专利名称：一种用于人机交互的运动追踪装置及其追踪方法
技术领域：
本发明涉及一种应用在人机交互、虚拟现实以及增强现实领域的运动追踪装置及 其追踪方法。
背景技术：
运动追踪技术的主要目的是实时追踪和反馈目标的位置和运动变化，得到位置等 相应的运动特征数据，即目标的三维空间定位及其运动参数获取。运动追踪的方法根据传 感元件的不同分为惯性追踪、光学追踪、力和机械式追踪、电磁式追踪、声学追踪等等。目 前，在人机交互领域比较常用的运动追踪技术是惯性追踪技术和光学追踪技术。惯性追踪 技术，通过在目标上设置惯性测量单元，测量得到加速度、角速度等数据，以此为基础使用 数学工具解算，获得目标的运动情况。惯性追踪的特点是实现简单，抗干扰性强；缺点是不 能全面地获取被追踪目标的运动特征，只能有限和局部地反映被追踪目标的运动特点。光 学追踪技术，通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成运动追踪的任务。理论上，对于空 间的任意一个点，只要它能同时被两台摄像机所见，则根据同一瞬间两摄像机所拍摄的图 像和摄像机参数，即可以确定这一时刻该点的空间位置。当摄像机以足够高的速率连续拍 摄时，从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。其中图像的处理采用的是三维图象重建 技术，即通过摄像机记录图像，通过数字化处理形成虚拟物体，然后通过三维空间标定，确 定物体的空间位置。光学追踪技术的特点是能全面地反映物体的运动情况，精度高；缺点是 实现较为困难，且追踪的范围较小。
发明内容
本发明提供了一种能实现在人机交互、虚拟现实以及增强现实系统中的应用，并 且能够有效扩大运动追踪范围的装置及其追踪方法。本发明是通过以下技术方案实现的一种用于人机交互的运动追踪装置，包括有运动追踪装置和目标信息处理装置， 所述的运动追踪装置包括有微惯性测量单元、一特定波长光源及一组视频采集装置；所述 目标信息处理装置包括有惯性参数提取单元、运动信息解算单元、图像特征提取单元、三维 空间定位单元及多传感器数据融合单元；所述的微惯性测量单元的信号输出端与所述惯性参数提取单元信号输入端连 接；所述视频采集装置的视频信号输出端与所述图像特征提取单元信号输入端连 接；所述特定波长光源的光信号输入所述视频采集装置；所述惯性参数提取单元的信号输出端与运动信息解算单元信号输入端连接；所述图像特征提取单元的信号输出端与三维空间定位单元信号输入端连接；所述运动信息解算单元和三维空间定位单元的信号输出端均与多传感器数据融合单元信号输入端连接；所述多传感器数据融合单元信号输出端与外接信号接口连接。一种用于人机交互的运动追踪装置，所述的微惯性测量单元的信号输出端与所述 惯性参数提取单元信号输入端通过无线收发装置无线连接。一种用于人机交互的运动追踪装置，所述的视频采集装置为摄像机。一种用于人机交互的运动追踪装置，所述的特定波长光源为发出单色光的光源。一种用于人机交互的运动追踪装置，所述的微惯性测量单元用于测量绑定目标的 惯性参数。一种用于人机交互的运动追踪装置，所述的光源包括至少一特征构图。一种用于人机交互的运动追踪装置追踪方法，包括以下步骤(1)将所述微惯性测量单元及特定波长光源与被测目标绑定；(2)运动追踪装置将目标运动参数传送至目标信息处理系统；(3)标信息处理系统对获得的目标运动信息进行处理；(4)通过目标空间坐标、运动姿态信息输出接口将精确的目标运动信息输出至人 机交互界面。一种用于人机交互的运动追踪装置追踪方法，所述步骤(2)包括微惯性测量单元 测得目标运动的惯性参数，使用无线发射装置将测得参数实时传送至所述目标信息处理系 统的惯性参数提取单元；步骤(2)还包括同时视频采集设备采集与被测目标绑定的所述特 定波长光源上的特征构图，并将采集的特征构图传送至图像特征提取单元。一种用于人机交互的运动追踪装置追踪方法，所述步骤(3)包括运动信息解算单 元解算从惯性参数提取单元提取到的惯性参数为参数的线性微分方程；微惯性测量单元至 少可以测量得到6D0F的数据；运动信息解算单元能以从惯性参数提取单元得到的数据为 参数，解算线性微分方程；三维空间定位单元对预处理过的图像进行处理，得到特征构图的 图像位置；显示设备上有两台视频采集设备，由三维空间定位单元根据所述图像特征提取 单元得到的特征构像通过使用立体视觉算法计算特征构图的三维空间坐标；处理特征 构图的运动轨迹为特征构图三维空间坐标点序列；多传感器数据融合单元将所述运动信息 解算单元及三维空间定位单元解算得到的目标运动信息融合，并输出。本发明所提供的一种用于人机交互的运动追踪装置及追踪方法，由于采用了冗余 设计，将惯性追踪与光学追踪复合使用，对被测目标进行运动追踪，通过目标信息处理系 统，将被追踪目标的物理位置精确量化，使其可以使用在人机交互环境，其实现简单方便， 追踪精度高，操作容易。
附图为装置结构示意框图。
具体实施例方式实施例1参见附图所示。本发明包括有运动追踪装置和目标信息处理装置4，运动追踪装置包括有微惯性
5测量单元5、一特定波长光源1及一组视频采集装置2、3 ；目标信息处理装置4包括有惯性 参数提取单元41、运动信息解算单元42、图像特征提取单元43、三维空间定位单元44及多 传感器数据融合单元45 ；微惯性测量单元5的信号输出端与所述惯性参数提取单元41信 号输入端连接；微惯性测量单元5的信号输出端与惯性参数提取单元41信号输入端通过无 线收发装置无线连接。视频采集装置2、3的视频信号输出端与图像特征提取单元43信号 输入端连接；特定波长光源1的光信号输入视频采集装置2、3 ；惯性参数提取单元41的信 号输出端与运动信息解算单元42信号输入端连接；图像特征提取单元43的信号输出端与 三维空间定位单元44信号输入端连接；运动信息解算单元42和三维空间定位单元44的信 号输出端均与多传感器数据融合单元45信号输入端连接；多传感器数据融合单元45信号 输出端与外接信号接口 6连接。视频采集装置2、3为摄像机。特定波长光源1为发出单色 光的光源。微惯性测量单元5用于测量绑定目标的惯性参数。光源包括至少一特征构图。 用于人机交互的运动追踪装置追踪方法，包括以下步骤目标在所述显示设备正面运动，与目标绑定的所述微惯性测量单元5将测量得到 一组6D0F的信息序列，通过无线传输模块传送至所述目标信息处理系统4 ；同时视频采集 设备2、3捕获所述特定波长光源1的一组特征图像序列，并将之传送至所述目标信息处理 系统4 ；目标信息处理系统4对所获数据进行解算、数据融合得到目标的精确运动信息，并 将其传送至相应的数据接口 6，通过相应的坐标变换，将其映射到虚拟三维空间，通过图形 处理系统输出至显示设备，得到图像输出，实现人机交互。实施例2装置结构同实施例1所述。其实现追踪方法为(1)将所述微惯性测量单元5及特定波长光源1与被测目标绑定；(2)运动追踪装置将目标运动参数传送至目标信息处理系统4 ；微惯性测量单元5测得目标运动的惯性参数，使用无线发射装置将测得参数实时 传送至所述目标信息处理系统4的惯性参数提取单元41 ；同时视频采集设备2、3采集与被 测目标绑定的所述特定波长光源1上的特征构图，并将采集的特征构图传送至图像特征提 取单元43。(3)目标信息处理系统4对获得的目标运动信息进行处理；包括运动信息解算单元42解算从惯性参数提取单元41提取到的惯性参数为参数 的线性微分方程；微惯性测量单元5至少可以测量得到6D0F的数据；运动信息解算单元42 能以从惯性参数提取单元41得到的数据为参数，解算线性微分方程；三维空间定位单元44 对预处理过的图像进行处理，得到特征构图的图像位置；显示设备上有两台视频采集设备 2、3，由三维空间定位单元44根据所述图像特征提取单元43得到的特征构像通过使用 立体视觉算法计算特征构图的三维空间坐标；处理特征构图的运动轨迹为特征构图三维空 间坐标点序列；多传感器数据融合单元45将所述运动信息解算单元42及三维空间定位单 元44解算得到的目标运动信息融合，并输出。(4)通过目标空间坐标、运动姿态信息输出接口 6将精确的目标运动信息输出至 人机交互界面。
权利要求
一种用于人机交互的运动追踪装置，包括有运动追踪装置和目标信息处理装置，其特征在于所述的运动追踪装置包括有微惯性测量单元、一特定波长光源及一组视频采集装置；所述目标信息处理装置包括有惯性参数提取单元、运动信息解算单元、图像特征提取单元、三维空间定位单元及多传感器数据融合单元；所述的微惯性测量单元的信号输出端与所述惯性参数提取单元信号输入端连接；所述视频采集装置的视频信号输出端与所述图像特征提取单元信号输入端连接；所述特定波长光源的光信号输入所述视频采集装置；所述惯性参数提取单元的信号输出端与运动信息解算单元信号输入端连接；所述图像特征提取单元的信号输出端与三维空间定位单元信号输入端连接；所述运动信息解算单元和三维空间定位单元的信号输出端均与多传感器数据融合单元信号输入端连接；所述多传感器数据融合单元信号输出端与外接信号接口连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于人机交互的运动追踪装置，其特征在于所述的微惯 性测量单元的信号输出端与所述惯性参数提取单元信号输入端通过无线收发装置无线连 接。
3.根据权利要求1所述的一种用于人机交互的运动追踪装置，其特征在于所述的视频 采集装置为摄像机。
4.根据权利要求1所述的一种用于人机交互的运动追踪装置，其特征在于所述的特定 波长光源为发出单色光的光源。
5.根据权利要求1所述的一种用于人机交互的运动追踪装置，其特征在于所述的微惯 性测量单元用于测量绑定目标的惯性参数。
6.根据权利要求1或4所述的一种用于人机交互的运动追踪装置，其特征在于所述的 光源包括至少一特征构图。
7.一种用于人机交互的运动追踪装置追踪方法，包括以下步骤(1)将所述微惯性测量单元及特定波长光源与被测目标绑定；(2)运动追踪装置将目标运动参数传送至目标信息处理系统；(3)标信息处理系统对获得的目标运动信息进行处理；(4)通过目标空间坐标、运动姿态信息输出接口将精确的目标运动信息输出至人机交 互界面。
8.根据权利要求7所述的一种用于人机交互的运动追踪装置追踪方法，其特征在于步 骤(2)包括微惯性测量单元测得目标运动的惯性参数，使用无线发射装置将测得参数实时 传送至所述目标信息处理系统的惯性参数提取单元；步骤(2)还包括同时视频采集设备采 集与被测目标绑定的所述特定波长光源上的特征构图，并将采集的特征构图传送至图像特 征提取单元。
9.根据权利要求7所述的一种用于人机交互的运动追踪装置追踪方法，其特征在于所 述步骤(3)包括运动信息解算单元解算从惯性参数提取单元提取到的惯性参数为参数的 线性微分方程；微惯性测量单元至少可以测量得到6D0F的数据；运动信息解算单元能以从 惯性参数提取单元得到的数据为参数，解算线性微分方程；三维空间定位单元对预处理过 的图像进行处理，得到特征构图的图像位置；显示设备上有两台视频采集设备，由三维空间定位单元根据所述图像特征提取单元得到的特征构像通过使用立体视觉算法计算特 征构图的三维空间坐标；处理特征构图的运动轨迹为特征构图三维空间坐标点序列；多传 感器数据融合单元将所述运动信息解算单元及三维空间定位单元解算得到的目标运动信 息融合，并输出。
全文摘要
本发明涉及一种用于人机交互的运动追踪装置及其追踪方法，包括有运动追踪装置和目标信息处理装置，其追踪方法包括(1)将所述微惯性测量单元及特定波长光源与被测目标绑定；(2)运动追踪装置将目标运动参数传送至目标信息处理系统；(3)标信息处理系统对获得的目标运动信息进行处理；(4)通过目标空间坐标、运动姿态信息输出接口将精确的目标运动信息输出至人机交互界面。本发明提供了一种能实现在人机交互、虚拟现实以及增强现实系统中的应用，并且能够有效扩大运动追踪范围的装置及其追踪方法。
文档编号G06T7/20GK101859439SQ20101017602
公开日2010年10月13日 申请日期2010年5月12日 优先权日2010年5月12日
发明者刘思杨, 崔海龙, 陈拥权 申请人:合肥寰景信息技术有限公司