专利名称：虚拟定位媒体控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种控制系统，它用于以可变方式进行工作的设备，所述系统可对物体在一定区域内的运动，例如对在诸如运动场、竞技场或溜冰场或者露天运动场之类大范围区域中运动的人的运动进行响应，尽管这种系统也可潜在地用于诸如剧场或电视演播室之类较小的区域。
背景技术：
目前存在多种3D(三维)位置跟踪技术，这些在多种限制内进行操作的技术能在不同尺寸的3D空间范围内提供每秒一定数量的校正。这些技术之一就是例如在1992年4月28日授予Will Bauer的美国专利5,107,746号、1993年5月25月授予WillBauer的美国专利5,214,615号以及1995年5月2月授予Will Bauer的美国专利5,412,619号中说明并要求保护的我们的GAMS(姿态与媒体系统)技术。还存在有基于多种测定方法的其它系统。但是，在面对诸如溜冰场、运动场等较大区域内跟踪高速运动的问题时，这些专利的系统以及其它周知的3D跟踪技术均不能提供利用表演者在较大区域内的位置来控制电子媒体和其它诸如虚拟电子装置、机器人、计算机可控像机等其它以可变方式工作的系统的有效工具。原因有两个，第一个原因是跟踪有效区太大，第二个原因是诸如专业滑冰者之类的表演者可能运动得很快。假定存在着这两者的结合，则完全自动化的系统当前无法跟上在较大区域内高速运动的表演者。假定有在溜冰场上进行表演的滑冰者。目前表演习惯做法是要求使用一至四个“跟踪灯”(由人操纵的并在表演者在冰上移动时对准表演者的聚光灯)。任何其它的灯光或声音效果都必须从记录器中播放出来，表演者必须非常仔细地使其运动与音乐和灯光区相协调。
此外，对这种3D信息的需要并不局限于表演的环境。通常在涉及灯光的表演是巡回的时，可能在各个地点因舞台形状的变化而调整预定的插入次序。如果一个人能立即将多个灯移至舞台的新位置处(这在给定3D信息的情况下是完全有可能的)并同时使灯重新聚焦且改变灯光光束直径的尺寸，那么，就可以显著地节省时间和金钱。
所以，本发明人业已用不同方式解决了上述问题。
发明内容
依照本发明，提供了一种以可变方式工作的设备用的控制系统，它可对物体在较大区域内的运动进行响应，上述系统包括一用于所述较大区域的固定参照系，它包括至少四个校准点，其中的任何三个点是不共线的；另一个参照原点，它可建立上述校准点中的每一个校准点的X、Y和Z坐标，X、Y和Z坐标是可计算的。
一跟踪头，它具有随动(pan)和俯仰控制器，以便跟踪物体在较大区域内的运动并测定跟踪头就各个校准点而言的随动和俯仰角；一以可变方式工作的系统和用于就各个校准点和上述原点而言形成上述以可变方式工作的系统的控制位置的装置；计算机装置，它用于根据上述X、Y和Z坐标并根据所述随动和俯仰角实时地计算出一系列用于以可变方式工作的系统的随动和俯仰角、跟踪头和以可变方式工作的系统的一系列X、Y、Z位置和/或随动、俯仰及旋转角偏移量；以及用于实时地将以可变方式工作的系统设置成与为该系统计算出来的随动和俯仰角偏移量相一致的装置。
所述以可变方式工作的系统可以是包括多个聚光灯的灯光系统或音乐系统。一个或多个聚光灯可同时操作，而另一个聚光灯则在滑冰者移出第一个聚光灯的范围时接替这种操作。移动的物体可以是诸如滑冰者、舞蹈者等之类的表演者。
本发明还包括用上述系统对以可变方式工作的设备进行控制的方法。
对“智能”灯进行这种控制的实例包括使用被称为“DMX-512”的高速串行数据通讯协议。DMX-512(简写为“DMX”)能使一系列灯接收来自灯光控制台、计算机或类似设备的命令。这些命令通常约每秒传送44次并对灯的随动和俯仰角、亮度、色彩、投影图案(“遮光板”)以及多种其它参数进行控制。利用配备有DMX接口卡的计算机，写出程序是一件简单的事情，所述程序通过在串行数据电缆上将适当的DMX数据传送给有关的灯而使灯光指向预定的随动/俯仰角或者调整其它的可控参数。
在表演者移出一个灯的范围并进入另一个灯的范围时，还可利用这种控制来使灯光交叉淡出淡入。在表演者移离一个灯时第一个灯的亮度渐暗，而在表演者移向第二个灯时，该灯的亮度渐亮，从而，能确保灯光始终在表演者身上均匀分布，而与表演者在舞台上的位置无关。
为了理解上述系统的作用，考虑诸如位于录像机三角架上的随动/俯仰跟踪头之类的随动/俯仰跟踪头。这种子系统能使一平板(它通常固定住像机或某些其它成像设备但也可固定住诸如伸缩式瞄准器之类的其它装置)通过一手柄绕两个直交轴(通常称为“随动”和“俯仰”轴)旋转，从而人可以控制这种子系统。所述跟踪头可指向一几乎为球形区域内的任何方向，这仅受限于安装方法。然后，考虑一带有转轴编码器或其它电子装置以便对直交的随动和俯仰角进行测定的跟踪头。可从这种设备中获得与跟踪头所定位的随动和俯仰角相对应的角度值。对大多数应用来说，正如认为是准连续的那样，可以相当频繁地获得这些测定值(高达每秒数千次例如每秒100-15000次)。
如果知道了跟踪头相对某一固定参照系的3DX、Y、Z位置和任何有角度的随动、俯仰或旋转偏移量，并且，如果还知道了诸如溜冰场之类平面区域相对上述固定参照系的位置，那么，就可以计算出跟踪头的3D位置与前述平面区域上的与跟踪头沿其对准的径向路径相共线的一个点之间的距离。如果知道了跟踪头的3D位置和角偏移量并且还知道了跟踪头指向的随动/俯仰角，那么，就可以确定所述平面内跟踪头所对准的那个点的坐标。如果该点恰好例如是在溜冰场上运动的滑冰者，那么由于跟踪头转动以跟踪该滑冰者，所以能产生一系列“虚拟”位置，从而以三维的方式给出了滑冰者在冰上的位置(假定滑冰者保持在冰面上的恒定高度处)。因此，所配备的跟踪头会像与滑冰者相连的3D位置跟踪装置那样起作用，从而产生出滑冰者在冰面上轨迹的一系列虚拟3D测定值。
除了通过投影随动/俯仰头的指向角并计算出在已知高度Z＝Zp处与平面相交的点而获得上述Z坐标以外，还可用一径向测距系统来直接测定Z并获得Z坐标的真实值。为了做到这一点，必须测定沿随动/俯仰头视线从随动/俯仰头到表演者(或其它目标)的距离。做到这一点的一种方式是使用以与随动/俯仰头视线相平行的方式安装的激光测距系统。这种测距系统对本技术领域的熟练人员来说是公知的，并且有从几米到几毫米的精确度。
可响应表演者的轨迹非常有效地利用上述虚拟定位信息来控制电子媒体。完全有可能利用计算机程序将3D位置、速度和/或加速度“映射”成电子媒体的行为，所述计算机程序与位置传送设备及诸如DMX(灯)、MIDI(电子音乐和机器控制)、串行通讯之类的通用电子协议、诸如TCP/IP之类的其它协议和用于像机随动/俯仰控制等的直接数字或模拟电子接口相连。上述美国专利5,107,746、5,214,615和5,412,619业已在总体上说明了某些适当的计算机程序。本发明可以连同来自跟踪头的虚拟定位信息而不是来自与表演者身体相连的传感器的定位信息一道使用这种程序。
这在超出了目前可用的自动3D跟踪系统的当前限制的大范围环境下特别有用。利用本发明的系统，表演者可直接控制插入用于表演的媒体事件，以便产生和利用更加令人感兴趣的效果。因此，不用高达四个跟踪聚光灯的操作者，仅需一个人来控制虚拟位置跟踪头；对所有跟踪聚光灯、其它灯光、计算机可控像机以及象音乐、声音效果之类的其它媒体事件和视频投影的响应，均是以在表演者于冰上移动时使跟踪头对准表演者而获得的虚拟位置信息为基础的。
为了使用所说的虚似定位系统，必须有相对一固定参照系确定跟踪头和诸如计算机可控移动灯之类任何相关媒体的3D位置的装置。为了实现这一任务，在溜冰场表面或表演表面上设置四个校准点。这四个点必须按其中任何三个点都不共线的方式设置。可利用这些点与限定坐标系统原点的第五个中心点之间的距离来建立这些点相对上述起坐标原点作用的中心点的X和Y坐标位置。由于确定了这些测定值，所述跟踪头可对准这四个校准点中的各个校准点，并且能对各个校准点获得跟踪头的随动和俯仰角测定值。可以类似的方式来校准计算机可控的灯和任何其它适当的媒体。在给定了上述信息的情况下(即知道了四个校准点相对所述中心的X、Y、Z坐标以及跟踪头和跟踪聚光灯与校准点之间的随动/俯仰角)，可以计算出各个灯和跟踪头的X、Y、Z位置以及灯/跟踪头的随动、俯仰、旋转角偏移量。在给定了这六个计算值(X、Y、Z、随动角偏移量、俯仰角偏移量、旋转角偏移量)的情况下，就有了获得虚拟位置信息并使灯光对准任何预定虚拟点的全部信息。
除了使灯定向以外，还可以根据上述虚拟定位信息自动地使灯聚集和发彩光。对实时操作和就各个新场地而言必须要重新调整灯的插入位置的预演布置(若表演是巡回的话)来说，这种使多个灯自动发彩光/聚焦到一个虚拟点的能力是非常重要的。
对附图的简要说明以下将参照附图以举例的方式说明本发明的实施例，在附图中
图1表示使用了用于较大区域中的表演者的单个聚光灯的系统的结构；图1A表示与图1相似的结构，该结构使用了包括有多个灯的发光系统；图1B表示与图1相似的结构，该结构使用了发光系统、音乐系统和其它系统；图2是跟踪头或随动/俯仰计算机控制的媒体相对所述中心点和四个校准点的位置的几何图；图3是另一种几何图；图4是图2的细节；图5是又一种几何图；以及图6A、6B和6C是计算3D点的位置时所使用的其它几何图。
实施本发明的方式在附图中，溜冰场10A具有由校准点1、2、3和4构成的参照系10。将参照原点构成的另一个点标记为C。示出了滑冰者的虚拟位置12。
受控于人并且有多种随动和俯仰角的跟踪头可跟踪滑冰者的虚拟位置12。
跟踪头的随动和俯仰角由计算机15来测定并用于根据一算法来计算聚光灯16的随动和俯仰角。
就图2所示的三维形状而言0表示跟踪头或随动/俯仰计算机控制的媒体的位置；1、2、3和4是参照系的校准点；以及C是任意X、Y、Z坐标系统的原点，所述坐标系统是为能用作校准用的参照系而选定的。
首先要计算出对象“0”的3D X、Y、Z坐标及其三个倾斜的定向角(θ、φ、γ)。
可利用的信息是a)距离d1C、d2C、d13、d23、d14和d24；b)用于线段R1、R2、R3和R4的随动和俯仰角β、ρ，线段R1、R2、R3和R4分别将点0与点1、2、3和4连接起来，也就是说，可用(R1、随动角、俯仰角)的径向坐标(点0为坐标原点)来表示经由点0和点1画出的线，其中R1是点0与点1之间的距离，“随动角”和“俯仰角”是绕两个直交轴的随动和俯仰角；可用四个步骤来求解这一问题a)假定坐标原点C位于(0、0、0)处，计算出点1、2、3和4的X、Y、Z坐标；b)求出径向距离R1、R2、R3和R4；c)求出点0的X、Y、Z 3D坐标；d)求出点0处该对象的定向角(θ、φ、γ)。
以下列举出上述步骤中的每一步骤的求解过程a)计算出点1、2、3和4的X、Y、Z坐标见图3，图3包括位于一单个平面内的四个点(正如以下将予以说明的那样，三个点不足以求解上述问题，需要第四个点才能获得解)。
点1和2与中心点C相共线并可被限定为沿有原点C的坐标系统的Y轴定位。只要点3位于Y轴的左侧，点4位于Y轴的右侧，并且，点1、2、3和4中的三个点不共线，那么，点3和4就可位于任何位置。距离d1C、d2C、d13、d23、d14和d24是已知的。由于点1和点2沿Y轴定位，故通过观察，假定为方便起见平面位于高度Z＝0处并平行于X-Y平面，则点1和2的X、Y、Z坐标为点1＝(0，d1C，0)、点2＝(0，-d2C，0)。很明显，d12＝d1C+d2C。按毕达哥拉斯定理Y3=Y1-(d232+d122+d132)2*d12]]>与此相似Y4=Y1-(d242+d122+d142)2*d12]]>在已知点3处于坐标系统的哪个象限内时，点3的X坐标可确定为X3=-d132-(Y1-Y3)2]]>而且点4的X坐标为X4=-d142-(Y1-Y4)2]]>与此相似的求解过程中的微小变化对本技术领域的熟练人员是显而易见的，故不再详细说明。点3和点4的X、Y、Z坐标是点3＝(X3，Y3，0)且点4＝(X4，Y4，0)应该注意，可任意地假定校准点位于Z＝0的位置处。事实上，在不兼顾以下的计算的情况下，校准点可位于任何恒定的Z值“Zcal”的位置处。唯一的不同是，在计算结束时，所计算出的对象“O”的Z坐标必须将Zcal加至该Z坐标。
b)求出径向距离R1、R2、R3和R4给出了通过让跟踪头对准各个校准点1，2，3，4(即n＝1，2，3，4)获得的随动角beta(βn)和俯仰角rho(ρn)，角度Z12，Z13，Z14和Z23可以计算出来。通过某种变换可以得到以下表示式cos(Zmn)＝cos(ρn)*cos(ρm)*cos(βn-βm)+sin(ρn)*sin(ρm)或者Zmn＝cos-1[cos(ρn)*cos(ρm)cos(βn-βm)+sin(ρn)*sin(ρm)]于是从余弦定律可以写出
d122＝R12+R22-2*R1*R2*Cos(Z12)d132＝R12+R32-2*R1*R3*Cos(Z13)d142＝R12+R42-2*R1*R4*Cos(Z14)d232＝R22+R32-2*R2*R3*Cos(Z23)尽管有足够的可求解信息(三个未知数的三个方程式)，但由于这些方程式的特性，它们不适于通常的“封闭式”求解技术。作为求解的一个实例，通过用计算机计算出二次方程式的多个解的值，可以以数值的方式求出R1i) R12+R22-2*R1*R2*Cos(Z12)-d122＝0＝F(R2)R1为定值ii) R12+R32-2*R1*R3*Cos(Z13)-d132＝0＝F(R3)R1为定值iii) R12+R42-2*R1*R4*Cos(Z14)-d142＝0＝F(R4)R1为定值从中可以清楚地看出，三个点不足以唯一地确定R1，因为二次方程式的解有两个根，这两个根会导致沿R1－点0轴有两个可能的位置。
方程i)至iii)可求出一系列R1值，从而就用于各个R1值的R2、R3和R4而言可从上述二次方程式中获得下述成对的根R2a、R2b、R3a、R3b、R4a、R4b。可以检测从各个R1值中获得的所有可能的三个一组的根。将误差检测函数定义为函数F(R2root)、F(R3root)和F(R4root)的绝对值之和，即E＝|F(R2root)|+|F(R3root)|+|F(R4root)|(用于适当R1值)的三个一组的根中的一组根会给出非常低的误差E。E理想地应为零，因为在有理想根和R1值的情况下，F(R2)＝F(R3)＝F(R4)＝0。
可能的三个一组的根是(R2a、R3a、R4a)、(R2a、R3aR4b)、(R2a、R3b、R4a)、(R2a、R3b、R4b)、(R2b、R3a、R4a)、(R2b、R3a、R4b)、(R2b、R3b、R4a)、(R2b、R3b、R4b)
为了以数值的方式求出R1、R2、R3和R4a)找出可产生一个解的最大R1值，也即能为方程i)、ii)或iii)之一产生两个实根的最大R1值。
b)在R1max and zero之间循环R1，就各个试验R1值计算出误差函数E。
c)在R1值的规则变窄的范围内按用于R1值的连续变小的“步长”增量进行重复，直至就预定精度而言E值降得很低。
d)取得具有最低E的R1值并使解成为“R1lowE”和能产生最低E值的三个一组的根(“R2lowE”、“R3lowE”、“R4lowE”) 。
c)求出点0的X、Y、Z 3D坐标参见图4的四面体。
应求出X0、Y0、Z0。给出的是R1、R2、R3和点1、2和3的(X，Y、Z)坐标。可写成R12＝(X0-X1)2+(Y0-Y1)2+(Z0-Z1)2R22＝(X0-X2)2+(Y0-Y2)2+(Z0-Z2)2R32＝(X0-X3)2+(Y0-Y3)2+(Z0-Z3)2用通常的方法能很容易地对上述方程求解。当Z1＝Z2＝Z3时，是特别简单和实用的情况。可得到以下的解i)--Xo=(Rn2-Rm2+Xm2-Xn2+Ym2-Yn2-2*Yo*(Ym-Yn))(2*(Xm-Xn))]]>ii)--Yo=(Rr2-Rq2+Xq2-Xr2+Yq2-Yr2-2*Xo*(Xq-Xr))(2*(Yq-Yr))]]>iii)--Zo=Rs2-(Xo-Xs)2-(Yo-Ys)2+ZS]]>s＝1，2或3.
很清楚，必须将一对点(m，n)或(q，r)选定成(Xm-Xn)
且
。做到这一点的简单方式是选取上述成对的点，因此，它们均在图5所示的对角线上。
在图5中，将1，3选定为X0“m，n”对，将2，4选定为Y0“q，r”对。
代入并对方程i)和ii)求解，可获得下列值iv) Yo＝C/[1+B*(Xq-Xr)/(Yq-Yr)]其中， C＝(Rr2-Rq2+Xq2-Xr2+Yq2-Yr2-2A*(Xq-Xr))/(2*(Yq-Yr))B＝-(Ym-Yn)/(Xm-Xn)A＝(Rn2-Rm2+Xm2-Xn2+Ym2-Yn2)/(2*(Xm-Xn))可通过将方程iv)的Y0代入方程i)获得X0，其中，Z0取决于方程iii)。
d)求出点0处该对象的定向角(θ、φ、γ)。
为了求出点0处该对象的成角度的定向方位，可用以下信息通过使该对象对准所说的四个点1、2、3、4而分别获得随动和俯仰角β和ρ。
求解这一子目标的算法如下首先，用该对象的参照系和已测出的R、β和ρ角计算出笛卡尔坐标，即相对位于坐标系统的原点处的对象计算出校准点的X″、Y″、Z″。
其次，根据包括了校准点的以该物体参照系为基础的坐标(X″、Y″、Z″)和该校准点的已知X、Y、Z坐标的方程，计算出旋转角θ。
第三，根据θ值和将对象参照系坐标与校准点的(X，Y，Z)参照系作比较的更多的方程计算出俯仰角γ。
最后，根据θ和γ计算出随动角φ。可按数值的方式来进行这种计算，因为通常就封闭式计算而言存在有太多的误差分布以致不能进行处理。数值解(其中选定最佳的φ以使预测的校准点位置与实际位置相匹配)允许将φ“调节”成补偿在计算θ和γ中产生的某些误差，这能使解更好地发挥作用。
所说的解以下述情况为依据一个人能以旋转的方式使对象0的位置在通过四个校准点建立的(X，Y，Z)坐标系统与以点0为中心的(X″、Y″、Z″)坐标系统之间变换。将校准点的已知(X，Y，Z)坐标适当地变换成可根据βn、ρn随动/俯仰角计算出的(X″、Y″、Z″)坐标所需的角度是我们查找的的θ、γ和φ。
旋转时，在(X，Y，Z)坐标与(X″、Y″、Z″)坐标之间的变换方程按次序是a)绕Z轴的旋转i) X′＝X*Cos(-θ)+Y*Sin(-θ)ii) Y′＝-X*Sin(-θ)+Y*Cos(-θ)b)绕X′轴的旋转i) Y″＝Y*Cos(γ)+Z*Sin(γ)ii) Z′＝-Y′*Sin(γ)+Z*Cos(γ)c)绕Y′轴的旋转i) X″＝X′+Cos(φ)+Z′*Sin(φ)ii) Z″＝-X′*Sin(φ)+Z′*Cos(φ)请注意，这里给出的(X，Y，Z)坐标实际是(Xcn-Xo，Ycn-Yo，Zcn-Zo)，也即是相对作为X，Y，Z坐标系统原点的对象的(X，Y，Z)位置。
存在有足够的信息去计算四组(X″、Y″、Z″)坐标，也即从其原点是对象0的位置的参照系来看时校准点的位置。很清楚，可将角β和ρ写成(n＝1，2，3，4分别表示校准点1，2，3，4)
βn＝Tan-1((Xo-Xn)/(Zo-Zn)]以及ρn=Cos-1[(Zo-Zn)*(1+Tan2(βn)]]]>就(X″、Y″、Z″)坐标而言，上式可重写为ρn=Cos-1[Zn*(1+Tan2(βn))Rn]]]>或Zn″=Rn*Cos(ρn)1+Tan2(βn)]]>我们可以仅通过检查βn并且在Cos(βn)＞00的情况下使Z″＝-Z″n而取得Z″的符号。
与此相似，就X″n而言X″n＝-Z″n*Tan(βn)从而Y″n＝Rn*Sin(ρn)该式也能给出Y″的符号。
因此，可利用角度ρ1…ρ4，β1…β4和径向值R1…R4(从该对象到四个校准点的径向距离)来计算(X″1、Y″1、Z″1)、(X″2、Y″2、Z″2)、(X″3、Y″3、Z″3)和(X″4、Y″4、Z″4)。
然后，可将相对距离坐标限定为(Xr1、Yr1、Zr1)、(Xr2、Yr2、Zr2)、(Xr3、Yr3、Zr3)和(Xr4、Yr4、Zr4)，它们是相对点0处该对象的位置，也就是说Xrn＝Xn-XoYrn＝Yn-YoZrn＝Zn-Zo对于n＝1、2、3、4在给定了上述值的情况下，我们可将b)i)的角度θ求解为θ＝Tan-1[J/K]其中，J＝[(Yr2-Zr2/Zr1*Yr1)*(Y″3-Zr3/Zr1*Y″1)-(Yr3-Zr3/Zr1*Yr1)*(Y″2-Zr2/Zr1*Y″1)]κ＝[(Y″2-Zr2/Zr1*Y″1)*(Zr3/Zr1*Xr1-Xr3)-(Y″3-Zr3/Zr1*Y″1)*(Zr2/Zr1*Xr1-Xr2)]然后利用方程式b)i)求出角γ，以获得Cos(γ)＝[(Y″2*Zr1-Zr2*Y″1)/(Zr1*(Y′2-Y′1))]以及Sin(γ)＝[(Y″2*Y′1-Y′2*Y″1)/(Zr2*Y′1-Zr1*Y′2)]知道了γ的Sin和Cos值能使得我们通过在Cos(γ)＜0的情况下使其等于-(π+oldγ)而适当地设置该角度的符号，然后，可很容易地获得γγ＝Cos-1[Cos(adjustedγ)]在得到了θ和γ之后，我们就能以数值的方式求出φ，因为业已发现，φ的计算值会通过θ和γ计算因误差分布而产生太大的误差。通过使用a)至c)i)和ii)的所有方程式并用角θ、γ和分布在所有可能的φ值范围内的“测试”角φtest来计算(X″n、Y″n、Z″n)，可以做到这一点。“最佳”的φ值是使误差函数最小化的那个值即Eφ＝|X″n-Xntest|+|Y″n-Y″ntest|+|Z″n-Z″ntest|对于n＝1、2、3、4正如通常在数值解中那样，可在连续的较小的范围内按较小的增加步长重复φ值，直至达到预定的精度。
在完成了该算法的最后一步之后，可获得上述问题的解。已计算出该对象的X、Y、Z坐标及其θ、γ和φ的角定向偏移量，并且存在有能(通过遥控随动/俯仰角定位)使对象对准诸如移动的表演者之类的任何(X，Y，Z)位置。在推导出获得3D X、Y、Z位置和角定向偏移量θ、γ和φ的方法之后，需要找出所说点的坐标(Xp，Yp，Zp)，该坐标位于平面Z＝Zp内并且被位于(Xh，Yh，Zh，θH，γH，φH)处有指向角β(随动)、ρ(俯仰)的随动/俯仰跟踪头所对准。
通过选定位于随动/俯仰头的随动和俯仰角所指示的视线上的任意测试点(Xt，Yt，Zt)来开始上述过程。从随动/俯仰头的角度看，测试点的坐标是(Xt″，Yt″，Zt″)，因此，在将随动/俯仰头的随动/俯仰/旋转轴用作随动/俯仰头位于X″＝0、Y″＝0、Z″＝0位置的参照系时，可以获得位置(Xt″，Yt″，Zt″)。如果将测试点的Zt″坐标任意地设置成等于随动/俯仰头的高度(Zh)与平面Z＝Zp之差，能将Zt″限定为Zt″＝-(Zh-Zp)*Cos(ρ)，这样做是很方便的。图6A示出了这种情况。
在这种情况下，能很容易地计算出Xt″＝(Zh-Zp)*Sin(B)和Yt″＝(Zh-Zp)*Tan(B)，如图6B和6C所示。
在计算出用于点(Xt″，Yt″，Zt″)的值之后，可使该点“后转”通过随动/俯仰头的定向角φH、γH、θH，以获得该点的(Xt，Yt，Zt)坐标。这一点是通过下述以前为计算出一对象的初始位置和方位获得的能进行随动/俯仰定位的旋转变换而做到的。为了从X″、Y″、Z″变换成X、Y、Z坐标(仍以随动/俯仰头为原点)，要按下列次序进行以下的旋转1)绕Y″轴的旋转i) X′＝X″*Cos(-φH)+Z″*Sin(-φH)ii)Z′＝X″*Sin*(-φH)+Z″*Cos(-φH)2)绕X′轴的旋转i) Y′＝Y″*Cos(-γH)+Z′*Sin(-γH)ii)Ze＝-Y″*Sin(γH)+Z′*Cos(-γH)3)绕Z轴的旋转i) Xe＝X′*Cos(θH)+Y′*Sin(θH)ii)Ye＝-X′*Sin (θH)+Y′*Cos(θH)为了将与随动/俯仰头对齐的Xe、Ye、Ze转换成正常的原点，要加上随动/俯仰头的X、Y、Z坐标，即
Xt＝Xe+XhYt＝Ye+YhZt＝Ze+Zh测试点(Xt、Yt、Zt)会位于随动/俯仰头的视线上。因此，可利用测试点和随动/俯仰头的位置(Xh，Yh，Zh)来确定这条视线上的三维空间方程式。若给出了这条视线上的方程式，则可用该视线与平面Z＝Zp相交的位置及这一点的平面坐标Xp、Yp来进行计算。可按下述方式做到这一点从通常的立体解析几何学中可知，三维空间中的直线方程式是(X-X1)/u＝(Y-Y1)/v＝(Z-Z1)/w其中，u＝X2-X1，v＝Y2-Y1，and w＝Z2-Z1。
我们设定X1＝Xh，Y1＝Yh，Z1＝Zh，X2＝Xt，Y2＝Yt，Z2＝Zt，and X＝Xp，Y＝Yp，Z＝Zp.在已知Zp的情况下，可求出Xp和YpXp＝(Zp-Zh)*u/w+X1或 Xp＝(Zp-Zh)/(Zt-Zh)*(Xt-Xh)+X1Yp＝(Zp-Zh)*v/w+Y1或 Yp＝(Zp-Zh)/(Zt-Zh)*(Yt-Yh)+Y1到此己计算出了Xp和Yp的值。至此，通过与已知的Zp值相结合，可知随动/俯仰头所指向的坐标(Xp，Yp，Zp)。
有了这种计算，我们有足够的信息去计算出使灯光或其它媒体对准虚拟位置(Xp，Yp，Zp)所需的随动/俯仰角(或其它控制参数)。本技术领域的熟练人员了解这种角度计算，因此不再作详细说明。
权利要求
1.一种以可变方式工作的设备用的控制系统，它可对物体在较大区域内的运动进行响应，所述控制系统的特征在于它包括一用于所述较大区域(10A)的固定参照系(10)，它包括至少四个校准点(1、2、3、4)，其中的任何三个点是不共线的；另一个参照原点，它可建立上述校准点中的每一个校准点的X、Y和Z坐标，X、Y和Z坐标是可计算的；一跟踪头，它具有随动和俯仰控制器，以便跟踪物体在较大区域内的运动并测定跟踪头就各个校准点而言的随动和俯仰角；一以可变方式工作的系统和用于就各个校准点而言形成上述以可变方式工作的系统的控制位置的装置；计算机装置，它用于根据上述X、Y和Z坐标和所述随动和俯仰角实时地计算出一系列用于以可变方式工作的系统的随动和俯仰角、跟踪头和以可变方式工作的系统的一系列X、Y、Z位置和/或随动、俯仰及旋转角偏移量；以及用于实时地将以可变方式工作的系统设置成与为该系统计算出来的随动和俯仰角偏移量相一致的装置。
2.如权利要求1的控制系统，其特征在于，所述以可变方式工作的系统是从灯光系统、计算机可控像机、音乐系统、音效系统和计算机可控视频投影仪中选出的。
3.如权利要求2的控制系统，其特征在于所述灯光系统包括多个灯。
4.如权利要求3的控制系统，其特征在于，所述用于控制前述以可变方式工作的系统的装置包括用于以独立方式控制前述灯光系统的各个灯的装置。
5.如权利要求1的控制系统，其特征在于，所述用于测定跟踪头的随动和俯仰角的随动和俯仰控制器每秒能测定100-15000次。
6.一种响应物体在较大区域内的运动而对以可变方式工作的设备进行控制的方法，其特征在于所述方法包括建立一用于所述较大区域的固定参照系，它包括至少四个校准点，其中的任何三个点是不共线的；建立另一个参照原点，由其建立上述校准点中的每一个校准点的X、Y和Z坐标，并且计算出X、Y和Z坐标；用具有随动和俯仰控制的跟踪头跟踪物体在较大区域内的运动，并且测定跟踪头就各个校准点而言的随动和俯仰角；就各个校准点而言形成上述以可变方式工作的系统的控制位置；用计算机装置和算法根据上述X、Y和Z坐标和所述随动和俯仰角实时地计算出一系列用于以可变方式工作的系统的随动和俯仰角以及跟踪头和以可变方式工作的系统的一系列X、Y、Z位置和随动、俯仰及旋转角偏移量；以及实时地将以可变方式工作的系统设置成与为该系统计算出来的随动和俯仰角偏移量相一致。
7.如权利要求6的方法，其特征在于，所述以可变方式工作的系统是从灯光系统、计算机可控像机、音乐系统、音效系统和计算机可控视频投影仪中选出的。
8.如权利要求1的方法，其特征在于所述灯光系统包括多个灯。
9.如权利要求8的控制系统，其特征在于，所述用于控制前述以可变方式工作的系统的装置包括用于以独立方式控制前述灯光系统的各个灯的装置。
10.如权利要求6的方法，其特征在于，每秒能测定所述跟踪头的随动和俯仰角100-15000次。
全文摘要
一种诸如聚光灯系统之类的以可变方式工作的设备(16)用的控制系统,以便跟踪表演者(12)在一定区域内的运动,所述控制系统可从对表演者(12)的运动进行跟踪的跟踪头(14)中获得控制数据。可手工地操纵跟踪头(14)以跟踪表演者。在区域(10A)内设定一参照系(10),该参照系包括至少四个校准点(1、2、3、4),其中的任何三个点是不共线的。该参照系(10)还包括一参照原点(C)。可根据跟踪头相对校准点的X、Y和Z坐标并根据跟踪头的随动和俯仰角实时地计算出用于上述以可变方式工作的设备的控制命令。
文档编号F21S10/00GK1266581SQ98806688
公开日2000年9月13日 申请日期1998年7月14日 优先权日1997年7月21日
发明者威尔·N·鲍尔 申请人:声学定位研究公司