引言

虚拟现实系统是一种具有3I特性( Immersion, Interaction, Imagination)的现实模仿应用系统。随着近年来虚拟现实技术的快速发展，其已被广泛运用于医疗、交通、教育、娱乐、军事、考古等行业中。虚拟现实旨在完全模拟现实世界的交互，但是当前由于技术限制，只能通过虚拟现实设备以隐喻的方式来获取交互信息，精度较差。因此，定位器和其使用的定位技术在虚拟现实定位系统中起到了至关重要的作用。

定位系统的主要任务是将目标物体在三维现实空间中的位置、方向、位移信息以高精度、低延迟的方式提供给虚拟现实系统，进而展现在虚拟空间中。以捕捉人的头部动作为例，如果捕捉的头部转动角度和头部所在的三维空间位置越精确，头部转动角度和头部所在的三维空间位置传送得越快，则人越没有眩晕感，越能够沉浸在虚拟空间中。目前，主要的三维目标定位技术是利用摄像机以及传感器、激光、红外等对物体进行测距和定位。

目前，室内空间中物体的定位算法有临近信息法、代数积分法、几何特征法等。通过使用这些算法，产生了红外定位技术、可见光定位技术、惯性传感器定位技术、电磁定位技术、超声波定位技术、视觉定位技术等。

1、红外定位技术

红外定位技术通过在空间中布置多个红外线发射器，并在目标物体上布置红外反射点来捕捉反射影像，从而确定用户在空间中的位置。红外定位技术借助红外线的物理特性实现物体在空间中的定位，它的优点在于定位精度高、延迟低，缺点在于造价昂贵。

2、可见光定位技术

可见光定位技术属于光学定位技术的一种，由空间内位置已知的 LED阵列作为位置参考点，LED 将位置信息进行编码调制并在照明的同时发送光信号，移动的接收端作为位置未知的目标点，先通过其携带的光检测器来接收解调光信 号，然后通过光信号信息计算信号传输耗费的时间、到达角度以及强度，再由相应的定位算法获得移动目标坐标。可见光定位的流程如图1所示。可见光定位技术的优点在于 VLC(Visible Light Communications)的工作频段是可见光频谱，不存在电磁波辐射, 可直接应用在一些禁止电磁波辐射的区域，如手术室、加油站 等。

图1 可见光定位流程

3、惯性传感器定位技术

惯性传感器包括陀螺仪、角速度计、加速度计、重力感应器等。加速计可以测得三轴加速度的大小和方向；磁力计可以测得方向以及当前的距离方位，也就是与东西南北各个正方向之间的夹角；陀螺仪可以测得设备自身的旋转角度；重力感应器完成从重力变化到电信号的转换。在定位时将这些传感器固定在待定位目标上，利用它们测量待定位目标的运动物理量，如加速度、角速度等，然后对 加速度进行二重积分得到待定位目标的位移量，对角速度进行积分得到待定位目标的运动方向，最后结合待定位目标的初始位置，即可计算出待定位目标的位置。

在虚拟现实系统中,惯性定位方法常与光学或电磁学定位技术配合使用，在单独使用惯性方法进行定位测量时，需要知道待定位目标的初始姿态，并且利用加速度和角速度求解位移和方向时存在累积误差，因此基本只用它进行方向测量。

4、电磁定位技术

电磁定位系统一般由4部分组成，即控制器、发射源、接,收器、计算单元。控制器负责控制产生电磁信号，发射源负责发射电磁信号，接收器负责接收电磁信号，计算单元负责通过定位算法和接收到的电磁信号计算出位置。磁传感器探 测得到的空间位置磁场变化，能反映出传感器与磁场发射源的相对位置和方向的变化。磁传感器将采集的信号根据磁场耦合关系计算处理即可得出目标的6个自由度。

5、超声波定位技术

超声波是指频率高于20kHz的可以通过媒介来传播的声波。超声波可以在气体、固体、液体等各种媒介中进行良好的传播。虚拟现实中利用超声波进行定位需要用到超声波传感器。超声波定位技术的结构相对简单，布局方便。超声波是机械波，抗电磁干扰较强，对人体没有电磁辐射的危害。但是，超声波的机械波特性使它不能携带很多信息，因此它的多径效应并不能像电磁波一样被定位算法处理利用。

6、视觉定位技术

视觉定位技术使用摄像机模拟人类视觉的功能。视觉定位技术的识别流程如图2所示。视觉定位技术分为被动和主动两种，其中，被动定位技术由不同固定位置的两台或者一台摄像机拍摄同一幅场景，并通过计算空间点在两幅图像中的视差，来获得该点的三维坐标值。由于摄像机在已知位置，当目标物体在其视野范围内活动时，便可以对目标物体的位置进行跟踪。主动式的方法是将摄像机固定在移动目标上，在目标的移动过程中，摄像机会拍摄到空间中提前布置好的标识，通过识别标识来计算摄像机距离该标识的相对位置，从而实现对目标的跟踪。主动定位相比被动定位的优势在于解决了摄像机死角的问题，但是增加了运算量。被动定位和主动定位都存在光照问题、快速移动问题和延时问题。

图2 视觉定位流程

结论

目前，室内空间中物体的定位技术有红外定位技术、可见光定位技术、惯性传感器定位技术、电磁定位技术、超声波定位技术、视觉定位技术等。由于所有定位技术都具有固有的局限性，采用融合定位的方式融合多种定位技术的优势以提高定位精度和可靠性成为一种发展趋势。在定位精度方面，由于虚拟现实高沉浸感的需求，定位精度会向厘米级、毫米级发展。目前虚拟现实主要在室内使用，而室内定位精度高于室外定位精度。