基于頭部追蹤技術的虛擬現實系統

贛州第一中學 黃 裕

基于頭部追蹤技術的虛擬現實系統

贛州第一中學 黃 裕

一、引言

在20世紀80年代初期，美國的VPL公司創建人拉尼爾提出了一種新的概念，其實施用計算機來實現一種虛擬的體驗，叫做Virtual Reality，中文名為虛擬現實，也就是我們常說的VR。其具體內涵為：使用計算機來生成，借助其圖形系統以及控制系統，來提供一種可沉浸的反饋技術。而當這個三維環境生成時，其就成為了虛擬環境。

人類的歷史，從碑文到書籍，從書籍到電子屏幕，又從電子屏幕到今天的虛擬現實，人們看待世界方式在科技發展的軌道上尋求的新的世界。隨著時代進步，早早被提出卻沒能實現的VR技術，在當下已經日趨成熟，雖然仍有許多弊病，但它未來發展的前景，可謂是無可限量。不論是對于教育、房地產、影視、醫療、交通、城市規劃等等方面，它都可以大有作為。因此，VR技術的發展是非常具有研究價值的一個課題。

二、虛擬現實與傳感器

虛擬現實技術是多種技術的融合，單頭部追蹤技術，用到的核心儀器，就是傳感器。虛擬現實技術包含實時的三維圖形的建立、及時的動作跟蹤技術、廣角立體實時顯示技術以及立體聲技術等感覺反饋技術、網絡傳輸技術、語音智能識別等技術。其中在傳感器部分中，對于三維姿態的測量，就需要用到傳感器這個核心元件。

三維姿態傳感器的核心是單片機，經過一個三軸的陀螺儀芯片和一個單軸的傳感器芯片，再通過AD轉換器進行對應的轉換，接著通過單片機完成數據處理，數據在單片機中經處理后，再通過CAN傳送到計算機。其系統工作原理如圖1所示：

圖1 三維姿態傳感器的工作原理示意圖

此類姿態傳感器在工作時的主要的參數有以下幾個：測量角度、最小分辨率、數據傳輸模式、工作電壓、工作電流等。

由于傳感器只能測得加速度這個數據，但實際運用上無法直接利用，所以加速度需要經過一個轉換，轉換關系如下

其中X,Y分別表示重力加速度輸出， α、β分別表示傾斜角度。然后可以得出：

由此便可以得出相應的傾角。

三、傳感器的核心——陀螺儀

陀螺儀是一種測量角速度的裝置，其使用的物理現象為科里奧利加速度。其中，科里奧利效應原理如圖2所示：

圖2 科里奧里力產生原理示意圖

我們首先假設有一個旋轉的平臺，在這樣的一個旋轉參考系中，有一個物塊在平臺上，其相對于地面參考系的速度如圖所示，這時，如果其滑動到平臺的更外面，則其切向速度也會增加，此時由于徑向速度，導致其切向速度發生了變化，導致這個變化的加速度，我們將其稱為科里奧利加速度。具體的公式推導如下：

而陀螺儀則利用了科里奧利加速度的原理，使用了一種類似上述物體的元件，通過移入與移出這樣的諧振“物塊”，來測量角速度，進而再通過計算來測量角度變化。

我們舉一個典型的例子如下圖所示，其為ADXRS系列陀螺儀，其微機械結構如下圖所示，其核心就是一個諧振體，而諧振體上布有電容監測元件，其整體由于轉動產生的科里奧利效應而產生了位移。其中，電容檢測元件為兩個標稱值相等的電容，其具體結構是硅材料制成的橫梁，其與兩組靜止的橫梁相互交叉而形成了整體的結構，而當出現科里奧里力產生的位移時候，會導致電容稱為差分電容的出現。

可以試想一下的一個例子，當物體運動的角速度為w時候，假設彈簧的彈性系數為K，測量元件的質量為M，總的電容為C的時候，則其科里奧里力造成的位移為，如果此時橫梁間的間距

隨著微加工技術以及陀螺儀設計工藝水平的提高，同時順應市場的需求，微型化、集成化已成為角速度傳感器的主流發展方向，玲瓏小巧，能精確測量并具有強大功能而價格卻十分低廉的傳感器已在不遠的將來向我們招手。

四、頭部追蹤系統中的誤差分析

三維姿態傳感器是測量系統的角度基準，而在傳感器直接測量的測量過程中，誤差的來源主要分為系統誤差和隨機誤差。其中系統誤差呈規律性分布，有明確的指向性和傾向，隨機誤差則是呈正態分布。傾角傳感器主要誤差來源如圖4所示。

圖4 傳感器在傾角測量時常見的誤差來源

在補償時候則是應該盡量減少溫度、噪聲干擾等的影響，并設置負反饋補償。

五、結論與展望

展望主要分為在軍事、教育、生活以及隱患等方面進行分析。

虛擬現實在軍事上同樣可以大顯身手，通過傳感器采集戰場上的即時信息，加以VR系統的加工，一個活靈活現的模擬戰場就可以出現在指揮部中，指揮官可以在一個房間內即時了解瞬息萬變的戰場，進行人機交互的分析以及即時指令的下達，不僅如此，還可以非常方便的完成一些重要戰役的戰場回放。

在教育中，我們可以利用這樣一種人機交互的技術，彌補我們教育上硬件資源不足的問題，也可以讓我們更好的理解實驗數據或是合理分配教育資源。而VR技術在醫學領域的前景也是十分廣闊，21世紀，醫學虛擬系統的研制和開發是最具意義的挑戰，研制不同類型的虛擬人體對科學工作者來說更是一項艱巨的任務。

在生活中，虛擬現實的存在更是讓一些體驗類項目變得更加有趣，比如頭戴式顯示器Oculus Rift就是一款專為電子游戲設計的虛擬現實設備，它能像電影或動畫中描述的那樣，一戴上就可以進入到游戲世界中，讓人感覺自己就活在游戲當中。內置有陀螺儀、加速器等慣性傳感器以及兩個目鏡的這款頭戴顯示器，能針對玩家的動作進行實時捕捉，即時跟蹤并對畫面視角進行調整，大幅提升游戲沉浸感。借助玩家雙眼的視差，不斷變化的畫面一幕幕出現以及環繞立體聲隨著時間輸送給玩家，在這樣一個小頭盔中，有著另一片讓人意想不到的天地。

事物都具有兩面性，VR的出現有喜也有憂。UL作為一家知名的國際產品安全測試及認證公司表示，關于VR使用方面的法律法規仍舊是一片空白，如果使用者稍有不慎或是外界有事物產生干擾，就有可能產生精神或身體上的傷害。身體上包括重復性勞損腕隧道癥候群、頭戴式設備對腦部產生的傷害，例如頭痛與視力減退、傳染病、長期沉浸導致對實體失去敏感度、電池安全、幼童誤食微小零件或是紐扣電池、以及產品結構的安全性能等；心理上包括對現實世界的害怕、逃避或是無法適應，亦或是對虛擬世界的沉迷。

圖5 VR設備暢想

完全由計算機生成的視覺、聽覺、觸覺是VR技術的最高層面。依賴頭戴式顯示器、傳感器手套等輔助強化傳感設備，VR技術可以給使用者提供一個進行觀察并且進行操作的人機交互的端口，通過這個端口，使用者可以直接觀察到虛擬環境中的變化并用身體進行信號的輸入從而改變環境。VR技術不單單包含了計算機圖形、仿真、傳感、顯示等技術，它更是這些技術的有機融合。我也相信，我今天的這些初步簡單的展望，會在不就的明天，統統變為現實。

[1]劉曉武.基于MEMS陀螺儀的三維姿態傳感器的設計[D].西安工業大學,2014.

[2]馬燕妮.三維姿態傳感器的研制[D].西安工業大學,2015.

[3]沈冰.虛擬現實頭盔的延時感與立體感的研究[D].東華大學,2016.

[4]馬玉可.一種微慣性跟蹤器的設計及其在增強現實中的應用[D].電子科技大學,2010.

[5]郭天太.基于VR的虛擬測試技術及其應用基礎研究[D].浙江大學,2005.

[6]康波.增強現實中的跟蹤技術[J].計算機測量與控制,2006,11:1431-1434+1455.

[7]應科煒,吳文貢,湯達斌,胡洪平,馮勇建.ADXRS角速度檢測陀螺儀原理及應用[J].傳感器世界,2006,01:42-44+41.

[8]DING HaiTao,YANG ZhenChuan,WANG ZhanFei,KRAFT Michael,YAN GuiZhen. MEMS gyroscope control system using a bandpass continuous-time sigma-delta modulator[J].Science China(Information Sciences),2013,10:180-189.

[9]Yasushi,Tatsuya.VR system by the combination of HMD and gyro sensor for streetscape evaluation[R].CAADRIA 2005-The Association for Computer-Aided Architectural Design Research in Asia:Digital Opportunities.

[10]Schwald,Bernd.Composing 6 DOF tracking systems for VR/AR[J].Proceedings of Computer Graphics International Conference,CGI[1530-1052].