CN101619974A - 方位跟随显示设备、方位跟随显示方法和程序 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种方位跟随显示设备、方位跟随显示方法和程序。显示装置具有以任意姿态放置的显示屏，任意姿态包括与具有参考水平方位的空间相关的参考姿态。显示屏具有xyz正交坐标系统，且通过xyz正交坐标系统的z－x－z欧拉角α、β和γ来定义空间中显示屏的姿态。显示屏显示图像以使能进行空间的参考水平方位的确认。控制装置获得作为图像旋转角度的特定参数α+γ，以使当在任意姿态的显示屏上显示图像时，从图像确认的参考水平方位跟随空间的参考水平方位。

Description

方位跟随显示设备、方位跟随显示方法和程序

技术领域

本发明涉及方位跟随显示设备、方位跟随显示方法和方位跟随显示程序，并且尤其涉及用于电子罗盘、个人导航装置(PND)或类似装置的方位跟随显示技术。

背景技术

已提出一种方位跟随显示技术，其中根据电子罗盘、PND、移动电话或其他类似设备的显示屏的姿态旋转图像(如地图)，以使由图像表示的方位(或方向)跟随现实空间的方位。如果显示诸如地图之类的信息使其跟随方位，则结合现实空间容易确认由图像表示的信息。在也称作“向上显示”的方位跟随显示中，例如，当显示屏为水平姿态时，根据人结合现实空间中的前后方位确认由图像表示的显示屏前后方位的倾向，来旋转显示在显示屏之上的图像。专利参考1和2描述一种方位跟随显示方法，其中使得与正在走路的人的行进方向相对应的地图上的方位符合显示屏的由底端到顶端或由前端到后端的方位。在通常的方位跟随显示方法中，根据现实空间的北向与相对于显示屏固定的坐标轴在现实空间的水平面上的投影之间的角度大小来旋转显示屏上显示的图像。

[专利参考1]日本专利申请公开No.2001-289646

[专利参考2]日本专利申请公开No.2005-242283

但是，在通常的方位跟随显示方法中，当显示屏在特定姿态时，对应于行进方向的地图上的方位不跟随现实中的行进方向，因为这种方法中，根据显示屏的姿态选择固定在显示屏上的三条垂直坐标轴之一，且根据所选轴的投影与现实空间的北向之间的角度旋转显示屏上的显示的图像。如下参考图9详细描述从一种状态到另一种状态的转换示例，其中一种状态中，罗盘针图像根据北向与y轴在水平面上的投影之间的角度旋转，y轴在与显示屏的长边平行的方向上延伸；另一种状态中，根据北向与z轴在水平面上的投影之间的角度旋转罗盘针图像，z轴在垂直于显示屏的方向上延伸。此处，当围绕z轴旋转显示屏F而同时保持z轴在水平状态时，假设在y轴相对于水平面成45度倾斜的y₁位置处执行从y轴到z轴的转换。在从y₀到y₁旋转y轴的间隔，不旋转显示在显示屏F上的罗盘针，因为北(N)向与y轴在水平面上的投影之间的角度是恒定的。因此，由罗盘针D表示的北向与现实空间中的北向之间的不一致在从y₀到y₁旋转y轴的间隔中从0度到45度逐渐增加。当围绕平行于显示屏F的横向的轴旋转显示屏F，直到显示屏F平行于前后方向时，这种不一致会由用户主观地确认，且对应于现实空间的北向与罗盘针D所表示的作为显示目标的北向之间的不一致。在从y₁到y₂旋转y轴的间隔中，由罗盘针D表示的北向与现实空间中的北向之间的不一致从45度到0度逐渐减小。尽管已经将罗盘针D的图像描述为显示目标，当显示目标是地图时，这种不一致也发生。在由显示屏上显示的图像所表示的方位不跟随现实空间中的方位的情况下，用户感觉不舒服，以使用户对显示信息的信任降低，或者使用户困惑。

发明内容

本发明已克服以上问题，且本发明的目的是减小通过显示屏上显示的图像确认的显示屏中的方位与现实空间中的方位之间的不一致。

(1)用于实现以上目标的方位跟随显示设备包括：具有显示屏的显示装置，可将显示屏以任意姿态放置，任意姿态包括与具有参考水平方位的空间相关的参考姿态，显示屏具有固定于显示屏的xyz正交坐标系统，当显示屏置于参考姿态时，将xyz正交坐标系统的x轴设置为平行于空间中的横向，且xyz正交坐标系统的z轴垂直于显示屏，空间中显示屏的姿态由xyz正交坐标系统的z-x-z欧拉(Euler)角α、β和γ定义，其中显示屏显示图像使能进行空间的参考水平方位的确认，以使图像被显示在参考姿态的显示屏上时，显示屏中确认的参考水平方位符合空间的参考水平方位；和控制装置，获得图像旋转角度的α+γ，以使图像被显示在任意姿态的显示屏上时，从图像确认的参考水平方位跟随空间的参考水平方位。

参考水平方位是相对于与现实空间的水平面平行的特定方向人为地定义的。根据本发明，获得特定参数α+γ作为旋转图像的角度，且因此从图像确认的显示屏中的参考水平方位跟随现实空间中的参考水平方位。即，因为除了与围绕用户横向轴旋转的分量对应的角度β之外，获得z-x-z欧拉角α和γ之和作为表示了显示在参考姿态的显示屏上的图像应被旋转的范围的角度，以使该图像变为在显示屏的姿态改变时将显示在显示屏上的图像，所以可以减小通过显示在显示屏上的图像确认的显示屏中的方位与现实空间中的方位之间的不一致。

(2)在用于以上目的的方位跟随显示设备中，优选地，当作为在现实空间中表示xyz正交坐标空间姿态的正交矩阵的姿态矩阵A表示如下时：

A＝[x y z]，

其中 $x=\left[\begin{array}{c}{a}_{11}\\ a_{21}\\ a_{31}\end{array}\right],$ $y=\left[\begin{array}{c}{a}_{12}\\ a_{22}\\ a_{32}\end{array}\right],$ $z=\left[\begin{array}{c}{a}_{13}\\ a_{23}\\ a_{33}\end{array}\right],$

控制装置获得作为满足以下表达式的值的α+γ：

$\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})=\frac{a_{11}+a_{22}}{\sqrt{{(a_{11}+a_{22})}^2+{(a_{12}-a_{21})}^2}}$

$\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})=\frac{a_{12}-a_{21}}{\sqrt{{(a_{11}+a_{22})}^2+{(a_{12}-a_{21})}^2}}$

根据本发明，可在不单独获得α、β和γ的情况下，通过简单计算获得α+γ。因此，可减小由于计算的时延，且因此可减小通过显示在显示屏上的图像确认的显示屏中的方位与现实空间中的方位之间的不一致。

(3)在用于实现以上目的的方位跟随显示设备中，通过使用a₃₃作为可靠性的指示，控制装置可确定所获得的作为图像旋转角度的参数α+γ的可靠性。

当z-x-z欧拉角的值β为π时，显示屏为参考姿态的反转。此时，α+γ的值是不确定的。因为姿态矩阵A的a₃₃元素等于cosβ，当a₃₃为-1时α+γ的值不确定。当显示屏在π/2＜β≤π的范围的姿态，用户到显示屏的视线呈现在水平的之上。但是当β在π/2＜β≤π范围中时，由于没有在该范围旋转图像，即使在显示屏围绕横向轴旋转的时候，用户也会感觉到不舒服。由于姿态检测差错，当β的值接近π时，即使β不等于π，显示屏也像是参考姿态的反转。因此，可根据姿态矩阵A的a₃₃元素确定作为图像旋转角度的参数α+γ的可靠性。

(4)用于实现以上目的的方位跟随显示设备还可包括：加速度感测器，其输出表示3个轴的加速度分量的加速度数据；和地磁感测器，其输出表示3个轴的地磁分量的地磁数据，且控制装置可基于加速度数据和地磁数据获得现实空间中显示屏的姿态，且可根据显示屏的姿态以α+γ的角度旋转图像。

(5)用于实现以上目的的方位跟随显示方法在具有显示屏的显示装置中执行，显示屏置于任意姿态，任意姿态包括与具有参考水平方位的空间相关的参考姿态，该方法包括：为显示屏设置xyz正交坐标系统，以使当显示屏置于参考姿态时，设置xyz正交坐标系统的x轴为平行于空间中的横向，且xyz正交坐标系统的z轴垂直于显示屏；由xyz正交坐标系统的z-x-z欧拉角α、β和γ定义空间中显示屏的姿态；在显示屏显示图像，使能进行空间的参考水平方位的确认，以使当在参考姿态的显示屏上显示图像时，显示屏中确认的参考水平方位符合空间的参考水平方位；和获得作为图像旋转角度的α+γ，以使当在任意姿态的显示屏上显示图像时，从图像确认的参考水平方位跟随空间的参考水平方位。

根据本发明，可减小通过显示在显示屏上的图像确认的显示屏中的方位与现实空间中的方位之间的不一致。

(6)用于实现以上目的的方位跟随显示程序由计算机执行，以通过使用具有显示屏的显示装置完成方位跟随显示的过程，显示屏以任意姿态放置，包括与具有参考水平方位的空间相关的参考姿态，该过程包括：为显示屏设置xyz正交坐标系统，以使当显示屏以参考姿态放置时，设置xyz正交坐标系统的x轴为平行于空间的横向，且xyz正交坐标系统的z轴垂直于显示屏；通过xyz正交坐标系统的z-x-z欧拉角α、β和γ确定显示屏在空间中的姿态；在显示屏中显示图像，使能进行空间的参考水平方位的确认，以使当图像被显示在参考姿态的显示屏上时，显示屏中确认的参考水平方位符合空间的参考水平方位；和获得作为图像旋转角度的α+γ，以使当图像被显示在任意姿态的显示屏上时，从图像确认的参考水平方位跟随空间的参考水平方位。

根据本发明，可减小通过显示在显示屏上的图像确认的显示屏中的方位与现实空间中的方位之间的不一致。

权利要求中所描述的每个元素的功能是通过功能由自身配置指定的硬件资源、功能由程序指定的硬件资源、或者二者的结合来执行的。每个元素的功能不限于通过物理上独立的硬件资源实现。本发明也提供一种包含方位跟随显示程序的计算机可读的记录介质。当然，包含方位跟随显示程序的该记录介质可以是磁记录介质或磁光记录介质，且可以是未来开发的任意其他记录介质。

附图说明

图1是与本发明的实施例相关的透视图。

图2A至图2D是与本发明的实施例相关的说明显示屏改变的透视图。

图3A和图3B是与本发明实施例相关的透视图。

图4是与本发明实施例相关的透视图。

图5是与本发明实施例相关的透视图。

图6是与本发明实施例相关的方框图。

图7是与本发明实施例相关的透视图。

图8是与本发明实施例相关的流程图。

图9是说明相关技术的透视图。

具体实施方式

1.原理

1.1方位的确认

本发明将集中研究其自身指示方位的图像(如罗盘针)，或者集中研究通过方位确认伴随了图像信息确认的图像(如地图、图表、建筑设计图、天文图表或从上捕获地球表面图像所需的照片(例如航空照片或卫星照片))。为了允许用户确认用户通过观察这种图像而确认的显示屏中的方位符合现实空间中的方位，并且为了允许通过显示屏上显示的图像而将被确认的显示屏中的方位符合现实空间中的方位，如图3B所示，当围绕平行于用户确认的横向的轴旋转显示屏F直到显示屏F平行于图3A中由虚线所示的前后方向为止时，现实空间的北向(如N轴的正向)必须平行于用户将从图像确认的显示屏F中的北向(由箭头D指示的方向)。用户确认包含在垂直于视线方向的平面中的水平线延伸的方向是横向的。此处，如图4所示，还假设包括用户向显示屏F的视线和垂直轴(如G轴)的平面P总是与包括显示屏F的平面Q以直角相交。

显示屏F从参考姿态到任意姿态的旋转运动可由分别围绕固定于显示屏F的三个正交轴的旋转运动的组合表示。将正交坐标轴固定到显示屏F，以使从参考姿态到任意姿态的旋转运动可由围绕平行于用户确认的横向的轴作的一个旋转运动与围绕垂直于如下1.2部分定义的显示屏F的轴作的两个旋转运动的组合表示。

1.2坐标系统的定义

图1表示现实空间的正交坐标轴N、E和G，固定于在现实空间中移动的显示屏F的正交坐标轴x，y和z，以及z-x-z欧拉角(α、β、γ)之间的关系。现实空间中的方位通过定义一个参考方位来确定。因此，定义了N轴、G轴和E轴，N轴的正向符合在地球表面的一点开始且指向北极的矢量的水平分量，G轴的正向符合地球表面该点处垂直向上的方向，且通过围绕G轴将N轴旋转90度来获得E轴，且N轴(此后称作“北向”)的正向被定义为参考水平方位。

相对于显示屏F固定的xyz正交坐标空间定义如下。首先，将平行于显示屏F的长边并且具有从显示屏F的底端指向顶端的正向的轴定义为y轴。定义显示屏F的底端和顶端，以使其根据与通常不顾重力方向在显示屏F的边缘位置处理的转换等之间的关系相对于显示屏F固定。此处，当显示屏F处于垂直位置以使不旋转而显示文本信息的情况下文本信息被确认为直立的时，假设位于显示屏F上端的边是顶端，并且面对顶端的边为底端。接着，将平行于显示屏F的短边并且其正向为从显示屏F的左端指向右端的轴定义为x轴。此处，当用户从处在竖直位置的显示屏F的前端观察显示屏F以使用户观察显示屏F时显示屏F的顶端位于上端并且用户观察显示屏F时显示屏F的底端位于下端之时，假设位于左和右的显示屏F的两端分别为显示屏F的左端和右端。接着，将正向垂直于x轴和y轴并且从显示屏F的后端指向前端的轴定义为z轴。在图1和2中，x、y和z轴用于说明显示屏F的每个姿态，并且坐标轴和对应于相同姿态的显示屏F由相同的标记表示。

1.3参考姿态

显示屏F的任意姿态可通过定义现实空间中显示屏F的参考姿态从数学上唯一地表示。在相对于如1.2部分的显示屏F定义xyz正交坐标空间的情况下，可通过如下定义参考姿态的简单计算来获得为了跟随参考水平方位而旋转图像的角度。即，将x轴的正向符合E轴的正向、y轴的正向符合作为参考水平方位的北向、并且z轴的正向符合G轴的正向的显示屏F的姿态定义为参考姿态。如果用于定义z-x-z欧拉角的x轴平行于用户确认的横向并且用于定义z-x-z欧拉角的z轴垂直于显示屏F，可任意定义现实空间、显示屏F的参考姿态与固定于显示屏F的xyz正交坐标空间之间的关系。

1.4方位跟随显示

当定义坐标如1.2部分且定义参考姿态如1.3部分时，z-x-z欧拉角(α、β、γ)分别对应于下述的显示屏F的旋转角。α是处于参考姿态的显示屏F₀围绕z₀轴旋转的角度。即，α是显示屏F₀在用户的横向上倾斜的角度。由于z轴和G轴在参考姿态是平行的，α也是显示屏F₀围绕垂直轴G轴旋转的角度。β是显示屏F₁围绕x₁轴旋转的角度，x₁轴是通过围绕z₀轴(如G轴)将x₀轴旋转角度α所获得的。由于x₁轴平行于用户确认的横向，β也是围绕平行于横向的轴旋转显示屏F₁的角度。γ是显示屏F2围绕z₂轴旋转的角度，z₂轴是通过围绕x₁轴(或围绕平行于横向的轴)以角度β旋转z₁轴所获得的。γ也是显示屏F₂在用户横向上倾斜的角度。

尽管可任意地进行如图1所示的将显示屏F从显示屏F₀到显示屏F₃的姿态转变过程，由显示屏F₃上显示的图像表示的方位是相同的，与转变过程无关。因此假设通过由z-x-z欧拉角定义的3个旋转运动，从显示屏F₀到显示屏F₃转变显示屏F的姿态。通过围绕z₀轴的旋转以如图1和图2B所示的角度α来旋转在如图1和图2A所示的处于参考姿态的显示屏F₀上显示的罗盘针D的图像，通过围绕x₁轴的旋转如图1和图2C所示不旋转罗盘针D的图像，且通过围绕z₂轴的旋转以如图1和图2D所示的角度γ旋转在显示屏F₂上显示的罗盘针D的图像。这允许罗盘针D总指示现实空间的北向。特别地，如果当罗盘针D显示到处于参考姿态的显示屏F上时，在如1.2部分定义坐标空间且如1.3部分定义参考姿态的情况下，显示在显示屏F上指示北向以使显示屏F中确认的北向符合现实空间的北向的罗盘针D以α+γ的角度旋转，则可显示罗盘针D以使将由显示在处于任意姿态的显示屏F上的罗盘针D指示的北向确认为与现实空间的北向一致，不管显示屏F的姿态从参考姿态到任意姿态的改变所通过的过程和显示屏F的姿态改变到的姿态。

因此，显示屏F围绕垂直于显示屏F的z轴旋转的两个角α和γ之和可以用作旋转图像的角度，当图像显示在处于参考姿态的显示屏上时，该图像显示在显示屏上指示显示屏中的参考水平方位以使显示屏中确认的参考水平方位符合现实空间中的参考水平方位。通过以这种方式获得旋转角，可允许用户通过显示在显示屏上的图像在显示屏中确认的方位总是符合现实空间中的方位。即，可允许用户确认通过显示在显示屏上的图像确认的显示屏中的方位与现实空间中的方位之间没有不一致。

2.实施例

2.1方位跟随显示设备的配置

图5、6和7说明一种作为根据本发明的方位跟随显示设备的实施例的数码相机1的配置。

数码相机1包括作为用于再现取景器和照片图像数据的装置的显示器10、加速度感测器40和用于在显示器10的显示屏11上显示罗盘针D的地磁感测器50。显示器10、加速度感测器40、地磁感测器50、操作单元30和镜头之类的没有示出的装置均固定到外壳20。

加速度感测器40可以是如压阻类型、电容类型或热探测类型的任意检测类型。对重力和固定于与加速度感测器40成整体移动的物体上的系统的惯性力之和的力进行检测，将其作为具有稍后描述的x、y和z轴三个分量的矢量数据的加速度数据。因此，从处于静止或匀速直线运动姿态下的加速度感测器40输出的加速度数据是表示相对于显示屏F固定的xyz坐标空间中重力加速度的幅度和方位的矢量数据。

地磁感测器50包括三轴磁感测器单元，每个包括磁离子(MI)元件或磁阻(MR)元件。地磁感测器50输出使用稍后描述的x、y和z轴的三个分量表示具有指向北极方向矢量的地磁数据。即，地磁数据是表示相对于显示屏F固定的xyz坐标空间中现实空间的北极的矢量数据。

数码相机1的控制器60是执行方位跟随显示的数据处理的微计算机，且包括处理器、存储器、总线、输入/输出(I/O)接口及没有示出的类似装置。加速度感测器40、地磁感测器50、操作单元30、显示器10及类似装置均连接到控制器60的I/O接口。操作单元30包括菜单操作键31和32、释放按钮33等。根据在这些开关上执行的操作，控制器60执行各种处理，显示罗盘针D、照片图像或当前位于显示屏11上的经纬度，或者在机器可读且非易失的记录介质90中记录照片图像数据。当在显示屏11上显示罗盘针D的原始图像而不旋转时，原始图像表示指示了从显示屏11的底端到顶端方向的指针。

控制器60是一种执行方位跟随显示处理的控制装置，方位跟随显示处理是用于通过执行方位跟随显示程序将跟随现实空间方位的罗盘针D显示在显示屏11上，方位跟随显示程序包括加速度数据处理模块61、地磁数据处理模块62和方位跟随显示模块63。即，当控制器60执行方位跟随显示程序时，控制器60的功能起控制装置的作用。方位跟随显示程序可存储于记录介质90中。

加速度数据处理模块61是接收加速度感测器40以预定时间间隔(例如0.2秒的间隔)输出的加速度数据并且对加速度数据执行如偏移校正之类的预定校正处理的程序模块。

地磁数据处理模块62是接收地磁感测器50以预定时间间隔(例如0.2秒的间隔)输出的地磁数据并且对地磁数据执行如偏移校正之类的预定校正处理的程序模块。

方位跟随显示模块63是基于加速度数据和地磁数据产生姿态矩阵A的程序模块，其基于姿态矩阵A获得罗盘针D的旋转角度，以所获得的角度旋转罗盘针D的图像，且将罗盘针D的旋转图像存储到显示器10中的帧存储器区域。

图5说明参考姿态与现实空间之间的关系。在这个实施例中，假设显示屏11的参考姿态是显示屏11为水平朝上(即，垂直于显示屏11的视线具有垂直向下的方向)的姿态，矩形显示屏11的短边平行于现实空间的N轴，且从显示屏11的底端到顶端的方向符合N轴的正向。在这个实施例中，显示屏11的顶端是显示屏11的两个长边中靠近释放按钮33的一个，并且参考顶端来表示显示屏F的上、下、左、右端。

在这个实施例中，定义用于定义z-x-z欧拉角和姿态矩阵A的x、y和z正交坐标轴，以使x轴的正向符合从显示屏的左端到右端的方向，y轴的正向符合从显示屏的底端到顶端的方向，z轴的正向符合从显示屏11的后端到前端的方向，z轴的正向垂直于显示屏11。当将显示屏11的参考姿态定义为以上所描述的时，x轴的正向符合E轴的正向(如东向)，y轴的正向符合N轴的正向，且z轴的正向符合G轴的正向。接着，x轴平行于用户观察显示屏11确认的横向。

由以下等式(1)和(3)表示的姿态矩阵A是唯一地表示物体姿态的数据，且定义如下。

A＝[x y z]…(1)，

其中 $x=\left[\begin{array}{c}{a}_{11}\\ a_{21}\\ a_{31}\end{array}\right],$ $y=\left[\begin{array}{c}{a}_{12}\\ a_{22}\\ a_{32}\end{array}\right],$ $z=\left[\begin{array}{c}{a}_{13}\\ a_{23}\\ a_{33}\end{array}\right]\·\·\·\left(3\right)$

姿态矩阵A是唯一表示显示屏11的任意姿态的正交矩阵。当从参考姿态到任意姿态旋转显示屏11时，姿态矩阵A用于旋转坐标轴，以在固定于显示屏11的xyz坐标空间中表示固定于现实空间中的NEG正交坐标空间中定义的点。表示如图5所示的显示屏11的参考姿态的姿态矩阵A由下述等式(4)表示。

$A=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\·\·\·\left(4\right)$

表示如图7所示的显示屏11姿态的姿态矩阵A由下述等式(5)表示。

$A=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 0& -1\\ 0& 1& 0\end{array}\right]\·\·\·\left(5\right)$

以这种方式定义的姿态矩阵A以下述方式从每个均为三维矢量的偏移校正过的加速度数据g和地磁数据h获得。

首先，定义矢量f如下。

f＝g×h，

其中“×”表示叉积且“f”是表示xyz坐标空间中E轴的正向的矢量。

另外，定义矢量h′如下。

h′＝f×g，

其中h′是表示xyz坐标空间中N轴的正向的矢量。

以这种方式定义的矢量f、h′和-g每个都归一化为数量1并且接着被连续地从顶部排成行，以形成姿态矩阵A。

姿态矩阵A与z-x-z欧拉角(α、β、γ)之间的关系如下。

以角α的第一旋转(即，围绕图1所示z₀轴的旋转)的矩阵表示、以角β的第二旋转(即，围绕图1所示x₁轴的旋转)的矩阵表示和以角γ的第三旋转(即，围绕图1所示z₂轴的旋转)的矩阵表示由下述等式(6)(7)和(8)表示。

$R_z\left(\mathrm{\α}\right)=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}& 0\\ -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\·\·\·\left(6\right)$

$R_x\left(\mathrm{\β}\right)=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\β}\\ 0& -\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right]\·\·\·\left(7\right)$

$R_z\left(\mathrm{\γ}\right)=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\γ}& 0\\ -\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\·\·\·\left(8\right)$

此处，0≤α＜2π，0≤β≤π且0≤γ＜2π。旋转矩阵R_z(α)、R_x(β)和R_z(γ)与姿态矩阵A之间的关系由下述等式(9)表示。

A＝R_z(α)R_x(β)R_z(γ)…(9)

因此，满足下述联立方程。

a₁₁＝cosαcosγ-cosβsinαsinγ…(10)

a₁₂＝cosαsinγ+cosβsinαcosγ…(11)

a₁₃＝sinβsinα…(12)

a₂₁＝-sinαcosγ-cosβcosαsinγ…(13)

a₂₂＝-sinαsinγ+cosβcosαcosγ…(14)

a₂₃＝sinβcosα…(15)

a₃₁＝sinβsinγ…(16)

a₃₂＝-sinβcosγ…(17)

a₃₃＝cosβ…(18)

此处，如果定义X和Y如下：

X＝a₁₁+a₂₂

Y＝a₁₂-a₂₁，

由加法定理获得下述等式。

X＝(1+cosβ)cos(α+γ)

Y＝(1+cosβ)sin(α+γ)

$\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})=\frac{a_{11}+a_{22}}{\sqrt{{(a_{11}+a_{22})}^2+{(a_{12}-a_{21})}^2}}\·\·\·\left(19\right)$

$\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})=\frac{a_{12}-a_{21}}{\sqrt{{(a_{11}+a_{22})}^2+{(a_{12}-a_{21})}^2}}\·\·\·\left(20\right)$

通过获得满足等式(19)和(20)的α+γ的值，可在不单独获得α、β和γ的情况下获得α与γ之和。获得满足等式(19)和(20)的α+γ是有利的，因为当β＝0时不需要转换计算过程。

当获得满足等式(19)和(20)的α+γ时，获得每个半开区间[0，2π)和[2π，4π)的α+γ。但是，可假设满足等式(19)和(20)的α+γ仅在半开区间[0，2π)，因为旋转角“α+γ”等于“α+γ+2π”。

当β＝π时，α+γ不确定。当α+γ的值不确定时，姿态矩阵A的a₃₃元素为-1，因为a₃₃元素等于cosβ。当显示屏处于π/2＜β≤π范围内的姿态时，用户到显示屏的视线在水平线之上。但是，当β在π/2＜β≤π的范围内时，由于在该范围内尽管围绕横向轴旋转显示屏时图像也不旋转，所以用户可能感觉不舒服。考虑姿态检测误差，当β的值接近π时，尽管β不等于π，显示屏也可能处于参考姿态的反转。因此，β在0≤β≤π范围内的单调递增函数或单调递减函数的值可用作图像旋转角度α+γ的可靠性的指示。尽管如由以上联立方程获得的β值和姿态矩阵A的a₃₃元素可以用作指示，但是为了减小计算量，优选地将姿态矩阵A的a₃₃元素直接用作指示。在姿态矩阵A的a₃₃元素被直接用作指示的情况下，指示的范围是[-1，1]且由指示指出的可靠性随指示值的减小而减小。

2.2方位跟随显示步骤

图8是说明由控制器60执行的方位跟随显示过程流程的流程图。

首先，控制器60分别从加速度感测器40和地磁感测器50接收加速度数据和地磁数据(步骤S10)。

接着，控制器60校正加速度数据和地磁数据(步骤S12)。此处，控制器60校正加速度数据和地磁数据的偏移等。

接着，控制器60获得基于加速度数据和地磁数据的上述姿态矩阵A(步骤S14)。

接着，控制器60基于姿态矩阵A获得作为图像旋转角度的α+γ(步骤S16)。即，控制器60执行用于使用姿态矩阵A的四个元素来获得满足等式(19)和(20)的α+γ的计算。

接着，控制器60以角度α+γ旋转罗盘针D的初始图像，以产生将要显示到显示屏11上的至少部分图像(步骤S18)。

接着，控制器60将罗盘针D的旋转图像写入帧存储器区域并更新显示器10的显示屏11(步骤S20)。

通过重复以上过程，有规律地更新显示屏11以使由罗盘针D指示的方向跟随显示空间中作为参考水平方位的北向。如果显示屏11的更新间隔短，将不管显示屏11的姿态总被认为是指示现实空间的北向的罗盘针D显示在显示屏11上。

3.其他实施例

当然，本发明的范围不受以上实施例的限制，且在不脱离本发明本意的情况下可产生多种多样的变体。例如，允许跟随现实空间的参考水平方位的图像可以是地图等。跟随现实空间的参考水平方位的地图可通过以z-x-z欧拉角α和γ之和旋转地图图像来实现，其中地图上的北向指示为从底端到顶端的方向。这允许显示地图以使地图上的行进方向符合现实空间的行进方向。例如，如图7所示的直立的显示屏11的姿态可以是显示屏11的参考姿态。此外，例如本发明可用于如电子罗盘、移动电话和PND之类的各种移动信息设备。例如，本发明也可用于设计成显示屏与用户整体移动的静止游戏机。即，本发明可用于包括用于检测显示屏姿态的装置的各种电子设备。

此外，例如，代替直接获得满足等式(19)和(20)的α+γ，α+γ的值可在如下单独获得α和γ之后获得。首先，由于0≤β≤π，cosβ从等式(18)唯一获得。

接着，当sinβ≠0时(即，当0＜β＜π或当-1＜cosβ＜1时)，由等式(15)、(12)、(17)和(16)获得下述等式。

cosα＝a₂₃/sinβ…(21)

sinα＝a₁₃/sinβ…(22)

cosγ＝-a₃₂/sinβ…(23)

sinγ＝a₂₁/sinβ…(24)

因为等式(21)和(22)的右边的分母相同，可通过将a₂₃和a₁₃的值用到反正切函数来获得α。类似地，可通过将-a₃₂和a₃₁的值用到反正切函数来获得γ。

另一方面，当sinβ＝0时，不能唯一获得α和γ。但是，假设仅需获得至少许多表示法之一，则当γ的值固定为0(γ＝0)时，可唯一获得α。此处，α可通过将a₁₁和a₁₂的值用到反正切函数来获得，因为从等式(10)和(11)获得下述等式。

cosα＝a₁₁

sinα＝a₁₂

在以这种方式单独获得α和γ的情况下，根据条件应转换计算过程。但是，在直接获得α+γ的情况下，因为条件分支处理是非必须的，可减小程序成本。

Claims (5)

1.一种具有方位跟随显示的设备，包括：

显示装置，其具有可以以任意姿态放置的显示屏，任意姿态包括与具有参考水平方位的空间相关的参考姿态，显示屏具有固定于显示屏的xyz正交坐标系统，当以参考姿态放置显示屏时，将xyz正交坐标系统的x轴设置为平行于空间中的横向，且xyz正交坐标系统的z轴垂直于显示屏，通过xyz正交坐标系统的z-x-z欧拉角α、β和γ来定义空间中显示屏的姿态，

其中，显示屏显示图像使能进行空间的参考水平方位的确认，以使当在处于参考姿态的显示屏上显示图像时，显示屏中确认的参考水平方位符合空间的参考水平方位；和

控制装置，获得作为图像旋转角度的α+γ，以使当在处于任意姿态的显示屏上显示图像时，从图像确认的参考水平方位跟随空间的参考水平方位。

2.根据权利要求1所述的设备，

其中控制装置计算姿态矩阵A，其作为表示空间中xyz正交坐标系统姿态的正交矩阵，姿态矩阵A表示如下：

A＝[x y z]，

其中 $x=\left[\begin{array}{c}{a}_{11}\\ a_{21}\\ a_{31}\end{array}\right],$ $y=\left[\begin{array}{c}{a}_{12}\\ a_{22}\\ a_{32}\end{array}\right],$ $z=\left[\begin{array}{c}{a}_{13}\\ a_{23}\\ a_{33}\end{array}\right],$

其中控制装置获得作为满足以下等式的值α+γ：

$\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})=\frac{a_{11}+a_{22}}{\sqrt{{(a_{11}+a_{22})}^2+{(a_{12}-a_{21})}^2}}$

$\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})=\frac{a_{12}-a_{21}}{\sqrt{{(a_{11}+a_{22})}^2+{(a_{12}-a_{21})}^2}}$

3.根据权利要求2所述的设备，其中控制装置通过使用a₃₃作为可靠性指示来确定所获得的作为图像旋转角度的α+γ的可靠性。

4.根据权利要求1至3任意之一的设备，还包括：

加速度感测器，其输出表示空间相关的3个轴的加速度分量的加速度数据；和

地磁感测器，其输出表示空间相关的3个轴的地磁分量的地磁数据，

其中控制装置基于加速度数据和地磁数据获得空间中显示屏的姿态，并且根据显示屏的姿态以角度α+γ旋转图像。

5.一种在显示装置中执行的方位跟随显示的方法，显示装置具有以任意姿态放置的显示屏，任意姿态包括与具有参考水平方位的空间相关的参考姿态，该方法包括：

将xyz正交坐标系统设置到显示屏，以使当显示屏置于参考姿态时，xyz正交坐标系统的x轴被设置为平行于空间中的横向，且xyz正交坐标系统的z轴垂直于显示屏；

通过xyz正交坐标系统的z-x-z欧拉角α、β和γ来定义空间中显示屏的姿态；

在显示屏中显示图像使能进行空间的参考水平方位的确认，以使当在处于参考姿态的显示屏上显示图像时，在显示屏中确认的参考水平方位符合空间的参考水平方位；和

获得作为图像旋转角度的α+γ，以使当在任意姿态的显示屏上显示图像时，从图像确认的参考水平方位跟随空间的参考水平方位。

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