3D空间中的新追踪技术―利用超声波进行追踪
1. 空间计算和用户界面的发展
空间计算创建现实世界与虚拟空间之间的交互，创建身临其境的体验，使现实世界的物体与虚拟空间无缝融合。该技术跨越增强现实（AR）、虚拟现实（VR）和混合现实（MR），有望应用于设计、教育、医疗和娱乐等宽广的领域。由于硬件、软件和人工智能的不断进步，空间计算将不断普及。由此可以带来更具互动性和身临其境的体验。
追踪用户的手和控制器的位置对于增加虚拟空间的沉浸感非常重要。除了空间计算以外，这种位置追踪技术也可用于其他多种应用。
应用事例
- 输入式显示器（3D显示器、笔记本电脑、平板电脑）
- AR相关输入设备（手镯、戒指、手表）
- 计算机相关输入设备（鼠标、触控板）
- 模拟工具（手术刀、触控笔）
- 动作捕捉
- 其他
2. 3D空间中位置追踪的必要性
位置追踪对于与虚拟空间之间的交互必不可缺，它对对象目标的位置和移动方向进行感测。通过准确的感测可确保设备正确识别用户的动作。由此确保现实世界的物体与虚拟空间正确融合，创建无缝且稳定的用户体验。如果无法准确感测位置和移动方向，现实世界的物体和用户的识别将无法与虚拟空间正确匹配，从而使有沉浸感和吸引力的体验受到影响。
2-1 传统的位置追踪技术
用于实现3D空间交互的位置追踪技术有多种。
| 位置追踪技术 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 1. 光学手部追踪 | 一台摄像头即可实现 | 深度方向和位置方向的精度较差 易受光学环境影响 |
| 2. 光学标记追踪 | 传统的常规性技术 具有相对较好的精度 | 需要LED等许多标记 易受光学环境影响 |
| 3. 惯性力方式追踪 | 小型 低耗电量 | 需要进行初始位置校准 漂移和偏移的影响导致精度较差 |
光学手部追踪使用摄像头来识别手的位置和形状。这是由设备的摄像头进行的，不需要其他额外的传感器。然而，由于从摄像头获得的信息是平面图像，深度方向的距离和位置的推测精度较差。此外，它很容易受到光学环境的影响，比如阳光等环境光、背景颜色、对比度等，精度会受到环境的影响。
光学标记追踪使用摄像头捕捉LED等标记的位置和配置。它是一种常用的位置追踪技术，可以实现比上述光学手部追踪更优的精度。然而，追踪需要很多标记，这对硬件设计造成了限制。此外，与光学手部追踪一样，它容易受到光学环境的影响。
惯性力追踪使用加速度传感器和角速度传感器（有时还使用磁传感器）来推测移动。该技术可以使设备变得更小并且耗电量更少。然而，这些传感器无法自行推测位置，需要对其初始位置进行校正。而且，传感器漂移和偏移会使精度降低。
除了上面提到的位置追踪技术之外，还有其他技术，例如需要在外侧有基站的光学追踪和磁追踪等。但这些技术的设备较大且成本相对较高，目前难以普及。
2-2 新的位置追踪技术
这是一种通过将光学传感器、惯性力传感器和超声波传感器进行组合实现了兼具精度和实用性的位置追踪技术。该技术与配备了摄像头、麦克风和通信的现有HMD等设备兼容。此外，它还能支持多种设备，从传统控制器到需要进一步小型化的设备，是空间计算和用户界面的理想技术。
该技术可以解决传统位置追踪技术的问题，同时实现小型、低耗电量和高精度。由此为3D空间模拟、培训、设计、游戏和虚拟制作等多种多样的领域做贡献。
2-3 Sensoryx公司实现的位置追踪技术
Sensoryx公司的“Maliang Magic Pencil”体现了光学、惯性力和超声波相结合的传感器融合，展示了位置追踪的新可能性。通过传感器融合实现高精度和易用性，让每个人都能沉浸在空间计算中。
3. 利用超声波进行追踪的优点
超声波位置追踪利用Time of Flight（ToF）技术来推测物体的位置以及在深度方向上与物体之间的距离。该技术有很多优点。
- 精度高
可以准确测量与物体之间的距离和位置。 - 尺寸小
传感器尺寸小，所需数量也较少，因此有助于实现设备小型化。 - 耗电量低
需要的功率小，非常适合用于电池驱动的设备。 - 坚固性
在包括直射阳光在内的全部光学环境下一直保持优良的性能。 - 低负载
位置推测所需的信息量较少，能以较少的计算处理进行应对。 - 宽指向性
具有较宽的指向性，实现范围更广的追踪。
通过利用多个超声波传感器以及从它们获得的距离信息，可以推测物体的位置。
这种超声波技术具有许多优点，可以实现更出众的用户体验。
例如，与将来的空间计算和界面相关的设备需要进一步小型化。在传统的光学技术中，为了进行追踪，需要额外进行接收器设计和优化。而在超声波技术中可以使用现有的麦克风接收低频超声波，因此不需要额外的接收器，可以进一步小型化。
此外，传统的光学技术需要很多的标记来确保精度，这导致按照用户和设计人员所需的尺寸制造周边设备和控制器比较困难。超声波可以用单个传感器测量距离，因此可以应用于笔、戒指、手表等小型设备，同时实现较高的位置精度。
此外，传统光学技术存在计算处理性能和消耗电流的问题，难以应用于电池驱动的小型设备。超声波被认为即使在计算处理性能有限的设备中，也是为数不多的能在确保精度的同时，以低负载和低耗电量运行的特别技术之一。
4. 使用超声波进行追踪设备的未来设备
利用超声波技术的空间计算和用户界面的未来应用示例之一是智能眼镜。这些设备配备多个麦克风，以准确感测音频及周围环境。利用这些麦克风，即使在多种光学环境下，超声波也可以实现高精度追踪，而不需要光学参照物。
未来的设备设计也将考虑到户外使用。超声波技术有助于智能眼镜开发之外，还有助于其他多种追踪设备的开发。因此，超声波为实现更优的空间计算和用户界面开辟了可能性。
5. Murata正在开发中的超小型超声波传感器
村田制作所正在开发将MEMS技术和超声波技术进行组合的pMUT（piezoelectric MEMS ultrasonic transducer）。
村田制作所的pMUT具有以下所示的多种特点并带来了许多优点。
- 维持高声压、尺寸小
通过进一步小型化，为实现有设计性的小型设备做贡献。 - 低耗电量
适用于电池驱动设备的长寿命化。 - 低频超声波
低频超声波可以通过市售的MEMS麦克风来接收，因此可以减少设备侧的接收元件数量。 - 宽指向性
可以减少感测死角并减少发射器的数量。
具有上述特点的村田制作所pMUT已成为适用于超声波追踪技术的超声波传感器，有助于实现与将来更具创新性的空间计算和用户界面相关的设备。
关于Sensoryx公司
通过将光学、惯性力和超声波组合后的传感器融合实现的下一代追踪技术，以及可以通过相关链接进行确认的“Maliang Magic Pencil”是由Sensoryx公司实现的。
Sensoryx公司利用超声波技术创建创新性追踪解决方案。
▼您可以从以下横幅中下载所介绍技术的详细资料。
