CN100478849C - 基于多加速度传感器的虚拟现实头盔防眩晕系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多加速度传感器的虚拟现实头盔防眩晕系统及方法，属虚拟现实领域的人机交互技术。该系统包括4个线加速度传感器，头盔位置跟踪器和计算机。该系统的工作步骤是：通过头盔上的一对加速度传感器获得头部左右旋转运动的角加速度和前后运动的线加速度；由位置跟踪器给出头部运动的六自由度位置信息，通过计算机给出位置的有效预测；通过置于人体所处运动平台上的另一对加速度传感器，实现对运动平台相应自由度的位置测量，获得相对位置的有效预测。本发明具有性能高、实用性强、成本低的特点。能有效减轻用户长时间佩戴虚拟现实头盔造成的眩晕等仿真病症状。

Description

基于多加速度传感器的虚拟现实头盔防眩晕系统及方法

技术领域

本发明属于一种虚拟现实系统的人机交互技术，具体涉及一种使用4个加速度传感器和位置跟踪器的虚拟现实头部跟踪装置和方法，是虚拟现实系统中的一种人机交互设备。该系统可给出人体头部位置的预测量，有效降低长时间佩戴虚拟现实头盔造成的眩晕，特别地，可以获得人体头部相对人体所处运动平台的相对位置的预测值。

背景技术

头盔是虚拟现实系统的重要视景设备之一。它是根据跟踪设备提供的佩戴者的位置和视线方向信息，实时显示相应的视景图像。在虚拟现实技术中广泛应用于军事系统仿真、模拟与训练等领域。

为实时更新所要显示的虚拟视景信息，须使用位置跟踪器跟踪人体头部的运动。它的主要功能是提供头部的六自由度位置信息，包括三个轴向位置和三个姿态角。头部跟踪定位的方法通常有基于超声、电磁、红外的方法等。一旦在头部和发射器中间产生遮挡，超声跟踪器就会发生数据失效，且数据刷新速率一般较低；一旦有金属装置在附近，电磁跟踪器误差将变大，影响跟踪效果。另外，基于视频的位置跟踪需要复杂的软件算法，目前跟踪精度还不能令人满意，且跟踪速度慢，通常是个辅助的跟踪手段。以上的这些跟踪技术仅测量人体头部位置或姿态信息，输出存在一定的延时。没有测量并利用速度、加速度等运动的高阶量信息。

延时是虚拟现实系统最严重的技术缺陷。延时造成视景存在不连续或失真，使人感觉到虚拟环境不够真实。另外，延时的存在造成长时间参与仿真的人会产生仿真病的症状，如恶心、头晕等不适感。仿真病的产生主要是由感觉冲突引起，其中最主要的是视觉感觉冲突。视觉感觉的冲突主要是由于存在传感器跟踪延时、视景计算和显示的延时、传输延时等造成。其中，传感器跟踪延时是造成系统延时的一个主要部分。

针对延时问题，国外提出了通过速度传感器和加速度传感器对头部运动进行预测，利用预测算法给出头部运动的提前量，从而缩短位置传感器的跟踪延时。先后研究了基于角速度陀螺的头部旋转运动的位置输出延时补偿、基于线加速度传感器的头部线位移的位置输出延时补偿，逐步发展到基于多传感器融合方法的六自由度综合延时补偿。在算法方面先后采用了简单预测滤波、卡尔曼最优线性滤波、扩展卡尔曼最优线性滤波等多种方法。

国内有学者提出利用神经网络预测头部运动，由预测结果更新头盔显示，从而消除延时的方法。这些研究多集中在利用已有的位置跟踪数据进行处理，从而降低延时，没有采用外加传感器的方法。在实际的头部运动跟踪预测中，还存在实时性问题。

国内外现有技术的主要问题在于：①针对头部六自由度位置和姿态的综合延时补偿方案，硬件系统庞大，成本很高，其综合系统的造价几乎相当于头盔加位置跟踪设备的造价；②有研究表明，人体头部运动速度较快的是左右旋转运动和前后运动，对这两个自由度进行有效补偿即可解决主要的延时问题；③以往的技术均采用了角速度陀螺进行角位置的预测，仅给出了角位置的一阶量，对某些要求二阶量的高性能算法而言不能满足要求；④以往的系统仅能给出绝对位置的延时补偿，对于某些特殊应用，例如人体处于运动平台上，要测量人体相对平台的相对位置时，这种系统是无法满足要求的。

发明内容

本发明的目的是为虚拟现实头盔的位置跟踪延时提供一个低成本、高性能、实用性强的解决方案。从而有效降低跟踪延时，减少用户长时间佩戴头盔时造成的眩晕。通过提供人体相对运动平台的相对位置满足特定的须需求，例如在飞行模拟器座舱内的视景跟踪等。

多加速度传感器虚拟现实头盔防眩晕系统包括：1个头盔位置跟踪器、4个线加速度传感器、1个计算机。其中两个加速度传感器安装在头盔上，两个加速度传感器安装在人体所处的运动平台上。用计算机完成4个传感器和位置跟踪器信号的采集。

多加速度传感器虚拟现实头盔防眩晕系统的工作步骤是：通过在虚拟现实头盔上安装一对加速度传感器给出人体头部左右旋转运动的角加速度和前后运动的线加速度；由位置跟踪器给出头部运动的六自由度位置信息。存储在计算机中的预测算法根据各传感器的数据给出位置的有效预测；在人体所处的运动平台上安装另一对加速度传感器实现对运动平台的相应自由度的位置测量，从而获得相对位置的有效预测。一旦传统的位置跟踪设备由于遮挡等原因短时间内无法给出有效位置信息时，利用加速度的积分还可给出短时位置量。

本发明充分体现了创新性和实用性特征。通过简单地安装4个线加速度传感器对人体头部相对运动平台的位置信息进行预测，即可有效解决延时问题，减轻用户长时间佩戴头盔造成的眩晕等仿真病症状。与以往的位置跟踪延时补偿的典型方案相比，通过重点解决两个自由度上的延时问题，有效降低了成本。由于给出了二阶量，便于运用高效预测算法，保证了位置数据的高可靠性，降低了预测误差，保证了系统的高性能。

附图说明

图1为多加速度传感器的虚拟现实头盔防眩晕系统的构成框图。

图2为多加速度传感器的虚拟现实头盔防眩晕系统的实现原理图。

图3为人体头部的加速度传感器结构安装方案，其中O为头部旋转轴，即颈椎上某点；1、2为加速度传感器，相应的箭头表示测量方向，4为水平支架，3为人体的头部示意，5为人的视线方向。

图4为相对线加速度测量示意图，其中Oxyz为与头部固连的坐标系，Ox′y′z′为与人体固连的运动平台坐标系。θ₁为人体头部旋转轴与水平方向的夹角。6和7分别为两个加速度传感器。

图5为基于扩展卡尔曼最优线性滤波的预测算法示意图。

具体实施方式

本发明系统的组成框图如图1所示。包括4个加速度传感器连于计算机和1个位置跟踪器连于计算机。实现原理如图2所示。由4个加速度传感器和位置跟踪器分别采集到的信号送入计算机进行处理和计算，从而对人体头部相对运动平台的位置信息进行有效预测。

具体的结构安装如图3所示。设计水平支架，支架两头分别安装加速度传感器1和2，其测量方向为人体水平视线方向。将水平支架固定于虚拟现实头盔上。在人体所处的运动平台上安装同样的水平支架，与前者不同的是，水平支架的俯仰角θ₂可调。两者构成的坐标关系如图4所示，其中Oxyz构成头部固连的坐标系，Ox′y′z′构成人体固连的运动平台的坐标系。运动平台上水平支架俯仰角θ₂可调的作用在于：当头部旋转运动的轴线不是垂直轴时，可适当调整动平台支架俯仰角，以与头部旋转轴相平行，从而保证精确获取相对运动值。

当人体头部作左右旋转运动时，设某时刻1号加速度传感器测得为α₁，由结构安装对称关系，易得2号加速度传感器测得为-α₁，由简单几何关系可得，头部运动的角加速度α为：

α＝α₁·b    (1)

当人体头部作前后运动时，显然，两加速度传感器测得量相等，即为平动加速度α₀。

当人体头部作左右转动和前后运动的复合运动时，设此时的1号测得为α₁，2号测得为α₂，则转动的角加速度为：

α＝(α₁-α₂)b/2    (2)

平动加速度为：

α₀＝(α₁+α₂)/2    (3)

利用转动角加速度和线加速度二阶量可有效实现位置的有效预测，从而降低位置输出延时。可采用扩展卡尔曼最优线性滤波算法作为预测算法。卡尔曼滤波是用前一状态的估计值和最近的观测数据来估计状态变量的当前值，从而对位置信息进行前向预测。

其具体的算法实现方案如图5所示。卡尔曼滤波器的状态变量为[θ，x，α，α₀]^T，其中：

位置跟踪器的输出为：ω_m＝[θ_m，x_m]^T，θ_m为跟踪器输出的头部左右旋转位置，x_m为跟踪器输出的头部前后运动位置。最终的估计输出 $\widehat{\mathrm{\ω}}={[\widehat{\mathrm{\θ}},\hat{x}]}^T$ 将给出提前预测量，从而可以有效降低位置跟踪延时，减轻虚拟现实头盔造成的眩晕。

Claims (1)

1.一种使用基于多个加速度传感器的虚拟现实头盔防眩晕系统的方法，该方法使用的虚拟现实头盔防眩晕系统包括头盔位置跟踪器、计算机、两对线加速度传感器，其中一对线加速度传感器安装在人体头部上的虚拟现实头盔上，另一对线加速度传感器安装在人体所处运动平台上，4个线加速度传感器及头盔位置跟踪器均连于计算机，其特征在于，所述方法包括如下工作步骤：

(1)在虚拟现实头盔上安装的一对线加速度传感器给出人体头部左右旋转运动的角加速度和前后运动的线加速度；

(2)由头盔位置跟踪器给出头部运动的六自由度位置信息，由存储在计算机中的扩展卡尔曼最优线性滤波预测算法根据各线加速度传感器的数据给出位置的有效预测；

(3)在人体所处的运动平台上安装的另一对线加速度传感器实现对运动平台的相应自由度的位置测量，从而获得相对位置的有效预测。

Images