一种基于无线人体动作捕捉和光学定位的单基站便携式VR系统技术方案

一种基于无线人体动作捕捉和光学定位的单基站便携式VR系统，包括：运动传感器模块，监测人体肢体的三维空间方位；光学定位模块，监测人体和VR头显的绝对空间位置；运算模块，根据运动传感器模块和光学定位模块的数据，计算获取人体身体及肢体在三维空间的位置及方位的运动变化轨迹；VR终端设备，包括智能手机和VR头显，其中，智能手机内置VR程序，根据位置及方位的变化轨迹刷新显示内容，并将包括双手在内的肢体位置及方位信息应用到VR程序中，输出VR图像通过VR头显被使用者接收观看。本发明专利技术具有很好的便携性，没有空间和场地限制，不需要固定使用场地。只使用一个光学追踪基站，便可实现对人体360°全范围的定位追踪，并将人体动作引入VR体系。

A single base station portable VR system based on wireless human motion capture and optical location

A single base station portable VR system based on wireless human motion capture and optical positioning includes: motion sensor module to monitor the three-dimensional spatial orientation of human limbs; optical positioning module to monitor the absolute spatial position of human body and VR head display; operation module to monitor the data of motion sensor module and optical positioning module. VR terminal equipment, including smart phones and VR head display, includes a VR program built in the smart phone, which refreshes the display content according to the changing track of position and orientation, and applies the position and orientation information of limbs including hands. In the VR program, the output VR image is received by the user through the VR header. The invention has good portability, no space and site restrictions, and no need for fixed use. Using only one optical tracking base station, the human body can be positioned and tracked in a full range of 360 degrees, and the human motion can be introduced into the VR system.

【技术实现步骤摘要】
一种基于无线人体动作捕捉和光学定位的单基站便携式VR系统
本专利技术属于VR应用
，特别涉及一种基于无线人体动作捕捉和光学定位的单基站便携式VR系统。
技术介绍
当前的VR技术及设备主要分为三类：1、基于时间戳的光学定位的专业级VR典型产品是HTCVIVEVR。包括1个VR头显，1～2个手柄，及2个定位基站。定位基站以一定频率发送包含时间戳信息的激光，头显及手柄上有多个激光接收器，根据激光接收器接收到的激光内的时间戳信息可计算出VR头显与定位基站的距离。从而可以确定VR头显及手柄的位置。因为VR头显和手柄必须直接接收到基站的激光。所以需要配备2个基站，而且基站需要安装在天花板位置，这样才能在360°范围内定位VR头显及手柄的位置。2、基于双目摄像头的光学定位的专业级VR典型产品是OculusRIFTVR和SonyPlayStationVR。包括1个VR头显，1～2个手柄，及至少2个定位基站。VR头显及手柄上有多个红外线激光或可见光发射器，定位基站内含有双目摄像头。双目摄像头通过追踪VR头显及手柄上的红外线或可见光，计算出VR头显及手柄的空间位置。需要2台定位基站，才能在360°范围内定位VR头显及手柄的位置。3、无光学定位的VR头盔此类VR头盔一般没有显示单元，主要构成是透镜。将手机插入VR头盔作为显示部件，用户即可观看手机上的VR视频或游戏内容。因为没有光学追踪单元，VR头盔及双手的位置均无法得知，因此VR内容内没有视角的位移。此类VR头盔一般使用手机内的IMU单元来得到VR头盔的前后及左右倾角和转动，并随之更新VR内容。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于无线人体动作捕捉和光学定位的单基站便携式VR系统。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于无线人体动作捕捉和光学定位的单基站便携式VR系统，其特征在于，包括：运动传感器模块，监测人体肢体的三维空间方位；光学定位模块，监测人体和VR头显的绝对空间位置；运算模块，根据运动传感器模块和光学定位模块的数据，计算获取人体身体及肢体在三维空间的位置及方位的运动变化轨迹；VR终端设备，包括智能手机和VR头显，其中，智能手机内置VR程序，根据所述位置及方位的变化轨迹刷新显示内容，并将包括双手在内的肢体位置及方位信息应用到VR程序中，输出VR图像通过VR头显被使用者接收观看。所述运动传感器模块包括节点和指环，其中节点和指环内均含有加速度计、陀螺仪及磁力计，节点附着在人体的各主要关节处，以捕捉主要关节在三维空间的方位，指环穿戴在人体食指第一关节处，以得到食指第一关节在三维空间的方位。所述指环面向大拇指一侧有VR操控输入按钮，供大拇指方便点击或长按；所述节点通过穿戴绑带附着到人体的各主要关节处。所述光学定位模块包括安装有双目红外摄像头及红外LED激光灯的枢纽收纳充电盒和设置在人体背部及VR终端模块上的红外反射纸片，其中枢纽收纳充电盒内置有微处理器；所述红外LED激光灯照射所述红外反射纸片，形成高亮图案，所述双目红外摄像头通过摄像捕捉并定位所述高亮图案，实现光学定位。所述枢纽收纳充电盒作为VR系统的基站。所述枢纽收纳充电盒收纳节点及指环，且内置充电模块给节点及指环充电。所述运算模块运行于微处理器中，绝对空间位置数据和所有方位数据汇聚到微处理器中，计算出每个关节的空间位置，进而引入时间因素，追踪到人体身体及肢体的运动变化轨迹。所述关节的空间位置计算如下：1)、人体面向或侧向双目红外摄像头时以VR头显的位置P0(x0,y0,z0)为依据，若1,2,…,J是从头到关节J的关节列表，则通过以下公式计算出关节J坐标PJ：i＝1到J，重复计算Pi-1(xi-1,yi-1,zi-1)–(0,hi-1,0)*Qi-1其中，hi-1是关节i的靠近头部一侧肢体的长度，Qi-1是关节i的靠近头部一侧肢体的空间方位四元数，当i＝J时，即可计算出PJ的坐标；2)、人体背向双目红外摄像头时若1,2,…,J是从头到关节J的关节列表，则通过以下公式计算出关节J坐标PJ：i＝1到J，重复计算Pi-1(xi-1,yi-1,zi-1)–(0,hi-1,0)*Qi-1其中，hi-1是关节i的靠近背部一侧肢体的长度，Qi-1是关节i的靠近背部一侧肢体的空间方位四元数，当关节J在背部以上，h1是背部图案到颈部的距离；当关节J在背部以下，h1是背部图案到腰部的距离；当i＝J时，即可计算出PJ的坐标。所述枢纽收纳充电盒中添加加速度计、角速度计及磁力计，使用SensorFusion融合算法，计算出枢纽收纳充电盒自身的三维空间方位Q枢纽，Q枢纽是四元数，对双目定位的位置P1首先使用公式P0’＝P0*Q枢纽-1修正，以得到枢纽收纳充电盒为水平时的坐标，然后再进行后续运算，其中Q枢纽-1是Q枢纽的反四元数。与现有技术相比，本专利技术通过运动传感器监测人体肢体的三维空间方位，并利用光学定位监测人体身体位移变化，综合起来可以检测人体身体及肢体在三维空间的位置及方位的变化轨迹，并将人体运动数据实时输入到VR或3D虚拟世界里。其相对于传统的VR系统具有很好的便携性、没有空间和场地限制，不需要固定使用场地。且相对于传统的VR系统只使用一个光学追踪基站，便可以实现对人体360°全范围的定位和追踪，并且将人体动作引入VR体系。附图说明图1是本专利技术系统总体结构示意图。图2是人体面向或侧向双目红外摄像头时肢体位置计算示意图。图3是人体背向双目红外摄像头时肢体位置计算示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例详细说明本专利技术的实施方式。如图1所示，本专利技术便携式VR系统主要由以下几部分组成：枢纽收纳充电盒(Hub)100，若干节点(Node)，指环(Ring)，穿戴绑带400，VR头显500以及智能手机600。其中，枢纽收纳充电盒100，安装有双目红外摄像头101及红外LED激光灯102，在人体背部粘贴有一个特殊形状的红外线反射纸片702，VR头显500的盒体及绷带上粘贴有特殊形状的红外线反射纸片701，会强烈反射红外线，在红外LED激光灯102的照射下，形成高亮图案。通过双目红外摄像头101可捕捉并定位这些反射纸片，也就可以定位VR头显500及人体背部。同时本枢纽设置有节点及指环收纳充电槽103，可以收纳节点及指环，并且可以给节点及指环充电。枢纽收纳充电盒100具有传统VR系统的基站功能。节点可以附加在人体的主要关节处，以捕捉关节在空间的方位。节点内含有加速度计、陀螺仪及磁力计，3个传感器的数据通过融合后，可以得到节点在三维空间的方位。指环穿戴在人体食指第一关节处。指环内含有加速度计、陀螺仪及磁力计，3个传感器的数据通过融合后，可以得到食指第一关节在三维空间的方位。同时，指环面向大拇指一侧有按钮，可供大拇指方便点击或长按，进行游戏输入，例如这个体系应用到枪战VR游戏里时，用大拇指点按戒指上的按钮可以控制发射弹药。节点/指环内均运行有SensorFusion数据融合程序，即将加速度计、角速度计及磁力计的数据进行融合计算，得到节点/指环在3维空间的方位。节点/指环附着在人体部位上，节点/指环的三维空间方位就代表了对应人体部位的三维空间方位。穿戴绑带400可采用魔术贴结构，能够方便地将节点附着到人体各本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于无线人体动作捕捉和光学定位的单基站便携式VR系统，其特征在于，包括：运动传感器模块，监测人体肢体的三维空间方位；光学定位模块，监测人体和VR头显的绝对空间位置；运算模块，根据运动传感器模块和光学定位模块的数据，计算获取人体身体及肢体在三维空间的位置及方位的运动变化轨迹；VR终端设备，包括智能手机和VR头显，其中，智能手机内置VR程序，根据所述位置及方位的变化轨迹刷新显示内容，并将包括双手在内的肢体位置及方位信息应用到VR程序中，输出VR图像通过VR头显被使用者接收观看。

【技术特征摘要】
1.一种基于无线人体动作捕捉和光学定位的单基站便携式VR系统，其特征在于，包括：运动传感器模块，监测人体肢体的三维空间方位；光学定位模块，监测人体和VR头显的绝对空间位置；运算模块，根据运动传感器模块和光学定位模块的数据，计算获取人体身体及肢体在三维空间的位置及方位的运动变化轨迹；VR终端设备，包括智能手机和VR头显，其中，智能手机内置VR程序，根据所述位置及方位的变化轨迹刷新显示内容，并将包括双手在内的肢体位置及方位信息应用到VR程序中，输出VR图像通过VR头显被使用者接收观看。2.根据权利要求1所述基于无线人体动作捕捉和光学定位的单基站便携式VR系统，其特征在于，所述运动传感器模块包括节点和指环，其中节点和指环内均含有加速度计、陀螺仪及磁力计，节点附着在人体的各主要关节处，以捕捉主要关节在三维空间的方位，指环穿戴在人体食指第一关节处，以得到食指第一关节在三维空间的方位。3.根据权利要求2所述基于无线人体动作捕捉和光学定位的单基站便携式VR系统，其特征在于，所述指环面向大拇指一侧有VR操控输入按钮，供大拇指方便点击或长按；所述节点通过穿戴绑带附着到人体的各主要关节处。4.根据权利要求2所述基于无线人体动作捕捉和光学定位的单基站便携式VR系统，其特征在于，所述光学定位模块包括安装有双目红外摄像头及红外LED激光灯的枢纽收纳充电盒和设置在人体背部及VR终端模块上的红外反射纸片，其中枢纽收纳充电盒内置有微处理器；所述红外LED激光灯照射所述红外反射纸片，形成高亮图案，所述双目红外摄像头通过摄像捕捉并定位所述高亮图案，实现光学定位。5.根据权利要求4所述基于无线人体动作捕捉和光学定位的单基站便携式VR系统，其特征在于，所述枢纽收纳充电盒作为VR系统的基站。6.根据权利要求4所述基于无线人体动作捕捉和光学定位的单基站便携式VR系统，其特征在于，所述枢纽收纳充电盒收纳节点及指环，且内置充电模块给节点及指环充电。7.根据权利要求4所述基于无线人体动作捕捉和光学定位的单基站便携式VR系统，其特征在于，所述运算模块运行于微处理器中，绝对空间位置数据和所有方位数据汇聚到微处理器中，计算出每个关节的空间位置，进而引入时间因素，追踪到人体身体及肢体的运动变化轨迹。8.根据权利要求7所述基于无线人体动作捕捉和光学定位的单基站便携式VR系统，其特征在于，所述关节的空间位置计算如下：1)、人体面向或侧向双目红外摄像头时以VR头显的位置P0(x0,y0,z0)为依据，若1,2,…,J是从头到关节J的关节列表，则通过以下公式计算出关节J坐标P...

【专利技术属性】
技术研发人员：李蕊，
申请(专利权)人：梦卓科技深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44