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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刘越(liuyue@bit.edu.cn)•三维位置跟踪器•漫游和操纵接口•手势接口•小结•三维位置跟踪器•漫游和操纵接口•手势接口•小结跟踪器：VR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•三维空间中的活动对象的位置和方向通常由6个自由度(DegreeofFreedom,DOF)表示，即沿x，y，z坐标轴的平动与绕x，y，z坐标轴的转动，分别称为位置坐标x，y，z和角度坐标偏航(yaw)、俯仰(pitch)、滚动(roll)。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、手和四肢的运动。跟踪器在VR中的另一种应用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：•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。•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。•该场景被转换成双路视频信号并显示在两个LCD屏幕上。另一个使用跟踪信息的VR感觉模态是三维声音，如头盔用耳机。跟踪器数据使计算机能定位虚拟对象的声源，从而提高仿真的真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于对图形反馈的精度要求。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(沿着X、Y、Z轴)和三个转动(偏航、俯仰、滚动)自由度。在物体高速运动时，应该足够快的准确测出这六个数值。•三维测量不应妨碍物体运动。尽量用非接触式测量(低频磁场、超声、雷达、红外摄像头和LED等)代替机械臂等接触式测量。三维位置跟踪器•跟踪器的性能参数•机械跟踪器•电磁跟踪器•超声波跟踪器•光学跟踪器•混合惯性跟踪器•各种跟踪器的性能比较三维位置跟踪器•跟踪器的性能参数•机械跟踪器•电磁跟踪器•超声波跟踪器•光学跟踪器•混合惯性跟踪器•各种跟踪器的性能比较跟踪器的性能参数•精度/分辨率•抖动•偏差•延迟•更新率•抗干扰性•合群性•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、方向相对位置跟踪性能参数—分辨率/精度•分辨率定义：跟踪器能够检测出的被跟踪对象的最小三维位置变化。•精度定义：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。•跟踪器越精确，差值就越小，跟踪用户实际动作的效果就越好。•精度不是一成不变的，而是随着离坐标系原点的距离的增加而降低。性能参数—抖动•定义：当跟踪对象固定不变时，跟踪器的输出结果的变化。•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。•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或跳动等。性能参数—偏差•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性地进行零位调整。(混合跟踪)性能参数—延迟•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/方向的变化与跟踪器检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后，这种时间上的滞后会导致“仿真病(simulationsickness)”。•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。性能参数—更新率•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，仿真系统的动态响应能力就越强。•跟踪器的更新率一般介于每秒数十个数据集到数千个数据集之间，具体取决于所使用的跟踪技术。•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性能参数—抗干扰性•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。干扰可分为：•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；•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产生误差。性能参数—合群性•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。•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Outside-in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工作。三维位置跟踪器•跟踪器的性能参数•机械跟踪器•电磁跟踪器•超声波跟踪器•光学跟踪器•混合惯性跟踪器•各种跟踪器的性能比较机械跟踪器•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，并且可供存储在计算机中的直接运动学计算机模型使用。•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点的位置和方向。•通常把一个端点固定在桌子或地板上，把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测量连接角。光电编码器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的个数可得到转过的角度。机械跟踪器的优点(1)简单且易于使用(2)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(4)抖动较小，延迟较低(5)没有遮挡问题机械跟踪器的缺点(1)由于机械臂的尺寸限制，工作范围有限。(2)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。(3)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。(4)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。物理现象机械连接测量变量旋转编码器的角度测量自由度位置和方位(最高可达6自由度)精确性0.1-2.5毫米分辨率0.05-1.5毫米/0.15-1度更新速度取决于二次数据获取能力滞后3毫秒总的运动范围1.8米/40度；受重量和与参照物间距离所引起的机械机构变形限制优点高准确度、高精度，高更新速度和低延时。没有与环境相关的误差局限性编码器的精度，运动限制例子FaroArm,Phantom,Spidar,AnthropomorphicRemoteManipulatorfromNASA,ArgonneRemoteManipulator(ARM),FakeSpaceBinocularOmni-OrientedMonitor(BOOM),GEHandymanManipulator,MITIpositiontracker,NollBox,RediffusionADL-1(ShootingStarTechnology),Wrightrac(MagellanMarketing),PROBE-ICandPROBE-IX(ImmersionHumanInterface),SutherlandHeadMountedDisplayproject,UniversityofTsukubaMasterManipulator.SpidarII(wiretracker用于数字圆明园的机械跟踪器Animazoo跟踪器•Gypsy7简称G7，是Animazoo公司推出的外骨骼陀螺复合产品，配有统一的动作捕捉软件。•在跟踪的过程中不应该妨碍用户的运动自由。•基于这种要求，非接触式三维测量技术在很大程度上取代了早期的机械跟踪技术。•当前非接触式三维跟踪器主要有电磁、超声、光学、惯性(加速计和陀螺仪)等。三维位置跟踪器•跟踪器的性能参数•机械跟踪器•电磁跟踪器•超声波跟踪器•光学跟踪器•混合惯性跟踪器•各种跟踪器的性能比较电磁跟踪器：•定义：一种非接触式的位置测量设备，使用由一个固定发射器产生的电磁场来确定移动接收单元的实时位置。•一般由发射器、接收传感器和数据处理单元组成。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及磁传感器的敏感轴与发射线圈发射轴之间的夹角有关。电磁跟踪器工作原理电磁跟踪器工作原理•发射器由缠绕在立方体磁芯上的三个互相垂直的线圈组成，被依次激励后在空间产生按一定时空规律分布的电磁场(交流电磁场和直流电磁场)。•使用交流电磁场时接收器由三个正交的线圈组成，当使用直流电磁场时接收器由三个磁力计或霍尔效应传感器组成。电磁跟踪器的优点(1)成本低，体积小，质量轻(2)速度快，实时性好(3)装置的定标较简单，技术较成熟，鲁棒性好。(1)对环境要求严格，抗干扰性差(2)工作范围因耦合信号随距离增大迅速衰减而受到了限制，这同时也影响了磁跟踪器的精度和分辨率。(3)由于电磁场对人体的重要影响，电磁场强度不可能无限制地增长需要在系统工作范围、精度、分辨率以及刷新率之间做出综合选择。电磁跟踪器的缺点交流电磁跟踪器•采用正弦交流信号驱动发射线圈产生一个交变磁场。•变化的磁场将在三个接收线圈中产生感应电流，电流大小与磁通量幅度和信号频率有关。DataGlove使用的三维电磁传感器交流电磁跟踪器的缺点:•交流跟踪器的问题是发射器的时变磁场在周围的金属物质上产生涡流，这些涡流会产生一个附加磁场，从而造成接收器接收的是一个扭曲了的电磁场，因此导致跟踪精度降低。•当金属距离磁场发射源和接收线圈都较远时，利用耦合信号强度随距离成立方衰减的特性可以有效地减轻干扰。直流电磁跟踪器：•直流跟踪器利用脉冲、恒定电流来产生激励磁场，以使传感器能产生一个恒定的感应电流。ZYX直流电磁跟踪器：•极大地降低了涡流对测量精度的影响。但造成的不利影响就是延长了等待时间，降低了系统数据的刷新速率。•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(如滤波)无法滤除。•周围铁磁物质产生的磁场所造成的扭曲同样会影响直流跟踪器的精度。交流/直流电磁跟踪器的比较(一)：通过测量发射器磁场中的局部值计算接收器与发射器之间的距离，其强度以与发射器之间距离的三次方的速度下降，而干扰磁场却相对地增加。交流/直流电磁跟踪器的比较(二)：•直流跟踪器可以很好地避免黄铜、铝和不锈钢等金属物质的涡流造成的扭曲效应，但易受周围低碳钢和铁氧体等铁磁物质磁化后产生的磁场干扰，且很难消除，只能通过初始化时预先测得磁场偏置来优化性能。•和直流跟踪器相比，交流跟踪器去除了测量环境测场的时间，理论上可以获得更高的刷新速率。交流/直流电磁跟踪器的比较(三)：•由于接收信号随距离衰减较快，跟踪器的跟踪范围受限。•对于直流系统，为保证测量精度，要保证在跟踪范围内发射磁场强度大于地磁等环境磁场的磁场强度。•对于交流磁场而言，由于带有频率、相位等附加信息，即使当磁场信号强度小于地磁时，也可以很容易区分出来。规范FastrackFlockofBird标准工作半径0.75m(30in)1.2m(48in)扩展工作半径2.25m(90in)3m(120in)角度范围全方位±180度方位角和滚动角,±90度仰角平移精度0.03inRMS0.1inRMS平移分辨率0.0002in/inrange0.03inRMS角度精度0.15度RMS0.5度RMS角度分辨率0.025度RMS0.1度RMSat12in更新速率(每秒的测量次数)120(1个接收器)、60(1个接收器)30(1个接收器)144(≤30个接收器)延迟(一个接收器)8.5ms(无滤波)7.5ms(无滤波)金属干扰铁氧体、低碳钢、铜、不锈钢、黄铜、铝铁氧体、低碳钢、铜接口RS-232(波特率为115200)或IEEE-488(不超过100Mbaud/s)RS-232(波特率为115200)或RS422/485(波特率为500000)数据格式ASCII或二进制二进制电磁跟踪器产品：•Polhemus公司作为电磁跟踪器的最早开发厂商之一，积累了三十年开发经验。典型代表产品有用于运动跟踪的Liberty系列、Patriot系列和Fastrak系列，以及用于眼部运动跟踪的Visiontrak系列。电磁跟踪器产品