微型虛擬現實(shí)頭部跟蹤系統的設計

摘要：頭部跟蹤系統是虛擬現實(shí)系統中的關(guān)鍵部分之一，它的任務(wù)是檢測頭部的姿態(tài)與方位。設計一種基于兩軸磁阻效應傳感器和三軸MEMS加速度傳感器的微型虛擬現實(shí)頭部跟蹤系統，首先闡述了系統的基本原理及整體構成，其次給出了硬件設計以及頭部方位、姿態(tài)求解的算法；最后，給出了系統的運行效果。結果表明，該頭部跟蹤系統可實(shí)際應用于頭部緩慢轉動(dòng)場(chǎng)合．同時(shí)具有體積小、功耗低、性?xún)r(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：磁阻效應傳感器；加速度傳感器；虛擬現實(shí)；頭部跟蹤系統

0 引言
虛擬現實(shí)(virtual reality，VR)技術(shù)，亦稱(chēng)靈境技術(shù)，是一門(mén)由應用驅動(dòng)的涉及眾多學(xué)科的新型實(shí)用技術(shù)，常集計算機技術(shù)、傳感與測量技術(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(hù)利用人機對話(huà)工具，同虛擬環(huán)境的物體進(jìn)行交互操作，使用戶(hù)仿佛置身于現實(shí)環(huán)境之中，達到境界虛擬，感覺(jué)真實(shí)的效果。在現實(shí)世界中，有些環(huán)境人們難于身臨其境或者實(shí)現條件過(guò)高、費用過(guò)大，而虛擬現實(shí)卻能超越時(shí)間與空問(wèn)、現實(shí)與抽象，將各種無(wú)法接觸的環(huán)境再現于人們的面前，為人類(lèi)發(fā)展提供了一個(gè)新的途徑。目前，虛擬現實(shí)已應用于軍事、教育、醫學(xué)、產(chǎn)品設計、科學(xué)可視化、訓練、建筑、娛樂(lè )、藝術(shù)等各個(gè)方面。
實(shí)時(shí)交互性是虛擬現實(shí)的關(guān)鍵特征。為了實(shí)現人與計算機之間的交互，需要使用專(zhuān)門(mén)設計的輸入／輸出設備把用戶(hù)的命令輸入給計算機，同時(shí)把模擬過(guò)程中的反饋信息提供給用戶(hù)。這些設備包括大視角的立體顯示器、頭部跟蹤系統、三維聲音系統、觸覺(jué)反饋系統和力反饋系統等。其中跟蹤系統是虛擬現實(shí)人機交互的關(guān)鍵設備。如果沒(méi)有跟蹤系統，計算機就不能改變空間視圖，以配合用戶(hù)頭部的姿態(tài)變化，沉浸感也就蕩然無(wú)存。目前虛擬現實(shí)跟蹤系統主要有機械跟蹤系統、光學(xué)跟蹤系統、超聲波跟蹤系統、電磁場(chǎng)跟蹤系統等。但較完善的產(chǎn)品價(jià)格都很昂貴，對環(huán)境的要求比較嚴格，而且結構比較復雜。利用磁阻效應傳感器和MEMS加速度傳感器開(kāi)發(fā)的虛擬現實(shí)跟蹤系統，不僅結構簡(jiǎn)單、體積小、可靠性高，而且性?xún)r(jià)比高，適用面廣。

1 系統基本原理及整體構成
本系統主要由MSP430F149微控制器、兩軸磁阻效應傳感器HMCl022、三軸MEMS加速度傳感器MMA7455、藍牙模塊BC04組成。系統運行時(shí)，微控制器以lOO Hz的頻率采集磁阻效應傳感器和加速度傳感器的數據，并計算出用戶(hù)頭部的三維姿態(tài)信息，將其通過(guò)藍牙發(fā)送到計算機，計算機根據用戶(hù)頭部的三維姿態(tài)信息展示相應的視景，使用戶(hù)所看到視景跟隨頭部的運動(dòng)而變化，產(chǎn)生真實(shí)的沉浸感。系統整體構成如圖1所示。