專利名稱：被跟蹤物體的運動部分之間相對位置獲取的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種被跟蹤物體的運動部分之間相對位置獲取的方法，尤指一種用于在位置跟蹤過程中獲取位于同一物體上不同運動部分之間相對位置關系的方法。
在對處于運動狀態(tài)下的對象進行跟蹤、探測的過程中，人們有時并不關心被跟蹤對象本體上的各個運動部分相對于跟蹤者坐標系的位置信息，而更為關心該各個運動部分之間的相對位置關系。例如在對鳥類飛行動作進行跟蹤分析時，人們通常關心的是鳥類在飛行過程中，其雙翅與其身體之間的位置關系，而不是其雙翅與分析人之間的位置關系；在分析聾人手語時，除了需要手語者雙手與手語者身體之間的位置關系信息外，還需要注意的是手語者雙手之間的位置關系。
通常的位置跟蹤系統(tǒng)由發(fā)射器和接收器組成，發(fā)射器向外發(fā)射信號，接收器接收該信號，通過分析接收器接收到的信號就可以獲得接收器相對于發(fā)射器的位置和方向信息。但是，這種位置和方向信息僅僅是各個發(fā)射器與接收器之間的位置和方向信息；當人們需要的是被跟蹤對象本體上不同運動部分之間的相對位置關系(即各個接收器之間的相對位置關系)時，上述僅能提供接收器相對于發(fā)射器的位置和方向信息的系統(tǒng)明顯不能滿足所述位置跟蹤的要求。
有鑒于現(xiàn)有的位置跟蹤技術的不足，本發(fā)明的主要目的在于提供一種被跟蹤物體的運動部分之間相對位置獲取的方法，該方法的位置跟蹤系統(tǒng)不僅提供各個發(fā)射器與接收器之間的位置數(shù)據(jù)和方向數(shù)據(jù)，還可以提供各個接收器之間相對的位置數(shù)據(jù)和方向數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的目的是通過如下的技術方案實現(xiàn)的一種被跟蹤物體的運動部分之間相對位置獲取的方法，位置跟蹤系統(tǒng)中設有發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)射跟蹤信號，接收器接收該信號，接收器利用所接收的信號，生成該接收器相對于發(fā)射器的位置數(shù)據(jù)和方向數(shù)據(jù)，然后將該位置數(shù)據(jù)和方向數(shù)據(jù)傳送出去；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)接收由接收器傳送的位置數(shù)據(jù)和方向數(shù)據(jù)，獲取該接收器相對于發(fā)射器的位置信息；在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對所接收的接收器位置數(shù)據(jù)和方向數(shù)據(jù)進行處理時，還進一步獲取接收器之間的、與發(fā)射器位置無關的位置數(shù)據(jù)和方向數(shù)據(jù)。
上面所述的接收器為一個以上。
在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對所接收的接收器位置數(shù)據(jù)和方向數(shù)據(jù)進行處理時，先在所有的接收器中選取參照接收器，然后將其他接收器作為一般接收器；并且將一般接收器按照其與參照接收器的參照關系及參照接收器的數(shù)量劃分相應的坐標系組。
上面所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進一步獲取接收器之間的、與發(fā)射器位置無關的位置數(shù)據(jù)和方向數(shù)據(jù)的方法包括如下步驟1、計算所有接收器相對于發(fā)射器的旋轉(zhuǎn)矩陣；2、計算一般接收器的轉(zhuǎn)置矩陣；3、將參照接收器的旋轉(zhuǎn)矩陣與與其同處于一個坐標系組的一般接收器的轉(zhuǎn)置矩陣分別相乘，獲得相應的一般接收器相對于該參照接收器的方向數(shù)據(jù)；4、計算一般接收器與該參照接收器的位置坐標之差；5、計算一般接收器相對于該參照接收器的坐標數(shù)據(jù)；6、輸出一般接收器相對于參照接收器的方向數(shù)據(jù)和一般接收器相對于參照接收器的坐標數(shù)據(jù)。
上面所述的參照接收器為一個或一個以上。
上面所述的一般接收器為一個或一個以上。
本發(fā)明利用一個以上的接收器相對于發(fā)射器的位置數(shù)據(jù)，以及接收器的運動可視為一三維的剛體運動這一特征，提供了一種被跟蹤物體的運動部分之間相對位置獲取的方法，該方法的位置跟蹤系統(tǒng)不僅提供各個發(fā)射器與接收器之間的位置數(shù)據(jù)和方向數(shù)據(jù)，還進一步提供了各個接收器之間相對的、與發(fā)射器無關的位置數(shù)據(jù)和方向數(shù)據(jù)。
以下結合附圖及具體的實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明

圖1為本發(fā)明發(fā)射器與一接收器的位置關系示意圖。
圖2為本發(fā)明具有兩個接收器實施例的數(shù)據(jù)處理流程圖。
圖3為本發(fā)明具有三個接收器實施例的數(shù)據(jù)處理流程圖。
如圖1所示，一位置跟蹤系統(tǒng)具有一發(fā)射器1和一個以上的接收器2，發(fā)射器1向外發(fā)射電磁波信號，接收器2向接收該電磁波信號，根據(jù)接收器2接收到的電磁波信號就可以獲得接收器2相對于發(fā)射器1的位置和方向數(shù)據(jù)。
如果一個以上的接收器2固定在人身體的某個部位，而發(fā)射器1放在旁邊，那么采集到的、一個以上的接收器2的位置數(shù)據(jù)則是相對于發(fā)射器2的坐標系的數(shù)據(jù)，因此，該數(shù)據(jù)就與人所在的具體位置有關。如果只想獲得相對于人體某個部位的位置數(shù)據(jù)，如雙手相對于身體的位置和方向數(shù)據(jù)，就需要對這些數(shù)據(jù)進行處理。
在一位置跟蹤系統(tǒng)中，接收器2的運動可視為一三維的剛體運動。一個剛體在迪卡爾坐標系下的運動可以利用下述的公式(1)表示X′＝R(X-S) (1)其中R是一個3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣，其表達公式為R=1000cosα-sinα0sinαcosαcosβ0sinβ010-sinβ0cosβcosγ-sinγ0sinγcosγ0001]]>=cosβcosγcosβsinγ-sinβsinαsinβcosγ-cosαsinγsinαsinβsinγ+cosαcosγsinαcosβcosαsinβcosγ+sinαsinγcosαsinβsinγ-sinαcosγcosαcosβ---(2)]]>X＝(x1，x2，x3)t為發(fā)射器1的坐標；
X′＝(x1′，x2′，x3′)t為接收器2的坐標；S是接收器2相對發(fā)射器1的位置坐標；α，β，γ，為接收器2輸出的歐拉角，它們分別表示相對于X1，X2和X3坐標軸的旋轉(zhuǎn)角。
如圖2所示為利用位置跟蹤系統(tǒng)采用兩個接收器確定左、右手的位置的實施例；設左手接收器的位置及其對應的迪卡爾坐標系為參考點和參考坐標系，右手接收器的位置及其對應的迪卡爾坐標系相對左手的接收器的位置和迪卡爾坐標系為不變量特征。具體處理方法如下選擇左手接收器為參照接收器，將右手接收器作為一般接收器；由于在本實施例中僅選有一個參照接收器，因此本實施例中左、右手接收器構成一個坐標系組；具體的處理步驟如下1、計算左、右手接收器相對于發(fā)射器的旋轉(zhuǎn)矩陣；2、計算右手接收器的轉(zhuǎn)置矩陣；3、將左手接收器的旋轉(zhuǎn)矩陣與右手接收器的轉(zhuǎn)置矩陣相乘，獲得右手接收器相對左手接收器的方向數(shù)據(jù)；4、計算右手接收器與左手接收器的位置坐標之差；5、計算右手接收器相對左手接收器的坐標數(shù)據(jù)；6、輸出右手接收器相對左手接收器的方向數(shù)據(jù)和右手接收器相對左手接收器的坐標數(shù)據(jù)。
假定Sr，Sl分別是右手和左手接收器相對于發(fā)射器的位置坐標，Rr和Rl分別是右手和左手接收器相對于發(fā)射器的旋轉(zhuǎn)矩陣，Rrt是Rr的轉(zhuǎn)置矩陣，該矩陣可以利用歐拉角計算獲得，在此不做贅述。乘積矩陣RlRrt的每一個元素表示的是左手接收器上迪卡爾坐標系的單位坐標方向向量和右手接收器上迪卡爾坐標系的單位坐標方向向量的點積，該點積為上述兩個向量夾角的余弦值，又由于該夾角為一不變量，因此，上述兩矩陣的乘積RlRrt是與人體相對發(fā)射器位置無關的數(shù)據(jù)。由此，右手位置相對左手位置的向量Rl(Sr-Sl)也是一個不變量。
如圖3所示為利用位置跟蹤系統(tǒng)采用三個接收器確定左、右手的位置的實施例；左、右手兩個接收器分別固定在左、右手上，第三個接收器放在人體上(以下稱為人體接收器)，用人體接收器作為參考點和參考坐標系，則左、右手上的接收器的位置和方向分別相對于人體接收器的位置和迪卡爾坐標系為不變量；具體處理方法如下選擇人體接收器為參照接收器；將左、右手接收器作為一般接收器；由于在本實施例中僅選有一個參照接收器，因此本實施例中左、右手接收器及人體接收器構成一個坐標系組；具體的處理步驟如下1、計算左、右手接收器以及人體接收器相對于發(fā)射器的旋轉(zhuǎn)矩陣；2、計算左、右手接收器的轉(zhuǎn)置矩陣；3、將左、右手接收器的旋轉(zhuǎn)矩陣分別與人體接收器的轉(zhuǎn)置矩陣相乘，獲得左、右手接收器相對于人體接收器的方向數(shù)據(jù)；4、分別計算左、右手接收器與人體接收器的位置坐標之差；5、計算左、右手接收器相對于人體接收器的坐標數(shù)據(jù)；6、輸出左、右手接收器相對人體接收器的方向數(shù)據(jù)和左、右手接收器相對人體接收器的坐標數(shù)據(jù)。
假定Sr，Sl及S分別是右、左手接收器及人體接收器相對于發(fā)射器的位置坐標，Rr、Rl及R分別是右、左手接收器及人體接收器相對于發(fā)射器的旋轉(zhuǎn)矩陣，Rt是R的轉(zhuǎn)置矩陣，該矩陣同樣可以利用歐拉角計算獲得，在此不做贅述。乘積矩陣RlRt或RrRt的每一個元素表示的是左手(或右手)接收器上迪卡爾坐標系的單位坐標方向向量和人體接收器上迪卡爾坐標系的單位坐標方向向量的點積，該點積為上述兩個向量夾角的余弦值，又由于該夾角為一不變量，因此，上述兩乘積矩陣RlRt、RrRt是與發(fā)射器位置無關的數(shù)據(jù)。由此，左、右手位置相對人體接收器位置的向量R(Sl-S)及R(Sr-S)也是不變量。
上述內(nèi)容，只是本發(fā)明技術構思下的一些具體實施例。依據(jù)本發(fā)明的技術構思所做的任何等效變換，均應屬于本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種被跟蹤物體的運動部分之間相對位置獲取的方法，位置跟蹤系統(tǒng)中設有發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)射跟蹤信號，接收器接收該信號，接收器利用所接收的信號，生成該接收器相對于發(fā)射器的位置數(shù)據(jù)和方向數(shù)據(jù)，然后將該位置數(shù)據(jù)和方向數(shù)據(jù)傳送出去；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)接收由接收器傳送的位置數(shù)據(jù)和方向數(shù)據(jù)，獲取該接收器相對于發(fā)射器的位置信息；其特征在于數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對所接收的接收器位置數(shù)據(jù)和方向數(shù)據(jù)進行處理，進一步獲取接收器之間的、與發(fā)射器位置無關的位置數(shù)據(jù)和方向數(shù)據(jù)。
2.如權利要求1所述的被跟蹤物體的運動部分之間相對位置獲取的方法，其特征在于所述的接收器為一個以上。
3.如權利要求1所述的被跟蹤物體的運動部分之間相對位置獲取的方法，其特征在于數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對所接收的接收器位置數(shù)據(jù)和方向數(shù)據(jù)進行處理時，先在所有的接收器中選取參照接收器，然后將其他接收器作為一般接收器；并且將一般接收器按照其與參照接收器的參照關系及參照接收器的數(shù)量劃分相應的坐標系組。
4.如權利要求1或2或3所述的被跟蹤物體的運動部分之間相對位置獲取的方法，其特征在于數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進一步獲取接收器之間的、與發(fā)射器位置無關的位置數(shù)據(jù)和方向數(shù)據(jù)的方法包括如下步驟a、計算所有接收器相對于發(fā)射器的旋轉(zhuǎn)矩陣；b、計算一般接收器的轉(zhuǎn)置矩陣；c、將參照接收器的旋轉(zhuǎn)矩陣與與其同處于一個坐標系組的一般接收器的轉(zhuǎn)置矩陣分別相乘，獲得相應的一般接收器相對于該參照接收器的方向數(shù)據(jù)；d、計算一般接收器與該參照接收器的位置坐標之差；e、計算一般接收器相對于該參照接收器的坐標數(shù)據(jù)；f、輸出一般接收器相對于參照接收器的方向數(shù)據(jù)和一般接收器相對于參照接收器的坐標數(shù)據(jù)。
5.如權利要求3或4所述的被跟蹤物體的運動部分之間相對位置獲取的方法，其特征在于所述的參照接收器為一個或一個以上。
6.如權利要求3或4所述的被跟蹤物體的運動部分之間相對位置獲取的方法，其特征在于所述的一般接收器為一個或一個以上。
全文摘要
一種被跟蹤物體的運動部分之間相對位置獲取的方法,發(fā)射器發(fā)射信號,接收器接收該信號并生成位置數(shù)據(jù)和方向數(shù)據(jù),然后將該位置數(shù)據(jù)和方向數(shù)據(jù)傳送出去,數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)獲取該接收器位置信息并進一步處理該數(shù)據(jù),獲取接收器之間的、與發(fā)射器位置無關的位置數(shù)據(jù)和方向數(shù)據(jù);利用接收器為三維剛體運動的特征,本發(fā)明不僅提供了各發(fā)射器與接收器間的位置及方向數(shù)據(jù),還進一步提供了各接收器間相對的、與發(fā)射器無關的位置數(shù)據(jù)和方向數(shù)據(jù)。
文檔編號G01S13/00GK1384370SQ01116120
公開日2002年12月11日 申請日期2001年5月9日 優(yōu)先權日2001年5月9日
發(fā)明者高文, 陳熙林, 馬繼勇, 吳江琴, 王春立 申請人:中國科學院計算技術研究所