多传感器组融合的检测方法及支持头部跟踪的环绕声方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多传感器组融合的运动检测方法，还涉及一种基于这种多传感器 组融合方法的支持头部跟踪的虚拟环绕声生成方法。
【背景技术】
[0002] 用户戴着耳机听虚拟环绕声时，当用户头部旋转时，耳机里的虚拟环绕声会跟着 用户的头部旋转，这样导致人在现场听音乐的感觉不同，生成的虚拟环绕声不够真实，因 此，需要使用运动传感器进行头部运动跟踪(head tracking)，使虚拟现实设备或头戴式显 示器(head-mounted display，HMD)的使用者（用户)得到不受头部运动影响的优质环绕声。
[0003] 现有运动传感器主要包括加速度计、陀螺仪和磁力传感器，这些传感器在运动跟 踪和绝对方向方面都有自己各自固有的强项和弱点。例如，加速度计提供一个重力向量(指 向地球中心的向量），而磁力计则是一个指南针，这两种传感器的信息可以用来计算设备的 方向，然而这两个传感器的输出并不精确，包含了大量的噪音，而陀螺仪提供沿着三个轴旋 转的角速度，这个信息非常准确，并且反应很快，但长时间会产生漂移误差，其原因在于需 要对角速度进行积分来得到方向信息，而积分过程会导致微小数值误差，误差长时间的积 累就形成了比较明显的漂移。为扬长避短，将上述三种传感器组合成传感器组，对全部传感 器的信号依据适宜的方式进行运算，形成更加精确的运动检测结果，就是传感器的融合 (sensor fusion)，人们已经进行过传感器融合的研究并取得了一些有效的运算方式，但进 一步改进和优化融合运算依然有助于技术进步，特别是，单一传感器组的误差相对较大甚 至会出现一定的故障，如何获得更为精确的检测结果并保证在局部故障时依然能够有效运 行，就成为目前需要解决的技术问题。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种多传感器组融合的运动检测方 法，还提供了一种基于这种运动检测方法的支持头部跟踪的环绕声生成方法，采用这种多 传感器组融合方法能够获得更精确和更可靠的运行检测结果，采用这种环绕声生成方法可 以跟踪用户的头部运动，获得高质量的听觉效果。
[0005] 本发明的技术方案为：
[0006] -种多传感器组融合的运动检测方法，用于检测运动数据，采用多个传感器组采 集运动相关信息，对各传感器组进行传感器融合，获得该传感器组的单组检测数据，依据各 单组检测数据计算获得最终检测数据。
[0007] -种支持头部跟踪的虚拟环绕声生成方法，基于主要由耳机和头戴式显示器组成 的虚拟现实设备，采用本发明公开的任意一种运动检测方法检测用户头部运动角度，依据 用户头部运动角度对音频进行旋转，消除因用户头部运动带来的方向失真，生成能够跟踪 头部运动的虚拟环绕声并通过耳机播放，所述传感器组的数量为两组，包括第一传感器组 和第二传感器组，所述第一传感器组设置在所述头戴式显示装置上，所述第二传感器组设 置在耳机上。
[0008] 本发明的有益效果是:通过传感器组内各传感器融合，避免了单一种类传感器的 不足，自各传感器的信号组合在一起，产生一个更加精确的单组检测数据;通过采用多组传 感器并依据多组传感器计算最终检测数据，进一步提高劳动数据的精确性和可靠性，且保 证了在部分传感器或传感器组出现故障时，系统依然能够正常运动；由于依据头部运动角 度生成相应的环绕声，避免了因头部运动导致的方向性失真，明显地改善了用户体验；由于 将两组传感器分别设置头戴式显示器和耳机上，不仅避免带来单一传感器组可能存在的误 差和故障，提高了对用户头部运动角度的检测精度，提高了环绕声的质量，而且在不增加用 户负担或不适感的情况下，有效地检测了头戴式显示器和耳机两方面的运动角度，减小或 避免了偶然因素导致头戴式显示器或耳机移动所产生的音频旋转；由于两组传感器在传感 器融合中可以不同的时间常数，有助于兼顾两种时间常数的优势，进一步改善音质；由于可 以最终检测数据计算中可以对不同的单组检测数据设置不同的权重，有助于进一步提高检 测结果的准确性和可靠性；由于在头戴式显示器电量不足时可以充分利用耳机的处理单元 承担相关数据处理，节省能耗。
【具体实施方式】
[0009] 本发明提供的多传感器组融合的运动检测方法，可用于检测运动数据，其采用多 个传感器组采集运动相关信息，对各传感器组进行传感器融合，获得该传感器组的单组检 测数据，依据各单组检测数据计算获得最终检测数据。这种检测方法可以用于虚拟现实播 放设备的用户头部跟踪，以便更为精确地获得用户头部旋转角度，依据用户头部旋转角度 调整所播放的音频、视频和游戏画面等，以消除因头部旋转导致的失真。这种检测方法也可 以用于检测其他运动信号和/或用于其他场合，例如检测速度、距离及其他任意适应于多传 感器组检测的数据。
[0010]优选的，所述依据各单组检测数据计算获得最终检测数据的方法为:计算能够有 效工作的各传感器组的单组检测数据的算术平均值或加权平均值，以获得的算术平均值或 加权平均值为所述的最终检测数据，当只有一组传感器组能够有效工作时，以该传感器组 的单组检测数据为最终检测数据。
[0011]优选的，在计算加权平均值时，依据相关各传感器组的精确度、可靠性和/或关联 性确定各传感器组对应的权重系数，精确度高的传感器组的权重系数高于精确度低的传感 器组的权重系数，可靠性高的传感器组的权重系数高于可靠性低的传感器组的权重系数， 关联性高的传感器组的权重系数高于关联性低的传感器组的权重系数，所述精确度可以依 据所用传感器本身的精确度确定，所述可靠性可以依据实验分析结果确定或依据传感器本 申请的可靠性能确定，所述关联性可以依据排除传感器因素后的系统误差确定，依据实验 或对系统构造的分析获得相关系统误差，系统误差大的关联性低，由此增加优质传感器组 数据在最终检测结果所占的比重，以提高检测精度。
[0012] 所述传感器组中可以包括加速度计、陀螺仪和磁力计(磁力传感器）。以充分利用 加速度计和磁力计在方向检测上没有积累误差的优势，避免其带有大量噪音的劣势，充分 利用陀螺仪在角速度检测中信息非常准确且并且反应很快的优势，避免其长时间会产生漂 移误差的劣势。
[0013] 对于虚拟现实播放等场合，将所述运动数据设定为角度，相应地，所述单组检测数 据为单组检测角度，所述最终检测数据为最终检测角度。
[0014] 所述传感器融合方式可以为依据下列公式计算单组检测角度：
[0015] 0f；i(t) =αι;?(θ?；?(?-1)+ 〇g)i(t)dT) + (l-ai)i)0am)i(t)
[0016] 其中，0f>1(t)为第i传感器组在t时刻的单组检测角度，0f>1(t_l)为第i组传感器组 在t时刻之前一个采样间隔时（即t-dT时刻）的单组检测角度，也可以表示为efyt-dT);
[0017] α1;1为第i传感器组的时间常数，体现了 0f>1(t)的平滑程度，可以依据实验和/或需 要等因素设定；
[0018] cog>1(t)为依据第i传感器组中的陀螺仪获得的角速度；
[0019] dTi为第i传感器组的采样时间间隔，各传感器组的采样间隔时间可以相同，也可 以不同；
[0020] 0am>i(t)为依据第i传感器组中的加速度计和磁力计获得的t时刻角度；
[0021] i为传感器组序号，为从1到N的自然数，其中N为传感器组的数量，大于等于2。
[0022] 所述传感器组中加速度计、陀螺仪和磁力计的数量可以均为一个，且分别为3-轴 加速度计、3-轴陀螺仪和3-轴磁力传感器。
[0023] 通过上述计算公式，可以使用短时的陀螺仪信息和长时的加速度计和磁力计信 息，这就相当于对陀螺仪输出使用了一个高通滤波器，而对其他传感器输出使用了低通滤 波器，系数α 1;1是时间常量，用来控制低通滤波器的截止频率，也就是0am>1(t)的平滑程度。 时间常量a 1;i的选取对系统性能有重大的影响，数值过大则造成系统更多依赖于陀螺仪角 度，对加速度计的角度响应缓慢，导致系统漂移错误加大，数值过小则造成角度平滑不够， 包含大量加速度计结果噪音，导致准确性下降。i值的选取依赖于多个因素，如传感器本 身的特性，可以根据经验人为选取一组数值