虛擬現(xiàn)實(shí)硬件1課件

1、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)“ 3 I ”圖 Immersion-Interaction-Imagination ImmersionImaginationInteraction桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)投影式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件用戶+硬件+虛擬環(huán)境交互性用戶 虛擬環(huán)境用戶信息反饋信息輸入輸出設(shè)備必要性：交互性VR基本特性特殊的人機(jī)接口與外部設(shè)備是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的必要手段商品化，不成熟原型終極目標(biāo)： 能滿足快速、自然的交互如 ：身體運(yùn)動(dòng)3-D位置跟蹤器；手勢傳感手套；視覺反饋立體顯示器；虛擬聲音3-D聲音生成器；觀察方向跟蹤球和操縱桿。 VR硬件的系統(tǒng)集成VR系統(tǒng)需要：一

2、個(gè)以計(jì)算機(jī)為核心、將多種I/O交互設(shè)備協(xié)調(diào)組合在一起的硬件平臺(tái)。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能：保障虛擬三維場景的實(shí)時(shí)計(jì)算和顯示，盡量減少延遲；協(xié)調(diào)各種I/O交互設(shè)備之間的工作，確保系統(tǒng)整體運(yùn)行的性能。PC機(jī)、工作站和超級(jí)計(jì)算機(jī)等VIEW系統(tǒng)組成 VR系統(tǒng)平臺(tái)VIEW（Virtual Interface Environment Workstation） VIEW:一組由計(jì)算機(jī)控制的I/O子系統(tǒng)提供虛擬環(huán)境所需的各種感覺通道的識(shí)別和控制功能HP公司的HP900835SGI的圖形計(jì)算機(jī)或HPSRX圖形系統(tǒng)圖形處理Plohemus空間跟蹤系統(tǒng)跟蹤手部位置LEEP廣角立體視景頭戴顯示器和單色液晶顯示器麥克風(fēng)語音識(shí)

3、別兩個(gè)耳機(jī)三維聲音跟蹤VPL數(shù)據(jù)手套識(shí)別使用者手勢控制系統(tǒng)的行為BOOM CRT顯示器及Fake Space遠(yuǎn)程攝像系統(tǒng)三維跟蹤傳感設(shè)備立體鼠標(biāo)傳感手套數(shù)據(jù)衣立體顯示器觸覺和力覺反饋裝置3-D聲音生成器典型輸入輸出裝置：跟蹤器的作用： 獲得移動(dòng)對象的位置和方向信息；應(yīng)用： 航行、導(dǎo)彈、CG藝術(shù)、交通、 GPS等VR： 高精度、快速、測量范圍小 1、三維位置跟蹤器跟蹤器：跟蹤身體 身體跟蹤：VR系統(tǒng)感知參與者位置和動(dòng)作；身體姿態(tài)與手勢；跟蹤頭部：頭的朝向，影響繪制場景手和手指：手提供了與世界交互的方法眼睛：眼睛的注視方向軀干：軀干的方向腳：確定漫游速度和方向其它身體部位：體溫、心率等間接跟蹤：使

4、用物理對象而不是身體部位來估計(jì)參與者的位置；跟蹤器跟蹤物體的移動(dòng)：3-D空間中移動(dòng)物體的參數(shù)：在移動(dòng)物體上捆綁一個(gè)笛卡爾坐標(biāo)系，則對象有：三個(gè)平移參數(shù)：沿X，Y，Z軸移動(dòng)；三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)：沿X，Y，Z軸旋轉(zhuǎn)，稱為“yaw”，“pitch”，“roll”；六個(gè)運(yùn)動(dòng)方向相互正交，構(gòu)成六個(gè)獨(dú)立變量：x，y，z，水平角，俯仰角，偏轉(zhuǎn)角，被稱為6自由度（Degree of Freedom，DOM）不良跟蹤器的后果不良跟蹤器即定位誤差較大的跟蹤器定位誤差：跟蹤對象出現(xiàn)在不該出現(xiàn)的位置上；體驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)相違背；定位誤差將給用戶造成一種類似于運(yùn)動(dòng)病的癥狀，如眩暈、暈船感、視覺混亂、身體乏力等；衡量跟蹤器性能的參數(shù)精

5、度抖動(dòng)偏差延遲更新率跟蹤器的性能參數(shù)精度跟蹤器的精度 指對象真實(shí)的三維位置與跟蹤器測量出的三維位置值之間的差值注意：差值 跟蹤器的精度 跟蹤器越精確精度的單位：毫米，度精度隨著與坐標(biāo)原點(diǎn)的距離的增加而降低精度與分辨率不同：一個(gè)是表征測得的位置與真實(shí)位置的差值，一個(gè)是可測得的被跟蹤對象的最小的三維位置變化跟蹤器的性能參數(shù)抖動(dòng)跟蹤器的抖動(dòng) 指當(dāng)被跟蹤對象固定不變時(shí)，跟蹤器輸出結(jié)果的變化。注意：理想情況下，抖動(dòng)應(yīng)該為零，測得的位置為固定值抖動(dòng)不是一個(gè)常數(shù)，受周圍環(huán)境的影響嚴(yán)重的抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致虛擬對象振動(dòng)和跳動(dòng)跟蹤器的性能參數(shù)偏差跟蹤器的偏差 指跟蹤器隨著時(shí)間的推移而積累的誤差。注意：偏差的根源在于跟蹤器

6、的不準(zhǔn)確性偏差與時(shí)間相關(guān)，時(shí)間越長，積累的偏差越大校正：使用另一個(gè)無偏差的跟蹤器周期性的對當(dāng)前的跟蹤器進(jìn)行零位調(diào)整。跟蹤器的性能參數(shù)延遲跟蹤器的延遲 指對象的位置或方向的變化與跟蹤器檢測到這種變化之間的時(shí)間差注意：延遲的原因在于：跟蹤器對移動(dòng)對象的運(yùn)動(dòng)總是滯后的。系統(tǒng)延遲測量延遲通信延遲繪制與顯示延遲導(dǎo)致HMD的運(yùn)動(dòng)與用戶看到的虛擬場景的運(yùn)動(dòng)之間有很大的時(shí)間遲滯對于使用者來說，一方面沉浸感降低，另一方面導(dǎo)致“仿真病”。降低延遲的方法：同步鎖相：讓跟蹤器和通信的周期與顯示的周期同步。使用高速通信線路提高跟蹤器的采樣率（更新率）跟蹤器的性能參數(shù)更新率跟蹤器的更新率 指跟蹤器每秒鐘報(bào)告的測量數(shù)據(jù)集的

7、次數(shù)3種常用跟蹤技術(shù)的主要性能指標(biāo)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10mm 0.5mm依空氣密度變化30ms45m3光學(xué)2mm 0.02mm1mm1ms48m3（可擴(kuò)展至14m3）三維位置跟蹤器類型機(jī)械跟蹤器電磁跟蹤器（交流、直流）超聲波跟蹤器光學(xué)跟蹤器混合慣性跟蹤器機(jī)械跟蹤器定義： 機(jī)械跟蹤器：一個(gè)串行或并行的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，由多個(gè)帶有傳感器的關(guān)節(jié)連接在一起的連桿構(gòu)成。Gypsy 動(dòng)作捕獲系統(tǒng)無線動(dòng)作捕獲系統(tǒng)范圍：在戶外的有效距離可以達(dá)到0.8公里，相當(dāng)于450個(gè)足球場的范圍；室內(nèi)的范圍為180米 沒有攝象頭-直接記錄人

8、體的身體動(dòng)作 操作非常簡單便攜 Gypsy特點(diǎn)：15個(gè)關(guān)節(jié)位置由42個(gè)單向?qū)щ娝芰暇茈娢挥洔y得精度0.08度，范圍18米，采樣頻率30使用了腳步微動(dòng)開關(guān)使用了陀螺儀機(jī)械跟蹤器的優(yōu)點(diǎn)簡單易用精度保持相對穩(wěn)定，基本取決于關(guān)節(jié)傳感器的分辨率相對于電磁跟蹤器，不受周圍環(huán)境中金屬物質(zhì)和磁場的影響相對于光學(xué)跟蹤器，不存在視覺阻擋問題機(jī)械跟蹤器的缺點(diǎn)工作范圍有限：機(jī)械臂有尺寸限制，過長則重量和慣性增加，機(jī)械振動(dòng)敏感性增加。自由度小跟重量有關(guān)的人機(jī)工程學(xué)問題三維位置跟蹤器類型機(jī)械跟蹤器電磁跟蹤器（交流、直流）超聲波跟蹤器光學(xué)跟蹤器混合慣性跟蹤器非接觸式跟蹤器的原理介質(zhì)：電磁、超聲波、紅外照相、LED、加速計(jì)

9、、陀螺儀。定義： 電磁跟蹤器：一種非接觸式的位置測量設(shè)備，由一個(gè)固定發(fā)射器產(chǎn)生電磁場，確定移動(dòng)接受單元的實(shí)時(shí)位置。電磁跟蹤器：發(fā)射器：發(fā)射磁場接收器：接受磁場，將信號(hào)送到控制部件控制部件：計(jì)算得出跟蹤目標(biāo)的數(shù)據(jù)優(yōu)點(diǎn)：不受視線阻擋的限制交流電磁跟蹤器基本原理：發(fā)射器：（三個(gè)相互垂直的線圈天線）依次產(chǎn)生三個(gè)正交交流磁場接收器（三個(gè)正交線圈）產(chǎn)生9個(gè)電壓值計(jì)算接收器相對于發(fā)射器的位置和方向。Polhemus跟蹤器Polhemus公司生產(chǎn)方位跟蹤器：Isotrak3Space跟蹤器FastrakVPL DataGlove：IsotrackIsoTrack特點(diǎn)：交流電磁式延遲：30ms采樣率：60抖動(dòng)：

10、1度，導(dǎo)致顫動(dòng)FASTRAK：非金屬上的快速動(dòng)作捕捉器，取樣頻率達(dá)每秒120次；適用于頭部跟蹤、手部跟蹤、儀器追蹤、生物機(jī)械分析、機(jī)械臂動(dòng)作捕捉等應(yīng)用VPL DataGlove：FastrackFastTrack特點(diǎn)：交流電磁式使用DSP體系結(jié)構(gòu)采樣率：120抖動(dòng)：0.1度工作范圍：0.75m, 30.75m可掛接多個(gè)接收器，采樣率隨之下降交流電磁跟蹤器的缺點(diǎn)強(qiáng)磁場環(huán)境：金屬物質(zhì)：交變磁場中會(huì)產(chǎn)生渦流，從而產(chǎn)生小磁場磁性物質(zhì)：本身具有磁場措施： 避免附近有強(qiáng)磁場、大塊金屬和磁性 物質(zhì)存在 。直流電磁跟蹤系統(tǒng)：減少畸變渦流的影響只在測量周期開始時(shí)產(chǎn)生渦流渦流衰減到零時(shí)系統(tǒng)會(huì)達(dá)到一種穩(wěn)定狀態(tài)直流電

11、跟蹤器基本原理：發(fā)射器（三個(gè)相互垂直的線圈天線）依次產(chǎn)生三個(gè)脈沖磁場接收器（三個(gè)磁力計(jì)或霍爾效應(yīng)傳感器）產(chǎn)生9個(gè)電壓值，計(jì)算接收器相對于發(fā)射器的位置和方向Ascension技術(shù)公司直流電磁跟蹤器：BirdFlock of BirdsERT（Big Bird）Ascension Bird跟蹤器發(fā)射器：發(fā)射一系列脈沖，控制發(fā)射場的開與關(guān)。特點(diǎn)：減小由金屬物體所感應(yīng)的畸變渦流場，渦流只在磁場發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生。Polhemus 3space發(fā)射器發(fā)射連續(xù)變化的磁場，連續(xù)不斷地產(chǎn)生渦流Bird發(fā)射器發(fā)射磁脈沖，只在測量周期開始時(shí)產(chǎn)生渦流。一旦磁場達(dá)到了穩(wěn)態(tài)，就不再產(chǎn)生渦流三維位置跟蹤器類型機(jī)械跟蹤器電磁跟

12、蹤器（交流、直流）超聲波跟蹤器光學(xué)跟蹤器混合慣性跟蹤器超聲波跟蹤器定義： 利用不同聲源的聲音到達(dá)某一特定地點(diǎn)的時(shí)間差、相位差及聲壓差，進(jìn)行定位與跟蹤。Piltdown三維羅盤六自由度的實(shí)時(shí)方向和位置跟蹤器第一個(gè)使用相位相干技術(shù)的商用跟蹤器。位置的跟蹤：使用超音速技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，不受外部磁場和鋼鐵材料的影響羅盤控制單元：控制羅盤操作，管理數(shù)據(jù)采集，位置計(jì)算。發(fā)射器系統(tǒng)：發(fā)射不同的頻率超音速信號(hào)。接收器系統(tǒng)：采集發(fā)射器系統(tǒng)發(fā)射的超音速信號(hào)，通過電纜把它們傳回控制單元?？刂茊卧和ㄟ^RS-232C接口與主機(jī)進(jìn)行通信。三維位置跟蹤器立體鼠標(biāo)傳感手套數(shù)據(jù)衣立體顯示器3-D聲音生成器觸覺和力覺反饋裝置2、立

13、體鼠標(biāo)普通鼠標(biāo):平面運(yùn)動(dòng)立體鼠標(biāo)：六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)Space mouse，如3Space公司的SpaceBallcubic mouseSpaceBall50003Dconnexion公司的Space mouse 三維鼠標(biāo)三維位置跟蹤器立體鼠標(biāo)傳感手套數(shù)據(jù)衣立體顯示器3-D聲音生成器觸覺和力覺反饋裝置VR強(qiáng)調(diào)以自然方式進(jìn)行交互手勢把手勢用于人機(jī)交互：賦予手勢確切的交互操作的含義帶傳感器的手套，能把手指和手掌伸屈時(shí)的各種姿態(tài)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送給計(jì)算機(jī)；3、傳感手套傳感手套要配備位置跟蹤器以檢測手的實(shí)際位置和方位；傳感手套：數(shù)據(jù)手套、賽伯手套、威力手套、手控制器、說話手套 最早的傳感手套（VPL）把人

14、手的動(dòng)作轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)的輸入信號(hào)；構(gòu)成：很輕的彈性材料構(gòu)成。彈性材料緊貼在手上，同時(shí)附許多位置、方向傳感器和光纖導(dǎo)線，以檢測手的運(yùn)動(dòng)。光纖：測量手指的彎曲、伸展，通過光電轉(zhuǎn)換，手指的動(dòng)作信息被計(jì)算機(jī)識(shí)別。 DataGlove光導(dǎo)纖維傳感器：監(jiān)視手指彎曲和伸展位置方向跟蹤系統(tǒng)：監(jiān)視手的位置和方向微處理器：監(jiān)控通過光導(dǎo)纖維的光量及由空間跟蹤器返回的信息，對數(shù)據(jù)分析后傳遞給主機(jī)。工作原理：光導(dǎo)纖維：測量手指角度。當(dāng)光導(dǎo)纖維彎曲時(shí)，傳輸?shù)墓鈱?huì)有損失，傳輸?shù)墓饬颗c其彎曲程度有關(guān)。手指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)，纖維彎曲導(dǎo)致光的散失。高精度傳感器系統(tǒng)，準(zhǔn)確跟蹤人手的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)外輪廓附著在手的背面，監(jiān)視手的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程每一個(gè)

15、手指關(guān)節(jié)上附著一個(gè)Hall Effect傳感器，測量手指三個(gè)彎曲動(dòng)作及手指間的動(dòng)作。測量20個(gè)關(guān)節(jié)的角度，并將數(shù)據(jù)送給主機(jī)。 EXOS的精巧手控設(shè)備EXOS精巧手控設(shè)備為家庭視頻游戲市場專門設(shè)計(jì)的，性能比其他同類產(chǎn)品低得多，但價(jià)格較為便宜使用基于有一恒定彈力的塑料的張力測量儀。一個(gè)單獨(dú)的傳感器一次測量所有關(guān)節(jié)，不能檢測某一特殊的關(guān)節(jié)。PowerGloveVirtex公司的一種新高精度關(guān)節(jié)傳感技術(shù)，被廣泛用來創(chuàng)建、終止、定位三維物體。有22個(gè)傳感器，每個(gè)手指三個(gè)彎曲傳感器和一個(gè)外展肌傳感器。拇指與小手指由一傳感器相連，手腕處有一傳感器。一個(gè)高精度設(shè)備，能提供準(zhǔn)確而連續(xù)的輸出。 CyberGlov

16、e傳感手套Data GloveCyberGloveCyberGrasp三維位置跟蹤器傳感手套立體鼠標(biāo)數(shù)據(jù)衣立體顯示器3-D聲音生成器觸覺和力覺反饋裝置識(shí)別全身運(yùn)動(dòng)對人體大約50多個(gè)不同的關(guān)節(jié)進(jìn)行測量，包括膝蓋、手臂、軀干和腳。通過光電轉(zhuǎn)換，身體的運(yùn)動(dòng)信息被計(jì)算機(jī)識(shí)別。光纖系統(tǒng):大量光纖裝在一個(gè)緊身衣服上，能測量肢體的位置，用計(jì)算機(jī)重建出圖象。4、數(shù)據(jù)衣問題?人外形變化太大需要使用多個(gè)空間跟蹤器：檢測肢體伸展?fàn)顩r檢測肢體的空間位置及方向多個(gè)跟蹤器提高計(jì)算速度，達(dá)到實(shí)時(shí)性更加困難。三維位置跟蹤器傳感手套立體鼠標(biāo)數(shù)據(jù)衣立體顯示設(shè)備3-D聲音生成器觸覺和力覺反饋裝置5、立體顯示設(shè)備立體顯示原理常用立體

17、顯示裝置HMDBOOM立體眼鏡立體投影顯示3D顯示器立體視覺：人眼感覺到空間立體感的主要原因；兩只眼睛之間存在一定的距離。看物體時(shí)，兩只眼睛從不同的角度來看，看到的畫面是不完全一樣的，中間存在一定的差別（雙眼立體視覺），這個(gè)差別稱為“視差”。大腦根據(jù)視差，產(chǎn)生物體遠(yuǎn)近位置的信息這種信息的直觀表現(xiàn)即立體感。 （1）立體顯示原理如果能夠左右兩只眼睛從顯示器屏幕上看到兩副具有視差的有區(qū)別的畫面，反映到大腦，就會(huì)產(chǎn)生立體感。立體顯示設(shè)備就是為了實(shí)現(xiàn)這樣的一個(gè)過程。首先，產(chǎn)生兩副具有視差的畫面真實(shí)場景：用兩架照相機(jī)相距一定的距離同時(shí)拍攝即可得到具有視差的兩副畫面；3D游戲：通過計(jì)算來得到具有視差的兩副畫

18、面。然后：在顯示器上顯示出來最后：讓左眼只看到左眼的畫面，右眼只看到右眼的畫面立體圖的繪制對同一場景用左右兩個(gè)視點(diǎn)分別計(jì)算其透視圖，產(chǎn)生兩幅具有一定視差的圖象；在虛擬環(huán)境中，用戶的視場在水平方向至少要有110度，垂直方向60度，還要有不小于30度的雙目立體重疊立體圖象的顯示：1、同時(shí)顯示左右兩幅圖象 稱為同時(shí)顯示技術(shù)（time-parallel），是對兩幅圖象用不同的光波長顯示，用戶的眼睛片分別配以相應(yīng)的濾波片，使雙眼只能看到相應(yīng)的圖象； 此技術(shù)在20世紀(jì)50年代被廣泛應(yīng)用于立體電影放映中； 立體圖象的顯示：2、以一定的頻率交替顯示兩幅圖象 稱為分時(shí)顯示技術(shù)（time-multiplexed）

19、，兩幅圖象的交替頻率通常為30Hz；同時(shí)為了保證每只眼睛只能看到各自相應(yīng)的圖象，用戶通過以相同頻率同步切換的立體眼鏡來觀察圖象；應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和可視化領(lǐng)域中使用光柵顯示器，光柵顯示器的顯示方式和顯示內(nèi)容是無關(guān)的；分時(shí)顯示技術(shù)能夠容易地通過光柵顯示技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，所以在立體圖的顯示中占據(jù)了主導(dǎo)地位。（2）常用立體顯示器立體眼鏡HMDBOOM立體投影顯示3D顯示器立體眼鏡：保證用戶左右眼只能看到對應(yīng)的左右視圖；包括：主動(dòng)立體眼鏡（有源立體眼鏡） 被動(dòng)立體眼鏡（無源立體眼睛）立體眼鏡立體眼鏡主動(dòng)（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；立體監(jiān)視器配有紅外線發(fā)射器，根據(jù)監(jiān)視器顯示左右眼視

20、圖的頻率發(fā)射紅外控制信號(hào)；眼鏡的液晶調(diào)制器接收紅外控制信號(hào)眼鏡接到紅外控制信號(hào)后，調(diào)制鏡片上液晶的通斷狀態(tài)，即控制左右鏡片的透明和不透明狀態(tài)；如監(jiān)視器顯示左眼視圖，發(fā)射紅外信號(hào)使右眼鏡片處于不透明狀態(tài)，左眼處于透明狀態(tài)，這樣輪流切換；圖象效果好，但價(jià)格昂貴；被動(dòng)（無源）立體眼鏡根據(jù)光的偏震原理設(shè)計(jì)，左右鏡片是兩片正交的偏震濾光片，分別只允許一個(gè)方向的偏震光通過監(jiān)視器顯示屏前裝一同樣大小的液晶立體調(diào)制器顯示器的左右眼視圖經(jīng)液晶立體調(diào)制器形成左偏震光和右偏震光，分別透過左右鏡片，使左眼只能看到左視圖，右眼只能看到右視圖；無源立體眼鏡價(jià)格低廉，無須紅外發(fā)射器； 頭盔式立體顯示器（HMD）頭盔式立體顯

21、示器是VR普遍采用的立體顯示器是安裝在頭盔上的顯示裝置，頭盔顯示器戴在頭部，用機(jī)械方法固定，頭盔顯示器與頭之間不能有相對運(yùn)動(dòng)；頭盔式立體顯示器（HMD）頭盔上裝有位置跟蹤器，可實(shí)時(shí)測出頭部的位置和朝向，并輸入計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)根據(jù)這些數(shù)據(jù)生成反映當(dāng)前位置和朝向的場景圖象并顯示在頭盔顯示器的屏幕上；用戶只能看到計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界，看不到其所處的現(xiàn)實(shí)世界，從而獲得沉浸感；頭盔顯示器的顯示屏不透明，距離人眼很近，需用專用的光學(xué)系統(tǒng)（LEEP系統(tǒng)）使人眼能聚焦在如此近的距離又不易疲勞；三維空間傳感器HMD基于LCD的頭盔式顯示器優(yōu)點(diǎn)：便宜缺點(diǎn)：LCD分辨率有限Eyephone頭盔式顯示器 使用單色的便攜

22、LCD電視顯示器，分辨率很低，顯示器是單色的。LX型Eyephone 圖象由寬角FMT光學(xué)器件顯示。使用了Fresnel透鏡，比最初的LEEP視覺系統(tǒng)輕。VPL HRX型Eyephone是基于LX型Eyephone的彩色立體顯示系統(tǒng)。使用的LCD大約有350000個(gè)彩色象素，能夠顯示較高分辨率的圖象Virtual Research的飛行頭盔 低分辨率，使用寬角度LEEP系統(tǒng)。頭盔形式和舒適程度方面設(shè)計(jì)很好，整體舒適程度比其他大多數(shù)基于LCD的頭盔式顯示器要好，重量相對要輕，容易保持平衡。 基于CRT的頭盔式顯示器優(yōu)點(diǎn)：低成本小規(guī)格高分辨率帶有光導(dǎo)纖維的頭盔式顯示器 CRT設(shè)備比LCD有較高的分

23、辨率，但很笨重。因?yàn)殡娮邮睆健Ⅻc(diǎn)的聚焦和磷光體顆粒大小等原因影響CRT的分辨率。解決方法：使用一個(gè)大屏幕、高分辨率的CRT作為圖象源，把它的圖象連接到頭盔式顯示器上光導(dǎo)纖維用來把CRT的圖象傳送給頭盔上的視覺系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：能使用非常高分辨率的顯示源，卻不給頭部帶來重量上的難題。BOOMLCD和CRT的HMD都會(huì)受到頭部跟蹤延遲的影響；延遲太大，使用戶產(chǎn)生不適感需要有快速跟蹤機(jī)制和快速圖形繪制NASA的研究與VIEW項(xiàng)目結(jié)合產(chǎn)生了“基于平衡CRT的立體觀察器CCSV”，它使用一個(gè)機(jī)械臂支撐CRTCCSV的概念由Fakespace公司發(fā)展為“BOOM”（Binocular Omni-Orienta

24、tional Monitor，雙目全方位監(jiān)視器）半投入式視覺顯示設(shè)備。類似于一對雙目望遠(yuǎn)鏡，把兩個(gè)獨(dú)立的CRT顯示器捆綁在一起，用戶用手操縱顯示器的位置，觀察一個(gè)可移動(dòng)的、寬視角的虛擬空間立體投影顯示基于空間投影的顯示技術(shù)CAVE洞穴式立體顯示裝置90年代初由美國Illinois大學(xué)EVL實(shí)驗(yàn)室為克服HMD存在的問題而研制的一個(gè)10X10X9英尺大小的房間；每一面墻與地板均由大屏幕背投影機(jī)投上1024X768分辨率的立體圖像；用戶戴上立體眼鏡能從空間中任意方向看到立體圖像；CAVE系統(tǒng)中配有三維立體聲系統(tǒng)；CAVE系統(tǒng)的關(guān)鍵是計(jì)算投影和形成立體圖形，投影面相當(dāng)于墻面；特點(diǎn)：讓幾個(gè)用戶同時(shí)沉浸在

25、同一個(gè)虛擬世界中進(jìn)行協(xié)同工作；3D顯示器讓畫面充滿在整個(gè)空間； MIT媒體實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了一種被稱為邊光顯示器的新型三維顯示器，不需用戶戴上專門的眼鏡也能觀察到立體的圖像。把光源從顯示器的下面向上發(fā)射，通過顯示器內(nèi)部的發(fā)射與折射，使用戶能看到立體的圖像。優(yōu)點(diǎn)：對顯示器周圍的環(huán)境沒有任何嚴(yán)格的要求。3D顯示器經(jīng)過兩部分的處理。軟件處理，把圖像處理成需要的格式，比如左右眼交叉的柵狀圖。硬件手段：比如條狀透鏡組將左右眼畫面分別折射到各自的區(qū)域，觀看者站在一些特定的位置上，左眼處于左眼圖像區(qū)只能看到左眼圖像，右眼只能看到右眼圖像。由于技術(shù)上原因，目前的3D顯示器基本都是基于LCD液晶或者PDP等離子顯示器

26、的。Autostereoscopic：3D顯示裝置產(chǎn)生左右兩副有視差的圖像，顯示出來，左眼看到左眼圖像，右眼看到右眼圖像以前的3D顯示設(shè)備要使用一個(gè)設(shè)備（液晶眼鏡、紅藍(lán)眼鏡等）來分離左右眼畫面，現(xiàn)在的3D顯示器則無需這樣的設(shè)備，所以稱為autostereoscopic或者glassless不需佩戴3D眼鏡可以直接看 代表性的3D顯示器：德國4D-Vision公司的4D-Vision技術(shù)DTI的視差照明技術(shù)Parallax Illumination）利浦的多重視點(diǎn)技術(shù)（Multiview 3D-LCD）德累斯頓大學(xué)的D4D技術(shù)4D-Vision最吸引人的產(chǎn)品就是4D50將3D技術(shù)應(yīng)用于50英寸大

27、屏幕等離子顯示器，造就一款極具震撼力的產(chǎn)品。DTI的視差照明技術(shù)Parallax IlluminationDTI的2015XLS顯示器照片 原理：左右眼圖像在一副畫面上顯示將每副畫面分割成一列一列，左右眼列交叉，形成一副特殊的畫面，其中奇數(shù)列為左眼畫面，偶數(shù)列為右眼畫面最終立體畫面的分辨率只有顯示器分辨率的一半。假設(shè)顯示器的分辨率為1024x768，那么眼睛所看到的畫面的分辨率為512x768。 飛利浦的多重視點(diǎn)Multiview 3D-LCD 飛利浦在3D顯示器方面，采用了多重視點(diǎn)的技術(shù)。原理：把多視點(diǎn)圖像進(jìn)行分解，按像素劃分成豎列然后把豎列交叉排列拼成一副圖像Dresden 3D Disp

28、lay（D4D）德累斯頓技術(shù)大學(xué) D4Dc_181照片增加軌跡探測系統(tǒng)，跟蹤腦袋的位置，實(shí)時(shí)調(diào)整顯示器左右畫面反射角度，達(dá)到很好的觀看效果，不受位置限制。不能用于多人觀看 未來立體顯示器展望 360度顯示器照片 目前的3D顯示器，屬于單視點(diǎn)的立體顯示裝置，重現(xiàn)的是在某一點(diǎn)的立體視覺效果，想看到物體側(cè)面或后面是不可能的。將來的立體顯示器將是多視點(diǎn)的類似全息技術(shù)的效果，可通過改變視點(diǎn)看場景或物體的其它面。三維位置跟蹤器傳感手套立體鼠標(biāo)數(shù)據(jù)衣顯示設(shè)備3-D聲音生成器觸覺反饋6、3-D聲音生成器3-D聲音不是立體聲，是指由計(jì)算機(jī)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；3-D聲音生成器是利用

29、人類定位聲音的特點(diǎn)生成出3-D聲音的一套軟硬件系統(tǒng)；三維位置跟蹤器傳感手套立體鼠標(biāo)數(shù)據(jù)衣顯示設(shè)備3-D聲音生成器觸覺反饋VR產(chǎn)生“沉浸”效果的關(guān)鍵因素之一是用戶能否用手或身體的其他部分去操作虛擬物體，并在操作的同時(shí)能夠感覺到虛擬物體的反作用力。沒有力覺反饋?zhàn)饔玫南到y(tǒng)至少有兩個(gè)缺點(diǎn)：首先是缺乏真實(shí)感；其次是給視覺計(jì)算帶來麻煩7、觸覺反饋觸覺反饋接觸反饋力反饋觸覺反饋的分類Note：只討論與手和手腕有關(guān)的觸覺反饋接觸反饋： 接觸反饋傳送接觸表面的幾何結(jié)構(gòu)、虛擬對象的表面硬度、滑動(dòng)和溫度等實(shí)時(shí)信息。它不會(huì)主動(dòng)抵抗用戶的觸摸運(yùn)動(dòng)，不能阻止用戶穿過虛擬表面力反饋： 力反饋提供虛擬對象表面柔順性、對象的重

30、量和慣性等實(shí)時(shí)信息。它主動(dòng)抵抗用戶的觸摸運(yùn)動(dòng)，并能阻止該運(yùn)動(dòng)。觸覺反饋接口的要求：真實(shí)性安全性輕便舒適性折中性人類觸覺系統(tǒng)感知類型1、觸覺感知： 2、溫度感知：溫度傳感器：位于表皮層（冷敏），位于真皮層（熱感），空間分別率小傷害感受器：對超出 負(fù)15度45度的溫度敏感，并引發(fā)疼痛3、本體感知： 即人對自己身體位置和運(yùn)動(dòng)的感知。神經(jīng)系統(tǒng)、觸覺傳感器共同作用的結(jié)構(gòu)。4、肌肉運(yùn)動(dòng)感知：人所感知的肌肉的收縮與伸展。是對本體感受的補(bǔ)充。肌肉疲勞感知，影響對力的判斷觸覺反饋接口觸覺反饋接口接觸反饋接口力反饋接口觸覺鼠標(biāo)觸覺手套 （CyberTouch）溫度反饋手套 觸覺鼠標(biāo)iFeeliFeel工作原理：

31、在普通鼠標(biāo)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)電子激勵(lì)器，其中的質(zhì)量塊隨著磁場的變化上下運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生振動(dòng)，使得手得到振動(dòng)觸覺的回饋。iFeel特點(diǎn)：使用電子激勵(lì)器，振動(dòng)式振動(dòng)幅度和頻率可調(diào)，可以感知觸覺紋理（窗口邊緣、菜單、超鏈接、不同粗糙程度的地面布料等）光電式USB接口售價(jià)：40美元觸覺手套CyberTuchCyberTuch工作原理： CyberTuch特點(diǎn)：使用6個(gè)振動(dòng)激勵(lì)器（直流、離心質(zhì)體）帶手勢接口傳感器可產(chǎn)復(fù)雜的觸覺反饋模式用戶大的運(yùn)動(dòng)自由度RS232接口售價(jià)：15000美元溫度反饋手套溫度反饋手套的作用： 幫助用戶確定虛擬物體表面的熱量特性（溫度高低），幫助用戶確定虛擬物體的材質(zhì)（如高導(dǎo)熱性

32、的金屬和低導(dǎo)熱性的木頭等），從而提高虛擬環(huán)境的真實(shí)感 溫度反饋手套中對熱量激勵(lì)器的要求： 能進(jìn)行較快的溫度變化。（熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射） 小巧輕便干凈快捷，以保持溫度變化的快速溫度安全觸覺反饋接口觸覺反饋接口接觸反饋接口力反饋接口觸覺鼠標(biāo)觸覺手套（CyberTouch）溫度反饋手套力反饋接口力反饋接口的特點(diǎn)：能提供真實(shí)的力來阻止用戶的運(yùn)動(dòng)，使用戶感到力的存在需要更大的激勵(lì)器和更重的結(jié)構(gòu)，更昂貴和復(fù)雜需牢固地固定，以防滑動(dòng)和事故一個(gè)重要特性是機(jī)械帶寬機(jī)械帶寬： 力反饋接口的機(jī)械帶寬表示用戶（通過手指附件、手柄和萬向接頭等）感覺到力的頻率和轉(zhuǎn)矩的刷新率（HZ）力反饋接口力反饋操縱桿（Joysti

33、ck）PhanTom臂Haptic Master臂CyberGrasp手套CyberForce力反饋操縱桿特點(diǎn)：簡單、便宜三自由度、兩個(gè)自由度上有力反饋按鈕有反饋直流電子激勵(lì)器產(chǎn)生中等大小的力有較大的機(jī)械帶寬典型設(shè)備Logitech 的 WingMan Force 3D操縱桿的力反饋系統(tǒng)力反饋接口力反饋操縱桿PhanTom臂Haptic Master臂CyberGrasp手套CyberForcePhanTom特點(diǎn)小型桌面，鐵筆末端，直觀六自由度，三個(gè)活躍自由度提供反饋三個(gè)力反饋激勵(lì)器位置解碼器，跟蹤位置能提供比較真實(shí)的碰撞反饋，特別是與堅(jiān)硬物體的碰撞機(jī)械帶寬比較小接口：并行接口反饋力比較?。撼?/p>

34、續(xù)力1.7N, 峰值6.4N。價(jià)格：16000美元力反饋接口力反饋操縱桿PhanTom臂Haptic Master臂CyberGrasp手套CyberForceHapitic Master臂特點(diǎn)較大型的柱狀機(jī)器人，更大的工作范圍三自由度：旋轉(zhuǎn)、上下移動(dòng)、前后移動(dòng)主要用途：VR輔助康復(fù)醫(yī)療等較大的力反饋：250N機(jī)械帶寬較小慣性較大價(jià)格：34000美元力反饋接口力反饋操縱桿PhanTom臂Haptic Master臂CyberGrasp手套CyberForceCyberGrasp特點(diǎn)手腕三維跟蹤器靈活的手勢、運(yùn)動(dòng)空間激勵(lì)器通過機(jī)械放大裝置傳送到手指，力是單向的FCU（力控制單元）：位置信息、手勢

35、信息、力、以太網(wǎng)通信較大的力反饋：16N價(jià)格：39000美元力反饋接口力反饋操縱桿PhanTom臂Haptic Master臂CyberGrasp手套CyberForceCyberForce特點(diǎn)CyberGrasp的附屬品模擬對象的重量和慣性無跟蹤器三自由度，無扭矩適中的力反饋：8.8N工作范圍有限：0.3m0.3m0.5m價(jià)格：56000美元(加CyberGrasp)VR系統(tǒng)中人的因素VR系統(tǒng)組成： 計(jì)算機(jī)，接口和用戶。 接口設(shè)計(jì)必須考慮人的因素，人的因素與VR系統(tǒng)性能直接相關(guān)。VR系統(tǒng)中人的因素眼睛耳朵身體感覺平衡和運(yùn)動(dòng)眩暈眼睛調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)作用保證某個(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)注視場中部分區(qū)域。在HMD中沒有調(diào)節(jié)，2個(gè)圖象聚焦在2到3米距離。眼睛視覺暫留 視覺暫留是視網(wǎng)膜的電化學(xué)現(xiàn)象造成視覺的反應(yīng)時(shí)間。當(dāng)觀看很短的光脈沖時(shí)，視桿細(xì)胞得到約0.25s 的峰，視錐細(xì)胞快4倍(0.04s)。這種現(xiàn)象造成視覺暫留。是電影、電視、VR顯示的基