CN117357901A - 基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的方法、装置、设备及计算机可读存储介质，该方法包括：在体感羽毛球游戏启动后，从绑定的体感设备获取体感数据，所述体感数据包括磁力计数据、加速度数据及陀螺仪数据；解算所述陀螺仪数据得到所述体感设备的旋转四元数；根据所述磁力计数据和所述加速度数据修正所述旋转四元数；基于修正后的旋转四元数计算所述体感设备的轨迹数据；对所述轨迹数据进行函数拟合，以识别用户所完成的挥拍动作类型；根据所完成的挥拍动作类型执行对应的游戏操作。本发明的基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的方法具有挥拍动作识别精度高、适用面广、泛化性强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及体感游戏技术领域，尤其涉及一种基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的方法、装置、设备及计算机可读存储介质。
背景技术
在当前的体感游戏领域，为了提供更真实、互动性更强的用户体验，开发者们常常使用各种传感器技术来捕捉用户的实际运动并将其映射到游戏环境中。
传统的体感控制系统通常使用加速度计、陀螺仪等传感器来获取用户设备的姿态信息。然而，这些传感器数据常常受到噪声的干扰，尤其是在长时间使用过程中，陀螺仪数据可能会产生漂移，降低了姿态解算的精确性，导致用户动作识别精度的下降。
发明内容
本申请实施例通过提供一种基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的方法，旨在提升用户动作识别的精度。
为实现上述目的，本申请实施例提供了一种基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的方法，包括：
在体感羽毛球游戏启动后，从绑定的体感设备获取体感数据，所述体感数据包括磁力计数据、加速度数据及陀螺仪数据；
解算所述陀螺仪数据得到所述体感设备的旋转四元数；
根据所述磁力计数据和所述加速度数据修正所述旋转四元数；
基于修正后的旋转四元数计算所述体感设备的轨迹数据；
对所述轨迹数据进行函数拟合，以识别用户所完成的挥拍动作类型；
根据所完成的挥拍动作类型执行对应的游戏操作。
在一实施例中，根据所述磁力计数据和所述加速度数据修正所述旋转四元数，包括：
根据所述磁力计数据和所述加速度数据计算所述体感设备的姿态角；
基于陀螺仪观测量和所述姿态角构建观测方程；
基于所述旋转四元数和陀螺仪误差构建状态方程；
根据所述观测方程和所述状态方程得到修正后的旋转四元数。
在一实施例中，根据所述观测方程和所述状态方程得到修正后的旋转四元数，包括：
根据观测方程和上一时刻的状态向量，预测当前时刻的状态向量和状态协方差矩阵，其中，所述状态向量包括旋转四元数和陀螺仪误差；
根据当前时刻的观测向量和观测方程，计算卡尔曼增益；
根据所述卡尔曼增益修正预测的当前时刻的状态向量和状态协方差矩阵，得到更新后的状态向量和状态协方差矩阵，其中，更新后的状态向量包括修正后的旋转四元数和陀螺仪误差。
在一实施例中，所述姿态角包括俯仰角、横滚角及偏航角；
根据所述磁力计数据和所述加速度数据计算所述体感设备的姿态角，包括：
根据所述加速度数据计算所述体感设备的俯仰角和横滚角；
根据所述磁力计数据计算所述体感设备的偏航角。
在一实施例中，在根据所述磁力计数据和所述加速度数据修正所述旋转四元数之前，所述方法还包括：
根据椭球拟合方法，对所述陀螺仪数据、所述加速度数据和所述磁力计数据进行数据校正。
在一实施例中，根据修正后的旋转四元数计算所述体感设备的轨迹数据，包括：
在执行体感游戏的终端上生成一个由多个网格单元组成的网格地图，以及一个与所述体感设备相匹配的虚拟刚体；
根据加速度数据和修正后的旋转四元数更新所述虚拟刚体在所述网格地图中的位置；
记录所述虚拟刚体在所述网格地图中移动过程中经过的网格单元的坐标数据作为所述轨迹数据。
在一实施例中，对所述轨迹数据进行函数拟合，以识别用户所完成的挥拍动作类型，包括：
将所述轨迹数据代入多个预设挥拍函数进行拟合，并计算所述轨迹数据与每个预设挥拍函数的拟合度；
取拟合度最高的预设挥拍函数对应的挥拍动作类型，作为用户所完成的挥拍动作。
为实现上述目的，本申请实施例还提出一种基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的装置，包括：
获取模块，用于在体感羽毛球游戏启动后，从绑定的体感设备获取体感数据，所述体感数据包括磁力计数据、加速度数据及陀螺仪数据；
解算模块，用于解算所述陀螺仪数据得到所述体感设备的旋转四元数；
修正模块，用于根据所述磁力计数据和所述加速度数据修正所述旋转四元数；
计算模块，用于基于修正后的旋转四元数计算所述体感设备的轨迹数据；
识别模块，用于对所述轨迹数据进行函数拟合，以识别用户所完成的挥拍动作类型；
执行模块，用于根据所完成的挥拍动作类型执行对应的游戏操作。
为实现上述目的，本申请实施例还提出一种基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的程序，所述处理器执行所述基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的程序时实现如上述任一项所述的基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的方法。
为实现上述目的，本申请实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的程序，所述基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的程序被处理器执行时实现如上述任一项所述的基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的方法。
本申请技术方案的基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的方法，通过采用加速度数据和磁力计数据对陀螺仪数据得到的旋转四元数进行修正，再基于修正后的旋转四元数计算体感设备的轨迹数据。如此，能够精确性的表达体感设备在空间中的姿态(即用户进行挥拍时的姿态)。然后，基于计算得到的轨迹数据进行函数拟合，以识别用户所完成的挥拍动作类型。如此，一方面，可以利用函数拟合方法获取更真实的挥拍动作轨迹，以提升挥拍类型识别的精度；另一方面又可以利用函数拟合方法对不同用户、不同场景下的挥拍动作的适用性，提升游戏方法的泛化性与灵活性。因此，相较于传统的体感游戏方案，本申请技术方案的体感羽毛球的游戏方法具有挥拍动作识别精度高、适用面广、泛化性强等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的设备一实施例的模块结构图；
图2为本发明基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的方法一实施例的流程示意图；
图3为本发明基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的装置一实施例的模块结构图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开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公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
应当注意的是，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。文中出现的“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的数量词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部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。而“第一”、“第二”、以及“第三”等的使用不表示任何顺序，可将这些词解释为名称。
如图1所示，图1是本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的服务器1(又叫基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的设备)结构示意图。
本发明实施例服务器，如“物联网设备”、带联网功能的智能空调、智能电灯、智能电源，带联网功能的AR/VR设备，智能音箱、自动驾驶汽车、PC，智能手机、平板电脑、电子书阅读器、便携计算机等具有显示功能的设备。
如图1所示，所述服务器1包括：存储器11、处理器12及网络接口13。
其中，存储器11至少包括一种类型的可读存储介质，所述可读存储介质包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，SD或DX存储器等)、磁性存储器、磁盘、光盘等。存储器11在一些实施例中可以是服务器1的内部存储单元，例如该服务器1的硬盘。存储器11在另一些实施例中也可以是服务器1的外部存储设备，例如该服务器1上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。
进一步地，存储器11还可以包括服务器1的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器11不仅可以用于存储安装于服务器1的应用软件及各类数据，例如基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的程序10的代码等，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
处理器12在一些实施例中可以是一中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、控制器、微控制器、微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器11中存储的程序代码或处理数据，例如执行基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的程序10等。
网络接口13可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如WI-FI接口)，通常用于在该服务器1与其他电子设备之间建立通信连接。
网络可以为互联网、云网络、无线保真(Wi-Fi)网络、个人网(PAN)、局域网(LAN)和/或城域网(MAN)。网络环境中的各种设备可以被配置为根据各种有线和无线通信协议连接到通信网络。这样的有线和无线通信协议的例子可以包括但不限于以下中的至少一个：传输控制协议和互联网协议(TCP/IP)、用户数据报协议(UDP)、超文本传输协议(HTTP)、文件传输协议(FTP)、ZigBee、EDGE、IEEE 802.11、光保真(Li-Fi)、802.16、IEEE 802.11s、IEEE 802.11g、多跳通信、无线接入点(AP)、设备对设备通信、蜂窝通信协议和/或蓝牙(Blue Tooth)通信协议或其组合。
可选地，该服务器还可以包括用户接口，用户接口可以包括显示器(Display)、输入单元比如键盘(Keyboard)，可选的用户接口还可以包括标准的有线接口、无线接口。可选地，在一些实施例中，显示器可以是LED显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)触摸器等。其中，显示器也可以称为显示屏或显示单元，用于显示在服务器1中处理的信息以及用于显示可视化的用户界面。
图1仅示出了具有组件11-13以及基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的程序10的服务器1，本领域技术人员可以理解的是，图1示出的结构并不构成对服务器1的限定，可以包括比图示更少或者更多的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
在本实施例中，处理器12可以用于调用存储器11中存储的基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的程序，并执行以下操作：
在体感羽毛球游戏启动后，从绑定的体感设备获取体感数据，所述体感数据包括磁力计数据、加速度数据及陀螺仪数据；
解算所述陀螺仪数据得到所述体感设备的旋转四元数；
根据所述磁力计数据和所述加速度数据修正所述旋转四元数；
基于修正后的旋转四元数计算所述体感设备的轨迹数据；
对所述轨迹数据进行函数拟合，以识别用户所完成的挥拍动作类型；
根据所完成的挥拍动作类型执行对应的游戏操作。
在一实施例中，处理器12可以用于调用存储器11中存储的基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的程序，并执行以下操作：
根据所述磁力计数据和所述加速度数据计算所述体感设备的姿态角；
基于陀螺仪观测量和所述姿态角构建观测方程；
基于所述旋转四元数和陀螺仪误差构建状态方程；
根据所述观测方程和所述状态方程得到修正后的旋转四元数。
在一实施例中，处理器12可以用于调用存储器11中存储的基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的程序，并执行以下操作：
根据观测方程和上一时刻的状态向量，预测当前时刻的状态向量和状态协方差矩阵，其中，所述状态向量包括旋转四元数和陀螺仪误差；
根据当前时刻的观测向量和观测方程，计算卡尔曼增益；
根据所述卡尔曼增益修正预测的当前时刻的状态向量和状态协方差矩阵，得到更新后的状态向量和状态协方差矩阵，其中，更新后的状态向量包括修正后的旋转四元数和陀螺仪误差。
在一实施例中，处理器12可以用于调用存储器11中存储的基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的程序，并执行以下操作：
根据所述加速度数据计算所述体感设备的俯仰角和横滚角；
根据所述磁力计数据计算所述体感设备的偏航角。
在一实施例中，处理器12可以用于调用存储器11中存储的基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的程序，并执行以下操作：
根据椭球拟合方法，对所述陀螺仪数据、所述加速度数据和所述磁力计数据进行数据校正。
在一实施例中，处理器12可以用于调用存储器11中存储的基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的程序，并执行以下操作：
在执行体感游戏的终端上生成一个由多个网格单元组成的网格地图，以及一个与所述体感设备相匹配的虚拟刚体；
根据加速度数据和修正后的旋转四元数更新所述虚拟刚体在所述网格地图中的位置；
记录所述虚拟刚体在所述网格地图中移动过程中经过的网格单元的坐标数据作为所述轨迹数据。
在一实施例中，处理器12可以用于调用存储器11中存储的基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的程序，并执行以下操作：
将所述轨迹数据代入多个预设挥拍函数进行拟合，并计算所述轨迹数据与每个预设挥拍函数的拟合度；
取拟合度最高的预设挥拍函数对应的挥拍动作类型，作为用户所完成的挥拍动作。
基于上述基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的设备的硬件构架，提出本发明基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的方法的实施例。本发明的基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的方法，旨在提升用户动作识别的精度。
参照图2，图2为本发明基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的方法的一实施例，所述基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的方法包括以下步骤：
S10、在体感羽毛球游戏启动后，从绑定的体感设备获取体感数据，所述体感数据包括磁力计数据、加速度数据及陀螺仪数据。
这其中，该体感羽毛球游戏一种基于体感技术的体感游戏，其可以是虚拟现实游戏，也可是传统的2D或3D游戏。与传统的游戏手柄或键盘相比，体感羽毛球游戏通过捕捉用户的真实动作和姿势，将其转化为游戏中的击球动作。
可选择的，该体感羽毛球游戏可以是基于web的网页游戏，也可以是基于html5的小程序，或是独立运行的app。
进一步的，体感设备是一类用于捕捉、识别和转化用户身体动作的设备。它们通常包括传感器、控制器和相关的硬件组件，旨在与电子游戏、虚拟现实、增强现实等交互式体验技术结合使用。
在本申请的技术方案中，体感设备包括磁力计、加速传感器及陀螺仪，以在用户进行游戏时分别采集磁力计数据、加速度数据及陀螺仪数据。
可选择的，本申请技术方案所采用的体感设备包括但不限于具有陀螺仪的手机、手环、手表、戒指、手柄、腕带等。
具体来说，可通过USB、WIFI、蓝牙或2.4G等通讯方式实现体感设备与游戏终端的绑定，该游戏终端是指运行体感游戏的终端，其可以手机、平板电脑、笔记本电脑、掌机等移动终端，也可是台式电脑、家庭主机等固定终端。
在绑定完成后，当用户终端在游戏终端上启动体感羽毛球游戏时，终端可基于与体感设备的连接协议，周期性的从体感设备接收或获取陀螺仪数据和加速度数据。
S20、解算所述陀螺仪数据得到所述体感设备的旋转四元数。
这其中，四元数是一种用于描述旋转的数学工具，用于描述旋转。它由一个实部和三个虚部组成。在姿态解算中，四元数用来表示设备相对于某一初始姿态的旋转。陀螺仪提供的旋转速度信息被积分，通过更新四元数来跟踪设备的旋转。
具体来说，可以基于四元数姿态解算算法解算陀螺仪数据，以得到旋转四元数。
具体为：设当前时刻为t，陀螺仪提供的旋转速度为ω(t)，而设备在时刻t的旋转四元数为q(t)。通过积分陀螺仪的旋转速度，可以得到新的旋转四元数：
q(t+Δt)＝q(t)+1/2Δω(t)；
其中，Δt是两次传感器数据采样之间的时间间隔。
可以理解，通过不断输出当前时刻的体感设备姿态的旋转四元数，便可得到体感设备的旋转角度(即姿态角)。
S30、根据所述磁力计数据和所述加速度数据修正所述旋转四元数。
具体的，可以基于卡尔曼滤波器，以融合磁力计数据和加速度数据，进而以更新旋转四元数。这其中，卡尔曼滤波器是一种递归算法，用于融合来自不同传感器的信息，以提高姿态解算的准确性。
具体的，陀螺仪数据会因为漂移、零偏、温度、震动、冲击等因素产生误差，并且这些误差会随着时间的增加而积累，导致基于陀螺仪所采集的数据偏离体感设备实际运动表现，影响对用户动作判断的精确性。
具体来说，卡尔曼滤波器可以基于磁力计和加速度数据，计算另一个姿态数据，然后通过该姿态数据对旋转四元数进行修正。该经过修正后旋转四元数能够更精确地反映体感设备的实际姿态，如此，可减小由于陀螺仪数据漂移引起的误差，为后续的轨迹数据计算提供更可靠的基础。
S40、基于修正后的旋转四元数计算所述体感设备的轨迹数据。
具体来说，在得到修正后的旋转四元数后，可以将旋转四元数转化成旋转矩阵，以表示体感设备的旋转。然后将旋转矩阵与加速度计的数据进行融合，便可得到体感设备在空间中的运动轨迹。最后，基于该运动轨迹便可得到体感设备的轨迹数据。
S50、对所述轨迹数据进行函数拟合，以识别用户所完成的挥拍动作类型。
这其中，挥拍动作是指在体感羽毛球游戏中，用户所完成的模拟挥拍过程中的各种动作和动作序列。这些动作可以模拟真实羽毛球游戏中的各种动作，如正手击球、反手击球、扣球、发球等动作。
具体而言，想要根据轨迹数据的函数拟合以识别用户所完成的挥拍动作类型，可以根据在实际羽毛球运动中采集的挥拍动作数据，拟合出代表不同类型挥拍动作的典型挥拍函数。然后将用户在体感羽毛球游戏的轨迹数据所拟合的函数与这些典型挥拍函数进行比较，最后根据比较结果以识别用户所完成的挥拍动作类型。
可以理解，采用函数拟合进行挥拍动作类型的识别，一方面，函数拟合方法可以根据实际的挥拍轨迹数据来建模和描述用户的挥拍动作。通过拟合函数，可以准确地捕捉挥拍动作的细节和特征，包括起始点、终点、轨迹形状、速度变化等。相比其他传感器或基于规则的方法，函数拟合更加精确地反映了真实的挥拍动作特征，提高了动作识别的准确性。
另一方面，函数拟合方法可以基于收集到的多组样本数据，通过拟合得到通用的挥拍函数模型。这个模型可以用于识别不同用户、不同场景下的挥拍动作，具有一定的泛化能力。通过函数拟合，可以从样本数据中学习到普遍适用的动作模式和规律，实现对新的挥拍动作的识别。这种泛化性使得函数拟合方法具备较强的适应性和实用性。
此外，函数拟合方法可以根据实际需求选择不同的函数形式来建模挥拍动作。根据具体情况，可以选择多项式函数、三角函数、高斯函数等来拟合挥拍轨迹数据。这种灵活性使得函数拟合方法能够适应不同类型的挥拍动作，具备较高的适应性和扩展性。并且，函数拟合方法可以快速进行计算和推断，使得动作识别可以在实时场景中应用。挥拍函数的计算和分类可以在较短的时间内完成，提升游戏运行效率。
S60、根据所完成的挥拍动作类型执行对应的游戏操作。
具体来说，在体感羽毛球游戏中，针对每种挥拍动作类型，均有相应的游戏操作指令。例如，对于正手击球动作，可以映射为游戏中的前向挥拍操作；对于反手击球动作，可以映射为游戏中的侧向挥拍操作。
基于此，在确定了用户执行的挥拍动作类型后，可根据识别出的动作类型对应的游戏操作指令，将相应的指令传递给游戏角色进行执行。这可以通过与游戏引擎或控制器的交互来实现，例如通过编程接口、控制器输入等方式将指令传递给游戏系统。如此，便可实现对用户的挥拍动作的复现。
可以理解，本申请技术方案的基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的方法，通过采用加速度数据和磁力计数据对陀螺仪数据得到的旋转四元数进行修正，再基于修正后的旋转四元数计算体感设备的轨迹数据。如此，能够精确性的表达体感设备在空间中的姿态(即用户进行挥拍时的姿态)。然后，基于计算得到的轨迹数据进行函数拟合，以识别用户所完成的挥拍动作类型。如此，一方面，可以利用函数拟合方法获取更真实的挥拍动作轨迹，以提升挥拍类型识别的精度；另一方面又可以利用函数拟合方法对不同用户、不同场景下的挥拍动作的适用性，提升游戏方法的泛化性与灵活性。因此，相较于传统的体感游戏方案，本申请技术方案的体感羽毛球的游戏方法具有挥拍动作识别精度高、适用面广、泛化性强等优点。
在一些实施例中，根据所述磁力计数据和所述加速度数据修正所述旋转四元数，包括以下步骤：
S31、根据所述磁力计数据和所述加速度数据计算所述体感设备的姿态角。
这其中，姿态角是描述物体在三维空间中朝向的角度，通常包括俯仰(Pitch)、偏航(Yaw)和滚动(Roll)三个角度。
具体来说，根据所述磁力计数据和所述加速度数据计算所述体感设备的姿态角，包括以下步骤：
S311、根据所述加速度数据计算所述体感设备的俯仰角和横滚角。
具体而言，可以基于以下步骤计算体感设备的俯仰角和横滚角：
(1)、计算总加速度：通过合并加速度计提供的三轴加速度分量，计算出体感设备的总加速度。
(2)、计算俯仰角和横滚角：利用总加速度的分量，使用三角函数等数学方法计算俯仰角和横滚角。通常，俯仰角可以通过反正切函数计算，横滚角可以通过反正弦和反余弦函数计算。
(3)、考虑设备朝向：修正计算得到的俯仰角和横滚角，以考虑设备的朝向，确保它们相对于体感设备坐标系的正确方向。
S312、根据所述磁力计数据计算所述体感设备的偏航角。
具体而言，可以基于以下步骤计算体感设备的偏航角：
(1)、获取磁力计数据：从体感设备的磁力计获取三轴磁场分量。
(2)、计算磁北方向：利用磁力计提供的数据，计算体感设备相对于地球坐标系的磁北方向。
(3)、计算偏航角：利用计算得到的磁北方向，结合设备的朝向信息，计算出体感设备的偏航角。这可以通过反正切函数计算得到。
S32、基于陀螺仪观测量和所述姿态角构建观测方程。
这其中，陀螺仪是用于测量体感设备在空间中的角速度，即绕各个轴的旋转速度。因此陀螺仪观测量是指体感设备绕X轴、Y轴和Z轴的角速度，通常以向量形式表示。
具体来说，可以基于以下步骤构建观测方程：
(1)、构建旋转矩阵H：
利用步骤S31中计算得到的俯仰角(Pitch)、横滚角(Roll)和偏航角(Yaw)信息，构建旋转矩阵H。
(2)、将姿态角转换为四元数q：
利用构建的旋转矩阵H，将姿态角转换为四元数。
(3)、构建观测方程：
其中:wx,wy,wz为陀螺仪观测量；R为测量的噪声；φroll表示横滚角；θpitch表示俯仰角；ψyaw表示偏航。
通过构建观测方程，系统能够将陀螺仪的观测量映射到姿态角空间中。
S33、基于所述旋转四元数和陀螺仪误差构建状态方程。
在本实施例中，陀螺仪误差通常指陀螺仪漂移误差，其是指陀螺仪在测量角速度时产生的持续性误差。从广义上来说，陀螺仪误差可以包括由于漂移、冲击、温度等因素所导致陀螺仪测量误差。
具体的，建状态方程的目的是建立陀螺仪误差与系统状态(旋转四元数)之间的关系。
具体来说，状态方程的表达式如下：
X＝[q0，q1，q2，q3，bx，by，bz]T.
其中，A为由陀螺仪偏导数求得的系统系数矩阵；Qk为系统的过程协方差,即系统过程噪声对应的协方差；q0，q1，q2，q3为四元数；bx，by，bz为陀螺仪三个轴向误差，由卡尔曼滤波器给出。
S34、根据所述观测方程和所述状态方程得到修正后的旋转四元数。
具体来说，通过状态方程可以根据上一时刻的状态估计和当前的输入数据(陀螺仪观测量)来预测系统的当前时刻状态，然后利用观测方程，可以对预测的当前时刻状态进行修正，以得到修正后旋转四元数。通过不断的预测和修正，便可不断的修正陀螺仪误差，得到能更精准表达体感设备姿态的旋转四元数，进而以得到更为精确的轨迹预测。
在一些实施例中，根据所述观测方程和所述状态方程得到修正后的旋转四元数，包括以下步骤：
S341、根据观测方程和上一时刻的状态向量，预测当前时刻的状态向量和状态协方差矩阵，其中，所述状态向量包括旋转四元数和陀螺仪误差。
这其中，状态协方差矩阵用于表示状态向量预测的不确定性。
具体来说，利用上一时刻的状态向量和状态方程，可以进行状态的预测。这一步包括对状态向量的预测和状态协方差矩阵的更新。同时，根据系统动态性质和观测方程，可以更新状态协方差矩阵。
S342、根据当前时刻的观测向量和观测方程，计算卡尔曼增益。
这其中，卡尔曼增益是卡尔曼滤波算法中的一个关键参数，用于在状态预测和观测值之间找到最佳的权衡，以优化对系统状态的估计。卡尔曼增益的作用是调整状态估计的权重，使其更接近于观测值或者更接近于预测值，具体取决于两者的可靠性。
具体的，可以利用状态协方差矩阵和观测方程的协方差矩阵，计算卡尔曼增益。
S343、根据所述卡尔曼增益修正预测的当前时刻的状态向量和状态协方差矩阵，得到更新后的状态向量和状态协方差矩阵，其中，更新后的状态向量包括修正后的旋转四元数和陀螺仪误差。
具体的，利用卡尔曼增益和观测残差(观测值与预测值之间的差异)，对预测的状态向量进行修正，得到更新后的状态向量。同时，利用卡尔曼增益，可以更新状态协方差矩阵。
通过执行以上步骤，系统能够根据观测方程和状态方程，利用卡尔曼滤波算法，动态地融合观测值和系统模型，从而得到修正后的旋转四元数和陀螺仪误差。这一过程实现了对系统状态的实时修正，提高了对体感设备姿态的准确估计。
在一些实施例中，在根据所述磁力计数据和所述加速度数据修正所述旋转四元数之前，所述方法还包括：
根据椭球拟合方法，对所述陀螺仪数据、所述加速度数据和所述磁力计数据进行数据校正。
具体来说，通过椭球拟合方法对陀螺仪数据、加速度数据和磁力计数据进行数据校正，可以更精准地获取传感器的测量值，从而提高姿态解算的准确性。
具体的，椭球拟合方法的数据校正步骤如下：
(1)获取原始传感器数据：从陀螺仪、加速度计和磁力计获取原始数据。这些数据包括陀螺仪的角速度数据、加速度计的加速度数据和磁力计的磁场数据。
(2)椭球拟合：对陀螺仪、加速度计和磁力计的数据分别进行椭球拟合。椭球拟合是一种数学方法，通过拟合椭球面来描述传感器的误差特性。这可以有效地校正传感器测量中存在的非线性和偏差。
(3)校正陀螺仪数据：利用陀螺仪的椭球拟合结果，对陀螺仪的角速度数据进行校正。这可以帮助去除由于陀螺仪本身误差引起的偏移和非线性效应。
(4)校正加速度计数据：利用加速度计的椭球拟合结果，对加速度计的加速度数据进行校正。这有助于消除加速度计的零偏和非线性误差。
(5)校正磁力计数据：利用磁力计的椭球拟合结果，对磁力计的磁场数据进行校正。这有助于解决磁力计可能受到的硬铁干扰和其他磁场干扰。
(6)得到校正后的传感器数据：得到校正后的陀螺仪、加速度计和磁力计数据。这些校正后的数据更准确地反映了真实的物理量，为后续的姿态解算提供更精确的输入。
在一些实施例中，根据修正后的旋转四元数计算所述体感设备的轨迹数据，包括：
S41、在执行体感游戏的终端上生成一个由多个网格单元组成的网格地图，以及一个与所述体感设备相匹配的虚拟刚体。
这其中，网格地图是一种将空间划分为规则网格单元的图像表示方法。它将整个空间划分为离散的小区域，每个区域称为一个网格单元，可以是正方形、矩形或其他形状。每个网格单元具有唯一的标识符和坐标，用于表示其在整个地图中的位置。在本申请的技术方案中，网格地图用来表示游戏场景的布局。每个网格单元可以对应一个固定大小的区域或格子，用来记录虚拟刚体在游戏中的位置。
具体而言，在体感羽毛球游戏启动后，可基于预设的初始化参数构建网格地图，该网格地图可以是二维地图(如平面地图)，也可是三维地图(如立体场景)。值得说明的是，根据预设的初始化参数，在生成网格地图的同时，确定了每个网格单元的大小、及每个网格单元的坐标值。
进一步地，刚体是指在物理世界中具有固定形状和质量，不会发生变形或弯曲的物体。虚拟刚体则是具有相应物理属性的虚拟建模。在本申请的技术方案中，该虚拟刚体用以记录体感设备在网格地图中的移动轨迹。
S42、根据加速度数据和修正后的旋转四元数更新所述虚拟刚体在所述网格地图中的位置。
具体来说，利用修正后的旋转四元数，可以更新虚拟刚体的方向，确保虚拟刚体在虚拟环境中的朝向与用户实际动作相符。然后利用加速度数据，结合已更新的方向信息，可以更新虚拟刚体在网格地图中的位置。这可以通过积分加速度数据来估计速度，再积分速度来更新位置。
S43、记录所述虚拟刚体在所述网格地图中移动过程中经过的网格单元的坐标数据作为所述轨迹数据。
具体来说，可创建一个数据结构来存储虚拟刚体经过的网格单元的坐标数据，可以使用数组、列表、矩阵等数据结构来表示轨迹数据。在游戏过程中，可根据时间序列将虚拟刚体所处网格单元的坐标值记录到轨迹数据结构中，以作为体感设备在空间中的轨迹数据。
可以理解，通过上述步骤，可以将体感设备的轨迹数据表示为经过处理的网格坐标，可以将连续的坐标序列转换为离散的网格单元序列。这样做去除中间相邻坐标之间的微小变化，以可以减少数据的冗余与重复，从而优化数据的表示和存储，并可提升运动轨迹的计算效率。
在一些实施例中，对所述轨迹数据进行函数拟合，以识别用户所完成的挥拍动作类型，包括：
S51、将所述轨迹数据代入多个预设挥拍函数进行拟合，并计算所述轨迹数据选择预设挥拍函数：
这其中，预设挥拍函数是在挥拍动作分析中事先定义的数学函数或模型，用于模拟或描述特定类型的挥拍动作。这些函数通常是根据领域专家的经验或实验数据设计的，旨在捕捉和表达与挥拍动作相关的运动特征。示例性的，可以通过拟合以下函数以得到预设挥拍函数：正弦函数、余弦函数、多项式函数、线性回归函数等。
具体的，在得到表示体感设备移动的轨迹数据后，可以将该轨迹数据代入每个预设挥拍函数中，通过拟合算法(如最小二乘法)，计算每个函数与轨迹数据的拟合度。这其中，拟合度可以通过比较轨迹数据和函数模型之间的残差来实现。
S52、取拟合度最高的预设挥拍函数对应的挥拍动作类型，作为用户所完成的挥拍动作。
具体的，从计算得到的拟合度中选择最高的值，对应于与轨迹数据最匹配的预设挥拍函数。这代表了轨迹数据与某个挥拍动作类型的最佳拟合。基于此，可以将与最高拟合度对应的挥拍函数视为用户所完成的挥拍动作类型。
通过上述步骤，系统能够根据预设挥拍函数的拟合度来判断用户所完成的挥拍动作类型。
此外，参照图3，本发明实施例还提出基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的装置，所述基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的装置包括：
获取模块110，用于在体感羽毛球游戏启动后，从绑定的体感设备获取体感数据，所述体感数据包括磁力计数据、加速度数据及陀螺仪数据；
解算模块120，用于解算所述陀螺仪数据得到所述体感设备的旋转四元数；
修正模块130，用于根据所述磁力计数据和所述加速度数据修正所述旋转四元数；
计算模块140，用于基于修正后的旋转四元数计算所述体感设备的轨迹数据；
识别模块150，用于对所述轨迹数据进行函数拟合，以识别用户所完成的挥拍动作类型；
执行模块160，用于根据所完成的挥拍动作类型执行对应的游戏操作。
其中，基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的装置的各个功能模块实现的步骤可参照本发明基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的方法的各个实施例，此处不再赘述。
此外，本发明实施例还提出一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质可以是硬盘、多媒体卡、SD卡、闪存卡、SMC、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、便携式紧致盘只读存储器(CD-ROM)、USB存储器等中的任意一种或者几种的任意组合。计算机可读存储介质中包括基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的程序10，本发明之计算机可读存储介质的具体实施方式与上述基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的方法以及服务器1的具体实施方式大致相同，在此不再赘述。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的方法，其特征在于，包括：
在体感羽毛球游戏启动后，从绑定的体感设备获取体感数据，所述体感数据包括磁力计数据、加速度数据及陀螺仪数据；
解算所述陀螺仪数据得到所述体感设备的旋转四元数；
根据所述磁力计数据和所述加速度数据修正所述旋转四元数；
基于修正后的旋转四元数计算所述体感设备的轨迹数据；
对所述轨迹数据进行函数拟合，以识别用户所完成的挥拍动作类型；
根据所完成的挥拍动作类型执行对应的游戏操作。
2.如权利要求1所述的基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的方法，其特征在于，根据所述磁力计数据和所述加速度数据修正所述旋转四元数，包括：
根据所述磁力计数据和所述加速度数据计算所述体感设备的姿态角；
基于陀螺仪观测量和所述姿态角构建观测方程；
基于所述旋转四元数和陀螺仪误差构建状态方程；
根据所述观测方程和所述状态方程得到修正后的旋转四元数。
3.如权利要求2所述的基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的方法，其特征在于，根据所述观测方程和所述状态方程得到修正后的旋转四元数，包括：
根据观测方程和上一时刻的状态向量，预测当前时刻的状态向量和状态协方差矩阵，其中，所述状态向量包括旋转四元数和陀螺仪误差；
根据当前时刻的观测向量和观测方程，计算卡尔曼增益；
根据所述卡尔曼增益修正预测的当前时刻的状态向量和状态协方差矩阵，得到更新后的状态向量和状态协方差矩阵，其中，更新后的状态向量包括修正后的旋转四元数和陀螺仪误差。
4.如权利要求3所述的基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的方法，其特征在于，所述姿态角包括俯仰角、横滚角及偏航角；
根据所述磁力计数据和所述加速度数据计算所述体感设备的姿态角，包括：
根据所述加速度数据计算所述体感设备的俯仰角和横滚角；
根据所述磁力计数据计算所述体感设备的偏航角。
5.如权利要求4所述的基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的方法，其特征在于，在根据所述磁力计数据和所述加速度数据修正所述旋转四元数之前，所述方法还包括：
根据椭球拟合方法，对所述陀螺仪数据、所述加速度数据和所述磁力计数据进行数据校正。
6.如权利要求1所述的基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的方法，其特征在于，根据修正后的旋转四元数计算所述体感设备的轨迹数据，包括：
在执行体感游戏的终端上生成一个由多个网格单元组成的网格地图，以及一个与所述体感设备相匹配的虚拟刚体；
根据加速度数据和修正后的旋转四元数更新所述虚拟刚体在所述网格地图中的位置；
记录所述虚拟刚体在所述网格地图中移动过程中经过的网格单元的坐标数据作为所述轨迹数据。
7.如权利要求1所述的基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的方法，其特征在于，对所述轨迹数据进行函数拟合，以识别用户所完成的挥拍动作类型，包括：
将所述轨迹数据代入多个预设挥拍函数进行拟合，并计算所述轨迹数据与每个预设挥拍函数的拟合度；
取拟合度最高的预设挥拍函数对应的挥拍动作类型，作为用户所完成的挥拍动作。
8.一种基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于在体感羽毛球游戏启动后，从绑定的体感设备获取体感数据，所述体感数据包括磁力计数据、加速度数据及陀螺仪数据；
解算模块，用于解算所述陀螺仪数据得到所述体感设备的旋转四元数；
修正模块，用于根据所述磁力计数据和所述加速度数据修正所述旋转四元数；
计算模块，用于基于修正后的旋转四元数计算所述体感设备的轨迹数据；
识别模块，用于对所述轨迹数据进行函数拟合，以识别用户所完成的挥拍动作类型；
执行模块，用于根据所完成的挥拍动作类型执行对应的游戏操作。
9.一种基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的程序，所述处理器执行所述基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的程序，所述基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的基于函数拟合实现体感羽毛球游戏的方法。
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