《虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)跟蹤技術(shù).ppt》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)跟蹤技術(shù).ppt（82頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

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(cè)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(jì)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(jì)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(shì) 命令語(yǔ)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(gè)重要分支 借助光電顯示技術(shù) 交互技術(shù) 計(jì)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(duì)象 并通過(guò)傳感技術(shù)將虛擬對(duì)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(duì)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(jì)算機(jī)和電子技術(shù)創(chuàng)造的具有浸沒(méi)感的高級(jí)人機(jī)界面 用戶能夠通過(guò)各種傳感設(shè)備使用人的各種自然技能對(duì)虛擬世界中的物體進(jìn)行考察或操作 浸沒(méi)感參與者有身臨其境的真實(shí)感覺(jué) 交互性可以通過(guò)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(huì)沉浸在計(jì)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(lái)理解所看到的事物 計(jì)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(jì)醫(yī)學(xué)科學(xué)計(jì)算可視化娛樂(lè)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(jì)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(méi)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(cè)涵義和精度要求不同 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中注冊(cè)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(cè)指將計(jì)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(duì)準(zhǔn) 對(duì)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(shí)對(duì)系統(tǒng)計(jì)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(duì)真實(shí)世界的感官認(rèn)識(shí) 由于真實(shí)環(huán)境的存在能夠使用戶對(duì)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(lè)及室內(nèi)裝飾設(shè)計(jì)軍事應(yīng)用視頻轉(zhuǎn)播 一 概述 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的國(guó)外進(jìn)展美國(guó)從六十年代即開(kāi)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(guó)國(guó)防部的重視 英國(guó)正在利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行高級(jí)戰(zhàn)斗機(jī)座艙設(shè)計(jì) 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(jì)劃 澳大利亞國(guó)防軍開(kāi)始實(shí)施代號(hào)為 溫杜拉工程 的十年計(jì)劃以訓(xùn)練未來(lái)的士兵 該計(jì)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(gè)主要研究方向 尤其在游戲方面占有重要的市場(chǎng)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(cè)量系統(tǒng) 一 概述 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系智能技術(shù)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室在臨界場(chǎng)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(kāi)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(kāi)發(fā)了直升機(jī)虛擬仿真器 坦克虛擬仿真器 虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境觀察器 計(jì)算機(jī)兵力生成器 空軍第二航空學(xué)院研制了我國(guó)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(kāi)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(cè)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(méi)感 計(jì)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(shí)地調(diào)整顯示的圖像 實(shí)現(xiàn)姿態(tài)測(cè)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(jià)昂貴 維護(hù)困難和體積龐大 而且啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng) 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(chǎng)強(qiáng)度 研制了一種采用加速度計(jì) 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(guò)測(cè)量地球的重力場(chǎng)及磁場(chǎng)來(lái)計(jì)算運(yùn)動(dòng)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(jià)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(chǎng)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(guò)羅盤(pán)確定姿態(tài)的方法均為首先確定地磁場(chǎng)的水平分量HX和HY 根據(jù)HX和HY的測(cè)量值確定與地磁北極的夾角 然后在計(jì)算結(jié)果中加入地磁偏角來(lái)找到真北 二 三自由度地磁定姿系統(tǒng) 姿態(tài)角測(cè)量算法在剛體動(dòng)力學(xué)中運(yùn)動(dòng)物體的姿態(tài) 即運(yùn)動(dòng)物體在參考空間中的方位 通過(guò)與運(yùn)動(dòng)物體相固結(jié)的運(yùn)動(dòng)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(cè)量算法運(yùn)動(dòng)物體處于水平狀態(tài)下姿態(tài)角的測(cè)量算法 運(yùn)動(dòng)物體處于傾斜狀態(tài)下姿態(tài)角的測(cè)量算法 二 三自由度地磁定姿系統(tǒng) 環(huán)境磁場(chǎng)的影響及補(bǔ)償算法由于定姿系統(tǒng)是通過(guò)測(cè)量地磁場(chǎng)的三軸分量來(lái)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(chǎng)將影響系統(tǒng)的測(cè)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(chǎng)或磁感應(yīng)強(qiáng)度等物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)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(hào)處理電路 信號(hào)放大與濾波 二 三自由度地磁定姿系統(tǒng) 磁阻傳感器信號(hào)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(dòng)測(cè)量和沖擊測(cè)量 壓阻式加速度傳感器能測(cè)量頻率低到零的加速度信號(hào) 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(guò)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(jiǎn)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(shí)鐘輸入和200ns指令周期 高達(dá)8K字 14位字長(zhǎng) 的FLASH程序存儲(chǔ)器 高達(dá)368字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 和高達(dá)256字節(jié)的EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 中斷能力強(qiáng) 多達(dá)14個(gè)內(nèi)部 外部中斷源 8級(jí)硬件堆棧 直接 間接和相對(duì)尋址方式 高速 低功耗CMOSFLASH EEPROM技術(shù) 僅通過(guò)兩個(gè)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(gè)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)方向上分別找出加速度計(jì)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(cè)量精度的因素除最小可測(cè)磁場(chǎng)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(cè)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(chǎng)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(cè)量誤差的影響傾斜角對(duì)航向測(cè)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(cè)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(dòng)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(dòng)物體的空間方位信息 能夠同時(shí)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(gè)物體的空間位置由笛卡爾坐標(biāo) 即X Y Z坐標(biāo)值 來(lái)確定 姿態(tài)由另外三個(gè)參數(shù)俯仰角 橫滾角及航向角來(lái)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(gè)自由度信息 即三個(gè)平移自由度和三個(gè)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(hào)和磁感應(yīng)信號(hào)之間的耦合關(guān)系確定被測(cè)對(duì)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(chǎng)會(huì)對(duì)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(guò)接收的圖像及光源和傳感器的空間位置來(lái)計(jì)算運(yùn)動(dòng)物體的6自由度信息 在近距離內(nèi)非常精確且不受磁場(chǎng)和聲場(chǎng)的干擾 但要求光源與探測(cè)器可視 跟蹤的角度范圍有限并且現(xiàn)場(chǎng)其它光源會(huì)造成影響 機(jī)械式跟蹤系統(tǒng)是一種絕對(duì)位置傳感器 通過(guò)機(jī)械關(guān)節(jié)的物理連接來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的位置及方向 機(jī)械裝置笨重 操作不便且易對(duì)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(shí)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(cè)量法和脈沖波傳播時(shí)間測(cè)量法兩種方式 不受環(huán)境磁場(chǎng)及鐵磁物體的影響 同時(shí)不產(chǎn)生電磁輻射 價(jià)格便宜 但跟蹤范圍有限 受環(huán)境聲場(chǎng)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(cè)量三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的角度變化 利用加速度計(jì)測(cè)量三個(gè)平動(dòng)自由度的位移 體積大 價(jià)格昂貴 由于角度和距離的測(cè)量分別通過(guò)對(duì)陀螺和加速度計(jì)的一次和兩次積分得到 系統(tǒng)誤差會(huì)隨著時(shí)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(gè)線圈中通上電流后 在線圈的周圍將產(chǎn)生磁場(chǎng) 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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(guò)程中的環(huán)境干擾大多為直流信號(hào) 采用常規(guī)的信號(hào)處理手段 如濾波 無(wú)法濾除 由于系統(tǒng)更新頻率僅為30Hz 無(wú)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(huì)影響放大及信號(hào)處理系統(tǒng)的性能 由于在接收端磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)作激勵(lì)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(hào)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(cè)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(cè)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(shí)表達(dá)的主要媒介 在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中采用手勢(shì)辨識(shí)作為人機(jī)交互手段的方法被普遍采用 在采用人手的動(dòng)作來(lái)作人機(jī)交互的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中仍然需要通過(guò)數(shù)據(jù)手套等輸入裝置來(lái)測(cè)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(lái) 交互的區(qū)域更大 手的運(yùn)動(dòng)更自由 四 手指彎曲測(cè)量系統(tǒng) 測(cè)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(jué)舒適 不會(huì)限制用戶手部的運(yùn)動(dòng) 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(jià)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(huì)滑動(dòng) 所以在每次模擬開(kāi)始時(shí)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(duì)硬件系統(tǒng)要求高 計(jì)算量大 四 手指彎曲測(cè)量系統(tǒng) 測(cè)量原理 在采用光導(dǎo)纖維傳感器的手指測(cè)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(shí) 通過(guò)光纖傳輸?shù)墓饽芰繉?huì)有衰減 光能衰減的程度與光纖的彎曲程度有關(guān) 四 手指彎曲測(cè)量系統(tǒng) 光纖傳感器設(shè)計(jì) 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(duì)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(cè)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(hào)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(cè)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(jì)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(duì)象 并通過(guò)傳感技術(shù)將虛擬對(duì)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(duì)象與真實(shí)環(huán)境融為一體 呈現(xiàn)給用戶一個(gè)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(gè)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(cè) 從而可以將真實(shí)場(chǎng)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(cè)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(duì)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(zhǎng)補(bǔ)短 以滿足增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)高精度注冊(cè)的要求 在基于視覺(jué)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(cè)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(kāi)發(fā)的注冊(cè)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(cè)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(cè) 研制戶外用便攜式個(gè)人增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是近年來(lái)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)方面的一個(gè)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(duì)系統(tǒng)硬件的要求不同工作環(huán)境不同對(duì)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(dòng)式 電磁式 光學(xué)式或超聲波式 被動(dòng)光學(xué)式羅盤(pán)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(wú)法遮擋真實(shí)世界中的物體的問(wèn)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(wèn)題的方法是開(kāi)發(fā)自動(dòng)變焦系統(tǒng) 正在開(kāi)發(fā)的一個(gè)系統(tǒng)可以在0 3秒之內(nèi)將焦距由0 25米變至無(wú)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(jì)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重量 功耗和體積 筆記本電腦均只有一個(gè)CPU 限制了系統(tǒng)的計(jì)算能力 特別是在視覺(jué)跟蹤或混合跟蹤的情況下會(huì)影響跟蹤系統(tǒng)的性能 目前的操作系統(tǒng)不是為實(shí)時(shí)計(jì)算開(kāi)發(fā)的 而專用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)又沒(méi)有支持傳感器和圖像的驅(qū)動(dòng) 解決方案是由遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)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(mén)或者建筑物名稱 該套系統(tǒng)采用無(wú)源傳感器 包括羅盤(pán)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(kāi)發(fā)的戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以讓?xiě)敉庥脩艨吹教摂M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(pán) 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(mén)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(kāi)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(guó)NRL海軍研究試驗(yàn)室正在開(kāi)發(fā)戰(zhàn)場(chǎng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) BARS 其目的在于為城市戰(zhàn)場(chǎng)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(gè)實(shí)用平臺(tái) 主要研究?jī)?nèi)容包括 設(shè)計(jì)新型用戶接口 設(shè)計(jì)新型交互方法 開(kāi)發(fā)交互式 分布式三維環(huán)境及足夠精度的跟蹤和注冊(cè)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(kāi)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(shí)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(shí)為可穿戴式計(jì)算機(jī)提供了一個(gè)自然的人機(jī)交互手段 一些可穿戴式計(jì)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(duì)于森林中的徒步旅行者 戰(zhàn)場(chǎng)中的戰(zhàn)士及開(kāi)車的司機(jī)來(lái)說(shuō) 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以提高他們對(duì)環(huán)境的認(rèn)識(shí) 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(shí)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(wú)法識(shí)別的危險(xiǎn)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(gè)應(yīng)用是看到過(guò)去或未來(lái)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(jì)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(shí)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(chǎng)景間的精確注冊(cè)增強(qiáng)場(chǎng)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(cè)和圖像生成的實(shí)時(shí)性 五 戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 基于視覺(jué)的跟蹤注冊(cè)算法 在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中主要包括三個(gè)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(tái)彩色CCD攝像機(jī)和四個(gè)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(guò)對(duì)輸入視頻流的濾波得到 當(dāng)所有4個(gè)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(jué)的跟蹤注冊(cè)算法誤差分析 實(shí)際的測(cè)量結(jié)果表明在使用該算法時(shí)旋轉(zhuǎn)角的計(jì)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(huì)帶來(lái)俯仰角計(jì)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(shí)由于環(huán)境光照的變化每個(gè)坐標(biāo)值都有一個(gè)像素的偏差 圖像處理的輸出為 384 380 對(duì)應(yīng)的計(jì)算誤差為0 093855 此時(shí)俯仰角的計(jì)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(guò)大恒DH 200圖像A D轉(zhuǎn)換卡被轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號(hào) 三自由度定姿系統(tǒng)與工作站之間通過(guò)RS232通信 攝像機(jī)的位置和姿態(tài)通過(guò)結(jié)合視頻跟蹤和磁跟蹤的結(jié)果來(lái)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(gè)或者多個(gè)標(biāo)志點(diǎn)不能被跟蹤到時(shí) 所提取到的標(biāo)志點(diǎn)的數(shù)量不足以用來(lái)計(jì)算被跟蹤物體的位置和姿態(tài)信息 在通過(guò)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(guò)兩個(gè)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(jì)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(cè)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(wèn)題 現(xiàn)有的數(shù)據(jù)手套產(chǎn)品出現(xiàn)的時(shí)間都不長(zhǎng) 僅能夠允許用戶采用自然手勢(shì)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(shì)之間的辨識(shí)困難等不足 手套式手部跟蹤系統(tǒng)的另一個(gè)缺點(diǎn)是配帶手套以及較多的信號(hào)線給虛擬交互帶來(lái)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(cè)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(duì)每一個(gè)指關(guān)節(jié)的彎曲角度進(jìn)行準(zhǔn)確的跟蹤 只能測(cè)量整個(gè)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(wèn)題 現(xiàn)有的六自由度跟蹤器的主要問(wèn)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(kāi)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(bào)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(jì)算機(jī)根據(jù)系統(tǒng)的采樣值來(lái)計(jì)算手部的空間位置及姿態(tài) 因此不可避免的要帶來(lái)延遲 目前進(jìn)行校正處理的一般思路是首先建立被測(cè)對(duì)象的實(shí)際方位信息和測(cè)得方位信息的對(duì)照表 之后在實(shí)際跟蹤過(guò)程中根據(jù)實(shí)測(cè)的方位數(shù)據(jù)利用上述對(duì)照表最終計(jì)算出校正后的結(jié)果 六 總結(jié) 結(jié)束語(yǔ) 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(cè)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(cè)技術(shù)的不斷提高 其應(yīng)用范圍會(huì)更加廣泛