專利名稱：一種用于檢測輸入設備的三維位置信息的方法與系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及信息技術領域，尤其涉及一種用于檢測輸入設備的三維位置信息的技術。
背景技術：
現有的三維位置檢測方法，主要通過兩個攝像頭拍攝發射光源的成像信息，并根據雙目立體視覺算法，計算該發射光源的三維位置信息。并且，雙目立體視覺算法僅能計算發射光源的三維平動位置。

發明內容
本發明的目的是提供一種用于檢測輸入設備的三維位置信息的方法與系統。根據本發明的一個方面，提供了一種用于檢測輸入設備的三維位置信息的方法，其中，所述輸入設備包括至少一個發射光源；其中，該方法包括以下步驟:a由一個攝像頭拍攝所述發射光源的成像信息；b根據所述成像信息，檢測所述發射光源的輸入光點；c根據所述輸入光點的光點屬性信息，基于預定的映射關系，獲取所述輸入設備的
三維位置信息。優選地，所述輸入設備的三維位置信息包括所述輸入設備的三維轉動位置信息。優選地，所述輸入光點的光點屬性信息包括以下至少任一項:-所述輸入光點的形狀；-所述輸入光點的大小；-所述輸入光點的亮度；-所述輸入光點的光分布特性；-與所述發射光源的發光模式相對應的屬性。根據本發明的方法的優選實施例之一，所述步驟c包括根據所述輸入光點的光點屬性信息，基于預定的擬合曲線，獲取所述輸入設備的三維位置信息。優選地，所述輸入設備的三維位置信息包括所述輸入設備的三維平動位置信息，所述預定的擬合曲線包括預定的距離擬合曲線；所述步驟c包括:根據所述輸入光點的光點屬性信息，基于所述預定的距離擬合曲線，確定所述輸入設備相對所述攝像頭的距離信息；根據所述距離信息，以及所述輸入光點在所述成像信息的二維坐標，獲取所述輸入設備的三維平動位置信息。根據本發明的方法的優選實施例之一，所述步驟c包括根據所述輸入光點的光點屬性信息，通過查詢預定的光點屬性樣本表，獲取所述輸入設備的三維位置信息。優選地，所述輸入設備的三維位置信息包括所述輸入設備的三維平動位置信息，所述預定的光點屬性樣本表包括預定的光點屬性-距離樣本表；所述步驟c包括:根據所述輸入光點的光點屬性信息，基于所述預定的光點屬性-距離樣本表，確定所述輸入設備相對所述攝像頭的距離信息；根據所述距離信息，以及所述輸入光點在所述成像信息的二維坐標，獲取所述輸入設備的三維平動位置信息。更優選地，所述步驟c進一步包括:根據所述輸入光點的光點屬性信息，基于所述預定的光點屬性-距離樣本表，通過樣本內插算法，確定所述距離信息。根據本發明的方法的優選實施例之一，所述成像信息包括所述發射光源的多幀圖像；所述步驟c包括:通過多幀平均算法，根據所述輸入光點的光點屬性信息，基于預定的映射關系，獲取所述輸入設備的三維位置信息。優選地，所述步驟c包括:根據所述多幀圖像的每一個中所述輸入光點的光點屬性信息，通過多幀平均算法，獲得平均光點屬性信息；根據所述平均光點屬性信息，基于預定的映射關系，獲取所述輸入設備的三維位置信息。優選地，所述步驟c包括:根據所述多幀圖像的每一個中所述輸入光點的光點屬性信息，基于預定的映射關系，獲取所述多幀圖像中每一個所對應的所述輸入設備的參考三維位置信息；根據所述參考三維位置信息，通過多幀平均算法，獲得所述輸入設備的三維位置信息。根據本發明的方法的優選實施例之一，所述成像信息包括所述發射光源在同一時刻的至少兩個圖像，其中，所述至少兩個圖像分別屬于不同的分辨率等級；所述步驟b包括:根據所述至少兩個圖像中屬于相對低分辨率等級的圖像，獲取所述輸入光點所對應的候選區域；根據所述至少兩個圖像中屬于相對高分辨率等級的圖像中的所述候選區域，獲取所述輸入光點。根據本發明的方法的優選實施例之一，所述步驟b包括:根據所述成像信息，獲取多個候選光點；按照預定篩選條件，從所述多個候選光點中確定所述輸入光點。優選地，所述預定篩選條件包括以下至少任一項:-所述輸入光點為指定形狀；-所述輸入光點為指定顏色；-所述輸入光點的大小屬于預定范圍；-所述輸入光點的亮度值最大；-所述輸入光點的相應屬性與所述發射光源的發光模式相符。根據本發明的方法的優選實施例之一，所述輸入設備包括多個發射光源；所述步驟b包括:根據所述成像信息，獲取所述多個發射光源所對應的輸入光點組，其中，所述輸入光點組中的每一個輸入光點對應所述多個發射光源之一；檢測所述輸入光點組中的一個或多個輸入光點，以用于獲取所述多個發射光源中一個或多個的三維位置信息；在所述步驟c之后，該方法還包括根據所述多個發射光源中一個或多個的三維位置信息，確定所述輸入設備的三維位置信息。優選地，所述多個發射光源按照預定規則進行配置，所述預定規則包括以下至少任一項:-所述多個發射光源按照不同的光學特性進行配置；-所述多個發射光源按照不同的發光模式進行配置；-所述多個發射光源按照預定的幾何結構進行配置。
根據本發明的另一個方面，還提供了一種用于檢測輸入設備的三維位置信息的系統，其中，該系統包括輸入設備和檢測設備，所述輸入設備包括至少一個發射光源，所述檢測設備包括一個攝像頭和至少一個處理裝置；所述攝像頭用于拍攝所述發射光源的成像信息；其中，所述處理裝置用于:-根據所述成像信息，檢測所述發射光源的輸入光點；-根據所述輸入光點的光點屬性信息，基于預定的映射關系，獲取所述輸入設備的
三維位置信息。根據本發明的系統的優選實施例，所述輸入設備包括多個發射光源；所述檢測所述發射光源的輸入光點的操作包括:-根據所述成像信息，獲取所述多個發射光源所對應的輸入光點組，其中，所述輸入光點組中的每一個輸入光點對應所述多個發射光源之一；-檢測所述輸入光點組中的一個或多個輸入光點，以用于獲取所述多個發射光源中一個或多個的三維位置信息；其中，所述處理裝置還用于:-根據所述多個發射光源中一個或多個的三維位置信息，確定所述輸入設備的三維位置信息。與現有技術相比，本發明僅通過一個攝像頭拍攝發射光源的成像信息，進而獲取該發射光源所屬輸入設備的三維位置信息，降低了系統的硬件成本和計算復雜度。進一步地，本發明不僅可以獲得輸入設備的三維平動位置信息，還可以獲得輸入設備的三維轉動位置信息，提高了輸入設備的三維位置檢測的準確度和靈敏度。


通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯:圖1示出根據本發明一個方面的用于檢測輸入設備的三維位置信息的系統示意圖；圖2示出根據本發明另一個方面的用于檢測輸入設備的三維位置信息的方法流程圖；圖3示出根據本發明另一個方面的用于檢測輸入設備的三維位置信息的方法流程圖；圖4示出根據本發明一個優選實施例的用于檢測輸入設備的三維位置信息的方法流程圖；圖5示出根據本發明另一個優選實施例的用于檢測輸入設備的三維位置信息的方法流程圖；圖6示出根據本發明再一個優選實施例的用于檢測輸入設備的三維位置信息的方法流程圖；圖7示出根據本發明的一個LED光源的成像圖示例；圖8示出根據本發明又一個優選實施例的用于檢測輸入設備的三維位置信息的方法流程圖；圖9示出根據本發明的輸入設備包括4個LED光源的排列方式示意圖；圖10示出根據本發明的輸入設備包括3個LED光源的排列方式示意圖；圖11示出根據本發明的輸入設備包括3個LED光源的排列方式示意圖。附圖中相同或相似的附圖標記代表相同或相似的部件。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。圖1為根據本發明一個方面的系統示意圖，示出一種用于檢測輸入設備的三維位置信息的輸入檢測系統。如圖1所示，輸入檢測系統100包括輸入設備110和檢測設備120，其中，輸入設備110和檢測設備120分別置于兩端。輸入設備110包括至少一個發射光源111。檢測設備120包括至少一個處理裝置122，該檢測設備120還內置或外接一個攝像頭121。攝像頭121拍攝發射光源111的成像信息；處理裝置122根據所述成像信息，檢測發射光源111的輸入光點，并根據所述輸入光點的光點屬性信息，基于預定的映射關系，獲取發射光源111的三維位置信息。本發明中，由于發射光源111裝置于輸入設備110，故輸入設備110的三維位置信息由發射光源111的三維位置信息來表征，兩者等同使用。進一步地，當輸入設備110包括一個發射光源111時，輸入設備110的三維位置信息可直接由發射光源111的三維位置信息來表征；當輸入設備Iio包括多個發射光源111時,輸入設備110的三維位置信息可直接由其中一個發射光源111的三維位置信息來表征，或通過對其中一個或多個發射光源111的三維位置信息的相關計算，確定輸入設備110的三維位置信息。例如，攝像頭121拍攝發射光源111的圖像；處理裝置122從該圖像中選擇圓形的光點作為發射光源111的輸入光點，如按照預設的門限對該圖像進行二值化處理，以便于圓形光點的檢測，并通過霍夫變換來進行圓形光點的檢測，計算圓半徑和圓心坐標，只有半徑落于預定有效半徑范圍內的圓形光點才為有效的圓形光點，若有多個符合條件的圓形光點，可選最亮的圓形光點作為輸入光點，根據該輸入光點的圓半徑、亮度，查詢預設的光點屬性-距離樣本表，以獲得發射光源111相對攝像頭121的距離信息，結合輸入光點的圓心在圖像中的二維坐標，計算獲得該發射光源111的三維平動位置信息。在此，所述輸入光點的光點屬性信息包括但不限于任何可適用于本發明的，可直接或間接用于確定發射光源111的三維位置信息的相關光學屬性，諸如所述輸入光點的形狀、大小、亮度或光分布特性等。優選地，所述輸入光點的光點屬性信息包括但不限于，以下至少任一項:I)所述輸入光點的形狀，諸如圓形、橢圓形；2)所述輸入光點的大小,如圓半徑、面積等；3)所述輸入光點的亮度；4)所述輸入光點的光分布特性,如所述輸入光點的光分布會隨著發射光源111的三維轉動位置信息的變化而單調變化；5)與所述發射光源的發光模式相對應的屬性,如LED光源的中心不發光,則相應的輸入光點為中心黑點的圓形光點。發射光源111的三維位置信息包括但不限于，發射光源111的三維平動位置信息和/或發射光源111的三維轉動位置信息。同樣地，輸入設備110的三維位置信息包括但不限于，輸入設備110的三維平動位置信息和/或輸入設備110的三維轉動位置信息。在此，將輸入光點的圓心在圖像中基于圖像中心的二維坐標標記為(x，y)。其中X是輸入光點的圓心在圖像中的橫坐標，I是輸入光點的圓心在圖像中的縱坐標。將某空間原點的三維坐標標記為(Xtl, Y0, Z0)，則發射光源111的三維平動位置信息為其三維坐標(X，Y，Z)，其中，X是發射光源111質心的水平坐標，Y是發射光源111質心的豎直坐標，Z是發射光源111質心的縱深坐標。通過公式X = χ( λ -Z) / λ，Y = y ( λ -Z)/λ，即可由發射光源111的二維圓心坐標(X，y)，計算獲得該發射光源111的三維位置信息(X，Y，Z)，其中，λ為攝像頭的焦距，發射光源111相對攝像頭121的距離信息Z的具體計算方式將在后續內容中予以詳細說明。如圖2所示，發射光源111的三維轉動位置信息可標記為Θ，其中，Θ為發射光源111的軸線與該發射光源111到攝像頭122連線之間的夾角。進一步地，發射光源111的三維轉動位置信息還可標記為(Θ，Y)，其中，Y為發射光源111圍繞其質心軸的轉角，即發射光源111的自轉角度。此外，根據前述夾角Θ，結合發射光源111的三維平動位置信息(X，Y，Ζ)，還可進一步將發射光源111的三維轉動位置信息標記為(α，β，Y)，即該發射光源111通過其質心軸的空間方位，其中，α是發射光源111通過其質心軸的水平方向角，β是發射光源111通過其質心軸的豎直方向角。當輸入設備110包括多個發射光源111時，Y可用于更精確地表征用戶對輸入設備110的各項操作，如用戶轉動輸入設備110，根據多個發射光源111所組成幾何形狀的偏轉，即可確定輸入設備110的自轉角度Y ;并且，對于該輸入設備110的夾角θ，可為該輸入設備110的軸線與該輸入設備110到攝像頭122連線之間的夾角。預定的映射關系包括但不限于任何可適用于本發明的，通過對所述輸入光點的光點屬性信息進行相應處理，獲得發射光源111的三維位置信息的映射方式，諸如基于所述光點屬性信息獲得的所述三維位置信息的擬合曲線、所述光點屬性信息與所述三維位置信息的樣本表等。仍參閱圖1，發射光源111包括但不限于任何可適用于本發明的，各種點光源、面光源等發光物，諸如LED光源、紅外光源、OLED光源等。為簡化說明起見，本發明多以LED光源為例對發射光源111進行闡述，然而，本領域的技術人員應能理解，該種舉例僅為簡便地闡述本發明之用，而不應理解為對本發明的任何限制。攝像頭121包括但不限于任何可適用于本發明的，能夠感應和采集諸如LED可見光、紅外線等圖像的圖像采集設備；例如，攝像頭121具備I)足夠高的采集幀率，如15fps或以上，2)合適的分辨率，如640x480或以上，3)足夠短的曝光時間，如1/500或更短。處理裝置122包括但不限于任何可適用于本發明的，能夠按照事先存儲的程序，自動進行數值計算和/或各種信息處理的電子設備，其硬件包括但不限于微處理器、FPGA、DSP、嵌入式設備等。進一步地，本發明中，檢測設備120可以包括一個或多個處理裝置122，當處理裝置122有多個時，每個處理裝置122可以被分配執行一個特定的信息處理操作，以實現并行計算，從而提高檢測效率。本領域技術人員應能理解上述發射光源111、攝像頭121以及處理裝置122僅為舉例，其他現有的或今后可能出現的發射光源、攝像頭或者處理裝置如可適用于本發明，也應包含在本發明保護范圍以內，并以引用方式包含于此。進一步地，在該系統的一個優選實施例中，輸入設備110中裝置有多個發射光源
111。其中，多個LED光源的排列方式分別如圖9、圖10和圖11所示:圖9示出一種4個LED光源的排列方式；圖10不出一種3個LED光源的排列方式；圖11不出一種2個LED光源的排列方式。本發明中，對于多個發射光源111的情形，可以將多個發射光源111按照預定規則進行配置，所述預定規則包括但不限于，以下至少任一項:I)多個發射光源111按照不同的光學特性進行配置；2)多個發射光源111按照不同的發光模式進行配置；3)多個發射光源111按照預定的幾何結構進行配置。具體地，I)所述光學特性包括但不限于任何可適用于本發明的，用于表征每個發射光源111的光學相關屬性的信息，諸如發射光源111的波長、亮度、形狀等。2)所述發光模式包括但不限于任何可適用于本發明的，發射光源111的特殊發光性能，諸如多個發射光源111所分別發出光的顏色、閃爍頻率、亮度等屬性之一或任意組合的分布、在發射光源111外部加反光材料或透光材料以改變相應輸入光點的形狀等。3)所述幾何結構包括但不限于任何可適用于本發明的，由兩個以上的發射光源111按照一定的距離和/或夾角所組成的任意幾何結構，諸如三角形、正方形、正方體等。本領域技術人員應能理解上述對多個發射光源進行配置的預定規則僅為舉例，其他現有的或今后可能出現的對多個發射光源進行配置的預定規則如可適用于本發明，也應包含在本發明保護范圍以內，并以引用方式包含于此。在此，通過各種規則對多個發射光源111進行配置，如每個發射光源111發不同顏色或亮度的光、采用不同的閃爍頻率，按照一定的距離和夾角進行放置等，使得檢測設備120可以根據每個發射光源111的相對位置變化，計算獲得輸入設備110的自轉角度Y,從而更精確地獲得輸入設備110的三維轉動位置信息，這對于如3D游戲等需要精確三維位置信息的應用意義重大。攝像頭121拍攝發射光源111的成像信息；處理裝置122根據所述成像信息，獲取多個發射光源111所對應的輸入光點組，其中，所述輸入光點組中的每一個輸入光點對應多個發射光源111之一，并檢測所述輸入光點組中的一個或多個輸入光點，以用于獲取多個發射光源111中一個或多個的三維位置信息；處理裝置122根據所述一個或多個輸入光點的光點屬性信息，基于預定的映射關系，獲取多個發射光源111中一個或多個的三維位置信息；處理裝置122根據多個發射光源111中一個或多個的三維位置信息，確定輸入設備110的三維位置信息。在此，對于輸入設備110的三維位置信息，至少可從以下兩個維度來確定:I)先確定所述輸入光點組中用于計算的輸入光點，再根據該等輸入光點所對應發射光源111的三維位置信息，確定輸入設備110的三維位置信息。其中，所述用于計算的輸入光點可以是所述輸入光點組中的全部或部分輸入光點；處理裝置122可以選擇所述輸入光點組中的任一輸入光點作為所述用于計算的輸入光點，并將所選輸入光點所對應發射光源111的三維位置信息，作為輸入設備110的三維位置信息；也可以根據所選擇的用于計算的輸入光點之間的幾何結構，確定相應的點的三維位置信息，以用于表征輸入設備110的三維位置信息，如根據所選擇輸入光點所組成的幾何體的重心，將該重心的三維位置信息作為輸入設備110的三維位置信息。例如，參閱圖10，在確定三個LED光源所分別對應的輸入光點后，將該三個LED光源所組成三角形的重心的三維位置信息，作為該三個LED光源的三維位置信息。2)先獲取所述輸入光點組中每個輸入光點的三維位置信息，再通過對該等三維位置信息的各種計算處理，確定輸入設備110的三維位置信息。在此，所述計算處理包括但不限于任何可適用于本發明的，對所述輸入光點組中每個輸入光點的三維位置信息進行的各種計算，諸如對所有輸入光點的三維位置信息求均值、按照多個LED光源之間的幾何結構進行的各種重心或頂點的三維位置信息的計算等。圖3為根據本發明另一個方面的方法流程圖，示出一種用于檢測輸入設備的三維位置信息的過程。其中，輸入設備110包括一個發射光源111，檢測設備120外接一個攝像頭 122。配合參閱圖1和圖3，在步驟S301中，攝像頭122拍攝發射光源111的成像信息；在步驟S302中，檢測設備120根據所述成像信息，檢測發射光源111的輸入光點；在步驟S303中，檢測設備120根據所述輸入光點的光點屬性信息，基于預定的映射關系，獲取發射光源111的三維位置信息。例如，在步驟S301中，攝像頭122拍攝發射光源111的成像信息，如該發射光源111在同一時刻的一個高分辨率圖像和一個低分辨率圖像，該高分辨率圖像和低分辨率圖像可同時拍攝獲得，也可僅拍攝高分辨率圖像，對其采樣以獲得相應的低分辨率圖像；在步驟S302中，對于發射光源111的低分辨率圖像，檢測設備120檢測其中輸入光點所對應的候選區域，如初步檢測該低分辨率圖像中小塊孤立的光點或運動區域，并僅對高分辨率圖像中該候選區域的相應部分進行進一步分析，如按照光點的形狀、大小等檢測該高分辨率圖像，確定形狀為圓形且半徑屬于預定的半徑有效范圍內的光點為該發射光源111的輸入光點，其中，所述運動區域可結合該發射光源111在其他時刻的圖像，對該低分辨率圖像按照差分法處理，對差分處理后的該低分辨率圖像取門限二值化確定；在步驟S303中，檢測設備120根據發射光源111的輸入光點的圓半徑r，通過計算公式Z = c/r，其中，c為與攝像頭焦距和發射光源111的大小等參數相關的常量，獲取該發射光源111相對于攝像頭121的距離信息Z，再結合該輸入光點的圓心在圖像中的二維坐標(X，y)，通過公式X =X ( λ -Z) / λ，Y = y ( λ -Z) / λ，計算獲得該發射光源111的三維平動位置信息(X，Y，Ζ)。其中，λ為攝像頭121的焦距。在此，發射光源111可選擇在各方向發光特性一致的LED光源，對于發光特性不一致的LED光源，可以在其外部套一個透光球，以使得該LED光源經由該透光球在各方向的發光特性一致，以及相應輸入光點的半徑一致。圖4為根據本發明一個實施例的方法流程圖，示出一種用于檢測輸入設備的三維位置信息的過程。其中，輸入設備110包括一個發射光源111，檢測設備120外接一個攝像頭 122。
配合參閱圖1和圖4，在步驟S401中，攝像頭122拍攝發射光源111的成像信息；在步驟S402中，檢測設備120根據所述成像信息，檢測發射光源111的輸入光點；在步驟S403中，檢測設備120根據所述輸入光點的光點屬性信息，基于預定的擬合曲線，獲取發射光源111的三維位置信息。例如，在步驟S401中，攝像頭122拍攝發射光源111的成像信息；在步驟S402中，檢測設備120按照光點的形狀、半徑等檢測該成像信息，如確定光點形狀為圓形且半徑屬于預定的半徑有效范圍內的光點為該發射光源111的輸入光點；在步驟S403中，檢測設備120根據發射光源111的輸入光點的光點半徑r和亮度I，基于預定的夾角擬合曲線Θ =h(r，I)，獲得發射光源111的軸線與該發射光源111到攝像頭122連線之間的夾角Θ，也即該發射光源111的三維轉動位置信息。在此，關于夾角擬合曲線的確定，可對夾角Θ測出相應的r和I，如按一定步長在不同夾角Θ下測定足夠多的樣本，即r和I的值(或其他可用的光點屬性)；以一次、二次或多次曲線按照最小誤差準則擬合r、I與Θ的映射關系。采樣時，應選在有效工作范圍內光學特性可通過r和I的組合唯一確定夾角Θ的LED光源。此外，所述夾角Θ的擬合曲線還可以結合輸入光點的光分布特性和/或發射光源111的發光模式等確定。其中，所述輸入光點的光分布特性包括如輸入光點內光分布的特征變換(PCA變換)的主軸方向和大小。所述發光模式諸如LED光源中心不發光(相應的輸入光點為中心黑點)、LED光源中心發白光(相應的輸入光點為中心亮點)、或LED光源發不同顏色(頻率)的光，或使LED光源被攝像頭捕獲的輸入光點呈橢圓形而非通常的圓形等通過特殊工藝對LED光源加入的特殊發光模式，該等發光模式可以幫助檢測發射光源111的三維位置信息。例如,通過檢測橢圓的方向可以獲得LED光源的自轉角度Y，橢圓的方向為對橢圓分布的特征變換的主軸方向。通過檢測輸入光點的中心黑點或亮點的位置，可以檢測夾角Θ的偏轉方向和大小，黑點或亮點為光點中最暗或最亮的中心位置。夾角Θ的偏轉方向為輸入光點的中心至黑點或亮點中心的方向。檢測在不同夾角Θ的偏轉方向和大小位置，相應的光點中心至黑點或亮點中心的距離山以及輸入光點在偏轉方向的亮度變化的梯度大小k ; Θ = h (d，k)。由于k也可遺與距尚 η息Z有關，從而Θ = h (d，k，Z);或更見雜的情況下，Θ = h(d，k，X，Y，Ζ)，相應地，此時需對不同Χ、Υ、Ζ按一定步長在不同Θ下測定足夠多的樣本，即d和k的值。優選地，輸入設備110的三維位置信息包括輸入設備110的三維平動位置信息，所述預定的擬合曲線包括預定的距離擬合曲線；在步驟S403中，檢測設備120根據所述輸入光點的光點屬性信息，基于所述預定的距離擬合曲線，確定輸入設備110相對攝像頭121的距離信息；根據所述距離信息，以及所述輸入光點在所述成像信息的二維坐標，獲取輸入設備110的三維平動位置信息。例如，在確定發射光源111的輸入光點后，在步驟S403中，檢測設備120根據所述輸入光點的光點半徑r和亮度I，基于預定的距離擬合曲線Z = f(l/r, I)，確定發射光源111相對攝像頭121的距離Z，并結合所述輸入光點的圓心在所拍攝圖像中的二維坐標(X，y)，通過公式X = X ( λ -Z) / λ，Y = y ( λ -Z) / λ，計算獲得發射光源111的三維平動位置信息(X，Y，Ζ)，該三維平動位置信息同時也為輸入設備110的三維平動位置信息。
在此，關于距離擬合曲線的確定，可對距離Z測出相應的r和I，如對不同距離Z按一定步長測定足夠多的樣本，即r和I的值(或其他可用的光點屬性)，一次、二次或多次曲線按照最小誤差準則擬合r和I與Z的映射關系。采樣時，應選在有效工作范圍內光學特性可通過r和I的組合唯一確定距離Z的LED光源。為簡便操作，在采樣時，可對不同距離Z按一定步長在不同夾角Θ的測定足夠多的樣本，即r和I的值，并相應分別確定距離Z和夾角Θ的擬合曲線。此外，所述距離Z的擬合曲線還可以結合輸入光點的光分布特性和/或發射光源111的發光模式等確定。其中，所述輸入光點的光分布特性包括如光點內光分布的特征變換(PCA變換)的主 軸方向和大小。通過特殊工藝對LED光源加入的發光模式，諸如LED光源中心不發光(相應的輸入光點為中心黑點)、LED光源中心發白光(相應的輸入光點為中心亮點)、或LED光源發不同顏色(頻率)的光，或使LED光源被攝像頭捕獲的輸入光點呈橢圓形而非通常的圓形等，該等發光模式可以幫助檢測發射光源111的三維位置信息。例如，Z = g(r，I，tl，t2)。其中tl，t2為描述輸入光點內光分布特性的變量。由于有更多的反映三維位置信息的變量，這一方法對LED光源的適用更廣，對LED光源三維位置信息的檢測更精確。圖5為根據本發明另一個實施例的方法流程圖，示出一種用于檢測輸入設備的三維位置信息的過程。其中，輸入設備110包括一個發射光源111，檢測設備120外接一個攝像頭122。配合參閱圖1和圖5，在步驟S501中，攝像頭122拍攝發射光源111的成像信息；在步驟S502中，檢測設備120根據所述成像信息，檢測發射光源111的輸入光點；在步驟S503中，檢測設備120根據所述輸入光點的光點屬性信息，通過查詢預定的光點屬性樣本表，獲取發射光源111的三維位置信息。例如，在步驟S501中，攝像頭122拍攝發射光源111的圖像；在步驟S502中，檢測設備120檢測該圖像中各圓形光點的亮度，將亮度值最大的圓形光點作為該發射光源111的輸入光點；在步驟S503中，檢測設備120根據該輸入光點的半徑r和亮度I，通過查詢預定的光點屬性樣本表，獲取發射光源111的夾角Θ。在此，按照一定角度間隔采集并存儲足夠多的r和I與Θ的樣本值，以建立光點屬性-夾角樣本表。對于一組待查詢的 r和I，當樣本表中尚未包含相應記錄時，可以計算在該樣本表中與待查詢的r和I距離最近的一組或多組r和I樣本，并通過將其對應的一個或多個Θ樣本按照樣本內插算法進行計算，獲得發射光源111的夾角Θ。其中，所述樣本內插算法包括但不限于最近鄰域內插法，線性加權內插法、雙三次內插法(bicubicinterpolation)等任何可適用于本發明的,現有的或將來可能實現的內插算法。對于輸入光點的其他光點屬性信息，諸如輸入光點的光分布特性或其他與發射光源111的發光模式相對應的屬性等，同樣可以采用上述方法采樣建立相應的光點屬性-夾角樣本表，以用于后續直接查詢該樣本表獲得夾角Θ，或基于該樣本表通過樣本內插算法計算獲得夾角Θ。優選地，輸入設備110的三維位置信息包括輸入設備110的三維平動位置信息，所述預定的光點屬性樣本表包括預定的光點屬性-距離樣本表；在步驟S503中，檢測設備120根據所述輸入光點的光點屬性信息,基于所述預定的光點屬性-距離樣本表，確定輸入設備110相對攝像頭121的距離信息，根據所述距離信息，以及所述輸入光點在所述成像信息的二維坐標，獲取輸入設備110的三維平動位置信息。例如，檢測設備120檢測獲得該發射光源111的輸入光點后；在步驟S503中，檢測設備120根據該輸入光點的半徑r和亮度I，通過查詢預定的光點屬性樣本表，獲取發射光源111相對攝像頭121的距離Z，并結合該輸入光點的圓心在其成像信息的二維坐標，計算獲得發射光源111的三維平動位置信息。在此，按照一定距離間隔采集并存儲足夠多的r和I與Z的樣本值，以建立光點屬性-距離樣本表。對于一組待查詢的r和I,當樣本表中尚未包含相應記錄時，可以計算在該樣本表中與待查詢的r和I距離最近的一組或多組r和I樣本，并通過將其對應的一個或多個Z樣本按照樣本內插算法進行計算，獲得發射光源111相對攝像頭121的距離Z。其中,所述樣本內插算法包括但不限于最近鄰域內插法,線性加權內插法、雙三次內插法(bicubic interpolation)等任何可適用于本發明的,現有的或將來可能實現的內插算法。對于輸入光點的其他光點屬性信息，諸如輸入光點的光分布特性或其他與發射光源111的發光模式相對應的屬性等，同樣可以采用上述方法采樣建立相應的光點屬性-距離樣本表，以用于后續直接查詢該樣本表獲得距離Z，或基于該樣本表通過樣本內插算法計算獲得距離Z。優選地，配合參閱圖1-5，在本發明的一個優選實施例中，攝像頭122拍攝發射光源111的多幀圖像；檢測設備120根據所述多幀圖像，檢測每一幀圖像中發射光源111的輸入光點；隨后，檢測設備120通過多幀平均算法，根據所述輸入光點的光點屬性信息，基于預定的映射關系，獲取輸入設備110的三維位置信息。在此，檢測設備120獲取輸入設備110的三維位置信息包括但不限于以下方式:I)根據每一幀圖像中輸入光點的光點屬性信息，通過多幀平均算法，獲得平均光點屬性信息，并根據所述平均光點屬性信息，基于預定的映射關系，獲取輸入設備110的三維位置信息。例如，以當前幀為基準，向前查詢前5幀圖像中每一幀的輸入光點的亮度和圓半徑，結合當前幀的輸入光點的亮度和圓半徑，通過算術平均算法，對這6幀圖像中輸入光點的亮度和圓半徑取均值，并根據該平均亮度和平均圓半徑，基于前述擬合曲線或光點屬性樣本表，獲得當前幀所對應的輸入設備110的三維位置信息。2)根據每一巾貞圖像中輸入光點的光點屬性信息,基于預定的映射關系,獲取每一幀所對應的輸入設備110的參考三維位置信息；根據所述參考三維位置信息，通過多幀平均算法，獲得輸入設備110的三維位置信息。例如，以當前幀為基準，向前查詢5幀圖像中每一幀所對應的輸入設備110的參考三維位置信息，通過加權平均算法，如距離當前幀越近的幀，其權重越高，對這6幀圖像所對應的發射光源111的參考三維位置信息計算均值，并將該均值作為當前幀所對應的輸入設備110的三維位置信息。其中，所述多幀平均算法包括但不限于任何可適用于本發明的平均算法，諸如基于高斯分布的平均算法、算術平均算法、加權平均算法等與低通濾波算法類似的算法。本領域技術人員應能理解上述獲取發射光源的三維位置信息的方式以及多幀平均算法僅為舉例，其他現有的或今后可能出現的獲取發射光源的三維位置信息的方式或者多幀平均算法如可適用于本發明，也應包含在本發明保護范圍以內，并以引用方式包含于此。圖6為根據本發明再一個實施例的方法流程圖，示出一種用于檢測輸入設備的三維位置信息的過程。其中，輸入設備110包括一個發射光源111，檢測設備120外接一個攝像頭122。配合參閱圖1和圖6，在步驟S601中，攝像頭122拍攝發射光源111的成像信息；在步驟S6021中，檢測設備120根據所述成像信息，獲取多個候選光點；在步驟S6022中，檢測設備120按照預定篩選條件，從所述多個候選光點中確定發射光源111的輸入光點；在步驟S603中，檢測設備120根據所述輸入光點的光點屬性信息，基于預定的映射關系，獲取輸入設備110的三維位置信息。例如，在步驟S601中，攝像頭122拍攝發射光源111的圖像；在步驟S6021中，檢測設備120在該圖像中檢測到多個候選光點，如圖7所示；在步驟S6022中，檢測設備120按照預定篩選條件，從該等候選光點中確定發射光源111的輸入光點，如從候選光點中選擇圓形的光點作為該輸入光點，當圓形的候選光點仍有多個時，還可以進一步結合光點半徑和/或亮度選擇輸入光點，如僅將半徑屬于預定的有效半徑范圍的候選光點作為該輸入光點，或僅將亮度值最大的候選光點作為該輸入光點；在步驟S603中，檢測設備120根據所述輸入光點的光點屬性信息，基于預定的映射關系，獲取發射光源111的三維位置信息。優選地，所述預定篩選條件包括但不限于，以下任一項:I)所述輸入光點為指定形狀,如圓形、橢圓形；2)所述輸入光點為指定顏色，如通過諸RGB、HSV等各種顏色空間對所述成像信息進行處理獲得輸入光點的顏色；3)所述輸入光點的大小屬于預定范圍，如圓半徑屬于預定的有效半徑范圍；4)所述輸入光點的亮度值最大，如亮度值比其他光點的亮度值大；5)所述輸入光點的相應屬性與發射光源111的發光模式相符，如當發射光源111的發光模式為中心發白光，則相應輸入光點的中心為亮點。在此，本領域的技術人員應能理解，上述篩選條件僅為示例，以為簡便地闡述本發明之用，而不應理解為對本發明的任何限制，其他現有的或將來出現的篩選條件如可適用于本發明，也應當納入本發明的保護范圍。圖8為根據本發明又一個實施例的方法流程圖，示出一種用于檢測輸入設備的三維位置信息的過程。其中，輸入設備110包括多個發射光源111，檢測設備120外接一個攝像頭122。在此,多個LED光源可以有多種排列方式:圖9不出一種4個LED光源的排列方式；圖10不出一種3個LED光源的排列方式；圖11不出一種2個LED光源的排列方式。本發明中，對于多個發射光源111的情形，可以對每個發射光源111按照不同的方式進行配置，從而檢測設備120根據每個發射光源111的配置方式，如光學特性、發光模式等，有效識別出每個發射光源111所對應的輸入光點，進而可計算每個發射光源111的三維位置信息。例如，將多個發射光源111按照一定的距離和夾角進行放置，并可對每個發射光源111設定不同的光學特性或發光模式，如發不同顏色、頻率或亮度的光、加反光材料或透光材料以改變輸入光點的形狀等，從而利用多個發射光源111之間的幾何結構計算獲得輸入設備110的三維位置信息。并且，由于每個發射光源111的配置方式不同，檢測設備120可以采集更多的輸入光點的光點屬性信息，以豐富光點屬性樣本表，以及獲得更精確的擬合曲線。例如，每個發射光源111采用不同的亮度，如Ip I2和I3，則輸入設備110的夾角擬合曲線為Θ = h Ctvryr3,11,12,13),或者輸入設備110的距離擬合曲線為Z = f (Vr1,
I/r2, I/3,1，I2，I3)。如圖8所示，在步驟S801中，攝像頭122拍攝多個發射光源111的成像信息；在步驟S8021中，檢測設備120根據所述成像信息，獲取多個發射光源111所對應的輸入光點組，其中，所述輸入光點組中的每一個輸入光點對應多個發射光源111之一；在步驟S8022中，檢測設備120檢測所述輸入光點組中的一個或多個輸入光點，以用于獲取多個發射光源111中一個或多個的三維位置信息；在步驟S803中，檢測設備120根據所述一個或多個輸入光點的光點屬性信息，基于預定的映射關系，獲取多個發射光源111中一個或多個的三維位置信息；在步驟S804中，檢測設備120根據多個發射光源111中一個或多個的三維位置信息，確定輸入設備110的三維位置信息。在此，對于輸入設備110的三維位置信息，至少可從以下兩個維度來確定:I)先確定所述輸入光點組中用于計算的輸入光點，再根據該等輸入光點所對應發射光源111的三維位置信息，確定輸入設備110的三維位置信息。例如，在步驟S801中，攝像頭122拍攝全部發射光源111的成像信息；在步驟S8021中，檢測設備120根據該成像信息，獲取全部發射光源111所對應的輸入光點組，其中，該輸入光點組中的每一個輸入光點與一個發射光源111相對應；在步驟S8022中，檢測設備120根據諸如輸入光點的光點屬性信息、發射光源111之間的幾何結構等,從該輸入光點組中選擇部分輸入光點，以用于獲取該部分輸入光點所對應的發射光源111的三維位置信息；在步驟S803中，檢測設備120根據該等部分輸入光點的光點屬性信息，基于預定的映射關系，獲取該部分輸入光點所對應的部分發射光源111的三維位置信息；在步驟S804中，檢測設備120對該部分發射光源111的三維位置信息求均值，以獲得輸入設備110的三維位置信息。2)先獲取所述輸入光點組中每個輸入光點的三維位置信息，再通過對該等三維位置信息的各種計算處理，確定輸入設備110的三維位置信息。例如，在步驟S801中，攝像頭122拍攝全部發射光源111的成像信息；在步驟S8021中，檢測設備120根據該成像信息，獲取全部發射光源111所對應的輸入光點組，其中，該輸入光點組中的每一個輸入光點與一個發射光源111相對應；在步驟S8022中，檢測設備120獲取該輸入光點組中的每一個輸入光點，以用于獲取每一個輸入光點所對應的發射光源111的三維位置信息；在步驟S803中，檢測設備120根據每一個輸入光點的光點屬性信息，基于預定的映射關系，獲取每一個發射光源111的三維位置信息；在步驟S804中，檢測設備120基于發射光源111之間的幾何結構，根據每個發射光源111的三維位置信息，計算全部發射光源111所構成的幾何體的重心的三維位置信息，并將該重心的三維位置信息作為輸入設備110的三維位置信息。以圖10為例，3個LED光源LED1、LED2和LED3按照等邊三角形進行放置，該等邊三角形的邊長為L,重心坐標標記為(Xg, Yg, Zg),三維轉動位置信息標記為(α，β , γ ) DLED1、LED2和LED3的輸入光點在其成像中的圓心坐標分別為(x1; Y1)、(x2, y2)和(x3，y3)，根據公式 Z = f (1/r, I)，以及 X = X ( λ -Ζ) / λ，Y = y ( λ -Ζ) / λ，分別計算獲得 LEDl、LED2和 LED3 的三維平動位置信息(X1, Y1, Z1)、(X2, Y2, Z2)和(X3, Y3, Z3)。根據 LEDU LED2 和LED3的成像中該等邊三角形的重心點與LEDl的連線的角度變化計算該等邊三角形的自
轉角度 Y，通過公式
權利要求
1.一種用于檢測輸入設備的三維位置信息的方法，其中，所述輸入設備包括至少一個發射光源； 其中，該方法包括以下步驟: a由一個攝像頭拍攝所述發射光源的成像信息； b根據所述成像信息，檢測所述發射光源的輸入光點； c根據所述輸入光點的光點屬性信息，基于預定的映射關系，獲取所述輸入設備的三維位置信息。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述三維位置信息包括所述輸入設備的三維轉動位置信息。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中，所述步驟c包括: -根據所述輸入光點的光點屬性信息，基于預定的擬合曲線，獲取所述輸入設備的三維位置信息。
4.根據權利要求3所述 的方法，其中，所述輸入設備的三維位置信息包括所述輸入設備的三維平動位置信息，所述預定的擬合曲線包括預定的距離擬合曲線； 其中，所述步驟c包括: -根據所述輸入光點的光點屬性信息，基于所述預定的距離擬合曲線，確定所述輸入設備相對所述攝像頭的距離信息； -根據所述距離信息，以及所述輸入光點在所述成像信息的二維坐標，獲取所述輸入設備的三維平動位置信息。
5.根據權利要求1或2所述的方法，其中，所述步驟c包括: -根據所述輸入光點的光點屬性信息，通過查詢預定的光點屬性樣本表，獲取所述輸入設備的三維位置信息。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，所述步驟c包括: -根據所述輸入光點的光點屬性信息，查詢預定的光點屬性樣本表，并通過樣本內插算法，獲得所述輸入設備的三維位置信息。
7.根據權利要求5所述的方法，其中，所述輸入設備的三維位置信息包括所述輸入設備的三維平動位置信息，所述預定的光點屬性樣本表包括預定的光點屬性-距離樣本表； 其中，所述步驟c包括: cl根據所述輸入光點的光點屬性信息，基于所述預定的光點屬性-距離樣本表，確定所述輸入設備相對所述攝像頭的距離信息； -根據所述距離信息，以及所述輸入光點在所述成像信息的二維坐標，獲取所述輸入設備的三維平動位置信息。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，所述步驟Cl包括: -根據所述輸入光點的光點屬性信息，基于所述預定的光點屬性-距離樣本表，通過樣本內插算法，確定所述距離信息。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的方法，其中，所述成像信息包括所述發射光源的多幀圖像； 其中，所述步驟c包括: -通過多幀平均算法，根據所述輸入光點的光點屬性信息，基于預定的映射關系，獲取所述輸入設備的三維位置信息。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，所述步驟C包括: -根據所述多幀圖像的每一個中所述輸入光點的光點屬性信息，通過多幀平均算法，獲得平均光點屬性信息； -根據所述平均光點屬性信息，基于預定的映射關系，獲取所述輸入設備的三維位置信肩
11.根據權利要求9所述的方法，其中，所述步驟C包括: -根據所述多幀圖像的每一個中所述輸入光點的光點屬性信息，基于預定的映射關系，獲取所述多幀圖像中每一個所對應的所述輸入設備的參考三維位置信息； -根據所述參考三維位置信息，通過多幀平均算法，獲得所述輸入設備的三維位置信 肩、O
12.根據權利要求1至11中任一項所述的方法，其中，所述成像信息包括所述發射光源在同一時刻的至少兩個圖像，其中，所述至少兩個圖像中的每一個分別屬于不同的分辨率等級； 其中，所述步驟b包括: -根據所述至少兩個圖像中屬于相對低分辨率等級的圖像，獲取所述輸入光點所對應的候選區域； -根據所述至少兩個圖像中屬于相對高分辨率等級的圖像中的所述候選區域，獲取所述輸入光點。
13.根據權利要求1至12中任一項所述的方法，其中，所述步驟b包括: -根據所述成像信息，獲取多個候選光點； -按照預定篩選條件，從所述多個候選光點中確定所述輸入光點。
14.根據權利要求13所述的方法，其中，所述預定篩選條件包括以下至少任一項: -所述輸入光點為指定形狀； -所述輸入光點為指定顏色； -所述輸入光點的大小屬于預定范圍； -所述輸入光點的亮度值最大； -所述輸入光點的相應屬性與所述發射光源的發光模式相符。
15.根據權利要求1至14中任一項所述的方法,其中,所述輸入光點的光點屬性信息包括以下至少任一項: -所述輸入光點的形狀； -所述輸入光點的大?。? -所述輸入光點的亮度； -所述輸入光點的光分布特性； -與所述發射光源的發光模式相對應的屬性。
16.根據權利要求1至15中任一項所述的方法,其中，所述輸入設備包括多個發射光源； 其中，所述步驟b包括: -根據所述成像信息，獲取所述多個發射光源所對應的輸入光點組，其中，所述輸入光點組中的每一個輸入光點對應所述多個發射光源之一； -檢測所述輸入光點組中的一個或多個輸入光點，以用于獲取所述多個發射光源中一個或多個的三維位置信息； 其中，在所述步驟C之后，該方法還包括: -根據所述多個發射光源中一個或多個的三維位置信息，確定所述輸入設備的三維位置信息。
17.根據權利要求16所述的方法，其中，所述多個發射光源按照預定規則進行配置，所述預定規則包括以下至少任一項: -所述多個發射光源按照不同的光學特性進行配置； -所述多個發射光源按照不同的發光模式進行配置； -所述多個發射光源按照預定的幾何結構進行配置。
18.一種用于檢測輸入設備的三維位置信息的系統，其中，該系統包括輸入設備和檢測設備，所述輸入設備包括至少一個發射光源，所述檢測設備包括一個攝像頭和至少一個處理裝置； 所述攝像頭用于拍攝所述發 射光源的成像信息； 其中，所述處理裝置用于: -根據所述成像信息，檢測所述發射光源的輸入光點； -根據所述輸入光點的光點屬性信息，基于預定的映射關系，獲取所述輸入設備的三維位置信息。
19.根據權利要求18所述的系統，其中，所述輸入設備包括多個發射光源； 其中，所述檢測所述發射光源的輸入光點的操作包括: -根據所述成像信息，獲取所述多個發射光源所對應的輸入光點組，其中，所述輸入光點組中的每一個輸入光點對應所述多個發射光源之一； -檢測所述輸入光點組中的一個或多個輸入光點，以用于獲取所述多個發射光源中一個或多個的三維位置信息； 其中，所述處理裝置還用于: -根據所述多個發射光源中一個或多個的三維位置信息，確定所述輸入設備的三維位置信息。
全文摘要
本發明的目的是提供一種用于檢測輸入設備的三維位置信息的方法與系統。其中，所述輸入設備包括至少一個發射光源；由一個攝像頭拍攝所述發射光源的成像信息；根據所述成像信息，檢測所述發射光源的輸入光點；根據所述輸入光點的光點屬性信息，基于預定的映射關系，獲取所述輸入設備的三維位置信息。與現有技術相比，本發明僅通過一個攝像頭拍攝發射光源的成像信息，進而獲取該發射光源所屬輸入設備的三維位置信息，降低了系統的硬件成本和計算復雜度。
文檔編號G06F3/0346GK103197773SQ201210004658
公開日2013年7月10日 申請日期2012年1月9日 優先權日2012年1月9日
發明者李東舸, 王瑋 申請人:西安智意能電子科技有限公司