空间定位系统及虚拟现实设备的制作方法

本发明涉及虚拟现实技术领域，更具体地，本发明涉及一种用于虚拟现实设备的空间定位系统、及具有该种空间定位系统的虚拟现实设备。

背景技术：

虚拟现实技术简称VR技术，其是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供用户关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让用户如同身临其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事务。

虚拟现实中的空间定位系统主要是通过跟踪例如是头盔、左手控制器、右手控制器等外设的空间位置，识别参与者的位置、姿态等。

现有的空间定位系统中，区分多个外设的方案主要包括：1)基于红外信号区分的方案，即通过红外信号定位外设的位置；2)通过不同的形状区分；3)通过摄像头与外设同步，并控制外设闪烁的方式达到区分外设的目的。以上1)方案存在的问题是容易受到外界干扰，在多个外设相互接近时也容易产生干扰；以上2)方案存在的问题是算法的复杂性很高；以上3)方案存在的问题是会降低图像的帧率，导致延时增大。

由于通过红外信号定位外设的位置是较为简单、有效的方式，因此，为了解决该方式下容易受到外界干扰的问题，非常有必要提供一种能够在多个外设因遮挡或者其他原因导致无法被区分时，准确区分各外设的技术方案。

技术实现要素：

本发明实施例的一个目的是提供一种用于虚拟现实设备的空间定位系统的新的技术方案，以在多个外设因遮挡或者其他原因导致无法被区分时，准确区分各外设。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于虚拟现实设备的空间定位系统，其包括：

至少两个外设，每一所述外设具有红外定位器；

摄像装置，包括至少两个摄像头，所述摄像装置被设置为采集所述至少两个外设的图像；以及，

主机，被设置为在根据所述摄像装置提供的图像无法区分所述至少两个外设时，从中选择用于区分的外设，并输出使得被选择外设的红外定位器关闭的关闭指令；

其中，所述关闭指令对应的关闭时间被设置为：使得所述摄像装置至少采集到一帧呈现所述被选择外设的红外定位器处于关闭状态的图像发送给所述主机。

可选的是，所述主机根据接收到的图像的帧速率确定所述摄像装置的当前帧速率，并根据确定的所述摄像装置的当前帧速率调整所述关闭时间。

可选的是，所述摄像装置的帧速率为固定值。

可选的是，所述关闭时间等于2倍的单帧周期，其中，所述单帧周期等于所述摄像装置的当前帧速率的倒数。

可选的是，所述虚拟现实设备的头盔为其中一个所述外设，所述头盔具有无线通信模块，所述主机通过USB数据线与所述头盔通信连接，所述头盔通过所述无线通信模块与其他所述外设无线通信连接；

所述主机输出的关闭指令先通过所述USB数据线传输至所述头盔，再通过所述头盔无线发送至其他所述外设。

可选的是，所述其他所述外设至少包括一个左手柄和一个右手柄。

可选的是，所述红外定位器独立于对应外设的本体设置，且所述红外定位器与对应外设的本体通过OTG接口通信连接。

可选的是，所述头盔的无线通信模块集成在所述头盔的红外定位器中。

可选的是，所述主机为移动主机，所述主机与所述摄像装置无线通信连接。

根据本发明的第二方面，提供了一种虚拟现实设备，其包括根据本发明第一方面所述的空间定位系统。

本发明的一个有益效果在于，本发明空间定位系统在通常情况下可通过摄像装置采集具有红外定位器的外设的图像追踪各个外设ID的位置，而在各个外设因距离较近、遮挡或者其他原因导致无法被完全区分的情况下，主机将发出使得一个被选择外设的红外定位器关闭的关闭指令，以使该被选择外设根据该关闭指令关闭自身的红外信号，且摄像装置在该红外信号关闭期间，将至少能够采集到一帧呈现该被选择外设的红外定位器处于关闭状态的图像发送给主机，这样，主机便可通过识别该被选择外设ID实现对各个外设ID的区分。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1为根据本发明空间定位系统的一种实施例的方框原理图；

图2为根据本发明空间定位系统的另一种实施例的方框原理图；

图3为控制一个被选择的外设的红外灯关闭的一种实施例的时序图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在基于红外信号定位外设位置的定位方案中，本发明针对各个外设会因距离较近、被遮挡等原因而导致无法被完全区分开的问题，提供了一种空间定位系统的新的技术方案，该方案是在基于红外信号定位外设位置的定位方案中，增加了在出现无法区分各个外设的情况下，通过选择用于区分的外设，并控制被选择外设的红外定位器关闭要求时间，从而实现对各个外设的区分的设计。

图1是根据本发明空间定位系统的一个实施例的方框原理图。图中实线表示有线连接，虚线表示无线连接。

根据图1所示，用于进行空间定位的外设包括头盔200、左手柄300和右手柄400，除此之外，该空间定位系统还包括主机100和摄像装置500。

该主机100可以是便携式的移动主机(BOX)，也可以是设置在固定位置的PC机，在图1所示的实施例中，主机100与摄像装置500无线通信连接，即摄像装置500以无线通信的方式将采集到的图像发送至主机100，以供主机100根据接收到的图像确定各个外设200、300、400的空间位置，进而实现对佩戴者的空间定位。

该摄像装置500包括两个摄像头或者多于两个的摄像头，各摄像头应该具有相同的当前帧速率，且同步动作，因此，摄像装置500的当前帧速率也即为各摄像头的当前帧速率。

摄像装置500的摄像头例如是红外摄像头，以提高在图像中对各个外设的辨识度。

每一用于进行空间定位的外设，即头盔200、左手柄300、右手柄400均具有红外定位器，该红外定位器可以输出能够被摄像装置500捕捉到的红外信号，以实现对对应外设的标记。

该主机100被设置为：根据摄像装置500提供的图像进行头盔200、左手柄300、右手柄400的区分，且在根据摄像装置500提供的图像无法区分各外设时，从中选择用于区分的外设，并输出使得被选择外设的红外定位器关闭的关闭指令，在此，主机100可以根据无法区分的情况选择其中一个外设或者多于一个的部分外设作为用于区分的外设。其中，该关闭指令对应的关闭时间应该被设置为：使得摄像装置500能够至少采集到一帧呈现所述被选择外设的红外定位器处于关闭状态的图像发送给主机100，该关闭时间可以根据摄像装置500的帧速率、图像采集模式、同步方式等确定，以保证在摄像装置500的任意状态下开始关闭红外定位器，都能使得摄像装置500至少采集到一帧被选择外设的红外定位器处于关闭状态的图像发送给主机100。这样，主机便可以根据该图像将被选择外设与其他外设区分开，进而达到区分所有外设的目的。

例如，在主机100根据摄像装置500提供的图像无法区分左手柄300和右手柄400时，可选择左手柄300或者右手柄400作为用于区分的外设，以达到区分二者的目的。以选择左手柄300作为用于区分的外设为例，主机100将输出使得左手柄300的红外定位器关闭的关闭指令，左手柄300在接收到该关闭指令后会关闭自身的红外定位器达到要求的关闭时间，因此，摄像装置500将能够至少采集到一帧呈现左手柄300的红外定时器处于关闭状态、且右手柄400的红外定时器处于打开状态的图像发送给主机100，这样，主机便可根据这些图像将左手柄300与有手柄400区分开。

在图1所示的实施例中，主机100仅通过USB数据线与头盔200通信连接，头盔200具有无线通信模块210，且头盔200通过无线通信模块210与其他外设，即左手柄300和右手柄400无线通信连接。这样，在以上的主机100输出使得左手柄300的红外定时器关闭的关闭指令的实施例中，该关闭指令将通过USB数据线发送至头盔200，并经由头盔200无线发送至左手柄300进行左手柄300的红外定时器的控制。该种结构的优点在于兼容性强，能够方便挂接更多外设。

在另外的实施例中，主机100具有无线通信模块，主机100直接与各个外设无线通信连接。

在图1所示的实施例中，如果主机100根据摄像装置500提供的图像无法区分左手柄300和头盔100，且选择头盔100作为用于区分的外设，则主机100直接通过USB数据线将对应的关闭指令发送至头盔100即可。

图3是关闭指令在该种传输模式下的时序图。

图3示出了在主机200输出对应左手柄300的关闭指令时，摄像装置500可能处在的所有四种曝光时序。

以下是对图3中各标记的解释说明：

信号S1：对应左手柄300的关闭指令。

时间ET：摄像装置500的CMOS完成一次曝光的时间。

时间T1：主机100通过USB数据线发送关闭指令至头盔200接收到该关闭指令的时间。

时间T2：头盔200发送关闭指令至左手柄300接收到该关闭指令的时间。

时间T3：左手柄300关闭自身的红外定位器的关闭时间。

时间T4：时序1下左手柄300关闭自身的红外定时器至摄像装置500的CMOS针对关闭状态完成第一次曝光的时间。

时间T5：时序2下左手柄300关闭自身的红外定时器至摄像装置500的CMOS针对关闭状态完成第一次曝光的时间。

时间T6：时序3下左手柄300关闭自身的红外定时器至摄像装置500的CMOS针对关闭状态完成第一次曝光的时间。

时间T7：时序4下左手柄300关闭自身的红外定时器至摄像装置500的CMOS针对关闭状态完成第一次曝光的时间。

摄像装置的图像采集过程包括两个部分，第一部分是曝光，第二部分是输出，即从CMOS的寄存器中读出数据并传送出去。对此，摄像装置对于图像采集具有两种模式，一种模式是非重叠模式，即在每个图像采集的周期中，摄像装置在下一个图像采集开始前要完成曝光和输出的整个过程；另一种模式是重叠模式，即允许下一帧图像开始曝光的时候，进行前一帧图像的输出。图3示出了非重叠模式下的一种实施例。

在图3中的Vsync为垂直同步信号，用来指示一帧数据的开始，垂直同步信号Vsync的一个周期对应一帧数据的输出，该输出过程具体是在垂直同步信号Vsync的每个周期的低电平期间进行。

根据图3可知，时序1对应在左手柄300的红外定位器开始关闭时，摄像装置500处于正在进行当前帧的输出，且未开始进行下一帧曝光的状态；时序2对应左手柄300的红外定位器开始关闭时，摄像装置500处于正在进行当前帧的曝光的状态，由于当前帧无法清晰呈现左手柄300的红外定位器处于关闭状态，因此，时序2下针对关闭状态完成的第一次曝光为下一次曝光；时序3对应在左手柄300的红外定位器开始关闭时，摄像装置500处于正要进行当前帧的输出的状态；时序4对应在左手柄300的红外定位器开始关闭时，摄像装置500处于正要进行下一帧的曝光的状态。由此可见，上述时间T4、T5、T6、T7中，时间T5最长，大于单帧周期，且小于单帧周期与曝光时间ET之和，其中，单帧周期设定为等于摄像装置500的帧速率的倒数；时间T7最短，且等于摄像装置500的曝光时间ET，基本可以忽略不计。

因此，如果要使得摄像装置500在任何情况下都能够至少采集到一帧呈现左手柄300的红外定时器处于关闭状态的图像发送至主机100，则关闭时间T3应该大于或者等于上述时间T5，而且可以在满足要求的前提下尽可能的缩短该关闭时间T3，以避免因延迟造成眩晕，因此，在图3所示的实施例中，将关闭时间T3设置为等于2倍的单帧周期，对于120fps的帧速率，该关闭时间即为16.667ms。

在此，将关闭时间T3设置为等于2倍的单帧周期可以适用于各种不同的图像采集模式，而且还具有很小的时间延迟，保证空间定位的准确性和实时性。

对于120fps帧速率，在图3所示的实施例中，从发送关闭指令到拍摄到左手柄的红外定位器关闭的图像的时间T的最大值对应时序2的情况，将略大于11.33ms；从发送关闭指令到拍摄到左手柄的红外定位器关闭的图像的时间T的最小值对应时序4的情况，将略大于3ms；其中，时间T1取决于USB HID协议传输的传输速率，最小值为1ms，时间T2取决于无线发送和接收的传输速率，取值在2ms～3.5ms。

由此可见，本发明空间定位系统能够将时间T的最大值控制在非常小的范围内，可以保证空间定位的准确性和实时性。

在本发明的一个具体实施例中，摄像装置500可以具有固定的帧速率，因此，关闭时间可以设置为固定值。

在本发明的另一个具体实施例中，摄像装置500可以具有变化的帧速率，为此，主机100可以根据接收到的图像的帧速率确定摄像装置500的当前帧速率，并根据确定的摄像装置500的当前帧速率调整设定的关闭时间。

在本发明的一个具体实施例中，为了方便将外设设置为用于定位的外设，可设置虚拟现实设备的各个外设的本体均具有OTG功能，且具有OTG接口，这样，只需将红外定位器与外设的本体通过OTG接口通信连接在一起，便形成了用于定位的外设。

在此基础上，可将头盔200的无线通信模块210集成在头盔200的红外定位器中，以使无线通信模块210也通过OTG接口与头盔200的本体通信连接，这使得本发明的技术方案能够适配各种具有OTG功能的头盔200的本体和主机100，包括不具备无线通信能力的头盔200的本体和主机100，只需插上红外定位器即可在结构上支持该种方案的实施。

图2是根据本发明空间定位系统的另一种实施例的方框原理图。图中实线仍然表示有线连接，虚线仍然表示无线连接。

根据图2所示，图2所示实施例与图1所示实施例之间的主要区别在于，主机100与摄像装置500之间进行有线连接，该种结构更适合主机100为固定的PC机的情况。

另外，本发明还提供了一种具有上述空间定位系统的虚拟现实设备。该虚拟现实设备的头盔200还应该包括显示装置和镜头装置，还可以包括接口装置、通信装置、扬声器、麦克风、各种传感器等。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分相互参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，但本领域技术人员应当清楚的是，上述各实施例可以根据需要单独使用或者相互结合使用。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。