AR硬件中的常見五種跟蹤器

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此在硬件結(jié)構(gòu)上同虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件一樣具有一定的繼承性和一致性。與大多數(shù)VR系統(tǒng)一樣圖形處理器也是AR系統(tǒng)所必不可少的。此外AR系統(tǒng)還包括如數(shù)據(jù)手套、6D鼠標(biāo)器、眼蹤器、力反饋裝置、語音識(shí)別與合成系統(tǒng)等在內(nèi)的人機(jī)交互設(shè)備，每種設(shè)備品種繁多、性能各異。

基于硬件跟蹤設(shè)備獲取被跟蹤目標(biāo)位置和方向信息的方式，也常被應(yīng)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中。這些硬件跟蹤設(shè)備包括機(jī)電跟蹤器、電磁跟蹤器、超聲波跟蹤器、光電跟蹤器和慣性跟蹤器，它們的實(shí)現(xiàn)方法各不相同，各有優(yōu)缺點(diǎn)，而且在現(xiàn)有的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中都有應(yīng)用實(shí)例。

AR硬件中的常見五種跟蹤器

1.機(jī)電跟蹤器

機(jī)電跟蹤器是一種絕對(duì)位置傳感器。通常由體積較小的機(jī)械臂構(gòu)成，將一端固定在一個(gè)參考機(jī)座上，另一端固定在待測(cè)對(duì)象上。采用電位計(jì)或光學(xué)編碼器作為關(guān)節(jié)傳感器測(cè)量關(guān)節(jié)處的旋轉(zhuǎn)角，再根據(jù)所測(cè)得的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角以及連接兩個(gè)傳感器之間的臂長進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算，獲得六自由度方位輸出。這種跟蹤器性能較可靠，潛在干擾源較少，延遲時(shí)間短。但其缺點(diǎn)是，跟蹤器測(cè)量精度受環(huán)境溫度變化影響，關(guān)節(jié)傳感器的分辨率低，跟蹤器的工作范圍受限。在一些特定的應(yīng)用場(chǎng)合(如外科手術(shù)訓(xùn)練)，用戶的活動(dòng)范圍不是重要指標(biāo)時(shí)這種跟蹤器才具有優(yōu)勢(shì)。

2.電磁跟蹤器

電磁跟蹤器是應(yīng)用較為廣泛的一類方位跟蹤器，它利用一個(gè)三軸線圈發(fā)射低頻磁場(chǎng)，用固定在被測(cè)對(duì)象上的三軸磁接收器作為傳感器感應(yīng)磁場(chǎng)的變化信息，利用發(fā)射磁場(chǎng)和感應(yīng)信號(hào)之間的稠合關(guān)系確定被跟蹤物體的空間方位。根據(jù)三軸勵(lì)磁源的形式不同，電磁跟蹤器分為交流電磁跟蹤器和直流電磁跟蹤器。

交流電磁跟蹤器的勵(lì)磁源由三個(gè)磁場(chǎng)方向相互垂直的交流電流產(chǎn)生的雙極磁源構(gòu)成，磁接收器由三套分別測(cè)試三個(gè)勵(lì)磁源的線圈構(gòu)成。磁接收器感應(yīng)勵(lì)磁源的磁場(chǎng)信息，根據(jù)從勵(lì)磁源到磁接收器的電磁能量傳遞關(guān)系計(jì)算磁接收器相對(duì)于勵(lì)磁源的空間方位。受計(jì)算性能、反應(yīng)時(shí)間和噪聲等因素的影響，勵(lì)磁源的工作頻率通常為30-120Hz。為了保證不同環(huán)境條件下的信噪比，通常使用7-14kHz的載波對(duì)激勵(lì)波進(jìn)行調(diào)制。直流電磁跟蹤器的發(fā)射器(相當(dāng)于勵(lì)磁源)由繞立方體芯子正交纏繞的三組線圈組成，依次向發(fā)射器線圈輸入直流電流，使每一組發(fā)射器線圈分別產(chǎn)生一個(gè)脈沖調(diào)制的直流電磁場(chǎng)。接收器也是由繞立方體芯子正交纏繞的三組獨(dú)立線圈構(gòu)成的直流磁場(chǎng)方向的周期性變化在三向接收器線圈中產(chǎn)生交變電流，電流強(qiáng)度與本地直流磁場(chǎng)的可分辨分量成正比?？稍诿總€(gè)測(cè)量周期獲得九個(gè)數(shù)據(jù)，它們表示三組接收器線圈所感應(yīng)發(fā)射磁場(chǎng)的大小，由電子單元執(zhí)行一定的算法即可確定接收器相對(duì)于發(fā)射器的位置和方向。

交流電磁跟蹤系統(tǒng)的接收器通常體積小，適合安裝在頭盔顯示器上，但這種跟蹤器最致命的缺點(diǎn)是易受環(huán)境電磁干擾。發(fā)射器產(chǎn)生的交流磁場(chǎng)對(duì)附近的電子導(dǎo)體特別是鐵磁性物質(zhì)非常敏感，交流旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在鐵磁性物質(zhì)中產(chǎn)生渦流，從而產(chǎn)生二級(jí)交流磁場(chǎng)，使得由交流勵(lì)磁源產(chǎn)生的磁場(chǎng)模式發(fā)生畸變，這種畸變會(huì)引起嚴(yán)重的測(cè)量誤差。

直流電磁跟蹤器最大的優(yōu)點(diǎn)是只在測(cè)量周期開始時(shí)產(chǎn)生渦流，一旦磁場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，就不再產(chǎn)生渦流。只要在測(cè)量前等待渦流衰減就可以避免渦流效應(yīng)，從而可以減小畸變渦流場(chǎng)產(chǎn)生的測(cè)量誤差。

3.超聲波跟蹤器

利用不同聲源的聲音到達(dá)某一特定地點(diǎn)的時(shí)間差相位差或者聲壓差可以進(jìn)行定位與跟蹤，一般有脈沖波飛行時(shí)間(time-of-flight，TOF)測(cè)量法和連續(xù)波相位相干測(cè)量法兩種方式。TOF測(cè)量法是在特定的溫度條件下，通過測(cè)量聲波從發(fā)射器到接收器之間的傳播時(shí)間來確定傳播距離的一種方法大多數(shù)超聲波跟蹤器都采用這種測(cè)量方法。此方法的數(shù)據(jù)刷新率受到幾個(gè)因素的限制，聲波的傳輸速度約為340m/s，只有當(dāng)發(fā)射波的波陣面到達(dá)傳感器時(shí)才可以得到有效的測(cè)量數(shù)據(jù)。而且必須允許發(fā)射器在產(chǎn)生脈動(dòng)后發(fā)出幾毫秒的聲脈沖，并且在新的測(cè)量開始前等待發(fā)射脈沖消失。因?yàn)槊總€(gè)發(fā)射器-傳感器組都需要單獨(dú)的脈沖飛行序列，測(cè)量所需要的時(shí)間等于單組飛行時(shí)間乘以組合數(shù)目。這種飛行時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)的精度取決于檢測(cè)發(fā)射聲波到達(dá)接收器準(zhǔn)確時(shí)刻的能力，環(huán)境中諸如鑰匙叮咱響的聲音都會(huì)影響測(cè)量精度，空氣流動(dòng)和傳感器閉鎖也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差產(chǎn)生。

連續(xù)波相位相干測(cè)量法通過比較參考信號(hào)和接收到的發(fā)射信號(hào)之間的相位來確定發(fā)射源和接收器之間的距離。此方法測(cè)量精度較高，數(shù)據(jù)刷新頻率高，可通過多次濾波克服環(huán)境干擾的影響，而不影響系統(tǒng)的精度、時(shí)間響應(yīng)特性等。

與電磁跟蹤器相比，超聲波跟蹤器最大的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)受到外部磁場(chǎng)和鐵磁性物質(zhì)的影響，測(cè)量范圍較大。基于聲波飛行時(shí)間法的跟蹤器易受偽聲音脈沖的干擾，在小工作范圍內(nèi)具有較好的精度和時(shí)間響應(yīng)特性。但是隨著作用距離的增大，這類跟蹤器的數(shù)據(jù)刷新頻率和精度降低。而基于連續(xù)波相干測(cè)量法的跟蹤器具有較高的數(shù)據(jù)刷新頻率，因而有利于改善系統(tǒng)的精度、響應(yīng)性、測(cè)量范圍和魯棒性，且不易受偽脈沖的干擾。不過上述兩種跟蹤器都會(huì)因?yàn)榭諝饬鲃?dòng)或者傳感器閉鎖產(chǎn)生誤差。但如果采用適當(dāng)?shù)恼{(diào)制措施，就可以改善連續(xù)波相位測(cè)量法的環(huán)境特性，有望實(shí)現(xiàn)高精度、高數(shù)據(jù)刷新率和低延遲的聲學(xué)跟蹤器。

1966年，美國MIT林肯實(shí)驗(yàn)室的Roberts研制了一種超聲式位移跟蹤器LincolnWand，該眼蹤器基于聲波飛行時(shí)間測(cè)量法，使用四個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器，跟蹤精度和分辨率只達(dá)到5mmoLogitech開發(fā)了另一種基于TOF的超聲波跟蹤系統(tǒng)，又稱為RedBaron，其眼蹤精度和分辨率也只達(dá)到幾毫米。

4.光電跟蹤器

光電眼蹤器(又稱為視覺眼蹤器)是利用環(huán)境光或者控制光源發(fā)出的光，在圖像投影平面上的不同時(shí)刻或者不同位置的投影，計(jì)算出被跟蹤對(duì)象的方位。在有控制光源的情況下，通常使用紅外光，以避免跟蹤器對(duì)用戶的干擾。

從結(jié)構(gòu)方式的角度看，光電跟蹤器分為"外-內(nèi)"(outside-in，OI)和"內(nèi)-外"(inside-out，10)兩種結(jié)構(gòu)方式。對(duì)于"外-內(nèi)"方式而言，傳感器固定，發(fā)射器安裝在被跟蹤對(duì)象上，這意味著傳感器"向內(nèi)注視"遠(yuǎn)處運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，這種系統(tǒng)需要極其昂貴的高分辨率傳感器。對(duì)于"內(nèi)-外"方式而言，發(fā)射器固定，傳感器安裝在運(yùn)動(dòng)對(duì)象上，這意味著傳感器從運(yùn)動(dòng)目標(biāo)"向外注視"。在工作范圍內(nèi)使用多個(gè)發(fā)射器可以提高精度，擴(kuò)展工作范圍。

內(nèi)一外式光電跟蹤器的時(shí)間響應(yīng)特性良好，具有數(shù)據(jù)刷新頻率高，適用范圍廣，相位滯后小等潛在優(yōu)勢(shì)，更適合于實(shí)時(shí)應(yīng)用。但光學(xué)系統(tǒng)存在虛假光線、表面模糊或者光線遮擋等潛在誤差因素，為了獲得足夠的工作范圍而使用短焦鏡頭，系統(tǒng)測(cè)量精度降低。多發(fā)射器結(jié)構(gòu)是一種解決方案，卻以復(fù)雜性和成本為代價(jià)。因此，光電跟蹤器必須在精度、測(cè)量范圍和價(jià)格等因素之間作出折中選擇，而且必須保證光路不被遮擋。

5.慣性跟蹤器

慣性跟蹤器利用陀螺的方向跟蹤能力，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。以前這種方位跟蹤方法常被用于飛機(jī)和導(dǎo)彈等飛行器的導(dǎo)航設(shè)備中，比較笨重。隨著陀螺和加速度計(jì)的微型化，該跟蹤方法在民用市場(chǎng)也越來越受到青睞。不需要發(fā)射源是慣性式跟蹤器最大的優(yōu)點(diǎn)，然而傳統(tǒng)的陀螺技術(shù)難以滿足測(cè)量精度的要求，測(cè)量誤差易隨時(shí)間產(chǎn)生角漂移，受溫度影響的漂移也比較明顯需要有溫度補(bǔ)償措施。新型壓電式固態(tài)陀螺在上述性能方面有大幅度改善。