專(zhuān)利名稱(chēng)：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(shí)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(jì)算機(jī)游戲和運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)游戲與舞蹈的練習(xí)和方法中以增進(jìn)健康。
用于追蹤和顯示運(yùn)動(dòng)過(guò)程中人體位置的傳統(tǒng)系統(tǒng)，采用稱(chēng)作測(cè)角器的機(jī)械裝置對(duì)頭部和身體部位的位置進(jìn)行跟蹤，用以測(cè)量關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度并確定最終位置，例如手相對(duì)于身體或手指尖相對(duì)于手掌的位置。
傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的問(wèn)題在于，由于測(cè)角器旋轉(zhuǎn)中心與關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心不重合，使測(cè)角器相對(duì)于關(guān)節(jié)，尤其是相對(duì)于那些具有多個(gè)自由度的關(guān)節(jié)，如像手關(guān)節(jié)，難于進(jìn)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(shí)旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生位移。為提高精確度，必須進(jìn)行精確的對(duì)準(zhǔn)。
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(gè)用于處理被測(cè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的電路板、控制器、外部定時(shí)電路板、通信電路板、鍵盤(pán)與監(jiān)視器、包含有三個(gè)電磁線(xiàn)圈的發(fā)送器以及接收器，每個(gè)接收器還具有一小型三合一電磁線(xiàn)圈，用以檢測(cè)由發(fā)送器發(fā)射的磁場(chǎng)。
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(chǎng)的系統(tǒng)中，外來(lái)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(chǎng)的系統(tǒng)對(duì)外來(lái)金屬物體的存在不太敏感，然而，磁阻效應(yīng)會(huì)干擾由發(fā)送器產(chǎn)生的磁場(chǎng)。
這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)還有由建立模擬信號(hào)中的延時(shí)引起的不夠高的速率以及會(huì)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(cè)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(cè)量原理使用者得以定位，需要9個(gè)距離的測(cè)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(jiàn)。當(dāng)需要追蹤許多個(gè)接收器時(shí)，詢(xún)檢頻率下降，即，為提供運(yùn)動(dòng)物體或其部分的實(shí)時(shí)再現(xiàn)所需要的測(cè)量速率下降。
上面討論的傳統(tǒng)的系統(tǒng)與包含有絕對(duì)運(yùn)動(dòng)參量傳感器的系統(tǒng)有關(guān)，這些傳感器對(duì)可運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)于與發(fā)送器相連接的固定座標(biāo)系統(tǒng)的絕對(duì)位置與取向進(jìn)行測(cè)量。
還存在有包括相對(duì)運(yùn)動(dòng)參量傳感器的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于它們的簡(jiǎn)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(cè)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(shí)浸沒(méi)系統(tǒng)中。這種系統(tǒng)可進(jìn)一步包括一用于追蹤使用者腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)三維運(yùn)動(dòng)與方向傳感器(3D傳感器)。例如，帶有VPL公司的光學(xué)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(xué)纖維和一3D傳感器。標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)造包括一對(duì)附加于每個(gè)手指外部的傳感器用以探測(cè)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(jì)，使得關(guān)節(jié)在零度彎曲情況下通過(guò)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(jìn)行間接測(cè)量。使用修正系數(shù)與適當(dāng)?shù)慕乒?，將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成角度值。這種系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)在于在運(yùn)動(dòng)鏈開(kāi)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(guó)專(zhuān)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(shí)的系統(tǒng)，它包括一個(gè)具有六個(gè)自由度的球殼狀的可移動(dòng)平臺(tái)組件，使用者即位于該平臺(tái)組件的內(nèi)部；球形平臺(tái)位置的感測(cè)裝置和配置在所述殼體內(nèi)部中的計(jì)算機(jī)。發(fā)送器將平臺(tái)位置信息發(fā)送給接收器，接收器又將接收的球形平臺(tái)角位置數(shù)據(jù)提供給位于該平臺(tái)外部的主計(jì)算機(jī)。提供給主計(jì)算機(jī)的是旋轉(zhuǎn)平臺(tái)線(xiàn)位移的信息。安裝在頭盔上的顯示器根據(jù)接收的平臺(tái)位移信息對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)圖象進(jìn)行調(diào)整。
然而，該傳統(tǒng)系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)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(guó)專(zhuān)利(Cl.395-129,Int.Cl.G06F15/20)描述了一種向使用者提供真實(shí)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(hào)的方向探測(cè)裝置；產(chǎn)生序列視頻信號(hào)的視頻攝像裝置，這些視頻信號(hào)綜合起來(lái)表示其視野；安裝所述視頻攝像裝置的攝像機(jī)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(dòng)；響應(yīng)于所述方向信號(hào)的圖像產(chǎn)生裝置，用于產(chǎn)生該復(fù)合圖像的相對(duì)應(yīng)的適當(dāng)計(jì)算機(jī)生成部分；對(duì)每個(gè)視頻信號(hào)進(jìn)行分析并選擇視頻信號(hào)或計(jì)算機(jī)生成信號(hào)的圖象選擇與合成裝置，用以產(chǎn)生復(fù)合圖象信號(hào)并將所述復(fù)合圖象信號(hào)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(shí)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(shí)提高精度與速率以滿(mǎn)足使用者運(yùn)動(dòng)的充分實(shí)時(shí)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?zé)o限制地運(yùn)動(dòng)以及在追蹤使用者運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中與虛擬環(huán)境目標(biāo)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(shí)際環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中完全依照使用者位置與取向的改變向使用者提供滿(mǎn)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(shí)現(xiàn)，所述方法包括如下步驟a)將確定與各自連接點(diǎn)相鄰的各環(huán)節(jié)之間的至少一個(gè)角度的裝置最接近地附著在使用者運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)環(huán)節(jié)的每個(gè)基本連接點(diǎn)上；b)在至少一個(gè)使用者運(yùn)動(dòng)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(gè)環(huán)節(jié)的取向，所述參考方向確定裝置相對(duì)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(diǎn)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(gè)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(shí)際運(yùn)動(dòng)確定使用者空間位置與取向在時(shí)間上變化的相關(guān)序列數(shù)據(jù)，以預(yù)定的時(shí)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)環(huán)節(jié)的線(xiàn)性尺寸值完成步驟(e)，以及進(jìn)一步包括的步驟有(f)確定使用者運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的支承環(huán)節(jié)；(g)相對(duì)于被顯示環(huán)境中的支承點(diǎn)對(duì)所述支承環(huán)節(jié)進(jìn)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(yùn)動(dòng)，在預(yù)定的時(shí)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(shí)時(shí)地或稍后顯示出使用者的運(yùn)動(dòng)。
使用者的運(yùn)動(dòng)最好根據(jù)需要的觀(guān)測(cè)方位或者在對(duì)獲得的使用者運(yùn)動(dòng)的圖象進(jìn)行附加編輯之后予以顯示。參考方向?yàn)榈卮艌?chǎng)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(duì)間隔開(kāi)的絕對(duì)座標(biāo)傳感器，所述的一對(duì)傳感器配置在至少一個(gè)使用者的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)環(huán)節(jié)的線(xiàn)性尺寸，為了適當(dāng)改變使用者相對(duì)于被顯示環(huán)境的尺寸，使用者運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)環(huán)節(jié)的線(xiàn)性尺寸可按比例進(jìn)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(biāo)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(shí)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)諸環(huán)節(jié)之間的基本連接點(diǎn)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(diǎn)以及，足關(guān)節(jié)和指關(guān)節(jié)中進(jìn)行選擇。
前述目的還可通過(guò)這樣一種追蹤使用者在空間的位置與取向的系統(tǒng)中達(dá)到，它包括有多個(gè)配置在使用者身體各部分上的運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳感器，將傳感器信號(hào)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(cè)量數(shù)據(jù)處理單元，與測(cè)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(jìn)一步包括配置在至少一個(gè)使用者運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)環(huán)節(jié)上的參考方向確定裝置，具有與運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳感器及參考方向確定裝置相連接的詢(xún)檢通道的詢(xún)檢單元，詢(xún)檢單元的輸出端與變換裝置的輸入端相連，運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳感器為配置在緊靠使用者運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)環(huán)節(jié)之間的基本連接點(diǎn)或在各環(huán)節(jié)本身之上的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度傳感器。
位置與取向追蹤系統(tǒng)包括至少一個(gè)用于使用者與虛擬環(huán)境目標(biāo)互相作用的裝置，通過(guò)詢(xún)檢通道與詢(xún)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(duì)旋轉(zhuǎn)角度傳感器最好是纖維光學(xué)傳感器或應(yīng)變儀。
另外，參考方向確定裝置建立在地磁場(chǎng)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(hào)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(chǔ)經(jīng)變換的測(cè)試數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)裝置，用于隨后顯示使用者在空間的位置與取向，所述存儲(chǔ)裝置通過(guò)數(shù)據(jù)通信總線(xiàn)與測(cè)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(xué)模擬以及位于其中的使用者的數(shù)學(xué)模擬的附加數(shù)據(jù)輸入裝置，它與測(cè)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(cè)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(guò)響應(yīng)于他或她在實(shí)際環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)向使用者給出虛擬環(huán)境的方法來(lái)達(dá)到，所述方法包括如下步驟a)將確定與各自連接點(diǎn)相鄰的各環(huán)節(jié)之間至少一個(gè)角度的裝置最接近地附著在使用者運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)環(huán)節(jié)的每個(gè)基本連接點(diǎn)上；b)確定使用者運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)環(huán)節(jié)的線(xiàn)性尺寸；c)將參考方向確定裝置設(shè)置在至少一個(gè)使用者運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)環(huán)節(jié)上；d)相對(duì)于所述參考方向確定至少一個(gè)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(diǎn)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(gè)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的支承環(huán)節(jié)；h)相對(duì)于被顯示的虛擬環(huán)境中的支承點(diǎn)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(duì)應(yīng)的虛擬環(huán)境區(qū)域。
響應(yīng)于使用者的運(yùn)動(dòng)以及與虛擬環(huán)境目標(biāo)的交互作用，重復(fù)步驟d)至j)，以便實(shí)時(shí)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(chǎng)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(duì)間隔開(kāi)的絕對(duì)座標(biāo)傳感器產(chǎn)生的方向，所述的一對(duì)傳感器配置在至少一個(gè)使用者的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)環(huán)節(jié)的線(xiàn)性尺寸，使用者運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)環(huán)節(jié)的線(xiàn)性尺寸可按比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，用以適當(dāng)?shù)馗淖兪褂谜呦鄬?duì)于被顯示環(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(biāo)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(shí)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(lái)確定。
使用者運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)環(huán)節(jié)之間的基本連接點(diǎn)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(diǎn)以及，足關(guān)節(jié)與指關(guān)節(jié)中進(jìn)行選擇。
本發(fā)明的前述目的還可通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)于實(shí)際環(huán)境中的使用者給出虛擬環(huán)境的系統(tǒng)加以實(shí)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(hào)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(hào)的裝置，它具有與產(chǎn)生指示使用者視野方向信號(hào)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(hào)的裝置進(jìn)一步包括確定與所述環(huán)節(jié)適當(dāng)連接點(diǎn)相鄰的使用者運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間的至少一個(gè)角度的裝置；配置在至少一個(gè)使用者運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(xué)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(hào)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(hào)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(xué)模擬的單元的輸出端相連接。
相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度傳感器最好采用應(yīng)變儀或纖維光學(xué)傳感器。
更進(jìn)一步地，參考方向確定裝置最好用地磁場(chǎng)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(hào)源傳感器。
在為使用者與被顯示的實(shí)際或虛擬環(huán)境的目標(biāo)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(zhǎng)期記憶單元。
附圖簡(jiǎn)述下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)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(yùn)動(dòng)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(shí)際環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的使用者提供虛擬環(huán)境的系統(tǒng)的總體框圖。
對(duì)實(shí)施例的詳述在圖1中示意地描繪了一個(gè)具有一運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的使用者，該運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括帶有連接點(diǎn)3的環(huán)節(jié)2。環(huán)節(jié)2的連接點(diǎn)3類(lèi)似于骨骼與關(guān)節(jié)的連接。如同人或動(dòng)物的關(guān)節(jié)，連接點(diǎn)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(gè)自由度的簡(jiǎn)單樞紐關(guān)節(jié)進(jìn)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(duì)部分的位置，傳感器設(shè)置在環(huán)節(jié)2的連接點(diǎn)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(yùn)動(dòng)，包括對(duì)某些環(huán)節(jié)相對(duì)于其軸線(xiàn)的旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量，例如，肘環(huán)節(jié)的一端相對(duì)于其另一端旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量。肘環(huán)節(jié)包括兩個(gè)彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)的半徑，它能使一個(gè)環(huán)節(jié)的端部相對(duì)于另一端在其軸線(xiàn)內(nèi)旋轉(zhuǎn)。有若干個(gè)環(huán)節(jié)能夠圍繞其軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)而不改變?cè)摥h(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(duì)于肩部的旋轉(zhuǎn)；身體的胸部相對(duì)于骨盆部位的旋轉(zhuǎn)。傳感器4可以采用纖維光學(xué)傳感器或應(yīng)變儀。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，傳感器4可以是角位移和線(xiàn)位移測(cè)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(dòng)勢(shì)的變化，而該電動(dòng)勢(shì)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(gè)環(huán)節(jié)2上用以確定相對(duì)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(dāng)使用者進(jìn)行規(guī)范的運(yùn)動(dòng)，如步行與跑步時(shí)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(dāng)使用者處于虛擬現(xiàn)實(shí)中時(shí)，采用緊固在頭上的輔助參考方向確定裝置能更快和更準(zhǔn)確地追蹤頭部的取向。在一個(gè)實(shí)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(duì)于參考方向的取向來(lái)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(shí)施例包括詢(xún)檢單元7，該詢(xún)檢單元包括一主時(shí)鐘，確定傳感器4的詢(xún)檢頻率n、參考方向確定裝置5的詢(xún)檢頻率m、用作與虛擬環(huán)境目標(biāo)(操作器、操縱桿、武器模擬器等)交互作用的附加裝置8的詢(xún)檢頻率k。詢(xún)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?jǐn)?shù)據(jù)。ADC9的輸出端與具有存儲(chǔ)元件數(shù)量不少于(n+m+k)的存儲(chǔ)單元10的輸入端相連接。存儲(chǔ)單元10通過(guò)詢(xún)檢單元11與長(zhǎng)期記憶單元12及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備單元13相連接。該長(zhǎng)期記憶單元12存儲(chǔ)響應(yīng)于使用者動(dòng)作的隨時(shí)間變化的使用者位置與取向數(shù)據(jù)，用于不同目的的進(jìn)一步用途。在這種情況下長(zhǎng)期記憶單元12的輸出端可與數(shù)據(jù)準(zhǔn)備單元13的輸入端相連接，該數(shù)據(jù)準(zhǔn)備單元修平所獲得的數(shù)據(jù)，排除偶然的誤差并通過(guò)構(gòu)建使用者數(shù)學(xué)模擬所需的形式表示這些數(shù)據(jù)。在一個(gè)實(shí)施例中，如果相應(yīng)地采用了ADC，則長(zhǎng)期記憶單元的輸入端可與ADC的輸入端相連接?？紤]兩個(gè)實(shí)施例，元件7、9、10和11一起可稱(chēng)為模-數(shù)變換裝置。
數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(xué)模擬以及其中使用者的數(shù)學(xué)模擬。單元13與14一起可稱(chēng)為測(cè)試與變換數(shù)字?jǐn)?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(yùn)動(dòng)與被顯示環(huán)境中動(dòng)力學(xué)變化之間的時(shí)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(dāng)附加信息缺少或不需要時(shí)，使用者的數(shù)學(xué)模擬按照具有標(biāo)準(zhǔn)比例的標(biāo)準(zhǔn)人計(jì)算。單元14包括用于確定在其上相對(duì)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(jì)算機(jī)產(chǎn)生的模擬環(huán)境中相對(duì)于支點(diǎn)對(duì)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(duì)于支點(diǎn)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?qǐng)D3，向?qū)嶋H環(huán)境中運(yùn)動(dòng)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(hào)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(hào)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?yàn)槭褂谜咛峁┧蛩幱谄渲械奶摂M環(huán)境的單元24的輸入端相連接。
在圖2中說(shuō)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(jìn)行操作。
在優(yōu)選的實(shí)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(diǎn)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(yùn)動(dòng)。傳感器4附加在人體服上，因此當(dāng)使用者運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(duì)于另一端沿該環(huán)節(jié)軸線(xiàn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(gè)極端位置到另一個(gè)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(dāng)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(yùn)動(dòng)、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(mǎn)足這些要求。當(dāng)使用者處于虛擬現(xiàn)實(shí)中時(shí)，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(dòng)。
來(lái)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(biāo)交互作用的附加裝置8的信息，被加至ADC并根據(jù)由詢(xún)檢單元7的時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生的詢(xún)檢信號(hào)進(jìn)行修正。從ADC9獲得的信息被加至存儲(chǔ)單元10中的相應(yīng)記憶元件上。
詢(xún)檢單元11對(duì)存儲(chǔ)單元10中的記憶元件進(jìn)行詢(xún)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(duì)于特定(當(dāng)前)時(shí)刻從附加裝置8獲得的數(shù)據(jù)，以及向長(zhǎng)期記憶單元12提供用于長(zhǎng)期存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可在任何時(shí)刻被利用，為此只需將該數(shù)據(jù)提供給數(shù)據(jù)準(zhǔn)備單元13以便隨后處理。當(dāng)用于實(shí)時(shí)狀態(tài)時(shí)，從詢(xún)檢單元11獲取的數(shù)據(jù)直接提供給數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(xué)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(xué)模擬以及其中使用者的數(shù)學(xué)模擬。通過(guò)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(yùn)動(dòng)與被顯示環(huán)境中的動(dòng)力學(xué)變化之間的時(shí)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(dāng)附加信息缺少或不需要時(shí)，該數(shù)學(xué)模擬以具有標(biāo)準(zhǔn)比例的標(biāo)準(zhǔn)人進(jìn)行計(jì)算。如果希望在被顯示的環(huán)境中用人造的大或小的目標(biāo)產(chǎn)生“Gulliver”效應(yīng)，則需要對(duì)環(huán)境及其中目標(biāo)的線(xiàn)性尺寸與使用者線(xiàn)性尺寸之間比例的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。以同樣方式，當(dāng)從長(zhǎng)期記憶單元12送入數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)改變使用者運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性可使快或慢時(shí)間標(biāo)度引入至被顯示環(huán)境中。如果使用者的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地提供給單元13，在被顯示環(huán)境中的程序流的動(dòng)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(jì)算并構(gòu)建在其上面相對(duì)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(chǎng)相關(guān)的方向，南—北、東—西方向或在地球重力場(chǎng)與南—北方向的基礎(chǔ)上確定的本地垂直方向。這些場(chǎng)一般到處存在且與使用者無(wú)關(guān)。使用專(zhuān)門(mén)的裝置如電磁羅盤(pán)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的環(huán)節(jié)的取向可被確定。在對(duì)地球磁場(chǎng)具有強(qiáng)烈干擾或屏蔽的地方可用專(zhuān)門(mén)的裝置產(chǎn)生參考方向的人造場(chǎng)。需要指出，在這種情況下只需確定使用者在該場(chǎng)當(dāng)中的取向而不需要使用要求繁重計(jì)算的三角測(cè)量算法用于確定至該裝置的絕對(duì)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(jìn)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(lèi)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(yùn)動(dòng)，支承環(huán)節(jié)相對(duì)于本地垂直方向來(lái)說(shuō)將是最低的一個(gè)，而支承點(diǎn)將是該環(huán)節(jié)的最低部分。
單元19相對(duì)于計(jì)算機(jī)生成環(huán)境中的支承點(diǎn)將使用者定位。為此，在最簡(jiǎn)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(diǎn)相對(duì)準(zhǔn)，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(dāng)前時(shí)刻使用者的支承點(diǎn)。在使用者運(yùn)動(dòng)，例如跳躍，即一度“飛行”的情況下，利用使用者動(dòng)態(tài)特性的最近信息使他或她相對(duì)于支承點(diǎn)定位。應(yīng)該指出，具有了動(dòng)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(diǎn)推開(kāi)時(shí)的受力也可進(jìn)行計(jì)算。這就允許對(duì)被顯示環(huán)境中使用者的運(yùn)動(dòng)進(jìn)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(biāo))與取向的動(dòng)態(tài)變化。這即是說(shuō)，從被顯示的使用者運(yùn)動(dòng)的圖象中可以看出，例如，使用者朝北方走了十步，轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)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(guān)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(duì)相對(duì)于被顯示環(huán)境中的支承點(diǎn)定位的被模擬使用者的位置與取向進(jìn)行顯示。利用單元20，使用者自身或旁觀(guān)者可以確定用于觀(guān)察使用者運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)的形態(tài)。如果愿意，使用者的運(yùn)動(dòng)可自上、自下、自側(cè)面或自變化的視點(diǎn)進(jìn)行觀(guān)察。在顯示已事先寫(xiě)入長(zhǎng)期記憶單元的使用者運(yùn)動(dòng)時(shí)，該運(yùn)動(dòng)在顯示前可根據(jù)某項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行編輯。舉例來(lái)說(shuō)，可同期顯示同一使用者在不同時(shí)間寫(xiě)入記憶單元的運(yùn)動(dòng)，或者為了比較而顯示不同使用者的運(yùn)動(dòng)。取決于任務(wù)設(shè)定，使用者的運(yùn)動(dòng)可用簡(jiǎn)化的仿效模擬或更接近于帶有“反映”衣服、皮膚、周?chē)h(huán)境復(fù)雜結(jié)構(gòu)的逼真圖象的任何其它形式進(jìn)行顯示。在前一種情況下，基本上任何計(jì)算機(jī)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(qiáng)大的計(jì)算機(jī)。
當(dāng)向使用者給出虛擬環(huán)境時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的運(yùn)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(xué)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(dāng)前時(shí)刻能看見(jiàn)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(shí)際環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)而計(jì)算出的虛擬環(huán)境中他或她的位置與取向能看見(jiàn)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(hào)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(hù)目鏡，包括裝置6(見(jiàn)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(duì)座標(biāo)來(lái)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(dòng)檢測(cè)。在動(dòng)態(tài)時(shí)，該絕對(duì)座標(biāo)將給出使用者運(yùn)動(dòng)的路線(xiàn)。然而，該環(huán)境通常受到設(shè)置于使用者動(dòng)作活動(dòng)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(lái)，本發(fā)明對(duì)使用者運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)范圍基本上不產(chǎn)生約束，因?yàn)閷?duì)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(shí)根據(jù)各環(huán)節(jié)之間角度變化的信息與使用者相對(duì)于參考方向的取向的信息用計(jì)算機(jī)計(jì)算使用者在空間的運(yùn)動(dòng)。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(jìn)行計(jì)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(xiàn)性尺寸應(yīng)為已知數(shù)。更詳細(xì)地說(shuō)，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(xiàn)性尺寸。在某些情況下測(cè)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(jiǎn)化通過(guò)環(huán)節(jié)相對(duì)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(shí)刻如果一條腿為支承腿，則傳感器中的觸點(diǎn)閉合；相反，如果該腿抬起并懸垂，該觸點(diǎn)則斷開(kāi)。該傳感器還能提供每條腿攜帶的載荷信息。根據(jù)動(dòng)態(tài)時(shí)由腿攜帶的載荷及使用者的重量，即使在跳躍時(shí)也可計(jì)算使用者的沖力以及使用者的運(yùn)動(dòng)路線(xiàn)。對(duì)于計(jì)算使用者運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)路線(xiàn)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(dòng)態(tài)特性加以計(jì)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(shí)現(xiàn)的全新的可能性，尤其是，進(jìn)行包括各種運(yùn)動(dòng)比如體育與舞蹈的測(cè)試與競(jìng)賽，用于評(píng)價(jià)對(duì)于設(shè)定情況的反應(yīng)充分程度以及用于博擊。這些競(jìng)賽能夠在時(shí)間上進(jìn)行區(qū)分，例如，通過(guò)從同一使用者在不同時(shí)間取得數(shù)據(jù)。然后，為了進(jìn)行對(duì)比，在觀(guān)察到這些運(yùn)動(dòng)之后既可由計(jì)算機(jī)也可由人對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估和比較。競(jìng)賽可在許多使用者中同時(shí)地進(jìn)行。為此，可以從數(shù)個(gè)使用者實(shí)時(shí)地取得數(shù)據(jù)，并將其用于比較運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行及環(huán)境響應(yīng)的正確性，響應(yīng)速度以及運(yùn)動(dòng)的初始情況。這樣的競(jìng)賽可在與國(guó)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(jìn)行，而這些使用者可以相距很遠(yuǎn)的距離。
寫(xiě)入記憶單元的使用者位置與取向數(shù)據(jù)可進(jìn)一步存檔。可以建立人類(lèi)或任何脊椎動(dòng)物的典型運(yùn)動(dòng)與由著名運(yùn)動(dòng)員及舞蹈家寫(xiě)入的獨(dú)特運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。
本發(fā)明的一個(gè)基本優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)的絕對(duì)距離。本發(fā)明確保使用者在基本上無(wú)邊界的環(huán)境中確定其位置與取向，該無(wú)邊界環(huán)境只具有使用者可與之相對(duì)地被定向的參考方向場(chǎng)。參考方向的確定，如上所述，要提前確定一個(gè)環(huán)節(jié)的取向，在該環(huán)節(jié)上參考方向確定裝置相對(duì)于該參考方向進(jìn)行設(shè)置。最合適的參考方向?yàn)榕c我們無(wú)關(guān)而基本上到處存在的地球天然場(chǎng)的矢量方向。建議的兩個(gè)參考方向(第三個(gè)方向與前兩個(gè)方向正交而構(gòu)成)為地球磁場(chǎng)的南—北與東—西方向，或者例如南—北方向與由地球重力場(chǎng)確定的本地垂直方向。如果使用者處在與外部場(chǎng)屏蔽的房間內(nèi)，可以使用人工參考方向場(chǎng)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(chǎng)中的取向，而不是至外部發(fā)生器的絕對(duì)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(guò)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(dāng)處于虛擬現(xiàn)實(shí)中時(shí)，在被記錄的使用者活動(dòng)的歷史范圍之內(nèi)“時(shí)間機(jī)器”的幾乎所有的特征都可以實(shí)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(shí)刻。這可被用于計(jì)算機(jī)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(xiě)入數(shù)條平行的狀態(tài)線(xiàn)，使用者可選擇他或她認(rèn)為最有效的任意一條狀態(tài)線(xiàn)以繼續(xù)他或她的行為。通過(guò)使用被記錄的使用者位置與取向的動(dòng)態(tài)變化，可以實(shí)現(xiàn)由三個(gè)空間維度與時(shí)間維度所限定的四維環(huán)境。與現(xiàn)實(shí)生活中運(yùn)動(dòng)僅沿時(shí)間向未來(lái)單一方向完成不同，通過(guò)采用存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，本發(fā)明可使連續(xù)的或不連續(xù)的運(yùn)動(dòng)能夠在寫(xiě)入存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)范圍之內(nèi)朝著時(shí)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(duì)使用者的運(yùn)動(dòng)進(jìn)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的能力可得到擴(kuò)展并可找到新的應(yīng)用領(lǐng)域?？僧a(chǎn)生所跟蹤的使用者運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)描述以便不同系統(tǒng)中采用。這樣的使用者運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)描述在動(dòng)畫(huà)制作中及用于產(chǎn)生專(zhuān)用程序庫(kù)時(shí)可被用作，例如VRML(虛擬現(xiàn)實(shí)模擬語(yǔ)言)部分。考慮到利用由根據(jù)本發(fā)明的方法追蹤的使用者的自然運(yùn)動(dòng)對(duì)程序進(jìn)行控制的可能性，大多數(shù)未來(lái)計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序能夠利用這些標(biāo)準(zhǔn)模型。為了提供利用其中使用者運(yùn)動(dòng)由鍵盤(pán)、鼠標(biāo)或操作桿及根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的當(dāng)前計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序的全部材料庫(kù)的可能性，必須提供接口裝置，即能識(shí)別使用者的運(yùn)動(dòng)并將其變換成游戲控制信號(hào)與類(lèi)似運(yùn)動(dòng)模擬信號(hào)的程序。
本發(fā)明的一個(gè)最重要的應(yīng)用涉及訓(xùn)練使用者如何完成某些典型運(yùn)動(dòng)，比如跳舞、體育或職業(yè)運(yùn)動(dòng)或用于增進(jìn)健康的運(yùn)動(dòng)。為此，將典型運(yùn)動(dòng)向使用者顯示。為達(dá)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(dòng)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(yùn)動(dòng)。為了隨后的控制，他或她的運(yùn)動(dòng)應(yīng)進(jìn)行存儲(chǔ)、記錄，以便將其與典型運(yùn)動(dòng)進(jìn)行比較。可通過(guò)不同的方法來(lái)完成典型運(yùn)動(dòng)與使用者運(yùn)動(dòng)的比較。使用者自己可觀(guān)察同期顯示的典型運(yùn)動(dòng)與事先存儲(chǔ)的使用者運(yùn)動(dòng)。更有意義與更有前途的可能性在于利用計(jì)算機(jī)或熟練的專(zhuān)業(yè)人員評(píng)價(jià)使用者運(yùn)動(dòng)的正確性。根據(jù)裝入的程序，對(duì)通過(guò)使用者的位置與取向跟蹤的使用者運(yùn)動(dòng)進(jìn)行比較之后，計(jì)算機(jī)能提供評(píng)價(jià)與建議。使用者將修正他或她的運(yùn)動(dòng)直至達(dá)到所需的熟練與準(zhǔn)確程度。這個(gè)過(guò)程類(lèi)似于由教練進(jìn)行訓(xùn)練，然而它不包括相應(yīng)的開(kāi)支以及教練對(duì)進(jìn)程的認(rèn)可。由最好的教練建立的反饋程序可以復(fù)制成上百萬(wàn)件復(fù)制品，每個(gè)人在任何方便的時(shí)間都能使用它。
本發(fā)明還可用于監(jiān)測(cè)使用者的被測(cè)身體緊張程度。舉例來(lái)說(shuō)，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(méi)有這樣的單個(gè)建議或一般的相反指示時(shí)，計(jì)算機(jī)可計(jì)算出并建議一定時(shí)期的緊張度體系。為限定緊張度，可以利用過(guò)去慢性疾病、體重、身高、性別、年齡、訓(xùn)練目的、訓(xùn)練等級(jí)與一天中的精神壓力等數(shù)據(jù)?？蛇M(jìn)行包括對(duì)身體反應(yīng)，例如一定壓力下心率的變化程度，進(jìn)行監(jiān)視的專(zhuān)門(mén)初步測(cè)試。
緊張度確定之后，計(jì)算機(jī)可產(chǎn)生對(duì)于限定時(shí)間的最佳建議。使用最完全追蹤使用者運(yùn)動(dòng)的傳感器系統(tǒng)，使用者開(kāi)始他或她的訓(xùn)練，因而身體各單獨(dú)部分上的緊張度數(shù)據(jù)在運(yùn)動(dòng)信息的基礎(chǔ)上可容易地計(jì)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(huà)，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(wú)約束地完成運(yùn)動(dòng)的訓(xùn)練系統(tǒng)，使用者的鍛練與精神壓力可以通過(guò)改變故事、動(dòng)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(dāng)中可通過(guò)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(xiǎn)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(shí)間周期內(nèi)能夠保持在預(yù)定的范圍內(nèi)，對(duì)于使用者這是不引人注意的。在希望的強(qiáng)度達(dá)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(dòng)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(mǎn)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(qiáng)度，這可導(dǎo)致情緒緊張與低落。以可控的鍛練強(qiáng)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(guò)度緊張的好方法，并促進(jìn)個(gè)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(shí)的或內(nèi)容豐富的信息的鍛練可通過(guò)處于特殊的、使用者選擇的虛擬環(huán)境中來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，計(jì)算機(jī)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(shuō)出有趣場(chǎng)所并設(shè)置以預(yù)定的速度或需要時(shí)以可變的速度步行或跑步旅游的進(jìn)度。在預(yù)定的緊張度達(dá)到之后這個(gè)旅游即可結(jié)束．因?yàn)殄懢毷仟?dú)立的，以前的鍛練與緊張度數(shù)據(jù)可寫(xiě)入計(jì)算機(jī)記憶單元用于以后使緊張度從初級(jí)水平向穩(wěn)定的推薦水平的改進(jìn)。標(biāo)準(zhǔn)恒定的或逐日改變的強(qiáng)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(dá)到一定緊張度而不處在虛擬現(xiàn)實(shí)中，其緊張度可用處理器控制，通過(guò)經(jīng)由聽(tīng)覺(jué)通道的耳機(jī)提供反饋。該處理器可通報(bào)改變身體各單獨(dú)部位緊張度的一般進(jìn)度的必要性。此判斷可以根據(jù)緊張度計(jì)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(cè)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的每個(gè)基本連接點(diǎn)附著上用于確定至少一個(gè)與相應(yīng)連接點(diǎn)相鄰的各環(huán)節(jié)之間角度的裝置；b)在至少一個(gè)使用者運(yùn)動(dòng)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(gè)環(huán)節(jié)相對(duì)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(diǎn)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(gè)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(shí)際運(yùn)動(dòng)的使用者在空間的位置與取向的瞬時(shí)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(duì)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的線(xiàn)性尺寸值來(lái)完成，并進(jìn)一步包括以下步驟f)確定使用者運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的支承環(huán)節(jié)；g)相對(duì)于被顯示的環(huán)境中的支承點(diǎn)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(yùn)動(dòng)。
6．如權(quán)利要求5所述的方法，其中使用者的運(yùn)動(dòng)以實(shí)時(shí)方式進(jìn)行顯示。
7．如權(quán)利要求5所述的方法，其中使用者的運(yùn)動(dòng)按需要在稍后根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)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(yùn)動(dòng)根據(jù)所需觀(guān)察角度進(jìn)行顯示。
9．如權(quán)利要求6或7所述的方法，進(jìn)一步包括編輯使用者運(yùn)動(dòng)的生成圖象并顯示使用者運(yùn)動(dòng)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?yàn)榈卮艌?chǎng)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?yàn)榈卮艌?chǎng)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?yàn)橛赏勇莘€(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?yàn)橛赏獠繀⒖挤较蛟创_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(duì)相隔開(kāi)的絕對(duì)座標(biāo)傳感器，所述的傳感器對(duì)設(shè)置在至少一個(gè)使用者運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的線(xiàn)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)環(huán)節(jié)線(xiàn)性尺寸的比例以便適當(dāng)修改使用者相對(duì)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(biāo)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(guò)利用設(shè)置在該操作器上的輔助參考方向確定裝置進(jìn)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間的基本連接點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(yùn)動(dòng)參數(shù)傳感器，將傳感器信號(hào)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(cè)試數(shù)據(jù)處理單元，以及與測(cè)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(jìn)一步包括配置在至少一個(gè)使用者運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的環(huán)節(jié)之上的參考方向確定裝置；具有與運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳感器及參考方向確定裝置相連接的詢(xún)檢通道的詢(xún)檢單元，該詢(xún)檢單元的輸出端與變換裝置的輸入端相連接，該運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳感器為配置在使用者運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間基本連接點(diǎn)的最鄰近處或在各環(huán)節(jié)本身之上的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度傳感器。
21．如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括至少一個(gè)用于使用者與虛擬環(huán)境目標(biāo)交互作用的裝置，通過(guò)詢(xún)檢通道與詢(xún)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(duì)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(duì)旋轉(zhuǎn)角度傳感器為纖維光學(xué)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(chǎng)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(jìn)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(hào)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(jìn)一步包括用于存儲(chǔ)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(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，所述存儲(chǔ)裝置通過(guò)數(shù)據(jù)通信總線(xiàn)與測(cè)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(jìn)一步包括構(gòu)建三維環(huán)境數(shù)學(xué)模擬及顯示于其中的使用者數(shù)學(xué)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(cè)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(jìn)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(cè)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(shí)際環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)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(biāo)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(diǎn)相鄰的各環(huán)節(jié)之間至少一個(gè)角度的裝置最接近地附著在使用者運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)環(huán)節(jié)的每個(gè)基本連接點(diǎn)上；b)確定使用者運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的線(xiàn)性尺寸；c)在至少一個(gè)使用者運(yùn)動(dòng)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(gè)環(huán)節(jié)相對(duì)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(diǎn)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(gè)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的支承環(huán)節(jié)；h)相對(duì)于被顯示的虛擬環(huán)境中的支承點(diǎn)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(duì)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(yùn)動(dòng)及與虛擬環(huán)境目標(biāo)的交互作用實(shí)時(shí)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(duì)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?yàn)榈卮艌?chǎng)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?yàn)榈卮艌?chǎng)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?yàn)橛赏勇莘€(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?yàn)橛赏獠繀⒖挤较蛟创_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(duì)間隔開(kāi)的絕對(duì)座標(biāo)傳感器，所述的傳感器對(duì)配置在至少一個(gè)使用者運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的線(xiàn)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)線(xiàn)性尺寸的比例，以便適當(dāng)?shù)刈兏褂谜呦鄬?duì)于被顯示環(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(biāo)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(guò)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間的基本連接點(diǎn)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(diǎn)、以及胸椎與腰椎之間的連接點(diǎn)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(diǎn)還有足關(guān)節(jié)與指關(guān)節(jié)。
44．一種向在實(shí)際環(huán)境中運(yùn)動(dòng)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(hào)的裝置，產(chǎn)生符合于使用者視野的虛擬環(huán)境圖象信號(hào)的裝置，它具有與所述產(chǎn)生指示使用者視野方向信號(hào)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(hào)產(chǎn)生裝置進(jìn)一步包括用于確定與所述各環(huán)節(jié)的適當(dāng)連接點(diǎn)相鄰的使用者運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間至少一個(gè)角度的裝置；配置在至少一個(gè)使用者運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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模—數(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(xué)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(hào)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(duì)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(duì)旋轉(zhuǎn)角度傳感器為纖維光學(xué)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(chǎng)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(hào)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(shí)際或虛擬環(huán)境目標(biāo)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?！獢?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(jìn)一步包括具有與所述模—數(shù)變換裝置的輸出端相連接之輸入端的長(zhǎng)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(jì)算機(jī)游戲,具有體育、增進(jìn)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(yùn)動(dòng),并給出響應(yīng)于使用者在實(shí)際環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的虛擬環(huán)境。用于追蹤使用者運(yùn)動(dòng)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(diǎn)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(gè)環(huán)節(jié)2上以確定該環(huán)節(jié)相對(duì)于參考方向的取向。對(duì)從傳感器4、參考方向確定裝置5以及,如果適當(dāng)?shù)脑?huà),從用于使用者與虛擬環(huán)境目標(biāo)交互作用的裝置8所獲得的信息進(jìn)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(duì)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(shí)時(shí)地顯示使用者的運(yùn)動(dòng)或者響應(yīng)于實(shí)際環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)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(hào)G06F3/0481GK1231753SQ97198214
公開(kāi)日1999年10月13日 申請(qǐng)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(qǐng)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