CN110753851A - 使用传感器对对象的六自由度跟踪 - Google Patents
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Abstract
公开了启用传感器的对象。信标可以放置在环境内的固定定位处。通过分析接收到的信号，可以在整个环境内跟踪启用传感器的对象的移动。可以使用距信标的已知位置的相对距离，以便在环境内定向启用传感器的对象。可替代地，启用传感器的对象可以用于通过测量距彼此的相应的距离并将这些关系进行关联来确定移动对象的相对位置。
Description
本申请要求于2017年6月17日提交的题为“使用FMT传感器对对象的6DOF跟踪(6DOF Tracking of Objects Using FMT Sensors)”的美国临时申请序列第62/521,397号的权益，该申请的内容通过引用结合于此。
技术领域
所公开的装置和方法总体上涉及人机界面控制器的领域，并且特别地涉及3D环境内的对象的跟踪。
背景技术
近年来，随着计算能力和沉浸式可能性变得越来越普遍，虚拟现实(VR)和增强现实(AR)已经变得越来越流行。一般来说，尽管系统和方法提供了与VR和AR环境进行交互的方式，但用于与这些类型的环境进行交互的机制通常会降低沉浸性。
(快速多点触摸)FMT传感器已经基于正交调制信号在平坦和弯曲表面上实现了低等待时间触摸感测。但是，迄今为止，尚未有效地实现FMT传感器来跟踪空间中对象的位置和定向。
附图说明
从以下对附图中所示的各实施例的更为具体的描述中，本公开的前述的及其他目标、特征、和优点将变得显而易见，在附图中，各个图中的附图标记指代各个视图中的相同部分。附图不一定按比例绘制，而是着重于示出所公开实施例的原理。
图1示出了启用传感器的对象的示意图。
图2是采用启用传感器的对象和传感器的系统的示图。
图3是采用启用传感器的对象和信标的系统的示图。
图4是采用启用传感器的对象和信标的系统的示图。
图5是采用启用传感器的对象和信标的系统的示图。
图6是采用启用传感器的对象和信标的系统的示图。
图7是图示系统的使用的示图。
具体实施方式
本申请包括受版权保护的材料。版权所有者不反对任何人对本专利公开进行影印，就像它出现在专利和商标局文件或记录中，但在别的方面保留所有版权。
本申请涉及使用FMT传感器技术来跟踪空间中对象的位置和定向。在VR/AR和混合现实实现方式中，本文公开的方法和系统使得能够跟踪一个或多个启用FMT传感器的对象和/或发射频率的信标在3D空间中的位置和定向。例如，两个启用FMT传感器的手持游戏控制器在空间中的3D移动。
当前公开的系统和方法提供用于设计、制造和使用FMT传感器技术，尤其是采用基于正交信令的复用方案的传感器，所述复用方案诸如但不限于：频分复用(FDM)、码分复用(CDM)、或者结合了FDM方法和CDM方法两者的混合调制技术。本文中对频率的引用也可以指代为其他正交信号基础。由此，本申请通过引用纳入申请人于2013年3月15日提交的题为“Low-Latency Touch Sensitive Device(低等待时间触敏设备)”的在先美国专利申请第13/841,436号和2013年11月1日提交的题为“Fast Multi-Touch Post Processing(快速触摸后处理)”的美国专利申请第14/069,609号。这些申请考虑了FDM、CDM或FDM/CDM混合传感器，该FDM、CDM或FDM/CDM混合传感器可以结合当前公开的传感器使用。在这种传感器中，当来自行的信号耦合(增加)或解耦(减少)到列并且结果在该列上被接收时，触摸被感测。
本申请还采用了以下文献中公开的FMT传感器和其他接口中采用的原理：美国专利9019224B2；9811214B2；9804721B2；9710113B2；9158411B2；美国专利申请：14/466624；15/162240；15/690234；15/195675；15/200642；15/821677；以及PCT公开PCT/US2017/050547，假定熟悉其中的公开、概念和命名。这些申请的全部公开以及通过引用并入其中的申请通过引用并入本文。下面描述当前公开的传感器的细节。
如本文中使用的，并且特别是权利要求内的，诸如第一和第二的序数术语本身并不旨在意味着序列、时间或独特性，而是用于区分一个所述的构造与另一个。在上下文规定的一些用途中，这些术语可能暗示着第一和第二是唯一的。例如，在第一时间发生事件，并且在第二时间发生另一个事件的情况下，没有意图指示第一时间发生在第二时间之前。然而，在权利要求中提出了第二时间在第一时间之后的进一步限制的情况下，上下文将要求第一时间和第二时间理解为唯一的时间。类似地，在上下文如此指示的或允许的情况下，序数术语旨在被广义地解释，使得两个识别的权利要求构造可以具有相同的特征或不同的特征。由此，例如，没有进一步限制的第一频率和第二频率可以是相同频率(例如第一频率是10Mhz并且第二频率是10Mhz)，或可以是不同的频率(例如，第一频率是10Mhz并且第二频率是11Mhz)。例如，上下文可以规定第一频率和第二频率被进一步限制为在频率上彼此正交，在这种情况下，它们不可能是相同频率。
在各个实施例中，本公开涉及用于跟踪启用传感器的对象的系统和方法。在整个公开中，启用传感器的对象的各种形状和布置用于说明性目的。尽管为了说明本发明的目的而公开了示例形状和布置，但是鉴于本公开，在不脱离本文公开的范围和精神的情况下，其他形状和布置对于本领域技术人员而言将是显而易见的。
本文所使用的术语“启用传感器的对象”旨在指代经由FMT传感器可检测的和/或可交互的物理对象(诸如，例如控制器、可移动对象、身体部位等)。交互性和/或可检测性通常是通过使用信号处理器的提供的对信号的检测和分析。
在实施例中，除了本文所讨论的环境定位之外，FMT传感器还能够检测触摸和悬停。在实施例中，频率输注(注入)还用于生成附加的信号，该附加的信号可用于增强和改善环境定位以及其他类型的传感器能力。频率输注是指通过另一传导通道(例如，身体或触控笔)传送正交频率，并使这些频率被接收器检测到。频率输注可用于标识设备，诸如一支或多支触控笔，或与显示器或对象交互的手。频率输注可用于通过在FMT传感器之外传送正交频率来增加FMT传感器的感测范围和/或在FMT传感器的近距离范围内能够实现悬停感测。本文公开的系统和方法允许跟踪启用传感器的对象的3D定位和定向。
本文讨论的系统和方法使用用作发射器和接收器的天线(导体)。然而，应当理解，天线是发射器、是接收器还是两者取决于上下文和实施例。当被用于传送时，天线可操作地连接到信号发生器。当被用于接收时，天线可操作地连接到信号接收器。在实施例中，用于布置的全部或任何组合的发射器和接收器可操作地连接到能够传送和接收所需信号的单个集成电路。在实施例中，发射器和接收器各自可操作地连接到能够分别传送和接收所需信号的不同的集成电路。在实施例中，用于布置的全部或任何组合的发射器和接收器可以可操作地连接到一组集成电路，每个集成电路能够传送和接收所需的信号，并且一起共享对于此类多个IC配置所必需的信息。在实施例中，在集成电路的容量(即，传送信道和接收信道的数量)和模式的要求(即，传送信道和接收信道的数量)允许的情况下，控制器所使用的所有的多个布置的所有发射器和接收器由共同的集成电路或在其之间具有通信的一组集成电路操作。在实施例中，在传送信道或接收信道的数量需要使用多个集成电路的情况下，来自每个电路的信息被组合在单独的系统中。在实施例中，单独的系统包括GPU和用于信号处理的软件。
当涉及系统内的交互对时，术语“天线”经常与术语“导体”互换使用。具体地，在信号在一个天线/导体上传送的情况下，在该天线/导体与一个或多个其他天线/导体(例如，至少一个接收器天线——但是可以有很多)之间产生场。某些类型的交互(例如，人体部位或其他对象的存在)可能会干扰创建的场。可以通过测量场的小变化来完成感测。信息也可以通过确定由接收器接收到的信号的强度来确定。在实施例中，测量在接收器处接收到的信号的幅度的变化，并将其用于导出感测信息。在实施例中，测量在接收器处接收到的信号的相位的变化，并将其用于导出感测和定位信息。在实施例中，感测和定位依赖于多个测量(例如，幅度和相位)的组合，包括由其他传感器进行的测量。鉴于本公开，对于本领域技术人员将显而易见的是，尽管将本文所描述的天线/导体与驱动电路或接收电路(例如，信号发生器或信号接收器)可操作地接合的元件可以是导电的，并且甚至可以被称为导体，但它不是指用于感应交互的导体/天线。
转向图1，示出了总体上阐述启用传感器的对象100的示例的示图。传感器102包括可操作地连接到信号发生器115的发射器110。在实施例中，传感器102还包括接收器120。接收器120可操作地连接到信号处理器130。
启用传感器的对象100合并了传感器102的能力，以便在3D环境内被跟踪。在实施例中，传感器102可以被固定到对象104。在实施例中，传感器102被嵌入在对象104内。在实施例中，传感器102被可移除地附接到对象104。在实施例中，传感器102以已知关系与对象104相关联。在实施例中，传感器102可能未被物理地连接到对象104，但仍可与其相关联，使得可以在3D环境内知道该特定对象104的定位，并且仍然是启用传感器的对象100。
由接收器120接收的信号被发送至信号处理器130并由信号处理器130处理。信号处理器130可以位于启用传感器的对象100上或可操作地位于其他地方。信号处理器130可以经由有线连接或无线连接。在实施例中，信号发生器105和信号处理器130是单个混合集成电路的一部分。在实施例中，包括发射器(或多个发射器)和接收器(或多个接收器)的模拟前端被用于发送和接收信号。在此类实施例中，模拟前端提供到信号生成和信号处理电路和/或软件的数字接口。
对象104可以是设备、衣物制品、一件珠宝、粘合制品、身体部位、头戴式耳机、控制器等。在实施例中，对象104可以是显示器或任何可配备有传感器102(或仅其接收侧)的平坦表面。在实施例中，对象104可以是弯曲的或成形的对象，诸如可配备有传感器102的遥控器、游戏控制器、键盘或鼠标设备。
在实施例中，启用传感器的对象100具有与其连接的多个传感器102。在实施例中，传感器102具有与其连接的多个发射器110。在实施例中，启用传感器的对象100上的传感器102具有与其连接的多个接收器120。在实施例中，启用传感器的对象100具有与其连接的多个发射器110和多个接收器120。在实施例中，启用传感器的对象100上的每个传感器102仅具有一个发射器110。在实施例中，启用传感器的对象100上的传感器每个传感器102仅具有一个接收器120。
鉴于本公开，对于本领域技术人员将显而易见的是，发射器110和接收器120以及它们各自的天线可以被切换。也就是说，发射器110在某些情况下可以作为接收器120来执行，并且接收器120在某些情况下可以作为发射器110来执行，反之亦然。此外，它们各自的角色可以根据实现方式以已知的和预定的方式改变或变化。鉴于本公开，对于本领域技术人员而言也将显而易见的是，信号处理器130、发射器110和接收器120可以在分开的电路上实现也可以在同一电路上实现。
在实施例中，信号发生器105适于生成一个或多个信号，并将这些信号发送至发射器110。在实施例中，信号发生器105适于生成多个频率正交信号并将该多个频率正交信号发送至发射器110。在实施例中，信号发生器105适于生成多个频率正交信号并将该多个频率正交信号中的一个或多个频率正交信号发送至多个发射器110中的每一个发射器。在实施例中，频率正交信号在从DC高达约2.5GHz的范围内。在实施例中，频率正交信号在从DC高达约1.6MHz的范围内。在实施例中，频率正交信号在从50KHz到200KHz的范围内。频率正交信号之间的频率间隔应大于或等于积分周期(即采样周期)的倒数。
在实施例中，信号处理器130适于确定表示由发射器110传送的每个频率正交信号的至少一个值。在实施例中，信号处理器130对所接收的信号执行傅立叶变换。在实施例中，信号处理器130适于将所接收的信号数字化。在实施例中，信号处理器130适于将所接收的信号数字化并且对经数字化的信息执行离散傅里叶变换(DFT)。在实施例中，信号处理器130适于将所接收的信号数字化并且对经数字化的信息执行快速傅里叶变换(FFT)。
在实施例中，以至少1MHz对所接收的信号进行采样。在实施例中，以至少2MHz对所接收的信号进行采样。在实施例中，以4MHz对所接收的信号进行采样。在实施例中，以多于4MHz对所接收的信号进行采样。
例如，为了实现KHz采样，可以在4.096MHz下采集4096个样本。在此类实施例中，积分周期为1毫秒，根据频率间隔应当大于或等于积分周期的倒数的约束，其提供了1KHz的最小频率间隔。在实施例中，频率间隔等于积分周期的倒数。鉴于本公开，对于本领域的技术人员将显而易见的是，以例如4MHz采集4096个样本将产生略长于毫秒的积分周期，并且不实现kHz采样，并且最小频率间隔为976.5625Hz。在此类实施例中，频率正交信号范围的最大频率应小于2MHz。在此类实施例中，频率正交信号范围的实际最大频率应小于采样率的约40％，或约1.6MHz。在实施例中，FFT被用于将经数字化的所接收的信号转换成信息面元(bin)，每个信息面元反映了可能已经由发射天线115传送的经传送的频率正交信号的频率。在实施例中，4096个面元对应于从1KHz到约4MHz的频率。鉴于本公开，对于本领域技术人员而言将显而易见的是，这些示例仅是示例性的。取决于系统的需求，并在受到以上描述的约束下，可以增加或减少采样率、可以调整积分周期、可以调整频率范围等。
转向图2，示出了图示启用传感器的对象100的实施方式的简单示图。图2图示了实施例，其中使用位于环境内的信标202(a)-202(c)在三维(3D)空间中跟踪启用传感器的对象100。信标202(a)-202(c)通过环境内的介质传送多个频率信号。在这种情况下，介质是空气。在实施例中，信标202(a)-202(c)通过空气和/或通过用户的身体传送多个频率信号。在实施例中，信标202(a)-202(c)通过身体传送多个频率信号。在实施例中，信标202(a)-202(c)通过诸如导电介质之类的某种其他介质或通过诸如水之类的介质来传送多个频率信号。
在图2中，信标202(a)-202(c)包括发射器203(a)-203(c)。当在系统内运行时，信标202(a)-202(c)传送与该系统中正在传送的每个其他信号频率正交的信号。
仍然参考图2，信标202(a)-202(c)通过空气传送频率信号。其他启用传感器的对象100可以位于系统内，并且可以经由发射器110附加地传送信号。这些信号可以由位于至少具有接收器120的启用传感器的对象100上的传感器102检测。所接收的信号由信号处理器130处理，该信号处理器130提取由发射器110和/或信标202(a)-202(c)使用的每个信号频率的信号强度。
通过使用传感器102上的接收器120的相对几何特性以及用作参考的信号强度的先前校准，可以通过与来自信标202(a)-202(c)的信号频率的信号强度进行关联来估计每个接收器120的距离测量。给定这些接收器120物理地位于对象104周围的何处的先验知识，以及它们相对于信标202(a)和其他发射器110的关系的知识，可以使用多距离估计技术重构启用传感器的对象100的位置和定向。
传感器102能够使用在接收器定位处采样的数据的顶部上的频谱分析(诸如，以上所讨论的DFT/FFT方法)来提取每个现有正交频率信号的各个信号强度。给定一对发射器和接收器(位于信标202(a)-202(c)或启用传感器的对象100上)，其中发射器位于距接收器的给定距离处，则接收器定位处的经测量的信号强度与接收器和发射器两者之间的距离关联。当接收器靠近发射器时，由发射器生成的频率的信号强度比当接收器距离发射器更远时高。信号的这种特性允许单独的距离估计的生成。单独的距离估计对应于发射器与接收器之间的物理距离。
可以通过组合使用不同频率的多个接收器和/或发射器来获得来自每个频率和接收器的多个距离估计。在实施例中，使用三个距离估计和三个已知物理定位的集合来执行三角测量以计算被跟踪的启用传感器的对象100的3D位置。取决于发射器和接收器如何与启用传感器的对象100或信标202(a)-202(c)一起使用，可以以两种方式定义已知的物理定位。一种方式是执行校准过程以创建参考基础事实测量。另一种方式是使接收器或发射器的相对位置预定和建立。
三角测量技术主要地基于定义线性或非线性系统，该线性或非线性系统可以通过简化、最小化、优化或基于机器学习的方法来求解。使用的方法取决于可以被收集的测量的量和未知变量的集合。多个距离估计允许更多数据的收集，以更好地求解未知变量。这些未知变量可通过表示启用传感器的对象100可以在其中移动的6个自由度来表示启用传感器的对象100的3D位置(x、y、z)，或/和其在3D环境内的定向。因此，启用传感器的对象沿x、y和z轴进行放置和移动，并且进行滚动、俯仰和偏航。
除了从若干接收器收集的或表示若干发射器的多个信号强度测量之外，在启用传感器的对象100或信标202(a)-202(c)上使用的传感器102的几何形状和模式是已知的。传感器102的这种几何形状定义了传感器102的发射器与接收器之间的相对距离的集合。在不位于传感器102上的接收器(诸如位于信标202(a)-202(c)上的接收器)处，该接收器将能够收集位于传感器102上的发射器110的多个信号强度测量。在不同的情形中，不位于传感器102上的远端发射器(诸如信标202(a)-202(c)上的发射器)被收集并且传感器102的接收器120处的所传送的信号的多个信号强度测量被确定。在这两种情形中，所收集的测量可以被转换为距离测量，并与启用传感器的对象100上的发射器110与接收器120之间的相对已知距离相结合。在启用传感器的对象100上的发射器110与接收器120之间的已知距离由传感器设计和启用传感器的对象100的设计来定义，并且被线性地或非线性地作为关系编码到由系统所使用的求解系统中。测量和分析可以有助于定义对应于要被计算和估计的启用传感器的对象100的6个自由度信息的未知变量。这些测量可以被实现到传感器102的微控制器中，并由信号处理器130处理。这些测量可以作为在使用FMT传感器时实现的FFT频谱分析或内部热图生成之后的附加步骤来执行。
仍然参考图2，信标202(a)-202(c)每个都传送与系统中的任何给定帧期间传送的每个其他所传送的信号正交的信号。在实施例中，所传送的信号彼此频率正交。信号中的每一个相对于彼此的正交性允许系统将信号彼此区分开。
图2中所示的启用传感器的对象100是系统内使用的控制器，该控制器能够在由系统产生的VR或AR环境内交互。启用传感器的对象100具有其自己的发射器110和接收器120。发射器120传送与在给定帧期间传送的每个其他信号正交的信号。由发射器120传送的信号可以用于与系统的其他组件和/或在系统内操作的其他启用传感器的对象100一起校准启用传感器的对象100的定位。
图2中还示出了显示传感器205。在实施例中，显示传感器205具有其自己的(多个)发射器210和(多个)接收器220的集合。由(多个)发射器210传送的信号在每个帧期间与系统内传送的每个其他信号频率正交。由发射器210传送的信号可以用于与系统的其他组件一起校准启用传感器的对象100的定位。
在操作期间，接收并分析在任何给定帧期间传送的每个信号。可以在显示传感器205和传感器102两者处接收信号。信号可以被分析并用于建立对象104在3D空间内的定位和相对位置。可以相对于显示传感器205和传感器102建立位置和定位。
在实施例中，可以通过计算传感器102的每个接收器120上的每个频率信号的信号强度来估计被跟踪对象104的位置和定向。给定物理传感器布局和特性，所接收的外部发射的频率的信号强度将取决于接收器120距离发射器(诸如信标202(a)-202(c)、或显示传感器205的发射器210)多远而下降，并在对象更靠近发射器210时增加。对于相同的频率，如前所述，信号强度将取决于其相对于发射器210的定位还取决于其在传感器102内的定位而变化。对于给定的传感器设计及其接收器120和发射器110的组合，可以测量、计算关于启用传感器的对象100的接收器信道的相对几何特性，并将其存储到设备中或适于处理信息的系统的一部分内。这些值可用于定义数学模型，该数学模型取决于设备相对于给定传送的信号如何被定向而将设备的位置和定向进行关联。此类模型可以使用先前的测量来确定，或者使用通过使用另一种跟踪或测量技术来知晓基础事实位置和定向的半监督过程来获取。
在实施例中，信标202(a)-202(c)位于空间中的不同的固定定位处，其中相比于由启用传感器的对象100上的发射器110所使用的频率，每个信标传送未使用频率范围中的不同频率。由每个信标202(a)-202(c)使用的传送频率在可以被要被跟踪的启用传感器的对象100捕获的信号频率的范围内。信标202(a)-202(c)的固定定位用于校准和确定3D环境内的启用传感器的对象100的定位。
在实施例中，两个或更多个信标202(a)-202(c)与定义跟踪区域的中心的已知参考点等距地使用。跟踪区域可以由所传送的信标信号的可达到的传送范围来界定，并且可以由所传送的信号的功率(诸如电压增加)或信标202(a)-202(c)使用的频率范围来控制。
在实施例中，可以通过捕获不同的定位和定向处的不同频率信号强度来定义使用启用传感器的对象100的校准过程，从而对启用传感器的对象100的跟踪区域进行采样和界定。在实施例中，信标202(a)-202(c)包括信号接收器，用于标识和估计其他信标的定位，并在跟踪区域限制内自动校准对象104的距离估计。
在实施例中，具有不同信号频率的若干信标202(a)-202(c)可以用于扩展跟踪区域的限制或实现更加精确的位置和定向跟踪误差。
转向图3，示出了信标202(d)和信标202(e)各自具有扩散器301(d)和301(e)的系统。信标202(a)-202(e)具有通过空气发送信号的发射器203(a)-203(e)。信标202(d)和202(e)将信号发送到扩散器301(d)和301(e)，以便改变所传送的信号的输出范围。扩散的信号的输出范围通常在(3D环境内的)区域中更宽，但在有效距离方面更短。在实施例中，信标202(d)和202(e)通过主体发送信号，以便改变信号的输出范围。在实施例中，信标202(a)-202(c)以定向方式(例如以紧密束)传送信号。紧密束的范围在(3D环境内的)面积方面较窄，但在有效范围方面较长。
仍参考图3，信标202(d)和202(e)将信号传送至扩散器301(d)和301(e)的扩散器表面，该扩散器表面将信号向外传播。定向信号能够在更远的距离处被检测，而扩散的信号通常在小于检测到定向信号的距离的距离处被检测。然而，任何给定信号的传送范围可以由功率(诸如电压增加)或由信标使用的频率范围来确定和控制。通过将两种类型的传送的信号(即，定向的信号和扩散的信号)在系统内进行混合，可以实现3D定位的各种范围和细微差别。
参考图4，在实施例中，信标202(a)-202(d)使用可跟踪启用传感器的对象100(诸如一个手持游戏控制器或两个控制器，每只手一个)的位于固定定位处的不同信号频率。信标202(a)-202(d)的已知位置允许在所描绘的环境内精确校准启用传感器的对象100。这些控制器可用于VR/AR/混合现实场景，该VR/AR/混合现实场景涉及根据信标的数量在有限的跟踪区域中提取实时位置和定向。在实施例中，控制器能够使用其局部跟踪能力来感测手部的姿势。控制器还可以是启用传感器的对象100。本文所述的系统和方法允许在3D空间中跟踪例如用户的手部以及用户手部的局部定位。在实施例中，将传感器102用于3D定位和诸如手部之类的局部身体移动的确定两者是可能的。
参考图5，除了发射器203(a)-203(d)之外，信标202(a)-202(d)各自还包括接收器207(a)-207(d)。信标202(a)-202(d)中的每一个信标都可以传送和接收信号。所传送的信号中的每一个信号可以包括唯一的正交信号，该正交信号可以在其他信标中的每一个信标上被接收和处理。
例如，信标202(a)可以传送具有频率f1的唯一正交信号。信号从信标202(a)传播通过房间，并在信标202(b)-202(d)处被接收。然后对该信号进行处理和分析以产生测量，该测量指示信标202(b)-202(d)中的每一个信标距信标202(a)的距离。在实施例中，所接收的信号的测量的任何改变都可以指示有界区域内发生的改变。在实施例中，这些测量被用于重建对象在有界区域内的移动。在实施例中，启用传感器的对象100在有界区域内的移动被用于启用和分析该有界区域内的活动。例如，朝向信标202(a)的移动可以在启用传感器的对象100正在交互的VR/AR或真实世界环境内产生反应。
另外，具有发射器203(a)-203(d)和接收器207(a)-207(d)两者的信标202(a)-202(d)中的每一个信标可用于自校准它们在系统内的定位。任何附加的信标也可以被添加到系统中，并且然后该信标可以与其他信标通信以便建立其定位。在实施例中，存在固定的和可移动的信标，这些固定的和可移动的信标结合它们的交互以建立被监测的环境的边界。
参考图6，在实施例中，使用不同信号频率的两个或更多个信标202(a)-202(n)位于给定环境内。人可以具有位于其身体上的或用作控制器的多个启用传感器的对象100。另外，此人可能佩戴头戴式显示器601，并且头戴式显示器601可以具有多个信标203(b)-203(d)，该多个信标203(b)-203(d)具有发射器203(b)-203(d)。另外，头戴式显示器601还可以具有信标202(d)，该信标202(d)具有接收器207(d)。
个人可以使用作为启用传感器的对象100的控制器或可穿戴设备与系统交互。头戴式显示器601可以在VR/AR/混合现实场景内操作，以确定启用传感器的对象100相对于位于环境内或头戴式显示器601内的显示器的相对位置和定向。在实施例中，人可以具有位于其身体上的多个启用传感器的对象100。在实施例中，人可以佩戴头戴式显示器601并且具有作为启用传感器的对象100的多个控制器或可穿戴设备。
例如，用户可以具有作为启用传感器的对象100的游戏控制器。位于启用传感器的对象100内的发射器110可以将信号传送至头戴式显示器601。头戴式显示器601可以从位于其上的发射器203(b)-203(d)传送信号。这些信号可以由启用传感器的对象100接收。另外，来自位于整个环境内的信标202(a)和202(n)的信号由相应的头戴显示器601和启用传感器的对象100接收。不同的传送的信号频率将允许在环境内跟踪启用传感器的对象100和头戴式显示器601的位置和定向。在本实施例中，多个启用传感器的对象100可以彼此传递它们的相对位置。换句话说，启用传感器的对象100中的每一个的移动可以彼此传递它们在3D空间内相对于彼此的定位。
在实施例中，启用传感器的对象100中的每一个还可以具有针对特定对象的其他的FMT传感器能力。例如，在实施例中，控制器经由FMT传感器使用其局部跟踪能力来感测手部的姿势，并且本文所描述的系统和方法允许在用户正在使用头戴式显示器601在3D空间中进行跟踪和显示时跟踪用户的手部。
图7阐述了提供系统方法和布置的概述的流程图。在图7中，在步骤702处，信标202(a)-202(n)的位置是已知的。在步骤704中，启用传感器的对象100位于系统的可操作距离内。在步骤706，由接收器120和接收器207(a)-207(n)从信标202(a)-202(n)和启用传感器的对象100两者收集实时数据。在步骤708中，数据的分析导致使用接收器207(a)-207(n)和接收器120的已知位置以及唯一信号的分析来估计启用传感器的对象100的6个自由度移动。另外，可以基于在启用传感器的对象100上使用附加的FMT传感器来确定骨架(skeleton)重建数据。在步骤710中，该信息用于提供关于(多个)启用传感器的对象100在环境内的位置的实时信息。另外，还提供了骨架数据的重建，以便在VR/AR环境内重建和显示详细的移动。
在实施例中，启用传感器的对象100和各个信标202(a)-202(n)可以是移动的或固定的。它们的相对位置可以基于预定关系来确定和/或基于唯一所接收的信号中的每一个的实时发生的测量来确定。在实施例中，信标202(a)-202(n)和启用传感器的对象100的位置不必已知，并且可以基于彼此之间的位置关系来确定。在实施例中，测量使用信号强度以确定启用传感器的对象100与信标202(a)-202(n)之间的距离。该关系通常由平方反比定律来控制。可以使用已知发射器信号的初始定位和功率以便确定距离。在实施例中，所使用的测量可以基于在一个启用传感器的对象100或信标202(a)-202(n)与另一个处所接收的信号的互相关。在实施例中，三角测量用于确定3D环境内的关系和定位。在实施例中，可以基于位于对象104上的各种传感器102的放置和局部几何形状来启用启用传感器的对象100的六个自由度和交互。在实施例中，将骨架数据添加到位置信息以进一步构建虚拟环境或其他交互式环境。
在实施例中，惯性移动单元(IMU)被并入系统中以提供针对用户移动的附加信息。在实施例中，可以使用来自移动电话以及启用传感器的对象100和信标202(a)-202(n)的信号来跟踪移动电话。
在实施例中，全局定位数据可以用于补充系统内的位置信息，以便提供附加的环境信息。在实施例中，两个不同的系统彼此互补，作为全局系统和局部系统。全局系统和局部系统可以提供总体上更好的整体系统。局部系统可以使用较慢、更准确的测量来对来自较快的测量的测量进行变基(rebase)，这些较快的测量相比于变基的测量不那么准确。这些互补系统用于在某个时间帧内对系统进行变基。高频更新被用于局部更新，直到下一个全局更新可用为止。
在实施例中，以上公开的系统提供局部定位，而另一系统提供全局定位。在实施例中，以上公开的系统提供全局定位数据，而另一系统提供局部定位。在实施例中，以上公开的系统提供局部定位，而光学跟踪系统提供全局定位变基系统。在实施例中，以上公开的系统与基于IMU的设备一起操作。IMU设备为系统提供全局变基。在实施例中，VR头戴式耳机内部的磁跟踪器被用于全局定位，并且上面公开的系统被用于对头戴式耳机的局部手部定位。在实施例中，可以使用光学设备来实现全局定位。
在实施例中，非常小的发射器和接收器直接地被定位在身体上和/或环境内的各种附近定位上，并且可以检测相对于彼此的相对移动。这些发射器和接收器可以用作信标和启用传感器的对象。这种相对移动可以用于推断附近的身体部位相对于彼此的以及在环境内的移动或位置。在实施例中，使用少量粘合剂将发射器和接收器粘附到头发、毛囊或皮肤上。在实施例中，量化的变化可以附加地用于从声带的振动和移动推断声音或语音。在实施例中，量化的变化可以用于确定呼吸、心脏活动、脉搏或其他生物力学变化。该附加的信息可以补充VR/AR体验。
在实施例中，可以动态地重新配置发射器和接收器的定位，从而允许每个发射器和接收器在任何积分周期期间作为发射器或接收器操作。在实施例中，天线可以在单个积分周期期间用作发射器和接收器两者(尽管具有不同的频率正交信号)。在实施例中，在同一积分周期期间，两组天线被用作发射器和接收器两者；第一组天线使其所接收的信号通过高通滤波器并且用于仅传送低频，而第二组天线使其所接收的信号通过低通滤波器并且仅传送高频。
在实施例中，使用用于提供六个自由度跟踪的VR/AR系统，该系统包括：头戴式耳机，该头戴式耳机包括至少两个信标，其中，该至少两个信标中的每个信标包括发射器，其中，发射器中的每一个适于传送信号；启用传感器的对象，其中该启用传感器的对象是手部控制器，该启用传感器的对象包括适于接收信号的接收器，其中该启用传感器的对象进一步适于确定手部位置；信号处理器，其中信号处理器从接收器接收信号；该信号处理器适于处理所接收的信号并确定来自该至少两个信标的每个所接收的信号的测量，其中基于所接收的信号的测量来确定启用传感器的对象的位置；并且其中启用传感器的对象可以以六个自由度移动，并且启用传感器的对象的位置在由VR/AR系统产生的3D环境内表示。
在实施例中，使用用于在3D环境内跟踪移动的方法，该方法包括：从位于3D环境内的至少两个信标传送信号；在具有至少一个接收器的启用传感器的对象处从该至少两个信标中的至少一个信标接收信号，其中，该启用传感器的对象位于3D环境内并且可以以六个自由度移动；利用信号处理器处理所接收的信号，其中所接收的信号的处理确定在3D环境内发生的每个所接收的信号的测量；以及基于所确定的测量来确定启用传感器的对象的位置，其中该位置是3D环境内的位置。
在实施例中，使用用于跟踪移动的系统，该系统包括：至少两个信标，其中，该至少两个信标中的每一个信标包括发射器，其中该发射器适于传送信号；启用传感器的对象，包括适于接收信号的接收器；以及信号处理器，其中信号处理器从接收器接收信号；信号处理器适于处理所接收的信号并确定来自该至少两个信标的每个所接收的信号的测量，其中基于所接收的信号的测量来确定启用传感器的对象的位置。
虽然已经参照优选实施例具体示出和描述了本发明，但本领域内技术人员可以在不背离本发明的精神和范围的情况下在形式上和细节上对本发明作出多种改变。
Claims (22)
1.一种用于提供六个自由度跟踪的VR/AR系统，包括：
包括至少两个信标的头戴式耳机，其中，所述至少两个信标中的每一个信标包括发射器，其中，所述发射器中的每一个发射器适于传送信号；
启用传感器的对象，其中所述启用传感器的对象是手部控制器，所述启用传感器的对象包括适于接收信号的接收器，其中所述启用传感器的对象进一步适于确定手部位置；
信号处理器，其中所述信号处理器从所述接收器接收信号；所述信号处理器适于处理所接收的信号并确定来自所述至少两个信标的每个所接收的信号的测量，其中基于所述所接收的信号的所述测量来确定所述启用传感器的对象的位置；以及
其中所述启用传感器的对象能以六个自由度移动，并且所述启用传感器的对象的位置在由所述VR/AR系统产生的3D环境内表示。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所传送的信号中的每一个信号彼此正交。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所传送的信号中的每一个信号相对于彼此频率正交。
4.如权利要求1所述的系统，进一步包括扩散器，所述扩散器可操作地连接到所述至少两个信标中的一者。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述至少两个信标中的一个信标比所述至少两个信标中的另一个信标更窄地传送信号。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述所接收的信号的测量为每个所接收的信号提供幅度。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述幅度与距所述至少两个信标中的一者的距离有关。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述启用传感器的对象的位置是基于所述所接收的信号的所述测量以及相对于所述至少两个信标的所述测量的互相关确定的。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述启用传感器的对象的位置是基于所述所接收的信号的所述测量以及所述至少两个信标的已知位置确定的。
10.如权利要求1所述的系统，进一步包括显示器，其中所述启用传感器的对象的位置被再现在所述显示器上。
11.如权利要求1所述的系统，进一步包括能够全局地使所述系统变基的另一位置感测模态。
12.一种用于在3D环境内跟踪移动的方法，包括：
从位于所述3D环境内的至少两个信标传送信号；
在具有至少一个接收器的启用传感器的对象处从所述至少两个信标中的至少一个信标接收信号，其中，所述启用传感器的对象位于所述3D环境内并且能以六个自由度移动；
利用信号处理器处理所接收的信号，其中所述所接收的信号的所述处理确定在所述3D环境内发生的每个所接收的信号的测量；以及
基于所确定的测量来确定所述启用传感器的对象的位置，其中所述位置是所述3D环境内的位置。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所传送的信号中的每一个信号彼此正交。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所传送的信号中的每一个信号相对于彼此频率正交。
15.如权利要求12所述的方法，进一步包括扩散器，所述扩散器可操作地连接到所述至少两个信标中的一者。
16.如权利要求15所述的方法，进一步包括比所传送的信号中的另一信号更窄地传送信号。
17.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述所接收的信号的测量为每个所接收的信号提供幅度。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述幅度与距所述至少两个信标中的一者的距离有关。
19.如权利要求12所述的方法，其特征在于，基于所述所接收的信号的所述测量以及相对于所述至少两个信标的所述测量的互相关来确定所述启用传感器的对象的所述位置。
20.如权利要求12所述的方法，其特征在于，基于所述所接收的信号的所述测量以及所述至少两个信标的已知位置来确定所述启用传感器的对象的所述位置。
21.如权利要求12所述的方法，进一步包括在显示器上显示所确定的所述启用传感器的对象的位置。
22.一种用于跟踪移动的系统，包括：
至少两个信标，其中，所述至少两个信标中的每一个信标包括发射器，其中，所述发射器中适于传送信号；
启用传感器的对象，所述启用传感器的对象包括适于接收信号的接收器；以及
信号处理器，其中所述信号处理器从所述接收器接收信号；所述信号处理器适于处理所接收的信号并确定来自所述至少两个信标的每个所接收的信号的测量，其中基于所述所接收的信号的所述测量来确定所述启用传感器的对象的位置。
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