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虚拟现实技术申蔚曾文琪清华大学出版社2-2第2章虚拟现实技术概论2.1跟踪定位设备2.2立体显示设备2.3手部数据交互设备2.4虚拟声音输出设备2.5其他交互设备2.6虚拟现实硬件系统的集成2-32.1跟踪定位设备典型的工作方式是：由固定发射器发射出信号，该信号将被附在用户头部或身上的机动传感器截获，传感器接收到这些信号后进行解码并送入计算部件处理，最后确定发射器与接收器之间的相对位置及方位，数据随后传输到时间运行系统进而传给三维图形环境处理系统。2-42.1跟踪定位设备2.1.1电磁波跟踪器2.1.2超声波跟踪器2.1.3光学跟踪器2.1.4其他类型跟踪器2.1.5跟踪传感设备的性能比较2-52.1跟踪定位设备2.1.1电磁波跟踪器电磁波跟踪器是一种较为常见的空间跟踪定位器，一般由一个控制部件，几个发射器和几个接收器组成。2-62.1跟踪定位设备2.1.1电磁波跟踪器优点是其敏感性不依赖于跟踪方位，基本不受视线阻挡的限制，体积小、价格便宜，因此对于手部的跟踪大都采用此类跟踪器。缺点是其延迟较长，跟踪范围小，且容易受环境中大的金属物体或其他磁场的影响，从而导致信号发生畸变，跟踪精度降低。2-72.1跟踪定位设备2.1.2超声波跟踪器超声波跟踪器是声学跟踪技术最常用的一种，其工作原理是发射器发出高频超声波脉冲（频率20KHz以上），由接收器计算收到信号的时间差、相位差或声压差等，即可确定跟踪对象的距离和方位。2-82.1跟踪定位设备2.1.2超声波跟踪器按测量方法的不同，超声波跟踪定位技术可分为：飞行时间（TimeOfFlight，TOF）测量法同时使用多个发射器和接收器，通过测量超声波从发出到反射回来的飞行时间计算出准确的位置和方向。相位相干（PhaseCoherent，PC）测量法通过比较基准信号和发射出去后发射回来的信号之间的相位差来确定距离。2-92.1跟踪定位设备2.1.3光学跟踪器光学跟踪器可以使用多种感光设备，从普通摄像机到光敏二极管都有。光源也是多种多样的，如自然光、激光或红外线等，但为避免干扰用户的观察视线，目前多采用红外线方式。2-102.1跟踪定位设备2.1.3光学跟踪器光学跟踪器使用的主要三种技术：标志系统通常是利用传感器（如照相机或摄像机）监测发射器（如红外线发光二极管）的位置进行追踪。模式识别系统把发光器件按某一阵列排列，并将其固定在被跟踪对象身上，由摄像机记录运动阵列模式的变化，通过与已知的样本模式进行比较从而确定物体的位置。激光测距系统将激光通过衍射光栅发射到被测对象，然后接收经物体表面反射的二维衍射图的传感器记录。2-112.1跟踪定位设备2.1.3光学跟踪器光学跟踪器虽然受视线阻挡的限制且工作范围较小，但其数据处理速度、响应性都非常好，因而较适用于头部活动范围相当受限而要求具有较高刷新率和精确率的实时应用。2-122.1跟踪定位设备2.1.4其他类型跟踪器1、机械跟踪器通常把参考点和跟踪对象直接通过连杆装置相连，采用刚体框架，一方面可以支撑观察设备，另一方面可以测量跟踪对象的位置和方位。2、惯性跟踪器惯性跟踪器也是采用机械方法，其原理是利用小型陀螺仪测量跟踪对象在其倾角、偏角和转角方面的数据。3、图像提取跟踪器一般是由一组摄像机拍摄人及其动作，然后通过图像处理技术的运算和分析来确定人的位置及动作。2-132.1跟踪定位设备2.1.5跟踪传感设备的性能比较跟踪定位器的性能指标主要包括：精度：指检测目标位置的正确性，即误差范围。分辨率：指跟踪定位器所能检测到的最小变化范围，小于此值将检测不到。响应时间：包括采样率、数据率、更新率和延迟时间等4个指标。抗干扰性：指跟踪定位器在相对恶劣的条件下避免出错的能力。2-142.1跟踪定位设备2.1.5跟踪传感设备的性能比较跟踪器类型精度分辨率响应时间跟踪范围电磁波3mm±0.1mm1mm±0.03mm50ms半径1.6m的半球形超声波依空气密度变化10mm±0.5mm30ms4～5m3光学1mm2mm±0.02mm1ms4～8m3（可扩展至14m3）3种常用跟踪技术的主要性能指标对比2-152.2立体显示设备人眼立体视觉效应的原理：当人在现实生活中观察物体时，双眼之间6～7cm的距离（瞳距）会使左、右眼分别产生一个略有差别的影像（即双眼视差），而大脑通过分析后会把这两幅影像融合为一幅画面，并由此获得距离和深度的感觉。2-162.2立体显示设备2.2.1固定式立体显示设备2.2.2头盔显示器2.2.3手持式立体显示设备2-172.2立体显示设备2.2.1固定式立体显示设备1、台式VR显示设备一般使用标准计算机监视器，配合双目立体眼镜组成。根据监视器的数目不同，还可分为单屏式和多屏式两类。最简单也是最便宜的VR视觉显示模式，但缺乏沉浸感。2-182.2立体显示设备2.2.1固定式立体显示设备2、投影式VR显示设备一般可以通过并排放置多个显示器创建大型显示墙，或通过多台投影仪以背投的形式投影在环幕上，各屏幕同时显示从某一固定观察点看到的所有视像，由此提供一种全景式的环境。2-192.2立体显示设备2.2.1固定式立体显示设备2、投影式VR显示设备（1）墙式投影显示设备：可采用平面、柱面、球面的屏幕形式。2-202.2立体显示设备2.2.1固定式立体显示设备2、投影式VR显示设备（2）响应工作台式显示设备（ResponsiveWorkBench，RWB）：一般由投影仪、反射镜和显示屏（一种特制玻璃）组成，投影仪将立体图像投射到反射镜面上，再由反射镜将图像反射到显示屏上。2-212.2立体显示设备2.2.1固定式立体显示设备2、投影式VR显示设备（3）洞穴式投影显示设备（CAVE）：CAVE就是由投影显示屏包围而成的一个立体空间（洞穴），分别有4面式、5面式或6面式CAVE系统。2-222.2立体显示设备2.2.1固定式立体显示设备3、三维显示器指的是直接显示虚拟三维影像的显示设备，用户不需佩戴立体眼镜等装置就可以看到立体影像。三星公司的2233RZ三维显示器2-232.2立体显示设备2.2.1固定式立体显示设备3、三维显示器三维显示器的实现方法主要分为以下4种：（1）在普通的显示屏前附着特殊的涂层和滤光器来替代立体眼镜的作用。（2）利用投影机把同一物体的多幅不同二维影像闪投在显示屏上，同时屏幕快速旋转，观看者大脑就会将不同画面拼合而成似乎漂浮在空中的三维物体影像。2-242.2立体显示设备2.2.1固定式立体显示设备3、三维显示器三维显示器的实现方法主要分为以下4种：（3）显示器由几十个超薄屏幕叠制而成，每个屏幕快速依次闪现出同一图像，由此流畅的组成完整的三维影像。（4）利用全息图像技术实现真正的三维显示，它是在真实空间内创造出一个完整的立体影像。2-252.2立体显示设备2.2.2头盔显示器（Head-MountedDisplay，HMD）HMD通常被固定在用户的头部，随着头部的运动而运动，并装有位置跟踪器，能够实时测出头部的位置和朝向，并输入到计算机中。2-262.2立体显示设备2.2.2头盔显示器HMDHMD通常被固定在用户的头部，随着头部的运动而运动，并装有位置跟踪器，能够实时测出头部的位置和朝向，并输入到计算机中。计算机根据这些数据生成反映当前位置和朝向的场景图像，进而由两个LCD或CRT显示屏分别向两只眼睛提供图像。2-272.2立体显示设备2.2.2头盔显示器HMD双眼局部重叠的头盔显示器光学模型2-282.2立体显示设备2.2.2头盔显示器HMD衡量头盔显示器性能的指标包括以下各方面：1、逼真的立体视觉（双眼视觉）2、分辨率3、视场（FireldOfView，FOV）4、透射率5、重叠率6、重量7、人的因素2-292.2立体显示设备2.2.2头盔显示器HMD公司/型号分辨率视场重量市场参考价VirtualResearchSystems/VR12801280×102460°约0.8KG17万元RockwellCollins/ProViewSR801280×102480°约0.8KG16万元eMagin/Z8003Dvisor800×60040°约0.225KG15万元2-302.2立体显示设备2.2.3手持式立体显示设备手持式VR立体显示器屏幕很小，它利用某种跟踪定位器和图像传输技术实现立体图像的显示和交互作用，可以将额外的数据增加到真实世界的视图中，用户可以选择观看这些信息，也可以忽略它们而直接观察真实世界，一般适用于增强式VR系统中。2-312.3手部数据交互设备2.3.1数据手套2.3.2空间球2.3.3三维浮动鼠标器2-322.3手部数据交互设备2.3.1数据手套（DataGlove）数据手套是一种戴在用户手上的传感装置，用于检测用户手部活动的设备，并向计算机发送相应电信号，从而驱动虚拟手模拟真实手的动作。如图所示为戴上VPL数据手套的人手与屏幕显示的虚拟手。该数据手套把光导纤维和一个三维位置传感器缠绕在一个轻的、有弹性的手套上，每个手指的每个关节处都有一圈纤维，用以测量手指关节的位置与弯曲。2-332.3手部数据交互设备2.3.2空间球（SpaceBall）空间球是一种可以提供6自由度的桌面设备，它被安装在一个小型的固定平台上，可以扭转、挤压、按下、拉出和来回摇摆。2-342.3手部数据交互设备2.3.3三维浮动鼠标器（3DFlyingMouse）三维浮动鼠标器的工作原理是：在鼠标内部安装了一个超声波或电磁探测器，利用这个接收器和具有发射器的固定基座，就可以测量出鼠标离开桌面后的位置和方向。2-352.4虚拟声音输出设备2.4.1固定式声音设备固定式声音输出设备即扬声器，允许多个用户同时听到声音，一般在投影式VR系统中使用。扬声器固定不变的特性使其易于产生世界参照系的音场，在虚拟世界中保持稳定，且用户使用起来活动性大。2.4.2耳机式声音设备耳机式声音设备一般与头盔显示器结合使用。在默认情况下，耳机显示的是头部参照系的声音，在VR系统中必须跟踪用户头部、耳部的位置，并对声音进行相应的过滤，使得空间化信息能够表现出用户耳部的位置变化。2-362.5其他交互设备2.5.1触觉和力反馈设备2.5.2数据衣2.5.3三维扫描仪2-372.5其他交互设备2.5.1触觉和力反馈设备1、接触反馈设备（1）充气式接触反馈手套是使用小气囊作为传感装置，在手套上有20-30个小气囊放在对应的位置，当发生虚拟接触时，这些小型气囊能够通过空气压缩泵的充气和放气而被迅速地加压或减压。（2）振动式接触反馈手套是使用小振动换能器实现的，换能器通常由状态记忆合金制成，当电流通过这些换能器时，它们就会发生形变和弯曲。2-382.5其他交互设备2.5.1触觉和力反馈设备2、力反馈设备（1）桌面式力反馈系统设备安装简单、使用轻便灵巧，并且不会因自身重量等问题而让用户在使用中产生疲倦甚至疼痛的感觉，因此目前已经成为较为常用的力反馈设备。2-392.5其他交互设备2.5.1触觉和力反馈设备2、力反馈设备（2）力反馈手套可以独立反馈每个手指上的力，主要用于完成精细操作2-402.5其他交互设备2.5.2数据衣（DataSuit）数据衣将大量的光纤、电极等传感器安装在一个紧身服上，可以根据需要检测出人的四肢、腰部的活动以及各关节（如腕关节、肘关节）的弯曲角度，然后用计算机重建出图像。2-412.5其他交互设备2.5.3三维扫描仪（3DScanner）三维扫描仪的功能是通过扫描真实模型的外观特征，构造出该物体对应的计算机模型，通常分为激光式、光学式、机械式等三种类型。三维激光扫描仪（3DLaserScanner）应用最为广泛，其数据处理的过程一般包括数据采集、数据预处理、几何模型重建和模型可视化等四个步骤。2-422.6虚拟现实硬件系统的集成VIEW为美国宇航局Ames研究中心开发的虚拟交互环境工作站。VIEW由一组以计算机控制的输入/输出子系统组成，分别提供虚拟环境所需的各种感觉通道的识别和控制功能，从而为各类VR应用系统的研发提供了一