来源：第三维度    作者：周荣莲    单位：广东农工商职业技术学院
    摘要：随着微型计算机的普及和微机上三维图形处理能力的显著提高，在微机上实现桌面式虚拟现实系统成为了可能。实现了一种简便的桌面式虚拟现实系统，说明了该系统的软硬件结构，并对试验结果进行了分析。
    虚拟现实技术是当今极具发展前途的技术，它是计算机技术、图形图象技术、多媒体技术、网络技术等多种技术综合发展而成的。虚拟现实技术的主要特点是沉浸感、想象和交互性，而良好的交互性是产生强烈沉浸感的基础，跟踪定位技术是虚拟现实技术的核心技术之一。随着计算机技术的发展，微机上的图形处理能力空前提高，使得在微机上实现虚拟现实技术成为了可能。现今的计算机具有较强的接口能力，所以，在微机上实现跟踪定位技术也是极具研究价值的课题。
    1. 跟踪定位技术概述
    在虚拟现实系统中，为了与虚拟环境交互操作，必须感知操作者的视线，也就是说，必须跟踪头部的位置和方向，因此，必须研制与此相适应的跟踪装置，而传感器技术是实现这一功能的关键硬件技术。
    头部跟踪设备用于跟踪操作者头部的位置和方向，主要为了感知操作者的视线，以动态地产生虚拟环境中人“看到”的图像，模拟人中虚拟环境中的运动[1]。确定一个物体在三维空间中的位置和方向这一课题，最初是由于森林工作的工人自身定位的需要。由于工人进入森林中，很容易迷失方向，就要求研制出一种能精确定位的装置，跟踪定位技术就是由于这个实际需要发展起来的。虚拟现实系统中用到的跟踪装置的原理主要有声学、光学和磁性三种。
    2. 超声波跟踪定位原理
    基于超声波测距的平面定位系统是采用声学测量的方法。过去人们往往认为超声波测距的精度一般不会很高，但这种基于超声波测距平面跟踪定位系统具有比较高的精度。超声波传感器检测距离的手段多种多样，但最主要的方法是检测渡越时间。渡越时间是指超声波从发射器发出到超声波接收器接收到声波所经历的时间间隔。声源与目标之间的距离与声波在声源与目标之间传播所需的时间成正比[2]，测量出渡越时间就可计算出声源与目标之间的距离。根据多个不同位置的超声波对同一个超声波发射器进行测距，通过计算可确定这个超声波发射器在二维空间的位置。这种测量距离的方法对对象的材料性质依赖较小，并且不受电磁波、粉尘等干扰[3,4,5]。
    其二维定位原理是：利用如下测量原理可以实现二维定位与定向。设在参考坐标系的 X轴上分别安装有 2 个超声波接收器 R1、R2，同时在要检测的物体安装有超声波发射器 S。如图 1 所示。
图1 超声波二维定位系统原理
    设在静止参考二维坐标系 XY 中，S 为运动物体上的参考点，其坐标用 S(Sx,Sy)表示，R1、R2 是在 X 轴上关于原点对称的两个固定点上，其坐标分别为 R1(-a/2,0)和 R2(a/2,0)，设点 S 到 R1、R2 两点距离分别为 L1、L2，则可以列出下列方程组：


    求得 S 的坐标为：



    由此可以推知，当在 S 点固定超声波发射器，在 R1、R2 分别固定超声波接收器，根据测得发送器和接收器之间的距离和发射器之间的距离 a 即可求出发射器的平面坐标，由于超声波测距系统的快速响应特征，通过一定采样率的连续测量即可实现运动物体位置坐标的快速动态测量。
    3. 超声波跟踪定位系统实现
    超声波位置跟踪器是此桌面虚拟现实系统实现自然交互的重要手段和核心问题。为了能使交互自然和画面流畅，使用多种频率发送超声波，以便提高跟踪速度。多频超声波位置跟踪器的主要组成框图如下：
图 2 多频超声波位置跟踪器组成框图
    系统由计算机、数字 I/O 卡、超声波发送/接收电路组成。其中，计算机系统采用普通微机；数字 I/O 卡是基于 ISA 总线的 16 位数字输出、8 位数字输入的 I/O 卡；超声波发送电路采用了 30kHz、35kHz、40kHz 三个频率发送超声波。
    S 发射超声波，设发射的时间间隔定为 t(ms)，t 的大小由超声波所应测量的最大距离决定，估算公式为：  是测距系统的最大作用距离。定时电路时序及各信号波形如图 3 所示。
图 3 定时电路时序及各信号波形
    TRIGGER 为触发脉冲，整个时序由它控制。WAVE-S 信号中为方形的波为超声波发射信号，WAVE-R 为超声波接收信号。WAVE 为经过滤波器后的信号。PEEK 是经过峰值检测电路后的信号。RESET 为峰值检测电路的复位信号。SIGNAL 是最终送入数字 I/O 卡的信号。渡越时间由数字 I/O 卡上的计数器计数测量的。(图 3 中波形信号在图 2 中对应标注)由于采用多种频率发送超声波，而相应 3 种频率的接收电路是分离的，调节滤波电路可将其它频率的信号滤掉（其它频率信号经过峰值检测后，不高于触发器的阀值）。这样可以有效提高跟踪器的响应速度。
    4. 误差分析及处理
    根据上述原理和设计方法，完成实验电路，并编制好控制软件，进行测距实验，得到如下结果，见表 1。
表 1 实验结果

    对实验数据进行观察，可以看出，可以拟合为一条直线，直线如图 4。由最小二乘法拟合得到直线方程为：
    y=0.965x+27.802
    其中，y 为实测距离，x 为标准距离。
图 4 由实验数据拟合的直线
    在超声测距中，影响测距精度的因素较多，其中影响较大的有环境温度，触发时间，硬件响应时间等。
    环境温度：温度对测量精度的影响是比较明显的，可以参考的文献比较多，利用公式可以对速度随温度的变化进行补偿，一般的在实用温度(-40℃—+80℃)下相对于距离测定值±0.5%的精度。由于在本系统中没有采用温度传感器，所以，需要在使用前手动设置温度范围。采用一种分段补偿的方法进行温度补偿：即将0℃—40℃的温度范围划分成 8 段，每段 5℃，如在 0℃—5℃范围内认为温度是 2.5℃，5℃—10℃范围认为是 7.5℃，如此类推。这样可以把测距精度控制在 0.5%以下。触发时间：从复杂性方面考虑，本测距电路没有采用 AGC 放大器，并且阀值固定，但是测距的作用距离在 3m 以内，信号的动态变化范围比较大，所以会因为触发时间的不同引入一定的误差。如图所示，当所测距离比较近时，接收到的信号就比较强，信号的第 1 个周期就可以超出阀值；而当距离比较远时，接收到的信号就比较弱，信号在第 2 个周期或者以后才出现阀值，这时由于触发电路的信号边沿不同，就造成了误差。
图 5 触发示意图
    在超声测距系统中，驱动波形不是连续的，而是一组一组的脉冲，通常一组中包含 6—10个 40kHz 的脉冲。按照超声传播的机理，距离较远时信号峰值大约在第 3 周出现。对于这种误差的补偿方法有两种：一种是改变设计，采用 AGC 放大器，使在不同的距离时触发电路的都是同一周的声波边沿[6]。另一种方法就是根据测得的距离不同，用软件进行修正。即当测得的距离较远时，将触发边沿与声波的第 1 周前沿的时间差 T 减去，T 值由实验观察得到。采用以上的误差补偿方式后，可以将测距误差限制在 0.2%以内。
    硬件电路是有一定的延迟的，对滤波器之外的电路来讲，这个延迟累计大约是 1µs，滤波器的延迟可以达到几个 µs，这样产生的误差就达到几个 mm，对测距系统的影响比较大。
    由于硬件电路的延迟是一定的，其延迟固定，所以，通过观察和将实测数据进行回归分析，可以得到电路的延迟。在软件中可以进行相应的修正[7]。
    计数器的误差：系统采用 8253A 对渡越时间进行测量，8253A 的时钟是 8.029MHz 的ISA 总线时钟 32 分频得到的。所以每个计时周期是 3.8 微秒，即每次计时间隔 3.8 微秒。这就产生了最大为 1.2mm 的误差。要进一步减小误差，就必须采用更高频率的计时时钟。
    5. 结束语
    虚拟现实技术是一系列高新技术的汇集，这些技术包括计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术以及高度并行的实时计算技术、还包括人的行为学研究等多项关键技术，它是这些技术的更高层次的集成和渗透。此系统中使用多频超声波进行跟踪，有效地提高了跟踪的响应速度，但是也存在着调试复杂、抗干扰性降低的问题，总之，本系统的实现对在桌面式虚拟现实系统的跟踪系统作了初步的研究，并提供了参考，对进一步研究有较大的帮助。
    作者简介
    周荣莲，女，（1965～），四川隆昌人，广东农工商职业技术学院讲师；1990 年毕业于四川师范大学，大学本科，在职研究生。
    联系电话：13044297393 020—84288094 E-mail:Zhouwhf@163.com 
    参考文献
    [1] 曾庆军，黄惟一．虚拟现实中的传感器技术[J]．传感器技术．1997.16(1):1-4
    [2] 纪良文，蒋静坪．机器人超声测距数据的采集和处理[J]．电子技术应用．2001.4:16-19
    [3] Hidetoshi Nonaka,Tsutomu Da-te. Ultrasonic Position Measurement and its Application toHuman Interface[J]. IEEE transactions on Instrumentation and Measurement. 1995.44(3):771-774 
    [4] Fernando Figueroa, Enrique Barbieri. An Ultrasonic Ranging System for Structal VibrationMeasurements[J]. IEEE transactions on Instrumentation and Measurement. 1991.40(4):764-769
    [5] Daniele Marioli, Claudio Nrduzzi, Carlo Offelli. Digital Time-of-Flight Measurement forUltrasonic Sensors[J]. IEEE transactions on Instrumentation and Measurement. 1992.41(!):93-97
    [6] 杨劲松，王敏，黄心汉．超声波可变阀值测距装置[J]．电子技术应用．1998.7:7-9
    [7] 马志敏．超声检测中干扰信号的识别与抑制[J]．应用声学．1993.12(6):22-27