多傳感器組融合的檢測(cè)方法及支持頭部跟蹤的環(huán)繞聲方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種多傳感器組融合的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法，還涉及一種基于這種多傳感器 組融合方法的支持頭部跟蹤的虛擬環(huán)繞聲生成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 用戶戴著耳機(jī)聽虛擬環(huán)繞聲時(shí)，當(dāng)用戶頭部旋轉(zhuǎn)時(shí)，耳機(jī)里的虛擬環(huán)繞聲會(huì)跟著 用戶的頭部旋轉(zhuǎn)，這樣導(dǎo)致人在現(xiàn)場(chǎng)聽音樂的感覺不同，生成的虛擬環(huán)繞聲不夠真實(shí)，因 此，需要使用運(yùn)動(dòng)傳感器進(jìn)行頭部運(yùn)動(dòng)跟蹤(head tracking)，使虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備或頭戴式顯 示器(head-mounted display，HMD)的使用者（用戶)得到不受頭部運(yùn)動(dòng)影響的優(yōu)質(zhì)環(huán)繞聲。
[0003] 現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)傳感器主要包括加速度計(jì)、陀螺儀和磁力傳感器，這些傳感器在運(yùn)動(dòng)跟 蹤和絕對(duì)方向方面都有自己各自固有的強(qiáng)項(xiàng)和弱點(diǎn)。例如，加速度計(jì)提供一個(gè)重力向量(指 向地球中心的向量），而磁力計(jì)則是一個(gè)指南針，這兩種傳感器的信息可以用來計(jì)算設(shè)備的 方向，然而這兩個(gè)傳感器的輸出并不精確，包含了大量的噪音，而陀螺儀提供沿著三個(gè)軸旋 轉(zhuǎn)的角速度，這個(gè)信息非常準(zhǔn)確，并且反應(yīng)很快，但長時(shí)間會(huì)產(chǎn)生漂移誤差，其原因在于需 要對(duì)角速度進(jìn)行積分來得到方向信息，而積分過程會(huì)導(dǎo)致微小數(shù)值誤差，誤差長時(shí)間的積 累就形成了比較明顯的漂移。為揚(yáng)長避短，將上述三種傳感器組合成傳感器組，對(duì)全部傳感 器的信號(hào)依據(jù)適宜的方式進(jìn)行運(yùn)算，形成更加精確的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)結(jié)果，就是傳感器的融合 (sensor fusion)，人們已經(jīng)進(jìn)行過傳感器融合的研究并取得了一些有效的運(yùn)算方式，但進(jìn) 一步改進(jìn)和優(yōu)化融合運(yùn)算依然有助于技術(shù)進(jìn)步，特別是，單一傳感器組的誤差相對(duì)較大甚 至?xí)霈F(xiàn)一定的故障，如何獲得更為精確的檢測(cè)結(jié)果并保證在局部故障時(shí)依然能夠有效運(yùn) 行，就成為目前需要解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種多傳感器組融合的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方 法，還提供了一種基于這種運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法的支持頭部跟蹤的環(huán)繞聲生成方法，采用這種多 傳感器組融合方法能夠獲得更精確和更可靠的運(yùn)行檢測(cè)結(jié)果，采用這種環(huán)繞聲生成方法可 以跟蹤用戶的頭部運(yùn)動(dòng)，獲得高質(zhì)量的聽覺效果。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0006] -種多傳感器組融合的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法，用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，采用多個(gè)傳感器組采 集運(yùn)動(dòng)相關(guān)信息，對(duì)各傳感器組進(jìn)行傳感器融合，獲得該傳感器組的單組檢測(cè)數(shù)據(jù)，依據(jù)各 單組檢測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算獲得最終檢測(cè)數(shù)據(jù)。
[0007] -種支持頭部跟蹤的虛擬環(huán)繞聲生成方法，基于主要由耳機(jī)和頭戴式顯示器組成 的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，采用本發(fā)明公開的任意一種運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法檢測(cè)用戶頭部運(yùn)動(dòng)角度，依據(jù) 用戶頭部運(yùn)動(dòng)角度對(duì)音頻進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，消除因用戶頭部運(yùn)動(dòng)帶來的方向失真，生成能夠跟蹤 頭部運(yùn)動(dòng)的虛擬環(huán)繞聲并通過耳機(jī)播放，所述傳感器組的數(shù)量為兩組，包括第一傳感器組 和第二傳感器組，所述第一傳感器組設(shè)置在所述頭戴式顯示裝置上，所述第二傳感器組設(shè) 置在耳機(jī)上。
[0008] 本發(fā)明的有益效果是:通過傳感器組內(nèi)各傳感器融合，避免了單一種類傳感器的 不足，自各傳感器的信號(hào)組合在一起，產(chǎn)生一個(gè)更加精確的單組檢測(cè)數(shù)據(jù);通過采用多組傳 感器并依據(jù)多組傳感器計(jì)算最終檢測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高勞動(dòng)數(shù)據(jù)的精確性和可靠性，且保 證了在部分傳感器或傳感器組出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)依然能夠正常運(yùn)動(dòng)；由于依據(jù)頭部運(yùn)動(dòng)角 度生成相應(yīng)的環(huán)繞聲，避免了因頭部運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的方向性失真，明顯地改善了用戶體驗(yàn)；由于 將兩組傳感器分別設(shè)置頭戴式顯示器和耳機(jī)上，不僅避免帶來單一傳感器組可能存在的誤 差和故障，提高了對(duì)用戶頭部運(yùn)動(dòng)角度的檢測(cè)精度，提高了環(huán)繞聲的質(zhì)量，而且在不增加用 戶負(fù)擔(dān)或不適感的情況下，有效地檢測(cè)了頭戴式顯示器和耳機(jī)兩方面的運(yùn)動(dòng)角度，減小或 避免了偶然因素導(dǎo)致頭戴式顯示器或耳機(jī)移動(dòng)所產(chǎn)生的音頻旋轉(zhuǎn)；由于兩組傳感器在傳感 器融合中可以不同的時(shí)間常數(shù)，有助于兼顧兩種時(shí)間常數(shù)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步改善音質(zhì)；由于可 以最終檢測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算中可以對(duì)不同的單組檢測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)置不同的權(quán)重，有助于進(jìn)一步提高檢 測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性；由于在頭戴式顯示器電量不足時(shí)可以充分利用耳機(jī)的處理單元 承擔(dān)相關(guān)數(shù)據(jù)處理，節(jié)省能耗。
【具體實(shí)施方式】
[0009] 本發(fā)明提供的多傳感器組融合的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法，可用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，其采用多 個(gè)傳感器組采集運(yùn)動(dòng)相關(guān)信息，對(duì)各傳感器組進(jìn)行傳感器融合，獲得該傳感器組的單組檢 測(cè)數(shù)據(jù)，依據(jù)各單組檢測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算獲得最終檢測(cè)數(shù)據(jù)。這種檢測(cè)方法可以用于虛擬現(xiàn)實(shí)播 放設(shè)備的用戶頭部跟蹤，以便更為精確地獲得用戶頭部旋轉(zhuǎn)角度，依據(jù)用戶頭部旋轉(zhuǎn)角度 調(diào)整所播放的音頻、視頻和游戲畫面等，以消除因頭部旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的失真。這種檢測(cè)方法也可 以用于檢測(cè)其他運(yùn)動(dòng)信號(hào)和/或用于其他場(chǎng)合，例如檢測(cè)速度、距離及其他任意適應(yīng)于多傳 感器組檢測(cè)的數(shù)據(jù)。
[0010]優(yōu)選的，所述依據(jù)各單組檢測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算獲得最終檢測(cè)數(shù)據(jù)的方法為:計(jì)算能夠有 效工作的各傳感器組的單組檢測(cè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值或加權(quán)平均值，以獲得的算術(shù)平均值或 加權(quán)平均值為所述的最終檢測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)只有一組傳感器組能夠有效工作時(shí)，以該傳感器組 的單組檢測(cè)數(shù)據(jù)為最終檢測(cè)數(shù)據(jù)。
[0011]優(yōu)選的，在計(jì)算加權(quán)平均值時(shí)，依據(jù)相關(guān)各傳感器組的精確度、可靠性和/或關(guān)聯(lián) 性確定各傳感器組對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，精確度高的傳感器組的權(quán)重系數(shù)高于精確度低的傳感 器組的權(quán)重系數(shù)，可靠性高的傳感器組的權(quán)重系數(shù)高于可靠性低的傳感器組的權(quán)重系數(shù)， 關(guān)聯(lián)性高的傳感器組的權(quán)重系數(shù)高于關(guān)聯(lián)性低的傳感器組的權(quán)重系數(shù)，所述精確度可以依 據(jù)所用傳感器本身的精確度確定，所述可靠性可以依據(jù)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果確定或依據(jù)傳感器本 申請(qǐng)的可靠性能確定，所述關(guān)聯(lián)性可以依據(jù)排除傳感器因素后的系統(tǒng)誤差確定，依據(jù)實(shí)驗(yàn) 或?qū)ο到y(tǒng)構(gòu)造的分析獲得相關(guān)系統(tǒng)誤差，系統(tǒng)誤差大的關(guān)聯(lián)性低，由此增加優(yōu)質(zhì)傳感器組 數(shù)據(jù)在最終檢測(cè)結(jié)果所占的比重，以提高檢測(cè)精度。
[0012] 所述傳感器組中可以包括加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)(磁力傳感器）。以充分利用 加速度計(jì)和磁力計(jì)在方向檢測(cè)上沒有積累誤差的優(yōu)勢(shì)，避免其帶有大量噪音的劣勢(shì)，充分 利用陀螺儀在角速度檢測(cè)中信息非常準(zhǔn)確且并且反應(yīng)很快的優(yōu)勢(shì)，避免其長時(shí)間會(huì)產(chǎn)生漂 移誤差的劣勢(shì)。
[0013] 對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)播放等場(chǎng)合，將所述運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)設(shè)定為角度，相應(yīng)地，所述單組檢測(cè)數(shù) 據(jù)為單組檢測(cè)角度，所述最終檢測(cè)數(shù)據(jù)為最終檢測(cè)角度。
[0014] 所述傳感器融合方式可以為依據(jù)下列公式計(jì)算單組檢測(cè)角度：
[0015] 0f；i(t) =αι;?(θ?；?(?-1)+ 〇g)i(t)dT) + (l-ai)i)0am)i(t)
[0016] 其中，0f>1(t)為第i傳感器組在t時(shí)刻的單組檢測(cè)角度，0f>1(t_l)為第i組傳感器組 在t時(shí)刻之前一個(gè)采樣間隔時(shí)（即t-dT時(shí)刻）的單組檢測(cè)角度，也可以表示為efyt-dT);
[0017] α1;1為第i傳感器組的時(shí)間常數(shù)，體現(xiàn)了 0f>1(t)的平滑程度，可以依據(jù)實(shí)驗(yàn)和/或需 要等因素設(shè)定；
[0018] cog>1(t)為依據(jù)第i傳感器組中的陀螺儀獲得的角速度；
[0019] dTi為第i傳感器組的采樣時(shí)間間隔，各傳感器組的采樣間隔時(shí)間可以相同，也可 以不同；
[0020] 0am>i(t)為依據(jù)第i傳感器組中的加速度計(jì)和磁力計(jì)獲得的t時(shí)刻角度；
[0021] i為傳感器組序號(hào)，為從1到N的自然數(shù)，其中N為傳感器組的數(shù)量，大于等于2。
[0022] 所述傳感器組中加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)的數(shù)量可以均為一個(gè)，且分別為3-軸 加速度計(jì)、3-軸陀螺儀和3-軸磁力傳感器。
[0023] 通過上述計(jì)算公式，可以使用短時(shí)的陀螺儀信息和長時(shí)的加速度計(jì)和磁力計(jì)信 息，這就相當(dāng)于對(duì)陀螺儀輸出使用了一個(gè)高通濾波器，而對(duì)其他傳感器輸出使用了低通濾 波器，系數(shù)α 1;1是時(shí)間常量，用來控制低通濾波器的截止頻率，也就是0am>1(t)的平滑程度。 時(shí)間常量a 1;i的選取對(duì)系統(tǒng)性能有重大的影響，數(shù)值過大則造成系統(tǒng)更多依賴于陀螺儀角 度，對(duì)加速度計(jì)的角度響應(yīng)緩慢，導(dǎo)致系統(tǒng)漂移錯(cuò)誤加大，數(shù)值過小則造成角度平滑不夠， 包含大量加速度計(jì)結(jié)果噪音，導(dǎo)致準(zhǔn)確性下降。i值的選取依賴于多個(gè)因素，如傳感器本 身的特性，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)人為選取一組數(shù)值