專利名稱：追蹤并顯示使用者在空間的位置與取向的方法,向使用者展示虛擬環(huán)境的方法以及實現(xiàn) ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及確定使用者在空間的位置與取向的系統(tǒng)并可適用于交互式計算機游戲和運動或軍事目的的訓(xùn)練系統(tǒng)。本發(fā)明可應(yīng)用于教導(dǎo)和鍛練兒童和成人正確地完成運動游戲與舞蹈的練習和方法中以增進健康。
用于追蹤和顯示運動過程中人體位置的傳統(tǒng)系統(tǒng)，采用稱作測角器的機械裝置對頭部和身體部位的位置進行跟蹤，用以測量關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度并確定最終位置，例如手相對于身體或手指尖相對于手掌的位置。
傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的問題在于，由于測角器旋轉(zhuǎn)中心與關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心不重合，使測角器相對于關(guān)節(jié)，尤其是相對于那些具有多個自由度的關(guān)節(jié)，如像手關(guān)節(jié)，難于進行定位。人體關(guān)節(jié)并非是理想的樞紐關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度改變時旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生位移。為提高精確度，必須進行精確的對準。
參照Virtual Reality Technology,1994,John Wiley＆Sons,Inc.,PP.17-25,由Burdea G.,Coiffer P.描述了追蹤并顯示使用者空間位置與取向的磁系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括Polhemius公司的motion Capture Server和Ascention Technology公司的Flock of Birds，它們包括多個用于處理被測運動參數(shù)的電路板、控制器、外部定時電路板、通信電路板、鍵盤與監(jiān)視器、包含有三個電磁線圈的發(fā)送器以及接收器，每個接收器還具有一小型三合一電磁線圈，用以檢測由發(fā)送器發(fā)射的磁場。
這種系統(tǒng)的作用范圍小，且其精度隨發(fā)送器與接收器之間的距離而改變。在具有交流磁場的系統(tǒng)中，外來金屬物體的存在由于感應(yīng)渦流而損害精度。具有直流磁場的系統(tǒng)對外來金屬物體的存在不太敏感，然而，磁阻效應(yīng)會干擾由發(fā)送器產(chǎn)生的磁場。
這種系統(tǒng)的缺點還有由建立模擬信號中的延時引起的不夠高的速率以及會增大圖象在屏幕上搖擺的高噪聲電平．另一種傳統(tǒng)的系統(tǒng)為一追蹤使用者在空間的位置與取向的超聲系統(tǒng)，包括有包含固定于支承框架上的三件一套電聲發(fā)送換能器的發(fā)送器；包含有固定于支承框架上的三件一套的數(shù)套傳聲器的接收器，而該支承框架是設(shè)置于使用者身上，例如設(shè)置于帶有顯示裝置的頭盔上的；處理所測信息的系統(tǒng)以及顯示使用者合成圖象的系統(tǒng)(上文的PP25-28)。利用三角測量原理使用者得以定位，需要9個距離的測量值以確定使用者的位置與取向。該系統(tǒng)要求發(fā)送器與接收器之間能直接看得見。當需要追蹤許多個接收器時，詢檢頻率下降，即，為提供運動物體或其部分的實時再現(xiàn)所需要的測量速率下降。
上面討論的傳統(tǒng)的系統(tǒng)與包含有絕對運動參量傳感器的系統(tǒng)有關(guān)，這些傳感器對可運動物體相對于與發(fā)送器相連接的固定座標系統(tǒng)的絕對位置與取向進行測量。
還存在有包括相對運動參量傳感器的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的優(yōu)點在于它們的簡單與緊湊。作為這種系統(tǒng)描述的舉例可由“手套”構(gòu)成，它們被使用在包含有用于測量手指關(guān)節(jié)的某些或全部旋轉(zhuǎn)角度的傳感器的虛擬現(xiàn)實浸沒系統(tǒng)中。這種系統(tǒng)可進一步包括一用于追蹤使用者腕關(guān)節(jié)運動的絕對三維運動與方向傳感器(3D傳感器)。例如，帶有VPL公司的光學傳感器的Data Glove裝置(上文的PP.33-37)具有設(shè)在重量輕的彈性手套上的光學纖維和一3D傳感器。標準的構(gòu)造包括一對附加于每個手指外部的傳感器用以探測基本關(guān)節(jié)的彎曲。光纖與光電接口相聯(lián)接。該傳感器應(yīng)如此設(shè)計，使得關(guān)節(jié)在零度彎曲情況下通過纖維傳導(dǎo)的光不產(chǎn)生衰減，反之，彎曲能改變其衰減量，這就使得能夠?qū)﹃P(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角進行間接測量。使用修正系數(shù)與適當?shù)慕乒?，將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成角度值。這種系統(tǒng)存在的缺點在于在運動鏈開放狀態(tài)下累積的誤差所引起的較低精度，以及高成本。
在1996年2月13日公布的No5490784美國專利(US Cl.434-55,Int.Cl.G09B9/00)中描述了一種向使用者提供虛擬現(xiàn)實的系統(tǒng)，它包括一個具有六個自由度的球殼狀的可移動平臺組件，使用者即位于該平臺組件的內(nèi)部；球形平臺位置的感測裝置和配置在所述殼體內(nèi)部中的計算機。發(fā)送器將平臺位置信息發(fā)送給接收器，接收器又將接收的球形平臺角位置數(shù)據(jù)提供給位于該平臺外部的主計算機。提供給主計算機的是旋轉(zhuǎn)平臺線位移的信息。安裝在頭盔上的顯示器根據(jù)接收的平臺位移信息對虛擬現(xiàn)實圖象進行調(diào)整。
然而，該傳統(tǒng)系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時也不能提供充分的虛擬環(huán)境模擬。
于1992年10月14日公布的No5349517美國專利(Cl.395-129,Int.Cl.G06F15/20)描述了一種向使用者提供真實與虛擬環(huán)境的復(fù)合圖象的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括向使用者提供復(fù)合圖象的虛擬顯示裝置；產(chǎn)生指示使用者視野方向的方向信號的方向探測裝置；產(chǎn)生序列視頻信號的視頻攝像裝置，這些視頻信號綜合起來表示其視野；安裝所述視頻攝像裝置的攝像機安裝裝置，足以使該視頻攝像裝置的視野基本上與使用者視野相重合并追隨使用者視野的移動；響應(yīng)于所述方向信號的圖像產(chǎn)生裝置，用于產(chǎn)生該復(fù)合圖像的相對應(yīng)的適當計算機生成部分；對每個視頻信號進行分析并選擇視頻信號或計算機生成信號的圖象選擇與合成裝置，用以產(chǎn)生復(fù)合圖象信號并將所述復(fù)合圖象信號提供給所述可視顯示裝置。
然而，該系統(tǒng)不能根據(jù)使用者在空間真實位置與取向的變化向使用者提供虛擬環(huán)境圖象。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的在于提供一種追蹤并顯示使用者在空間的位置與取向的方法和系統(tǒng)，它保證能降低制造與操作的成本，并且同時提高精度與速率以滿足使用者運動的充分實時顯示的需要。
本發(fā)明的另一目的在于為使用者提供在空間自然地無限制地運動以及在追蹤使用者運動的過程中與虛擬環(huán)境目標交互作用的可能性。
本發(fā)明的另一目的在于提高精度并在他或她在實際環(huán)境中的運動過程中完全依照使用者位置與取向的改變向使用者提供滿意的虛擬環(huán)境。
前述的目的在追蹤并顯示使用者在空間的位置與取向的方法中得以實現(xiàn)，所述方法包括如下步驟a)將確定與各自連接點相鄰的各環(huán)節(jié)之間的至少一個角度的裝置最接近地附著在使用者運動系統(tǒng)環(huán)節(jié)的每個基本連接點上；b)在至少一個使用者運動系統(tǒng)環(huán)節(jié)上設(shè)置參考方向確定裝置；c)確定至少一個環(huán)節(jié)的取向，所述參考方向確定裝置相對于所述參考方向設(shè)置在該環(huán)節(jié)上；d)確定與所述基本連接點相鄰的環(huán)節(jié)之間的角度；e)根據(jù)所確定的角度值與至少一個環(huán)節(jié)的取向，一般地確定使用者在空間的位置與取向，所述參考方向確定裝置即設(shè)置在該環(huán)節(jié)上。為了獲得響應(yīng)于他或她的實際運動確定使用者空間位置與取向在時間上變化的相關(guān)序列數(shù)據(jù)，以預(yù)定的時間間隔重復(fù)步驟(c)至步驟(e)，記錄所獲得的使用者在空間的位置與取向的數(shù)據(jù)以便隨后使用。
此外，應(yīng)用使用者運動系統(tǒng)環(huán)節(jié)的線性尺寸值完成步驟(e)，以及進一步包括的步驟有(f)確定使用者運動系統(tǒng)的支承環(huán)節(jié)；(g)相對于被顯示環(huán)境中的支承點對所述支承環(huán)節(jié)進行定位。
為了獲得并記錄使用者在被顯示環(huán)境中位置與取向的數(shù)據(jù)序列并根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)顯示使用者的運動，在預(yù)定的時間間隔內(nèi)重復(fù)從步驟(d)至步驟(g)。
根據(jù)所記錄的數(shù)據(jù)按照需要實時地或稍后顯示出使用者的運動。
使用者的運動最好根據(jù)需要的觀測方位或者在對獲得的使用者運動的圖象進行附加編輯之后予以顯示。參考方向為地磁場傳感器的南-北方向及本地垂直傳感器的方向，或者是由陀螺穩(wěn)定參考方向傳感器確定的方向，或者是南-北方向與東-西方向，或者是由外部參考方向源確定的方向。
另外，所述參考方向確定裝置最好是至少一對間隔開的絕對座標傳感器，所述的一對傳感器配置在至少一個使用者的運動系統(tǒng)環(huán)節(jié)上。
最好還要應(yīng)用使用者的身高數(shù)據(jù)在人體的公知比例的基礎(chǔ)上確定使用者運動系統(tǒng)環(huán)節(jié)的線性尺寸，為了適當改變使用者相對于被顯示環(huán)境的尺寸，使用者運動系統(tǒng)環(huán)節(jié)的線性尺寸可按比例進行調(diào)節(jié)。
另外，在使用操作器以提供使用者與虛擬環(huán)境的目標互相作用的情況下，操作器的位置最好根據(jù)持有該操作器的使用者手的位置予以確定，同時使用位于其上的輔助參考方向確定裝置確定操作器的精確取向。
使用者運動系統(tǒng)諸環(huán)節(jié)之間的基本連接點最好從髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、胸部與腰部脊柱之間的連接點以及，足關(guān)節(jié)和指關(guān)節(jié)中進行選擇。
前述目的還可通過這樣一種追蹤使用者在空間的位置與取向的系統(tǒng)中達到，它包括有多個配置在使用者身體各部分上的運動參數(shù)傳感器，將傳感器信號變換成所需表現(xiàn)形式的變換裝置，具有與變換裝置的輸出端相連接的輸入端的測量數(shù)據(jù)處理單元，與測量數(shù)據(jù)處理單元相連接的使用者位置與空間取向顯示裝置，根據(jù)本發(fā)明所述系統(tǒng)進一步包括配置在至少一個使用者運動系統(tǒng)環(huán)節(jié)上的參考方向確定裝置，具有與運動參數(shù)傳感器及參考方向確定裝置相連接的詢檢通道的詢檢單元，詢檢單元的輸出端與變換裝置的輸入端相連，運動參數(shù)傳感器為配置在緊靠使用者運動系統(tǒng)環(huán)節(jié)之間的基本連接點或在各環(huán)節(jié)本身之上的相對旋轉(zhuǎn)角度傳感器。
位置與取向追蹤系統(tǒng)包括至少一個用于使用者與虛擬環(huán)境目標互相作用的裝置，通過詢檢通道與詢檢單元相連接的輔助參考方向確定裝置即配置在該裝置上面。
相對旋轉(zhuǎn)角度傳感器最好是纖維光學傳感器或應(yīng)變儀。
另外，參考方向確定裝置建立在地磁場傳感器及本地垂直傳感器，例如，重力傳感器或陀螺穩(wěn)定參考方向傳感器，或人工外部參考方向信號源傳感器的基礎(chǔ)上。
最后，位置與取向的追蹤系統(tǒng)最好包括存儲經(jīng)變換的測試數(shù)據(jù)的存儲裝置，用于隨后顯示使用者在空間的位置與取向，所述存儲裝置通過數(shù)據(jù)通信總線與測試數(shù)據(jù)處理單元相連接；用于構(gòu)建三維環(huán)境的數(shù)學模擬以及位于其中的使用者的數(shù)學模擬的附加數(shù)據(jù)輸入裝置，它與測試數(shù)據(jù)處理單元相連接；以所需要的視角產(chǎn)生圖象并編輯圖象的圖象產(chǎn)生單元，它連接在測試數(shù)據(jù)處理單元的輸出端與使用者空間位置與取向顯示單元的輸入端之間。
本發(fā)明的前述目的還可通過響應(yīng)于他或她在實際環(huán)境中的運動向使用者給出虛擬環(huán)境的方法來達到，所述方法包括如下步驟a)將確定與各自連接點相鄰的各環(huán)節(jié)之間至少一個角度的裝置最接近地附著在使用者運動系統(tǒng)環(huán)節(jié)的每個基本連接點上；b)確定使用者運動系統(tǒng)環(huán)節(jié)的線性尺寸；c)將參考方向確定裝置設(shè)置在至少一個使用者運動系統(tǒng)環(huán)節(jié)上；d)相對于所述參考方向確定至少一個環(huán)節(jié)的取向，所述參考方向確定裝置即設(shè)置在該環(huán)節(jié)上；e)確定與所述基本連接點相鄰的各環(huán)節(jié)之間的角度；f)根據(jù)獲取的角度值及至少一個環(huán)節(jié)取向，一般地確定使用者在空間的位置與取向，所述參考方向確定裝置即設(shè)置在該環(huán)節(jié)上；g)確定使用者運動系統(tǒng)的支承環(huán)節(jié)；h)相對于被顯示的虛擬環(huán)境中的支承點將所述支承環(huán)節(jié)定位；i)確定使用者頭部在虛擬環(huán)境中的位置與取向，用以確定使用者在虛擬環(huán)境中的視野；j)產(chǎn)生并向使用者提供與使用者視野相對應(yīng)的虛擬環(huán)境區(qū)域。
響應(yīng)于使用者的運動以及與虛擬環(huán)境目標的交互作用，重復(fù)步驟d)至j)，以便實時顯示虛擬環(huán)境的變化。
可以記錄使用者的位置與取向數(shù)據(jù)序列以便隨后使用。
參考方向最好取地磁場傳感器的南-北方向與垂直傳感器的方向，或南-北與東-西方向，或由陀螺穩(wěn)定參考方向傳感器確定的方向，或由外部參考方向源確定的方向，或由至少一對間隔開的絕對座標傳感器產(chǎn)生的方向，所述的一對傳感器配置在至少一個使用者的運動系統(tǒng)環(huán)節(jié)上。
最好在人體公知的比例基礎(chǔ)上應(yīng)用使用者的身高數(shù)據(jù)確定使用者運動系統(tǒng)環(huán)節(jié)的線性尺寸，使用者運動系統(tǒng)環(huán)節(jié)的線性尺寸可按比例進行調(diào)節(jié)，用以適當?shù)馗淖兪褂谜呦鄬τ诒伙@示環(huán)境的尺寸。
另外，在利用操作器以提供使用者與被顯示的虛擬環(huán)境目標的互相作用的情況下，操作器的位置最好根據(jù)持有該操作器的使用者手的位置加以確定，同時該操作器的精確取向利用配置于其上的輔助參考方向確定裝置來確定。
使用者運動系統(tǒng)環(huán)節(jié)之間的基本連接點最好由髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、頭部與肩部之間以及胸椎與腰椎之間的連接點以及，足關(guān)節(jié)與指關(guān)節(jié)中進行選擇。
本發(fā)明的前述目的還可通過對運動于實際環(huán)境中的使用者給出虛擬環(huán)境的系統(tǒng)加以實現(xiàn)，該系統(tǒng)包括虛擬環(huán)境圖象顯示裝置；產(chǎn)生指示使用者視野方向信號的裝置；產(chǎn)生與使用者的視野相符合的虛擬環(huán)境圖象信號的裝置，它具有與產(chǎn)生指示使用者視野方向信號裝置的輸出端相連接的輸入端，以及與虛擬環(huán)境圖象顯示裝置的輸入端相連接的輸出端；其中根據(jù)本發(fā)明，所述產(chǎn)生指示使用者視野方向信號的裝置進一步包括確定與所述環(huán)節(jié)適當連接點相鄰的使用者運動系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間的至少一個角度的裝置；配置在至少一個使用者運動系統(tǒng)環(huán)節(jié)上的參考方向確定裝置；模數(shù)變換裝置，其輸入端與所述確定使用者運動系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間角度的裝置及所述參考方向確定裝置的輸出端相連接；用于建立模擬的三維環(huán)境及其中使用者的單元，其輸入端與所述模數(shù)變換裝置的輸出端相連；以及使用者視野確定單元，其輸入端與所述建立三維環(huán)境及使用者數(shù)學模擬的單元的輸出端相連接，其輸出端與產(chǎn)生符合于使用者視野的虛擬環(huán)境圖象信號的所述裝置的輸入端相連接；產(chǎn)生符合于使用者視野的虛擬環(huán)境圖象信號的所述裝置的第二輸入端與建立三維環(huán)境及其中使用者數(shù)學模擬的單元的輸出端相連接。
相對旋轉(zhuǎn)角度傳感器最好采用應(yīng)變儀或纖維光學傳感器。
更進一步地，參考方向確定裝置最好用地磁場傳感器與本地垂直傳感器，或陀螺穩(wěn)定參考方向傳感器，或外部參考方向信號源傳感器。
在為使用者與被顯示的實際或虛擬環(huán)境的目標交互作用而使用操作器的情況下，最好采用配置在該操作器上的輔助參考方向確定裝置，所述輔助參考方向確定裝置的輸出端與所述模-數(shù)變換裝置的輸入端相連。
最后，最好采用與所述模-數(shù)變換裝置的輸出端相耦合的長期記憶單元。
附圖簡述下面結(jié)合附圖對實施例的描述將使本發(fā)明更加清楚。附圖中


圖1表示在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)中用于確定使用者運動系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間角度的裝置與參考方向確定裝置的配置的使用者通常視圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明的追蹤并顯示使用者位置與取向的系統(tǒng)的總體框圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明的為在實際環(huán)境中運動的使用者提供虛擬環(huán)境的系統(tǒng)的總體框圖。
對實施例的詳述在圖1中示意地描繪了一個具有一運動系統(tǒng)的使用者，該運動系統(tǒng)包括帶有連接點3的環(huán)節(jié)2。環(huán)節(jié)2的連接點3類似于骨骼與關(guān)節(jié)的連接。如同人或動物的關(guān)節(jié)，連接點具有不同的自由度。例如，前臂與肩部、小腿與大腿的連接可作為具有一個自由度的簡單樞紐關(guān)節(jié)進行模擬，而肩關(guān)節(jié)中肩部與肩胛骨的連接、以及髖關(guān)節(jié)的模擬則需要具有大量自由度的樞紐關(guān)節(jié)。
確定各環(huán)節(jié)2之間角度的裝置為傳感器4，它們追蹤各環(huán)節(jié)及其彼此相對部分的位置，傳感器設(shè)置在環(huán)節(jié)2的連接點3上及環(huán)節(jié)2本身之上。傳感器4用作精確地追蹤使用者的運動，包括對某些環(huán)節(jié)相對于其軸線的旋轉(zhuǎn)角度的測量，例如，肘環(huán)節(jié)的一端相對于其另一端旋轉(zhuǎn)角度的測量。肘環(huán)節(jié)包括兩個彼此相對運動的半徑，它能使一個環(huán)節(jié)的端部相對于另一端在其軸線內(nèi)旋轉(zhuǎn)。有若干個環(huán)節(jié)能夠圍繞其軸線旋轉(zhuǎn)而不改變該環(huán)節(jié)與相鄰環(huán)節(jié)之間的角度。它們是頭與頸一起相對于肩部的旋轉(zhuǎn)；身體的胸部相對于骨盆部位的旋轉(zhuǎn)。傳感器4可以采用纖維光學傳感器或應(yīng)變儀。在本發(fā)明的一個實施例中，傳感器4可以是角位移和線位移測量傳感器，由發(fā)送部件與接收部件組成，響應(yīng)于接收電路中感生電動勢的變化，而該電動勢隨著各環(huán)節(jié)之間角度的變化而改變。
參考方向確定裝置5設(shè)置在一個環(huán)節(jié)2上用以確定相對于參考方向的環(huán)節(jié)取向。裝置5可方便地設(shè)置在那些當使用者進行規(guī)范的運動，如步行與跑步時保持最為穩(wěn)定的部位上。該裝置最好設(shè)置在骨盆部位。當使用者處于虛擬現(xiàn)實中時，采用緊固在頭上的輔助參考方向確定裝置能更快和更準確地追蹤頭部的取向。在一個實施例中，該參考方向確定裝置可設(shè)置在相鄰的各環(huán)節(jié)上，并且根據(jù)它們相對于參考方向的取向來確定其角位置。
向使用者顯示虛擬環(huán)境的裝置，設(shè)置在使用者頭上眼睛的前面。
如圖2所示，追蹤并顯示使用者位置與取向的系統(tǒng)的實施例包括詢檢單元7，該詢檢單元包括一主時鐘，確定傳感器4的詢檢頻率n、參考方向確定裝置5的詢檢頻率m、用作與虛擬環(huán)境目標(操作器、操縱桿、武器模擬器等)交互作用的附加裝置8的詢檢頻率k。詢檢單元7的輸出端與模-數(shù)變換裝置(ADC)9相連接，該模-數(shù)變換裝置用于將從傳感器4、附加裝置8以及參考方向確定裝置5接收的模擬數(shù)據(jù)變換成例如具有8比特值的數(shù)字數(shù)據(jù)。ADC9的輸出端與具有存儲元件數(shù)量不少于(n+m+k)的存儲單元10的輸入端相連接。存儲單元10通過詢檢單元11與長期記憶單元12及數(shù)據(jù)準備單元13相連接。該長期記憶單元12存儲響應(yīng)于使用者動作的隨時間變化的使用者位置與取向數(shù)據(jù)，用于不同目的的進一步用途。在這種情況下長期記憶單元12的輸出端可與數(shù)據(jù)準備單元13的輸入端相連接，該數(shù)據(jù)準備單元修平所獲得的數(shù)據(jù)，排除偶然的誤差并通過構(gòu)建使用者數(shù)學模擬所需的形式表示這些數(shù)據(jù)。在一個實施例中，如果相應(yīng)地采用了ADC，則長期記憶單元的輸入端可與ADC的輸入端相連接?？紤]兩個實施例，元件7、9、10和11一起可稱為模-數(shù)變換裝置。
數(shù)據(jù)準備單元13的輸出端與單元14的輸入端相連接，單元14用以構(gòu)建使用者顯示于其中(或向使用者顯示)的三維環(huán)境數(shù)學模擬以及其中使用者的數(shù)學模擬。單元13與14一起可稱為測試與變換數(shù)字數(shù)據(jù)處理裝置。與單元14相連接的是附加數(shù)據(jù)輸入單元15，它確定使用者的附加信息、被顯示的環(huán)境、使用者的運動與被顯示環(huán)境中動力學變化之間的時間關(guān)系。該信息可包括使用者如下的附加信息，如他或她的身高、體重、性別、年齡等。當附加信息缺少或不需要時，使用者的數(shù)學模擬按照具有標準比例的標準人計算。單元14包括用于確定在其上相對于參考方向設(shè)有參考方向確定裝置5的基本環(huán)節(jié)的取向的單元16、一般地構(gòu)建使用者模擬的單元17、確定使用者支承環(huán)節(jié)的單元18、用于在由計算機產(chǎn)生的模擬環(huán)境中相對于支點對使用者定位的單元19。單元14的輸出端與以所需要的視角產(chǎn)生圖象的單元20的輸入端相連接。單元20的輸出端與用于顯示相對于支點定位的被模擬使用者在被顯示環(huán)境中的位置與取向的單元21的輸入端相連接。
參照圖3，向?qū)嶋H環(huán)境中運動的使用者給出虛擬環(huán)境的系統(tǒng)包括圖2中相同的那些元件4、5、7至19，而與圖2中描繪的系統(tǒng)相比的區(qū)別在于單元14的輸出端與使用者視野確定單元22的輸入端和產(chǎn)生與使用者視野相符合的虛擬環(huán)境圖象信號的單元23的輸入端相連接。單元22的輸出端還與虛擬環(huán)境圖象信號產(chǎn)生單元23的輸入端相連接。單元23的輸出端與根據(jù)使用者在其中的位置與取向為使用者提供他或她處于其中的虛擬環(huán)境的單元24的輸入端相連接。
在圖2中說明的追蹤并顯示使用者位置與取向的系統(tǒng)以如下方式進行操作。
在優(yōu)選的實施例中，傳感器4及參考方向確定裝置5附加在如同工裝褲那樣的特殊人體服上，或直接地附加在使用者的各環(huán)節(jié)2之間的連接點3的位置上以及各環(huán)節(jié)2本身之上。帶有一套傳感器4與裝置5的人體服應(yīng)該重量輕、易戴上與取下以及不妨礙使用者運動。傳感器4附加在人體服上，因此當使用者運動時，即各環(huán)節(jié)2之間的角度發(fā)生變化或環(huán)節(jié)的一端相對于另一端沿該環(huán)節(jié)軸線產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)時，傳感器中的一些物理參數(shù)發(fā)生變化。這些物理參數(shù)應(yīng)在預(yù)定的范圍之內(nèi)響應(yīng)于相鄰環(huán)節(jié)2之間角度從一個極端位置到另一個極端位置的變化而發(fā)生改變。
該系統(tǒng)可以具有主要及輔助參考方向確定裝置5，以確定適當裝置5設(shè)在其上的環(huán)節(jié)與參考方向之間的角度。主要參考方向確定裝置5設(shè)置在被作為基本環(huán)節(jié)的環(huán)節(jié)上。最好選擇比較接近使用者幾何中心的及在人的典型運動、如步行與跑步中最穩(wěn)定的環(huán)節(jié)為基本環(huán)節(jié)。骨盆環(huán)節(jié)能最好地滿足這些要求。當使用者處于虛擬現(xiàn)實中時，可采用附加在頭部的輔助參考方向確定裝置5以更精確與更快地追蹤頭部的傾斜與轉(zhuǎn)動。
來自傳感器4、參考方向確定裝置5及用于與虛擬環(huán)境目標交互作用的附加裝置8的信息，被加至ADC并根據(jù)由詢檢單元7的時鐘發(fā)生器產(chǎn)生的詢檢信號進行修正。從ADC9獲得的信息被加至存儲單元10中的相應(yīng)記憶元件上。
詢檢單元11對存儲單元10中的記憶元件進行詢檢并產(chǎn)生用以確定使用者位置與取向的數(shù)據(jù)序列，包括有相對于特定(當前)時刻從附加裝置8獲得的數(shù)據(jù)，以及向長期記憶單元12提供用于長期存儲的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可在任何時刻被利用，為此只需將該數(shù)據(jù)提供給數(shù)據(jù)準備單元13以便隨后處理。當用于實時狀態(tài)時，從詢檢單元11獲取的數(shù)據(jù)直接提供給數(shù)據(jù)準備單元13。單元13修平獲取的數(shù)據(jù)，消除偶然誤差，產(chǎn)生所需的數(shù)據(jù)序列并向單元14給出所需形式的數(shù)據(jù)，用以構(gòu)建使用者的數(shù)學模擬。
單元14構(gòu)建使用者在其中被顯示的三維環(huán)境的數(shù)學模擬以及其中使用者的數(shù)學模擬。通過附加數(shù)據(jù)輸入單元15，使用者的附加數(shù)據(jù)、被顯示的環(huán)境、使用者的運動與被顯示環(huán)境中的動力學變化之間的時間關(guān)系被送入單元14。該信息可包含使用者如下的附加信息，如他或她的身高、體重、性別、年齡等。當附加信息缺少或不需要時，該數(shù)學模擬以具有標準比例的標準人進行計算。如果希望在被顯示的環(huán)境中用人造的大或小的目標產(chǎn)生“Gulliver”效應(yīng)，則需要對環(huán)境及其中目標的線性尺寸與使用者線性尺寸之間比例的輸入數(shù)據(jù)進行修正。以同樣方式，當從長期記憶單元12送入數(shù)據(jù)時，通過改變使用者運動的動態(tài)特性可使快或慢時間標度引入至被顯示環(huán)境中。如果使用者的運動數(shù)據(jù)實時地提供給單元13，在被顯示環(huán)境中的程序流的動態(tài)特性可被加速或減慢。
根據(jù)所接收的數(shù)據(jù)，主要環(huán)節(jié)構(gòu)成與取向單元16計算并構(gòu)建在其上面相對于參考方向設(shè)有主要參考方向確定裝置的基本環(huán)節(jié)的位置與取向。該參考方向最好是與地球的地磁場相關(guān)的方向，南—北、東—西方向或在地球重力場與南—北方向的基礎(chǔ)上確定的本地垂直方向。這些場一般到處存在且與使用者無關(guān)。使用專門的裝置如電磁羅盤及水平或垂直重力傳感器，使用者的取向可被確定，尤其是在其上面緊固這些裝置的那些使用者運動系統(tǒng)的環(huán)節(jié)的取向可被確定。在對地球磁場具有強烈干擾或屏蔽的地方可用專門的裝置產(chǎn)生參考方向的人造場。需要指出，在這種情況下只需確定使用者在該場當中的取向而不需要使用要求繁重計算的三角測量算法用于確定至該裝置的絕對距離。
一般地構(gòu)建使用者模擬的單元17利用其間角度的修正數(shù)據(jù)，向已經(jīng)建立的基本環(huán)節(jié)添加其相鄰環(huán)節(jié)，并且進一步向已經(jīng)建立的相鄰環(huán)節(jié)添加其后的相鄰環(huán)節(jié)，依此類推直至最后環(huán)節(jié)。
單元18確定使用者的支承環(huán)節(jié)。作為舉例，如果使用者沿著水平的平面運動，支承環(huán)節(jié)相對于本地垂直方向來說將是最低的一個，而支承點將是該環(huán)節(jié)的最低部分。
單元19相對于計算機生成環(huán)境中的支承點將使用者定位。為此，在最簡單的情況下，定位之后的使用者的模擬與模擬環(huán)境中使用者的支承點相對準，以便記錄使用者支承環(huán)節(jié)的支承部分及模擬環(huán)境的一部分，這一部分是當前時刻使用者的支承點。在使用者運動，例如跳躍，即一度“飛行”的情況下，利用使用者動態(tài)特性的最近信息使他或她相對于支承點定位。應(yīng)該指出，具有了動態(tài)特性的各環(huán)節(jié)之間角度變化的完整信息，甚至使用者心率及在他或她被從該支點推開時的受力也可進行計算。這就允許對被顯示環(huán)境中使用者的運動進行幾乎逼真的模擬。在這種情況下，根據(jù)使用者環(huán)節(jié)變化的位置與取向，可以基本上跟蹤使用者在空間的位置(座標)與取向的動態(tài)變化。這即是說，從被顯示的使用者運動的圖象中可以看出，例如，使用者朝北方走了十步，轉(zhuǎn)過來朝東南跑，等等。
從單元14的輸出端，在模擬環(huán)境中所構(gòu)建的使用者模擬的信息被加至按所需視角產(chǎn)生圖象的單元20的輸入端，在其中觀察者視角受到選擇，所需視角產(chǎn)生的使用者圖象被解算，以及如果需要，該圖象被編輯用于隨后的顯示。從單元20的輸出端將該信息提供給單元21的輸入端，單元21對相對于被顯示環(huán)境中的支承點定位的被模擬使用者的位置與取向進行顯示。利用單元20，使用者自身或旁觀者可以確定用于觀察使用者運動動力學的形態(tài)。如果愿意，使用者的運動可自上、自下、自側(cè)面或自變化的視點進行觀察。在顯示已事先寫入長期記憶單元的使用者運動時，該運動在顯示前可根據(jù)某項任務(wù)進行編輯。舉例來說，可同期顯示同一使用者在不同時間寫入記憶單元的運動，或者為了比較而顯示不同使用者的運動。取決于任務(wù)設(shè)定，使用者的運動可用簡化的仿效模擬或更接近于帶有“反映”衣服、皮膚、周圍環(huán)境復(fù)雜結(jié)構(gòu)的逼真圖象的任何其它形式進行顯示。在前一種情況下，基本上任何計算機都能完成任務(wù)，而在后一種情況下則需要具有優(yōu)良圖解能力的功能強大的計算機。
當向使用者給出虛擬環(huán)境時，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的運行大體上與參考圖2描述的相同。區(qū)別性特征在于單元14構(gòu)建被顯示給使用者的環(huán)境的三維模擬，以及其中使用者的數(shù)學模擬。從單元14的輸出端，模擬環(huán)境中所構(gòu)建的使用者模擬的信息被加至確定使用者視野的單元22的輸入端及產(chǎn)生虛擬環(huán)境圖象的單元23的輸入端。利用從單元14接收的信息，單元22確定虛擬環(huán)境中使用者的視野，即使用者在當前時刻能看見的虛擬環(huán)境的那部分。從單元22的輸出端，使用者的視角信息被加至產(chǎn)生虛擬環(huán)境圖象的單元23。根據(jù)使用者的視野和虛擬環(huán)境模擬，單元23產(chǎn)生使用者根據(jù)實際環(huán)境中的運動而計算出的虛擬環(huán)境中他或她的位置與取向能看見的那部分虛擬環(huán)境的圖象。響應(yīng)于他或她在虛擬環(huán)境中的位置與取向，從單元23的輸出端，該信號被加至向使用者給出他或她處于其中的虛擬環(huán)境的單元24的輸入端。單元24可以是任何虛擬環(huán)境顯示裝置監(jiān)視器，虛擬頭盔或護目鏡，包括裝置6(見圖1)。
正如前面在現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)的描述中所提到的，大多數(shù)傳統(tǒng)系統(tǒng)使用由設(shè)置在使用者身上的傳感器確定的絕對座標來產(chǎn)生使用者的模擬。因此，使用者在空間的位置通常被自動檢測。在動態(tài)時，該絕對座標將給出使用者運動的路線。然而，該環(huán)境通常受到設(shè)置于使用者動作活動范圍周邊之上的外在傳感器或發(fā)送器限制的約束。比較起來，本發(fā)明對使用者運動的活動范圍基本上不產(chǎn)生約束，因為對于確定使用者的位置與取向所需的一切都設(shè)置在使用者自身之上。重要之處僅在于提供參考方向確定裝置的操作范圍，且同時根據(jù)各環(huán)節(jié)之間角度變化的信息與使用者相對于參考方向的取向的信息用計算機計算使用者在空間的運動。環(huán)境的變化可以根據(jù)使用者步伐的數(shù)目、尺寸及方向進行計算。為了確定步伐的尺寸，在完成該步的瞬間使用者各支承環(huán)節(jié)之間的角度及各支承環(huán)節(jié)的線性尺寸應(yīng)為已知數(shù)。更詳細地說，為確定人的步伐需要知道左、右腿大腿骨之間的角度，每條腿的大腿骨與小腿之間的角度，以及小腿與大腿的線性尺寸。在某些情況下測量腳與小腿之間的角度以及腳與腳趾之間的角度也是有用的。
為了簡化通過環(huán)節(jié)相對平面的取向確定支承環(huán)節(jié)的判據(jù)，可以使用安裝在使用者底部的傳感器。例如，在某時刻如果一條腿為支承腿，則傳感器中的觸點閉合；相反，如果該腿抬起并懸垂，該觸點則斷開。該傳感器還能提供每條腿攜帶的載荷信息。根據(jù)動態(tài)時由腿攜帶的載荷及使用者的重量，即使在跳躍時也可計算使用者的沖力以及使用者的運動路線。對于計算使用者運動的運動路線及體格特性所需要的數(shù)據(jù)也可根據(jù)各環(huán)節(jié)之間角度變化的動態(tài)特性加以計算。
工業(yè)應(yīng)用性根據(jù)本發(fā)明的方法與系統(tǒng)提供各種迄今不能實現(xiàn)的全新的可能性，尤其是，進行包括各種運動比如體育與舞蹈的測試與競賽，用于評價對于設(shè)定情況的反應(yīng)充分程度以及用于博擊。這些競賽能夠在時間上進行區(qū)分，例如，通過從同一使用者在不同時間取得數(shù)據(jù)。然后，為了進行對比，在觀察到這些運動之后既可由計算機也可由人對這些數(shù)據(jù)進行評估和比較。競賽可在許多使用者中同時地進行。為此，可以從數(shù)個使用者實時地取得數(shù)據(jù)，并將其用于比較運動的執(zhí)行及環(huán)境響應(yīng)的正確性，響應(yīng)速度以及運動的初始情況。這樣的競賽可在與國際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)相聯(lián)結(jié)的本發(fā)明系統(tǒng)的使用者之間進行，而這些使用者可以相距很遠的距離。
寫入記憶單元的使用者位置與取向數(shù)據(jù)可進一步存檔?？梢越⑷祟惢蛉魏渭棺祫游锏牡湫瓦\動與由著名運動員及舞蹈家寫入的獨特運動的數(shù)據(jù)庫。
本發(fā)明的一個基本優(yōu)點在于全部傳感器設(shè)在使用者身上。不需要確定到由現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中外部傳感器位置限定的參考點的絕對距離。本發(fā)明確保使用者在基本上無邊界的環(huán)境中確定其位置與取向，該無邊界環(huán)境只具有使用者可與之相對地被定向的參考方向場。參考方向的確定，如上所述，要提前確定一個環(huán)節(jié)的取向，在該環(huán)節(jié)上參考方向確定裝置相對于該參考方向進行設(shè)置。最合適的參考方向為與我們無關(guān)而基本上到處存在的地球天然場的矢量方向。建議的兩個參考方向(第三個方向與前兩個方向正交而構(gòu)成)為地球磁場的南—北與東—西方向，或者例如南—北方向與由地球重力場確定的本地垂直方向。如果使用者處在與外部場屏蔽的房間內(nèi)，可以使用人工參考方向場發(fā)生器。在此情況下，同前面一樣，需要確定使用者在參考方向場中的取向，而不是至外部發(fā)生器的絕對距離。在此情況下需要確定的是在其上設(shè)置參考方向確定裝置的環(huán)節(jié)矢量與該參考方向之間的角度。
根據(jù)本發(fā)明通過追蹤使用者的位置與取向以及向使用者給出虛擬環(huán)境，當處于虛擬現(xiàn)實中時，在被記錄的使用者活動的歷史范圍之內(nèi)“時間機器”的幾乎所有的特征都可以實現(xiàn)。使用者可在他或她的被記錄行為或其它英雄行為的任意瞬間返回至他或她的歷史中的任意時刻。這可被用于計算機游戲，以便游戲者為了更大的效益能夠恢復(fù)與改變他或她的狀態(tài)?？紤]到可寫入數(shù)條平行的狀態(tài)線，使用者可選擇他或她認為最有效的任意一條狀態(tài)線以繼續(xù)他或她的行為。通過使用被記錄的使用者位置與取向的動態(tài)變化，可以實現(xiàn)由三個空間維度與時間維度所限定的四維環(huán)境。與現(xiàn)實生活中運動僅沿時間向未來單一方向完成不同，通過采用存儲的數(shù)據(jù)，本發(fā)明可使連續(xù)的或不連續(xù)的運動能夠在寫入存儲單元的數(shù)據(jù)范圍之內(nèi)朝著時間的不同方面完成，如同在空間中一樣容易。
由于本發(fā)明對使用者的運動進行追蹤并提供虛擬環(huán)境而不用借助于復(fù)雜的外部裝置，現(xiàn)有計算機系統(tǒng)的能力可得到擴展并可找到新的應(yīng)用領(lǐng)域。可產(chǎn)生所跟蹤的使用者運動的標準描述以便不同系統(tǒng)中采用。這樣的使用者運動的標準描述在動畫制作中及用于產(chǎn)生專用程序庫時可被用作，例如VRML(虛擬現(xiàn)實模擬語言)部分?？紤]到利用由根據(jù)本發(fā)明的方法追蹤的使用者的自然運動對程序進行控制的可能性，大多數(shù)未來計算機應(yīng)用程序能夠利用這些標準模型。為了提供利用其中使用者運動由鍵盤、鼠標或操作桿及根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)實現(xiàn)的當前計算機應(yīng)用程序的全部材料庫的可能性，必須提供接口裝置，即能識別使用者的運動并將其變換成游戲控制信號與類似運動模擬信號的程序。
本發(fā)明的一個最重要的應(yīng)用涉及訓(xùn)練使用者如何完成某些典型運動，比如跳舞、體育或職業(yè)運動或用于增進健康的運動。為此，將典型運動向使用者顯示。為達到最好的結(jié)果，應(yīng)向受訓(xùn)者提供重試、選擇任意狀態(tài)、動態(tài)完成，以及逐步完成的可能性。然后使用者應(yīng)盡可能正確地盡力重復(fù)這些運動。為了隨后的控制，他或她的運動應(yīng)進行存儲、記錄，以便將其與典型運動進行比較?？赏ㄟ^不同的方法來完成典型運動與使用者運動的比較。使用者自己可觀察同期顯示的典型運動與事先存儲的使用者運動。更有意義與更有前途的可能性在于利用計算機或熟練的專業(yè)人員評價使用者運動的正確性。根據(jù)裝入的程序，對通過使用者的位置與取向跟蹤的使用者運動進行比較之后，計算機能提供評價與建議。使用者將修正他或她的運動直至達到所需的熟練與準確程度。這個過程類似于由教練進行訓(xùn)練，然而它不包括相應(yīng)的開支以及教練對進程的認可。由最好的教練建立的反饋程序可以復(fù)制成上百萬件復(fù)制品，每個人在任何方便的時間都能使用它。
本發(fā)明還可用于監(jiān)測使用者的被測身體緊張程度。舉例來說，根據(jù)醫(yī)生或教練員的建議確定特定人員的緊張程度。在沒有這樣的單個建議或一般的相反指示時，計算機可計算出并建議一定時期的緊張度體系。為限定緊張度，可以利用過去慢性疾病、體重、身高、性別、年齡、訓(xùn)練目的、訓(xùn)練等級與一天中的精神壓力等數(shù)據(jù)?？蛇M行包括對身體反應(yīng)，例如一定壓力下心率的變化程度，進行監(jiān)視的專門初步測試。
緊張度確定之后，計算機可產(chǎn)生對于限定時間的最佳建議。使用最完全追蹤使用者運動的傳感器系統(tǒng)，使用者開始他或她的訓(xùn)練，因而身體各單獨部分上的緊張度數(shù)據(jù)在運動信息的基礎(chǔ)上可容易地計算出。在這種訓(xùn)練中，利用從使用者心率傳感器取得的數(shù)據(jù)以及，如果適宜的話，其它生理特征參數(shù)是有益的。
如果使用者處于虛擬環(huán)境中并使用允許無約束地完成運動的訓(xùn)練系統(tǒng)，使用者的鍛練與精神壓力可以通過改變故事、動態(tài)特性及圍繞使用者的環(huán)境由下載程序得到控制。在游戲當中可通過投入許多表面的敵人、情節(jié)的緊張程度、以足夠的速度追擊敵人或從危險地區(qū)逃脫的必要性等完成控制。這種控制使得，例如，心率在規(guī)定的時間周期內(nèi)能夠保持在預(yù)定的范圍內(nèi)，對于使用者這是不引人注意的。在希望的強度達到以后，使用者應(yīng)處于執(zhí)行任務(wù)與完成情節(jié)的狀態(tài)。這將允許他或她在因取得的結(jié)果而情緒激動的精神狀態(tài)中結(jié)束訓(xùn)練。很遺憾，通?，F(xiàn)有的游戲不能滿足這些原則。選手通常是靜止的，即高度精神壓力下的零位鍛練強度，這可導(dǎo)致情緒緊張與低落。以可控的鍛練強度與情緒壓力完成的游戲與鍛練可成為防止體能減弱和神經(jīng)過度緊張的好方法，并促進個人全面諧調(diào)的發(fā)展。
具有預(yù)定身體緊張度的，并伴隨提供知識的或內(nèi)容豐富的信息的鍛練可通過處于特殊的、使用者選擇的虛擬環(huán)境中來實現(xiàn)。例如，計算機程序可模擬具有導(dǎo)游的在著名地區(qū)的跑步旅游，該導(dǎo)游可說出有趣場所并設(shè)置以預(yù)定的速度或需要時以可變的速度步行或跑步旅游的進度。在預(yù)定的緊張度達到之后這個旅游即可結(jié)束．因為鍛練是獨立的，以前的鍛練與緊張度數(shù)據(jù)可寫入計算機記憶單元用于以后使緊張度從初級水平向穩(wěn)定的推薦水平的改進。標準恒定的或逐日改變的強度可以加入感情色彩并伴隨以新的有用信息。為了添加更好的感情色彩，可以提供選擇導(dǎo)游的性別或年齡，或模擬著名的演員或政治家圖像的可能性。
如果采用該傳感器系統(tǒng)的使用者達到一定緊張度而不處在虛擬現(xiàn)實中，其緊張度可用處理器控制，通過經(jīng)由聽覺通道的耳機提供反饋。該處理器可通報改變身體各單獨部位緊張度的一般進度的必要性。此判斷可以根據(jù)緊張度計算程序，在追蹤使用者位置與取向的系統(tǒng)所接收信息的基礎(chǔ)上做出。
權(quán)利要求
1．一種追蹤并顯示使用者在空間的位置與取向的方法，包括有確定使用者身體各部分位移的參數(shù)，將獲得的測試數(shù)據(jù)變換成所需的表現(xiàn)形式以及處理一組變換數(shù)據(jù)以產(chǎn)生用于確定使用者在空間的位置與取向的數(shù)據(jù)，所述方法的特征在于包括以下的步驟a)靠近使用者運動系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的每個基本連接點附著上用于確定至少一個與相應(yīng)連接點相鄰的各環(huán)節(jié)之間角度的裝置；b)在至少一個使用者運動系統(tǒng)環(huán)節(jié)之上設(shè)置參考方向確定裝置；c)確定至少一個環(huán)節(jié)相對于所述參考方向的取向，在該環(huán)節(jié)之上設(shè)置有所述參考方向確定裝置；d)確定與所述基本連接點相鄰的各環(huán)節(jié)之間的角度；e)根據(jù)所確定的角度值與至少一個在其上設(shè)置有參考方向確定裝置的環(huán)節(jié)取向，一般地確定使用者在空間的位置與取向。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其中以預(yù)定間隔重復(fù)所述步驟(c)至步驟(e)，以取得用于確定響應(yīng)于使用者實際運動的使用者在空間的位置與取向的瞬時變化的相關(guān)序列數(shù)據(jù)。
3．如權(quán)利要求2所述的方法，其中對所取得的使用者在空間的位置與取向的數(shù)據(jù)加以記錄以便隨后使用。
4．如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述步驟(e)利用使用者運動系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的線性尺寸值來完成，并進一步包括以下步驟f)確定使用者運動系統(tǒng)的支承環(huán)節(jié)；g)相對于被顯示的環(huán)境中的支承點將所述支承環(huán)節(jié)定位。
5．如權(quán)利要求4所述的方法，其中以預(yù)定的間隔重復(fù)所述步驟(d)至步驟(g)以取得并記錄在被顯示的環(huán)境中使用者的位置與取向的數(shù)據(jù)序列，以及根據(jù)所取得的數(shù)據(jù)顯示使用者的運動。
6．如權(quán)利要求5所述的方法，其中使用者的運動以實時方式進行顯示。
7．如權(quán)利要求5所述的方法，其中使用者的運動按需要在稍后根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)進行顯示。
8．如權(quán)利要求6或7所述的方法，其中使用者的運動根據(jù)所需觀察角度進行顯示。
9．如權(quán)利要求6或7所述的方法，進一步包括編輯使用者運動的生成圖象并顯示使用者運動的該編輯圖象。
10．如前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述參考方向為地磁場傳感器的南—北方向和本地垂直傳感器的方向。
11．如權(quán)利要求1至9中任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述參考方向為地磁場傳感器的南—北或東—西方向。
12．如權(quán)利要求1至9中任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述參考方向為由陀螺穩(wěn)定參考方向傳感器確定的方向。
13．如權(quán)利要求1至9中任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述參考方向為由外部參考方向源確定的方向。
14．如權(quán)利要求1至9中任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述參考方向確定裝置為至少一對相隔開的絕對座標傳感器，所述的傳感器對設(shè)置在至少一個使用者運動系統(tǒng)的環(huán)節(jié)之上。
15．如權(quán)利要求4至14中任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述使用者運動系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的線性尺寸在人體公知比例的基礎(chǔ)上利用使用者身高數(shù)據(jù)加以確定。
16．如權(quán)利要求4至15中任一權(quán)利要求所述的方法，其中改變所述使用者運動系統(tǒng)環(huán)節(jié)線性尺寸的比例以便適當修改使用者相對于被顯示環(huán)境的尺寸。
17．如權(quán)利要求4至16中任一權(quán)利要求所述的方法，其中在利用操作器以便提供使用者與虛擬環(huán)境目標交互作用的情況下，該操作器的位置根據(jù)持有該操作器的使用者手的位置加以確定，而操作器的精確取向通過利用設(shè)置在該操作器上的輔助參考方向確定裝置進行確定。
18．如前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述使用者運動系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間的基本連接點最好從髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)以及脊柱連接點中選擇。
19．如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述基本連接點還有足關(guān)節(jié)與指關(guān)節(jié)。
20．一種追蹤使用者在空間的位置與取向的系統(tǒng)，包括有配置在使用者身體各部分上的許多運動參數(shù)傳感器，將傳感器信號變換成所需表現(xiàn)形式的變換裝置，具有與變換裝置的輸出端相連接的輸入端的測試數(shù)據(jù)處理單元，以及與測試數(shù)據(jù)處理單元相連接的使用者空間位置與取向顯示單元，其特征在于所述系統(tǒng)進一步包括配置在至少一個使用者運動系統(tǒng)的環(huán)節(jié)之上的參考方向確定裝置；具有與運動參數(shù)傳感器及參考方向確定裝置相連接的詢檢通道的詢檢單元，該詢檢單元的輸出端與變換裝置的輸入端相連接，該運動參數(shù)傳感器為配置在使用者運動系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間基本連接點的最鄰近處或在各環(huán)節(jié)本身之上的相對旋轉(zhuǎn)角度傳感器。
21．如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，進一步包括至少一個用于使用者與虛擬環(huán)境目標交互作用的裝置，通過詢檢通道與詢檢單元相連接的輔助參考方向確定裝置配置在該裝置之上。
22．如權(quán)利要求20或21所述的系統(tǒng)，其中所述相對旋轉(zhuǎn)角度傳感器為應(yīng)變儀。
23．如權(quán)利要求20或21所述的系統(tǒng)，其中所述相對旋轉(zhuǎn)角度傳感器為纖維光學傳感器。
24．如權(quán)利要求20至23中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所術(shù)參考方向確定裝置包括地磁場傳感器。
25．如權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中所述參考方向確定裝置進一步包括本地垂直傳感器。
26．如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述本地垂直傳感器為重力傳感器。
27．如權(quán)利要求20至23中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述參考方向確定裝置包括人工外部參考方向信號源傳感器。
28．如權(quán)利要求20至27中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，進一步包括用于存儲用作隨后顯示使用者在空間的位置與取向的經(jīng)變換的測試數(shù)據(jù)存儲裝置，所述存儲裝置通過數(shù)據(jù)通信總線與測試數(shù)據(jù)處理單元相連接。
29．如權(quán)利要求20至28中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，進一步包括構(gòu)建三維環(huán)境數(shù)學模擬及顯示于其中的使用者數(shù)學模擬的附加數(shù)據(jù)輸入裝置，所述附加數(shù)據(jù)輸入裝置與測試數(shù)據(jù)處理單元相連接。
30．如權(quán)利要求20至29中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，進一步包括用于產(chǎn)生所需視角的圖象并編輯該圖象的圖象產(chǎn)生單元，其輸入端與測試數(shù)據(jù)處理單元的輸出端相連接，并且其輸出端與使用者空間位置與取向顯示單元的輸入端相連接。
31．一種響應(yīng)于使用者在實際環(huán)境中的運動向使用者給出虛擬環(huán)境的方法，包括確定使用者身體各部分的位移參數(shù)，將取得的數(shù)據(jù)變換成所需表現(xiàn)形式，并且處理一組該變換數(shù)據(jù)以確定響應(yīng)于使用者的位置與取向，并考慮到使用者與虛擬環(huán)境目標的交互作用，而向使用者顯示的虛擬環(huán)境范圍，所述方法的特征在于包括以下的步驟a)將用于確定與各自連接點相鄰的各環(huán)節(jié)之間至少一個角度的裝置最接近地附著在使用者運動系統(tǒng)環(huán)節(jié)的每個基本連接點上；b)確定使用者運動系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的線性尺寸；c)在至少一個使用者運動系統(tǒng)的環(huán)節(jié)上設(shè)置參考方向確定裝置；d)確定至少一個環(huán)節(jié)相對于所述參考方向的取向，在該環(huán)節(jié)上設(shè)有所述參考方向確定裝置；e)確定與所述基本連接點相鄰的各環(huán)節(jié)之間的角度；f)根據(jù)所得角度值與至少一個環(huán)節(jié)的取向，一般地確定使用者在空間的位置與取向，所述參考方向確定裝置即配置在該環(huán)節(jié)上；g)確定使用者運動系統(tǒng)的支承環(huán)節(jié)；h)相對于被顯示的虛擬環(huán)境中的支承點將所述支承環(huán)節(jié)定位；i)確定使用者頭部在虛擬環(huán)境中的位置與取向，以確定使用者在虛擬環(huán)境中的視野；j)產(chǎn)生并向使用者給出與使用者視野相對應(yīng)的虛擬環(huán)境區(qū)域。
32．如權(quán)利要求31所述的方法，其中重復(fù)所述步驟d)至步驟j)以便響應(yīng)于使用者的運動及與虛擬環(huán)境目標的交互作用實時顯示虛擬環(huán)境的變化。
33．如權(quán)利要求31所述的方法，其中對使用者位置與取向數(shù)據(jù)序列加以記錄以便隨后使用。
34．如權(quán)利要求31至33中任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述參考方向為地磁場傳感器的南—北方向與本地垂直傳感器的方向。
35．如權(quán)利要求31至33中任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述參考方向為地磁場傳感器的南—北或東—西方向。
36．如權(quán)利要求31至33中任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述參考方向為由陀螺穩(wěn)定參考方向傳感器確定的方向。
37．如權(quán)利要求31至33中任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述參考方向為由外部參考方向源確定的方向。
38．如權(quán)利要求31至33中任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述參考方向確定裝置為至少一對間隔開的絕對座標傳感器，所述的傳感器對配置在至少一個使用者運動系統(tǒng)的環(huán)節(jié)之上。
39．如權(quán)利要求31至38中任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述使用者運動系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的線性尺寸在公知的人體比例的基礎(chǔ)上利用使用者身高數(shù)據(jù)加以確定。
40．如權(quán)利要求31至39中任一權(quán)利要求所述的方法，其中改變所述使用者運動系統(tǒng)各環(huán)節(jié)線性尺寸的比例，以便適當?shù)刈兏褂谜呦鄬τ诒伙@示環(huán)境的尺寸。
41．如權(quán)利要求31至40中任一權(quán)利要求所述的方法，其中在使用操作器以提供使用者與虛擬環(huán)境目標交互作用的情況下，操作器的位置根據(jù)使用者持有該操作器的手的位置加以確定，而操作器的精確取向通過利用配置在該操作器上的輔助參考方向確定裝置加以確定。
42．如權(quán)利要求31至41中任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述使用者運動系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間的基本連接點從髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、及頭與肩之間的連接點、以及胸椎與腰椎之間的連接點中選擇。
43．如權(quán)利要求42所述的方法，其中所述基本連接點還有足關(guān)節(jié)與指關(guān)節(jié)。
44．一種向在實際環(huán)境中運動的使用者給出虛擬環(huán)境的系統(tǒng)，包括有虛擬環(huán)境圖象顯示裝置，產(chǎn)生指示使用者視野方向信號的裝置，產(chǎn)生符合于使用者視野的虛擬環(huán)境圖象信號的裝置，它具有與所述產(chǎn)生指示使用者視野方向信號裝置的輸出端相連接的輸入端，以及與虛擬環(huán)境圖象顯示裝置的輸入端相連接的輸出端，所述系統(tǒng)的特征在于所述使用者視野方向指示信號產(chǎn)生裝置進一步包括用于確定與所述各環(huán)節(jié)的適當連接點相鄰的使用者運動系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間至少一個角度的裝置；配置在至少一個使用者運動系統(tǒng)環(huán)節(jié)之上的參考方向確定裝置；具有與所述使用者運動系統(tǒng)環(huán)節(jié)之間角度確定裝置及所述參考方向確定裝置的輸出端相連接的輸入端的?！獢?shù)變換裝置；用于構(gòu)建三維環(huán)境及其中使用者模擬的單元，它具有與所述?！獢?shù)變換裝置的輸出端相連接的輸入端，以及使用者視野確定單元，具有與所述三維環(huán)境及使用者數(shù)學模擬構(gòu)建單元的輸出端相連接的輸入端，以及與所述虛擬環(huán)境圖象信號產(chǎn)生單元的輸入端相連接的輸出端。
45．如權(quán)利要求44所述的系統(tǒng)，其中所述相對旋轉(zhuǎn)角度傳感器為應(yīng)變儀。
46．如權(quán)利要求44所述的系統(tǒng)，其中所述相對旋轉(zhuǎn)角度傳感器為纖維光學傳感器。
47．如權(quán)利要求44至46中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述參考方向確定裝置為地磁場傳感器與本地垂直傳感器。
48．如權(quán)利要求47所述的系統(tǒng)，其中所述本地垂直傳感器為重力傳感器。
49．如權(quán)利要求44至46中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述參考方向確定裝置為陀螺穩(wěn)定參考方向傳感器。
50．如權(quán)利要求44至46中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述參考方向確定裝置包括外部參考方向信號源傳感器。
51．如權(quán)利要求44至50中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中在使用操作器用于使用者與被顯示的實際或虛擬環(huán)境目標交互作用的情況下，采用配置在該操作器上的輔助參考方向確定裝置，所述輔助參考方向確定裝置的輸出端與所述模—數(shù)變換裝置的相應(yīng)輸入端相連接。
52．如權(quán)利要求44至51中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，進一步包括具有與所述?！獢?shù)變換裝置的輸出端相連接之輸入端的長期記憶單元。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于確定使用者在空間的位置與取向并顯示虛擬環(huán)境的方法及系統(tǒng),并且可應(yīng)用于交互式計算機游戲,具有體育、增進健康或軍事目的的訓(xùn)練系統(tǒng)中。本發(fā)明可提高追蹤使用者在空間的位置與取向的精度與速度,用于使用者方便自然的運動,并給出響應(yīng)于使用者在實際環(huán)境中運動的虛擬環(huán)境。用于追蹤使用者運動系統(tǒng)的環(huán)節(jié)2角位置的傳感器4 緊靠環(huán)節(jié)2之間連接點3設(shè)置,并且也設(shè)置在某些環(huán)節(jié)2上。主參考方向確定裝置5設(shè)置在至少一個環(huán)節(jié)2上以確定該環(huán)節(jié)相對于參考方向的取向。對從傳感器4、參考方向確定裝置5以及,如果適當?shù)脑?從用于使用者與虛擬環(huán)境目標交互作用的裝置8所獲得的信息進行處理,用以根據(jù)各環(huán)節(jié)之間的角度值以及其上設(shè)有參考方向確定裝置的主環(huán)節(jié)相對于參考方向的取向,一般地確定使用者在空間的位置與取向。利用所取得的數(shù)據(jù),實時地顯示使用者的運動或者響應(yīng)于實際環(huán)境中的運動根據(jù)他或她視野的改變向使用者給出虛擬環(huán)境。
文檔編號G06F3/0481GK1231753SQ97198214
公開日1999年10月13日 申請日期1997年8月7日 優(yōu)先權(quán)日1996年8月14日
發(fā)明者挪拉赫梅特·挪利斯拉莫維奇·拉都色夫, 努魯拉·挪利斯拉莫維奇·拉都色夫 申請人:挪拉赫梅特·挪利斯拉莫維奇·拉都色夫, 努魯拉·挪利斯拉莫維奇·拉都色夫