一种虚拟、增强或混合现实头显运动方向识别方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种虚拟、增强或混合现实头显运动方向识别方法及系统，该方法包括：引导用户移动，收集用户移动数据并建立数据集；将优化后的数据集储存并建立分类模型；判断并设定用户的初始位置；系统根据阈值判断用户是否开始移动，用户开始移动，则收集记录移动数据；系统根据阈值判断用户是否结束动作，用户结束动作，则停止收集记录移动数据；将数据集代入分类模型，判断用户运动方向，系统给出运动方向，完成运动方向判断；根据判断的用户运动方向，系统触发对应的功能。本发明专利技术提供的方法，克服现有方法不易操作、价格昂贵和精确度不高的缺陷，实现低成本、高效率且低判断错误率。

【技术实现步骤摘要】
一种虚拟、增强或混合现实头显运动方向识别方法及系统
本专利技术涉及虚拟、增强和混合现实领域，具体涉及一种虚拟、增强或混合现实头显运动方向识别方法及系统。
技术介绍
运动方向识别是动作识别领域下的一个分支，它可以用在1）人机交互；2）可视化和选择技术；3）远程健康监护系统等领域。实现运动方向识别最大的挑战之一是如何快速准确的识别出用户的运动方向。针对这个问题，现有技术中有以下相关研究。使用商业级的Wi-Fi路由器提取运动诱发的多普勒频移信息，完成了对运动方向的预判。其关键在于利用天线分集仔细消除随机频移，同时保持相关的多普勒频移。该方法需要将三个Wi-Fi路由器摆放在一个3米×3米的格子边缘。使用这个方法，对用户8个方向上的移动方向判断准确率达到92%。然而，该方法需要一个3米×3米的现实空间，并且布置3个Wi-Fi路由器，这不易操作且不现实。利用手机内置的惯性测量单元对用户在室内的移动方向进行分析，利用惯性测量单元计算出了X、Y、Z3个方向的欧拉角数值，并且收集并分析了用户在朝8个运动方向运动时的欧拉角变化。使用随机森林分类器的精确度高达91.42%。但是设备在裤兜中的转动范围有限，欧拉角在头戴显示器里的数值并不能当作参考。现有方法虽然能够实现运动方向识别，但是存在一定缺陷。除了不能直接运用到虚拟/增强/混合现实中，还存在不易操作、价格相对昂贵、精确度不高等问题。因此，需要提出一种能够用于头戴显示器的运动方向识别的方案。既要摆脱“附件约束”的限制，又要方便用户使用，同时还要保证识别精确度。
技术实现思路
本专利技术目的是：提供一种虚拟、增强或混合现实头显运动方向识别方法，克服现有方法不易操作、价格昂贵和精确度不高的缺陷，实现低成本、高效率且低判断错误率且能用于虚拟、增强或混合现实中进行菜单选择，导航或三维环境下的可视化和选择的目的。本专利技术的技术方案是：一种虚拟、增强或混合现实头显运动方向识别方法，基于头戴显示器及其配套设备，所述运动方向识别方法包括：引导用户按提示朝N个方向移动M个不同的距离等级，所述N为大于等于2的整数，M为大于等于1的整数，收集用户移动数据并建立数据集；优化所述数据集，并将优化后的数据集储存并建立分类模型；判断并设定用户的初始位置；系统根据阈值判断用户是否开始移动，如果判断用户开始移动，则收集记录移动数据；系统根据阈值判断用户是否结束动作，如果判断用户结束动作，则停止收集记录移动数据；根据所收集的移动数据，将数据集代入分类模型，系统根据特征推荐出最相似的运动方向，判断用户运动方向；根据推荐数据，系统最终给出运动方向，完成运动方向判断；根据判断的用户运动方向，系统触发对应的功能。在一个实施例中，所述数据集包括用户在所述N个方向中任一方向上任一移动的移动距离差；此移动的移动速度；此移动的加速度；此移动在X、Z两个方向上投影的位移距离；X轴上的距离变化除以Z轴上的距离变化所得斜率，所述X、Z为空间直角坐标系的水平面的两个坐标轴。在一个实施例中，所述N个方向和M个不同的距离等级具体为东、南、西、北、东北、西北、西南和东南8个方向，以及每个方向近距离移动、远距离移动两个距离等级。在一个实施例中，所述优化数据集的方法如下：对于近距离移动，过滤X轴或Z轴移动距离小于设定的近距离移动阈值的数据，保留大于该阈值的数据集；对于远距离移动，过滤X轴或Z轴移动距离小于设定的远距离移动阈值的数据，保留大于该阈值的数据集；所述阈值大小设定为根据用户自身情况进行自适应调整，所述调整基于用户近距离和远距离移动的峰值。在一个实施例中，所述分类模型采用K近邻法分类器。在一个实施例中，所述K近邻法的K等于4。在一个实施例中，所述判断用户初始位置的方法为：用户结束移动回归出发点时，系统获取此时的位置信息并与出发前的位置信息比较，当前后位置在三维空间X、Y和Z三个方向上位置差均小于设定的位置差阈值同时三个方向上的速度和设定的速度阈值时，判定回到初始位置，并设定此时的位置为初始位置。在一个实施例中，所述位置差阈值为0.05m，所述速度阈值为0.2m/s。在一个实施例中，所述根据阈值判断用户是否开始移动的判定标准为：三维空间内X轴或Z轴上移动距离的绝对值大于设定的阈值。达到条件，系统判定用户开始移动并且开始收集运动数据，数据包括用户在三维空间内X、Y、Z轴上的移动距离，以及速度和加速度，并算出在三维空间内X轴上的移动距离相比于在Z轴上的移动距离的斜率和总移动距离。在一个实施例中，所述根据阈值判断用户是否结束动作的判定标准为：三维空间内X轴或Z轴移动距离大于设定的移动距离阈值且用户各方向的速度和小于设定的速度阈值，达到条件，系统判定用户即将停止运动，暂停收集数据。在一个实施例中，所述移动距离阈值和速度阈值在近距离移动和远距离移动情况下阈值大小不同，对于近距离移动，三维空间内X轴或Z轴移动距离大于设定的近移动距离结束阈值且用户各方向的速度和小于设定的近距离移动速度结束阈值；对于远距离移动，三维空间内X轴或Z轴移动距离大于设定的远移动距离结束阈值且用户各方向的速度和小于设定的远距离移动速度结束阈值；所述阈值大小设定为根据用户自身情况进行自适应调整。在一个实施例中，所述代入分类模型判断运动方向时还判断出用户的运动距离等级，并在后续步骤中根据用户的运动方向和距离等级触发对应的功能。在一个实施例中，通过所述头戴显示器及其配套设备内置的惯性测量单元传感器和深度传感器获取用户的移动数据。在一个实施例中，所述引导用户移动、收集移动数据并建立数据集时，使用3D箭头提示用户是否还需要移动完成数据收集。在一个实施例中，所述识别方法在完成判断的用户运动方向并触发对应的功能时给出画面或声音反馈，完成后还设置有如下步骤：判断用户指令是否结束，若是，则任务完毕；若否，则回到判断并设定用户初始位置的步骤，重复后续步骤，直至指令结束。本专利技术实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述任一项所述的虚拟、增强或混合现实头显运动方向识别方法的计算机程序。本专利技术实施例还提供了一种虚拟、增强或混合现实头显运动方向识别系统，包括：数据收集模块，包括惯性测量单元传感器和深度传感器，用于采集用户的移动数据；头戴显示模块，用于显示虚拟、增强或混合现实空间及交互界面；控制及存储模块，包括处理器和存储器，所述存储器存储有执行上述任一项所述的虚拟、增强或混合现实头显的运动方向识别方法的计算机程序，所述处理器用于执行所述计算机程序。本专利技术的优点是：提出了一种虚拟/增强/混合现实头戴显示器下运动方向识别的方法。该方法能够取代现阶段虚拟/增强/混合现实下的控制器，用于虚拟/增强/混合现实中进行菜单选择，导航或三维环境下的可视化和选择。该技术能够植入于锻炼型游戏（Exergame），比如跳舞游戏，使用了本专利技术，用户无需使用跳舞毯，跳舞机等设备。基于本方法，我们设计并开发了一款跳舞游戏和相应的菜单界面。其中，我们的跳舞游戏基于用户的运动方向，用户按照指示完成相应运动方向的动作，游戏会对用户做出的动作进行识别并根据用户的表现给出回馈（声音，视觉）与奖励（分数）。我们的跳舞游戏相较于需要购买跳舞毯、跳舞机的普通跳舞游戏，优势在于不需要用户额外的购买相关设备，同时动作指本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种虚拟、增强或混合现实头显运动方向识别方法，其特征在于，基于头戴显示器及其配套设备，所述运动方向识别方法包括：引导用户按提示朝N个方向移动M个不同的距离等级，所述N为大于等于2的整数，M为大于等于1的整数，收集用户移动数据并建立数据集；优化所述数据集，并将优化后的数据集储存并建立分类模型；判断并设定用户的初始位置；系统根据阈值判断用户是否开始移动，如果判断用户开始移动，则收集记录移动数据；系统根据阈值判断用户是否结束动作，如果判断用户结束动作，则停止收集记录移动数据；根据所收集的移动数据，将数据集代入分类模型，系统根据特征推荐出最相似的运动方向，判断用户运动方向，系统给出运动方向，完成运动方向判断；根据判断的用户运动方向，系统触发对应的功能。

【技术特征摘要】
1.一种虚拟、增强或混合现实头显运动方向识别方法，其特征在于，基于头戴显示器及其配套设备，所述运动方向识别方法包括：引导用户按提示朝N个方向移动M个不同的距离等级，所述N为大于等于2的整数，M为大于等于1的整数，收集用户移动数据并建立数据集；优化所述数据集，并将优化后的数据集储存并建立分类模型；判断并设定用户的初始位置；系统根据阈值判断用户是否开始移动，如果判断用户开始移动，则收集记录移动数据；系统根据阈值判断用户是否结束动作，如果判断用户结束动作，则停止收集记录移动数据；根据所收集的移动数据，将数据集代入分类模型，系统根据特征推荐出最相似的运动方向，判断用户运动方向，系统给出运动方向，完成运动方向判断；根据判断的用户运动方向，系统触发对应的功能。2.如权利要求1所述虚拟、增强或混合现实头显运动方向识别方法，其特征在于，所述数据集包括用户在所述N个方向中任一方向上任一移动的移动距离差；此移动的移动速度；此移动的加速度；此移动在X、Z两个方向上投影的位移距离；X轴上的距离变化除以Z轴上的距离变化所得斜率，所述X、Z为空间直角坐标系的水平面的两个坐标轴。3.如权利要求2所述虚拟、增强或混合现实头显运动方向识别方法，其特征在于，所述N个方向和M个不同的距离等级具体为东、南、西、北、东北、西北、西南和东南8个方向，以及每个方向近距离移动、远距离移动两个距离等级。4.如权利要求3所述虚拟、增强或混合现实头显运动方向识别方法，其特征在于，所述优化数据集的方法如下：对于近距离移动，过滤X轴或Z轴移动距离小于设定的近距离移动阈值的数据，保留大于该阈值的数据集；对于远距离移动，过滤X轴或Z轴移动距离小于设定的远距离移动阈值的数据，保留大于该阈值的数据集；所述阈值大小设定为根据用户自身情况进行自适应调整，所述调整基于用户近距离和远距离移动的峰值。5.如权利要求1所述虚拟、增强或混合现实头显运动方向识别方法，其特征在于，所述分类模型采用K近邻法分类器。6.如权利要求5所述虚拟、增强或混合现实头显运动方向识别方法，其特征在于，所述K近邻法的K等于4。7.如权利要求2所述虚拟、增强或混合现实头显运动方向识别方法，其特征在于，所述判断用户初始位置的方法为：用户结束移动回归出发点时，系统获取此时的位置信息并与出发前的位置信息比较，当前后位置在三维空间X、Y和Z三个方向上位置差均小于设定的位置差阈值同时三个方向上的速度和设定的速度阈值时，判定回到初始位置，并设定此时的位置为初始位置。8.如权利要求7所述虚拟、增强或混合现实头显运动方向识别方法，其特征在于，所述位置差阈值为0.05m，所述速度阈值为0.2m/s。9.如权利要求1所述虚拟、增强或混合现实头显运动方向识别方法，其特征在于，所述根据阈值判断用户是否开始...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁海宁，徐温格，赵宇轩，陈蕾，
申请(专利权)人：西交利物浦大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32