虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概論和設(shè)備

1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概論和設(shè)備第2章 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概論2.1跟蹤定位設(shè)備2.2立體顯示設(shè)備2.3手部數(shù)據(jù)交互設(shè)備2.4虛擬聲音輸出設(shè)備2.5其他交互設(shè)備2.6虛擬現(xiàn)實(shí)硬件系統(tǒng)的集成2.1 跟蹤定位設(shè)備 典型的工作方式是：由固定發(fā)射器發(fā)射出信號(hào)，該信號(hào)將被附在用戶頭部或身上的機(jī)動(dòng)傳感器截獲，傳感器接收到這些信號(hào)后進(jìn)行解碼并送入計(jì)算部件處理，最后確定發(fā)射器與接收器之間的相對(duì)位置及方位，數(shù)據(jù)隨后傳輸?shù)綍r(shí)間運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)而傳給三維圖形環(huán)境處理系統(tǒng)。2.1 跟蹤定位設(shè)備2.1.1 電磁波跟蹤器2.1.2 超聲波跟蹤器2.1.3 光學(xué)跟蹤器2.1.4 其他類型跟蹤器2.1.5 跟蹤傳感設(shè)備的性能比較2.1 跟蹤定位設(shè)

2、備2.1.1 電磁波跟蹤器 電磁波跟蹤器是一種較為常見(jiàn)的空間跟蹤定位器，一般由一個(gè)控制部件，幾個(gè)發(fā)射器和幾個(gè)接收器組成。2.1 跟蹤定位設(shè)備2.1.1 電磁波跟蹤器優(yōu)點(diǎn)是其敏感性不依賴于跟蹤方位，基本不受視線阻擋的限制，體積小、價(jià)格便宜，因此對(duì)于手部的跟蹤大都采用此類跟蹤器。缺點(diǎn)是其延遲較長(zhǎng)，跟蹤范圍小，且容易受環(huán)境中大的金屬物體或其他磁場(chǎng)的影響，從而導(dǎo)致信號(hào)發(fā)生畸變，跟蹤精度降低。2.1 跟蹤定位設(shè)備2.1.2 超聲波跟蹤器 超聲波跟蹤器是聲學(xué)跟蹤技術(shù)最常用的一種，其工作原理是發(fā)射器發(fā)出高頻超聲波脈沖（頻率20KHz以上），由接收器計(jì)算收到信號(hào)的時(shí)間差、相位差或聲壓差等，即可確定跟蹤對(duì)象的距

3、離和方位。2.1 跟蹤定位設(shè)備2.1.2 超聲波跟蹤器按測(cè)量方法的不同，超聲波跟蹤定位技術(shù)可分為：飛行時(shí)間（Time Of Flight，TOF）測(cè)量法 同時(shí)使用多個(gè)發(fā)射器和接收器，通過(guò)測(cè)量超聲波從發(fā)出到反射回來(lái)的飛行時(shí)間計(jì)算出準(zhǔn)確的位置和方向。相位相干（Phase Coherent，PC）測(cè)量法 通過(guò)比較基準(zhǔn)信號(hào)和發(fā)射出去后發(fā)射回來(lái)的信號(hào)之間的相位差來(lái)確定距離。2.1 跟蹤定位設(shè)備2.1.3 光學(xué)跟蹤器 光學(xué)跟蹤器可以使用多種感光設(shè)備，從普通攝像機(jī)到光敏二極管都有。光源也是多種多樣的，如自然光、激光或紅外線等，但為避免干擾用戶的觀察視線，目前多采用紅外線方式。2.1 跟蹤定位設(shè)備2.1.3

4、光學(xué)跟蹤器光學(xué)跟蹤器使用的主要三種技術(shù)：標(biāo)志系統(tǒng) 通常是利用傳感器（如照相機(jī)或攝像機(jī)）監(jiān)測(cè)發(fā)射器（如紅外線發(fā)光二極管）的位置進(jìn)行追蹤。模式識(shí)別系統(tǒng) 把發(fā)光器件按某一陣列排列，并將其固定在被跟蹤對(duì)象身上，由攝像機(jī)記錄運(yùn)動(dòng)陣列模式的變化，通過(guò)與已知的樣本模式進(jìn)行比較從而確定物體的位置。激光測(cè)距系統(tǒng) 將激光通過(guò)衍射光柵發(fā)射到被測(cè)對(duì)象，然后接收經(jīng)物體表面反射的二維衍射圖的傳感器記錄。 2.1 跟蹤定位設(shè)備2.1.3 光學(xué)跟蹤器 光學(xué)跟蹤器雖然受視線阻擋的限制且工作范圍較小，但其數(shù)據(jù)處理速度、響應(yīng)性都非常好，因而較適用于頭部活動(dòng)范圍相當(dāng)受限而要求具有較高刷新率和精確率的實(shí)時(shí)應(yīng)用。2.1.3 光學(xué)跟蹤器2

5、.1 跟蹤定位設(shè)備2.1.4 其他類型跟蹤器1、機(jī)械跟蹤器 通常把參考點(diǎn)和跟蹤對(duì)象直接通過(guò)連桿裝置相連，采用剛體框架，一方面可以支撐觀察設(shè)備，另一方面可以測(cè)量跟蹤對(duì)象的位置和方位。2、慣性跟蹤器 慣性跟蹤器也是采用機(jī)械方法，其原理是利用小型陀螺儀測(cè)量跟蹤對(duì)象在其傾角、偏角和轉(zhuǎn)角方面的數(shù)據(jù)。3、圖像提取跟蹤器 一般是由一組攝像機(jī)拍攝人及其動(dòng)作，然后通過(guò)圖像處理技術(shù)的運(yùn)算和分析來(lái)確定人的位置及動(dòng)作。2.1 跟蹤定位設(shè)備2.1.5 跟蹤傳感設(shè)備的性能比較跟蹤定位器的性能指標(biāo)主要包括：精度：指檢測(cè)目標(biāo)位置的正確性，即誤差范圍。分辨率：指跟蹤定位器所能檢測(cè)到的最小變化范圍，小于此值將檢測(cè)不到。響應(yīng)時(shí)間：

6、包括采樣率、數(shù)據(jù)率、更新率和延遲時(shí)間等4個(gè)指標(biāo)?？垢蓴_性：指跟蹤定位器在相對(duì)惡劣的條件下避免出錯(cuò)的能力。2.1 跟蹤定位設(shè)備2.1.5 跟蹤傳感設(shè)備的性能比較跟蹤器類型精 度分 辨 率響 應(yīng) 時(shí) 間跟 蹤 范 圍電 磁 波3mm0.1mm1mm0.03mm50 ms半徑1.6m的半球形超 聲 波依空氣密度變化10mm0.5mm30 ms45m3光 學(xué)1 mm2mm0.02mm 1 ms48m3（可擴(kuò)展至14m3） 3種常用跟蹤技術(shù)的主要性能指標(biāo)對(duì)比2.2 立體顯示設(shè)備 人眼立體視覺(jué)效應(yīng)的原理 ：當(dāng)人在現(xiàn)實(shí)生活中觀察物體時(shí)，雙眼之間67cm的距離（瞳距）會(huì)使左、右眼分別產(chǎn)生一個(gè)略有差別的影像（即

7、雙眼視差），而大腦通過(guò)分析后會(huì)把這兩幅影像融合為一幅畫(huà)面，并由此獲得距離和深度的感覺(jué)。2.2 立體顯示設(shè)備2.2.1 固定式立體顯示設(shè)備2.2.2 頭盔顯示器2.2.3 手持式立體顯示設(shè)備2.2 立體顯示設(shè)備 2.2.1 固定式立體顯示設(shè)備1、臺(tái)式VR顯示設(shè)備 一般使用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)監(jiān)視器，配合雙目立體眼鏡組成。根據(jù)監(jiān)視器的數(shù)目不同，還可分為單屏式和多屏式兩類。 最簡(jiǎn)單也是最便宜的VR視覺(jué)顯示模式，但缺乏沉浸感。2.2 立體顯示設(shè)備 2.2.1 固定式立體顯示設(shè)備2、投影式VR顯示設(shè)備 一般可以通過(guò)并排放置多個(gè)顯示器創(chuàng)建大型顯示墻，或通過(guò)多臺(tái)投影儀以背投的形式投影在環(huán)幕上，各屏幕同時(shí)顯示從某一固定

8、觀察點(diǎn)看到的所有視像，由此提供一種全景式的環(huán)境。2.2 立體顯示設(shè)備 2.2.1 固定式立體顯示設(shè)備2、投影式VR顯示設(shè)備 （1）墻式投影顯示設(shè)備： 可采用平面、柱面、球面的屏幕形式。2.2 立體顯示設(shè)備 2.2.1 固定式立體顯示設(shè)備2、投影式VR顯示設(shè)備 （2）響應(yīng)工作臺(tái)式顯示設(shè)備（Responsive Work Bench，RWB）：一般由投影儀、反射鏡和 顯示屏（一種特制玻璃） 組成，投影儀將立體圖像 投射到反射鏡面上，再由 反射鏡將圖像反射到顯示 屏上。2.2 立體顯示設(shè)備 2.2.1 固定式立體顯示設(shè)備2、投影式VR顯示設(shè)備 （3）洞穴式投影顯示設(shè)備（CAVE）： CAVE就是由投

9、影顯示屏包圍而成的一個(gè)立體空間 （洞穴），分別有4面式、5面式或6面式CAVE系統(tǒng)。2.2 立體顯示設(shè)備 2.2.1 固定式立體顯示設(shè)備3、三維顯示器 指的是直接顯示虛擬三維影像的顯示設(shè)備，用戶不需佩戴立體眼鏡等裝置就可以看到立體影像。 三星公司的2233RZ三維顯示器 2.2 立體顯示設(shè)備 2.2.1 固定式立體顯示設(shè)備3、三維顯示器 三維顯示器的實(shí)現(xiàn)方法主要分為以下4種：（1）在普通的顯示屏前附著特殊的涂層和濾光器來(lái)替代立體眼鏡的作用。（2）利用投影機(jī)把同一物體的多幅不同二維影像閃投在顯示屏上，同時(shí)屏幕快速旋轉(zhuǎn)，觀看者大腦就會(huì)將不同畫(huà)面拼合而成似乎漂浮在空中的三維物體影像。2.2 立體顯示

10、設(shè)備 2.2.1 固定式立體顯示設(shè)備3、三維顯示器三維顯示器的實(shí)現(xiàn)方法主要分為以下4種：（3）顯示器由幾十個(gè)超薄屏幕疊制而成，每個(gè)屏幕快速依次閃現(xiàn)出同一圖像，由此流暢的組成完整的三維影像。（4）利用全息圖像技術(shù)實(shí)現(xiàn) 真正的三維顯示，它是 在真實(shí)空間內(nèi)創(chuàng)造出一 個(gè)完整的立體影像。2.2 立體顯示設(shè)備 2.2.2 頭盔顯示器（Head- Mounted Display，HMD） HMD通常被固定在用戶的頭部，隨著頭部的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，并裝有位置跟蹤器，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)出頭部的位置和朝向，并輸入到計(jì)算機(jī)中。 2.2 立體顯示設(shè)備 2.2.2 頭盔顯示器HMD HMD通常被固定在用戶的頭部，隨著頭部的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)

11、，并裝有位置跟蹤器，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)出頭部的位置和朝向，并輸入到計(jì)算機(jī)中。 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(chǎng)景圖像，進(jìn)而由兩個(gè)LCD或CRT顯示屏分別向兩只眼睛提供圖像。 2.2 立體顯示設(shè)備 2.2.2 頭盔顯示器HMD雙眼局部重疊的頭盔顯示器光學(xué)模型 2.2 立體顯示設(shè)備2.2.2 頭盔顯示器HMD衡量頭盔顯示器性能的指標(biāo)包括以下各方面：1、逼真的立體視覺(jué)（雙眼視覺(jué)）2、分辨率3、視場(chǎng)（Fireld Of View，F(xiàn)OV）4、透射率5、重疊率6、重量7、人的因素2.2 立體顯示設(shè)備2.2.2 頭盔顯示器HMD公 司 / 型 號(hào)分 辨 率視 場(chǎng)重 量市場(chǎng)參考價(jià)Virtual Rese

12、arch Systems / VR12801280102460約0.8KG17萬(wàn)元Rockwell Collins /ProView SR801280102480約0.8KG16萬(wàn)元eMagin /Z800 3Dvisor80060040約0.225KG15萬(wàn)元2.2 立體顯示設(shè)備2.2.3 手持式立體顯示設(shè)備 手持式VR立體顯示器屏幕很小，它利用某種跟蹤定位器和圖像傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)立體圖像的顯示和交互作用，可以將額外的數(shù)據(jù)增加到真實(shí)世界的視圖中，用戶可以選擇觀看這些信息，也可以忽略它們而直接觀察真實(shí)世界，一般適用于增強(qiáng)式VR系統(tǒng)中。2.3 手部數(shù)據(jù)交互設(shè)備2.3.1 數(shù)據(jù)手套2.3.2 空間球2

13、.3.3 三維浮動(dòng)鼠標(biāo)器2.3 手部數(shù)據(jù)交互設(shè)備 2.3.1 數(shù)據(jù)手套（Data Glove） 數(shù)據(jù)手套是一種戴在用戶手上的傳感裝置，用于檢測(cè)用戶手部活動(dòng)的設(shè)備，并向計(jì)算機(jī)發(fā)送相應(yīng)電信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)虛擬手模擬真實(shí)手的動(dòng)作。 如圖所示為戴上VPL數(shù)據(jù)手套的人手與屏幕顯示的虛擬手。機(jī)械式電阻式光纖式2.3 手部數(shù)據(jù)交互設(shè)備 2.3.2 空間球（Space Ball） 空間球是一種可以提供6自由度的桌面設(shè)備，它被安裝在一個(gè)小型的固定平臺(tái)上，可以扭轉(zhuǎn)、擠壓、按下、拉出和來(lái)回?fù)u擺。2.3 手部數(shù)據(jù)交互設(shè)備 2.3.3 三維浮動(dòng)鼠標(biāo)器（3D Flying Mouse） 三維浮動(dòng)鼠標(biāo)器的工作原理是：在鼠標(biāo)內(nèi)部

14、安裝了一個(gè)超聲波或電磁探測(cè)器，利用這個(gè)接收器和具有發(fā)射器的固定基座，就可以測(cè)量出鼠標(biāo)離開(kāi)桌面后的位置和方向。2.4 虛擬聲音輸出設(shè)備 2.4.1 固定式聲音設(shè)備 固定式聲音輸出設(shè)備即揚(yáng)聲器，允許多個(gè)用戶同時(shí)聽(tīng)到聲音，一般在投影式VR系統(tǒng)中使用。揚(yáng)聲器固定不變的特性使其易于產(chǎn)生世界參照系的音場(chǎng)，在虛擬世界中保持穩(wěn)定，且用戶使用起來(lái)活動(dòng)性大。2.4.2 耳機(jī)式聲音設(shè)備 耳機(jī)式聲音設(shè)備一般與頭盔顯示器結(jié)合使用。在默認(rèn)情況下，耳機(jī)顯示的是頭部參照系的聲音，在VR系統(tǒng)中必須跟蹤用戶頭部、耳部的位置，并對(duì)聲音進(jìn)行相應(yīng)的過(guò)濾，使得空間化信息能夠表現(xiàn)出用戶耳部的位置變化。 2.5 其他交互設(shè)備 2.5.1 觸

15、覺(jué)和力反饋設(shè)備2.5.2 數(shù)據(jù)衣2.5.3 三維掃描儀2.5 其他交互設(shè)備2.5.1 觸覺(jué)和力反饋設(shè)備 1、接觸反饋設(shè)備（1）充氣式接觸反饋手套是使用小氣囊作為傳感裝置，在手套上有20-30個(gè)小氣囊放在對(duì)應(yīng)的位置，當(dāng)發(fā)生虛擬接觸時(shí)，這些小型氣囊能夠通過(guò)空氣壓縮泵的充氣和放氣而被迅速地加壓或減壓。（2）振動(dòng)式接觸反饋手套是使用小振動(dòng)換能器實(shí)現(xiàn)的，換能器通常由狀態(tài)記憶合金制成，當(dāng)電流通過(guò)這些換能器時(shí)，它們就會(huì)發(fā)生形變和彎曲。2.5 其他交互設(shè)備2.5.1 觸覺(jué)和力反饋設(shè)備 2、力反饋設(shè)備（1）桌面式力反饋系統(tǒng)設(shè)備安裝簡(jiǎn)單、使用輕便靈巧，并且不會(huì)因自身重量等問(wèn)題而讓用戶在使用中產(chǎn)生疲倦甚至疼痛的感覺(jué)

16、，因此目前已經(jīng)成為較為常用的力反饋設(shè)備。2.5 其他交互設(shè)備2.5.1 觸覺(jué)和力反饋設(shè)備 2、力反饋設(shè)備（2）力反饋手套可以獨(dú)立反饋每個(gè)手指上的力，主要用于完成精細(xì)操作2.5 其他交互設(shè)備2.5.2 數(shù)據(jù)衣（Data Suit） 數(shù)據(jù)衣將大量的光纖、電極等傳感器安裝在一個(gè)緊身服上，可以根據(jù)需要檢測(cè)出人的四肢、腰部的活動(dòng)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(jì)算機(jī)重建出圖像。2.5 其他交互設(shè)備2.5.3 三維掃描儀（3D Scanner） 三維掃描儀的功能是通過(guò)掃描真實(shí)模型的外觀特征，構(gòu)造出該物體對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)模型，通常分為激光式、光學(xué)式、機(jī)械式等三種類型。三維激光掃描儀（3D Laser Scanner）應(yīng)用最為廣泛，其數(shù)據(jù)處理的過(guò)程一般包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、幾何模型重建和模型可視化等四個(gè)步驟。2.6 虛擬現(xiàn)實(shí)硬件系統(tǒng)的集成 VIEW為美國(guó)宇航局Ames研究中心開(kāi)發(fā)的虛擬交互環(huán)境