CN113368486A - 一种用于vr头戴设备的光学追踪器和运动健身系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种用于VR头戴设备的光学追踪器和运动健身系统，其中光学追踪器包括多个发光单元、控制单元、第一惯性导航传感器和无线传输单元；多个发光单元按照预定的物理几何规则分布在光学追踪器的壳体内，控制单元控制多个发光单元同时点亮，以便于VR头戴设备利用内置的摄像头拍摄到多个发光单元的光斑图像，实时获取光学追踪器的发光单元信息；第一惯性导航传感器实时获取光学追踪器的惯性导航传感器信息，并转发至VR头戴设备；VR头戴设备融合光学追踪器的发光单元信息和惯性导航传感器信息，实时追踪光学追踪器相对于VR头戴设备的6DoF位姿信息。该光学追踪器的追踪精度高、追踪实时性和稳定性好。

Description

一种用于VR头戴设备的光学追踪器和运动健身系统
技术领域
本申请涉及VR领域，具体涉及一种用于VR头戴设备的光学追踪器和运动健身系统。
背景技术
随着VR虚拟现实技术的深度开发，应用领域不断地被开发和挖掘出来，如今健身行业也越来越多在吸收VR(Virtual Reality，虚拟现实)技术，通过VR虚拟现实设备去锻炼身体，能够使健身提高趣味性，改善本身的枯燥感，可以让人们快乐的享受健身。
然而，现有VR头戴设备无法实时追踪用户头部和四肢运动的位姿信息，在使用VR设备进行健身时，用户不能确定肢体动作是否标准，不能及时矫正自身动作姿势，导致健身效率较低，健身效果欠佳。
发明内容
鉴于现有健身方式存在的上述问题，提出了本申请以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的用于VR头戴设备的光学追踪器和运动健身系统。
依据本申请的一个方面，提供了一种用于VR头戴设备的光学追踪器，所述光学追踪器包括多个发光单元、控制单元、第一惯性导航传感器和无线传输单元；
多个发光单元按照预定的物理几何规则分布在所述光学追踪器的壳体内，所述控制单元控制所述多个发光单元同时点亮，以便于所述VR头戴设备利用内置的摄像头拍摄到所述多个发光单元的光斑图像，实时获取所述光学追踪器的发光单元信息；
所述第一惯性导航传感器实时获取所述光学追踪器的惯性导航传感器信息，并将获取的惯性导航传感器信息发送给所述控制单元，由所述控制单元通过所述无线传输单元转发至所述VR头戴设备；
所述VR头戴设备融合所述光学追踪器的发光单元信息和惯性导航传感器信息，实时追踪所述光学追踪器相对于所述VR头戴设备的6DoF位姿信息。
进一步地，所述光学追踪器的壳体呈环形或弧形。
进一步地，所述光学追踪器的壳体包括内壳体和外壳体，其中内壳体用于支撑发光单元，外壳体用于覆盖发光单元。
进一步地，所述光学追踪器的内壳体的尺寸与外壳体的尺寸之间呈预定比例。
进一步地，每个发光单元相对于所述光学追踪器内壳体表面的夹角在预定夹角范围内。
进一步地，按照预定的物理几何规则形成的图形由多边形网格或三角网格组成，且其中的多边形网格的边数大于等于6。
进一步地，所述光学追踪器的内壳体和外壳体组成的整个壳体结构相对于所述光学追踪器的主干结构的倾斜角度在预定倾斜角度范围内。
进一步地，所述多个发光单元串联连接在所述控制单元的同一个电路主板上。
进一步地，所述控制单元控制所述多个发光单元按照预定的占空比同时点亮，且所述多个发光单元在每一帧的点亮时间相同。
依据本申请的另一方面，提供了一种运动健身系统，所述系统包括VR头戴设备、一个或多个如上述任一项所述的光学追踪器，所述VR头戴设备内置有环境位姿追踪器，所述位姿追踪器包括摄像头和第二惯性导航传感器；
用户运动健身过程中，所述VR头戴设备佩戴在用户的头部，每个光学追踪器佩戴在用户的手部或脚部，所述VR头戴设备与每个光学追踪器无线连接；
所述VR头戴设备建立以所述第二惯性导航传感器为原点的统一坐标系，利用所述环境位姿追踪器实时追踪用户头部运动相对于用户环境的6DoF位姿信息；以及利用每个光学追踪器实时追踪用户四肢运动相对于所述VR头戴设备的6DoF位姿信息，进而获取到用户的行为动作；
所述VR头戴设备在显示器内显示出一个虚拟用户，该虚拟用户的运动动作行为和现实用户的运动动作行为完全一致。
本申请的有益效果：
本申请的光学追踪器中，通过在光学追踪器的壳体内按照预定的物理几何规则分布设置多个发光单元，控制单元控制多个发光单元同时点亮，使VR头戴设备根据内置的摄像头拍摄到的多个发光单元的光斑图像，实时获取稳定性好的光学追踪器的发光单元信息；然后通过第一惯性导航传感器实时获取实时性好的光学追踪器的惯性导航传感器信息，并将获取的惯性导航传感器信息发送控制单元，由控制单元通过无线传输单元发送至VR头戴设备，VR头戴设备融合摄像头和第一惯性导航传感器分别获取的光学追踪器的发光单元信息和惯性导航传感器信息，实时追踪光学追踪器相对于VR头戴设备的6DoF位姿信息，使该光学追踪器的追踪精度高、追踪实时性和稳定性好，可用于在使用VR设备健身时，用户四肢姿态的追踪。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了根据本申请一个实施例的光学追踪器的结构示意图；
图2示出了根据本申请一个实施例的VR头戴设备实时追踪光学追踪器的工作原理示意图；
图3示出了根据本申请一个实施例的一种佩戴效果示意图；
图4示出了根据本申请一个实施例的另一种佩戴效果示意图；
图5示出了根据本申请一个实施例的用户左脚上光学追踪器的发光单元排布拉直平面示意图；
图6示出了根据本申请一个实施例的用户右脚上光学追踪器的发光单元排布拉直平面示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本申请的示例性实施例。虽然附图中显示了本申请的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本申请，并且能够将本申请的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本申请一个实施例中提供一种用于VR头戴设备的光学追踪器，如图1所示，光学追踪器100包括多个发光单元110、控制单元120、第一惯性导航传感器130和无线传输单元140。其中，无线传输单元140的传输协议可以是2.4G网络协议或BEL(Bluetooth LowEnergy，低功耗蓝牙)协议；无线传输单元140的无线传输频率不小于200Hz，防止产生交互信息的延迟；第一惯性导航传感器130的输出频率高于VR头戴设备的系统刷新频率，使VR头戴设备可以及时获取第一惯性导航传感器130的信息，提高运动追踪的实时性。
具体地，多个发光单元110按照预定的物理几何规则分布在光学追踪器100的壳体内，控制单元120控制多个发光单元110同时点亮，以便于VR头戴设备根据内置的摄像头拍摄到的多个发光单元110的光斑图像，实时获取光学追踪器100的发光单元信息，VR头戴设备获取后发光单元信息后计算得到光学追踪器100的运动位移信息和姿态信息；摄像头的拍摄频率为30Hz，摄像头获取光学追踪器100的发光单元信息的实时性差，但是准确性好，且稳定。
VR头戴设备内置的摄像头优选为大广角的单色照相机，更大范围的捕捉发光单元110发出的光。
单色照相机的主要配置参数：①.帧率：30Hz及以上；②.FOV(Field of View，视场角)：130°*80°(H*V)及以上；③.曝光方式一般为Global shutter(全局快门)方式；④.Camera lens(相机镜头)的透光波段一般为400～900nm。
如图2所示，第一惯性导航传感器130实时获取光学追踪器100的惯性导航传感器信息，并将获取的惯性导航传感器信息发送给控制单元120，由控制单元120通过无线传输单元140转发至VR头戴设备，其中，惯性导航传感器信息包括运动位移信息和姿态信息；第一惯性导航传感器130获取信息的频率为1000Hz，其获取光学追踪器100的惯性导航传感器信息的实时性好，但是稳定性差，如果只通过第一惯性导航传感器130获取光学追踪器100的运动位移信息和姿态信息，随着时间推移，运动位移信息和姿态信息的精准度就会变差。
VR头戴设备融合光学追踪器100的发光单元信息和惯性导航传感器信息，实时追踪光学追踪器100相对于VR头戴设备的6DoF位姿信息，通过发光单元信息和惯性导航传感器信息的融合，实现两者追踪方式缺陷的互补，进而提高了追踪的实时性、精确性和稳定性。其中，6DoF表示用6个自由度(Degree ofFreedom，DoF)信息来表示物体的运动，具体包括X，Y，Z三个轴上的位置移动信息，和X、Y、Z三个轴上的旋转信息。第一惯性导航传感器130可以为6轴传感器，即加速度计单元传感器和陀螺仪单元传感器或9轴传感器，即加速度计单元传感器、陀螺仪单元传感器和地磁单元传感器。
需要说明的是，本实施例中光学追踪器100的追踪范围由摄像头的曝光参数和发光单元110的发光强度共同决定，当发光单元110的发光强度高时，摄像头可在更远范围内拍摄到放光单元110发出的光，光学追踪器100的追踪范围就大。通过调整曝光参数和发光强度可实现对光学追踪器100的追踪范围的调整，可满足不同身高用户的需求。
综上，本实施的光学追踪器中，通过在光学追踪器的壳体内按照预定的物理几何规则分布设置多个发光单元，控制单元控制多个发光单元同时点亮，使VR头戴设备根据内置的摄像头拍摄到的多个发光单元的光斑图像，实时获取稳定性好的光学追踪器的发光单元信息；然后通过第一惯性导航传感器实时获取实时性好的光学追踪器的惯性导航传感器信息，并将获取的惯性导航传感器信息发送控制单元，由控制单元通过无线传输单元发送至VR头戴设备，VR头戴设备融合摄像头和第一惯性导航传感器分别获取的光学追踪器的发光单元信息和惯性导航传感器信息，实时追踪光学追踪器相对于VR头戴设备的6DoF位姿信息，使该光学追踪器的追踪精度高、追踪实时性和稳定性好，可用于在使用VR设备健身时，用户四肢姿态的追踪，能够检测用户四肢的移动带来的上下前后左右位移的变化，更加真实、精确的反映人体运动情况。
在一个实施例中，光学追踪器的壳体呈环形或弧形，多个发光单元按照预定的物理几何规则分布在光学追踪器的壳体内；具体地，光学追踪器上各处的发光单元的排布完全不相同，便于VR头戴设备根据摄像头拍摄到的多个发光单元形成的图像，来确定佩戴有光学追踪器的用户脚部或手部的对应姿态。当光学追踪器的壳体呈环形时，光学追踪器可套设在用户的脚上，便于摄像头进行拍摄，如图4所示；当光学追踪器的壳体呈弧形时，光学追踪器可固定在用户脚踝位置，如图3所示。
发光单元优选为LED灯，该LED灯可以发出光波段为850nm的红外，或者光波段为420～690nm的可见光，这些光波段均处于摄像头镜头的透光波段内，便于摄像头捕捉到LED灯光。
当用户四肢需要佩戴多个光学追踪器时，为了防止摄像头对各光学追踪器上发光单元的错误识别，导致的用户四肢姿态追踪错误，各光学追踪器上的发光单元的排布完全不同。又为了便于光学追踪器上发光单元位置排布的设置，当光学追踪器佩戴在用户脚部或手部时，左右脚或左右手的光学追踪器的壳体上发光单元对称分布，如图5-6所示，用户左脚上佩戴的光学追踪器的发光单元，与右脚佩戴的光学追踪器的发光单元对称分布。
优选地，光学追踪器的壳体包括内壳体和外壳体，其中内壳体用于支撑发光单元，防止发光单元的位置发生偏移；外壳体用于覆盖发光单元，实现对发光单元的保护。
在一个实施例中，光学追踪器的内壳体的尺寸与外壳体的尺寸之间呈预定比例；预定比例优选为1:1.1～1.2，最优为1:1.15，该预定比例的设置可防止发光单元被遮挡，摄像头无法摄到发光单元的光斑图像的情况发生。
在一个实施例中，每个发光单元相对于光学追踪器内壳体表面的夹角在预定夹角范围内，预定夹角范围为80°～86°，该预定夹角范围的设置是为了防止发光单元发光时不被内壳体遮挡。
在一个实施例中，为了使通过摄像头拍摄到不同几何规则的发光单元，确定用户脚部或手部的姿态和位移，光学追踪器上各处的发光单元形成的图案均不相同。按照预定的物理几何规则形成的图形由多边形网格或三角网格组成，且其中的多边形网格的边数大于等于6。且发光单元的数量优选为22个，由于放光单元越少，耗能越少，该数量的发光单元设置是在保证追踪器实现稳定追踪前提下，最少的发光单元数量。当然，发光单元数量可以选择多于22个。
在一个优选实施例中，为了便于摄像头容易拍摄到发光单元发出的光，光学追踪器的内壳体和外壳体组成的整个壳体结构相对于光学追踪器的主干结构的倾斜角度在预定倾斜角度范围内。超出该预定倾斜角度范围可能会导致发光单元发出的光无法被摄像头捕捉到。其中，预定倾斜角度范围优选为40°～135°。
在一个实施例中，为了实现多个发光单元控制的一致性，多个发光单元串联连接在控制单元的同一个电路主板上，便于统一控制。
在一个实施例中，为了使摄像头拍摄到稳定的光斑图像，控制单元控制多个发光单元按照预定的占空比同时点亮，且多个发光单元在每一帧的点亮起始时间相同以及点亮时间(点亮时长)相同，使摄像头拍摄的发光单元的光斑在图像上稳定显示。同时控制多个发光单元按照预定的占空比同时点亮，例如，发光单元每帧点亮的时间范围为15us～100us，由于摄像头每帧曝光时长一般为200ms，这样发光单元每次点亮时间都处于摄像头的曝光时长内，无需发光单元常亮也能实现对发光单元的跟踪，缩短了每帧的点亮时长，达到节能的效果。其中，占空比是指在一个脉冲循环内，通电时间相对于总时间所占的比例。
本申请一个实施例中提供一种运动健身系统，系统包括VR头戴设备、一个或多个上述的光学追踪器，VR头戴设备设备内置有环境位姿追踪器，位姿追踪器包括摄像头和第二惯性导航传感器。
用户运动健身过程中，VR头戴设备佩戴在用户的头部，每个光学追踪器佩戴在用户的手部或脚部，VR头戴设备与每个光学追踪器无线连接。
VR头戴设备建立以第二惯性导航传感器为原点的统一坐标系，利用环境位姿追踪器实时追踪用户头部运动相对于用户环境的6DoF位姿信息；以及利用每个光学追踪器实时追踪用户四肢运动相对于VR头戴设备(第二惯性导航传感器)的6DoF位姿信息，进而获取到用户的行为动作。
VR头戴设备在显示器内显示出一个虚拟用户，该虚拟用户的运动动作行为和现实用户的运动动作行为完全一致。用户在使用运动健身系统进行运动时，VR头戴设备在显示器内同时也会显示出标准行为动作，用户可以实时将自身的实际行为动作(虚拟用户的行为动作)与标准行为动作进行比较，实现运动健身的自我纠正或评估，进而提高健身的效果。
应该注意的是上述实施例对本申请进行说明而不是对本申请进行限制，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。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本申请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。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

Claims (10)

1.一种用于VR头戴设备的光学追踪器，其特征在于，所述光学追踪器包括多个发光单元、控制单元、第一惯性导航传感器和无线传输单元；
多个发光单元按照预定的物理几何规则分布在所述光学追踪器的壳体内，所述控制单元控制所述多个发光单元同时点亮，以便于所述VR头戴设备利用内置的摄像头拍摄到所述多个发光单元的光斑图像，实时获取所述光学追踪器的发光单元信息；
所述第一惯性导航传感器实时获取所述光学追踪器的惯性导航传感器信息，并将获取的惯性导航传感器信息发送给所述控制单元，由所述控制单元通过所述无线传输单元转发至所述VR头戴设备；
所述VR头戴设备融合所述光学追踪器的发光单元信息和惯性导航传感器信息，实时追踪所述光学追踪器相对于所述VR头戴设备的6DoF位姿信息。
2.如权利要求1所述的光学追踪器，其特征在于，所述光学追踪器的壳体呈环形或弧形。
3.如权利要求1所述的光学追踪器，其特征在于，所述光学追踪器的壳体包括内壳体和外壳体，其中内壳体用于支撑发光单元，外壳体用于覆盖发光单元。
4.如权利要求3所述的光学追踪器，其特征在于，所述光学追踪器的内壳体的尺寸与外壳体的尺寸之间呈预定比例。
5.如权利要求3所述的光学追踪器，其特征在于，每个发光单元相对于所述光学追踪器内壳体表面的夹角在预定夹角范围内。
6.如权利要求3所述的光学追踪器，其特征在于，按照预定的物理几何规则形成的图形由多边形网格或三角网格组成，且其中的多边形网格的边数大于等于6。
7.如权利要求3所述的光学追踪器，其特征在于，所述光学追踪器的内壳体和外壳体组成的整个壳体结构相对于所述光学追踪器的主干结构的倾斜角度在预定倾斜角度范围内。
8.如权利要求1所述的光学追踪器，其特征在于，所述多个发光单元串联连接在所述控制单元的同一个电路主板上。
9.如权利要求1所述的光学追踪器，其特征在于，所述控制单元控制所述多个发光单元按照预定的占空比同时点亮，且所述多个发光单元在每一帧的点亮时间相同。
10.一种运动健身系统，其特征在于，所述系统包括VR头戴设备、一个或多个如权利要求1-9任一项所述的光学追踪器，所述VR头戴设备内置有环境位姿追踪器，所述位姿追踪器包括摄像头和第二惯性导航传感器；
用户运动健身过程中，所述VR头戴设备佩戴在用户的头部，每个光学追踪器佩戴在用户的手部或脚部，所述VR头戴设备与每个光学追踪器无线连接；
所述VR头戴设备建立以所述第二惯性导航传感器为原点的统一坐标系，利用所述环境位姿追踪器实时追踪用户头部运动相对于用户环境的6DoF位姿信息；以及利用每个光学追踪器实时追踪用户四肢运动相对于所述VR头戴设备的6DoF位姿信息，进而获取到用户的行为动作；
所述VR头戴设备在显示器内显示出一个虚拟用户，该虚拟用户的运动动作行为和现实用户的运动动作行为完全一致。
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