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一种基于超声波的虚拟现实跟踪方法及系统

一种基于超声波的虚拟现实跟踪方法及系统

IPC分类号 : G01S15/06

申请号
CN201711289669.7
可选规格
  • 专利类型: 发明专利
  • 法律状态: 有权
  • 申请日: 2017-12-07
  • 公开号: CN108107435B
  • 公开日: 2018-06-01
  • 主分类号: G01S15/06
  • 专利权人: 深圳大学

专利摘要

本发明适用于无线感知与人机交互技术改进领域,提供了一种基于超声波的虚拟现实跟踪方法,包括:S1、利用头戴式VR设备接收超声波数据流信息;S2、对接收到的超声波数据流信息进行数据净化处理;S3、利用相位变化估算出相对路径和初始位置信息;S4、根据相对路径和初始位置信息估算出二维下路径变化的运动轨迹并输出。该方法能够取得高精度、高鲁棒性的结果,在VR感知、人机交互及其游戏等方面有很高的学术和应用价值;摒弃过多外设,只在头戴式设备中嵌入相应的扬声器和麦克风设置,不仅降低复杂度也大大降低了成本,通过利用超声波信号来估计目标的位置信息,实现了高精度、鲁棒性高的VR目标定位跟踪。

权利要求

1.一种基于超声波的虚拟现实跟踪方法,其特征在于,所述虚拟现实跟踪方法包括以下步骤:

S1、利用头戴式VR设备接收超声波数据流信息;

S2、对接收到的超声波数据流信息进行数据净化处理;

S3、利用相位变化估算出相对路径和初始位置信息;

S4、根据相对路径和初始位置信息估算出二维下路径变化的运动轨迹并输出。

2.根据权利要求1所述的虚拟现实跟踪方法,其特征在于,所述步骤S3中还包括以下步骤:

S31、利用线性回归法去除目标移动中的多余反射数据流信息;

S32、利用相位变化及多普勒频移计算出目标移动的方向和路径的相对距离;

S33、在不同频率下对相位变化运用反傅里叶变化计算出路径到达时间的功率时延谱;

S34、根据功率时延谱中的能量分别估算目标移动反射信号的初始位置信息。

3.根据权利要求2所述的虚拟现实跟踪方法,其特征在于,所述步骤S2中还包括以下步骤:

S21、对接收到的超声波数据流信息进行降噪处理移除干扰点;

S22、对接收到的超声波数据流信息进行滤波处理滤除高频信号。

4.根据权利要求3所述的虚拟现实跟踪方法,其特征在于,所述步骤S1中还包括以下步骤:

S11、头戴式VR设备发射出预先定义的超声波数据流信息。

5.根据权利要求1-4任一项所述的虚拟现实跟踪方法,其特征在于,所述头戴式VR设备中镶嵌有一个扬声器和两个以上的麦克风,所述头戴式VR设备发出的超声波频率在17000Hz以上;对接收的超声波数据流信号进行处理的是中心服务器或智能处理终端。

6.一种基于超声波的虚拟现实跟踪系统,其特征在于,所述虚拟现实跟踪系统包括

数据接收模块,用于利用头戴式VR设备接收超声波数据流信息;

净化处理模块, 用于对接收到的超声波数据流信息进行数据净化处理;

距离计算模块,用于利用相位变化估算出相对路径和初始位置信息;

轨迹计算输出模块,用于根据相对路径和初始位置信息估算出二维下路径变化的运动轨迹并输出。

7.根据权利要求6所述的虚拟现实跟踪系统,其特征在于,所述距离计算模块中还包括

多径效应消除单元,用于利用线性回归法去除目标移动中的多余反射数据流信息;

相对距离计算单元,用于利用相位变化及多普勒频移计算出目标移动的方向和路径的相对距离;

功率时延谱获取单元,用于在不同频率下对相位变化运用反傅里叶变化计算出路径到达时间的功率时延谱;

初始位置获取单元,用于根据功率时延谱中的能量分别估算目标移动反射信号的初始位置信息。

8.根据权利要求7所述的虚拟现实跟踪系统,其特征在于,所述净化处理模块中还包括

降噪单元,用于对接收到的超声波数据流信息进行降噪处理移除干扰点;

滤波单元,用于对接收到的超声波数据流信息进行滤波处理滤除高频信号。

9.根据权利要求8所述的虚拟现实跟踪系统,其特征在于,所述数据接收模块中还包括

发射单元,用于头戴式VR设备发射出预先定义的超声波数据流信息。

10.根据权利要求6-9任一项所述的虚拟现实跟踪系统,其特征在于,所述头戴式VR设备中镶嵌有一个扬声器和两个以上的麦克风,所述头戴式VR设备发出的超声波频率在17000Hz以上;对接收的超声波数据流信号进行处理的是中心服务器或智能处理终端。

说明书

技术领域

本发明属于无线感知与人机交互技术改进领域,尤其涉及一种基于超声波的虚拟现实跟踪方法及系统。

背景技术

现如今,若想亲身体验一次随心所欲的虚拟现实环境仍是一个比较复杂的过程,因为现有的VR体验要么是需要特有的设备,比如利用红外相机跟踪头戴式设备或是手持控制器,要么就是要求在特定的环境中来体验,比如特定区域等,这些限制大大降低了用户体验舒适度。对于一场真正的VR体验来说,在任何时间、任何地点都能做到位置跟踪,及时更新位移。

现有的VR跟踪系统主要分为两大类,一类是由外而内的位置跟踪系统,一类是由内而外的跟踪系统。就由外而内的系统而言,这类系统的跟踪、定位精度已经做的很高了,它们主要运用外设,如红外相机,连到头戴式设备的传感器来实现高精度的定位。但此类系统也有一定的缺陷,例如,无论用户在何地体验VR,他们都需要安装特有的硬件及外设,也就是说,如果一个人想在家里的任何地方体验VR的话,其必须在家中每个地方都要安装红外相机,而且必须距离在红外相机2m内。此外,这类系统还会收到遮挡及光照的影响,如果红外相机被家具遮挡或是光线很暗的情况下,系统就不会工作了。对于由内而外的系统而言,这类系统利用头戴式设备中基于真彩色和深度感知的跟踪算法来实现定位与跟踪,虽然这类系统具有高精度且不需要外设,但却通过增加头戴式设备内的相机数量从而大大增加了复杂度,而且对透明或是纹理较少的物体难以识别。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于超声波的虚拟现实跟踪方法及系统,旨在解决上述的技术问题。

本发明是这样实现的,一种基于超声波的虚拟现实跟踪方法及系统,所述虚拟现实跟踪方法包括以下步骤:

S1、利用头戴式VR设备接收超声波数据流信息;

S2、对接收到的超声波数据流信息进行数据净化处理;

S3、利用相位变化估算出相对路径和初始位置信息;

S4、根据相对路径和初始位置信息估算出二维下路径变化的运动轨迹并输出。

本发明的进一步技术方案是:所述步骤S3中还包括以下步骤:

S31、利用线性回归法去除目标移动中的多余反射数据流信息;

S32、利用相位变化及多普勒频移计算出目标移动的方向和路径的相对距离;

S33、在不同频率下对相位变化运用反傅里叶变化计算出路径到达时间的功率时延谱;

S34、根据功率时延谱中的能量分别估算目标移动反射信号的初始位置信息。

本发明的进一步技术方案是:所述步骤S2中还包括以下步骤:

S21、对接收到的超声波数据流信息进行降噪处理移除干扰点;

S22、对接收到的超声波数据流信息进行滤波处理滤除高频信号。

本发明的进一步技术方案是:所述步骤S1中还包括以下步骤:

S11、头戴式VR设备发射出预先定义的超声波数据流信息。

本发明的进一步技术方案是:所述头戴式VR设备中镶嵌有一个扬声器和两个以上的麦克风,所述头戴式VR设备发出的超声波频率在17000Hz以上;对接收的超声波数据流信号进行处理的是中心服务器或智能处理终端。

本发明的另一目的在于提供一种基于超声波的虚拟现实跟踪系统,所述虚拟现实跟踪系统包括

数据接收模块,用于利用头戴式VR设备接收超声波数据流信息;

净化处理模块,用于对接收到的超声波数据流信息进行数据净化处理;

距离计算模块,用于利用相位变化估算出相对路径和初始位置信息;

轨迹计算输出模块,用于根据相对路径和初始位置信息估算出二维下路径变化的运动轨迹并输出。

本发明的进一步技术方案是:所述距离计算模块中还包括

多径效应消除单元,用于利用线性回归法去除目标移动中的多余反射数据流信息;

相对距离计算单元,用于利用相位变化及多普勒频移计算出目标移动的方向和路径的相对距离;

功率时延谱获取单元,用于在不同频率下对相位变化运用反傅里叶变化计算出路径到达时间的功率时延谱;

初始位置获取单元,用于根据功率时延谱中的能量分别估算目标移动反射信号的初始位置信息。

本发明的进一步技术方案是:所述净化处理模块中还包括

降噪单元,用于对接收到的超声波数据流信息进行降噪处理移除干扰点;

滤波单元,用于对接收到的超声波数据流信息进行滤波处理滤除高频信号。

本发明的进一步技术方案是:所述数据接收模块中还包括

发射单元,用于头戴式VR设备发射出预先定义的超声波数据流信息。

本发明的进一步技术方案是:所述头戴式VR设备中镶嵌有一个扬声器和两个以上的麦克风,所述头戴式VR设备发出的超声波频率在17000Hz以上;对接收的超声波数据流信号进行处理的是中心服务器或智能处理终端。

本发明的有益效果是:该方法能够取得高精度、高鲁棒性的结果,在VR感知、人机交互及其游戏等方面有很高的学术和应用价值;摒弃过多外设,只在头戴式设备中嵌入相应的扬声器和麦克风设置,不仅降低复杂度也大大降低了成本,通过利用超声波信号来估计目标的位置信息,实现了高精度、鲁棒性高的VR目标定位跟踪。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于超声波的虚拟现实跟踪方法的流程图。

图2是本发明实施例提供的基于超声波的虚拟现实跟踪系统的结构框图。

具体实施方式

图1示出了本发明提供的基于超声波的虚拟现实跟踪方法的流程图,其详述如下:

步骤S1,利用头戴式VR设备接收超声波数据流信息;一个嵌入有一个扬声器和两个及以上麦克风的VR眼镜,扬声器用来发射超声波数据流,麦克风用来接收被手或手指发射的超声波数据流,嵌入扬声器的头戴式VR设备发射出预先定义的超声波,经移动的手或手指的反射,被所嵌入的麦克风所接收,进而传输到中心服务器或是智能处理终端,利用跟踪算法达到移动物体的定位与跟踪的目的。所述头戴式VR设备中镶嵌有一个扬声器和两个以上的麦克风,所述头戴式VR设备发出的超声波频率在17000Hz以上;对接收的超声波数据流信号进行处理的是中心服务器或智能处理终端。由扬声器发出固定频率f≥17000HZ的连续超声波数据流,经手或手指反射后被所嵌入的麦克风接收。

步骤S2,对接收到的超声波数据流信息进行数据净化处理;对接收的数据进行数据净化处理。首先,移除干扰点,接着,对数据进行滤波,滤除高频部分,保留由手或手指反射部分的信号,为下面的定位与跟踪做准备。利用低通或带通滤波器滤去高频或噪声信号,例如巴特沃斯滤波器、FIR滤波器等。

步骤S3,利用相位变化估算出相对路径和初始位置信息;利用相位的变化来估算出相对路径变化长度,再根据反傅里叶变换的得到的延时文件估算移动目标的初始位置信息,结合相对路径和初始位置信息进行移动目标的定位与跟踪。通过评估超声波信号的相位信息来估算移动目标的位置信息,利用不同路径、不同频率下的相位改变来获得不同路径的达到时间,进而通过反傅里叶变化得到延时文件,分析能量分布以得到被手或手指移动所反射的声音路径长度。通过挖掘这些超声波信号来精确恢复头戴式设备的位置轨迹。主要通过评估麦克风接收的经移动目标反射的信号的相位变化来计算出移动目标移动距离,接着,在不同频率下,对相位运用反傅里叶变化计算出路径达到时间TOA(Time ofArrival,到达时间),进而分析TOA所对应的能量分布来估算出被移动物体反射的信号路径长度,得到目标的初始位置信息。具体过程如下:S31、根据相位变化去除目标移动中的多余部位反射数据流信息;利用线性回归的方法将不同频率下的路径拟合一个经由手或手指反射信号的最佳路径达到滤除干扰信号的目的。S32、利用相位变化及多普勒频移计算出目标移动的方向和路径的相对距离;首先,利用多普勒频移计算出动态向量(经手或手指反射的信号)的起始位置和终止位置,接下来,对提取出的部分求均值,进而通过相减的方式求得目标的动态向量,再根据动态向量的相位变化估算移动目标在一段时间内的路径长度变化,其计算方法如下:

其中,d(t)就是从扬声器经移动目标反射到麦克风的距离,vc是超声波声速,一般是343m/s,f是扬声器发出超声波的频率。于是,移动目标的移动距离就是(d(t)-d(0))/2。

S33、在不同频率下对相位变化运用反傅里叶变化计算出路径到达时间的功率时延谱;功率时延谱的计算公式为:

其中,k代表频率个数,Hp(k,t)代表麦克风接收到的超声信号。S34、根据功率时延谱中的能量分别估算目标移动反射信号的初始位置信息。计算出功率时延谱后,依据能量高越高,代表移动物体反射的信号强度越大,根据超声波信号经移动目标反射沿不同路径到达麦克风的时间不同,即TOA(Time of Arrival,到达时间),可以通过计算反傅里叶结果中的具有最高能量的路径到达时间来估算出被移动目标反射的路径长度,进而通过功率时延谱中波峰的时延值计算出移动目标的初始位置。

步骤S4,根据相对路径和初始位置信息估算出二维下路径变化的运动轨迹并输出。利用两个麦克风和扬声器的位置建立一个坐标系,得到相对距离信息和初始位置信息后,可以得到移动目标的绝对位置信息,再根据几何关系计算出移动目标在坐标系中的位置,通过不断更新两个麦克风信号的路径长度来更新移动目标的位置,然后再映射到VR眼镜中,达到实时跟踪的目的,完成交互式体检。

如图2所示,本发明的另一目的在于提供一种基于超声波的虚拟现实跟踪系统,所述虚拟现实跟踪系统包括

数据接收模块,用于利用头戴式VR设备接收超声波数据流信息;

净化处理模块,用于对接收到的超声波数据流信息进行数据净化处理;

距离计算模块,用于利用相位变化估算出相对路径和初始位置信息;

轨迹计算输出模块,用于根据相对路径和初始位置信息估算出二维下路径变化的运动轨迹并输出。

所述距离计算模块中还包括

多径效应消除单元,用于根据相位变化去除目标移动中的多余部位反射数据流信息;

相对距离计算单元,用于利用相位变化及多普勒频移计算出目标移动的方向和路径的相对距离;

功率时延谱获取单元,用于在不同频率下对相位变化运用反傅里叶变化计算出路径到达时间的功率时延谱;

初始位置获取单元,用于根据功率时延谱中的能量分别估算目标移动反射信号的初始位置信息。

所述净化处理模块中还包括

降噪单元,用于对接收到的超声波数据流信息进行降噪处理移除干扰点;

滤波单元,用于对接收到的超声波数据流信息进行滤波处理滤除高频信号。

所述数据接收模块中还包括

发射单元,用于头戴式VR设备发射出预先定义的超声波数据流信息。

所述头戴式VR设备中镶嵌有一个扬声器和两个以上的麦克风,所述头戴式VR设备发出的超声波频率在17000Hz以上;对接收的超声波数据流信号进行处理的是中心服务器或智能处理终端。

该系统利用头戴式设备自带的扬声器发出超声波信号,进而被自带的麦克风所接收,提出一个基于超声波的位置跟踪定位系统。将头戴式VR设备嵌入一个扬声器作为发射无线超声波的发射设备,再将两个及以上的麦克风的嵌入到该头戴式VR设备中,通过挖掘这些超声波信号来精确恢复头戴式设备的位置轨迹。主要通过评估麦克风接收的经移动目标反射的信号的相位变化来计算出移动目标移动距离,接着,在不同频率下,对相位运用反傅里叶变化计算出路径达到时间TOA,进而分析TOA所对应的能量分布来估算出被移动物体反射的信号路径长度,得到目标的初始位置信息。结合相对距离信息和初始位置信息,达到移动目标定位与跟踪的目的。该系统能够取得高精度、高鲁棒性的结果,在VR感知、人机交互及其游戏等方面有很高的学术和应用价值。

该发明是一个集成在头戴式VR眼镜里的虚拟现实跟踪的系统,该眼镜主要包括一个扬声器和两个及以上的麦克风,扬声器用来发射连续的超声波信号流,麦克风用来接收这些经过移动物体干扰而形成的数据流,通过分析麦克风接收的数据来判断移动物体的方向及移动距离,来实现目标跟踪的目的。主要通过被手或手指反射的信号的相位变化来估算手或手指的移动距离。在2D空间,我们通过评估不同路径下不同频率的相位的到达时间(Time-Of-Arrival,TOA)来粗略地计算被手或手指反射的声音的路径长度,从而确定手或手指的初始位置信息。再联合1D的细粒度的相对距离,达到2D的手或手指的动作识别及跟踪的目的。该系统能够取得高精度、高鲁棒性的结果,在VR感知、人机交互及其游戏等方面有很高的学术和应用价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

一种基于超声波的虚拟现实跟踪方法及系统专利购买费用说明

专利买卖交易资料

Q:办理专利转让的流程及所需资料

A:专利权人变更需要办理著录项目变更手续,有代理机构的,变更手续应当由代理机构办理。

1:专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2:按规定缴纳著录项目变更手续费。

3:同时提交相关证明文件原件。

4:专利权转移的,变更后的专利权人委托新专利代理机构的,应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A:(1)直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,(2)通过代办处缴纳,(3)通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q:专利转让变更,多久能出结果

A:著录项目变更请求书递交后,一般1-2个月左右就会收到通知,国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。

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