无线位置标定装置、显示系统与穿戴装置

技术领域

本发明涉及一种无线位置标定装置、显示系统与穿戴装置。

背景技术

虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术越来越普及。在操作虚拟现实装置时，若要在无需手持的状态下进行控制或需追踪其他物品或其他肢体部位时，必需将控制器绑定在物品或肢体上。然而，控制器的体积及重量都让使用者在操作时无法具有较佳的灵活性及便利性。并且，由于必需将控制器绑定在物品或肢体上，要如何适用于各种大小的物品及不同体型的使用者的肢体上，也是需要克服的问题。

发明内容

本发明是针对一种无线位置标定装置、显示系统与穿戴装置，可改善操作的灵活性不佳的问题，并具有广泛的适用性。

根据本发明的实施例，无线位置标定装置用以与一头戴式装置无线通信。无线位置标定装置包括一刚性本体、多个点光源、一运动传感器以及一无线传输模块。刚性本体具有一内凹面，并包括一头部、一连接部以及一尾部。连接部连接至头部以及尾部。多个点光源固定于刚性本体的内凹面以外的多个位置。运动传感器配置于刚性本体内，用以感测刚性本体的运动并产生一运动信息。无线传输模块配置于刚性本体内且电连接运动传感器，用以将运动信息无线传输至头戴式装置。头戴式装置包括至少一影像(图像)撷取模块。影像撷取模块用以撷取点光源组成的一图案。头戴式装置依据图案及运动信息计算出无线位置标定装置相对头戴式装置的位置。

根据本发明的实施例，显示系统包括一头戴式装置以及前述的无线位置标定装置。

在本发明的一实施例中，无线位置标定装置还包括一耦合件，组装至刚性本体，并用以将刚性本体固定至一目标上。

在本发明的一实施例中，刚性本体固定于一使用者的一手腕时，位于尾部的内凹面抵靠手腕的背面，且位于头部的内凹面抵靠手腕的内侧面。

在本发明的一实施例中，头部具有一端面。点光源中的至少一个位于端面。刚性本体固定于一使用者的一手腕时，端面邻近使用者的手腕的内面，头部的截面积大于尾部的截面积。

在本发明的一实施例中，刚性本体固定于一使用者的一手腕时，位于刚性本体靠近使用者的一手肘的一侧的点光源的配置密度大于位于刚性本体靠近使用者的一手掌的一侧的点光源的配置密度。

在本发明的一实施例中，刚性本体固定于一使用者的一手腕时，位于靠近使用者的一拇指的一侧的头部的点光源的配置密度大于位于刚性本体靠近使用者的一小指的一侧的尾部的点光源的配置密度。

在本发明的一实施例中，刚性本体大致呈L形，刚性本体固定于使用者的手腕时，头部邻近手腕的一桡骨，尾部邻近手腕的一尺骨。

根据本发明的实施例，穿戴装置适于固定于一使用者的一手腕。穿戴装置包括一刚性本体以及一耦合件。刚性本体具有一内凹面，并包括一头部、一连接部以及一尾部。连接部连接至头部以及尾部。位于尾部的内凹面适于抵靠手腕的背面，且位于头部的内凹面适于抵靠手腕的内侧面。耦合件组装至刚性本体，并用以将刚性本体固定至手腕上。

在本发明的一实施例中，刚性本体大致呈L形，刚性本体固定于使用者的手腕时，头部邻近手腕的一桡骨，尾部邻近手腕的一尺骨。

在本发明的一实施例中，耦合件包括一延伸件以及一带体。延伸件的一端枢接至头部，并延伸至手腕的内面。延伸件的另一端具有一开孔。手腕位于刚性本体以及延伸件之间。带体的一端枢接至尾部，带体的另一端适于穿过开孔而固定至未穿过开口的带体上。

在本发明的一实施例中，延伸件为一弯折件。弯折件的一弯折角度大于等于90度且小于180度。

在本发明的一实施例中，带体的另一端适于穿过开孔而以魔鬼毡的方式固定至未穿过开口的带体上。

在本发明的一实施例中，穿戴装置还包括一电子模块，组装至刚性本体。电子模块包括一点光源、一镜头、一光传感器、一振动器、一喇叭或一生物信息传感器。

在根据本发明的实施例的无线位置标定装置与显示系统中，头戴式装置可以判断无线位置标定装置的姿态，不仅具有操作的灵活性与便利性，也具有广泛的适用性。此外，考虑了人体工学的几何设计考虑的穿戴装置也具有广泛的适用性。

附图说明

图1是本发明的一实施例的显示系统的示意图；

图2是图1的无线位置标定装置仅保留该视角下可视的点光源的示意图；

图3是图1的无线位置标定装置固定至用户的手腕时的剖面示意图；

图4A是图1的无线位置标定装置在另一视角的示意图；

图4B是图4A的无线位置标定装置仅保留该视角下可视的点光源的示意图；

图5A是图1的无线位置标定装置在再一视角的示意图；

图5B是图1的无线位置标定装置在又一视角的示意图；

图6是图1的无线位置标定装置固定至用户的手腕时的示意图；

图7是图1的无线位置标定装置固定至用户的手腕时另一视角的示意图；

图8是本发明的一实施例的穿戴装置固定于手腕时的示意图；

图9A与图9B是依照本发明的另一实施例的穿戴装置固定于手腕的过程的示意图；

图10是图9A的穿戴装置固定于另一手腕的示意图。

具体实施方式

现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。

图1是依照本发明的一实施例的显示系统的示意图。请参照图1，本实施例的显示系统50包括一头戴式装置52以及一无线位置标定装置100。显示系统50例如应用于虚拟现实系统(Virtual Reality system)、扩增实境系统(Augmented Reality)、混合实境系统(Mixed Reality system)或其他系统。无线位置标定装置100用以与头戴式装置52无线通信。头戴式装置52适于被穿戴在使用者的头部，可提供显示画面以供用户观看或是让用户能够看到计算机影像重叠至外界真实环境。

本实施例的无线位置标定装置100包括一刚性本体110、多个点光源120、一运动传感器130以及一无线传输模块140。多个点光源120固定于刚性本体110上的多个位置。刚性本体110主要由几乎不会产生弹性或塑性变形的材料构成。因此，固定于刚性本体110上的多个点光源120之间的相对位置可以保持不变。

运动传感器130配置于刚性本体110内，用以感测刚性本体110的运动并产生一运动信息。运动传感器130可以是一惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,6-DOFIMU)。举例而言，运动传感器130可以是一六轴的惯性测量单元(six degrees of freedomInertial Measurement Unit,6-DOF IMU)或九轴的惯性测量单元(9-DOF IMU)，其中六轴的惯性测量单元能够输出X,Y,Z轴的线加速度值以及X,Y,Z轴的角速度值。九轴的惯性测量单元能够输出X,Y,Z轴的线加速度值、X,Y,Z轴的角速度值以及X,Y,Z轴的磁力值。更详细而言，六轴的惯性测量单元包含三轴的加速度计以及三轴陀螺仪。九轴的惯性测量单元包含三轴的加速度计、三轴陀螺仪以及三轴磁力计。无线传输模块140配置于刚性本体内110且电连接运动传感器130，用以将运动信息无线传输至头戴式装置52。

图2是图1的无线位置标定装置仅保留该视角下可视的点光源的示意图。请参照图1与图2，头戴式装置52包括至少一影像撷取模块52A。本实施例中以多个影像撷取模块52A为例，但本发明不以此为限。影像撷取模块52用以撷取点光源120组成的一图案。在图2中，可清楚看出点光源120组成的图案。本实施例中，刚性本体110是以不透光的材质制成，故影像撷取模块52A仅能撷取未被刚性本体110遮蔽的点光源120所组成的图案。换言之，点光源120位于刚性本体110的表面。在其他实施例中，刚性本体110具有可以透光外壳，而点光源位120于透光外壳下方，故影像撷取模块52A可以撷取位于透光外壳下方的点光源120所组成的图案。在本实施例中，点光源120可以是发光二极管、有机发光二极管或其他点光源。点光源120可用于发出可见光或不可见光，其中不可见光可以是红外光，只要影像撷取模块52能够撷取到点光源120发出的光即可。此外，虽然本实施例以使用点光源120为例，但在其他实施例中也可以采用条状光源或其他任意形状的光源，只要影像撷取模块52A可以撷取并判断光源所构成的图案的变化即可。影像撷取模块52A可以是可见光或是不可见光的镜头，其中不可见光可以是红外光。

依据影像撷取模块52A所撷取的图案及无线位置标定装置100所提供的运动信息，头戴式装置52可计算出无线位置标定装置100相对头戴式装置52的位置。这里所说的「位置」可以涵盖多种信息，以下举例说明，但本发明不以此为限。

因为刚性本体110上的多个点光源120之间的相对位置是固定不变的，且这些点光源120之间的相对位置可以事先获得，所以头戴式装置52只要将所撷取到的点光源120所组成的图案与已储存的这些点光源120之间的相对位置做比对，就能确定无线位置标定装置100相对于头戴式装置52的姿态。以此，就能对应地变化用户在头戴式装置52内看到的影像或做出其他反馈。另外，头戴式装置52可以依据所撷取到的图案的方位而确认无线位置标定装置100相对于头戴式装置52的方位。再者，虽然影像撷取模块52A撷取影像的频率远低于运动传感器130的感测频率时，然而头戴式装置52却可以依据运动传感器130所提供的运动信息以及影像撷取模块52A所撷取的影像数据报含无线位置标定装置100相对于头戴式装置52的方位及姿态变化，因此头戴式装置52可以基于这两种数据计算出无线位置标定装置100相对头戴式装置52的移动距离、速度、加速度、姿态变化以及空间中的三轴坐标等。换言之，头戴式装置52可以基于这两种数据计算出无线位置标定装置100相对头戴式装置52在空间中的三轴坐标值以及三轴角度值。

图3是图1的无线位置标定装置固定至用户的手腕时的剖面示意图。请参照图1与图3，本实施例的刚性本体110具有一内凹面112。刚性本体110包括一头部110A、一连接部110B以及一尾部110C。连接部110B连接至头部110A以及尾部110C。本实施例中，连接部110B的相对两侧分别连接至头部110A以及尾部110C。一般而言，无线位置标定装置100是固定于用户的肢体上，所以具有内凹面112的无线位置标定装置100可以较佳地适配使用者的肢体。换言之，内凹面112可能是用于朝向并接触所绑定的物品或使用者的肢体上。

在本实施例中，刚性本体110固定于一使用者的一手腕20时，位于尾部110C的内凹面112抵靠手腕20的背面22，且位于头部110A的内凹面112抵靠手腕20的内侧面24。由于相对于手腕20的背面22的内面26以及相对于手腕20的内侧面24的另一侧面都不抵靠刚性本体110，所以不论使用者的手腕20的粗细，也就是不论使用者的手腕20的剖面形状的长度与宽度是大或小，刚性本体110都能够被稳定地固定至手腕20上。在本实施例中，刚性本体110大致呈L形。在其他实施例中，刚性本体110可以是弧形、L型或是有缺口的环。

在本实施例中，头部110A具有一端面112B。点光源120中的至少一个位于端面112B。刚性本体110固定于使用者的手腕20时，端面112B邻近使用者的手腕20的内面26。从图3可看出，头部110A的截面积大于尾部110C的截面积。

在本实施例中，无线位置标定装置100还包括一耦合件150，用以将刚性本体110固定至一目标上。此处的目标为手腕20，但也可以是一对象，本发明不以此为限。本实施例的耦合件150是以表带为例，但也可以是其他耦合件，并利用扣环、卡沟、螺丝孔或其他方式耦合。耦合件150以具有长度可变的设计为佳，但本发明不以此为限。然而，刚性本体110也可以无须经由耦合件150而直接经由一手套、一手臂套、一帽子、一鞋套、一腿套、一手环或一衣服固定于使用者身上。同样地，刚性本体210也可以经由扣环、卡沟、螺丝孔等结构固定于球拍、球棒、玩具枪或是其他手持对象，以提供此对象的位置数据。

图4A是图1的无线位置标定装置在另一视角的示意图。图4B是图4A的无线位置标定装置仅保留该视角下可视的点光源的示意图。参考图2、图4A与图4B可知，当无线位置标定装置100相对于头戴式装置52的姿态改变时，影像撷取模块52A所能撷取到的点光源120组成的图案也会跟着改变。通过预先取得的点光源120之间的相对位置与所撷取到的图案做比对，头戴式装置52可以确定无线位置标定装置100相对于头戴式装置52的姿态。

图5A是图1的无线位置标定装置在再一视角的示意图。图5B是图1的无线位置标定装置在又一视角的示意图。从图5A可以看出，本实施例的点光源120在刚性本体110上的分布位置可以是不规则的，且分布密度也可以依照追踪需求变化。此外，从图5B可以看出，本实施例的点光源120只分布刚性本体110的外表面上，而内凹面112上并不配置点光源120。

图6是图1的无线位置标定装置固定至用户的手腕时的示意图。图1的影像撷取模块52A所撷取的影像必须含有至少四个点光源120才能计算出无线位置标定装置100的位置数据以及姿态数据(角度)。简单来说，四个点光源120才能构成立体架构，以便于和已储存的这些点光源120之间的相对位置做比对。请参照图6，在本实施例中，刚性本体110固定于使用者的手腕20时，位于刚性本体110靠近使用者的手肘的一侧(即图6中的右侧)的点光源120的配置密度大于位于刚性本体110靠近使用者的手掌的一侧(即图6中的左侧)的点光源120的配置密度。当无线位置标定装置100固定于用户的手腕时，头戴式装置52能撷取到的影像通常是刚性本体110靠近使用者的手肘的一侧，所以这一侧需要分布较多的点光源120，而另一侧则可以分布较少的点光源120。如此，可缩小无线位置标定装置100的体积。值得注意的是，本实施例的点光源120所发出的光线并不带有数据。然而，在其他实施例中，点光源120所发出的光线带有信号，因此头戴式装置52也能辨识出各个点光源120所代表的编码。

图7是图1的无线位置标定装置固定至用户的手腕时另一视角的示意图。请参照图5A与图7，在本实施例中，刚性本体110固定于使用者的手腕时，位于刚性本体110靠近使用者的拇指的一侧的头部110A的点光源120的配置密度大于位于刚性本体110靠近使用者的小指的一侧的尾部110C的点光源120的配置密度。当无线位置标定装置100固定于用户的手腕且使用者的手肘弯曲时，头戴式装置52能撷取到的通常是刚性本体110靠近使用者的拇指的一侧的头部110A，所以这一侧需要分布较多的点光源120，而另一侧的尾部110C则可以分布较少的点光源120。更详细而言，当使用者掌心朝向头戴式装置52时，由于头戴式装置52时仅能撷取头部110A的端面112B附近的影像，因此相较于尾部110C，头部110A需要配置更多点光源120，以使得头戴式装置52能够撷取足够数量的点光源120影像，以便于定位无线位置标定装置100的姿态。

由于刚性本体110的外型是基于人体工学所设计出来的，因此刚性本体110也不限定作为无线位置标定装置100的用途，也可以应用至其他的穿戴装置上。以下就刚性本体110的设计概念以及其他应用进行说明。

图8是依照本发明的一实施例的穿戴装置固定于手腕时的示意图。请参照图8，本实施例的穿戴装置200适于固定于一使用者的一手腕20A。为了便于说明，图8中是以剖面的形式呈现手腕20A。穿戴装置200包括一刚性本体210以及一耦合件220。刚性本体210具有一内凹面212，并包括一头部210A、一连接部210B以及一尾部210C。连接部210B连接至头部210A以及尾部210C。位于尾部210C的内凹面212适于抵靠手腕20A的背面22A，且位于头部210A的内凹面212适于抵靠手腕20A的内侧面24A。耦合件220组装至刚性本体210，并用以将刚性本体210固定至手腕20A上。

在本实施例的穿戴装置200中，只有手腕20A的背面22A及内侧面24A会与刚性本体210的内凹面212抵靠，而手腕20A的其他相对面则不会与刚性本体210的内凹面212抵靠。因此，不论手腕20A的尺寸如何，大致上都可以舒适地将穿戴装置200配在于其上，具有广泛的适用性。

在本实施例中，刚性本体210大致呈L形。刚性本体210固定于使用者的手腕20A时，头部210A邻近手腕20A的一桡骨20A1，尾部210C邻近手腕20A的一尺骨20A2。桡骨20A1与尺骨20A2构成的弧面的形状大致会与位于尾部210C的内凹面212的形状相符，因此位于尾部210C的内凹面212适于抵靠手腕20A的背面22A。桡骨20A1的侧面构成的弧面的形状大致会与位于头部210A的内凹面212的形状相符，因此位于头部210A的内凹面212适于抵靠手腕20A的内侧面24A。由于刚性本体210承靠在由手腕20A的背面22A和内侧面24A所形的两个不连续弧面并形成转折的特征，因此当穿戴装置200在受到晃动，刚性本体210比较不会滑动。换言之，耦合件220即使没有束缚得太紧，也可使穿戴装置200较现有技术而言更稳定的固定于手腕20A上，且此设计可适用于不同大小的手腕。

在本实施例中，穿戴装置200还包括一电子模块230，组装至刚性本体210。电子模块230包括一点光源、一镜头、一光传感器、一振动器、一喇叭、一生物信息传感器、其他电子模块或其组合。换言之，穿戴装置200可以根据需求而提供各种功能，而不限定于上述实施例提及的无线位置标定装置100。此外，生物信息传感器可以输出心电图(Electrocardiography,ECG)数据或是光体积变化描记图(Photoplethysmography,PPG)信号。

图9A与图9B是依照本发明的另一实施例的穿戴装置固定于手腕的过程的示意图。请参照图9A，本实施例的穿戴装置300与图8的穿戴装置200相似，差异在于本实施例的穿戴装置300的耦合件320包括一延伸件322以及一带体324。延伸件322的一端枢接至穿戴装置300的刚性本体310的头部310A，并延伸至手腕20A的内面26A。延伸件322的另一端具有一开孔322A。手腕20A位于刚性本体310以及延伸件322之间。带体324的一端枢接至刚性本体310的尾部310C，带体324的另一端适于穿过开孔322A而固定至未穿过开口322A的带体324上。

当使用者沿图9A的箭头A12的方向拉动带体324的另一端时，也就是使用者的施力方向近似水平方向时，与刚性本体310的头部310A枢接的延伸件322可以沿箭头A14方向转动，以改变施力方向为近似朝上而缩短带体324在下方位置的余带，且刚性本体310几乎不受力而不容易移动。当使用者沿图9B的箭头A16的方向拉动带体324的另一端时，也就是使用者的施力方向近似垂直向下时，延伸件322将向下的施力传递至刚性本体310而使其往手腕20A的方向拉动，增加刚性本体310与手腕20A之间的摩擦力且同时缩短余带，一样可以束紧带体324而不容易移动到刚性本体310。

本实施例的穿戴装置300具有简单的结构，搭配了人体工学的几何设计考虑。因此，用户在将穿戴装置300紧固于手腕20A时，可以轻易地找到适当的施力角度而拉扯带体324的另一端并完成带体324的缩紧与固定，且不会造成刚性本体310的偏移，轻松将穿戴装置300固定在手腕20A上设定的理想追踪位置上。并且，因为具有延伸件322而使得手腕20A可位于刚性本体310以及延伸件322之间，在束紧带体324前也可以让刚性本体310暂时平衡地被支撑在手腕20A上，易于单手操作。相较于完全由软性的带体324进行束紧而言，多了刚性的延伸件322可提供更好的翻转抵抗拘束力。

在本实施例中，延伸件322为一弯折件。弯折件的一弯折角度G10大于等于90度且小于180度。在本实施例中，带体324的另一端适于穿过开孔322A而以魔鬼毡的方式固定至未穿过开口322A的带体324上，但本发明不以此为限。由于延伸件322为一弯折件，因此当使用者在拉动带体324时，使用者的手腕比较不会被夹入延伸件322与刚性本体310之间而产生疼痛，也就是比较不会产生夹手的状况。

图10是图9A的穿戴装置固定于另一手腕的示意图。请参照图10，在本实施例中，穿戴装置300是穿戴在较粗的手腕20B上。因为延伸件322可以转动，所以穿戴装置300还是可以服贴地穿戴在较粗的手腕20B上。

综上所述，在本发明的无线位置标定装置、显示系统与穿戴装置中，头戴式装置可以根据无线位置标定装置的刚性本体上的多个点光源所构成的图案的变化而判断无线位置标定装置的姿态，且刚性本体的外型经设计而适合绑定在各种尺寸的目标上，不仅具有操作的灵活性与便利性，也具有广泛的适用性。此外，只要将无线位置标定装置固定于一般对象，此对象便能转变成能够提供位置数据的电子配件，以便于与头戴式装置所显示的内容产生互动，同时降低此种能够跟头戴式装置互动的电子配件的开发成本。另外，在本发明的穿戴装置中，用户便于单手束紧耦合件而不易偏移，固定后也不易因震动而偏移。此外，还提供使用者更直觉的穿戴，耦合件不需束太紧即可到达需求的位置并确保使用中的稳定度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。