空间位置跟踪定位设备

为确保虚拟现实世界的真实性与实时性，首先要能快速精准地捕捉用户的位置信息，并根据用户的朝向和动作，在正确的空间位置给予用户适当的反馈，实现这一目标的关键技术之一就是跟踪定位技术。我们一般用精度（分辨率）、刷新率、滞后时间及跟踪范围来衡量跟踪定位设备的优劣。目前，虚拟现实系统中常用的跟踪设备根据原理可分为磁性、声学、光学、机械、声学和惯性等几种。

1.磁跟踪设备

医学手术特别是微创手术中，医生经常需要确定已深入患者体内的内窥镜等手术器械的位置，这时NDI Aurora等电磁跟踪系统就能发挥巨大的作用，它们可在有遮挡的情况下精确测量金属器械的空间位置。

图8-18 电磁跟踪设备

如图8-18所示，磁跟踪设备一般由三个部分组成：一个计算控制部件、几个发射器和与之配套的接收器。磁跟踪器的工作原理是利用磁场的强度来进行位置和方向的跟踪，即首先由发射器发射电磁场，接收器接收到这个电磁场后将其转换为电信号，再将信号传送至控制部件，控制部件经过计算后得出跟踪目标的数据。多个信号综合后可得被跟踪物体的六自由度数据。根据所发射磁场的不同，磁跟踪设备可以分为交流电跟踪器和直流电跟踪器两种。

电磁跟踪器的优点是电磁传感器没有遮挡问题，即发射器和接收器之间可以被物体遮挡，这在实际应用中极大地拓展了用户的移动范围。另外，电磁跟踪器价格较低、精度适中、采样率高、工作范围大、体积小，可通过多个磁跟踪器联合跟踪复杂结构运动，因此它是目前最常用的空间位置跟踪定位设备。

2.超声波跟踪器

超声波跟踪器根据不同生源的声音到达某一特定地点的时间差、相位差、声压差等来跟踪物体的空间位置。超声波跟踪器一般使用的声波频率在20 k Hz以上，人耳无法听到。根据测量方法的不同，超声波跟踪定位技术可以分为声波飞行时间测量法和相位相干测量法两种，前者原理与雷达的相似，通过测量超声波从发出到反射回来的飞行时间计算目标准确的位置和方向；后者通过比较基准信号的相位与发射出去和反射回来的信号的相位来确定距离。

超声波跟踪器的优点是价格低廉、质量小、性能适中，不易受到外部磁场和大型金属物的干扰，比较适合用于较小的工作空间中；缺点是发射器和目标中间不能有遮挡，而且超声波传播速度受介质密度影响，因此空气密度、温度、气压等外因也会对测量系统产生较大影响。

3.光学跟踪器

光学跟踪器是目前非常常见的跟踪器，我们常用的游戏外设，如图8-19的Kinect等都属于这个范畴。光学跟踪器的光源可以是自然光、激光或红外线，但为了避免对用户的视线造成干扰，一般多采用红外线光源。

光学跟踪器主要使用三种技术：标志系统、模式识别系统和激光测距系统。

标志系统分为自外而内（Outside-In）结构和自内而外（Inside-Out）结构。前者通过传感器检测固定在目标上的发射器的运动，从而计算出目标的运动情况；后者通过固定在目标上的传感器观测固定的发射器，从而计算出目标自身的运动情况，常用于多用户作业，但对于复杂运动的检测效果不佳。

模式识别系统是将发光器件按某一阵列排列，并固定在被跟踪的对象上，由摄像机跟踪运动的LED阵列的变化，然后与已知的样本模式进行比较，从而得出物体的位置。这种方式将复杂的运动抽象为固定模式的LED点阵的运动，简化了对被跟踪物体的识别。

激光测距系统是将激光通过一个衍射光栅发射到被跟踪物体上，然后接收从物体上反射回来的二维衍射图信号，这种反射的衍射图带有畸变，而这一畸变与距离有关，因此可以根据这一特性来测量被识别物体的位置。

光学跟踪器的优点是数据率高、处理速度快，适用于强实时性的场合，因此常用于军用系统中；它的缺点易受到视线阻挡且工作范围较小，不能提供角度方向的数据而只能进行位置跟踪。

图8-19 Kinect在医学、游戏中的应用

4.机械跟踪系统

机械跟踪系统的工作原理是通过机械连杆装置上的参考点与被测物体相接触来检测其位置的变化。如图8-20所示，当用户碰触参考点导致其位置发生变化时，连接参考点的位置传感器就会将参考点的位移信息传递给计算机。

图8-20 机械跟踪系统原理

机械跟踪系统具有精细、响应时间短，不受声、光、电磁波等外界信号的干扰等优势，而且该系统可以与力反馈装置组合在一起，形成如DHM骨架式力反馈数据手套等可跟踪用户手势动作并为用户提供虚拟世界“触摸感”的交互式设备。