AR硬件中的常見(jiàn)五種跟蹤器

增強現實(shí)技術(shù)是在虛擬現實(shí)技術(shù)的基礎上發(fā)展起來(lái)的，因此在硬件結構上同虛擬現實(shí)系統的硬件一樣具有一定的繼承性和一致性。與大多數VR系統一樣圖形處理器也是AR系統所必不可少的。此外AR系統還包括如數據手套、6D鼠標器、眼蹤器、力反饋裝置、語(yǔ)音識別與合成系統等在內的人機交互設備，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實(shí)系統中。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(shí)現方法各不相同，各有優(yōu)缺點(diǎn)，而且在現有的增強現實(shí)系統中都有應用實(shí)例。

AR硬件中的常見(jiàn)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成，將一端固定在一個(gè)參考機座上，另一端固定在待測對象上。采用電位計或光學(xué)編碼器作為關(guān)節傳感器測量關(guān)節處的旋轉角，再根據所測得的相對旋轉角以及連接兩個(gè)傳感器之間的臂長(cháng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)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(shí)間短。但其缺點(diǎn)是，跟蹤器測量精度受環(huán)境溫度變化影響，關(guān)節傳感器的分辨率低，跟蹤器的工作范圍受限。在一些特定的應用場(chǎng)合 （如外科手術(shù)訓練），用戶(hù)的活動(dòng)范圍不是重要指標時(shí)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(lèi)方位跟蹤器，它利用一個(gè)三軸線(xiàn)圈發(fā)射低頻磁場(chǎng)，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(chǎng)的變化信息，利用發(fā)射磁場(chǎng)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(gè)磁場(chǎng)方向相互垂直的交流電流產(chǎn)生的雙極磁源構成，磁接收器由三套分別測試三個(gè)勵磁源的線(xiàn)圈構成。磁接收器感應勵磁源的磁場(chǎng)信息，根據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(shí)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(jìn)行調制。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(xiàn)圈組成，依次向發(fā)射器線(xiàn)圈輸入直流電流，使每一組發(fā)射器線(xiàn)圈分別產(chǎn)生一個(gè)脈沖調制的直流電磁場(chǎng)。接收器也是由繞立方體芯子正交纏繞的三組獨立線(xiàn)圈構成的直流磁場(chǎng)方向的周期性變化在三向接收器線(xiàn)圈中產(chǎn)生交變電流，電流強度與本地直流磁場(chǎng)的可分辨分量成正比?？稍诿總€(gè)測量周期獲得九個(gè)數據，它們表示三組接收器線(xiàn)圈所感應發(fā)射磁場(chǎng)的大小，由電子單元執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)對附近的電子導體特別是鐵磁性物質(zhì)非常敏感，交流旋轉磁場(chǎng)在鐵磁性物質(zhì)中產(chǎn)生渦流，從而產(chǎn)生二級交流磁場(chǎng)，使得由交流勵磁源產(chǎn)生的磁場(chǎng)模式發(fā)生畸變，這種畸變會(huì )引起嚴重的測量誤差。

直流電磁跟蹤器最大的優(yōu)點(diǎn)是只在測量周期開(kāi)始時(shí)產(chǎn)生渦流，一旦磁場(chǎng)達到穩態(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(chǎng)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(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）測量法和連續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(guò)測量聲波從發(fā)射器到接收器之間的傳播時(shí)間來(lái)確定傳播距離的一種方法大多數超聲波跟蹤器都采用這種測量方法。此方法的數據刷新率受到幾個(gè)因素的限制，聲波的傳輸速度約為340m/s，只有當發(fā)射波的波陣面到達傳感器時(shí)才可以得到有效的測量數據。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，并且在新的測量開(kāi)始前等待發(fā)射脈沖消失。因為每個(gè)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(shí)間等于單組飛行時(shí)間乘以組合數目。這種飛行時(shí)間測量系統的精度取決于檢測發(fā)射聲波到達接收器準確時(shí)刻的能力，環(huán)境中諸如鑰匙叮咱響的聲音都會(huì )影響測量精度，空氣流動(dòng)和傳感器閉鎖也會(huì )導致測量誤差產(chǎn)生。

連續波相位相干測量法通過(guò)比較參考信號和接收到的發(fā)射信號之間的相位來(lái)確定發(fā)射源和接收器之間的距離。此方法測量精度較高，數據刷新頻率高，可通過(guò)多次濾波克服環(huán)境干擾的影響，而不影響系統的精度、時(shí)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(diǎn)是不會(huì )受到外部磁場(chǎng)和鐵磁性物質(zhì)的影響，測量范圍較大?；诼暡w行時(shí)間法的跟蹤器易受偽聲音脈沖的干擾，在小工作范圍內具有較好的精度和時(shí)間響應特性。但是隨著(zhù)作用距離的增大，這類(lèi)跟蹤器的數據刷新頻率和精度降低。而基于連續波相干測量法的跟蹤器具有較高的數據刷新頻率，因而有利于改善系統的精度、響應性、測量范圍和魯棒性，且不易受偽脈沖的干擾。不過(guò)上述兩種跟蹤器都會(huì )因為空氣流動(dòng)或者傳感器閉鎖產(chǎn)生誤差。但如果采用適當的調制措施，就可以改善連續波相位測量法的環(huán)境特性，有望實(shí)現高精度、高數據刷新率和低延遲的聲學(xué)跟蹤器。

1966年，美國MIT林肯實(shí)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(shí)間測量法，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到5mmoLogitech開(kāi)發(fā)了另一種基于TOF的超聲波跟蹤系統，又稱(chēng)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(chēng)為視覺(jué)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(hù)的干擾。

從結構方式的角度看，光電跟蹤器分為“外-內”（outside-in，OI）和“內-外”（inside-out，10）兩種結構方式。對于“外-內”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(zhù)傳感器“向內注視”遠處運動(dòng)的目標，這種系統需要極其昂貴的高分辨率傳感器。對于“內-外”方式而言，發(fā)射器固定，傳感器安裝在運動(dòng)對象上，這意味著(zhù)傳感器從運動(dòng)目標“向外注視”。在工作范圍內使用多個(gè)發(fā)射器可以提高精度，擴展工作范圍。

內一外式光電跟蹤器的時(shí)間響應特性良好，具有數據刷新頻率高，適用范圍廣，相位滯后小等潛在優(yōu)勢，更適合于實(shí)時(shí)應用。但光學(xué)系統存在虛假光線(xiàn)、表面模糊或者光線(xiàn)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，系統測量精度降低。多發(fā)射器結構是一種解決方案，卻以復雜性和成本為代價(jià)。因此，光電跟蹤器必須在精度、測量范圍和價(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，測量三個(gè)轉動(dòng)自由度的角度變化;利用加速度計測量三個(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和導彈等飛行器的導航設備中，比較笨重。隨著(zhù)陀螺和加速度計的微型化，該跟蹤方法在民用市場(chǎng)也越來(lái)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)，然而傳統的陀螺技術(shù)難以滿(mǎn)足測量精度的要求，測量誤差易隨時(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。