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AR增强现实技术中的常见五种跟踪器

增强现实技术
增强现实技术是在虚拟现实技术的基础上发展起来的,因此在硬件结构上同虚拟现实系统的硬件一样具有一定的继承性和一致性。增强现实系统将计算机生成的虚拟物体、文字和图形等信息重叠显示在用户所看到的真实物体上,为用户提供与现实环境有关的辅助信息,增强用户对真实环境的感受,其中关键技术涉及融合显示和跟踪注册。融合显示设备和方位跟踪器是增强现实系统的主要外部设备。AR系统中较常采用的融合显示设备是透视式头盔显示器。头盔显示器的性能、价格差别很大,有售价仅数百美元的LCD头盔显示器,也有售价上万美元的CRT头盔显示器。色影分辨率和视场角是头盔显示器的两个至关重要的指标。方位跟踪器主要用于确定用户与其周围真实环境间的相对位置和方向,实现虚拟场景与现实环境之间的"对准"问题。与大多数VR系统一样图形处理器也是AR系统所必不可少的。此外AR系统还包括如数据手套、6D鼠标器、眼踪器、力反馈装置、语音识别与合成系统等在内的人机交互设备,每种设备品种繁多、性能各异。

尽管AR技术在不同应用领域所强调的重点有所不同,不同档次、不同用途的系统所需要的配置也各不相同,但它们在原理上存在很多共性。选配哪些硬件设备往往需要用户在经费投入、性能需求和市场效益等方面折中考虑。一个典型的AR系统由虚拟场景发生器、透视式头盔显示器、实现用户观察视线跟踪的头部方位跟踪设备、虚拟场景与真实场景对准的方位跟踪定位设备和各种交互设备构成。其中虚拟场景发生器负责虚拟场景的建模、管理、绘制和其他外设的管理。头部方位跟踪设备跟踪用户视线变化,实现用户观察坐标系与虚拟场景坐标系的匹配。交互设备用于实现感官信号以及环境控制操作信号的输入和输出。而这里的方位跟踪定位设备负责测量用户在真实环境中的六自由度位置和方位信息,从概念上讲,其与头部方位跟踪设备没有区别,但实际的测量精度要求有很大差别,将直接影响AR系统的注册精度。
头盔显示器不仅要具备普通的三维图像显示功能而且需要能够实时跟踪用户头部的位置和姿态,即跟踪视线方向,并及时将视线信息反馈给图像生成软件,实现视景图像与增强信息的同步刷新。这样可以使用户能够以在真实世界中观察周围事物的方式在增强环境中畅游从而增强用户在融合环境中的浸没感和交互。获取头部方位信息的设备就是头部方位跟踪器。

从结构的角度看,方位跟踪系统可以分为有源跟踪系统和无源跟踪系统两类。有源跟踪系统包含发射器和接收器将发射器和接收器两者之一固定在被跟踪的物体(如头、手等)上,而将另一个固定在相对静止的参考环境中,通过发射信号和接收信号之间的某种物理联系跟踪用户的位置和方向。无源跟踪系统没有主动信号源,只利用接收器测量某种被动信号的变化来跟踪其位置和方向的变化。例如,可将摄像机与计算机相连,采用基于计算机视觉的方式,实时计算被跟踪目标的位置和方向信息。基于计算机视觉的方位跟踪方式造价低廉、跟踪定位的精度可达到亚像素级,因此被广泛采用。
基于硬件跟踪设备获取被跟踪目标位置和方向信息的方式,也常被应用于增强现实系统中。这些硬件跟踪设备包括机电跟踪器、电磁跟踪器、超声波跟踪器、光电跟踪器和惯性跟踪器,它们的实现方法各不相同,各有优缺点,而且在现有的增强现实系统中都有应用实例

1.机电跟踪器
机电跟踪器是一种绝对位置传感器。通常由体积较小的机械臂构成,将一端固定在一个参考机座上,另一端固定在待测对象上。采用电位计或光学编码器作为关节传感器测量关节处的旋转角,再根据所测得的相对旋转角以及连接两个传感器之间的臂长进行动力学计算,获得六自由度方位输出。这种跟踪器性能较可靠,潜在干扰源较少,延迟时间短。但其缺点是,跟踪器测量精度受环境温度变化影响,关节传感器的分辨率低,跟踪器的工作范围受限。在一些特定的应用场合(如外科手术训练),用户的活动范围不是重要指标时这种跟踪器才具有优势。

2.电磁跟踪器
电磁跟踪器是应用较为广泛的一类方位跟踪器,它利用一个三轴线圈发射低频磁场,用固定在被测对象上的三轴磁接收器作为传感器感应磁场的变化信息,利用发射磁场和感应信号之间的稠合关系确定被跟踪物体的空间方位。根据三轴励磁源的形式不同,电磁跟踪器分为交流电磁跟踪器和直流电磁跟踪器。

交流电磁跟踪器的励磁源由三个磁场方向相互垂直的交流电流产生的双极磁源构成,磁接收器由三套分别测试三个励磁源的线圈构成。磁接收器感应励磁源的磁场信息,根据从励磁源到磁接收器的电磁能量传递关系计算磁接收器相对于励磁源的空间方位。受计算性能、反应时间和噪声等因素的影响,励磁源的工作频率通常为30-120Hz。为了保证不同环境条件下的信噪比,通常使用7-14kHz的载波对激励波进行调制。直流电磁跟踪器的发射器(相当于励磁源)由绕立方体芯子正交缠绕的三组线圈组成,依次向发射器线圈输入直流电流,使每一组发射器线圈分别产生一个脉冲调制的直流电磁场。接收器也是由绕立方体芯子正交缠绕的三组独立线圈构成的直流磁场方向的周期性变化在三向接收器线圈中产生交变电流,电流强度与本地直流磁场的可分辨分量成正比。可在每个测量周期获得九个数据,它们表示三组接收器线圈所感应发射磁场的大小,由电子单元执行一定的算法即可确定接收器相对于发射器的位置和方向。

交流电磁跟踪系统的接收器通常体积小,适合安装在头盔显示器上,但这种跟踪器最致命的缺点是易受环境电磁干扰。发射器产生的交流磁场对附近的电子导体特别是铁磁性物质非常敏感,交流旋转磁场在铁磁性物质中产生涡流,从而产生二级交流磁场,使得由交流励磁源产生的磁场模式发生畸变,这种畸变会引起严重的测量误差。

直流电磁跟踪器最大的优点是只在测量周期开始时产生涡流,一旦磁场达到稳态状态,就不再产生涡流。只要在测量前等待涡流衰减就可以避免涡流效应,从而可以减小畸变涡流场产生的测量误差。


3.超声波跟踪器
利用不同声源的声音到达某一特定地点的时间差相位差或者声压差可以进行定位与跟踪,一般有脉冲波飞行时间(time-of-flight,TOF)测量法和连续波相位相干测量法两种方式。TOF测量法是在特定的温度条件下,通过测量声波从发射器到接收器之间的传播时间来确定传播距离的一种方法大多数超声波跟踪器都采用这种测量方法。此方法的数据刷新率受到几个因素的限制,声波的传输速度约为340m/s,只有当发射波的波阵面到达传感器时才可以得到有效的测量数据。而且必须允许发射器在产生脉动后发出几毫秒的声脉冲,并且在新的测量开始前等待发射脉冲消失。因为每个发射器-传感器组都需要单独的脉冲飞行序列,测量所需要的时间等于单组飞行时间乘以组合数目。这种飞行时间测量系统的精度取决于检测发射声波到达接收器准确时刻的能力,环境中诸如钥匙叮咱响的声音都会影响测量精度,空气流动和传感器闭锁也会导致测量误差产生。

连续波相位相干测量法通过比较参考信号和接收到的发射信号之间的相位来确定发射源和接收器之间的距离。此方法测量精度较高,数据刷新频率高,可通过多次滤波克服环境干扰的影响,而不影响系统的精度、时间响应特性等。

与电磁跟踪器相比,超声波跟踪器最大的优点是不会受到外部磁场和铁磁性物质的影响,测量范围较大。基于声波飞行时间法的跟踪器易受伪声音脉冲的干扰,在小工作范围内具有较好的精度和时间响应特性。但是随着作用距离的增大,这类跟踪器的数据刷新频率和精度降低。而基于连续波相干测量法的跟踪器具有较高的数据刷新频率,因而有利于改善系统的精度、响应性、测量范围和鲁棒性,且不易受伪脉冲的干扰。不过上述两种跟踪器都会因为空气流动或者传感器闭锁产生误差。但如果采用适当的调制措施,就可以改善连续波相位测量法的环境特性,有望实现高精度、高数据刷新率和低延迟的声学跟踪器。

1966年,美国MIT林肯实验室的Roberts研制了一种超声式位移跟踪器LincolnWand,该眼踪器基于声波飞行时间测量法,使用四个发射器和一个接收器,跟踪精度和分辨率只达到5mmoLogitech开发了另一种基于TOF的超声波跟踪系统,又称为RedBaron,其眼踪精度和分辨率也只达到几毫米。

4.光电跟踪器
光电眼踪器(又称为视觉眼踪器)是利用环境光或者控制光源发出的光,在图像投影平面上的不同时刻或者不同位置的投影,计算出被跟踪对象的方位。在有控制光源的情况下,通常使用红外光,以避免跟踪器对用户的干扰。
从结构方式的角度看,光电跟踪器分为"外-内"(outside-in,OI)和"内-外"(inside-out,10)两种结构方式。对于"外-内"方式而言,传感器固定,发射器安装在被跟踪对象上,这意味着传感器"向内注视"远处运动的目标,这种系统需要极其昂贵的高分辨率传感器。对于"内-外"方式而言,发射器固定,传感器安装在运动对象上,这意味着传感器从运动目标"向外注视"。在工作范围内使用多个发射器可以提高精度,扩展工作范围。
内一外式光电跟踪器的时间响应特性良好,具有数据刷新频率高,适用范围广,相位滞后小等潜在优势,更适合于实时应用。但光学系统存在虚假光线、表面模糊或者光线遮挡等潜在误差因素,为了获得足够的工作范围而使用短焦镜头,系统测量精度降低。多发射器结构是一种解决方案,却以复杂性和成本为代价。因此,光电跟踪器必须在精度、测量范围和价格等因素之间作出折中选择,而且必须保证光路不被遮挡。

5.惯性跟踪器
惯性跟踪器利用陀螺的方向跟踪能力,测量三个转动自由度的角度变化;利用加速度计测量三个平动自由度的位移。以前这种方位跟踪方法常被用于飞机和导弹等飞行器的导航设备中,比较笨重。随着陀螺和加速度计的微型化,该跟踪方法在民用市场也越来越受到青睐。不需要发射源是惯性式跟踪器最大的优点,然而传统的陀螺技术难以满足测量精度的要求,测量误差易随时间产生角漂移,受温度影响的漂移也比较明显需要有温度补偿措施。新型压电式固态陀螺在上述性能方面有大幅度改善。

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