虛擬現(xiàn)實(shí)的空間定位 課件

虛擬現(xiàn)實(shí)的空間定位09電信許羽東

虛擬現(xiàn)實(shí)的空間定位09電信許羽東1概念、特征與發(fā)展歷程技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間定位的實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用與展望4123提綱目錄概念、特征與發(fā)展歷程技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間定位的實(shí)現(xiàn)2虛擬現(xiàn)實(shí)的概念虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality，簡(jiǎn)稱VR，又譯作靈境、幻真)是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時(shí)、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。虛擬現(xiàn)實(shí)的概念虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality，簡(jiǎn)稱3虛擬現(xiàn)實(shí)的特征浸沒感（Immersion）

又稱臨場(chǎng)感，指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該使用戶難以分辨真假，使用戶全身心地投入到計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，該環(huán)境中的一切看上去是真的，聽上去是真的，動(dòng)起來是真的，甚至聞起來、嘗起來等一切感覺都是真的，如同在現(xiàn)實(shí)世界中的感覺一樣。

虛擬現(xiàn)實(shí)的特征浸沒感（Immersion）4虛擬現(xiàn)實(shí)的特征交互性（Interactivity）

指用戶對(duì)模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度（包括實(shí)時(shí)性）。例如，用戶可以用手去直接抓取模擬環(huán)境中虛擬的物體，這時(shí)手有握著東西的感覺，并可以感覺物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨著手的移動(dòng)而移動(dòng)。

虛擬現(xiàn)實(shí)的特征交互性（Interactivity）5虛擬現(xiàn)實(shí)的特征構(gòu)想性（Imagination）

強(qiáng)調(diào)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類認(rèn)知范圍，不僅可再現(xiàn)真實(shí)存在的環(huán)境，也可以隨意構(gòu)想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。

由于浸沒感、交互性和構(gòu)想性三個(gè)特性的英文單詞的第一個(gè)字母均為I，所以這三個(gè)特性又通常被統(tǒng)稱為3I特性。虛擬現(xiàn)實(shí)的特征構(gòu)想性（Imagination） 由于浸沒感、6發(fā)展歷史1961年，MortonHeilig的設(shè)想----體驗(yàn)劇場(chǎng)（Sensorama），以布魯克林街道為背景，模擬漫步的感受----先驅(qū)者1965年，計(jì)算圖形學(xué)之父IvanSutherlang發(fā)表論文“終極的顯示”，提出“應(yīng)將計(jì)算的顯示屏進(jìn)化為觀看虛擬世界的窗口”次年，他開始研制第一個(gè)頭盔顯示器，1970年，在猶他大學(xué)成功演示了它的功能。其他成就：用計(jì)算機(jī)生成的圖形代替了攝制圖像，并開始設(shè)計(jì)場(chǎng)景生成器----圖形加速卡。

發(fā)展歷史7發(fā)展歷史70-80年代，美國(guó)軍方投巨資研究“飛行頭盔”和其他軍用仿真器，成為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的主要推動(dòng)力。1981年，美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局（NASA）制作了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的液晶顯示器頭盔。80年代中期，J.Zimmermn和Jaron.Lanier發(fā)明了數(shù)據(jù)手套。1989年組建VPLResearch公司同年JaronLanier在文章中正式使用虛擬現(xiàn)實(shí)這一術(shù)語。

發(fā)展歷史8虛擬現(xiàn)實(shí)的空間定位ppt課件9虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件------跟蹤設(shè)備1.電磁波跟蹤器 此類跟蹤器利用小型天線發(fā)出的磁場(chǎng)，由多個(gè)接收天線接收信號(hào)并通過計(jì)算得到三維的位置坐標(biāo)和方向。2.超聲波跟蹤器 超聲波跟蹤器發(fā)出高頻超聲波脈沖，由裝在天花板上的三個(gè)接收器接收信號(hào)，通過延遲即可計(jì)算距離。3.機(jī)械跟蹤器 機(jī)械跟蹤器通過精密的機(jī)械框架和連接來測(cè)量指定點(diǎn)的位置和指向。4.慣性跟蹤器 慣性跟蹤器采用機(jī)械方法，利用小型陀螺儀測(cè)量?jī)A角、偏角和轉(zhuǎn)角。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件------跟蹤設(shè)備1.電磁波跟蹤器10虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件------跟蹤設(shè)備5.光學(xué)跟蹤器 光學(xué)跟蹤器是一種紅外跟蹤器。它利用攝像機(jī)獲取圖像，通過立體視覺計(jì)算確定目標(biāo)位置，并通過觀測(cè)多個(gè)參照點(diǎn)來確定目標(biāo)的表面指向。6.圖像提取跟蹤器 圖像提取跟蹤器是一種計(jì)算密度最高的跟蹤器。它是最易于使用但又最難開發(fā)的跟蹤器。一臺(tái)(組)視頻攝像機(jī)拍攝人及其動(dòng)作，然后由圖像處理技術(shù)來確定人的位置及動(dòng)作。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件------跟蹤設(shè)備5.光學(xué)跟蹤器11虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件------數(shù)據(jù)手套1.力學(xué)反饋手套 力學(xué)反饋手套是在計(jì)算機(jī)的控制下，通過對(duì)手指的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻尼，從而使用戶的手產(chǎn)生力感。阻尼的大小由被抓物體的物理屬性決定。力學(xué)反饋手套技術(shù)提供給用戶一種虛擬手控制系統(tǒng)，使用戶可以選擇或操縱機(jī)器子系統(tǒng)并能自然感覺到觸覺和力量模擬反饋。2.壓力反饋系統(tǒng) 當(dāng)一個(gè)虛擬物被用戶抓取時(shí)，一些虛擬環(huán)境系統(tǒng)要求真正的壓力反饋，來防止手穿過固體。壓力反饋系統(tǒng)是把壓力加到操縱者手上，從而使人能夠根據(jù)運(yùn)動(dòng)及壓力的感受情況進(jìn)行控制。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件------數(shù)據(jù)手套1.力學(xué)反饋手套12虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件------數(shù)據(jù)手套3.表面壓力反饋裝置 表面顯示的概念是把虛擬物體本身的表面提供給用戶的一個(gè)思想，而不是力的感知或與虛擬物體的接觸而產(chǎn)生的觸覺。在虛擬環(huán)境的實(shí)現(xiàn)中，存在于現(xiàn)實(shí)世界中的用戶和在計(jì)算機(jī)中定義的虛擬物體之間的交互作用不得不通過一個(gè)力反饋設(shè)備調(diào)解。目前這類表面壓力反饋裝置包括：點(diǎn)陣式表面壓力反饋裝置和SPICE觸覺接口。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件------數(shù)據(jù)手套3.表面壓力反饋裝置13虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件------數(shù)據(jù)手套

力覺反饋數(shù)據(jù)手套結(jié)構(gòu)示意圖虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件------數(shù)據(jù)手套力覺反饋數(shù)據(jù)手套結(jié)構(gòu)14虛擬現(xiàn)實(shí)的空間定位ppt課件15超聲波三維空間定位原理利用三角形測(cè)量原理可以實(shí)現(xiàn)三維定位與定向。設(shè)在參考坐標(biāo)系的原點(diǎn)、X軸、Y軸上分別安裝有3個(gè)超聲波接收器RO、RX、RY,同時(shí)在要檢測(cè)的物體(如頭盔或數(shù)據(jù)手套的手指)安裝有3個(gè)超聲波發(fā)射器Fa、Fb、Fc.如圖1所示。

超聲波三維空間定位原理利用三角形測(cè)量原理可以實(shí)現(xiàn)三維定位與定16超聲波測(cè)距原理超聲波發(fā)射與接收系統(tǒng)框圖2所示

超聲波測(cè)距原理超聲波發(fā)射與接收系統(tǒng)框圖2所示17超聲波測(cè)距原理經(jīng)過繁雜的數(shù)學(xué)推演，可得到超聲波測(cè)距公式：

其中,Cultra為聲速;Tprecise為渡越時(shí)間,Tenv為測(cè)量時(shí)的環(huán)境溫度,fcount為系統(tǒng)時(shí)鐘,,fultrasonic為超聲波的發(fā)射頻率.Ldelay是因溫度差異而產(chǎn)生的電路延時(shí)超聲波測(cè)距原理經(jīng)過繁雜的數(shù)學(xué)推演，可得到超聲波測(cè)距公式：18虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用19虛擬現(xiàn)實(shí)的未來展望虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展前景十分誘人，而與網(wǎng)絡(luò)通信特性的結(jié)合，更是人們所夢(mèng)寐以求的。在某種意義上說它將改變?nèi)藗兊乃季S方式，甚至?xí)淖內(nèi)藗儗?duì)世界、自己、空間和時(shí)間的看法。它是一項(xiàng)發(fā)展中的、具有深遠(yuǎn)的潛在應(yīng)用方向的新技術(shù)。利用它，我們可以建立真正的遠(yuǎn)程教室，在這間教室中我們可以和來自五湖四海的朋友們一同學(xué)習(xí)、討論、游戲，就像在現(xiàn)實(shí)生活中一樣。使用網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)及其相關(guān)的三維設(shè)備，我們的工作、生活、娛樂將更加有情趣。虛擬現(xiàn)實(shí)向人們描繪了未來的生活片段，很美妙。由此用戶也可以發(fā)揮自己豐富的想象力，在我們的電腦前就可以實(shí)現(xiàn)與大西洋底的鯊魚嬉戲；參觀非洲大陸的天然動(dòng)物園；感受古戰(zhàn)場(chǎng)的硝煙與刀光劍影；發(fā)幽古思今之情；還可以體驗(yàn)開國(guó)大典的莊嚴(yán)和東方巨人站立起來的壯志豪情……虛擬現(xiàn)實(shí)的未來展望虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展前景十分誘人，而與網(wǎng)絡(luò)通信特性20ThankYou!ThankYou!21

虛擬現(xiàn)實(shí)的空間定位09電信許羽東

虛擬現(xiàn)實(shí)的空間定位09電信許羽東22概念、特征與發(fā)展歷程技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間定位的實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用與展望4123提綱目錄概念、特征與發(fā)展歷程技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間定位的實(shí)現(xiàn)23虛擬現(xiàn)實(shí)的概念虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality，簡(jiǎn)稱VR，又譯作靈境、幻真)是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時(shí)、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。虛擬現(xiàn)實(shí)的概念虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality，簡(jiǎn)稱24虛擬現(xiàn)實(shí)的特征浸沒感（Immersion）

又稱臨場(chǎng)感，指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該使用戶難以分辨真假，使用戶全身心地投入到計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，該環(huán)境中的一切看上去是真的，聽上去是真的，動(dòng)起來是真的，甚至聞起來、嘗起來等一切感覺都是真的，如同在現(xiàn)實(shí)世界中的感覺一樣。

虛擬現(xiàn)實(shí)的特征浸沒感（Immersion）25虛擬現(xiàn)實(shí)的特征交互性（Interactivity）

指用戶對(duì)模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度（包括實(shí)時(shí)性）。例如，用戶可以用手去直接抓取模擬環(huán)境中虛擬的物體，這時(shí)手有握著東西的感覺，并可以感覺物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨著手的移動(dòng)而移動(dòng)。

虛擬現(xiàn)實(shí)的特征交互性（Interactivity）26虛擬現(xiàn)實(shí)的特征構(gòu)想性（Imagination）

強(qiáng)調(diào)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類認(rèn)知范圍，不僅可再現(xiàn)真實(shí)存在的環(huán)境，也可以隨意構(gòu)想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。

由于浸沒感、交互性和構(gòu)想性三個(gè)特性的英文單詞的第一個(gè)字母均為I，所以這三個(gè)特性又通常被統(tǒng)稱為3I特性。虛擬現(xiàn)實(shí)的特征構(gòu)想性（Imagination） 由于浸沒感、27發(fā)展歷史1961年，MortonHeilig的設(shè)想----體驗(yàn)劇場(chǎng)（Sensorama），以布魯克林街道為背景，模擬漫步的感受----先驅(qū)者1965年，計(jì)算圖形學(xué)之父IvanSutherlang發(fā)表論文“終極的顯示”，提出“應(yīng)將計(jì)算的顯示屏進(jìn)化為觀看虛擬世界的窗口”次年，他開始研制第一個(gè)頭盔顯示器，1970年，在猶他大學(xué)成功演示了它的功能。其他成就：用計(jì)算機(jī)生成的圖形代替了攝制圖像，并開始設(shè)計(jì)場(chǎng)景生成器----圖形加速卡。

發(fā)展歷史28發(fā)展歷史70-80年代，美國(guó)軍方投巨資研究“飛行頭盔”和其他軍用仿真器，成為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的主要推動(dòng)力。1981年，美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局（NASA）制作了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的液晶顯示器頭盔。80年代中期，J.Zimmermn和Jaron.Lanier發(fā)明了數(shù)據(jù)手套。1989年組建VPLResearch公司同年JaronLanier在文章中正式使用虛擬現(xiàn)實(shí)這一術(shù)語。

發(fā)展歷史29虛擬現(xiàn)實(shí)的空間定位ppt課件30虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件------跟蹤設(shè)備1.電磁波跟蹤器 此類跟蹤器利用小型天線發(fā)出的磁場(chǎng)，由多個(gè)接收天線接收信號(hào)并通過計(jì)算得到三維的位置坐標(biāo)和方向。2.超聲波跟蹤器 超聲波跟蹤器發(fā)出高頻超聲波脈沖，由裝在天花板上的三個(gè)接收器接收信號(hào)，通過延遲即可計(jì)算距離。3.機(jī)械跟蹤器 機(jī)械跟蹤器通過精密的機(jī)械框架和連接來測(cè)量指定點(diǎn)的位置和指向。4.慣性跟蹤器 慣性跟蹤器采用機(jī)械方法，利用小型陀螺儀測(cè)量?jī)A角、偏角和轉(zhuǎn)角。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件------跟蹤設(shè)備1.電磁波跟蹤器31虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件------跟蹤設(shè)備5.光學(xué)跟蹤器 光學(xué)跟蹤器是一種紅外跟蹤器。它利用攝像機(jī)獲取圖像，通過立體視覺計(jì)算確定目標(biāo)位置，并通過觀測(cè)多個(gè)參照點(diǎn)來確定目標(biāo)的表面指向。6.圖像提取跟蹤器 圖像提取跟蹤器是一種計(jì)算密度最高的跟蹤器。它是最易于使用但又最難開發(fā)的跟蹤器。一臺(tái)(組)視頻攝像機(jī)拍攝人及其動(dòng)作，然后由圖像處理技術(shù)來確定人的位置及動(dòng)作。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件------跟蹤設(shè)備5.光學(xué)跟蹤器32虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件------數(shù)據(jù)手套1.力學(xué)反饋手套 力學(xué)反饋手套是在計(jì)算機(jī)的控制下，通過對(duì)手指的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻尼，從而使用戶的手產(chǎn)生力感。阻尼的大小由被抓物體的物理屬性決定。力學(xué)反饋手套技術(shù)提供給用戶一種虛擬手控制系統(tǒng)，使用戶可以選擇或操縱機(jī)器子系統(tǒng)并能自然感覺到觸覺和力量模擬反饋。2.壓力反饋系統(tǒng) 當(dāng)一個(gè)虛擬物被用戶抓取時(shí)，一些虛擬環(huán)境系統(tǒng)要求真正的壓力反饋，來防止手穿過固體。壓力反饋系統(tǒng)是把壓力加到操縱者手上，從而使人能夠根據(jù)運(yùn)動(dòng)及壓力的感受情況進(jìn)行控制。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件------數(shù)據(jù)手套1.力學(xué)反饋手套33虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件------數(shù)據(jù)手套3.表面壓力反饋裝置 表面顯示的概念是把虛擬物體本身的表面提供給用戶的一個(gè)思想，而不是力的感知或與虛擬物體的接觸而產(chǎn)生的觸覺。在虛擬環(huán)境的實(shí)現(xiàn)中，存在于現(xiàn)實(shí)世界中的用戶和在計(jì)算機(jī)中定義的虛擬物體之間的交互作用不得不通過一個(gè)力反饋設(shè)備調(diào)解。目前這類表面壓力反饋裝置包括：點(diǎn)陣式表面壓力反饋裝置和SPICE觸覺接口。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件------數(shù)據(jù)手套3.表面壓力反饋裝置34虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件------數(shù)據(jù)手套

力覺反饋數(shù)據(jù)手套結(jié)構(gòu)示意圖虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件------數(shù)據(jù)手套力覺反饋數(shù)據(jù)手套結(jié)構(gòu)35虛擬現(xiàn)實(shí)的空間定位ppt課件36超聲波三維空間定位原理利用三角形測(cè)量原理可以實(shí)現(xiàn)三維定位與定向。設(shè)在參考坐標(biāo)系的原點(diǎn)、X軸、Y軸上分別安裝有3個(gè)超聲波接收器RO、RX、RY,同時(shí)在要檢測(cè)的物體(如頭盔或數(shù)據(jù)手套的手指)安裝有3個(gè)超聲波發(fā)射器Fa、Fb、Fc.如圖1所示。

超聲波三維空間定位原理利用三角形測(cè)量原理可以實(shí)現(xiàn)三維定位與定37超聲波測(cè)距原理超聲波發(fā)