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Seguimiento 3D

Seguimiento posicional en realidad virtual, mostrando tres grados de libertad de rotación y tres grados de libertad de posición. En la interacción humano-computadora 3D , el seg...

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Seguimiento posicional en realidad virtual, mostrando tres grados de libertad de rotación y tres grados de libertad de posición.

En la interacción humano-computadora 3D , el seguimiento 3D , también llamado seguimiento de pose o seguimiento posicional , es un proceso que rastrea la posición y/o orientación de pantallas montadas en la cabeza , controladores u otros dispositivos de entrada dentro del espacio euclidiano . El seguimiento de pose se suele denominar seguimiento 6DOF, debido a los seis grados de libertad en los que se suelen rastrear los objetos. [ 1 ]

En algunos sistemas GPS para el consumidor, se añaden datos de orientación adicionales mediante magnetómetros , que proporcionan información de orientación parcial, pero no la orientación completa que proporciona el seguimiento de la postura.

En realidad virtual (RV), es fundamental que el seguimiento de la postura sea preciso y exacto para no romper la ilusión de estar en un mundo virtual. Se han desarrollado varios métodos para rastrear la posición y orientación (cabeceo, guiñada y balanceo) de una pantalla y cualquier objeto o dispositivo asociado. Muchos métodos utilizan sensores que registran repetidamente señales de transmisores ubicados en o cerca del objeto o los objetos rastreados, y luego envían esos datos a la computadora para mantener una aproximación de su ubicación física. Un método de seguimiento popular es el seguimiento Lighthouse . En general, estas ubicaciones físicas se identifican y definen utilizando uno o más de tres sistemas de coordenadas: el sistema cartesiano rectilíneo, el sistema polar esférico y el sistema cilíndrico. También se han diseñado muchas interfaces para monitorear y controlar el movimiento y la interacción del usuario dentro del espacio virtual 3D; dichas interfaces deben funcionar en estrecha colaboración con los sistemas de seguimiento de posición para proporcionar una experiencia de usuario fluida. [ 2 ]

Otro tipo de seguimiento de postura que se usa con más frecuencia en los sistemas más recientes se denomina seguimiento interno, que incluye la localización y mapeo simultáneos (SLAM) o la odometría visual-inercial (VIO). Un ejemplo de un dispositivo que utiliza el seguimiento de posición interno es el Oculus Quest 2 .

Seguimiento electromagnético

Un transmisor de seguimiento electromagnético 3D para seguimiento de 6 grados de libertad

El seguimiento magnético se basa en la medición de la intensidad de campos magnéticos no homogéneos mediante 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 tres campos magnéticos de forma secuencial. Estos campos se generan mediante tres bobinas electromagnéticas perpendiculares entre sí. Dichas bobinas se colocan en una pequeña carcasa montada sobre un objetivo móvil cuya posición se desea rastrear. La corriente eléctrica, que pasa secuencialmente a través de las bobinas, las convierte en electroimanes, lo que les permite determinar su posición y orientación en el espacio.

El seguimiento electromagnético se utiliza para la navegación quirúrgica en 3D. [ 3 ]

Debido a que el seguimiento magnético no requiere un dispositivo de visualización montado en la cabeza, que se usa frecuentemente en la realidad virtual, suele ser el sistema de seguimiento utilizado en pantallas de realidad virtual totalmente inmersivas. [ 4 ] Los equipos convencionales como los dispositivos de visualización montados en la cabeza resultan molestos para el usuario en experiencias de realidad virtual totalmente cerradas, por lo que se prefiere un equipo alternativo como el utilizado en el seguimiento magnético. El seguimiento magnético ha sido implementado por Polhemus y en Razer 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, [ 4 ] y el área escalable es limitada y no puede ser mayor de 5 metros.

Ventajas :

  • Utiliza equipos discretos que el usuario no necesita llevar puestos y que no interfieren con la experiencia de realidad virtual.
  • Adecuado para pantallas de realidad virtual totalmente inmersivas.

Contras :

  • El usuario debe estar cerca del emisor base.
  • El seguimiento empeora cerca de metales u objetos que interfieren con el campo electromagnético.
  • Suelen tener mucho error y fluctuación debido a los frecuentes requisitos de calibración [ 5 ].

Seguimiento basado en cámara

La cámara del Oculus Rift DK2 se utiliza para rastrear la posición y la rotación del casco.
Unos auriculares con LED marcadores individuales que son detectados por una cámara para el seguimiento 3D.

El seguimiento basado en cámaras, también conocido como seguimiento óptico, utiliza cámaras colocadas sobre o alrededor de los auriculares para determinar la posición y la orientación mediante algoritmos de visión artificial . Los sistemas de seguimiento 3D basados ​​en cámaras requieren una línea de luz directa sin oclusiones; de lo contrario, recibirán datos erróneos.

El seguimiento óptico puede realizarse con o sin marcadores. El seguimiento con marcadores implica el uso de objetivos con patrones conocidos como puntos de referencia. Las cámaras buscan constantemente estos marcadores y luego utilizan diversos algoritmos (por ejemplo, el algoritmo POSIT ) para determinar la posición del objeto. Los marcadores pueden ser visibles, como códigos QR impresos , pero muchos utilizan luz infrarroja (IR) que solo pueden ser detectadas por las cámaras. Las implementaciones activas incluyen marcadores con luces LED IR integradas que se encienden y apagan para sincronizarse con la cámara, lo que facilita el bloqueo de otras luces IR en el área de seguimiento. [ 6 ] Las implementaciones pasivas son retrorreflectores que reflejan la luz IR hacia la fuente con poca dispersión. El seguimiento sin marcadores no requiere objetivos precolocados, sino que utiliza las características naturales del entorno para determinar la posición y la orientación. [ 7 ]

Seguimiento de afuera hacia adentro

En este método, se colocan cámaras en ubicaciones fijas en el entorno para rastrear la posición de 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. [ 6 ] El Oculus Rift CV1 utiliza esta técnica, colocando una constelación de LED infrarrojos en su casco y controladores para permitir que cámaras externas en el entorno lean sus posiciones. [ 8 ] Este método es el más maduro, con aplicaciones no solo en realidad virtual sino también en tecnología de captura de movimiento para cine. [ 9 ] Sin embargo, esta solución está limitada por el espacio, ya que necesita sensores externos en constante visión del dispositivo.

Ventajas:

  • Se pueden obtener lecturas más precisas añadiendo más cámaras.
  • Menor latencia que el seguimiento de adentro hacia afuera [ 10 ]

Desventajas:

  • Oclusión: las cámaras necesitan una línea de visión directa, de lo contrario el seguimiento no funcionará.
  • La necesidad de sensores externos implica un área de juego limitada.

Seguimiento de adentro hacia afuera

Seguimiento 3D de cámara basado en marcadores utilizando marcadores montados en el techo que son detectados por una cámara.

En este método, la cámara se coloca en el dispositivo rastreado y apunta 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 su 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 infrarrojos, así como una matriz láser que barre en direcciones horizontales y verticales, y los sensores en el auricular y los controladores pueden detectar estos barridos y usar los tiempos para determinar la posición. [ 11 ] [ 12 ] El seguimiento sin marcadores, como en Oculus Quest , no requiere nada montado en el entorno exterior. Utiliza cámaras en el auricular para un proceso llamado SLAM , o localización y mapeo simultáneos, donde se genera un mapa 3D del entorno en tiempo real. [ 7 ] Los algoritmos de aprendizaje automático determinan dónde está posicionado el auricular dentro de ese mapa 3D, utilizando la detección de características para reconstruir y analizar su entorno. [ 13 ] [ 14 ] Esta tecnología permite que los auriculares de gama alta como el Microsoft HoloLens sean autónomos, pero también abre la puerta a auriculares móviles más económicos sin necesidad de conectarse a ordenadores o sensores externos. [ 15 ]

Ventajas:

  • Permite espacios de juego más grandes, se puede ampliar para adaptarse a la habitación.
  • Adaptable a nuevos entornos

Desventajas:

  • Se requiere mayor procesamiento a bordo
  • La latencia puede ser mayor [ 10 ]

Fusión de sensores

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 combinar el seguimiento inercial y el óptico. Estas dos técnicas se suelen usar juntas porque, si bien los sensores inerciales son óptimos para el seguimiento de movimientos rápidos, también acumulan errores rápidamente, y los sensores ópticos ofrecen referencias absolutas para compensar las debilidades inerciales. [ 16 ] 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 lidiar con la deriva del seguimiento inercial. Se ha demostrado que la combinación del seguimiento óptico e inercial reduce los errores de desalineación que ocurren comúnmente cuando un usuario mueve la cabeza demasiado rápido. [ 4 ] Los avances en los sistemas microelectromecánicos han hecho que el seguimiento magnético/eléctrico sea más común debido a su pequeño tamaño y bajo costo. [ 5 ]

Seguimiento 3D basado en triangulación por radio

El seguimiento inalámbrico utiliza un conjunto de anclas colocadas alrededor del perímetro de un 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 le denomina GPS de interior. Las etiquetas triangulan su posición 3D utilizando las anclas colocadas alrededor del perímetro. Una tecnología inalámbrica llamada banda ultraancha ha permitido que el seguimiento de posición alcance una precisión inferior a 100 mm. Mediante la fusión de sensores y algoritmos de alta velocidad, la precisión de seguimiento puede alcanzar los 5 mm con velocidades de actualización de 200 Hz o una latencia de 5 ms .

Ventajas :

  • El usuario experimenta un movimiento sin restricciones [ 17 ]
  • Permite un mayor rango de movimiento.
  • Proporciona una ubicación absoluta en lugar de solo una ubicación relativa [ 18 ]

Contras :

  • Una baja frecuencia de muestreo puede disminuir la precisión.
  • Baja latencia (definición) en relación con otros sensores

Seguimiento inercial

El seguimiento inercial es un método nativo de seguimiento rotacional. Utiliza datos de acelerómetros y giroscopios , y a veces 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 se puede integrar teóricamente para encontrar la velocidad y luego integrar de nuevo para encontrar la posición relativa a un punto inicial. Los giroscopios miden la velocidad angular . La velocidad angular también se puede integrar para determinar la posición angular relativa al punto inicial. Los magnetómetros miden campos magnéticos y momentos dipolares magnéticos. La dirección del campo magnético terrestre se puede integrar para tener una referencia de orientación absoluta y para compensar las derivas giroscópicas. [ 19 ] Los sistemas modernos de unidades de medición inercial (IMU) se basan en la tecnología MEMS que permite rastrear la orientación (balanceo, cabeceo, guiñada) en el espacio con altas tasas de actualización y mínima latencia. Los giroscopios siempre se utilizan para el seguimiento rotacional, pero se utilizan diferentes técnicas para el seguimiento posicional en función de factores como el costo, la facilidad de configuración y el volumen de seguimiento. [ 16 ]

La navegación a estima se utiliza para rastrear datos de posición, lo que altera el entorno virtual actualizando los cambios de movimiento del usuario. [ 20 ] La tasa de actualización de la navegación 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. [ 20 ] Es difícil confiar únicamente en el seguimiento inercial para determinar la posición precisa porque la navegación a estima produce deriva, por lo que este tipo de seguimiento no se utiliza de forma aislada en la realidad virtual. [ 21 ] 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. [ 22 ]

Los sensores inerciales no solo son capaces de rastrear el movimiento rotacional (balanceo, cabeceo, guiñada), sino también el movimiento traslacional. Estos dos tipos de movimiento en conjunto se conocen como los seis grados de libertad . Muchas aplicaciones de realidad virtual necesitan rastrear no solo las rotaciones de la cabeza del usuario, sino también cómo se mueve su cuerpo con ellas (izquierda/derecha, adelante/atrás, arriba/abajo). [ 23 ] 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 elementos distintos a su cabeza.

Ventajas :

  • Puede rastrear movimientos rápidos con precisión en comparación con otros sensores, y especialmente bien cuando se combina con otros sensores.
  • Capaz de altas tasas de actualización

Contras :

  • Propenso a errores, que se acumulan rápidamente, debido a la navegación a estima.
  • Cualquier retraso o error de cálculo al determinar la posición puede provocar síntomas en el usuario, como náuseas o dolores de cabeza [ 4 ].
  • Puede que no pueda seguir el ritmo de un usuario que se mueve demasiado rápido [ 4 ]
  • Los sensores inerciales normalmente solo se pueden usar en entornos interiores y de laboratorio, por lo que las aplicaciones en exteriores son limitadas [ 5 ].

Seguimiento acústico

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 forma análoga a como los murciélagos localizan objetos utilizando las diferencias en los tiempos de retorno de las ondas sonoras a sus dos oídos, los sistemas de seguimiento acústico en VR pueden utilizar conjuntos de al menos tres sensores ultrasónicos y al menos tres transmisores ultrasónicos en los dispositivos para calcular la posición y orientación de un objeto (por ejemplo, un controlador de mano). [ 24 ] Hay dos maneras de determinar la posición del objeto: medir el tiempo de vuelo de la onda sonora desde el transmisor hasta los receptores o la coherencia de fase de la onda sonora sinusoidal al recibir la transferencia.

Métodos de tiempo de vuelo

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 una frecuencia mayor a 20 kHz) desde un transmisor hasta esos tres receptores, la posición cartesiana relativa del transmisor se puede calcular de la siguiente manera:

incógnita0=l12+d12−l222d1{\displaystyle x_{0}={l_{1}^{2}+d_{1}^{2}-l_{2}^{2} \over 2d_{1}}}

y0=l12+d22−l322d2{\displaystyle y_{0}={l_{1}^{2}+d_{2}^{2}-l_{3}^{2} \over 2d_{2}}}

z0=l12−incógnita02−y02{\displaystyle z_{0}={\sqrt {l_{1}^{2}-x_{0}^{2}-y_{0}^{2}}}}

Aquí, cada l i representa la distancia desde el transmisor a cada uno de los tres receptores, calculada en función del tiempo de propagación de la onda ultrasónica mediante 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 20 °C. Dado 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 de al menos tres por dispositivo rastreado, además de los tres receptores mencionados anteriormente. Los transmisores emiten ondas ultrasónicas en secuencia hacia los tres receptores, que luego se pueden usar para obtener datos espaciales de los tres transmisores mediante los métodos descritos anteriormente. La orientación del dispositivo se puede obtener a partir de la posición conocida de los transmisores en el dispositivo y sus ubicaciones espaciales relativas entre sí. [ 25 ]

Métodos de coherencia de fase

A diferencia de los métodos TOF, también se han utilizado métodos de seguimiento de fase coherente (PC) para localizar objetos acústicamente. El seguimiento PC implica comparar la fase de la onda sonora actual recibida por los sensores con la de una señal de referencia previa, de modo que se pueda determinar el cambio relativo en la posición de los transmisores con respecto a la última medición. Este método se utilizó en la pantalla 3D montada en la cabeza de Ivan Sutherland . [ 26 ] Dado que este método opera únicamente sobre cambios observados en los valores de posición, y no sobre mediciones absolutas, cualquier error en la medición tiende a acumularse con el tiempo. En consecuencia, este método ha perdido popularidad entre los desarrolladores con el paso del tiempo.

Ventajas :

  • Medición precisa de coordenadas y ángulos
  • Los sensores son pequeños y ligeros, lo que permite una mayor flexibilidad en la forma en que se incorporan al diseño.
  • Los dispositivos son baratos y sencillos de producir.
  • Sin interferencia electromagnética

Contras :

  • La variabilidad de la velocidad del sonido en función de la temperatura, la presión atmosférica y la humedad del entorno puede provocar errores en los cálculos de distancia.
  • El alcance es limitado y requiere una línea de visión directa entre emisores y receptores.
  • En comparación con otros métodos, la frecuencia de muestreo máxima posible es algo pequeña (aproximadamente unas pocas decenas de Hz) debido a la velocidad relativamente baja del sonido en el aire. Esto puede generar retrasos en las mediciones de hasta unas pocas decenas de milisegundos, a menos que se utilice la fusión de sensores para complementar las mediciones de ultrasonido.
  • Las interferencias acústicas (es decir, otros sonidos del entorno) pueden dificultar las lecturas.

En resumen, la implementación del seguimiento acústico es óptima en casos donde se tiene control total sobre el entorno ambiental en el que reside el sistema de RV o RA, como un simulador de vuelo. [ 2 ] [ 27 ] [ 28 ]

Seguimiento mecánico

Seguimiento mecánico de un HMD

El seguimiento mecánico utiliza enlaces conectados físicamente para determinar la posición de un objeto. Esto se utiliza en productos como el BOOM de Fakespace Labs. [ 29 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ "¿Qué diferencia hay entre 3 DoF y 6 DoF en realidad virtual? "
  2. 1 2 Aukstakalnis, Steve. Realidad aumentada práctica : una guía de las tecnologías, aplicaciones y factores humanos para la RA y la RV . Boston. ISBN  978-0-13-409429-8OCLC 958300989​​ 
  3. ↑ "Sistemas de seguimiento electromagnético en navegación quirúrgica" . Nature Research Intelligence . Consultado el 22 de diciembre de 2025 .
  4. 1 2 3 4 5 Hogue, A.; Jenkin, MR; Allison, RS (mayo de 2004). «Un sistema de seguimiento óptico-inercial para pantallas de realidad virtual totalmente cerradas». Primera Conferencia Canadiense sobre Visión por Computadora y Robótica, 2004. Actas . págs. 22–29 . doi : 10.1109/CCCRV.2004.1301417 . ISBN  0-7695-2127-4. S2CID 1010865 . 
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Bibliografía

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