追踪并显示使用者在空间的位置与取向的方法,向使用者展示虚拟环境的方法以及实现这些方法的系统技术方案

一种追踪并显示使用者在空间的位置与取向的方法，包括有：确定使用者身体各部分位移的参数，将获得的测试数据变换成所需的表现形式以及处理一组变换数据以产生用于确定使用者在空间的位置与取向的数据，所述方法的特征在于包括以下的步骤： ａ）靠近使用者运动系统各环节的每个基本连接点附着上用于确定至少一个与相应连接点相邻的各环节之间角度的装置； ｂ）在至少一个使用者运动系统环节之上设置参考方向确定装置； ｃ）确定至少一个环节相对于所述参考方向的取向，在该环节之上设置有所述参考方向确定装置； ｄ）确定与所述基本连接点相邻的各环节之间的角度； ｅ）根据所确定的角度值与至少一个在其上设置有参考方向确定装置的环节取向，一般地确定使用者在空间的位置与取向。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】,向使用者展示虚拟环境的方法以及实现 ...的制作方法
本专利技术涉及确定使用者在空间的位置与取向的系统并可适用于交互式计算机游戏和运动或军事目的的训练系统。本专利技术可应用于教导和锻练儿童和成人正确地完成运动游戏与舞蹈的练习和方法中以增进健康。用于追踪和显示运动过程中人体位置的传统系统，采用称作测角器的机械装置对头部和身体部位的位置进行跟踪，用以测量关节的旋转角度并确定最终位置，例如手相对于身体或手指尖相对于手掌的位置。传统系统存在的问题在于，由于测角器旋转中心与关节旋转中心不重合，使测角器相对于关节，尤其是相对于那些具有多个自由度的关节，如像手关节，难于进行定位。人体关节并非是理想的枢纽关节关节的旋转角度改变时旋转轴产生位移。为提高精确度，必须进行精确的对准。参照Virtual Reality Technology,1994,John Wiley＆Sons,Inc.,PP.17-25,由Burdea G.,Coiffer P.描述了追踪并显示使用者空间位置与取向的磁系统。该系统包括Polhemius公司的motion Capture Server和Ascention Technology公司的Flock of Birds，它们包括多个用于处理被测运动参数的电路板、控制器、外部定时电路板、通信电路板、键盘与监视器、包含有三个电磁线圈的发送器以及接收器，每个接收器还具有一小型三合一电磁线圈，用以检测由发送器发射的磁场。这种系统的作用范围小，且其精度随发送器与接收器之间的距离而改变。在具有交流磁场的系统中，外来金属物体的存在由于感应涡流而损害精度。具有直流磁场的系统对外来金属物体的存在不太敏感，然而，磁阻效应会干扰由发送器产生的磁场。这种系统的缺点还有由建立模拟信号中的延时引起的不够高的速率以及会增大图象在屏幕上摇摆的高噪声电平．另一种传统的系统为一追踪使用者在空间的位置与取向的超声系统，包括有包含固定于支承框架上的三件一套电声发送换能器的发送器；包含有固定于支承框架上的三件一套的数套传声器的接收器，而该支承框架是设置于使用者身上，例如设置于带有显示装置的头盔上的；处理所测信息的系统以及显示使用者合成图象的系统(上文的PP25-28)。利用三角测量原理使用者得以定位，需要9个距离的测量值以确定使用者的位置与取向。该系统要求发送器与接收器之间能直接看得见。当需要追踪许多个接收器时，询检频率下降，即，为提供运动物体或其部分的实时再现所需要的测量速率下降。上面讨论的传统的系统与包含有绝对运动参量传感器的系统有关，这些传感器对可运动物体相对于与发送器相连接的固定座标系统的绝对位置与取向进行测量。还存在有包括相对运动参量传感器的系统。这些系统的优点在于它们的简单与紧凑。作为这种系统描述的举例可由“手套”构成，它们被使用在包含有用于测量手指关节的某些或全部旋转角度的传感器的虚拟现实浸没系统中。这种系统可进一步包括一用于追踪使用者腕关节运动的绝对三维运动与方向传感器(3D传感器)。例如，带有VPL公司的光学传感器的Data Glove装置(上文的PP.33-37)具有设在重量轻的弹性手套上的光学纤维和一3D传感器。标准的构造包括一对附加于每个手指外部的传感器用以探测基本关节的弯曲。光纤与光电接口相联接。该传感器应如此设计，使得关节在零度弯曲情况下通过纤维传导的光不产生衰减，反之，弯曲能改变其衰减量，这就使得能够对关节的旋转角进行间接测量。使用修正系数与适当的近似公式，将测量数据转化成角度值。这种系统存在的缺点在于在运动链开放状态下累积的误差所引起的较低精度，以及高成本。在1996年2月13日公布的No5490784美国专利(US Cl.434-55,Int.Cl.G09B9/00)中描述了一种向使用者提供虚拟现实的系统，它包括一个具有六个自由度的球壳状的可移动平台组件，使用者即位于该平台组件的内部；球形平台位置的感测装置和配置在所述壳体内部中的计算机。发送器将平台位置信息发送给接收器，接收器又将接收的球形平台角位置数据提供给位于该平台外部的主计算机。提供给主计算机的是旋转平台线位移的信息。安装在头盔上的显示器根据接收的平台位移信息对虚拟现实图象进行调整。然而，该传统系统不仅结构复杂，同时也不能提供充分的虚拟环境模拟。于1992年10月14日公布的No5349517美国专利(Cl.395-129,Int.Cl.G06F15/20)描述了一种向使用者提供真实与虚拟环境的复合图象的系统，该系统包括向使用者提供复合图象的虚拟显示装置；产生指示使用者视野方向的方向信号的方向探测装置；产生序列视频信号的视频摄像装置，这些视频信号综合起来表示其视野；安装所述视频摄像装置的摄像机安装装置，足以使该视频摄像装置的视野基本上与使用者视野相重合并追随使用者视野的移动；响应于所述方向信号的图像产生装置，用于产生该复合图像的相对应的适当计算机生成部分；对每个视频信号进行分析并选择视频信号或计算机生成信号的图象选择与合成装置，用以产生复合图象信号并将所述复合图象信号提供给所述可视显示装置。然而，该系统不能根据使用者在空间真实位置与取向的变化向使用者提供虚拟环境图象。专利技术概述本专利技术的目的在于提供一种和系统，它保证能降低制造与操作的成本，并且同时提高精度与速率以满足使用者运动的充分实时显示的需要。本专利技术的另一目的在于为使用者提供在空间自然地无限制地运动以及在追踪使用者运动的过程中与虚拟环境目标交互作用的可能性。本专利技术的另一目的在于提高精度并在他或她在实际环境中的运动过程中完全依照使用者位置与取向的改变向使用者提供满意的虚拟环境。前述的目的在中得以实现，所述方法包括如下步骤a)将确定与各自连接点相邻的各环节之间的至少一个角度的装置最接近地附着在使用者运动系统环节的每个基本连接点上；b)在至少一个使用者运动系统环节上设置参考方向确定装置；c)确定至少一个环节的取向，所述参考方向确定装置相对于所述参考方向设置在该环节上；d)确定与所述基本连接点相邻的环节之间的角度；e)根据所确定的角度值与至少一个环节的取向，一般地确定使用者在空间的位置与取向，所述参考方向确定装置即设置在该环节上。为了获得响应于他或她的实际运动确定使用者空间位置与取向在时间上变化的相关序列数据，以预定的时间间隔重复步骤(c)至步骤(e)，记录所获得的使用者在空间的位置与取向的数据以便随后使用。此外，应用使用者运动系统环节的线性尺寸值完成步骤(e)，以及进一步包括的步骤有(f)确定使用者运动系统的支承环节；(g)相对于被显示环境中的支承点对所述支承环节进行定位。为了获得并记录使用者在被显示环境中位置与取向的数据序列并根据获得的数据显示使用者的运动，在预定的时间间隔内重复从步骤(d)至步骤(g)。根据所记录的数据按照需要实时地或稍后显示出使用者的运动。使用者的运动最好根据需要的观测方位或者在对获得的使用者运动的图象进行附加编辑之后予以显示。参考方向为地磁场传感器的南-北方向及本地垂直传感器的方向，或者是由陀螺稳定参考方向传感器确定的方向，或者是南-北方向与东-西方向，或者是由外部参考方向源确定的方向。另外，所述参考方向确定装置最好是至少一对间隔开的绝对座标传感器，所述的一对传感本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：挪拉赫梅特·挪利斯拉莫维奇·拉都包夫，努鲁拉·挪利斯拉莫维奇·拉都包夫，
申请(专利权)人：挪拉赫梅特·挪利斯拉莫维奇·拉都包夫，努鲁拉·挪利斯拉莫维奇·拉都包夫，
类型：发明
国别省市：