[发明专利]一种基于动作捕捉的虚拟现实综合系统

说明书

一种基于动作捕捉的虚拟现实综合系统，包括惯性动作捕捉装置、室内定位装置、虚拟现实装置、数据手套装置、电子仿真枪装置和背负式计算机装置；背负式计算机装置中内置有卡尔曼滤波器一。惯性动作捕捉装置包括若干个动作捕捉传感器；室内定位装置为UWB室内定位系统；数据手套装置包括手套本体和若干个手关节姿态传感器；电子仿真枪装置包括电子仿真枪和电子仿真枪数据采集传感器；动作捕捉传感器、手关节姿态传感器和电子枪姿态传感器均包括三轴MEMS加速度传感器、三轴MEMS角速度传感器、三轴MEMS磁力计、数据滤波传感器和内置卡尔曼滤波器二的微处理器。本发明能使真实世界的人与虚拟环境进行全方位互动，提高虚拟现实系统的沉浸度和交互性。

技术领域

本发明涉及微机械(MEMS)以及虚拟现实领域，特别是一种基于动作捕捉技术的虚拟现实综合系统。

背景技术

运动物体的姿态追踪还原技术，已经广泛应用于各领域，尤其在航天航海、人体运动姿态建模等领域。当前常用的动作捕捉技术主要有光学动作捕捉技术和基于惯性传感器的动作捕捉，分别介绍如下：

光学式动作捕捉技术：通常在运动目标体附着多个参考球/点，采多台高速相机，环绕待测物体排列，让待测物体的运动范围处于相机的重叠区域，通过视频识别技术获取目标体参考球/点的轨迹，通过3维模型计算恢复出目标的运动姿态和轨迹。光学动作捕捉技术的优点在于识别精度高、采样频率高。但也存在如下问题：整套系统复杂，需要多台高速摄像机以及运算平台，系统价格昂贵；系统锁定比较繁琐，只能捕捉摄像机重叠的物体运动，而且当运动比较复杂的时候，标识容易混淆和遮挡，从而产生错误结果；同时光学对环境要求比较高，光照强度对精度影响较大。

惯性动作捕捉技术：随着MEMS传感器的高速发展，微型惯性传感器的技术越发成熟，已经开始有将微型惯性传感器用于动作捕捉技术中。具体方法是：把惯性测量单元(IMU)连接到待测物体上，让其随待测物体一起运动。对多个传感器节点数据进行采集并处理，通过无线通讯技术传输至上位机系统，经过上位机进行姿态还原。惯性动作捕捉技术的优点在于，系统相对简洁，不怕遮挡，对光、环境要求比光学式动作捕捉低，适用范围广，同时惯性动作捕捉系统成本相对于光学普遍低。惯性测量单元包括加速度计、陀螺仪、地磁传感器，通过对加速度信号进行二重积分以及陀螺仪信号的积分，可以测得待测物体的信息以及方位信息。

但是，上述陀螺仪测量运动物体的姿态数据有误差，必须修正后才能真实反映出运动物体的姿态。陀螺仪测量姿态数据时，误差产生的过程如下：

首先，陀螺仪测量的数据为角速度，该角速度为瞬间值，大多数情况下不能直接适用，需要对该角速度进行时间积分，得到角度变化量。然后，将得到的角度变化量加上初始角度后，计算得到的角度值才是物体运动的姿态数据。

在对上述角速度进行时间积分时，积分过程时间(dt)越小，得到的角度值也越准确。然而，由于陀螺仪的测量基准是自身而非外在的绝对参照物；加之，积分过程时间(dt)不可能无限小，因而，积分的累积误差会随时间推移而逐渐增加，进而导致测量的运动姿态数据与实际的数据发生偏差。

下面再对虚拟现实技术做一下简单的介绍。

虚拟现实技术：设计计算机图形学、人机交互技术、传感器技术、人工智能技术等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、触觉、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当的装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D时间影像回传产生临场感。该技术继承了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感器技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新成果，是一种由计算机技术辅助生成的高新技术模拟系统。

沉浸度和交互性是对上述虚拟现实技术进行评价的两个重要特征。其中，沉浸度是指用户感到作为主角儿存在于模拟环境中的真实度。理想的模拟环境能使用户全身心的投入到计算机创建的三维虚拟环境中，使用户难以分辨真假。交互性是虚拟现实则是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从模拟环境中得到反馈的自然程度。