CN107422857B - 一种基于多方位运动点捕捉的光学定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多方位运动点捕捉的光学定位系统，其特征在于，主要由图像处理单元，数据信号处理单元，均与图像处理单元相连接的第一光感器、第二光感器、第三光感器和无线传输模块，以及分别与数据信号处理单元相连接的无线接收模块和主控器组成。本发明通过第一光感器、第二光感器、第三光感器从不同的方位对体验者的运动点进行捕捉，很好的解决了现有光学定位系统对运动点捕捉容易出现不到位的问题。并且通过图像处理单元和数据信号处理单元相结合的处理方式，有效的实现了对体验者的运动点进行精准的定位，从而确保了VR游戏机中的模拟动作与体验者的动作能保持一致。

Description

一种基于多方位运动点捕捉的光学定位系统

技术领域

本发明涉及一种光学定位系统，具体的说，是一种基于多方位运动点捕捉的光学定位系统。

背景技术

随着光学定位技术的不断发展，光学定位系统在军事、动画制作、游戏、步态分析、生物力学和人机工程等领域中得到了广泛的使用。其中，光学定位系统在VR游戏机中使用最为广泛，光学定位系统能对VR游戏机的体验者的运动点进行实时定位，使VR游戏机中的模拟动作与体验者的动作能保持一致。

然而，目前VR游戏机所使用的光学定位系统多采用固定捕捉的定位方式对体验者的运动点进行定位，这种定位方式在体验者的运动幅度过大时，便容易出现对体验者的运动点捕捉不到位的情况。因此，现有的VR游戏机所使用的光学定位系统容易出现对体验者的运动点捕捉不准确的问题，导致光学定位系统对体验者的运动点的定位准确度差，致使VR游戏机中的模拟动作与体验者的动作常出现不一致的情况。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的VR游戏机所使用的光学定位系统容易出现对体验者的运动点捕捉不准确的问题，提供的一种能对VR游戏机的体验者的运动点进行多方位捕捉的光学定位系统。

本发明通过以下技术方案来实现：一种基于多方位运动点捕捉的光学定位系统，由图像处理单元，数据信号处理单元，均与图像处理单元相连接的第一光感器、第二光感器、第三光感器和无线传输模块，以及分别与数据信号处理单元相连接的无线接收模块和主控器组成；所述无线传输模块与无线接收模块通过无线网络相连接；所述数据信号处理单元由与无线接收模块相连接的信号频率放大电路，与信号频率放大电路相连接的PCM译码器，与PCM译码器相连接的AD转换器，与AD转换器相连接的信号同步器，以及分别与信号同步器和主控器相连接的数据运算模块组成；所述信号频率放大电路由与无线接收模块相连接的前置放大电路，和分别与前置放大电路和PCM译码器相连接的频率调谐电路组成。

所述图像处理单元由微处理器，分别与微处理器和第一光感器相连接的第一模数转换器，分别与微处理器和第二光感器相连接的第二模数转换器，以及分别与微处理器和第三光感器相连接的第三模数转换器和PCM编码器组成；所述PCM编码器与无线传输模块相连接。

进一步的，所述前置放大电路由放大器P1，一端与放大器P1的正极相连接、另一端与无线传输模块相连接的电阻R1，正极经电阻R2后与放大器P1的负极相连接、负极接地的极性电容C1，一端与极性电容C1的正极相连接、另一端与放大器P1的输出端相连接的电阻R3，正极与极性电容C1的正极相连接负极与放大器P1的输出端相连接的极性电容C2，正极与放大器P1的正电极相连接、负极接地的极性电容C3，以及正极与放大器P1的输出端相连接、负极与频率调谐电路相连接的极性电容C4组成；所述放大器P1的正极与无线接收模块相连接；所述放大器P1的负电极与外部的直流电压的负极相连接，该放大器P1的正电极与外部的直流电压的正极相连接。

所述频率调谐电路由放大器P2，正极与放大器P2的正极相连接、负极经电阻R4后接地的极性电容C5，正极经电阻R5后与放大器P2的负极相连接、负极接地的极性电容C6，一端与放大器P2的负极相连接、另一端与放大器P2的输出端相连接的电阻R6，N极与放大器P2的输出端相连接、P极经电感L后与放大器P2的负电极相连接的二极管D2，正极与二极管D2的P极相连接、负极接地的极性电容C8，正极与二极管D2的P极相连接、负极与极性电容C8的负极相连接的极性电容C9，P极与放大器P2的输出端相连接、N极与放大器P2的正电极相连接的二极管D1，正极与放大器P2的正电极相连接、负极接地的极性电容C7，一端与二极管D1的N极相连接、另一端与极性电容C7的负极相连接的电阻R7，以及正极经电阻R8后与放大器P2的输出端相连接、负极接地的极性电容C10组成；所述放大器P2的正极与极性电容C4的负极相连接；所述放大器P2的正电极与外部直流电压的正极相连接，该放大器P2的负电极与外部直流电压的负极相连接；所述极性电容C10的正极与PCM译码器相连接。

为了确保本发明的实际使用效果，所述放大器P1和放大器P2均为OP07运算放大器。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明设置的第一光感器、第二光感器和第三光感器能从不同的方位对体验者的运动点进行捕捉，很好的解决了现有光学定位系统对运动点捕捉容易出现不到位的问题。

(2)本发明的图像处理单元设置了与第一光感器、第二光感器和第三光感器一一对应的模数转换器，图像处理单元能对第一光感器、第二光感器和第三光感器传输的信息进行一对一的转换，有效的提高了本发明对捕捉到的体验者的运动点信息处理的准确性。

(3)本发明设置的数据信号处理单元能对图像处理单元所传输的数据信号的变化进行分析处理后得到体验者的运动点值，并通过对运动点值的运算实现了对体验者的运动点进行精准的定位，从而本发明确保了VR游戏机中的模拟动作与体验者的动作的一致性。

(4)本发明的数据信号处理单元中设置的由前置放大电路和频率调谐电路组成的信号频率放大电路，其中前置放大电路能对无线传输模块输出的数据信号中的微弱信号频率进行放大，有效的减小了信号的波动；而频率调谐电路能对数据信号的带宽频率进行调整，有效的防止了信号自激干扰，使数据信号频率的功放参数更准确，从而提高了本发明对体验者的运动点定位的准确度。

附图说明

图1为本发明的整体结构框图。

图2为本发明的图像信号处理单元的结构框图。

图3为本发明的数据信号处理器的结构框图。

图4为本发明的信号频率放大电路的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1～4所示，本发明由图像处理单元，数据信号处理单元，均与图像处理单元相连接的第一光感器、第二光感器、第三光感器和无线传输模块，以及分别与数据信号处理单元相连接的无线接收模块和主控器组成。所述无线传输模块与无线接收模块通过无线网络相连接。本发明的整个系统均由外部的12V直流电源提供在电压。

其中，所述数据信号处理单元如图3所示，其由与无线接收模块相连接的信号频率放大电路，与信号频率放大电路相连接的PCM译码器，与PCM译码器相连接的AD转换器，与AD转换器相连接的信号同步器，以及与信号同步器相连接的数据运算模块组成。所述数据运算模块与主控器相连接。所述信号频率放大电路如图4所示，其由与无线接收模块相连接的前置放大电路，和与前置放大电路相连接的频率调谐电路组成。所述频率调谐电路与PCM译码器相连接。

进一步地，所述图像处理单元如图2所示，其由微处理器，分别与微处理器和第一光感器相连接的第一模数转换器，分别与微处理器和第二光感器相连接的第二模数转换器，以及分别与微处理器和第三光感器相连接的第三模数转换器和PCM编码器组成；所述PCM编码器与无线传输模块相连接。本发明的各组成电子元件的工作电压均由外部的12V直流电源所提供。所述的微处理器优先采用了深圳市鹏盛达电子有限公司所生产的S3G单片微处理器，其微处理器的I1管脚与第一模数转换器相连接，I2管脚与第二模数转换器相连接，I3管脚与第三模数转换器相连接，OUT管脚与PCM编码器相连接。

具体的实施时，第一光感器、第二光感器和第三光感器均优先采用了兰州三磊电子有限公司生产的CCD直接数字成像器，第一光感器、第二光感器和第三光感器设置在VR游戏机体验室的不同位置，使第一光感器、第二光感器和第三光感器实现多方位的对体验者的运动点的进行捕捉，即使体验者进行大范围的运动本发明设置三个光感器也能对体验者的运动点进行准确的铺捉，第一光感器、第二光感器和第三光感器并能将铺捉的信息实时的传输给图像处理单元。其图像处理单元如图2所示，该图像处理单元中的第一模数转换器、第二模数转换器、第三模数转换器与第一光感器、第二光感器和第三光感器进行有序的对应。第一模数转换器将第一光感器输出的模数信号转换为数据信号，第二模数转换器将第二光感器输出的模数信号转换为数据信号，第三模数转换器将第三光感器输出的模数信号转换为数据信号。该第一模数转换器、第二模数转换器和第三模数转换器分别将得到的数据信号传输给微处理器。该微处理器对接收的各路数字信号进行分别存储和计数，并将处理后的各组信号转换为数据信号传输给PCM编码器。该对输入的数据信号进行脉冲编码调制，使数据信号转换为脉冲序列的数字信号，PCM编码器将得到的脉冲序列的数字信号传输给无线传输模块进行存储和传输。

其中，如图1所示，无线传输模块则通过无线网络将脉冲序列的数字信号传输给远端与其配合的无线接收模块，该无线接收模块将接收的脉冲序列的数字信号传输给数据信号处理器。其数据信号处理器如图3所示，该数据信号处理器接收的中的脉冲序列的数字信号首先经信号频率放大电路对数据信号中的微弱信号频率进行放大，并对数据信号的波动进行降低，同时对数据信号的带宽频率进行调整，对数据信号的自激干扰进行抑制或消除，使数据信号频率的功放参数更合理。然后，该信号频率放大电路将处理后的脉冲序列的数字信号传输给PCM译码器，该PCM译码器采用了与PCM编码器所产生的振荡频率相同、抗干扰能力强、失真小的译码器，PCM译码器对接收的脉冲序列的数字信号进行分析处理，并将脉冲序列的数字信号转换为模拟电平信号传输给AD转换器。其次，AD转换器则将接收的模拟电平信号转换为数字电平信号，该AD转换器并将转换后的数字电平信号是给信号同步器。该信号同步器优先采用了工作频率为6.5～10.0MHz的信号同步器，信号同步器通过对数字电平信号的数字梳状信号处理，将数字电平信号的频率放大4.8倍，使信号的功率更稳定。再其次，信号同步器将处理后的数字电平信号传输给数据运算模块，该数据运算模块对接收的数字电平信号进行分析处理后得到体验者各的运动点值，通过对这些运动点值上特征点位置的变化进行分析，来判体验者的运动点的移动方向和移动距离，从而完成对体验者的运动点的准确定位。最后，数据运算模块将得到的信息传输给主控器，本发明的主控器优先采用了台式电脑，主控器将接收的信息通过其内部预装的三维成像软件进行三维成像，并将得到的三维成像通过外接的显示器进行显示。

本发明的光感器的数量在实际的使用中可根据不同的需要进行调整，其模数转换器的数量则也可根据光感器数量进行相应的调整。

本发明通过第一光感器、第二光感器、第三光感器从不同的方位对体验者的运动点进行捕捉，很好的解决了现有光学定位系统对运动点捕捉容易出现不到位的问题。并且本发明的图像处理单元通过对第一光感器、第二光感器和第三光感器传输的信息进行一对一的转换，有效的提高了本发明对捕捉到的体验者的运动点信息处理的准确性。同时，本发明通过数据信号处理单元对图像处理单元所传输的数据信号的变化进行分析处理后得到体验者的运动点值，并通过对运动点值进行运算处理后实现了对体验者的运动点进行精准的定位，从而确保了VR游戏机中的模拟动作与体验者的动作能保持一致。

进一步地，所述信号频率放大电路如图4所示，其由前置放大电路和频率调谐电路组成。其中，所述前置放大电路如图4所示，其由放大器P1，一端与放大器P1的正极相连接、另一端与无线传输模块相连接的电阻R1，正极经电阻R2后与放大器P1的负极相连接、负极接地的极性电容C1，一端与极性电容C1的正极相连接、另一端与放大器P1的输出端相连接的电阻R3，正极与极性电容C1的正极相连接负极与放大器P1的输出端相连接的极性电容C2，正极与放大器P1的正电极相连接、负极接地的极性电容C3，以及正极与放大器P1的输出端相连接、负极与频率调谐电路相连接的极性电容C4组成。

所述放大器P1的正极与无线接收模块相连接；所述放大器P1的负电极与外部的直流电压的负极相连接，该放大器P1的正电极与外部的直流电压的正极相连接。所述放大器P1的正电极和负电极上所连接的外部直流电源为12V直流电源。

具体的，为了确保前置放大电路在实际的工作中的使用效果，该电路中的放大器P1采用了型号为OP07运算放大器来实现；电阻R1采用了阻值为100kΩ的截流电阻，电阻R2采用了阻值为10kΩ的限流电阻，电阻R3采用了阻值为47kΩ的截流电阻来实现；而极性电容C1和极性电容C4均采用了容值为10μF的谐振电容，极性电容C2采用了容值为27μF的谐振电容，极性电容C3采用了容值为220μF的电流存放电容来实现。

运行时，电阻R1对无线传输模块传输的信号进行线性调整，以提高信号的线性度，电阻R1将调整后的信号传输给放大器P1，放大器P1的正极上的电平增加，此时，放大器P1的放大频率增加到原频率的2.5倍。加上，串接在放大器P1的负极与输出端之间的极性电容C2和电阻R3的所产生的10Hz共振作用，因此通过放大器P1的信号中的微频信号的频带被放大了5倍，使信号的高信号分量的频带与低信号分量的频带保持平衡。同时，输出的信号通过极性电容C4对其频率进行谐振，使信号频率稳定在固有的频率上，从而使前置放大电路实现了对无线传输模块输出的数据信号中的微弱信号的频率进行放大效果。

更进一步地，所述频率调谐电路如图4所示，其由放大器P2，正极与放大器P2的正极相连接、负极经电阻R4后接地的极性电容C5，正极经电阻R5后与放大器P2的负极相连接、负极接地的极性电容C6，一端与放大器P2的负极相连接、另一端与放大器P2的输出端相连接的电阻R6，N极与放大器P2的输出端相连接、P极经电感L后与放大器P2的负电极相连接的二极管D2，正极与二极管D2的P极相连接、负极接地的极性电容C8，正极与二极管D2的P极相连接、负极与极性电容C8的负极相连接的极性电容C9，P极与放大器P2的输出端相连接、N极与放大器P2的正电极相连接的二极管D1，正极与放大器P2的正电极相连接、负极接地的极性电容C7，一端与二极管D1的N极相连接、另一端与极性电容C7的负极相连接的电阻R7，以及正极经电阻R8后与放大器P2的输出端相连接、负极接地的极性电容C10组成。

所述放大器P2的正极与极性电容C4的负极相连接；所述放大器P2的正电极与外部直流电压的正极相连接，该放大器P2的负电极与外部直流电压的负极相连接；所述极性电容C10的正极与PCM译码器相连接。所述放大器P2的正电极和负电极上所连接的外部直流电源为12V直流电源。

为了确保频率调谐电路在实际的工作中的使用效果，该电路中的放大器P2采用了型号为OP07运算放大器来实现；电阻R4、电阻R6和电阻R8均采用了阻值为10kΩ的截流电阻，电阻R5采用了阻值为1kΩ的限流电阻，电阻R7采用了阻值为100Ω的限流电阻来实现；而极性电容C5和极性电容C6均采用了容值为10μF的谐振电容，极性电容C7采用了容值为220μF的电流存放电容，极性电容C8采用了容值为120μF的谐振电容，极性电容C9和极性电容C10采用了0.1μF的滤波电容来实现；二极管D1和二极管D2均采用了信号为1N4013的保护二极管来实现；电感L采用了电感值为50μH的电感来实现。

运行时，其频率调谐电路的开环增益为26dB，即放大倍数A＝20。电阻R4和极性电容C5组成的防高频自激电路对前置放大电路输出的信号的产生的高频自激进行抑制，使放大器P2的采样信号电平更稳定，放大器P2的负极与输出端之间所设置的电阻R6使放大器P2的负载功率＞10W，电阻R5和极性电容C6形成调频电路，该调频电路在信号频率过高时，电阻R5因受高电平的影响而温度升高，其阻值也随之而增加，使电阻R5的过电流减小，极性电容C6上的电平达不到谐振所需的电平而处于静止状态，此时，放大器P2输出信号的频率降低到采样信号频率。同时，二极管D1和电阻R7以及极性电容C7形成的保护电路，对加载到放大器P2的正电极上的工作电压进行恒压，以防止放大器P2的工作电压过高为出现不稳定的情况。二极管D2、电感L、极性电容C8和极性电容C9所形成的反馈电路能有效的确保信号频率的共振更稳定。因此，频率调谐电路实现了对输出的信号中的自激干扰信号被有效的抑制，和对信号频率进行调整的效果，从而使信号频率的功放参数更准确，有效的提高了本发明对体验者的运动点的定位准确性。

按照上述实施例，即可很好的实现本发明。

Claims (3)

1.一种基于多方位运动点捕捉的光学定位系统，其特征在于，由图像处理单元，数据信号处理单元，均与图像处理单元相连接的第一光感器、第二光感器、第三光感器和无线传输模块，以及分别与数据信号处理单元相连接的无线接收模块和主控器组成；所述无线传输模块与无线接收模块通过无线网络相连接；所述数据信号处理单元由与无线接收模块相连接的信号频率放大电路，与信号频率放大电路相连接的PCM译码器，与PCM译码器相连接的AD转换器，与AD转换器相连接的信号同步器，以及分别与信号同步器和主控器相连接的数据运算模块组成；所述信号频率放大电路由与无线接收模块相连接的前置放大电路，和分别与前置放大电路和PCM译码器相连接的频率调谐电路组成；所述前置放大电路由放大器P1，一端与放大器P1的正极相连接、另一端与无线传输模块相连接的电阻R1，正极经电阻R2后与放大器P1的负极相连接、负极接地的极性电容C1，一端与极性电容C1的正极相连接、另一端与放大器P1的输出端相连接的电阻R3，正极与极性电容C1的正极相连接负极与放大器P1的输出端相连接的极性电容C2，正极与放大器P1的正电极相连接、负极接地的极性电容C3，以及正极与放大器P1的输出端相连接、负极与频率调谐电路相连接的极性电容C4组成；所述放大器P1的正极与无线接收模块相连接；所述放大器P1的负电极与外部的直流电压的负极相连接，该放大器P1的正电极与外部的直流电压的正极相连接；

所述频率调谐电路由放大器P2，正极与放大器P2的正极相连接、负极经电阻R4后接地的极性电容C5，正极经电阻R5后与放大器P2的负极相连接、负极接地的极性电容C6，一端与放大器P2的负极相连接、另一端与放大器P2的输出端相连接的电阻R6，N极与放大器P2的输出端相连接、P极经电感L后与放大器P2的负电极相连接的二极管D2，正极与二极管D2的P极相连接、负极接地的极性电容C8，正极与二极管D2的P极相连接、负极与极性电容C8的负极相连接的极性电容C9，P极与放大器P2的输出端相连接、N极与放大器P2的正电极相连接的二极管D1，正极与放大器P2的正电极相连接、负极接地的极性电容C7，一端与二极管D1的N极相连接、另一端与极性电容C7的负极相连接的电阻R7，以及正极经电阻R8后与放大器P2的输出端相连接、负极接地的极性电容C10组成；所述放大器P2的正极与极性电容C4的负极相连接；所述放大器P2的正电极与外部直流电压的正极相连接，该放大器P2的负电极与外部直流电压的负极相连接；所述极性电容C10的正极与PCM译码器相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于多方位运动点捕捉的光学定位系统，其特征在于，所述图像处理单元由微处理器，分别与微处理器和第一光感器相连接的第一模数转换器，分别与微处理器和第二光感器相连接的第二模数转换器，以及分别与微处理器和第三光感器相连接的第三模数转换器和PCM编码器组成；所述PCM编码器与无线传输模块相连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于多方位运动点捕捉的光学定位系统，其特征在于，所述放大器P1和放大器P2均为OP07运算放大器。

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