基于虛擬現實技術的靶標姿態測量系統及其測量方法與流程

本發明涉及虛擬現實(Virtual Reality，VR)技術，尤其涉及一種基于虛擬現實(VR)技術的靶標姿態測量系統及其測量方法。

背景技術：

虛擬現實(VR)技術，是利用電腦或其他智能計算設備模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供關于視覺、聽覺、觸覺等人體感官的模擬，讓用戶如同身臨其境一般，即“完全在場感”。要實現這種“完全在場感”的使用體驗，除了對VR系統的視覺性能指標有所要求外，還要求VR系統可以提供空間定位定姿功能。所謂定位即確定載體，如VR頭盔、VR控制器、道具等在空間中包含三個自由度的位置信息；定姿即確定載體在空間中包含三個自由度的方向信息，通常使用歐拉角、四元數或旋轉矩陣來表達載體的姿態信息。

目前VR系統中以定位定姿為基礎的人機交互技術，由于受定姿精度低、時延大等技術瓶頸所限，已成為阻礙用戶在VR系統中臨場感體驗的主要因素。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種基于虛擬現實(VR)技術的靶標姿態測量系統及其測量方法，通過提高定姿精度和降低時延，實現用戶體驗過程中“完全在場感”提供技術支持，從而滿足用戶對VR場景更深層次沉浸感的需求。

為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：

一種基于虛擬現實(VR)技術的靶標姿態測量系統，包括2個測量基站，1個測量靶標和一臺配置有測量模塊的計算機；其中：

所述測量基站，用于通過紅外發光二極管陣列發出散射紅外光，周期性的掃射測量靶標；

所述測量靶標通過內設的光敏傳感器接收所述散射紅外光，并利用計時模塊進行計時；

所述測量靶標與所述計算機之間通過無線方式進行通信進行數據傳輸；

所述計算機利用內設的測量模塊根據接收到的所述數據進行最小二乘法求最優解，確定靶標坐標系位置和姿態。

其中，所述測量基站為線性激光器的轉臺發射機。

所述測量基站周期性的掃射測量靶標，具體為：測量基站在水平方向和豎直方向在電機的帶動下勻速旋轉利用紅外發光器散射出的紅外光對測量靶標進行掃射。

所述測量靶標通過內設的計時模塊記錄和統計所述光敏傳感器開始計時的時刻、水平或/和垂直方向的掃描時間差以及掃描周期數。

一種基于所述基于VR技術的靶標姿態測量系統的測量方法，包括如下步驟：

A、測量基站每隔一定時間，向外發射紅外散射光提供時間基準；

B、在兩個時間基準的間歇期，測量基站做2次光線掃描，掃描方向分別是水平和垂直方向；

C、測量靶標接收到散射光后開始計時，根據接收到水平和垂直方向掃描相對于散射光的時間差計算出空間角度；

D、根據測量出的4個空間角度計算測量靶標的姿態。

其中，步驟C所述的空間角度等于掃描轉速×時間間隔。

步驟D所述根據測量出的4個空間角度計算靶標的姿態的過程，具體包括：

D1、設靶標坐標系{H}到基站坐標系{B1}的齊次變換矩陣為：

其中：p_x、p_y、p_z為靶標坐標系原點在基站坐標系的位置，為靶標坐標系在基站坐標系的旋轉矩陣，其表征所述靶標的姿態；

D2、設光敏傳感器為空間中一個質點p₁，它在靶標坐標系的位置是px₁、py₁、pz₁，則存在如下數學關系：

其中：分別為光敏傳感器P₁在基站坐標系的位置；該公式(2)的物理意義是空間中某個質點在兩個不同坐標系下的坐標之間的變換關系；

D3、依據基站坐標系與測量靶標坐標系的關系，以及掃描測量角度的原理得到如下關系：

其中，tanθ_y是Y軸的掃描測量角度，tanθ_x是X軸的掃描測量角度；該公式(3)的物理意義是繞X軸掃描平面與繞Y軸掃描平面的交線，即穿過基站坐標系原點和光敏傳感器的一條空間直線；

D4、當有多個光敏傳感器被掃描到，則依據公式(1)～(3)就可以建立非線性方程組，采用最小二乘法求最優解即可確定靶標坐標系位置和姿態。

本發明所提供的基于虛擬現實(VR)技術的靶標姿態測量系統及其測量方法，具有以下優點：

本發明的靶標姿態測量系統，采用基于時間為參數的激光測量法，相比現有的三角激光測量法，減少了系統所需線性激光器的轉臺發射機(即激光發射器、激光基站)的數量，降低了整體成本且使用更為方便。采用本發明的測量方法，由于對靶標姿態和位置的解算只涉及時間參數，不涉及復雜的圖像處理過程，因此對位置的解算在設備中即可完成，大大簡化了數據處理過程，因而能夠大幅降低系統時延，最大程度上消除了系統可能對用戶造成的眩暈感，同時還降低了功耗。此外，采用本發明的測量方法，通過支持結合多傳感器的數據融合技術，如基于最小二乘法的傳感器融合算法和基于卡爾曼濾波(最優估計)的傳感器融合算法，能夠大幅提高靶標(或載體)位置和姿態數據的測量精度，因而能夠帶來更好的用戶體驗。

附圖說明

圖1為本發明實施例基于虛擬現實(VR)技術的靶標姿態測量系統的組成示意圖；

圖2為本發明實施例基于虛擬現實(VR)技術的靶標姿態測量方法的流程示意圖；

圖2a為紅外散射光提供時間基準的示意圖；

圖2b為紅外散射光提供時間基準發射示意圖；

圖2c為測量基站發射光線時序示意圖；

圖2d為水平掃描狀態示意圖；

圖2e為垂直掃描狀態示意圖；

圖3為基站坐標系與靶標坐標系關系示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖及本發明的實施例對本發明基于虛擬現實(VR)技術的靶標姿態測量系統及其測量方法作進一步詳細的說明。

圖1為本發明實施例基于虛擬現實(VR)技術的靶標姿態測量系統的組成示意圖。

如圖1所示，所述靶標姿態測量系統，主要包括2個測量基站、1個測量靶標和1臺配置有測量模塊的計算機。其中：

所述測量基站，可以是線性激光器的轉臺發射機(又稱激光發射器、激光基站)，用于通過紅外發光二極管陣列發出散射紅外光，周期性的掃射測量靶標。

參考圖2a所示，所述周期性的掃射測量靶標，是指測量基站在水平方向和豎直方向在電機的帶動下勻速旋轉利用紅外發光器散射出的紅外光對測量靶標進行掃射。

所述測量靶標通過內設的光敏傳感器接收所述散射紅外光，并利用計數(時)模塊進行計數(時)。

參考圖2a所示，所述測量靶標上設有多個光敏傳感器，該光敏傳感器對該波段的紅外光敏感。光敏傳感器感測到所述紅外光時，啟動測量靶標內的計數(時)模塊開始計數(時)。所述計數(時)，包括記錄和統計所述光敏傳感器開始計時的時刻、水平或/和垂直方向的掃描時間差和掃描周期數、以及散射紅外光掃射全程的時長等信息。

所述測量靶標與所述計算機之間通過無線方式進行通信實現數據的傳輸。

所述計算機利用內設的測量模塊根據接收到的所述數據進行最小二乘法求最優解，從而確定靶標坐標系位置和姿態。

圖2為本發明實施例基于虛擬現實(VR)技術的靶標姿態測量方法的流程示意圖。

如圖2所示，該靶標姿態測量方法，包括如下步驟：

步驟21：測量基站每隔一定時間，向外發射紅外散射光提供時間基準。如圖2a、圖2b所示，當測量靶標接收到基站發射的散射紅外光時，開始計時。

步驟22：在兩個時間基準的間歇期，測量基站做2次光線掃描，掃描方向分別是水平和垂直方向。時序圖如圖2c所示。

步驟23：測量靶標接收到散射光后開始計時，根據接收到水平和垂直方向掃描相對于散射光的時間差計算出空間角度。如圖2d、圖2e所示。

由于水平和豎直方向掃描的速度是恒定的，所以從時間測量結果可直接推算出掃描的水平和豎直角度。

這里，所述空間角度等于掃描轉速×時間間隔。對水平方向、垂直方向其原理相同。

步驟24：根據測量出的4個空間角度計算靶標的姿態。

如圖3所示，所述計算靶標的姿態的具體過程如下：

由于光敏傳感器在靶標上的位置是確定的，依據多個傳感器的位置差可以確定靶標的位置和姿態。

假設靶標坐標系{H}到基站坐標系{B1}的齊次變換矩陣為：

其中：p_x、p_y、p₂為靶標坐標系原點在基站坐標系的位置，為靶標坐標系在基站坐標系的旋轉矩陣，其表征所述靶標的姿態。

由于光敏傳感器P₁在靶標坐標系的位置是確定且不變的(它由靶標的結構外形設計保證)。

設光敏傳感器可以看成空間中一個質點P₁，它在靶標坐標系的位置是px₁、py₁、pz₁，則存在如下數學關系：

其中：分別為光敏傳感器P₁在基站坐標系的位置。

該公式(2)的物理意義是：空間中某個質點在兩個不同坐標系下的坐標之間的變換關系。

例如，對于某個光敏傳感器P1，當在靶標坐標系下觀測它時，它的坐標是px₁、py₁、pz₁；當在基站坐標系下觀測它時，它的坐標為而兩個坐標系之間的關系為這個變換矩陣中的元素p_x、p_y、p_z就是靶標位置，就是靶標的姿態，定位算法的目的就是求解中的各元素。

參考圖3所示的基站坐標系與靶標坐標系關系示意圖，由于依據掃描測量角度的原理還有如下的關系：

其中，tanθ_y是Y軸的掃描測量角度，tanθ_x是X軸的掃描測量角度。

該公式(3)的物理意義為：繞X軸掃描平面與繞Y軸掃描平面的交線，即穿過基站坐標系原點和光敏傳感器的一條空間直線。

如果有多個光敏傳感器被掃描到，那么根據公式(1)～(3)就可以建立非線性方程組求解位置和姿態。理論上，如果有3個光敏傳感器被掃描到，就可以測量出位置和姿態，實際中被掃描到的點要比3個多，采用最小二乘法求最優解即可確定靶標坐標系位置和姿態。

以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。