虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí)

1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)2022/7/9虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)的硬件設(shè)備2022/7/92第2章 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件設(shè)備本章主要包含的內(nèi)容：視覺(jué)感知設(shè)備概述；聽(tīng)覺(jué)感知設(shè)備概述；觸覺(jué)和力反響設(shè)備；位置跟蹤設(shè)備；虛擬現(xiàn)實(shí)的計(jì)算設(shè)備。2022/7/93第2章 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件設(shè)備本章主要包含的重難點(diǎn)：人的視聽(tīng)覺(jué)感知模型；各種硬件設(shè)備的工作原理；各種硬件設(shè)備的性能指標(biāo)；各種硬件設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)。2022/7/94基于頭盔顯示器的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)硬件配置示意圖2022/7/95人的感官說(shuō)明接口設(shè)備視覺(jué)感覺(jué)各種可見(jiàn)光顯示器或投影儀等聽(tīng)覺(jué)感覺(jué)聲音波耳機(jī)、喇叭等嗅覺(jué)感知空氣中的化學(xué)成分氣味放大傳感裝置味覺(jué)感知液體中的化學(xué)成分觸覺(jué)

2、皮膚感知溫度，壓力，紋理等觸覺(jué)傳感器力覺(jué)肌肉等感知的力度力覺(jué)傳感器身體感覺(jué)感知肌體或身軀的位置與角度數(shù)據(jù)衣前庭感覺(jué)平衡感知?jiǎng)悠脚_(tái)人的感官器官對(duì)應(yīng)的各種接口設(shè)備2022/7/962.1 視覺(jué)感知設(shè)備概述2022/7/972.1.1 人類視覺(jué)模型1視覺(jué)生理結(jié)構(gòu) 眼球?yàn)槿搜鄣囊曈X(jué)器官，主要有角膜、晶狀體、玻璃體及視網(wǎng)膜等組成一套光學(xué)系統(tǒng)，以下圖為視覺(jué)系統(tǒng)的生理結(jié)構(gòu)圖。自然界的物體的光線經(jīng)視覺(jué)器官發(fā)生折射，在視網(wǎng)膜上形成倒立的像，視網(wǎng)膜的桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞負(fù)責(zé)通過(guò)視神經(jīng)把信號(hào)傳給大腦，經(jīng)過(guò)腦神經(jīng)傳送給大腦，并由大腦把像顛倒過(guò)來(lái)。2022/7/982.1.1 人類視覺(jué)模型1視覺(jué)生理結(jié)構(gòu) 人眼的生理結(jié)構(gòu)圖

3、 物體在人眼成像圖2022/7/992.1.1 人類視覺(jué)模型2視覺(jué)因素 1立體視覺(jué) 提供給人類視覺(jué)的圖像，必須使人感覺(jué)是立體的。人們感覺(jué)到空間立體感，形成立體視覺(jué)主要是因?yàn)槿祟惖淖笥译p眼的視野存在很大的重疊。通常將其重疊稱之為雙眼視覺(jué)或者立體視覺(jué)。人的雙眼之間有6-8cm的距離，看同一物體，雙眼會(huì)獲得稍有差異的視圖。人們的左右雙眼視覺(jué)各有一套神經(jīng)系統(tǒng)。人眼的兩套神經(jīng)系統(tǒng)在大腦前有一個(gè)交叉點(diǎn)，并且在交叉點(diǎn)后分開(kāi)。進(jìn)入眼睛的光線根據(jù)左右位置的不同分別進(jìn)入交叉點(diǎn)后的左右神經(jīng)。2022/7/9102.1.1 人類視覺(jué)模型1立體視覺(jué) 立體視覺(jué)形成原理圖2022/7/9112.1.1 人類視覺(jué)模型1立體視

4、覺(jué) 立體視覺(jué)的根本原理2022/7/9122.1.1 人類視覺(jué)模型2屈光度 眼睛折射光線的作用叫屈光，用光焦度來(lái)表示屈光的能力，叫做屈光度。屈光度是與眼的光學(xué)局部有關(guān)的一個(gè)度量。有1個(gè)屈光度的鏡頭，可以聚焦平行光線在1米距離。人眼的聚焦能力約60屈光度，這說(shuō)明聚焦平行光在17mm距離，這就是眼球尺寸，是晶狀體和視網(wǎng)膜的距離。 人通過(guò)改變眼睛的屈光度來(lái)保證遠(yuǎn)近物體能夠在視網(wǎng)膜上正確成像，獲得清晰的圖像。在注視運(yùn)動(dòng)物體時(shí)，眼睛的屈光度可以自動(dòng)調(diào)節(jié)。屈光度的改變被稱為調(diào)節(jié)或聚焦。其作用是保證某個(gè)距離的物體清晰，而其它距離物體模糊。這起了濾波器的作用，使人集中關(guān)注視場(chǎng)中局部區(qū)域。2022/7/9132

5、.1.1 人類視覺(jué)模型3瞳孔 瞳孔是晶狀體前的孔。一般人瞳孔的直徑可變動(dòng)于1.5-8.0mm之間，面積之比1:30。瞳孔的大小可以控制進(jìn)入眼內(nèi)的光量，瞳孔的變化是為了保持在不同光照情況下進(jìn)入眼內(nèi)的光量較為恒定的。 瞳孔的工作原理就像照相機(jī)里的光圈一樣，可以隨光線的強(qiáng)弱而縮小或變大。其對(duì)光線強(qiáng)弱的適應(yīng)是自動(dòng)完成的。通過(guò)瞳孔的調(diào)節(jié)，始終保持適量的光線進(jìn)入眼睛，使落在視網(wǎng)膜上的物體圖像既清晰，而又不會(huì)有過(guò)量的光線灼傷視網(wǎng)膜。瞳孔雖然不是眼球光學(xué)系統(tǒng)當(dāng)中的屈光元件，但在眼球光學(xué)系統(tǒng)當(dāng)中起著重要的作用。瞳孔不僅可以對(duì)明暗做出反響，調(diào)節(jié)進(jìn)入眼睛的光線，也影響眼球光學(xué)系統(tǒng)的焦深和球差。2022/7/9142

6、.1.1 人類視覺(jué)模型4分辨率 分辨率是人眼區(qū)分兩個(gè)點(diǎn)的能力，通常情況下，在10m距離上人眼能夠分辨的距離約1.5-2mm。例如在2m的距離觀看寬度400mm的電視時(shí)，人眼區(qū)分兩個(gè)點(diǎn)的能力，在2m距離上約0.4mm，那么寬度400mm上應(yīng)該由1000個(gè)0.4mm大小的像素。計(jì)算機(jī)監(jiān)視器和高清晰度電視機(jī)，都到達(dá)了這樣的分辨率。 2022/7/9152.1.1 人類視覺(jué)模型5視覺(jué)暫留 視覺(jué)暫留是視網(wǎng)膜的電化學(xué)現(xiàn)象造成視覺(jué)的反響時(shí)間。其原理是：當(dāng)人的眼睛看到一幅畫面或一個(gè)物體后，在1/24秒內(nèi)不會(huì)消失。也就是如果每秒更替24幅或更多的畫面，那么前一幅畫面在人腦中消失之前，下一個(gè)畫面就會(huì)進(jìn)入人腦，從而

7、形成了連續(xù)的影像。 視覺(jué)暫留是電影、電視、動(dòng)畫、虛擬現(xiàn)實(shí)等顯示的根底。臨界熔合頻率Critical Fusion Frequency, CFF效果會(huì)產(chǎn)生把離散圖像序列組合成連續(xù)視覺(jué)的能力，CFF最低20Hz，并取決于圖像尺寸和亮度。英國(guó)電視幀頻25Hz，美國(guó)電視幀頻30Hz。電影幀頻24Hz。眼對(duì)閃爍的敏感正比于亮度，所以假設(shè)白天的圖像更新率為60Hz，那么夜間只要30Hz。2022/7/9162.1.1 人類視覺(jué)模型6視場(chǎng) 視場(chǎng)是指人眼能夠觀察到的最大范圍，通常以角度來(lái)表示，視場(chǎng)越大, 觀測(cè)范圍越大。視場(chǎng)通常從水平和垂直兩個(gè)方向來(lái)說(shuō)明，人眼正常的視場(chǎng)約為水平100，垂直60，而水平的雙目重疊

8、視場(chǎng)120。實(shí)際的全景顯示產(chǎn)生水平100，垂直30視場(chǎng)，即可有很強(qiáng)的沉浸感。2022/7/917 視覺(jué)感知設(shè)備主要向用戶提供立體視覺(jué)的場(chǎng)景顯示，并且這種場(chǎng)景的變化會(huì)實(shí)時(shí)變化。此類設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)是立體顯示。采用兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。一種是同時(shí)顯示左右兩幅圖像，稱之為同時(shí)顯示技術(shù)(time-parallel)，它是讓兩幅圖像存在細(xì)微的差異，使雙眼只能看到相應(yīng)的圖像。這種技術(shù)主要用在頭盔顯示器中。另一種技術(shù)是分時(shí)顯示技術(shù)，以一定的頻率交替顯示兩幅圖像，為了保證每只眼睛只能看到各自相應(yīng)的圖像，用戶通過(guò)以相同頻率同步切換的有源或無(wú)源立體眼睛來(lái)觀察圖像。此技術(shù)主要使用在立體眼睛上。2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備202

9、2/7/9181. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備 頭盔顯示器是專為用戶提供虛擬現(xiàn)實(shí)中景物的彩色立體顯示器，目前較普遍采用的一種立體顯示設(shè)備。通常用機(jī)械的方法固定在用戶的頭部，頭與頭盔之間不能有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)頭部運(yùn)動(dòng)時(shí)，頭盔顯示器隨著頭部運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。頭盔配有位置跟蹤器，用于實(shí)時(shí)探測(cè)頭部的位置和朝向，并反響給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)根據(jù)這些反響數(shù)據(jù)生成反映當(dāng)前位置和朝向的場(chǎng)景圖像并顯示在頭盔顯示器的屏幕上。通常，頭盔顯示器的顯示屏采用兩個(gè)LCD或者CRT顯示器分別向兩只眼睛顯示圖像，這兩個(gè)圖像由計(jì)算機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)圖像存在著微小的差異，類似于“雙眼視差。

10、大腦將融合這兩個(gè)圖像獲得深度感知，得到一個(gè)立體的圖像。2022/7/9191. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備 由于頭盔顯示器所用屏幕離眼睛很近。因此，為了使眼睛聚焦于如此近的距離而不易產(chǎn)生疲勞，需要使用專門的鏡片。并且此鏡片必須能夠放大圖像，向雙眼提供盡可能寬的視野。在1989年首次推出了這種鏡片，被稱為L(zhǎng)EEP鏡片。LEEP鏡片的特征是它們使用輸出成像極其寬闊的透鏡。2022/7/9201. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備2022/7/9211. 頭盔顯示器(HeadMounted

11、Display,HMD)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備 在頭盔中LEEP光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)立體視覺(jué)的根本原理：a為單眼視覺(jué)的原理，圖中可見(jiàn)虛像比屏幕離開(kāi)眼睛更遠(yuǎn)。b為立體視覺(jué)的原理。圖中的一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，在兩個(gè)屏幕上的像素分別為A1和A2。它們?cè)谄聊簧系奈恢弥?，就是立體視差。這兩個(gè)像素的虛像分別為B1和B2。雙目視覺(jué)的融合，人就感到這個(gè)目標(biāo)點(diǎn)在C點(diǎn)，就是感覺(jué)的點(diǎn)。2022/7/9221. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備LEEP鏡片的光學(xué)模型單眼光學(xué)模型2022/7/9231. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺(jué)感

12、知設(shè)備LEEP鏡片的光學(xué)模型雙眼立體光學(xué)模型2022/7/9241. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備 在頭盔中有立體顯示和平面顯示兩種顯示方式。立體顯示的VR系統(tǒng)，為兩眼分別計(jì)算具有視差的不同的圖像。平面顯示的VR系統(tǒng)，為兩眼提供相同的圖像。 2022/7/9251. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備頭盔顯示器的顯示技術(shù)立體顯示2022/7/9261. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備頭盔顯示器的顯示技術(shù)平面顯示2022/7/9271.

13、頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備 對(duì)于HMD系統(tǒng)，根據(jù)顯示外表的不同，頭盔顯示器主要分為基于LCD頭盔顯示器、基于CRT頭盔顯示器和基于VRD頭盔顯示器。 2022/7/9281. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備1基于LCD的頭盔顯示器 以低電壓產(chǎn)生彩色圖像，但只具有很低的圖像清晰度。在頭盔顯示中，要求笨重的光學(xué)設(shè)備形成高質(zhì)量圖像。 市場(chǎng)出售的頭盔式顯示器幾乎全部依靠TV電視機(jī)質(zhì)量的液晶顯示。在VR和遙操作領(lǐng)域，不要求大區(qū)域顯示。只要求緊湊的輕便的高分辨率顯示。LCD顯示器有待提高其分辨率

14、。 2022/7/9291. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備1基于LCD的頭盔顯示器各 種 類 型 的 LED 頭 盔 顯 示 器2022/7/9301. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備2基于CRT的頭盔顯示器 基于CRT的頭盔顯示器是使用電子快門等技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙眼立體顯示的，提供小的高分辨率、高亮度的單色顯示。但其CRT較重、存有高電壓、佩戴較危險(xiǎn)，視場(chǎng)較小，缺乏沉浸感。組合的技術(shù)途徑可產(chǎn)生高質(zhì)量彩色圖像，并減少重量和價(jià)格。近期的途徑是把高質(zhì)量彩色的基于CRT的HMD頭盔顯示器引入市場(chǎng)，它

15、使用了加于單色CRT的機(jī)械電子彩色濾光技術(shù)。這種途徑中，CRT以三倍正常速率掃描，并依次加上紅、綠、蘭三色的濾光器。2022/7/9311. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備2基于CRT的頭盔顯示器基于CRT的頭盔產(chǎn)品2022/7/9321. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備3基于VRD的頭盔顯示器 VRD是直接把調(diào)制的光線投射在人眼的視網(wǎng)膜上，產(chǎn)生光柵化的圖像。觀看者的幻覺(jué)是，感到這個(gè)圖像是在前方2英尺遠(yuǎn)處的14英寸監(jiān)視器上。實(shí)際上，圖像是在眼的視網(wǎng)膜上。圖像質(zhì)量很高，有立體感，全彩色，寬

16、視場(chǎng)，無(wú)閃爍。 VRD的工作原理：源圖像是要求顯示的圖像。調(diào)制的光源是紅綠藍(lán)三基色的光源。水平和垂直掃描器根據(jù)源圖像對(duì)于光源進(jìn)行掃描。經(jīng)過(guò)光學(xué)鏡頭，在人的視網(wǎng)膜上成像。 2022/7/9331. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備3基于VRD的頭盔顯示器VRT顯示工作原理2022/7/9341. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備3基于VRD的頭盔顯示器主要特點(diǎn)：很小很輕的眼鏡; 大于120度的大視場(chǎng);適應(yīng)人類視覺(jué)的高分辨率;有更高彩色分辨率的全彩色;適用于室外的高亮度; 很低的功率消耗;有深度

17、感的真正的立體顯示;具有看穿的顯示方式。2022/7/9352. 立體眼鏡顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備 立體眼鏡顯示系統(tǒng)的設(shè)備包括立體圖像顯示器和立體眼鏡。每個(gè)用戶佩戴一副立體眼鏡來(lái)觀看顯示器。立體圖像顯示器通過(guò)專門設(shè)計(jì)，以兩倍于正常掃描的速度刷新屏幕。 2022/7/9362. 立體眼鏡顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備 立體眼鏡顯示系統(tǒng)的設(shè)備包括立體圖像顯示器和立體眼鏡。每個(gè)用戶佩戴一副立體眼鏡來(lái)觀看顯示器。立體圖像顯示器通過(guò)專門設(shè)計(jì)，以兩倍于正常掃描的速度刷新屏幕。 2022/7/9372. 立體眼鏡顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備 立體眼鏡顯示系統(tǒng)的設(shè)備包括立體圖像顯示器和立體眼鏡。

18、每個(gè)用戶佩戴一副立體眼鏡來(lái)觀看顯示器。立體圖像顯示器通過(guò)專門設(shè)計(jì)，以兩倍于正常掃描的速度刷新屏幕。采用分時(shí)顯示技術(shù)，計(jì)算機(jī)給顯示器交替發(fā)送兩幅有輕微偏差的圖像。顯示器采用兩倍于60Hz的刷新率 ，這樣保證了左右眼視圖的刷新率保持60Hz，且圖像也穩(wěn)定。2022/7/9382. 立體眼鏡顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備 立體眼鏡是為了實(shí)現(xiàn)立體視覺(jué)，即讓雙眼分別只能看到對(duì)應(yīng)的左右視圖。 目前主要有兩類立體眼鏡：有源立體眼鏡主動(dòng)立體眼鏡，無(wú)源立體眼鏡被動(dòng)立體眼鏡。2022/7/9392. 立體眼鏡顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備有源立體眼鏡：鏡框上裝有電池及液晶調(diào)制器控制的鏡片。立體顯示器有紅外線發(fā)

19、射器，根據(jù)顯示器顯示左右眼視圖的頻率發(fā)射紅外線控制信號(hào)。液晶調(diào)制器接收紅外線控制器發(fā)出的信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)左右鏡片上液晶光柵來(lái)控制開(kāi)或者關(guān)，即控制左右鏡片的透明或不透明狀態(tài)。當(dāng)顯示器顯示左眼視圖時(shí)，發(fā)射紅外線控制信號(hào)至有源立體眼鏡，使有源立體眼鏡的右眼鏡片處于不透明狀態(tài)，左眼鏡片處于透明狀態(tài)。如此輪流切換鏡頭的通斷，使左右眼睛分別只能看到顯示器上顯示的左右視圖。有源系統(tǒng)的圖像質(zhì)量好，但價(jià)格昂貴，且工作范圍受限。2022/7/9402. 立體眼鏡顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備無(wú)源立體眼鏡：無(wú)源立體眼鏡通常根據(jù)光的偏振原理設(shè)計(jì)的。每一個(gè)偏振片中的晶體物質(zhì)排列整體形成如同光柵一樣的極細(xì)窄縫，使只有振動(dòng)

20、方向與窄縫方向相同的光通過(guò)，成為偏振光。當(dāng)光通過(guò)第一個(gè)偏振片時(shí)就形成偏振光，只有當(dāng)?shù)诙€(gè)偏振光片與第一個(gè)窄縫平行時(shí)才能通過(guò)，如果垂直那么不能通過(guò)。2022/7/9412. 立體眼鏡顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備光的偏振原理圖2022/7/9422. 立體眼鏡顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備無(wú)源立體眼鏡：通常立體眼鏡的左右鏡片是兩片正交偏振片，分別只能容許一個(gè)方向的偏振光通過(guò)。顯示器顯示屏前安裝一塊與顯示屏同樣尺寸的液晶立體調(diào)制器，顯示器顯示的左右眼視圖經(jīng)液晶立體調(diào)制器后形成左偏振光和右偏振光，然后分別透過(guò)無(wú)源立體眼鏡的左右鏡片，實(shí)現(xiàn)左右眼睛分別只能看到顯示器上顯示的左右視圖的目的。由于無(wú)源立

21、體眼鏡價(jià)格低廉，且無(wú)需接受紅外控制信號(hào)，因此適用于觀眾較多的場(chǎng)合。2022/7/9432. 立體眼鏡顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備無(wú)源立體眼鏡：其鏡片也可以是濾色片。利用濾色片能吸收其他的光線，只能讓與濾色片相同色彩的光透過(guò)的特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)。常用的是紅綠濾色片眼鏡。其原理是在進(jìn)行電影拍攝時(shí)，先模擬人的雙眼位置從左右兩個(gè)視角拍攝出兩個(gè)影像，然后分別以紅、綠濾光片投影重疊印在同一畫面上，制成一條電影膠片。放映時(shí)可用普通放映機(jī)在一般漫反射銀幕上放映，但觀眾需戴紅綠濾色眼鏡。使通過(guò)紅鏡片的眼睛只能看到紅色影像，通過(guò)綠色鏡片的眼睛只能看到綠色影像，實(shí)現(xiàn)立體電影。2022/7/9442. 立體眼鏡顯示系統(tǒng)2

22、.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備CrystalEyes 32022/7/9453. 洞穴式立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備洞穴式立體顯示系統(tǒng)是使用投影系統(tǒng)，投射多個(gè)投影面，形成房間式的空間結(jié)構(gòu)，使得圍繞觀察者具有多個(gè)圖像畫面顯示的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，增強(qiáng)了沉浸感。此系統(tǒng)首先由伊利諾斯大學(xué)芝加哥校區(qū)的電子可視化實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造的。2022/7/9463. 洞穴式立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備 CAVE空間結(jié)構(gòu) 2022/7/9473. 洞穴式立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備CAVE結(jié)構(gòu)示意圖 2022/7/9483. 洞穴式立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備 CAVE系統(tǒng)是一個(gè)立方體結(jié)構(gòu)，圖中所示的版

23、本有4個(gè)CRT投影儀：前面1個(gè)，左右側(cè)各1個(gè)，地面1個(gè)。每個(gè)投影儀都由來(lái)自一個(gè)4通道計(jì)算機(jī)的不同圖形流信號(hào)驅(qū)動(dòng)。三個(gè)豎直的面板使用背投，投影儀旋轉(zhuǎn)在四周的地板上，通過(guò)鏡面反射圖像。地面顯示器上顯示的圖像由安裝在CAVE上面的投影儀產(chǎn)生，通過(guò)一個(gè)鏡面反射下來(lái)。這個(gè)鏡面用在一起，以減少接縫處的不連續(xù)性；投影儀之間保持同步，以減少閃動(dòng)。戴著立體眼鏡的用戶，能夠看到一個(gè)非常逼真的三維場(chǎng)景，包括那些看上去好似是從地面中長(zhǎng)出來(lái)的對(duì)象。2022/7/9493. 洞穴式立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備浙江大學(xué)的4面CAVE系統(tǒng)2022/7/9504. 響應(yīng)工作臺(tái)立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備 響應(yīng)工

24、作臺(tái)立體顯示系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)通過(guò)多傳感器交互通道向用戶提供視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多模態(tài)信息，具有非沉浸式、支持多用戶協(xié)同工作的立體顯示裝置。類似于繪圖桌形式的背投式顯示器，其顯示屏類似于繪圖桌面的尺寸約為2m1.2m或略小,通常采用主動(dòng)式立體顯示方式。2022/7/9514. 響應(yīng)工作臺(tái)立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備2022/7/9524. 響應(yīng)工作臺(tái)立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備 由上可知，工作臺(tái)由CRT投影儀、一個(gè)大的反射鏡和一個(gè)具有散射功能的顯示屏組成。響應(yīng)工作臺(tái)前部為水平放置的顯示屏，顯示屏下面安裝一個(gè)大的反射鏡，后部桌面下安裝一臺(tái)CRT投影儀。投影儀將立體圖像投影到反射鏡面上，再

25、由反射鏡將圖像反射到顯示屏上，顯示屏通過(guò)漫散射向屏上反射。工作臺(tái)立體顯示裝置為防止外面的光被鏡面反射，通常將CRT投影儀合成在工作臺(tái)的外殼中。佩戴立體眼鏡，坐在顯示器周圍的多個(gè)用戶，可以同時(shí)在立體顯示屏中看到三維對(duì)象浮在工作臺(tái)上面，虛擬景象具有較強(qiáng)立體感。2022/7/9534. 響應(yīng)工作臺(tái)立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備 因?yàn)楣ぷ髋_(tái)是水平的，用戶對(duì)面比較高的三維對(duì)象會(huì)被剪掉這就是所謂的立體倒塌效果。因此引入傾斜機(jī)制手工的或者機(jī)動(dòng)的的工作臺(tái)?？梢蕴幱谒胶痛怪敝g的任意傾斜角度。另一種選擇是所謂的L型工作臺(tái)，例如V-Desk 6。桌面不是機(jī)動(dòng)的，而是引入了兩塊固定的屏幕和兩個(gè)CRTBarc

26、o投影儀。頂部的投影儀瞄準(zhǔn)豎直的屏幕，第二個(gè)投影儀的圖像被放置在顯示器較低局部的鏡面反射出去。其結(jié)果是在一個(gè)非常緊湊的外殼中創(chuàng)立立體觀察體，允許少數(shù)幾個(gè)用戶與三維場(chǎng)景交互。2022/7/9544. 響應(yīng)工作臺(tái)立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備V-Desk 6工作示意圖2022/7/9555. 墻式立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備 類似于放映電影形式的背投式顯示的墻式立體顯示系統(tǒng)，采用大屏幕投影顯示器組成。由于屏幕大，容納的人數(shù)多，以適用于教學(xué)和成果演示。目前常用的墻式立體顯示系統(tǒng)包括單通道立體投影系統(tǒng)和多通道立體投影系統(tǒng)。2022/7/9565. 墻式立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備

27、單通道立體投影系統(tǒng)2022/7/9575. 墻式立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備 單通道立體投影系統(tǒng)主要由專業(yè)的虛擬現(xiàn)實(shí)工作站、立體投影系統(tǒng)、立體轉(zhuǎn)換器、VR立體投影軟件系統(tǒng)、VR軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)和三維建模工具軟件等幾個(gè)局部。該系統(tǒng)通過(guò)以一臺(tái)圖形工作站為實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，兩臺(tái)疊加的立體專業(yè)LCD投影儀作為投影主體。在顯示屏上顯示一副高分辨率的立體投影影像。2022/7/9585. 墻式立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備 平面立體多通道虛擬現(xiàn)實(shí)投影系統(tǒng)是一種半沉浸式的VR可視協(xié)同環(huán)境。系統(tǒng)采用巨幅平面投影結(jié)構(gòu)，來(lái)增強(qiáng)沉浸感，配備了完善的多通道聲響及多維感知性交互系統(tǒng)，充分滿足虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的視、聽(tīng)、

28、觸等多感知應(yīng)用需求，是理想的設(shè)計(jì)、協(xié)同和展示平臺(tái)。它可根據(jù)場(chǎng)地空間的大小靈活地配置兩個(gè)、三個(gè)甚至是假設(shè)干個(gè)投影通道，無(wú)縫地拼接成一幅巨大投影幅面、極高分辨率的二維或三維立體圖像，形成一個(gè)更大的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)環(huán)境。2022/7/9595. 墻式立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備 環(huán)幕投影系統(tǒng)是采用環(huán)形的投影屏幕作為仿真應(yīng)用的顯示載體，具有多通道虛擬現(xiàn)實(shí)投影顯示系統(tǒng)。具有較強(qiáng)的沉浸感。該系統(tǒng)以多通道視景同步技術(shù)、多通道亮度和色彩平衡技術(shù)，以及數(shù)字圖像邊緣融合技術(shù)為支撐，將三維圖形計(jì)算機(jī)生成的三維數(shù)字圖像實(shí)時(shí)地輸出并顯示在一個(gè)超大幅面的環(huán)形投影幕墻上，并以立體成像的方式呈現(xiàn)在觀看者的眼前，使佩戴

29、立體眼鏡的觀看者和參與者獲得一種身臨其境的虛擬仿真視覺(jué)感受。2022/7/9605. 墻式立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備 環(huán)幕投影系統(tǒng)根據(jù)環(huán)形幕半徑的大小，通常有120、135、180、240、270、360弧度不等的環(huán)幕系統(tǒng)。由于其屏幕的顯示半徑巨大，該系統(tǒng)通常用于一些大型的虛擬仿真應(yīng)用。例如，虛擬戰(zhàn)場(chǎng)仿真、數(shù)字城市規(guī)劃、三維地理信息系統(tǒng)等大型場(chǎng)景仿真環(huán)境，近年來(lái)開(kāi)始向展覽展示、工業(yè)設(shè)計(jì)、教育培訓(xùn)、會(huì)議中心等專業(yè)領(lǐng)域開(kāi)展。2022/7/9615. 墻式立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備環(huán)幕投影系統(tǒng)2022/7/9626. 裸體立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備 裸體立體顯示系統(tǒng)：顯

30、示技術(shù)結(jié)合雙眼的視覺(jué)差和圖片三維的原理，自動(dòng)生成兩幅圖片，一副給左眼看，另一幅給右眼看，使人的雙眼產(chǎn)生視覺(jué)差異。由于雙眼觀看液晶的角度不同，因此不用戴上立體眼鏡就可以看到立體的圖像。2022/7/9636. 裸體立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備立體液晶顯示器2022/7/9646. 裸體立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備 美國(guó)DTI公司首先推出的15英寸2021XLS 3D液晶顯示器, 采用了一種被稱為視差照明parallax illumination的開(kāi)關(guān)液晶技術(shù)實(shí)現(xiàn)了裸體立體顯示效果。2022/7/9656. 裸體立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備2022/7/9666. 裸體立體

31、顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備 裸體立體顯示系統(tǒng)的雙眼影像，以每秒60張的速度產(chǎn)生，分別被傳送到不同區(qū)域的像素區(qū)塊，奇數(shù)區(qū)塊代表左眼影像，偶數(shù)區(qū)塊那么代表右眼。而在標(biāo)準(zhǔn)LCD背光板與LCD屏幕本體之間參加的一個(gè)TNTwisted Nematic扭曲向列型上，垂直區(qū)塊那么會(huì)根據(jù)需要顯示哪一幅影像，相應(yīng)照亮奇數(shù)或偶數(shù)的區(qū)塊，人的左眼只能看到左眼影像，右眼只會(huì)看到右眼影像，從而在大腦中形成一個(gè)縱深的真實(shí)世界。當(dāng)然此顯示器也可以工作在二維狀態(tài)下。2022/7/9676. 裸體立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備2022/7/9682.2 聽(tīng)覺(jué)感知設(shè)備概述2022/7/9692.2.1 人類聽(tīng)覺(jué)模型1

32、聽(tīng)覺(jué)生理結(jié)構(gòu) 2022/7/9702.2.1 人類聽(tīng)覺(jué)模型1聽(tīng)覺(jué)生理結(jié)構(gòu) 人耳是聽(tīng)覺(jué)器官的統(tǒng)稱，與人的眼睛的視覺(jué)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度差不多。人耳聽(tīng)覺(jué)機(jī)構(gòu)由具有不同作用的3局部組成，即外耳、中耳和內(nèi)耳。 外耳包括耳廓和外耳道，主要負(fù)責(zé)定向收集聲波；中耳包括鼓膜、聽(tīng)骨鏈、鼓室、咽鼓管等機(jī)構(gòu)，主要把外耳收集到的聲音傳遞給內(nèi)耳，并保護(hù)內(nèi)耳的作用；內(nèi)耳包括半規(guī)管、前庭、耳蝸三局部，負(fù)責(zé)放大、濾波和提取聲音特征并傳遞給大腦，其中耳蝸主要起到感聲作用。2022/7/9712聽(tīng)覺(jué)因素 頻率范圍 人耳可感知的頻率范圍約20Hz到20kHz。隨年齡增加，頻率范圍縮小，特別是高頻段。其中，人耳平均分辨能力最靈敏的頻段是1

33、kHz到3kHz之間的頻率，當(dāng)頻率從1kHz變化到1003Hz時(shí)，耳朵就能夠覺(jué)察出頻率的變化。在低于1kHz時(shí)，人耳能平均分辨能力略弱，需要變化約10Hz，才能覺(jué)察到。而在16kHz到20kHz這一頻段時(shí)，人耳的分辨能力就更差了。2.2.1 人類聽(tīng)覺(jué)模型2022/7/9722聽(tīng)覺(jué)因素 聲音定位 根據(jù)跟蹤人的頭進(jìn)行相關(guān)研究得出，一般情況人腦識(shí)別聲源位置，是利用經(jīng)典的“雙工理論。即兩耳收到的聲音的時(shí)間差異和強(qiáng)度差異。 時(shí)間差異是指聲音到達(dá)兩個(gè)耳朵的時(shí)間之差。 強(qiáng)度差異指聲音到達(dá)兩耳的強(qiáng)度上的差異。 強(qiáng)度差對(duì)高頻率聲音定位特別靈敏，而時(shí)間差對(duì)低頻率聲音定位相對(duì)靈敏。所以，只要到達(dá)兩耳的聲音存在時(shí)間差

34、或者強(qiáng)度差，人就會(huì)判斷出聲源的方向。2.2.1 人類聽(tīng)覺(jué)模型2022/7/9732聽(tīng)覺(jué)因素 聲音的掩蔽一個(gè)較弱的聲音(被掩蔽音)的聽(tīng)覺(jué)感受被另一個(gè)較強(qiáng)的聲音(掩蔽音)影響的現(xiàn)象稱為人耳的“掩蔽效應(yīng)。一般分為兩種類型：頻域掩蔽和時(shí)域掩蔽。頻域掩蔽是指掩蔽聲與被掩蔽聲同時(shí)作用時(shí)發(fā)生掩蔽效應(yīng)，又稱同時(shí)掩蔽。掩蔽聲在掩蔽效應(yīng)發(fā)生期間一直起作用，是一種較強(qiáng)的掩蔽效應(yīng)。通常，頻域中強(qiáng)音會(huì)掩蔽與之同時(shí)發(fā)聲的附近的弱音，弱音離強(qiáng)音越近，越容易被掩蔽；除此之外，低頻的音容易掩蔽高頻的音。2.2.1 人類聽(tīng)覺(jué)模型2022/7/9742聽(tīng)覺(jué)因素 聲音的掩蔽時(shí)域掩蔽是指掩蔽效應(yīng)發(fā)生在掩蔽聲與被掩蔽聲不同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，又稱

35、異時(shí)掩蔽。異時(shí)掩蔽又分為超前掩蔽和滯后掩蔽。假設(shè)掩蔽聲音出現(xiàn)之前的一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生掩蔽效應(yīng)，那么稱為超前掩蔽；否那么稱為滯后掩蔽。產(chǎn)生時(shí)域掩蔽的主要原因是人的大腦處理信息需要花費(fèi)一定的時(shí)間，異時(shí)掩蔽也隨著時(shí)間的推移很快會(huì)衰減，是一種弱掩蔽效應(yīng)。一般情況下，超前掩蔽只有5ms到20ms，而滯后掩蔽卻可以持續(xù)50ms到100ms。2.2.1 人類聽(tīng)覺(jué)模型2022/7/9752聽(tīng)覺(jué)因素 頭部有關(guān)的傳遞函數(shù) 1974年P(guān)lenge認(rèn)為，通過(guò)改變進(jìn)入耳朵的聲音的形式，會(huì)產(chǎn)生外部的聲音舞臺(tái)的感覺(jué)。對(duì)于耳機(jī)特別是插入式耳塞，使人感覺(jué)的聲音舞臺(tái)是內(nèi)部的。如果耳機(jī)的左右通道人為地進(jìn)行電子設(shè)備構(gòu)成聲音，那么讓人會(huì)感

36、覺(jué)聲音在外部的真實(shí)性。為此要求知道聲音的形狀，也就是知道由聲源到耳內(nèi)部的傳遞函數(shù)。這個(gè)由聲源到耳內(nèi)部的傳遞函數(shù)稱為頭部有關(guān)的傳遞函數(shù) (Head-related transfer functions, HRTF)，它反映頭和耳對(duì)傳聲的影響，不同的人有不同的HRTF。2.2.1 人類聽(tīng)覺(jué)模型2022/7/9762聽(tīng)覺(jué)因素 頭部有關(guān)的傳遞函數(shù) HRTF的測(cè)量方法如下： 在一個(gè)聲音隔絕的測(cè)量環(huán)境中，對(duì)空間每個(gè)位置設(shè)置一個(gè)聲源，安放在耳中接近耳膜的小麥克風(fēng)測(cè)量收到的信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過(guò)處理，補(bǔ)償非線性頻率響應(yīng)。判斷出聲源到麥克風(fēng)的聲音傳遞的傳遞函數(shù)HRTF。2.2.1 人類聽(tīng)覺(jué)模型2022/7/9772.2

37、.2 聽(tīng)覺(jué)感知設(shè)備1聽(tīng)覺(jué)感知設(shè)備的特性 在人的聽(tīng)覺(jué)模型中得知，聽(tīng)覺(jué)的根本就是三維聲音的定位。所以，對(duì)于聽(tīng)覺(jué)感知設(shè)備其最核心的技術(shù)就是三維虛擬聲音的定位技術(shù)。1全向三維定位特性2三維實(shí)時(shí)跟蹤特性2022/7/9782.2.2 聽(tīng)覺(jué)感知設(shè)備2聽(tīng)覺(jué)感知設(shè)備 聽(tīng)覺(jué)感知設(shè)備主要有耳機(jī)和揚(yáng)聲器兩種。1耳機(jī)2022/7/9792.2.2 聽(tīng)覺(jué)感知設(shè)備2聽(tīng)覺(jué)感知設(shè)備 聽(tīng)覺(jué)感知設(shè)備主要有耳機(jī)和揚(yáng)聲器兩種。2揚(yáng)聲器 又稱“喇叭。是一種十分常用的電聲轉(zhuǎn)換器件，它是一種位置固定的聽(tīng)覺(jué)感知設(shè)備。大多數(shù)情況下能很好地用于給一組人提供聲音，但也可以在基于頭部的視覺(jué)現(xiàn)實(shí)設(shè)備中使用揚(yáng)聲器。2022/7/9802.2.2 聽(tīng)覺(jué)感

38、知設(shè)備2聽(tīng)覺(jué)感知設(shè)備 聽(tīng)覺(jué)感知設(shè)備主要有耳機(jī)和揚(yáng)聲器兩種。2揚(yáng)聲器 環(huán)繞立體聲是使用多個(gè)固定揚(yáng)聲器表現(xiàn)3D空間化聲音的結(jié)果。環(huán)繞立體聲的研究一直在進(jìn)行。最有名的使用非耳機(jī)的系統(tǒng)是CAVE。它使用四個(gè)同樣的揚(yáng)聲器，安在天花板的四角上，而且其幅度變化衰減可以仿真方向和距離效果。在正在開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)中，揚(yáng)聲器安在長(zhǎng)方體的八個(gè)角上，而且把反射和高頻衰減參加用于空間定位的參數(shù)中。這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)有一定的難度，主要是因?yàn)閮蓚€(gè)耳朵都能聽(tīng)見(jiàn)來(lái)自每個(gè)揚(yáng)聲器的聲音。2022/7/9812.3 觸覺(jué)和力反響設(shè)備2022/7/9822.3.1 觸覺(jué)和力反響模型 觸覺(jué)反響稱為接觸反響，是指來(lái)自皮膚外表敏感神經(jīng)傳感器的觸感。包

39、括接觸外表的幾何結(jié)構(gòu)、外表硬度、滑動(dòng)和溫度等實(shí)時(shí)信息。 力反響是指身體的肌肉、肌腱和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)或收緊的感覺(jué)。提供對(duì)象的外表柔順性、對(duì)象的重量和慣性等實(shí)時(shí)信息。它主要抵抗用戶的觸摸運(yùn)動(dòng)，并能阻止該運(yùn)動(dòng)。 觸覺(jué)和力反響是人類感覺(jué)器官的重要組成局部，是通過(guò)傳送一類非常重要的感官信息，幫助用戶利用觸覺(jué)來(lái)識(shí)別環(huán)境中的對(duì)象，并通過(guò)移動(dòng)這些對(duì)象執(zhí)行各種各樣的任務(wù)。一般分為兩類。2022/7/9832.3.1 觸覺(jué)和力反響模型 觸覺(jué)和力反響是人類感覺(jué)器官的重要組成局部，是通過(guò)傳送一類非常重要的感官信息，幫助用戶利用觸覺(jué)來(lái)識(shí)別環(huán)境中的對(duì)象，并通過(guò)移動(dòng)這些對(duì)象執(zhí)行各種各樣的任務(wù)。一般分為兩類。 一類是在探索某個(gè)環(huán)境

40、時(shí)，利用觸覺(jué)和力覺(jué)信息去識(shí)別所探索對(duì)象和對(duì)象的位置和方向。 另一類是利用觸覺(jué)和力覺(jué)去操縱和移動(dòng)物體以完成某種任務(wù)。2022/7/9842.3.1 觸覺(jué)和力反響模型對(duì)虛擬接觸反響和力反響提出以下要求。1實(shí)時(shí)性要求。2平安性保障。3輕便和舒適的特點(diǎn)。2022/7/9852.3.2 觸覺(jué)反響設(shè)備 按照觸覺(jué)反響的原理，手指觸覺(jué)反響裝置可以分為5類： 基于視覺(jué)式、充氣式、振動(dòng)式、電刺激式和神經(jīng)肌肉刺激式的裝置。2022/7/9862.3.2 觸覺(jué)反響設(shè)備1充氣式觸覺(jué)反響裝置 充氣式觸覺(jué)反響裝置的工作原理是在數(shù)據(jù)手套中配置一些微小的氣泡，每一個(gè)氣泡都有兩條很細(xì)的進(jìn)氣和出氣管道，所有氣泡的進(jìn)/出氣管匯總在一

41、起與控制器中的微型壓縮泵相連接。根據(jù)需要采用壓縮泵對(duì)氣泡來(lái)充氣和排氣。充氣時(shí)，微型壓縮泵迅速加壓，使氣泡膨脹而壓迫刺激皮膚到達(dá)觸覺(jué)反響的目的。2022/7/9872.3.2 觸覺(jué)反響設(shè)備1充氣式觸覺(jué)反響裝置 2022/7/9882.3.2 觸覺(jué)反響設(shè)備1充氣式觸覺(jué)反響裝置 缺點(diǎn)：首先，在制作數(shù)據(jù)輸入手套時(shí)，很難設(shè)計(jì)出一種適合于所有用戶的設(shè)備；第二，硬件使用麻煩，難于維護(hù)，非常脆弱。填充和排空氣泡的響應(yīng)時(shí)間很慢，特別是基于氣壓的系統(tǒng)更是如此。由于這些固有的缺點(diǎn)導(dǎo)致了Teletact系列手套不再生產(chǎn)。2022/7/9892.3.2 觸覺(jué)反響設(shè)備2振動(dòng)式觸覺(jué)反響裝置 振動(dòng)式觸覺(jué)反響裝置是通過(guò)將振動(dòng)鼓

42、勵(lì)器集成在手套輸入設(shè)備中。典型的兩種為探針陣列式和輕型形狀記憶合金的振動(dòng)觸覺(jué)反響設(shè)備。2022/7/9902.3.2 觸覺(jué)反響設(shè)備2振動(dòng)式觸覺(jué)反響裝置 探針陣列式振動(dòng)式觸覺(jué)反響裝置的工作原理是利用音圈類似于揚(yáng)聲器中帶動(dòng)紙盒振動(dòng)的音圈產(chǎn)生的振動(dòng)刺激皮膚到達(dá)觸覺(jué)反響的目的。這一裝置的原理是在傳感手套中把兩個(gè)音圈裝在拇指和食指的指尖上，音圈由調(diào)幅脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)，接受來(lái)自PC機(jī)仿真觸覺(jué)的模擬信號(hào)的調(diào)制，模擬信號(hào)經(jīng)功率放大后送音圈。2022/7/9912.3.2 觸覺(jué)反響設(shè)備2振動(dòng)式觸覺(jué)反響裝置 另一種振動(dòng)式觸覺(jué)反響裝置的系統(tǒng)是采用輕型的記憶合金SMM，Shape Memory Metal作為傳感器的裝置。

43、Johnson取得專利制造出一個(gè)輕型“可編程接觸仿真器，他使用輕型的形狀記憶合金SMM驅(qū)動(dòng)器，來(lái)減少重量。 形狀記憶合金是鋅鐵記憶合金，一種特殊的元件。當(dāng)記憶合金絲通電、加熱時(shí)，因焦耳效應(yīng)發(fā)射，合金將收縮，當(dāng)電流中斷時(shí)，記憶合金絲冷卻下來(lái)，恢復(fù)原始形狀。2022/7/9922.3.2 觸覺(jué)反響設(shè)備2振動(dòng)式觸覺(jué)反響裝置 記憶合金觸覺(jué)反響裝置2022/7/9932.3.2 觸覺(jué)反響設(shè)備2振動(dòng)式觸覺(jué)反響裝置 記憶合金觸覺(jué)反響裝置2022/7/9942.3.3 力反響設(shè)備 力反響設(shè)備是運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)手段跟蹤用戶身體的運(yùn)動(dòng)，將其在虛擬物體的空間運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成對(duì)周邊物理設(shè)備的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，并施加力給用戶，使用戶能

44、夠體驗(yàn)到真實(shí)的力度感和方向感，給用戶提供一個(gè)立即的，高逼真的，可信的真實(shí)交互。在實(shí)際應(yīng)用中常見(jiàn)的力反響設(shè)備有力反響鼠標(biāo)、力反響操縱桿、力反響手臂以及力反響手套。2022/7/9952.3.3 力反響設(shè)備1力反響鼠標(biāo) 力反響鼠標(biāo)FEELit Mouse是給用戶提供力反響信息的鼠標(biāo)設(shè)備。用戶使用力反響鼠標(biāo)像使用普通鼠標(biāo)一樣移動(dòng)光標(biāo)。不同的是，當(dāng)使用力反響鼠標(biāo)時(shí)，光標(biāo)就變成了用戶手指的延伸。光標(biāo)所觸到的任何東西，感覺(jué)就像用戶用手觸摸到一樣。它能夠感覺(jué)到物體真實(shí)的質(zhì)地、外表紋理、彈性、液體、摩擦，磁性和振動(dòng)。例如，當(dāng)用戶移動(dòng)光標(biāo)進(jìn)入一個(gè)虛擬障礙物時(shí)，這個(gè)鼠標(biāo)就對(duì)人手產(chǎn)生反作用力，阻止這種虛擬的穿透。因

45、為鼠標(biāo)阻止光標(biāo)穿透，用戶就感到這個(gè)障礙物像一個(gè)真的硬物體，產(chǎn)生與硬物體接觸的幻覺(jué)。2022/7/9962.3.3 力反響設(shè)備1力反響鼠標(biāo) 力反響鼠標(biāo)Wingman2022/7/9972.3.3 力反響設(shè)備2力反響操縱桿 力反響操縱桿裝置是一種桌面設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、價(jià)格低和便于攜帶是它的優(yōu)點(diǎn)。以下圖為1993年Schmult和Jebens創(chuàng)造的“高性能力反響操縱桿示意圖。它有一操縱桿架在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)軸上，每一鏈桿上有一可調(diào)整軸承，提供旋轉(zhuǎn)和滑動(dòng)，其目的是為了補(bǔ)償兩個(gè)馬達(dá)軸不能精確成直角相交。鏈桿與電位計(jì)相連，而電位計(jì)那么由精密軸承制支撐。兩個(gè)馬達(dá)有四極永磁轉(zhuǎn)子，直接安裝在電位計(jì)軸上。操作桿以伺

46、服方式工作，也可用作位置輸入工具相對(duì)或絕對(duì)。由于其具有較高帶寬，可以產(chǎn)生許多力和接觸感，如恒定力、脈沖、振動(dòng)和剛度變化。2022/7/9982.3.3 力反響設(shè)備2力反響操縱桿 2022/7/9992.3.3 力反響設(shè)備3力反響手柄 力反響手柄是較簡(jiǎn)單的力反響設(shè)備。它只有三個(gè)自由度，功能有限。為了增加仿真的靈活性，力反響手臂的仿真接口有一定的改進(jìn)。2022/7/91002.3.3 力反響設(shè)備3力反響手柄 力反響手臂的設(shè)計(jì)主要是用來(lái)仿真物體重量、慣性、以及與剛性物體接觸對(duì)人手產(chǎn)生的力反響。力反響手臂都具有嵌入式位置傳感器和電子反響驅(qū)動(dòng)器設(shè)備，控制回路經(jīng)過(guò)主計(jì)算機(jī)閉合，不適合在戶外使用和安裝。因此

47、，其經(jīng)常被更小巧的個(gè)人觸覺(jué)接口Personal Haptic Interface Mechanism，簡(jiǎn)稱PHANToM所取代。接口的主部件是一個(gè)末端帶有鐵筆的力反響臂。有六個(gè)自由度，其中三個(gè)是活潑的，提供平移力反響。鐵筆的朝向是被動(dòng)的，因此不會(huì)有轉(zhuǎn)矩作用在用戶的受傷。力反響臂的工作空間接近用戶的手腕活動(dòng)空間，用戶的前臂放在一個(gè)支撐物上。2022/7/91012.3.3 力反響設(shè)備3力反響手柄 (a) 手臂反響運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) (b) 系統(tǒng)配置圖 力反響手臂裝置示意圖2022/7/91022.3.3 力反響設(shè)備3力反響手柄 (a) PHANToM力反響手臂外觀 (b) 力反響系統(tǒng) PHANToM桌面力

48、反響臂2022/7/91032.3.3 力反響設(shè)備4力反響手套 力反響操縱手臂，操作桿和鼠標(biāo)的共同特點(diǎn)是設(shè)備需放在臺(tái)上或地面上，且只在手腕上產(chǎn)生模擬的力，所以限制其使用范圍。而對(duì)那些靈活性要求比較高的任務(wù)，可能需要獨(dú)立控制每個(gè)手指上模擬的力，那么需要另一類重要的力反響設(shè)備，就是安裝在人手上的力反響手套。2022/7/91042.3.3 力反響設(shè)備4力反響手套 CyberGrasp手套2022/7/91052.3.3 力反響設(shè)備4力反響手套 CyberGrasp的工作外觀2022/7/91062.4 位置跟蹤設(shè)備2022/7/91072.4.1 位置跟蹤設(shè)備概述 位置跟蹤設(shè)備主要是三維位置跟蹤器

49、，是利用相應(yīng)的傳感器設(shè)備在三維空間中對(duì)活動(dòng)對(duì)象進(jìn)行探測(cè)并返回相應(yīng)的三維信息。2022/7/91082.4.1 位置跟蹤設(shè)備概述1六自由度 在理論力學(xué)中，物體的自由度是確定物體的位置所需要的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)，當(dāng)物體受到某些限制時(shí)自由度減少。假設(shè)將質(zhì)點(diǎn)限制在一條直線或一條曲線上運(yùn)動(dòng)，它的位置用一個(gè)參數(shù)可以表示，所以質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)只有一個(gè)自由度，即i為1。假設(shè)將質(zhì)點(diǎn)限制在一個(gè)平面或一個(gè)曲面上運(yùn)動(dòng)，位置由兩個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)來(lái)確定，它有兩個(gè)自由度，i為2。假設(shè)質(zhì)點(diǎn)在空間自由運(yùn)動(dòng)，位置由三個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)來(lái)確定，i為3。2022/7/91092.4.1 位置跟蹤設(shè)備概述1六自由度物體運(yùn)動(dòng)的自由度2022/7/91102.4.1

50、 位置跟蹤設(shè)備概述1六自由度 物體在三維空間中運(yùn)動(dòng)時(shí)，其具有的6個(gè)自由度，i為6，包括三個(gè)平移運(yùn)動(dòng)方向和三個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向。物體可以前后(沿x軸)、上下(沿y軸)和左右(沿z軸)運(yùn)動(dòng)，稱為平移運(yùn)動(dòng)；另外，物體還可以圍繞著任何一個(gè)坐標(biāo)軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。借用飛機(jī)術(shù)語(yǔ)，這些旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)稱為滾動(dòng)(繞x軸)、偏航(繞y軸)、和傾斜(繞z軸)。2022/7/91112.4.1 位置跟蹤設(shè)備概述2位置跟蹤器的性能參數(shù) 在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，對(duì)用戶的實(shí)時(shí)跟蹤和接受用戶動(dòng)作指令的交互技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要依賴于各種位置跟蹤器，它們是實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的溝通的極其重要的通信手段，是實(shí)時(shí)處理的關(guān)鍵技術(shù)。那么通常位置跟蹤器有以下幾個(gè)方面的性能參

51、數(shù)： 精度和分辨率、響應(yīng)時(shí)間、魯棒性和抗干擾能力、合群性等。2022/7/91122.4.2 機(jī)械式位置跟蹤設(shè)備 機(jī)械式位置跟蹤設(shè)備是較古老的一種跟蹤方式，使用連桿裝置組成。其工作原理是通過(guò)機(jī)械連桿上多個(gè)帶有精密傳感器的關(guān)節(jié)與被測(cè)物體相接觸的方法來(lái)檢測(cè)其位置變化。對(duì)于一個(gè)六自由度的跟蹤設(shè)備，機(jī)械連桿必須有6個(gè)獨(dú)立的機(jī)械連接部件，分別對(duì)應(yīng)6個(gè)自由度，可將任何一種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)用幾個(gè)簡(jiǎn)單的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)組合來(lái)表示。2022/7/91132.4.2 機(jī)械式位置跟蹤設(shè)備機(jī)械式跟蹤設(shè)備的裝置示意圖2022/7/91142.4.2 機(jī)械式位置跟蹤設(shè)備 機(jī)械式位置跟蹤設(shè)備分為兩類： 一類是“安在身體上的的機(jī)械式位置

52、跟蹤設(shè)備。這類設(shè)備將機(jī)械全部安在身上，稱為人體的外骨骼，用作關(guān)節(jié)角的測(cè)量。 另一類為“安在地面上的機(jī)械式位置跟蹤設(shè)備。大自由度末端跟蹤的機(jī)械局部，包括驅(qū)動(dòng)器等安裝在地面上。操作者牢固地抓住手操作器，或者頭盔牢固地縛在頭上就可以完成測(cè)量。2022/7/91152.4.3 電磁式位置跟蹤設(shè)備 電磁式位置跟蹤設(shè)備是利用磁場(chǎng)的強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行位置和方位跟蹤的。一般來(lái)說(shuō)，電磁式位置跟蹤設(shè)備包括幾個(gè)發(fā)射器，與一些接受器，接口和計(jì)算機(jī)。電磁場(chǎng)由發(fā)射器發(fā)射，接收器接收到這個(gè)電磁場(chǎng)后，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并將此信號(hào)送到計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)中的控制部件計(jì)算后，得出跟蹤目標(biāo)的數(shù)據(jù)。多個(gè)信號(hào)綜合后可得到被跟蹤物體的6個(gè)自由度數(shù)據(jù)。2

53、022/7/91162.4.3 電磁式位置跟蹤設(shè)備 根據(jù)所發(fā)射磁場(chǎng)的不同，電磁式位置跟蹤設(shè)備可分為交流電發(fā)射器型與直流電發(fā)射器型。 交流電發(fā)射器由3個(gè)互相垂直的線圈組成，當(dāng)交流電在3個(gè)線圈中通過(guò)時(shí)，就產(chǎn)生互相垂直的3個(gè)磁場(chǎng)分量，在空間傳播。接收器也由3個(gè)互相垂直的線圈組成，當(dāng)有磁場(chǎng)在線圈中變化時(shí)，就在線圈上產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電流，接收器感應(yīng)電流強(qiáng)度與其距發(fā)射器的距離有關(guān)。通過(guò)電磁學(xué)計(jì)算，可產(chǎn)生9個(gè)感應(yīng)電流3個(gè)感應(yīng)線圈分別對(duì)3個(gè)發(fā)射線圈磁場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生9個(gè)電流計(jì)算出發(fā)射器和接收器之間的角度和距離。2022/7/91172.4.3 電磁式位置跟蹤設(shè)備 根據(jù)所發(fā)射磁場(chǎng)的不同，電磁式位置跟蹤設(shè)備可分為交流電發(fā)射

54、器型與直流電發(fā)射器型。 直流電發(fā)射器也由3個(gè)互相垂直的線圈組成。不同的是它發(fā)射的是一串脈沖磁場(chǎng)，即磁場(chǎng)瞬時(shí)從零跳變到某一強(qiáng)度，再跳變回零，如此循環(huán)形成一個(gè)開(kāi)關(guān)式的磁場(chǎng)向外發(fā)射。感應(yīng)線圈接受這個(gè)磁場(chǎng)，再經(jīng)過(guò)一定的處理后，就可得出跟蹤物體的位置和方向。2022/7/91182.4.3 電磁式位置跟蹤設(shè)備磁跟蹤器安裝在數(shù)據(jù)手套上的示意圖2022/7/91192.4.3 電磁式位置跟蹤設(shè)備Fastrak跟蹤器2022/7/91202.4.3 電磁式位置跟蹤設(shè)備Flock of Birds傳感器2022/7/91212.4.4 超聲波位置跟蹤設(shè)備 超聲波位置跟蹤設(shè)備一般采用20KHz以上的超聲波，人耳聽(tīng)

55、不到，不會(huì)對(duì)人產(chǎn)生干擾，目前是所有跟蹤技術(shù)中本錢最低的。它由三個(gè)超聲發(fā)射器的陣列由安裝在天花板上的三個(gè)超聲揚(yáng)聲器組成，三個(gè)超聲接受器由安裝在被測(cè)物體上的三個(gè)麥克風(fēng)組成，以及用于啟動(dòng)發(fā)射同步信號(hào)的控制器三局部組成。以下圖為用于頭部跟蹤的超聲波位置跟蹤設(shè)備示意圖。其中穩(wěn)固的小三角架上的三個(gè)麥克風(fēng)仿真在頭盔顯示器上面。當(dāng)然，對(duì)于接受麥克風(fēng)也可以安裝在三維鼠標(biāo)、立體眼鏡和其他輸入設(shè)備上。2022/7/91222.4.4 超聲波位置跟蹤設(shè)備2022/7/91232.4.4 超聲波位置跟蹤設(shè)備 根據(jù)不同的測(cè)量原理來(lái)，超聲波位置跟蹤設(shè)備的測(cè)量方法分為兩種：飛行時(shí)間法Time-of-Flight和相位相干法P

56、hase-Coherent 測(cè)量飛行時(shí)間法TOF是基于三角測(cè)量的。周期性地激活各個(gè)發(fā)射器輪流發(fā)出高頻的超聲波，測(cè)量到達(dá)各個(gè)接受點(diǎn)的飛行時(shí)間，由此利用聲音的速度得到發(fā)射點(diǎn)與接受點(diǎn)的之間的九個(gè)距離，再由三角運(yùn)算得到被測(cè)物體的位置。2022/7/91242.4.4 超聲波位置跟蹤設(shè)備 相位相干法PC的工作過(guò)程為：在測(cè)量相位差的方式中，各個(gè)發(fā)射器發(fā)出高頻的超聲波，測(cè)量到達(dá)各個(gè)接受點(diǎn)的相位差來(lái)得到點(diǎn)與點(diǎn)的距離，再由三角運(yùn)算得到被測(cè)物體的位置。聲波是正弦波，發(fā)射器與接受器的聲波之間存在相位差，這個(gè)相位差也與距離有關(guān)。這中測(cè)量方法是基于相對(duì)距離的，無(wú)法得知目標(biāo)的絕對(duì)距離，每步的測(cè)量誤差會(huì)隨時(shí)間而積累。絕對(duì)距

57、離必須在初始由其它設(shè)備校準(zhǔn)。2022/7/91252.4.4 超聲波位置跟蹤設(shè)備優(yōu)點(diǎn)是：簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，不受電磁干擾，不受臨近物體的影響，輕便的接受器易于安裝在被測(cè)物體上。缺點(diǎn)是：工作范圍有限，信號(hào)傳輸不能受遮擋，受到溫度、氣壓等環(huán)境因素和環(huán)境反射聲波的影響。飛行時(shí)間法有低的采樣率和低的分辨率，容易受到噪音聲波的干擾，易適應(yīng)小范圍內(nèi)工作。相位差法每步的測(cè)量誤差會(huì)隨時(shí)間越來(lái)越大，需不斷的調(diào)整初始值。2022/7/91262.4.5 光學(xué)式位置跟蹤設(shè)備 光學(xué)式位置跟蹤設(shè)備是使用光學(xué)感知來(lái)確定對(duì)象的實(shí)時(shí)位置和方向。光學(xué)跟蹤器的測(cè)量與超聲波位置跟蹤設(shè)備類似，基于三角測(cè)量。光學(xué)式位置跟蹤設(shè)備主要包括感光設(shè)備

58、接受器，光源發(fā)射器，以及用于信號(hào)處理的控制器。用于位置跟蹤的感光設(shè)備多種多樣，例如普通攝像機(jī)、光敏二極管等。光源可以是環(huán)境光，也可以是使用結(jié)構(gòu)光如激光掃描，或使用脈沖光如激光雷達(dá)。為了防止可見(jiàn)光的干擾，通常采用紅外線、激光等作為光源。2022/7/91272.4.5 光學(xué)式位置跟蹤設(shè)備常用的光學(xué)式位置跟蹤設(shè)備分為三種： 從外向里看outside-looking-in的跟蹤設(shè)備 從里向外看inside-looking-out的跟蹤設(shè)備 激光測(cè)距光學(xué)跟蹤設(shè)備。2022/7/91282.4.5 光學(xué)式位置跟蹤設(shè)備 (a) 從外向里 (b)從里向外 光學(xué)跟蹤器的布置2022/7/91292.4.5 光

59、學(xué)式位置跟蹤設(shè)備 激光測(cè)距光學(xué)跟蹤設(shè)備是將激光發(fā)射到被測(cè)物體，然后接收從物體上反射回來(lái)的光來(lái)測(cè)量位置。激光通過(guò)一個(gè)衍射光柵射到被跟蹤物體上，然后接收經(jīng)物體外表反射的二維衍射圖信號(hào)。這種經(jīng)反射的衍射圖信號(hào)帶有一定畸變，而這一畸變與距離有關(guān)，所以可用作測(cè)量距離的一種量度。但由于激光強(qiáng)度在傳播過(guò)程中的減弱和激光衍射圖樣變得越來(lái)越難以區(qū)別，其精度也會(huì)隨距離增加而降低，但它無(wú)需在跟蹤目標(biāo)上安裝發(fā)射/接收器的優(yōu)點(diǎn)，使它具有潛在的開(kāi)展前景。2022/7/91302.4.6 慣性位置跟蹤設(shè)備 慣性位置跟蹤設(shè)備是通過(guò)盲推dead reckoning得出被跟蹤物體的位置，也就是說(shuō)完全通過(guò)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部的推算，不設(shè)計(jì)

60、外部環(huán)境就可以得到位置信息。 目前，慣性位置跟蹤設(shè)備由定向陀螺和加速計(jì)組成。定向陀螺是用來(lái)測(cè)量角速度，將三個(gè)這樣的陀螺儀安裝在互相正交的軸上，可以測(cè)量出偏航角、俯仰角和滾動(dòng)角速度，隨時(shí)間的綜合可以得到三個(gè)正交軸的方位角。加速計(jì)是用來(lái)測(cè)量三個(gè)方向上平移速度的變化，即x，y，z方向的加速度，它是通過(guò)彈性器件形變來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖2.45(b)所示。加速計(jì)的輸出需要積分兩次，得到位置。角速度值需要積分一次，得到方位角。2022/7/91312.4.6 慣性位置跟蹤設(shè)備 (a)定向陀螺 (b)加速計(jì)慣性跟蹤設(shè)備2022/7/91322.4.6 慣性位置跟蹤設(shè)備 (a) IS300外觀 (b) IS300系統(tǒng)