虚拟现实空间定位装置及方法与流程

本发明涉及虚拟现实技术领域，具体涉及一种虚拟现实空间定位装置及方法。

背景技术：

虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术以沉浸感、交互性、想象性为特点，通过在视觉、听觉、触觉等感官上的模拟，使用户能获得身临其境的超强体验，并被业内认为极有可能成为继移动互联网之后的下一代计算平台。然而VR要达到良好的沉浸感，最重要的因素之一是要能实现用户的自由移动和自然交互，这最关键的就是高精度实时空间定位技术，也就是要能实时捕捉用户及其肢体或其所持装备在真实三维空间的位置坐标，从而映射出用户在虚拟空间的相对位置并精确实现对虚拟空间目标的抓取、拿放等交互动作。目前世面上的定位技术包括GPS卫星定位、红外定位、激光定位、低功耗蓝牙定位、WiFi定位、超声波定位等，而VR空间定位比较有代表性的是HTC Vive的Light House(属于激光定位)，但上述不同定位技术在定位精度、定位区域、实时性、稳定性、系统复杂性和成本等方面各有优劣，因此VR空间定位技术目前仍然是行业共同面临的技术难题。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术的不足，提供一种虚拟现实空间定位装置及方法。可以实现高精度、低延时的空间定位，且系统简单可靠、成本低，非常符合VR的空间定位要求，具有较高的技术和应用价值。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种虚拟现实空间定位装置，包括至少三个测距单元；所述三个测距单元安装在同一水平位置；三个测距单元分别为：第一测距单元、第二测距单元和第三测距单元；所述第一测距单元的水平轴线指向水平面45°角，所述第二测距单元的水平轴线指向水平面135°角，所述第三测距单元的水平轴线指向水平面270°角。

更进一步的技术方案是所述测距单元包括：红外测距或激光测距。

更进一步的技术方案是所述测距单元上并联或串联有发射器，用于增加测距单元的测试角。

更进一步的技术方案是所述发射器包括：红外二极管或激光二极管。

更进一步的技术方案是若将第一测距单元所在的垂线定义为三维坐标系的Z轴，且坐标原点距离第一测距单元的下方Az，第一测距单元、第二测距单元连线的平行线定义为X轴，第一测距单元、第三测距单元连线的平行线定义为Y轴，则在此坐标系中第一测距单元、第二测距单元、第三测距单元的坐标分别为(0,0，Az)、(Bx,0,Bz)、(0,Cy,Cz)。

更进一步的技术方案是提供一种虚拟现实空间定位方法，所述方法包括以下步骤：

通过第一测距单元(A)、第二测距单元(B)和第三测距单元(C)分别向位于空间定位区域内的定位目标(E)发射测距信号，测距单元根据接收到的定位目标反射回的测距信号的飞行时间计算出与定位目标的距离L；检测出定位目标分别与三个测距单元之间的距离L1、L2、L3后，再根据空间两点间的距离公式，有：

其中，第一测距单元(A)的坐标为(Ax,Ay,Az),第二测距单元(B)的坐标为(Bx,By,Bz),测距单元(C)的坐标为(Cx,Cy,Cz),定位目标(E)的坐标为(Ex,Ey,Ez)；

根据检测出的定位目标与测距单元的距离L1、L2、L3，计算出定位目标在坐标系中的三维坐标(Cx,Cy,Cz)，从而实现对目标的空间定位。

与现有技术相比，本发明实施例的有益效果之一是：本发明的空间定位装置及定位方法，因光学测距快、基于距离的空间坐标计算的运算量小，因此定位快速、实时性高；采用红外或激光测距能达到很高的精度，因此定位精度高；定位装置简单，定位目标能反射测距信号即可，不需复杂的传感器，因此系统稳定、成本低。本发明所述空间定位装置及定位方法，能很好满足VR的空间定位要求，具有较高的技术和应用价值。

附图说明

图1为本发明一个实施例中空间定位装置的平面示意图。

图2为本发明一个实施例中测距单元的测距范围的示意图。

图3为本发明一个实施例中测距单元通过增加发射器扩大测距范围的示意图。

图4为本发明一个实施例中空间定位装置的定位区域及三维坐标系示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

下面结合附图及实施例对本发明的具体实施方式进行详细描述。

如图1至图4所示，根据本发明的一个实施例，本实施例公开一种虚拟现实空间定位装置，它由三个测距单元组成；所述三个测距单元安装在同一水平位置；三个测距单元分别为：第一测距单元A、第二测距单元B和第三测距单元C；测距单元可以是基于红外测距、激光测距或其他任何原理的测距器件，通常能满足空间定位的范围和精度要求即可。本实施例采用红外测距器件，测距距离约6米，单个红外二极管能达到的测距角度约60°，测距精度高于1cm。测距单元所发射的测距信号所覆盖的空间为具有一定测试角的圆锥体，如图2所示。

为了增加测距单元的测距角度，可以在测距单元上按一定的角度并联或串联多个发射器，如附图3所示，使测距单元的测距角由图中R1-P-R2扩大到R1′-P-R2′。本实施例在每个测距单元各使用了3个红外二极管并联，且相邻红外二极管的轴线夹角呈约60°排列，从而每个测距单元能达到约180°的测距角。

为便于理解，如图1所示，图1仅示出了各测距单元在水平方向的检测范围。其中第一测距单元A的检测范围在水平方向为扇形区域A-A1-D-A2，第二测距单元B的检测范围在水平方向为扇形区域B-B1-C-B2，第三测距单元C的检测范围在水平方向为扇形区域C-C1-B-C2，三个测距单元按特定的指向和位置关系安装固定，使三者的检测范围重叠并在水平方向形成公共区域A-B-D-C，E为待定位目标，显然三个测距单元能分别检测出与定位目标E的距离L1、L2、L3。

具体的，三个测距单元被安装在同一水平位置，且测距单元A的水平轴线指向水平面45°角，测距单元B的水平轴线指向水平面135°角，测距单元C的水平轴线指向水平面270°角，这样三个测距单元在水平面可构成图1所示的A-B-D-C矩形公共测距区，在三维空间可构成附图4所示的以O-F-G-H-J-K-M-N为顶点的长方体空间。也就是说，位于以O-F-G-H-J-K-M-N为顶点的长方体空间内的任意位置的目标，其与各测距单元的距离都可以分别被测距单元检测到。特别地，人为定义该长方体空间为VR虚拟空间的映射区域，并以测距单元为参照建立三维坐标系XYZ。具体的，如图4所示，本实施例中，将第一测距单元A所在的垂线定义为三维坐标系的Z轴，且坐标原点距离第一测距单元A的下方Az(数值以方便计算为原则)，第一测距单元A、第二测距单元B连线的平行线定义为X轴，第一测距单元A、第三测距单元C连线的平行线定义为Y轴，于是在此坐标系中第一测距单元A、第二测距单元B、第三测距单元C的坐标分别为(0,0，Az)、(Bx,0,Bz)、(0,Cy,Cz)。需要说明的是，如何定义坐标系视计算方便为原则，也可以将其中一个测距单元定义为坐标原点，另两个测距单元分别位于坐标轴上，这样各测距单元的坐标中尽可能有更多的0值，运算也就更简单。

实施例2

根据本发明的另一个实施例，本实施例公开一种虚拟现实空间定位方法，该方法是通过第一测距单元A、第二测距单元B、第三测距单元C三个测距单元分别向位于空间定位区域内的定位目标E发射测距信号，测距单元根据接收到的定位目标反射回的测距信号的飞行时间便可以计算出与定位目标的距离L。检测出定位目标E分别与三个测距单元之间的距离L1、L2、L3后，再根据空间两点间的距离公式，有：

其中，第一测距单元A的坐标为(Ax,Ay,Az),第二测距单元B的坐标为(Bx,By,Bz),第三测距单元C的坐标为(Cx,Cy,Cz),定位目标E的坐标为(Ex,Ey,Ez)。由于在以三个测距单元为参照所定义的三维坐标系XYZ中，第一测距单元A、第二测距单元B、第三测距单元C的坐标是已知的，因此根据检测出的定位目标E与测距单元的距离L1、L2、L3，将所有已知参数代入上述公式就可以计算出定位目标E在前述坐标系中的三维坐标(Cx,Cy,Cz)，从而实现对目标的空间定位。由于该真实空间映射到VR虚拟空间，因此知道了定位目标E在所设定的真实空间的相对位置关系，也就知道了定位目标在VR虚拟空间中的相对位置关系，从而实现在虚拟空间的交互控制。

本领域的普通技术人员应该理解，本发明所述测距单元不限于红外测距器件，也可以是激光测距或其他任何原理的测距器件；为增加测距单元的测距角，也不限于特定数量的发射或接收器的并联或串联；由测距单元所设定的定位区域也不限于长方体，可以根据实际需要而是其他某种形状的空间区域。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一个实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。