一种坐标对齐方法、系统和虚拟现实系统技术方案

本发明专利技术提供一种坐标对齐方法、系统和虚拟现实系统，方法包括：依据控制设备的传感器数据计算得到控制设备的姿态数据；基于控制设备上的光点获取控制设备在往复运动过程中的位于双目坐标系中的实时坐标数据；依据实时坐标数据和对应的姿态数据生成控制设备在运动过程中的运动轨迹；基于运动轨迹计算控制设备在控制设备坐标系下的姿态，记为控制设备在双目坐标系中的正方向；计算得到控制设备坐标系与双目坐标系之间的夹角，记为第一夹角；依据第一夹角对双目坐标系进行校正，使得虚拟世界中与控制设备对应的虚拟物品的正方向与虚拟世界的正方向对齐；实现控制设备的正方向与虚拟世界坐标系的正方向之间的对齐，方案实施过程简单，成本较低。

A coordinate alignment method, system and virtual reality system

The invention provides a coordinate alignment method, a system and a virtual reality system. The method includes: calculating the attitude data of the control equipment according to the sensor data of the control equipment; acquiring the real-time coordinate data of the control equipment in the binocular coordinate system during the reciprocating motion process based on the spot on the control equipment; and according to the reality. Time coordinate data and corresponding attitude data are used to generate the motion trajectory of the control equipment in the course of movement; the attitude of the control equipment in the coordinate system of the control equipment is calculated based on the motion trajectory, which is recorded as the positive direction of the control equipment in the binocular coordinate system; and the angle between the coordinate system of the control equipment and the binocular coordinate system is calculated and recorded as The first included angle; the binocular coordinate system is corrected according to the first included angle, so that the virtual objects corresponding to the control equipment in the virtual world are aligned with the virtual world; the alignment between the control equipment's positive direction and the virtual world coordinate system's positive direction is realized. The implementation process of the scheme is simple and the cost is low.

【技术实现步骤摘要】
一种坐标对齐方法、系统和虚拟现实系统
本专利技术涉及VR/MR/AR
，具体涉及一种坐标对齐方法、系统和虚拟现实系统。
技术介绍
虚拟现实(VR，VirtualReality)、增强现实(AR，AugmentedReality)、混合现实(MR，MediatedReality)行业的发展，不仅仅需要满足对内容的观看，还需要通过各种光学、传感器等方案，沟通虚拟与现实世界，实现通过现实的器件实现对虚拟世界的操作及控制。以VR为例，现有的VR交互设备包括头部显示设备(HeadMountDisplay，简称HMD)、内部或外部的跟踪发射或接收设备(如立体相机、红外接收或发射器、信号发射接收器)和手部设备控制器(Controller)等，通过HMD、跟踪发射或接收设备以及Controller之间的配合可以进行动作的捕捉。行业内采用的方案主要有InsideOut(以下简称IO)和OutsideIn(以下简称OI)两种方案进行动作捕捉。其中，IO有LeapMotion的手势识别，Ximmerse的Xhawk等；OI有OcculusConstellation，HTCVIVE，SonyPSVR等。在使用上述方案时，需将控制器中IMU(InertialMeasurementUnit惯性测量装置，是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置，IMU模块包含了：陀螺仪gyroscopes,加速度计accelerometer,磁力计magnetometer)坐标与光学坐标(用于对Controller进行跟踪定位的设备的坐标)对齐。目前的对齐方案常采用多光点的目标姿态估计，直接用光学估计出物体的姿态，该方案由于采用多光点，因此需要在HMD上部置许多发射光点或接收器，该方案需要各个方向部署光点，复杂度非常高，且光点或接收器的安装需要很高的精度以及非常复杂的标定，成本高，量产难，产品配置复杂，需有专业的人花费一两个小时才可以配置成功。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术实施例提供一种坐标对齐方法、系统和虚拟现实系统，以实现控制设备与正方向与虚拟世界坐标系的正方向之间的对齐。为实现上述目的，本专利技术实施例提供如下技术方案：一种坐标对齐方法，应用于虚拟现实设备、增强现实设备或混合现实设备中，该方法包括：获取控制设备的传感器数据；依据所述传感器数据计算得到控制设备的姿态数据；在获取传感器姿态数据的同时，基于所述控制设备上的光点获取所述控制设备在往复运动过程中的位于双目坐标系中的实时坐标数据；依据所述实时坐标数据和与所述实时坐标数据对应的姿态数据生成控制设备在运动过程中的运动轨迹；基于所述运动轨迹计算所述控制设备在控制设备坐标系下的姿态，记为控制设备在双目坐标系中的正方向；计算得到所述控制设备坐标系与所述双目坐标系之间的夹角，记为第一夹角；依据所述第一夹角对双目坐标系进行校正，使得所述控制设备正方向与所述双目坐标系的正方向之间的夹角为零，使得虚拟世界中与所述控制设备对应的虚拟物品的正方向与所述虚拟世界的正方向对齐；其中，所述双目坐标系与虚拟世界的虚拟世界坐标系之间具有预设的映射关系。优选的，上述坐标对齐方法中，还包括：通过HMD设备上的HMD双光点估算HMD设备在双目坐标系中的位置和方向，将HMD设备在双目坐标系中的方向记为HMD方向矢量；计算所述HMD方向矢量与双目坐标系中预设的双目方向矢量之间的夹角，记为第二夹角；依据所述第二夹角调整所述虚拟世界中与所述HMD设备对应的物体的正方向与虚拟世界坐标的正方向之间的夹角；依据所述HMD设备在所述双目坐标系中的位置，调整所述虚拟世界中与所述HMD设备对应的物体在所述双目坐标系中的位置。优选的，上述坐标对齐方法中，所述基于所述控制设备上的光点获取所述控制设备在往复运动过程中的位于双目坐标系中的实时坐标数据，包括：基于所述控制设备上的光点获取所述控制设备在沿直线往复运动过程中或旋转的圆周运动过程中的位于双目坐标系中的实时坐标数据。优选的，上述坐标对齐方法中，所述计算得到所述控制设备正方向与所述双目坐标系的正方向之间的夹角，记为第一夹角，包括：获取控制设备在运动过程中的运动轨迹；当所述运动轨迹为直线时，对所述运动轨迹进行直线拟合，计算得到所述运动轨迹的直线度，计算得到与直线拟合后的运动轨迹垂直的直线方向；当所述运动轨迹为类圆形时，对所述运动轨迹进行圆拟合，计算得到所述运动轨迹的曲度，计算得到穿过曲线拟合后的圆拟合的运动轨迹的圆心的直线方向；计算所述直线方向在双目坐标系中的斜率K；依据斜率计算所述直线方向与所述双目坐标系正方向之间的夹角θ；对所述运动轨迹进行分段，得到多段子运动轨迹，计算得到与各段子运动轨迹对应的直线方向在双目坐标系中的斜率Ki，其中所述i与各段子运动轨迹相对应；分别计算得到各段子运动轨迹对应的斜率Ki与所述斜率K的相似度Di；依据公式计算得到加权平均水平方向夹角δ，其中，所述N为所述子运动轨迹的总段数；将所述夹角θ与夹角δ之和作为所述控制设备的正方向与所述双目坐标系正方向之间的夹角。优选的，上述坐标对齐方法中，通过HMD设备上的HMD双光点估算HMD设备在双目坐标系中的位置和方向，包括：通过对所述HMD设备上的HMD双光点进行图像处理的立体测量估算，计算得到双光点在双目坐标系中的位置，依据双光点在双目坐标系中的位置计算得到所述HMD设备在双目坐标系中的位置，依据所述双光点在双目坐标系中的位置计算得到所述双光点的正方向，将所述双光点的正方向记为所述HMD设备的正方向。一种坐标对齐系统，应用于虚拟现实设备、增强现实设备或混合现实设备中，包括：控制设备方向对齐子系统，用于：使得虚拟世界中与所述控制设备对应的虚拟物品的正方向与所述虚拟世界的正方向对齐；所述控制设备方向对齐单元子系统包括：控制设备姿态计算单元，用于获取控制设备的传感器数据；依据所述传感器数据计算得到控制设备的姿态数据；运动轨迹计算单元，用于在获取到控制设备的姿态数据的同时，基于所述控制设备上的光点获取所述控制设备在往复运动过程中的位于双目坐标系中的实时坐标数据；依据所述实时坐标数据和与所述实时坐标数据对应的姿态数据生成控制设备在运动过程中的运动轨迹；第一夹角计算单元，基于所述运动轨迹计算所述控制设备在控制设备坐标系下的姿态，记为控制设备在双目坐标系中的正方向；计算得到所述控制设备坐标系与所述双目坐标系的正方向之间的夹角，记为第一夹角；双目坐标调整单元，用于依据所述第一夹角对双目坐标系进行校正，使得所述控制设备正方向与所述双目坐标系的正方向之间的夹角为零，使得虚拟世界中与所述控制设备对应的虚拟物品的正方向与所述虚拟世界的正方向对齐；其中，所述双目坐标系与虚拟世界的虚拟世界坐标系之间具有预设的映射关系。优选的，上述坐标对齐系统中，还包括：HMD设备方向对齐子系统，用于依据HMD设备的位置和方向调整虚拟世界中与所述HMD设备对应的物体的在虚拟世界坐标中的位置和方向；所述HMD设备方向对齐子系统，包括：HMD位置和方向计算单元，用于通过HMD设备上的HMD双光点估算HMD设备在双目坐标系中的位置和方向，将HMD设备在双目坐标系中的方向记为HMD方向矢量；第二夹角计算单元，用于计算所述HMD方向矢量与双目坐标系中预设的双目方向矢本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种坐标对齐方法，其特征在于，应用于虚拟现实设备、增强现实设备或混合现实设备中，包括：获取控制设备的传感器数据；依据所述传感器数据计算得到控制设备的姿态数据；在获取传感器姿态数据的同时，基于所述控制设备上的光点获取所述控制设备在往复运动过程中的位于双目坐标系中的实时坐标数据；依据所述实时坐标数据和与所述实时坐标数据对应的姿态数据生成控制设备在运动过程中的运动轨迹；基于所述运动轨迹计算所述控制设备在控制设备坐标系下的姿态，记为控制设备在双目坐标系中的正方向；计算得到所述控制设备坐标系与所述双目坐标系之间的夹角，记为第一夹角；依据所述第一夹角对双目坐标系进行校正，使得所述控制设备正方向与所述双目坐标系的正方向之间的夹角为零，使得虚拟世界中与所述控制设备对应的虚拟物品的正方向与所述虚拟世界的正方向对齐；其中，所述双目坐标系与虚拟世界的虚拟世界坐标系之间具有预设的映射关系。

【技术特征摘要】
1.一种坐标对齐方法，其特征在于，应用于虚拟现实设备、增强现实设备或混合现实设备中，包括：获取控制设备的传感器数据；依据所述传感器数据计算得到控制设备的姿态数据；在获取传感器姿态数据的同时，基于所述控制设备上的光点获取所述控制设备在往复运动过程中的位于双目坐标系中的实时坐标数据；依据所述实时坐标数据和与所述实时坐标数据对应的姿态数据生成控制设备在运动过程中的运动轨迹；基于所述运动轨迹计算所述控制设备在控制设备坐标系下的姿态，记为控制设备在双目坐标系中的正方向；计算得到所述控制设备坐标系与所述双目坐标系之间的夹角，记为第一夹角；依据所述第一夹角对双目坐标系进行校正，使得所述控制设备正方向与所述双目坐标系的正方向之间的夹角为零，使得虚拟世界中与所述控制设备对应的虚拟物品的正方向与所述虚拟世界的正方向对齐；其中，所述双目坐标系与虚拟世界的虚拟世界坐标系之间具有预设的映射关系。2.根据权利要求1所述的坐标对齐方法，其特征在于，还包括：通过HMD设备上的HMD双光点估算HMD设备在双目坐标系中的位置和方向，将HMD设备在双目坐标系中的方向记为HMD方向矢量；计算所述HMD方向矢量与双目坐标系中预设的双目方向矢量之间的夹角，记为第二夹角；依据所述第二夹角调整所述虚拟世界中与所述HMD设备对应的物体的正方向与虚拟世界坐标的正方向之间的夹角；依据所述HMD设备在所述双目坐标系中的位置，调整所述虚拟世界中与所述HMD设备对应的物体在所述双目坐标系中的位置。3.根据权利要求1所述的坐标对齐方法，其特征在于，所述基于所述控制设备上的光点获取所述控制设备在往复运动过程中的位于双目坐标系中的实时坐标数据，包括：基于所述控制设备上的光点获取所述控制设备在沿直线往复运动过程中或旋转的圆周运动过程中的位于双目坐标系中的实时坐标数据。4.根据权利要求1所述的坐标对齐方法，其特征在于，所述计算得到所述控制设备正方向与所述双目坐标系的正方向之间的夹角，记为第一夹角，包括：获取控制设备在运动过程中的运动轨迹；当所述运动轨迹为直线时，对所述运动轨迹进行直线拟合，计算得到所述运动轨迹的直线度，计算得到与直线拟合后的运动轨迹垂直的直线方向；当所述运动轨迹为类圆形时，对所述运动轨迹进行圆拟合，计算得到所述运动轨迹的曲度，计算得到穿过曲线拟合后的圆拟合的运动轨迹的圆心的直线方向；计算所述直线方向在双目坐标系中的斜率K；依据斜率计算所述直线方向与所述双目坐标系正方向之间的夹角θ；对所述运动轨迹进行分段，得到多段子运动轨迹，计算得到与各段子运动轨迹对应的直线方向在双目坐标系中的斜率Ki，其中所述i与各段子运动轨迹相对应；分别计算得到各段子运动轨迹对应的斜率Ki与所述斜率K的相似度Di；依据公式计算得到加权平均水平方向夹角δ，其中，所述N为所述子运动轨迹的总段数；将所述夹角θ与夹角δ之和作为所述控制设备的正方向与所述双目坐标系正方向之间的夹角。5.根据权利要求1所述的坐标对齐方法，其特征在于，通过HMD设备上的HMD双光点估算HMD设备在双目坐标系中的位置和方向，包括：通过对所述HMD设备上的HMD双光点进行图像处理的立体测量估算，计算得到双光点在双目坐标系中的位置，依据双光点在双目坐标系中的位置计算得到所述HMD设备在双目坐标系中的位置，依据所述双光点在双目坐标系中的位置计算得到所述双光点的正方向，将所述双光点的正方向记为所述HMD设备的正方向。6.一种坐标对齐系统，应用于虚拟现实设备、增强现实设备或混合现实设备中，其特征在于，包括：控制设备方向对齐子系统，用于：使得虚拟世界中与所述控制设备对应的虚拟物品的正方向与所述虚拟世界的正方向对齐；所述控制设备方向对齐单元子系统包括：控制设备姿态计算单元，用于获取控制设备的传感器数据；依据所述传感器数据计算得到控制设备的姿态数据；运动轨迹计算单元，用于在获取到控制设备的姿态数据的同时，基于所述控制设备上的光点获取所述控制设备在往复运动过程中的位于双目坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄嗣彬，戴景文，贺杰，
申请(专利权)人：广东虚拟现实科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44