AR硬件中的常见五种跟踪器

增强现实技术是在虚拟现实技术的基础上发展起来的，因此在硬件结构上同虚拟现实系统的硬件一样具有一定的继承性和一致性。与大多数VR系统一样图形处理器也是AR系统所必不可少的。此外AR系统还包括如数据手套、6D鼠标器、眼踪器、力反馈装置、语音识别与合成系统等在内的人机交互设备，每种设备品种繁多、性能各异。

基于硬件跟踪设备获取被跟踪目标位置和方向信息的方式，也常被应用于增强现实系统中。这些硬件跟踪设备包括机电跟踪器、电磁跟踪器、超声波跟踪器、光电跟踪器和惯性跟踪器，它们的实现方法各不相同，各有优缺点，而且在现有的增强现实系统中都有应用实例。

AR硬件中的常见五种跟踪器

1.机电跟踪器

机电跟踪器是一种绝对位置传感器。通常由体积较小的机械臂构成，将一端固定在一个参考机座上，另一端固定在待测对象上。采用电位计或光学编码器作为关节传感器测量关节处的旋转角，再根据所测得的相对旋转角以及连接两个传感器之间的臂长进行动力学计算，获得六自由度方位输出。这种跟踪器性能较可靠，潜在干扰源较少，延迟时间短。但其缺点是，跟踪器测量精度受环境温度变化影响，关节传感器的分辨率低，跟踪器的工作范围受限。在一些特定的应用场合 （如外科手术训练），用户的活动范围不是重要指标时这种跟踪器才具有优势。

2.电磁跟踪器

电磁跟踪器是应用较为广泛的一类方位跟踪器，它利用一个三轴线圈发射低频磁场，用固定在被测对象上的三轴磁接收器作为传感器感应磁场的变化信息，利用发射磁场和感应信号之间的稠合关系确定被跟踪物体的空间方位。根据三轴励磁源的形式不同，电磁跟踪器分为交流电磁跟踪器和直流电磁跟踪器。

交流电磁跟踪器的励磁源由三个磁场方向相互垂直的交流电流产生的双极磁源构成，磁接收器由三套分别测试三个励磁源的线圈构成。磁接收器感应励磁源的磁场信息，根据从励磁源到磁接收器的电磁能量传递关系计算磁接收器相对于励磁源的空间方位。受计算性能、反应时间和噪声等因素的影响，励磁源的工作频率通常为30-120Hz。为了保证不同环境条件下的信噪比，通常使用7-14kHz的载波对激励波进行调制。直流电磁跟踪器的发射器（相当于励磁源）由绕立方体芯子正交缠绕的三组线圈组成，依次向发射器线圈输入直流电流，使每一组发射器线圈分别产生一个脉冲调制的直流电磁场。接收器也是由绕立方体芯子正交缠绕的三组独立线圈构成的直流磁场方向的周期性变化在三向接收器线圈中产生交变电流，电流强度与本地直流磁场的可分辨分量成正比。可在每个测量周期获得九个数据，它们表示三组接收器线圈所感应发射磁场的大小，由电子单元执行一定的算法即可确定接收器相对于发射器的位置和方向。

交流电磁跟踪系统的接收器通常体积小，适合安装在头盔显示器上，但这种跟踪器最致命的缺点是易受环境电磁干扰。发射器产生的交流磁场对附近的电子导体特别是铁磁性物质非常敏感，交流旋转磁场在铁磁性物质中产生涡流，从而产生二级交流磁场，使得由交流励磁源产生的磁场模式发生畸变，这种畸变会引起严重的测量误差。

直流电磁跟踪器最大的优点是只在测量周期开始时产生涡流，一旦磁场达到稳态状态，就不再产生涡流。只要在测量前等待涡流衰减就可以避免涡流效应，从而可以减小畸变涡流场产生的测量误差。

3.超声波跟踪器

利用不同声源的声音到达某一特定地点的时间差相位差或者声压差可以进行定位与跟踪，一般有脉冲波飞行时间（TIme-of- flight，TOF）测量法和连续波相位相干测量法两种方式。TOF测量法是在特定的温度条件下，通过测量声波从发射器到接收器之间的传播时间来确定传播距离的一种方法大多数超声波跟踪器都采用这种测量方法。此方法的数据刷新率受到几个因素的限制，声波的传输速度约为340m/s，只有当发射波的波阵面到达传感器时才可以得到有效的测量数据。而且必须允许发射器在产生脉动后发出几毫秒的声脉冲，并且在新的测量开始前等待发射脉冲消失。因为每个发射器-传感器组都需要单独的脉冲飞行序列，测量所需要的时间等于单组飞行时间乘以组合数目。这种飞行时间测量系统的精度取决于检测发射声波到达接收器准确时刻的能力，环境中诸如钥匙叮咱响的声音都会影响测量精度，空气流动和传感器闭锁也会导致测量误差产生。

连续波相位相干测量法通过比较参考信号和接收到的发射信号之间的相位来确定发射源和接收器之间的距离。此方法测量精度较高，数据刷新频率高，可通过多次滤波克服环境干扰的影响