2014-11-17 

1 

Śledzenie użytkownika w wirtualnym 

świecie 

Rodzaje systemów nawigacyjnych: 
• Mechaniczny 
• Elektromagnetyczny 
• Ultradźwiękowy 
• Optyczny 
• Inercyjne 
• Inne – np. algorytmy  
   rozpoznawania 

System pozycjonowania  

mechanicznego 

Zalety: 

•wydajność 
•precyzja 
•rozdzielczość 

Wady: 

•Ograniczona liczba stopni 
swobody 
•Niewygodny uchwyt 

Mechaniczne pozycjonowanie 

• Animazoo – Gypsy 7 

– 14 czujników  
– Dokładność (rozdzielczość 0.125°) 
– Niezależne przetwarzanie każdego przegubu 
– Wprowadzane małe zakłócenia  do informacji 

przesyłanych 

Typy systemów nawigacyjnych: 

Pozycjonowanie elektromagnetyczne 

•Prąd zmienny – zmienne pole magnetyczne 

(dobra jakość sygnału) 

•Prąd stały- statyczne pole magnetyczne  

(słabe pole magnetyczne, stabilniejsze w 
obecności metalowych elementów) 

 

Zalety: 

1.Free-flying 
sensor 
2.Magnetic field 
penetrates 
objects between 
sender and 
receiver 
3.All attitude (six 
degrees of 
freedom) 
4.Very small and 
light weight 
receivers 
5.Very high 
resolutions 
achievable under 
controlled 
conditions (0.2 
mm, 0.1 degree) 

Wady: 
1.Cabled sensor 
2.Expensive 

instrumentation 

3.Limited field of 

operation (3x3x3 
meters) 

4.AC version is very 

sensitive for 
distortions caused by 
metallic objects in 
the measure area 

5.Sensitivity for 

electromagnetic 
devices (video 
beamers, CRT) 

6.May cause damage 

to HF electronic 
devices 

Typy systemów nawigacyjnych:  

 pozycjonowanie ultradźwiękowe 

 
 
 

  

 

Zalety: 

- free-flying sensor 
- 3-6 degrees of freedom devices 

available 

- small and light weight sensors (sender) 
- high resolutions achievable for relative 

movements 

- quite cheap technology 

Spatial 
relationships of 
the receiver 
arrangement is 
known from 
manufacturing 
process 

Wady: 
- operates often within a hemispheric 

environment only 

- echo-reflecting environment can cause 

trouble under measurement 

- external high frequency sound sources can 

cause problems 

- limited range of operation 
- sample rate degrades with distance 
- line-of-sight problem 

2014-11-17 

2 

Typy systemów nawigacyjnych:  

optyczne, np. światło podczerwone 

Wady: 

- Czujniki aktywne wyposażone w przewód  

- Problem linii widoczności 

- Obiekty odbijające w otoczeniu mogą 

powodować błędu 

- Wiele innych źródeł podczerwieni może 

zakłócać pracę systemu pomiarowego  

(

np. pilot

) 

- Inne urządzenia sterowane przez 

podczerwień mogą być zakłócane przez 

nawigator 

Zalety: 

- Wygodne czujniki pasywne 
- 3 - 6 stopni swobody 
- Dość wysoka rozdzielczość w 
ograniczonym obszarze pracy 
- Odpowiednie do szerokiego obszaru 
śledzenia 
-Skuteczna metoda pomiaru 
-Odpowiednia cena 

System nawigacyjny Polaris, NDI 

  Kamera na podczerwień 

Rigid Body: 
Aktywne i Pasywne 

Transformacja układu współrzędnych 

Translacja, 
Rotacja 

Translacja, 
Rotacja 

Polaris wysyła do komputera: 

•Wektor translacji 

•Kwaterniony: q0, qx, qy, qz definują 
macierz rotacji 

•Wartość RMS – odchylenie standardowe, 
wprowadzane przez algorytm Best-Fit-
Algorithm odnoszący obserwowane punkty 
(diody, kuleczki) do danych kalibracji 







































fQzQz

 

fQyQy 

 -

fQxQx 

 -

 

fQ0Q0

fQyQz))

 

(fQ0Qx 

 

*

 

(2.0

fQxQz))

 

(-fQ0Qy 

 

*

 

(2.0

fQyQz))

 

(-fQ0Qx 

 

*

 

(2.0

 

fQzQz

 -

fQyQy 

 

fQxQx 

 -

 

fQ0Q0

 

fQxQy))

 

 

(fQ0Qz

 

*

 

(2.0

fQxQz))

 

(fQ0Qy 

 

*

 

(2.0

 

fQxQy))

 

 

(-fQ0Qz

 

*

 

(2.0

fQzQz

 -

fQyQy 

 -

fQxQx 

 

 

fQ0Q0

Referencyjny układ współrzędnych 

Translacja, 
Rotacja 

Translacja, 
Rotacja 

Narzędzie 

Referencja 

Zdefiniowanie transformacji: 

Układ współrzędnych kamery – Układ 
współrzędnych referencyjnego rigid body 

Można zdefiniować współrzędne ruchu 
narzędzia w referencyjnym układzie 
współrzędnych 

USTALIĆ LOKALNY UKŁAD WSPÓŁRZĘDNYCH ABY 

SKOMPENSOWAĆ MOŻLIWY RUCH NAWIGATORA LUB OBIEKTU 

KAMERA 

Komputerowe wspomaganie zabiegów 

• Narzędzia chirurgiczne 

wyposażone w czujniki 
podczerwone.  
 

• Dodatkowe czujniki montuje się 

na ciele pacjenta. 
 

• Kamera na podczerwień śledzi 

ruch narzędzi chirurgicznych w 
odniesieniu do anatomii pacjenta. 

 

Nawigacja w chirurgii 

• Nawigacja wspomagana obrazami 

– Obrazy uzyskiwane 

przedoperacyjnie  

– W czasie zabiegu:  

• Rejestracja punktów 

charakterystycznych.  

• Określenie transformacji 

pomiędzy przestrzenią 
punktów na pacjencie w relacji 
do przestrzeni punktów na 
obrazie.  

• Ruch narzędzia jest 

prezentowany na ekranie.  

2014-11-17 

3 

Śledzenie ruchu ręki, twarzy, oczu… 

• Żyroskopy 
• Akcelerometry 
• Tensometry 
• Kamery 
 
 

Inne 

Ręka 

Ręka i rękawice 

Oczy i głowa 

Systemy „nawigacji” (wskazywania) 

2014-11-17 

4 

Możliwości śledzenia ruchu