Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из отслеживания позиции )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для отслеживания положения с помощью инкрементальных энкодеров см. Инкрементальный энкодер § Отслеживание положения .

В виртуальной реальности (VR) позиционное отслеживание определяет точное положение установленных на голове дисплеев , контроллеров, других объектов или частей тела в евклидовом пространстве.. Поскольку цель VR - имитировать восприятие реальности, крайне важно, чтобы позиционное отслеживание было точным и точным, чтобы не разрушить иллюзию трехмерного пространства. Для этого было разработано несколько методов отслеживания положения и ориентации (тангажа, рыскания и крена) дисплея и любых связанных с ним объектов или устройств. Во всех упомянутых способах используются датчики, которые многократно записывают сигналы от передатчиков на отслеживаемом объекте (объектах) или рядом с ним, а затем отправляют эти данные в компьютер, чтобы поддерживать приблизительное их физическое местоположение. По большому счету, эти физические местоположения идентифицируются и определяются с использованием одной или нескольких из трех систем координат: декартовой прямолинейной системы, сферической полярной системы и цилиндрической системы.Многие интерфейсы также были разработаны для отслеживания и управления движением человека в виртуальном трехмерном пространстве и взаимодействия с ним; такие интерфейсы должны работать в тесном контакте с системами отслеживания местоположения, чтобы обеспечить удобство работы пользователей.[1]

Позиционное отслеживание в виртуальной реальности

Беспроводное отслеживание [ править ]

Беспроводное отслеживание использует набор привязок, которые размещаются по периметру пространства отслеживания, и один или несколько отслеживаемых тегов. Эта система похожа по концепции на GPS, но работает как в помещении, так и на улице. Иногда его называют домашним GPS. Теги триангулируют свое трехмерное положение с помощью якорей, размещенных по периметру. Беспроводная технология под названием Ultra Wideband позволила отслеживать положение с точностью до 100 мм. При использовании слияния датчиков и высокоскоростных алгоритмов точность отслеживания может достигать уровня 5 мм со скоростью обновления 200 Гц или задержкой 5 мс .

Плюсы :

  • Пользователь испытывает неограниченное движение [2]
  • Обеспечивает более широкий диапазон движений

Минусы :

  • Низкая частота дискретизации может снизить точность
  • Низкая задержка (определение) по сравнению с другими датчиками

Оптическое слежение [ править ]

В оптическом слежении используются камеры, размещенные на гарнитуре или вокруг нее, для определения положения и ориентации на основе алгоритмов компьютерного зрения . Этот метод основан на том же принципе, что и стереоскопическое зрение человека . Когда человек смотрит на объект с помощью бинокулярного зрения, он / она может приблизительно определить, на каком расстоянии находится объект из-за разницы в перспективе между двумя глазами. При оптическом слежении камеры калибруются для определения расстояния до объекта и его положения в пространстве. Оптические системы надежны и относительно недороги, но их бывает сложно откалибровать. Кроме того, системе требуется прямая линия света без окклюзий, иначе она будет получать неверные данные.

Оптическое слежение может осуществляться как с маркерами, так и без них. При отслеживании с помощью маркеров используются цели с известными шаблонами, которые служат опорными точками, и камеры постоянно ищут эти маркеры, а затем используют различные алгоритмы (например, алгоритм POSIT ) для определения положения объекта. Маркеры могут быть видимыми, например, напечатанные QR-коды , но многие используют инфракрасный (ИК) свет, который может улавливаться только камерами. Активные реализации оснащены маркерами со встроенными ИК-светодиодами, которые могут включаться и выключаться для синхронизации с камерой, что упрощает блокировку других ИК-источников в зоне отслеживания. [3] Пассивные реализации - ретрорефлекторы.которые отражают ИК-свет обратно к источнику с небольшим рассеянием. Для отслеживания без маркеров не требуются заранее расставленные цели, вместо этого используются естественные особенности окружающей среды для определения положения и ориентации. [4]

Внешнее отслеживание [ править ]

В этом методе камеры размещаются в стационарных местах в окружающей среде, чтобы отслеживать положение маркеров на отслеживаемом устройстве, например на головном дисплее или контроллерах. Наличие нескольких камер позволяет по-разному просматривать одни и те же маркеры, и это перекрытие позволяет получать точные показания положения устройства. [3] Оригинальный Oculus Rift использует эту технику, размещая группу ИК-светодиодов на гарнитуре и контроллерах, чтобы внешние камеры в окружающей среде могли определять свое положение. [5] Этот метод является наиболее зрелым и находит применение не только в виртуальной реальности, но и в технологии захвата движения для кино. [6] Однако это решение ограничено пространством, требуя от внешних датчиков, постоянно находящихся в поле зрения устройства.

Плюсы:

  • Более точные показания можно улучшить, добавив больше камер
  • Более низкая задержка, чем отслеживание наизнанку [7]

Минусы:

  • Окклюзия, камерам нужна прямая видимость, иначе отслеживание не будет работать
  • Необходимость внешних датчиков означает ограниченное игровое пространство

Отслеживание наизнанку [ править ]

В этом методе камера помещается на отслеживаемое устройство и смотрит наружу, чтобы определить ее местоположение в окружающей среде. Гарнитуры, в которых используется эта технология, имеют несколько камер, направленных в разные стороны, чтобы получить обзор всего окружения. Этот метод может работать с маркерами или без них. Система Lighthouse, используемая в HTC Vive, является примером активных маркеров. Каждый внешний модуль Lighthouse содержит ИК-светодиоды, а также лазерную матрицу, которая перемещается в горизонтальном и вертикальном направлениях, а датчики на гарнитуре и контроллерах могут обнаруживать эти развертки и использовать время для определения положения. [8] [9] Отслеживание без маркеров, например, в Oculus Quest, не требует установки вне помещения. Он использует камеры на гарнитуре для процесса, называемого SLAM , или одновременной локализации и картирования, когда в реальном времени создается трехмерная карта окружающей среды. [4] Затем алгоритмы машинного обучения определяют, где расположена гарнитура на этой трехмерной карте, используя обнаружение функций для восстановления и анализа окружающей обстановки. [10] [11] Эта технология позволяет автономным гарнитурам высокого класса, таким как Microsoft HoloLens , но также открывает двери для более дешевых мобильных гарнитур без необходимости подключения к внешним компьютерам или датчикам. [12]

Плюсы:

  • Позволяет увеличить игровое пространство, может расширяться до размера комнаты
  • Адаптируется к новым условиям

Минусы:

  • Требуется дополнительная обработка на борту
  • Задержка может быть выше [7]

Инерционное слежение [ править ]

При инерционном слежении используются данные акселерометров и гироскопов . Акселерометры измеряют линейное ускорение. Поскольку производная положения по времени - это скорость, а производная скорости - это ускорение, выходные данные акселерометра могут быть интегрированы для определения скорости, а затем интегрированы снова, чтобы найти положение относительно некоторой начальной точки. Гироскопы измеряют угловую скорость . Угловая скорость также может быть интегрирована для определения углового положения относительно начальной точки. Современные системы инерциальных измерительных единиц (ИИБ) основаны на технологии МЭМС.позволяет отслеживать ориентацию (крен, тангаж, рыскание) в пространстве с высокой частотой обновления и минимальной задержкой. Гироскопы всегда используются для отслеживания вращения, но для отслеживания положения используются разные методы, основанные на таких факторах, как стоимость, простота настройки и объем отслеживания. [13]

Мертвый расчет используется для отслеживания позиционных данных, которые изменяют виртуальную среду, обновляя изменения движения пользователя. [14] Частота обновления счисления и алгоритм прогнозирования, используемые в системе виртуальной реальности, влияют на взаимодействие с пользователем, но нет единого мнения о передовых методах, поскольку было использовано множество различных методов. [14] Трудно полагаться только на инерционное слежение для определения точного положения, потому что счисление приводит к дрейфу, поэтому этот тип слежения не используется изолированно в виртуальной реальности. [15] Было обнаружено, что задержка между движением пользователя и отображением виртуальной реальности более 100 мс вызывает тошноту. [16]

Инерционные датчики способны отслеживать не только вращательное движение (крен, тангаж, рыскание), но и поступательное движение. Эти два типа движения вместе известны как шесть степеней свободы . Многие приложения виртуальной реальности должны отслеживать не только повороты головы пользователей, но и то, как их тела двигаются вместе с ними (влево / вправо, вперед / назад, вверх / вниз). [17] Шесть степеней свободы необязательны для всех возможностей виртуальной реальности, но они полезны, когда пользователю нужно перемещать вещи, кроме головы.

Плюсы :

  • Может хорошо отслеживать быстрые движения по сравнению с другими датчиками, и особенно хорошо в сочетании с другими датчиками
  • Возможность высокой частоты обновления

Минусы :

  • Склонен к ошибкам, которые быстро накапливаются из-за точного счёта
  • Любая задержка или просчеты при определении положения могут привести к появлению у пользователя таких симптомов, как тошнота или головные боли [18]
  • Может не успевать за пользователем, который движется слишком быстро [18]
  • Инерционные датчики обычно могут использоваться только в помещениях и лабораториях, поэтому их применение на открытом воздухе ограничено [19]

Sensor Fusion [ править ]

Слияние датчиков объединяет данные из нескольких алгоритмов отслеживания и может дать лучшие результаты, чем только одна технология. Один из вариантов слияния сенсоров - объединение инерционного и оптического слежения. Эти два метода часто используются вместе, потому что, хотя инерционные датчики оптимальны для отслеживания быстрых перемещений, они также быстро накапливают ошибки, а оптические датчики предлагают абсолютные эталоны для компенсации инерционных слабостей. [13]Кроме того, инерционное слежение может компенсировать некоторые недостатки оптического слежения. Например, оптическое слежение может быть основным методом слежения, но когда происходит окклюзия, инерционное слежение оценивает положение до тех пор, пока объекты снова не станут видимыми для оптической камеры. Инерционное отслеживание может также генерировать данные о местоположении между данными оптического отслеживания, поскольку инерционное отслеживание имеет более высокую частоту обновления . Оптическое слежение также помогает справиться с дрейфом инерционного слежения. Комбинация оптического и инерционного слежения показала, что уменьшает ошибки несоосности, которые обычно возникают, когда пользователь слишком быстро двигает головой. [18] Развитие микроэлектрических магнитных систем сделало магнитное / электрическое слежение более распространенным из-за их небольшого размера и низкой стоимости. [19]

Акустическое слежение [ править ]

Системы акустического слежения используют методы определения положения объекта или устройства, аналогичные тем, которые естественным образом обнаруживаются у животных, использующих эхолокацию . По аналогии с летучими мышами, обнаруживающими объекты с использованием разницы во времени возврата звуковой волны к их двум ушам, системы акустического слежения в VR могут использовать наборы из как минимум трех ультразвуковых датчиков и как минимум трех ультразвуковых передатчиков на устройствах для расчета положения и ориентации объекта ( например, портативный контроллер). [20] Есть два способа определить положение объекта: измерить время прохождения звуковой волны от передатчика до приемников или фазовую когерентность синусоидальной звуковой волны путем приема передачи.

Методы времени пролета [ править ]

Учитывая набор из трех неколлинеарных датчиков (или приемников) с расстояниями между ними d 1 и d 2 , а также время прохождения ультразвуковой звуковой волны (волны с частотой более 20 кГц) от передатчика до этих трех приемников, Относительное декартово положение передатчика можно рассчитать следующим образом:

Здесь каждый l i представляет собой расстояние от передатчика до каждого из трех приемников, рассчитанное на основе времени прохождения ультразвуковой волны с использованием уравнения l = ct us . Константа c обозначает скорость звука, которая равна 343,2 м / с в сухом воздухе при температуре 20ºC. Поскольку требуются как минимум три приемника, эти вычисления обычно называют триангуляцией .

Помимо положения, для определения ориентации устройства (т. Е. Степени его вращения во всех направлениях) необходимо знать не менее трех неколлинеарных точек на отслеживаемом объекте, что требует, чтобы количество ультразвуковых передатчиков составляло не менее трех на каждое отслеживаемое устройство в дополнение к три вышеупомянутых приемника. Передатчики последовательно излучают ультразвуковые волны в направлении трех приемников, которые затем могут использоваться для получения пространственных данных на трех передатчиках с использованием методов, описанных выше. Затем ориентация устройства может быть получена на основе известного расположения передатчиков на устройстве и их пространственного положения относительно друг друга. [21]

Фазово-когерентные методы [ править ]

В отличие от методов TOF, методы фазово-когерентного (ПК) отслеживания также использовались для определения местоположения объекта акустически. Отслеживание с помощью ПК включает сравнение фазы текущей звуковой волны, принятой датчиками, с фазой предыдущего опорного сигнала, чтобы можно было определить относительное изменение положения передатчиков по последнему измерению. Поскольку этот метод работает только с наблюдаемыми изменениями значений положения, а не с абсолютными измерениями, любые ошибки в измерениях имеют тенденцию усугубляться при большем количестве наблюдений. Следовательно, этот метод со временем потерял популярность среди разработчиков.


Плюсы :

  • Точное измерение координат и углов
  • Датчики маленькие и легкие, что позволяет гибко использовать их в конструкции.
  • Устройства дешевы и просты в изготовлении.
  • Нет электромагнитных помех

Минусы :

  • Изменчивость скорости звука в зависимости от температуры, атмосферного давления и влажности окружающей среды может вызвать ошибку в расчетах расстояния.
  • Диапазон ограничен и требует прямой видимости между излучателями и приемниками.
  • По сравнению с другими методами, максимально возможная частота дискретизации несколько мала (примерно несколько десятков Гц) из-за относительно низкой скорости звука в воздухе. Это может привести к задержке измерения до нескольких десятков миллисекунд, если только сочетание датчиков не используется для увеличения ультразвуковых измерений.
  • Акустические помехи (т. Е. Другие звуки в окружающей среде) могут мешать считыванию.
  • Таким образом, реализация акустического отслеживания является оптимальной в тех случаях, когда есть полный контроль над окружающей средой, в которой находится система VR или AR, например, в авиасимуляторе.

Таким образом, реализация акустического отслеживания является оптимальной в тех случаях, когда есть полный контроль над окружающей средой, в которой находится система VR или AR, например, в авиасимуляторе. [1] [22] [23]

Магнитное слежение [ править ]

Магнитное отслеживание (или электромагнитное отслеживание) основано на том же принципе, что и терменвокс . Он основан на измерении интенсивности неоднородных магнитных полей с помощью электромагнитных датчиков. Базовая станция , часто упоминается как генератор передатчика или полей системы, генерирует чередующуюся или статическое электромагнитное поле, в зависимости от архитектуры системы.

Чтобы охватить все направления в трехмерном пространстве, последовательно генерируются три магнитных поля. Магнитные поля создаются тремя перпендикулярными друг другу электромагнитными катушками. Эти катушки следует поместить в небольшой корпус, установленный на движущейся цели, положение которой необходимо отслеживать. Ток, последовательно проходя через катушки, превращает их в электромагниты, что позволяет им определять свое положение и ориентацию в пространстве.

Поскольку для магнитного отслеживания не требуется головной дисплей, который часто используется в виртуальной реальности, это часто система отслеживания, используемая в полностью иммерсивных дисплеях виртуальной реальности. [18] Обычное оборудование, такое как налобные дисплеи, мешает пользователю в полностью закрытой виртуальной реальности, поэтому предпочтение отдается альтернативному оборудованию, например, используемому в магнитном слежении. Магнитное отслеживание реализовано Polhemus, а в Razor Hydra - Sixense . Система плохо работает рядом с любыми электропроводящими материалами, такими как металлические предметы и устройства, которые могут влиять на электромагнитное поле. Магнитное слежение ухудшается по мере удаления пользователя от базового излучателя [18], а масштабируемая область ограничена и не может превышать 5 метров.


Плюсы :

  • Использует ненавязчивое оборудование, которое не нужно носить пользователю, и не мешает ощущениям в виртуальной реальности.
  • Подходит для полностью иммерсивных дисплеев виртуальной реальности

Минусы :

  • Пользователь должен находиться рядом с базовым излучателем
  • Ухудшается отслеживание вблизи металлов или предметов, которые мешают электромагнитному полю
  • Имеют много ошибок и дрожания из-за частых требований к калибровке [19]

См. Также [ править ]

  • Оценка позы в 3D
  • Дополненная реальность
  • Шлем виртуальной реальности
  • Система позиционирования в помещении
  • Отслеживание пальца
  • Захвата движения
  • Одновременная локализация и картография
  • Система слежения

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Aukstakalnis, Стив. Практическая дополненная реальность: руководство по технологиям, приложениям и человеческому фактору для AR и VR . Бостон. ISBN 978-0-13-409429-8. OCLC  958300989 .
  2. ^ Emura, Сатору; Тачи, Сусуму (август 1998 г.). «Мультисенсорное интегрированное прогнозирование виртуальной реальности» . Присутствие: телеоператоры и виртуальные среды . 7 (4): 410–422. DOI : 10.1162 / 105474698565811 . ISSN 1054-7460 . S2CID 34491936 .  
  3. ^ a b VR, Road to (02.06.2014). «Обзор технологий позиционного отслеживания для виртуальной реальности» . Дорога в VR . Проверено 6 ноября 2020 .
  4. ^ a b «Как Oculus втиснул сложное отслеживание в ничтожное оборудование» . TechCrunch . Проверено 6 ноября 2020 .
  5. ^ «Магазин приложений Oculus потребует предварительное одобрение, рейтинги комфорта и налоги» . TechCrunch . Проверено 6 ноября 2020 .
  6. ^ Пустка, Д .; Hülß, J .; Willneff, J .; Панкрац, Ф .; Huber, M .; Клинкер, Г. (ноябрь 2012 г.). «Оптическое внешнее отслеживание с использованием немодифицированных мобильных телефонов» . 2012 Международный симпозиум IEEE по смешанной и дополненной реальности (ISMAR) : 81–89. DOI : 10.1109 / ISMAR.2012.6402542 . ISBN 978-1-4673-4662-7. S2CID  18349919 .
  7. ^ a b «Inside-out v Outside-in: как работает отслеживание VR и как это изменится» . Wareable . 2017-05-03 . Проверено 6 ноября 2020 .
  8. ^ Демпси, П. (2016-08-01). «Разборка: гарнитура виртуальной реальности HTC Vive» . Инженерия и технологии . 11 (7): 80–81. DOI : 10.1049 / et.2016.0731 . ISSN 1750-9637 . 
  9. ^ Нихорстер, Дидерик С .; Ли, Ли; Лаппе, Маркус (июнь 2017 г.). «Точность и точность отслеживания положения и ориентации в системе виртуальной реальности HTC Vive для научных исследований» . i-Восприятие . 8 (3): 204166951770820. DOI : 10,1177 / 2041669517708205 . ISSN 2041-6695 . PMC 5439658 . PMID 28567271 .   
  10. ^ Чен, Лиянь; Пэн, Сяоюань; Яо, Цзюньфэн; Цигуань, Хун; Чен, Чен; Ма, Ихан (август 2016 г.). «Исследование системы дополненной реальности без опознавательных знаков для домашней выставки» . 2016 11-я Международная конференция по информатике и образованию (ICCSE) . Нагоя, Япония: IEEE: 524–528. DOI : 10.1109 / ICCSE.2016.7581635 . ISBN 978-1-5090-2218-2. S2CID  17281382 .
  11. ^ Расмуссен, Локи; Бейсингер, Джей; Миланова, Мариофанна (март 2019). «Сетевые потребительские системы для обеспечения среды разработки для безмаркерного отслеживания наизнанку для гарнитур виртуальной реальности» . Конференция IEEE 2019 года по виртуальной реальности и пользовательским 3D-интерфейсам (VR) . Осака, Япония: IEEE: 1132–1133. DOI : 10,1109 / VR.2019.8798349 . ISBN 978-1-7281-1377-7. S2CID  201066258 .
  12. ^ хферрон. «Как работает отслеживание наизнанку - Путеводитель для энтузиастов» . docs.microsoft.com . Проверено 6 ноября 2020 .
  13. ^ a b Блезер, Габриэле; Стрикер, Дидье (февраль 2009 г.). «Расширенное отслеживание за счет эффективной обработки изображений и сочетания визуально-инерциальных датчиков». Компьютеры и графика . 33 (1): 59–72. DOI : 10.1016 / j.cag.2008.11.004 . S2CID 5645304 . 
  14. ^ a b Блезер, Габриэле; Стрикер, Дидье (февраль 2009 г.). «Расширенное отслеживание за счет эффективной обработки изображений и сочетания визуально-инерциальных датчиков». Компьютеры и графика . 33 (1): 59–72. DOI : 10.1016 / j.cag.2008.11.004 . S2CID 5645304 . 
  15. ^ "Как работает позиционное отслеживание виртуальной реальности" . VentureBeat . 2019-05-05 . Проверено 6 ноября 2020 .
  16. ^ Emura, Сатору; Тачи, Сусуму (август 1998 г.). «Мультисенсорное интегрированное прогнозирование виртуальной реальности» . Присутствие: телеоператоры и виртуальные среды . 7 (4): 410–422. DOI : 10.1162 / 105474698565811 . ISSN 1054-7460 . S2CID 34491936 .  
  17. ^ «Краткое руководство по степеням свободы в виртуальной реальности» . Kei Studios . 2018-02-12 . Проверено 6 ноября 2020 .
  18. ^ a b c d e Hogue, A .; Дженкин, MR; Эллисон, РС (май 2004 г.). «Оптико-инерционная система слежения для полностью закрытых дисплеев виртуальной реальности» . Первая канадская конференция по компьютерному зрению и зрению роботов, 2004 г. Труды. : 22–29. DOI : 10,1109 / CCCRV.2004.1301417 . ISBN 0-7695-2127-4. S2CID  1010865 .
  19. ^ a b c Атрсаеи, Араш; Салариа, Хасан; Аласти, Ария; Абедин, Мохаммад (май 2018 г.). «Отслеживание движения руки человека с помощью инерционных / магнитных датчиков с использованием фильтра Калмана без запаха и ограничения относительного движения» . Журнал интеллектуальных и робототехнических систем . 90 (1–2): 161–170. DOI : 10.1007 / s10846-017-0645-Z . ISSN 0921-0296 . S2CID 3887896 .  
  20. ↑ Джонс, Гарет (июль 2005 г.). «Эхолокация» . Текущая биология . 15 (13): R484 – R488. DOI : 10.1016 / j.cub.2005.06.051 . ISSN 0960-9822 . PMID 16005275 .  
  21. ^ Михель, Матяж; Новак, Домен; Бегуш, Само (2014). «Технология и приложения виртуальной реальности» . Интеллектуальные системы, управление и автоматизация: наука и техника . 68 . DOI : 10.1007 / 978-94-007-6910-6 . ISBN 978-94-007-6909-0. ISSN  2213-8986 .
  22. ^ Т. Мазурик, История виртуальной реальности, приложения, технологии и будущее. Вена, Австрия: Венский технологический университет, 1996.
  23. ^ Р. Холлоуэй и А. Ластра, «Виртуальные среды: обзор технологий», cs.unc.edu. [В сети]. Доступно: http://www.cs.unc.edu/techreports/93-033.pdf.

Библиография [ править ]

  • Янник П. Роллан, Йохан Байо и Алексей А. Гун. Обзор технологий отслеживания для виртуальных сред (PDF) .CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  • Викас Кумар Н. Интеграция инерциальной навигационной системы и глобальной системы позиционирования с использованием фильтрации Калмана (PDF) .
  • JD Hol, TB Schon, F. Gustafsson, PJ Slycke. Sensor Fusion для дополненной реальности (PDF) .CS1 maint: multiple names: authors list (link)