En realidad virtual (VR) y realidad aumentada (AR), un sistema de seguimiento de pose detecta la pose precisa de pantallas montadas en la cabeza , controladores, otros objetos o partes del cuerpo dentro del espacio euclidiano . El seguimiento de pose a menudo se conoce como seguimiento 6DOF, por los seis grados de libertad en los que a menudo se realiza el seguimiento de la pose. [1]
El seguimiento de pose a veces se denomina seguimiento posicional, pero los dos son independientes. El seguimiento de pose es diferente del seguimiento posicional porque el seguimiento de pose incluye orientación, mientras que el seguimiento posicional no. En algunos sistemas GPS de consumo, los datos de orientación se agregan adicionalmente mediante magnetómetros , que brindan información de orientación parcial, pero no la orientación completa que proporciona el seguimiento de postura.
En la realidad virtual, es fundamental que el seguimiento de la pose sea exacto y preciso para no romper la ilusión de estar en un mundo virtual. Para lograr esto, se han desarrollado varios métodos de seguimiento de la posición y orientación (inclinación, guiñada y balanceo) de la pantalla y cualquier objeto o dispositivo asociado. Muchos métodos utilizan sensores que registran repetidamente señales de transmisores en o cerca de los objetos rastreados y luego envían esos datos a la computadora para mantener una aproximación de sus ubicaciones físicas. Un método de seguimiento popular es el seguimiento del faro . En general, estas ubicaciones físicas se identifican y definen utilizando uno o más de tres sistemas de coordenadas: el sistema rectilíneo cartesiano, el sistema polar esférico y el sistema cilíndrico. También se han diseñado muchas interfaces para monitorear y controlar el movimiento dentro y la interacción con el espacio virtual 3D; dichas interfaces deben trabajar en estrecha colaboración con los sistemas de seguimiento posicional para proporcionar una experiencia de usuario perfecta. [2]
Otro tipo de seguimiento de pose que se utiliza con más frecuencia en los sistemas más nuevos se conoce como seguimiento de adentro hacia afuera, incluida la localización y mapeo simultáneos (SLAM) o la odometría visual-inercial (VIO). Un ejemplo de un dispositivo que utiliza el seguimiento de poses de adentro hacia afuera es Oculus Quest 2 .
El seguimiento inalámbrico utiliza un conjunto de anclajes que se colocan alrededor del perímetro del espacio de seguimiento y una o más etiquetas que se rastrean. Este sistema es similar en concepto al GPS, pero funciona tanto en interiores como en exteriores. A veces se lo denomina GPS de interior. Las etiquetas triangulan su posición 3D mediante los anclajes colocados alrededor del perímetro. Una tecnología inalámbrica llamada Ultra Wideband ha permitido que el seguimiento de la posición alcance una precisión inferior a 100 mm. Mediante el uso de fusión de sensores y algoritmos de alta velocidad, la precisión de seguimiento puede alcanzar el nivel de 5 mm con velocidades de actualización de 200 Hz o 5 ms de latencia .
Ventajas :
Contras :
El seguimiento óptico utiliza cámaras colocadas sobre o alrededor de los auriculares para determinar la posición y la orientación basándose en algoritmos de visión por computadora . Este método se basa en el mismo principio que la visión humana estereoscópica . Cuando una persona mira un objeto mediante visión binocular, es capaz de definir aproximadamente a qué distancia se encuentra el objeto debido a la diferencia de perspectiva entre ambos ojos. En el seguimiento óptico, las cámaras se calibran para determinar la distancia al objeto y su posición en el espacio. Los sistemas ópticos son confiables y relativamente económicos, pero pueden resultar difíciles de calibrar. Además, el sistema requiere una línea de luz directa y sin oclusiones, de lo contrario recibirá datos erróneos.
El seguimiento óptico se puede realizar con o sin marcadores. El seguimiento con marcadores implica objetivos con patrones conocidos que sirven como puntos de referencia, y las cámaras buscan constantemente estos marcadores y luego utilizan varios algoritmos (por ejemplo, el algoritmo POSIT ) para extraer la posición del objeto. Los marcadores pueden ser visibles, como los códigos QR impresos , pero muchos utilizan luz infrarroja (IR) que solo pueden captar las cámaras. Las implementaciones activas cuentan con marcadores con luces LED IR incorporadas que se pueden encender y apagar para sincronizarse con la cámara, lo que facilita el bloqueo de otras luces IR en el área de seguimiento. [4] Las implementaciones pasivas son retrorreflectores que reflejan la luz IR hacia la fuente con poca dispersión. El seguimiento sin marcadores no requiere objetivos previamente colocados, sino que utiliza las características naturales del entorno para determinar la posición y la orientación. [5]
En este método, las cámaras se colocan en ubicaciones fijas del entorno para rastrear la posición de los marcadores en el dispositivo rastreado, como una pantalla montada en la cabeza o controladores. Tener varias cámaras permite diferentes vistas de los mismos marcadores y esta superposición permite lecturas precisas de la posición del dispositivo. [4] El Oculus Rift original utiliza esta técnica, colocando una constelación de LED IR en sus auriculares y controladores para permitir que las cámaras externas del entorno lean sus posiciones. [6] Este método es el más maduro y tiene aplicaciones no solo en realidad virtual sino también en tecnología de captura de movimiento para películas. [7] Sin embargo, esta solución tiene un espacio limitado y necesita sensores externos a la vista constante del dispositivo.
Ventajas:
Contras:
En este método, la cámara se coloca en el dispositivo rastreado y mira hacia afuera para determinar su ubicación en el entorno. Los auriculares que utilizan esta tecnología tienen múltiples cámaras orientadas en diferentes direcciones para obtener vistas de todo el entorno. Este método puede funcionar con o sin marcadores. El sistema Lighthouse utilizado por HTC Vive es un ejemplo de marcadores activos. Cada módulo Lighthouse externo contiene LED IR, así como un conjunto de láser que barre en direcciones horizontales y verticales, y los sensores en los auriculares y los controladores pueden detectar estos barridos y usar los tiempos para determinar la posición. [9] [10] El seguimiento sin marcadores, como en Oculus Quest , no requiere nada montado en el entorno exterior. Utiliza cámaras en los auriculares para un proceso llamado SLAM , o localización y mapeo simultáneos, donde se genera un mapa 3D del entorno en tiempo real. [5] Luego, los algoritmos de aprendizaje automático determinan dónde se ubican los auriculares dentro de ese mapa 3D, utilizando la detección de características para reconstruir y analizar su entorno. [11] [12] Esta tecnología permite que los auriculares de alta gama como Microsoft HoloLens sean autónomos, pero también abre la puerta a auriculares móviles más baratos sin la necesidad de conectarse a computadoras o sensores externos. [13]
Ventajas:
Contras:
El seguimiento inercial utiliza datos de acelerómetros y giroscopios y, a veces, de magnetómetros . Los acelerómetros miden la aceleración lineal. Dado que la derivada de la posición con respecto al tiempo es la velocidad y la derivada de la velocidad es la aceleración, la salida del acelerómetro podría integrarse para encontrar la velocidad y luego integrarse nuevamente para encontrar la posición relativa a algún punto inicial. Los giroscopios miden la velocidad angular . La velocidad angular también se puede integrar para determinar la posición angular con respecto al punto inicial. Los magnetómetros miden campos magnéticos y momentos dipolares magnéticos. La dirección del campo magnético de la Tierra se puede integrar para tener una referencia de orientación absoluta y compensar las derivas giroscópicas. [14] Los sistemas modernos de unidades de medida inercial (IMU) se basan en tecnología MEMS que permite rastrear la orientación (giro, cabeceo, guiñada) en el espacio con altas tasas de actualización y latencia mínima. Los giroscopios siempre se utilizan para el seguimiento rotacional, pero se utilizan diferentes técnicas para el seguimiento posicional según factores como el costo, la facilidad de configuración y el volumen de seguimiento. [15]
La navegación a estima se utiliza para rastrear datos posicionales, lo que altera el entorno virtual actualizando los cambios de movimiento del usuario. [16] La tasa de actualización a estima y el algoritmo de predicción utilizados en un sistema de realidad virtual afectan la experiencia del usuario, pero no hay consenso sobre las mejores prácticas, ya que se han utilizado muchas técnicas diferentes. [16] Es difícil confiar únicamente en el seguimiento inercial para determinar la posición precisa porque la navegación a estima conduce a la deriva, por lo que este tipo de seguimiento no se utiliza de forma aislada en la realidad virtual. [17] Se ha descubierto que un retraso entre el movimiento del usuario y la visualización de la realidad virtual de más de 100 ms causa náuseas. [18]
Los sensores inerciales no sólo son capaces de rastrear el movimiento de rotación (balanceo, cabeceo, guiñada), sino también el movimiento de traslación. Estos dos tipos de movimiento juntos se conocen como los Seis grados de libertad . Muchas aplicaciones de realidad virtual necesitan no sólo rastrear las rotaciones de la cabeza de los usuarios, sino también cómo se mueven sus cuerpos con ellos (izquierda/derecha, atrás/adelante, arriba/abajo). [19] La capacidad de seis grados de libertad no es necesaria para todas las experiencias de realidad virtual, pero es útil cuando el usuario necesita mover otras cosas además de la cabeza.
Ventajas :
Contras :
La fusión de sensores combina datos de varios algoritmos de seguimiento y puede producir mejores resultados que una sola tecnología. Una de las variantes de la fusión de sensores es fusionar el seguimiento óptico y el inercial. Estas dos técnicas se utilizan a menudo juntas porque, si bien los sensores inerciales son óptimos para rastrear movimientos rápidos, también acumulan errores rápidamente, y los sensores ópticos ofrecen referencias absolutas para compensar las debilidades inerciales. [15] Además, el seguimiento inercial puede compensar algunas deficiencias del seguimiento óptico. Por ejemplo, el seguimiento óptico puede ser el método de seguimiento principal, pero cuando se produce una oclusión, el seguimiento inercial estima la posición hasta que los objetos vuelven a ser visibles para la cámara óptica. El seguimiento inercial también podría generar datos de posición entre los datos de posición del seguimiento óptico porque el seguimiento inercial tiene una mayor tasa de actualización . El seguimiento óptico también ayuda a hacer frente a la deriva del seguimiento inercial. Se ha demostrado que la combinación de seguimiento óptico e inercial reduce los errores de desalineación que ocurren comúnmente cuando un usuario mueve la cabeza demasiado rápido. [20] Los avances en los sistemas magnéticos microeléctricos han hecho que el seguimiento magnético/eléctrico sea más común debido a su pequeño tamaño y bajo costo. [21]
Los sistemas de seguimiento acústico utilizan técnicas para identificar la posición de un objeto o dispositivo similares a las que se encuentran naturalmente en los animales que utilizan la ecolocalización . De manera análoga a los murciélagos que localizan objetos utilizando diferencias en los tiempos de retorno de las ondas sonoras a sus dos oídos, los sistemas de seguimiento acústico en realidad virtual pueden usar conjuntos de al menos tres sensores ultrasónicos y al menos tres transmisores ultrasónicos en dispositivos para calcular la posición y orientación de un objeto ( por ejemplo, un controlador portátil). [22] Hay dos formas de determinar la posición del objeto: medir el tiempo de vuelo de la onda sonora desde el transmisor a los receptores o la coherencia de fase de la onda sonora sinusoidal al recibir la transferencia.
Dado un conjunto de tres sensores (o receptores) no colineales con distancias entre ellos d 1 y d 2 , así como los tiempos de viaje de una onda sonora ultrasónica (una onda con frecuencia mayor a 20 kHz) desde un transmisor hasta esos tres receptores, el La posición cartesiana relativa del transmisor se puede calcular de la siguiente manera:
Aquí, cada l i representa la distancia desde el transmisor a cada uno de los tres receptores, calculada en base al tiempo de viaje de la onda ultrasónica usando la ecuación l = ct us . La constante c denota la velocidad del sonido, que es igual a 343,2 m/s en aire seco a una temperatura de 20°C. Debido a que se requieren al menos tres receptores, estos cálculos se conocen comúnmente como triangulación .
Más allá de su posición, determinar la orientación de un dispositivo (es decir, su grado de rotación en todas las direcciones) requiere conocer al menos tres puntos no colineales en el objeto rastreado, lo que exige que el número de transmisores ultrasónicos sea al menos tres por dispositivo rastreado, además del tres receptores antes mencionados. Los transmisores emiten ondas ultrasónicas en secuencia hacia los tres receptores, que luego pueden usarse para derivar datos espaciales en los tres transmisores usando los métodos descritos anteriormente. La orientación del dispositivo puede derivarse entonces basándose en el posicionamiento conocido de los transmisores sobre el dispositivo y sus ubicaciones espaciales entre sí. [23]
A diferencia de los métodos TOF, también se han utilizado métodos de seguimiento coherente en fase (PC) para localizar objetos acústicamente. El seguimiento por PC implica comparar la fase de la onda de sonido actual recibida por los sensores con la de una señal de referencia anterior, de modo que se pueda determinar el cambio relativo en la posición de los transmisores desde la última medición. Debido a que este método opera sólo con cambios observados en los valores de posición, y no con mediciones absolutas, cualquier error en la medición tiende a agravarse en más observaciones. En consecuencia, este método ha perdido popularidad entre los desarrolladores con el tiempo.
Ventajas :
Contras :
En resumen, la implementación del seguimiento acústico es óptima en los casos en los que se tiene control total sobre el entorno ambiental en el que reside el sistema VR o AR, como en un simulador de vuelo. [2] [24] [25]
El seguimiento magnético (o seguimiento electromagnético) se basa en el mismo principio que un theremin . Se basa en medir la intensidad de campos magnéticos no homogéneos con sensores electromagnéticos. Una estación base , a menudo denominada transmisor o generador de campo del sistema, genera un campo electromagnético alterno o estático , según la arquitectura del sistema.
Para cubrir todas las direcciones en el espacio tridimensional, se generan secuencialmente tres campos magnéticos. Los campos magnéticos son generados por tres bobinas electromagnéticas perpendiculares entre sí. Estas bobinas deben colocarse en una pequeña carcasa montada sobre un objetivo en movimiento cuya posición es necesario seguir. La corriente que pasa secuencialmente a través de las bobinas las convierte en electroimanes, lo que les permite determinar su posición y orientación en el espacio.
Debido a que el seguimiento magnético no requiere una pantalla montada en la cabeza, que se usa con frecuencia en la realidad virtual, suele ser el sistema de seguimiento utilizado en pantallas de realidad virtual totalmente inmersivas. [20] Los equipos convencionales, como las pantallas montadas en la cabeza, resultan molestos para el usuario en experiencias de realidad virtual completamente cerradas, por lo que se prefieren equipos alternativos como el utilizado en el seguimiento magnético. El seguimiento magnético ha sido implementado por Polhemus y en Razor Hydra por Sixense . El sistema funciona mal cerca de cualquier material conductor de electricidad, como objetos y dispositivos metálicos, que puedan afectar un campo electromagnético. El seguimiento magnético empeora a medida que el usuario se aleja del emisor base, [20] y el área escalable es limitada y no puede superar los 5 metros.
Ventajas :
Contras :
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