虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章229

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主講：吳慧欣第二章虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)的接接口設(shè)備備

課前索索引

第一節(jié)節(jié)位姿姿傳感器器

第二節(jié)節(jié)視覺覺顯示

第三節(jié)節(jié)聽覺覺顯示

第四節(jié)節(jié)力覺覺和觸覺覺顯示

章節(jié)小小結(jié)

課后習(xí)習(xí)題課前索引引1．位姿傳傳感器的的作用，，不同的的技術(shù)及及其對比比。2．視覺顯顯示主要要的要求求，不同同的技術(shù)術(shù)及其對對比。3．聽覺顯顯示的發(fā)發(fā)聲設(shè)備備和聲學(xué)學(xué)建模的的特點(diǎn)。。4．力覺和和觸覺顯顯示的技技術(shù)要求求及實(shí)現(xiàn)現(xiàn)方法。。第一節(jié)位位姿傳感感器位姿傳感感器的概概述位姿傳感感器的要要求各種位姿姿跟蹤器器的比較較研究要求求位姿傳感感器的要要求對位姿傳傳感器的的要求有有5個(gè)：（1）3-D空間中的的運(yùn)動的的剛體具具有三個(gè)個(gè)平移和和三個(gè)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動平移（沿沿著X、Y和Z軸）轉(zhuǎn)動（偏偏航、俯俯仰和滾滾動）（2）在物體體以高速速運(yùn)動時(shí)時(shí)，應(yīng)該該足夠快快地測出出這六個(gè)個(gè)數(shù)值。。（3）傳感器器在3-D測量時(shí)不不應(yīng)妨礙礙物體運(yùn)運(yùn)動。非接觸式式測量（（低頻磁磁場、超超聲、雷雷達(dá)、紅紅外攝像像和LED等）已經(jīng)經(jīng)代替機(jī)機(jī)械臂等等接觸式式測量。。（4）3-D傳感器都都具有一一些共同同的參數(shù)數(shù)。例如如：采樣率是每秒測測量次數(shù)數(shù)。執(zhí)行時(shí)間間是在行為為和結(jié)果果之間的的時(shí)間延延遲。傳感器的的精度即實(shí)際位位置與所所測出位位置的差差。分辨率是傳感器器檢測的的“粒度”，即檢測測的最小小的位置置變化。。位姿跟蹤蹤常用的的性能參參數(shù)有：：精度，分分辨率，，采樣率率，執(zhí)行行時(shí)間，，范圍，，工作空空間，價(jià)價(jià)格，障障礙，方方便，對對模糊的的敏感，，容易校校準(zhǔn)，同同時(shí)測量量的數(shù)目目，方向向相對位位置跟蹤蹤。（5）人體各各部分之之間的相相對運(yùn)動動也應(yīng)該該測量。。人體并非非剛體。。上述六六個(gè)數(shù)值值只能描描述人體體整體的的運(yùn)動，，各個(gè)部部分之間間的相對對運(yùn)動也也要測量量用于位姿姿跟蹤和和映射的的基本傳傳感系統(tǒng)統(tǒng)有哪些些？機(jī)械鏈接接磁傳感器器光傳感器器聲傳感器器慣性傳感感器。2各種位姿姿跟蹤器器的比較較3研究要求求位姿跟蹤蹤器要求求合適的的性能和和合理的的價(jià)格。。例如對肢肢體跟蹤蹤，某些些光學(xué)傳感感器是精確快速速的，但對對日常應(yīng)應(yīng)用太貴（在5萬到10萬美元范范圍），，特別是是為了防防止阻擋擋和增加加工作空空間而加加倍安裝裝時(shí)。位姿跟蹤蹤器必須須使用某某些校準(zhǔn)準(zhǔn)過程為了得到到關(guān)節(jié)角，必須須使用某某些校準(zhǔn)準(zhǔn)過程，，在肢體體上建立立坐標(biāo)系系。此后后的關(guān)節(jié)節(jié)角計(jì)算算將接近近真實(shí)的的生物機(jī)機(jī)械角。。對整個(gè)人人體跟蹤蹤，工作作空間大大小是重重要問題題。應(yīng)該能在在足夠大的的空間跟跟蹤運(yùn)動動人體，并且不不會損失失分辨率率，不必必?fù)?dān)心遮遮擋。被被跟蹤的的人應(yīng)能能在建筑筑中由一一個(gè)房間間走到另另一個(gè)房房間。如如果人體體所有主主要部分分都被跟跟蹤，則則要求安安裝某些些東西在在人體上上（反光光器，標(biāo)標(biāo)記，測測角器））針對性能能指標(biāo)的的含義及及測量方方法之間間的不一一致性，，應(yīng)該建建立標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)。測量方法法是在選選擇位置置跟蹤方方法時(shí)最最易混淆淆的一個(gè)個(gè)問題，，問題是是性能指指標(biāo)的含含義及測測量方法法之間的的不一致致。應(yīng)建建立標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)，指出出怎樣測測精度、、分辨率率、等待待時(shí)間、、帶寬、、敏感干干擾、和和起伏。。測量設(shè)設(shè)備應(yīng)商商品化，，應(yīng)建立立獨(dú)立的的實(shí)驗(yàn)室室，使用用戶不至至依賴廠廠家指標(biāo)標(biāo)，而是是了解真真實(shí)性能能。位姿傳感感器——機(jī)械式傳傳感器原理機(jī)械式傳傳感器可可分兩類類：“安在身體體上的”機(jī)械跟蹤蹤器中，，機(jī)械全全部安在在身上。。測角器“安在地面面上的”機(jī)械跟蹤蹤器中，，機(jī)械部部分安在在地面。。機(jī)械鏈接接測角器（（“安在在身體上上的”機(jī)機(jī)械跟蹤蹤器）安在身體體上的機(jī)機(jī)械鏈(外骨骼或或測角器器)，常用作作關(guān)節(jié)角角測量與觸覺接接口結(jié)合合，可形形成力反反饋外骨骨骼它是輕便便的可移移動的，，有全范范圍的運(yùn)運(yùn)動測量量，因?yàn)闉榕c肢體體運(yùn)動有有同樣的的工作空空間。要要求使用用其它方方法跟蹤蹤身體運(yùn)運(yùn)動。測量角的的使用方方法有兩兩種得到關(guān)節(jié)節(jié)角得到末端端位置測角器與與關(guān)節(jié)的的校準(zhǔn)是是困難的的，特別別是對多多自由度度關(guān)節(jié)例如：肩肩膀由于測角角器是肢肢體外部部的外骨骨骼，所所以它的的轉(zhuǎn)動中中心不同同于關(guān)節(jié)節(jié)轉(zhuǎn)動中中心。由由于運(yùn)動動的不一一致，在在測角器器和運(yùn)動動肢體之之間存在在著滑動動。人的的關(guān)節(jié)不不是完善善的鉸鏈鏈關(guān)節(jié)或或球關(guān)節(jié)節(jié)，轉(zhuǎn)動動軸隨關(guān)關(guān)節(jié)角而而移動。。對于測角角器，必必須研究究裝配和和測量的的問題例如對不不同人體體的調(diào)整整、與關(guān)關(guān)節(jié)的調(diào)調(diào)節(jié)、足足夠硬的的連接、、鏈接與與肢體的的校準(zhǔn)等等安在地面面上的機(jī)機(jī)械鏈接接作用：安在地面面上的機(jī)機(jī)械鏈接接主要用用于大自由度度末端跟跟蹤，如頭或或手的位位姿跟蹤蹤。它不不會引起起上述的的關(guān)節(jié)角角測量有有關(guān)的問問題。哪些問題題？要求操作作者牢固固地抓住住手操作作器，或或者要求求頭盔牢牢固地縛縛在頭上上。安在地面面上的機(jī)機(jī)械鏈接接比安在在身體上上的鏈接接更容易易產(chǎn)生力力反饋，，因?yàn)轵?qū)驅(qū)動器不不必安在在身體上上。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)一：：安在地面面的機(jī)械械鏈接的的一個(gè)缺缺點(diǎn)是操操作者被被連在地地面，工工作空間間受到限限制。即即使希望望有較長長的機(jī)械械臂，兩兩段機(jī)械械手臂也也限制在在約2m。只有在在操作者者坐著不不動時(shí)，，這才是是好的方方案。缺點(diǎn)二：：另一個(gè)缺缺點(diǎn)是可可測量的的自由度度數(shù)目受受到限制制，通常常六個(gè)。。對于同同時(shí)測量量多個(gè)臂臂或測量量冗余的的鏈接，，這都有有問題。。例如多多手指運(yùn)運(yùn)動一般般不用安安在地面面的鏈接接。此外外，人的的手臂是是冗余的的7自由度機(jī)機(jī)構(gòu)，安安在地面面的鏈接接不能解解決這種種冗余。。機(jī)械式傳傳感器的的優(yōu)缺點(diǎn)點(diǎn)便宜，比比較精確確。可以以測量整整個(gè)身體體運(yùn)動，，沒有延延遲?？煽梢酝瑫r(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)力力反饋。。妨礙身體體運(yùn)動。。機(jī)械式傳傳感器的的產(chǎn)品跟蹤球3-D探頭傳感手套套數(shù)據(jù)手套套CyberGlovePowerGloveDextrousHandMaster（DHM）（靈巧巧手設(shè)備備）機(jī)械傳感感器產(chǎn)品品一---------跟蹤球范例跟蹤球Dimension6，安裝有傳傳感器的的球工作原理理它測量用戶的手手施加在在彈性元元件上的的三個(gè)力力和三個(gè)個(gè)力矩。力和力力矩是基基于彈性性變形定定律間接接測量的的。球的的中心部部分是固固定的，，并有六六個(gè)發(fā)光光二極管管。相應(yīng)應(yīng)的六個(gè)個(gè)光敏傳傳感器安安裝在運(yùn)運(yùn)動的外外部球。。當(dāng)用戶戶在運(yùn)動動球上施加力和和力矩時(shí)時(shí)，用六六個(gè)光敏敏傳感器器的輸出出測量三三個(gè)力和和三個(gè)力力矩。這些力力和力矩矩?cái)?shù)據(jù)經(jīng)過過串行口口送給主主計(jì)算機(jī)機(jī)。這些值值由軟件件乘上增增益，就就得到物體體位置和和方向的的差分變變化。增益越越大，物物體的速速度越大大，但若若主機(jī)不不能足夠夠快的更更新屏幕幕，物體體運(yùn)動將將不平滑滑。這種方式式實(shí)際上上是，由用戶的的手施加加在球上上的力和和力矩的的大小，，控制虛虛擬物體體的運(yùn)動動速度和和角速度度的大小小。跟蹤球上上支座上上有若干干按鍵，，可根據(jù)據(jù)需要安安排用途途缺點(diǎn)存在傳感器的的耦合工作在開環(huán)方式式，用戶可可以控制制物體和和環(huán)境間間的力，，但無反反饋跟蹤球的的外觀以以及原理理圖機(jī)械傳感感器產(chǎn)品品二-------3-D探頭第一個(gè)3-D探頭的誕誕生1993年秋ImmersionCorporation推出的“ImmersionProbe”（沉浸感感探頭））。它包包括一個(gè)個(gè)安裝在在支座上上的，有有傳感器的的小型機(jī)機(jī)械臂。這個(gè)探探頭有六六個(gè)關(guān)節(jié)節(jié)（關(guān)節(jié)節(jié)0到關(guān)節(jié)5）。每個(gè)個(gè)轉(zhuǎn)動關(guān)關(guān)節(jié)表示示一個(gè)自自由度，，于是探探頭有六個(gè)自由由度，這允許許同時(shí)確確定探頭頭尖端的的位置和和方向。。工作原理理尖端相對對底座的的位置是是通過直直接動力學(xué)計(jì)算，根根據(jù)傳感感器數(shù)據(jù)據(jù)（關(guān)節(jié)節(jié)角）和和機(jī)械鏈鏈長度得得到的。。主計(jì)算算機(jī)上的的軟件經(jīng)經(jīng)過RS232接口讀取取關(guān)節(jié)傳傳感器數(shù)數(shù)據(jù)，然然后利用用它的動動力學(xué)模模型確定定尖端的的位置。。傳感器的的分辨率率以及測測量速度度和精度度對探頭“Probe--IC””是0.7°°，而對探探頭“Probe--IX””是0.35°。測量速速度可能能達(dá)到200位置/秒，執(zhí)行行時(shí)間僅僅3毫秒。。存在誤誤差的原原因是關(guān)關(guān)節(jié)傳感感器的分分辨率，，溫度變變化和關(guān)關(guān)節(jié)的公公差。探探頭的誤誤差會由由底座到到尖端累累積。優(yōu)點(diǎn)它的測量量不受磁磁場干擾擾，因?yàn)闉樘筋^是是機(jī)械結(jié)結(jié)構(gòu)。機(jī)械傳感感器產(chǎn)品品三------傳感手套套提問：跟蹤球和和3-D探頭的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)是什什么？簡單、緊緊湊和工工作速度度快跟蹤球和和3-D探頭的缺缺點(diǎn)是什什么？限制了用用戶手的的運(yùn)動范范圍，只只能在桌桌子上很很小的區(qū)區(qū)域內(nèi)，，手的自自然運(yùn)動動受到影影響。我們要求求虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)的I/O工具能處處理手在在一定空空間的自自由活動動，同時(shí)時(shí)通過感感覺單個(gè)個(gè)手指的的運(yùn)動，，得到更更多的自自由度。。人的手指指運(yùn)動有有三類彎曲—伸直外展—內(nèi)斂前位—復(fù)位傳感手套套的研究究意義？？手是人與與外界進(jìn)進(jìn)行物理理接觸及及意識表表達(dá)的主主要媒介介。當(dāng)人與計(jì)計(jì)算機(jī)控控制系統(tǒng)統(tǒng)進(jìn)行交交互操作作時(shí),傳統(tǒng)的輸輸入輸出出接口設(shè)設(shè)備,如鍵盤、、鼠標(biāo)等等只能限限制手在在桌面上上或一個(gè)個(gè)小區(qū)域域內(nèi)進(jìn)行行簡單的的運(yùn)動控控制,而表達(dá)意意識的大大多數(shù)手手的自然然運(yùn)動被被犧牲了了,妨礙了人人們對系系統(tǒng)控制制意識表表達(dá)的全全面性與與靈活性性。數(shù)據(jù)手套套可以跟跟蹤操作作者靈活活多變的的手勢及及空間方方位,使操作者者自然而而然地將將自己的的意識傳傳送至計(jì)計(jì)算機(jī)。。因此數(shù)數(shù)據(jù)手套套作為一一種重要要的人機(jī)機(jī)交互接接口,廣泛地應(yīng)應(yīng)用于虛虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)的研究究領(lǐng)域中中。傳感手套套是為滿足足上述要要求而設(shè)設(shè)計(jì)的虛虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)工具。。商業(yè)化的的產(chǎn)品有有VPL公司的DataGlove數(shù)據(jù)手套套，Vertex的CyberGlove，Mattel的PowerGlove，和ExosDextrousHandMaster靈巧手設(shè)設(shè)備。工作原理理它們都用用傳感器器測量全部或部部分手指指關(guān)節(jié)的的角度。某些傳傳感手套套還用3-D傳感器跟跟蹤用戶戶手腕的運(yùn)動。。手套的的工作區(qū)區(qū)大于跟跟蹤球和和手柄（（探頭））的工作作區(qū)。傳感手套套---數(shù)據(jù)手套套應(yīng)用最多多的，應(yīng)應(yīng)用最早早的傳感感手套至今應(yīng)用用最多的的傳感手手套是VPL公司的數(shù)數(shù)據(jù)手套套DataGlove，它也是是第一個(gè)個(gè)推向市市場的。。使用的材材料傳感手套套使用光光纖，光光纖安裝裝在輕便便且有彈彈性的Lycra手套上。。它還使使用Isotrack3-D位置傳感感器。工作原理理手指的每每個(gè)被測測的關(guān)節(jié)節(jié)上都有有一個(gè)光纖維環(huán)環(huán)。纖維經(jīng)經(jīng)過塑料料附件安安裝，使使之在手手指彎曲曲時(shí)作小小的移動動。在標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的布布局中，，每個(gè)手指指背面只只安裝兩兩個(gè)傳感感器，以便測測量主要關(guān)節(jié)節(jié)的彎曲曲運(yùn)動。在手指關(guān)關(guān)節(jié)彎曲曲時(shí)，光光纖壁改改變其折折射率，，于是在在手指彎彎曲處的的光線就就漏出。。這樣就就可能根根據(jù)返回回光線的的強(qiáng)度間間接測出出關(guān)節(jié)角角。光纖傳感感器的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)是輕便和和緊湊，，用戶戴戴上手套套感到很很舒適。。數(shù)據(jù)手套套的校準(zhǔn)準(zhǔn)把原始的的傳感器器讀數(shù)變變成手指指關(guān)節(jié)角角的過程程稱為手手套校準(zhǔn)準(zhǔn)。每當(dāng)當(dāng)開始一一次新的的仿真，，戴上數(shù)數(shù)據(jù)手套套時(shí)，都都必須重重新作校校準(zhǔn)。這這是因?yàn)闉椴豢赡苣苤朗鞘欠裼脩魬舭咽痔滋姿删o合合適地戴戴在手指指上。傳感手套套---CyberGlove應(yīng)用時(shí)間間1992年底，VPL倒閉，CyberGlove已經(jīng)取代代了DataGlove工作原理理每個(gè)關(guān)節(jié)節(jié)的彎曲曲角由一對應(yīng)應(yīng)變片的的阻值變變化間接測量量。在手手指運(yùn)動動時(shí)，一一個(gè)應(yīng)變變片受壓壓，另一一個(gè)應(yīng)變變片受拉拉。它們們的電阻阻變化就就造成電電橋上電壓的變變化。手套上上每個(gè)傳傳感器有有一個(gè)電電橋電路路。這些些差分電電壓由模模擬多路路掃描器器（MUX）進(jìn)行多多路傳輸輸，再放放大并由由A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)數(shù)字化。。數(shù)字化的電壓被被主計(jì)算算機(jī)采樣，再經(jīng)過過校準(zhǔn)程序得到到關(guān)節(jié)角角度。關(guān)關(guān)節(jié)零位位的位置置可以用用硬件改改變（利利用偏置置電位計(jì)計(jì)），也也可以用用軟件改改變（利利用圖形形接口））。特點(diǎn)把很薄的的應(yīng)變電電測量片片放在彈彈性的尼尼龍合成成材料上上。手掌掌區(qū)不覆覆蓋這種種材料，，透氣并允許通通常的活活動，如如打字和和寫字等等。很輕并容易易戴。手套的傳傳感器或或者是矩形的（用于于彎曲角角），或或者是U-形的（用于于外展-內(nèi)收角））。對彎彎曲有16至24個(gè)傳感器器（每個(gè)個(gè)手指3個(gè)），對對外展-內(nèi)收角1個(gè)傳感器器，再加加上拇指指及小指指的轉(zhuǎn)動動，以及及手腕的的偏轉(zhuǎn)和和俯仰。。傳感器器的分辨辨率是0.5°°，并在整整個(gè)關(guān)節(jié)節(jié)運(yùn)動范范圍內(nèi)保保持不變變。還應(yīng)應(yīng)指出，，手套使使用解耦的傳感器器，使輸輸出彼此此無關(guān)。。Virtex還是一個(gè)個(gè)小公司司。CyberGlove產(chǎn)品價(jià)格格約有10000美元，不不包括位位置跟蹤蹤器和校校準(zhǔn)源代代碼。傳感手套套---PowerGlove特點(diǎn)與DataGlove和CyberGlove（價(jià)值幾幾千美元元）比較較，PowerGlove是很便宜的產(chǎn)品，，它的價(jià)價(jià)格只有有約50美元。在1989年大量銷銷售（達(dá)達(dá)到4千萬美元元），用用于Nintendo（任天堂堂）的基基于手套套的電子子游戲。。原理為了保持持低價(jià)格格，手套套設(shè)計(jì)使使用了很很多廉價(jià)的技技術(shù)。手腕位位置傳感感器是超聲傳感感器，超聲揚(yáng)揚(yáng)聲器放放在PC監(jiān)視器上上，而超超聲麥克克風(fēng)放在在手腕上上。彎曲曲傳感器器是導(dǎo)電墨水水傳感器器。傳感器器包括在在支持結(jié)結(jié)構(gòu)上的的兩層導(dǎo)導(dǎo)電墨水水。墨水水在粘合合劑中有有炭粒子子。當(dāng)?shù)椎鬃鶑澢鷷r(shí)，在在彎曲的的外側(cè)的的墨水就就延伸，，造成導(dǎo)導(dǎo)電炭粒粒子之間間距離增增加。這這使傳感感器的阻阻值增加加。反之之，當(dāng)墨墨水受壓壓縮時(shí)，，炭粒子子之間距距離減小小，傳感感器阻值值也減小小。阻值值數(shù)據(jù)經(jīng)經(jīng)過簡單單的校準(zhǔn)準(zhǔn)就轉(zhuǎn)換換成關(guān)節(jié)節(jié)角數(shù)據(jù)據(jù)。傳感手套套---DextrousHandMaster((靈巧手設(shè)設(shè)備)應(yīng)用時(shí)間間1990年Exos公司推出出戴在用戶戶手背上上的金屬屬外骨架架結(jié)構(gòu)。。工作原理理每個(gè)手指指有4個(gè)傳感器器，五個(gè)個(gè)手指就就有20個(gè)傳感器器。每個(gè)個(gè)角度由由安裝在在機(jī)械結(jié)結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)節(jié)上的霍爾效應(yīng)應(yīng)傳感器器測量。特點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)仔細(xì)，使手組組織柔軟軟性的影影響最少少。這些復(fù)雜雜的機(jī)械械設(shè)計(jì)造造成了高成本（至今最昂貴的傳感手手套）專門設(shè)計(jì)計(jì)的夾緊緊彈簧和和手指支支撐保證證在手的的全部運(yùn)運(yùn)動范圍圍內(nèi)設(shè)備備的緊密密配合。。設(shè)備是是用可調(diào)調(diào)的Velcro帶子安裝裝在用戶戶手上。。附加的的支撐和和可調(diào)的的桿使之之適應(yīng)不不同用戶戶手的大大小。高傳感速速率以及高傳感分分辨率DHM的傳感器器信號送送到信號號調(diào)節(jié)盒盒，然后后以100位置/秒的速率率被連到到用戶接接口的A/D轉(zhuǎn)換器采采樣。DHM的高傳感感速率以以及高傳傳感分辨辨率，是是與DataGlove相比的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)。但但是它也也在精度度和校準(zhǔn)準(zhǔn)上存在在與其它它手套類類似的問問題。位姿傳感感器-----電磁傳感感器用途電磁傳感感器測量量頭，手手，其他他設(shè)備的的位姿。。測量三三個(gè)坐標(biāo)標(biāo)，以及及三個(gè)姿姿態(tài)角度度例如測量頭盔盔的位姿姿測量手的的位姿電磁傳感感器的優(yōu)優(yōu)缺點(diǎn)主要產(chǎn)品品原理電磁傳感感器包括括發(fā)射器接受器接口計(jì)算機(jī)測量一個(gè)個(gè)方向的的距離為了測量量在y方向的距距離，通通電流的的主動線圈圈發(fā)出在y方向的電磁波，在被動線圈圈中的感應(yīng)電流流，正比于于主動線線圈和被被動線圈圈的距離離。由此此得到主主動線圈圈和被動動線圈在在y方向的距距離。在被動動線圈中中的感應(yīng)應(yīng)電流，，還取決決于主動動線圈和和被動線線圈的交角。主動線線圈和被被動線圈圈的方向向不同時(shí)時(shí)，在被被動線圈圈中的感感應(yīng)電流流會減少少。測量六個(gè)個(gè)位姿的的傳感器器發(fā)射器包包括三個(gè)正交交的線圈圈（即三個(gè)個(gè)線圈的的軸線互互相垂直直，如同同x，y，z坐標(biāo)軸那那樣）。。接受器器也包括括類似的的三個(gè)正正交的線線圈。改改變主動動線圈中中電流強(qiáng)強(qiáng)度或定定時(shí)選通通（定時(shí)時(shí)選通表表示三個(gè)個(gè)主動線線圈輪流流通電）），可以以使三個(gè)個(gè)線圈的的磁場互互相隔離離。由此此可以確確定姿態(tài)角和和距離造造成的感感應(yīng)電流流的變化化。每個(gè)主主動電流流產(chǎn)生三三個(gè)感應(yīng)應(yīng)電流，，三個(gè)主主動電流流產(chǎn)生九九個(gè)感應(yīng)應(yīng)電流。。可以由此此九個(gè)感應(yīng)應(yīng)電流解算出三三個(gè)坐標(biāo)標(biāo)，以及及三個(gè)姿姿態(tài)角度度。缺點(diǎn)限制應(yīng)用用的主要要缺點(diǎn)包包括適中中的精度度和大的的等待時(shí)時(shí)間(20－30ms)。大的等等待時(shí)間間特別難難解決，，因此它它限制了了在真實(shí)實(shí)交互中中的應(yīng)用用。精度度不能與與其它多多數(shù)方法法比較。。此外，，在交流流傳感器器的情況況，外部部磁場的的影響使使之難以以保證其其精度，，沒有簡簡單方法法確定和和補(bǔ)償干干擾磁場場。電磁傳感感器的優(yōu)優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：電磁傳感感器沒有有遮擋問題（接接受器與與發(fā)射器器之間允允許有其其他物體體）價(jià)格低（處理簡簡單，比比光學(xué)測測量便宜宜）精度適中中，采樣樣率高（可達(dá)120次/秒）工作范圍圍大（可可達(dá)60平方米）），可以以用多個(gè)個(gè)磁跟蹤蹤器跟蹤蹤整個(gè)身身體的運(yùn)運(yùn)動，并并且增加加跟蹤運(yùn)運(yùn)動的范范圍。缺點(diǎn)：電磁傳感感器可能能因磁場變形形引起誤誤差（電子設(shè)設(shè)備和鐵鐵磁材料料會使磁磁場變形形，直流流電磁場場可以用用補(bǔ)償法法，交流流電磁場場不可以以用補(bǔ)償償法），，測量距距離加大大時(shí)誤差差增加，，時(shí)間延遲遲較大（達(dá)達(dá)33毫秒），，有小的的抖動。問題：為什么電電磁傳感感器在實(shí)實(shí)際應(yīng)用用到受到到限制？？限制應(yīng)用用主要因因?yàn)檫m中的精精度和大的等待待時(shí)間(20－30ms)。大的等等待時(shí)間間特別難難解決，，精度不不能與其其它多數(shù)數(shù)方法比比較。在交流傳傳感器的的情況，，外部磁場場的影響響使之難以以保證其其精度，，沒有簡簡單方法法確定和和補(bǔ)償干干擾磁場場。電磁傳感感器的產(chǎn)產(chǎn)品銷售電磁磁傳感器器的公司司Polhemus和AscensionPolhemus建立于1970年，占有有運(yùn)動測測量設(shè)備備市場的的70%。主要產(chǎn)產(chǎn)品為Fasttrak。精度為為0.03英寸和0.15°，測量范范圍可達(dá)達(dá)15英尺，采采樣率達(dá)達(dá)120Hz（修改率率隨傳感感器數(shù)目目增加而而下降））。等待待時(shí)間為為20-30ms。采用交交流磁場場。有標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)串型型扣聯(lián)接接計(jì)算機(jī)機(jī)。1996年價(jià)格$6,000。Ascension建立于1986年。產(chǎn)品品的范圍圍廣，包包括高級級的研究究設(shè)備，，以及低低級的娛娛樂設(shè)備備。高高級的產(chǎn)產(chǎn)品為FlockofBirds。采用直直流磁場場，可以以補(bǔ)償磁磁場失真真。精度度為0.1英寸和0.5°°，測量范范圍可達(dá)達(dá)3-8英尺，采采樣率達(dá)達(dá)144Hz（對每臺臺測量設(shè)設(shè)備）。。等待時(shí)時(shí)間30ms。1996年價(jià)格$2,700。低級的的產(chǎn)品為為AscensionSpacePad，用于游游戲。采采樣率達(dá)達(dá)120Hz。1996年價(jià)格$1,000。上述兩種種傳感器器的對比比精度都取取決于發(fā)發(fā)射器與與接收器器的接近近程度Fasttrak利用交流磁場，鄰鄰近的金金屬表面面上會產(chǎn)產(chǎn)生旋渦渦電流，，因而會會降低傳傳感器精精度。Bird傳感器使使用直流磁場，因因此對周周圍金屬屬的敏感感較少。。但是磁磁阻效果果可能改改變磁路路，因此此影響測測量位姿傳感感器——超聲傳感感器用途超聲傳感感器同樣樣測量頭頭，手，，其他設(shè)設(shè)備的位位姿。測測量三個(gè)個(gè)坐標(biāo)，，以及三三個(gè)姿態(tài)態(tài)角度。。工作方法法：超聲傳感感器包括括三個(gè)超超聲發(fā)射射器的陣陣列（安安裝在天天花板上上），三三個(gè)超聲聲接受器器（安裝裝在被測測物體上上），用用于啟動動發(fā)射的的紅外同同步信號號，以及及計(jì)算機(jī)機(jī)。測量原理理測量飛行行時(shí)間測量相位位差。產(chǎn)品使用超聲聲傳感器器示意圖圖超聲波傳傳感器測測量原理理-----測量飛行行時(shí)間一一在測量飛飛行時(shí)間間的方式式中，各各個(gè)發(fā)射射器輪流流發(fā)出高高頻的超超聲波，，測量到到達(dá)各個(gè)個(gè)接受點(diǎn)點(diǎn)的飛行行時(shí)間。。由此利用用聲音的的速度得得到發(fā)射射點(diǎn)與接接受點(diǎn)的的兩兩之之間的九九個(gè)距離離，再由由三角運(yùn)運(yùn)算得到到被測物物體的位位姿為了精確確測量，，要求在在發(fā)射器器與接受受器之間間的同步步。為此此可以采采用紅外外的同步步信號。。為了測量量物體位位姿的6個(gè)自由度度，至少少需要3個(gè)接受器器和3個(gè)發(fā)射器器。為了精確確測量，，要求發(fā)發(fā)射器與與接受器器的合理理布局。。一般把把發(fā)射器器安裝在在天花板板的4個(gè)角上。。超聲波傳傳感器測測量原理理-----測量相位位在測量相相位差的的方式中中，各個(gè)個(gè)發(fā)射器器發(fā)出高高頻的超超聲波，，測量到到達(dá)各個(gè)個(gè)接受點(diǎn)點(diǎn)的相位位差，由由此得到到點(diǎn)與點(diǎn)點(diǎn)的距離離，再由由三角運(yùn)運(yùn)算得到到被測物物體的位位姿。聲波是正正弦波，，發(fā)射器器與接受受器的聲聲波之間間存在相相位差，，這個(gè)相相位差也也與距離離有關(guān)。。如果在在一個(gè)采采樣周期期內(nèi)，物物體運(yùn)動動的距離離超過聲聲波信號號波長的的一半，，就會造造成問題題。因?yàn)闉樵诿總€(gè)個(gè)波長后后，信號號波形（（相位））會重復(fù)復(fù)。這時(shí)時(shí)無法確確定距離離是加大大還是減減少，因因?yàn)槎哒咴斐傻牡南辔徊畈钕嗤?。。這種方法法是增量量測量法法，每步步的測量量誤差會會隨時(shí)間間積累。。絕對距距離必須須在初始始由其它它設(shè)備校校準(zhǔn)。它它的問題題是反射射和環(huán)境境噪音。。為了克克服漂移移問題，，改進(jìn)的的模塊化化相位相相干可以以達(dá)到毫毫米以下下精度。。優(yōu)點(diǎn)：不受電磁磁干擾，，不受臨臨近物體體的影響響，輕便便的接受受器易于于安裝在在頭盔上上。缺點(diǎn)：工作范圍圍有限，，信號傳傳輸不能能受遮擋擋，受到到溫度、、氣壓、、濕度的的影響（（改變聲聲速，造造成誤差差），受受到環(huán)境境反射聲聲波的影影響，飛飛行時(shí)間間法有低低的采樣樣率和低低的分辨辨率，相相位差法法每步的的測量誤誤差會隨隨時(shí)間積積累。Logitech提供兩種種超聲跟跟蹤產(chǎn)品品。Logitech是瑞士公公司，成成立于1981年。是世世界最大大的鼠標(biāo)標(biāo)生產(chǎn)商商。一個(gè)產(chǎn)品品是超聲3D鼠標(biāo)跟蹤蹤器，它提供供六個(gè)自自由度的的跟蹤。。在CAD//CAM軟件系統(tǒng)統(tǒng)中可以以用于用用戶的操操作，也也可以用用于計(jì)算算機(jī)動畫畫，建模模，機(jī)器器人控制制，和虛虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)。超聲聲傳感器器每臺價(jià)價(jià)格$1799。另一個(gè)產(chǎn)產(chǎn)品是超聲頭部部跟蹤器器，它也提提供六個(gè)個(gè)自由度度的跟蹤蹤。每臺臺價(jià)格$1799。其它在VE市場上的的商品還還有ScienceAccessories的GP8--3D和MattelPowerGlove。CelescoTransducerProducts,,Inc.推出了系系統(tǒng)V-scope，這是新新的無線線40kHz飛行時(shí)間間系統(tǒng)。。它在16英尺范圍圍的分辨辨率為0.1mm。位姿傳感感器-----慣性傳感感器和混混合傳感感器慣性傳感感器的原原理：慣性傳感感器使用用加速度計(jì)計(jì)和角速速度計(jì)。。測量加速速度和角角速度。。線性加速速度計(jì)（1）同時(shí)測測量物體體在三個(gè)個(gè)方向上上的加速速度。（2）可動部部件由彈彈性件支支撐，彈彈性件的的變形就就表示加加速度。。（3）可以用用光學(xué)系系統(tǒng)測量量這種微微小變形形。例如如利用硅硅的微機(jī)機(jī)械可以以制造很很小的慣慣性傳感感器。（4）加速度度計(jì)的輸輸出需要要積分兩兩次，得得到位置置角速度計(jì)計(jì)（1）利用陀陀螺原理理測量物物體的角角速度。。（2）角速度度計(jì)的輸輸出需要要積分一一次，得得到姿態(tài)態(tài)角。問題一：：為了得到到位置和和方向，，傳感器器輸出必須積分分。積分會會使得位置和姿姿態(tài)存在在積分誤誤差。所以它它敏感傳傳感器的的偏移。。某些漂移是不不可免的。為了了偏移校校正，慣慣性部件件必須周周期地返返回某個(gè)個(gè)初始位位置，或或者必須須連帶使使用其它它位置傳傳感器和和適當(dāng)?shù)牡臄?shù)據(jù)熔熔合方法法。后一一個(gè)方案案是有吸吸引力的的。問題二：：任何基于于連桿彎彎曲的慣慣性傳感感器，都都有非線性效效應(yīng)。力平衡衡加速度度計(jì)避免免了連桿桿彎曲的的非線性性問題，，它們很很穩(wěn)定，，并用于于運(yùn)動學(xué)學(xué)校準(zhǔn)。。慣性傳感感器的特特點(diǎn)沒有信號號發(fā)射，，是唯一一的輕便便的設(shè)備備安裝在在被測物物體上。。不怕遮擋擋，沒有有外界干干擾，而而且有無無限大的的工作空空間。問題：積積分誤差差。需要減少少傳感器器的大小小和價(jià)格格，使慣慣性跟蹤蹤器比磁磁性跟蹤蹤器更方方便更經(jīng)經(jīng)濟(jì)。高性能HMD的跟蹤應(yīng)應(yīng)該應(yīng)用用組合慣慣性傳感感器與其其它技術(shù)術(shù)的混合合系統(tǒng)，，它要求求精度和和快速動動態(tài)響應(yīng)應(yīng)。推薦薦的組合合是全慣慣性方向向跟蹤，，與混合合的慣性性-聲學(xué)位置置跟蹤。。慣性傳感感器的優(yōu)優(yōu)缺點(diǎn)：：慣性傳感感器的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)：不存在發(fā)發(fā)射源，，所以不不受干擾擾不怕遮遮擋，物物體運(yùn)動動不受約約束，大大的工作作空間，，低的延延遲時(shí)間間。慣性傳感感器的缺缺點(diǎn)：漂移隨時(shí)時(shí)間積累累（每分分3度），重重力場使使輸出失失真，測測量的非非線性（（由于材材料特性性或溫度度變化）），角速速度計(jì)敏敏感震動動，難以以測量慢慢速的位位置變化化，重復(fù)復(fù)性差慣性傳感感器的產(chǎn)產(chǎn)品InterSense公司提供供IS300運(yùn)動跟蹤蹤器和InterTrax等慣性跟跟蹤設(shè)備備。InterSense建立于1996年，研制制生產(chǎn)慣慣性的，，混合的的，以及及SensorFusion的運(yùn)動跟跟蹤設(shè)備備。EricFoxlin基于他在在MIT的博士論論文建立立了該公公司?？偪偛吭O(shè)在在麻省。。它的產(chǎn)產(chǎn)品包括括：頭盔盔上的設(shè)設(shè)備（用用于仿真真和訓(xùn)練練），攝攝像頭跟跟蹤（用用于電影影特技）），增強(qiáng)強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)（用用于裝配配）。IS300使用小的的固態(tài)慣慣性測量量單元（（稱為InertiaCubeTM）。它使使用角速速度計(jì)，，在積分分得到姿姿態(tài)角。。他還用用磁羅盤盤和重力力計(jì)，防防止陀螺螺漂移的的積累。。產(chǎn)品價(jià)價(jià)格$3949。InterTrax是實(shí)時(shí)的的頭部3維姿態(tài)跟跟蹤器。。產(chǎn)品價(jià)價(jià)格$849?；旌蟼鞲懈衅鞯脑恚夯旌蟼鞲懈衅魇怯捎蓱T性傳感感器和其其他傳感感器組成成，以解決慣性性傳感器器的漂移移問題?；旌蟼鞲懈衅骺偸鞘抢靡灰粋€(gè)傳感感器的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)，去去克服另另一傳感感器的缺缺點(diǎn)。典典型的混混合傳感感器由超聲和慣慣性傳感感器組成。它它包括：：安在天天花板上上的超聲聲發(fā)射器器陣列，，3個(gè)超聲接接受器，，用于超超聲信號號同步的的紅外觸觸發(fā)設(shè)備備，加速速度計(jì)和和角速度度計(jì)，計(jì)計(jì)算機(jī)。。這種混混合是為為了達(dá)到到更高的的精度和和更低的的延遲。?；旌细櫟年P(guān)關(guān)鍵技術(shù)術(shù)是傳感感器融合合算法，，如采用用Kalman濾波?；旌蟼鞲懈衅鞯膬?yōu)優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：改進(jìn)更新新率、分分辨率、、及抗干干擾性（（由超聲聲補(bǔ)償慣慣性的漂漂移），，可以預(yù)預(yù)測未來來運(yùn)動達(dá)達(dá)50ms（克服仿仿真滯后后），快快速響應(yīng)應(yīng)（更新新率150Hz，延遲極極?。?，，無失真真（無電電磁干擾擾）。缺點(diǎn)：工作空間間受限制制（大范范圍時(shí)超超聲不能能補(bǔ)償慣慣性的漂漂移），，要求視視線不受受遮擋，，受到溫溫度、氣氣壓、濕濕度影響響，6D的跟蹤要要求3個(gè)超聲接接受器。?；旌蟼鞲懈衅鞯漠a(chǎn)產(chǎn)品InterSense提供混合合跟蹤器器產(chǎn)品IS600。它使用用慣性和和超聲傳傳感器，，以及傳傳感器融融合算法法。他提提供6D的位姿跟跟蹤，可可以預(yù)測測未來50ms的運(yùn)動。。價(jià)格$11850。位姿傳感感器---光學(xué)傳感感器原理一般講，，光學(xué)傳傳感器是是基于高對比度度的視頻頻圖像，圖像中中具有若若干標(biāo)記，這些些圖像反映映了被測測物體的的運(yùn)動。這些標(biāo)記記是小圓圓點(diǎn)。有有些標(biāo)記記是紅外外(IR))發(fā)光標(biāo)記記，他他用發(fā)光光管（LED）增加對對比度。。標(biāo)記的數(shù)數(shù)量取決于運(yùn)運(yùn)動的類類型和要要求的跟跟蹤質(zhì)量量。對對于不包包括面部部的人體體跟蹤，，一般安安裝20到30個(gè)標(biāo)記。。標(biāo)記安安在皮膚膚上或緊緊身衣服服上。標(biāo)記尺寸寸為1至5cm，這取決決于測量量硬件和和動作范范圍大小小。標(biāo)記的安安放取決于要要測的數(shù)數(shù)據(jù)。單單個(gè)標(biāo)記記只測量量一個(gè)點(diǎn)點(diǎn)。安在在頭部的的三個(gè)標(biāo)標(biāo)記用于于測量頭頭部的位位姿。一一般全身身安裝21個(gè)標(biāo)記，，頭部3個(gè)，頸部部和背部部各1個(gè)，肩部部、肘部部、腕部部、手部部、髖部部、膝部部、腳腕腕和腳部部各1個(gè)。如果果要求更更多的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動信息息，則要要求安裝裝更多的的標(biāo)記。。光學(xué)傳感感器的優(yōu)優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：可能很大的工工作空間間（取決于于采用的的系統(tǒng)合合要求的的精度）），運(yùn)動動不受妨礙礙（測量系系統(tǒng)不裝裝在運(yùn)動動體上）），標(biāo)記的價(jià)價(jià)格很?。ɡ砝碚撋峡煽梢赃_(dá)到到幾百個(gè)個(gè)標(biāo)記，，實(shí)際上上因?yàn)樽枳枞蛙涇浖南尴拗?，不不能太多多），足足夠快的的采樣率（適于多多數(shù)體育育運(yùn)動，，在120至250Hz采樣率，，適于測測量多數(shù)數(shù)人體運(yùn)運(yùn)動。缺點(diǎn)：是最昂貴的運(yùn)動測測量系統(tǒng)統(tǒng)對光敏感感（由于系系統(tǒng)依靠靠對比度度，所以以背景和和環(huán)境照照明都是是問題）），對反射敏敏感（有水和和發(fā)亮的的表面可可能引起起錯(cuò)誤的的標(biāo)記信信號），，標(biāo)記的阻阻擋（為了得得到3D數(shù)據(jù)，每每個(gè)標(biāo)記記至少被被兩個(gè)攝攝像機(jī)看看到。物物體的遮遮擋會造造成標(biāo)記記的丟失失、代替替或交換換。）跟蹤時(shí)間間可能很很大（而且可可能變化化）非實(shí)時(shí)的的測量（除少數(shù)數(shù)昂貴的的系統(tǒng)外外，都是是非實(shí)時(shí)時(shí)的）對校準(zhǔn)敏敏感（由于用用多個(gè)攝攝像機(jī)，，必須精精確測量量每個(gè)攝攝像機(jī)的的參考幀幀）。光學(xué)傳感感器的產(chǎn)產(chǎn)品光學(xué)跟蹤蹤器在計(jì)計(jì)算機(jī)領(lǐng)領(lǐng)域的兩兩個(gè)主要要應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)動動畫（測測量人體體的運(yùn)動動，并用用于動畫畫人物的的動作））虛擬環(huán)境境（測量量用戶頭頭部的位位置和姿姿態(tài)，并并由此改改變視點(diǎn)點(diǎn)，改變變顯示的的圖形））。位姿傳感感器---運(yùn)動接口口背景VR研究的趨趨勢是由由手姿來做事情情，如抓抓取物體體或漫游游。小的手姿姿之間容容易混淆淆。所以以現(xiàn)在控控制漫游游的方法法，是利利用其他他運(yùn)動接接口。運(yùn)動接口口是一類類特殊的的位姿傳傳感器，，它跟蹤蹤測量人人體的運(yùn)運(yùn)動。最簡單的的運(yùn)動接接口就是是跑步機(jī)機(jī)。代替替在室外外的真實(shí)實(shí)跑步，，用戶可可以在跑跑步機(jī)上上跑步，，跑步機(jī)機(jī)測量跑跑步者的的運(yùn)動。。運(yùn)動接口口的優(yōu)缺缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：克服傳統(tǒng)統(tǒng)接口的的限制（如手柄柄的逼真真感有限限），得得到逼真真的漫游游（如跑跑步機(jī)和和自行車車給出運(yùn)運(yùn)動和方方向感）），增加加空間布布局感（（在跑步步機(jī)和自自行車上上，參與與者要施施加力和和運(yùn)動，，于是有有在環(huán)境境中的移移動感））缺點(diǎn)：運(yùn)動范圍圍有限（（任何設(shè)設(shè)備的運(yùn)運(yùn)動范圍圍都有限限，但虛虛擬環(huán)境境可能覆覆蓋很大大范圍）），難以以保持平平衡（在在這些設(shè)設(shè)備上往往往難以以保持平平衡）。。運(yùn)動接口口的產(chǎn)品品產(chǎn)品一：：Sarcos,,Inc.公司的運(yùn)運(yùn)動接口口是Tread-Port，它包括括跑步機(jī)機(jī)、機(jī)械械鏈和CAVE視覺顯示示。它是是用于研研究涉及及運(yùn)動接接口的感感知問題題，以及及研究運(yùn)運(yùn)動生物物力學(xué)的的控制問問題。主主動機(jī)械械鏈防止止人走開開，使得得試驗(yàn)更更加逼真真，模仿仿運(yùn)動中中的壓力力，這在在人平穩(wěn)穩(wěn)站立時(shí)時(shí)是不會會發(fā)生的的。產(chǎn)品二：：GeorgiaTechGraphics,,VisualizationandUsabilityCenter的運(yùn)動接接口是TectrixBicycle。它用于于虛擬重重現(xiàn)1996年亞特蘭蘭大奧運(yùn)運(yùn)會公路路自行車車賽。虛虛擬環(huán)境境的目標(biāo)標(biāo)是，使使選手體體驗(yàn)賽道道，在視視覺和身身體上都都提供給給自行車車手。TectrixBicycle的設(shè)計(jì)如如下：賽賽車安在在運(yùn)動平平臺上，，平臺前前后傾斜斜+/-12度，前論論旋轉(zhuǎn)角角度+/-20度，CompuTrainerPro在后輪上上加負(fù)載載（以模模擬山坡坡）。產(chǎn)品三：：VirtualSpaceDevices,,Inc.((VSD)根據(jù)1996年美國軍軍隊(duì)合同同，開發(fā)發(fā)了Omni-DirectionalTreadmill((ODT)。人在計(jì)計(jì)算機(jī)生生成的環(huán)環(huán)境中，，在ODT上走或跑跑，可以以在任意意方向上上漫游，，人總是是保持在在設(shè)備中中心。這這是自然然的人機(jī)機(jī)漫游接接口。Omni-DirectionalTreadmill的指標(biāo)為為，主動動表面1.3××1.3米，速度度6英里/小時(shí)，兩兩個(gè)帶子子（X，Y方向）每每個(gè)約3400圈，力反反饋+/-20磅。產(chǎn)品四：：MikeBenjaminandThatcherUlrichofCyberGear,Inc..開發(fā)了VR自行車，，用作DiamondPark的輸入設(shè)設(shè)備。這這是第一一個(gè)多用用戶接口口的虛擬擬環(huán)境，，使用了了MERL'sScalablePlatformforInteractiveEnvironments((SPLINE)。小節(jié)介紹了虛虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)中的位位姿測量量技術(shù)。。位姿跟蹤蹤常用的的性能參參數(shù)有：：精度，，分辨率率，采樣樣率，執(zhí)執(zhí)行時(shí)間間，范圍圍，工作作空間，，價(jià)格，，障礙，，方便，，對模糊糊的敏感感，容易易校準(zhǔn)，，同時(shí)測測量的數(shù)數(shù)目，方方向相對對位置跟跟蹤。運(yùn)動接口口是一類類特殊的的位姿傳傳感器，，它跟蹤蹤測量人人體的運(yùn)運(yùn)動第二節(jié)視視覺覺顯示視覺顯示示概述視覺顯示示的顯示示表面CRT類顯示LCD類顯示VRD類顯示VLST類顯示全息顯示示視覺顯示示的光學(xué)學(xué)系統(tǒng)頭盔式立立體顯示示立體眼鏡鏡式立體體顯示自動立體體顯示視覺顯示示的產(chǎn)品品頭盔顯示示非頭盔顯顯示混合的立立體顯示示系統(tǒng)多面的顯顯示系統(tǒng)統(tǒng)視覺顯示示概述對理想的的視覺顯顯示有什什么要求求與日常經(jīng)經(jīng)歷中的的場景對對比，在在質(zhì)量、、修改率率和范圍圍方面應(yīng)應(yīng)該是無無法區(qū)分分的。技術(shù)支持持當(dāng)前的技技術(shù)還不不支持這這種高真真實(shí)度的的視覺顯顯示評價(jià)各種種顯示特特性對任何給給定的應(yīng)應(yīng)用，必必須認(rèn)真真評價(jià)各各種顯示示特性的的重要性性，這包包括視覺覺特性（（視場、、分辨率率、亮度度、對比比和彩色色），人人類工程程學(xué)，安安全，可可靠和價(jià)價(jià)格。視覺顯示示的基本本要求提供立體體視覺。。立體視覺覺的基本本原理兩眼空間間位置的的不同，，是產(chǎn)生生立體視覺覺的原因。?？臻g某個(gè)個(gè)物體在在兩眼的的視圖中中位置不不同就產(chǎn)產(chǎn)生了立體視差。人眼也可可以利用用這種視視差，判判斷物體體的遠(yuǎn)近近，產(chǎn)生生深度感感。這就就是人類類的立體視覺覺，由此獲獲得環(huán)境境的三維維信息。視覺接口口完整的視視覺接口口包括四四個(gè)基本本部分。。(1)視覺顯示示表面和和輔助光光學(xué)系統(tǒng)統(tǒng)，它把把詳細(xì)的的時(shí)變的的光模式式投影在在用戶視視網(wǎng)膜上上。(2)產(chǎn)生光學(xué)學(xué)信號的的系統(tǒng)（（來自真真實(shí)場景景的攝像像機(jī)，存存貯圖像像的錄像像機(jī)，生生成圖形形的計(jì)算算機(jī)，或或三者的的組合））。(3)感覺頭或或眼球位位置運(yùn)動動的系統(tǒng)統(tǒng)（這是是上一節(jié)節(jié)介紹的的位姿跟跟蹤問題題）。(4)使視覺顯顯示表面面相對于于人眼定定位的系系統(tǒng)。對虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)（VR），最常常用的技技術(shù)的顯顯示表面面類型是是陰極射線線管（CRT）和背光光液晶顯顯示（LCD）。VR應(yīng)用有兩兩類主要要的視覺覺顯示光光學(xué)系統(tǒng)統(tǒng)：頭盔顯示示和非頭頭盔顯示示。這些技術(shù)術(shù)對近期期的虛擬擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)應(yīng)用是很很有用的的，但幾幾個(gè)缺點(diǎn)點(diǎn)卻妨礙礙其長期期的發(fā)展展。下面分別別介紹不不同的顯示表面面和不同的的光學(xué)系統(tǒng)統(tǒng)。最后介介紹現(xiàn)有有的產(chǎn)品。CRT技術(shù)CRT技術(shù)CRT技術(shù)是多多年來在在電視機(jī)機(jī)和計(jì)算算機(jī)監(jiān)視視器上廣廣泛應(yīng)用用的成熟熟技術(shù)。。CRT技術(shù)能給給頭盔顯顯示器提提供小的的高分辨辨率高亮亮度的單色顯示。。CRT較重，并并把高電壓放在人頭頭部上的的設(shè)備中中。開發(fā)發(fā)小型高分分辨率高高亮度彩彩色CRT是困難的。在頭頭盔顯示示中，要要求這些些笨重的的光學(xué)設(shè)設(shè)備形成成高質(zhì)量量圖像。。組合的技技術(shù)途徑徑可產(chǎn)生生高質(zhì)量量彩色圖圖像，并并減少重重量和價(jià)價(jià)格。把把高質(zhì)量量彩色的的基于CRT的HMD（頭盔顯顯示器））引入市市場，它它使用了了加于單色色CRT的機(jī)械電電子彩色色濾光技術(shù)。這這種途徑徑中，CRT以三倍正正常速率率掃描，，并依次次加上紅紅、綠、、蘭三色色的濾光光器。LCD技術(shù)LCD技術(shù)以低電壓產(chǎn)生彩色色圖像，，但只具具有很低的圖像像元密度度。在頭盔盔顯示中中，也要要求笨重重的光學(xué)學(xué)設(shè)備形形成高質(zhì)質(zhì)量圖像像。市場出售售的頭盔盔式顯示示器幾乎乎全部依依靠TV（電視機(jī)機(jī)）質(zhì)量量的液晶晶顯示。。在VR和遙操作作領(lǐng)域，，不要求求大區(qū)域域顯示。。只要求求緊湊的的輕便的的高分辨辨率顯示示。LCD顯示器有有待提高高其分辨辨率。VRD技術(shù)關(guān)于VRDVRD（VirtualRealityDisplay）是美國國華盛頓頓大學(xué)人人類接口口技術(shù)實(shí)實(shí)驗(yàn)室HumanInterfaceTechnologyLab（HIT）在1991年發(fā)明的的。HIT研究內(nèi)容容基于激光光微掃描描技術(shù)的的顯示VRD，它用微型固體體激光器器掃描視網(wǎng)網(wǎng)膜上的的彩色圖圖像。它它的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)是不使使用笨重重的光學(xué)學(xué)設(shè)備，，可能開開發(fā)高分分辨率、、輕便、、低價(jià)格格顯示系系統(tǒng)。但但激光微微掃描顯顯示還面面對大量量技術(shù)障障礙。研究目標(biāo)標(biāo)是產(chǎn)生全全彩色，，寬視場場，高分分辨率，，高亮度度，低價(jià)價(jià)格的虛虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)立體顯顯示。MicrovisionInc..具有該技技術(shù)產(chǎn)品品化的專專有權(quán)。。該技術(shù)術(shù)有很多多潛在的的應(yīng)用，，由軍事事航天應(yīng)應(yīng)用的HMD，到醫(yī)學(xué)學(xué)應(yīng)用。。VRD原理VRD直接把調(diào)調(diào)制的光光線投射射在人眼眼的視網(wǎng)網(wǎng)膜上，，產(chǎn)生光光柵化的的圖像。。觀看者者的幻覺覺是，感感到這個(gè)個(gè)圖像是是在前方方2英尺遠(yuǎn)處處的14英寸監(jiān)視視器上。。實(shí)際上上，圖像像是在眼眼的視網(wǎng)網(wǎng)膜上。。圖像質(zhì)質(zhì)量很高高，有立立體感，，全彩色色，寬視視場，無無閃爍。。VRD的主要特特點(diǎn)如下下：①很小很很輕的眼眼鏡，②②大于120度的大視視場，③③適應(yīng)人人類視覺覺的高分分辨率，，④有更更高彩色色分辨率率的全彩彩色，⑤⑤適用于于室外的的高亮度度，⑥很很低的功功率消耗耗，⑦有有深度感感的真正正的立體體顯示，，⑧具有有看穿的的顯示方方式。（（這類似似于看穿穿的頭盔盔顯示。。在看到到激光掃掃描的虛虛擬圖形形的同時(shí)時(shí)，也看看到真實(shí)實(shí)場景。。）VRD的工作過過程中，，源圖像像是要求求顯示的的圖像。。調(diào)制的的光源是是紅綠藍(lán)藍(lán)三基色色的光源源。水平平和垂直直掃描器器根據(jù)源源圖像對對于光源源進(jìn)行掃掃描。經(jīng)經(jīng)過光學(xué)學(xué)鏡頭，，在人的的視網(wǎng)膜膜上成像像。為什么VRD具有高分分辨率、、寬視場場、高亮亮度和沒沒有閃爍爍的特點(diǎn)點(diǎn)？在普通的的屏幕顯顯示中，，受控的的光線或或光發(fā)射射元素組組成高密密集的陣陣列，這這個(gè)陣列列投影到到各個(gè)象象素。但但在VRD的顯示中中，不存存在其他他屏幕，，象素流直直接投影影到視網(wǎng)網(wǎng)膜。VRD中不具備備象素持持續(xù)性質(zhì)質(zhì)，只有有視網(wǎng)膜膜上光接接受器的的光收集集特性。。因此，，在VRD提供的光光線和人人腦產(chǎn)生生的圖像像質(zhì)量之之間的關(guān)關(guān)系，就就是很重重要的了了。源圖像直直接進(jìn)入入驅(qū)動電電子設(shè)備備中，去去調(diào)制紅紅綠蘭三三色的光光線。每每個(gè)象素素通過水水平和垂垂直掃描描器，在在視網(wǎng)膜膜上產(chǎn)生生光柵化化的圖像像。視網(wǎng)網(wǎng)膜沒有有持續(xù)性性質(zhì)，因因此沒有有閃爍。。產(chǎn)生的的圖像很很亮，有有很高的的分辨率率，有很很寬的視視場。每每個(gè)象素素投影在在視網(wǎng)膜膜上的時(shí)時(shí)間很少少，30-40ns。此外，，該設(shè)備備只消耗耗很少能能量。VRD的顯示設(shè)設(shè)備VRD的攝像設(shè)設(shè)備VRD的主要指指標(biāo)VRD的主要指指標(biāo)：①分辨率率只取決決于光源源的衍射射和像差差②亮度可可達(dá)很高高和很低低，所以以對比度度就很大大③傳統(tǒng)的的顯示器器不會發(fā)發(fā)出很強(qiáng)強(qiáng)的光，，所以很很難在很很亮的環(huán)環(huán)境下看看到，VRD的顯示可可以在很很亮的環(huán)環(huán)境下看看到④CRT只能反射射可見彩彩色光中中的一部部分，VRD發(fā)射高飽飽和的純純彩色光光，其彩彩色逼真真度極高高⑤CRT未把電能能有效地地轉(zhuǎn)成光光能，VRD把所有產(chǎn)產(chǎn)生的光光線投在在視網(wǎng)膜膜，所以以允許很很強(qiáng)的亮亮度和很很小的能能耗⑥VRD很容易改改進(jìn)性能能⑦VRD提供通用用的方法法，適用用于各類類應(yīng)用，，有潛力力降低價(jià)價(jià)格⑧VRD包括很簡簡單的子子系統(tǒng)，，將以低低價(jià)格進(jìn)進(jìn)行大批批量生產(chǎn)產(chǎn)范例-----IVRDIVRD是HITLab為美國海海軍飛行行員研制制的交互互的VRDIVRD課題的目目標(biāo)是飛行員用用這種設(shè)設(shè)備，能能更好地地在強(qiáng)光光下觀看看，有立立體視覺覺，通過過手指指指向顯示示與設(shè)備備交互。。設(shè)備很很輕，耗耗能很少少①高亮度度彩色圖圖像覆蓋蓋在飛行行員的真真實(shí)視場場中②測量在在真實(shí)視視場中增增強(qiáng)圖像像的位置置③測量注注視方向向，以及及在增強(qiáng)強(qiáng)圖像中中眼和手手的位置置④在增強(qiáng)強(qiáng)圖像的的視場中中360度范圍顯顯示傳感感器數(shù)⑤允許觀觀看者要要求顯示示更多信信息。VRD的應(yīng)用包括用于于軍事，，頭盔，，移動電電話，以以及醫(yī)學(xué)學(xué)上范例HMD上的應(yīng)用用。交互的VRD。手持的二二維顯示示VRD技術(shù)醫(yī)學(xué)應(yīng)用用①HMD上的應(yīng)用用。直升機(jī)飛飛行員需要獲取取信息，，以便做做出關(guān)系系生死的的決策。。如果信息息是以圖圖形或直直覺的方方式提供供的，就就能減少少飛行員員的負(fù)擔(dān)擔(dān)，增加加在惡劣劣環(huán)境下下的可視視能力。。HMD在白天和和夜間都都提供全全彩色的的圖形信信息，但但缺乏有有效的數(shù)數(shù)據(jù)接口口的聯(lián)系系?！癡RD技術(shù)的產(chǎn)產(chǎn)品Microvision給軍隊(duì)提提供了單單色雙目目HMD系統(tǒng)，視視場水平平52度，垂直直30度，顯示示行數(shù)960，水平象象素1716，重量2磅（包括括兩個(gè)顯顯示器，，頭盔結(jié)結(jié)構(gòu)，及及光學(xué)系系統(tǒng)），，圖像以以”看穿的方方式“投影，飛飛行員同同時(shí)看到到背景場場景。②交互的的VRD。三維交互互顯示的的VRD技術(shù)，可可以集成成在眼鏡鏡或頭盔盔上，產(chǎn)產(chǎn)生立體體效果。。VRD的顯示設(shè)設(shè)備用于于頭盔顯顯示器VRD的顯示設(shè)設(shè)備用于于看穿的的頭盔顯顯示器VRD現(xiàn)實(shí)設(shè)備備用于軍軍事的示示意圖③手持的的二維顯顯示VRD技術(shù)，集集成進(jìn)手手提電話話，允許許用戶看看商業(yè)網(wǎng)網(wǎng)，因特特網(wǎng)，e-mail，web頁面，傳傳真，文文件等，，如同看看臺式監(jiān)監(jiān)視器。。醫(yī)學(xué)應(yīng)用用美國2%的人有弱弱視。弱弱視的人人不是全全盲，但但不能拿拿到駕駛駛執(zhí)照，，而且難難以閱讀讀和看電電視。原原因可能能是視網(wǎng)網(wǎng)膜的傷傷害（中中心或周周圍視力力的衰減減），或或光路的的傷害（（角膜傷傷害或晶晶狀體傷傷害）。。VRD使得弱視的人人能看到到圖像。1998年，Microvision與Wallace-KetteringNeuroscienceInstitute簽訂了合合同，在在神經(jīng)外外科的安安全帽的的研究上上合作。。沒有視視網(wǎng)膜傷傷害的病病人能通通過他的的視場看看到運(yùn)動動的粒子子，具有有視網(wǎng)膜膜傷害的的病人實(shí)實(shí)際上能能反常地地看到他他自己的的盲區(qū)。。要求病病人跟蹤蹤視覺擾擾動的邊邊緣，于于是就產(chǎn)產(chǎn)生它自自己視網(wǎng)網(wǎng)膜的數(shù)數(shù)字圖像像，這實(shí)實(shí)際上定定位了受受傷的組組織。這這個(gè)圖像像與基底底攝像機(jī)機(jī)拍攝的的照片比比較，基基底攝像像機(jī)獲取取器官內(nèi)內(nèi)表面的的圖像。。基于VRD的工作站站，在過過去一年年掃描了了58個(gè)各種視視網(wǎng)膜疾疾病的病病人。VRD的未來VRD的未來，，將更加加緊湊。。正在開開發(fā)邊緣緣發(fā)射，，超亮度度發(fā)射二二極管，，以及微微型二極極管激光光器。這這將允許許直接的的光調(diào)制制。加上上專用集集成電路路技術(shù)，，產(chǎn)生手手持的VRD設(shè)備。VLSI顯示技術(shù)術(shù)VLSI類顯示MITAI實(shí)驗(yàn)室用用硅VLSI芯片技術(shù)術(shù)實(shí)現(xiàn)這種種顯示特特征。基于硅技技術(shù)的圖圖像傳感感器與液液晶顯示示技術(shù)的的產(chǎn)品相相比，有有著更高高的密度度和性能能的潛力力。查詢思考考LCD最大分辨辨率？象象素間距距？硅傳傳感器制制造的分分辨率？？，點(diǎn)距距？全息顯示示關(guān)于全息息圖全息圖是是一種三維圖像像，它與傳傳統(tǒng)的照照片有很很大的區(qū)區(qū)別傳統(tǒng)的照照片呈現(xiàn)現(xiàn)的是真真實(shí)的物物理圖像像，而全全息圖則則包含了了被記錄錄物體的的尺寸、、形狀、、亮度和和對比度度等信息息。這些些信息儲儲存在一一個(gè)很微微小但卻卻很復(fù)雜雜的干涉涉模式中中。這個(gè)個(gè)干涉模模式是由由激光產(chǎn)產(chǎn)生的。。從三維物物體上反反射出來來的光形形成一個(gè)個(gè)非常復(fù)復(fù)雜的三維干涉涉模式。要記錄錄下整個(gè)個(gè)模式，，使用的的光必須須嚴(yán)格定定向，而而且屬于于同一顏顏色。這這樣的光光叫做相相干光。。因?yàn)榧ぜす馄鳟a(chǎn)產(chǎn)生的光光具有單單一顏色色，而且且所有光光波都協(xié)協(xié)調(diào)同步步，因此此激光是是制作全全息圖的的理想光光源。當(dāng)你用光光照射全全息圖時(shí)時(shí)，儲存存在干涉涉模式中中的信息息就會借借助入射射光再現(xiàn)現(xiàn)由物體體反射出出來的原原始光波波波陣。。你的眼眼睛和大大腦就會會覺得原原來的物物體好像像又出現(xiàn)現(xiàn)在你面面前了。。全息技術(shù)術(shù)是實(shí)現(xiàn)真真實(shí)的三維圖像像的記錄錄和再現(xiàn)現(xiàn)的技術(shù)。。制作全全息圖。。和其他他三維““圖像””不一樣樣的是，，全息圖圖提供了了“視差”。視差差的存在在使得觀觀察者可可以通過過前后、、左右和和上下移移動來觀觀察圖像像的不同同形象——好像有個(gè)個(gè)真實(shí)的的物體在在那里一一樣。全息技術(shù)術(shù)是倫敦敦大學(xué)帝帝國理工工學(xué)院的的DennisGabor博士發(fā)明明的。他他也因此此而獲得得了1971年的諾貝貝爾物理理學(xué)獎。。最初，，Gabor博士只是是希望提提高掃描描電子顯顯微鏡的的解析度度。上世世紀(jì)60年代初期期，密歇歇根大學(xué)學(xué)的研究究員Leith和Upatnieks制作出世世界上第第一組三三維全息息圖像。。這段時(shí)時(shí)間，前前蘇聯(lián)的的YuriDennisyuk也開始嘗嘗試制作作可以用用普通白白光觀看看的全息息圖。全息圖有有何用途途？全息圖在在藝術(shù)、、科學(xué)和和技術(shù)上上有很多多用途。。它可以用用于一些些產(chǎn)品的包包裝上，可以以貼在出出版物的的封面上上，也可可以用于于信用卡、、駕照甚甚至衣服服上以防防假冒。一個(gè)片片面的醫(yī)醫(yī)學(xué)圖像像（例如如一個(gè)CAT掃面圖像像）可以以最終制制作成三三維全息息圖。計(jì)計(jì)算機(jī)生生成的全全息圖也也可以使使工程師師和設(shè)計(jì)計(jì)師的設(shè)設(shè)計(jì)圖樣樣獲得前前所未有有的視覺覺效果。。工程師可可以在生生產(chǎn)過程程中利用用全息圖圖檢查產(chǎn)產(chǎn)品上可可能出現(xiàn)現(xiàn)的裂紋紋及進(jìn)行行質(zhì)量控控制。這這種技術(shù)術(shù)叫做全息無損損檢測。全息圖圖還用于于很多民民用和軍軍用飛機(jī)機(jī)。飛行行員在望望向駕駛駛艙窗外外時(shí)，全全息圖為為他們提提供很多多重要的的信息。。這叫做做智能顯顯示?，F(xiàn)現(xiàn)在，智智能顯示示在一些些汽車上上也可以以看到。。藝術(shù)家可可以利用用全息圖圖進(jìn)行創(chuàng)創(chuàng)作。很很多藝術(shù)術(shù)家覺得得，全息息圖為他他們提供供了一個(gè)個(gè)三維的和和純光學(xué)學(xué)的空間間，使得他他們可以以表達(dá)一一些在“