一种视觉定位装置及基于该装置的三维测绘系统及方法技术领域
本发明涉及一种视觉定位装置，特别涉及一种基于该视觉定位装置
的三维空间的测绘系统及方法。
背景技术
通常，在计算机视觉领域，尤其是虚拟现实领域中，通过对环境中
标识点的图像进行处理分析并定位出移动目标的坐标信息和姿态信息。
目前主要采用的标识点均为主动信号点，且所需主动信号点数量较
大，导致成本较高，有如果用于较大空间的定位则需要大量的这种有源
主动标识点。当前的实景测绘大多采用三维测绘车按照预定路线进行拍
摄图像以及图像重构，且获得图像对应的位置点比较单一以及图像更新
慢等缺点。
基于上述现有技术的不足之处，因此需要开发出一种结构简单、布
置方便、多点拍摄以及更新速度快的三维测绘系统及方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种视觉定位装置，包括红外摄像头、可见
光摄像头和信号收发模块。所述红外摄像头用于连续获取包含多个位置
标识点的红外图像。所述可见光摄像头用于拍摄当前环境的实景图像，
并与所述红外摄像头拍摄范围一致且同步拍摄。所述信号收发模块用于
接收来自外部发出的地理位置信号，并将所述地理位置信号、所拍摄的
所述红外图像和所述实景图像发送至远端服务器，并接收发自远端服务
器处理后的三维模型数据并依据该数据重构出三维模型。
优选地，所述位置标识点为多个红外光源点。
优选地，还包括用于向环境中发出红外光线的红外光源，且所述位
置标识点由红外高反光材料制成的标识点。
优选地，所述位置标识点由金属粉制成。
优选地，所述位置标识点为可粘贴或可热熔的薄片状结构。
优选地，所述红外摄像头和所述可见光摄像头均为广角摄像头。
一种至少含有一个上述视觉定位装置的三维测绘系统，该系统还包
括有多个位置标识点、多个主动信号点、图像处理服务器；其中，所述
位置标识点，等间距布置在需要定位的平面上；所述主动信号点，用于
将自身的坐标位置信号主动发送至所述视觉定位装置。
所述图像处理服务器用于缓存所述实景图像、红外图像及其对应的
绝对位置信息和存储重构获得的三维模型；所述图像处理服务器通过连
续获取所述红外图像中至少3个且不在一条直线上的所述位置标识点之
间的位置关系，比较相邻位置标识点的位置关系来得出所述视觉定位装
置的相对位置和相对姿态的连续变化，从而实现所述视觉定位装置的精
确位置定位，进一步结合精确位置定位选取对应所述实景图像并重构出
三维模型并以广播形式发送至所述至少一个视觉定位装置。
优选地，所述位置标识点之间的位置关系包括所述位置标识点之间
的距离、所述位置标识点连线的夹角以及所包围的面积。
优选地，所述视觉定位装置至少同时能够接受到3个主动标识点发
出的位置信号。
此外还公开了一种基于视觉定位的三维测绘方法，其包括以下步骤：
a)所述视觉定位装置拍摄第一红外图像和第一实景图像，并根据主
动信号点发出的信息确定视觉定位装置的绝对位置信息，同时将第一红
外图像和第一实景图像以及视觉定位装置的绝对位置信息传输至图像处
理服务器中图像存储单元保存，且记录下第一拍摄时间。
b)图像处理单元判断所述第一红外图像中的位置标识点是否至少
为3个且不在同一直线上，若是，则选择其中一组或若干组不在同一直
线上的至少3个点构造第一族多边形，然后进入步骤c)，否则返回步骤
a)；
c)所述视觉定位装置拍摄第二红外图像和第二实景图像，并存储第
二红外图像、第二实景图像，同时记录下第二拍摄时间；
d)判断所述第二红外图像中的红外标识点是否多于3个且不在同一
直线上，若是，则选择其中一组或若干组不在同一直线上的至少3个点
构造第二族多边形，然后进入步骤e)，否则返回步骤c)；
e)计算所述第一族多边形和所述第二族多边形之间的相对位移和/
或形状变化，得到所述移动目标在第二拍摄时间下相对于第一拍摄时间
的相对位移和姿态信息，并结合所述绝对位置信息实现精确定位；
f)根据精确定位信息从图像存储单元中获取对应的实景图像及其周
边重叠的实景图像进行三维模型重构并以广播形式发送到至少一个所述
视觉定位装置。
综上所述，本发明一种视觉定位装置及基于该装置的三维测绘系统
及方法具有结构简单、无需供电、使用方便、精度高等优点。应当理解，
前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用
作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实
施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出本发明视觉定位系统的应用示意图；
图2示意性示出本发明视觉定位系统的系统框架图；
图3示意性示出本发明视觉定位方法的图像处理分析图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目
的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示
范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是
帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附
图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
图1和图2分别示出了根据本发明一种基于视觉定位的三维测绘系
统100的应用示意图和系统框架图。本发明的三维测绘系统100包括视
觉定位装置101、位置标识点102、主动信号点103、图像处理服务器104。
视觉定位装置101，主要由红外摄像头101a、可见光摄像头101c和
信号收发模块101d组成。本发明的三维测绘系统100至少包括一个所述
视觉定位装置101。
红外摄像头101a，优选采用广角摄像头，其数量为1个或2个，用
于连续拍摄外部位置标识点102的反光照片，并将拍摄的红外图像传输
至图像处理服务器。
红外摄像头101a，，用于拍摄当前场景的图像，且与红外摄像头101a
同步拍摄图像。可见光摄像头101c与红外摄像头101a并列布置在一起，
两者的拍摄区域应一致。可见光摄像头101c拍摄的实景图像同样也是传
输至图像处理服务器。
信号收发模块101d，用于接收外部的主动信号点103发出的其自身
的绝对位置信息，从而可以记录下拍摄图像时对应红外摄像头101a或可
见光摄像头101c的绝对位置信息。同样也可以向外发出数据信息，例如
向服务器端连续或间隔发送由红外摄像头101a和红外摄像头101a所拍
摄的图像。同时信号收发模块101d还可以接收发自远端服务器处理后的
三维模型数据并依据该数据重构出三维模型。
优选地，本发明视觉定位装置101还包括有红外光源101b，红外光
源101b用于发出红外光线，所述红外光线照射至位置标识点102并发生
反射，红外光线的照射范围应该覆盖红外摄像头101a的拍摄区域。
位置标识点102，由红外高反光材料制成，例如金属粉(反光率可达
80～90％)，该标识点一般制作成可粘贴或可热熔的薄片状结构并粘贴或
融合在需要定位的地方，用于反射由红外光源101b发出的红外光线，从
而被红外摄像头101a拍摄捕捉到并在图像中显示为光斑。根据所述图像
中光斑的位置关系来确定红外摄像头101a相对于标识点102的连续相对
位置变化和姿态变化。此外位置标识点102也可以为主动发光的红外光
源点，例如红外LED灯。
多个位置标识点102在定位空间内排列成等间距的网格状，例如等
间距的方形网格或正三角形网格(如图3所示)。所述标识点102为无源
位置标识点，即标识点102本身没有具体坐标信息。如果用于室内定位
的话，所述标识点102可以粘贴在室内的地板或墙面、或与地板和墙面
融为一体，例如粘贴或融合在每块地板四边的交点处或直接嵌入地板表
面；如果用于室外定位的话，则可以铺设在外部的马路上或与马路上的
斑马线融为一体以及其他需要定位的地方。
主动信号点103，用于向视觉定位装置101提供绝对位置信息，由于
本发明的位置标识点102主要用于获取相对位置的变化，因此本发明还
应包括若干个主动信号点103，每个主动信号点103具有绝对的坐标信息
并且主动将绝对位置信号发送至信号收发模块101d，从而实现视觉定位
装置101的绝对定位。主动信号点103用于大范围的绝对定位，而位置
标识点102用于局部小范围的精确相对定位以及获取姿态信息，利用大
范围的绝对定位和小范围的相对定位可以实现快速精确定位的目的。
主动信号点103的数量不需要很多，只要满足视觉定位装置101能
够同时接收到3个所述主动信号点103发出的信号即可，主动信号点104
一般布置在楼宇建筑的顶端边沿或广告牌等地方，用于连续发射位置信
号，用于校准视觉定位装置101的绝对位置信息，防止出现较大的误差。
使用者通过戴上集成有本发明视觉定位装置101的头戴显示设备即可将
自己处于虚拟环境中，通过主动信号点104和多个标识点102进行精确
定位，从而可以实现虚拟现实的目的。
图像处理服务器104，包括图像存储单元104a和图像处理单元104b。
图像存储单元104a用于缓存由红外摄像头101a和可见光摄像头
101c所拍摄的红外图像和实景图像及其定位信息和存储重构获得的三维
模型。使用者通过其佩戴的具有本发明三维测绘系统的可穿戴显示设备
拍摄了大量实景图像，使用者越多获得实景图像就越多，大量的实景图
像提供了三维模型重构所需的图像。
图像处理单元104b根据红外图像中位置标识点102的位置关系来确
定视觉定位装置101的相对位置变化以及结合主动信号点103的绝对位
置信息实现对视觉定位装置101的精确定位，并将该精确定位信息保存
至与红外图像同步拍摄的实景图像的对应记录中；同时根据视觉定位装
置101的精确定位信息选取相关实景图像进行三维模型的重构，该三维
模型通过广播形式发送至需要显示该三维模型的终端显示设备，且此时
所述相关实景图像可以直接删除或保留一段时间后再删除。
图像处理单元104b通过分析红外图像中位置标识点102的反光位
置，从而确定红外摄像头101a相对于图像中位置标识点102的相对位置
以及姿态信息。如果多个位置标识点102呈现方格或正三角网格布置，
则红外图像中应至少包含3个且不在一条直线上的位置标识点102，进一
步获取位置标识点102之间的位置关系，从而实现相对定位的需求；如
果存在冗余的位置标识点102则可用于校验定位的准确性，从而能够提
高视觉定位的精度。
红外图像中多个标识点102之间通过连线形成多族三角形或四边形，
如图3(a)和图3(b)所示，图像处理单元104b通过分析其中一族三角形或
四边形的位置关系(例如角度、边长和面积)即可确定红外摄像头101a
的相对位置以及姿态信息，例如四边形为方形，即表明红外摄像头101a
正对着位置标识点102所在的平面，如果四边形不为方形，即表明红外
摄像头101a与位置标识点102所在的平面存在一定的拍摄角度，进一步
通过图像处理得到四边形的边长、角度或面积，从而计算出红外摄像头
101a相对于位置标识点102的连续相对位置关系和姿态信息。
图像处理单元104b对实景图像的三维重构处理包括如下步骤：
1)获取当前视觉定位装置101的精确位置，该精确位置包括视觉定
位装置101的绝对位置和姿态信息；
2)根据1)中精确定位信息获取对应的实景图像及其周边重叠的实
景图像；
3)对多幅重叠的实景图像进行三维重构，从而获得三维实景图像；
4)将重构的三维实景图像传输至终端显示设备105。
根据以上内容可以得出一种基于视觉定位的三维测绘方法，具体地，
通过获取设有本发明视觉定位装置101的移动目标当前的绝对位置和姿
态信息，进一步重构出当前位置的三维模型并显示在相应的终端显示设
备105中，包括如下步骤：
a)所述视觉定位装置101拍摄第一红外图像和第一实景图像，并根
据主动信号点103发出的信息确定视觉定位装置101的绝对位置信息，
同时将第一红外图像和第一实景图像以及视觉定位装置101的绝对位置
信息传输至图像处理服务器104中图像存储单元104a保存，且记录下第
一拍摄时间。
b)图像处理单元104b判断所述第一红外图像中的位置标识点102
是否至少为3个且不在同一直线上，若是，则选择其中一组或若干组不
在同一直线上的至少3个点构造第一族多边形，然后进入步骤c)，否则
返回步骤a)；
c)所述视觉定位装置101拍摄第二红外图像和第二实景图像，并存
储第二红外图像、第二实景图像，同时记录下第二拍摄时间；
d)判断所述第二红外图像中的红外标识点102是否多于3个且不在
同一直线上，若是，则选择其中一组或若干组不在同一直线上的至少3
个点构造第二族多边形，然后进入步骤e)，否则返回步骤c)；
e)计算所述第一族多边形和所述第二族多边形之间的相对位移和/
或形状变化，得到所述移动目标在第二拍摄时间下相对于第一拍摄时间
的相对位移和姿态信息，并结合绝对位置信息实现精确定位；
f)根据精确定位信息从图像存储单元104a中获取对应的实景图像
及其周边重叠的实景图像进行三维模型重构并以广播形式发送到至少一
个所述视觉定位装置101或其他终端显示设备105。
本发明一种基于视觉定位的三维测绘系统及方法的应用领域广泛，
例如智能机器人、头戴显示设备、导盲或导航等领域，当用于头戴显示
设备时，本发明的视觉定位装置101通常与头戴显示设备集成为一体，
使用者戴上集成有本发明视觉定位装置101的头戴显示设备后，则可以
定位出使用者的精确位置，并将重构的三维模型显示在头戴显示设备的
屏幕上，使用者通过该头戴显示设备即可进入虚拟现实的世界中。
综上所述，本发明一种基于视觉定位的三维测绘系统及方法可实现
精确定位以及三维模型重构，主动信号点103与位置标识点102相结合
的方式也大大降低了所需主动信号点103数量，此外红外高反光材料制
成位置标识点102具有结构简单、无需供电、使用方便、成本低、无延
迟、定位精度高等优点。
所述附图仅为示意性的并且未按比例画出。虽然已经结合优选实施
例对本发明进行了描述，但应当理解本发明的保护范围并不局限于这里
所描述的实施例。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本
领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性
的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。