让你理解虚拟现实技术的跟踪技术是如何实现的

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运动跟踪设备:数据手套
• 数据手套可以把手势转化成计算 机可识别的数据。 由于其合理的 性能价格比,数据手套已成为最 流行的手控制器。
• 在手套背面嵌有光导纤维传感器, 可以监视手指伸展情况。在手背 上安装的空间跟踪系统能监视手 的位置和方向,并且有一个微处 理器来监控通过光导纤维的光量 以及由空间跟踪器返回的信息。
– Wheeled mouse – 2-button mouse – 3-button mouse – Optical mouse – Wireless mouse – ...
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The Purpose of a Mouse
• Translate your hand motion into signals that the computer can use to position a cursor on the screen.
虚拟现实技术
Virtual Reality Technology 虚拟现实跟踪技术
王晨升
工业设计教研中心
北京邮电大学自动化学院
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虚拟现实的概念模型








环 境



王兆其,《虚拟环境中物体运动逼真性的研究》,博士学位论文,北京航空航天大学,1999.6.
纤维制导
光导纤维 Polhemus sensor Lycra glove 控制界面电缆
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数据手套
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数据手套
• 构成:输入传感设备,空间位置跟踪器 • 作用: 抓取、移动、装配、操纵、控
制虚拟物体 • VPL公司 Data Glove • Vertex公司 Cyber Glove • Exos公司 DHM Glove 精度高 • Mattel公司 Power Glove 价廉 • 5DT公司 Glove5/16
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运动跟踪设备:光学式运动捕捉设备
采用两个或多个摄象机类型的传感器分辨三维信息。它利 用先进的模式识别技术跟踪头部位置。
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工作原理
• 在要跟踪的物体上贴上反 光标签(Marker),通过镜头 发射和接受指定波长的红 外光,这样可以获得 Marker的三维运动轨迹。
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Optical Mouse
• Same goal, but has no moving parts. • Introduced in late 1999. • Uses a tiny camera to take 1,500 pictures every second and
sees how patterns have moved from previous image. • Using the image, it is determined how far the mouse has
moved and how far the cursor should move on the screen. • Provides increased tracking response that is smoother. • Doesn’t require a special mouse pad.
运动跟踪设备: Graphics Tablet
Often used with a mouse also.
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运动跟踪设备:6DOF跟踪器
Flock of Bird
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运动跟踪设备:数据衣
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实现方法1:交流电磁跟踪 系统
• 由励磁源、磁接收器和计算模块组成。励磁源是由三 个磁场方向相互垂直的由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。
三轴电磁 感应器
电磁耦合
三轴电磁源
驱动电路
处理器
检测电路
到图形计算机去的 方位数据
• VPL 研制出一种使用与数据手套相同的 光纤系统制成的数据衣。大量的光纤安 装在一个紧身衣服上,它能测量肢体的 位置,然后用计算机重建出图象。这种 方法是否会在虚拟环境中占有一席之地 还有待考证。但对于涉及到具体工作环 境中人的位置的研究,这种技术是非常 重要的。对于数据衣生产厂家,一个潜 在的问题是,人的外形变化太大。
– Need to prevent by using
• Exercises • Good posture at computer • Possibly hand braces • Special equipment
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运动跟踪设备: Trackball
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声波飞行时间位置跟踪器受几 个因素的限制:
• 声波每毫秒大约可传播1英尺,而发射波的传播必须在 测量开始前完成,只有当波阵面达到传感器时才可得 到有意义的数据。
• 这些系统必须允许发射器在产生脉冲后发出几毫秒的 声脉冲并且在新的测量开始前,等待反射脉冲(回声)消 失。所需的时间应乘上发射器-传感器的组合数,因为 每一个组合都需要单独的飞行序列。
是与单个样本的参考值相比的最大偏差。
动态准确度:动态准确度是指在跟踪器的传感器运动时系统的准确度。 更新率:跟踪器向输出端口输出位置及方向数据的能力。 等待时间:等待时间是一种速率,系统的获取部分以该速率获得新数据。
更新率与等待时间共同构成了相位延迟反应。
相位延迟:在静态情况下,或感受器位置变化慢时,计算机的输出能在准
• 由于时间飞行设备的较低的数据传输率,它们在分类 误差上存在缺陷。测量的可靠性依赖于设备检测被发 射声波到达的准确时刻的能力。到达的检测会受到来 自磁盘驱动器的周围噪声和CRT扫描序列的干扰。空 气流和传感器闭锁也会导致分类误差。进一步的滤波 可以补偿误差,但是这种额外的数据需求将降低测试 更新速度增加滞后。
Inside a wheeled mouse:
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The Components of Non-optical Mouse
• A ball
– Touches the desktop – Rolls when mouse moves.
• Two rollers
– Touch the ball – Detect motion directions at 90 degrees to each other. – Drive a shaft that spins a disk with holes in it.
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Problems With Using Mouse for Art
• Don’t have a change in touch sensitivity. • Somewhat clunky to move exactly as you wish. • Really designed as a pointing device, not a drawing device. • Dirty mice cause major problems with input. • Problems with Carpal Tunnel Syndrome .
• 一般使用超音速频率(20kHz以上)以使发射器 发射的声音不被周围的人听到,从而不至于造成 环境污染。因此,又称之为超音速系统。
• 两种基本算法:
– 声波飞行时间(Time-of-flight)测量法 – 相位相干测量法。
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声波飞行时间位置跟踪器
• 声波飞行时间设备通过测量声波飞行时 间来确定距离。通过使用多个发射器和 传感器获得一系列的距离,便可以计算 出接收器的位置和方向。
采用电磁式位置/姿态传感器获得人体运动轨迹图
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双人徒手格斗动作示意图
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真现实与虚拟现实人体之间的交互示意图 北京邮电大学自动化学院工业设计教研中心
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运动跟踪设备:数据衣(无线)
• 数据衣与数据手套的工作原理相似,但 可以检测出整个身体的运动。
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声音位置跟踪器的评价
• 声波飞行时间系统
– 小范围内,声波飞行时间系统有较好的精确度和响应性。 – 操作范围扩大时,声波飞行时间数据传输率的降低,系统对于归类
误差的校正能力变差。 – 任何范围内都容易受到伪声音脉冲的干扰。 – 统由于每一次测量的都是一个绝对距离,不易产生累积误差。
交流电磁跟踪系统原理图
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实现方法2:直流电磁跟踪系统
• 直流电磁跟踪系统由发射器(相当于励磁 源)、接收器(相当于磁接收器)和计算模 块组成。
Flock of Bird
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性能参数
静态准确度:静态准确度是跟踪器确定空间某一位置坐标的能力。该数据
• 必须保证每个marker 有两 个以上相机观察到。
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运动跟踪设备:基于图像系统
• 采用两个或多个摄象机类型的传感器分 辨三维信息。它利用先进的模式识别技 术跟踪头部位置。
工作原理
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一种全场景的光学跟踪系统
一种四摄像头的摄影设备
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相位相干位置跟踪器
• 相位相干位置跟踪器通过比较基准信号与由传 感器检测到的发射信号二者的相位来确定距离。
• 由于相位可被连续地测量,因此相位相干系统 能产生较高的数据传输率。大的数据设备可进 行多次滤波以克服环境干扰的影响而不影响系 统的精度、响应性、或者耐久性。
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运动跟踪设备简介:小结
• 2DOF 运动跟踪设备 • 6DOF 运动跟踪设备 • 数据衣 • 数据衣(无线) • 光学式运动跟踪(3DOF) • 基于图像的运动跟踪方法 • 数据手套
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本讲题纲
• 运动跟踪设备简介 • 6DOF位置跟踪器 • 数据手套 • 人体运动跟踪
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1、运动跟踪设备简介
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运动跟踪设备:mouse (2D)
• There are many different kinds
所受限制
• 电磁跟踪系统的缺点是对出现在发射器 和接收器系统附近的电子导体(尤其是铁 磁物质)非常敏感。这些铁磁物质使得发 射器形成的电磁场模式发生畸变,这种 畸变的场会导致跟踪器计算的位置和方 向结果错误。
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实现方法3:声音定位跟踪系统
• 利用不同声源的声音到达某一特定地点的时间 差、相位差、声压差等进行定位与跟踪。
2、6DOF 跟踪器
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6 DOF跟踪器
• 6 DOF(自由度, Degree Of Freedom)
X3
Transmitt er
X’2
X’3
X’1 S Receiver
X2
X1
The Geometrical Relationships Between the Transmitter and Receivers.
确度限制及计算机分辨率的范围内跟踪感受器在空间的绝对位置。当感受器 动得很快时,计算机的输出与感受器的位置就会有一个明显的误差。这就是 众所周知的相位延迟。
定位:定位是实际位置和方向与报告的位置和方向之间的对应。 信号噪声比:位置/方向跟踪系统的信号噪声比给出了信号成份相对噪声
成份的简单表示。
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• 相位相干系统
– 相位相干系统本质上不易受到噪声的干扰。 – 具有较高的数据传输率使此系统能提供改善了的精度、响应性、范
围大和鲁棒性。 – 相位相干系统也不易受到伪脉冲的干扰。 – 不能直接测量距离而只能测量位置的变化,容易产生累积误差。
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