贛州第一中學(xué) 黃 裕

基于頭部追蹤技術(shù)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

贛州第一中學(xué) 黃 裕

一、引言

在20世紀(jì)80年代初期，美國的VPL公司創(chuàng)建人拉尼爾提出了一種新的概念，其實施用計算機來實現(xiàn)一種虛擬的體驗，叫做Virtual Reality，中文名為虛擬現(xiàn)實，也就是我們常說的VR。其具體內(nèi)涵為：使用計算機來生成，借助其圖形系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)，來提供一種可沉浸的反饋技術(shù)。而當(dāng)這個三維環(huán)境生成時，其就成為了虛擬環(huán)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(xiàn)實，人們看待世界方式在科技發(fā)展的軌道上尋求的新的世界。隨著時代進(jìn)步，早早被提出卻沒能實現(xiàn)的VR技術(shù)，在當(dāng)下已經(jīng)日趨成熟，雖然仍有許多弊病，但它未來發(fā)展的前景，可謂是無可限量。不論是對于教育、房地產(chǎn)、影視、醫(yī)療、交通、城市規(guī)劃等等方面，它都可以大有作為。因此，VR技術(shù)的發(fā)展是非常具有研究價值的一個課題。

二、虛擬現(xiàn)實與傳感器

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

三維姿態(tài)傳感器的核心是單片機，經(jīng)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(zhuǎn)換器進(jìn)行對應(yīng)的轉(zhuǎn)換，接著通過單片機完成數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)在單片機中經(jīng)處理后，再通過CAN傳送到計算機。其系統(tǒng)工作原理如圖1所示：

圖1 三維姿態(tài)傳感器的工作原理示意圖

此類姿態(tài)傳感器在工作時的主要的參數(shù)有以下幾個：測量角度、最小分辨率、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，但實際運用上無法直接利用，所以加速度需要經(jīng)過一個轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換關(guān)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(yīng)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(xiàn)象為科里奧利加速度。其中，科里奧利效應(yīng)原理如圖2所示：

圖2 科里奧里力產(chǎn)生原理示意圖

我們首先假設(shè)有一個旋轉(zhuǎn)的平臺，在這樣的一個旋轉(zhuǎn)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(dǎo)致其切向速度發(fā)生了變化，導(dǎo)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(dǎo)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(jìn)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(jié)構(gòu)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(jiān)測元件，其整體由于轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的科里奧利效應(yīng)而產(chǎn)生了位移。其中，電容檢測元件為兩個標(biāo)稱值相等的電容，其具體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，而當(dāng)出現(xiàn)科里奧里力產(chǎn)生的位移時候，會導(dǎo)致電容稱為差分電容的出現(xiàn)。

可以試想一下的一個例子，當(dāng)物體運動的角速度為w時候，假設(shè)彈簧的彈性系數(shù)為K，測量元件的質(zhì)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(shù)以及陀螺儀設(shè)計工藝水平的提高，同時順應(yīng)市場的需求，微型化、集成化已成為角速度傳感器的主流發(fā)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(yuǎn)的將來向我們招手。

四、頭部追蹤系統(tǒng)中的誤差分析

三維姿態(tài)傳感器是測量系統(tǒng)的角度基準(zhǔn)，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(tǒng)誤差和隨機誤差。其中系統(tǒng)誤差呈規(guī)律性分布，有明確的指向性和傾向，隨機誤差則是呈正態(tài)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(yīng)該盡量減少溫度、噪聲干擾等的影響，并設(shè)置負(fù)反饋補償。

五、結(jié)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(jìn)行分析。

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

在教育中，我們可以利用這樣一種人機交互的技術(shù)，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(shù)據(jù)或是合理分配教育資源。而VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的前景也是十分廣闊，21世紀(jì)，醫(yī)學(xué)虛擬系統(tǒng)的研制和開發(fā)是最具意義的挑戰(zhàn)，研制不同類型的虛擬人體對科學(xué)工作者來說更是一項艱巨的任務(wù)。

在生活中，虛擬現(xiàn)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(shè)計的虛擬現(xiàn)實設(shè)備，它能像電影或動畫中描述的那樣，一戴上就可以進(jìn)入到游戲世界中，讓人感覺自己就活在游戲當(dāng)中。內(nèi)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(jìn)行實時捕捉，即時跟蹤并對畫面視角進(jìn)行調(diào)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(xiàn)以及環(huán)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(xiàn)有喜也有憂。UL作為一家知名的國際產(chǎn)品安全測試及認(rèn)證公司表示，關(guān)于VR使用方面的法律法規(guī)仍舊是一片空白，如果使用者稍有不慎或是外界有事物產(chǎn)生干擾，就有可能產(chǎn)生精神或身體上的傷害。身體上包括重復(fù)性勞損腕隧道癥候群、頭戴式設(shè)備對腦部產(chǎn)生的傷害，例如頭痛與視力減退、傳染病、長期沉浸導(dǎo)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(chǎn)品結(jié)構(gòu)的安全性能等；心理上包括對現(xiàn)實世界的害怕、逃避或是無法適應(yīng)，亦或是對虛擬世界的沉迷。

圖5 VR設(shè)備暢想

完全由計算機生成的視覺、聽覺、觸覺是VR技術(shù)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(shè)備，VR技術(shù)可以給使用者提供一個進(jìn)行觀察并且進(jìn)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(huán)境中的變化并用身體進(jìn)行信號的輸入從而改變環(huán)境。VR技術(shù)不單單包含了計算機圖形、仿真、傳感、顯示等技術(shù)，它更是這些技術(shù)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(tǒng)統(tǒng)變?yōu)楝F(xiàn)實。

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