虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)跟蹤技術(shù)(已修改)
2025-01-30 19:55 本頁面
【正文】 一 、 概述 二、三自由度地磁定姿系統(tǒng) 三、六自由度電磁跟蹤系統(tǒng) 四、手指彎曲測(cè)量系統(tǒng) 五、戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 六、總結(jié) 目錄 一、概述 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 虛擬現(xiàn)實(shí)是“一種利用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)創(chuàng)建的真實(shí)世界的仿真環(huán)境，而且這一由計(jì)算機(jī)合成的世界不是靜態(tài)的，是依用戶輸入而變化的，用戶的輸入方式可以包括手勢(shì)、命令語言等”。 一、概述 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要分支，借助光電顯示技術(shù)、交互技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和可視化技術(shù)產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)環(huán)境中不存在的虛擬對(duì)象，并通過傳感技術(shù)將虛擬對(duì)象準(zhǔn)確“放置”在真實(shí)環(huán)境中，借助顯示設(shè)備將虛擬對(duì)象與真實(shí)環(huán)境融為一體。 一、概述 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的特征 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是一種由計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)創(chuàng)造的具有浸沒感的高級(jí)人機(jī)界面，用戶能夠通過各種傳感設(shè)備使用人的各種自然技能對(duì)虛擬世界中的物體進(jìn)行考察或操作。 ?浸沒感 參與者有身臨其境的真實(shí)感覺。 ?交互性 可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的交互接口設(shè)備以自然交互方式與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行交互操作。 一、概述 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)成 虛 擬 環(huán) 境 生 成 器 立體聲音響合成及定位 語音合成 圖象合成 語音識(shí)別 頭眼身體跟蹤 姿態(tài)語言識(shí)別 運(yùn)動(dòng)學(xué) 頭 盔 顯 示 設(shè) 備 多傳感器組 力反饋裝置 一、概述 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能夠提供一種與以往所有的傳統(tǒng)技術(shù)不同的觀點(diǎn) 第一人稱觀點(diǎn)，用戶將會(huì)沉浸在計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中去，而且還可以與其中的物體進(jìn)行交互。在虛擬環(huán)境中，操作者可以利用天生的空間感來理解所看到的事物，計(jì)劃所要做的事情，主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)?: ? 軍事模擬訓(xùn)練 ? 制造和設(shè)計(jì) ? 醫(yī)學(xué) ? 科學(xué)計(jì)算可視化 ? 娛樂業(yè) 一、概述 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)特征 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)把計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體、文字和圖形等信息重疊顯示在用戶所看到的真實(shí)物體之上，頭盔顯示器和方位跟蹤器是必不可少的外設(shè)，其頭盔顯示器是透視式的。 一、概述 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的區(qū)別 ? 所使用的顯示設(shè)備不同 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)使用浸沒式頭盔顯示器或立體投影設(shè)備 ， 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)使用透視式顯示設(shè)備 。 ? 跟蹤注冊(cè)涵義和精度要求不同 。 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中注冊(cè)指呈現(xiàn)給用戶的虛擬環(huán)境與用戶的各種感官匹配 。 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中注冊(cè)指將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬物體與用戶周圍的真實(shí)環(huán)境全方位對(duì)準(zhǔn) 。 ? 對(duì)虛擬環(huán)境的生成能力的要求不同 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以緩解虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)建立逼真的虛擬環(huán)境時(shí)對(duì)系統(tǒng)計(jì)算能力的苛刻要求 。 一、概述 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)并非以虛擬世界代替真實(shí)世界，而是利用附加信息去增強(qiáng)使用者對(duì)真實(shí)世界的感官認(rèn)識(shí)。由于真實(shí)環(huán)境的存在能夠使用戶對(duì)周圍環(huán)境的感知更具真實(shí)感，其主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋? ?醫(yī)療研究 ?裝配、維修與教育培訓(xùn) ?娛樂及室內(nèi)裝飾設(shè)計(jì) ?軍事應(yīng)用 ?視頻轉(zhuǎn)播 一、概述 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的國外進(jìn)展 ? 美國從六十年代即開始著手進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的研究工作 ， 并且一直受到美國國防部的重視 。 ? 英國正在利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行高級(jí)戰(zhàn)斗機(jī)座艙設(shè)計(jì) 。 ? 歐洲航天局已制定了一項(xiàng) “ 人在虛擬現(xiàn)實(shí)空間 ” 的研究計(jì)劃 。 ? 澳大利亞國防軍開始實(shí)施代號(hào)為 “ 溫杜拉工程 ” 的十年計(jì)劃以訓(xùn)練未來的士兵 ， 該計(jì)劃的核心就是利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行軍事訓(xùn)練 。 ? 虛擬現(xiàn)實(shí)游戲和加強(qiáng)人機(jī)接口能力是日本在虛擬現(xiàn)實(shí)方面的兩個(gè)主要研究方向 ， 尤其在游戲方面占有重要的市場(chǎng)地位 。 一、概述 人機(jī)交互商用裝置 三自由度、六自由度跟蹤器 一、概述 人機(jī)交互商用裝置 手指彎曲測(cè)量系統(tǒng) 一、概述 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)國內(nèi)研究現(xiàn)狀 ? 清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系智能技術(shù)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室在臨界場(chǎng)感技術(shù)等領(lǐng)域進(jìn)行了卓有成效的研究。 ? 北京科技大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出了純交互式汽車模擬駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)。 ? 北京航空航天大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)與多媒體研究室已經(jīng)在 DVENET上開發(fā)了直升機(jī)虛擬仿真器、坦克虛擬仿真器、虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境觀察器、計(jì)算機(jī)兵力生成器。 ? 空軍第二航空學(xué)院研制了我國第一套自行研制并接近實(shí)用化的 VR系統(tǒng)。 ? 浙江大學(xué)開發(fā)了數(shù)字故宮、數(shù)字敦煌等虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)。 一 、 概述 二、三自由度地磁定姿系統(tǒng) 三、六自由度電磁跟蹤系統(tǒng) 四、手指彎曲測(cè)量系統(tǒng) 五、戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 六、總結(jié) 目錄 二、三自由度地磁定姿系統(tǒng) 概述 在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中頭盔顯示器給用戶提供一種沉浸在虛擬環(huán)境中的浸沒感，計(jì)算機(jī)必須連續(xù)地獲得用戶頭部的精確姿態(tài)信息并實(shí)時(shí)地調(diào)整顯示的圖像，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)測(cè)量的裝置為三自由度定姿系統(tǒng)。 看到底部 看到前部 看到頂部 二、三自由度地磁定姿系統(tǒng) 概述 在地面上標(biāo)定方向的基準(zhǔn)是地球自轉(zhuǎn)軸，基于感受地球自轉(zhuǎn)角速度的定向儀表如陀螺羅經(jīng)、陀螺經(jīng)緯儀、指北陀螺系統(tǒng)和速率陀螺等，不僅技術(shù)復(fù)雜、造價(jià)昂貴、維護(hù)困難和體積龐大，而且啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)。 地球自身固有的可做方位基準(zhǔn)的矢量除了地球自轉(zhuǎn)角速度矢量以外，只有地磁場(chǎng)強(qiáng)度。研制了一種采用加速度計(jì)、磁阻傳感器和單片機(jī)的數(shù)字地磁定姿系統(tǒng)及其定姿算法，通過測(cè)量地球的重力場(chǎng)及磁場(chǎng)來計(jì)算運(yùn)動(dòng)物體的三自由度姿態(tài)數(shù)據(jù)。由于采用全固態(tài)傳感器，該套系統(tǒng)具有精度高、性能穩(wěn)定、體積小、價(jià)格低廉、功耗低的特點(diǎn)。 二、三自由度地磁定姿系統(tǒng) 地磁定姿原理 地磁場(chǎng)的強(qiáng)度大約為 ， 其水平分量與地球表面平行，指向地磁北極 。 二、三自由度地磁定姿系統(tǒng) 地磁定姿原理 目前通過羅盤確定姿態(tài)的方法均為首先確定地磁場(chǎng)的水平分量 HX和 HY， 根據(jù) HX和 HY的測(cè)量值確定與地磁北極的夾角，然后在計(jì)算結(jié)果中加入地磁偏角來找到真北。 二、三自由度地磁定姿系統(tǒng) 姿態(tài)角測(cè)量算法 在剛體動(dòng)力學(xué)中運(yùn)動(dòng)物體的姿態(tài) (即運(yùn)動(dòng)物體在參考空間中的方位 )通過與運(yùn)動(dòng)物體相固結(jié)的運(yùn)動(dòng)參考坐標(biāo)系和定參考坐標(biāo)系之間的夾角表示。 O YC Y1 Y X X1 X2(XC) Z(Z1) Z2 ZC ? ? γ θ γ θ 二、三自由度地磁定姿系統(tǒng) 姿態(tài)角測(cè)量算法 ? 運(yùn)動(dòng)物體處于水平狀態(tài)下姿態(tài)角的測(cè)量算法 )/a r c t a n ( 11 YX HH??? 運(yùn)動(dòng)物體處于傾斜狀態(tài)下姿態(tài)角的測(cè)量算法 31c o ss i n0s i nc o s0001c o s0s i n010s i n0c o sHH??????????????????????? ???????????????????????????????????c o sc o ss i nc o ss i ns i nc o ss i nc o ss i ns i nc o s33313313331ZYXZZYYZYXXHHHHHHHHHHH二、三自由度地磁定姿系統(tǒng) 環(huán)境磁場(chǎng)的影響及補(bǔ)償算法 由于定姿系統(tǒng)是通
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