CN106598230A - 一种虚拟现实头盔及追踪其空间姿态信息的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种追踪虚拟现实头盔空间姿态信息的方法和装置及一种虚拟现实头盔，该装置包括：数据采集单元，用于实时采集姿态传感器的数据；数据校正单元，用于对采集的陀螺仪数据进行校正，避免零漂现象的不良影响；状态判断单元，用于判断虚拟现实头盔是否处于静止状态；数据融合单元，用于当虚拟现实头盔未处于静止状态时，利用采集的磁力计数据和加速度计数据与校正后的陀螺仪数据融合出空间姿态信息；姿态信息输出单元，用于当虚拟现实头盔处于静止状态时，上报空间姿态未变化的信息，不需要进行姿态融合运算，节省了时间和处理资源，当虚拟现实头盔未处于静止状态时，上报融合出的空间姿态信息，降低环境因素的干扰，提高追踪的精确性。

Description

一种虚拟现实头盔及追踪其空间姿态信息的方法和装置

技术领域

本发明涉及虚拟现实技术领域，具体涉及一种追踪虚拟现实头盔空间姿态信息的方法和装置及一种虚拟现实头盔。

背景技术

对头部位置姿态的实时跟踪技术是虚拟现实头盔的关键技术之一。现有的追踪虚拟现实头盔空间姿态信息的方案，在获取姿态传感器的数据的过程中，没有对数据进行过处理，往往直接使用姿态传感器输出的数据，但是姿态传感器输出的数据带有噪声、抖动、以及零漂等现象，利用这些数据运算获取的空间四元数或欧拉角与虚拟现实头盔实际的空间姿态之间有较大的误差。

发明内容

本发明提供了一种追踪虚拟现实头盔空间姿态信息的方法和装置及一种虚拟现实头盔，以降低姿态传感器自身噪声以及外界环境因素的干扰，提高追踪虚拟现实头盔空间姿态信息的精确性。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种追踪虚拟现实头盔空间姿态信息的装置，包括：数据采集单元、数据校正单元、状态判断单元、数据融合单元以及姿态信息输出单元；

所述数据采集单元，用于实时采集所述虚拟现实头盔中的姿态传感器输出的数据，所述姿态传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计；

所述数据校正单元，用于对所述数据采集单元采集到的陀螺仪数据进行校正，得到校正后的陀螺仪数据；

所述状态判断单元，用于根据校正后的陀螺仪数据判断所述虚拟现实头盔是否处于静止状态；

所述数据融合单元，用于当所述状态判断单元判断所述虚拟现实头盔未处于静止状态时，利用所述数据采集单元采集到的磁力计数据和加速度计数据与经过所述数据校正单元校正后的陀螺仪数据融合出空间姿态信息；

所述姿态信息输出单元，用于当所述状态判断单元判断所述虚拟现实头盔处于静止状态时，向所述虚拟现实头盔上报空间姿态未发生变化的信息；以及当所述状态判断单元判断所述虚拟现实头盔未处于静止状态时，向所述虚拟现实头盔上报所述数据融合单元融合出的空间姿态信息。

根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种虚拟现实头盔，包括姿态传感器以及上述的追踪虚拟现实头盔空间姿态信息的装置，所述姿态传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计。

根据本发明的又一个方面，本发明提供了一种追踪虚拟现实头盔空间姿态信息的方法，包括：

实时采集所述虚拟现实头盔中的姿态传感器输出的数据，所述姿态传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计；

对采集到的陀螺仪数据进行校正，得到校正后的陀螺仪数据；

根据校正后的陀螺仪数据判断虚拟现实头盔是否处于静止状态；

当判断虚拟现实头盔处于静止状态时，向虚拟现实头盔上报空间姿态未发生变化的信息；

当判断虚拟现实头盔未处于静止状态时，利用采集到的磁力计数据和加速度计数据与校正后的陀螺仪数据融合出空间姿态信息，并上报给所述虚拟现实头盔。

本发明的有益效果是：本发明实施例采集并校正了姿态传感器输出的陀螺仪数据，避免零漂现象影响追踪空间姿态信息的精确性；根据校正后的陀螺仪数据判断虚拟现实头盔是否处于静止状态，若虚拟现实头盔未处于静止状态，则利用采集到的磁力计数据和加速度计数据与校正后的陀螺仪数据融合出空间姿态信息，降低外界环境因素的干扰，提高追踪虚拟现实头盔空间姿态信息的精确性；若虚拟现实头盔处于静止状态，则不需要进行进一步的姿态融合运算，直接上报空间姿态未发生变化的信息即可，节省了时间和处理资源。

附图说明

图1是本发明一个实施例提供的一种追踪虚拟现实头盔空间姿态信息的装置的功能框图；

图2是本发明一个实施例提供的一种虚拟现实头盔的功能框图；

图3是本发明一个实施例提供的一种追踪虚拟现实头盔空间姿态信息的方法的流程图；

图4是本发明一个实施例中判断虚拟现实头盔是否处于静止状态的流程图。

具体实施方式

本发明的设计构思是：现有的追踪虚拟现实头盔空间姿态信息的方案，在获取姿态传感器的数据的过程中，没有对数据进行过处理，往往直接使用姿态传感器输出的数据，获取到的姿态信息与虚拟现实头盔实际的空间姿态之间有较大的误差。针对这种情况，本发明首先校正姿态传感器输出的陀螺仪数据，避免零漂现象影响追踪空间姿态信息的精确性；之后，根据校正后的陀螺仪数据判断虚拟现实头盔是否处于静止状态，若虚拟现实头盔未处于静止状态，则利用采集到的磁力计数据和加速度计数据与校正后的陀螺仪数据融合出空间姿态信息，降低外界环境因素的干扰，提高追踪虚拟现实头盔空间姿态信息的精确性；若虚拟现实头盔处于静止状态，则不需要进行进一步的姿态融合运算，直接上报空间姿态未发生变化的信息即可，节省了时间和处理资源。

实施例一

图1是本发明一个实施例提供的一种追踪虚拟现实头盔空间姿态信息的装置的功能框图，如图1所示，本实施例提供的追踪虚拟现实头盔空间姿态信息的装置包括：数据采集单元110、数据校正单元120、状态判断单元130、数据融合单元140以及姿态信息输出单元150。

数据采集单元110，用于实时采集虚拟现实头盔中的姿态传感器输出的数据，姿态传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计。

数据校正单元120，用于数据采集单元110采集到的陀螺仪数据进行校正，得到校正后的陀螺仪数据，避免陀螺仪数据的零漂现象。

状态判断单元130，用于根据校正后的陀螺仪数据判断虚拟现实头盔是否处于静止状态。

数据融合单元140，用于当状态判断单元130判断虚拟现实头盔未处于静止状态时，利用数据采集单元110采集到的磁力计数据和加速度计数据与经过数据校正单元120校正后的陀螺仪数据融合出空间姿态信息。

当状态判断单元130判断虚拟现实头盔处于静止状态时，姿态信息输出单元150向虚拟现实头盔上报空间姿态未发生变化的信息，不需要进行姿态融合运算，节省了时间和处理资源；当状态判断单元130判断虚拟现实头盔未处于静止状态时，姿态信息输出单元150向虚拟现实头盔上报数据融合单元融合出的空间姿态信息，空间姿态信息是由磁力计数据、加速度计数据、校正后的陀螺仪数据融合而成的，可以降低外界环境因素的干扰，提高追踪虚拟现实头盔空间姿态信息的精确性。

在一个优选实施例中，数据校正单元120包括偏移量计算模块121和校正模块122。

偏移量计算模块121，用于在追踪虚拟现实头盔空间姿态信息之前，将虚拟现实头盔静置，采集虚拟现实头盔在静止状态下输出的预定数量的陀螺仪数据，并计算这些陀螺仪数据的均值，作为校正偏移量。

校正模块122，用于将数据采集单元110实时采集到的每一个陀螺仪数据，减去偏移量计算模块121计算出的校正偏移量，得到对应的校正后的陀螺仪数据。

在另一个优选实施例中，状态判断单元130包括加权累加模块131、非加权累加模块132和判断模块133。

加权累加模块131，用于将每一个经过数据校正单元120校正后的陀螺仪数据按照预设的权值累加到预设的加权累加值中。

非加权累加模块132，用于将每一个经过数据校正单元校正后的陀螺仪数据直接累加到预设的非加权累加值中。

判断模块133，用于判断加权累加值的绝对值是否小于预设的移动边界值，若不小于则判断虚拟现实头盔未处于静止状态；若小于则进一步计算非加权累加值的均值，并判断加权累加值与非加权累加值的均值之差的绝对值是否小于预设的噪声边界值，若不小于则判断虚拟现实头盔未处于静止状态，否则判断虚拟现实头盔处于静止状态。

在又一个优选实施例中，数据融合单元140包括第一融合模块141、第二融合模块142和互补校正模块143。

第一融合模块141，用于根据数据采集单元110采集到的磁力计数据，以及经过数据校正单元120校正后的陀螺仪数据融合出第一姿态欧拉角。

第二融合模块142，用于根据数据采集单元110采集到的加速度计数据，以及经过数据校正单元120校正后的陀螺仪数据融合出第二姿态欧拉角。

互补校正模块143，用于根据预设的互补参数对第一姿态欧拉角和第二姿态欧拉角进行互补校正，得到最终的空间姿态欧拉角，作为空间姿态信息。

本实施例提供的追踪虚拟现实头盔空间姿态信息的装置，有效降低了姿态传感器自身的零漂、噪声对追踪结果的不良影响，提高了空间姿态信息追踪的精准性，极大程度地减少了由于姿态传感器自身的噪声以及设备震动等外界环境因素造成的定位偏移。

实施例二

图2是本发明一个实施例提供的一种虚拟现实头盔的功能框图，如图2所示，本实施例提供的虚拟现实头盔200包括姿态传感器210以及如上述实施例一中所述的追踪虚拟现实头盔空间姿态信息的装置220，姿态传感器210包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计。追踪虚拟现实头盔空间姿态信息的装置220可以有效降低姿态传感器210自身的零漂、噪声对追踪结果的不良影响，向虚拟现实头盔200提供更精准的空间姿态信息，极大程度地减少了由于姿态传感器210自身的噪声以及设备震动等外界环境因素造成的定位偏移。

实施例三

图3是本发明一个实施例提供的一种追踪虚拟现实头盔空间姿态信息的方法的流程图，如图3所示，本实施例提供的追踪虚拟现实头盔空间姿态信息的方法包括：

步骤S310：实时采集虚拟现实头盔中的姿态传感器输出的数据。本实施例中的姿态传感器为九轴姿态传感器，其中包括三轴陀螺仪、三轴加速度计以及三轴磁力计。

步骤S320：对采集到的陀螺仪数据进行校正，得到校正后的陀螺仪数据。

优选地，步骤S320中“对采集到的陀螺仪数据进行校正”具体包括：将实时采集到的每一个陀螺仪数据，减去预先获取的校正偏移量offset，得到对应的校正后的陀螺仪数据，从而修正姿态传感器的零漂值，减小零漂对追踪精确性的不良影响。其中的校正偏移量offset采用如下步骤预先获取：在追踪虚拟现实头盔空间姿态信息之前，将虚拟现实头盔静置，采集虚拟现实头盔在静止状态下输出的num个陀螺仪数据，其累加值为add，计算其均值add/num，作为校正偏移量offset。

步骤S330：根据校正后的陀螺仪数据，判断虚拟现实头盔是否处于静止状态。当判断虚拟现实头盔处于静止状态时，执行步骤S340；当判断虚拟现实头盔未处于静止状态时，执行步骤S350。

步骤S340：向虚拟现实头盔上报空间姿态未发生变化的信息。由于虚拟现实头盔处于静止状态，因此直接上报空间姿态未发生变化的信息即可，不需要进行任何姿态融合的运算，节省了时间和处理资源。

步骤S350：利用采集到的磁力计数据和加速度计数据与校正后的陀螺仪数据融合出空间姿态信息，并上报给虚拟现实头盔。

优选地，步骤S350中“利用采集到的磁力计数据和加速度计数据与校正后的陀螺仪数据融合出空间姿态信息”，具体包括：

根据采集到的磁力计数据和校正后的陀螺仪数据融合出第一姿态欧拉角euler_1。根据采集到的加速度计数据和校正后的陀螺仪数据融合出第二姿态欧拉角euler_2。陀螺仪动态响应特性良好，但计算姿态时会产生累积误差。磁力计和加速度计没有累积误差，但动态响应较差。因此分别使用磁力计数据和加速度计数据与校正后的陀螺仪数据进行融合，可以得到两个比较精确的姿态欧拉角euler_1和euler_2。

加速度计易受机械振动影响，而磁力计易受干扰性的本地磁场的影响，因此融合出的姿态欧拉角euler_1和euler_2往往是不同的数值，为了尽量排除环境因素的干扰，本实施例中，根据预设的互补参数k对第一姿态欧拉角euler_1和第二姿态欧拉角euler_2进行互补校正，得到最终的空间姿态欧拉角euler，作为空间姿态信息，euler＝euler_1+k(euler_2-euler_1)。

图4是本发明一个实施例中判断虚拟现实头盔是否处于静止状态的流程图，如图4所示，在一优选实施例中，步骤S330中“根据校正后的陀螺仪数据，判断虚拟现实头盔是否处于静止状态”，具体包括：

步骤S410:采集校正后的陀螺仪数据valid_data。

步骤S420：将每一个校正后的陀螺仪数据valid_data，按照预设的权值alpha累加到预设的加权累加值mov_data中，mov_data＝valid_data*alpha+mov_data*(1-alpha)。

步骤S430：将每一个校正后的陀螺仪数据valid_data直接累加到预设的非加权累加值data_sun中，data_sun＝valid_data+data_sun。

步骤S440：判断加权累加值mov_data的绝对值是否小于预设的移动边界值motion_limit，若|mov_data|≥motion_limit，则执行步骤S470，判断虚拟现实头盔未处于静止状态；若|mov_data|<motion_limit，说明|mov_data|较小，可能是因为虚拟现实头盔缓慢地移动，也可能是虚拟现实头盔处于静止状态，由于姿态传感器自身的噪声造成的，因此执行步骤S450，对两种可能的情况做进一步的判断。

步骤S450：计算非加权累加值data_sun的均值data_avg，data_avg＝data_sun/count。

步骤S460：判断加权累加值mov_data与非加权累加值的均值data_avg之差的绝对值是否小于预设的噪声边界值data_noise，若|mov_data-data_avg|≥data_noise，则说明此时虚拟现实头盔缓慢地移动，因此执行步骤S470，判断虚拟现实头盔未处于静止状态；若|mov_data-data_avg|<data_noise，则说明，校正后的陀螺仪数据非零是由于姿态传感器自身的噪声造成的，因此执行步骤S480，判断虚拟现实头盔处于静止状态。

步骤S470：判断虚拟现实头盔未处于静止状态。

步骤S480：判断虚拟现实头盔处于静止状态。

本实施例中，校正偏移量offset、权值alpha、互补参数k是通过大量实验测试验证得到的，实验的数据量越大，效果越好。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

需要说明的是：

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

本发明的追踪虚拟现实头盔空间姿态信息的装置传统上包括处理器和以存储器形式的计算机程序产品或者计算机可读介质。存储器可以是诸如闪存、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、EPROM、硬盘或者ROM之类的电子存储器。存储器具有用于执行上述方法中的任何方法步骤的程序代码的存储空间。例如，用于程序代码的存储空间可以包括分别用于实现上面的方法中的各种步骤的各个程序代码。这些程序代码可以从一个或者多个计算机程序产品中读出或者写入到这一个或者多个计算机程序产品中。这些计算机程序产品包括诸如硬盘，紧致盘(CD)、存储卡或者软盘之类的程序代码载体。这样的计算机程序产品通常为便携式或者固定存储单元。该存储单元可以类似布置的存储段、存储空间等。程序代码可以例如以适当形式进行压缩。通常，存储单元包括用于执行根据本发明的方法步骤的计算机可读代码，即可以由例如处理器读取的代码，这些代码被运行时，导致该追踪虚拟现实头盔空间姿态信息的装置执行上面所描述的方法中的各个步骤。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。单词“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。

Claims (9)

1.一种追踪虚拟现实头盔空间姿态信息的装置，其特征在于，包括：数据采集单元、数据校正单元、状态判断单元、数据融合单元以及姿态信息输出单元；

所述数据采集单元，用于实时采集所述虚拟现实头盔中的姿态传感器输出的数据，所述姿态传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计；

所述数据校正单元，用于对所述数据采集单元采集到的陀螺仪数据进行校正，得到校正后的陀螺仪数据；

所述状态判断单元，用于根据校正后的陀螺仪数据判断所述虚拟现实头盔是否处于静止状态；

所述数据融合单元，用于当所述状态判断单元判断所述虚拟现实头盔未处于静止状态时，利用所述数据采集单元采集到的磁力计数据和加速度计数据与经过所述数据校正单元校正后的陀螺仪数据融合出空间姿态信息；

所述姿态信息输出单元，用于当所述状态判断单元判断所述虚拟现实头盔处于静止状态时，向所述虚拟现实头盔上报空间姿态未发生变化的信息；以及当所述状态判断单元判断所述虚拟现实头盔未处于静止状态时，向所述虚拟现实头盔上报所述数据融合单元融合出的空间姿态信息。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据校正单元包括偏移量计算模块和校正模块；

所述偏移量计算模块，用于在追踪虚拟现实头盔空间姿态信息之前，将所述虚拟现实头盔静置，采集所述虚拟现实头盔在静止状态下输出的预定数量的陀螺仪数据；对所述预定数量的陀螺仪数据计算均值，作为校正偏移量；

所述校正模块，用于将所述数据采集单元实时采集到的每一个陀螺仪数据，减去所述偏移量计算模块计算出的校正偏移量，得到对应的校正后的陀螺仪数据。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述状态判断单元包括加权累加模块、非加权累加模块和判断模块；

所述加权累加模块，用于将每一个经过所述数据校正单元校正后的陀螺仪数据按照预设的权值累加到预设的加权累加值中；

所述非加权累加模块，用于将每一个经过所述数据校正单元校正后的陀螺仪数据直接累加到预设的非加权累加值中；

所述判断模块，用于判断加权累加值的绝对值是否小于预设的移动边界值，若不小于则判断虚拟现实头盔未处于静止状态；若小于则进一步计算非加权累加值的均值，并判断加权累加值与非加权累加值的均值之差的绝对值是否小于预设的噪声边界值，若不小于则判断所述虚拟现实头盔未处于静止状态，否则判断所述虚拟现实头盔处于静止状态。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，数据融合单元包括第一融合模块、第二融合模块和互补校正模块；

所述第一融合模块，用于根据所述数据采集单元采集到的磁力计数据，以及经过所述数据校正单元校正后的陀螺仪数据融合出第一姿态欧拉角；

所述第二融合模块，用于根据所述数据采集单元采集到的加速度计数据，以及经过所述数据校正单元校正后的陀螺仪数据融合出第二姿态欧拉角；

所述互补校正模块，用于根据预设的互补参数对所述第一姿态欧拉角和所述第二姿态欧拉角进行互补校正，得到最终的空间姿态欧拉角，作为所述空间姿态信息。

5.一种虚拟现实头盔，其特征在于，包括姿态传感器以及如权利要求1-4任一项所述的追踪虚拟现实头盔空间姿态信息的装置，所述姿态传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计。

6.一种追踪虚拟现实头盔空间姿态信息的方法，其特征在于，包括：

实时采集所述虚拟现实头盔中的姿态传感器输出的数据，所述姿态传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计；

对采集到的陀螺仪数据进行校正，得到校正后的陀螺仪数据；

根据校正后的陀螺仪数据判断虚拟现实头盔是否处于静止状态；

当判断虚拟现实头盔处于静止状态时，向虚拟现实头盔上报空间姿态未发生变化的信息；

当判断虚拟现实头盔未处于静止状态时，利用采集到的磁力计数据和加速度计数据与校正后的陀螺仪数据融合出空间姿态信息，并上报给所述虚拟现实头盔。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对采集到的陀螺仪数据进行校正得到校正后的陀螺仪数据包括：

将实时采集到的每一个陀螺仪数据，减去预先获取的校正偏移量，得到对应的校正后的陀螺仪数据；

所述校正偏移量采用如下方法预先获取：

在追踪虚拟现实头盔空间姿态信息之前，将所述虚拟现实头盔静置，采集所述虚拟现实头盔在静止状态下输出的预定数量的陀螺仪数据；对所述预定数量的陀螺仪数据计算均值，作为所述校正偏移量。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据校正后的陀螺仪数据判断虚拟现实头盔是否处于静止状态，包括：

将每一个校正后的陀螺仪数据按照预设的权值累加到预设的加权累加值中；

将每一个校正后的陀螺仪数据直接累加到预设的非加权累加值中；

判断加权累加值的绝对值是否小于预设的移动边界值，若不小于则判断虚拟现实头盔未处于静止状态；若小于则进一步计算非加权累加值的均值，并判断加权累加值与非加权累加值的均值之差的绝对值是否小于预设的噪声边界值，若不小于则判断虚拟现实头盔未处于静止状态，否则判断虚拟现实头盔处于静止状态。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述利用采集到的磁力计数据和加速度计数据与校正后的陀螺仪数据融合出空间姿态信息，具体包括：

根据采集到的磁力计数据和校正后的陀螺仪数据融合出第一姿态欧拉角；

根据采集到的加速度计数据和校正后的陀螺仪数据融合出第二姿态欧拉角；

根据预设的互补参数对所述第一姿态欧拉角和所述第二姿态欧拉角进行互补校正，得到最终的空间姿态欧拉角，作为所述空间姿态信息。