微型虛擬現(xiàn)實(shí)頭部跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：頭部跟蹤系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分之一，它的任務(wù)是檢測(cè)頭部的姿態(tài)與方位。設(shè)計(jì)一種基于兩軸磁阻效應(yīng)傳感器和三軸MEMS加速度傳感器的微型虛擬現(xiàn)實(shí)頭部跟蹤系統(tǒng)，首先闡述了系統(tǒng)的基本原理及整體構(gòu)成，其次給出了硬件設(shè)計(jì)以及頭部方位、姿態(tài)求解的算法；最后，給出了系統(tǒng)的運(yùn)行效果。結(jié)果表明，該頭部跟蹤系統(tǒng)可實(shí)際應(yīng)用于頭部緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)場(chǎng)合．同時(shí)具有體積小、功耗低、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：磁阻效應(yīng)傳感器；加速度傳感器；虛擬現(xiàn)實(shí)；頭部跟蹤系統(tǒng)

0 引言
    虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)技術(shù)，亦稱靈境技術(shù)，是一門(mén)由應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的涉及眾多學(xué)科的新型實(shí)用技術(shù)，常集計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感與測(cè)量技術(shù)、傳真技術(shù)、微電子技術(shù)等于一體，通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)三維視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)的環(huán)境，使用戶利用人機(jī)對(duì)話工具，同虛擬環(huán)境的物體進(jìn)行交互操作，使用戶仿佛置身于現(xiàn)實(shí)環(huán)境之中，達(dá)到境界虛擬，感覺(jué)真實(shí)的效果。在現(xiàn)實(shí)世界中，有些環(huán)境人們難于身臨其境或者實(shí)現(xiàn)條件過(guò)高、費(fèi)用過(guò)大，而虛擬現(xiàn)實(shí)卻能超越時(shí)間與空問(wèn)、現(xiàn)實(shí)與抽象，將各種無(wú)法接觸的環(huán)境再現(xiàn)于人們的面前，為人類發(fā)展提供了一個(gè)新的途徑。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)已應(yīng)用于軍事、教育、醫(yī)學(xué)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、科學(xué)可視化、訓(xùn)練、建筑、娛樂(lè)、藝術(shù)等各個(gè)方面。
    實(shí)時(shí)交互性是虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵特征。為了實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)之間的交互，需要使用專門(mén)設(shè)計(jì)的輸入／輸出設(shè)備把用戶的命令輸入給計(jì)算機(jī)，同時(shí)把模擬過(guò)程中的反饋信息提供給用戶。這些設(shè)備包括大視角的立體顯示器、頭部跟蹤系統(tǒng)、三維聲音系統(tǒng)、觸覺(jué)反饋系統(tǒng)和力反饋系統(tǒng)等。其中跟蹤系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互的關(guān)鍵設(shè)備。如果沒(méi)有跟蹤系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)就不能改變空間視圖，以配合用戶頭部的姿態(tài)變化，沉浸感也就蕩然無(wú)存。目前虛擬現(xiàn)實(shí)跟蹤系統(tǒng)主要有機(jī)械跟蹤系統(tǒng)、光學(xué)跟蹤系統(tǒng)、超聲波跟蹤系統(tǒng)、電磁場(chǎng)跟蹤系統(tǒng)等。但較完善的產(chǎn)品價(jià)格都很昂貴，對(duì)環(huán)境的要求比較嚴(yán)格，而且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。利用磁阻效應(yīng)傳感器和MEMS加速度傳感器開(kāi)發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)跟蹤系統(tǒng)，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可靠性高，而且性價(jià)比高，適用面廣。

1 系統(tǒng)基本原理及整體構(gòu)成
    本系統(tǒng)主要由MSP430F149微控制器、兩軸磁阻效應(yīng)傳感器HMCl022、三軸MEMS加速度傳感器MMA7455、藍(lán)牙模塊BC04組成。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，微控制器以lOO Hz的頻率采集磁阻效應(yīng)傳感器和加速度傳感器的數(shù)據(jù)，并計(jì)算出用戶頭部的三維姿態(tài)信息，將其通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)用戶頭部的三維姿態(tài)信息展示相應(yīng)的視景，使用戶所看到視景跟隨頭部的運(yùn)動(dòng)而變化，產(chǎn)生真實(shí)的沉浸感。系統(tǒng)整體構(gòu)成如圖1所示。

    當(dāng)磁阻效應(yīng)傳感器暴露于干擾磁場(chǎng)中時(shí)，傳感器元件會(huì)分成若干方向隨機(jī)的磁區(qū)域，從而導(dǎo)致靈敏度衰減。環(huán)境中的強(qiáng)磁場(chǎng)(大于5×10-4T時(shí))會(huì)導(dǎo)致磁傳感器輸出信號(hào)變異，為了消除這種影響并使輸出信號(hào)達(dá)到最佳，就需要應(yīng)用磁開(kāi)關(guān)技術(shù)(SR+／SR-)來(lái)抵消剩余磁場(chǎng)，而HMCl022是借助一個(gè)偏置磁場(chǎng)以補(bǔ)償干擾磁場(chǎng)，即通過(guò)集成在芯片內(nèi)部的置位／復(fù)位合金帶對(duì)薄膜施加3～4 A，20～50 ns的脈沖電流就可以重新將磁區(qū)域?qū)?zhǔn)，統(tǒng)一到一個(gè)方向上，這樣可確保高靈敏度和可重復(fù)的讀數(shù)。本系統(tǒng)采用的置位／復(fù)位電路能產(chǎn)生大于4 A的強(qiáng)電流脈沖，從而實(shí)現(xiàn)低噪聲和高靈敏度的磁場(chǎng)測(cè)量。復(fù)位電路如圖3所示，復(fù)位置位由單片機(jī)的I／O引腳進(jìn)行控制。

2．4 藍(lán)牙模塊
    采用重慶金甌公司設(shè)計(jì)的BC04藍(lán)牙模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的藍(lán)牙通信。該模塊采用CSR公司的BLLIECORE4-External芯片為核心，具有體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。完全遵循藍(lán)牙系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和音頻連接。采用USB或UART主設(shè)備接口，最高支持3 Mbps的數(shù)據(jù)速率。本系統(tǒng)中，MSP430單片機(jī)通過(guò)UART連接藍(lán)牙模塊，在與計(jì)算機(jī)建立藍(lán)牙連接后，即可實(shí)現(xiàn)透明數(shù)據(jù)傳輸。在保證數(shù)據(jù)正常傳輸?shù)那闆r下，將波特率設(shè)置為相對(duì)低速而穩(wěn)定的9 600 bps(bit／s)，數(shù)據(jù)幀為8Nl模式(8位數(shù)據(jù)位，無(wú)校驗(yàn)位，1位停止位)。

3 方位、姿態(tài)求解算法
3．1 求解航向角
    地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度大約為50～60μT，與地球表面平行的分量總是指向磁北極。在地平面上利用雙軸磁阻效應(yīng)傳感器測(cè)定地磁場(chǎng)在磁阻效應(yīng)傳感器的X、Y軸上的分量XH和YH，就可確定在地平面上物體相對(duì)于磁北極的方位角φ。設(shè)定方位角φ=0時(shí)，磁阻效應(yīng)傳感器的X軸指向磁北極(正前方)，Y軸指向右側(cè)，方位角φ逆時(shí)針為正。根據(jù)測(cè)定的地磁場(chǎng)分量XH和YH，可計(jì)算出方位角φ為：
    

    根據(jù)XH和YH的符號(hào)，可以獲得方位角所處的象限，于是可根據(jù)式(2)求得正確的方位角：

式中：θ、γ分別為俯仰角和滾轉(zhuǎn)角；AX、AY分別為加速度傳感器X軸和Y軸輸出；g為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取?/p>

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與展望
    將虛擬現(xiàn)實(shí)跟蹤系統(tǒng)佩戴于眼睛平行的位置，建立跟蹤系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的藍(lán)牙通信。本實(shí)驗(yàn)采用的三維視景軟件改自于一款基于OPENGL的共享項(xiàng)目。佩戴者已以左視30°、右視30°、仰視30°、俯視30°的視角觀察計(jì)算機(jī)屏幕時(shí)，計(jì)算機(jī)顯示圖6景象。

    由此看出，本系統(tǒng)可以根據(jù)佩戴者的視角變化來(lái)調(diào)整顯示景象，使佩戴者產(chǎn)生較好的沉浸感。如能將顯示設(shè)備改為頭盔顯示器或大型立體顯示設(shè)備，所帶來(lái)的視覺(jué)效果將更加逼真，應(yīng)用也更加廣泛。