超宽带定位的虚拟现实系统及实现位置和方向的定位方法与流程

文档序号:26101106发布日期:2021-07-30 18:12阅读:388来源:国知局
超宽带定位的虚拟现实系统及实现位置和方向的定位方法与流程

本发明属于虚拟现实和uwb定位技术领域,特别提出一种超宽带定位的虚拟现实系统及实现位置和方向的定位方法。



背景技术:

虚拟现实系统(virtualrealitysystem,简称vr;又译作灵境、幻真)是近年来出现的图形图像领域的高新技术,也被称为灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界,提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟,让使用者如同身历其境一般,可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。除了虚拟现实概念外,还有一些类似的视觉场景,如:增强现实(augmentedreality,ar)、混合现实(mixedreality,mr)、扩展现实(extrendedreality,xr)等。其中,增强现实技术ar是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像、视频、3d模型的技术,这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。混合现实技术mr,即包括增强现实和增强虚拟,它是虚拟现实技术的进一步发展,该技术通过在虚拟环境中引入现实场景信息,在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路,以增强用户体验的真实感。扩展现实xr是一个术语,通过计算机技术和可穿戴设备产生一个真实与虚拟组合的,可人机交互的环境。扩展包括虚拟现实vr、增强现实ar、混合现实mr等多种形式。换句话说,为了避免概念混淆,xr其实是一个总称,包括了vr、ar、mr。

虚拟现实系统(vr),又称虚拟现实平台,即(virtualrealityplatform,简称vr-platform或vrp),其一般情况下包括三个部分的设备,即:1)头戴式显示设备hmd、2)vr主机设备、3)追踪系统。其中,头戴式显示设备hmd是一种硬件设备,一般为头戴式硬件装置及安装在适当位置的显示屏,显示屏位于用户眼前,让用户看到ar或vr效果。vr主机设备是指为hmd提供实现各种功能的设备,由虚拟环境数据库、图像处理器、操作系统组成的,比如采用智能手机、pc等智能终端,一般放置在实现vr的空间环境中。追踪系统一般作为hmd的外设或被整合到头戴式显示设备hmd中,一般包括加速传感器、陀螺仪和磁力计。虚拟现实系统(vr)还可以包括4)vr手持设备,主要为可佩戴在用户手上的控制器,通过它可以让用户追踪自己的动作和手势。

按照《虚拟现实头戴式显示设备通用规范》中分类方法,虚拟现实头戴式显示设备hmd主要可以分为三类,即:外接式虚拟现实头戴式显示设备、一体式虚拟现实头戴式显示设备和外壳式虚拟现实头戴式显示设备。外接式虚拟现实头戴式显示设备需要与外部主机相连接,本身不包含主要计算能力,仅包含显示系统与传感系统的头戴式显示设备。一体式虚拟现实头戴式显示设备将显示、传感、计算等系统集成在一体的头戴式设备。其中,计算单元和传感单元可以不安装在头戴式设备上,而是通过有线或无线与安装在头戴式设备的显示部件连接。外壳式虚拟现实头戴式显示设备本身不具有显示和计算系统,是仅具有光学系统及可选的传感系统的头戴式装置,该装置通过与智能移动通信终端等智能终端结合实现完整的头戴式显示功能。

现有的虚拟现实系统存在视觉场景稳定性的问题,比如:由于虚拟现实系统的追踪系统使用定位技术的定位精度不够,导致主机依据其定位结果推送的画面不稳定,即:使用虚拟现实系统的用户视觉场景不稳定,使得用户戴着虚拟现实眼镜久了会产生眩晕感。

超宽带(ultrawideband,uwb)技术是一种无线载波通信技术,它不采用正弦载波,而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据,因此其所占的频谱范围很宽。uwb技术具有系统复杂度低,发射信号功率谱密度低,抗干扰性强,安全性高,定位精度高等优点,尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入。uwb定位技术的实现是采用存储有各种定位算法的定位数据处理模块或设备、uwb定位锚点和uwb定位标签来实现uwb定位标签的精确位置定位”。基于uwb定位技术的实时定位系统,其定位时延为2ms左右,理论上可以以频率500hz的频率来更新定位数据,其刷新频率远远优于目前vr产业联盟规范《t/ivra0001-2017》中不小于60hz位置跟踪系统的采样频率要求。uwb定位技术中可以使用很多无线定位算法,比较常见的定位算法有tof测距算法、tdoa定位算法、aoa定位算法以及pdoa定位算法。

根据不同的定位算法所需要的定位数据内容不尽相同。除共同需要的定位锚点坐标数据及定位标签的标识信息外,若是tof定位算法,则该定位数据还包括定位发起方发送定位消息的时间数据和接收定位反馈消息的时间数据,以及被定位方接收定位消息的时间数据和发送定位反馈消息的时间数据;若是tdoa定位算法的话,则该定位数据还包括每个参与定位的uwb定位锚点坐标数据、uwb定位广播信号到达各个uwb定位锚点的绝对时间数据;若是aoa定位算法,则该定位数据包括uwb定位锚点天线1和天线2的位置坐标数据,uwb定位锚点天线1和天线2上分别检测到接收定位广播消息的两个到达角角度数据;若是pdoa定位算法,该定位数据还包括uwb定位锚点上两个天线的间隔距离数据,uwb定位标签上发送的无线信号到达该uwb定位锚点两个天线的相位数据,定位发起方发送定位消息的时间数据和接收定位反馈消息的时间数据,以及定位被动方接收定位消息的时间数据和发送定位反馈消息的时间数据。

其中,tof定位是基于无线信号在空中飞行的时间来计算两者之间距离的测距算法,也叫飞行时间测距法,测距技术分为双向测距技术和单向测距技术。其测距公式如下:

上述算法公式中,d代表信号发送端到信号接收端两点之间的距离,tround代表tof定位发起方的发送信号到接收信号之间时间间隔,treply代表tof定位被动方在接收到定位信号到发送反馈定位信号之间时间间隔,如接收信号后没有延时立即发送,则treply=0,c代表光速。

tdoa定位是一种利用时间差进行定位的方法。该定位算法是通过测量uwb定位标签定位广播信号到达已经完全时钟同步的uwb定位锚点的时间,可以计算到达不同uwb定位锚点的时间差来确定信号源(uwb定位标签)的距离。利用信号源到各个uwb定位锚点的距离(以uwb定位锚点为中心,距离为半径作圆),就能确定信号源的位置。但是绝对时间一般比较难测量,通过比较信号到达各个uwb定位锚点的绝对时间差,就能作出以uwb定位锚点为焦点,距离差为长轴的双曲线,双曲线的交点就是信号源的位置,即通过计算tdoa计算公式计算即可得到未知目标uwb定位标签的坐标。在三个uwb定位锚点情况下,tdoa的计算公式如下:

上述算法公式中,uwb定位锚点1的坐标是(x1,y1),uwb定位锚点2的坐标是(x2,y2),uwb定位锚点3的坐标是(x3,y3),待定位uwb定位标签的坐标是(xm,ym),uwb定位锚点1和uwb定位锚点2接收uwb定位标签发送定位广播信号的时间差是ti2,uwb定位锚点1和uwb定位锚点3接收uwb定位标签发送定位广播信号的时间差是t13,uwb定位锚点2和uwb定位锚点3接收uwb定位标签发送定位广播信号的时间差是t23,c代表光速。

aoa定位算法是到达角度测距定位算法,其是一种典型的基于测距的定位算法,通过uwb定位锚点感知uwb定位标签发射信号的到达方向,计算uwb定位标签和uwb定位锚点之间的相对方位或角度,然后再利用三角测量法或其他方式计算出未知uwb定位标签的位置。在单个已知两个接收天线位置坐标的uwb定位锚点情况下,aoa定位算法的公式如下:

以上算法公式中,该uwb定位锚点天线1的坐标是(x1,y1),该uwb定位锚点天线2的坐标是(x2,y2),待定位uwb定位标签的坐标是(xm,ym),uwb定位锚点天线1的到达角为α1,uwb定位锚点天线2的到达角为α2。

pdoa是信号到达相位差测距算法,通过两根接收天线来测量相位差,将该相位差转换成时间差求出未知节点的位置。uwb定位锚点上放置两个相同且间隔距离d<λ/2的天线(λ表示无线信号的波长),uwb定位标签上的信号到达两个天线的相位差就在-180°到180°范围内。利用测得的相位差换算成距离差p,利用飞行时间得到uwb定位标签和uwb定位锚点距离r,最后得到uwb定位标签坐标如下:

目前有一些利用uwb定位技术来解决vr系统的追踪系统定位问题,比如专利申请号为201610474511.6的《基于超宽带定位的vr定位追踪系统及其定位追踪方法》,其公开的定位系统如图1所示,包含三个以上超宽带定位基站(或称uwb定位锚点),还包括vr基础设备,超宽带定位模块,定位引擎和vr基础运行时;所述的超宽带定位基站包括基站编码id生成单元、时间同步单元、数据处理单元、超宽带(uwb)收发机、高精度时钟,天线和网络数据传输单元;所述的vr基础设备包括显示屏、处理器、方向传感器、vr与vr手持控制器连接线、电池、镜片和超宽带(uwb)定位模块;所述的超宽带(uwb)定位模块(或称uwb定位标签)包括天线、超宽带(uwb)发送机和高精度时钟;所述的超宽带(uwb)定位模块包括图像处理单元、定位引擎和图像传输单元。该专利中对vr基础设备的追踪方法包括以下步骤:

步骤一:各个超宽带定位基站通过时间同步单元进行无线或有线时钟同步:使各定位基站之间保持时钟同步;

步骤二:vr基础设备控制超宽带定位模块向超宽带定位基站发送进行定位的广播信息:vr基础设备控制超宽带定位模块按照一定规律交错式等固定间隔的向超宽带定位基站发送包含基站编码id信息的广播信号;

步骤三:超宽带定位基站接收定位信息:超宽带定位基站接收到定位的广播信息,通过高精度时钟提供高精度的超宽带的接收时间戳,超宽带(uwb)收发机将所述接收时间戳信息以及所述广播信息发送给数据处理单元获得基站编码id信息,并将所述接收时间戳以及所述基站编码id信息传递给vr运行时;

步骤四:定位引擎首先将接收到的接收时间戳信息,以此计算超宽带定位模块到超宽带定位基站的时间戳差值,也即tdoa(到达时间差)测量值,利用到达时间差即可解算出超宽带定位模块的具体坐标;

步骤五:vr基础运行时将图像信息传输给vr基础设备:vr基础运行时获取vr基础设备位置信息后,依据所述位置信息对vr场景与图片通过处理器进行处理,然后将图像信息通过vr与vr手持控制器连接线传输给所述vr基础设备,所述处理器,用于处理方向传感器采集的数据,接收vr与vr手持控制器连接线的数据并控制显示屏显示画面;所述方向传感器,用于采集用户方向,所述vr与vr手持控制器连接线,用于提供图像数据的传输接口,提供控制信息的传输。

基于以上该现有技术内容的描述,该追踪方法中超宽带定位模块只完成位置定位的功能,该位置的方向确定是由方向传感器来完成。其中所说的“方向传感器”也叫方向感应器,其是通过测量内部一片重物(重物和压电片做成一体)重力正交两个方向的分力大小,来判定水平方向。用于确定方向的“方向传感器”一般现在都是指陀螺仪或其他能帮助识别方向的仪器,这些仪器在使用之前或在使用之中都需要校准,以确定其初始方向或校正其使用中定位累计的偏差,并且每次使用时都需要进行该校准步骤,影响到使用者的体验感受。另外,目前的方向传感器,如:陀螺仪、加速传感器或磁力计等,在使用过程中都存在累计误差问题,即:在长期使用后,其方向判断结果误差较大,影响到虚拟画面真实感,使得用户长期使用出现眩晕感。上述提到的现有专利《基于超宽带定位的vr定位追踪系统及其定位追踪方法》中的方法因也采用了方向传感器,故也无法解决该方向传感器在方向判断结果上累计误差的问题,长期使用后会影响虚拟现实用户的使用效果,产生眩晕感。

例如,在现有的vr应用场景中,单用户虚拟现实的视觉场景如图2a和图2b所示,当戴有头戴式显示设备hmd的用户从初始位置a原地旋转到目标位置b后,如图2a所示,其看到的虚拟现实视觉场景因为在移动过程中方向传感器累积起来一定的误差,会造成虚拟现实视觉场景中静止的虚拟物件会从位置a’产生一定偏移到位置b’,如图2b所示,使得该用户感受到的位移跟虚拟现实视觉场景中静止的物件产生非预期的移动是不一致的,造成视觉眩晕的一种感受。

又如,在现有的vr应用场景中,多用户虚拟现实的视觉场景如图3a和图3b所示,戴有头戴式显示设备hmd的用户a和用户b的位置和方向传感器是独立的,如图3a所示,在使用一段时间后它们之间会累积起一定的方向误差,从而导致用户a在虚拟现实视觉场景中看到的某物体在a’位置,而用户b在虚拟现实视觉场景中看到的同一个物体在b’位置,如图3b所示,使得不同用户之间感受到同一个物体的位置存在不一致的情况,影响到虚拟现实多用户场景的互动操作感受,也使得该情况下无法实现不同用户之间的互动,也即无法实现多人互动虚拟场景游戏等需要多人互动的相关vr应用。

由于目前方向传感器在使用中方向定位存在累计误差问题,从而导致在使用中需要增加校准步骤来解决方向定位累计误差问题,而校准步骤会影响使用者的体验效果,使得采用方向传感器的虚拟现实系统推广方面产生一定的困难。



技术实现要素:

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处,提出一种超宽带定位的虚拟现实系统及实现位置和方向的方法,使用本发明具有更稳定的虚拟现实视觉场景,从而避免长时间佩戴现有虚拟现实系统中虚拟现实vr头戴式显示设备的用户产生眩晕感的效果,以及避免多用户在虚拟现实系统中互操作感受不一致的情况。

本发明提出的一种超宽带定位的虚拟现实系统,其特征在于,该系统包括:一个或一个以上可移动显示设备、一个虚拟图像处理设备、一个定位数据处理设备、一个或一个以上事先位置固定的uwb定位锚点和一组或一组以上移动的uwb定位标签;所述一组uwb定位标签包括两个或两个以上的uwb定位标签;其中,可移动显示设备与虚拟图像处理设备直接通过有线连接;虚拟图像处理设备与定位数据处理设备直接通过有线连接;在每个可移动显示设备上的不同空间方位上安置一组uwb定位标签,该组的每个uwb定位标签与虚拟图像处理设备直接或间接通过有线连接,与定位数据处理设备直接或间接通过有线连接;该uwb定位锚点与定位数据处理设备直接通过有线连接,每个uwb定位标签与uwb定位锚点中均安装有天线,每个uwb定位标签与uwb定位锚点直接通过天线无线连接;一组uwb定位标签与该可移动显示设备上定位目标的相对位置固定。

本发明提出的一种基于上述系统的实现位置和方向的定位方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:

step1:启动超宽带定位的虚拟现实系统,并保证该系统内时钟同步;该时钟同步过程是通过系统中uwb定位标签和uwb定位锚点中时钟同步客户端模块和虚拟图像处理设备的时钟同步服务端模块之间按照网络同步协议或精密时钟同步协议完成交互并实现时钟同步处理;

step2:每个uwb定位标签基于选定的定位算法周期发送定位广播消息或跟uwb定位锚点进行定位消息交互,该定位消息包括定位锚点坐标数据及每个定位标签的标识信息及该定位算法所需其它定位数据;uwb定位锚点获取所需信息,并将该信息发送给定位数据处理设备进行定位计算;在同一个定位时间周期内定位数据处理设备实时定位出可移动显示设备上一组uwb定位标签的准确位置坐标,并根据空间数据计算出可移动显示设备上定位目标的位置和方向的定位结果。

step3:该定位数据处理设备实时将该可移动显示设备位置和方向定位结果发送给虚拟图像处理设备,虚拟图像处理设备基于收到的该可移动显示设备位置和方向定位结果数据以及虚拟现实空间坐标体系实时向该可移动显示设备发送准确匹配的虚拟画面数据。

step4:该可移动显示设备收到虚拟图像处理设备发送的虚拟画面数据后并投影到可移动显示设备的显示屏上。

step5:按照设定的刷新频率重复step2~4中的处理直至虚拟现实系统关闭,使得在随意时刻可移动显示设备实时获得虚拟画面能准确反映可移动显示设备实时的移动状态所对应视觉场景。

本发明的特点及有益效果如下:

1、本发明的虚拟现实系统中无需配置传统vr系统中的方向传感器及追踪系统,结构简单,只是在移动显示设备或控制器上设置多个uwb定位标签,即能更准确实现移动显示设备或控制器上定位目标的位置及方向的定位,使定位目标的位置和方向与虚拟画面图像匹配更准确,即:使虚拟现实的视觉场景固定,不因为vr头戴式显示设备的移动而造成视觉场景变动,从而不需要现有虚拟现实vr系统中方向传感器及追踪系统,而且效果更佳;

2、本发明的方法能省去现有虚拟现实系统中方向传感器位置校准的步骤,有助于提高虚拟现实vr使用中的体验满意度;

3、本发明的uwb定位方法无累积误差,故能在无实时校准情况下多用户虚拟现实vr场景和互动场景中实时保持各自虚拟现实vr视觉场景方向和位置的一致性,保证多用户虚拟现实vr场景的交互体验效果一致。

4、本发明的基于uwb定位技术,其定位频率比方向传感器定位频率要高一些,可以更快地刷新虚拟现实vr画面,使得虚拟现实vr用户虚拟画面播放的体验更流畅。

附图说明

图1是《基于超宽带定位的vr定位追踪系统及其定位追踪方法》专利中定位追踪系统整体框图;

图2a和图2b是现有技术的单用户虚拟现实视觉场景示意图;

图3a和图3b是现有技术的多用户虚拟现实视觉场景示意图;

图4是本发明第一种虚拟现实系统和实现方法的虚拟现实系统组成图;

图5是本发明第一种实现方法完整的流程框图;

图6是本发明实施例1的虚拟现实系统组成图;

图7是本发明实施例1中单用户虚拟现实环境场景示意图;

图8是本发明实施例1的虚拟现实环境场景视觉场景示意图;

图9是本发明实施例2的虚拟现实系统组成图;

图10是本发明实施例2中单用户虚拟现实环境场景示意图;

图11是本发明实施例2的虚拟现实环境场景视觉场景示意图;

图12是本发明实施例3的虚拟现实系统组成图;

图13是本发明实施例3的多用户虚拟现实环境场景示意图。

具体实施方式

本发明提出的一种超宽带定位的虚拟现实系统及实现位置和方向的定位方法结合附图及具体实现方式说明如下:

本发明提出的第一种超宽带定位的虚拟现实系统,如图4所示,该虚拟现实vr系统的组成包括:一个或一个以上可移动显示设备,一个虚拟图像处理设备,一个定位数据处理设备、一个或一个以上事先位置固定的uwb定位锚点和一组或一组以上移动的uwb定位标签。其中,一组uwb定位标签包括两个或两个以上的uwb定位标签。

其中,可移动显示设备与虚拟图像处理设备直接通过有线连接;虚拟图像处理设备与定位数据处理设备直接通过有线连接;在每个可移动显示设备上的不同空间方位上安置一组uwb定位标签,该组的每个uwb定位标签与虚拟图像处理设备直接或间接通过有线连接,与定位数据处理设备直接或间接通过有线连接;该uwb定位锚点与定位数据处理设备直接通过有线连接,每个uwb定位标签与uwb定位锚点中均安装有天线,每个uwb定位标签与uwb定位锚点直接通过天线无线连接;一组uwb定位标签与该可移动显示设备上定位目标的相对位置固定。

该vr系统各个组成部分具体功能和模块组成说明如下:

uwb定位锚点是一个能发送或接收携带基于选定的定位算法所需对应定位消息的无线通信服务设备,与uwb定位标签配合完成对可移动显示设备的定位目标位置和方向的定位,主要由一个定位通信基站模块、一个无线收发机模块、一个天线模块、一个时钟同步客户端模块、一个电源模块以及一个或多个有线通信接口等组成。

uwb定位标签是一个无线通信终端设备,其能发送或接收携带基于特选定的定位算法所需定位相关信息的定位消息。本发明系统中一组uwb定位标签是设置在一个可移动显示设备的两个或多个uwb定位标签(本虚拟现实系统中有多少可移动显示设备则就有多少组uwb定位标签)。每组uwb定位标签与所有uwb定位锚点配合完成对可移动显示设备上定位目标的定位。主要由一个定位通信终端模块、一个无线收发机模块、一个天线模块、一个时钟同步客户端模块、一个电源模块以及一个有线通信接口等器件组成。

可移动显示设备是一个将接收到的虚拟图像在显示屏上进行显示的输出设备。其主要由一个包括作为定位目标的显示屏、透镜等的图像输出模块、一个收发虚拟现实数据的通信模块、一个电源模块和一个或多个通信接口组成。它用于将接收到的虚拟图像在其显示屏上进行显示并将显示屏固定在使用者眼睛前方输出虚拟图像。

虚拟图像处理设备是一个基于uwb定位标签和uwb定位锚点得到定位目标的位置和方向的定位结果来匹配虚拟环境坐标系,并生成以该定位结果对应位置的虚拟环境图像的设备。其主要由一个能基于位置和方向定位结果进行虚拟图像处理的虚拟图像处理模块、一个虚拟环境数据库模块、一个收发数据的uwb通信模块、一个时钟同步服务端模块、一个电源模块和一个或多个通信接口等部分组成。可采用包括具有uwb模块的智能手机/电脑主机等智能终端设备实现。

上述各部件的组成及功能与已知的基于超宽带定位的vr系统基本相同。

本发明的定位数据处理设备基于接收到来自uwb定位锚点或uwb定位标签的定位数据并基于定位算法计算公式实时计算出某组内每个uwb定位标签的位置,再通过该组uwb定位标签对可移动显示设备上定位目标预先配置的两者位置相对固定的空间数据计算出可移动显示设备的定位目标的位置和方向的定位结果,并能将该定位结果发送给虚拟图像处理设备。该处的空间数据是指可移动显示设备的编号标识信息和uwb定位标签与可移动显示设备相对位置的编号标识信息,或,两个编号标识信息合并成的一个编号标识信息。定位数据处理设备主要由一个存储有无线定位算法的存储模块、一个预先存储有空间数据的数据库模块、一个定位数据处理模块、一个通信模块、一个电源模块和一个或多个通信接口等部分组成。该存储模块中所存储的定位算法可包括tof定位算法、tdoa定位算法、aoa定位算法以及pdoa定位算法等室内定位算法中的任一种或多种。

本发明中的虚拟现实系统组成部分可以通过不同组合集成方式来形成最终不同的vr系统实施例形态,比如:可移动显示设备和其对应某组uwb定位标签中每个uwb定位标签可以集成在一个设备里面,虚拟图像处理设备和定位数据处理设备可以集成在一个设备里面。

本发明上述第一种虚拟系统实现位置和方向的定位方法整体流程如图5所示,包括以下详细步骤:

step1:启动超宽带定位的虚拟现实系统,并保证该系统内时钟同步;该时钟同步过程是通过系统中uwb定位标签和uwb定位锚点中时钟同步客户端模块和虚拟图像处理设备的时钟同步服务端模块之间按照网络同步协议(ntp)或ieee1588精密时钟同步协议等现有时钟同步技术完成交互并实现时钟同步处理;

step2:每个uwb定位标签基于选定的定位算法周期发送定位广播消息或跟uwb定位锚点进行定位消息交互,该定位消息包括定位锚点坐标数据及每个定位标签的标识信息及该定位算法所需其它定位数据;uwb定位锚点获取所需信息,并将该信息发送给定位数据处理设备进行定位计算;在同一个定位时间周期内定位数据处理设备实时定位出可移动显示设备上一组uwb定位标签的准确位置坐标,并根据空间数据计算出可移动显示设备上定位目标的位置和方向的定位结果;(由于uwb定位标签标识信息包括对应可移动显示设备的编号和每个定位标签的位置编号,且该位置编号代表了每个定位标签与可移动显示设备上的定位目标(显示屏)在空间上相对固定位置的空间数据,因此通过该组uwb定位标签实时位置坐标即可实时确定可移动显示设备上定位目标(显示屏)的坐标和定位目标(显示屏)朝向)。

该步骤选定的定位算法可以包括tdoa、aoa以及pdoa等定位算法。

step3:该定位数据处理设备实时将该可移动显示设备位置和方向定位结果发送给虚拟图像处理设备,虚拟图像处理设备基于收到的该可移动显示设备位置和方向定位结果数据以及虚拟现实空间坐标体系实时向该可移动显示设备发送准确匹配的虚拟画面数据。

step4:该可移动显示设备收到虚拟图像处理设备发送的虚拟画面数据后并投影到可移动显示设备的显示屏上。

step5:按照设定的刷新频率重复step2~4中的处理直至虚拟现实系统关闭,使得在随意时刻可移动显示设备实时获得虚拟画面能准确反映可移动显示设备实时的移动状态所对应视觉场景。

上述方法能给使用该虚拟现实系统的用户带来身临其境的虚拟现实空间视觉感知效果。

本发明具有的有益效果如下:

1、本发明在可移动显示设备上设置多个uwb定位标签使得能更准确实现可移动显示设备的位置和其显示屏方向匹配更准确的虚拟画面图像,即:虚拟现实的视觉场景可以固定下来,不因为可移动显示设备的移动而变动;

2、本发明代替原有虚拟现实系统中位置传感器和方向传感器的,克服了虚拟现实的眩晕感问题;

3、本发明没有累计误差的问题,从而无需校准步骤;

4、本发明基于uwb的定位频率比方向传感器定位频率要更高一些的特点,可以更快地刷新vr画面,使得虚拟现实的虚拟画面播放体验更流畅。

本发明提出的第二种基于uwb定位的虚拟现实系统及实现方法,该系统组成包括了第一种系统的全部组成,在此基础之上,还包括一组或多组控制器。其中,一组控制器可以包括一个或一个以上的控制器,通过控制器的位置变化以及指令的操作来反馈到虚拟现实世界中,实现交互等动作;该一组控制器跟一个可移动显示设备成套出现,每个控制器直接跟虚拟图像处理设备有线连接,每个控制器上安装一组uwb定位标签,该组uwb定位标签包括一个或一个以上uwb定位标签,并且该控制器跟这些uwb定位标签有线直接连接。

上述第二种系统与第一种系统增加的设备的功能介绍如下:

控制器是用于虚拟现实系统追踪虚拟现实用户的动作和手势或身体姿态的手持或穿戴设备,如:虚拟现实数据控制器手套、虚拟现实三维控制器鼠标、虚拟现实控制器戒指等,通过控制器的位置变化以及指令的操作来反馈到虚拟现实世界中,实现交互等动作。该控制器主要由一个控制输入模块、一个控制处理模块、一个控制输出模块、一个电源模块以及一个通信接口等器件组成。该一组控制器跟一个可移动显示设备成套出现,在该可移动显示设备中控制器根据应用场景的不同可以是一个或多个。该控制器直接跟虚拟图像处理设备有线连接,并在每个控制器上安装一组uwb定位标签,该组uwb定位标签包括一个或一个以上uwb定位标签,并且该控制器跟这些uwb定位标签有线连接。

另外上述系统的虚拟图像处理设备和定位数据处理设备还可以是多个。

多个虚拟图像处理设备分别对应多个可移动显示设备,即:每个可移动显示设备绑定一个虚拟图像处理设备,每个虚拟图像处理设备仅仅处理对应的可移动显示设备相关虚拟图像的处理。该单个虚拟图像处理设备的功能和组成模块跟第一种系统中虚拟图像处理设备的功能和组成模块一样。

多个定位数据处理设备也对应多个可移动显示设备,即:每个可移动显示设备绑定一个定位数据处理设备,每个定位数据处理设备仅仅处理对应的可移动显示设备相关定位数据的处理,多个定位数据处理设备都需要跟系统中的一个或多个uwb定位锚点通过有线连接,并从这些uwb定位锚点上获取对应可移动显示设备相关定位数据。该单个定位数据处理设备的功能和组成模块跟第一种系统中定位数据处理设备的功能和组成模块一样。

本发明第二种超宽带定位的虚拟现实系统中的这些组成部分可以通过不同组合集成方式来形成最终不同的虚拟现实系统实施形态,比如:在第一种基于uwb定位的虚拟现实系统已有集成组合方式基础上,还可以将某一个可移动显示设备、及该可移动显示设备对应的某个虚拟图像处理设备、某个定位数据处理设备和某一组uwb定位标签全部集成在一个设备里面,如果系统中有多个可移动显示设备,则会对应有相应数量的该集成设备,并还可以将控制器跟对应一组uwb定位标签集成在一个设备里面。

上述第二种虚拟系统的实现位置和方向的定位方法在第一种实现方法基础上有以下的不同:

所述step1还包在每组控制器中每个控制器上安装的一组uwb定位标签跟虚拟图像处理设备进行时钟同步;

所述step2还包括预先对控制器上的一组uwb定位标签与控制器相对位置进行对应位置编号,通过该组多个uwb定位标签的相对位置和对应位置编号得到的定位结果来定位出控制器的姿态,包括位置和方向定位结果,并通过该姿态映射到虚拟现实视觉场景中,实现虚拟现实跟预期一致的逼真视觉感受。

所述step3还包括控制器的位置和方向定位结果也发给虚拟图像处理设备,虚拟图像处理设备基于收到的该控制器位置和方向定位结果数据以及虚拟现实空间坐标体系实时向该可移动显示设备发送准确匹配的虚拟画面数据,另外输入到控制器上的控制指令也经过控制器处理后通过有线连接发送给虚拟图像处理设备,虚拟图像处理设备根据收到的控制指令生成对应操作的虚拟图像数据发送给可移动显示设备;

所述step4还包括可移动虚拟显示设备收到控制器对应准确匹配的虚拟画面数据和基于控制发出的控制指令生成对应操作的虚拟图像后,并投影到可移动显示设备的显示屏上。

step5:跟第一种实现方法步骤5一样。

该实现方法在第一种实现方法基础上新增以下的效果:

在控制器上设置一组uwb定位标签,使得能更准确实现定位控制器的位置和方向,并结合现有技术中该控制器发出指令也可以在虚拟现实中形成对应的虚拟效果,从而实现更准确的匹配虚拟画面图像和更逼真互动操作效果,在多用户虚拟实现场景下也能一样使用。

在以上两种基于uwb定位的虚拟现实系统和实现方法基础上,本发明通过以下3个实施例来具体说明本发明系统和实现方法,以下各种实施例用于举例说明本发明内容,但不用来限制本发明的保护范围。

实施例1是一种单用户场景的虚拟现实系统和实现方法,结合附图及具体说明系统及实现方法描述如下:本实施例1的vr系统组成如图6所示,包括:一个可移动显示设备、一个虚拟图像处理设备、一个定位数据处理设备、三个uwb定位锚点、四个uwb定位标签。其中,四个uwb定位标签与可移动显示设备相连且相对位置固定,三个uwb定位锚点位置固定且对应位置坐标已知。

其中,可移动显示设备与虚拟图像处理设备直接通过有线通信接口连接,每个uwb定位锚点与定位数据处理设备直接通过有线通信接口连接,定位数据处理设备与虚拟图像处理设备通过有线通信接口连接,每个uwb定位锚点与虚拟图像处理设备通过有线通信接口间接连接,每个uwb定位标签与可移动显示设备通过有线通信接口连接,每个uwb定位标签与虚拟图像处理设备通过可移动显示设备间接有线连接,每个uwb定位标签与每个uwb定位锚点通过无线通信接口连接。四个uwb定位标签分别按照可移动显示设备显示屏的前后左右方向安装在可移动显示器上并进行标识,相对不同位置的uwb定位标签事先对应到虚拟现实环境中的前后左右方向并绑定对应uwb定位标签的标识。另外,该四个uwb定位标签中每两个uwb定位标签之间的距离要求大于所使用uwb定位技术定位精度的两倍,例如:uwb定位精度为5厘米的话,其每两个uwb定位标签之间的距离就要大于10厘米。

该vr系统各个组成部分具体组成及实现功能介绍如下:

本实施例1中可移动显示设备、虚拟图像处理设备、定位数据处理设备、uwb定位锚点和uwb定位标签的组成及功能与第一种uwb定位的虚拟现实vr系统中实体组成及功能基本相同,其中存在区别的地方分别描述如下:

uwb定位锚点在第一种uwb定位的虚拟现实vr系统对应实体基础上所支持的定位算法具体为tdoa定位算法,其中的定位通信基站模块是一个确定支持tdoa定位算法处理的定位通信基站模块。

uwb定位标签在第一种uwb定位的虚拟现实vr系统对应实体基础上是一个能发送携带基于tdoa定位算法所需定位广播消息的无线通信终端设备,其中的定位通信终端模块是一个确定支持tdoa定位算法处理的定位通信终端模块。

可移动显示设备在第一种uwb定位的虚拟现实vr系统对应实体基础上具体有确定的五个有线通信接口组成,其中,一个有线通信接口跟虚拟图像处理设备连接,另外四个有线通信接口跟uwb定位标签连接。

虚拟图像处理设备在第一种uwb定位的虚拟现实vr系统对应实体基础上具体确定由跟可移动显示设备和定位数据处理设备连接的两个有线通信接口组成。

定位数据处理设备在第一种uwb定位的虚拟现实vr系统对应实体基础上将其存储的定位算法具体确定为tdoa定位算法,其支持的有线通信接口确定为四个,一个有线通信接口用于与虚拟图像处理设备连接,剩下三个有线通信接口直接跟三个uwb定位锚点连接。

本实施例虚拟场景示意如图7的所示,图中带有网格的框图代表虚拟现实环境中生成的虚拟实现图像(实际现实环境是没有的),其中实线框部分的图示是实际环境中vr系统的组成实物部分。图7中,101和101’代表可移动显示设备,111代表一个虚拟图像处理设备,121~123代表三个uwb定位锚点、124代表定位数据处理设备、131~134和331’~134’代表移动前和移动后的4个uwb定位标签u1、u2、u3、u4,141代表vr用户,151~157代表vr用户移动过程中某个位置的视觉场景,161代表vr用户移动的轨迹路线,171~175代表虚拟现实世界中实际不存在的虚拟遮挡物,181和181’代表可移动显示设备显示屏的方向(即:vr用户眼睛视觉方向)。

其中,该4个uwb定位标签预先在可移动显示设备上进行相对位置固定得到两者位置关系的空间数据,包括进行对应位置编号,即以安装在其显示屏前方、显示屏后方、显示屏左方和显示屏右方固定的4个uwb定位标签形成一个圆并均匀位于该圆周上,其前uwb定位标签u1、后uwb定位标签u2、左uwb定位标签u3、右uwb定位标签u4的坐标分别为vr_loc_front(x1,y1,z1)、vr_loc_back(x2,y2,z2)、vr_loc_left(x3,y3,z3)和vr_loc_right(x4,y4,z4),显示屏中心点u0正是该空间模型的中心位置,该关系情况下显示屏中心点坐标u0(x0,y0,z0)表达如下:

可移动显示设备上显示屏的方向可以通过从u0(x0,y0,z0)到u1(x1,y1,z1)连线方向,或,从u2(x2,y2,z2)到u1(x1,y1,z1)的连线方向来确定。

该实施例具体实现方法的实施方法步骤如下:

step1:vr系统启动后,三个uwb定位锚点121~123上时钟定位客户端模块自动周期跟虚拟图像处理设备111上时钟定位服务端模块进行时钟同步,三个uwb定位锚点121~123通过接收可移动显示设备上显示屏前、后、左、右的uwb定位标签131~134发出的定位广播消息来记录对应接收时间戳,三个uwb定位锚点将记录下来的时间戳信息发送给定位数据处理设备124,定位数据处理设备124通过计算三个uwb定位锚点121~123定位记录的uwb定位标签定位广播消息接收时间戳之间的时间差,并结合tdoa定位算法公式实时计算出可移动显示设备前、后、左、右uwb定位标签131~134对应的精确位置坐标vr_loc_front(x1,y1,z1)、vr_loc_back(x2,y2,z2)、vr_loc_left(x3,y3,z3)和vr_loc_right(x4,y4,z4);

step2:定位数据处理设备124通过计算得到可移动显示设备101前、后、左、右uwb定位标签对应的131~134的定位结果vr_loc_front(x1,y1,z1)、vr_loc_back(x2,y2,z2)、vr_loc_lef(x3,y3,z3)t和vr_loc_right(x4,y4,z4)识别出vr用户141的可移动显示设备101位置——vr_loc_front(x1,y1,z1)、vr_loc_back(x2,y2,z2)、vr_loc_left(x3,y3,z3)和vr_loc_right(x4,y4,z4)围起来的位置中点并通过前、后、左、右的uwb定位标签131~134定位结果识别出vr用户141的可移动显示设备101所面对的方向,即:前uwb定位标签131所代表的方向,即:显示屏中心点u0(x0,y0,z0)->显示屏前方uwb定位标签u1(x1,y1,z1)或显示屏后方uwb定位标签u2(x2,y2,z2)->显示屏前方uwb定位标签u1(x1,y1,z1),定位数据处理设备124将该u0坐标定位结果和可移动显示设备101方向定位结果发送给虚拟图像处理设备111,虚拟图像处理设备111会根据该识别可移动显示设备101位置和方向定位结果实时向可移动显示设备101发送准确匹配的vr视觉场景虚拟画面数据;

step3:可移动显示设备101收到虚拟图像处理设备111的vr虚拟画面数据后并投影到其vr显示屏上,使得同一vr系统中vr用户141能实时根据自己的位置以及vr用户141面对方向能真实感受到虚拟环境的3d逼真效果,即:vr用户141的可移动显示设备101能实时地根据自己的位置和姿态来接收3d虚拟画面,具有身临其境的视觉效果;

step4:在图7的该vr环境场景中,当vr用户141按照路径线路161向目的位置141’移动过程中其可移动显示设备101会实时连续接收通过实时定位反馈的vr视觉场景虚拟画面数据,具体vr用户141移动过程中的vr视觉场景151~157情况请参考图8。

在本实施例中当vr用户141在路径161上某点的vr视觉场景151~157中左右转动后,其vr系统的虚拟现实视觉场景是固定不变的,如图8所示,即:原来在北方的物品仍旧在北方,原来在南方的物品仍旧在南方,原来在东方的物品仍旧在东方,原来在西方的物品仍旧在西方,不会因vr用户141的转动而跟随转动。具体过程是其可移动显示设备上左、右、前、后的uwb定位标签会实时定位出其具体位置和用户眼睛朝向方向,并反馈给主机设备,主机设备会根据其位置和用户眼睛朝向方向变化情况匹配对应的vr视觉场景数据反馈给可移动显示设备并播放出来,使得虚拟场景中原静止物品仍旧待在远处不动,使得vr用户141在该vr系统中真实感受到逼真视觉效果。

该实施例1的效果如下:

1、在可移动显示设备上设置四个uwb定位标签,使得能更准确实现定位可移动显示设备的位置和面对矢量方向,从而匹配更准确位置和方向的虚拟画面图像,即:虚拟现实的视觉场景可以固定下来,不因为虚拟现实用户的移动而变动,从而代替原有vr系统中位置传感器和方向传感器;

2、能帮助现有虚拟现实系统减少方向传感器位置校准的步骤,有助于提高vr用户体验满意度;

3、uwb的定位频率比方向传感器定位频率要高一些,可以更快地刷新vr画面,使得vr用户虚拟画面播放的体验更流畅。

本发明提出基于uwb定位的vr系统及实现方法的实施例2,该vr系统组成架构如图9所示,其中vr系统的组成包括:一个可移动显示设备、一个定位数据处理设备、一个虚拟图像处理设备、两个控制器、一个uwb定位锚点、四个uwb定位标签。该实施例的系统组成在实施例1系统组成基础之上,减少了两个uwb定位锚点,增加了两个控制器,并减少了原可移动显示设备上连接的两个uwb定位标签,而在两个控制器上分别增加了一个uwb定位标签。

其中,可移动显示设备与虚拟图像处理设备直接连接,uwb定位锚点与定位数据处理设备直接连接,定位数据处理设备与虚拟图像处理设备直接连接,两个uwb定位标签与可移动显示设备直接连接,另外两个uwb定位标签与控制器直接连接,每个uwb定位标签与每个uwb定位锚点通过无线连接,并所有四个uwb定位标签都跟虚拟图像处理设备通过有线间接连接。另外,该四个uwb定位标签中每两个uwb定位标签之间的距离要求与实施例1中的要求一样。

该vr系统的各个实体跟实施例1系统中相同名称实体的组成和功能基本相同,其存在的区别具体介绍如下:

uwb定位锚点、uwb定位标签和定位数据处理设备支持的定位算法不是tdoa定位算法,而是aoa角度定位算法和tof测距算法。

可移动显示设备上的五个有线通信接口分别是跟虚拟图像处理设备连接的一个有线通信接口、跟两个uwb定位标签连接的两个有线通信接口、跟两个控制器连接的两个有线通信接口。

虚拟图像处理设备在实施例1系统基础上还同时能以控制器位置对应虚拟环境中位置动态生成控制器运动和操作对应的虚拟图像,如:虚拟现实中虚拟用户的射击瞄准动作和射击后子弹飞行的虚拟画面。其有线通信接口数量上减少到跟一个可移动显示设备和一个uwb定位锚点连接的两个有线通信接口。

新增的控制器是一个vr系统追踪vr用户动作或手势的设备,一般在左手和右手上各持一个。其主要由一个控制模块、一个收发控制指令的通信模块、一个电源模块以及跟一个可移动显示设备和一个uwb定位标签连接的两个通信接口等部分组成。

其中,可移动显示设备上的两个uwb定位标签预先在可移动显示设备上进行相对位置固定并进行对应位置编号,即安装在其显示屏前方、显示屏后方固定的两个uwb定位标签,其前uwb定位标签u1和后uwb定位标签u2的坐标分别为vr_loc_glsfront(x1,y1,z1)、vr_loc_back(x2,y2,z2),显示屏中心点u0正是前后uwb定位标签u1、u2连线的中心位置,该关系情况下显示屏中心点坐标u0(x0,y0,z0)表达如下:

可移动显示设备上显示屏的方向可以通过从u0(x0,y0,z0)到u1(x1,y1,z1)的连线方向,或,从u2(x2,y2,z2)到u1(x1,y1,z1)的连线方向来确定。

左控制器和右控制器上的2个uwb定位标签预先进行相对位置固定并进行对应位置编号,其虚拟形象保存在虚拟环境数据库中,该2个uwb定位标签u3、u4的坐标分别为vr_loc_ctlleft(x3,y3,z3)和vr_loc_ctlright(x4,y4,z4),通过u3和u4的定位结果和虚拟环境坐标系匹配关系来确定虚拟现实世界中左控制器和右控制器的位置。

在图10的实施例2虚拟现实场景示意图所示,图中带有网格的框图代表虚拟现实环境中生成的虚拟实现图像,实际现实环境是没有的,其中实线框部分的图示是实际环境中vr系统的组成实物部分。图10中,201和201’代表可移动显示设备,211代表一个虚拟图像处理设备,221代表一个uwb定位锚点、222代表一个定位数据处理设备、231~234和231’~234’代表移动前和移动后的可移动显示设备和vr控制器上四个uwb定位标签,241代表vr用户,251~257代表vr用户移动过程中某个位置的视觉场景,261代表vr用户移动的轨迹路线,271~275代表虚拟现实世界中实际不存在的虚拟遮挡物,281和281’代表可移动显示设备显示屏的方向(即:vr用户眼睛视觉方向)。

参考图10是本发明的实施例2虚拟现实场景示意图,这里跟实施例1的区别是采用的不是tdoa定位算法,而是采用aoa角度定位算法和tof定位算法结合定位出vr用户的具体位置和用户眼睛的方向,以及定位出控制器的位置,该实施例的方法步骤如下:

step1:vr系统中各个设备都启动后,uwb定位锚点221、可移动显示设备201前后uwb定位标签232、233以及控制器上两个uwb定位标签231、234自动跟虚拟图像处理设备211进行时钟同步。每个uwb定位标签231~234按一定周期并错开时间发送定位广播消息,该uwb定位锚点221接收到uwb定位标签231~234发送的定位广播消息后,记录该uwb定位锚点221上两根天线记录接收定位广播消息的时间戳,并将该记录数据发送给定位数据处理设备222,定位数据处理设备222通过本发明背景部分介绍的aoa角度定位算法计算出可移动显示设备上前后和控制器左右的uwb定位标签231~234的aoa角度定位结果达到角α。

另外,每个uwb定位标签还按一定周期间隔跟作为定位发起方的uwb定位锚点交互tof定位算法必要的定位消息,uwb定位锚点221记录定位消息发送时间戳和定位响应消息接收时间戳,以及获取定位响应消息中uwb定位标签记录的接收定位消息和发送定位响应消息的间隔时间数据,并将这些信息发送给定位数据处理设备222,该定位数据处理设备222再通过本发明背景部分介绍的tof定位算法计算公式计算出该uwb定位标签与该uwb定位锚点221之间高精确的测距定位结果d。结合aoa角度定位结果达到角α和测距定位结果d,形成以该uwb定位锚点221为极点的该uwb定位标签极坐标(vr_loc_radius_r/半径坐标=d,vr_loc_angle_θ/角坐标=α),或,通过坐标转换得到可移动显示设备201上uwb定位标签232位置坐标vr_loc_glsfront(x1,y1,z1)和uwb定位标签233位置坐标vr_loc_glsback(x2,y2,z2),以及控制器上uwb定位标签231位置坐标vr_loc_ctlleft(x3,y3,z3)和uwb定位标签234位置坐标vr_loc_ctlright(x4,y4,z4);

step2:定位数据处理设备222实时将可移动显示设备201和控制器上uwb定位标签231~234的对应定位结果极坐标(vr_loc_angle=α,vr_loc_distance=d)或位置坐标vr_loc_glsfront、vr_loc_glsback、vr_loc_ctlleft和vr_loc_ctlright发送给虚拟图像处理设备211,虚拟图像处理设备211通过可移动显示设备和控制器上的uwb定位标签231~234定位结果识别出可移动显示设备201位置显示屏方向从u0(x0,y0,z0)到u1(x1,y1,z1)的连线方向,或,从u2(x2,y2,z2)到u1(x1,y1,z1)的连线方向和左右控制器231、234的位置,即:vr_loc_ctlleft(x3,y3,z3)、vr_loc_ctlright(x4,y4,z4),根据该识别结果实时向该vr用户241的可移动显示设备发送准确匹配的vr虚拟画面;

step3:可移动显示设备201收到虚拟图像处理设备211发送的vr虚拟画面后并投影到vr显示屏上,完成一轮vr虚拟现实图像的更新。

step4:在该实施例2的vr环境场景中,当vr用户241按照路径线路向目的位置241’移动过程中其可移动显示设备201会在图10中251~257等位置上实时连续接收通过实时定位反馈的vr视觉场景虚拟画面数据,具体不同位置251~257上vr视觉场景情况请参考图11。

在图11中,当vr用户241在路径上某点251~257的vr视觉场景中左右转动后,其vr系统的视觉场景是不会变动的,即:原来在北方的虚拟物品仍旧在北方,原来在南方的虚拟物品仍旧在南方,原来在东方的虚拟物品仍旧在东方,原来在西方的虚拟物品仍旧在西方,不会因vr用户241的转动而跟随转动。具体过程是其可移动显示设备201上的左右uwb定位标签232、233会实时定位出其具体位置和可移动显示设备上显示屏的方向定位结果并反馈给虚拟图像处理设备211,虚拟图像处理设备211会根据其位置和可移动显示设备上显示屏的方向变化情况生成对应的vr视觉场景数据并发送给可移动显示设备201并在其显示屏上播放出来,使得虚拟场景中原静止物件仍旧待在远处不动,使得vr用户241在该vr系统中真实感受到虚拟逼真视觉效果。

该实施例2的效果基本包括跟实施例1的效果基本相同,其具体区别介绍如下:

在控制器上设置两个uwb定位标签,使得能更准确实现定位多个控制器的位置,从而匹配出更准确位置和方向的控制器虚拟形象画面图像,从而代替原有vr系统中控制器上的位置传感器和方向传感器。

本发明提出基于uwb定位的vr系统及实现方法的实施例3结合附图及具体说明系统及实现方法如下:

本实施例3的vr系统的组成,如图12所示,包括:三个可移动显示设备、一个虚拟图像处理设备、三套控制器、三个uwb定位锚点、一个定位数据处理设备、三套uwb定位标签组。其中,每套控制器包括两个控制器,分别位于左手和右手。另外,每套uwb定位标签组中分为可移动显示设备和控制器的两套uwb定位标签子组。其中,可移动显示设备的配套uwb定位标签子组有四个uwb定位标签,即:以可移动显示设备的显示屏方向为准的前、后、左、右等方向分别放置一个uwb定位标签。每套控制器的配套uwb定位标签子组有两个uwb定位标签,该两个uwb定位标签分别固定在左手的控制器和右手的控制器上。

其中,三个可移动显示设备与一个虚拟图像处理设备直接连接,三套uwb定位标签组中的uwb定位标签分别与对应可移动显示设备和控制器直接连接、三个uwb定位锚点与一个定位数据处理设备直接连接,一个定位数据处理设备与一个虚拟图像处理设备直接连接,每个uwb定位标签与每个uwb定位锚点通过无线连接。

该实施例3的vr系统除了控制器外各个实体组成和功能跟实施例1的实体组成和功能基本相同,控制器的组成和功能跟实施例2中控制器组成和功能基本相同,实体之间存在的具体区别介绍如下:

uwb定位标签数量是十八个,而实施例1和实施例2中的对应数量都是四个。

uwb定位锚点、uwb定位标签和定位数据处理设备上支持的定位算法是tdoa定位算法,跟实施例1的定位算法相同,而跟实施例2的定位算法不同。

可移动显示设备数量是三个,而实施例1和实施例2中的对应数量是一个。

虚拟图像处理设备上有线通信接口数量是四个,实施例1和实施例2中的对应数量是两个,并且新增有一个调度模块,该模块对每个uwb定位标签和每个uwb定位锚点的具有定位调度功能。

控制器数量是六个,而实施例2中的对应数量是两个。

在图13的实施例3虚拟场景示意图所示,图中带有网格的虚线框图代表虚拟现实环境中生成的虚拟实现图像,实际现实环境是没有的,其中实线框部分的图示是实际环境中vr系统的组成实物部分。图13中,301~303代表可移动显示设备,311代表一个虚拟图像处理设备,321~323代表一个uwb定位锚点、324代表定位数据处理设备、331-1~336-1、331-2~336-2和331-3~336-3分别代表三个vr用户的可移动显示设备和vr控制器上六个uwb定位标签,341~343代表三个vr用户,351~355代表虚拟现实世界中实际不存在的虚拟遮挡物。

可移动显示设备上的四个uwb定位标签用于位置和方向定位的实现方法参考实施例1中的对应部分描述,控制器的位置定位方法则参考实施例2中的对应部分描述。

参考图13是本发明的实施例3虚拟场景示意图,这里跟之前实施例的虚拟场景区别是在该场景中存在多个vr用户,即:vr用户341、vr用户342以及vr用户343。该实施例3的方法步骤如下:

step1:vr系统启动后,三个uwb定位锚点321~323和所有uwb定位标签上时钟定位客户端模块自动按有一定周期时间间隔跟虚拟图像处理设备311上时钟定位服务端模块进行时钟同步,

step2:在系统时钟同步情况下,三个uwb定位锚点321~323通过接收vr用户341、vr用户342以及vr用户343佩戴可移动显示设备301~303上的前、后、左、右uwb定位标签333-1/2/3~336-1/2/3以及左右控制器上uwb定位标签331-1/2/3和332-1/2/3通过虚拟图像处理设备311的调度模块在同一个时间窗内不同时隙调度错开发出的定位广播消息,并三个uwb定位锚点321~323分别记录对应接收时间戳,三个uwb定位锚点321~323将记录下来的时间戳信息发送给定位数据处理设备324,定位数据处理设备324计算三个uwb定位锚点定位记录的uwb定位标签331-1/2/3~336-1/2/3定位广播消息接收时间戳之间的时间差,并结合tdoa定位算法公式和三个uwb定位锚点321~323的坐标信息实时分别计算出vr用户341、vr用户342以及vr用户343的可移动显示设备前、后、左、右uwb定位标签333-1/2/3~336-1/2/3和控制器的左右uwb定位标签331-1/2/3和332-1/2/3的精确位置坐标vr1/2/3_loc_glsfront、vr1/2/3_loc_glsback、vr1/2/3_loc_glsleft、vr1/2/3_loc_glsright、vr1/2/3_loc_ctlleft和vr1/2/3_loc_ctlright;

step3:定位数据处理设备324实时将vr用户341、vr用户342以及vr用户343的可移动显示设备301~303前后左右四个uwb定位标签333-1/2/3~336-1/2/3和控制器上uwb定位标签331-1/2/3和332-1/2/3的对应定位结果vr1/2/3_loc_glsfront、vr1/2/3_loc_glsback、vr1/2/3_loc_glsleft、vr1/2/3_loc_glsright、vr1/2/3_loc_ctlleft和vr1/2/3_loc_ctlright发送给虚拟图像处理设备311,虚拟图像处理设备311通过收到的定位结果vr1/2/3_loc_glsfront、vr1/2/3_loc_glsback、vr1/2/3_loc_glsleft、vr1/2/3_loc_glsright、vr1/2/3_loc_ctlleft和vr1/2/3_loc_ctlright以及实施例1和实施例2中识别定位目标位置和方向的相同方法,识别出vr用户341、vr用户342以及vr用户343的可移动显示设备301~303位置、左右控制器位置以及vr用户341、vr用户342以及vr用户343对应可移动显示设备上显示屏的方向,虚拟图像处理设备311会根据该识别以上结果实时向vr用户341、vr用户342以及vr用户343的可移动显示设备301~303更新准确匹配的vr视觉场景虚拟画面数据;

step4:vr用户341、vr用户342以及vr用户343的可移动显示设备301~303收到虚拟图像处理设备311的vr虚拟画面数据后并投影到各自的显示屏上,使得同一vr系统中vr用户341、vr用户342以及vr用户343能实时根据自己的位置以及其眼睛面对方向真实感受到统一个视觉场景下虚拟环境的真实效果,即:vr用户341、vr用户342以及vr用户343的可移动显示设备301~303能实时地根据自己的位置和姿态来接收虚拟现实画面,具有身临其境的视觉效果。另外,虚拟图像处理设备311还会根据控制器上的某些控制键操作来实现不同vr用户之间的互动,如:vr用户虚拟射击、vr用户之间身体虚拟接触碰撞、vr用户之间交换虚拟物品等,从而实现vr系统的多vr用户互动;

step5:本实施例图13中vr用户341、vr用户342以及vr用户343的视觉场景效果如下:

其中,在基于vr用户341的所在位置和可移动显示设备上显示屏方向所代表的用户眼睛朝向信息基础上,虚拟图像处理设备311生成准确匹配的vr虚拟画面中,逼真地出现了前方虚拟遮挡物351、352和354,并能看到虚拟遮挡物354旁边的vr用户343在虚拟现实场景中预先选择虚拟形象的侧面背影和控制器对应位置的虚拟手部图像,并能看到最前方的虚拟遮挡物355。

在基于vr用户342的所在位置和可移动显示设备上显示屏方向所代表的用户眼睛朝向信息基础上,虚拟图像处理设备311生成准确匹配的vr虚拟画面,逼真地出现了前方虚拟遮挡物354和355。

在基于vr用户343的所在位置和可移动显示设备上显示屏方向所代表的用户眼睛朝向信息基础上,虚拟图像处理设备311生成准确匹配的vr虚拟画面,逼真地出现了前方虚拟遮挡物353和355。

step6:该vr系统实时根据vr用户341、vr用户342以及vr用户343的移动和控制操作来执行step2~step5的处理步骤,直至该vr系统关闭。

以上呈现的视觉场景效果使得在同一vr系统中不同用户能实时根据自己的位置以及其用户眼睛面向方向能真实感受到虚拟现实环境的逼真效果,即:不同用户可移动显示设备能实时地根据自己的位置和姿态来接收虚拟现实画面,具有身临其境的视觉效果,甚至可选地能看到基于其他用户的所在位置和用户眼睛面向朝向呈现在虚拟现实世界中实现选择好的虚拟形象,使得在同一个vr系统中能实现vr用户在虚拟环境中的互动效果。

该实施例3包括实施例1和实施例2的实施效果,在实施例1和实施例2的效果基础上还有:能在多用户vr场景和互动场景中保持vr用户各自vr视觉场景中虚拟实体方向和位置的一致性,保证多用户vr场景的交互体验效果。

以上的实施例中虽然以vr来作为对象来描述,但这些实施例不限制本发明的适用范围,其对应视觉场景稳定的技术也可以用于其他场景,如:增强现实ar、混合显示mr等扩展现实xr视觉场景。另外,以上实施例中分别用了多个定位算法,但本发明不限制使用的室内定位算法,本发明中提及室内定位算法外的室内定位算法来实现定位都是本发明所保护的范围。另外,多个室内定位算法既可以单个使用,也可以两个定位算法或多个定位算法混合使用。

本发明实施例系统中的可移动显示设备上uwb定位标签虽然给出了分为左右两个和分为前后左右四个的情况,但不作为本发明的保护范围限制,也就是说可移动显示设备上uwb定位标签的个数也可以是三个或四个以上,例如:在可移动显示设备上的前、后、左、右、左前、右前、左后和右后位置分别嵌入共八个uwb定位标签,更多的uwb定位标签能更详细地为vr用户位置和方向定位提供辅助信息,并更准确地定位出可移动显示设备位置和方向。

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