三维空间定位及交互操作

三维空间的定位及交互操作•三维空间定位的基本原理•三维空间定位的主要算法•三维空间交互的主要过程•三维空间交互的常见硬件三维空间定位的基本原理及算法•我们知道，三维空间，也称为三次元、3D，日常生活中可指由长、宽、高三个维度所构成的空间。而虚拟现实就是用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。那么。怎样在虚拟的三维空间里面确定某个点的位置呢？目前我所知道的算法有：三边测量法，基于TOA的算法，基于TDOA的算法，基于AOA的算法等。基于无线传感器的三维空间定位•该方法主要是采用基于RSSI（接收信号强度）的测距技术，结合参考节点的坐标，从平面定位推广至三维立体空间定位，通过CC2431无线传感器网络平台，在ZigBee2006协议的基础上，实现了三维立体空间的定位。•具体方法为：先选取3个参考节点以及一个未知的定位节点，这4个节点组成一个立体的三维空间定位系统，已知3个参考节点的坐标以及他们到未知的定位节点之间的距离即可根据公式求出未知节点的坐标，从而完成定位。该方法也称三边测量法。•若已知节点的坐标为（X1,Y1）,(X2,Y2),(X3,Y3),距离为d1,d2,d3,利用右边的公式即可求出未知点的坐标（X,Y）CHAN定位算法•该算法的主要思想是两次使用加权最小二乘法(WLS)得到初始解,利用初始解将非线性定位方程组线性化,最终得到位置估计。该定位算法是以移动台作为圆心,移动台(MS)到基站(BS)的距离作为半径得到一个圆,三圆相交即可确定MS的位置。Chan算法是一种基于TDOA技术、具有解析表达式解的定位算法，在TDOA误差服从理想高斯分布时性能良好。当基站数为3时，该算法表现一般。一般该算法的推导过程都是基于TDOA误差较小且为零均值高斯随机变量这个前提，对于实际信道环境中误差较大的TDOA测量值，该算法的性能将会显著下降。当基站能测到比较精确的AOA值时，利用TDOA/AOA混合定位能进一步提高定位精度。•在众多基于TDOA的定位算法中，Chan氏算法得到了广泛的应用。这主要是因为该算法具备三大优势：①算法不需要初值；②仅进行两次迭代就可求得最终结果；③算法的定位精度在视距环境下能够达到克拉美罗下限。可见，Chan氏定位算法是一种相当实用的方法，适合实际工程。•该算法的特点是计算量小，在噪声服从高斯分布的环境下，定位精度高。但在非视距(NLOS)环境下，chan氏算法的定位精度下降。三维空间跟踪定位器•三维空间跟踪定位器或叫三维空间传感器是一种能实时地检测活动着的物体在六个自由度上相对于某个固定物体的数值，即在X、Y、Z坐标上的位置值，以及围绕X、Y、Z轴的旋转值。这种三维空间传感器对被检测的物体必须是无干扰的，也就是说，不论这种传感器是基于何种原理和应用何种技术，它都不应影响被测物体的运动，即俗称为：“非接触式传感器”。在虚拟现实技术中广泛使用的是低频磁场式和超声式传感器。低频磁场式传感器的低频磁场是由该中传感器的磁场发射器产生的，该发射器有三个正交的天线组成，在接受器内也安装一个正交天线，它被安装在远处的运动物体上，根据接受器所接受到的磁场，可以计算出接受器相对于发射器的位置和方向，并通过通信电缆把数据传送给主计算机。因此，计算机能间接的跟踪运动物体相对于反射器的位置和方向。在虚拟现实环境中，这种传感器常被用来安装在数据手套和头盔显示器上。•与低频磁场式传感器相似，超声波式传感器也由发射器、接受器、和电子部件组成。发射器是由三个三个相距约30厘米的超声扩音器所构成，接受器是有三个相距较近的话筒构成。周期性的刺激每个超声扩音器，由于在室温条件下的声波传送速度是已知的，根据三个超声话筒所接受到的三个超声扩音器周期性的发出的超声波，就可以计算出安装超声话筒的平台相对于安装超声扩音器的平台的位置和方向。•在作用范围较大的情况下，低频磁场十传感器比超声波式传感器有较明显的优点。但当在作用范围内存在磁铁性的物体时，低频磁场式的传感器的精度明显降低。•浮动鼠标：类似于计算机鼠标，但离开桌面后就成为一个6自由度探测器，其内部装有电磁探测器。•三维widgets：widgets，就是小工具的意思，这种交互方式就是通过三维画面中的一些小工具来对对象进行操作，这些工具包括漂浮的菜单，用于点取物体的手形图标等。•三维激光扫描仪：它通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据。可以快速、大量的采集空间点位信息，为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。由于其具有快速性，不接触性，穿透性，实时、动态、主动性，高密度、高精度，数字化、自动化等特性，其应用推广很有可能会像GPS一样引起测量技术的又一次革命。三维空间交互•三维交互：三维交互技术指在计算机中创建产品的三维模型，然后通过交互设计软件设定交互程序，使用户可以通过鼠标等交互设备实施人机交互的新兴技术。•相关设备及工具：浮动鼠标，数据手套，力反馈装置，以及三维widgets，三维激光扫描仪等。结语•以后的人机交互,虽然以WIMP为代表的图形用户界面依然存在，人机交互将多样化的特点，网络和计算将进入家庭和生活，人们将可以利用更简单的自然方式进行交互，而以不可见，可移动的普适计算，以三维，沉浸为特征的三维交互，以及自然，高效，无障碍的多通道交互将成为以后的主流。•未来计算机的应用趋势：以虚拟现实为代表的计算机系统的拟人化和以掌上电脑为代表的计算机的微型化和随身化，嵌入化。其核心就是“基于用户的设计”，简单的说就是一个从人适应计算机的时代发展到计算机适应人的时代。谢谢！