本实用新型属于游戏、虚拟现实、机器视觉、军事仿真领域，涉及一种3D瞄准及触发的硬件设备组合。
背景技术：
在游戏、虚拟现实、军事、仿真领域，经常需要用到瞄准及触发的输入功能，最为常见的应用就是射击类游戏中，实现游戏中“手柄(枪型为主)”的瞄准及射击功能。
射击类游戏，尤其是第一人称射击类游戏FPS(First-person shooting game)，是世界上最为重要的一个游戏分支。玩家们不再像别的游戏一样操纵屏幕中的虚拟人物来进行游戏，而是身临其境的体验游戏带来的视觉冲击。
目前游戏中的瞄准及射击功能的实现，主要由鼠标加键盘或者标准游戏手柄实现，这非常限制用户的主动性和真实感。为改善此种制约，部分厂商推出各种类型的体感枪、光线枪等来实现瞄准及触发功能，这些产品主要依赖于惯性、扫描等原理。但目前现有的各种瞄准和触发设备存在下面部分或全部问题：
1)只能对着屏幕进行二维的操作；
2)延迟性高，瞄准动作明显慢于身体移动，玩家可明确感知到延迟；
3)三维精度低，只能进行大致的指向，无法有效瞄准；
4)输入功能不具备兼容性，只能测试、操作小量的游戏或场景，无法操控市面上主流的游戏或VR软件。
鉴于上述背景，有必要研发一种高精度的实施瞄准及触发仿真系统，能够在射击类游戏中提高瞄准精度，并减少瞄准和触发过程的延迟，同时能具有更广泛的兼容性，使参与者获得更好的体验。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于：提供一种可以用于3D射击类游戏的高精度实时瞄准及触发仿真系统。
本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：
提供一种用于游戏的3D高精度实时瞄准及触发仿真系统，包括：刚体定位手柄、显示屏、光学捕捉设备和主控计算机；所述的刚体定位手柄上设置有至少三个尺寸固定的三维标记物和至少一个触发按键；所述的显示屏与所述的主控计算机电连接，用于显示所述主控计算机上运行的游戏程序的画面；所述的光学捕捉设备用于捕捉所述刚体定位手柄上的三位标记物的空间位置；所述的光学捕捉设备与所述的主控计算机通过有线或无线方式电联接，所述的主控计算机内置控制芯片，用于接收来自光学捕捉设备的数据并将所述数据转换成匹配游戏程序的格式，输入游戏程序。
本实用新型的方案中，所述的刚体定位手柄具体形状和规格没有限制，只要是符合刚体特征及人体工学要求即可，通常包括枪型、方向盘型、A字形等等。
本实用新型优选的方案中，所述的至少三个三维标记物被刚性地设置在所述刚体定位手柄上，与所述刚体定位手柄成为同一刚体，但不处于同一直线上；优选设置在不易被遮挡的位置。
本实用新型的方案中，所述的三维标记物在所述刚体定位手柄上设置的数量越多，所述的光学捕捉设备能够获得的指向数据量就越大，越有助于提高实时瞄准的精度；但三维标记物的数量也不宜过多。本实用新型优选在每个所述刚体定位手柄上设置4-9个三维标记物。
本实用新型中的方案中，所述的刚体定位手柄上设置的三维标记物是被动发光(反光) 的标记物；相应地，所述的光学捕捉设备是对被动发光(反光)标记物进行定位的被动光学捕捉设备。
本实用新型的方案中，所述的触发按键形式没有特别的限定，可以是各种形式的可操作的部件，包括按键、按钮、扳机、摇杆等等。
本实用新型中，所述的显示屏形式没有特别的限定，可以是现有技术中各种可以被游戏场景接受的显示屏，包括传统的固定式显示屏，例如电视屏幕、投影布、投影幕墙等等，也包括新式的可移动式显示屏或头戴虚拟显示器，例如VR眼镜、移动影院等等。进而，本实用新型所述的系统在应用过程中，操作个体既可以持刚体定位手柄与电视屏幕、投影布、投影幕墙等固定式显示屏相对，也可以通过佩戴VR眼镜、移动影院等设备来实现与头戴式虚拟显示器的相对。
本实用新型的方案中，所述的光学捕捉设备可以是现有的各种能够实现被动光学捕捉定位的设备，其设置位置通常是在所述刚体定位手柄所处空间上方环形布置；对于光学捕捉设备设置的数量，需要根据不同的游戏模式做出调整，单个刚体定位手柄参与时的优选方案中，不论采用哪种显示屏，所述的光学捕捉设备的设置数量为2～20台时均可满足捕捉定位要求。
本实用新型的实时瞄准及触发仿真系统既可以用于单人的操作场景，也可以用于多人同时参与的操作场景，用于多人同时参与的场景时，所述的刚体定位手柄数量是m个(m是大于1的自然数)，所述的光学捕捉设备的数量为a+(m-1)×b个，其中a取2-8的自然数，b取 2-4的自然数；所述m个刚体定位手柄上设置的三维标记物空间位置组合各不相同，即同时被光学捕捉设备捕捉的三位标记物组合有m种；所述的控制芯片内进一步设置图像识别模块，用于识别不同的刚体定位手柄。
进一步优选的方案中，所述的图像识别模块内置经过训练的神经网络模型。
本实用新型所述的3D高精度实时瞄准及触发仿真系统，可以用于多种类型的电子游戏场景，包括平面射击类、3D射击类、VR射击场景、VR采集场景、VR攀爬场景、军事仿真等等需要高精度实时瞄准并操作的场景。
以用于射击类游戏为例，本实用新型的实时瞄准及触发仿真系统使用过程如下：
1)参与游戏的操作个体持所述刚体定位手柄与所述显示屏相对；由主控计算机运行游戏，并将游戏软件运行结果显示在所述的显示屏上，其中包括虚拟瞄准目标；
2)参与游戏的操作个体持所述刚体定位手柄朝向显示屏做出瞄准虚拟目标的动作，该过程中所述的光学捕捉设备连续获取所述的刚体定位手柄上标记物的实时三维坐标数据A，并根据所述的数据A计算得到所述的刚体定位手柄的连续的方向和向量数据B，指定所述刚体定位手柄的任意一个方向的数据作为其瞄准指向数据；
3)光学捕捉设备将2)得到的刚体定位手柄的瞄准指向数据传送至主控计算机，控制芯片将瞄准指向数据向游戏平台进行投射或转换输入游戏，在1)所述的显示屏上以图像模式输出所述刚体定位手柄针对所述虚拟目标的3D瞄准信息；
4)操作个体根据3)输出的3D瞄准信息择机操作所述刚体定位手柄上的触发按键，生成的按键触发数据经无线传输至主控计算机后，经控制芯片转换后输入游戏；
5)游戏平台内置软件结合2)的指向数据和4)的触发数据判断操作结果，并将结果以图像模式在1)的显示屏上输出。
本实用新型所述的系统中，光学捕捉设备可以实时提供高精度的三维标记物坐标信息，经过已知物理参数的计算转化，可以明确得到刚性定位手柄的指向，该过程提供的信息有非常高的精度，可以达到毫米级，因此可以显著提升瞄准速度，减少瞄准和触发过程的延迟，大大改善了参与者的游戏体验。
此外，本实用新型的系统不但可以用于电子游戏、电子竞技领域，而且还可以应用于其他各种需要进行实时高精度瞄准和触发的模拟场景中，例如，军事仿真对抗模拟训练，许多高危行业的虚拟环境下的操作业务训练、多种持器械参与的运动项目的虚拟场景训练等等。
附图说明
图1是本实用新型实施例1所述系统的具体应用场景设置示意图。
图2是本实用新型实施例1所的枪型定位手柄结构示意图。
图3是本实用新型实施例2所述系统的具体应用场景设置示意图。
图4是本实用新型实施例2所用的A字型定位手柄结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
一种用于xbox、PS射击类电子游戏的高精度实施瞄准及触发仿真系统，如图1所示，包括：刚性材质的枪型定位手柄20、显示屏30、8台被动式光学捕捉设备40和用于运行游戏和接收并处理数据的主控PC 50；主控PC 50设置内设主控芯片，写有游戏格式识别和数据转换程序；所有被动式光学捕捉设备40都与主控PC 50建立数据连接；显示屏30也与主控 PC 50电连接用于显示游戏运行的输出内容；如图2所示，枪型定位手柄20上，刚性地固定 6个规格确定的反光球21，与枪型定位手柄20共同组成同一刚体，但不处于同一直线上，同时枪型定位手柄20上设置1个符合人体工学要求的扳机式触发按键22。
其应用过程如下：
1)如图1所示，由单一操作者10持1个枪型定位手柄20与显示屏30相对；8台被动式光学捕捉设备40等间距布设在操作者10及显示屏30所在的场地周围；主控PC 50设置在场地外用于运行游戏程序，并将运行结果显示在显示屏30上，其中包括虚拟瞄准目标；
2)游戏开始后，操作个体10持枪型定位手柄20朝向显示屏30做出瞄准虚拟目标的动作，该过程中8台被动式光学捕捉设备40同时连续获取各反光球21的空间位置数据，并地连续向主控PC 50提供上述信息，进而由主控PC 50内置的控制芯片连续计算得到枪型定位手柄20的连续的位置信息和瞄准指向信息；
3)主控PC 50内置的控制芯片针对windows平台及苹果操作系统平台进行游戏格式识别后，将2)所得的每组3D瞄准数据进行转换并输入游戏程序；然后在1)的显示屏30上以图像模式输出枪型定位手柄20针对虚拟目标的3D瞄准信息；
4)操作者10根据3)输出的3D瞄准信息择机操作枪型定位手柄20上的触发按键22，生成的按键触发数据经蓝牙传输至主控PC 50，控制芯片根据游戏标准对所得的触发数据进行定义后传输至游戏程序，使之进行配合；
5)游戏程序内置软件结合3)投射的指向数据和4)定义的触发数据判断操作结果，并将结果以图像模式在1)的显示屏30上输出。
实施例2
一种用于普通PC射击类电子游戏的高精度实施瞄准及触发仿真系统，如图3所示，包括：5个刚性材质的A字型定位手柄20、显示屏30、18台被动式光学捕捉设备40和1台用于运行游戏和接收并处理数据的主控PC 50；主控PC 50设置内设主控芯片，内置数据计算程序、游戏格式识别和数据转换程序、和手柄识别神经网络模型；所有被动式光学捕捉设备 40都通过蓝牙模式与主控PC 50建立数据连接；显示屏30也与主控PC 50电连接用于显示游戏运行的输出内容；如图4所示，A字型定位手柄20上，刚性地固定6-9个规格确定的反光球21，与A字型定位手柄20共同组成同一刚体，但不处于同一直线上，同时A字型定位手柄20上设置2个符合人体工学要求的扳机式触发按键22。
其应用过程如下：
1)如图3所示，由5个操作者10参与游戏，每个操作者10手持1个A字型定位手柄20与显示屏30相对；18台被动式光学捕捉设备40等间距布设在操作者10及显示屏30所在的场地周围；主控PC 50设置在场地外用于运行游戏程序，并将运行结果显示在显示屏30上，其中包括虚拟瞄准目标；
2)游戏开始运行后，操作个体10持A字型定位手柄20朝向显示屏30做出瞄准虚拟目标的动作，该过程中18台被动式光学捕捉设备40同时连续获取各手柄的反光球21组合的空间位置数据，并地连续向主控PC 50提供上述信息，进而由主控PC 50内置的控制芯片连续计算得到每个A字型定位手柄20的连续的位置信息和瞄准指向信息；
3)主控PC 50内置的控制芯片针对ps平台及苹果操作系统平台进行游戏格式识别，并通过内置的手柄识别神经网络模型识别手柄并匹配数据，然后将2)所得的每组3D瞄准数据进行转换并输入游戏程序；然后在1)的显示屏30上以图像模式输出每个A字型定位手柄 20针对虚拟目标的3D瞄准信息；
4)每个操作者10根据3)输出的3D瞄准信息择机操作A字型定位手柄20上的触发按键22，生成的所有按键触发数据经蓝牙传输至主控PC 50，控制芯片根据游戏标准对所得的触发数据进行定义后传输至游戏程序，使之进行配合；
5)游戏程序内置软件结合3)投射的指向数据和4)定义的触发数据判断操作结果，并将结果以图像模式在1)的显示屏30上输出。