专利名称：被跟踪物体的运动部分之间相对位置获取的方法
技术领域：
本发明涉及一种被跟踪物体的运动部分之间相对位置获取的方法，尤指一种用于在位置跟踪过程中获取位于同一物体上不同运动部分之间相对位置关系的方法。
在对处于运动状态下的对象进行跟踪、探测的过程中，人们有时并不关心被跟踪对象本体上的各个运动部分相对于跟踪者坐标系的位置信息，而更为关心该各个运动部分之间的相对位置关系。例如在对鸟类飞行动作进行跟踪分析时，人们通常关心的是鸟类在飞行过程中，其双翅与其身体之间的位置关系，而不是其双翅与分析人之间的位置关系；在分析聋人手语时，除了需要手语者双手与手语者身体之间的位置关系信息外，还需要注意的是手语者双手之间的位置关系。
通常的位置跟踪系统由发射器和接收器组成，发射器向外发射信号，接收器接收该信号，通过分析接收器接收到的信号就可以获得接收器相对于发射器的位置和方向信息。但是，这种位置和方向信息仅仅是各个发射器与接收器之间的位置和方向信息；当人们需要的是被跟踪对象本体上不同运动部分之间的相对位置关系(即各个接收器之间的相对位置关系)时，上述仅能提供接收器相对于发射器的位置和方向信息的系统明显不能满足所述位置跟踪的要求。
有鉴于现有的位置跟踪技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种被跟踪物体的运动部分之间相对位置获取的方法，该方法的位置跟踪系统不仅提供各个发射器与接收器之间的位置数据和方向数据，还可以提供各个接收器之间相对的位置数据和方向数据。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的一种被跟踪物体的运动部分之间相对位置获取的方法，位置跟踪系统中设有发射器和接收器，发射器发射跟踪信号，接收器接收该信号，接收器利用所接收的信号，生成该接收器相对于发射器的位置数据和方向数据，然后将该位置数据和方向数据传送出去；数据处理系统接收由接收器传送的位置数据和方向数据，获取该接收器相对于发射器的位置信息；在数据处理系统对所接收的接收器位置数据和方向数据进行处理时，还进一步获取接收器之间的、与发射器位置无关的位置数据和方向数据。
上面所述的接收器为一个以上。
在数据处理系统对所接收的接收器位置数据和方向数据进行处理时，先在所有的接收器中选取参照接收器，然后将其他接收器作为一般接收器；并且将一般接收器按照其与参照接收器的参照关系及参照接收器的数量划分相应的坐标系组。
上面所述的数据处理系统进一步获取接收器之间的、与发射器位置无关的位置数据和方向数据的方法包括如下步骤1、计算所有接收器相对于发射器的旋转矩阵；2、计算一般接收器的转置矩阵；3、将参照接收器的旋转矩阵与与其同处于一个坐标系组的一般接收器的转置矩阵分别相乘，获得相应的一般接收器相对于该参照接收器的方向数据；4、计算一般接收器与该参照接收器的位置坐标之差；5、计算一般接收器相对于该参照接收器的坐标数据；6、输出一般接收器相对于参照接收器的方向数据和一般接收器相对于参照接收器的坐标数据。
上面所述的参照接收器为一个或一个以上。
上面所述的一般接收器为一个或一个以上。
本发明利用一个以上的接收器相对于发射器的位置数据，以及接收器的运动可视为一三维的刚体运动这一特征，提供了一种被跟踪物体的运动部分之间相对位置获取的方法，该方法的位置跟踪系统不仅提供各个发射器与接收器之间的位置数据和方向数据，还进一步提供了各个接收器之间相对的、与发射器无关的位置数据和方向数据。
以下结合附图及具体的实施例对本发明作进一步的详细说明
图1为本发明发射器与一接收器的位置关系示意图。
图2为本发明具有两个接收器实施例的数据处理流程图。
图3为本发明具有三个接收器实施例的数据处理流程图。
如图1所示，一位置跟踪系统具有一发射器1和一个以上的接收器2，发射器1向外发射电磁波信号，接收器2向接收该电磁波信号，根据接收器2接收到的电磁波信号就可以获得接收器2相对于发射器1的位置和方向数据。
如果一个以上的接收器2固定在人身体的某个部位，而发射器1放在旁边，那么采集到的、一个以上的接收器2的位置数据则是相对于发射器2的坐标系的数据，因此，该数据就与人所在的具体位置有关。如果只想获得相对于人体某个部位的位置数据，如双手相对于身体的位置和方向数据，就需要对这些数据进行处理。
在一位置跟踪系统中，接收器2的运动可视为一三维的刚体运动。一个刚体在迪卡尔坐标系下的运动可以利用下述的公式(1)表示X′＝R(X-S) (1)其中R是一个3×3的旋转矩阵，其表达公式为R=1000cosα-sinα0sinαcosαcosβ0sinβ010-sinβ0cosβcosγ-sinγ0sinγcosγ0001]]>=cosβcosγcosβsinγ-sinβsinαsinβcosγ-cosαsinγsinαsinβsinγ+cosαcosγsinαcosβcosαsinβcosγ+sinαsinγcosαsinβsinγ-sinαcosγcosαcosβ---(2)]]>X＝(x1，x2，x3)t为发射器1的坐标；
X′＝(x1′，x2′，x3′)t为接收器2的坐标；S是接收器2相对发射器1的位置坐标；α，β，γ，为接收器2输出的欧拉角，它们分别表示相对于X1，X2和X3坐标轴的旋转角。
如图2所示为利用位置跟踪系统采用两个接收器确定左、右手的位置的实施例；设左手接收器的位置及其对应的迪卡尔坐标系为参考点和参考坐标系，右手接收器的位置及其对应的迪卡尔坐标系相对左手的接收器的位置和迪卡尔坐标系为不变量特征。具体处理方法如下选择左手接收器为参照接收器，将右手接收器作为一般接收器；由于在本实施例中仅选有一个参照接收器，因此本实施例中左、右手接收器构成一个坐标系组；具体的处理步骤如下1、计算左、右手接收器相对于发射器的旋转矩阵；2、计算右手接收器的转置矩阵；3、将左手接收器的旋转矩阵与右手接收器的转置矩阵相乘，获得右手接收器相对左手接收器的方向数据；4、计算右手接收器与左手接收器的位置坐标之差；5、计算右手接收器相对左手接收器的坐标数据；6、输出右手接收器相对左手接收器的方向数据和右手接收器相对左手接收器的坐标数据。
假定Sr，Sl分别是右手和左手接收器相对于发射器的位置坐标，Rr和Rl分别是右手和左手接收器相对于发射器的旋转矩阵，Rrt是Rr的转置矩阵，该矩阵可以利用欧拉角计算获得，在此不做赘述。乘积矩阵RlRrt的每一个元素表示的是左手接收器上迪卡尔坐标系的单位坐标方向向量和右手接收器上迪卡尔坐标系的单位坐标方向向量的点积，该点积为上述两个向量夹角的余弦值，又由于该夹角为一不变量，因此，上述两矩阵的乘积RlRrt是与人体相对发射器位置无关的数据。由此，右手位置相对左手位置的向量Rl(Sr-Sl)也是一个不变量。
如图3所示为利用位置跟踪系统采用三个接收器确定左、右手的位置的实施例；左、右手两个接收器分别固定在左、右手上，第三个接收器放在人体上(以下称为人体接收器)，用人体接收器作为参考点和参考坐标系，则左、右手上的接收器的位置和方向分别相对于人体接收器的位置和迪卡尔坐标系为不变量；具体处理方法如下选择人体接收器为参照接收器；将左、右手接收器作为一般接收器；由于在本实施例中仅选有一个参照接收器，因此本实施例中左、右手接收器及人体接收器构成一个坐标系组；具体的处理步骤如下1、计算左、右手接收器以及人体接收器相对于发射器的旋转矩阵；2、计算左、右手接收器的转置矩阵；3、将左、右手接收器的旋转矩阵分别与人体接收器的转置矩阵相乘，获得左、右手接收器相对于人体接收器的方向数据；4、分别计算左、右手接收器与人体接收器的位置坐标之差；5、计算左、右手接收器相对于人体接收器的坐标数据；6、输出左、右手接收器相对人体接收器的方向数据和左、右手接收器相对人体接收器的坐标数据。
假定Sr，Sl及S分别是右、左手接收器及人体接收器相对于发射器的位置坐标，Rr、Rl及R分别是右、左手接收器及人体接收器相对于发射器的旋转矩阵，Rt是R的转置矩阵，该矩阵同样可以利用欧拉角计算获得，在此不做赘述。乘积矩阵RlRt或RrRt的每一个元素表示的是左手(或右手)接收器上迪卡尔坐标系的单位坐标方向向量和人体接收器上迪卡尔坐标系的单位坐标方向向量的点积，该点积为上述两个向量夹角的余弦值，又由于该夹角为一不变量，因此，上述两乘积矩阵RlRt、RrRt是与发射器位置无关的数据。由此，左、右手位置相对人体接收器位置的向量R(Sl-S)及R(Sr-S)也是不变量。
上述内容，只是本发明技术构思下的一些具体实施例。依据本发明的技术构思所做的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种被跟踪物体的运动部分之间相对位置获取的方法，位置跟踪系统中设有发射器和接收器，发射器发射跟踪信号，接收器接收该信号，接收器利用所接收的信号，生成该接收器相对于发射器的位置数据和方向数据，然后将该位置数据和方向数据传送出去；数据处理系统接收由接收器传送的位置数据和方向数据，获取该接收器相对于发射器的位置信息；其特征在于数据处理系统对所接收的接收器位置数据和方向数据进行处理，进一步获取接收器之间的、与发射器位置无关的位置数据和方向数据。
2.如权利要求1所述的被跟踪物体的运动部分之间相对位置获取的方法，其特征在于所述的接收器为一个以上。
3.如权利要求1所述的被跟踪物体的运动部分之间相对位置获取的方法，其特征在于数据处理系统对所接收的接收器位置数据和方向数据进行处理时，先在所有的接收器中选取参照接收器，然后将其他接收器作为一般接收器；并且将一般接收器按照其与参照接收器的参照关系及参照接收器的数量划分相应的坐标系组。
4.如权利要求1或2或3所述的被跟踪物体的运动部分之间相对位置获取的方法，其特征在于数据处理系统进一步获取接收器之间的、与发射器位置无关的位置数据和方向数据的方法包括如下步骤a、计算所有接收器相对于发射器的旋转矩阵；b、计算一般接收器的转置矩阵；c、将参照接收器的旋转矩阵与与其同处于一个坐标系组的一般接收器的转置矩阵分别相乘，获得相应的一般接收器相对于该参照接收器的方向数据；d、计算一般接收器与该参照接收器的位置坐标之差；e、计算一般接收器相对于该参照接收器的坐标数据；f、输出一般接收器相对于参照接收器的方向数据和一般接收器相对于参照接收器的坐标数据。
5.如权利要求3或4所述的被跟踪物体的运动部分之间相对位置获取的方法，其特征在于所述的参照接收器为一个或一个以上。
6.如权利要求3或4所述的被跟踪物体的运动部分之间相对位置获取的方法，其特征在于所述的一般接收器为一个或一个以上。
全文摘要
一种被跟踪物体的运动部分之间相对位置获取的方法,发射器发射信号,接收器接收该信号并生成位置数据和方向数据,然后将该位置数据和方向数据传送出去,数据处理系统获取该接收器位置信息并进一步处理该数据,获取接收器之间的、与发射器位置无关的位置数据和方向数据;利用接收器为三维刚体运动的特征,本发明不仅提供了各发射器与接收器间的位置及方向数据,还进一步提供了各接收器间相对的、与发射器无关的位置数据和方向数据。
文档编号G01S13/00GK1384370SQ01116120
公开日2002年12月11日 申请日期2001年5月9日 优先权日2001年5月9日
发明者高文, 陈熙林, 马继勇, 吴江琴, 王春立 申请人:中国科学院计算技术研究所