一种用于定位的装置的制作方法

[0001]
本实用新型涉及一种用于定位的装置(在下文中也称为“定位装置”)。


背景技术：

[0002]
本部分的陈述仅仅是为了提供与本申请的技术方案有关的背景信息，以帮助理解，其对于本申请的技术方案而言并不一定构成现有技术。
[0003]
在日常生活中，人们经常使用带编码信息的图形来传递信息，带编码信息的图形例如可以是二维码(例如qr码、小程序码)、条形码等，这些图形所传递的信息可以被智能设备(例如手机、智能眼镜等)扫描识别。在某些情况下，当用户使用智能设备识别带编码信息的图形时，还希望基于该图形的成像获得智能设备相对于该图形的位置和姿态信息(可以统称为位姿信息)，以实现一些基于设备位姿信息的应用，例如，增强现实(ar)应用、导航应用等。例如，在一些增强现实或虚拟现实应用中会利用ar marker来确定智能设备在空间中的位置和姿态。
[0004]
然而，基于现有的带编码信息的图形并不能提供比较精确的设备位姿信息。特别是，当设备距离图形较远时，图形的成像像素数量会减少，使得基于其的定位结果变得不稳定或者存在较大误差，从而无法比较精确地确定设备的位置和姿态。


技术实现要素：

[0005]
本实用新型的一个方面涉及一种用于定位的装置，包括：图形呈现部分，其用于呈现带编码信息的图形；用于定位的至少一个凸出标志，其至少部分位于所述图形所位于的平面之外，其中，所述凸出标志与所述图形在空间中具有预定的相对位置关系。
[0006]
可选地，其中，所述图形呈现部分具有图形位置固定器件，用于将所述图形固定到预定位置。
[0007]
可选地，其中，所述图形是二维码或条形码，或者所述图形中包含二维码或条形码。
[0008]
可选地，其中，所述图形中具有一个或多个特征标志。
[0009]
可选地，其中，所述图形呈现部分用于承载打印出的所述图形；或者所述图形呈现部分上印刷了所述图形；或者所述图形呈现部分是用于显示所述图形的显示屏。
[0010]
可选地，所述装置还包括：用于为所述图形提供照明的照明器件。
[0011]
通过本实用新型的方案，提供了一种能够实现良好定位精度的定位装置以及相应的定位方法，其减轻了传统定位方案的误差，提高了定位精度，并能够改善增强现实、虚拟现实、导航等应用的用户使用体验。
附图说明
[0012]
以下参照附图对本实用新型的实施例作进一步说明，其中：
[0013]
图1示出了根据本申请的一个实施例的定位装置；
[0014]
图2示出了一个示例性的装置，其上的空间点不具有深度差；
[0015]
图3示出了当使用设备在左侧拍摄图2所示的装置时所获得的成像；
[0016]
图4示出了当使用设备在右侧拍摄图2所示的装置时所获得的成像；
[0017]
图5示出了一个示例性的装置，其上的空间点具有深度差；
[0018]
图6示出了当使用设备在左侧拍摄图5所示的装置时所获得的成像；
[0019]
图7示出了当使用设备在右侧拍摄图5所示的装置时所获得的成像；
[0020]
图8示出了根据一个实施例的定位装置实现的相对定位方法；
[0021]
图9示出了根据本申请的另一个实施例的定位装置。
具体实施方式
[0022]
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
[0023]
在本申请中，带编码信息的图形可以是任何能够向外传递编码信息的图形，其例如可以是二维码(例如qr码、小程序码)、条形码等，也可以是其中包含了二维码、条形码等的图形。
[0024]
图1示出了根据本申请的一个实施例的定位装置100，该定位装置100包括图形呈现部分101和凸出标志102，其中，图形呈现部分101用于呈现带编码信息的图形103，凸出标志102位于图形103所确定的平面之外。该凸出标志102与图形103具有在空间中的预定的相对位置关系。凸出标志102与图形103之间的相对位置关系例如可以包括如下中的一项或多项：凸出标志102与图形103的相对方向；凸出标志102与图形103的四条边中一条或多条边的距离；凸出标志102与图形103的平面之间的距离或深度差；凸出标志102与图形103中的一个或多个特定位置(例如，四个角中的一个或多个角、中心点、等等)的相对方向和距离；或者它们的组合。
[0025]
图形呈现部分101和带编码信息的图形103可以具有各种形式。在一个实施例中，带编码信息的图形103可以是打印的纸质图形或者通过例如3d打印方式打印的其他材质的图形，并且图形呈现部分101可以用于承载该打印出的图形。例如，可以将打印出的图形通过粘贴、夹持等方式固定到图形呈现部分101。在一个实施例中，图形呈现部分101包括两层玻璃板或者透明塑料板，并可以将打印出的图形夹持在两层玻璃板或者透明塑料板之间。
[0026]
在一个实施例中，图形呈现部分可以具有图形位置固定器件，用于将图形固定到预定的位置。该图形位置固定器件例如可以是夹持器、卡槽、卡扣等器件。
[0027]
在一个实施例中，可以直接在图形呈现部分101上印刷带编码信息的图形103。在一个实施例中，图形呈现部分101可以是一个显示屏，并可以在其上显示带编码信息的图形103。
[0028]
凸出标志102可以采用各种形式、形状或颜色。在一个实施例中，凸出标志102可以是灯，例如led灯。在一个实施例中，凸出标志102可以是反光贴。在一个实施例中，凸出标志102可以是具有特定形状或颜色的标志物。凸出标志102的形状可以是圆形、球形、矩形、三角形等规则形状，也可以是任何不规则形状，例如，由字母、汉字、商标等构成的标志。在一个实施例中，在定位装置100中可以布置两个或两个以上凸出标志物，这些凸出标志物可以
具有相同或不同的深度。
[0029]
在一个实施例中，为了实现对凸出标志102的准确识别，可以将凸出标志102的大小设置为大于或等于图形103中的最小编码单元的大小。在一个实施例中，为了实现对凸出标志102的准确识别，可以设置凸出标志102的大小，以使得在常用识别距离下，凸出标志102成像至少大于例如10*10个像素。在使用具有4k分辨率(2160*3840)的成像设备的情况下，当常用识别距离为10米时，2/3厘米的线段的成像约为2个像素，这时需要凸出标志的最小尺寸可以为10/3厘米*10/3厘米。当常用识别距离为50米时(例如，针对某些室外定位场景)，则凸出标志的最小尺寸可以为50/3厘米*50/3厘米。当常用识别距离为1.5米时(例如，针对某些室内定位场景)，则凸出标志的最小尺寸可以为0.5厘米*0.5厘米。
[0030]
在一个实施例中，凸出标志102例如可以通过固定器件被固定到预定位置，例如被固定到图形呈现部分101，或者被固定到其他基座或者物体上。在一个实施例中，凸出标志102可以形成在图形103所在的平面中、但至少一部分凸出到图形103所在的平面之外，也即，凸出标志102的一部分可以与图形103所在的平面相交。
[0031]
可以理解，图1所示的定位装置100仅仅作为示例，其可以具有各种变型，例如，其可以被固定到墙壁而不需要使用支架。在图1中将凸出标志102示出为位于图形呈现部分101的上部中间部分，但这并非限制，凸出标志102实际上可以位于定位装置100上的任何地方，只要其位于图形103所确定的平面之外即可。例如，凸出标志102可以位于图形呈现部分101的上部左侧部分、上部右侧部分、下部中间部分、下部左侧部分、下部右侧部分等。在一个实施例中，凸出标志102到图形103所确定的平面的垂足可以位于图形103内部，例如，该垂足可以位于图形103的中心，只要凸出标志102不影响设备对图形103的识别即可。
[0032]
可以理解，图1所示的图形103仅仅用作示例，其可以是任何其他能够用于传递编码信息的图形，并且其形状例如可以是正方形、矩形、圆形、或者其他规则或不规则形状。在一个实施例中，用于传递编码信息的图形中可以具有一个或多个特征标志，该一个或多个特征标志能够确定一个平面。特征标志例如可以是点、线、小图标等。在一个实施例中，特征标志可以是图形的角或外框。凸出标志与图形在空间中的相对位置关系可以是凸出标志与图形中的一个或多个特征标志在空间中的相对位置关系。
[0033]
在一个实施例中，定位装置100中可以包括用于给图形103提供照明的照明器件，以使得即使在没有外部光源的情况下也可以由设备识别图形103。在一个实施例中，图形103可以由反光贴或者反光膜形成，以使得在没有足够环境照明的情况下可以通过设备自带光源(例如手机闪光灯)提供的照明对图形103进行信息识别。
[0034]
根据不同的应用场景，图形103所确定的平面与凸出标志102之间的垂直距离或者深度差可以具有不同的取值。通常情况下，如果所需的定位范围比较大(例如，需要在定位装置周围比较大的范围内实现相对定位)，则需要比较大的深度差；如果成像设备的分辨率比较低，则需要比较大的深度差。相反，如果所需的定位范围比较小和/或成像设备的分辨率比较高，则比较小的深度差就可以满足需要。理论上，与深度差对应的距离的成像通常需要大于等于两个像素。假设成像设备的分辨率为r，定位所需的最远距离为d，则最小的深度差为：以分辨率r成像，与2个像素对应的在距离d处的实际物体长度。更为具体地，假设成像设备的分辨率为r＝rx*ry，成像器的大小为l*w，在成像设备坐标系下，成像设备的x方向焦距为fx，y方向焦距为fy，定位所需的最远距离为d，物体的尺寸为x*y，物体的成像尺寸为u*
v(以上尺寸x,y,u,v均为物体在相机坐标系下的x轴和y轴的投影尺寸)。可以得到如下公式：
[0035]
fx/d＝u*(l/rx)/x
[0036]
fy/d＝v*(w/ry)/y
[0037]
令u＝v＝2个像素,
[0038]
x_min＝2*l*d/(fx*rx)
[0039]
y_min＝2*w*d/(fy*ry)
[0040]
则可以取x_min和y_min两者的最小值作为深度差的最小值depth_min，也即，depth_min＝min(x_min,y_min)。
[0041]
例如，在使用具有4k分辨率(2160*3840)的成像设备的情况下，当识别距离为10米时，2/3厘米的线段的成像约为2个像素，所以，最小的深度差需要为2/3厘米。如果识别距离变为50米(例如，针对某些室外定位场景)，则最小的深度差需要为10/3厘米。而如果识别距离变为1.5米(例如，针对某些室内定位场景)，则最小的深度差需要为0.1厘米。
[0042]
在一些实施例中，优选地，图形103所确定的平面与凸出标志102之间的距离或深度差为至少0.1厘米、至少0.2厘米、至少0.5厘米、至少0.8厘米、至少1厘米、或者至少1.5厘米、等等。
[0043]
下文描述使用根据一个实施例的定位装置实现的相对定位方法，该相对定位方法用于确定设备相对于定位装置的位置信息和/或姿态信息。位置信息和姿态信息可以统称为“位姿信息”。需要说明的是，根据应用场景的不同需要，在某些情况下可能并不需要获得设备的位置信息和姿态信息两者，而是可以仅仅获得其中一者，例如仅获得设备的位置信息。
[0044]
在一个实施例中，为了获得设备相对于定位装置的位置和/或姿态，可以根据定位装置建立一个坐标系，该坐标系可以被称为定位装置坐标系。定位装置上的图形中具有一些特征标志，这些特征标志例如可以是图形中的任意位置处的点，只要这些特征标志能够被识别出即可。在一个实施例中，图形中的特征标志可以是图形的角。在一个实施例中，图形中的特征标志可以是位于图形中的特定位置处的具有固定外观的点，例如qr码中的三个定位点。图形中的特征标志和定位装置的凸出标志可以构成在定位装置坐标系中的一些空间点，并且可以具有在该坐标系中的相应坐标。在使用设备拍摄了包含定位装置的图像后，可以例如根据定位装置和图形的物理结构特征或几何结构特征，在图像中找到与这些空间点分别对应的像点，并确定各个像点在图像中的成像位置。根据各个空间点在坐标系中的坐标以及对应的各个像点在图像中的成像位置，可选地结合相机的内参信息，可以计算得到拍摄该图像时设备在坐标系中的位姿信息(r，t)，其中r为旋转矩阵，其表示相机在坐标系中的姿态信息，t为位移向量，其表示相机在坐标系中的位置信息。计算r、t的方法在现有技术中是已知的，例如，可以利用3d-2d的pnp(perspective-n-point)方法来计算r、t，为了不模糊本实用新型，在此不再详细介绍。
[0045]
在计算设备的位姿信息(r，t)时，需要准确地确定与各个空间点对应的各个像点在图像上的位置，然而如果这些空间点都位于同一平面的话，这可能是有挑战的。图2示出了一个示例性的装置，其上的空间点不具有深度差。具体地，该装置包括五个由实心黑色原点表示的空间点p1、p2、p3、p4、p5，并且这五个空间点位于同一平面。在这五个空间点中，四
个空间点p1、p2、p3、p4构成一个矩形形状，并且空间点p5位于矩形的中心位置。图3示出了当使用设备在左侧拍摄图2所示的装置时所获得的成像，图4示出了当使用设备在右侧拍摄图2所示的装置时所获得的成像。可以看出，装置的成像存在相应的透视变形，具体地，根据视觉成像中“近大远小”原则，当使用设备在左侧拍摄装置时，空间点p1和p2之间的距离要比空间点p3和p4之间的距离大；相反，当使用设备在右侧拍摄装置时，空间点p1和p2之间的距离要比空间点p3和p4之间的距离小。根据装置的空间点p1、p2、p3、p4、p5在物理世界坐标系中的坐标以及这些空间点的成像位置，可以通过使用例如pnp(perspective-n-point)方法来计算出设备在物理世界坐标系中的位姿信息。然而，在很多情况下，在确定空间点的成像位置时会存在一些误差，从而导致所计算的设备的位姿信息存在误差，这些误差在设备距离装置比较远时变得更加明显。例如，当装置距离设备比较远时，其成像很小，此时，空间点p1和p2之间的距离或者空间点p3和p4之间的距离所占的像素很少(例如：小于几十个像素)，并且这两个距离之间的像素差更小(例如：仅相差1-3个像素)，同时由于图像处理的误差(例如，图像处理的像素误差可能为1-2个像素)，使得难于准确地确定上述两个距离之间的差，相应地，也就难于准确地确定设备的位姿信息。
[0046]
图5示出了一个示例性的装置，其与图2所示的装置类似，但是将中心位置处的空间点p5移动到或者凸出到另外四个空间点p1、p2、p3、p4所在的平面之外。如此，当将图5所示的装置以图2所示的方式放置，并使用设备在左侧或右侧拍摄该装置时，可以获得不同的成像效果。图6示出了当使用设备在左侧拍摄该装置时所获得的成像，图7示出了当使用设备在右侧拍摄该装置时所获得的成像，图6和图7中的虚线圆表示在移动空间点p5之前该空间点p5的成像位置，也即，图2所示的装置中的空间点p5的成像位置。从图6和图7可以看出，由于空间点p5凸出于另外四个空间点p1、p2、p3、p4所在的平面之外，因此，当在不同位置处使用设备拍摄装置时，该装置的空间点p5的成像位置相对于空间点p1、p2、p3、p4的成像位置会发生很明显的变化，通过对该变化的进一步分析有助于减轻或消除所计算的设备的位姿信息中的误差。图6和图7分别示出了使用设备在左侧和右侧拍摄装置时所获得的成像，本领域技术人员可以理解，在其他方向使用设备拍摄时也会观察到类似的效果。
[0047]
图8示出了根据一个实施例的定位装置实现的相对定位方法，其通过分析设备所拍摄的包含定位装置的图像，来确定设备相对于定位装置的位置信息和/或姿态信息。定位装置包括图形呈现部分和至少一个凸出标志，其中，图形呈现部分用于呈现带编码信息的图形，凸出标志位于图形所确定的平面之外，并且，该凸出标志与图形具有预定的相对位置关系。该方法可以由拍摄图像的设备(例如手机、智能眼镜等)执行，但也可以由其他设备(例如服务器)来执行，或者可以由拍摄图像的设备和其他设备配合执行。例如，拍摄图像的设备可以将其所拍摄的包含定位装置的图像发送给服务器，之后，服务器可以分析该图像以确定设备相对于定位装置的位置，如此，可以简化在设备处的软件部署或者计算能力部署。图8所示的方法可以包括如下步骤：
[0048]
步骤801：获得由设备拍摄的包含定位装置的图像。
[0049]
本文中提到的设备可以是用户携带或控制的设备(例如，手机、平板电脑、智能眼镜、智能头盔、智能手表、等等)，但是可以理解，该设备也可以是能够自主移动的机器，例如，无人机、无人驾驶汽车、机器人等，该设备上安装有图像采集器件，例如摄像头。
[0050]
设备所拍摄的图像中包括由定位装置呈现的图形的成像以及定位装置中的凸出
标志的成像。
[0051]
步骤802：分析所述图像以确定所述图形和所述凸出标志的成像位置信息。
[0052]
在获得了由设备拍摄的包含定位装置的图像后，可以通过分析该图像来确定图形以及凸出标志在图像上的成像位置，该成像位置例如可以由对应的像素坐标来表示。图形中可以具有一个或多个特征标志，图形的成像位置信息可以是图形中的一个或多个特征标志的成像位置信息。
[0053]
步骤803：至少部分地根据所述图形和所述凸出标志的成像位置信息以及所述图形与所述凸出标志的空间位置信息，确定在拍摄所述图像时所述设备相对于所述定位装置的位置信息和/或姿态信息。
[0054]
图形与凸出标志的空间位置信息可以是图形与凸出标志在某个坐标系(例如，定位装置坐标系、场所坐标系、世界坐标系)中的位置信息，也可以是图形与凸出标志在空间中的相对位置信息。图形的空间位置信息例如可以是整个图形的空间位置信息、图形的外框或者角点的空间位置信息、图形中的一个或多个特征标志(例如，点、线、小图标等)的空间位置信息、等等。
[0055]
可以以各种方式获得图形与凸出标志的空间位置信息。例如，在一些应用场景中(例如，在自动化工厂中)，定位装置以及其所呈现的图形具有固定的规格或型号，如此，设备或者服务器等可以预先存储或者获得图形与凸出标志的空间位置信息，或者该空间位置信息可以被预先存储或者被内嵌在定位算法中。在一些应用场景中，设备可以识别图形传递的信息，并根据该信息获得图形与凸出标志的空间位置信息。设备可以根据图形传递的信息直接获得图形与凸出标志的空间位置信息，也可以根据图形传递的信息获得定位装置或图形的其他信息(例如，标识信息、规格信息、型号信息等)，并使用该其他信息通过查询或分析来确定图形与凸出标志的空间位置信息。例如，对于本申请的图1所示的定位装置，设备可以识别图形传递的信息，并使用该信息通过查询来获得图形与凸出标志的空间位置信息。设备也可以将所识别的由图形传递的信息发送到服务器，从而使得服务器可以使用该信息通过查询来获得图形与凸出标志的空间位置信息。
[0056]
在获得了图形和凸出标志的成像位置信息以及图形与凸出标志的空间位置信息之后，可以使用本领域已知的各种方法(例如，3d-2d的pnp(perspective-n-point)方法)来确定设备相对于定位装置的位置信息和/或姿态信息。目前比较有代表性的方法包括p3p方法、iterative方法、epnp方法、dlt方法等。在一些实施例中，在获得了图形和凸出标志的成像位置信息以及图形与凸出标志的空间位置信息之后，也可以通过分析图形和凸出标志的透视变形等来确定在拍摄图像时设备相对于定位装置的位置信息和/或姿态信息。
[0057]
在一些实施例中，设备的图像采集器件可以具有相应的内参信息，图像采集器件的内参是与图像采集器件自身特性相关的参数，比如图像采集器件的焦距、像素数目等。设备可以获得在拍摄图像时其图像采集器件的内参信息，其他装置(例如服务器)也可以从设备接收该内参信息。例如，设备在向服务器上传图像时，可以同时或者另外上传其图像采集器件的内参信息。在一些实施例中，设备可以替代地向服务器上传其图像采集器件的型号信息，服务器可以根据该型号信息获得其内参信息。在确定设备相对于定位装置的位置信息和/或姿态信息时可以使用设备的图像采集器件的内参信息。
[0058]
在一个实施例中，可以识别图形传递的信息(例如，标识信息)并根据该信息获得
定位装置在空间中的位置和姿态信息，并根据定位装置在空间中的位置和姿态信息以及设备相对于定位装置的位置信息和/或姿态信息，来获得设备在空间中的位置信息和/或姿态信息。
[0059]
通过采用根据本申请的一个实施例的定位装置，由于凸出标志位于图形所在的平面之外，因此，当在不同位置处使用设备拍摄定位装置时，凸出标志的成像位置相对于图形的成像位置会发生比较明显的变化，通过分析该变化，可以减轻或消除所计算的设备的位姿信息中的误差，从而提供更为精确的设备位姿信息。
[0060]
在图1所示的定位装置100中，使用了向前凸出于图形103的平面之外的凸出标志102(也即，凸出标志102位于图形103的前方)，但可以理解，也可以使用向后凸出于图形103的平面之外的凸出标志(也即，凸出标志位于图形103的后方)来实现相同的功能和效果，只要凸出标志与图形103不处于同一平面即可。图9示出了根据本申请的另一个实施例的定位装置，其使用位于图形103后方的凸出标志104来代替图1所示的凸出标志102。
[0061]
本文中针对“各个实施例”、“一些实施例”、“一个实施例”、或“实施例”等的参考指代的是结合所述实施例所描述的特定特征、结构、或性质包括在至少一个实施例中。因此，短语“在各个实施例中”、“在一些实施例中”、“在一个实施例中”、或“在实施例中”等在整个本文中各处的出现并非必须指代相同的实施例。此外，特定特征、结构、或性质可以在一个或多个实施例中以任何合适方式组合。因此，结合一个实施例中所示出或描述的特定特征、结构或性质可以整体地或部分地与一个或多个其他实施例的特征、结构、或性质无限制地组合，只要该组合不是不符合逻辑的或不能工作。本文中出现的类似于“根据a”、“基于a”、“通过a”或“使用a”的表述意指非排他性的，也即，“根据a”可以涵盖“仅仅根据a”，也可以涵盖“根据a和b”，除非特别声明其含义为“仅仅根据a”。在本申请中为了清楚说明，以一定的顺序描述了一些示意性的操作步骤，但本领域技术人员可以理解，这些操作步骤中的每一个并非是必不可少的，其中的一些步骤可以被省略或者被其他步骤替代。这些操作步骤也并非必须以所示的方式依次执行，相反，这些操作步骤中的一些可以根据实际需要以不同的顺序执行，或者并行执行，只要新的执行方式不是不符合逻辑的或不能工作。
[0062]
由此描述了本实用新型的至少一个实施例的几个方面，可以理解，对本领域技术人员来说容易地进行各种改变、修改和改进。这种改变、修改和改进意于在本实用新型的精神和范围内。虽然本实用新型已经通过优选实施例进行了描述，然而本实用新型并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本实用新型范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。