[發明專利]一種基于微慣性傳感器的軌跡還原方法及系統

在審

• 申請號: 201510957912.2
• 申請日: 2015-12-18
• 公開（公告）號: CN105607760A
• 公開（公告）日: 2016-05-25
• 發明（設計）人: 周亦迪;王雨辰;張崢;馮耀
• 申請（專利權）人: 上海開圣影視文化傳媒股份有限公司
• 主分類號: G06F3/0346
• 分類號: G06F3/0346
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 翁惠瑜

技術領域

本發明涉及軌跡還原技術，尤其是涉及一種基于微慣性傳感器的軌跡還原方 法及系統，適用于影視后期制作技術中攝像機軌跡的還原。

背景技術

隨著影視后期制作技術的發展，觀眾能在影視作品中看到各式各樣的特效場 面。其中攝像機運動軌跡跟蹤這一技術在特效場面中又有著舉足輕重的作用，大部 分的特效制作都需要在拍攝后進行攝像機運動軌跡跟蹤，其目的是為了給后期制作 創造一個能把計算機生成的三維素材融入真實鏡頭中的環境，使計算機生成的機器 或者生物的運動與實拍鏡頭合成后達到逼真的效果。

制作電影特效需要解決的基本問題之一是運動匹配，用于解決運動匹配問題的 主要技術是跟蹤技術。為了解決攝像機運動這一問題，攝影機運動軌跡反求技術逐 漸興起，其方法包括以下步驟：

一、錄制二維畫面；

二、通過計算機對二維畫面進行像素檢測，分析畫面內元素的運動；

三、構建三維虛擬拍攝場景，找出原始拍攝軌跡。

上述方法的優點是操作簡便，已經得到廣泛應用。然而這種方法也存在許多缺 點。首先，攝影機軌跡反求技術是基于畫面像素信息進行運算的，因此雖然它可以 通過一定的技術手段解決大多數情況下畫面的跟蹤要求，但在部分特殊情況下就無 法很好的工作，如畫面中運動物體過多、遮擋物體過多等。另外，基于同樣的原理， 攝影機軌跡反求技術對畫面的質量也有一定的要求，如文件信息量大小、文件格式、 畫面清晰度、運動幅度等等。

近年來，隨著微電子機械系統技術的發展，這種建立在以微米、納米技術基礎 上的技術得以集合信息獲取、處理和執行的多種功能，有著集成化程度高、尺寸小、 重量輕、功耗低、測量范圍大、可靠性好、適合于批量化生產、易于實現數字化等 等優點。基于如上優點，微慣性傳感器已經得到許多應用。然而目前的算法求解軌 跡都存在較大的誤差，以縱深距離3000m、橫向速度20m/s的坦克為例,誤差都達 到了8m左右。與此同時，MotionControl等精度較高的控制系統的成本也較高。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種基于微慣性 傳感器的軌跡還原方法及系統，解決攝像機的運動軌跡還原的準確性問題和成本問 題。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種基于微慣性傳感器的軌跡還原方法，包括以下步驟：

1)由多種微慣性傳感器對載體的加速度、角速度和環境磁場數據進行高頻采 集；

2)在高頻采集的同時，對采集到的實時數據進行預處理；

3)根據預處理后的實時數據獲得載體的初始姿態，并采用梯度下降法解算載 體姿態；

4)根據解算得的載體姿態通過積分方式求得三維空間內的軌跡。

步驟2)中，所述預處理包括確定量程和單位歸一化處理。

步驟3)中，所述初始姿態為測量開始時靜止狀態的載體姿態，包括初始四元 數、初始姿態矩陣和初始姿態角。

步驟3)中，解算載體姿態具體為：

采用梯度下降法，將載體坐標系中重力造成的加速度理論值和預處理后的實時 數據中的加速度測量值間的誤差作為目標函數，求解使所述誤差最小的姿態四元 數。

步驟4)中，所述積分方式包括牛頓-柯斯特積分、數值積分、矩形積分或梯 形積分。

一種基于微慣性傳感器的軌跡還原系統，包括：

軌跡記錄裝置，安裝于載體上，用于高頻采集載體的加速度、角速度和環境磁 場數據，并對采集得的實時數據進行預處理，所述軌跡記錄裝置包括多種微慣性傳 感器；

后臺處理器，通過無線網絡與軌跡記錄裝置連接，用于根據預處理后的實時數 據采用梯度下降法還原載體在三維空間內的軌跡；

顯示器，與后臺處理器連接，用于顯示后臺處理器獲得的軌跡。

所述后臺處理器包括：

初始姿態獲取模塊，用于在預處理后的實時數據中分離出測量開始時靜止狀態 階段的數據，獲得初始姿態，所述初始姿態包括初始四元數、初始姿態矩陣和初始 姿態角；

載體姿態解算模塊，用于采用梯度下降法將載體坐標系中重力造成的加速度理 論值和預處理后的實時數據中的加速度測量值間的誤差作為目標函數，求解使所述 誤差最小的姿態四元數；

積分模塊，用于根據解算得的載體姿態通過積分方式求得三維空間內的軌跡。