AR硬件中的常見五種跟蹤器

增強現(xiàn)實技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基礎上發(fā)展起來的，因此在硬件結(jié)構(gòu)上同虛擬現(xiàn)實系統(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鼠標器、眼蹤器、力反饋裝置、語音識別與合成系統(tǒng)等在內(nèi)的人機交互設備，每種設備品種繁多、性能各異。

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

AR硬件中的常見五種跟蹤器

1.機電跟蹤器

機電跟蹤器是一種絕對位置傳感器。通常由體積較小的機械臂構(gòu)成，將一端固定在一個參考機座上，另一端固定在待測對象上。采用電位計或光學編碼器作為關(guān)節(jié)傳感器測量關(guān)節(jié)處的旋轉(zhuǎn)角，再根據(jù)所測得的相對旋轉(zhuǎn)角以及連接兩個傳感器之間的臂長進行動力學計算，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，延遲時間短。但其缺點是，跟蹤器測量精度受環(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。在一些特定的應用場合 （如外科手術(shù)訓練），用戶的活動范圍不是重要指標時這種跟蹤器才具有優(yōu)勢。

2.電磁跟蹤器

電磁跟蹤器是應用較為廣泛的一類方位跟蹤器，它利用一個三軸線圈發(fā)射低頻磁場，用固定在被測對象上的三軸磁接收器作為傳感器感應磁場的變化信息，利用發(fā)射磁場和感應信號之間的稠合關(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磁源由三個磁場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試三個勵磁源的線圈構(gòu)成。磁接收器感應勵磁源的磁場信息，根據(jù)從勵磁源到磁接收器的電磁能量傳遞關(guān)系計算磁接收器相對于勵磁源的空間方位。受計算性能、反應時間和噪聲等因素的影響，勵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的載波對激勵波進行調(diào)制。直流電磁跟蹤器的發(fā)射器（相當于勵磁源）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)生一個脈沖調(diào)制的直流電磁場。接收器也是由繞立方體芯子正交纏繞的三組獨立線圈構(gòu)成的直流磁場方向的周期性變化在三向接收器線圈中產(chǎn)生交變電流，電流強度與本地直流磁場的可分辨分量成正比?？稍诿總€測量周期獲得九個數(shù)據(jù)，它們表示三組接收器線圈所感應發(fā)射磁場的大小，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是易受環(huán)境電磁干擾。發(fā)射器產(chǎn)生的交流磁場對附近的電子導體特別是鐵磁性物質(zhì)非常敏感，交流旋轉(zhuǎn)磁場在鐵磁性物質(zhì)中產(chǎn)生渦流，從而產(chǎn)生二級交流磁場，使得由交流勵磁源產(chǎn)生的磁場模式發(fā)生畸變，這種畸變會引起嚴重的測量誤差。

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

3.超聲波跟蹤器

利用不同聲源的聲音到達某一特定地點的時間差相位差或者聲壓差可以進行定位與跟蹤，一般有脈沖波飛行時間（time-of- flight，TOF）測量法和連續(xù)波相位相干測量法兩種方式。TOF測量法是在特定的溫度條件下，通過測量聲波從發(fā)射器到接收器之間的傳播時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量方法。此方法的數(shù)據(jù)刷新率受到幾個因素的限制，聲波的傳輸速度約為340m/s，只有當發(fā)射波的波陣面到達傳感器時才可以得到有效的測量數(shù)據(jù)。而且必須允許發(fā)射器在產(chǎn)生脈動后發(fā)出幾毫秒的聲脈沖，并且在新的測量開始前等待發(fā)射脈沖消失。因為每個發(fā)射器-傳感器組都需要單獨的脈沖飛行序列，測量所需要的時間等于單組飛行時間乘以組合數(shù)目。這種飛行時間測量系統(tǒng)的精度取決于檢測發(fā)射聲波到達接收器準確時刻的能力，環(huán)境中諸如鑰匙叮咱響的聲音都會影響測量精度，空氣流動和傳感器閉鎖也會導致測量誤差產(chǎn)生。

連續(xù)波相位相干測量法通過比較參考信號和接收到的發(fā)射信號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、時間響應特性等。

與電磁跟蹤器相比，超聲波跟蹤器最大的優(yōu)點是不會受到外部磁場和鐵磁性物質(zhì)的影響，測量范圍較大。基于聲波飛行時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間響應特性。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、響應性、測量范圍和魯棒性，且不易受偽脈沖的干擾。不過上述兩種跟蹤器都會因為空氣流動或者傳感器閉鎖產(chǎn)生誤差。但如果采用適當?shù)恼{(diào)制措施，就可以改善連續(xù)波相位測量法的環(huán)境特性，有望實現(xiàn)高精度、高數(shù)據(jù)刷新率和低延遲的聲學跟蹤器。

1966年，美國MIT林肯實驗室的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間測量法，使用四個發(fā)射器和一個接收器，跟蹤精度和分辨率只達到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刻或者不同位置的投影，計算出被跟蹤對象的方位。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。對于“外-內(nèi)”方式而言，傳感器固定，發(fā)射器安裝在被跟蹤對象上，這意味著傳感器“向內(nèi)注視”遠處運動的目標，這種系統(tǒng)需要極其昂貴的高分辨率傳感器。對于“內(nèi)-外”方式而言，發(fā)射器固定，傳感器安裝在運動對象上，這意味著傳感器從運動目標“向外注視”。在工作范圍內(nèi)使用多個發(fā)射器可以提高精度，擴展工作范圍。

內(nèi)一外式光電跟蹤器的時間響應特性良好，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，更適合于實時應用。但光學系統(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)測量精度降低。多發(fā)射器結(jié)構(gòu)是一種解決方案，卻以復雜性和成本為代價。因此，光電跟蹤器必須在精度、測量范圍和價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，測量三個轉(zhuǎn)動自由度的角度變化;利用加速度計測量三個平動自由度的位移。以前這種方位跟蹤方法常被用于飛機和導彈等飛行器的導航設備中，比較笨重。隨著陀螺和加速度計的微型化，該跟蹤方法在民用市場也越來越受到青睞。不需要發(fā)射源是慣性式跟蹤器最大的優(yōu)點，然而傳統(tǒng)的陀螺技術(shù)難以滿足測量精度的要求，測量誤差易隨時間產(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。