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informatik artikel (Interpretation und charakterisierung)

6dof tracking devices


1. Java
2. Viren



Das Minimum an Information, das ein Immersive VR-System für die Darstellung und zum Rendering benötigt, sind die Position und die Orientierung des Kopfes des Benutzers. Zusätzlich dazu können auch weitere Körperteile, wie Arme, Beine, usw. "getrackt" werden.
Dreidimensionale Objekte haben 6 degrees of freedom (DOF): Die drei Positionskoordinaten (x, y und z) und Angaben zur Orientierung (z.B. neigen, schwenken und drehen von Winkeln). Jeder Tracker muß mindestens diese Möglichkeiten zur Manipulation besitzen. Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Trackern: Solche, die absolute Daten (absolute Positions/Orientierungswerte) liefern und solche, die relative Daten liefern (z.B. Änderung der Position seit dem letzten Signal).

Die wichtigsten Kriterien bei 6DOF Trackern sind:
Kriterium Beschreibung
Meßperiode (update rate) Gibt an, wie oft pro Sekunde eine Signalauslösung erfolgt (Angabe in Hz)
Verzögerung (latency) Zeitspanne zwischen der realen Bewegung des Benutzers bis zum Beginn der Übertragung des Signals, das die Aktion definiert (Angaben in ms)
Genauigkeit (accuracy) Wert, der den Fehler zwischen tatsächlicher und übertragener Position/Orientierung angibt (Angaben meist in absoluten Werten, z.B. in mm für Position und Grad für Orientierung)
Auflösung (resolution) kleinste von den Geräten wahrnehmbare Änderung (Angaben meist absolute Werte wie bei der Genauigkeit)
Arbeitsraum (range, working volume) Spanne, in der der Tracker, in Abhängigkeit von Genauigkeit und Auflösung, Werte erfassen kann
Ergonomie z.B. Größe, Gewicht, ...



Einteilung der 6DOF-Tracker in:
 Magnetische Tracker

 Akustische Tracker
 Optische Tracker

 Mechanische Tracker
2.1.1.1 Magnetische Tracker

Magnetische Tracker bestehen aus einem statischen Teil (Emitter) und beweglichen Teilen (Receiver, Sensoren). Der Emitter generiert 3 gerichtete Magnetfelder, welche von den Receivern gemessen werden. Die Receiver senden ihre Abmessungen an die Control Unit, welche aus den empfangenen Werten Position und Orientierung der entsprechenden Sensoren berechnet.


Vorteile Nachteile
Sensoren sind klein und leicht kleines Arbeitsvolumen
keine Line-of-Sight-Bedingung Elektromagnetische Interferenz

Hohe Meßperiode, geringe Latenz

Name Max. # Sensoren Max. Reichweite (m) Verzögerung (ms) Max. Meßperiode (Hz) Genauigkeit Auflösung
Polhemus Fastrak 4 3.05 4 120 0.8 mm

0.15° 5e-03mm pro mm
Ascension Flock of Birds 30 1 < 10 144 2.54 mm

0.5° 0.5mm bei 30 cm
0.1° bei 30 cm



2.1.1.2 Akustische Tracker

Akustische Tracker arbeiten mit Ultraschallwellen (> 20 kHz), um die Position und die Orientierung zu eroieren. Es besteht nur die Möglichkeit die relative Distanz zwischen zwei Punkten herauszufinden. Es gibt zwei Arten von akustischen Trackern: Sie arbeiten entweder nach der TOF- (time-of-flight) oder der der PC- (phase-coherent) Methode.
TOF Tracker messen die Zeit die die Schallwellen vom Sender zum Empfänger benötigen um so auf die Position zu schließen.
Bei PC Tracker wird die Phase des empfangenen Signals mit der eines vom Receiver generierten Referenzsignales verglichen. Eine Phasendifferenz von 360° entspricht einer Distanz von einer Wellenlänge.


Vorteile (TOF) Nachteile (TOF)
klein und leicht line-of-sight-Begrenzung
relativ billig (ab ATS 10.000,-) anfällig auf akustische Interferenzen (Echo ...)
unbeeinflußt von magnetischen Interferenzen geringe Meßperiode



2.1.1.3 Optische Tracker

Optische Tracker werden in drei Gruppen eingeteilt:
 beacon trackers - benutzen eine Gruppe von Lichtsignalgebern (z.B. LEDs) und ein Set von Kameras, welche Muster aus Lichtsignalen auffangen. Hierbei können zwei Methoden verwendet werden: outside-in (Emitter am Benutzer, Sensoren fix) oder inside-out (Sensoren am Benutzer, Emitter fix)
 pattern recognition - diese Systeme benutzen keine Lichtgeber. Sie bestimmen Position und Orientierung durch den Vergleich von bekannten Mustern mit abgetasteten Mustern (z.B. Erkennen der Veränderungen der Iris im Auge  Empfindungsveränderung).
 laser ranging -dieses System sendet Laserlicht durch ein Beugungsgitter an das Objekt. Ein Sensor analysiert die Beugungsmuster an der Oberfläche des Körpers um Position und Orientierung zu berechnen.


Vorteile Nachteile
sehr hohe Meßperiode (bis zu 240 Hz); in den meisten Fällen nur durch die Geschwindigkeit der Computer beschränkt line-of.sight-Begrenzung
großes Arbeitsvolumen sensibel gegenüber Beleuchtung
hohe Auflösung und Genauigkeit (Fehler nur etwa 1mm and 1°) Probleme bei mehreren Objekten
unbeeinflußt von metallischenund akustischen Einflüssen sehr teuer und kompliziert



2.1.1.4 Mechanische Tracker

Ein frei beweglicher mechanischer Gliederarm (ausgestattet mit Hilfsmotoren um den Benutzer zu unterstützen; somit wird dieser weit weniger behindert), mit Potentiometern, zur Messung der Winkel, versehen, dient zur Berechnung der Position und Orientierung.


Vorteile Nachteile
sehr hohe Genauigkeit keine volle Bewegungsfreiheit
keinerlei Interferenzen kleines Arbeitsvolumen (ca. 1m³)
hohe Meßperiode (bis 300Hz) Probleme bei mehreren Objekten
Möglichkeit zu Force-Feedback

 
 



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