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专利名称：用于估计位置和方向的系统和方法
技术领域：
以下描述中的一个或多个实施例涉及一种用于估计目标的位置和方向的系统和方法，更具体地讲，涉及一种使用红外光的衰减特性估计目标的位置和方向的运动感测方法。
背景技术：
用于估计空间中的三维(3D)位置(以下，3D位置)和运动对象或目标的方向的方法已主要用于电影、图形和动画领域，以使用相对较贵、较大型的运动捕获设备在3D空间感测对象、人体或动物的运动。然而，随着用于与游戏业相关的消费电子(CE)的运动感测技术开始获得关注，已发展了使用相对较便宜、较小型的运动捕获设备来估计3D位置和方向的大量方法。估计3D位置的方法大致分为使用相机的方法、使用超声波的方法以及使用惯性传感器的方法。通过使用多个二维QD)相机，反映在相机图像中的光源的位置以及标记点 (marker)的位置可被转换为3D位置。然而，由于精确度根据相机的分辨率以及标记点的大小而变化，因此难以执行高精确度感测。当使用超声波时，可通过测量以约340米每秒(m/s)(声速)通过空气从发射器传播到接收器的超声波的飞行时间(TOF)来计算距离。可获得关于目标与至少三个视点之间的距离的信息，并可使用三角测量法来计算目标的3D位置。超声波可使用相对便宜的装备代替相对较贵的装备(例如，相机)以使得能够进行高精确度感测。然而，因为超声波之间的干扰，难以同时发送信号，并且当考虑到在空气中使超声信号衰减的时间(例如，超声信号约100毫秒(msec)可传播3米(m)的距离)时，也难以实时地估计运动对象的位置。当使用惯性传感器时，可通过综合使用能量加速度计算的能量加速度分量、使用加速度传感器和Gyro传感器获得的重力加速度和角速度来估计3D位置。然而，由于误差随着时间累积，因此仅可在较短的时间段对位置进行估计。换句话说，惯性传感器不适合于在较长的时间段期间对位置进行估计。

发明内容
本公开的一个或多个实施例描述了一种用于使用红外光来同时估计目标的位置和方向的便宜而紧凑(compact)的系统和方法。通过提供一种系统来实现前述和/或其他方面，所述系统包括辐照光发送设备， 包括至少一个光辐照器来辐照出辐照光；光接收设备，包括至少一个光接收器来接收辐照光；远程设备，包括辐照光发送设备或光接收设备中的一个；估计设备，用于测量由所述至少一个光接收器中的每一个接收的辐照光的属性，并用于基于测量的属性来估计远程设备的位置和方向中的至少一个。测量的属性可包括辐照的光的强度、辐照的光的光接收方向性和辐照的光的光发射方向性中的一个或多个。当辐照光发送设备包括单个光辐照器时，光接收设备可包括至少三个光接收器。 当辐照光发送设备包括两个光辐照器时，光接收设备可包括至少两个光接收器。当辐照光发送设备包括至少三个光辐照器时，光接收设备可包括至少一个光接收器。辐照光发送设备可包括以预定角度朝向不同的方向的至少两个光辐照器。光接收设备可包括至少两个光接收器，所述至少两个光接收器中的每一个的位置和朝向可被提前设置。辐照光发送设备可包括至少两个光辐照器，并可控制所述至少两个光辐照器来顺序地辐照出辐照光。通过提供一种用于估计目标的位置和方向的辐照光发送设备来实现前述和/或其他方面。所述设备包括至少两个光辐照器，用于辐照出辐照光，所述至少两个光辐照器彼此朝向不同的方向，其中，基于每束辐照光的测量的特性将所述辐照光用于估计目标的位置和方向中的至少一个。通过提供一种用于估计目标的位置和方向的光接收设备来实现前述和/或其他方面。所述设备包括至少两个光接收器，用于接收朝向不同的方向并从至少两个光辐照器发射的辐照光，所述至少两个光接收器中的每一个的位置和朝向被提前设置，其中，基于每束辐照光的测量特性将接收的辐照光用于估计目标的位置和方向中的至少一个。通过提供一种系统来实现前述和/或其他方面，所述系统包括至少两个光辐照器，所述至少两个光辐照器彼此以预定角度朝向不同的方向；至少两个光接收器，用于从所述至少两个光辐照器接收辐照光，所述至少两个光接收器中的每一个定位于预定位置并且朝向预定方向。所述系统可包括两个光辐照器和三个光接收器。所述辐照光可具有不同的频率。
所述辐照光可被同时辐照。所述辐照光可被顺序地辐照。通过提供一种用于估计目标的位置和方向的系统来实现前述和/或其他方面。所述系统包括光发射器，用于发射光；多个光接收器，用于接收发射的光的至少一部分；估计设备，用于基于在每个光接收器接收的发射的光的测量的属性，估计目标的位置和方向中的至少一个。通过提供一种估计目标的位置和方向的方法来实现前述和/或其他方面。所述方法包括从发射器发射光；在多个光接收器接收发射的光的至少一部分；基于在每个光接收器接收的发射的光的测量的属性，估计所述目标的位置和方向中的至少一个。


通过下面结合附图对实施例进行的描述，这些和/或其他方面和优点会变得清楚并更容易理解，其中
图1示出红外光的示例性光发射方向性，显示光接收强度根据发射的红外光的朝向(orientation direction)而变化；图2示出红外光的示例性光发射方向性和示例性光接收方向性；图3示出用于基于光发射方向性和光接收方向性来估计远程设备的位置和方向的系统的示例性配置；图4示意性地示出当使用单个光辐照器时用于估计远程设备的3D位置和方向的示例性系统；图5示意性地示出当使用两个光辐照器时用于估计远程设备的3D位置和方向的示例性系统；图6示出当使用两个光辐照器时用于执行计算以估计位置和方向的示例性参数；图7示出当使用单个光辐照器时用于估计远程设备的位置和方向的示例性流程图；图8示出当使用两个光辐照器时用于估计远程设备的位置和方向的示例性流程图；图9示出当使用两个光辐照器时用于估计远程设备的位置和方向的另一示例性流程图；以及图10示出用于估计目标的位置和方向的另一示例性流程图。
具体实施例方式现在将详细描述实施例，其示例在附图中示出，其中，相同的标号始终是指相同的元件。以下描述实施例以参照附图解释本公开。红外光可具有这样的特性测量的强度根据光辐照器与光接收器之间的距离、光辐照器的朝向以及光接收器的朝向而变化。图1示出红外光的示例性光发射方向性，显示光接收强度根据发射的红外光的朝向而变化。参照图1，红外光可具有这样的特性处于光接收器所位于的位置的固定距离处的红外光的光接收强度根据作为红外光的方向的光辐照器的方向而变化。在图1的曲线图中，Z-轴表示发射的红外光的强度、X-轴和Y-轴表示在光接收器和光辐照器之间测量的角度。以下，光发射方向性指示红外光的光接收强度可根据发射的红外光的方向而变化。例如，当测量点处于距位于图1中的A与B的原点的光辐照器相等的距离处时，沿 A方向测量的光的强度往往大于沿B方向测量的光的强度。图2示出红外光的光发射方向性和光接收方向性。参照图2，光接收强度可根据发射红外光的方向角而变化。对于在图2中示出的A 和B处接收的光，发射的红外光的方向角分别是“0”和“ θ ”。此外，光接收强度会受方向角“Ψ”影响，其中，所述“Ψ”表示光接收器接收红外光的方向。以下，光接收方向性指示光接收强度根据接收的红外光的方向而变化。基于光辐照器与光接收器之间的距离的测量的强度可由以下等式1表示[等式1]
/ <x - -
r'在等式1中，I表示测量的强度，r表示光辐照器与光接收器之间的距离。基于光辐照器的朝向的测量的强度可由以下等式2表示[等式2]I oc cos (κ θ )在等式2中，I表示测量的强度，κ表示用于表示光辐照器的衰减特性的变量，θ 表示光辐照器的方向角。基于光接收器的朝向的测量的强度可由以下等式3表示[等式3]I cos(A ψ)在等式3中，I表示测量的强度，λ表示用于表示光接收器的衰减特性的变量，Ψ 表示光接收器的方向角。红外光的强度可基于光辐照器与光接收器之间的距离、光辐照器的朝向和光接收器的朝向这三者而被测量，如以下等式4所示[等式4]/ = αο,ο%{κθ)· \ ·
r在等式4中，I表示测量的强度，r表示光辐照器与光接收器之间的距离，α表示基于光辐照器和光接收器的特性的缩放矢量，κ表示用于表示光辐照器的衰减特性的变量， θ表示光辐照器的方向角，λ表示用于表示光接收器的衰减特性的变量，Ψ表示光接收器的方向角。图3示出用于基于光发射方向性和光接收方向性来估计远程设备的位置和方向的系统的示例性配置。图3的系统可包括例如，远程设备310、辐照光发送设备320、光接收设备330和估计设备340。远程设备310可以是其位置和方向将被估计的目标，例如，视频显示器，并可包括辐照光发送设备320。尽管辐照光发送设备320如图3所示被示为包括在远程设备310中， 但是远程设备310可选择性地包括光接收设备330而不是辐照光发送设备320。换句话说， 远程设备310可包括辐照光发送设备320或光接收设备330。辐照光发送设备320可包括例如，光辐照器321和322以及控制器325。辐照光发送设备320还可包括调制单元323和编码器324。光辐照器321和322可辐照出辐照光。例如，当辐照光发送设备320包括至少两个光辐照器时，所述至少两个光辐照器可朝向不同的方向，并且所述方向之间的角度可被提前设置。由光辐照器321和322辐照出的辐照光可以是红外光。红外光可具有例如0.7 微米至300微米之间的波长。光辐照器321和322中的至少一个可用作用于控制电子装置的遥控器的红外光发送器。编码器3Μ可根据辐照光是被辐照用于检测远程设备310的位置和方向还是用于控制电子装置，使用不同的码对辐照光进行编码。
调制单元323可在提前设置的高载频对辐照光进行调制以对于环境光或噪声变得强健。此外，当存在至少两个光辐照器时，调制单元323可对辐照光进行调制以在不同的频率进行输出。控制器325可控制光辐照器321和322、调制单元323和编码器324。具体地讲， 当存在至少两个光辐照器时，控制器325可控制所述至少两个光辐照器来顺序地辐照出辐照光。在该示例中，所述顺序的辐照可包括控制每个光辐照器在与任何其他光辐照器不同的预定时隙辐照出光。这里，在发送辐照光之前，控制器325可使所述至少两个光辐照器中的至少一个将同步信号发送到光接收设备330，从而辐照光发送设备320可与光接收设备 330同步。控制器325可控制调制单元323使得所述至少两个光辐照器以不同的频率同时辐照出辐照光，而非顺序地辐照光。可选择不同的频率以最小化所述至少两束辐照光之间的干扰。光接收设备330可包括光接收器331、332和334。光接收设备330还可包括滤光器335和解码器336。光接收器331、332和3；34可接收由光辐照器321和322辐照出的辐照光。例如， 当存在至少两个光接收器时，所述至少两个光接收器中的每一个的位置和朝向可被提前设置。换句话说，光接收器331、332和334可被设置为定位于不同的位置并朝向不同的方向。当辐照光被顺序地辐照时，光接收设备330可按由所述至少两个光辐照器辐照出的辐照光的顺序对所述至少两个光辐照器进行区分。这里，当在从辐照光发送设备320接收到辐照光之前接收到同步信号时，光接收设备330可与辐照光发送设备320同步。当辐照光以不同的频率被辐照时，光接收设备330可使用滤光器335将不同频率的辐照光分离，并可相应于提前设置的频率对至少两个光辐照器进行区分。当以预定的不同频率对辐照光进行调制，并且所述辐照光被光辐照器321和322 同时辐照时，滤光器335可用于针对每个频率分析接收的辐照光。解码器336可对用作遥控器的红外光发送器的光辐照器的辐照光进行解码，并可确定所述辐照光是用于检测远程设备310的位置和方向还是用于控制电子装置。当辐照光被确定为用于检测远程设备310的位置和方向时，解码器336可将接收的辐照光提供给估计设备340。估计设备340可包括信号强度测量单元342以及位置/方向估计器344。信号强度测量单元342可测量由光接收器331、332和334中的每一个接收的辐照光的强度。位置/方向估计器344可基于辐照光的强度、光接收方向性和光发射方向性来估计目标(例如，远程设备310)的位置(x，y，z)和方向(Φ，Θ，Ψ)中的一部分或全部。这里，所述辐照光的强度、光接收方向性和光发射方向性可根据由光接收器接收的辐照光的距离而变化。这里，将由位置/方向估计器344估计的位置(X，y，ζ)和方向(Φ，θ，Ψ)可基于光辐照器的数量和光接收器的数量而变化。在实施例中，用于估计位置(X，y，ζ)和方向(Φ，θ，Ψ)的一部分的光辐照器和光接收器的最小组合如下。可使用单个光辐照器和至少三个光接收器的组合、两个光辐照器和至少两个光接收器的组合以及至少三个光辐照器和至少一个光接收器的组合。
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将参照图4描述远程设备310包括辐照光发送设备320的示例，其中，所述辐照光发送设备320包括单个光辐照器。图4示意性地示出当使用单个光辐照器时用于估计远程设备的三维(3D)位置和方向的示例性系统。参照图4，例如，如以下的表1中所示，当远程设备310仅包括单个光辐照器321 时，位置/方向估计器344可基于光接收器的数量来估计远程设备310的位置(X，y，z)和方向(φ，θ，Ψ)。这里，x、y和ζ是3D坐标，Φ、θ和Ψ分别表示关于ζ-轴的滚动方向 (roll direction)、关于χ-轴的俯仰方向(pitch direction)以及关于y_轴的偏转方向 (yaw direction) 0在表1中，“〇”指示可进行估计，“ X ”指示不可进行估计。
[表1]
权利要求
1.一种系统，所述系统包括辐照光发送设备，包括至少一个光辐照器来辐照出辐照光；光接收设备，包括至少一个光接收器来接收辐照光；远程设备，包括辐照光发送设备或光接收设备中的一个；以及估计设备，用于测量由所述至少一个光接收器中的每一个接收的辐照光的属性，并用于基于测量的属性来估计远程设备的位置和方向中的至少一个。
2.如权利要求1所述的系统，其中，当辐照光发送设备包括单个光辐照器时，所述光接收设备包括至少三个光接收器，其中，当辐照光发送设备包括两个光辐照器时，所述光接收设备包括至少两个光接收器，以及其中，当辐照光发送设备包括至少三个光辐照器时，所述光接收设备包括至少一个光接收器。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述辐照光发送设备包括朝向不同的方向的至少两个光辐照器。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述光接收设备包括至少两个光接收器，并且所述至少两个光接收器中的每一个的位置和朝向被提前设置。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述辐照光发送设备包括至少两个光辐照器，并且所述辐照光发送设备控制所述至少两个光辐照器来顺序地辐照出各束辐照光。
6.如权利要求5所述的系统，其中，所述辐照光发送设备在发送辐照光之前，将同步信号发送到光接收设备以与所述光接收设备同步。
7.如权利要求1所述的系统，其中，所述辐照光发送设备包括至少两个光辐照器来以不同的频率同时辐照出辐照光。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述估计设备基于测量的属性来估计远程设备的三维位置。
9.如权利要求1所述的系统，其中，所述估计设备估计远程设备的三维位置和远程设备的一个轴方向中的至少一个。
10.如权利要求1所述的系统，其中，所述估计设备估计远程设备的二维位置和远程设备的两个轴方向中的至少一个。
11.如权利要求1所述的系统，其中，所述估计设备估计远程设备的三维位置和远程设备的两个轴方向中的至少一个。
12.如权利要求1所述的系统，其中，所述估计设备估计远程设备的三维位置和远程设备的三个轴方向中的至少一个。
13.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个光辐照器中的至少一个还用作红外光发送器，发送用于远程控制电子装置的信号。
14.如权利要求1所述的系统，其中，测量的属性包括辐照的光的强度、辐照的光的光接收方向性和辐照的光的光发射方向性中的一个或多个。
15.一种用于估计目标的位置和方向的辐照光发送设备，所述设备包括至少两个光辐照器，用于辐照出辐照光，所述至少两个光辐照器彼此朝向不同的方向， 其中，基于每束辐照光的测量的特性将所述辐照光用于估计目标的位置和方向中的至少一个。
16.如权利要求15所述的辐照光发送设备，还包括控制器，用于控制所述至少两个光辐照器来顺序地辐照出辐照光。
17.如权利要求15所述的辐照光发送设备，还包括调制单元，用于对辐照光进行调制，从而所述至少两个光辐照器同时辐照出不同的频率的辐照光。
18.如权利要求15所述的辐照光发送设备，其中，所述至少两个光辐照器中的每一个辐照出红外光。
19.一种用于估计目标的位置和方向的光接收设备，所述设备包括至少两个光接收器，用于接收朝向不同的方向并从至少两个光辐照器发射的辐照光， 所述至少两个光接收器中的每一个的位置和朝向被提前设置，其中，基于每束辐照光的测量特性将接收的辐照光用于估计目标的位置和方向中的至少一个。
20.如权利要求19所述的光接收设备，其中，所述至少两个光接收器顺序地接收辐照光，并按辐照光被接收的顺序来对所述至少两个光辐照器进行区分。
21.如权利要求19所述的光接收设备，其中，以不同的频率对辐照光进行调制，并且所述至少两个光接收器使用滤光器分离不同的频率的辐照光，并对所述至少两个光辐照器进行区分。
22.一种系统，所述系统包括至少两个光辐照器，彼此以预定角度朝向不同的方向；以及至少两个光接收器，用于从所述至少两个光辐照器接收辐照光，所述至少两个光接收器中的每一个定位于预定位置并且朝向预定方向。
23.如权利要求22所述的系统，其中，所述系统包括两个光辐照器和三个光接收器。
24.如权利要求22所述的系统，其中，所述辐照光具有不同的频率。
25.如权利要求22所述的系统，其中，所述辐照光被同时辐照。
26.如权利要求22所述的系统，其中，所述辐照光以预定时隙被顺序地辐照。
27.如权利要求22所述的系统，还包括估计设备，用于测量由所述至少两个光接收器中的每一个接收的每束辐照光的属性，并用于基于测量的属性来估计目标的位置和方向中的至少一个。
28.如权利要求22所述的系统，其中，所述测量的属性包括辐照的光的强度、辐照的光的光接收方向性和辐照的光的光发射方向性中的一个或多个。
29.一种用于估计目标的位置和方向的系统，所述系统包括光发射器，用于发射光；多个光接收器，用于接收发射的光的至少一部分；估计设备，用于基于在每个光接收器接收的发射的光的测量的属性，来估计目标的位置和方向中的至少一个。
30.如权利要求四所述的系统，其中，由估计设备测量的属性包括发射的光的强度、发射的光的光接收方向性和发射的光的光发射方向性中的一个或多个。
31.如权利要求四所述的系统，其中，光发射器被合并到手持装置，并且所述手持装置是所述目标。
32.如权利要求四所述的系统，其中，所述多个光接收器中的一个或多个光接收器被合并到手持装置，并且所述手持装置是所述目标。
33.如权利要求四所述的系统，其中，所述光发射器被合并到视频显示器。
34.如权利要求四所述的系统，其中，所述多个光接收器中的一个或多个被合并到视频显示器。
35.如权利要求四所述的系统，其中，所述发射的光在红外频率范围中被发射。
36.如权利要求35所述的系统，其中，所述发射的光具有0.7微米至300微米之间的波长。
37.如权利要求四所述的系统，其中，光发射器包括多个发射器、每个发射器朝向不同的方向来发射光。
38.如权利要求37所述的系统，其中，所述系统包括控制器，用于控制所述多个发射器来顺序地发射光。
39.如权利要求37所述的系统，其中，所述系统包括控制器，用于控制多个发射器来同时发射光，每个发射器以与任何其他发射器不同的波长发射光。
40.如权利要求四所述的系统，其中，所述多个光接收器中的每一个位于不同的位置。
41.如权利要求34所述的系统，其中，光发射器还用作遥控器的红外光发送器，所述遥控器用于控制视频显示器。
42.一种估计目标的位置和方向的方法，所述方法包括 从发射器发射光；在多个光接收器接收发射的光的至少一部分；基于在每个光接收器接收的发射的光的测量的属性，估计所述目标的位置和方向中的至少一个。
43.如权利要求42所述的方法，其中，所述测量的属性包括发射的光的强度、发射的光的光接收方向性和发射的光的光发射方向性中的一个或多个。
全文摘要
提供了一种用于估计位置和方向的系统和方法。所述系统可通过每个光接收器测量由每个光辐照器辐照出的辐照光的强度，并可基于测量的强度、光接收方向性和光发射方向性来估计远程设备的位置和方向。
文档编号G01S1/70GK102279380SQ201110092300
公开日2011年12月14日 申请日期2011年4月11日 优先权日2010年4月26日
发明者方远喆, 李基赫, 李炯旭, 许成国, 金相贤, 韩在泫 申请人:三星电子株式会社, 韩国科学技术院