计算碰撞平面的质心；

（10）、根据碰撞平面的质心计算实际物体的运动向量

。

上述步骤③所述的建立虚拟物体的包围盒，其具体步骤如下：

（11）、利用分治策略快速建立虚拟物体的包围盒树。

上述步骤④所述的基于云的虚实碰撞检测及响应，一个具有N个虚实碰撞检测节点和N个虚实碰撞响应节点的基于云的虚实碰撞检测及响应示意图，如图2所示。如图3所示，其具体步骤如下：

（12）、根据虚实碰撞检测节点的数量，对步骤（11）获得的虚拟物体包围盒树进行分组，例如图2中虚实碰撞检测节点数为3，即将所有包围盒分成3组原始数据；

（13）、将每个包围球的编号记为key，将其质心G与半径r记为value，得到原始数据<key，value>送入虚实碰撞检测节点；

（14）、在虚实碰撞检测节点中，虚拟物体质心到碰撞平面的距离d是否满足条件d≤τr ？如果满足，则转步骤（15），否则未产生虚实碰撞，转步骤（16）；

（15）、计算虚拟物体质心在碰撞平面的投影G’是否在四个特征点围成的碰撞区域内？如果是在碰撞区域内，则发生虚实碰撞；

（16）、如果发生了碰撞，将质心G在碰撞平面的投影G’记入value中，的到新的数据<key，value’>，将数据<key，value’>送入虚实碰撞响应节点；

（17）、计算虚拟物体的运动向量

；

（18）、是否发生了虚实碰撞？是则转步骤（19），否则转步骤（21）；

（19）、碰撞平面的法向量与虚拟物体的运动向量夹角在（90°，180°]？夹角处在其间，则转步骤（20），否则转步骤（22）；

（20）、下一帧虚拟物体的运动向量

，转步骤（23）；

（21）、下一帧虚拟物体的运动向量

，转步骤（23）；

（22）、下一帧虚拟物体的运动向量

（23）、输出虚拟物体的运动向量。

上述步骤⑤所述的虚拟物体注册渲染显示，其具体步骤如下：

（24）、根据步骤④获得的虚拟物体的运动向量，重新渲染虚拟物体；

（25）、虚拟物体注册，渲染输出，转至步骤（1）。

Claims

1.一种基于云计算的增强现实虚实碰撞检测方法，其特征在于操作步骤如下： ①、关键帧的特征点提取；②、实际物体姿势及运动估计；③、建立虚拟物体的包围盒；④、基于云的虚实碰撞检测及响应；⑤、虚拟物体注册渲染显示。

2.根据权利要求1所述基于云计算的增强现实虚实碰撞检测方法，其特征在于所述步骤①关键帧的特征点提取的具体步骤如下：

（1）、通过单目摄像头获取实际物体的关键帧图像；

（2）、对图像进行肤色检测；

（3）、进行连通域检测；

（4）、计算连通域面积并去除小面积的区域；

（5）、提取四个矩形分布的特征点。

3.根据权利要求1所述基于云计算的增强现实虚实碰撞检测方法，其特征在于所述步骤②实际物体姿势及运动估计的具体操作步骤如下：

（1）、根据步骤①获得的特征点，计算变换矩阵；

（2）、计算特征点在世界坐标系中的坐标；

（3）、计算特征点构成的碰撞平面的单位法向量

；

（4）、计算碰撞平面的质心；

（5）、根据碰撞平面的质心计算实际物体的运动向量

。

4.根据权利要求1所述基于云计算的增强现实虚实碰撞检测方法，其特征在于所述步骤③建立虚拟物体的包围盒的具体操作步骤如下：

（1）、利用分治策略快速建立虚拟物体的包围盒树。

5.根据权利要求4所述基于云计算的增强现实虚实碰撞检测方法，其特征在于所述步骤④基于云的虚实碰撞检测及响应的具体操作步骤如下：

（1）、根据虚实碰撞检测节点的数量，对所获得的虚拟物体包围盒树进行分组，虚实碰撞检测节点数为3，即将所有包围盒分成3组原始数据；

（2）、将每个包围球的编号记为key，将其质心G与半径r记为value，得到原始数据<key，value>送入虚实碰撞检测节点；

（3）、在虚实碰撞检测节点中，虚拟物体质心到碰撞平面的距离d是否满足条件d≤τr ？如果满足，则转下一步骤（4），否则未产生虚实碰撞，转下一步骤（5）；

（4）、计算虚拟物体质心在碰撞平面的投影G’是否在四个特征点围成的碰撞区域内？如果是在碰撞区域内，则发生虚实碰撞；

（5）、如果发生了碰撞，将质心G在碰撞平面的投影G’记入value中，的到新的数据<key，value’>，将数据<key，value’>送入虚实碰撞响应节点；

（6）、计算虚拟物体的运动向量

；

（7）、是否发生了虚实碰撞？是则转下一步骤（8），否则转步骤（10）；

（8）、碰撞平面的法向量与虚拟物体的运动向量夹角在（90°，180°]？夹角处在其间，则转下一步骤（9），否则转以后步骤（11）；

（9）、下一帧虚拟物体的运动向量

，转步骤（12）；

（10）、下一帧虚拟物体的运动向量

，转步骤（12）；

（11）、下一帧虚拟物体的运动向量

（12）、输出虚拟物体的运动向量。

6.根据权利要求5所述基于云计算的增强现实虚实碰撞检测方法，其特征在于所述步骤⑤虚拟物体注册渲染显示的具体操作步骤如下：

（1）、根据步骤④获得的虚拟物体的运动向量，重新渲染虚拟物体；

（2）、虚拟物体注册，渲染输出，转至初始步骤①重新开始。