[发明专利]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

说明书

发明领域

本发明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。本发明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。