虛擬現(xiàn)實技術概述-課件

第一章虛擬現(xiàn)實技術概述第一章虛擬現(xiàn)實技術概述虛擬現(xiàn)實定義（一）：由交互式計算機仿真組成的一種媒體，能夠感知參與者的位置和動作，替代或增強一種或多種感覺反饋，從而產(chǎn)生一種精神沉浸或出現(xiàn)在仿真環(huán)境（虛擬世界）中的感覺。虛擬現(xiàn)實定義（一）：采用以計算機技術為核心的現(xiàn)代高科技手段生成逼真的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等一體化的虛擬環(huán)境，用戶從自己的視點出發(fā)，借助特殊的輸入輸出設備，采用自然的方式與虛擬世界的物體進行交互，相互影響。虛擬現(xiàn)實定義（二）：采用以計算機技術為核心的現(xiàn)代高科技手段生成逼真的視覺、聽覺、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)——“3I”圖

Immersion-Interaction-ImaginationImmersionImaginationInteraction虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)——“3I”圖Immersion-Int四類虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)四類虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)投影式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)遠程存在系統(tǒng)（遙在系統(tǒng)）沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實技術概述課件投影式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)投影式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實技術概述課件遠程存在系統(tǒng)（遙在系統(tǒng)）遠程存在系統(tǒng)（遙在系統(tǒng)）增強式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)增強式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實技術概述課件分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)網(wǎng)絡+虛擬現(xiàn)實分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)：

=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虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)：用戶虛擬環(huán)境用戶信息反饋信息第二章虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件虛擬現(xiàn)實技術概述課件用戶+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用戶+硬件+虛擬環(huán)境用戶虛擬環(huán)境用戶信息反饋信息輸入輸出設備必要性：交互性——VR基本特性特殊的人機接口與外部設備是實現(xiàn)人機交互的必要手段商品化，不成熟原型終極目標：

能滿足快速、自然的交互輸入輸出設備必要性：如：身體運動——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。

如：身體運動——3-D位置跟蹤器；VR硬件的系統(tǒng)集成VR系統(tǒng)需要：一個以計算機為核心、將多種I/O交互設備協(xié)調(diào)組合在一起的硬件平臺。計算機系統(tǒng)的功能：保障虛擬三維場景的實時計算和顯示，盡量減少延遲；協(xié)調(diào)各種I/O交互設備之間的工作，確保系統(tǒng)整體運行的性能。PC機、工作站和超級計算機等VR硬件的系統(tǒng)集成VR系統(tǒng)需要：一個以計算機為核心、將多種IVIEW系統(tǒng)組成VR系統(tǒng)平臺——VIEW（VirtualInterfaceEnvironmentWorkstation）VIEWVR系統(tǒng)平臺——VIEW（VirtualInter

VIEW:一組由計算機控制的I/O子系統(tǒng)提供虛擬環(huán)境所需的各種感覺通道的識別和控制功能HP公司的HP900／835SGI的圖形計算機或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——語音識別兩個耳機——三維聲音跟蹤VPL數(shù)據(jù)手套——識別使用者手勢控制系統(tǒng)的行為BOOMCRT顯示器及FakeSpace遠程攝像系統(tǒng)VIEW:一組由計算機控制的I/O子系統(tǒng)三維跟蹤傳感設備立體鼠標傳感手套數(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：三維跟蹤傳感設備典型輸入輸出裝置：跟蹤器的作用：

獲得移動對象的位置和方向信息；應用：

航行、導彈、CG藝術、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的作用：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跟蹤器：跟蹤身體身體跟蹤：VR系統(tǒng)感知參與者位置和動作；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：使用物理對象而不是身體部位來估計參與者的位置；眼睛：眼睛的注視方向跟蹤器跟蹤物體的移動：3-D空間中移動物體的參數(shù)：在移動物體上捆綁一個笛卡爾坐標系，則對象有：三個平移參數(shù)：沿X，Y，Z軸移動；三個旋轉(zhuǎn)參數(shù)：沿X，Y，Z軸旋轉(zhuǎn)，稱為“yaw”，“pitch”，“roll”；六個運動方向相互正交，構(gòu)成六個獨立變量：x，y，z，水平角，俯仰角，偏轉(zhuǎn)角，被稱為6自由度（DegreeofFreedom，DOM）跟蹤器跟蹤物體的移動：3-D空間中移動物體的參數(shù)：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；體驗與經(jīng)驗相違背；定位誤差將給用戶造成一種類似于運動病的癥狀，如眩暈、暈船感、視覺混亂、身體乏力等；不良跟蹤器的后果不良跟蹤器即定位誤差較大的跟蹤器衡量跟蹤器性能的參數(shù)精度抖動偏差延遲更新率衡量跟蹤器性能的參數(shù)跟蹤器的性能參數(shù)－精度跟蹤器的精度

指對象真實的三維位置與跟蹤器測量出的三維位置值之間的差值跟蹤器的性能參數(shù)－精度跟蹤器的精度注意：差值↓

跟蹤器的精度↑

跟蹤器越精確精度的單位：毫米，度精度隨著與坐標原點的距離的增加而降低精度與分辨率不同：一個是表征測得的位置與真實位置的差值，一個是可測得的被跟蹤對象的最小的三維位置變化注意：跟蹤器的性能參數(shù)－抖動跟蹤器的抖動

指當被跟蹤對象固定不變時，跟蹤器輸出結(jié)果的變化。跟蹤器的性能參數(shù)－抖動跟蹤器的抖動注意：理想情況下，抖動應該為零，測得的位置為固定值抖動不是一個常數(shù)，受周圍環(huán)境的影響嚴重的抖動會導致虛擬對象振動和跳動注意：跟蹤器的性能參數(shù)－偏差跟蹤器的偏差

指跟蹤器隨著時間的推移而積累的誤差。跟蹤器的性能參數(shù)－偏差跟蹤器的偏差注意：偏差的根源在于跟蹤器的不準確性偏差與時間相關，時間越長，積累的偏差越大校正：使用另一個無偏差的跟蹤器周期性的對當前的跟蹤器進行零位調(diào)整。注意：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間差跟蹤器的性能參數(shù)－延遲跟蹤器的延遲注意：延遲的原因在于：跟蹤器對移動對象的運動總是滯后的。系統(tǒng)延遲＝測量延遲＋通信延遲＋繪制與顯示延遲導致HMD的運動與用戶看到的虛擬場景的運動之間有很大的時間遲滯對于使用者來說，一方面沉浸感降低，另一方面導致“仿真病”。注意：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）降低延遲的方法：跟蹤器的性能參數(shù)－更新率跟蹤器的更新率

指跟蹤器每秒鐘報告的測量數(shù)據(jù)集的次數(shù)跟蹤器的性能參數(shù)－更新率跟蹤器的更新率3種常用跟蹤技術的主要性能指標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30ms4～5m3光學2mm0.02mm1mm＜1ms4～8m3（可擴展至14m3）3種常用跟蹤技術的主要性能指標跟蹤器類型分辨率精度延遲跟蹤范三維位置跟蹤器類型機械跟蹤器電磁跟蹤器（交流、直流）超聲波跟蹤器光學跟蹤器混合慣性跟蹤器三維位置跟蹤器類型機械跟蹤器機械跟蹤器定義：

機械跟蹤器：一個串行或并行的運動結(jié)構(gòu)，由多個帶有傳感器的關節(jié)連接在一起的連桿構(gòu)成。機械跟蹤器定義：虛擬現(xiàn)實技術概述課件Gypsy動作捕獲系統(tǒng)無線動作捕獲系統(tǒng)范圍：在戶外的有效距離可以達到0.8公里，相當于450個足球場的范圍；室內(nèi)的范圍為180米沒有攝象頭--直接記錄人體的身體動作操作非常簡單便攜Gypsy動作捕獲系統(tǒng)無線動作捕獲系統(tǒng)Gypsy特點：15個關節(jié)位置由42個單向?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使用了腳步微動開關使用了陀螺儀Gypsy特點：虛擬現(xiàn)實技術概述課件機械跟蹤器的優(yōu)點簡單易用精度保持相對穩(wěn)定，基本取決于關節(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跟蹤器，不存在視覺阻擋問題機械跟蹤器的優(yōu)點簡單易用機械跟蹤器的缺點工作范圍有限：機械臂有尺寸限制，過長則重量和慣性增加，機械振動敏感性增加。自由度小跟重量有關的人機工程學問題機械跟蹤器的缺點工作范圍有限：機械臂有尺寸限制，過長則重量和三維位置跟蹤器類型機械跟蹤器電磁跟蹤器（交流、直流）超聲波跟蹤器光學跟蹤器混合慣性跟蹤器三維位置跟蹤器類型機械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、陀螺儀。定義：電磁跟蹤器：一種非接觸式的位置測量設備，由一個固定發(fā)射器產(chǎn)生電磁場，確定移動接受單元的實時位置。非接觸式跟蹤器的原理介質(zhì)：電磁、超聲波、紅外照相、LED、加電磁跟蹤器：發(fā)射器：發(fā)射磁場接收器：接受磁場，將信號送到控制部件控制部件：計算得出跟蹤目標的數(shù)據(jù)優(yōu)點：不受視線阻擋的限制電磁跟蹤器：交流電磁跟蹤器基本原理：發(fā)射器：（三個相互垂直的線圈天線）依次產(chǎn)生三個正交交流磁場接收器（三個正交線圈）產(chǎn)生9個電壓值計算接收器相對于發(fā)射器的位置和方向。交流電磁跟蹤器基本原理：Polhemus跟蹤器Polhemus公司生產(chǎn)方位跟蹤器：Isotrak3Space跟蹤器FastrakPolhemus跟蹤器VPLDataGlove：IsotrackIsoTrack特點：交流電磁式延遲：30ms采樣率：60抖動：1度，導致顫動VPLDataGlove：IsotrackIsoTrackFASTRAK：非金屬上的快速動作捕捉器，取樣頻率達每秒120次；適用于頭部跟蹤、手部跟蹤、儀器追蹤、生物機械分析、機械臂動作捕捉等應用VPLDataGlove：FastrackFASTRAK：非金屬上的快速動作捕捉器，取樣頻率達每秒12FastTrack特點：交流電磁式使用DSP體系結(jié)構(gòu)采樣率：120抖動：0.1度工作范圍：0.75m,3×0.75m可掛接多個接收器，采樣率隨之下降FastTrack特點：交流電磁跟蹤器的缺點強磁場環(huán)境：金屬物質(zhì)：交變磁場中會產(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：避免附近有強磁場、大塊金屬和磁性物質(zhì)存在。交流電磁跟蹤器的缺點強磁場環(huán)境：措施：避免附近有強磁場、大虛擬現(xiàn)實技術概述課件直流電磁跟蹤系統(tǒng)：減少畸變渦流的影響只在測量周期開始時產(chǎn)生渦流渦流衰減到零時系統(tǒng)會達到一種穩(wěn)定狀態(tài)直流電磁跟蹤系統(tǒng)：減少畸變渦流的影響直流電跟蹤器基本原理：發(fā)射器（三個相互垂直的線圈天線）依次產(chǎn)生三個脈沖磁場接收器（三個磁力計或霍爾效應傳感器）產(chǎn)生9個電壓值，計算接收器相對于發(fā)射器的位置和方向直流電跟蹤器基本原理：Ascension技術公司直流電磁跟蹤器：BirdFlockofBirdsERT（BigBird）Ascension技術公司直流電磁跟蹤器：AscensionBird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。特點：減小由金屬物體所感應的畸變渦流場，渦流只在磁場發(fā)生變化時產(chǎn)生。Polhemus3space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產(chǎn)生渦流。一旦磁場達到了穩(wěn)態(tài)，就不再產(chǎn)生渦流AscensionBird跟蹤器三維位置跟蹤器類型機械跟蹤器電磁跟蹤器（交流、直流）超聲波跟蹤器光學跟蹤器混合慣性跟蹤器三維位置跟蹤器類型機械跟蹤器超聲波跟蹤器定義：

利用不同聲源的聲音到達某一特定地點的時間差、相位差及聲壓差，進行定位與跟蹤。超聲波跟蹤器定義：Piltdown三維羅盤六自由度的實時方向和位置跟蹤器第一個使用相位相干技術的商用跟蹤器。位置的跟蹤：使用超音速技術來實現(xiàn)的，不受外部磁場和鋼鐵材料的影響Piltdown三維羅盤羅盤控制單元：控制羅盤操作，管理數(shù)據(jù)采集，位置計算。發(fā)射器系統(tǒng)：發(fā)射不同的頻率超音速信號。接收器系統(tǒng)：采集發(fā)射器系統(tǒng)發(fā)射的超音速信號，通過電纜把它們傳回控制單元?？刂茊卧和ㄟ^RS-232C接口與主機進行通信。羅盤控制單元：三維位置跟蹤器立體鼠標傳感手套數(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三維位置跟蹤器2、立體鼠標普通鼠標:平面運動立體鼠標：六個自由度的運動Spacemouse，如3Space公司的SpaceBallcubicmouseSpaceBall50002、立體鼠標普通鼠標:平面運動SpaceBall50003Dconnexion公司的Spacemouse3Dconnexion公司的Spacemouse三維鼠標三維鼠標三維位置跟蹤器立體鼠標傳感手套數(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三維位置跟蹤器VR強調(diào)以自然方式進行交互——手勢把手勢用于人機交互：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的各種姿態(tài)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送給計算機；3、傳感手套VR強調(diào)以自然方式進行交互——手勢3、傳感手套傳感手套要配備位置跟蹤器以檢測手的實際位置和方位；傳感手套：數(shù)據(jù)手套、賽伯手套、威力手套、手控制器、說話手套傳感手套要配備位置跟蹤器以檢測手的實際位置和方位；最早的傳感手套（VPL）把人手的動作轉(zhuǎn)化為計算機的輸入信號；構(gòu)成：很輕的彈性材料構(gòu)成。彈性材料緊貼在手上，同時附許多位置、方向傳感器和光纖導線，以檢測手的運動。光纖：測量手指的彎曲、伸展，通過光電轉(zhuǎn)換，手指的動作信息被計算機識別。DataGlove最早的傳感手套（VPL）DataGlove光導纖維傳感器：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。光導纖維傳感器：監(jiān)視手指彎曲和伸展工作原理：光導纖維：測量手指角度。當光導纖維彎曲時，傳輸?shù)墓鈱袚p失，傳輸?shù)墓饬颗c其彎曲程度有關。手指關節(jié)運動時，纖維彎曲導致光的散失。工作原理：高精度傳感器系統(tǒng)，準確跟蹤人手的復雜運動外輪廓附著在手的背面，監(jiān)視手的整個運動過程每一個手指關節(jié)上附著一個HallEffect傳感器，測量手指三個彎曲動作及手指間的動作。測量20個關節(jié)的角度，并將數(shù)據(jù)送給主機。

EXOS的精巧手控設備EXOS精巧手控設備高精度傳感器系統(tǒng)，準確跟蹤人手的復雜運動EXOS精巧手控設備為家庭視頻游戲市場專門設計的，性能比其他同類產(chǎn)品低得多，但價格較為便宜使用基于有一恒定彈力的塑料的張力測量儀。一個單獨的傳感器一次測量所有關節(jié)，不能檢測某一特殊的關節(jié)。PowerGlove為家庭視頻游戲市場專門設計的，性能比其他同類產(chǎn)品低得多，但價Virtex公司的一種新高精度關節(jié)傳感技術，被廣泛用來創(chuàng)建、終止、定位三維物體。有22個傳感器，每個手指三個彎曲傳感器和一個外展肌傳感器。拇指與小手指由一傳感器相連，手腕處有一傳感器。一個高精度設備，能提供準確而連續(xù)的輸出。CyberGloveVirtex公司的一種新高精度關節(jié)傳感技術，被廣泛用來創(chuàng)建、傳感手套DataGloveCyberGloveCyberGrasp傳感手套DataGloveCyberGloveCyberG虛擬現(xiàn)實技術概述課件三維位置跟蹤器傳感手套立體鼠標數(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三維位置跟蹤器識別全身運動對人體大約50多個不同的關節(jié)進行測量，包括膝蓋、手臂、軀干和腳。通過光電轉(zhuǎn)換，身體的運動信息被計算機識別。光纖系統(tǒng):大量光纖裝在一個緊身衣服上，能測量肢體的位置，用計算機重建出圖象。4、數(shù)據(jù)衣識別全身運動4、數(shù)據(jù)衣問題??人外形變化太大需要使用多個空間跟蹤器：檢測肢體伸展狀況檢測肢體的空間位置及方向多個跟蹤器提高計算速度，達到實時性更加困難。問題??人外形變化太大三維位置跟蹤器傳感手套立體鼠標數(shù)據(jù)衣立體顯示設備3-D聲音生成器觸覺和力覺反饋裝置三維位置跟蹤器5、立體顯示設備立體顯示原理常用立體顯示裝置HMDBOOM立體眼鏡立體投影顯示3D顯示器5、立體顯示設備立體顯示原理立體視覺：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?？次矬w時，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），這個差別稱為“視差”。大腦根據(jù)視差，產(chǎn)生物體遠近位置的信息這種信息的直觀表現(xiàn)即立體感。

（1）立體顯示原理立體視覺：人眼感覺到空間立體感的主要原因；（1）立體顯示原虛擬現(xiàn)實技術概述課件虛擬現(xiàn)實技術概述課件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，就會產(chǎn)生立體感。立體顯示設備就是為了實現(xiàn)這樣的一個過程。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)別的首先，產(chǎn)生兩副具有視差的畫面真實場景：用兩架照相機相距一定的距離同時拍攝即可得到具有視差的兩副畫面；3D游戲：通過計算來得到具有視差的兩副畫面。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首先，產(chǎn)生兩副具有視差的畫面立體圖的繪制對同一場景用左右兩個視點分別計算其透視圖，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的繪制立體圖象的顯示：1、同時顯示左右兩幅圖象稱為同時顯示技術（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的濾波片，使雙眼只能看到相應的圖象；此技術在20世紀50年代被廣泛應用于立體電影放映中；立體圖象的顯示：立體圖象的顯示：2、以一定的頻率交替顯示兩幅圖象

稱為分時顯示技術（time-multiplexed），兩幅圖象的交替頻率通常為30Hz；同時為了保證每只眼睛只能看到各自相應的圖象，用戶通過以相同頻率同步切換的立體眼鏡來觀察圖象；立體圖象的顯示：應用現(xiàn)代計算機圖形學和可視化領域中使用光柵顯示器，光柵顯示器的顯示方式和顯示內(nèi)容是無關的；分時顯示技術能夠容易地通過光柵顯示技術來實現(xiàn)，所以在立體圖的顯示中占據(jù)了主導地位。應用（2）常用立體顯示器立體眼鏡HMDBOOM立體投影顯示3D顯示器（2）常用立體顯示器立體眼鏡立體眼鏡：保證用戶左右眼只能看到對應的左右視圖；包括：主動立體眼鏡（有源立體眼鏡）被動立體眼鏡（無源立體眼睛）——立體眼鏡立體眼鏡：保證用戶左右眼只能看到對應的左右視圖；——立體眼鏡立體眼鏡立體眼鏡主動（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)視器顯示左右眼視圖的頻率發(fā)射紅外控制信號；眼鏡的液晶調(diào)制器接收紅外控制信號主動（有源）立體眼鏡眼鏡接到紅外控制信號后，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，但價格昂貴；眼鏡接到紅外控制信號后，調(diào)制鏡片上液晶的通斷狀態(tài)，即控制左右被動（無源）立體眼鏡根據(jù)光的偏震原理設計，左右鏡片是兩片正交的偏震濾光片，分別只允許一個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)制器被動（無源）立體眼鏡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；無源立體眼鏡價格低廉，無須紅外發(fā)射器；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——頭盔式立體顯示器（HMD）——頭盔式立體顯示器（HMD）頭盔式立體顯示器是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，用機械方法固定，頭盔顯示器與頭之間不能有相對運動；頭盔式立體顯示器是VR普遍采用的立體顯示器頭盔式立體顯示器（HMD）頭盔上裝有位置跟蹤器，可實時測出頭部的位置和朝向，并輸入計算機；計算機根據(jù)這些數(shù)據(jù)生成反映當前位置和朝向的場景圖象并顯示在頭盔顯示器的屏幕上；頭盔式立體顯示器（HMD）用戶只能看到計算機生成的虛擬世界，看不到其所處的現(xiàn)實世界，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；用戶只能看到計算機生成的虛擬世界，看不到其所處的現(xiàn)實世界，從三維空間傳感器HMD三維空間傳感器HMD基于LCD的頭盔式顯示器優(yōu)點：便宜缺點：LCD分辨率有限基于LCD的頭盔式顯示器Eyephone頭盔式顯示器

使用單色的便攜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光學器件顯示。使用了Fresnel透鏡，比最初的LEEP視覺系統(tǒng)輕。Eyephone頭盔式顯示器VPLHRX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個彩色象素，能夠顯示較高分辨率的圖象VPLHRX型EyephoneVirtualResearch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計很好，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。

VirtualResearch的飛行頭盔基于CRT的頭盔式顯示器優(yōu)點：低成本小規(guī)格高分辨率虛擬現(xiàn)實技術概述課件帶有光導纖維的頭盔式顯示器

CRT設備比LCD有較高的分辨率，但很笨重。因為電子束直徑、點的聚焦和磷光體顆粒大小等原因影響CRT的分辨率。帶有光導纖維的頭盔式顯示器解決方法：使用一個大屏幕、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纖維用來把CRT的圖象傳送給頭盔上的視覺系統(tǒng)。優(yōu)點：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。解決方法：——BOOMLCD和CRT的HMD都會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制和快速圖形繪制NASA的研究與VIEW項目結(jié)合產(chǎn)生了“基于平衡CRT的立體觀察器CCSV”，它使用一個機械臂支撐CRT——BOOMLCD和CRT的HMD都會受到頭部跟蹤延遲的影響CCSV的概念由Fakespace公司發(fā)展為“BOOM”（BinocularOmni-OrientationalMonitor，雙目全方位監(jiān)視器）半投入式視覺顯示設備。類似于一對雙目望遠鏡，把兩個獨立的CRT顯示器捆綁在一起，用戶用手操縱顯示器的位置，觀察一個可移動的、寬視角的虛擬空間CCSV的概念由Fakespace公司發(fā)展為“BOOM”（B——立體投影顯示基于空間投影的顯示技術CAVE洞穴式立體顯示裝置90年代初由美國Illinois大學EVL實驗室為克服HMD存在的問題而研制的一個10X10X9英尺大小的房間；每一面墻與地板均由大屏幕背投影機投上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；——立體投影顯示基于空間投影的顯示技術虛擬現(xiàn)實技術概述課件CAVE系統(tǒng)中配有三維立體聲系統(tǒng)；CAVE系統(tǒng)的關鍵是計算投影和形成立體圖形，投影面相當于墻面；特點：讓幾個用戶同時沉浸在同一個虛擬世界中進行協(xié)同工作；CAVE系統(tǒng)中配有三維立體聲系統(tǒng)；虛擬現(xiàn)實技術概述課件——3D顯示器讓畫面充滿在整個空間；MIT媒體實驗室發(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：對顯示器周圍的環(huán)境沒有任何嚴格的要求?！?D顯示器讓畫面充滿在整個空間；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等離子顯示器的。3D顯示器經(jīng)過兩部分的處理。虛擬現(xiàn)實技術概述課件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顯示設備要使用一個設備（液晶眼鏡、紅藍眼鏡等）來分離左右眼畫面，現(xiàn)在的3D顯示器則無需這樣的設備，所以稱為autostereoscopic或者glassless——不需佩戴3D眼鏡可以直接看Autostereoscopic：代表性的3D顯示器：德國4D-Vision公司的4D-Vision技術DTI的視差照明技術ParallaxIllumination）利浦的多重視點技術（Multiview3D-LCD）德累斯頓大學的D4D技術代表性的3D顯示器：4D-Vision最吸引人的產(chǎn)品就是4D50將3D技術應用于50英寸大屏幕等離子顯示器，造就一款極具震撼力的產(chǎn)品。4D-Vision最吸引人的產(chǎn)品就是4D50DTI的視差照明技術ParallaxIlluminationDTI的2015XLS顯示器照片

DTI的視差照明技術ParallaxIlluminatio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。原理：飛利浦的多重視點Multiview3D-LCD飛利浦在3D顯示器方面，采用了多重視點的技術。飛利浦的多重視點Multiview3D-LCD原理：把多視點圖像進行分解，按像素劃分成豎列然后把豎列交叉排列拼成一副圖像原理：Dresden3DDisplay（D4D）德累斯頓技術大學D4Dc_181照片Dresden3DDisplay（D4D）德累斯頓技術大增加軌跡探測系統(tǒng)，跟蹤腦袋的位置，實時調(diào)整顯示器左右畫面反射角度，達到很好的觀看效果，不受位置限制。不能用于多人觀看增加軌跡探測系統(tǒng)，跟蹤腦袋的位置，實時調(diào)整顯示器左右畫面反射未來立體顯示器展望

360度顯示器照片未來立體顯示器

目前的3D顯示器，屬于單視點的立體顯示裝置，重現(xiàn)的是在某一點的立體視覺效果，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的類似全息技術的效果，可通過改變視點看場景或物體的其它面。目前的3D顯示器，屬于單視點的立體顯示裝置，重現(xiàn)的是在某一點三維位置跟蹤器傳感手套立體鼠標數(shù)據(jù)衣顯示設備3-D聲音生成器觸覺反饋三維位置跟蹤器6、3-D聲音生成器3-D聲音不是立體聲，是指由計算機生成的、能由人工設定聲源在空間中三維位置的一種聲音；3-D聲音生成器是利用人類定位聲音的特點生成出3-D聲音的一套軟硬件系統(tǒng)；6、3-D聲音生成器3-D聲音不是立體聲，是指由計算機生成的三維位置跟蹤器傳感手套立體鼠標數(shù)據(jù)衣顯示設備3-D聲音生成器觸覺反饋三維位置跟蹤器VR產(chǎn)生“沉浸”效果的關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，并在操作的同時能夠感覺到虛擬物體的反作用力。沒有力覺反饋作用的系統(tǒng)至少有兩個缺點：首先是缺乏真實感；其次是給視覺計算帶來麻煩7、觸覺反饋VR產(chǎn)生“沉浸”效果的關鍵因素之一是用戶能否用手或身體的其他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的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、滑動和溫度等實時信息。它不會主動抵抗用戶的觸摸運動，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、對象的重量和慣性等實時信息。它主動抵抗用戶的觸摸運動，并能阻止該運動。觸覺反饋接口的要求：真實性安全性輕便舒適性折中性接觸反饋：力反饋：觸覺反饋接口的要求：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15度－45度的溫度敏感，并引發(fā)疼痛人類觸覺系統(tǒng)－感知類型1、觸覺感知：2、溫度感知：3、本體感知：

即人對自己身體位置和運動的感知。神經(jīng)系統(tǒng)、觸覺傳感器共同作用的結(jié)構(gòu)。4、肌肉運動感知：人所感知的肌肉的收縮與伸展。是對本體感受的補充。肌肉疲勞感知，影響對力的判斷3、本體感知：4、肌肉運動感知：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觸覺手套（CyberTouch）溫度反饋手套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觸覺手觸覺鼠標－iFeeliFeel工作原理：

在普通鼠標結(jié)構(gòu)的基礎上增加一個電子激勵器，其中的質(zhì)量塊隨著磁場的變化上下運動，從而產(chǎn)生振動，使得手得到振動觸覺的回饋。

觸覺鼠標－iFeeliFeel工作原理：iFeel特點：使用電子激勵器，振動式振動幅度和頻率可調(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：40美元iFeel特點：觸覺手套－CyberTuch觸覺手套－CyberTuchCyberTuch工作原理：

CyberTuch特點：使用6個振動激勵器（直流、離心質(zhì)體）帶手勢接口傳感器可產(chǎn)復雜的觸覺反饋模式用戶大的運動自由度RS－232接口售價：15000美元CyberTuchCyberTuch特點：虛擬現(xiàn)實技術概述課件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)（如高導熱性的金屬和低導熱性的木頭等），從而提高虛擬環(huán)境的真實感

溫度反饋手套中對熱量激勵器的要求：能進行較快的溫度變化。（熱傳導、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溫度反饋手套溫度反饋手套的作用：溫度反饋手套中對熱量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觸覺手套（CyberTouch）溫度反饋手套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觸覺手力反饋接口力反饋接口的特點：能提供真實的力來阻止用戶的運動，使用戶感到力的存在需要更大的激勵器和更重的結(jié)構(gòu)，更昂貴和復雜需牢固地固定，以防滑動和事故一個重要特性是機械帶寬機械帶寬：

力反饋接口的機械帶寬表示用戶（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）力反饋接口力反饋接口的特點：機械帶寬：力反饋接口力反饋操縱桿（Joystick）PhanTom臂HapticMaster臂CyberGrasp手套CyberForce力反饋接口力反饋操縱桿（Joystick）力反饋操縱桿特點：簡單、便宜三自由度、兩個自由度上有力反饋按鈕有反饋直流電子激勵器產(chǎn)生中等大小的力有較大的機械帶寬

典型設備－Logitech

的

WingManForce3D力反饋操縱桿特點：典型設備－Logitech的操縱桿的力反饋系統(tǒng)操縱桿的力反饋系統(tǒng)力反饋接口力反饋操縱桿PhanTom臂HapticMaster臂CyberGrasp手套CyberForce力反饋接口力反饋操縱桿PhanTom特點小型桌面，鐵筆末端，直觀六自由度，三個活躍自由度提供反饋三個力反饋激勵器位置解碼器，跟蹤位置能提供比較真實的碰撞反饋，特別是與堅硬物體的碰撞機械帶寬比較小接口：并行接口反饋力比較?。撼掷m(xù)力1.7N,峰值6.4N。價格：16000美元PhanTom特點虛擬現(xiàn)實技術概述課件力反饋接口力反饋操縱桿PhanTom臂HapticMaster臂CyberGrasp手套CyberForce力反饋接口力反饋操縱桿HapiticMaster臂特點較大型的柱狀機器人，更大的工作范圍三自由度：旋轉(zhuǎn)、上下移動、前后移動主要用途：VR輔助康復醫(yī)療等較大的力反饋：250N機械帶寬較小慣性較大價格：34000美元HapiticMaster臂特點虛擬現(xiàn)實技術概述課件虛擬現(xiàn)實技術概述課件力反饋接口力反饋操縱桿PhanTom臂HapticMaster臂CyberGrasp手套CyberForce力反饋接口力反饋操縱桿CyberGrasp特點手腕三維跟蹤器靈活的手勢、運動空間激勵器通過機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、手勢信息、力、以太網(wǎng)通信較大的力反饋：16N價格：39000美元CyberGrasp特點虛擬現(xiàn)實技術概述課件虛擬現(xiàn)實技術概述課件力反饋接口力反饋操縱桿PhanTom臂HapticMaster臂CyberGrasp手套CyberForce力反饋接口力反饋操縱桿CyberForce特點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：0.3m×0.3m×0.5m價格：56000美元(加CyberGrasp)CyberForce特點虛擬現(xiàn)實技術概述課件VR系統(tǒng)中人的因素VR系統(tǒng)組成：計算機，接口和用戶。

接口設計必須考慮人的因素，人的因素與VR系統(tǒng)性能直接相關。VR系統(tǒng)中人的因素VR系統(tǒng)組成：VR系統(tǒng)中人的因素眼睛耳朵身體感覺平衡和運動眩暈VR系統(tǒng)中人的因素眼睛眼睛——調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)作用保證某個距離的物體清晰，而其它距離物體模糊。這起了濾波器的作用，使人集中關注視場中部分區(qū)域。在HMD中沒有調(diào)節(jié)，2個圖象聚焦在2到3米距離。眼睛——調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)作用保證某個距離的物體清晰，而其它距離物體模眼睛——視覺暫留

視覺暫留是視網(wǎng)膜的電化學現(xiàn)象造成視覺的反應時間。當觀看很短的光脈沖時，視桿細胞得到約0.25s的峰，視錐細胞快4倍(0.04s)。這種現(xiàn)象造成視覺暫留。是電影、電視、VR顯示的基礎。

眼睛——視覺暫留視覺暫留是視網(wǎng)膜的電化學現(xiàn)象造成視覺的反應眼睛——臨界熔合頻率臨界熔合頻率(CriticalFusionFregnency,CFF)效果會產(chǎn)生把離散圖象序列組合成連續(xù)視覺的能力，CFF最低20Hz，并取決于圖象尺寸和亮度。眼睛——臨界熔合頻率臨界熔合頻率(CriticalFusi眼睛——立體視覺HMD提供兩個顯示，不但應保持雙目視差，而且應該重疊。實際上,由于兩眼有6.5cm的瞳距，所以兩者視場總有些差別,有不重疊的區(qū)域。

眼睛——立體視覺HMD提供兩個顯示，不但應保持雙目視差，而且眼睛——視場雙目的視場約為水平±1000，垂直±600，而水平的雙目重疊視場1200。實際的全景顯示可能產(chǎn)生水平±1000，垂直±300視場，這已經(jīng)有強的沉浸感。頭盔顯示（HMD顯示）的主要問題是分辯率、彩色、視場、場深度、動態(tài)范圍、光學失真與全面沉浸感。

眼睛——視場雙目的視場約為水平±1000，垂直±600，而水VR系統(tǒng)中人的因素眼睛耳朵身體感覺平衡和運動眩暈VR系統(tǒng)中人的因素眼睛耳朵——聲音耳聽到的頻率范圍約20Hz到20kHz。隨年歲增加，頻率范圍縮小，特別是高頻段。人耳的尺寸約7cm，這是5kHz的波長。這說明耳會影響這種頻率聲音的收集。人的身體也會與聲波交互，這也會影響聲音的質(zhì)量。這類似音樂廳中的音響效果。

耳朵——聲音耳聽到的頻率范圍約20Hz到20kHz。隨年歲增耳朵——聲音感覺耳分為外耳、中耳、內(nèi)耳。外耳把聲音引導進內(nèi)耳，它也作為濾波器而改變聲音。把手放在耳前面，就會感到聲音變化。聲音最終沖擊耳膜，使之振動。耳膜振動再傳到耳蝸，并且振動加大20倍。

耳朵——聲音感覺耳分為外耳、中耳、內(nèi)耳。外耳把聲音引導進內(nèi)耳耳朵——聲音方向一般認為，人腦識別聲源位置，是利用兩耳收到的聲音的時間差和聲音幅度差。當人面對聲源時，兩耳的聲強和路徑相等。當人向左轉(zhuǎn)以后，右耳聲音比左耳強，且更早聽到。若兩耳路徑之差為20cm，則時間差0.6ms。

耳朵——聲音方向一般認為，人腦識別聲源位置，是利用兩耳收到VR系統(tǒng)中人的因素眼睛耳朵身體感覺平衡和運動眩暈VR系統(tǒng)中人的因素眼睛身體感覺涉及到感覺表面粗糙、振動、運動、位置、壓力、疼痛和溫度。按身體不同部位，可分四類：

深部感覺：它提供關節(jié)、骨、腱、肌肉和其它組織的信息，涉及壓力、疼痛和振動。

內(nèi)臟感覺：它提供胸腹腔中的內(nèi)臟的狀況，主要是疼痛。

身體感覺涉及到感覺表面粗糙、振動、運動、位置、壓力、疼痛和溫本體感覺：它提供身體的位置，平衡和肌肉感覺。也涉及與其它物體的接觸，如站在地上、躺在床上。本體感覺接受器位于關節(jié)、肌肉和深部組織。外感受感覺：它是身體表面的接觸感覺。

本體感覺：它提供身體的位置，平衡和肌肉感覺。也涉及與其它物體VR系統(tǒng)中人的因素眼睛耳朵身體感覺平衡和運動眩暈VR系統(tǒng)中人的因素眼睛平衡平衡是在飛行仿真和運動眩暈中的問題眩暈的原因很多，但往往來自視覺和前庭器官信息的沖突。例如在固定座艙的飛行仿真中，視覺接收人體運動感覺，前庭器官不感覺人體運動。又如在乘車旅行中，前庭器官感覺人體與車同時的運動，視覺沒有或較少接收人體運動感覺。

平衡平衡是在飛行仿真和運動眩暈中的問題運動眩暈VR中的HMD考慮了瞳距等因素。但沒有考慮運動眩暈等因素。沉浸感顯示的副作用：

用HMD看不同遠處物體時，不能用會聚和調(diào)節(jié)，使人不適應。HMD與內(nèi)瞳距不匹配也使眼疲勞運動眩暈VR中的HMD考慮了瞳距等因素。但沒有考慮運動眩暈等VR運動眩暈：150個實驗者，有8人產(chǎn)生強烈眩暈實驗者經(jīng)歷了20分鐘沉浸環(huán)境5分鐘：22%10分鐘：32%15分鐘：40%20分鐘：45%人沉浸經(jīng)歷后5分鐘：36%10分鐘后還有27%的人眩暈VR運動眩暈：150個實驗者，有8人產(chǎn)生強烈眩暈第一章虛擬現(xiàn)實技術概述第一章虛擬現(xiàn)實技術概述虛擬現(xiàn)實定義（一）：由交互式計算機仿真組成的一種媒體，能夠感知參與者的位置和動作，替代或增強一種或多種感覺反饋，從而產(chǎn)生一種精神沉浸或出現(xiàn)在仿真環(huán)境（虛擬世界）中的感覺。虛擬現(xiàn)實定義（一）：采用以計算機技術為核心的現(xiàn)代高科技手段生成逼真的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等一體化的虛擬環(huán)境，用戶從自己的視點出發(fā)，借助特殊的輸入輸出設備，采用自然的方式與虛擬世界的物體進行交互，相互影響。虛擬現(xiàn)實定義（二）：采用以計算機技術為核心的現(xiàn)代高科技手段生成逼真的視覺、聽覺、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)——“3I”圖

Immersion-Interaction-ImaginationImmersionImaginationInteraction虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)——“3I”圖Immersion-Int四類虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)四類虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)投影式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)遠程存在系統(tǒng)（遙在系統(tǒng)）沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實技術概述課件投影式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)投影式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實技術概述課件遠程存在系統(tǒng)（遙在系統(tǒng)）遠程存在系統(tǒng)（遙在系統(tǒng)）增強式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)增強式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實技術概述課件分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)網(wǎng)絡+虛擬現(xiàn)實分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)：

=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虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)：用戶虛擬環(huán)境用戶信息反饋信息第二章虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件虛擬現(xiàn)實技術概述課件用戶+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用戶+硬件+虛擬環(huán)境用戶虛擬環(huán)境用戶信息反饋信息輸入輸出設備必要性：交互性——VR基本特性特殊的人機接口與外部設備是實現(xiàn)人機交互的必要手段商品化，不成熟原型終極目標：

能滿足快速、自然的交互輸入輸出設備必要性：如：身體運動——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。

如：身體運動——3-D位置跟蹤器；VR硬件的系統(tǒng)集成VR系統(tǒng)需要：一個以計算機為核心、將多種I/O交互設備協(xié)調(diào)組合在一起的硬件平臺。計算機系統(tǒng)的功能：保障虛擬三維場景的實時計算和顯示，盡量減少延遲；協(xié)調(diào)各種I/O交互設備之間的工作，確保系統(tǒng)整體運行的性能。PC機、工作站和超級計算機等VR硬件的系統(tǒng)集成VR系統(tǒng)需要：一個以計算機為核心、將多種IVIEW系統(tǒng)組成VR系統(tǒng)平臺——VIEW（VirtualInterfaceEnvironmentWorkstation）VIEWVR系統(tǒng)平臺——VIEW（VirtualInter

VIEW:一組由計算機控制的I/O子系統(tǒng)提供虛擬環(huán)境所需的各種感覺通道的識別和控制功能HP公司的HP900／835SGI的圖形計算機或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——語音識別兩個耳機——三維聲音跟蹤VPL數(shù)據(jù)手套——識別使用者手勢控制系統(tǒng)的行為BOOMCRT顯示器及FakeSpace遠程攝像系統(tǒng)VIEW:一組由計算機控制的I/O子系統(tǒng)三維跟蹤傳感設備立體鼠標傳感手套數(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：三維跟蹤傳感設備典型輸入輸出裝置：跟蹤器的作用：

獲得移動對象的位置和方向信息；應用：

航行、導彈、CG藝術、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的作用：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跟蹤器：跟蹤身體身體跟蹤：VR系統(tǒng)感知參與者位置和動作；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：使用物理對象而不是身體部位來估計參與者的位置；眼睛：眼睛的注視方向跟蹤器跟蹤物體的移動：3-D空間中移動物體的參數(shù)：在移動物體上捆綁一個笛卡爾坐標系，則對象有：三個平移參數(shù)：沿X，Y，Z軸移動；三個旋轉(zhuǎn)參數(shù)：沿X，Y，Z軸旋轉(zhuǎn)，稱為“yaw”，“pitch”，“roll”；六個運動方向相互正交，構(gòu)成六個獨立變量：x，y，z，水平角，俯仰角，偏轉(zhuǎn)角，被稱為6自由度（DegreeofFreedom，DOM）跟蹤器跟蹤物體的移動：3-D空間中移動物體的參數(shù)：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；體驗與經(jīng)驗相違背；定位誤差將給用戶造成一種類似于運動病的癥狀，如眩暈、暈船感、視覺混亂、身體乏力等；不良跟蹤器的后果不良跟蹤器即定位誤差較大的跟蹤器衡量跟蹤器性能的參數(shù)精度抖動偏差延遲更新率衡量跟蹤器性能的參數(shù)跟蹤器的性能參數(shù)－精度跟蹤器的精度

指對象真實的三維位置與跟蹤器測量出的三維位置值之間的差值跟蹤器的性能參數(shù)－精度跟蹤器的精度注意：差值↓

跟蹤器的精度↑

跟蹤器越精確精度的單位：毫米，度精度隨著與坐標原點的距離的增加而降低精度與分辨率不同：一個是表征測得的位置與真實位置的差值，一個是可測得的被跟蹤對象的最小的三維位置變化注意：跟蹤器的性能參數(shù)－抖動跟蹤器的抖動

指當被跟蹤對象固定不變時，跟蹤器輸出結(jié)果的變化。跟蹤器的性能參數(shù)－抖動跟蹤器的抖動注意：理想情況下，抖動應該為零，測得的位置為固定值抖動不是一個常數(shù)，受周圍環(huán)境的影響嚴重的抖動會導致虛擬對象振動和跳動注意：跟蹤器的性能參數(shù)－偏差跟蹤器的偏差

指跟蹤器隨著時間的推移而積累的誤差。跟蹤器的性能參數(shù)－偏差跟蹤器的偏差注意：偏差的根源在于跟蹤器的不準確性偏差與時間相關，時間越長，積累的偏差越大校正：使用另一個無偏差的跟蹤器周期性的對當前的跟蹤器進行零位調(diào)整。注意：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間差跟蹤器的性能參數(shù)－延遲跟蹤器的延遲注意：延遲的原因在于：跟蹤器對移動對象的運動總是滯后的。系統(tǒng)延遲＝測量延遲＋通信延遲＋繪制與顯示延遲導致HMD的運動與用戶看到的虛擬場景的運動之間有很大的時間遲滯對于使用者來說，一方面沉浸感降低，另一方面導致“仿真病”。注意：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）降低延遲的方法：跟蹤器的性能參數(shù)－更新率跟蹤器的更新率

指跟蹤器每秒鐘報告的測量數(shù)據(jù)集的次數(shù)跟蹤器的性能參數(shù)－更新率跟蹤器的更新率3種常用跟蹤技術的主要性能指標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30ms4～5m3光學2mm0.02mm1mm＜1ms4～8m3（可擴展至14m3）3種常用跟蹤技術的主要性能指標跟蹤器類型分辨率精度延遲跟蹤范三維位置跟蹤器類型機械跟蹤器電磁跟蹤器（交流、直流）超聲波跟蹤器光學跟蹤器混合慣性跟蹤器三維位置跟蹤器類型機械跟蹤器機械跟蹤器定義：

機械跟蹤器：一個串行或并行的運動結(jié)構(gòu)，由多個帶有傳感器的關節(jié)連接在一起的連桿構(gòu)成。機械跟蹤器定義：虛擬現(xiàn)實技術概述課件Gypsy動作捕獲系統(tǒng)無線動作捕獲系統(tǒng)范圍：在戶外的有效距離可以達到0.8公里，相當于450個足球場的范圍；室內(nèi)的范圍為180米沒有攝象頭--直接記錄人體的身體動作操作非常簡單便攜Gypsy動作捕獲系統(tǒng)無線動作捕獲系統(tǒng)Gypsy特點：15個關節(jié)位置由42個單向?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使用了腳步微動開關使用了陀螺儀Gypsy特點：虛擬現(xiàn)實技術概述課件機械跟蹤器的優(yōu)點簡單易用精度保持相對穩(wěn)定，基本取決于關節(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跟蹤器，不存在視覺阻擋問題機械跟蹤器的優(yōu)點簡單易用機械跟蹤器的缺點工作范圍有限：機械臂有尺寸限制，過長則重量和慣性增加，機械振動敏感性增加。自由度小跟重量有關的人機工程學問題機械跟蹤器的缺點工作范圍有限：機械臂有尺寸限制，過長則重量和三維位置跟蹤器類型機械跟蹤器電磁跟蹤器（交流、直流）超聲波跟蹤器光學跟蹤器混合慣性跟蹤器三維位置跟蹤器類型機械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、陀螺儀。定義：電磁跟蹤器：一種非接觸式的位置測量設備，由一個固定發(fā)射器產(chǎn)生電磁場，確定移動接受單元的實時位置。非接觸式跟蹤器的原理介質(zhì)：電磁、超聲波、紅外照相、LED、加電磁跟蹤器：發(fā)射器：發(fā)射磁場接收器：接受磁場，將信號送到控制部件控制部件：計算得出跟蹤目標的數(shù)據(jù)優(yōu)點：不受視線阻擋的限制電磁跟蹤器：交流電磁跟蹤器基本原理：發(fā)射器：（三個相互垂直的線圈天線）依次產(chǎn)生三個正交交流磁場接收器（三個正交線圈）產(chǎn)生9個電壓值計算接收器相對于發(fā)射器的位置和方向。交流電磁跟蹤器基本原理：Polhemus跟蹤器Polhemus公司生產(chǎn)方位跟蹤器：Isotrak3Space跟蹤器FastrakPolhemus跟蹤器VPLDataGlove：IsotrackIsoTrack特點：交流電磁式延遲：30ms采樣率：60抖動：1度，導致顫動VPLDataGlove：IsotrackIsoTrackFASTRAK：非金屬上的快速動作捕捉器，取樣頻率達每秒120次；適用于頭部跟蹤、手部跟蹤、儀器追蹤、生物機械分析、機械臂動作捕捉等應用VPLDataGlove：FastrackFASTRAK：非金屬上的快速動作捕捉器，取樣頻率達每秒12FastTrack特點：交流電磁式使用DSP體系結(jié)構(gòu)采樣率：120抖動：0.1度工作范圍：0.75m,3×0.75m可掛接多個接收器，采樣率隨之下降FastTrack特點：交流電磁跟蹤器的缺點強磁場環(huán)境：金屬物質(zhì)：交變磁場中會產(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：避免附近有強磁場、大塊金屬和磁性物質(zhì)存在。交流電磁跟蹤器的缺點強磁場環(huán)境：措施：避免附近有強磁場、大虛擬現(xiàn)實技術概述課件直流電磁跟蹤系統(tǒng)：減少畸變渦流的影響只在測量周期開始時產(chǎn)生渦流渦流衰減到零時系統(tǒng)會達到一種穩(wěn)定狀態(tài)直流電磁跟蹤系統(tǒng)：減少畸變渦流的影響直流電跟蹤器基本原理：發(fā)射器（三個相互垂直的線圈天線）依次產(chǎn)生三個脈沖磁場接收器（三個磁力計或霍爾效應傳感器）產(chǎn)生9個電壓值，計算接收器相對于發(fā)射器的位置和方向直流電跟蹤器基本原理：Ascension技術公司直流電磁跟蹤器：BirdFlockofBirdsERT（BigBird）Ascension技術公司直流電磁跟蹤器：AscensionBird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。特點：減小由金屬物體所感應的畸變渦流場，渦流只在磁場發(fā)生變化時產(chǎn)生。Polhemus3space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產(chǎn)生渦流。一旦磁場達到了穩(wěn)態(tài)，就不再產(chǎn)生渦流AscensionBird跟蹤器三維位置跟蹤器類型機械跟蹤器電磁跟蹤器（交流、直流）超聲波跟蹤器光學跟蹤器混合慣性跟蹤器三維位置跟蹤器類型機械跟蹤器超聲波跟蹤器定義：

利用不同聲源的聲音到達某一特定地點的時間差、相位差及聲壓差，進行定位與跟蹤。超聲波跟蹤器定義：Piltdown三維羅盤六自由度的實時方向和位置跟蹤器第一個使用相位相干技術的商用跟蹤器。位置的跟蹤：使用超音速技術來實現(xiàn)的，不受外部磁場和鋼鐵材料的影響Piltdown三維羅盤羅盤控制單元：控制羅盤操作，管理數(shù)據(jù)采集，位置計算。發(fā)射器系統(tǒng)：發(fā)射不同的頻率超音速信號。接收器系統(tǒng)：采集發(fā)射器系統(tǒng)發(fā)射的超音速信號，通過電纜把它們傳回控制單元?？刂茊卧和ㄟ^RS-232C接口與主機進行通信。羅盤控制單元：三維位置跟蹤器立體鼠標傳感手套數(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三維位置跟蹤器2、立體鼠標普通鼠標:平面運動立體鼠標：六個自由度的運動Spacemouse，如3Space公司的SpaceBallcubicmouseSpaceBall50002、立體鼠標普通鼠標:平面運動SpaceBall50003Dconnexion公司的Spacemouse3Dconnexion公司的Spacemouse三維鼠標三維鼠標三維位置跟蹤器立體鼠標傳感手套數(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三維位置跟蹤器VR強調(diào)以自然方式進行交互——手勢把手勢用于人機交互：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的各種姿態(tài)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送給計算機；3、傳感手套VR強調(diào)以自然方式進行交互——手勢3、傳感手套傳感手套要配備位置跟蹤器以檢測手的實際位置和方位；傳感手套：數(shù)據(jù)手套、賽伯手套、威力手套、手控制器、說話手套傳感手套要配備位置跟蹤器以檢測手的實際位置和方位；最早的傳感手套（VPL）把人手的動作轉(zhuǎn)化為計算機的輸入信號；構(gòu)成：很輕的彈性材料構(gòu)成。彈性材料緊貼在手上，同時附許多位置、方向傳感器和光纖導線，以檢測手的運動。光纖：測量手指的彎曲、伸展，通過光電轉(zhuǎn)換，手指的動作信息被計算機識別。DataGlove最早的傳感手套（VPL）DataGlove光導纖維傳感器：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。光導纖維傳感器：監(jiān)視手指彎曲和伸展工作原理：光導纖維：測量手指角度。當光導纖維彎曲時，傳輸?shù)墓鈱袚p失，傳輸?shù)墓饬颗c其彎曲程度有關。手指關節(jié)運動時，纖維彎曲導致光的散失。工作原理：高精度傳感器系統(tǒng)，準確跟蹤人手的復雜運動外輪廓附著在手的背面，監(jiān)視手的整個運動過程每一個手指關節(jié)上附著一個HallEffect傳感器，測量手指三個彎曲動作及手指間的動作。測量20個關節(jié)的角度，并將數(shù)據(jù)送給主機。

EXOS的精巧手控設備EXOS精巧手控設備高精度傳感器系統(tǒng)，準確跟蹤人手的復雜運動EXOS精巧手控設備為家庭視頻游戲市場專門設計的，性能比其他同類產(chǎn)品低得多，但價格較為便宜使用基于有一恒定彈力的塑料的張力測量儀。一個單獨的傳感器一次測量所有關節(jié)，不能檢測某一特殊的關節(jié)。PowerGlove為家庭視頻游戲市場專門設計的，性能比其他同類產(chǎn)品低得多，但價Virtex公司的一種新高精度關節(jié)傳感技術，被廣泛用來創(chuàng)建、終止、定位三維物體。有22個傳感器，每個手指三個彎曲傳感器和一個外展肌傳感器。拇指與小手指由一傳感器相連，手腕處有一傳感器。一個高精度設備，能提供準確而連續(xù)的輸出。CyberGloveVirtex公司的一種新高精度關節(jié)傳感技術，被廣泛用來創(chuàng)建、傳感手套DataGloveCyberGloveCyberGrasp傳感手套DataGloveCyberGloveCyberG虛擬現(xiàn)實技術概述課件三維位置跟蹤器傳感手套立體鼠標數(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三維位置跟蹤器識別全身運動對人體大約50多個不同的關節(jié)進行測量，包括膝蓋、手臂、軀干和腳。通過光電轉(zhuǎn)換，身體的運動信息被計算機識別。光纖系統(tǒng):大量光纖裝在一個緊身衣服上，能測量肢體的位置，用計算機重建出圖象。4、數(shù)據(jù)衣識別全身運動4、數(shù)據(jù)衣問題??人外形變化太大需要使用多個空間跟蹤器：檢測肢體伸展狀況檢測肢體的空間位置及方向多個跟蹤器提高計算速度，達到實時性更加困難。問題??人外形變化太大三維位置跟蹤器傳感手套立體鼠標數(shù)據(jù)衣立體顯示設備3-D聲音生成器觸覺和力覺反饋裝置三維位置跟蹤器5、立體顯示設備立體顯示原理常用立體顯示裝置HMDBOOM立體眼鏡立體投影顯示3D顯示器5、立體顯示設備立體顯示原理立體視覺：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，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），這個差別稱為“視差”。大腦根據(jù)視差，產(chǎn)生物體遠近位置的信息這種信息的直觀表現(xiàn)即立體感。

（1）立體顯示原理立體視覺：人眼感覺到空間立體感的主要原因；（1）立體顯示原虛擬現(xiàn)實技術概述課件虛擬現(xiàn)實技術概述課件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，就會產(chǎn)生立體感。立體顯示設備就是為了實現(xiàn)這樣的一個過程。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)別的首先，產(chǎn)生兩副具有視差的畫面真實場景：用兩架照相機相距一定的距離同時拍攝即可得到具有視差的兩副畫面；3D游戲：通過計算來得到具有視差的兩副畫面。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首先，產(chǎn)生兩副具有視差的畫面立體圖的繪制對同一場景用左右兩個視點分別計算其透視圖，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的繪制立體圖象的顯示：1、同時顯示左右兩幅圖象稱為同時顯示技術（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的濾波片，使雙眼只能看到相應的圖象；此技術在20世紀50年代被廣泛應用于立體電影放映中；立體圖象的顯示：立體圖象的顯示：2、以一定的頻率交替顯示兩幅圖象

稱為分時顯示技術（time-multiplexed），兩幅圖象的交替頻率通常為30Hz；同時為了保證每只眼睛只能看到各自相應的圖象，用戶通過以相同頻率同步切換的立體眼鏡來觀察圖象；立體圖象的顯示：應用現(xiàn)代計算機圖形學和可視化領域中使用光柵顯示器，光柵顯示器的顯示方式和顯示內(nèi)容是無關的；分時顯示技術能夠容易地通過光柵顯示技術來實現(xiàn)，所以在立體圖的顯示中占據(jù)了主導地位。應用（2）常用立體顯示器立體眼鏡HMDBOOM立體投影顯示3D顯示器（2）常用立體顯示器立體眼鏡立體眼鏡：保證用戶左右眼只能看到對應的左右視圖；包括：主動立體眼鏡（有源立體眼鏡）被動立體眼鏡（無源立體眼睛）——立體眼鏡立體眼鏡：保證用戶左右眼只能看到對應的左右視圖；——立體眼鏡立體眼鏡立體眼鏡主動（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)視器顯示左右眼視圖的頻率發(fā)射紅外控制信號；眼鏡的液晶調(diào)制器接收紅外控制信號主動（有源）立體眼鏡眼鏡接到紅外控制信號后，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，但價格昂貴；眼鏡接到紅外控制信號后，調(diào)制鏡片上液晶的通斷狀態(tài)，即控制左右被動（無源）立體眼鏡根據(jù)光的偏震原理設計，左右鏡片是兩片正交的偏震濾光片，分別只允許一個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)制器被動（無源）立體眼鏡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；無源立體眼鏡價格低廉，無須紅外發(fā)射器；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——頭盔式立體顯示器（HMD）——頭盔式立體顯示器（HMD）頭盔式立體顯示器是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，用機械方法固定，頭盔顯示器與頭之間不能有相對運動；頭盔式立體顯示器是VR普遍采用的立體顯示器頭盔式立體顯示器（HMD）頭盔上裝有位置跟蹤器，可實時測出頭部的位置和朝向，并輸入計算機；計算機根據(jù)這些數(shù)據(jù)生成反映當前位置和朝向的場景圖象并顯示在頭盔顯示器的屏幕上；頭盔式立體顯示器（HMD）用戶只能看到計算機生成的虛擬世界，看不到其所處的現(xiàn)實世界，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；用戶只能看到計算機生成的虛擬世界，看不到其所處的現(xiàn)實世界，從三維空間傳感器HMD三維空間