本發(fā)明涉及虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)技術(shù)，尤其涉及一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)的靶標(biāo)姿態(tài)測量系統(tǒng)及其測量方法。

背景技術(shù)：

虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)，是利用電腦或其他智能計(jì)算設(shè)備模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，提供關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等人體感官的模擬，讓用戶如同身臨其境一般，即“完全在場感”。要實(shí)現(xiàn)這種“完全在場感”的使用體驗(yàn)，除了對VR系統(tǒng)的視覺性能指標(biāo)有所要求外，還要求VR系統(tǒng)可以提供空間定位定姿功能。所謂定位即確定載體，如VR頭盔、VR控制器、道具等在空間中包含三個(gè)自由度的位置信息；定姿即確定載體在空間中包含三個(gè)自由度的方向信息，通常使用歐拉角、四元數(shù)或旋轉(zhuǎn)矩陣來表達(dá)載體的姿態(tài)信息。

目前VR系統(tǒng)中以定位定姿為基礎(chǔ)的人機(jī)交互技術(shù)，由于受定姿精度低、時(shí)延大等技術(shù)瓶頸所限，已成為阻礙用戶在VR系統(tǒng)中臨場感體驗(yàn)的主要因素。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)的靶標(biāo)姿態(tài)測量系統(tǒng)及其測量方法，通過提高定姿精度和降低時(shí)延，實(shí)現(xiàn)用戶體驗(yàn)過程中“完全在場感”提供技術(shù)支持，從而滿足用戶對VR場景更深層次沉浸感的需求。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)的靶標(biāo)姿態(tài)測量系統(tǒng)，包括2個(gè)測量基站，1個(gè)測量靶標(biāo)和一臺配置有測量模塊的計(jì)算機(jī)；其中：

所述測量基站，用于通過紅外發(fā)光二極管陣列發(fā)出散射紅外光，周期性的掃射測量靶標(biāo)；

所述測量靶標(biāo)通過內(nèi)設(shè)的光敏傳感器接收所述散射紅外光，并利用計(jì)時(shí)模塊進(jìn)行計(jì)時(shí)；

所述測量靶標(biāo)與所述計(jì)算機(jī)之間通過無線方式進(jìn)行通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；

所述計(jì)算機(jī)利用內(nèi)設(shè)的測量模塊根據(jù)接收到的所述數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法求最優(yōu)解，確定靶標(biāo)坐標(biāo)系位置和姿態(tài)。

其中，所述測量基站為線性激光器的轉(zhuǎn)臺發(fā)射機(jī)。

所述測量基站周期性的掃射測量靶標(biāo)，具體為：測量基站在水平方向和豎直方向在電機(jī)的帶動(dòng)下勻速旋轉(zhuǎn)利用紅外發(fā)光器散射出的紅外光對測量靶標(biāo)進(jìn)行掃射。

所述測量靶標(biāo)通過內(nèi)設(shè)的計(jì)時(shí)模塊記錄和統(tǒng)計(jì)所述光敏傳感器開始計(jì)時(shí)的時(shí)刻、水平或/和垂直方向的掃描時(shí)間差以及掃描周期數(shù)。

一種基于所述基于VR技術(shù)的靶標(biāo)姿態(tài)測量系統(tǒng)的測量方法，包括如下步驟：

A、測量基站每隔一定時(shí)間，向外發(fā)射紅外散射光提供時(shí)間基準(zhǔn)；

B、在兩個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)的間歇期，測量基站做2次光線掃描，掃描方向分別是水平和垂直方向；

C、測量靶標(biāo)接收到散射光后開始計(jì)時(shí)，根據(jù)接收到水平和垂直方向掃描相對于散射光的時(shí)間差計(jì)算出空間角度；

D、根據(jù)測量出的4個(gè)空間角度計(jì)算測量靶標(biāo)的姿態(tài)。

其中，步驟C所述的空間角度等于掃描轉(zhuǎn)速×?xí)r間間隔。

步驟D所述根據(jù)測量出的4個(gè)空間角度計(jì)算靶標(biāo)的姿態(tài)的過程，具體包括：

D1、設(shè)靶標(biāo)坐標(biāo)系{H}到基站坐標(biāo)系{B1}的齊次變換矩陣為：

其中：p_x、p_y、p_z為靶標(biāo)坐標(biāo)系原點(diǎn)在基站坐標(biāo)系的位置，為靶標(biāo)坐標(biāo)系在基站坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，其表征所述靶標(biāo)的姿態(tài)；

D2、設(shè)光敏傳感器為空間中一個(gè)質(zhì)點(diǎn)p₁，它在靶標(biāo)坐標(biāo)系的位置是px₁、py₁、pz₁，則存在如下數(shù)學(xué)關(guān)系：

其中：分別為光敏傳感器P₁在基站坐標(biāo)系的位置；該公式(2)的物理意義是空間中某個(gè)質(zhì)點(diǎn)在兩個(gè)不同坐標(biāo)系下的坐標(biāo)之間的變換關(guān)系；

D3、依據(jù)基站坐標(biāo)系與測量靶標(biāo)坐標(biāo)系的關(guān)系，以及掃描測量角度的原理得到如下關(guān)系：

其中，tanθ_y是Y軸的掃描測量角度，tanθ_x是X軸的掃描測量角度；該公式(3)的物理意義是繞X軸掃描平面與繞Y軸掃描平面的交線，即穿過基站坐標(biāo)系原點(diǎn)和光敏傳感器的一條空間直線；

D4、當(dāng)有多個(gè)光敏傳感器被掃描到，則依據(jù)公式(1)～(3)就可以建立非線性方程組，采用最小二乘法求最優(yōu)解即可確定靶標(biāo)坐標(biāo)系位置和姿態(tài)。

本發(fā)明所提供的基于虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)的靶標(biāo)姿態(tài)測量系統(tǒng)及其測量方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明的靶標(biāo)姿態(tài)測量系統(tǒng)，采用基于時(shí)間為參數(shù)的激光測量法，相比現(xiàn)有的三角激光測量法，減少了系統(tǒng)所需線性激光器的轉(zhuǎn)臺發(fā)射機(jī)(即激光發(fā)射器、激光基站)的數(shù)量，降低了整體成本且使用更為方便。采用本發(fā)明的測量方法，由于對靶標(biāo)姿態(tài)和位置的解算只涉及時(shí)間參數(shù)，不涉及復(fù)雜的圖像處理過程，因此對位置的解算在設(shè)備中即可完成，大大簡化了數(shù)據(jù)處理過程，因而能夠大幅降低系統(tǒng)時(shí)延，最大程度上消除了系統(tǒng)可能對用戶造成的眩暈感，同時(shí)還降低了功耗。此外，采用本發(fā)明的測量方法，通過支持結(jié)合多傳感器的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，如基于最小二乘法的傳感器融合算法和基于卡爾曼濾波(最優(yōu)估計(jì))的傳感器融合算法，能夠大幅提高靶標(biāo)(或載體)位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)的測量精度，因而能夠帶來更好的用戶體驗(yàn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例基于虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)的靶標(biāo)姿態(tài)測量系統(tǒng)的組成示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例基于虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)的靶標(biāo)姿態(tài)測量方法的流程示意圖；

圖2a為紅外散射光提供時(shí)間基準(zhǔn)的示意圖；

圖2b為紅外散射光提供時(shí)間基準(zhǔn)發(fā)射示意圖；

圖2c為測量基站發(fā)射光線時(shí)序示意圖；

圖2d為水平掃描狀態(tài)示意圖；

圖2e為垂直掃描狀態(tài)示意圖；

圖3為基站坐標(biāo)系與靶標(biāo)坐標(biāo)系關(guān)系示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及本發(fā)明的實(shí)施例對本發(fā)明基于虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)的靶標(biāo)姿態(tài)測量系統(tǒng)及其測量方法作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例基于虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)的靶標(biāo)姿態(tài)測量系統(tǒng)的組成示意圖。

如圖1所示，所述靶標(biāo)姿態(tài)測量系統(tǒng)，主要包括2個(gè)測量基站、1個(gè)測量靶標(biāo)和1臺配置有測量模塊的計(jì)算機(jī)。其中：

所述測量基站，可以是線性激光器的轉(zhuǎn)臺發(fā)射機(jī)(又稱激光發(fā)射器、激光基站)，用于通過紅外發(fā)光二極管陣列發(fā)出散射紅外光，周期性的掃射測量靶標(biāo)。

參考圖2a所示，所述周期性的掃射測量靶標(biāo)，是指測量基站在水平方向和豎直方向在電機(jī)的帶動(dòng)下勻速旋轉(zhuǎn)利用紅外發(fā)光器散射出的紅外光對測量靶標(biāo)進(jìn)行掃射。

所述測量靶標(biāo)通過內(nèi)設(shè)的光敏傳感器接收所述散射紅外光，并利用計(jì)數(shù)(時(shí))模塊進(jìn)行計(jì)數(shù)(時(shí))。

參考圖2a所示，所述測量靶標(biāo)上設(shè)有多個(gè)光敏傳感器，該光敏傳感器對該波段的紅外光敏感。光敏傳感器感測到所述紅外光時(shí)，啟動(dòng)測量靶標(biāo)內(nèi)的計(jì)數(shù)(時(shí))模塊開始計(jì)數(shù)(時(shí))。所述計(jì)數(shù)(時(shí))，包括記錄和統(tǒng)計(jì)所述光敏傳感器開始計(jì)時(shí)的時(shí)刻、水平或/和垂直方向的掃描時(shí)間差和掃描周期數(shù)、以及散射紅外光掃射全程的時(shí)長等信息。

所述測量靶標(biāo)與所述計(jì)算機(jī)之間通過無線方式進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

所述計(jì)算機(jī)利用內(nèi)設(shè)的測量模塊根據(jù)接收到的所述數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法求最優(yōu)解，從而確定靶標(biāo)坐標(biāo)系位置和姿態(tài)。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例基于虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)的靶標(biāo)姿態(tài)測量方法的流程示意圖。

如圖2所示，該靶標(biāo)姿態(tài)測量方法，包括如下步驟：

步驟21：測量基站每隔一定時(shí)間，向外發(fā)射紅外散射光提供時(shí)間基準(zhǔn)。如圖2a、圖2b所示，當(dāng)測量靶標(biāo)接收到基站發(fā)射的散射紅外光時(shí)，開始計(jì)時(shí)。

步驟22：在兩個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)的間歇期，測量基站做2次光線掃描，掃描方向分別是水平和垂直方向。時(shí)序圖如圖2c所示。

步驟23：測量靶標(biāo)接收到散射光后開始計(jì)時(shí)，根據(jù)接收到水平和垂直方向掃描相對于散射光的時(shí)間差計(jì)算出空間角度。如圖2d、圖2e所示。

由于水平和豎直方向掃描的速度是恒定的，所以從時(shí)間測量結(jié)果可直接推算出掃描的水平和豎直角度。

這里，所述空間角度等于掃描轉(zhuǎn)速×?xí)r間間隔。對水平方向、垂直方向其原理相同。

步驟24：根據(jù)測量出的4個(gè)空間角度計(jì)算靶標(biāo)的姿態(tài)。

如圖3所示，所述計(jì)算靶標(biāo)的姿態(tài)的具體過程如下：

由于光敏傳感器在靶標(biāo)上的位置是確定的，依據(jù)多個(gè)傳感器的位置差可以確定靶標(biāo)的位置和姿態(tài)。

假設(shè)靶標(biāo)坐標(biāo)系{H}到基站坐標(biāo)系{B1}的齊次變換矩陣為：

其中：p_x、p_y、p₂為靶標(biāo)坐標(biāo)系原點(diǎn)在基站坐標(biāo)系的位置，為靶標(biāo)坐標(biāo)系在基站坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，其表征所述靶標(biāo)的姿態(tài)。

由于光敏傳感器P₁在靶標(biāo)坐標(biāo)系的位置是確定且不變的(它由靶標(biāo)的結(jié)構(gòu)外形設(shè)計(jì)保證)。

設(shè)光敏傳感器可以看成空間中一個(gè)質(zhì)點(diǎn)P₁，它在靶標(biāo)坐標(biāo)系的位置是px₁、py₁、pz₁，則存在如下數(shù)學(xué)關(guān)系：

其中：分別為光敏傳感器P₁在基站坐標(biāo)系的位置。

該公式(2)的物理意義是：空間中某個(gè)質(zhì)點(diǎn)在兩個(gè)不同坐標(biāo)系下的坐標(biāo)之間的變換關(guān)系。

例如，對于某個(gè)光敏傳感器P1，當(dāng)在靶標(biāo)坐標(biāo)系下觀測它時(shí)，它的坐標(biāo)是px₁、py₁、pz₁；當(dāng)在基站坐標(biāo)系下觀測它時(shí)，它的坐標(biāo)為而兩個(gè)坐標(biāo)系之間的關(guān)系為這個(gè)變換矩陣中的元素p_x、p_y、p_z就是靶標(biāo)位置，就是靶標(biāo)的姿態(tài)，定位算法的目的就是求解中的各元素。

參考圖3所示的基站坐標(biāo)系與靶標(biāo)坐標(biāo)系關(guān)系示意圖，由于依據(jù)掃描測量角度的原理還有如下的關(guān)系：

其中，tanθ_y是Y軸的掃描測量角度，tanθ_x是X軸的掃描測量角度。

該公式(3)的物理意義為：繞X軸掃描平面與繞Y軸掃描平面的交線，即穿過基站坐標(biāo)系原點(diǎn)和光敏傳感器的一條空間直線。

如果有多個(gè)光敏傳感器被掃描到，那么根據(jù)公式(1)～(3)就可以建立非線性方程組求解位置和姿態(tài)。理論上，如果有3個(gè)光敏傳感器被掃描到，就可以測量出位置和姿態(tài)，實(shí)際中被掃描到的點(diǎn)要比3個(gè)多，采用最小二乘法求最優(yōu)解即可確定靶標(biāo)坐標(biāo)系位置和姿態(tài)。

以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。