微型虛擬現(xiàn)實(shí)頭部跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：頭部跟蹤系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分之一，它的任務(wù)是檢測(cè)頭部的姿態(tài)與方位。設(shè)計(jì)一種基于兩軸磁阻效應(yīng)傳感器和三軸MEMS加速度傳感器的微型虛擬現(xiàn)實(shí)頭部跟蹤系統(tǒng)，首先闡述了系統(tǒng)的基本原理及整體構(gòu)成，其次給出了硬件設(shè)計(jì)以及頭部方位、姿態(tài)求解的算法；最后，給出了系統(tǒng)的運(yùn)行效果。結(jié)果表明，該頭部跟蹤系統(tǒng)可實(shí)際應(yīng)用于頭部緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)場(chǎng)合．同時(shí)具有體積小、功耗低、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：磁阻效應(yīng)傳感器；加速度傳感器；虛擬現(xiàn)實(shí)；頭部跟蹤系統(tǒng)

0 引言
虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)技術(shù)，亦稱靈境技術(shù)，是一門由應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的涉及眾多學(xué)科的新型實(shí)用技術(shù)，常集計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感與測(cè)量技術(shù)、傳真技術(shù)、微電子技術(shù)等于一體，通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)三維視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)的環(huán)境，使用戶利用人機(jī)對(duì)話工具，同虛擬環(huán)境的物體進(jìn)行交互操作，使用戶仿佛置身于現(xiàn)實(shí)環(huán)境之中，達(dá)到境界虛擬，感覺(jué)真實(shí)的效果。在現(xiàn)實(shí)世界中，有些環(huán)境人們難于身臨其境或者實(shí)現(xiàn)條件過(guò)高、費(fèi)用過(guò)大，而虛擬現(xiàn)實(shí)卻能超越時(shí)間與空問(wèn)、現(xiàn)實(shí)與抽象，將各種無(wú)法接觸的環(huán)境再現(xiàn)于人們的面前，為人類發(fā)展提供了一個(gè)新的途徑。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)已應(yīng)用于軍事、教育、醫(yī)學(xué)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、科學(xué)可視化、訓(xùn)練、建筑、娛樂(lè)、藝術(shù)等各個(gè)方面。
實(shí)時(shí)交互性是虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵特征。為了實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)之間的交互，需要使用專門設(shè)計(jì)的輸入／輸出設(shè)備把用戶的命令輸入給計(jì)算機(jī)，同時(shí)把模擬過(guò)程中的反饋信息提供給用戶。這些設(shè)備包括大視角的立體顯示器、頭部跟蹤系統(tǒng)、三維聲音系統(tǒng)、觸覺(jué)反饋系統(tǒng)和力反饋系統(tǒng)等。其中跟蹤系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互的關(guān)鍵設(shè)備。如果沒(méi)有跟蹤系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)就不能改變空間視圖，以配合用戶頭部的姿態(tài)變化，沉浸感也就蕩然無(wú)存。目前虛擬現(xiàn)實(shí)跟蹤系統(tǒng)主要有機(jī)械跟蹤系統(tǒng)、光學(xué)跟蹤系統(tǒng)、超聲波跟蹤系統(tǒng)、電磁場(chǎng)跟蹤系統(tǒng)等。但較完善的產(chǎn)品價(jià)格都很昂貴，對(duì)環(huán)境的要求比較嚴(yán)格，而且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。利用磁阻效應(yīng)傳感器和MEMS加速度傳感器開發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)跟蹤系統(tǒng)，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可靠性高，而且性價(jià)比高，適用面廣。

1 系統(tǒng)基本原理及整體構(gòu)成
本系統(tǒng)主要由MSP430F149微控制器、兩軸磁阻效應(yīng)傳感器HMCl022、三軸MEMS加速度傳感器MMA7455、藍(lán)牙模塊BC04組成。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，微控制器以lOO Hz的頻率采集磁阻效應(yīng)傳感器和加速度傳感器的數(shù)據(jù)，并計(jì)算出用戶頭部的三維姿態(tài)信息，將其通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)用戶頭部的三維姿態(tài)信息展示相應(yīng)的視景，使用戶所看到視景跟隨頭部的運(yùn)動(dòng)而變化，產(chǎn)生真實(shí)的沉浸感。系統(tǒng)整體構(gòu)成如圖1所示。