虛擬制造技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

4.1虛擬現(xiàn)實(shí)的特征及基本構(gòu)成4.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展概況4.3位置跟蹤通道4.4視覺通道4.5聽覺通道4.6觸覺、力反饋4.7虛擬場(chǎng)景的生成

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)4.1虛擬現(xiàn)實(shí)的特征及基本構(gòu)成1虛擬現(xiàn)實(shí)的基本概念

1989年，美國VPLResearch公司創(chuàng)始人JaronLanier提出了"VirtualReality"（虛擬現(xiàn)實(shí)）的概念。在這里，"Reality"的含義是現(xiàn)實(shí)的世界，或現(xiàn)實(shí)的環(huán)境。所以，"VirtualReality"（虛擬現(xiàn)實(shí)）的另一個(gè)名稱是"VirtualEnvironment"（虛擬環(huán)境）。"Virtual"說明，這個(gè)世界或環(huán)境是虛擬的，不是真實(shí)的。這個(gè)世界或環(huán)境是人工構(gòu)造的，是存在于計(jì)算機(jī)內(nèi)部的。用戶應(yīng)該能夠"進(jìn)入"這個(gè)虛擬的環(huán)境中。所謂"進(jìn)入"這個(gè)虛擬的環(huán)境中，是指用戶以自然的方式與這個(gè)環(huán)境交互（包括感知環(huán)境并干預(yù)環(huán)境），從而產(chǎn)生置身于相應(yīng)的真實(shí)環(huán)境中的虛幻感，身臨其境的感覺。

虛擬現(xiàn)實(shí)的基本概念1989年，美國VPLRe2"VirtualReality"（虛擬現(xiàn)實(shí)）或"VirtualEnvironment"（虛擬環(huán)境）是人工構(gòu)造的，存在于計(jì)算機(jī)內(nèi)部的環(huán)境。用戶應(yīng)該能夠以自然的方式與這個(gè)環(huán)境交互（包括感知環(huán)境并干預(yù)環(huán)境），從而產(chǎn)生置身于相應(yīng)的真實(shí)環(huán)境中的虛幻感，沉浸感，身臨其境的感覺。

虛擬環(huán)境(VirtualEnvironment，VE)系統(tǒng)或虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality，VR)系統(tǒng)包括人類操作者、人機(jī)接口和計(jì)算機(jī)。"VirtualReality"（虛擬現(xiàn)3

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用最多的專用設(shè)備是頭盔式立體顯示器和數(shù)據(jù)手套。于是，有人以使用這些專用設(shè)備為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的標(biāo)志。這種觀點(diǎn)是不準(zhǔn)確的。上述的虛擬現(xiàn)實(shí)的概念，是在計(jì)算機(jī)應(yīng)用和人機(jī)交互方面開創(chuàng)的全新的學(xué)科領(lǐng)域。這個(gè)新領(lǐng)域的發(fā)展，還有很多困難，有很多技術(shù)難點(diǎn)有待解決。當(dāng)前，這一領(lǐng)域還只是走出了第一步。頭盔式立體顯示器和數(shù)據(jù)手套等設(shè)備，只是當(dāng)前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的一部分虛擬顯示設(shè)備。它們還很不完善。例如，頭盔的視場(chǎng)，分辨率，造成眩暈等問題還有待解決。聽覺接口和力覺接口等設(shè)備還在研究，應(yīng)用還不多。味覺，嗅覺，運(yùn)動(dòng)覺等技術(shù)，還缺乏研究。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用最多的專用設(shè)備是頭盔式立體顯示4虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)5虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的虛擬環(huán)境，可能有下列幾種情況。

第一種情況是模仿真實(shí)世界中的環(huán)境。例如，建筑物，武器系統(tǒng)，或戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。這種真實(shí)環(huán)境，可能是已經(jīng)存在的，也可能是已經(jīng)設(shè)計(jì)好但還沒有建成的。為了逼真地模仿真實(shí)世界中的環(huán)境，要求逼真地建立幾何模型和物理模型。環(huán)境的動(dòng)態(tài)應(yīng)符合物理規(guī)律。這一類虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的功能，實(shí)際是系統(tǒng)仿真。

第二種情況是人類主觀構(gòu)造的環(huán)境。例如，用于影視制作或電子游戲的三維動(dòng)畫。環(huán)境是虛構(gòu)的，幾何模型和物理模型就可以完全虛構(gòu)。這時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)畫技術(shù)常用插值方法。

第三種情況是模仿真實(shí)世界中的人類不可見的環(huán)境。例如，分子的結(jié)構(gòu)，空氣中速度、溫度、壓力的分布等。這種真實(shí)環(huán)境，是客觀存在的，但是人類的視覺和聽覺不能感覺到。對(duì)于分子結(jié)構(gòu)這類微觀環(huán)境，進(jìn)行放大尺度的模仿，使人能看到。對(duì)于空氣中速度這類不可見的物理量，可以用流線顯示速度（流線方向表示速度方向，流線密度表示速度大?。?。這一類虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的功能，實(shí)際是科學(xué)可視化。

由此可見，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以用于系統(tǒng)仿真、科學(xué)可視化、三維動(dòng)畫等領(lǐng)域。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的虛擬環(huán)境，可能有下列幾種情況。

6第一種情況第一種情況7第二種情況第二種情況8虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的基本概念，可以得到虛擬現(xiàn)實(shí)的下列三個(gè)特點(diǎn)。

1．計(jì)算機(jī)提供“環(huán)境”,不是“數(shù)據(jù),信息”。這改變了人機(jī)接口的內(nèi)容。

2．操作者由視覺,聽覺,力覺感知環(huán)境,由自然的動(dòng)作操作環(huán)境,不是由屏幕,鍵盤,鼠標(biāo)和計(jì)算機(jī)交互。這改變了人機(jī)接口的形式。

3．逼真的感知和自然的動(dòng)作，使人產(chǎn)生身臨其境的感覺。這改變了人機(jī)接口的效果。虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的基本概念，可以得9

第一個(gè)特點(diǎn)體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)應(yīng)用的新方向。計(jì)算機(jī)的名稱體現(xiàn)了，它的最早應(yīng)用是計(jì)算。當(dāng)時(shí)，計(jì)算機(jī)和用戶交互的是計(jì)算有關(guān)的數(shù)值。此后，計(jì)算機(jī)擴(kuò)大到處理數(shù)值，字符串，文本等各類數(shù)據(jù)。以后，計(jì)算機(jī)更擴(kuò)大到處理圖像，圖形，聲音，語言等多種媒體的信息。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)則以環(huán)境為計(jì)算機(jī)處理的對(duì)象和人機(jī)交互的內(nèi)容。這開拓了計(jì)算機(jī)應(yīng)用的新思路。

第二個(gè)特點(diǎn)體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)人機(jī)接口的新方向。至今為止的計(jì)算機(jī)人機(jī)接口都是面向機(jī)器的。終端，鍵盤，鼠標(biāo)，打印機(jī)等接口設(shè)備，都是適應(yīng)計(jì)算機(jī)的專用設(shè)備。這些設(shè)備很好地完成了各類數(shù)據(jù)和多媒體信息的交互。虛擬現(xiàn)實(shí)中的人機(jī)接口，則是面向用戶的。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，用戶以自然的方式與虛擬環(huán)境交互。所謂自然的方式，是指用戶通過視覺，聽覺，觸覺等感覺虛擬環(huán)境，使用戶產(chǎn)生在真實(shí)環(huán)境中的幻覺。同時(shí)，用戶通過在真實(shí)環(huán)境中的行為，去干預(yù)虛擬環(huán)境。于是，虛擬現(xiàn)實(shí)的人機(jī)接口設(shè)備，完全不同于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的人機(jī)接口設(shè)備。這也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中最有特色的內(nèi)容。

第三個(gè)特點(diǎn)體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)人機(jī)接口的新要求。用戶通過人機(jī)接口與虛擬環(huán)境交互的結(jié)果，是使用戶產(chǎn)生身臨其境的虛幻感，沉浸感。

第一個(gè)特點(diǎn)體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)應(yīng)用的新方向。計(jì)算機(jī)的名10虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用領(lǐng)域1．娛樂

2．國防

3．設(shè)計(jì)、制造和銷售

4．醫(yī)療和健康

5．危險(xiǎn)操作

6．訓(xùn)練

7．教育

8．信息可視化

9．遠(yuǎn)程交往與遠(yuǎn)程游歷

虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用領(lǐng)域1．娛樂

2．國防

11虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

1．VR的人機(jī)接口

2．VR的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

3．VR的建模和仿真

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)1．VR的人機(jī)接口

121．VR的人機(jī)接口

VR的人機(jī)接口有兩個(gè)作用：其一是給人類操作者提供環(huán)境信息（視覺、聽覺和觸覺），其二是感覺人類操作者的動(dòng)作和響應(yīng)（位置跟蹤和映射）。前者包括：視覺通道、聽覺通道、觸覺通道、運(yùn)動(dòng)接口和其他接口。后者包括：位置跟蹤和映射，語音識(shí)別等。

（1）位置跟蹤和映射

位置跟蹤和映射用于測(cè)量人體各部位的位置和姿態(tài)，分析判斷人面部的表情。它的目的是了解人的身體行為。這是為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互所必需的系統(tǒng)功能。VR系統(tǒng)由此了解人的行為，然后做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，實(shí)現(xiàn)交互。

常用的技術(shù)包括：機(jī)械鏈接、磁傳感器、聲傳感器、光傳感器和慣性傳感器?；灸繕?biāo)是精確完成位置和姿態(tài)的測(cè)量。三個(gè)主要的要求：大范圍的線性響應(yīng)，高帶寬（1kHz），以及允許頭和身體的運(yùn)動(dòng)。

（2）視覺通道

視覺通道給人的視覺系統(tǒng)提供圖形顯示。為了提供身臨其境的逼真感覺，視覺通道應(yīng)該滿足一些要求。顯示的像素應(yīng)該足夠小，使人不至感覺到像素的不連續(xù)。顯示的頻率應(yīng)該足夠高，使人不至感覺到畫面的不連續(xù)。給兩眼提供具有雙目視差的圖形，形成立體視覺。應(yīng)該具有足夠大的視場(chǎng)，理想情況是顯示畫面充滿整個(gè)視場(chǎng)。

視覺通道的顯示表面分為：基于CRT和基于LCD。視覺通道的光學(xué)系統(tǒng)分為：頭盔顯示(HMD)和非頭盔顯示(OHD)。

1．VR的人機(jī)接口

VR的人機(jī)接口有兩個(gè)作用：其一是給人13專用頭盔圖專用頭盔圖14

（3）聽覺通道

聽覺通道給人的聽覺系統(tǒng)提供聲音顯示。為了提供身臨其境的逼真感覺，聽覺通道應(yīng)該滿足一些要求，使人感覺置身于立體的聲場(chǎng)之中，能識(shí)別聲音的類型和強(qiáng)度，能判定聲源的位置。

聽覺通道的關(guān)鍵技術(shù)包括：合成由接口提供的虛擬聲音信號(hào)，聲音在虛擬空間定位問題，以及發(fā)聲設(shè)備。

（4）觸覺通道

觸覺通道給人體表面提供觸覺和力覺。當(dāng)人體在虛擬空間中運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果接觸到虛擬物體，虛擬顯示系統(tǒng)應(yīng)該給人提供這種觸覺和力覺。

觸覺通道涉及操作以及感覺，包括觸覺反饋和力覺反饋。觸覺通道的結(jié)構(gòu)分為：安在身體上和安在地面的設(shè)備。

（3）聽覺通道

聽覺通道給人的聽覺系統(tǒng)提供聲音15

（5）運(yùn)動(dòng)接口

人體在環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)包括：身體的被動(dòng)運(yùn)動(dòng)(被動(dòng)移動(dòng)，如在車上的運(yùn)動(dòng))，身體主動(dòng)運(yùn)動(dòng)（漫游，如散步）。人在運(yùn)動(dòng)中，人體內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)感覺器官可以感知運(yùn)動(dòng)信息。

感知運(yùn)動(dòng)信息的器官包含：前庭系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，視覺聽覺系統(tǒng)，本體感受，動(dòng)覺和觸覺。運(yùn)動(dòng)接口應(yīng)該給這些器官提供運(yùn)動(dòng)信息。

（6）其它類型接口

其它類型接口包括：嗅覺、味覺通道，以及感覺熱、風(fēng)及濕度的接口。還包括語音通訊（語音識(shí)別與合成）以及直接心理感覺和控制。這些接口還缺乏研究，以下將不介紹。（5）運(yùn)動(dòng)接口

人體在環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)包括：身體的被動(dòng)16

2．VR的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

現(xiàn)有的虛擬顯示系統(tǒng)主要考慮視覺通道。聽覺通道和觸覺通道還處于研究階段。所以，VR的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要考慮視覺通道的要求。

（1）硬件

視覺通道對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的要求，首先是要求維持足夠的圖形幀速率。于是要求在指定的時(shí)間內(nèi)（約為0.1秒）計(jì)算出兩眼的兩幅圖像。同時(shí)要求提供足夠好質(zhì)量的圖像，這一般體現(xiàn)在圖像中顯示的多邊形或三角形的樹木。因此，往往需要專用硬件。圖形硬件應(yīng)提供快速幾何變換、截取、消隱、多邊形填充和表面紋理。

（2）軟件

VR系統(tǒng)中的軟件主要包括下列幾種。交互軟件利用人機(jī)控制設(shè)備的輸出去修改VE。視覺漫游軟件控制用戶在VE中運(yùn)動(dòng)時(shí)看到的場(chǎng)景。建模軟件定義虛擬物體形狀、外觀和屬性的模型。操作系統(tǒng)支持VE的實(shí)時(shí)多模態(tài)要求。

（3）網(wǎng)絡(luò)

分布式交互仿真已經(jīng)成為現(xiàn)代仿真技術(shù)，特別是軍事仿真的潮流。通訊網(wǎng)絡(luò)可以把VE轉(zhuǎn)換成共享的分布式計(jì)算環(huán)境。2．VR的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

173．VR的建模和仿真

（1）建模

建模包括：幾何建模和物理建模。一般的VR工具軟件都具有幾何建模功能。利用現(xiàn)有的CAD建模工具也是常用的方法。市場(chǎng)上已有商業(yè)模型庫出售。對(duì)實(shí)際物體的建模，則采用激光掃描等專用設(shè)備。物理建模是基于物理方程的建模。一般考慮剛體建模，鏈接物體的建模，以及非剛體的建模。智能體的建模不是基于物理方程，而是基于人為的物體智能。

人工建模技術(shù)在圖形學(xué)和CAD領(lǐng)域，已有成熟的成果。自動(dòng)建模采用激光掃描建立幾何模型，也已經(jīng)有相關(guān)產(chǎn)品。自動(dòng)建立物理模型的研究還不多。

3．VR的建模和仿真

（1）建模

建模包括：幾何建模和18

（2）仿真

仿真包括：圖形繪制和三維動(dòng)畫。

圖形繪制是把三維環(huán)境，相對(duì)于虛擬攝像機(jī)（虛擬視點(diǎn)）投影，形成圖像的過程。為了提供連續(xù)運(yùn)動(dòng)的錯(cuò)覺，幀速率必須大于每秒8到10幀。為了保持瞬間交互控制的錯(cuò)覺，響應(yīng)時(shí)間的延遲必須小于0.1秒。為了繪制人眼可分辨的所有細(xì)節(jié)，這要求有8千萬個(gè)多邊形。這是對(duì)于圖形繪制的要求。

然而，用今天的硬件，每個(gè)畫面8千萬多邊形的系統(tǒng)對(duì)真正的實(shí)時(shí)交互是太慢了，于是存在真實(shí)圖像與實(shí)時(shí)交互間的折衷。某些應(yīng)用（如建筑和藝術(shù)）可能要求照片一樣真實(shí)的繪制。制造和醫(yī)療應(yīng)用要求更高層次的實(shí)時(shí)交互。

三維動(dòng)畫可以用兩種途徑實(shí)現(xiàn)?；谖锢砟Ｐ偷臄?shù)值計(jì)算是一種方法。軍事和工業(yè)等應(yīng)用，往往要求這種滿足物理規(guī)律的仿真技術(shù)。數(shù)學(xué)插值則是另一種實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫的方法。這種技術(shù)在三維動(dòng)畫電影中獲得了巨大的成功。

下圖表示，虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)系統(tǒng)的方塊圖。用戶通過輸入輸出設(shè)備與輸入輸出軟件交互。輸入軟件通過形狀編輯器完成幾何建模，通過聲音編輯器完成虛擬聲音系統(tǒng)建模。然后，在世界編輯器完成虛擬環(huán)境的建模。其中的虛擬剪切器，用于模型的剪切。建立的模型，保存在虛擬世界中。整個(gè)工作在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中完成。

（2）仿真

19虛擬制造技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)20虛擬現(xiàn)實(shí)的接口設(shè)備

位姿傳感器

視覺顯示

聽覺顯示

力覺和觸覺顯示

虛擬現(xiàn)實(shí)的接口設(shè)備

位姿傳感器

211．位姿傳感器的要求

機(jī)器人、生物學(xué)、建筑、CAD、教育等應(yīng)用領(lǐng)域，都要求知道運(yùn)動(dòng)物體實(shí)時(shí)的位置和方向。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)則要求知道人體各部分實(shí)時(shí)的位置和方向。

（1）3-D空間中的運(yùn)動(dòng)的剛體具有三個(gè)平移（沿著X、Y和Z軸）和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)（偏航、俯仰和滾動(dòng)）。

（2）在物體以高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)該足夠快地測(cè)出這六個(gè)數(shù)值。

（3）3-D測(cè)量不應(yīng)妨礙物體運(yùn)動(dòng)。非接觸式測(cè)量（低頻磁場(chǎng)、超聲、雷達(dá)、紅外攝像和LED等）已經(jīng)代替機(jī)械臂等接觸式測(cè)量。

（4）3-D傳感器都具有一些共同的參數(shù)。

位姿跟蹤常用的性能參數(shù)有：精度，分辨率，采樣率，執(zhí)行時(shí)間，范圍，工作空間，價(jià)格，障礙，方便，對(duì)模糊的敏感，容易校準(zhǔn)，同時(shí)測(cè)量的數(shù)目，方向相對(duì)位置跟蹤。1．位姿傳感器的要求

機(jī)器人、生物學(xué)、建筑、CAD、教育22

（5）人體并非剛體。上述六個(gè)數(shù)值只能描述人體整體的運(yùn)動(dòng)，人體各部分之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)也應(yīng)該測(cè)量。

（6）位姿跟蹤和映射是VE系統(tǒng)的基本要求。常用的要求包括：

（a）視覺顯示對(duì)頭和眼的跟蹤；

（b）觸覺接口對(duì)手和臂的跟蹤；

（c）視覺顯示對(duì)身體的跟蹤；

（d）面部表情識(shí)別、虛擬衣服和醫(yī)用遙控機(jī)器人的映射；

（e）建立數(shù)字化幾何模型的環(huán)境映射。

（7）一種工作方式（“流動(dòng)”方式）中，傳感器數(shù)據(jù)連續(xù)送給主計(jì)算機(jī)。這最適于快速運(yùn)動(dòng)的物體。但是這加重了通信線路的負(fù)擔(dān)。如果要求以30個(gè)畫面/秒的速率重復(fù)計(jì)算，則每33毫秒要畫出一個(gè)畫面。9600波特率的串行口要花費(fèi)12毫秒傳送6個(gè)數(shù)的一組數(shù)據(jù)（每個(gè)數(shù)有16bit）。因此，僅僅通信就要花費(fèi)33毫秒的36%。

另一種工作方式（“請(qǐng)求”方式）中，當(dāng)主計(jì)算機(jī)請(qǐng)求時(shí)，才傳送一組的6個(gè)數(shù)。其它時(shí)間不讀傳感器數(shù)據(jù)，于是總體畫面更新時(shí)間中的通信時(shí)間部分就下降了。

（8）

用于位姿跟蹤和映射的基本傳感系統(tǒng)有：

機(jī)械鏈接，磁傳感器，光傳感器，聲傳感器和慣性傳感器。

（5）人體并非剛體。上述六個(gè)數(shù)值只能描述人體整體的運(yùn)動(dòng)，232．各種位姿跟蹤器的比較如下：2．各種位姿跟蹤器的比較如下：243．研究要求

一般，位置跟蹤器要求合適的性能和合理的價(jià)格。對(duì)肢體跟蹤，某些光學(xué)傳感器是精確快速的，但對(duì)日常應(yīng)用太貴（在5萬到10萬美元范圍），特別是為了防止阻擋和增加工作空間而加倍安裝時(shí)。

肢體跟蹤的任何傳感系統(tǒng)難以識(shí)別可靠的基準(zhǔn)點(diǎn)，這是由于人體組織和衣服的柔軟性。

為了得到關(guān)節(jié)角，必須使用某些校準(zhǔn)過程，在肢體上建立坐標(biāo)系。此后的關(guān)節(jié)角計(jì)算將接近真實(shí)的生物機(jī)械角。

對(duì)整個(gè)人體跟蹤，工作空間大小是重要問題。應(yīng)該能在足夠大的空間跟蹤運(yùn)動(dòng)人體，并且不會(huì)損失分辨率，不必?fù)?dān)心遮擋。被跟蹤的人應(yīng)能在建筑中由一個(gè)房間走到另一個(gè)房間。如果人體所有主要部分都被跟蹤，則要求安裝某些東西在人體上（反光器，標(biāo)記，測(cè)角器）的傳感系統(tǒng)，不如掃描人體的系統(tǒng)有吸引力。

對(duì)人體和環(huán)境表面映射，某些激光跟蹤器是精確而快速的，但還較貴。VE的長期目標(biāo)是高精度實(shí)時(shí)跟蹤人體的光學(xué)映射系統(tǒng)。這可能是用自然光或主動(dòng)激光掃描的立體視覺系統(tǒng)。

測(cè)量方法是在選擇位置跟蹤方法時(shí)最易混淆的一個(gè)問題，問題是性能指標(biāo)的含義及測(cè)量方法之間的不一致。應(yīng)建立標(biāo)準(zhǔn)，指出怎樣測(cè)精度、分辨率、等待時(shí)間、帶寬、敏感干擾、和起伏。測(cè)量設(shè)備應(yīng)商品化，應(yīng)建立獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室，使用戶不至依賴廠家指標(biāo)，而是了解真實(shí)性能。

3．研究要求

25機(jī)械式傳感器

1．原理：

機(jī)械式傳感器可分兩類：

"安在身體上的"機(jī)械跟蹤器中，機(jī)械全部安在身上。

"安在地面上的"機(jī)械跟蹤器中，機(jī)械部分安在地面。

2．機(jī)械式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)：

機(jī)械式傳感器：是便宜的，比較精確?？梢詼y(cè)量整個(gè)身體運(yùn)動(dòng)，沒有延遲?？梢酝瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)力反饋。但妨礙身體運(yùn)動(dòng)機(jī)械式傳感器1．原理：

機(jī)械式傳感器可分兩類：

"安在26（1）測(cè)角器（"安在身體上的"機(jī)械跟蹤器）

（2）安在地面上的鏈接

3-D探頭

（1）測(cè)角器（"安在身體上的"機(jī)械跟蹤器）

（2）安在地面上27傳感手套是為滿足上述要求而設(shè)計(jì)的虛擬現(xiàn)實(shí)工具。商業(yè)化的產(chǎn)品有VPL公司的DataGlove，Vertex的CyberGlove，Mattel的PowerGlove，和ExosDextrousHandMaster。它們都用傳感器測(cè)量全部或部分手指關(guān)節(jié)的角度。某些傳感手套還用3-D傳感器跟蹤用戶手腕的運(yùn)動(dòng)。手套的工作區(qū)大于跟蹤球和手柄（探頭）的工作區(qū)。

下圖表示，人手指的各種運(yùn)動(dòng)。傳感手套是為滿足上述要求而設(shè)計(jì)的虛擬現(xiàn)實(shí)工具。28把原始的傳感器讀數(shù)變成手指關(guān)節(jié)角的過程稱為手套校準(zhǔn)。每當(dāng)開始一次新的仿真，戴上數(shù)據(jù)手套時(shí)，都必須重新作校準(zhǔn)。這是因?yàn)椴豢赡苤朗欠裼脩舭咽痔姿删o合適地戴在手指上。

下圖表示，數(shù)據(jù)手套DataGlove的結(jié)構(gòu)。

把原始的傳感器讀數(shù)變成手指關(guān)節(jié)角的過程稱為手套29虛擬制造技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)30電磁傳感器

電磁傳感器測(cè)量頭，手，其他設(shè)備的位姿。測(cè)量三個(gè)坐標(biāo)，以及三個(gè)姿態(tài)角度。下圖表示，電磁傳感器用于測(cè)量頭盔的位姿。輕便的電磁接受器部分安裝在頭盔上，電磁發(fā)射器安裝在地面。電磁傳感器電磁傳感器測(cè)量頭，手，其他設(shè)備的位31超聲傳感器超聲傳感器同樣測(cè)量頭，手，其他設(shè)備的位姿。測(cè)量三個(gè)坐標(biāo)，以及三個(gè)姿態(tài)角度。

下圖表示使用超聲傳感器的示意圖。在用戶頭部前額上的正三角形架子上安裝了三個(gè)超聲接受器，另一個(gè)大的正三角形架子上安裝了三個(gè)超聲發(fā)射器。

超聲傳感器超聲傳感器同樣測(cè)量頭，手，其他設(shè)備的32視覺顯示

理想的視覺顯示與日常經(jīng)歷中的場(chǎng)景對(duì)比，在質(zhì)量、修改率和范圍方面應(yīng)該是無法區(qū)分的。但是當(dāng)前的技術(shù)還不支持這種高真實(shí)度的視覺顯示，而且也不清楚是否多數(shù)應(yīng)用要求這種高真實(shí)度。對(duì)任何給定的應(yīng)用，必須認(rèn)真評(píng)價(jià)各種顯示特性的重要性，這包括視覺特性（視場(chǎng)、分辨率、亮度、對(duì)比和彩色），人類工程學(xué)，安全，可靠和價(jià)格。視覺顯示的基本要求是提供立體視覺。

對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)（VR），最常用的技術(shù)成熟的顯示類型是陰極射線管（CRT）和背光液晶顯示（LCD）。雖然這些技術(shù)對(duì)近期的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用是很有用的，但幾個(gè)缺點(diǎn)卻妨礙其長期的發(fā)展。

1．CRT類顯示

2．LCD類顯示

視覺顯示理想的視覺顯示與日常經(jīng)歷中的場(chǎng)景對(duì)比，33

CRT技術(shù)是多年來在電視機(jī)和計(jì)算機(jī)監(jiān)視器上廣泛應(yīng)用的成熟技術(shù)。CRT技術(shù)能給頭盔顯示器提供小的高分辨率高亮度的單色顯示。但這些CRT較重，并把高電壓放在人頭部上的設(shè)備中。此外，開發(fā)小型高分辨率高亮度彩色CRT是困難的。在頭盔顯示中，要求笨重的光學(xué)設(shè)備形成高質(zhì)量圖像。

組合的技術(shù)途徑可產(chǎn)生高質(zhì)量彩色圖像，并減少重量和價(jià)格。近期的途徑是把高質(zhì)量彩色的基于CRT的HMD（頭盔顯示器）引入市場(chǎng)，它使用了加于單色CRT的機(jī)械電子彩色濾光技術(shù)。這種途徑中，CRT以三倍正常速率掃描，并依次加上紅、綠、蘭三色的濾光器。

CRT技術(shù)是多年來在電視機(jī)和計(jì)算機(jī)監(jiān)視器上廣泛34

LCD技術(shù)以低電壓產(chǎn)生彩色圖像，但只具有很低的圖像元密度。在頭盔顯示中，也要求笨重的光學(xué)設(shè)備形成高質(zhì)量圖像。

市場(chǎng)出售的頭盔式顯示器幾乎全部依靠TV（電視機(jī)）質(zhì)量的液晶顯示。在VR和遙操作領(lǐng)域，不要求大區(qū)域顯示。只要求緊湊的輕便的高分辨率顯示。LCD顯示器有待提高其分辨率。LCD技術(shù)以低電壓產(chǎn)生彩色圖像，但只具有很低的353．VRD類顯示與基于CRT或LCD的顯示器不同的工作是在華盛頓大學(xué)人類接口接術(shù)（HIT）實(shí)驗(yàn)室。HIT實(shí)驗(yàn)室正研究基于激光微掃描技術(shù)的顯示VRD，它用微型固體激光器掃描視網(wǎng)膜上的彩色圖像。它的優(yōu)點(diǎn)是不使用笨重的光學(xué)設(shè)備，可能開發(fā)高分辨率、輕便、低價(jià)格顯示系統(tǒng)。但激光微掃描顯示還面對(duì)大量技術(shù)障礙。

VRD的應(yīng)用包括用于軍事，頭盔，移動(dòng)電話，以及醫(yī)學(xué)上。

3．VRD類顯示與基于CRT或LCD的顯示器不36下圖表示，VRD的顯示設(shè)備用于頭盔顯示器。

下圖表示，VRD的顯示設(shè)備用于頭盔顯示器。37未來的VRD的頭盔顯示器

未來的VRD的頭盔顯示器38視覺顯示的產(chǎn)品幾種基于LCD的頭盔產(chǎn)品視覺顯示的產(chǎn)品幾種基于LCD的頭盔產(chǎn)品39視覺顯示的產(chǎn)品基于CRT的頭盔產(chǎn)品

視覺顯示的產(chǎn)品基于CRT的頭盔產(chǎn)品40聽覺顯示虛擬環(huán)境的聽覺接口應(yīng)能給兩耳提供一對(duì)聲波。

(1)它應(yīng)有高逼真性，

(2)能以預(yù)訂方式改變波形，作為聽者各種屬性和輸出的函數(shù)(包括頭部位姿變化)，

(3)排除所有不是VR系統(tǒng)產(chǎn)生的聲源(如真實(shí)環(huán)境背景聲音)。對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以放松上述條件(3)，它的意圖是組合合成聲音與真實(shí)聲音。聽覺顯示虛擬環(huán)境的聽覺接口應(yīng)能給兩耳提供一對(duì)聲41聲音顯示設(shè)備一般講，用耳機(jī)最容易達(dá)到虛擬現(xiàn)實(shí)的要求。在使用喇叭，并遠(yuǎn)離頭部時(shí)，每個(gè)耳朵聽到每個(gè)喇叭的聲音，控制問題很困難。雖然商業(yè)化的高逼真電影往往聲稱喇叭有很好的形成聲象能力，但用戶限制在房中單一收聽位置，只得到固定方位聲象（不補(bǔ)償頭部轉(zhuǎn)動(dòng)），而且房間的聲學(xué)特性不容易處理。此外，由于耳朵完全打開,不可能排除環(huán)境中附加的聲音。最后，雖然與耳機(jī)有關(guān)的接觸感可能限制聽覺臨場(chǎng)感的程度，但是由于用戶需要在虛擬和真實(shí)環(huán)境之間來回轉(zhuǎn)移，這種與耳機(jī)接觸可能是有用的。在任何情況，由于視覺接口會(huì)存在這些問題。在需要喇叭的情況下，可能發(fā)生高能低頻聲爆破。這種情況，喇叭可能用于振動(dòng)部分身體，而不僅是耳膜。

聲音顯示設(shè)備一般講，用耳機(jī)最容易達(dá)到虛擬現(xiàn)實(shí)的要求42房間聲音建模1．聲音的空間分布

虛擬環(huán)境聽覺接口以前多數(shù)工作是要提供聲音的空間分布。在這個(gè)領(lǐng)域，工作最初集中在仿真正常的空間分布。很少注意提供超正常分布。

2．房間聲學(xué)建模

當(dāng)前，Acoustetron是唯一的包含簡化的房間實(shí)時(shí)聲學(xué)建模的實(shí)時(shí)聲音空間定位系統(tǒng)。即使聲學(xué)模型是簡單的，并只有少量一階和二階反射，系統(tǒng)提供了加強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)性。

3．增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示房間聲音建模1．聲音的空間分布

虛擬環(huán)境聽覺接口以前多43力覺和觸覺顯示

1．接觸反饋和力反饋

接觸接口可以按照提供給用戶的信息分成兩類，接觸反饋和力反饋。接觸反饋給用戶提供的信息有：物體表面幾何形狀、表面紋理、滑動(dòng)等。力反饋給用戶提供的信息有：總的接觸力、表面柔順、物體重量等。接觸接口還可以分成：部分身體運(yùn)動(dòng)接口，以及全身運(yùn)動(dòng)接口。部分身體運(yùn)動(dòng)接口，安裝在人體的一部分，如手、臂、軀干等。全身運(yùn)動(dòng)接口則全面支持在虛擬環(huán)境中的主動(dòng)和被動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，但這種接口技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟。機(jī)械接觸接口的一個(gè)重要的指標(biāo)是：自由度（DoF）。由操作器的觀點(diǎn)看，自由度是關(guān)節(jié)的數(shù)目。這些關(guān)節(jié)是位置受控的，也是力矩受控的。2．接觸反饋和力反饋的要求

在虛擬現(xiàn)實(shí)交互中，沒有真實(shí)的被抓物體。虛擬接觸反饋和力反饋需要復(fù)制實(shí)時(shí)計(jì)算的接觸力、表面形狀、平滑性和滑動(dòng)等。除了對(duì)所有傳感通道的實(shí)時(shí)要求外，對(duì)虛擬接觸反饋和力反饋還有某些特殊要求。力覺和觸覺顯示1．接觸反饋和力反饋

接觸接口可以443．接觸反饋和力反饋的技術(shù)

接觸接口需要幾種機(jī)械部件，以及描述環(huán)境性質(zhì)的模型和軟件。至今還只有很少的接觸反饋和力反饋設(shè)備。他們采用下列的技術(shù)。

（1）軟件和模型

（2）心理物理學(xué)

（3）作用器3．接觸反饋和力反饋的技術(shù)

接觸接口需要幾種機(jī)械部45觸覺顯示設(shè)備接觸反饋在物體辨識(shí)與操作中起重要作用。它也檢測(cè)開始接觸，所以在任何力反饋系統(tǒng)中也是需要的。人體具有二十種不同類型的神經(jīng)末梢，給大腦發(fā)送信息。多數(shù)感知器是熱、冷、疼、壓、接觸等感知器。接觸接口給這些感知器提供：高頻震動(dòng)、形狀或壓力分布、溫度分布等信息。

接觸反饋設(shè)備有下列幾種

觸覺顯示設(shè)備接觸反饋在物體辨識(shí)與操作中起重要作461．氣動(dòng)接觸反饋

1．氣動(dòng)接觸反饋472．振動(dòng)觸覺反饋2．振動(dòng)觸覺反饋48力覺顯示設(shè)備

力反饋設(shè)備應(yīng)該跟蹤用戶身體的運(yùn)動(dòng)，以及用戶施加的力。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，力反饋設(shè)備確定它加給用戶的力。這種接口的目標(biāo)是給用戶提供立即的，高逼真的，可信的真實(shí)交互。

力反饋手柄力覺顯示設(shè)備力反饋設(shè)備應(yīng)該跟蹤用戶身體的運(yùn)動(dòng)49力反饋手臂手臂有重力和慣性補(bǔ)償，于是在與虛擬環(huán)境無交互時(shí)在手柄上也不感到力。

（a）為系統(tǒng)布局，（b）為手臂的結(jié)構(gòu)

力反饋手臂手臂有重力和慣性補(bǔ)償，于是在與虛擬環(huán)50虛擬場(chǎng)景的生成虛擬場(chǎng)景的生成主要包括兩方面內(nèi)容：

虛擬環(huán)境的建模及三維圖形顯示。

幾何對(duì)象的完整描述應(yīng)包括兩方面，其一稱為“靜態(tài)模型”，他描述對(duì)象的靜態(tài)特征，包括幾何尺寸、形狀特征、位置、方向、材料及有關(guān)屬性；其二稱之為“動(dòng)態(tài)模型”，他描述對(duì)象的動(dòng)態(tài)屬性，包括其運(yùn)動(dòng)、行為及其約束條件等。1、虛擬場(chǎng)景靜態(tài)模型的建立靜態(tài)模型的描述一般分為：幾何模型，光照模型、灰度模型、紋理處理、渲染效果等。2、虛擬場(chǎng)景動(dòng)態(tài)模型的建立虛擬場(chǎng)景動(dòng)態(tài)模型建立主要涉及兩個(gè)方面的內(nèi)容，其一是如何確定場(chǎng)景中每一個(gè)對(duì)象運(yùn)動(dòng)過程中的坐標(biāo)（包括絕對(duì)坐標(biāo)與相對(duì)坐標(biāo)），其二是當(dāng)視點(diǎn)變化時(shí)場(chǎng)景如何動(dòng)態(tài)刷新。虛擬場(chǎng)景的生成虛擬場(chǎng)景的生成主要包括兩方面內(nèi)容：512虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)與計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)發(fā)展而實(shí)現(xiàn)的高級(jí)人機(jī)交互技術(shù)，讓用戶通過視覺、聽覺、觸覺、甚至嗅覺和味覺等多種知覺方式實(shí)時(shí)地與計(jì)算機(jī)所建造的仿真環(huán)境發(fā)生相互作用。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR-VirtualReality)VR技術(shù)是綜合利用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)和各種顯示和控制等接口設(shè)備，在計(jì)算機(jī)上生成的、可交互的三維環(huán)境中提供沉浸感覺的技術(shù)。VR技術(shù)的直觀與交互特性彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工具的不足為概念設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)提供了有力的支持VR技術(shù)是一個(gè)極有應(yīng)用潛力的新技術(shù)領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了在產(chǎn)品制造以前觀察、驗(yàn)證和使用產(chǎn)品的可視化的環(huán)境。2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種三維計(jì)算機(jī)52虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征

1）立體感的視覺效果由內(nèi)向外觀察，按人的視覺原理設(shè)計(jì)，環(huán)境真實(shí)感2）人在虛擬環(huán)境中的沉浸感用戶在虛擬空間處于運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中。3）多知感借助多媒體，產(chǎn)生視覺、聽覺、觸覺感。4）閉環(huán)的交互方式人對(duì)虛擬空間的對(duì)象進(jìn)行操作時(shí)，對(duì)象將給人以感覺上的反饋5）動(dòng)態(tài)的顯示場(chǎng)景可隨人的視點(diǎn)作全方位的運(yùn)動(dòng)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供：具有獨(dú)特輸入/輸出裝置的特殊人機(jī)界面，如頭盔式顯示器HMD、跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、定位器等。借助這些虛擬外設(shè)，比之傳統(tǒng)CAD技術(shù)，用戶就可沉浸在仿真環(huán)境之中，有“身臨其境”的感覺，從而完成在現(xiàn)實(shí)世界中可能或不可能的工作虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征1）立體感的視覺效果53虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的建立屏幕仿真采用鍵盤和鼠標(biāo)與計(jì)算機(jī)交互，用戶仍然置身于虛擬環(huán)境之外操作和觀看。借助立體顯示裝置和軟件、多通道的視覺、聽覺、觸覺和甚至味覺傳感器，可使用戶沉浸到虛擬環(huán)境中去，構(gòu)想成接近現(xiàn)實(shí)的幻覺。這種環(huán)境稱為虛擬實(shí)境（VirtualReality）是一種能在三維視覺空間中進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真和交互的高端人機(jī)界面。虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的建立屏幕仿真采用鍵盤和鼠標(biāo)與計(jì)算54虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的建立交互沉浸遐想視覺聽覺觸覺味覺虛擬環(huán)境虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的建立交互沉浸遐想視覺聽覺觸覺味覺虛擬55虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的建立有沉浸感的虛擬實(shí)境環(huán)境人工的虛擬實(shí)境產(chǎn)品帶頭盔的用戶虛擬實(shí)境計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的建立有沉浸感的虛擬實(shí)境環(huán)境人工的虛擬實(shí)境產(chǎn)品帶56虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的建立虛擬實(shí)境環(huán)境輸入接口位置跟蹤數(shù)據(jù)手套空間球操縱桿話筒頭盔雙筒鏡立體眼鏡顯示設(shè)備耳機(jī)輸出接口虛擬實(shí)境數(shù)據(jù)庫CAD、音頻、視頻測(cè)量建模渲染控制虛擬實(shí)境計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)境建模語言VRML虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的建立虛擬實(shí)境環(huán)境輸入接口位置跟蹤數(shù)據(jù)手套空間57虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境建模

虛擬實(shí)境的建模過程首先是將CAD的實(shí)體模型進(jìn)行三角形處理，將連續(xù)的實(shí)體轉(zhuǎn)為大量三角形構(gòu)成的表面，以減少虛擬對(duì)象的數(shù)據(jù)量。三角形的數(shù)量越多，虛擬對(duì)象越逼真，虛擬實(shí)境的沉浸感越強(qiáng)。對(duì)于需要表現(xiàn)細(xì)節(jié)的局部，也可以借助照片貼圖的方法，避免數(shù)據(jù)量過大。虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境建模虛擬實(shí)境的建模過程首先是將CA58虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的要求1．幀頻和延遲時(shí)間的要求

VR要求高幀頻和快速響應(yīng)，這是由于其內(nèi)在的交互性質(zhì)。

要求的幀頻和延遲一般取決于環(huán)境特性。只有慢速運(yùn)動(dòng)物體的較靜的環(huán)境，可以用幀頻每秒8至10，和0.1秒延遲。如果環(huán)境有高速運(yùn)動(dòng)的物體，則要求高幀頻（>60Hz）和短延遲。所有情況下，若幀頻低于每秒8幀，則失去三維環(huán)境的生動(dòng)感，若延遲大于0.1秒，則很難操作環(huán)境。因此，幀頻必須大于8到10幀/秒,總延遲必須小于0.1秒。虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的要求1．幀頻和延遲時(shí)間的要求

592．計(jì)算能力和場(chǎng)景復(fù)雜性

虛擬現(xiàn)實(shí)仿真的計(jì)算問題，是一種時(shí)間受限的計(jì)算。這是因?yàn)轱@示的幀頻必須大于8到10幀/秒。于是，在0.1秒內(nèi)，必須完成一次場(chǎng)景的計(jì)算。如果一個(gè)顯示的場(chǎng)景中有10,000個(gè)三角形（或多邊形），這個(gè)數(shù)量就反映了場(chǎng)景復(fù)雜性。這樣，在每秒進(jìn)行的10次計(jì)算中，就應(yīng)該計(jì)算100,000個(gè)三角形（或多邊形）。這表示了計(jì)算能力。

若要求更加逼真的仿真效果，就要增加場(chǎng)景復(fù)雜性。顯示的場(chǎng)景中有更多的三角形（或多邊形），顯示的效果就更逼真。這就要求更強(qiáng)的計(jì)算能力，每秒計(jì)算更多的三角形（或多邊形）。反之，如果只能使用能力有限的指定的計(jì)算機(jī)，則限定了計(jì)算能力，也就限定了場(chǎng)景復(fù)雜性。每個(gè)場(chǎng)景，只能用較少的三角形（或多邊形），產(chǎn)生較粗糙的顯示。這種考慮就是，計(jì)算能力和場(chǎng)景復(fù)雜性的折衷。

對(duì)計(jì)算機(jī)，主要的技術(shù)指標(biāo)就是其計(jì)算能力，也就是每秒計(jì)算的三角形（或多邊形）的數(shù)目。應(yīng)該注意，是否加紋理，是否反走樣，采用哪一種明暗模型，都會(huì)影響到計(jì)算能力。加入這些復(fù)雜的功能，就會(huì)增加計(jì)算復(fù)雜性，從而減少每秒計(jì)算的三角形（或多邊形）的數(shù)目。

2．計(jì)算能力和場(chǎng)景復(fù)雜性

602500個(gè)三角形33個(gè)三角形600個(gè)三角形134754個(gè)三角形虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境建模汽車前儀表蓋三角形較少的模型三角形較多的模型貼上儀表盤照片2500個(gè)三角形33個(gè)三角形600個(gè)三角形134754個(gè)三角61方向盤的CAD模型三角形較多的模型三角形較少的模型虛擬實(shí)境的模型虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境建模方向盤的CAD模型三角形較多的模型三角形較少的模型虛62虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境設(shè)備位置輸入裝置的用途是：操縱和控制虛擬對(duì)象的位置。將用戶的位置與虛擬實(shí)境交互。位置輸入裝置的主要類型：空間球（6自由度立體鼠標(biāo)）。操縱桿（力反饋或沒有力反饋）。超聲波或光學(xué)位置跟蹤器。全身動(dòng)作跟蹤服。位置輸入裝置虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境設(shè)備位置輸入裝置的用途是：位置輸入裝置63虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境設(shè)備虛擬對(duì)象有6個(gè)自由度空間球具有磁性位置跟蹤的立體鼠標(biāo)單柄操縱桿具有力反饋的操縱桿攝像機(jī)攝像機(jī)兩極發(fā)光管指向標(biāo)兩極發(fā)光管天花板帶傳感器的頭盔超聲波發(fā)生器超聲波接收器位置控制器虛擬實(shí)境計(jì)算機(jī)光學(xué)位置跟蹤器傳感器激光掃描儀傳感器位置信號(hào)發(fā)射裝置傳感器全身動(dòng)作跟蹤服（20個(gè)傳感器）虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境設(shè)備虛擬對(duì)象有空間球具有磁性位置跟蹤的立體鼠標(biāo)單64虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境設(shè)備

數(shù)據(jù)手套既是位置輸入裝置，也是觸覺輸入裝置，它將“虛擬手”加到虛擬實(shí)境場(chǎng)景中去。數(shù)據(jù)手套

與空間球和操縱桿相比，數(shù)據(jù)手套擴(kuò)大了用戶與虛擬實(shí)境交互的活動(dòng)空間。數(shù)據(jù)手套的主要類型有：位置和動(dòng)作數(shù)據(jù)手套。力反饋數(shù)據(jù)手套。將用戶手的姿勢(shì)轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可讀的數(shù)據(jù)，有測(cè)量幾個(gè)或全部手指關(guān)節(jié)的傳感器。有的具有三維傳感器，以跟蹤用戶腕部的運(yùn)動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境設(shè)備數(shù)據(jù)手套既是位置輸入裝置，也是觸65基于光導(dǎo)衰減有利的光纖手套CyberGrasp數(shù)據(jù)手套虛擬手?jǐn)?shù)據(jù)手套的工作空間信號(hào)發(fā)射器空間球的工作空間工具欄菜單欄輸出信號(hào)2個(gè)傳感器/每根手指+手指分合傳感器+手腕轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器接口電纜接口盒軟接線信號(hào)轉(zhuǎn)換軟手套虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境設(shè)備基于光導(dǎo)衰減有利的光纖手套CyberGrasp數(shù)據(jù)手套虛擬手66虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境設(shè)備頭盔和雙筒鏡頭盔(HMD-HeadMountedDisplay)和雙筒鏡(BOOM)是個(gè)人用戶的虛擬實(shí)境顯示裝置，使用方便，價(jià)格便宜。頭盔的缺點(diǎn)是頭部負(fù)重和不舒適感，頭盔分專業(yè)（帶位置跟蹤）和普通（不帶位置跟蹤）。雙筒鏡與觀景望遠(yuǎn)鏡相似，缺點(diǎn)是視覺范圍有限，觀看時(shí)需要不斷移動(dòng)，分手持和座式。在頭盔或雙筒鏡兩側(cè)有兩個(gè)小型液晶顯示器，通過光學(xué)系統(tǒng)在用戶眼前生成虛擬實(shí)境場(chǎng)景。虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境設(shè)備頭盔和雙筒鏡頭盔(HMD-HeadMoun67虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境設(shè)備虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境設(shè)備68單通道虛擬實(shí)境系統(tǒng)HMD控制器HMD控制器虛擬實(shí)境計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)境計(jì)算機(jī)RGB-NTSC轉(zhuǎn)換器圖形卡圖形卡圖形卡場(chǎng)景計(jì)算左眼計(jì)算右眼計(jì)算HMD位置跟蹤位置跟蹤接收器頭圍調(diào)節(jié)多通道虛擬實(shí)境系統(tǒng)顯示器立體聲耳機(jī)位置跟蹤接收器頭圍調(diào)節(jié)瞳距調(diào)節(jié)場(chǎng)景顯示虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境設(shè)備單通道虛擬實(shí)境系統(tǒng)HMDHMD虛擬實(shí)境計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)境計(jì)算機(jī)R69虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境設(shè)備虛擬桌面和虛擬幕墻

大屏幕的虛擬桌面（ImmersaDesk）和虛擬幕墻(PowerWall）是可供多人觀看虛擬實(shí)境的顯示裝置。虛擬桌面一般采用一個(gè)CRT、LCD或DLP投影儀，通過反射鏡投射到屏幕。大型虛擬幕墻采用多個(gè)CRT或DLP投影儀，從背面投射，布滿整個(gè)墻面，可供數(shù)十人觀看。觀看時(shí)用戶需要戴上立體眼鏡。虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境設(shè)備虛擬桌面和虛擬幕墻大屏幕的虛擬70投影儀反射鏡顯示屏虛擬幕墻虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境設(shè)備投影儀反射鏡顯示屏虛擬幕墻虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境設(shè)備71虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境設(shè)備CAVE虛擬環(huán)境CAVE是計(jì)算機(jī)自動(dòng)虛擬環(huán)境的縮寫，（ComputerAutomatedVirtualEnvironment--CAVE）。

在3m3m2.7m的空間中，前面和左右側(cè)面場(chǎng)景采用3個(gè)大屏幕投影儀通過反射鏡投射或直接從背面投射，地面場(chǎng)景借助屋頂上的投影儀通過反射鏡投射。使用者戴上立體眼鏡觀看場(chǎng)景、借助數(shù)據(jù)手套對(duì)目標(biāo)進(jìn)行交互、利用位置跟蹤器和空間操縱桿進(jìn)行操作。

CAVE已經(jīng)在重大產(chǎn)品開發(fā)、建筑設(shè)計(jì)、軍事和體育訓(xùn)練、科學(xué)研究等許多領(lǐng)域獲得應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境設(shè)備CAVE虛擬環(huán)境CAVE是72CAVE（六面）示意圖虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境設(shè)備地面投影儀右側(cè)投影儀左側(cè)投影儀前景投影儀CAVE（六面）示意圖虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境設(shè)備地面投影儀右側(cè)投影儀73雙筒顯示器數(shù)據(jù)手套“駕駛”虛擬的汽車虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境應(yīng)用雙筒顯示器數(shù)據(jù)手套“駕駛”虛擬的汽車虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境應(yīng)用74虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境應(yīng)用75虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境應(yīng)用76虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境應(yīng)用網(wǎng)格虛擬實(shí)現(xiàn)環(huán)境

普及虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)，首先遇到投資問題，高端和低端的投資差別很大，從幾萬到幾千萬。

網(wǎng)格計(jì)算（GridComputing）是新一代的互聯(lián)網(wǎng)，可提供強(qiáng)大的圖形交互和處理能力。

借助網(wǎng)格，可以將在不同地點(diǎn)的虛擬實(shí)境設(shè)備連接在一起，實(shí)現(xiàn)資源共享。

例如甲地有CAVE，乙地有頭盔，丙地有雙筒鏡，借助網(wǎng)格，乙地和丙地也可進(jìn)入CAVE。虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境應(yīng)用網(wǎng)格虛擬實(shí)現(xiàn)環(huán)境普及虛擬實(shí)現(xiàn)77虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境應(yīng)用共享的虛擬實(shí)境場(chǎng)景虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境應(yīng)用共享的虛擬實(shí)境場(chǎng)景78虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境應(yīng)用79虛擬現(xiàn)實(shí)的建模和仿真技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)的幾何建模技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)的物理建模技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)仿真的動(dòng)畫技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)的建模和仿真技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)的幾何建模技術(shù)

80環(huán)境模型的表示

建模是VR的核心,它定義物體的形式、屬性和外觀。多模式VR的一個(gè)重要的技術(shù)難點(diǎn)是設(shè)計(jì)開發(fā)物體表示、仿真和繪制(RSR)技術(shù)。它支持實(shí)時(shí)與VR的視聽觸覺交互。RSR處理有兩個(gè)主要途徑。人工的幾何建模方法

建立詳細(xì)的三維幾何模型的要求是來自計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，和其它領(lǐng)域。幾何建模是活躍的科學(xué)和工業(yè)研究領(lǐng)域，已經(jīng)可以得到大量的商業(yè)建模系統(tǒng)。盡管有豐富的工具，還是把建?？闯煞敝氐娜蝿?wù)。有關(guān)的因素是建模緩慢，用戶接口不便，不靈活，以及模型規(guī)定在低層次。這些困難的表現(xiàn)是多數(shù)實(shí)驗(yàn)室和商業(yè)動(dòng)畫公司寧愿使用自制建模工具，或在某些情況用自制建模工具與市場(chǎng)銷售建模工具的混合。

自動(dòng)的幾何建模方法

三維掃描儀（3DimensionalScanner）又稱為三維數(shù)字化儀（3DimensionalDigitizer）。它是當(dāng)前使用的對(duì)實(shí)際物體三維建模的重要工具。它能快速方便的將真實(shí)世界的立體彩色信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能直接處理的數(shù)字信號(hào)，為實(shí)物數(shù)字化提供了有效的手段。

環(huán)境模型的表示81虛擬現(xiàn)實(shí)幾何建模得到的建筑物場(chǎng)景

虛擬現(xiàn)實(shí)幾何建模得到的建筑物場(chǎng)景82虛擬現(xiàn)實(shí)的物理建模技術(shù)為了使VR可靠，并把用戶定位在其中，虛擬物體(包括用戶的圖像)必須象真的一樣。至少固體不應(yīng)彼此穿過，物體在被推拉抓取時(shí)應(yīng)按予期方式運(yùn)動(dòng)。VR的物理屬性往往用微分方程來描述，它構(gòu)成動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。這種動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)由系統(tǒng)分析和系統(tǒng)仿真來研究。系統(tǒng)仿真實(shí)際上就是動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的物理仿真。

虛擬現(xiàn)實(shí)的物理建模技術(shù)為了使VR可靠，并把用戶83經(jīng)典力學(xué)的仿真廣泛用于幫助工程設(shè)計(jì)和分析。雖然這些傳統(tǒng)仿真提供屬性的數(shù)值規(guī)律，但還沒有滿足VR要求。在工程實(shí)踐中，仿真是長的推理活動(dòng)。工程師一般花很多時(shí)間手工開發(fā)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。模型再轉(zhuǎn)換成仿真軟件和參數(shù)選擇。這樣仿真才能運(yùn)行。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，初始方程必須修改，并重新運(yùn)行仿真。

與此對(duì)比，VR的力學(xué)仿真必須可靠地、無縫地、自動(dòng)地、實(shí)時(shí)地運(yùn)行。在世界建模的范圍內(nèi)，任何可能發(fā)生的情況必須正確處理。近年來，計(jì)算機(jī)圖形的研究開始涉及這類仿真提出的問題，這稱為基于物理的建模。下面綜述現(xiàn)有的技術(shù)。

經(jīng)典力學(xué)的仿真廣泛用于幫助工程設(shè)計(jì)和分析。雖然84基于物理模型的動(dòng)畫技術(shù)，盡管比傳統(tǒng)動(dòng)畫技術(shù)的計(jì)算復(fù)雜性高，但能逼真地模擬自然物理現(xiàn)象?；谖锢砟Ｐ偷膭?dòng)畫，大致可分為三類，剛體運(yùn)動(dòng)模擬、塑性物體變形運(yùn)動(dòng)模擬、流體運(yùn)動(dòng)模擬?；谖锢砟Ｐ偷膭?dòng)畫技術(shù)，盡管比傳統(tǒng)動(dòng)畫技術(shù)的計(jì)85虛擬現(xiàn)實(shí)仿真的動(dòng)畫技術(shù)VR中物體的動(dòng)態(tài)，也就是數(shù)值的動(dòng)態(tài)?？梢杂蓛煞N方法實(shí)現(xiàn)這種數(shù)值的動(dòng)態(tài)。

之一是基于數(shù)值插值的動(dòng)畫方法，它可以得到物體的動(dòng)態(tài)。例如虛擬人體的步行，可以由插值實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫。下面介紹幾種插值方法。

之二是基于物理的運(yùn)動(dòng)方程，由方程數(shù)值解可得到物體的動(dòng)態(tài)。例如球的自由下落。下面也將介紹基于動(dòng)力學(xué)方程的系統(tǒng)仿真方法。1、插值方法2、過程動(dòng)畫虛擬現(xiàn)實(shí)仿真的動(dòng)畫技術(shù)VR中物體的動(dòng)態(tài)，也就是86用插值方法得到的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景

用插值方法得到的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景87過程動(dòng)畫

過程動(dòng)畫是用過程來描述動(dòng)畫中物體的運(yùn)動(dòng)或變形。簡單的過程動(dòng)畫，用一個(gè)數(shù)學(xué)模型描述。另一類過程動(dòng)畫，采用特殊方法，如粒子系統(tǒng)和群體運(yùn)動(dòng)。1、粒子系統(tǒng)過程動(dòng)畫過程動(dòng)畫是用過程來描述動(dòng)畫中物體的運(yùn)882、動(dòng)力學(xué)方程的系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)仿真技術(shù)是解決虛擬環(huán)境中物體動(dòng)態(tài)行為的動(dòng)力學(xué)方法，所以系統(tǒng)仿真是虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)技術(shù)之一。系統(tǒng)仿真技術(shù)往往承擔(dān)大型仿真任務(wù)，如武器系統(tǒng)的仿真。在大型仿真任務(wù)中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是仿真可視化和人機(jī)交互的先進(jìn)工具。所以，虛擬現(xiàn)實(shí)和系統(tǒng)仿真是緊密相關(guān)和相輔相成的兩個(gè)領(lǐng)域。

用動(dòng)力學(xué)方程的系統(tǒng)仿真得到的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景2、動(dòng)力學(xué)方程的系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真技術(shù)是89虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

4.1虛擬現(xiàn)實(shí)的特征及基本構(gòu)成4.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展概況4.3位置跟蹤通道4.4視覺通道4.5聽覺通道4.6觸覺、力反饋4.7虛擬場(chǎng)景的生成

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)4.1虛擬現(xiàn)實(shí)的特征及基本構(gòu)成90虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

4.1虛擬現(xiàn)實(shí)的特征及基本構(gòu)成4.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展概況4.3位置跟蹤通道4.4視覺通道4.5聽覺通道4.6觸覺、力反饋4.7虛擬場(chǎng)景的生成

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)4.1虛擬現(xiàn)實(shí)的特征及基本構(gòu)成91虛擬現(xiàn)實(shí)的基本概念

1989年，美國VPLResearch公司創(chuàng)始人JaronLanier提出了"VirtualReality"（虛擬現(xiàn)實(shí)）的概念。在這里，"Reality"的含義是現(xiàn)實(shí)的世界，或現(xiàn)實(shí)的環(huán)境。所以，"VirtualReality"（虛擬現(xiàn)實(shí)）的另一個(gè)名稱是"VirtualEnvironment"（虛擬環(huán)境）。"Virtual"說明，這個(gè)世界或環(huán)境是虛擬的，不是真實(shí)的。這個(gè)世界或環(huán)境是人工構(gòu)造的，是存在于計(jì)算機(jī)內(nèi)部的。用戶應(yīng)該能夠"進(jìn)入"這個(gè)虛擬的環(huán)境中。所謂"進(jìn)入"這個(gè)虛擬的環(huán)境中，是指用戶以自然的方式與這個(gè)環(huán)境交互（包括感知環(huán)境并干預(yù)環(huán)境），從而產(chǎn)生置身于相應(yīng)的真實(shí)環(huán)境中的虛幻感，身臨其境的感覺。

虛擬現(xiàn)實(shí)的基本概念1989年，美國VPLRe92"VirtualReality"（虛擬現(xiàn)實(shí)）或"VirtualEnvironment"（虛擬環(huán)境）是人工構(gòu)造的，存在于計(jì)算機(jī)內(nèi)部的環(huán)境。用戶應(yīng)該能夠以自然的方式與這個(gè)環(huán)境交互（包括感知環(huán)境并干預(yù)環(huán)境），從而產(chǎn)生置身于相應(yīng)的真實(shí)環(huán)境中的虛幻感，沉浸感，身臨其境的感覺。

虛擬環(huán)境(VirtualEnvironment，VE)系統(tǒng)或虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality，VR)系統(tǒng)包括人類操作者、人機(jī)接口和計(jì)算機(jī)。"VirtualReality"（虛擬現(xiàn)93

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用最多的專用設(shè)備是頭盔式立體顯示器和數(shù)據(jù)手套。于是，有人以使用這些專用設(shè)備為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的標(biāo)志。這種觀點(diǎn)是不準(zhǔn)確的。上述的虛擬現(xiàn)實(shí)的概念，是在計(jì)算機(jī)應(yīng)用和人機(jī)交互方面開創(chuàng)的全新的學(xué)科領(lǐng)域。這個(gè)新領(lǐng)域的發(fā)展，還有很多困難，有很多技術(shù)難點(diǎn)有待解決。當(dāng)前，這一領(lǐng)域還只是走出了第一步。頭盔式立體顯示器和數(shù)據(jù)手套等設(shè)備，只是當(dāng)前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的一部分虛擬顯示設(shè)備。它們還很不完善。例如，頭盔的視場(chǎng)，分辨率，造成眩暈等問題還有待解決。聽覺接口和力覺接口等設(shè)備還在研究，應(yīng)用還不多。味覺，嗅覺，運(yùn)動(dòng)覺等技術(shù)，還缺乏研究。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用最多的專用設(shè)備是頭盔式立體顯示94虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)95虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的虛擬環(huán)境，可能有下列幾種情況。

第一種情況是模仿真實(shí)世界中的環(huán)境。例如，建筑物，武器系統(tǒng)，或戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。這種真實(shí)環(huán)境，可能是已經(jīng)存在的，也可能是已經(jīng)設(shè)計(jì)好但還沒有建成的。為了逼真地模仿真實(shí)世界中的環(huán)境，要求逼真地建立幾何模型和物理模型。環(huán)境的動(dòng)態(tài)應(yīng)符合物理規(guī)律。這一類虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的功能，實(shí)際是系統(tǒng)仿真。

第二種情況是人類主觀構(gòu)造的環(huán)境。例如，用于影視制作或電子游戲的三維動(dòng)畫。環(huán)境是虛構(gòu)的，幾何模型和物理模型就可以完全虛構(gòu)。這時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)畫技術(shù)常用插值方法。

第三種情況是模仿真實(shí)世界中的人類不可見的環(huán)境。例如，分子的結(jié)構(gòu)，空氣中速度、溫度、壓力的分布等。這種真實(shí)環(huán)境，是客觀存在的，但是人類的視覺和聽覺不能感覺到。對(duì)于分子結(jié)構(gòu)這類微觀環(huán)境，進(jìn)行放大尺度的模仿，使人能看到。對(duì)于空氣中速度這類不可見的物理量，可以用流線顯示速度（流線方向表示速度方向，流線密度表示速度大小）。這一類虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的功能，實(shí)際是科學(xué)可視化。

由此可見，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以用于系統(tǒng)仿真、科學(xué)可視化、三維動(dòng)畫等領(lǐng)域。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的虛擬環(huán)境，可能有下列幾種情況。

96第一種情況第一種情況97第二種情況第二種情況98虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的基本概念，可以得到虛擬現(xiàn)實(shí)的下列三個(gè)特點(diǎn)。

1．計(jì)算機(jī)提供“環(huán)境”,不是“數(shù)據(jù),信息”。這改變了人機(jī)接口的內(nèi)容。

2．操作者由視覺,聽覺,力覺感知環(huán)境,由自然的動(dòng)作操作環(huán)境,不是由屏幕,鍵盤,鼠標(biāo)和計(jì)算機(jī)交互。這改變了人機(jī)接口的形式。

3．逼真的感知和自然的動(dòng)作，使人產(chǎn)生身臨其境的感覺。這改變了人機(jī)接口的效果。虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的基本概念，可以得99

第一個(gè)特點(diǎn)體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)應(yīng)用的新方向。計(jì)算機(jī)的名稱體現(xiàn)了，它的最早應(yīng)用是計(jì)算。當(dāng)時(shí)，計(jì)算機(jī)和用戶交互的是計(jì)算有關(guān)的數(shù)值。此后，計(jì)算機(jī)擴(kuò)大到處理數(shù)值，字符串，文本等各類數(shù)據(jù)。以后，計(jì)算機(jī)更擴(kuò)大到處理圖像，圖形，聲音，語言等多種媒體的信息。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)則以環(huán)境為計(jì)算機(jī)處理的對(duì)象和人機(jī)交互的內(nèi)容。這開拓了計(jì)算機(jī)應(yīng)用的新思路。

第二個(gè)特點(diǎn)體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)人機(jī)接口的新方向。至今為止的計(jì)算機(jī)人機(jī)接口都是面向機(jī)器的。終端，鍵盤，鼠標(biāo)，打印機(jī)等接口設(shè)備，都是適應(yīng)計(jì)算機(jī)的專用設(shè)備。這些設(shè)備很好地完成了各類數(shù)據(jù)和多媒體信息的交互。虛擬現(xiàn)實(shí)中的人機(jī)接口，則是面向用戶的。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，用戶以自然的方式與虛擬環(huán)境交互。所謂自然的方式，是指用戶通過視覺，聽覺，觸覺等感覺虛擬環(huán)境，使用戶產(chǎn)生在真實(shí)環(huán)境中的幻覺。同時(shí)，用戶通過在真實(shí)環(huán)境中的行為，去干預(yù)虛擬環(huán)境。于是，虛擬現(xiàn)實(shí)的人機(jī)接口設(shè)備，完全不同于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的人機(jī)接口設(shè)備。這也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中最有特色的內(nèi)容。

第三個(gè)特點(diǎn)體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)人機(jī)接口的新要求。用戶通過人機(jī)接口與虛擬環(huán)境交互的結(jié)果，是使用戶產(chǎn)生身臨其境的虛幻感，沉浸感。

第一個(gè)特點(diǎn)體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)應(yīng)用的新方向。計(jì)算機(jī)的名100虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用領(lǐng)域1．娛樂

2．國防

3．設(shè)計(jì)、制造和銷售

4．醫(yī)療和健康

5．危險(xiǎn)操作

6．訓(xùn)練

7．教育

8．信息可視化

9．遠(yuǎn)程交往與遠(yuǎn)程游歷

虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用領(lǐng)域1．娛樂

2．國防

101虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

1．VR的人機(jī)接口

2．VR的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

3．VR的建模和仿真

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)1．VR的人機(jī)接口

1021．VR的人機(jī)接口

VR的人機(jī)接口有兩個(gè)作用：其一是給人類操作者提供環(huán)境信息（視覺、聽覺和觸覺），其二是感覺人類操作者的動(dòng)作和響應(yīng)（位置跟蹤和映射）。前者包括：視覺通道、聽覺通道、觸覺通道、運(yùn)動(dòng)接口和其他接口。后者包括：位置跟蹤和映射，語音識(shí)別等。

（1）位置跟蹤和映射

位置跟蹤和映射用于測(cè)量人體各部位的位置和姿態(tài)，分析判斷人面部的表情。它的目的是了解人的身體行為。這是為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互所必需的系統(tǒng)功能。VR系統(tǒng)由此了解人的行為，然后做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，實(shí)現(xiàn)交互。

常用的技術(shù)包括：機(jī)械鏈接、磁傳感器、聲傳感器、光傳感器和慣性傳感器?；灸繕?biāo)是精確完成位置和姿態(tài)的測(cè)量。三個(gè)主要的要求：大范圍的線性響應(yīng)，高帶寬（1kHz），以及允許頭和身體的運(yùn)動(dòng)。

（2）視覺通道

視覺通道給人的視覺系統(tǒng)提供圖形顯示。為了提供身臨其境的逼真感覺，視覺通道應(yīng)該滿足一些要求。顯示的像素應(yīng)該足夠小，使人不至感覺到像素的不連續(xù)。顯示的頻率應(yīng)該足夠高，使人不至感覺到畫面的不連續(xù)。給兩眼提供具有雙目視差的圖形，形成立體視覺。應(yīng)該具有足夠大的視場(chǎng)，理想情況是顯示畫面充滿整個(gè)視場(chǎng)。

視覺通道的顯示表面分為：基于CRT和基于LCD。視覺通道的光學(xué)系統(tǒng)分為：頭盔顯示(HMD)和非頭盔顯示(OHD)。

1．VR的人機(jī)接口

VR的人機(jī)接口有兩個(gè)作用：其一是給人103專用頭盔圖專用頭盔圖104

（3）聽覺通道

聽覺通道給人的聽覺系統(tǒng)提供聲音顯示。為了提供身臨其境的逼真感覺，聽覺通道應(yīng)該滿足一些要求，使人感覺置身于立體的聲場(chǎng)之中，能識(shí)別聲音的類型和強(qiáng)度，能判定聲源的位置。

聽覺通道的關(guān)鍵技術(shù)包括：合成由接口提供的虛擬聲音信號(hào)，聲音在虛擬空間定位問題，以及發(fā)聲設(shè)備。

（4）觸覺通道

觸覺通道給人體表面提供觸覺和力覺。當(dāng)人體在虛擬空間中運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果接觸到虛擬物體，虛擬顯示系統(tǒng)應(yīng)該給人提供這種觸覺和力覺。

觸覺通道涉及操作以及感覺，包括觸覺反饋和力覺反饋。觸覺通道的結(jié)構(gòu)分為：安在身體上和安在地面的設(shè)備。

（3）聽覺通道

聽覺通道給人的聽覺系統(tǒng)提供聲音105

（5）運(yùn)動(dòng)接口

人體在環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)包括：身體的被動(dòng)運(yùn)動(dòng)(被動(dòng)移動(dòng)，如在車上的運(yùn)動(dòng))，身體主動(dòng)運(yùn)動(dòng)（漫游，如散步）。人在運(yùn)動(dòng)中，人體內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)感覺器官可以感知運(yùn)動(dòng)信息。

感知運(yùn)動(dòng)信息的器官包含：前庭系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，視覺聽覺系統(tǒng)，本體感受，動(dòng)覺和觸覺。運(yùn)動(dòng)接口應(yīng)該給這些器官提供運(yùn)動(dòng)信息。

（6）其它類型接口

其它類型接口包括：嗅覺、味覺通道，以及感覺熱、風(fēng)及濕度的接口。還包括語音通訊（語音識(shí)別與合成）以及直接心理感覺和控制。這些接口還缺乏研究，以下將不介紹。（5）運(yùn)動(dòng)接口

人體在環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)包括：身體的被動(dòng)106

2．VR的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

現(xiàn)有的虛擬顯示系統(tǒng)主要考慮視覺通道。聽覺通道和觸覺通道還處于研究階段。所以，VR的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要考慮視覺通道的要求。

（1）硬件

視覺通道對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的要求，首先是要求維持足夠的圖形幀速率。于是要求在指定的時(shí)間內(nèi)（約為0.1秒）計(jì)算出兩眼的兩幅圖像。同時(shí)要求提供足夠好質(zhì)量的圖像，這一般體現(xiàn)在圖像中顯示的多邊形或三角形的樹木。因此，往往需要專用硬件。圖形硬件應(yīng)提供快速幾何變換、截取、消隱、多邊形填充和表面紋理。

（2）軟件

VR系統(tǒng)中的軟件主要包括下列幾種。交互軟件利用人機(jī)控制設(shè)備的輸出去修改VE。視覺漫游軟件控制用戶在VE中運(yùn)動(dòng)時(shí)看到的場(chǎng)景。建模軟件定義虛擬物體形狀、外觀和屬性的模型。操作系統(tǒng)支持VE的實(shí)時(shí)多模態(tài)要求。

（3）網(wǎng)絡(luò)

分布式交互仿真已經(jīng)成為現(xiàn)代仿真技術(shù)，特別是軍事仿真的潮流。通訊網(wǎng)絡(luò)可以把VE轉(zhuǎn)換成共享的分布式計(jì)算環(huán)境。2．VR的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

1073．VR的建模和仿真

（1）建模

建模包括：幾何建模和物理建模。一般的VR工具軟件都具有幾何建模功能。利用現(xiàn)有的CAD建模工具也是常用的方法。市場(chǎng)上已有商業(yè)模型庫出售。對(duì)實(shí)際物體的建模，則采用激光掃描等專用設(shè)備。物理建模是基于物理方程的建模。一般考慮剛體建模，鏈接物體的建模，以及非剛體的建模。智能體的建模不是基于物理方程，而是基于人為的物體智能。

人工建模技術(shù)在圖形學(xué)和CAD領(lǐng)域，已有成熟的成果。自動(dòng)建模采用激光掃描建立幾何模型，也已經(jīng)有相關(guān)產(chǎn)品。自動(dòng)建立物理模型的研究還不多。

3．VR的建模和仿真

（1）建模

建模包括：幾何建模和108

（2）仿真

仿真包括：圖形繪制和三維動(dòng)畫。

圖形繪制是把三維環(huán)境，相對(duì)于虛擬攝像機(jī)（虛擬視點(diǎn)）投影，形成圖像的過程。為了提供連續(xù)運(yùn)動(dòng)的錯(cuò)覺，幀速率必須大于每秒8到10幀。為了保持瞬間交互控制的錯(cuò)覺，響應(yīng)時(shí)間的延遲必須小于0.1秒。為了繪制人眼可分辨的所有細(xì)節(jié)，這要求有8千萬個(gè)多邊形。這是對(duì)于圖形繪制的要求。

然而，用今天的硬件，每個(gè)畫面8千萬多邊形的系統(tǒng)對(duì)真正的實(shí)時(shí)交互是太慢了，于是存在真實(shí)圖像與實(shí)時(shí)交互間的折衷。某些應(yīng)用（如建筑和藝術(shù)）可能要求照片一樣真實(shí)的繪制。制造和醫(yī)療應(yīng)用要求更高層次的實(shí)時(shí)交互。

三維動(dòng)畫可以用兩種途徑實(shí)現(xiàn)?；谖锢砟Ｐ偷臄?shù)值計(jì)算是一種方法。軍事和工業(yè)等應(yīng)用，往往要求這種滿足物理規(guī)律的仿真技術(shù)。數(shù)學(xué)插值則是另一種實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫的方法。這種技術(shù)在三維動(dòng)畫電影中獲得了巨大的成功。

下圖表示，虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)系統(tǒng)的方塊圖。用戶通過輸入輸出設(shè)備與輸入輸出軟件交互。輸入軟件通過形狀編輯器完成幾何建模，通過聲音編輯器完成虛擬聲音系統(tǒng)建模。然后，在世界編輯器完成虛擬環(huán)境的建模。其中的虛擬剪切器，用于模型的剪切。建立的模型，保存在虛擬世界中。整個(gè)工作在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中完成。

（2）仿真

109虛擬制造技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)110虛擬現(xiàn)實(shí)的接口設(shè)備

位姿傳感器

視覺顯示

聽覺顯示

力覺和觸覺顯示

虛擬現(xiàn)實(shí)的接口設(shè)備

位姿傳感器

1111．位姿傳感器的要求

機(jī)器人、生物學(xué)、建筑、CAD、教育等應(yīng)用領(lǐng)域，都要求知道運(yùn)動(dòng)物體實(shí)時(shí)的位置和方向。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)則要求知道人體各部分實(shí)時(shí)的位置和方向。

（1）3-D空間中的運(yùn)動(dòng)的剛體具有三個(gè)平移（沿著X、Y和Z軸）和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)（偏航、俯仰和滾動(dòng)）。

（2）在物體以高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)該足夠快地測(cè)出這六個(gè)數(shù)值。

（3）3-D測(cè)量不應(yīng)妨礙物體運(yùn)動(dòng)。非接觸式測(cè)量（低頻磁場(chǎng)、超聲、雷達(dá)、紅外攝像和LED等）已經(jīng)代替機(jī)械臂等接觸式測(cè)量。

（4）3-D傳感器都具有一些共同的參數(shù)。

位姿跟蹤常用的性能參數(shù)有：精度，分辨率，采樣率，執(zhí)行時(shí)間，范圍，工作空間，價(jià)格，障礙，方便，對(duì)模糊的敏感，容易校準(zhǔn)，同時(shí)測(cè)量的數(shù)目，方向相對(duì)位置跟蹤。1．位姿傳感器的要求

機(jī)器人、生物學(xué)、建筑、CAD、教育112

（5）人體并非剛體。上述六個(gè)數(shù)值只能描述人體整體的運(yùn)動(dòng)，人體各部分之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)也應(yīng)該測(cè)量。

（6）位姿跟蹤和映射是VE系統(tǒng)的基本要求。常用的要求包括：

（a）視覺顯示對(duì)頭和眼的跟蹤；

（b）觸覺接口對(duì)手和臂的跟蹤；

（c）視覺顯示對(duì)身體的跟蹤；

（d）面部表情識(shí)別、虛擬衣服和醫(yī)用遙控機(jī)器人的映射；

（e）建立數(shù)字化幾何模型的環(huán)境映射。

（7）一種工作方式（“流動(dòng)”方式）中，傳感器數(shù)據(jù)連續(xù)送給主計(jì)算機(jī)。這最適于快速運(yùn)動(dòng)的物體。但是這加重了通信線路的負(fù)擔(dān)。如果要求以30個(gè)畫面/秒的速率重復(fù)計(jì)算，則每33毫秒要畫出一個(gè)畫面。9600波特率的串行口要花費(fèi)12毫秒傳送6個(gè)數(shù)的一組數(shù)據(jù)（每個(gè)數(shù)有16bit）。因此，僅僅通信就要花費(fèi)33毫秒的36%。

另一種工作方式（“請(qǐng)求”方式）中，當(dāng)主計(jì)算機(jī)請(qǐng)求時(shí)，才傳送一組的6個(gè)數(shù)。其它時(shí)間不讀傳感器數(shù)據(jù)，于是總體畫面更新時(shí)間中的通信時(shí)間部分就下降了。

（8）

用于位姿跟蹤和映射的基本傳感系統(tǒng)有：

機(jī)械鏈接，磁傳感器，光傳感器，聲傳感器和慣性傳感器。

（5）人體并非剛體。上述六個(gè)數(shù)值只能描述人體整體的運(yùn)動(dòng)，1132．各種位姿跟蹤器的比較如下：2．各種位姿跟蹤器的比較如下：1143．研究要求

一般，位置跟蹤器要求合適的性能和合理的價(jià)格。對(duì)肢體跟蹤，某些光學(xué)傳感器是精確快速的，但對(duì)日常應(yīng)用太貴（在5萬到10萬美元范圍），特別是為了防止阻擋和增加工作空間而加倍安裝時(shí)。

肢體跟蹤的任何傳感系統(tǒng)難以識(shí)別可靠的基準(zhǔn)點(diǎn)，這是由于人體組織和衣服的柔軟性。

為了得到關(guān)節(jié)角，必須使用某些校準(zhǔn)過程，在肢體上建立坐標(biāo)系。此后的關(guān)節(jié)角計(jì)算將接近真實(shí)的生物機(jī)械角。

對(duì)整個(gè)人體跟蹤，工作空間大小是重要問題。應(yīng)該能在足夠大的空間跟蹤運(yùn)動(dòng)人體，并且不會(huì)損失分辨率，不必?fù)?dān)心遮擋。被跟蹤的人應(yīng)能在建筑中由一個(gè)房間走到另一個(gè)房間。如果人體所有主要部分都被跟蹤，則要求安裝某些東西在人體上（反光器，標(biāo)記，測(cè)角器）的傳感系統(tǒng)，不如掃描人體的系統(tǒng)有吸引力。

對(duì)人體和環(huán)境表面映射，某些激光跟蹤器是精確而快速的，但還較貴。VE的長期目標(biāo)是高精度實(shí)時(shí)跟蹤人體的光學(xué)映射系統(tǒng)。這可能是用自然光或主動(dòng)激光掃描的立體視覺系統(tǒng)。

測(cè)量方法是在選擇位置跟蹤方法時(shí)最易混淆的一個(gè)問題，問題是性能指標(biāo)的含義及測(cè)量方法之間的不一致。應(yīng)建立標(biāo)準(zhǔn)，指出怎樣測(cè)精度、分辨率、等待時(shí)間、帶寬、敏感干擾、和起伏。測(cè)量設(shè)備應(yīng)商品化，應(yīng)建立獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室，使用戶不至依賴廠家指標(biāo)，而是了解真實(shí)性能。

3．研究要求

115機(jī)械式傳感器

1．原理：

機(jī)械式傳感器可分兩類：

"安在身體上的"機(jī)械跟蹤器中，機(jī)械全部安在身上。

"安在地面上的"機(jī)械跟蹤器中，機(jī)械部分安在地面。

2．機(jī)械式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)：

機(jī)械式傳感器：是便宜的，比較精確。可以測(cè)量整個(gè)身體運(yùn)動(dòng)，沒有延遲?？梢酝瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)力反饋。但妨礙身體運(yùn)動(dòng)機(jī)械式傳感器1．原理：

機(jī)械式傳感器可分兩類：

"安在116（1）測(cè)角器（"安在身體上的"機(jī)械跟蹤器）

（2）安在地面上的鏈接

3-D探頭

（1）測(cè)角器（"安在身體上的"機(jī)械跟蹤器）

（2）安在地面上117傳感手套是為滿足上述要求而設(shè)計(jì)的虛擬現(xiàn)實(shí)工具。商業(yè)化的產(chǎn)品有VPL公司的DataGlove，Vertex的CyberGlove，Mattel的PowerGlove，和ExosDextrousHandMaster。它們都用傳感器測(cè)量全部或部分手指關(guān)節(jié)的角度。某些傳感手套還用3-D傳感器跟蹤用戶手腕的運(yùn)動(dòng)。手套的工作區(qū)大于跟蹤球和手柄（探頭）的工作區(qū)。

下圖表示，人手指的各種運(yùn)動(dòng)。傳感手套是為滿足上述要求而設(shè)計(jì)的虛擬現(xiàn)實(shí)工具。118把原始的傳感器讀數(shù)變成手指關(guān)節(jié)角的過程稱為手套校準(zhǔn)。每當(dāng)開始一次新的仿真，戴上數(shù)據(jù)手套時(shí)，都必須重新作校準(zhǔn)。這是因?yàn)椴豢赡苤朗欠裼脩舭咽痔姿删o合適地戴在手指上。

下圖表示，數(shù)據(jù)手套DataGlove的結(jié)構(gòu)。

把原始的傳感器讀數(shù)變成手指關(guān)節(jié)角的過程稱為手套119虛擬制造技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)120電磁傳感器

電磁傳感器測(cè)量頭，手，其他設(shè)備的位姿。測(cè)量三個(gè)坐標(biāo)，以及三個(gè)姿態(tài)角度。下圖表示，電磁傳感器用于測(cè)量頭盔的位姿。輕便的電磁接受器部分安裝在頭盔上，電磁發(fā)射器安裝在地面。電磁傳感器電磁傳感器測(cè)量頭，手，其他設(shè)備的位121超聲傳感器超聲傳感器同樣測(cè)量頭，手，其他設(shè)備的位姿。測(cè)量三個(gè)坐標(biāo)，以及三個(gè)姿態(tài)角度。

下圖表示使用超聲傳感器的示意圖。在用戶頭部前額上的正三角形架子上安裝了三個(gè)超聲接受器，另一個(gè)大的正三角形架子上安裝了三個(gè)超聲發(fā)射器。

超聲傳感器超聲傳感器同樣測(cè)量頭，手，其他設(shè)備的122視覺顯示

理想的視覺顯示與日常經(jīng)歷中的場(chǎng)景對(duì)比，在質(zhì)量、修改率和范圍方面應(yīng)該是無法區(qū)分的。但是當(dāng)前的技術(shù)還不支持這種高真實(shí)度的視覺顯示，而且也不清楚是否多數(shù)應(yīng)用要求這種高真實(shí)度。對(duì)任何給定的應(yīng)用，必須認(rèn)真評(píng)價(jià)各種顯示特性的重要性，這包括視覺特性（視場(chǎng)、分辨率、亮度、對(duì)比和彩色），人類工程學(xué)，安全，可靠和價(jià)格。視覺顯示的基本要求是提供立體視覺。

對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)（VR），最常用的技術(shù)成熟的顯示類型是陰極射線管（CRT）和背光液晶顯示（LCD）。雖然這些技術(shù)對(duì)近期的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用是很有用的，但幾個(gè)缺點(diǎn)卻妨礙其長期的發(fā)展。

1．CRT類顯示

2．LCD類顯示

視覺顯示理想的視覺顯示與日常經(jīng)歷中的場(chǎng)景對(duì)比，123

CRT技術(shù)是多年來在電視機(jī)和計(jì)算機(jī)監(jiān)視器上廣泛應(yīng)用的成熟技術(shù)。CRT技術(shù)能給頭盔顯示器提供小的高分辨率高亮度的單色顯示。但這些CRT較重，并把高電壓放在人頭部上的設(shè)備中。此外，開發(fā)小型高分辨率高亮度彩色CRT是困難的。在頭盔顯示中，要求笨重的光學(xué)設(shè)備形成高質(zhì)量圖像。

組合的技術(shù)途徑可產(chǎn)生高質(zhì)量彩色圖像，并減少重量和價(jià)格。近期的途徑是把高質(zhì)量彩色的基于CRT的HMD（頭盔顯示器）引入市場(chǎng)，它使用了加于單色CRT的機(jī)械電子彩色濾光技術(shù)。這種途徑中，CRT以三倍正常速率掃描，并依次加上紅、綠、蘭三色的濾光器。

CRT技術(shù)是多年來在電視機(jī)和計(jì)算機(jī)監(jiān)視器上廣泛124

LCD技術(shù)以低電壓產(chǎn)生彩色圖像，但只具有很低的圖像元密度。在頭盔顯示中，也要求笨重的光學(xué)設(shè)備形成高質(zhì)量圖像。

市場(chǎng)出售的頭盔式顯示器幾乎全部依靠TV（電視機(jī)）質(zhì)量的液晶顯示。在VR和遙操作領(lǐng)域，不要求大區(qū)域顯示。只要求緊湊的輕便的高分辨率顯示。LCD顯示器有待提高其分辨率。LCD技術(shù)以低電壓產(chǎn)生彩色圖像，但只具有很低的1253．VRD類顯示與基于CRT或LCD的顯示器不同的工作是在華盛頓大學(xué)人類接口接術(shù)（HIT）實(shí)驗(yàn)室。HIT實(shí)驗(yàn)室正研究基于激光微掃描技術(shù)的顯示VRD，它用微型固體激光器掃描視網(wǎng)膜上的彩色圖像。它的優(yōu)點(diǎn)是不使用笨重的光學(xué)設(shè)備，可能開發(fā)高分辨率、輕便、低價(jià)格顯示系統(tǒng)。但激光微掃描顯示還面對(duì)大量技術(shù)障礙。

VRD的應(yīng)用包括用于軍事，頭盔，移動(dòng)電話，以及醫(yī)學(xué)上。

3．VRD類顯示與基于CRT或LCD的顯示器不126下圖表示，VRD的顯示設(shè)備用于頭盔顯示器。

下圖表示，VRD的顯示設(shè)備用于頭盔顯示器。127未來的VRD的頭盔顯示器

未來的VRD的頭盔顯示器128視覺顯示的產(chǎn)品幾種基于LCD的頭盔產(chǎn)品視覺顯示的產(chǎn)品幾種基于LCD的頭盔產(chǎn)品129視覺顯示的產(chǎn)品基于CRT的頭盔產(chǎn)品

視覺顯示的產(chǎn)品基于CRT的頭盔產(chǎn)品130聽覺顯示虛擬環(huán)境的聽覺接口應(yīng)能給兩耳提供一對(duì)聲波。

(1)它應(yīng)有高逼真性，

(2)能以預(yù)訂方式改變波形，作為聽者各種屬性和輸出的函數(shù)(包括頭部位姿變化