7虛擬現(xiàn)實的硬件與軟件基礎(chǔ)ppt課件

1、第二章 虛擬現(xiàn)實的硬件與軟件根底.高性能計算機；廣角寬視野的立體顯示設(shè)備；察看者頭、眼的跟蹤設(shè)備；人體姿態(tài)的跟蹤設(shè)備；立體聲；觸覺、力覺反響；語音輸入輸出等。2.1 概論虛擬現(xiàn)實的硬件設(shè)備:.交互性 是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的首要特性。為了允許人機交互，必需運用特殊的人機接口與外部設(shè)備，既要允許用戶將信息輸入到計算機，也要使計算機能反響信息給用戶。今天的VR外部設(shè)備在功能和目的上各不一樣。 .例如 ：身體運動由3-D位置跟蹤器跟蹤；手勢由傳感手套數(shù)字化；視覺反響發(fā)送給立體顯示器；虛擬聲音由3-D聲音生成器計算；察看方向隨跟蹤球和支配桿改動等。 .虛擬現(xiàn)實運用系統(tǒng)的特點： 具有靈敏性、可移植性與實時交互的

2、特性。本章內(nèi)容：將描畫一些虛擬現(xiàn)實硬件設(shè)備及其軟件，并分別講述其功能、特征以及當前的局限性。 .2.2 VR硬件的系統(tǒng)集成虛擬現(xiàn)實VR系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)： 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中通常包括大量需求處置來自各種設(shè)備的感知信息、模型和數(shù)據(jù)，因此，建立一個以計算機為中心、將多種I/O交互設(shè)備協(xié)調(diào)組合在一同的硬件平臺，是VR系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)。 計算機系統(tǒng)的作用：實時處置、數(shù)據(jù)輸入/輸出、虛擬境界的管理和生成等功能。計算機系統(tǒng)的功能：1要保證虛擬三維場景的實時計算和顯示，盡量減少延遲；(2)另一方面還要協(xié)調(diào)各種I/O交互設(shè)備之間的任務(wù)，以確保系統(tǒng)整體運轉(zhuǎn)的性能。 .目前虛擬現(xiàn)實的計算機系統(tǒng)可以是PC機、任務(wù)站和

3、超級計算機等，而且多數(shù)情況下都采用多種機，并以各種方式銜接。 PC機和任務(wù)站的比較：1PC機普通只能用于低檔的VR系統(tǒng)，這主要是由于與任務(wù)站和超級計算機相比，它的圖形和聲音處置功能都是有限的。2任務(wù)站專門用于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，它具有多個處置器，以便進一步加強整體系統(tǒng)構(gòu)造，其中有的系統(tǒng)可以允許一百多個處置器同時運轉(zhuǎn)一個程序，從而使VR系統(tǒng)的性能到達最正確。 .虛擬現(xiàn)實的集成系統(tǒng): 是指在任務(wù)站或者PC機上任務(wù)的不同組合虛擬現(xiàn)實硬、軟件工具包。它提供了一套緊湊的設(shè)備，在此系統(tǒng)內(nèi)，虛擬世界可被發(fā)明、仿真和可視，還能經(jīng)過這些集成設(shè)備獲得浸入式體驗。下面以VIEWVirtual Interface Env

4、ironment Workstation為例，引見VR系統(tǒng)平臺。 .VIEW系統(tǒng)組成 . VIEW由一組由計算機控制的I/O子系統(tǒng)組成：它以HP公司的HP900835為主，圖形處置采用SGI公司的圖形計算機或HPSRX圖形系統(tǒng)配備了Plohemus空間跟蹤系統(tǒng)來跟蹤運用者手部的位置，配備了LEEP廣角立體視景頭戴顯示器和單色液晶顯示器，雙屏顯示器的三維場景由遙控攝像機獲取，且視景可隨著操作者的視野頭部位姿變化；頭盔上有一個麥克風以便作語音識別，兩個耳機進展三維聲音跟蹤，Convolvotron三維音頻輸出設(shè)備那么使整個虛擬環(huán)境附有立體聲音響；VPL數(shù)據(jù)手套用于識別運用者手勢控制系統(tǒng)的行為，使操

5、作者可以借助語音、手語手指動作的組合姿態(tài)由數(shù)據(jù)手套Dataglove構(gòu)成與環(huán)境交互；同時還配備了BOOM CRT顯示器及Fake Space遠程攝像系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)分別提供虛擬環(huán)境所需的各種覺得通道的識別和控制功能。運用者“置身于這樣的VR環(huán)境，周圍是預先定義好的虛擬物體及三維空間的聲響效果，從而為各類VR運用系統(tǒng)的研發(fā)提供了一個方便。 .VIEW系統(tǒng)的運用：遠程機器人控制，復雜信息管理及人類諸要素的研討。目前大多數(shù)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件體系構(gòu)造都由VIEW開展而來。同時，這種以基于LCD的頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套及頭部跟蹤器為特征的硬件體系構(gòu)造也己成為當今虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的主流。 .2.3 VR的三維跟

6、蹤傳感設(shè)備 三維交互設(shè)備的作用：把各種信息輸入計算機，并向用戶提供相應的反響，它們是使參與者能以人類自然技藝與虛擬環(huán)境交互的必要工具。三維交互設(shè)備的分類：根據(jù)傳感渠道以及在功能和目的上的不同，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的三維交互設(shè)備主要被分為三維跟蹤傳感設(shè)備，立體顯示設(shè)備、手數(shù)字化設(shè)備、聲音設(shè)備以及系統(tǒng)集成設(shè)備等幾大類。.虛擬現(xiàn)實技術(shù)是在三維空間中與人交互的技術(shù)，為了能及時、準確地獲取人的動作信息，需求有各類高精度、高可靠的跟蹤定位設(shè)備。傳感器技術(shù)，它是VR系統(tǒng)中實現(xiàn)人機之間溝通的極其重要的通訊手段，是實時處置的關(guān)鍵技術(shù)。目前虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)運用的仍是多年來的常用方法，其典型的任務(wù)方式是，固定發(fā)射器發(fā)射出電磁信

7、號，該信號被附在用戶頭上的機動傳感器截獲，傳感器接納到這些信號后進展解碼，確定發(fā)射器與接納器之間的相對位置及方位，信號隨后傳輸?shù)綍r間運轉(zhuǎn)系統(tǒng)進而傳給三維圖形環(huán)境處置系統(tǒng)。 .2.3.1 電磁波跟蹤器 原理：它運用一個信號發(fā)生器3個正交線圈組產(chǎn)生低頻電磁場，然后由放置于接納器中的另外三組正交線圈組擔任接納，經(jīng)過獲得的感生電流和磁場場強的9個數(shù)據(jù)來計算被跟蹤物體的位置和方向如圖。特點：體積小、價錢廉價、用戶運動自在，而且敏感性不依賴于跟蹤方位，但是其系統(tǒng)延遲較長，跟蹤范圍小，且準確度容易受環(huán)境中大的金屬物體或其他磁場的影響。.常用電磁波跟蹤器多數(shù)電磁波跟蹤器采用交流磁場如Polhemus的跟蹤器，

8、但也有的采用直流磁場如Ascension的跟蹤器交變電磁跟蹤系統(tǒng)對傳感器或接納器附近的電磁體較為敏感，它會由于周圍環(huán)境中的金屬或鐵磁性物質(zhì)而產(chǎn)生渦旋電流和干擾性次磁場，從而導致信號發(fā)生畸變，跟蹤精度降低。 直流電磁跟蹤系統(tǒng)只是在丈量開場時產(chǎn)生渦旋電流而在穩(wěn)定形狀下衰減為零，這就減少了畸變磁場的產(chǎn)生率，使跟蹤準確度大大提高。且可以保證在較大操作范圍內(nèi)的高靈敏度。 .2.3.2 超聲波跟蹤器 任務(wù)原理：發(fā)射器發(fā)出高頻超聲波脈沖頻率20kHz以上后，由接納器計算收到信號的時間差、相位差或聲壓差等，就可以跟蹤物體的間隔和方位了。特點：性能適中，本錢低廉，而且不會受外部磁場和大塊金屬物質(zhì)的干擾，敏感性卻

9、容易受接納器的方位和空氣密度的影響。分類：按照丈量方法的不同，分為飛行時間丈量法和相位相關(guān)丈量法。 .聲波飛行時間跟蹤的原理：經(jīng)過丈量聲波的飛行時間延遲來確定間隔的。它同時運用多個發(fā)射器和接納器，以便獲得一系列的間隔量，從而計算出準確的位置和方向。聲波飛行時間跟蹤的特點：具有較好的準確度和呼應性；易遭到外界噪音脈沖的干擾，同時數(shù)據(jù)傳輸率還會隨著監(jiān)測范圍的擴展而降低，適用于小范圍內(nèi)的操作環(huán)境。相位相關(guān)跟蹤的原理：經(jīng)過比較基準信號和傳感器監(jiān)測到的發(fā)射信號之間的相位差來確定間隔的。相位相關(guān)跟蹤的特點：具有較高的數(shù)據(jù)傳輸率、可保證系統(tǒng)監(jiān)測的精度、呼應性以及耐久性等，而不遭到外界噪聲的干擾。 .2.3.

10、3 光學跟蹤器光學跟蹤器可以運用自然光、激光或紅外線等作為光源，但為防止干擾用戶的察看視野，目前多采用紅外線方式。優(yōu)點：可任務(wù)范圍較小、其數(shù)據(jù)處置速度、呼應性都非常好，適用于頭部活動范圍相當受限但要求具有較高刷新率和準確率的實時運用。 光學跟蹤傳感器構(gòu)造的實現(xiàn)方法通常有兩種：“由外向內(nèi)方式和“由內(nèi)向外方式。 .“由外向內(nèi)方式特點和原理：傳感器是固定的，發(fā)射器是可挪動的。它通常是利用置于知位置的多臺照相機或攝像機，追蹤放置在被監(jiān)測物體外表的紅外線發(fā)光二極管的位置，并經(jīng)過察看多個目的來計算它的方位?！坝赏庀騼?nèi)方式缺乏：這類光學跟蹤器采用了昂貴的信號處置器硬件，因此它主要用于飛機座艙模擬?！坝蓛?nèi)向外

11、方式特點和原理：發(fā)射器是固定的，而傳感器是可挪動的。由于在此種方式中，多個傳感器可以由一組發(fā)射器支持，因此在定點傳送系統(tǒng)跟蹤多個目的的時候，具有比“由外向內(nèi)方式更優(yōu)秀的性能。 .2.3.4 其他空間跟蹤系統(tǒng)1. 機械跟蹤器 ： 通常把參考點和跟蹤體直接經(jīng)過連桿安裝相連。它采用鋼體框架，一方面可以支撐察看設(shè)備，另一方面可以丈量跟蹤體的位置和方位。 這種跟蹤器的精度和呼應性適中，不受電磁場的影響，但活動范圍非常有限，而且對用戶有一定的機械束縛。 .2. 慣性跟蹤器 ： 慣性跟蹤器也是采用機械方法，其原理是利用小型陀螺儀丈量被監(jiān)測物在其傾角、偏角和轉(zhuǎn)角方面的數(shù)據(jù)。它不是一種六自在度的設(shè)備，但在不需求

12、位置信息的場所還是非常有用的。 .3. 圖像提取跟蹤器：原理:由一組兩臺或兩臺以上視頻攝像機拍攝人及其動作，然后經(jīng)過圖像處置技術(shù)的運算和分析來確定人的位置及動作。優(yōu)點:作為一種高級的采樣識別技術(shù)，圖像提取跟蹤設(shè)備的計算密度高，又不會受附近的磁場或金屬物質(zhì)的影響，而且對用戶沒有運動約束，因此在運用上具有極大的方便。缺陷:由于圖像提取跟蹤設(shè)備是經(jīng)過比較知的采樣位置和傳感的采樣來確定位置的，因此對監(jiān)測物體的間隔和監(jiān)測環(huán)境的燈光照明系統(tǒng)要求較高，通常遠間隔的物體或過強、過弱的照明都會降低采樣識別系統(tǒng)的準確度。另外，較少數(shù)量的攝像機能夠使監(jiān)測環(huán)境中的物體包括參與者出如今攝像機視野中被屏蔽的景象，而較多數(shù)

13、量的攝像機又會添加采樣識別算法的復雜度和系統(tǒng)冗余度。 .2.3.5 對跟蹤傳感設(shè)備的評價 跟蹤安裝的性能目的主要包括：1等待時間即延遲 指從采樣開場到數(shù)據(jù)可以處置之前的時間間隔；我們要求跟蹤設(shè)備的系統(tǒng)延遲應足夠短，由于長延遲會影響沉浸效果。2位置精度 即實踐位置與丈量位置之間的偏向；偏向越小，隨著用戶動作產(chǎn)生的模擬效果就越好。3分辨率 即設(shè)備能檢測到的最小位移；另外還有取樣率、運轉(zhuǎn)約束、環(huán)境隔離要求等目的。.表 3種常用跟蹤技術(shù)的主要性能目的跟蹤器類型分辨率精度延遲跟蹤范圍電磁波1mm0.03mm3mm0.1mm50ms半徑1.6m的半球形超聲波10mm0.5mm依空氣密度變化30ms45m光

14、學2rnrn0.02mm1rnrn1ms48m可擴展至14m跟蹤器類型分辨率精度延遲跟蹤范圍電磁波1mm0.03mm3mm0.1mm50ms半徑1.6m的半球形超聲波10mm0.5mm依空氣密度變化30ms45m光學2rnrn0.02mm1rnrn1ms48m可擴展至14m跟蹤器類型分辨率精度延遲跟蹤范圍電磁波1mm0.03mm3mm0.1mm50ms半徑1.6m的半球形超聲波10mm0.5mm依空氣密度變化30ms45m光學2rnrn0.02mm1rnrn1ms48m可擴展至14m跟蹤器類型分辨率精度延遲跟蹤范圍電磁波1mm 0.03mm3mm 0.1mm50ms半徑1.6m的半球形超聲波1

15、0mm 0.5mm依空氣密度變化30ms45m3光學2mm 0.02mm1mm1ms48m3可擴展至14m3.2.4 VR的立體顯示設(shè)備 對虛擬世界的沉浸感主要依賴于人類的視覺感知。人眼立體視覺效應的原理:當人在現(xiàn)實生活中察看物體時，雙眼之間67cm的間隔瞳距會使左、右眼分別產(chǎn)生一個稍有不同的圖像即體視差，我們的大腦經(jīng)過分析后會把這兩幅圖像交融為一幅畫面，并由此獲得間隔和深度的覺得。比較常用的顯示設(shè)備主要有立體眼鏡、頭盔顯示器、雙目全方位顯示器以及大屏幕立體投影等。 .2.4.1 頭盔顯示器Head一Mounted 3D Display，HMD HMD是專為用戶提供虛擬現(xiàn)實中立體景物的顯示器。

16、 HMD的任務(wù)原理：它通常被固定在用戶的頭部，由兩個LCD或CRT顯示器分別向兩只眼睛提供圖像，這兩個顯示屏中的圖像由計算機分別驅(qū)動，屏上的兩幅圖像存在著細小的差別，類似于“雙眼視差，大腦將交融這兩個視差圖像以獲得深度感知。HMD的特點：它可以使參與者暫時與真實世界隔分開，而處于完全沉浸形狀 。 .雙眼部分重疊的頭盔顯示器光學模型.安裝在頭盔上的顯示器可以包括：陰極射線管CRT、液晶顯示LCD、發(fā)光二極管LED、熒光管、液晶開關(guān)顯示器以及微機械硅顯示器等多種顯示技術(shù)。現(xiàn)階段最為常用的是CRT和LCD兩種，其中，CRT顯示器具有較高分辨率，而LCD顯示器具有較好的亮度，估計微機械硅顯示器將成為今

17、后新型HMD顯示部件的開展主流。 與立體眼鏡等顯示設(shè)備相比，頭盔顯示器雖然價錢昂貴，但卻具有較好的沉浸感，而且用戶的走動自在。當然，它也存在著諸如約束感較強、LCD的分辨率偏低，失真較大等問題。 .衡量頭盔顯示器性能的規(guī)格參數(shù)及其含義：1逼真的立體視覺雙眼視覺 “逼真指所看到的景象中的一切點的方位角和俯仰角與原始圖像中的對應點都一樣。 “逼真的立體視覺 要求兩眼所看到的兩幅圖像同時符合“逼真這個條件。 2視場 視場即人眼可以看到的視覺范圍的大小，它對VR系統(tǒng)的影響包括兩個方面：總視場角和視場重疊角。 視場是沉浸感的關(guān)鍵要素，是衡量光學系統(tǒng)性能好壞的主要參數(shù)。.衡量頭盔顯示器性能的規(guī)格參數(shù)及其含

18、義3分辨率人眼在視網(wǎng)膜中心部分的分辨率較高，大約為1弧分左右，而隨著間隔中心點越來越遠，其分辨率也會越來越低。4透射率 頭盔顯示器又可以分為“看穿式和非“看穿式兩種。戴上“看穿式顯示器，用戶可以同時看到計算機產(chǎn)生的圖像和真實的外部景象。戴上非“看穿式顯示器時，用戶就只能看到由計算機生成的圖像了。 .衡量頭盔顯示器性能的規(guī)格參數(shù)及其含義(5)重疊率 雙眼圖像重疊在一同的部分，我們稱之為雙目重疊區(qū)。部分重疊式頭盔顯示器可以在不降低分辨率的前提下，提供更寬的視場。 .衡量頭盔顯示器性能的規(guī)格參數(shù)及其含義6分量理想的頭盔顯示器不但應保證前后兩部分堅持平衡不要前重后輕，而且其分量應該是和一副眼鏡差不多，

19、這樣可以盡量減少運用者的疲勞和不適感。7人的要素 決議頭盔顯示器性能的很多參數(shù)之間是存在相互制約關(guān)系的。在設(shè)計和購買頭盔顯示器時，一定要將硬件的規(guī)格和參數(shù)、系統(tǒng)本身的運用需求以及造價本錢等多方面要素予以綜合思索，選擇適當?shù)漠a(chǎn)品。 .2.4.2 雙目全方位顯示器 (BOOMBOOMBinocu1ar Omni orientation Monitor是一種可挪動式顯示器。 BOOM的特點：有兩個相互垂直的機械臂支撐、有實時的觀測和交互才干 。 BOOM的優(yōu)點：分辨率高于HMD，且圖像柔和 ；系統(tǒng)延遲小，且不受磁場和超聲波背景噪音的影響；運用方便靈敏。BOOM的缺陷：使運用者的運動受限，這是由于在任

20、務(wù)空間中心的支撐架呵斥了“死區(qū)，因此BOOM的任務(wù)區(qū)要去除中心大約0.5m2的空間范圍。 .2.4.3 CRT終端液晶光閘眼鏡 任務(wù)原理：由計算機分別產(chǎn)生左、右眼的兩幅圖像，經(jīng)過合成處置后，采用分時交替的方法顯示于CRT終端上。用戶那么佩帶一副與計算機相連的液晶光閘眼鏡，眼鏡的左、右鏡片在驅(qū)動電信號的作用下，將以與圖像顯示同步的速率交替“開透光、“閉遮光，即當計算機顯示左眼圖像時，右眼透鏡將被遮閉，而當計算機顯示右眼圖像時，左眼透鏡那么被遮閉。這樣做可以讓用戶的左、右眼分別只看到相應的左、右圖像。根據(jù)雙目視差與深度間隔的正比關(guān)系，人的視覺生理系統(tǒng)就可以自動將這兩幅視差圖像交融成一個立體視像了。

21、 .CRT終端液晶光閘眼鏡的優(yōu)缺陷：相對于頭盔顯示器或BOOM而言，液晶光閘眼鏡是一種非常廉價的立體顯示設(shè)備。它極其短促的光柵開關(guān)時間和監(jiān)視器的高刷新率構(gòu)成了無閃爍圖像，使得這種圖像比基于LCD的頭盔顯示器要明晰得多，而且長時間察看也不會令人疲倦。同時，立體眼鏡分量輕，運用溫馨，其操作范圍最遠可離監(jiān)視器6m，但是，由于光柵過濾器走漏一部分光，所以運用者看到的圖像亮度不如普通屏幕好，且由于運用者沒有與顯示器相聯(lián)，無法覺得到是被虛擬世界包圍，因此沉浸感較差，通常只在桌面式VR系統(tǒng)或一些多用戶的環(huán)境下運用，例如科學可視化和極細微的外科手術(shù)等。 .2.4.4 大屏幕投影液晶光閘眼鏡將CRT終端顯示改為

22、大屏幕投影顯示就得大屏幕投影液晶光閘眼鏡。用于投影的CRT或數(shù)字投影機要求具有極高的亮度和分辨率，它適宜于在較大的視野內(nèi)產(chǎn)生投影圖像的運用需求。美國芝加哥大學研制的CAVE系統(tǒng)，構(gòu)造了一個由4面投影屏幕構(gòu)成的立方體虛擬環(huán)境，又叫“洞穴。各屏幕背投式同時顯示從某一固定察看點看到的一切視像，由此提供一種全景式的環(huán)境。該系統(tǒng)需求復雜而昂貴的計算機投影控制系統(tǒng)：它通常采用球面大屏幕，投影機位于球心，具有與雙攝像機立體察看器一樣的俯仰和偏轉(zhuǎn)兩個位置，并一直堅持以察看者為正前方在球屏上相應挪動，從而構(gòu)成一定的視景環(huán)繞感。.大屏幕投影液晶光閘眼鏡顯示 .2.5 手數(shù)字化設(shè)備 普通的跟蹤、探測設(shè)備都具有簡單、

23、緊湊和易于操作等優(yōu)點，但由于它們本身構(gòu)造的限制，使操作者手的活動自在度僅限于在桌上的一個小區(qū)域中，減弱了它與虛擬世界交互作用的直觀性。VR技術(shù)的一項艱苦突破就是用手來替代鍵盤、鼠標，作為人與計算機交互的一種重要手段。借助各種公用的手數(shù)字化設(shè)備，操作者不但可以獲得大范圍的基于手勢的交互操作，同時經(jīng)過感知單個手指的運動還可以添加人在虛擬空間中的自在度和靈敏性。 .2.5.1.1 VPL數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)手套的由來：最早的傳感手套是由VPL公司開發(fā)的，叫做DataGlove，所以通常又把傳感手套叫做數(shù)據(jù)手套 。數(shù)據(jù)手套由很輕的彈性資料構(gòu)成，緊貼在手上。該系統(tǒng)包括位置/方向傳感器和沿每個手指背部安裝的一組有

24、維護套的光纖導線，它們檢測手指和手的運動 。DataGlove 的任務(wù)原理：作為傳感器的光纖可以丈量每個手指的彎曲和伸展 ；磁性的位置/方向傳感器那么好像電磁跟蹤器一樣，這種傳感器丈量手的絕對位置x，y，z和三個轉(zhuǎn)角方向轉(zhuǎn)動、俯仰、搖擺。 .詳細：作為傳感器的光纖可以丈量每個手指的彎曲和伸展。每條光纖從控制器的線路板引出，經(jīng)過一長段軟管到達手套上的腕部固定器。從這里，光纖導線延伸到手指上，經(jīng)過手指的關(guān)節(jié)，然后回到腕部固定器和控制器。 在控制器內(nèi)部，每根光纖導線的一端配備一個發(fā)光二極管，而其另一端銜接一個光傳感器?？刂茊卧褟墓鈧鞲衅髂抢锝蛹{到的能量轉(zhuǎn)變成電信號。當彎曲手指時，發(fā)光二極管的光經(jīng)過

25、光纖導線從導線維護套的裂痕或切口逸出。關(guān)節(jié)越彎曲，光纖逸出越多，到達光傳感器的光越少。光量的多少就反映了手指的彎曲程度。 計算機根據(jù)光電信號數(shù)據(jù)算出手指和關(guān)節(jié)彎曲的程度。每個手指最少有兩條光纖導線，一條檢測手指下部關(guān)節(jié)，另一條檢測手指中間關(guān)節(jié)。由于拇指只需兩個關(guān)節(jié)，大拇指上僅有一條光纖導線。為了添加檢測的準確度，每個手指上可再添加一條或幾條光纖導線。但不論添加多少光纖導線，這種方法只能丈量手指的活動。在DataGlove中，第二個丈量儀器是一個磁性的位置/方向傳感器，好像在前面的電磁跟蹤器一樣，這種傳感器丈量手的絕對位置x，y，z和三個轉(zhuǎn)角方向轉(zhuǎn)動、俯仰、搖擺。這兩種方法的結(jié)合使計算機可以跟蹤

26、手所作出的任何動作。 .DataGlove 的運用：數(shù)據(jù)手套由主機經(jīng)過25條指令集進展控制，丈量十個關(guān)節(jié)五個和手掌相連的指骨、一個大拇指關(guān)節(jié)和四個其他指骨關(guān)節(jié)，并有附加的傳感器來丈量外展肌和小關(guān)節(jié)。數(shù)據(jù)記錄那么以3060Hz的速率傳送。數(shù)據(jù)手套有大、中、小三種型號的手套。當安裝不正確的手套時需求頻繁地重新校正尺寸。用同步命令可以運用左、右手套。當兩個跟蹤系統(tǒng)被同時運用時，我們就不得不對各自的傳輸器進展改良。 .2.5.1.2 PowerGlove手控器PowerGlove手控器是Mattel為家庭視頻游戲市場而設(shè)計的，普通用于游戲機，現(xiàn)已停產(chǎn)。其性能比用于其他行業(yè)的同類產(chǎn)品要低得多。Power

27、Glove運用基于有一恒定彈力塑料的張力丈量儀Amtec公司消費這種包有0.6mm特殊配方油墨的聚酯條透明物質(zhì)。 PowerGlove的原理：手是由安裝在手套背部的超聲發(fā)生器來定位的，它發(fā)出的超聲波由三個超聲波接納器輪番接納，并測得接納時間，最大丈量范圍是1.524m。 PowerGlove的特點：在手套上安裝一個控制板，板上有“開場及四個方向鍵 。.2.5.1.3 CyberGloveCyberGlove是由VirtexVirtual Technologies公司開發(fā)的，是CyberCAD虛擬設(shè)計環(huán)境中虛擬技術(shù)一個理想的接口設(shè)備，可被廣泛運用來創(chuàng)建、終止、定位三維物體。 CyberGlove

28、具有22個傳感器，每個手指有三個彎曲傳感器和一個外展肌傳感器。它是一種高精度設(shè)備，可以提供準確而延續(xù)的輸出。CyberGlove的特點：1傳感器輸出僅依賴手指關(guān)節(jié)的角度，而與關(guān)節(jié)的突出無關(guān)，因此每次戴手套時，校正數(shù)據(jù)均不變。2傳感器輸出和彎曲角度成線性關(guān)系，因此對于關(guān)節(jié)彎曲極點，分辨率不會下降。 .幾種常見的數(shù)據(jù)手套.2.5.2 三維鼠標 普通的鼠標只能感受在平面的運動，而立體鼠標可以感受用戶在六個自在度的運動，包括三個平移參數(shù)和三個旋轉(zhuǎn)參數(shù)。 立體鼠標稱為space mouse，如 3Space公司的 Spaceball，也有人把它稱為cubic mouse。下面引見幾種簡單的三維鼠標： .

29、三維鼠標.三維鼠標.2.6 其他交互設(shè)備2.6.1 觸摸和力反響安裝Touch/Force Feedback問題的提出在VR系統(tǒng)中，能否讓用戶產(chǎn)生“沉浸效果的關(guān)鍵要素之一是用戶能否用他她的手或身體的其他部分去操作虛擬物體，并在操作的同時可以覺得到虛擬物體的反作用力。數(shù)據(jù)手套可以實時的生成手與物體接近和遠離的圖像。但是到今天為止，商品化的數(shù)據(jù)手套都不提供觸覺反響作用，這就很難讓用戶有手真的抓到物體和推進物體的覺得，于是觸摸和力反響安裝也就應運而生了。.觸覺是人們用于感知外部世界的一大覺得通道，它由觸摸反響感知和力量反響感知兩大部分組成。 目前，曾經(jīng)有相當數(shù)量的觸摸和力量反響安裝允許用戶在虛擬環(huán)境

30、中與物體接觸。 .1. 觸摸反響安裝目前最常用的一種模擬觸摸反響的方法就是運用氣壓法或振動法的數(shù)據(jù)手套。 .氣壓法是運用小空氣袋作為傳感安裝 。 在手套上有2030個空氣袋放在對應的位置，當發(fā)生虛擬觸摸時，這些小型氣袋可以經(jīng)過空氣緊縮泵的充氣和放氣而被迅速地加壓或減壓。同時，由計算機中存儲的相關(guān)力方式數(shù)據(jù)來決議各個氣袋在不同形狀下的氣壓值，以再現(xiàn)觸碰物體時手的各個部位的觸覺感受及其受力情況。 .振動法 是用小振動換能器實現(xiàn)的。換能器通常是利用形狀記憶合金制成的，當電流經(jīng)過這些換能器時，它們就會發(fā)生形變和彎曲。我們可以根據(jù)需求把換能器做成各種外形后，安裝在皮膚外表的各個位置上。利用高性能的換能器

31、有能夠產(chǎn)生對虛擬物體的光滑度、粗糙度的覺得。 與氣袋不同的是：換能器幾乎可以立刻對一個控制信號做出反響，這使得它們適宜于產(chǎn)生不延續(xù)、快速的覺得。而氣袋產(chǎn)生的力反響比形狀記憶合金要慢些、強些，更適宜表現(xiàn)一些緩慢、柔和的力。 .2. 力量反響安裝力量反響安裝的意義：不但有助于加強虛擬交互的逼真性而且可以說有時它也是一種必需的設(shè)備。 力量反響安裝的任務(wù)原理：經(jīng)過機械或其他動力推進和刺激運用者的手，腕、臂、肘、肩等部位，使之產(chǎn)生相應的觸覺感知。力量反響安裝的類型：力感反響支配桿、吊掛式機械手臂、桌面式多自在度游戲棒以及可獨立作用于每個手指的手控力反響安裝等。 .PHANTOM3.0 是美國SensAb

32、le公司研制開發(fā) 的，是一種可編程的、具有觸覺及力反響功能的安裝 。當PHANTOM的機械臂在任務(wù)空間中運動時，就會在計算機屏幕上出現(xiàn)一個指示針，反映機械臂在任務(wù)空間中的位置。同時，經(jīng)過碰撞檢測等技術(shù)探測到指示針與虛擬模型接觸時，計算時機發(fā)出信號，通知機械臂接觸到了虛擬模型，并將該模型的物理性質(zhì)，如質(zhì)量、軟硬程度、光滑程度等反響給PHANTOM系統(tǒng)，再由該系統(tǒng)產(chǎn)生相應的力傳送給操作者，使其具有力的感受，從而實現(xiàn)了力反響。 .PHANTOM系統(tǒng)可以被方便地放置在桌面上，提供最大為 (40.6cm X 58.4cm X 83.8 cm)范圍的任務(wù)空間，并提供六自在度的觸摸和力量反響，從而在用戶手部

33、產(chǎn)生150g的平移或改動力量。另外，它還具有0.02mm的位置分辨率 。PHANTOM系統(tǒng)的特點：設(shè)備安裝簡單、運用輕便乖巧，且不會因本身分量等問題而讓用戶在運用中產(chǎn)生疲倦甚至疼痛的覺得。 .2.6.2 數(shù)據(jù)衣Data Suit 數(shù)據(jù)衣服是利用數(shù)據(jù)手套的原理研制成的。數(shù)據(jù)衣服的原理：將大量的光纖安裝在一個緊身衣服上，可以根據(jù)需求檢測出人的四肢、腰部的活動以及各關(guān)節(jié)如腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)的彎曲角度，然后用計算機重建出圖像。.2.6.3三維掃描儀3D Handheld Laser Scanner三維掃描儀的功能是根據(jù)掃描真實模型外觀特征，建造出該物體對應的計算機模型。 任務(wù)原理是：由三維掃描儀向物體發(fā)射

34、一束激光。然后經(jīng)過操作桿上的攝像機從每個角度調(diào)查并記錄下物體各截面的輪廓信息。與此同時，安裝在操作桿前端的高性能傳感跟蹤器也將同步地記錄下三維掃描儀在位置及方向上的變換信息。一切這些數(shù)據(jù)都將傳送給與之相連的計算機，再由相應軟件做進一步處置后，該物體對應的計算機三維模型就顯示在我們面前了。 .三維掃描儀的特點：建模過程快速、準確、方便，它可以到達0.23mm0.43mm的高精度和1,000點秒的快速取樣速度，用戶只需描出模型的輪廓，就能在幾分鐘內(nèi)獲得復雜的3D數(shù)據(jù)，并在如今當今流行的多種圖形圖像處置軟件中如3D Studio MAX、Maya等呈現(xiàn)出來 。三維掃描儀的運用：它提供了一種最迅速、便

35、利的3D建模方法。三維掃描儀可以描畫出任何外形。對于那些非金屬、不透明物體的處置效果較為理想。 .圖 三維掃描儀的運用與效果 .2.7 VR的聲音系統(tǒng)3D聲音生成器“3D聲音并非立體聲，3D聲音是指由計算機生成的、能由人工設(shè)定聲源在空間中三維位置的一種聲音。3D聲音生成器是利用人類定位聲音的特點生成出3D聲音的一套軟硬件系統(tǒng)。人類進展聲音的定位根據(jù)兩個要素：兩耳時間差I(lǐng)TD和兩耳強度差I(lǐng)ID。.3D聲音的產(chǎn)生過程：實驗人員位于一個圓頂房子內(nèi)，在房間內(nèi)放置特定空間位置的聲源。微小的麥克風放置在實驗人員的耳朵內(nèi)，接近于中耳。然后，把聲源依次翻開，并存儲和數(shù)字化麥克風輸出。例如，當說話者到達聽眾的左

36、邊發(fā)出聲音時，聲音將首先到達左耳，并且比右耳有更大的強度。運用Fourier變換器可以計算麥克風輸出的頻率呼應，以及相應的HRTF系數(shù)用來模擬人耳對聲音不同頻段的反射作用，我們便能把該聲音虛擬地定位在空間的任何位置。 .2.7.1 3D聲音定位系統(tǒng)早期的環(huán)境音系統(tǒng)未思索人頭的自在運動，因此人頭不得不堅持固定的位置。虛擬頭錄制系統(tǒng)合理地引進了環(huán)境音的效果。許多影片是經(jīng)過一個環(huán)境音道錄制的。具有數(shù)字信號處置器的準確的頭跟蹤系統(tǒng)的出現(xiàn)實現(xiàn)了真正的 3D聲音定位。最先商用的 3D聲音定位器是由 NASA Ames River Engineering Inc公司消費的，它是根據(jù) NASA Ames Re

37、search Center的需求而設(shè)計和提供的。VPL公司以Audiosphere命名注冊了稱為Convolvotron的 Crystal River的3D定位器。 .2.7.2 聲學硬件 CRECrystal River Engineering公司以其 Convolvotron、Beachtron、Acoustetron 及Alphatron產(chǎn)品提供三維聲音的專家級支持。 Convolvotron是一數(shù)字式有頻信號處置系統(tǒng)。 Beachtron可產(chǎn)生兩路獨立的虛擬聲源，刷新頻率為22 Hz， HRTF只提供每耳75系統(tǒng)。 Acoustetron為集成的三維音頻任務(wù)站，包括Convolvotr

38、on及Beachtron處置器。 Alphatron為較新產(chǎn)品。它采用了每耳256系統(tǒng)的HRTF。兩聲道同時任務(wù)時刷新頻率為44Hz，平均延時23ms。 .2.8 VR軟件工具集 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是一個將各種先進的硬件技術(shù)和軟件技術(shù)集合在一同的、極其復雜的系統(tǒng)。 虛擬現(xiàn)實工具集是根據(jù)現(xiàn)實需求而產(chǎn)生的，它們主要用于提供支持虛擬交互，動畫和物理仿真等的控制言語，同時，這些工具集通常都是與硬件無關(guān)的，也就是說，它們具有相當?shù)钠毡樾裕梢赃\用在不同的硬件配置環(huán)境中，從而為開發(fā)廣泛的虛擬現(xiàn)實運用系統(tǒng)提供了一致的軟件環(huán)境。 .2.8.1 World Tool KitWTK World Tool KitWTK是

39、由美國Sense8公司開發(fā)的虛擬環(huán)境運用工具軟件。從底層看，WTK是由幾百個C言語函數(shù)組成的軟件包。對用戶來說，WTK提供了一個完好的用于生成虛擬環(huán)境的運用開發(fā)工具。它可以不依賴于硬件環(huán)境而運轉(zhuǎn)在從pc機到SGI任務(wù)站的各種機器上，并且支持一系列虛擬環(huán)境的外圍設(shè)備。用戶可以利用WTK開發(fā)VR的運用系統(tǒng)，它們通常由主機、 WTK庫、C言語編譯庫、3D外型軟件包、圖像捕獲硬件軟件，以及諸如paint Box的位圖編輯軟件等部件組成。 .WTK的典型程序包含一個初始化階段和一個仿真階段。初始化包括建立交互跟蹤傳感器、標識物體、配置照明、初始化視點等；仿真循環(huán)可以執(zhí)行一次或多次，每次循環(huán)擔任完成與虛擬

40、現(xiàn)實一次交互。WTK仿真循環(huán)程序流程圖： .2.8.2 Minimal Reality ToolkitMR MR是由加拿大Alberta大學的Mark Green教授和他指點的研討小組開發(fā)的虛擬環(huán)境運用工具軟件。它可以免費從Alberta大學獲得，但不能用于商業(yè)目的。MR本質(zhì)上是一個支持虛擬環(huán)境開發(fā)的子程序庫，包括3個層次的庫函數(shù)。1底層包括一組設(shè)備支撐函數(shù)包，每一函數(shù)包支持一種設(shè)備，并稱為一個客戶效力器對。 .2MR的第二層是一組處置從設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為程序員方便運用的格式的庫函數(shù)。 3最高層的庫函數(shù)為程序員提供了一組打包的效力集，它們是基于普通虛擬環(huán)境系統(tǒng)要求的。用VR實現(xiàn)的運用中

41、，必需有獨一的一個主程序，用于控制整個運用系統(tǒng)并擔任其他運用程序運轉(zhuǎn)的初始化任務(wù)。 MR的運用程序可以分為運用配置式、運用計算式兩大類。 .運用配置部分用于初始化MR的工具庫，并根據(jù)用戶指定的配置要求處置相應的運用配置文件。運用計算部分用于完成MR運用系統(tǒng)指派給程序的義務(wù)。 MR支持各種外圍設(shè)備，包括Polhemus空間跟蹤器，VPL Data Glove，VPL Eye Phone和聲音合成設(shè)備等虛擬環(huán)境系統(tǒng)常用的設(shè)備。另外MR還可由SGI和DEC任務(wù)站上的C言語直接調(diào)用，并支持分布式用戶界面、數(shù)據(jù)共享、多種交互技術(shù)及實時性能分析等多項功能。 .2.8.3 Distributed Virtual