[发明专利]基于光学追踪与惯性追踪的融合定位系统及方法

说明书

本发明提供了一种基于光学追踪与惯性追踪的融合定位系统及方法，主要由光学追踪系统、惯性追踪系统、虚拟场景渲染软件、虚拟现实头戴显示器、位姿融合计算软件组成；选取一个范围作为捕捉区域，在两个对角上分别布置光学摄像头，选取一处宽敞无遮挡的区域放置无线接收器，然后被捕捉人穿戴同时配置有光敏传感器、惯性传感器的虚拟现实头戴显示器，并在全身各关节处穿戴惯性传感器节点，即可在捕捉区域内自由活动。本发明的有益效果为：该方法以光学追踪与惯性追踪获取的定位数据为基础，针对人体这一特殊被捕捉目标，融合两处来源的数据，克服两种动作捕捉系统单一使用时的缺点，实现人体动作的准确追踪。

技术领域

本发明涉及光学定位技术、惯性追踪技术、虚拟现实技术、人机交互技术和视景仿真技术，主要是一种基于光学追踪与惯性追踪的融合定位系统及方法。

背景技术

近几年，随着虚拟现实技术的迅速发展，虚拟现实技术对用户交互手段提出了更高的要求，不同于传统的鼠标键盘输入，虚拟现实人机交互要求用户完全进入虚拟场景，即需要配备动作捕捉系统实现虚拟人物与真实人体的动作同步，准确、快速的获取操作者的全身动作，以实现用户在虚拟环境下与物体进行交互操作。动作捕捉系统主要分为两种：1)光学追踪动作捕捉，通过光学相机与光敏传感器进行空间定位；2)惯性追踪动作捕捉，通过惯性传感器获取自身相对位移、旋转，达到空间定位的目的。

现阶段许多公司都使用这两种动作捕捉系统开发了一系列的虚拟现实应用，但是这些使用单一动作捕捉系统进行开发的应用存在以下问题：1)光学追踪，存在视觉盲区，当光敏传感器被遮挡时，导致定位丢失；2)惯性追踪，存在累积误差，长时间使用会导致漂移。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于光学追踪与惯性追踪的融合定位系统及方法，系统综合获取光学追踪信息和惯性追踪信息，根据两种追踪方式各自的优点进行数据融合，可实现连续、准确的人体动作捕捉。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种基于光学追踪与惯性追踪的融合定位系统，主要由光学追踪系统、惯性追踪系统、虚拟场景渲染软件、虚拟现实头戴显示器、位姿融合计算软件组成，其中，

所述的光学追踪系统主要由光学摄像头、光敏传感器组成，通过在一定区域内布置两个或多个光学摄像头，利用光学定位技术获取光敏传感器在此区域内的空间位置；

所述的惯性追踪系统主要由惯性传感器、无线接收器组成，每个惯性传感器节点可获取自身的相对位移、旋转，通过多个惯性传感器节点可获取被捕捉物体的空间姿态；

所述的虚拟场景渲染软件包含虚拟三维模型，根据三维模型在空间中的状态构建虚拟实景，同时将指定视角的画面渲染输出；

所述的虚拟现实头戴显示器主要实现虚拟视景的显示，与光学追踪、惯性追踪系统进行组合，即可实时追踪头戴显示器的空间方位，并使虚拟环境中的视角同步改变，实现沉浸式体验；虚拟现实头戴显示器为虚拟现实显示输出设备，外形类似头盔，可直接穿戴在头部，可将虚拟现实图像投射到头盔内部的光学介质上，使用户通过两块镜片观察图像，同时隔断用户的外部视野，为用户提供一个沉浸式的观察体验。

所述的位姿融合计算软件，可在同时接入光学追踪与惯性追踪的情况下，根据两种动作追踪的特点，综合解算出被捕捉物体的准确方位。所述的位姿融合计算软件主要实现人体关节位姿的解算，是保证虚拟人物与真实人体实时、准确同步得以实现的关键。位姿解算过程需要获取人体头部关节的光学定位信息与惯性定位信息、人体全身关节的惯性定位信息，通过避免光学追踪易被遮挡与惯性追踪易导致漂移的缺点，综合选取两种追踪方式中可信度较高的数据进行合并，同时考虑人这一特殊被捕捉目标的运动特点和穿戴体验，最终实现：1)人体动作的准确、连续捕捉；2)穿戴虚拟现实头戴显示器的情况下的良好沉浸式体验。