CN107807738B - 一种用于vr显示眼镜的头部动作捕捉系统及方法 - Google Patents

一种用于vr显示眼镜的头部动作捕捉系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于VR显示眼镜的头部动作捕捉系统，本系统通过将电磁场辐射器分别安装在VR眼镜和VR眼镜使用者肩部上，然后分别向其他电磁场辐射器发送信号，电磁场辐射器将接收的信号传输至处理器进行处理，处理器测量VR眼镜使用者肩部上的电磁场辐射器对参考坐标原点电磁场辐射器的接收信号电压幅度变化大小，然后计算出VR眼镜使用者肩部上的电磁场辐射器相对于原点电磁场辐射器的坐标信息；处理器基于VR眼镜上的电磁场辐射器与VR眼镜使用者肩部上的电磁场辐射器的距离和角度关系，获得VR眼镜上的电磁场辐射器的运动轨迹，基于运动轨迹通过坐标传递计算，获得VR眼镜上的电磁场辐射器相对于坐标原点的坐标信息。

Description

一种用于VR显示眼镜的头部动作捕捉系统及方法
技术领域
本发明涉及动作采集领域，具体涉及一种用于VR显示眼镜的头部动作捕捉系统及方法。
背景技术
虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学人机接口技术多媒体技术传感技术网络技术等多种技术的集合，是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。虚拟现实技术(VR)主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知。自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入作出实时响应，并分别反馈到用户的五官。传感设备是指三维交互设备。
目前主流的VR眼镜动作捕捉方式包括光学和加速度计两种。前者采用眼镜上分布的多个光标，在设置的光学照射环境中用摄像头对眼镜的姿态和位置进行捕捉，其优点是精度高，缺点是光标可能在某些动作中被遮挡，另外由于摄像头对视频处理消耗的硬件资源较多，处理成本高，处理速度慢；后者采用在眼镜上设置多个加速度计标记，通过对这些标记的位置变化趋势进行计算得出眼镜自身的位置和速度信息，其优点是不需要外设光学照射环境和摄像头等外部设备，但缺点是因为相对误差一直积累，需要定时校准。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的VR眼镜动作捕捉系统需要在外部提前布设光学识别系统，成本较高，而采用加速度传感器的VR眼镜动作捕捉系统由于误差一直累积，需要频繁校准，目的在于提供一种用于VR显示眼镜的头部动作捕捉系统，解决现有的VR眼镜动作捕捉系统需要在外部提前布设光学识别系统，成本较高，而采用加速度传感器的VR眼镜动作捕捉系统由于误差一直累积，需要频繁校准的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种用于VR显示眼镜的头部动作捕捉系统，包括VR眼镜和安装在人躯干上的原点电磁场辐射器，还包括与VR眼镜匹配的位置传感系统，所述位置传感系统包括多个安装在VR眼镜上的电磁场辐射器和多个穿戴在VR眼镜使用者肩部的电磁场辐射器；位置传感系统用于捕捉VR眼镜的姿态，将VR眼镜的姿态发送给VR的处理器。本系统通过将电磁场辐射器分别安装在VR眼镜和VR眼镜使用者肩部上，然后分别向其他电磁场辐射器发送信号，电磁场辐射器将接收的信号传输至处理器进行处理，处理器测量VR眼镜使用者肩部上的电磁场辐射器对参考坐标原点电磁场辐射器的接收信号电压幅度变化大小，然后计算出VR眼镜使用者肩部上的电磁场辐射器相对于原点电磁场辐射器的坐标信息；处理器基于VR眼镜上的电磁场辐射器与VR眼镜使用者肩部上的电磁场辐射器的距离和角度关系，获得VR眼镜上的电磁场辐射器的运动轨迹，基于运动轨迹通过坐标传递计算，获得VR眼镜上的电磁场辐射器相对于坐标原点的坐标信息；处理器基于安装在VR眼镜上的电磁场辐射器和VR眼镜使用者肩部上的电磁场辐射器相对于坐标原点的实时坐标信息，获得VR眼镜姿态实时信息。
所述位置传感系统通过通信电缆与VR的处理器进行通信。通信电缆由一对以上相互绝缘的导线绞合而成。通信电缆具有通信容量大、传输稳定性高、保密性好、少受自然条件和外部干扰影响等优点，适合在电磁场中使用。
所述VR眼镜上的电磁场辐射器的数量为4-10个。所述穿戴在VR眼镜使用者肩部的电磁场辐射器的数量为4-6个。所述4-6个电磁场辐射器沿水平方向均匀分布在使用者的肩部。采用上述分布的电磁场辐射器既能保证数据的精度，也不会增加太多使用者的负重，同时节约成本。
所述电磁场辐射器为具有发送和接收功能的近场电磁场辐射器。电磁场辐射器既作发射又作接收用,被测位置电磁场辐射器将发射波形产生电路的信号辐射到四周形成一个局部场分布，测量位置电磁场辐射器接收该模拟信号，经放大电路放大后，由数据采集卡采集后转换为数字信号，经过数字滤波处理，入信号处理电路进行计算处理。
一种用于VR显示眼镜的头部动作捕捉方法，包括以下步骤：
A、在使用者躯干上设置坐标原点，在坐标原点设置电磁场辐射器；将穿戴在VR眼镜使用者肩部的电磁场辐射器作为一类电磁场辐射器；将安装在VR眼镜上的电磁场辐射器作为二类电磁场辐射器；
B、测量一类电磁场辐射器对参考坐标原点处电磁场辐射器的接收信号电压幅度变化大小,计算出一类电磁场辐射器相对于原点的坐标信息；
C基于二类电磁场辐射器与一类电磁场辐射器的距离和角度关系，获得二类电磁场辐射器的运动轨迹，基于运动轨迹通过坐标传递计算，获得二类电磁场辐射器相对于坐标原点的坐标信息；
D、基于二类电磁场辐射器和一类电磁场辐射器相对于坐标原点的实时坐标信息，获得VR眼镜姿态的实时信息。
将两类电磁场辐射器分别安装在VR眼镜和VR眼镜使用者肩部上，然后分别向其他电磁场辐射器发送信号，电磁场辐射器将接收的信号传输至处理器进行处理，处理器测量一类电磁场辐射器对参考坐标原点处电磁场辐射器的接收信号电压幅度变化大小，然后计算出一类电磁场辐射器相对于原点的坐标信息；处理器基于二类电磁场辐射器与一类电磁场辐射器的距离和角度关系，获得二类电磁场辐射器的运动轨迹，基于运动轨迹通过坐标传递计算，获得二类电磁场辐射器相对于坐标原点的坐标信息；处理器基于二类电磁场辐射器和一类电磁场辐射器相对于坐标原点的实时坐标信息，获得VR眼镜姿态实时信息。
测量一类电磁场辐射器对参考坐标原点处电磁场辐射器的接收信号电压幅度变化大小，基于电压幅度与坐标的对应关系，计算出一类电磁场辐射器相对于原点的坐标信息。
获得二类电磁场辐射器与一类电磁场辐射器的距离和角度关系，具体包括：
当二类电磁场辐射器2H发射信号，一类电磁场辐射器1G和1F接收信号；测量出1G和1F接收的信号强度Vout1G和Vout1F；基于Vout1G和Vout1F计算出多个2H与1G的距离r和夹角θ值；基于预设r和θ的约束条件对计算出的多个2H与1G的距离r和夹角θ值进行约束，获得最终2H与1G的距离r和夹角θ关系。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种用于VR显示眼镜的头部动作捕捉系统，不存在一直积累的相对误差，不需要频繁的进行校准；
2、本发明一种用于VR显示眼镜的头部动作捕捉系统，不需要在外部架设其他的设备，便于使用、安装和普及；
3、本发明一种用于VR显示眼镜的头部动作捕捉系统，独立于原有的VR显示眼镜，可以在现有系统上加装。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-肩部支撑架；101-一类电磁场辐射器；2-头部支撑架；201-二类电磁场辐射器；3-通信电缆；4-插接口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，本发明一种用于VR显示眼镜的头部动作捕捉系统，包括VR眼镜和安装在人躯干上的原点电磁场辐射器，还包括与VR眼镜匹配的位置传感系统，所述位置传感系统包括多个安装在VR眼镜上的电磁场辐射器和多个穿戴在VR眼镜使用者肩部的电磁场辐射器；位置传感系统用于捕捉VR眼镜的姿态，将VR眼镜的姿态发送给VR的处理器。本系统通过将电磁场辐射器分别安装在VR眼镜和VR眼镜使用者肩部上，然后分别向其他电磁场辐射器发送信号，电磁场辐射器将接收的信号传输至处理器进行处理，处理器测量VR眼镜使用者肩部上的电磁场辐射器对参考坐标原点电磁场辐射器的接收信号电压幅度变化大小，然后计算出VR眼镜使用者肩部上的电磁场辐射器相对于原点电磁场辐射器的坐标信息；处理器基于VR眼镜上的电磁场辐射器与VR眼镜使用者肩部上的电磁场辐射器的距离和角度关系，获得VR眼镜上的电磁场辐射器的运动轨迹，基于运动轨迹通过坐标传递计算，获得VR眼镜上的电磁场辐射器相对于坐标原点的坐标信息；处理器基于安装在VR眼镜上的电磁场辐射器和VR眼镜使用者肩部上的电磁场辐射器相对于坐标原点的实时坐标信息，获得VR眼镜姿态实时信息。所述位置传感系统通过通信电缆3与VR的处理器进行通信。通信电缆3由一对以上相互绝缘的导线绞合而成。通信电缆3具有通信容量大、传输稳定性高、保密性好、少受自然条件和外部干扰影响等优点，适合在电磁场中使用。所述VR眼镜上的电磁场辐射器的数量为8个。所述穿戴在VR眼镜使用者肩部的电磁场辐射器的数量为5个。所述5个电磁场辐射器沿水平方向均匀分布在使用者的肩部。采用上述分布的电磁场辐射器既能保证数据的精度，也不会增加太多使用者的负重，同时节约成本。所述电磁场辐射器为具有发送和接收功能的近场电磁场辐射器。电磁场辐射器既作发射又作接收用,被测位置电磁场辐射器将发射波形产生电路的信号辐射到四周形成一个局部场分布，测量位置电磁场辐射器接收该模拟信号，经放大电路放大后，由数据采集卡采集后转换为数字信号，经过数字滤波处理，入信号处理电路进行计算处理。所述系统还可以通过与位置传感系统连接的插接口4与其他设备匹配。
实施例2
一种用于VR显示眼镜的头部动作捕捉方法，包括以下步骤：
A、在使用者躯干上设置坐标原点，在坐标原点设置电磁场辐射器；将穿戴在VR眼镜使用者肩部的电磁场辐射器作为一类电磁场辐射器101；将安装在VR眼镜上的电磁场辐射器作为二类电磁场辐射器201；其中一类电磁场辐射器101通过肩部支撑架1安装在使用者肩部；二类电磁场辐射器201直接设置在VR眼镜上或通过头部支撑架2固定在使用者头部；
B、测量一类电磁场辐射器101对参考坐标原点处电磁场辐射器的接收信号电压幅度变化大小,计算出一类电磁场辐射器101相对于原点的坐标信息；
C基于二类电磁场辐射器201与一类电磁场辐射器101的距离和角度关系，获得二类电磁场辐射器201的运动轨迹，基于运动轨迹通过坐标传递计算，获得二类电磁场辐射器201相对于坐标原点的坐标信息；
D、基于二类电磁场辐射器201和一类电磁场辐射器101相对于坐标原点的实时坐标信息，获得VR眼镜姿态的实时信息。
将两类电磁场辐射器分别安装在VR眼镜和VR眼镜使用者肩部上，然后分别向其他电磁场辐射器发送信号，电磁场辐射器将接收的信号传输至处理器进行处理，处理器测量一类电磁场辐射器101对参考坐标原点处电磁场辐射器的接收信号电压幅度变化大小，然后计算出一类电磁场辐射器101相对于原点的坐标信息；处理器基于二类电磁场辐射器201与一类电磁场辐射器101的距离和角度关系，获得二类电磁场辐射器201的运动轨迹，基于运动轨迹通过坐标传递计算，获得二类电磁场辐射器201相对于坐标原点的坐标信息；处理器基于二类电磁场辐射器201和一类电磁场辐射器101相对于坐标原点的实时坐标信息，获得VR眼镜姿态实时信息。
二类电磁场辐射器201与一类电磁场辐射器101的相对位置计算方法如下：
根据电磁场感应电压计算公式：
式中dB为磁通密度元，单位为特斯拉(T)(Tesla)，一个特斯拉等于每平方米一个韦伯(Weber)(Wb/m2)；dl为电流方向的导线线元；aR为由dl指向点P的单位矢量；R为从电流元dl到点P的距离；k为比例常数。
测量一类电磁场辐射器101对参考坐标原点处电磁场辐射器的接收信号电压幅度变化大小，基于电压幅度与坐标的对应关系，计算出一类电磁场辐射器101相对于原点的坐标信息。
获得二类电磁场辐射器201与一类电磁场辐射器101的距离和角度关系，具体包括：
当二类电磁场辐射器201-2H发射信号，一类电磁场辐射器101-1G和1F接收信号；测量出1G和1F接收的信号强度Vout1G和Vout1F；基于Vout1G和Vout1F计算出多个2H与1G的距离r和夹角θ值；基于预设r和θ的约束条件对计算出的多个2H与1G的距离r和夹角θ值进行约束，获得最终2H与1G的距离r和夹角θ关系。
当2H发射信号，1G和1F接收信号时，测量出的信号强度Vout1G和Vout1F，也对应了2H与1G的距离r和夹角θ关系，即：
Vout1G＝f(r1,θ1)
4<r1<8；
0<θ1<130；
Vout1F＝f(r2,θ2)
6<r2<10；
0<θ2<130；
其中，r1为1G与2H的距离,θ1为1G与2H的夹角；r2为1F与2H的距离；θ2为1F与2H的夹角。其中函数f(r,θ)的计算公式如下
其中A为电压转换系数，是一个与电磁场辐射器电路结构有关的常数；μ为空气磁导率；N2，N1为发送和接收端的电磁场辐射器线圈匝数；C1，C2是沿发送接收线圈回路上的积分；θ为发送和接收线圈的夹角；r为发送和接收线圈电流元的距离，dl1和dl2均为积分单元。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于VR显示眼镜的头部动作捕捉系统，包括VR眼镜和安装在人躯干上的原点电磁场辐射器，其特征在于，还包括与VR眼镜匹配的位置传感系统，所述位置传感系统包括多个安装在VR眼镜上的电磁场辐射器和多个穿戴在VR眼镜使用者肩部的电磁场辐射器；位置传感系统用于捕捉VR眼镜的姿态，将VR眼镜的姿态发送给VR的处理器；
通过将电磁场辐射器分别安装在VR眼镜和VR眼镜使用者肩部上，然后分别向其他电磁场辐射器发送信号，电磁场辐射器将接收的信号传输至处理器进行处理，处理器测量VR眼镜使用者肩部上的电磁场辐射器相对于坐标原点电磁场辐射器的接收信号电压幅度变化大小，然后计算出VR眼镜使用者肩部上的电磁场辐射器相对于坐标原点电磁场辐射器的坐标信息；处理器基于VR眼镜上的电磁场辐射器与VR眼镜使用者肩部上的电磁场辐射器的距离和角度关系，获得VR眼镜上的电磁场辐射器的运动轨迹，基于运动轨迹通过坐标传递计算，获得VR眼镜上的电磁场辐射器相对于坐标原点的坐标信息；处理器基于安装在VR眼镜上的电磁场辐射器和VR眼镜使用者肩部上的电磁场辐射器相对于坐标原点的实时坐标信息，获得VR眼镜姿态实时信息；
测量一类电磁场辐射器对参考坐标原点处电磁场辐射器的接收信号电压幅度变化大小，基于电压幅度与坐标的对应关系，计算出一类电磁场辐射器相对于原点的坐标信息；
获得二类电磁场辐射器与一类电磁场辐射器的距离和角度关系，具体包括：
当二类电磁场辐射器2H发射信号，一类电磁场辐射器1G和1F接收信号；测量出1G和1F接收的信号强度Vout1G和Vout1F；基于Vout1G和Vout1F计算出多个2H与1G的距离r和夹角θ值；基于预设r和θ的约束条件对计算出的多个2H与1G的距离r和夹角θ值进行约束，获得最终2H与1G的距离r和夹角θ关系；
当2H发射信号，1G和1F接收信号时，测量出的信号强度Vout1G和Vout1F，也对应了2H与1G的距离r和夹角θ关系，即：
Vout1G＝f(r1,θ1)
4<r1<8；
0<θ1<130；
Vout1F＝f(r2,θ2)
6<r2<10；
0<θ2<130；
其中，r1为1G与2H的距离,θ1为1G与2H的夹角；r2为1F与2H的距离；θ2为1F与2H的夹角；其中函数f(r,θ)的计算公式如下：
其中A为电压转换系数，是一个与电磁场辐射器电路结构有关的常数；μ为空气磁导率；N2，N1为发送和接收端的电磁场辐射器线圈匝数；C1，C2是沿发送接收线圈回路上的积分；θ为发送和接收线圈的夹角；r为发送和接收线圈电流元的距离，dl1和dl2均为积分单元。
2.根据权利要求1所述的一种用于VR显示眼镜的头部动作捕捉系统，其特征在于，所述位置传感系统通过通信电缆与VR的处理器进行通信。
3.根据权利要求1所述的一种用于VR显示眼镜的头部动作捕捉系统，其特征在于，所述VR眼镜上的电磁场辐射器的数量为4-10个。
4.根据权利要求1所述的一种用于VR显示眼镜的头部动作捕捉系统，其特征在于，所述穿戴在VR眼镜使用者肩部的电磁场辐射器的数量为4-6个。
5.根据权利要求4所述的一种用于VR显示眼镜的头部动作捕捉系统，其特征在于，所述4-6个电磁场辐射器沿水平方向均匀分布在使用者的肩部。
6.根据权利要求1所述的一种用于VR显示眼镜的头部动作捕捉系统，其特征在于，所述电磁场辐射器为具有发送和接收功能的近场电磁场辐射器。
7.一种用于VR显示眼镜的头部动作捕捉方法，其特征在于，该方法应用于如权利要求1至6中任一所述的一种用于VR显示眼镜的头部动作捕捉系统；包括以下步骤：
A、在使用者躯干上设置坐标原点，在坐标原点设置电磁场辐射器；将穿戴在VR眼镜使用者肩部的电磁场辐射器作为一类电磁场辐射器；将安装在VR眼镜上的电磁场辐射器作为二类电磁场辐射器；
B、测量一类电磁场辐射器相对于坐标原点处电磁场辐射器的接收信号电压幅度变化大小,计算出一类电磁场辐射器相对于坐标原点的坐标信息；
C、基于二类电磁场辐射器与一类电磁场辐射器的距离和角度关系，获得二类电磁场辐射器的运动轨迹，基于运动轨迹通过坐标传递计算，获得二类电磁场辐射器相对于坐标原点的坐标信息；
D、基于二类电磁场辐射器和一类电磁场辐射器相对于坐标原点的实时坐标信息，获得VR眼镜姿态的实时信息。
8.根据权利要求7所述的一种用于VR显示眼镜的头部动作捕捉方法，其特征在于，测量一类电磁场辐射器对参考坐标原点处电磁场辐射器的接收信号电压幅度变化大小，基于电压幅度与坐标的对应关系，计算出一类电磁场辐射器相对于原点的坐标信息。
9.根据权利要求7所述的一种用于VR显示眼镜的头部动作捕捉方法，其特征在于，获得二类电磁场辐射器与一类电磁场辐射器的距离和角度关系，具体包括：当二类电磁场辐射器2H发射信号，一类电磁场辐射器1G和1F接收信号；测量出1G和1F接收的信号强度Vout1G和Vout1F；基于Vout1G和Vout1F计算出多个2H与1G的距离r和夹角θ值；基于预设r和θ的约束条件对计算出的多个2H与1G的距离r和夹角θ值进行约束，获得最终2H与1G的距离r和夹角θ关系。
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