虚拟现实与增强现实跟踪技术课件.ppt

1、一、概述二、三自由度地磁定姿系统三、六自由度电磁跟踪系统 四、手指弯曲测量系统 五、户外增强现实系统关键技术六、总结目录目录一、概述一、概述虚拟现实系统 虚拟现实是虚拟现实是“一种利用计算机图形技术创建的真实一种利用计算机图形技术创建的真实世界的仿真环境，而且这一由计算机合成的世界不是静世界的仿真环境，而且这一由计算机合成的世界不是静态的，是依用户输入而变化的，用户的输入方式可以包态的，是依用户输入而变化的，用户的输入方式可以包括手势、命令语言等括手势、命令语言等”。一、概述一、概述增强现实系统 增强现实技术是虚拟现实技术发展的一个重要分支，借增强现实技术是虚拟现实技术发展的一个重要分支，借助

2、光电显示技术、交互技术、计算机图形技术和可视化技术助光电显示技术、交互技术、计算机图形技术和可视化技术产生现实环境中不存在的虚拟对象，并通过传感技术将虚拟产生现实环境中不存在的虚拟对象，并通过传感技术将虚拟对象准确对象准确“放置放置”在真实环境中，借助显示设备将虚拟对象在真实环境中，借助显示设备将虚拟对象与真实环境融为一体。与真实环境融为一体。一、概述一、概述虚拟现实系统的特征 虚拟现实系统是一种由计算机和电子技术创造的具有浸没虚拟现实系统是一种由计算机和电子技术创造的具有浸没感的高级人机界面，用户能够通过各种传感设备使用人的各种感的高级人机界面，用户能够通过各种传感设备使用人的各种自然技能对

3、虚拟世界中的物体进行考察或操作。自然技能对虚拟世界中的物体进行考察或操作。浸没感浸没感 参与者有身临其境的真实感觉。参与者有身临其境的真实感觉。交互性交互性 可以通过虚拟现实系统中的交互接口设备以自然交互方式可以通过虚拟现实系统中的交互接口设备以自然交互方式与虚拟现实环境进行交互操作。与虚拟现实环境进行交互操作。一、概述一、概述虚拟现实系统的构成 虚 拟 环 境 生 成 器立体声音响合成及定位语音合成图象合成语音识别头眼身体跟踪姿态语言识别运动学头 盔 显 示 设 备多传感器组力反馈装置一、概述一、概述虚拟现实技术的应用 虚拟现实系统能够提供一种与以往所有的传统技术不同的虚拟现实系统能够提供一

4、种与以往所有的传统技术不同的观点观点-第一人称观点，用户将会沉浸在计算机生成的虚拟环境第一人称观点，用户将会沉浸在计算机生成的虚拟环境中去，而且还可以与其中的物体进行交互。在虚拟环境中，操中去，而且还可以与其中的物体进行交互。在虚拟环境中，操作者可以利用天生的空间感来理解所看到的事物，计划所要做作者可以利用天生的空间感来理解所看到的事物，计划所要做的事情，主要应用领域为的事情，主要应用领域为:军事模拟训练军事模拟训练 制造和设计制造和设计 医学医学 科学计算可视化科学计算可视化 娱乐业娱乐业 一、概述一、概述增强现实系统特征 增强现实系统把计算机生成的虚拟物体、文字和图形等增强现实系统把计算机

5、生成的虚拟物体、文字和图形等信息重叠显示在用户所看到的真实物体之上，头盔显示器和信息重叠显示在用户所看到的真实物体之上，头盔显示器和方位跟踪器是必不可少的外设，其头盔显示器是透视式的。方位跟踪器是必不可少的外设，其头盔显示器是透视式的。一、概述一、概述增强现实与虚拟现实系统的区别 所使用的显示设备不同所使用的显示设备不同 虚拟现实系统使用浸没式头盔显示器或立体投影设备，增强虚拟现实系统使用浸没式头盔显示器或立体投影设备，增强现实系统使用透视式显示设备。现实系统使用透视式显示设备。跟踪注册涵义和精度要求不同跟踪注册涵义和精度要求不同。虚拟现实系统中注册指呈现给用户的虚拟环境与用户的各种虚拟现实系

6、统中注册指呈现给用户的虚拟环境与用户的各种感官匹配。增强现实系统中注册指将计算机产生的虚拟物体与用感官匹配。增强现实系统中注册指将计算机产生的虚拟物体与用户周围的真实环境全方位对准。户周围的真实环境全方位对准。对虚拟环境的生成能力的要求不同对虚拟环境的生成能力的要求不同 增强现实系统可以缓解虚拟现实系统建立逼真的虚拟环境时增强现实系统可以缓解虚拟现实系统建立逼真的虚拟环境时对系统计算能力的苛刻要求。对系统计算能力的苛刻要求。一、概述一、概述增强现实系统应用 增强现实系统并非以虚拟世界代替真实世界，而是利用增强现实系统并非以虚拟世界代替真实世界，而是利用附加信息去增强使用者对真实世界的感官认识。

7、由于真实环附加信息去增强使用者对真实世界的感官认识。由于真实环境的存在能够使用户对周围环境的感知更具真实感，其主要境的存在能够使用户对周围环境的感知更具真实感，其主要应用领域为：应用领域为：医疗研究医疗研究 装配、维修与教育培训装配、维修与教育培训娱乐及室内装饰设计娱乐及室内装饰设计 军事应用军事应用 视频转播视频转播 一、概述一、概述虚拟现实系统的国外进展美国从六十年代即开始着手进行虚拟现实的研究工作，并且美国从六十年代即开始着手进行虚拟现实的研究工作，并且一直受到美国国防部的重视。一直受到美国国防部的重视。英国正在利用虚拟现实技术进行高级战斗机座舱设计。英国正在利用虚拟现实技术进行高级战斗

8、机座舱设计。欧洲航天局已制定了一项欧洲航天局已制定了一项“人在虚拟现实空间人在虚拟现实空间”的研究计划。的研究计划。澳大利亚国防军开始实施代号为澳大利亚国防军开始实施代号为“温杜拉工程温杜拉工程”的十年计划的十年计划以训练未来的士兵，该计划的核心就是利用虚拟现实系统进以训练未来的士兵，该计划的核心就是利用虚拟现实系统进行军事训练。行军事训练。虚拟现实游戏和加强人机接口能力是日本在虚拟现实方面的虚拟现实游戏和加强人机接口能力是日本在虚拟现实方面的两个主要研究方向，尤其在游戏方面占有重要的市场地位。两个主要研究方向，尤其在游戏方面占有重要的市场地位。一、概述一、概述人机交互商用装置-三自由度、六自

9、由度跟踪器 一、概述一、概述人机交互商用装置-手指弯曲测量系统 一、概述一、概述虚拟现实系统国内研究现状 清华大学计算机系智能技术与系统实验室在临界场感技术等清华大学计算机系智能技术与系统实验室在临界场感技术等领域进行了卓有成效的研究。领域进行了卓有成效的研究。北京科技大学虚拟现实实验室开发出了纯交互式汽车模拟驾北京科技大学虚拟现实实验室开发出了纯交互式汽车模拟驾驶培训系统。驶培训系统。北京航空航天大学虚拟现实与多媒体研究室已经在北京航空航天大学虚拟现实与多媒体研究室已经在DVENET上开发了直升机虚拟仿真器、坦克虚拟仿真器、虚拟战场环上开发了直升机虚拟仿真器、坦克虚拟仿真器、虚拟战场环境观察

10、器、计算机兵力生成器。境观察器、计算机兵力生成器。空军第二航空学院研制了我国第一套自行研制并接近实用化空军第二航空学院研制了我国第一套自行研制并接近实用化的的VR系统。系统。浙江大学开发了数字故宫、数字敦煌等虚拟现实应用系统。浙江大学开发了数字故宫、数字敦煌等虚拟现实应用系统。一、概述二、三自由度地磁定姿系统三、六自由度电磁跟踪系统 四、手指弯曲测量系统 五、户外增强现实系统关键技术六、总结目录目录二、三自由度地磁定姿系统二、三自由度地磁定姿系统概述 在虚拟现实系统中头盔显示器给用户提供一种沉浸在在虚拟现实系统中头盔显示器给用户提供一种沉浸在虚拟环境中的浸没感，计算机必须连续地获得用户头部的虚

11、拟环境中的浸没感，计算机必须连续地获得用户头部的精确姿态信息并实时地调整显示的图像，实现姿态测量的精确姿态信息并实时地调整显示的图像，实现姿态测量的装置为三自由度定姿系统。装置为三自由度定姿系统。看到底部看到前部看到顶部二、三自由度地磁定姿系统二、三自由度地磁定姿系统概述 在地面上标定方向的基准是地球自转轴，基于感受地在地面上标定方向的基准是地球自转轴，基于感受地球自转角速度的定向仪表如陀螺罗经、陀螺经纬仪、指北球自转角速度的定向仪表如陀螺罗经、陀螺经纬仪、指北陀螺系统和速率陀螺等，不仅技术复杂、造价昂贵、维护陀螺系统和速率陀螺等，不仅技术复杂、造价昂贵、维护困难和体积庞大，而且启动时间长。困

12、难和体积庞大，而且启动时间长。地球自身固有的可做方位基准的矢量除了地球自转角地球自身固有的可做方位基准的矢量除了地球自转角速度矢量以外，只有地磁场强度。研制了一种采用加速度速度矢量以外，只有地磁场强度。研制了一种采用加速度计、磁阻传感器和单片机的数字地磁定姿系统及其定姿算计、磁阻传感器和单片机的数字地磁定姿系统及其定姿算法，通过测量地球的重力场及磁场来计算运动物体的三自法，通过测量地球的重力场及磁场来计算运动物体的三自由度姿态数据。由于采用全固态传感器，该套系统具有精由度姿态数据。由于采用全固态传感器，该套系统具有精度高、性能稳定、体积小、价格低廉、功耗低的特点。度高、性能稳定、体积小、价格低

13、廉、功耗低的特点。二、三自由度地磁定姿系统二、三自由度地磁定姿系统地磁定姿原理 地磁场的强度大约为地磁场的强度大约为0.5Gauss，其水平分量与地球表其水平分量与地球表面平行，指向地磁北极面平行，指向地磁北极。二、三自由度地磁定姿系统二、三自由度地磁定姿系统地磁定姿原理 目前通过罗盘确定姿态的方法均为首先确定地磁场目前通过罗盘确定姿态的方法均为首先确定地磁场的水平分量的水平分量HX和和HY，根据根据HX和和HY的测量值确定与地磁北的测量值确定与地磁北极的夹角，然后在计算结果中加入地磁偏角来找到真北。极的夹角，然后在计算结果中加入地磁偏角来找到真北。二、三自由度地磁定姿系统二、三自由度地磁定姿

14、系统姿态角测量算法 在刚体动力学中运动物体的姿态在刚体动力学中运动物体的姿态(即运动物体在参考即运动物体在参考空间中的方位空间中的方位)通过与运动物体相固结的运动参考坐标系通过与运动物体相固结的运动参考坐标系和定参考坐标系之间的夹角表示。和定参考坐标系之间的夹角表示。OYCY1YXX1X2(XC)Z(Z1)Z2ZC二、三自由度地磁定姿系统二、三自由度地磁定姿系统姿态角测量算法 运动物体处于水平状态下姿态角的测量算法运动物体处于水平状态下姿态角的测量算法)/arctan(11YXHH 运动物体处于倾斜状态下姿态角的测量算法运动物体处于倾斜状态下姿态角的测量算法 31cossin0sincos00

15、01cos0sin010sin0cosHHcoscossincossinsincossincossinsincos33313313331ZYXZZYYZYXXHHHHHHHHHHH二、三自由度地磁定姿系统二、三自由度地磁定姿系统环境磁场的影响及补偿算法 由于定姿系统是通过测量地磁场的三轴分量来确定由于定姿系统是通过测量地磁场的三轴分量来确定被跟踪物体的姿态的，因此被跟踪物体附近的永磁体或被跟踪物体的姿态的，因此被跟踪物体附近的永磁体或及带电导线所产生的环境磁场将影响系统的测量精度。及带电导线所产生的环境磁场将影响系统的测量精度。XYOXYOO(Hx0,Hy0)c(x3,y1)a(x1,y1)d

16、(x2,y3)b(x2,y2)a1a2二、三自由度地磁定姿系统二、三自由度地磁定姿系统磁传感器概述 磁传感器是一种将磁场或磁感应强度等物理量转换成电信磁传感器是一种将磁场或磁感应强度等物理量转换成电信号的磁电转换元器件或装置，大部分磁传感器是基于固体材料号的磁电转换元器件或装置，大部分磁传感器是基于固体材料的磁电效应的传感器，其中主要是半导体材料。的磁电效应的传感器，其中主要是半导体材料。二、三自由度地磁定姿系统二、三自由度地磁定姿系统磁阻传感器信号处理电路-信号放大与滤波 二、三自由度地磁定姿系统二、三自由度地磁定姿系统磁阻传感器信号处理电路-置位置位/复位电路复位电路 二、三自由度地磁定姿

17、系统二、三自由度地磁定姿系统加速度传感器概述 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 具有很宽的频率响应范围，适用于高频范围的振动测量具有很宽的频率响应范围，适用于高频范围的振动测量和冲击测量。和冲击测量。压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器 能测量频率低到零的加速度信号，输出阻抗很低，内在能测量频率低到零的加速度信号，输出阻抗很低，内在噪声小，但响应速度较慢。噪声小，但响应速度较慢。变电容式加速度传感器变电容式加速度传感器 具有稳态响应、高灵敏度、低输出阻抗、高线性度、抗具有稳态响应、高灵敏度、低输出阻抗、高线性度、抗过载能力高、体积小、重量轻、响应快等不可多得的优点。过载能力高、体积小、重量

18、轻、响应快等不可多得的优点。二、三自由度地磁定姿系统二、三自由度地磁定姿系统ADXL202加速度传感器加速度传感器 二、三自由度地磁定姿系统二、三自由度地磁定姿系统PIC16F877单片机 高性能精简指令集高性能精简指令集RISC CPU；一共只有一共只有35条单字指令，除了程序分支是双周期指令外，其它条单字指令，除了程序分支是双周期指令外，其它所有的指令都是单周期指令；所有的指令都是单周期指令；工作速度高，高达工作速度高，高达20MHz时钟输入和时钟输入和200ns指令周期；指令周期；高达高达8K字字(14位字长位字长)的的FLASH程序存储器；高达程序存储器；高达368字节的数字节的数据存

19、储器据存储器(RAM)和高达和高达256字节的字节的EEPROM数据存储器；数据存储器；中断能力强，多达中断能力强，多达14个内部个内部/外部中断源，外部中断源，8级硬件堆栈；级硬件堆栈；直接，间接和相对寻址方式；直接，间接和相对寻址方式；高速，低功耗高速，低功耗CMOS FLASH/EEPROM技术，仅通过两个引脚技术，仅通过两个引脚即可实现程序在线串行编程即可实现程序在线串行编程ICSP，编程只需要编程只需要5V电压；电压；宽范围的工作电压：宽范围的工作电压：2.05.5V，功耗低功耗低二、三自由度地磁定姿系统二、三自由度地磁定姿系统实际定姿系统 数字定姿系统三自由度转台二、三自由度地磁定

20、姿系统二、三自由度地磁定姿系统 定姿系统标定方法 绕三个坐标轴的旋转方向上分别找出加速度计输出的最大绕三个坐标轴的旋转方向上分别找出加速度计输出的最大值值MAXGi及最小值及最小值MINGi和磁阻传感器数据输出的最大值和磁阻传感器数据输出的最大值MAXHi及最小值及最小值MINHi。(2-22)(2-23)(2-24)HiHiHiMINMAXa3HiHiaMAXb 4imeaiiibHaH*GiGiGiMINMAXa3GiGiaMAXb 4GimeaiGiibGaG*二、三自由度地磁定姿系统二、三自由度地磁定姿系统头部姿态变化跟踪 二、三自由度地磁定姿系统二、三自由度地磁定姿系统定姿系统误差分

21、析 oYXHH1.0)/arctan(11573/1/11YXHHHmin=0.8G/2048=0.39mG A/D转换误差转换误差 磁阻传感器误差磁阻传感器误差 在磁阻传感器的性能参数中，影响测量精度的因素在磁阻传感器的性能参数中，影响测量精度的因素除最小可测磁场之外，还包括传感器的噪声、线性度和除最小可测磁场之外，还包括传感器的噪声、线性度和重复性等，总的影响为重复性等，总的影响为0.14度。度。环境温度变化的影响环境温度变化的影响 传感器的温度系数影响航向角的测量精度，温度影响主要包传感器的温度系数影响航向角的测量精度，温度影响主要包括零偏的温漂和灵敏度的温漂。为了克服温度漂移的影响，在

22、环括零偏的温漂和灵敏度的温漂。为了克服温度漂移的影响，在环境温度变化较大的应用场合我们采用了置位境温度变化较大的应用场合我们采用了置位/复位技术。复位技术。二、三自由度地磁定姿系统二、三自由度地磁定姿系统定姿系统误差分析 osappliedsetVHAH*osappliedresetVHAH*appliedresetsetHAHH*2AHHHresetsetapplied2地磁偏角的影响地磁偏角的影响地磁偏角的数值与地理位置有关，最大可能达到地磁偏角的数值与地理位置有关，最大可能达到25度。度。倾斜角测量误差的影响倾斜角测量误差的影响 倾斜角对航向测量误差的影响与定姿系统所处的地理位置有关。倾

23、斜角对航向测量误差的影响与定姿系统所处的地理位置有关。二、三自由度地磁定姿系统二、三自由度地磁定姿系统定姿系统误差分析 一、概述二、三自由度地磁定姿系统三、六自由度电磁跟踪系统 四、手指弯曲测量系统 五、户外增强现实系统关键技术六、总结目录目录三、六自由度电磁跟踪系统三、六自由度电磁跟踪系统概述 在虚拟现实和增强现实系统中，除了运动物体的三自由在虚拟现实和增强现实系统中，除了运动物体的三自由度姿态信息之外，在很多情况下还需要跟踪运动物体的空间度姿态信息之外，在很多情况下还需要跟踪运动物体的空间方位信息。能够同时跟踪位置和姿态的跟踪器被称为六自由方位信息。能够同时跟踪位置和姿态的跟踪器被称为六自

24、由度跟踪器。度跟踪器。在三维空间内一个物体的空间位置由笛卡尔坐标在三维空间内一个物体的空间位置由笛卡尔坐标(即即X、Y、Z坐标值坐标值)来确定。姿态由另外三个参数俯仰角、横滚角来确定。姿态由另外三个参数俯仰角、横滚角及航向角来确定，因此用于虚拟现实和增强现实系统的方位及航向角来确定，因此用于虚拟现实和增强现实系统的方位跟踪器至少需要获得跟踪器至少需要获得6个自由度信息，即三个平移自由度和个自由度信息，即三个平移自由度和三个旋转自由度。三个旋转自由度。三、六自由度电磁跟踪系统三、六自由度电磁跟踪系统六自由度跟踪器分类 电磁式跟踪系统电磁式跟踪系统 根据磁发射信号和磁感应信号之间的耦合关系确定被测

25、对象的方位。根据磁发射信号和磁感应信号之间的耦合关系确定被测对象的方位。环境中的金属物体、电子设备、环境中的金属物体、电子设备、CRT及环境磁场会对接收装置造成干扰。及环境磁场会对接收装置造成干扰。光学式跟踪系统光学式跟踪系统 采用摄像装置或光敏器件接收具有一定几何分布的光源所发出的光，采用摄像装置或光敏器件接收具有一定几何分布的光源所发出的光，通过接收的图像及光源和传感器的空间位置来计算运动物体的通过接收的图像及光源和传感器的空间位置来计算运动物体的6自由度信自由度信息。在近距离内非常精确且不受磁场和声场的干扰，但要求光源与探测器息。在近距离内非常精确且不受磁场和声场的干扰，但要求光源与探测

26、器可视，跟踪的角度范围有限并且现场其它光源会造成影响。可视，跟踪的角度范围有限并且现场其它光源会造成影响。机械式跟踪系统机械式跟踪系统 是一种绝对位置传感器，通过机械关节的物理连接来测量运动物体是一种绝对位置传感器，通过机械关节的物理连接来测量运动物体的位置及方向。机械装置笨重、操作不便且易对操作者产生干扰，跟踪范的位置及方向。机械装置笨重、操作不便且易对操作者产生干扰，跟踪范围有限。围有限。三、六自由度电磁跟踪系统三、六自由度电磁跟踪系统六自由度跟踪器分类 超声波式跟踪系统超声波式跟踪系统利用不同声源发出的超声波到达某一特定地点的时间差、相位利用不同声源发出的超声波到达某一特定地点的时间差、

27、相位差或者声压差进行定位跟踪，包括连续波相位相干测量法和脉冲波差或者声压差进行定位跟踪，包括连续波相位相干测量法和脉冲波传播时间测量法两种方式。不受环境磁场及铁磁物体的影响，同时传播时间测量法两种方式。不受环境磁场及铁磁物体的影响，同时不产生电磁辐射、价格便宜。但跟踪范围有限、受环境声场干扰、不产生电磁辐射、价格便宜。但跟踪范围有限、受环境声场干扰、与空气湿度有关并且要求发射器与接收器之间不能有物体遮挡。与空气湿度有关并且要求发射器与接收器之间不能有物体遮挡。惯性跟踪系统惯性跟踪系统 惯性跟踪器利用陀螺测量三个转动自由度的角度变化，利用加惯性跟踪器利用陀螺测量三个转动自由度的角度变化，利用加速

28、度计测量三个平动自由度的位移。体积大，价格昂贵，由于角度速度计测量三个平动自由度的位移。体积大，价格昂贵，由于角度和距离的测量分别通过对陀螺和加速度计的一次和两次积分得到，和距离的测量分别通过对陀螺和加速度计的一次和两次积分得到，系统误差会随着时间积累。系统误差会随着时间积累。三、六自由度电磁跟踪系统三、六自由度电磁跟踪系统电磁式跟踪系统 当给一个线圈中通上电流后，在线圈的周围将产生磁场。当给一个线圈中通上电流后，在线圈的周围将产生磁场。磁传感器的输出值与发射线圈和接收器之间的距离磁传感器的输出值与发射线圈和接收器之间的距离r及磁传感及磁传感器的敏感轴与发射线圈发射轴之间的夹角有关。器的敏感轴

29、与发射线圈发射轴之间的夹角有关。三、六自由度电磁跟踪系统三、六自由度电磁跟踪系统直流式电磁跟踪系统 直流式电磁跟踪系统主要由发射源、接收器和控制系统构成。直流式电磁跟踪系统主要由发射源、接收器和控制系统构成。发 射 源接 收 器单片机控制系统PC 机A/D数据ZYX三、六自由度电磁跟踪系统三、六自由度电磁跟踪系统直流式电磁跟踪系统位置测量算法 Or(xr,yr,zr)O(x,yz)YZXZrXrYrxyz三、六自由度电磁跟踪系统三、六自由度电磁跟踪系统直流式电磁跟踪系统位置测量算法 发射线圈接收器32/NIAqH34/NIArH三、六自由度电磁跟踪系统三、六自由度电磁跟踪系统直流式电磁跟踪系统

30、位置测量算法 1000100010f032cos21sinsin21sincos210cos21sin21sincossincoscosfCf22622cos41sin)(CZP2226224141)(zyxCZP62222)()()(23ZPYPXPC三、六自由度电磁跟踪系统三、六自由度电磁跟踪系统直流式电磁跟踪系统位置测量算法 222222262sin31cossinsin3cossincos3cossinsin3cossin31coscossin3cossincos3coscossin3coscos3141 CXXT0033)(fTTTCTTTTTfXS3133F)(1323FFarct

31、g三、六自由度电磁跟踪系统三、六自由度电磁跟踪系统直流式电磁跟踪系统的不足 在使用过程中的环境干扰大多为直流信号，采用常规的信号在使用过程中的环境干扰大多为直流信号，采用常规的信号处理手段处理手段(如滤波如滤波)无法滤除。无法滤除。由于系统更新频率仅为由于系统更新频率仅为30Hz，无法迅速跟踪干扰的变化。无法迅速跟踪干扰的变化。功率谱密度与频率成反比的随机涨落现象在电子器件中普遍功率谱密度与频率成反比的随机涨落现象在电子器件中普遍存在，因此低频噪声会影响放大及信号处理系统的性能。存在，因此低频噪声会影响放大及信号处理系统的性能。由于在接收端磁场的强度与接收器和发射线圈之间的距离的由于在接收端磁

32、场的强度与接收器和发射线圈之间的距离的立方成反比，因此接收端的磁场强度随距离增大衰减很快。立方成反比，因此接收端的磁场强度随距离增大衰减很快。三、六自由度电磁跟踪系统三、六自由度电磁跟踪系统交流式电磁跟踪系统 为了弥补直流式跟踪系统的不足，提出了一种采用交流为了弥补直流式跟踪系统的不足，提出了一种采用交流磁场作激励源的交流式电磁跟踪系统方案。磁场作激励源的交流式电磁跟踪系统方案。A/D转换及计算3轴发射线圈磁阻传感器带通滤波器交流驱动电路u0(t)仪表放大器交流耦合加速度计三、六自由度电磁跟踪系统三、六自由度电磁跟踪系统交流式电磁跟踪系统 fttu2cos)(0为其它值tkTkntTknftI

33、tin,0,.3,2,1,0,)3()31(,2cos)(三、六自由度电磁跟踪系统三、六自由度电磁跟踪系统数字相敏检波器算法 (3-39)32)2cos()(rftNIAtHQ34)2cos()(rftNIAtHI30342cos22cos1NIAftdtftNIATHTQ30382cos42cos1NIAftdtftNIATHTIcos4)2cos(22cos1303NIAdtftftNIATHTQ (3-44)2cos()(1fttr)2sin()(2fttr三、六自由度电磁跟踪系统三、六自由度电磁跟踪系统数字相敏检波器算法 cos4)/()/(3111NIAfirfiHNfHsNisQs

34、Qsin4)/()/(3212NIAfirfiHNfHsNisQsQ322214NIAHHHQQQiiHifirfiHiHQssQQ)1()1()/()/()(111iiHifirfiHiHQssQQ)1()1()/()/()(222三、六自由度电磁跟踪系统三、六自由度电磁跟踪系统交流式电磁跟踪系统跟踪算法 033210002100014fTTNAITTTTTf222222233111cos231cossinsin23cossincos23cossinsin2321cossin23cossincos23sincoscos23cossincos2321coscos234NAIfTTTM)1(32

35、cos331M32231tanMM三、六自由度电磁跟踪系统三、六自由度电磁跟踪系统误差分析及仿真结果 ftdtrftNIATHTQ2cos22cos103TdtftrNIAT03)24cos1(21)44sin1(43fTfTrNIA 50 100 150 200 250-2.5-2-1.5-1-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5(a)50 100 150 200 250-2.5-2-1.5-1-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5(b)三、六自由度电磁跟踪系统三、六自由度电磁跟踪系统实验系统结构 高稳定度振荡源高稳定度振荡源 功率放大电路功率放大电路 发射线圈发射线圈接收器接收

36、器 信号处理电路信号处理电路 一、概述二、三自由度地磁定姿系统三、六自由度电磁跟踪系统 四、手指弯曲测量系统 五、户外增强现实系统关键技术六、总结目录目录四、手指弯曲测量系统四、手指弯曲测量系统概述 人手在人类的日常生活中起着不可替代的作用，是人们与外界人手在人类的日常生活中起着不可替代的作用，是人们与外界进行物理接触及意识表达的主要媒介。进行物理接触及意识表达的主要媒介。在虚拟现实系统中采用手势辨识作为人机交互手段的方法被普在虚拟现实系统中采用手势辨识作为人机交互手段的方法被普遍采用遍采用。在采用人手的动作来作人机交互的虚拟现实系统中仍然需要通在采用人手的动作来作人机交互的虚拟现实系统中仍然

37、需要通过数据手套等输入装置来测量手指弯曲的角度和手指的外展程过数据手套等输入装置来测量手指弯曲的角度和手指的外展程度等额外的信息。度等额外的信息。手套比起传统的鼠标来，交互的区域更大，手的运动更自由。手套比起传统的鼠标来，交互的区域更大，手的运动更自由。四、手指弯曲测量系统四、手指弯曲测量系统测量手指弯曲角度的方法 光纤弯曲传感器光纤弯曲传感器 具有体积小和重量轻的优点。而且用户戴上这种手套感觉舒适，具有体积小和重量轻的优点。而且用户戴上这种手套感觉舒适，不会限制用户手部的运动。不会限制用户手部的运动。变电阻式线性传感器变电阻式线性传感器由于这种数据手套是松耦合的，因此输出不互相依赖，该类手由

38、于这种数据手套是松耦合的，因此输出不互相依赖，该类手套的价格十分昂贵。套的价格十分昂贵。金属外骨架装置金属外骨架装置 由于这种装置在手上的位置会滑动，所以在每次模拟开始时都由于这种装置在手上的位置会滑动，所以在每次模拟开始时都要进行校准。另外该类手套较重，易使手感到疲劳。要进行校准。另外该类手套较重，易使手感到疲劳。基于图像处理的手指弯曲传感技术基于图像处理的手指弯曲传感技术 对硬件系统要求高，计算量大。对硬件系统要求高，计算量大。四、手指弯曲测量系统四、手指弯曲测量系统测量原理 在采用光导纤维传感器的手指测量系统中，将光导纤维在采用光导纤维传感器的手指测量系统中，将光导纤维缝制在手套中，当手

39、指弯曲而导致光导纤维弯曲时，通过光缝制在手套中，当手指弯曲而导致光导纤维弯曲时，通过光纤传输的光能量将会有衰减，光能衰减的程度与光纤的弯曲纤传输的光能量将会有衰减，光能衰减的程度与光纤的弯曲程度有关。程度有关。发光二极管光敏三极管放大及滤波电路发光二极管光敏三极管放大及滤波电路共五套A/D转换及角度计算RS232至PC光纤四、手指弯曲测量系统四、手指弯曲测量系统光纤传感器设计 光纤传感器由发光二极管、光纤传感器由发光二极管、塑料光纤和光敏三极管构成。塑料光纤和光敏三极管构成。把发光二极管和光敏三极把发光二极管和光敏三极管的断面钻出与光纤直径相等管的断面钻出与光纤直径相等的孔洞，然后将光纤的端面

40、插的孔洞，然后将光纤的端面插入孔洞并采用入孔洞并采用502胶粘结。采用胶粘结。采用这种方法即可以提高耦合效率，这种方法即可以提高耦合效率，又可以保证耦合的可靠性。在又可以保证耦合的可靠性。在粘结前对光纤表面需要进行研粘结前对光纤表面需要进行研磨处理。磨处理。图4-6 光纤弯曲传感器电路四、手指弯曲测量系统四、手指弯曲测量系统实验结果 系统采用系统采用PIC16F877单片机作单片机作A/D转换及数据处理，采用转换及数据处理，采用2252双集成运放作传感器信号的放大和滤波。双集成运放作传感器信号的放大和滤波。一、概述二、三自由度地磁定姿系统三、六自由度电磁跟踪系统 四、手指弯曲测量系统 五、户外

41、增强现实系统关键技术六、总结目录目录五、户外增强现实系统关键技术五、户外增强现实系统关键技术概述 增强现实系统借助光电显示技术、交互技术、计算机图形技术增强现实系统借助光电显示技术、交互技术、计算机图形技术和可视化技术等产生现实环境中不存在的虚拟对象，并通过传感技和可视化技术等产生现实环境中不存在的虚拟对象，并通过传感技术将虚拟对象准确地术将虚拟对象准确地“放置放置”在真实环境中，利用显示设备将产生在真实环境中，利用显示设备将产生的虚拟对象与真实环境融为一体，呈现给用户一个感官效果真实的的虚拟对象与真实环境融为一体，呈现给用户一个感官效果真实的新环境新环境。五、户外增强现实系统关键技术五、户外

42、增强现实系统关键技术概述 构造一个成功的增强现实系统的技术关键是进行精确的三维跟踪构造一个成功的增强现实系统的技术关键是进行精确的三维跟踪注册，从而可以将真实场景与虚拟增强信息互相融合。注册，从而可以将真实场景与虚拟增强信息互相融合。在增强现实系统中所采用的跟踪器主要包括磁跟踪器、光学跟踪在增强现实系统中所采用的跟踪器主要包括磁跟踪器、光学跟踪器、超声波跟踪器、机械式跟踪器和惯性跟踪器等，用以探测和器、超声波跟踪器、机械式跟踪器和惯性跟踪器等，用以探测和跟踪真实环境中目标的位置和方向。跟踪真实环境中目标的位置和方向。由于在增强现实系统中需要将虚拟物体与真实世界精确对准，采由于在增强现实系统中需

43、要将虚拟物体与真实世界精确对准，采用单一的跟踪技术难以获得满意的跟踪效果。为了弥补各跟踪器用单一的跟踪技术难以获得满意的跟踪效果。为了弥补各跟踪器的缺点，许多研究者采用混合跟踪的方法取长补短，以满足增强的缺点，许多研究者采用混合跟踪的方法取长补短，以满足增强现实系统高精度注册的要求。现实系统高精度注册的要求。在基于视觉的跟踪系统中，使用标定的摄像机利用单幅图像中已在基于视觉的跟踪系统中，使用标定的摄像机利用单幅图像中已知点的坐标实现三维跟踪注册为最为常用的方法。知点的坐标实现三维跟踪注册为最为常用的方法。五、户外增强现实系统关键技术五、户外增强现实系统关键技术户外增强现实系统概述 增强现实技术

44、仍然处于实验室阶段，已开发的注册技术均需要在增强现实技术仍然处于实验室阶段，已开发的注册技术均需要在环境可控的条件下才可以获取精确的跟踪结果。环境可控的条件下才可以获取精确的跟踪结果。构建一套实用的增强现实系统需要做很多测量及标定的准备工作构建一套实用的增强现实系统需要做很多测量及标定的准备工作，从而限制了增强现实系统的推广应用。从而限制了增强现实系统的推广应用。如果不需要事先做大量的准备工作即可以获得在室外或不可控的如果不需要事先做大量的准备工作即可以获得在室外或不可控的环境中的精确跟踪，将大大地减少增强现实系统操作的复杂度及环境中的精确跟踪，将大大地减少增强现实系统操作的复杂度及扩大增强现

45、实系统的应用范围。在这方面的研究工作的最终目标扩大增强现实系统的应用范围。在这方面的研究工作的最终目标是在任意条件下及环境中均可以获得准确可靠的跟踪及注册。是在任意条件下及环境中均可以获得准确可靠的跟踪及注册。研制户外用便携式个人增强现实系统是近年来增强现实技术方面研制户外用便携式个人增强现实系统是近年来增强现实技术方面的一个重要的研究方向。的一个重要的研究方向。五、户外增强现实系统关键技术五、户外增强现实系统关键技术户外增强现实系统与室内增强现实系统的区别 对系统硬件的要求不同对系统硬件的要求不同工作环境不同工作环境不同对显示器的要求不同对显示器的要求不同 可使用的跟踪技术不同可使用的跟踪技

46、术不同 可利用的资源不同可利用的资源不同 五、户外增强现实系统关键技术五、户外增强现实系统关键技术户外增强现实系统关键技术-传感器技术 全球定位系统全球定位系统(GPS)惯性导航系统惯性导航系统 主动式主动式(电磁式、光学式或超声波式电磁式、光学式或超声波式)被动光学式被动光学式 罗盘及倾斜传感器罗盘及倾斜传感器 五、户外增强现实系统关键技术五、户外增强现实系统关键技术户外增强现实系统关键技术-头盔显示器技术 为了解决光学透视式头盔虚拟物体无法遮挡真实世界中的物体为了解决光学透视式头盔虚拟物体无法遮挡真实世界中的物体的问题的问题，解决方案是在光学组合器和真实世界之间加入液晶光解决方案是在光学组

47、合器和真实世界之间加入液晶光阀，可以在选定的像素点上阻碍外部世界的图像。阀，可以在选定的像素点上阻碍外部世界的图像。系统产生的图像处于固定焦距的位置，一般为几英尺，解决这系统产生的图像处于固定焦距的位置，一般为几英尺，解决这一问题的方法是开发自动变焦系统，正在开发的一个系统可以一问题的方法是开发自动变焦系统，正在开发的一个系统可以在在0.3秒之内将焦距由秒之内将焦距由0.25米变至无穷远处米变至无穷远处。已有的头盔显示器尚不能满足户外增强现实系统的要求，显示已有的头盔显示器尚不能满足户外增强现实系统的要求，显示的亮度不够。的亮度不够。五、户外增强现实系统关键技术五、户外增强现实系统关键技术户外

48、增强现实系统关键技术-便携计算机技术 户外增强现实系统必须要由操作者携带，需要控制计算机系统户外增强现实系统必须要由操作者携带，需要控制计算机系统的重量、功耗和体积。的重量、功耗和体积。笔记本电脑均只有一个笔记本电脑均只有一个CPU，限制了系统的计算能力，特别是限制了系统的计算能力，特别是在视觉跟踪或混合跟踪的情况下会影响跟踪系统的性能。在视觉跟踪或混合跟踪的情况下会影响跟踪系统的性能。目前的操作系统不是为实时计算开发的，而专用的实时操作系目前的操作系统不是为实时计算开发的，而专用的实时操作系统又没有支持传感器和图像的驱动。统又没有支持传感器和图像的驱动。解决方案是由远程服务器进行复杂的计算，

49、从而减轻用户所必解决方案是由远程服务器进行复杂的计算，从而减轻用户所必须携带的重量。须携带的重量。五、户外增强现实系统关键技术五、户外增强现实系统关键技术户外增强现实系统目前进展 第一套已知的户外增强现实系统是哥伦比亚大学第一套已知的户外增强现实系统是哥伦比亚大学Feiner研究小研究小组研制的校园漫游机组研制的校园漫游机，借助该套系统用户可以看到校园中特定建借助该套系统用户可以看到校园中特定建筑的相关信息筑的相关信息(部门或者建筑物名称部门或者建筑物名称)。该套系统采用无源传感器。该套系统采用无源传感器(包括罗盘及倾斜传感器包括罗盘及倾斜传感器)及差分及差分GPS。五、户外增强现实系统关键技

50、术五、户外增强现实系统关键技术户外增强现实系统目前进展 南澳大利亚大学正在开发的户外增强现实系统可以让户外用户看南澳大利亚大学正在开发的户外增强现实系统可以让户外用户看到虚拟军事仿真器中存在的物体，系统包括笔记本电脑、到虚拟军事仿真器中存在的物体，系统包括笔记本电脑、TCM2-80罗罗盘、带有差分的盘、带有差分的Garmin GPS12XL等。等。五、户外增强现实系统关键技术五、户外增强现实系统关键技术户外增强现实系统目前进展 希腊多家研究机构和政府部门联合成立的研究小组正在进行古希腊多家研究机构和政府部门联合成立的研究小组正在进行古迹导游迹导游(Archeoguide)项目的开发，研制可以为