虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)跟蹤技術(shù).ppt

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一 概述二 三自由度地磁定姿系統(tǒng)三 六自由度電磁跟蹤系統(tǒng)四 手指彎曲測量系統(tǒng)五 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)六 總結(jié) 目錄 一 概述 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)是 一種利用計算機(jī)圖形技術(shù)創(chuàng)建的真實(shí)世界的仿真環(huán)境 而且這一由計算機(jī)合成的世界不是靜態(tài)的 是依用戶輸入而變化的 用戶的輸入方式可以包括手勢 命令語言等 一 概述 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的一個重要分支 借助光電顯示技術(shù) 交互技術(shù) 計算機(jī)圖形技術(shù)和可視化技術(shù)產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)環(huán)境中不存在的虛擬對象 并通過傳感技術(shù)將虛擬對象準(zhǔn)確 放置 在真實(shí)環(huán)境中 借助顯示設(shè)備將虛擬對象與真實(shí)環(huán)境融為一體 一 概述 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的特征虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是一種由計算機(jī)和電子技術(shù)創(chuàng)造的具有浸沒感的高級人機(jī)界面 用戶能夠通過各種傳感設(shè)備使用人的各種自然技能對虛擬世界中的物體進(jìn)行考察或操作 浸沒感參與者有身臨其境的真實(shí)感覺 交互性可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的交互接口設(shè)備以自然交互方式與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行交互操作 一 概述 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)成 一 概述 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能夠提供一種與以往所有的傳統(tǒng)技術(shù)不同的觀點(diǎn) 第一人稱觀點(diǎn) 用戶將會沉浸在計算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中去 而且還可以與其中的物體進(jìn)行交互 在虛擬環(huán)境中 操作者可以利用天生的空間感來理解所看到的事物 計劃所要做的事情 主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)?軍事模擬訓(xùn)練制造和設(shè)計醫(yī)學(xué)科學(xué)計算可視化娛樂業(yè) 一 概述 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)特征增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)把計算機(jī)生成的虛擬物體 文字和圖形等信息重疊顯示在用戶所看到的真實(shí)物體之上 頭盔顯示器和方位跟蹤器是必不可少的外設(shè) 其頭盔顯示器是透視式的 一 概述 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的區(qū)別所使用的顯示設(shè)備不同虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)使用浸沒式頭盔顯示器或立體投影設(shè)備 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)使用透視式顯示設(shè)備 跟蹤注冊涵義和精度要求不同 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中注冊指呈現(xiàn)給用戶的虛擬環(huán)境與用戶的各種感官匹配 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中注冊指將計算機(jī)產(chǎn)生的虛擬物體與用戶周圍的真實(shí)環(huán)境全方位對準(zhǔn) 對虛擬環(huán)境的生成能力的要求不同增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以緩解虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)建立逼真的虛擬環(huán)境時對系統(tǒng)計算能力的苛刻要求 一 概述 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)并非以虛擬世界代替真實(shí)世界 而是利用附加信息去增強(qiáng)使用者對真實(shí)世界的感官認(rèn)識 由于真實(shí)環(huán)境的存在能夠使用戶對周圍環(huán)境的感知更具真實(shí)感 其主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)?醫(yī)療研究裝配 維修與教育培訓(xùn)娛樂及室內(nèi)裝飾設(shè)計軍事應(yīng)用視頻轉(zhuǎn)播 一 概述 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的國外進(jìn)展美國從六十年代即開始著手進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的研究工作 并且一直受到美國國防部的重視 英國正在利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行高級戰(zhàn)斗機(jī)座艙設(shè)計 歐洲航天局已制定了一項(xiàng) 人在虛擬現(xiàn)實(shí)空間 的研究計劃 澳大利亞國防軍開始實(shí)施代號為 溫杜拉工程 的十年計劃以訓(xùn)練未來的士兵 該計劃的核心就是利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行軍事訓(xùn)練 虛擬現(xiàn)實(shí)游戲和加強(qiáng)人機(jī)接口能力是日本在虛擬現(xiàn)實(shí)方面的兩個主要研究方向 尤其在游戲方面占有重要的市場地位 一 概述 人機(jī)交互商用裝置 三自由度 六自由度跟蹤器 一 概述 人機(jī)交互商用裝置 手指彎曲測量系統(tǒng) 一 概述 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)國內(nèi)研究現(xiàn)狀清華大學(xué)計算機(jī)系智能技術(shù)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室在臨界場感技術(shù)等領(lǐng)域進(jìn)行了卓有成效的研究 北京科技大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出了純交互式汽車模擬駕駛培訓(xùn)系統(tǒng) 北京航空航天大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)與多媒體研究室已經(jīng)在DVENET上開發(fā)了直升機(jī)虛擬仿真器 坦克虛擬仿真器 虛擬戰(zhàn)場環(huán)境觀察器 計算機(jī)兵力生成器 空軍第二航空學(xué)院研制了我國第一套自行研制并接近實(shí)用化的VR系統(tǒng) 浙江大學(xué)開發(fā)了數(shù)字故宮 數(shù)字敦煌等虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng) 一 概述二 三自由度地磁定姿系統(tǒng)三 六自由度電磁跟蹤系統(tǒng)四 手指彎曲測量系統(tǒng)五 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)六 總結(jié) 目錄 二 三自由度地磁定姿系統(tǒng) 概述在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中頭盔顯示器給用戶提供一種沉浸在虛擬環(huán)境中的浸沒感 計算機(jī)必須連續(xù)地獲得用戶頭部的精確姿態(tài)信息并實(shí)時地調(diào)整顯示的圖像 實(shí)現(xiàn)姿態(tài)測量的裝置為三自由度定姿系統(tǒng) 二 三自由度地磁定姿系統(tǒng) 概述在地面上標(biāo)定方向的基準(zhǔn)是地球自轉(zhuǎn)軸 基于感受地球自轉(zhuǎn)角速度的定向儀表如陀螺羅經(jīng) 陀螺經(jīng)緯儀 指北陀螺系統(tǒng)和速率陀螺等 不僅技術(shù)復(fù)雜 造價昂貴 維護(hù)困難和體積龐大 而且啟動時間長 地球自身固有的可做方位基準(zhǔn)的矢量除了地球自轉(zhuǎn)角速度矢量以外 只有地磁場強(qiáng)度 研制了一種采用加速度計 磁阻傳感器和單片機(jī)的數(shù)字地磁定姿系統(tǒng)及其定姿算法 通過測量地球的重力場及磁場來計算運(yùn)動物體的三自由度姿態(tài)數(shù)據(jù) 由于采用全固態(tài)傳感器 該套系統(tǒng)具有精度高 性能穩(wěn)定 體積小 價格低廉 功耗低的特點(diǎn) 二 三自由度地磁定姿系統(tǒng) 地磁定姿原理地磁場的強(qiáng)度大約為0 5Gauss 其水平分量與地球表面平行 指向地磁北極 二 三自由度地磁定姿系統(tǒng) 地磁定姿原理目前通過羅盤確定姿態(tài)的方法均為首先確定地磁場的水平分量HX和HY 根據(jù)HX和HY的測量值確定與地磁北極的夾角 然后在計算結(jié)果中加入地磁偏角來找到真北 二 三自由度地磁定姿系統(tǒng) 姿態(tài)角測量算法在剛體動力學(xué)中運(yùn)動物體的姿態(tài) 即運(yùn)動物體在參考空間中的方位 通過與運(yùn)動物體相固結(jié)的運(yùn)動參考坐標(biāo)系和定參考坐標(biāo)系之間的夾角表示 二 三自由度地磁定姿系統(tǒng) 姿態(tài)角測量算法運(yùn)動物體處于水平狀態(tài)下姿態(tài)角的測量算法 運(yùn)動物體處于傾斜狀態(tài)下姿態(tài)角的測量算法 二 三自由度地磁定姿系統(tǒng) 環(huán)境磁場的影響及補(bǔ)償算法由于定姿系統(tǒng)是通過測量地磁場的三軸分量來確定被跟蹤物體的姿態(tài)的 因此被跟蹤物體附近的永磁體或及帶電導(dǎo)線所產(chǎn)生的環(huán)境磁場將影響系統(tǒng)的測量精度 二 三自由度地磁定姿系統(tǒng) 磁傳感器概述磁傳感器是一種將磁場或磁感應(yīng)強(qiáng)度等物理量轉(zhuǎn)換成電信號的磁電轉(zhuǎn)換元器件或裝置 大部分磁傳感器是基于固體材料的磁電效應(yīng)的傳感器 其中主要是半導(dǎo)體材料 二 三自由度地磁定姿系統(tǒng) 磁阻傳感器信號處理電路 信號放大與濾波 二 三自由度地磁定姿系統(tǒng) 磁阻傳感器信號處理電路 置位 復(fù)位電路 二 三自由度地磁定姿系統(tǒng) 加速度傳感器概述壓電式加速度傳感器具有很寬的頻率響應(yīng)范圍 適用于高頻范圍的振動測量和沖擊測量 壓阻式加速度傳感器能測量頻率低到零的加速度信號 輸出阻抗很低 內(nèi)在噪聲小 但響應(yīng)速度較慢 變電容式加速度傳感器具有穩(wěn)態(tài)響應(yīng) 高靈敏度 低輸出阻抗 高線性度 抗過載能力高 體積小 重量輕 響應(yīng)快等不可多得的優(yōu)點(diǎn) 二 三自由度地磁定姿系統(tǒng) ADXL202加速度傳感器 二 三自由度地磁定姿系統(tǒng) PIC16F877單片機(jī)高性能精簡指令集RISCCPU 一共只有35條單字指令 除了程序分支是雙周期指令外 其它所有的指令都是單周期指令 工作速度高 高達(dá)20MHz時鐘輸入和200ns指令周期 高達(dá)8K字 14位字長 的FLASH程序存儲器 高達(dá)368字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器 RAM 和高達(dá)256字節(jié)的EEPROM數(shù)據(jù)存儲器 中斷能力強(qiáng) 多達(dá)14個內(nèi)部 外部中斷源 8級硬件堆棧 直接 間接和相對尋址方式 高速 低功耗CMOSFLASH EEPROM技術(shù) 僅通過兩個引腳即可實(shí)現(xiàn)程序在線串行編程ICSP 編程只需要5V電壓 寬范圍的工作電壓 2 0 5 5V 功耗低 二 三自由度地磁定姿系統(tǒng) 實(shí)際定姿系統(tǒng) 二 三自由度地磁定姿系統(tǒng) 定姿系統(tǒng)標(biāo)定方法繞三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)方向上分別找出加速度計輸出的最大值MAXGi及最小值MINGi和磁阻傳感器數(shù)據(jù)輸出的最大值MAXHi及最小值MINHi 2 22 2 23 2 24 二 三自由度地磁定姿系統(tǒng) 頭部姿態(tài)變化跟蹤 二 三自由度地磁定姿系統(tǒng) 定姿系統(tǒng)誤差分析 Hmin 0 8G 2048 0 39mG A D轉(zhuǎn)換誤差 磁阻傳感器誤差在磁阻傳感器的性能參數(shù)中 影響測量精度的因素除最小可測磁場之外 還包括傳感器的噪聲 線性度和重復(fù)性等 總的影響為0 14度 環(huán)境溫度變化的影響傳感器的溫度系數(shù)影響航向角的測量精度 溫度影響主要包括零偏的溫漂和靈敏度的溫漂 為了克服溫度漂移的影響 在環(huán)境溫度變化較大的應(yīng)用場合我們采用了置位 復(fù)位技術(shù) 二 三自由度地磁定姿系統(tǒng) 定姿系統(tǒng)誤差分析 地磁偏角的影響地磁偏角的數(shù)值與地理位置有關(guān) 最大可能達(dá)到25度 傾斜角測量誤差的影響傾斜角對航向測量誤差的影響與定姿系統(tǒng)所處的地理位置有關(guān) 二 三自由度地磁定姿系統(tǒng) 定姿系統(tǒng)誤差分析 一 概述二 三自由度地磁定姿系統(tǒng)三 六自由度電磁跟蹤系統(tǒng)四 手指彎曲測量系統(tǒng)五 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)六 總結(jié) 目錄 三 六自由度電磁跟蹤系統(tǒng) 概述 在虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中 除了運(yùn)動物體的三自由度姿態(tài)信息之外 在很多情況下還需要跟蹤運(yùn)動物體的空間方位信息 能夠同時跟蹤位置和姿態(tài)的跟蹤器被稱為六自由度跟蹤器 在三維空間內(nèi)一個物體的空間位置由笛卡爾坐標(biāo) 即X Y Z坐標(biāo)值 來確定 姿態(tài)由另外三個參數(shù)俯仰角 橫滾角及航向角來確定 因此用于虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的方位跟蹤器至少需要獲得6個自由度信息 即三個平移自由度和三個旋轉(zhuǎn)自由度 三 六自由度電磁跟蹤系統(tǒng) 六自由度跟蹤器分類 電磁式跟蹤系統(tǒng)根據(jù)磁發(fā)射信號和磁感應(yīng)信號之間的耦合關(guān)系確定被測對象的方位 環(huán)境中的金屬物體 電子設(shè)備 CRT及環(huán)境磁場會對接收裝置造成干擾 光學(xué)式跟蹤系統(tǒng)采用攝像裝置或光敏器件接收具有一定幾何分布的光源所發(fā)出的光 通過接收的圖像及光源和傳感器的空間位置來計算運(yùn)動物體的6自由度信息 在近距離內(nèi)非常精確且不受磁場和聲場的干擾 但要求光源與探測器可視 跟蹤的角度范圍有限并且現(xiàn)場其它光源會造成影響 機(jī)械式跟蹤系統(tǒng)是一種絕對位置傳感器 通過機(jī)械關(guān)節(jié)的物理連接來測量運(yùn)動物體的位置及方向 機(jī)械裝置笨重 操作不便且易對操作者產(chǎn)生干擾 跟蹤范圍有限 三 六自由度電磁跟蹤系統(tǒng) 六自由度跟蹤器分類 超聲波式跟蹤系統(tǒng)利用不同聲源發(fā)出的超聲波到達(dá)某一特定地點(diǎn)的時間差 相位差或者聲壓差進(jìn)行定位跟蹤 包括連續(xù)波相位相干測量法和脈沖波傳播時間測量法兩種方式 不受環(huán)境磁場及鐵磁物體的影響 同時不產(chǎn)生電磁輻射 價格便宜 但跟蹤范圍有限 受環(huán)境聲場干擾 與空氣濕度有關(guān)并且要求發(fā)射器與接收器之間不能有物體遮擋 慣性跟蹤系統(tǒng)慣性跟蹤器利用陀螺測量三個轉(zhuǎn)動自由度的角度變化 利用加速度計測量三個平動自由度的位移 體積大 價格昂貴 由于角度和距離的測量分別通過對陀螺和加速度計的一次和兩次積分得到 系統(tǒng)誤差會隨著時間積累 三 六自由度電磁跟蹤系統(tǒng) 電磁式跟蹤系統(tǒng) 當(dāng)給一個線圈中通上電流后 在線圈的周圍將產(chǎn)生磁場 磁傳感器的輸出值與發(fā)射線圈和接收器之間的距離r及磁傳感器的敏感軸與發(fā)射線圈發(fā)射軸之間的夾角有關(guān) 三 六自由度電磁跟蹤系統(tǒng) 直流式電磁跟蹤系統(tǒng) 直流式電磁跟蹤系統(tǒng)主要由發(fā)射源 接收器和控制系統(tǒng)構(gòu)成 三 六自由度電磁跟蹤系統(tǒng) 直流式電磁跟蹤系統(tǒng)位置測量算法 三 六自由度電磁跟蹤系統(tǒng) 直流式電磁跟蹤系統(tǒng)位置測量算法 三 六自由度電磁跟蹤系統(tǒng) 直流式電磁跟蹤系統(tǒng)位置測量算法 三 六自由度電磁跟蹤系統(tǒng) 直流式電磁跟蹤系統(tǒng)位置測量算法 三 六自由度電磁跟蹤系統(tǒng) 直流式電磁跟蹤系統(tǒng)的不足 在使用過程中的環(huán)境干擾大多為直流信號 采用常規(guī)的信號處理手段 如濾波 無法濾除 由于系統(tǒng)更新頻率僅為30Hz 無法迅速跟蹤干擾的變化 功率譜密度與頻率成反比的隨機(jī)漲落現(xiàn)象在電子器件中普遍存在 因此低頻噪聲會影響放大及信號處理系統(tǒng)的性能 由于在接收端磁場的強(qiáng)度與接收器和發(fā)射線圈之間的距離的立方成反比 因此接收端的磁場強(qiáng)度隨距離增大衰減很快 三 六自由度電磁跟蹤系統(tǒng) 交流式電磁跟蹤系統(tǒng) 為了彌補(bǔ)直流式跟蹤系統(tǒng)的不足 提出了一種采用交流磁場作激勵源的交流式電磁跟蹤系統(tǒng)方案 三 六自由度電磁跟蹤系統(tǒng) 交流式電磁跟蹤系統(tǒng) 三 六自由度電磁跟蹤系統(tǒng) 數(shù)字相敏檢波器算法 3 39 3 44 三 六自由度電磁跟蹤系統(tǒng) 數(shù)字相敏檢波器算法 三 六自由度電磁跟蹤系統(tǒng) 交流式電磁跟蹤系統(tǒng)跟蹤算法 三 六自由度電磁跟蹤系統(tǒng) 誤差分析及仿真結(jié)果 三 六自由度電磁跟蹤系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 高穩(wěn)定度振蕩源功率放大電路發(fā)射線圈接收器信號處理電路 一 概述二 三自由度地磁定姿系統(tǒng)三 六自由度電磁跟蹤系統(tǒng)四 手指彎曲測量系統(tǒng)五 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)六 總結(jié) 目錄 四 手指彎曲測量系統(tǒng) 概述 人手在人類的日常生活中起著不可替代的作用 是人們與外界進(jìn)行物理接觸及意識表達(dá)的主要媒介 在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中采用手勢辨識作為人機(jī)交互手段的方法被普遍采用 在采用人手的動作來作人機(jī)交互的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中仍然需要通過數(shù)據(jù)手套等輸入裝置來測量手指彎曲的角度和手指的外展程度等額外的信息 手套比起傳統(tǒng)的鼠標(biāo)來 交互的區(qū)域更大 手的運(yùn)動更自由 四 手指彎曲測量系統(tǒng) 測量手指彎曲角度的方法 光纖彎曲傳感器具有體積小和重量輕的優(yōu)點(diǎn) 而且用戶戴上這種手套感覺舒適 不會限制用戶手部的運(yùn)動 變電阻式線性傳感器由于這種數(shù)據(jù)手套是松耦合的 因此輸出不互相依賴 該類手套的價格十分昂貴 金屬外骨架裝置由于這種裝置在手上的位置會滑動 所以在每次模擬開始時都要進(jìn)行校準(zhǔn) 另外該類手套較重 易使手感到疲勞 基于圖像處理的手指彎曲傳感技術(shù)對硬件系統(tǒng)要求高 計算量大 四 手指彎曲測量系統(tǒng) 測量原理 在采用光導(dǎo)纖維傳感器的手指測量系統(tǒng)中 將光導(dǎo)纖維縫制在手套中 當(dāng)手指彎曲而導(dǎo)致光導(dǎo)纖維彎曲時 通過光纖傳輸?shù)墓饽芰繉兴p 光能衰減的程度與光纖的彎曲程度有關(guān) 四 手指彎曲測量系統(tǒng) 光纖傳感器設(shè)計 光纖傳感器由發(fā)光二極管 塑料光纖和光敏三極管構(gòu)成 把發(fā)光二極管和光敏三極管的斷面鉆出與光纖直徑相等的孔洞 然后將光纖的端面插入孔洞并采用502膠粘結(jié) 采用這種方法即可以提高耦合效率 又可以保證耦合的可靠性 在粘結(jié)前對光纖表面需要進(jìn)行研磨處理 圖4 6光纖彎曲傳感器電路 四 手指彎曲測量系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 系統(tǒng)采用PIC16F877單片機(jī)作A D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理 采用2252雙集成運(yùn)放作傳感器信號的放大和濾波 一 概述二 三自由度地磁定姿系統(tǒng)三 六自由度電磁跟蹤系統(tǒng)四 手指彎曲測量系統(tǒng)五 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)六 總結(jié) 目錄 五 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 概述 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)借助光電顯示技術(shù) 交互技術(shù) 計算機(jī)圖形技術(shù)和可視化技術(shù)等產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)環(huán)境中不存在的虛擬對象 并通過傳感技術(shù)將虛擬對象準(zhǔn)確地 放置 在真實(shí)環(huán)境中 利用顯示設(shè)備將產(chǎn)生的虛擬對象與真實(shí)環(huán)境融為一體 呈現(xiàn)給用戶一個感官效果真實(shí)的新環(huán)境 五 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 概述 構(gòu)造一個成功的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵是進(jìn)行精確的三維跟蹤注冊 從而可以將真實(shí)場景與虛擬增強(qiáng)信息互相融合 在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中所采用的跟蹤器主要包括磁跟蹤器 光學(xué)跟蹤器 超聲波跟蹤器 機(jī)械式跟蹤器和慣性跟蹤器等 用以探測和跟蹤真實(shí)環(huán)境中目標(biāo)的位置和方向 由于在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中需要將虛擬物體與真實(shí)世界精確對準(zhǔn) 采用單一的跟蹤技術(shù)難以獲得滿意的跟蹤效果 為了彌補(bǔ)各跟蹤器的缺點(diǎn) 許多研究者采用混合跟蹤的方法取長補(bǔ)短 以滿足增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)高精度注冊的要求 在基于視覺的跟蹤系統(tǒng)中 使用標(biāo)定的攝像機(jī)利用單幅圖像中已知點(diǎn)的坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)三維跟蹤注冊為最為常用的方法 五 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)概述 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)仍然處于實(shí)驗(yàn)室階段 已開發(fā)的注冊技術(shù)均需要在環(huán)境可控的條件下才可以獲取精確的跟蹤結(jié)果 構(gòu)建一套實(shí)用的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要做很多測量及標(biāo)定的準(zhǔn)備工作 從而限制了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用 如果不需要事先做大量的準(zhǔn)備工作即可以獲得在室外或不可控的環(huán)境中的精確跟蹤 將大大地減少增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)操作的復(fù)雜度及擴(kuò)大增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍 在這方面的研究工作的最終目標(biāo)是在任意條件下及環(huán)境中均可以獲得準(zhǔn)確可靠的跟蹤及注冊 研制戶外用便攜式個人增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是近年來增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)方面的一個重要的研究方向 五 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)與室內(nèi)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的區(qū)別 對系統(tǒng)硬件的要求不同工作環(huán)境不同對顯示器的要求不同可使用的跟蹤技術(shù)不同可利用的資源不同 五 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 傳感器技術(shù) 全球定位系統(tǒng) GPS 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主動式 電磁式 光學(xué)式或超聲波式 被動光學(xué)式羅盤及傾斜傳感器 五 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 頭盔顯示器技術(shù) 為了解決光學(xué)透視式頭盔虛擬物體無法遮擋真實(shí)世界中的物體的問題 解決方案是在光學(xué)組合器和真實(shí)世界之間加入液晶光閥 可以在選定的像素點(diǎn)上阻礙外部世界的圖像 系統(tǒng)產(chǎn)生的圖像處于固定焦距的位置 一般為幾英尺 解決這一問題的方法是開發(fā)自動變焦系統(tǒng) 正在開發(fā)的一個系統(tǒng)可以在0 3秒之內(nèi)將焦距由0 25米變至無窮遠(yuǎn)處 已有的頭盔顯示器尚不能滿足戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的要求 顯示的亮度不夠 五 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 便攜計算機(jī)技術(shù) 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)必須要由操作者攜帶 需要控制計算機(jī)系統(tǒng)的重量 功耗和體積 筆記本電腦均只有一個CPU 限制了系統(tǒng)的計算能力 特別是在視覺跟蹤或混合跟蹤的情況下會影響跟蹤系統(tǒng)的性能 目前的操作系統(tǒng)不是為實(shí)時計算開發(fā)的 而專用的實(shí)時操作系統(tǒng)又沒有支持傳感器和圖像的驅(qū)動 解決方案是由遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行復(fù)雜的計算 從而減輕用戶所必須攜帶的重量 五 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)目前進(jìn)展 第一套已知的戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是哥倫比亞大學(xué)Feiner研究小組研制的校園漫游機(jī) 借助該套系統(tǒng)用戶可以看到校園中特定建筑的相關(guān)信息 部門或者建筑物名稱 該套系統(tǒng)采用無源傳感器 包括羅盤及傾斜傳感器 及差分GPS 五 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)目前進(jìn)展 南澳大利亞大學(xué)正在開發(fā)的戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以讓戶外用戶看到虛擬軍事仿真器中存在的物體 系統(tǒng)包括筆記本電腦 TCM2 80羅盤 帶有差分的GarminGPS12XL等 五 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)目前進(jìn)展 希臘多家研究機(jī)構(gòu)和政府部門聯(lián)合成立的研究小組正在進(jìn)行古跡導(dǎo)游 Archeoguide 項(xiàng)目的開發(fā) 研制可以為游客提供希臘奧林匹亞歷史古跡信息的可穿戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 五 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)目前進(jìn)展 美國NRL海軍研究試驗(yàn)室正在開發(fā)戰(zhàn)場用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) BARS 其目的在于為城市戰(zhàn)場環(huán)境中的指揮官和士兵之間傳達(dá)三維戰(zhàn)術(shù)信息提供一個實(shí)用平臺 主要研究內(nèi)容包括 設(shè)計新型用戶接口 設(shè)計新型交互方法 開發(fā)交互式 分布式三維環(huán)境及足夠精度的跟蹤和注冊系統(tǒng) 五 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用 開發(fā)工作于室外的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)將大大的擴(kuò)展其應(yīng)用范圍 同時可以提供新的 更通用的跟蹤方法 還可以減少使用前的準(zhǔn)備工作 使得建立和操作一套增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)更加容易 同時為可穿戴式計算機(jī)提供了一個自然的人機(jī)交互手段 一些可穿戴式計算機(jī)例如CMUVuMan系統(tǒng)已經(jīng)用于戶外車輛維修的應(yīng)用中 對于森林中的徒步旅行者 戰(zhàn)場中的戰(zhàn)士及開車的司機(jī)來說 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以提高他們對環(huán)境的認(rèn)識 提供導(dǎo)航路徑等信息 用戶可以在看到周圍環(huán)境的同時看到分布在空間的信息 士兵可以看到敵人的位置 戰(zhàn)友 類似雷區(qū)等肉眼無法識別的危險區(qū)域等 室外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)也可以用于團(tuán)隊(duì)協(xié)作 五 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的另外一個應(yīng)用是看到過去或未來的人物或事件 裝配有戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的游客可以看到計算機(jī)所產(chǎn)生的復(fù)活的歷史 頭盔式顯示器可以遮擋背景中的現(xiàn)代建筑物或紀(jì)念碑 顯示文物古跡在當(dāng)時的情況 五 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能 真實(shí)與虛擬場景間的精確注冊增強(qiáng)場景的一定刷新率圖像的立體顯示系統(tǒng)的初始標(biāo)定注冊和圖像生成的實(shí)時性 五 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 基于視覺的跟蹤注冊算法 在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中主要包括三個坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換 世界坐標(biāo)系 攝像機(jī)坐標(biāo)系和像面坐標(biāo)系 跟蹤系統(tǒng)包括一臺彩色CCD攝像機(jī)和四個不同顏色的彩色標(biāo)志點(diǎn) 彩色標(biāo)志點(diǎn)的屏幕坐標(biāo)可以通過對輸入視頻流的濾波得到 當(dāng)所有4個標(biāo)志點(diǎn)都被跟蹤到之后 利用投影變換關(guān)系可以唯一地確定平移矩陣T和旋轉(zhuǎn)矩陣R 五 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 基于視覺的跟蹤注冊算法誤差分析 實(shí)際的測量結(jié)果表明在使用該算法時旋轉(zhuǎn)角的計算值最大可能有4 5o的誤差 旋轉(zhuǎn)矩陣元素r3的 0 015037的微小誤差會帶來俯仰角計算值1o的誤差 當(dāng)所跟蹤的標(biāo)志點(diǎn)中心的坐標(biāo)是 385 381 同時由于環(huán)境光照的變化每個坐標(biāo)值都有一個像素的偏差 圖像處理的輸出為 384 380 對應(yīng)的計算誤差為0 093855 此時俯仰角的計算誤差為5 五 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 基于混合跟蹤的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 包括固定于V8頭戴式顯示器的磁傳感器和CCD攝像機(jī) CCD攝像機(jī)的輸出通過大恒DH 200圖像A D轉(zhuǎn)換卡被轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號 三自由度定姿系統(tǒng)與工作站之間通過RS232通信 攝像機(jī)的位置和姿態(tài)通過結(jié)合視頻跟蹤和磁跟蹤的結(jié)果來獲得 五 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 混合跟蹤算法 當(dāng)由于環(huán)境光照的影響導(dǎo)致一個或者多個標(biāo)志點(diǎn)不能被跟蹤到時 所提取到的標(biāo)志點(diǎn)的數(shù)量不足以用來計算被跟蹤物體的位置和姿態(tài)信息 在通過磁跟蹤器的輸出獲得被跟蹤物體的姿態(tài)信息之后 僅通過兩個標(biāo)志點(diǎn)的跟蹤結(jié)果即可以獲得位置跟蹤的結(jié)果 五 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 應(yīng)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的混合跟蹤裝置 系統(tǒng)包括V8頭盔顯示器 CCD攝像機(jī) 地磁姿態(tài)跟蹤系統(tǒng)和計算機(jī)等 五 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 跟蹤結(jié)果 一 概述二 三自由度地磁定姿系統(tǒng)三 六自由度電磁跟蹤系統(tǒng)四 手指彎曲測量系統(tǒng)五 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)六 總結(jié) 目錄 六 總結(jié) 存在的問題 現(xiàn)有的數(shù)據(jù)手套產(chǎn)品出現(xiàn)的時間都不長 僅能夠允許用戶采用自然手勢與虛擬環(huán)境進(jìn)行有限的交互 存在手指關(guān)節(jié)角度的分辨率有限及不同手勢之間的辨識困難等不足 手套式手部跟蹤系統(tǒng)的另一個缺點(diǎn)是配帶手套以及較多的信號線給虛擬交互帶來不便 并在一定程度上影響沉浸感 我們所研制的光纖傳感器手指彎曲測量系統(tǒng)雖然有輕便 靈敏度高 抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn) 但它不能對每一個指關(guān)節(jié)的彎曲角度進(jìn)行準(zhǔn)確的跟蹤 只能測量整個手指彎曲的角度的總和 而且它還存在著容易損壞等缺點(diǎn) 六 總結(jié) 存在的問題 現(xiàn)有的六自由度跟蹤器的主要問題是響應(yīng)速度慢 工作范圍有限 易受環(huán)境干擾 迄今為止尚未開發(fā)出可以應(yīng)用于噪聲及未知環(huán)境中的低延遲 高精度系統(tǒng) 本研究報告所提出的三自由度地磁姿態(tài)跟蹤系統(tǒng)和六自由度電磁跟蹤系統(tǒng)器都是由計算機(jī)根據(jù)系統(tǒng)的采樣值來計算手部的空間位置及姿態(tài) 因此不可避免的要帶來延遲 目前進(jìn)行校正處理的一般思路是首先建立被測對象的實(shí)際方位信息和測得方位信息的對照表 之后在實(shí)際跟蹤過程中根據(jù)實(shí)測的方位數(shù)據(jù)利用上述對照表最終計算出校正后的結(jié)果 六 總結(jié) 結(jié)束語 作為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)核心技術(shù)的跟蹤注冊技術(shù) 目前在跟蹤的精度與跟蹤范圍方面尚存在差距 在使用壽命 可靠性 體積 功耗和抗干擾能力方面還有待于進(jìn)一步提高 在一定程度上限制了虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用 可以相信 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和跟蹤注冊技術(shù)的不斷提高 其應(yīng)用范圍會更加廣泛