CN101887671A - 一种展示系统及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种展示系统及其构建方法，该系统包括具有转动功能的控制器、存储有展示信息的PC机或处理器及用于信息显示的显示屏或显示器。通过控制器表面或内部固定的三轴加速度传感器和三轴地磁传感器，检测控制器的三自由度旋转位置，从而触发相应动作，将PC机中预存储的与控制器表面各区域相关的展示信息通过显示屏或显示器显示出来。以达到通过旋转控制器实现不同区域信息或其他自定义展示信息的查询和展示的目的。本发明所述展示系统还通过在所述控制器中增加触摸感应器或者拍击感应器或者按键等其他附属设备感知更多类型的用户操作，拓展所述控制器的功能，提供更丰富的操作维度，展示更多彩的展会信息。

Description

一种展示系统及其构建方法

技术领域

本发明涉及虚拟现实领域，更具体的说本发明涉及一种会展展示中的交互展示系统，这种展示系统利用与展示内容相对应的三维实体模型作为输入设备，通过对模型的旋转、触摸和拍击等操作，实现预存储信息的展示及演示，具有较高的交互性和直观体验程度。

背景技术

近几十年来，信息展示方案的发展从原始的文字书稿、图片展示发展到幻灯片等。随着电脑技术的发展，智能化的信息展示手段日新月异，从简单的鼠标控制到触摸屏控制，从投影屏幕到激光立体成像，信息的展示方式程多元化，立体化发展。但是这种新的展示体验的发展多集中在视觉显示方面，但输入设备相比而言却显得非常滞后。纵观整个市场，可用于展会展示的通用型仪器较少，主要设备均为触摸屏电脑。这些设备，人机交互形式单调，一般采用平面鼠标操作或触摸屏操作等二维操作方式，缺乏立体形象，观众的直观体验程度不高。

因此，如何提供一种具有高直观体验程度的互动式三维信息展示系统及方法，已成为本技术领域人员急需解决的问题。

发明内容

本发明提供一种通过旋转位置检测实现三维控制的方法及其系统，为用户提供更丰富的操作体验。以克服现有的传统展会控制平台的二维局限。本系统的控制器通过一个三轴地磁传感器和一个三轴加速度传感器分别测量地磁场和重力的若干个分量，再通过这若干个分量对用户视点进行坐标变换，得到空间中固定的点在可任意旋转的控制器表面的相对位置坐标，实现控制器的表面定位和控制器的三自由度旋转位置的检测，并通过PC机对控制器表面各区域定义不同的控制信息，以达到通过旋转控制器从而触发对不同展区展示信息或其他自定义信息的查询和展示的目的。

本发明所述的系统，包括：具有转动功能的控制器，可自定义动作达到与展示目标信息相联动。通过上述的控制器内部的传感器组可实时采集重力加速度信号及地磁场信号以获得控制器的旋转位置信息；存储有展示信息的PC机或处理器，用于接收所述控制器得到的重力加速度和地磁场的若干个分量，并根据所述PC机或处理器中预存储的所述控制器表面的定点，确定所述控制器表面处于所需视点位置的定点，并根据该定点确定表面所有的定点位置，并根据定点的位置信息，与所述PC机或处理器中预存储的展示信息相关联；显示屏或投影屏或者显示器或者音频设备或者其他能展示信息的输出设备，用于接收所述PC机或处理器得到的定点信息及与之相关联的展示信息，并展示。

本发明中的控制器的特征在于在所述控制器内部或表面固定一用于采集重力加速度若干分量的三轴加速度传感器及一用于采集地磁场若干分量的三轴地磁传感器；所述控制器内部还包括开关模块、电池模块、单片机模块以及无线或有线模块，并通过无线或有线模块与PC机相连接。

进一步，本发明所述展示系统可通过在所述控制器中增加触摸感应器或者拍击感应器或者按键等其他附属设备感知更多类型的用户操作，拓展所述控制器的功能，提供更丰富的操作维度，展示更多彩的展会信息。

本发明还提供一种展示方法，包括以下步骤：

S1建立具有转动功能的控制器，在所述控制器表面预设一个视点，并在所述PC机或处理器中预存储所述控制器表面定点信息。

S2所述控制器，由所述三轴地磁传感器及三轴加速度传感器采集到地磁场及重力的若干分量，并将数据送给所述PC机或处理器。

S3所述PC机或处理器根据所述地磁场及重力的若干分量，经计算获得所述控制器的旋转位置，并经计算确定所述控制器表面处于所述视点位置的定点的位置，得到所述视点对应的定点信息及与之相关联的展示信息。

S4所述显示屏或显示器显示所述视点对应的定点信息及与之相关联的展示信息。

这种情况下，其特征还在于，通过下述公式，利用采集的地磁场及重力的若干分量N(n_X n_Y n_Z)、G(g_X g_Y g_Z)，计算得出所述控制器表面处于所述视点位置(a_G a_N a_M)所对应的定点坐标矢量(a_X a_Y a_Z)：

N′＝(G×N)×G

其中N′是地磁场在水平方向上的分量

$N=\frac{N^{\′}}{\left|N^{\′}\right|}$

上式使N(n_X n_Y n_Z)与N′的归一化矢量相等

M＝G×N

上式计算得出与N(n_X n_Y n_Z)、G(g_X g_Y g_Z)均垂直的单位矢量M(m_X m_Y m_Z)

$\left(\begin{array}{ccc}{a}_X& a_Y& a_Z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{a}_G& a_N& a_M\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}{g}_X& g_Y& g_Z\\ n_X& n_Y& n_Z\\ m_X& m_Y& m_Z\end{array}\right)$

(a_X a_Y a_Z)即为视点所对应的控制器表面定点所对应的向量，并由此确定与此定点相对应的展示信息。

本发明还提供根据外形为球形的控制器表面定点确定其所对应的经纬度的方法，包括，在上述公式基础上，通过表面定点的坐标向量(a_X a_Y a_Z)及以下公式，得到外形为球形的控制器表面定点所对应的经纬度信息，确定所述视点对应的球体表面区域：

其中，

为纬度，θ为经度。

进一步，本发明所提供的展示方法，还可以通过所述控制器中的所述三轴加速度传感器，同时采集用户拍击及晃动控制器所产生的加速度的变化量，并将变化量通过所述无线或有线模块送至所述PC机或处理器中，得到与所述拍击及晃动操作相关联的展示信息，在所述显示屏或显示器中显示。

本发明的定位时间短，实用性强，应用范围广，例如可用于世界性的展览会信息展示、地球相关信息展示，也可作为教科书教学之用，具体，直观，制作成本也低廉；本发明通过软件进行设置以及定制任意外形的控制器外壳，只要将核心模块安装在控制器内或表面任意位置，并通过软件对控制器动作进行简单设置，就可以将控制器的各类不同行为映射为接收端计算机上的各种行为，从而可以直接地进行多元化、多层次的展示。从而使得本发明能够应用在不同的场合并且可以适应多种多媒体形式的播放以及展示，使得用户通过操控外壳表面的图案和对外壳拍击操作直接参与交互。与触摸屏等传统设备相比，本发明无疑在外形、可操作性、展示效果、经济成本等各方面均占有优势，并且更能够吸引观众。产品价格的低廉以及较高的可移植性、可复用性以及可编程性使得同一产品可以通过再编程达到适应多次、不同展示要求的目的。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为本发明的一个实施例的控制器内部结构示意图。

图3为本发明的控制器内各模块工作示意图

图4为本发明的控制器内各模块电路连接关系图

图5为本发明控制器旋转位置检测原理的“环境坐标系”示意图。

图6为本发明控制器旋转位置检测原理的控制器坐标系示意图。

图7为本发明的另一个实施例的控制器内部结构示意图。

图8为本发明的另一个实施例的控制器内各模块工作示意图

具体实施方式

下面根据图1-图6给出本发明一个较好实施例，并予以详细描述，同时图7-图8给出另一个实施例，以便更好说明本发明，而不是用来限定本发明的范围。例如，第一个实施例是一个构成地球展示仪的结构。只要改动其在PC2中的展示信息，就可改变视点显示内容；若改动外壳模型，PC2中储存相应模型信息，则可改变为相应模型信息展示仪。如此，足见本发明适用范围之广。

下面仔细说明实施例：

实施例一：

参照图1，它包括顺次连接的显示屏1及PC2及以有线或无线方式连接的控制器3。控制器以气悬浮或者磁悬浮或者直接接触的方式放置在支架/底座38上。本实施例中控制器3的外壳以一普通地球仪为外壳，视点39为地球仪表面空间定点，则其展示内容为与当前定点所在的地球表面区域相关的存储在PC2中的内容。当观众旋转控制器3时，控制器3会将其旋转位置数据以有线或无线方式送给PC2，然后在PC2中计算得到视点39的坐标，并获取与此坐标相对应的展示信息，通过有线或无线的方式传送给显示屏1或者投影屏或者显示器或者音频设备或者其他能展示信息的输出设备上显示。

参照图2，显示的是控制器3的内部结构示意图。在塑料地球仪外壳内，装入一根工程塑料制成的圆柱体36，或者其他能将主体模块固定在控制器内部的装置。圆柱体36即作为传感器模块30、31，开关模块32、电池模块33、单片机模块34、无线收/发模块35等模块的固定载体。

传感器模块30、31由叠放的三轴地磁传感器和三轴加速度传感器构成，放置在圆柱体36的中部或其他位置，用于获得控制器旋转位置的实时数据。触摸模块37由多个电容式触摸传感器或者其他本领域所熟知的能够感知触摸和点击的传感器构成，并密布于控制器3的内表面，用于获得用户对控制器表面已定义区域的点击动作，并可以获得双手在球表面的抚摸移动等多种可触发触摸模块37的自定义动作信息。

将三轴加速度传感器30、三轴地磁传感器31和触摸模块37采集到的数据送给单片机模块34，单片机模块34接收三轴地磁传感器31发送的I2C数据，将三轴加速度传感器30发送的模拟信号经过A/D转换成数字信号，然后对这些数据进行顺序和格式整理，后经无线收/发模块35发送给PC2进行后续处理。

三轴加速度传感器30和三轴地磁传感器31成双层叠放，并且使得它们的X、Y、Z三轴方向一致，可以近似地认为它们的坐标系重合。其余各模块在控制器中放置的位置如图2所示。他们之间的连接关系如图4所示。

参照图3，显示的是控制器3内各模块工作示意图。

电池模块33通过开关模块32给整个电路供电。触摸模块37和传感器模块30，31将采集到的用户操作信息送给单片机模块34，再通过无线收/发模块35将信息送给PC2.

参照图4，显示的是控制器3中的各模块电路的连接关系图。

电源芯片U5将电池P1的电压转换成3.3V，给系统中的单片机U1、地磁传感器U2、加速度传感器U3、并行转串行芯片U3-1、U3-2、U3-3、U3-4、无线发射模块U4供电。

地磁传感器U2通过I2C总线将数据发送给单片机，加速度传感器U3发送模拟数据给单片机U1，经单片机U1进行A/D转换后转换为数字信号。

并行转串行芯片U3-1、U3-2、U3-3、U3-4将触摸芯片模块TOUCH-1、TOUCH-2、TOUCH-3、TOUCH-4的数据转换成串行数据发送给单片机U1。

单片机U1将接收到的数据进行顺序和格式整理后，通过无线发射模块U4发送出去，由PC端接收。

参照图5-6，显示的是利用加速度传感器30和地磁传感器31采集到的数据得到控制器的旋转位置并且进行表面定位的方法。

旋转位置的确定和表面定位的实现可以通过建立两个原点始终重合的三维坐标系-环境坐标系和控制器坐标系，计算出一个坐标系的任意两个坐标轴在另一个坐标系中的位置，则这两个坐标系的关系就可以确定，控制器3的旋转位置和控制器3表面各点在外部空间中的位置也就唯一地确定了。通过三轴加速度传感器30和三轴地磁传感器31就可以唯一的测得环境坐标系中的坐标轴在控制器坐标系中的位置，从而进行控制器旋转位置的检测和表面的定位。算法实现如下：

这里以地球展示仪实施例中的控制器为例进行说明。

参照图5，本发明用G表示重力场(方向)和以N表示磁场(方向)

G的方向指向地心，即垂直于水平面，同时为简化模型，设定N的指向为水平方向；这样根据右手法则，则M轴为，M＝G×N。这样便可以建立起一个以G、N、M为三轴的静止的外部空间直角坐标系，称为“环境坐标系”。地球控制器就处在这个“环境坐标系”中

视点39为“环境坐标系”中一定点，用A(a_G a_N a_M)表示(其中a_G、a_N、a_M均为经过了归一化处理后的点A在“环境坐标系”中的坐标)。然后通过检测控制器3在“环境坐标系”中的旋转位置，就可以获得点A与控制器3的位置关系，即判断出视点39在控制器表面的所在区域。

参照图6，在控制器内将三轴地磁传感器和三轴加速度传感器水平放置在球体的球心处，可以认为二者位置基本重合，且二者的Z轴方向由球体南极点指向北极点；X轴位于经度为0°和180°组成的大圆平面上，即X轴为此圆平面和赤道面的交线，并由圆心指向0经度(X轴和Y轴处在赤道平面上，X轴和Z轴出在经度为0°和180°组成的大圆平面上)。Y轴由圆心指向东经90度。这样，在球体内就建立了以X、Y、Z为三轴的球体空间直角坐标系，称为“球体坐标系”。

为简单起见，将“球体坐标系”和“环境坐标系”的原点都设在控制器的球心处。

在控制器工作过程中，通常观众在环境空间中的位置是不变的，即观众的视点39在环境空间的位置是不变的。这样可以得到观众所观察的视点39在“环境坐标系”中的位置A(a_G a_N a_M)(其中a_G、a_N、a_M均经过了归一化处理)，显然A点处在控制器的球面上。

下面要做的就是对A点进行坐标变换，即获得A点在“球体坐标系”中的坐标，这样就可以实现对球体旋转位置的定位，读出观测点A在地球表面的经纬度，从而判断出现在观看的是地球表面的什么区域，或者什么国家。

通过三轴地磁传感器和三轴加速度传感器可以获得六个量：(g_X g_Y g_Z)、(n_X n_Y n_Z)，其中对各个量经过归一化，就可以得到环境坐标系中的G、N这两个轴在“球体坐标系”中的单位矢量G(g_X g_Y g_Z)，N(n_X n_Y n_Z)。可以通过M＝G×N得到M轴在“球体坐标系”中的单位矢量M(m_X m_Y m_Z)。

由空间坐标变换公式可以得到A点在“球体坐标系”中的坐标为

$\left(\begin{array}{ccc}{a}_X& a_Y& a_Z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{a}_G& a_N& a_M\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}{g}_X& g_Y& g_Z\\ n_X& n_Y& n_Z\\ m_X& m_Y& m_Z\end{array}\right)$ 式(1)

于是得到了A点在“球体坐标系”中的坐标A(a_X a_Y a_Z)。

接下来就可以通过A点在“球体坐标系”中的坐标A(a_X a_Y a_Z)获得A点在球面上的经纬度，最终实现定位。这个计算过程类似于直角坐标换成极坐标的算法。具体公式如下：

式(2)

式(3)

但在实际情况中，磁场方向几乎不可能与地面水平(除了赤道附近)，因此三轴地磁传感器的输出N(n_X n_Y n_Z)并不代表地磁场在水平方向上的分量。然而可以通过下式变换得到，地磁场在水平方向上的分量：

N′＝(G×N)×G                         式(4)

其中，G为G(g_X g_Y g_Z)，N为N(n_X n_Y n_Z)。这样得到的N’即为地磁场在水平方向上的分量。然后再经过归一化，就可以得到环境坐标系坐标轴N在球体坐标系中的正确的单位矢量了。这样，在前面的推导中，只需将N替换成式(4)中的N’，即可。

此处我们也可以进行进一步的拓展，当控制器的外壳为非球体的时候，我们仍然可以通过同样的方法计算出空间矢量，再通过对控制器的外壳进行建模，就可以得出不同形状的外壳上的点的坐标。

通过将前后两个时刻的空间坐标相减可以轻易得出球体转动的方向，从而同时可以对球体转动方向定义不同动作，从而可以作为一种新的展示手段来呈现给用户。

通过此算法，能够测量球体-180°至+180°的水平角，-90°至+90°的俯仰角，-180°至+180°的滚转角，即全方位无盲角地自由旋转位置的测量，同时系统简单，信号稳定，有着广泛的应用前景。显然，视点39就是要展示信息的地址，即参展国家或地区，根据所得地址，便可从PC2上找到存储相对应展示信息的数据存储区域，并将展示信息在显示屏中显示出来。

实施例二：

参照图7，显示的是本发明的另一个实施例。当本系统的外壳为汽车模型时，方法同前一个实施例，首先在PC2中存储与汽车相关的展示信息，然后在控制器3′表面建立视点39′，用户通过旋转汽车模型控制器3′，控制器3′中的三轴加速度传感器30′及三轴地磁传感器31′可以得到重力加速度和地磁场的若干个分量；根据所述PC2中预存储的所述控制器表面的定点，确定所述控制器表面处于所需视点位置的定点，并根据该定点确定表面所有的定点位置，并根据定点的位置信息，与所述PC2中预存储的展示信息相关联；最后在显示屏1′中展示不同的与汽车相关的展示信息。图中控制器3′外壳形状为小型汽车模型，可以手持方式握持。传感器模块30′、31′、开关模块32′、电池模块33′、单片机模块34′、无线收/发模块35′等模块固定在汽车外壳控制器3′的内壁，位置如图7所示。开关模块32′与电池模块33′以有线方式连接，再与其他电路有线相连，控制汽车外壳控制器3′的运行和停止。用户可以任意旋转、摇晃和拍击此汽车外壳控制器3′。传感器模块30′、31′将实时采集汽车外壳控制器3′的旋转位置信息，同时传感器模块30′、31′中的三轴加速度传感器31′还可以同时检测用户对控制器的摇晃和拍击动作所产生的加速度，并将这些数据送给单片机模块34′进行数据处理，并将计算得到的控制器旋转位置数据、拍击次数和摇晃的判断，通过无线收/发模块35′，送给外部的PC2，调用存储器中的与控制器动作相对应的展示信息，在显示屏1中显示出来，完成汽车及汽车部件相关的多媒体信息的查询和展示功能。

参照图8，显示的是图7所示实施例中控制器3′内各模块工作示意图。

电池模块33′通过开关模块32′给整个电路供电。传感器模块30′，31′将采集到的用户操作信息送给单片机模块34′，再通过无线收/发模块35′将信息送给PC2.

上述实施例是为了更好说明本发明，而不是用来限定本发明的范围。例如，第一个实施例是一个构成地球展示仪的结构。当然，只要改动其在PC2中的展示信息，就很容易改为“世界地理”教学仪或“世界史”教学仪；若改动球面示图为人体器官，PC 2中储存人体器官解剖信息，则可成为人体生理学教学仪。如此，足见本发明适用范围之广。

Claims (10)

1.一种展示系统，其特征在于，包括：具有转动功能的控制器，用于采集重力加速度信号及地磁场信号，得到重力加速度和地磁场的若干个分量；存储有展示信息的PC机或处理器，用于接收所述控制器得到的重力加速度和地磁场的若干个所述分量，并根据所述PC机或处理器中预存储的所述控制器表面的定点，确定所述控制器表面处于所需视点位置的定点，并根据该定点确定表面所有的定点位置，并根据定点的位置信息，与所述PC机或处理器中预存储的展示信息相关联；显示屏或显示器，用于接收所述PC机或处理器得到的定点信息及与之相关联的展示信息，并显示。

2.按照权利要求1所述的展示系统，其特征在于，在所述控制器内部或表面固定一用于采集重力加速度若干分量的三轴加速度传感器及一用于采集地磁场若干分量的三轴地磁传感器。

3.按照权利要求2所述的展示系统，其特征在于，所述控制器包括：一单片机，用于将所述三轴地磁传感器和所述三轴加速度传感器的采集到的数据转化为所述PC机或处理器能够接受的信号，并通过一无线或有线模块，发送给所述PC机或处理器。

4.按照权利要求2或3所述的展示系统，其特征在于，所述控制器还包括：用于给控制器内各模块供电的电池模块及用于启动和关闭控制器内各模块工作的开关模块。

5.按照权利要求1所述的展示系统，其特征在于，所述控制器表面具有能够直接获得用户触摸及点击操作的触摸模块，并将相应操作信息通过所述无线或有线模块发送给所述PC机或处理器，并获取与所述触摸及点击操作相对应的显示信息，在所述显示屏或显示器中显示。

6.一种展示方法，采用上述任一项所述的展示系统，其特征在于，包括以下步骤：

S1建立具有转动功能的控制器，在所述控制器表面预设一个视点，并在所述PC机或处理器中预存储所述控制器表面定点信息。

S2所述控制器，由所述三轴地磁传感器及三轴加速度传感器采集到地磁场及重力的若干分量，并将数据送给所述PC机或处理器。

S3所述PC机或处理器根据所述地磁场及重力的若干分量，经计算获得所述控制器的旋转位置，并经计算确定所述控制器表面处于所述视点位置的定点的位置，得到所述视点对应的定点信息及与之相关联的展示信息。

S4所述显示屏或显示器显示所述视点对应的定点信息及与之相关联的展示信息。

7.按照权利要求6所述的展示方法，其特征在于，通过下述公式，利用采集的地磁场及重力的若干分量N(n_X n_Y n_Z)、G(g_X g_Y g_Z)，计算得出所述控制器表面处于所述视点位置(a_G a_N a_M)所对应的定点坐标矢量(a_X a_Y a_Z)：

N′＝(G×N)×G

其中N′是地磁场在水平方向上的分量

$N=\frac{N^{\′}}{\left|N^{\′}\right|}$

上式使N(n_X n_Y n_Z)与N′的归一化矢量相等

M＝G×N

上式计算得出与N(n_X n_Y n_Z)、G(g_X g_Y g_Z)均垂直的单位矢量M(m_X m_Y m_Z)

$\left(\begin{array}{ccc}{a}_X& a_Y& a_Z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{a}_G& a_N& a_M\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}{g}_X& g_Y& g_Z\\ n_X& n_Y& n_Z\\ m_X& m_Y& m_Z\end{array}\right)$

(a_X a_Y a_Z)即为视点所对应的控制器表面定点所对应的向量，并由此确定与此定点相对应的展示信息。

8.按照权利要求7所述的展示方法，其特征在于，进一步通过表面定点的坐标向量(a_X a_Y a_Z)及以下公式，得到外形为球形的控制器表面定点所对应的经纬度信息，确定所述视点对应的球体表面区域：

其中，

为纬度，θ为经度。

9.按照权利要求6所述的展示方法，其特征在于，所述PC机或处理器中的计算，即通过所述地磁场及重力的若干分量计算所述定点坐标矢量及确定所述视点对应的定点信息及与之相关联的展示信息，也可以在所述控制器中的所述单片机中完成，然后直接将展示信息送至显示器中显示。

10.按照权利要求6所述的展示方法，其特征在于，通过所述控制器中的所述三轴加速度传感器，同时采集用户拍击及晃动控制器所产生的加速度的变化量，并将变化量通过所述无线或有线模块送至所述PC机或处理器中，得到与所述拍击及晃动操作相关联的展示信息，在所述显示屏或显示器中显示。

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