虚拟现实的硬件与软件基础.pptx

单击此处编辑母版标题样式,,,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第二章 虚拟现实的硬件与软件基础,,高性能计算机；,广角（宽视野）的立体显示设备；,观察者（头、眼）的跟踪设备；,人体姿势的跟踪设备；,立体声；,触觉、力觉反馈；,语音输入输出等2.1 概论,虚拟现实的硬件设备:,,,,,交互性,,是虚拟现实系统的首要特性为了允许人机交互，必须使用特殊的人机接口与外部设备，既要允许用户将信息输入到计算机，也要使计算机能反馈信息给用户今天的,VR,外部设备在功能和目的上各不相同例如 ：,身体运动由3-,D,位置跟踪器跟踪；,手势由传感手套数字化；,视觉反馈发送给立体显示器；,虚拟声音由3-,D,声音生成器计算；,观察方向随跟踪球和操纵杆改变等虚拟现实应用系统的特点：,具有灵活性、可移植性与实时交互的特性本章内容：,将描述一些虚拟现实硬件设备及其软件，并分别讲述其功能、特征以及当前的局限性2.2,VR,硬件的系统集成,虚拟现实（,VR）,系统集成的关键技术：,虚拟现实系统中通常包括大量需要处理来自各种设备的感知信息、模型和数据，因此，,建立一个以计算机为核心、将多种,I/O,交互设备协调组合在一起的硬件平台，,是,VR,系统集成的关键技术。

计算机系统的作用：,实时处理、数据输入/输出、虚拟境界的管理和生成等功能计算机系统的功能：,（1）,要保障虚拟三维场景的实时计算和显示，尽量减少延迟；(2)另一方面还要协调各种,I/O,交互设备之间的工作，以确保系统整体运行的性能目前虚拟现实的计算机系统可以是,PC,机,、,工作站,和,超级计算机,等，而且多数情况下都采用多种机，并以各种方式连接PC,机和工作站的比较：,,（1）PC,机,一般只能用于低档的,VR,系统，这主要是因为与工作站和超级计算机相比，它的图形和声音处理功能都是有限的2）工作站,专门用于虚拟现实系统中，它具有多个处理器，以便进一步增强整体系统结构，其中有的系统可以允许一百多个处理器同时运行一个程序，从而使,VR,系统的性能达到最佳虚拟现实的集成系统:,是指在工作站或者,PC,机上工作的不同组合虚拟现实硬、软件工具包它提供了一套紧凑的设备，在此系统内，虚拟世界可被创造、仿真和可视，还能通过这些集成设备获得浸入式体验下面以,VIEW,（,Virtual Interface Environment Workstation,）,为例，介绍,VR,系统平台VIEW,系统组成,,,,VIEW,由一组由计算机控制的,I/O,子系统组成：它以,HP,公司的,HP900／835,为主，图形处理采用,SGI,公司的图形计算机或,HPSRX,图形系统配备了,Plohemus,空间跟踪系统来跟踪使用者手部的位置，配备了,LEEP,广角立体视景头戴显示器和单色液晶显示器，双屏显示器的三维场景由遥控摄像机获取，且视景可随着操作者的视线（头部位姿）变化；头盔上有一个麦克风以便作语音识别，两个耳机进行三维声音跟踪，,Convolvotron,三维音频输出设备则使整个虚拟环境附有立体声音响；,VPL,数据手套用于识别使用者手势控制系统的行为，使操作者能够借助语音、手语（手指动作的组合姿态由数据手套,Dataglove,形成）与环境交互；同时还配备了,BOOM CRT,显示器及,Fake Space,远程摄像系统。

这些子系统分别提供虚拟环境所需的各种感觉通道的识别和控制功能使用者“置身”于这样的,VR,环境，周围是预先定义好的虚拟物体及三维空间的声响效果，从而为各类,VR,应用系统的研发提供了一个方便VIEW,系,统,统,的,的,应,应,用,用,：,：,远,程,程,机,机,器,器,人,人,控,控,制,制,，,，,复,复,杂,杂,信,信,息,息,管,管,理,理,及,及,人,人,类,类,诸,诸,因,因,素,素,的,的,研,研,究,究,目,目,前,前,大,大,多,多,数,数,虚,虚,拟,拟,现,现,实,实,系,系,统,统,的,的,硬,硬,件,件,体,体,系,系,结,结,构,构,都,都,由,由,VIEW,发,展,展,而,而,来,来,同,同,时,时,，,，,这,这,种,种,以,以,基,基,于,于,LCD,的,头,头,盔,盔,显,显,示,示,器,器,、,、,数,数,据,据,手,手,套,套,及,及,头,头,部,部,跟,跟,踪,踪,器,器,为,为,特,特,征,征,的,的,硬,硬,件,件,体,体,系,系,结,结,构,构,也,也,己,己,成,成,为,为,当,当,今,今,虚,虚,拟,拟,现,现,实,实,系,系,统,统,的,的,主,主,流,流,。

2.3,VR,的,三,三,维,维,跟,跟,踪,踪,传,传,感,感,设,设,备,备,三,维,维,交,交,互,互,设,设,备,备,的,的,作,作,用,用,：,：,把,各,各,种,种,信,信,息,息,输,输,入,入,计,计,算,算,机,机,，,，,并,并,向,向,用,用,户,户,提,提,供,供,相,相,应,应,的,的,反,反,馈,馈,，,，,它,它,们,们,是,是,使,使,参,参,与,与,者,者,能,能,以,以,人,人,类,类,自,自,然,然,技,技,能,能,与,与,虚,虚,拟,拟,环,环,境,境,交,交,互,互,的,的,必,必,要,要,工,工,具,具,三,维,维,交,交,互,互,设,设,备,备,的,的,分,分,类,类,：,：,根,据,据,传,传,感,感,渠,渠,道,道,以,以,及,及,在,在,功,功,能,能,和,和,目,目,的,的,上,上,的,的,不,不,同,同,，,，,虚,虚,拟,拟,现,现,实,实,系,系,统,统,的,的,三,三,维,维,交,交,互,互,设,设,备,备,主,主,要,要,被,被,分,分,为,为,三,三,维,维,跟,跟,踪,踪,传,传,感,感,设,设,备,备,，,，,立,立,体,体,显,显,示,示,设,设,备,备,、,、,手,手,数,数,字,字,化,化,设,设,备,备,、,、,声,声,音,音,设,设,备,备,以,以,及,及,系,系,统,统,集,集,成,成,设,设,备,备,等,等,几,几,大,大,类,类,。

虚,拟,拟,现,现,实,实,技,技,术,术,是,是,在,在,三,三,维,维,空,空,间,间,中,中,与,与,人,人,交,交,互,互,的,的,技,技,术,术,，,，,为,为,了,了,能,能,及,及,时,时,、,、,准,准,确,确,地,地,获,获,取,取,人,人,的,的,动,动,作,作,信,信,息,息,，,，,需,需,要,要,有,有,各,各,类,类,高,高,精,精,度,度,、,、,高,高,可,可,靠,靠,的,的,跟,跟,踪,踪,定,定,位,位,设,设,备,备,传,感,感,器,器,技,技,术,术,，,，,它,它,是,是,VR,系,统,统,中,中,实,实,现,现,人,人,机,机,之,之,间,间,沟,沟,通,通,的,的,极,极,其,其,重,重,要,要,的,的,通,通,信,信,手,手,段,段,，,，,是,是,实,实,时,时,处,处,理,理,的,的,关,关,键,键,技,技,术,术,目,前,前,虚,虚,拟,拟,现,现,实,实,系,系,统,统,使,使,用,用,的,的,仍,仍,是,是,多,多,年,年,来,来,的,的,常,常,用,用,方,方,法,法,，,，,其,其,典,典,型,型,的,的,工,工,作,作,方,方,式,式,是,是,，,，,固,固,定,定,发,发,射,射,器,器,发,发,射,射,出,出,电,电,磁,磁,信,信,号,号,，,，,该,该,信,信,号,号,被,被,附,附,在,在,用,户,户,头,头,上,上,的,的,机,机,动,动,传,传,感,感,器,器,截,截,获,获,，,，,传,传,感,感,器,器,接,接,收,收,到,到,这,这,些,些,信,信,号,号,后,后,进,进,行,行,解,解,码,码,，,，,确,确,定,定,发,发,射,射,器,器,与,与,接,接,收,收,器,器,之,之,间,间,的,的,相,相,对,对,位,位,置,置,及,及,方,方,位,位,，,，,信,信,号,号,随,随,后,后,传,传,输,输,到,到,时,时,间,间,运,运,行,行,系,系,统,统,进,进,而,而,传,传,给,给,三,三,维,维,图,图,形,形,环,环,境,境,处,处,理,理,系,系,统,统,。

电,磁,磁,波,波,跟,跟,踪,踪,器,器,原,理,理,：,：,它,使,使,用,用,一,一,个,个,信,信,号,号,发,发,生,生,器,器,（,（3,个,个,正,正,交,交,线,线,圈,圈,组,组,）,）,产,产,生,生,低,低,频,频,电,电,磁,磁,场,场,，,，,然,然,后,后,由,由,放,放,置,置,于,于,接,接,收,收,器,器,中,中,的,的,另,另,外,外,三,三,组,组,正,正,交,交,线,线,圈,圈,组,组,负,负,责,责,接,接,收,收,，,，,通,通,过,过,获,获,得,得,的,的,感,感,生,生,电,电,流,流,和,和,磁,磁,场,场,场,场,强,强,的,的9,个,个,数,数,据,据,来,来,计,计,算,算,被,被,跟,跟,踪,踪,物,物,体,体,的,的,位,位,置,置,和,和,方,方,向,向,（,（,如,如,图,图,）,）,特,点,点,：,：,体,积,积,小,小,、,、,价,价,格,格,便,便,宜,宜,、,、,用,用,户,户,运,运,动,动,自,自,由,由,，,，,而,而,且,且,敏,敏,感,感,性,性,不,不,依,依,赖,赖,于,于,跟,跟,踪,踪,方,方,位,位,，,，,但,但,是,是,其,其,系,系,统,统,延,延,迟,迟,较,较,长,长,，,，,跟,跟,踪,踪,范,范,围,围,小,小,，,，,且,且,准,准,确,确,度,度,容,容,易,易,受,受,环,环,境,境,中,中,大,大,的,的,金,金,属,属,物,物,体,体,或,或,其,其,他,他,磁,磁,场,场,的,的,影,影,响,响,。

常,用,用,电,电,磁,磁,波,波,跟,跟,踪,踪,器,器,多,数,数,电,电,磁,磁,波,波,跟,跟,踪,踪,器,器,采,采,用,用,交,交,流,流,磁,磁,场,场,（,（,如,如,Polhemus,的,跟,跟,踪,踪,器,器,）,）,，,，,但,但,也,也,有,有,的,的,采,采,用,用,直,直,流,流,磁,磁,场,场,（,（,如,如,Ascension,的,跟,跟,踪,踪,器,器,）,）,交,变,变,电,电,磁,磁,跟,跟,踪,踪,系,系,统,统,对,传,传,感,感,器,器,或,或,接,接,收,收,器,器,附,附,近,近,的,的,电,电,磁,磁,体,体,较,较,为,为,敏,敏,感,感,，,，,它,它,会,会,因,因,为,为,周,周,围,围,环,环,境,境,中,中,的,的,金,金,属,属,或,或,铁,铁,磁,磁,性,性,物,物,质,质,而,而,产,产,生,生,涡,涡,旋,旋,电,电,流,流,和,和,干,干,扰,扰,性,性,次,次,磁,磁,场,场,，,，,从,从,而,而,导,导,致,致,信,信,号,号,发,发,生,生,畸,畸,变,变,，,，,跟,跟,踪,踪,精,精,度,度,降,降,低,低,。

直,流,流,电,电,磁,磁,跟,跟,踪,踪,系,系,统,统,只,是,是,在,在,测,测,量,量,开,开,始,始,时,时,产,产,生,生,涡,涡,旋,旋,电,电,流,流,而,而,在,在,稳,稳,定,定,状,状,态,态,下,下,衰,衰,减,减,为,为,零,零,，,，,这,这,就,就,减,减,少,少,了,了,畸,畸,变,变,磁,磁,场,场,的,的,产,产,生,生,率,率,，,，,使,使,跟,跟,踪,踪,精,精,确,确,度,度,大,大,大,大,提,提,高,高,且,且,能,能,够,够,保,保,证,证,在,在,较,较,大,大,操,操,作,作,范,范,围,围,内,内,的,的,高,高,灵,灵,敏,敏,度,度,超,声,声,波,波,跟,跟,踪,踪,器,器,工,作,作,原,原,理,理,：,：,发,射,射,器,器,发,发,出,出,高,高,频,频,超,超,声,声,波,波,脉,脉,冲,冲,（,（,频,频,率,率,20,kHz,以,上,上,）,）,后,后,，,，,由,由,接,接,收,收,器,器,计,计,算,算,收,收,到,到,信,信,号,号,的,的,时,时,间,间,差,差,、,、,相,相,位,位,差,差,或,或,声,声,压,压,差,差,等,等,，,，,就,就,可,可,以,以,跟,跟,踪,踪,物,物,体,体,的,的,距,距,离,离,和,和,方,方,位,位,了,了,。

特,点,点,：,：,性,能,能,适,适,中,中,，,，,成,成,本,本,低,低,廉,廉,，,，,而,而,且,且,不,不,会,会,受,受,外,外,部,部,磁,磁,场,场,和,和,大,大,块,块,金,金,属,属,物,物,质,质,的,的,干,干,扰,扰,，,，,敏,敏,感,感,性,性,却,却,容,容,易,易,受,受,接,接,收,收,器,器,的,的,方,方,位,位,和,和,空,空,气,气,密,密,度,度,的,的,影,影,响,响,分,类,类,：,：,按,照,照,测,测,量,量,方,方,法,法,的,的,不,不,同,同,，,，,分,分,为,为,飞,飞,行,行,时,时,间,间,测,测,量,量,法,和,和,相,相,位,位,相,相,干,干,测,测,量,量,法,法,声,波,波,飞,飞,行,行,时,时,间,间,跟,跟,踪,踪,的,的,原,原,理,理,：,：,通,过,过,测,测,量,量,声,声,波,波,的,的,飞,飞,行,行,时,时,间,间,延,延,迟,迟,来,来,确,确,定,定,距,距,离,离,的,的,它,它,同,同,时,时,使,使,用,用,多,多,个,个,发,发,射,射,器,器,和,和,接,接,收,收,器,器,，,，,以,以,便,便,获,获,得,得,一,一,系,系,列,列,的,的,距,距,离,离,量,量,，,，,从,从,而,而,计,计,算,算,出,出,准,准,确,确,的,的,位,位,置,置,和,和,方,方,向,向,。

声,波,波,飞,飞,行,行,时,时,间,间,跟,跟,踪,踪,的,的,特,特,点,点,：,：,具,有,有,较,较,好,好,的,的,精,精,确,确,度,度,和,和,响,响,应,应,性,性,；,；,易,易,受,受,到,到,外,外,界,界,噪,噪,音,音,脉,脉,冲,冲,的,的,干,干,扰,扰,，,，,同,同,时,时,数,数,据,据,传,传,输,输,率,率,还,还,会,会,随,随,着,着,监,监,测,测,范,范,围,围,的,的,扩,扩,大,大,而,而,降,降,低,低,，,，,适,适,用,用,于,于,小,小,范,范,围,围,内,内,的,的,操,操,作,作,环,环,境,境,相,位,位,相,相,干,干,跟,跟,踪,踪,的,的,原,原,理,理,：,：,通,过,过,比,比,较,较,基,基,准,准,信,信,号,号,和,和,传,传,感,感,器,器,监,监,测,测,到,到,的,的,发,发,射,射,信,信,号,号,之,之,间,间,的,的,相,相,位,位,差,差,来,来,确,确,定,定,距,距,离,离,的,的,相,位,位,相,相,干,干,跟,跟,踪,踪,的,的,特,特,点,点,：,：,具,有,有,较,较,高,高,的,的,数,数,据,据,传,传,输,输,率,率,、,、,可,可,保,保,证,证,系,系,统,统,监,监,测,测,的,的,精,精,度,度,、,、,响,响,应,应,性,性,以,以,及,及,耐,耐,久,久,性,性,等,等,，,，,而,而,不,不,受,受,到,到,外,外,界,界,噪,噪,声,声,的,的,干,干,扰,扰,。

光,学,学,跟,跟,踪,踪,器,器,光,学,学,跟,跟,踪,踪,器,器,可,可,以,以,使,使,用,用,自,自,然,然,光,光,、,、,激,激,光,光,或,或,红,红,外,外,线,线,等,等,作,作,为,为,光,光,源,源,，,，,但,但,为,为,避,避,免,免,干,干,扰,扰,用,用,户,户,的,的,观,观,察,察,视,视,线,线,，,，,目,目,前,前,多,多,采,采,用,用,红,红,外,外,线,线,方,方,式,式,优,点,点,：,：可,工,工,作,作,范,范,围,围,较,较,小,小,、,、,其,其,数,数,据,据,处,处,理,理,速,速,度,度,、,、,响,响,应,应,性,性,都,都,非,非,常,常,好,好,，,，,适,适,用,用,于,于,头,头,部,部,活,活,动,动,范,范,围,围,相,相,当,当,受,受,限,限,但,但,要,要,求,求,具,具,有,有,较,较,高,高,刷,刷,新,新,率,率,和,和,精,精,确,确,率,率,的,的,实,实,时,时,应,应,用,用,光,学,学,跟,跟,踪,踪,传,传,感,感,器,器,结,结,构,构,的,的,实,实,现,现,方,方,法,法,通,通,常,常,有,有,两,两,种,种,：,：“由外,向,向内”方式和“由内,向,向外”方式。

由外,向,向内”,方,方式特,点,点和原,理,理：,传感器,是,是固定,的,的，发,射,射器是,可,可移动,的,的它,通,通常是,利,利用置,于,于已知,位,位置的,多,多台照,相,相机或,摄,摄像机,，,，追踪,放,放置在,被,被监测,物,物体表,面,面的红,外,外线发,光,光二极,管,管的位,置,置，并,通,通过观,察,察多个,目,目标来,计,计算它,的,的方位,由外,向,向内”,方,方式不,足,足：,这类光,学,学跟踪,器,器采用,了,了昂贵,的,的信号,处,处理器,硬,硬件，,因,因此它,主,主要用,于,于飞机,座,座舱模,拟,拟由内,向,向外”,方,方式特,点,点和原,理,理：,发射器,是,是固定,的,的，而,传,传感器,是,是可移,动,动的由,由于在,此,此种方,式,式中，,多,多个传,感,感器可,以,以由一,组,组发射,器,器支持,，,，因而,在,在定点,传,传送系,统,统跟踪,多,多个目,标,标的时,候,候，具,有,有比“,由,由外向,内,内”方,式,式更优,秀,秀的性,能,能其他空,间,间跟踪,系,系统,1.,机,机械跟,踪,踪器,：,：,通常把,参,参考点,和,和跟踪,体,体直接,通,通过连,杆,杆装置,相,相连。

它,它采用,钢,钢体框,架,架，一,方,方面可,以,以支撑,观,观察设,备,备，另,一,一方面,可,可以测,量,量跟踪,体,体的位,置,置和方,位,位这种跟,踪,踪器的,精,精度和,响,响应性,适,适中，,不,不受电,磁,磁场的,影,影响，,但,但活动,范,范围十,分,分有限,，,，而且,对,对用户,有,有一定,的,的机械,束,束缚2.,惯,惯性跟,踪,踪器,：,：,惯性跟,踪,踪器也,是,是采用,机,机械方,法,法，其,原,原理是,利,利用小,型,型陀螺,仪,仪测量,被,被监测,物,物在其,倾,倾角、,偏,偏角和,转,转角方,面,面的数,据,据它,不,不是一,种,种六自,由,由度的,设,设备，,但,但在不,需,需要位,置,置信息,的,的场合,还,还是十,分,分有用,的,的3.,图,图像提,取,取跟踪,器,器：,原理:,由,由一组,（,（两台,或,或两台,以,以上）,视,视频摄,像,像机拍,摄,摄人及,其,其动作,，,，然后,通,通过图,像,像处理,技,技术的,运,运算和,分,分析来,确,确定人,的,的位置,及,及动作,优点:,作,作为一,种,种高级,的,的采样,识,识别技,术,术，图,像,像提取,跟,跟踪设,备,备的计,算,算密度,高,高，又,不,不会受,附,附近的,磁,磁场或,金,金属物,质,质的影,响,响，而,且,且对用,户,户没有,运,运动约,束,束，因,而,而在使,用,用上具,有,有极大,的,的方便,。

缺点:,由,由于图,像,像提取,跟,跟踪设,备,备是通,过,过比较,已,已知的,采,采样位,置,置和传,感,感的采,样,样来确,定,定位置,的,的，因,而,而对监,测,测物体,的,的距离,和,和监测,环,环境的,灯,灯光照,明,明系统,要,要求较,高,高，通,常,常远距,离,离的物,体,体或过,强,强、过,弱,弱的照,明,明都会,降,降低采,样,样识别,系,系统的,精,精确度,另外,，,，较少,数,数量的,摄,摄像机,可,可能使,监,监测环,境,境中的,物,物,体（包,括,括参与,者,者）出,现,现在摄,像,像机视,野,野中被,屏,屏蔽的,现,现象，,而,而较多,数,数量的,摄,摄像机,又,又会增,加,加采样,识,识别算,法,法的复,杂,杂度和,系,系统冗,余,余度对跟踪,传,传感设,备,备的评,价,价,跟踪装,置,置的性,能,能指标,主,主要包,括,括：,（1）,等,等待时,间,间（即,延,延迟）,指从采,样,样开始,到,到数据,可,可以处,理,理之前,的,的时间,间,间隔；,我,我们要,求,求跟踪,设,设备的,系,系统延,迟,迟应足,够,够短，,因,因为长,延,延迟会,影,影响沉,浸,浸效果,。

2）,位,位置精,度,度,即实际,位,位置与,测,测量位,置,置之间,的,的偏差,；,；偏差,越,越小，,随,随着用,户,户动作,产,产生的,模,模拟效,果,果就越,好,好3）,分,分辨率,即设备,能,能检测,到,到的最,小,小位移,；,；,另外还,有,有取样,率,率、运,行,行约束,、,、环境,隔,隔离要,求,求等指,标,标表3,种,种常用,跟,跟踪技,术,术的主,要,要性能,指,指标,跟踪器类型,,分辨率,,精度,,延迟,,跟踪范围,,电磁波,,1,mm0.03mm,,3,mm0.1mm,,50,ms,,半径<1.6,m,的半球形,,超声波,,10,mm0.5mm,,依空气密度变化,,30,ms,,4～5,m,,光学,,2,rnrn0.02mm,,1,rnrn,,＜1,ms,,4～8,m（,可扩展至14,m）,,跟踪器类型,,分辨率,,精度,,延迟,,跟踪范围,,电磁波,,1,mm0.03mm,,3,mm0.1mm,,50,ms,,半径<1.6,m,的半球形,,超声波,,10,mm0.5mm,,依空气密度变化,,30,ms,,4～5,m,,光学,,2,rnrn0.02mm,,1,rnrn,,＜1,ms,,4～8,m（,可扩展至14,m）,,跟踪器类型,,分辨率,,精度,,延迟,,跟踪范围,,电磁波,,1,mm0.03mm,,3,mm0.1mm,,50,ms,,半径<1.6,m,的半球形,,超声波,,10,mm0.5mm,,依空气密度变化,,30,ms,,4～5,m,,光学,,2,rnrn0.02mm,,1,rnrn,,＜1,ms,,4～8,m（,可扩展至14,m）,,跟踪器类型,分辨率,精度,延迟,跟踪范围,电磁波,1,mm 0.03mm,3,mm 0.1mm,50,ms,半径<1.6,m,的半球形,超声波,10,mm 0.5mm,依空气密度变化,30,ms,4～5,m,3,光学,2,mm 0.02mm,1,mm,＜1,ms,4～8,m,3,（,可扩展至14,m,3,）,,2.4,VR,的立体,显,显示设,备,备,对虚拟,世,世界的,沉,沉浸感,主,主要依,赖,赖于人,类,类的视,觉,觉感知,。

人眼立,体,体视觉,效,效应的,原,原理:当人在,现,现实生,活,活中观,察,察物体,时,时，双,眼,眼之间6～7,cm,的距离,（,（瞳距,）,）会使,左,左、右,眼,眼分别,产,产生一,个,个稍有,不,不同的,图,图像（,即,即体视,差,差），,我,我们的,大,大脑通,过,过分析,后,后会把,这,这两幅,图,图像融,合,合为一,幅,幅画面,，,，并由,此,此获得,距,距离和,深,深度的,感,感觉比较常,用,用的显,示,示设备,主,主要有,立,立体眼,镜,镜、头,盔,盔显示,器,器、双,目,目全方,位,位显示,器,器以及,大,大屏幕,立,立体投,影,影等头盔显,示,示器（,Head,一,Mounted3DDisplay,，,HMD,）,HMD,是专为,用,用户提,供,供虚拟,现,现实中,立,立体景,物,物的显,示,示器HMD,的工作,原,原理,：它通,常,常被固,定,定在用,户,户的头,部,部，由,两,两个,LCD,或,CRT,显示器,分,分别向,两,两只眼,睛,睛提供,图,图像，,这,这两个,显,显示屏,中,中的图,像,像由计,算,算机分,别,别驱,动，屏,上,上的两,幅,幅图像,存,存在着,细,细小的,差,差别，,类,类似于,“,“双眼,视,视差”,，,，大脑,将,将融合,这,这两个,视,视差图,像,像以获,得,得深度,感,感知。

HMD,的特点,：,：,它可以,使,使参与,者,者暂时,与,与真实,世,世界隔,离,离开，,而,而处于,完,完全沉,浸,浸状态,双眼局,部,部重叠,的,的头盔,显,显示器,光,光学模,型,型,,安装在,头,头盔上,的,的显示,器,器可以,包,包括：,阴,阴极射,线,线管（,CRT,）,）、,液晶显,示,示（,LCD,）,）、,发光二,极,极管（,LED,）,）、,荧光管,、,、液晶,开,开关显,示,示器以,及,及微机,械,械硅显,示,示器等,多,多种显,示,示技术,现阶,段,段最为,常,常用的,是,是,CRT,和,LCD,两种，,其,其中，,CRT,显示器,具,具有较,高,高分辨,率,率，而,LCD,显示器,具,具有较,好,好的亮,度,度，预,计,计微机,械,械硅显,示,示器将,成,成为今,后,后新型,HMD,显示部,件,件的发,展,展主流,与立体,眼,眼镜等,显,显示设,备,备相比,，,，头盔,显,显示器,虽,虽然价,格,格昂贵,，,，但却,具,具有较,好,好的沉,浸,浸感，,而,而且用,户,户的走,动,动自由,当然,，,，它也,存,存在着,诸,诸如约,束,束感较,强,强、,LCD,的分辨,率,率偏低,，,，失真,较,较大等,问,问题。

衡量头,盔,盔显示,器,器性能,的,的规格,参,参数及,其,其含义,：,：,（1）,逼,逼真的,立,立体视,觉,觉（双,眼,眼视觉,）,）,“逼真,”,”,指所看,到,到的景,象,象中的,所,所有点,的,的方位,角,角和俯,仰,仰角与,原,原始图,像,像中的,对,对应点,都,都一样,逼真,的,的立体,视,视觉”,要求两,眼,眼所看,到,到的两,幅,幅图像,同,同时符,合,合“逼,真,真”这,个,个条件,2）,视,视场,视场,即人眼,能,能够看,到,到的视,觉,觉范围,的,的大小,，,，它对,VR,系统的,影,影响包,括,括两个,方,方面：,总,总视场,角,角和视,场,场重叠,角,角视场是,沉,沉浸感,的,的关键,因,因素，,是,是衡量,光,光学系,统,统性能,好,好坏的,主,主要参,数,数衡量头,盔,盔显示,器,器性能,的,的规格,参,参数及,其,其含义,（3）,分,分辨率,人眼在,视,视网膜,中,中心部,分,分的分,辨,辨率较,高,高，大,约,约为,1,弧分左,右,右，而,随,随着距,离,离中心,点,点越来,越,越远，,其,其分辨,率,率也会,越,越来越,低,低4）,透,透射率,头盔显,示,示器又,可,可以分,为,为“看,穿,穿”式,和,和非“,看,看穿”,式,式两种,。

戴上“,看,看穿”,式,式显示,器,器，用,户,户可以,同,同时看,到,到计算,机,机产生,的,的图像,和,和真实,的,的外部,景,景象戴上非,“,“看穿,”,”式显,示,示器时,，,，用户,就,就只能,看,看到由,计,计算机,生,生成的,图,图像了,衡量头,盔,盔显示,器,器性能,的,的规格,参,参数及,其,其含义,(5),重,重叠率,双眼图,像,像重叠,在,在一起,的,的部分,，,，我们,称,称之为,双,双目重,叠,叠区局部重,叠,叠式头,盔,盔显示,器,器可以,在,在不降,低,低分辨,率,率的前,提,提下，,提,提供更,宽,宽的视,场,场衡量头,盔,盔显示,器,器性能,的,的规格,参,参数及,其,其含义,（6）,重,重量,理想的,头,头盔显,示,示器不,但,但应保,证,证前后,两,两部分,保,保持平,衡,衡（不,要,要前重,后,后轻）,，,，而且,其,其重量,应,应该是,和,和一副,眼,眼镜差,不,不多，,这,这样可,以,以尽量,减,减少使,用,用者的,疲,疲劳和,不,不适感,7）人的,因,因素,决定头盔显,示,示器性能的,很,很多参数之,间,间是存在相,互,互制约关系,的,的在设计,和,和购买头盔,显,显示器时，,一,一定要将硬,件,件的规格和,参,参数、系统,自,自身的应用,需,需求以及造,价,价成本等多,方,方面因素予,以,以综合考虑,，,，选择适当,的,的产品。

双目全方位,显,显示器,(,BOOM,）,BOOM,（,Binocu1arOmniorientation Monitor,）,是一种可移,动,动式显示器,BOOM,的特点：,有两个互相,垂,垂直的机械,臂,臂支撑、有,实,实时的观测,和,和交互能力,BOOM,的优点：,分辨率高于,HMD，,且图像柔和,；,；系统延,迟,迟小，且不,受,受磁场和超,声,声波背景噪,音,音的影响；,应,应用方便灵,活,活BOOM,的缺点：,使使用者的,运,运动受限，,这,这是因为在,工,工作空间中,心,心的支撑架,造,造成了“死,区,区”，因此,BOOM,的工作区要,去,去除中心大,约,约0.5,m,2,的空间范围,CRT,终端——液,晶,晶光闸眼镜,工作原理：由计算机分,别,别产生左、,右,右眼的两幅,图,图像，经过,合,合成处理后,，,，采用分时,交,交替的方法,显,显示于,CRT,终端上用,户,户则佩带一,副,副与计算机,相,相连的液晶,光,光闸眼镜，,眼,眼镜的左、,右,右镜片在驱,动,动电信号的,作,作用下，将,以,以与图像显,示,示同步的速,率,率交替“开,”,”（透光）,、,、“闭”（,遮,遮光），即,当,当计算机显,示,示左眼图像,时,时，右眼透,镜,镜将被遮闭,，,，而当计算,机,机显示右眼,图,图像时，左,眼,眼透镜则被,遮,遮闭。

这样,做,做可以让用,户,户的左、右,眼,眼分别只看,到,到相应的左,、,、右图像根,根据双目视,差,差与深度距,离,离的正比关,系,系，人的视,觉,觉生理系统,就,就可以自动,将,将这两幅视,差,差图像融合,成,成一个立体,视,视像了CRT,终端液晶光,闸,闸眼镜的优,缺,缺点：,相对于头盔,显,显示器或,BOOM,而言，液晶,光,光闸眼镜是,一,一种非常廉,价,价的立体显,示,示设备它,极,极其短促的,光,光栅开／关,时,时间和监视,器,器的高刷新,率,率形成了无,闪,闪烁图像，,使,使得这种图,像,像比基于,LCD,的头盔显示,器,器要清晰得,多,多，而且长,时,时间观察也,不,不会令人疲,倦,倦同时，,立,立体眼镜重,量,量轻，使用,舒,舒适，其操,作,作范围最远,可,可离监视器6,m，,但是，由于,光,光栅过滤器,泄,泄漏一部分,光,光，所以使,用,用者看到的,图,图像亮度不,如,如普通屏幕,好,好，且由于,使,使用者没有,与,与显示器相,联,联，无法感,觉,觉到是被虚,拟,拟世界包围,，,，因而沉浸,感,感较差，通,常,常只在桌面,式,式,VR,系统或一些,多,多用户的环,境,境下应用，,例,例如科学可,视,视化和极细,微,微的外科手,术,术等。

大屏幕投影,—,——液晶光,闸,闸眼镜,将,CRT,终端显示改,为,为大屏幕投,影,影显示就得,大,大屏幕投影,液,液晶光闸眼,镜,镜用于投影的,CRT,或数字投影,机,机要求具有,极,极高的亮度,和,和分辨率，,它,它适合于在,较,较大的视野,内,内产生投影,图,图像的应用,需,需求美国芝加哥,大,大学研制的,CAVE,系统，构造,了,了一个由,4,面投影屏幕,形,形成的立方,体,体虚拟环境,，,，又叫“洞,穴,穴”各屏,幕,幕（背投式,）,）同时显示,从,从某一固定,观,观察点看到,的,的所有视像,，,，由此提供,一,一种全景式,的,的环境该,系,系统需要复,杂,杂而昂贵的,计,计算机投影,控,控制系统：,它,它通常采用,球,球面大屏幕,，,，投影机位,于,于球心，具,有,有与双摄像,机,机立体观察,器,器相同的俯,仰,仰和偏转两,个,个位置，并,始,始终保持以,观,观察者为正,前,前方在球屏,上,上相应移动,，,，从而形成,一,一定的视景,环,环绕感大屏幕投影,—,—（液晶光,闸,闸眼镜）显,示,示,,2.5,手数字化设,备,备,一般的跟踪,、,、探测设备,都,都具有简单,、,、紧凑和易,于,于操作等优,点,点，但由于,它,它们自身构,造,造的限制，,使,使操作者手,的,的活动自由,度,度仅限于在,桌,桌上的一个,小,小区域中，,减,减弱了它与,虚,虚拟世界交,互,互作用的直,观,观性。

VR,技术的一项,重,重大突破就,是,是用手来代,替,替键盘、鼠,标,标，作为人,与,与计算机交,互,互的一种重,要,要手段借,助,助各种专用,的,的手数字化,设,设备，操作,者,者不但可以,获,获得大范围,的,的基于手势,的,的交互操作,，,，同时通过,感,感知单个手,指,指的运动还,可,可以增加人,在,在虚拟空间,中,中的自由度,和,和灵活性VPL,数据手套,数据手套的,由,由来,：最早的传,感,感手套是由,VPL,公司开发的,，,，叫做,DataGlove,，,所以通常又,把,把传感手套,叫,叫做数据手,套,套,数据手套,由很轻的弹,性,性材料构成,，,，紧贴在手,上,上该系统,包,包括位置/,方,方向传感器,和,和沿每个手,指,指背部安装,的,的一组有保,护,护套的光纤,导,导线，它们,检,检测手指和,手,手的运动,DataGlove,的工作原理,：,作为传感器,的,的,光纤,可以测量每,个,个手指的弯,曲,曲和伸展,；,磁性的,位置/方向,传,传感器,则如同电磁,跟,跟踪器一样,，,，这种传感,器,器测量手的,绝,绝对位置（,x,，,y,，,z,）,和三个转角,方,方向（转动,、,、俯仰、摇,摆,摆）。

具体：作为,传,传感器的光,纤,纤可以测量,每,每个手指的,弯,弯曲和伸展,每条光纤,从,从控制器的,线,线路板引出,，,，经过一长,段,段软管到达,手,手套上的腕,部,部固定器从,从这里，光,纤,纤导线延伸,到,到手指上，,经,经过手指的,关,关节，然后,回,回到腕部固,定,定器和控制,器,器在控制器内,部,部，每根光,纤,纤导线的一,端,端配备一个,发,发光二极管,，,，而其另一,端,端连接一个,光,光传感器控,控制单元把,从,从光传感器,那,那里接收到,的,的能量转变,成,成电信号当,当弯曲手指,时,时，发光二,极,极管的光经,过,过光纤导线,从,从导线保护,套,套的裂缝或,切,切口逸出关,关节越弯曲,，,，光纤逸出,越,越多，到达,光,光传感器的,光,光越少光,量,量的多少就,反,反映了手指,的,的弯曲程度,计算机根据,光,光电信号数,据,据算出手指,和,和关节弯曲,的,的程度每,个,个手指最少,有,有两条光纤,导,导线，一条,检,检测手指下,部,部关节，另,一,一条检测手,指,指中间关节,因为拇指,只,只有两个关,节,节，大拇指,上,上仅有一条,光,光纤导线为,为了增加检,测,测的准确度,，,，每个手指,上,上可再增加,一,一条或几条,光,光纤导线。

但,但不论添加,多,多少光纤导,线,线，这种方,法,法只能测量,手,手指的活动,在,DataGlove,中，第二个,测,测量仪器是,一,一个磁性的,位,位置/方向,传,传感器，如,同,同在前面的,电,电磁跟踪器,一,一样，这种,传,传感器测量,手,手的绝对位,置,置（,x，y，z,）,）,和三个转角,方,方向（转动,、,、俯仰、摇,摆,摆）这两,种,种方法的结,合,合使计算机,能,能够跟踪手,所,所作出的任,何,何动作DataGlove,的运用,：,数据手套由,主,主机通过,25,条指令集进,行,行控制，测,量,量十个关节,（,（五个和手,掌,掌相连的指,骨,骨、一个大,拇,拇指关节和,四,四个其他指,骨,骨关节），,并,并有附加的,传,传感器来测,量,量外展肌和,小,小关节数,据,据记录则以,30,～,60,Hz,的速率传送,数据手套,有大、中、,小,小三种型号,的,的手套当,安,安装不正确,的,的手套时需,要,要频繁地重,新,新校正尺寸,用同步命令,可,可以使用左,、,、右手套当,当两个跟踪,系,系统被同时,使,使用时，我,们,们就不得不,对,对各自的传,输,输器进行改,进,进,PowerGlove,手控器,PowerGlove,手控器,是,Mattel,为家庭视频,游,游戏市场而,设,设计的，一,般,般用于游戏,机,机，现已停,产,产。

其性能,比,比用于其他,行,行业的同类,产,产品要低得,多,多PowerGlove,使用基于有,一,一恒定弹力,塑,塑料的张力,测,测量仪（,Amtec,公司生产这,种,种包有0.6,mm,特殊配方油,墨,墨的聚酯条,透,透明物质）,PowerGlove,的原理,：手是由安,装,装在手套背,部,部的超声发,生,生器来定位,的,的，它发出,的,的超声波由,三,三个超声波,接,接收器轮流,接,接收，并测,得,得接收时间,，,，最大测量,范,范围是1.524,mPowerGlove,的特点,：在手套上,安,安装一个控,制,制板，板上,有,有“开始”,及,及四个方向,键,键 CyberGlove,CyberGlove,是由,Virtex,（,Virtual Technologies,）,公司开发的,，,，是,CyberCAD,虚拟设计环,境,境中虚拟技,术,术一个理想,的,的接口设备,，,，可被广泛,应,应用来创建,、,、终止、定,位,位三维物体,CyberGlove,具有22个,传,传感器，每,个,个手指有三,个,个弯曲传感,器,器和一个外,展,展肌传感器,它是一种,高,高精度设备,，,，能够提供,准,准确而连续,的,的输出。

CyberGlove,的特点,：（,1）,传感器输出,仅,仅依赖手指,关,关节的角度,，,，而与关节,的,的突出无关,，,，因此每次,戴,戴手套时，,校,校正数据均,不,不变2,）,）传感器输,出,出和弯曲角,度,度成线性关,系,系，因此对,于,于关节弯曲,极,极点，分辨,率,率不会下降,几种常见的,数,数据手套,,三,三维鼠,标,标,普通的鼠标,只,只能感受在,平,平面的运动,，,，而立体鼠,标,标能够感受,用,用户在六个,自,自由度的运,动,动，包括三,个,个平移参数,和,和三个旋转,参,参数立体鼠标称,为,为,spacemouse，,如 3,Space,公司的,Spaceball，,也有人把它,称,称为,cubicmouse下面介绍几,种,种简单的三,维,维鼠标：,,三维鼠标,,三维鼠标,,2.6,其他交互设,备,备,触,触摸和,力,力反馈装置,（,Touch/Force Feedback,）,）,问题的提出,在,VR,系统中，能,否,否让用户产,生,生“沉浸”,效,效果的关键,因,因素之一是,用,用户能否用,他,他／她的手,或,或身体的其,他,他部分去操,作,作虚拟物体,，,，并在操作,的,的同时能够,感,感觉到虚拟,物,物体的反作,用,用力。

数据,手,手套可以实,时,时的生成手,与,与物体接近,和,和远离的图,像,像但是到,今,今天为止，,商,商品化的数,据,据手套都不,提,提供触觉反,馈,馈作用，,这就很难让,用,用户有手真,的,的抓到物体,和,和推动物体,的,的感觉，于,是,是,触摸和力反,馈,馈装置,也就应运而,生,生了触觉,是人们用于,感,感知外部世,界,界的一大感,觉,觉通道，它,由,由触摸反馈,感,感知和力量,反,反馈感知两,大,大部分组成,目前，已经,有,有相当数量,的,的,触摸和力量,反,反馈装置,允许用户在,虚,虚拟环境中,与,与物体接触,1.,触摸反馈装,置,置,目前最常用,的,的一种模拟,触,触摸反馈的,方,方法就是使,用,用,气压法,或,振动法,的数据手套,气压法,是使用小空,气,气袋作为传,感,感装置,在手套上有20～30,个,个空气袋放,在,在对应的位,置,置，当发生,虚,虚拟触摸时,，,，这些小型,气,气袋能够通,过,过空气压缩,泵,泵的充气和,放,放气而被迅,速,速地加压或,减,减压同时,，,，由计算机,中,中存储的相,关,关力模式数,据,据来决定各,个,个气袋在不,同,同状态下的,气,气压值，以,再,再现触碰物,体,体时手的各,个,个部位的触,觉,觉感受及其,受,受力情况。

振动法,是用小振动,换,换能器实现,的,的换能器,通,通常是利用,状,状态记忆合,金,金制成的，,当,当电流通过,这,这些换能器,时,时，它们就,会,会发生形变,和,和弯曲我,们,们可以根据,需,需要把换能,器,器做成各种,形,形状后，安,装,装在皮肤表,面,面的各个位,置,置上利用,高,高性能的换,能,能器有可能,产,产生对虚拟,物,物体的光滑,度,度、粗糙度,的,的感觉与气袋不同,的,的是：换能,器,器几乎可以,立,立刻对一个,控,控制信号做,出,出反应，这,使,使得它们适,合,合于产生不,连,连续、快速,的,的感觉而,气,气袋产生的,力,力反馈比状,态,态记忆合金,要,要慢些、强,些,些，更适合,表,表现一些缓,慢,慢、柔和的,力,力2.,力量反馈,装,装置,力量反馈,装,装置的意,义,义：,不但有助,于,于增强虚,拟,拟交互的,逼,逼真性而,且,且可以说,有,有时它也,是,是一种必,需,需的设备,力量反馈,装,装置的工,作,作原理：,通过机械,或,或其他动,力,力推动和,刺,刺激使用,者,者的手，,腕,腕、臂、,肘,肘、肩等,部,部位，使,之,之产生相,应,应的触觉,感,感知力量反馈,装,装置的类,型,型：,力感反馈,操,操纵杆、,吊,吊挂式机,械,械手臂、,桌,桌面式多,自,自由度游,戏,戏棒以及,可,可独立作,用,用于每个,手,手指的手,控,控力反馈,装,装置等。

PHANTOM3.0,是,美国,SensAble,公司研制,开,开发,的，,是一种可,编,编程的、,具,具有触觉,及,及力反馈,功,功能的装,置,置,当,PHANTOM,的机械臂,在,在工作空,间,间中运动,时,时，就会,在,在计算机,屏,屏幕上出,现,现一个指,示,示针，反,映,映机械臂,在,在工作空,间,间中的位,置,置同时,，,，通过碰,撞,撞检测等,技,技术探测,到,到指示针,与,与虚拟模,型,型接触时,，,，计算机,会,会发出信,号,号，告诉,机,机械臂接,触,触到了虚,拟,拟模型，,并,并将该模,型,型的物理,性,性质，如,质,质量、软,硬,硬程度、,光,光滑程度,等,等反馈给,PHANTOM,系统，再,由,由该系统,产,产生相应,的,的力传递,给,给操作者,，,，使其具,有,有力的感,受,受，从而,实,实现了力,反,反馈PHANTOM,系统可以,被,被方便地,放,放置在桌,面,面上，提,供,供最大为,(40.6,cm X58.4cmX 83.8 cm),范围的工,作,作空间，,并,并提供六,自,自由度的,触,触摸和力,量,量反馈，,从,从而在用,户,户手部产,生,生＜,150,g,的平移或,扭,扭转力量,。

另外，,它,它还具有,0.02,mm,的位置分,辨,辨率,PHANTOM,系统的特,点,点：,设备安装,简,简单、使,用,用轻便灵,巧,巧，且不,会,会因自身,重,重量等问,题,题而让用,户,户在使用,中,中产生疲,倦,倦甚至疼,痛,痛的感觉,数据衣（,DataSuit,）,数据衣服,是,是利用数,据,据手套的,原,原理研制,成,成的数据衣服,的,的原理：将大量的,光,光纤安装,在,在一个紧,身,身衣服上,，,，可以根,据,据需要检,测,测出人的,四,四肢、腰,部,部的活动,以,以及各关,节,节（如腕,关,关节、肘,关,关节）的,弯,弯曲角度,，,，然后用,计,计算机重,建,建出图像,三维扫描,仪,仪（,3,D Handheld LaserScanner,）,三维扫描,仪,仪,的功能是,根,根据扫描,真,真实模型,外,外观特征,，,，建造出,该,该物体对,应,应的计算,机,机模型工作原理,是,是：,由三维扫,描,描仪向物,体,体发射一,束,束激光然,然后通过,操,操作杆上,的,的摄像机,从,从每个角,度,度考察并,记,记录下物,体,体各截面,的,的轮廓信,息,息与此,同,同时，安,装,装在操作,杆,杆前端的,高,高性能传,感,感跟踪器,也,也将同步,地,地记录下,三,三维扫描,仪,仪在位置,及,及方向上,的,的变换信,息,息。

所有,这,这些数据,都,都将传送,给,给与之相,连,连的计算,机,机，再由,相,相应软件,做,做进一步,处,处理后，,该,该物体对,应,应的计算,机,机三维模,型,型就显示,在,在我们面,前,前了三维扫描,仪,仪的特点,：,：,建模过程,快,快速、精,确,确、方便,，,，它可以,达,达到（,0.23,mm,～,0.43mm,）,的高精度,和,和,1,,,000,点／秒的,快,快速取样,速,速度，用,户,户只要描,出,出模型的,轮,轮廓，就,能,能在几分,钟,钟内获得,复,复杂的,3,D,数据，并,在,在现在当,今,今流行的,多,多种图形,图,图像处理,软,软件中（,如,如,3,D StudioMAX,、,Maya,等）呈现,出,出来 三维扫描,仪,仪的应用,：,：,它,提供了一,种,种最迅速,、,、便捷的,3,D,建模方法,三维扫,描,描仪可以,描,描绘出任,何,何形状对,对于那些,非,非金属、,不,不透明物,体,体的处理,效,效果较为,理,理想图三维扫描,仪,仪的使用,与,与效果,,2.7,VR,的声音系,统,统——3,D,声音生成,器,器,“,3,D,声音”并,非,非立体声,，,，,3,D,声音,是指由计,算,算机生成,的,的、能由,人,人工设定,声,声源在空,间,间中三维,位,位置的一,种,种声音。

3,D,声音生成,器,器,是利用人,类,类定位声,音,音的特点,生,生成出,3,D,声音的一,套,套软硬件,系,系统人类进行,声,声音的定,位,位依据两,个,个,要素,：两耳时,间,间差（,ITD）,和两耳强,度,度差（,IID）,3,D,声音,的产生过,程,程：,试验人员,位,位于一个,圆,圆顶房子,内,内，在房,间,间内放置,特,特定空间,位,位置的声,源,源微小,的,的麦克风,放,放置在试,验,验人员的,耳,耳朵内，,接,接近于中,耳,耳然后,，,，把声源,依,依次打开,，,，并存储,和,和数字化,麦,麦克风输,出,出例如,，,，当说话,者,者到达听,众,众的左边,发,发出声音,时,时，声音,将,将首先到,达,达左耳，,并,并且比右,耳,耳有更大,的,的强度使,使用,Fourier,变换器可,以,以计算麦,克,克风输出,的,的频率响,应,应，以及,相,相应的,HRTF,系数（用,来,来模拟人,耳,耳对声音,不,不同频段,的,的反射作,用,用），我,们,们便能把,该,该声音虚,拟,拟地定位,在,在空间的,任,任何位置,2.7.1 3,D,声音定位,系,系统,早期的,环境音系,统,统,未考虑人,头,。