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1、输入设备：跟踪器、 漫游和手势接口 光电信息技术与颜色工程研究所光电信息技术与颜色工程研究所 刘越刘越 () 三维位置跟踪器三维位置跟踪器 漫游和操纵接口漫游和操纵接口 手势接口手势接口 小结小结 三维位置跟踪器三维位置跟踪器 漫游和操纵接口漫游和操纵接口 手势接口手势接口 小结小结 跟踪器：跟踪器： VR中用于测量三维对象位置和方向实时中用于测量三维对象位置和方向实时 变化的专门硬件设备变化的专门硬件设备 三维空间中的活动对象的位置三维空间中的活动对象的位置 和方向通常由和方向通常由6个自由度个自由度 (Degree of Freedom, DOF)表表 示，即沿示，即沿x，y，z坐标轴的平
2、坐标轴的平 动与绕动与绕x，y，z坐标轴的转动，坐标轴的转动， 分别称为位置坐标分别称为位置坐标x，y，z和和 角度坐标偏航角度坐标偏航(yaw)、俯仰、俯仰 (pitch)、滚动、滚动(roll)。 在虚拟现实应用中，为了控制观察方向、在虚拟现实应用中，为了控制观察方向、 运动和操纵对象，通常需要测量用户头部、运动和操纵对象，通常需要测量用户头部、 手和四肢的运动。手和四肢的运动。 跟踪器在跟踪器在VR中还有一种新的应用，那中还有一种新的应用，那 就是把对替身或虚拟人的控制映射给用户。就是把对替身或虚拟人的控制映射给用户。 看到底部 看到前部 看到顶部 以头盔显示器为例：以头盔显示器为例：
3、用户头部的运动被一个电子单元采样下用户头部的运动被一个电子单元采样下 来，并发送给计算机。来，并发送给计算机。 主计算机利用跟踪器的数据计算新的观主计算机利用跟踪器的数据计算新的观 察方向，并绘制更新后的虚拟场景图像。察方向，并绘制更新后的虚拟场景图像。 该场景被转换成双路视频信号并显示在该场景被转换成双路视频信号并显示在 两个两个LCD屏幕上。屏幕上。 另一个使用跟踪信息的另一个使用跟踪信息的VR感感 觉模态是三维声音，如头盔用耳机。觉模态是三维声音，如头盔用耳机。 跟踪器数据使计算机能定位虚跟踪器数据使计算机能定位虚 拟对象的声源，从而提高仿真的真拟对象的声源，从而提高仿真的真 实感和用户
4、在合成世界中的沉浸感。实感和用户在合成世界中的沉浸感。 对三维声音的测量精度要求低对三维声音的测量精度要求低 于对图形反馈的精度要求。于对图形反馈的精度要求。 虚拟现实系统对跟踪器的要求虚拟现实系统对跟踪器的要求 三维空间中的运动的刚体具有三个平移三维空间中的运动的刚体具有三个平移(沿沿 着着X、Y、Z轴轴)和三个转动和三个转动(偏航、俯仰、滚偏航、俯仰、滚 动动)自由度。自由度。 在物体高速运动时，应该足够快的准确测在物体高速运动时，应该足够快的准确测 出这六个数值。出这六个数值。 三维测量不应妨碍物体运动。尽量用非接三维测量不应妨碍物体运动。尽量用非接 触式测量触式测量(低频磁场、超声、雷
5、达、红外摄低频磁场、超声、雷达、红外摄 像头和像头和LED等等)代替机械臂等接触式测量。代替机械臂等接触式测量。 三维位置跟踪器三维位置跟踪器 跟踪器的性能参数跟踪器的性能参数 机械跟踪器机械跟踪器 电磁跟踪器电磁跟踪器 超声波跟踪器超声波跟踪器 光学跟踪器光学跟踪器 混合惯性跟踪器混合惯性跟踪器 各种跟踪器的性能比较各种跟踪器的性能比较 三维位置跟踪器三维位置跟踪器 跟踪器的性能参数跟踪器的性能参数 机械跟踪器机械跟踪器 电磁跟踪器电磁跟踪器 超声波跟踪器超声波跟踪器 光学跟踪器光学跟踪器 混合惯性跟踪器混合惯性跟踪器 各种跟踪器的性能比较各种跟踪器的性能比较 跟踪器的性能参数跟踪器的性能参
6、数 精度精度/分辨率分辨率 抖动抖动 偏差偏差 延迟延迟 更新率更新率 抗干扰性抗干扰性 合群性合群性 采样率、执行时间、范围、工作时间、价格、障碍、采样率、执行时间、范围、工作时间、价格、障碍、 方便、对模糊的敏感、容易校准、同时测量的数目、方便、对模糊的敏感、容易校准、同时测量的数目、 方向相对位置跟踪方向相对位置跟踪 性能参数性能参数精度精度/分辨率分辨率 定义：对象真实的三维位置与跟踪器测量定义：对象真实的三维位置与跟踪器测量 出的三维位置之间的差值。出的三维位置之间的差值。 定义：跟踪器能够检测出的被跟踪对象的定义：跟踪器能够检测出的被跟踪对象的 最小三维位置变化。最小三维位置变化。
7、 跟踪器越精确，这个差值就越小，跟踪用跟踪器越精确，这个差值就越小，跟踪用 户实际动作的效果就越好。户实际动作的效果就越好。 精度不是一成不变的，而是随着离坐标系精度不是一成不变的，而是随着离坐标系 原点的距离的增加而降低。原点的距离的增加而降低。 性能参数性能参数抖动抖动 定义：当跟踪对象固定不变时，跟踪器的定义：当跟踪对象固定不变时，跟踪器的 输出结果的变化。输出结果的变化。 抖动由传感器的噪声引起，使得跟踪器数抖动由传感器的噪声引起，使得跟踪器数 据围绕平均值随机变化。据围绕平均值随机变化。 应该设法使跟踪器的抖动尽可能小，否则应该设法使跟踪器的抖动尽可能小，否则 会引起虚拟对象出现振动
8、或跳动等。会引起虚拟对象出现振动或跳动等。 性能参数性能参数偏差偏差 定义：随时间推移而累积的误差。定义：随时间推移而累积的误差。 随着时间的推移，跟踪器的不精确度不断随着时间的推移，跟踪器的不精确度不断 增长，从而使数据逐渐不可用。增长，从而使数据逐渐不可用。 需要使用一个没有偏差的间接跟踪器周期需要使用一个没有偏差的间接跟踪器周期 性地进行零位调整。性地进行零位调整。 性能参数性能参数延迟延迟 定义：动作与结果之间的时间差。对三维定义：动作与结果之间的时间差。对三维 跟踪器来说，延迟是对象的位置跟踪器来说，延迟是对象的位置/方向的变方向的变 化与跟踪器检测这种变化之间的时间差。化与跟踪器检
9、测这种变化之间的时间差。 延迟比较大的跟踪器会带来很大的时间滞延迟比较大的跟踪器会带来很大的时间滞 后，这种时间上的滞后会导致后，这种时间上的滞后会导致“仿真病仿真病 (simulation sickness)”。 可以采用同步锁相、高速通信线路及高更可以采用同步锁相、高速通信线路及高更 新率的跟踪器来降低延迟。新率的跟踪器来降低延迟。 性能参数性能参数更新率更新率 定义：跟踪器每秒报告测量数据的次数。定义：跟踪器每秒报告测量数据的次数。 跟踪器的更新率越高，仿真系统的动态响跟踪器的更新率越高，仿真系统的动态响 应能力就越强。应能力就越强。 跟踪器的更新率一般介于每秒数十个数据跟踪器的更新率一
10、般介于每秒数十个数据 集到数千个数据集之间，具体取决于所使集到数千个数据集之间，具体取决于所使 用的跟踪技术。用的跟踪技术。 使用同一个跟踪器测量多个移动对象时采使用同一个跟踪器测量多个移动对象时采 样率会受到多路复用的影响样率会受到多路复用的影响 性能参数性能参数抗干扰性抗干扰性 定义：抗干扰性是指一个系统在相对恶劣定义：抗干扰性是指一个系统在相对恶劣 的条件下避免测量错误的能力。的条件下避免测量错误的能力。 外界干扰可分为两种：外界干扰可分为两种： 遮挡，即其他的物体挡在目标物和探测器遮挡，即其他的物体挡在目标物和探测器 之间所造成的跟踪困难；之间所造成的跟踪困难； 畸变，即由于一些物体的
11、存在而使探测器畸变，即由于一些物体的存在而使探测器 所探测的目标定位发生畸变。所探测的目标定位发生畸变。 性能参数性能参数合群性合群性 定义：合群性指的是对多用户系统的支持能力，定义：合群性指的是对多用户系统的支持能力， 包括操作空间范围和多目标跟踪能力。包括操作空间范围和多目标跟踪能力。 实际的跟踪系统不能提供无限的跟踪范围，只实际的跟踪系统不能提供无限的跟踪范围，只 能在一定的区域内进行跟踪和测量，这个区域能在一定的区域内进行跟踪和测量，这个区域 通常称为工作区域。通常称为工作区域。 多用户系统必须要有多目标跟踪的能力，取决多用户系统必须要有多目标跟踪的能力，取决 于一个系统的组成结构，如
12、光学式跟踪系统中于一个系统的组成结构，如光学式跟踪系统中 将发射器安装在被跟踪物体上面的将发射器安装在被跟踪物体上面的Outside-in 结构，以及将接收器装在被跟踪物体上面的结构，以及将接收器装在被跟踪物体上面的 Inside-out结构，各个跟踪器均能互不干扰的结构，各个跟踪器均能互不干扰的 工作。工作。 三维位置跟踪器三维位置跟踪器 跟踪器的性能参数跟踪器的性能参数 机械跟踪器机械跟踪器 电磁跟踪器电磁跟踪器 超声波跟踪器超声波跟踪器 光学跟踪器光学跟踪器 混合惯性跟踪器混合惯性跟踪器 各种跟踪器的性能比较各种跟踪器的性能比较 机械跟踪器机械跟踪器 定义：机械跟踪器由一个串行或并行的运
13、动结定义：机械跟踪器由一个串行或并行的运动结 构组成，该运动结构由多个带有传感器的关节构组成，该运动结构由多个带有传感器的关节 连接在一起的连杆构成。连接在一起的连杆构成。 每个连杆的维数是事先知道的，并且可供每个连杆的维数是事先知道的，并且可供 存储在计算机中的直接运动学计算机模型存储在计算机中的直接运动学计算机模型 使用。使用。 根据实时读取的跟踪器关节传感器的数据，根据实时读取的跟踪器关节传感器的数据， 确定机械跟踪器的某个端点相对于其他端确定机械跟踪器的某个端点相对于其他端 点的位置和方向。点的位置和方向。 通常把一个端点固定在桌子或地板上，把通常把一个端点固定在桌子或地板上，把 另一
14、个端点绑在对象上。另一个端点绑在对象上。 把能单独旋转的机械部件装配使用，给把能单独旋转的机械部件装配使用，给 用户提供多种旋转能力。通过各种连接角度用户提供多种旋转能力。通过各种连接角度 计算端点位置，利用增量式编码器或电位计计算端点位置，利用增量式编码器或电位计 测量连接角。测量连接角。 光电编码器光电编码器 由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是 在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形 孔，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管孔，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管 等电子元件组成的检测装置通过计算输出脉冲等电子
15、元件组成的检测装置通过计算输出脉冲 的个数可得到转过的角度。的个数可得到转过的角度。 机械跟踪器的优点机械跟踪器的优点 (1)简单且易于使用简单且易于使用 (2)精度稳定，取决于关节传感器的分辨率精度稳定，取决于关节传感器的分辨率 (3)性能可靠，潜在的干扰源较少性能可靠，潜在的干扰源较少 (4)抖动较小，延迟较低抖动较小，延迟较低 (5)没有遮挡问题没有遮挡问题 机械跟踪器的缺点机械跟踪器的缺点 (1)由于机械臂的尺寸限制，工作范围有限。由于机械臂的尺寸限制，工作范围有限。 (2)连杆过长时重量和惯性会随之增加，对机连杆过长时重量和惯性会随之增加，对机 械振动的敏感性增加。械振动的敏感性增加。 (3)由于跟踪器机械臂自身运动的妨碍，用户由于跟踪器机械臂自身运动的妨碍，用户 运动的自由度被减小了。运动的自由度被减小了。 (4)当跟踪器必须由用户支撑时会导致用户疲当跟踪器必须由用户支撑时会导致用户疲 劳，降低在虚拟环境中的沉浸感。劳，降低在虚拟环境中的沉浸感。 物理现象物理现象 机械连接机械连接 测量变量测量变量 旋转编码器的角度测量旋转编码器的角度测量 自由度自由度 位置和方位位置和方位(最高可达最高可达6自由度自由度) 精确性精确性 0.1-2.5毫米毫米 分辨率分辨率 0.05-1.5毫米
