虛擬現(xiàn)實的硬件與軟件基礎

第二章虛擬現(xiàn)實的硬件與軟件基礎高性能計算機；廣角（寬視野）的立體顯示設備；觀察者（頭、眼）的跟蹤設備；人體姿勢的跟蹤設備；立體聲；觸覺、力覺反饋；語音輸入輸出等。2.1概論虛擬現(xiàn)實的硬件設備:交互性

是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的首要特性。為了允許人機交互，必須使用特殊的人機接口與外部設備，既要允許用戶將信息輸入到計算機，也要使計算機能反饋信息給用戶。今天的VR外部設備在功能和目的上各不相同。例如：身體運動由3-D位置跟蹤器跟蹤；手勢由傳感手套數(shù)字化；視覺反饋發(fā)送給立體顯示器；虛擬聲音由3-D聲音生成器計算；觀察方向隨跟蹤球和操縱桿改變等。

虛擬現(xiàn)實應用系統(tǒng)的特點：具有靈活性、可移植性與實時交互的特性。本章內容：將描述一些虛擬現(xiàn)實硬件設備及其軟件，并分別講述其功能、特征以及當前的局限性。

2.2VR硬件的系統(tǒng)集成虛擬現(xiàn)實（VR）系統(tǒng)集成的關鍵技術：虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中通常包括大量需要處理來自各種設備的感知信息、模型和數(shù)據，因此，建立一個以計算機為核心、將多種I/O交互設備協(xié)調組合在一起的硬件平臺，是VR系統(tǒng)集成的關鍵技術。計算機系統(tǒng)的作用：實時處理、數(shù)據輸入/輸出、虛擬境界的管理和生成等功能。計算機系統(tǒng)的功能：（1）要保障虛擬三維場景的實時計算和顯示，盡量減少延遲；(2)另一方面還要協(xié)調各種I/O交互設備之間的工作，以確保系統(tǒng)整體運行的性能。

目前虛擬現(xiàn)實的計算機系統(tǒng)可以是PC機、工作站和超級計算機等，而且多數(shù)情況下都采用多種機，并以各種方式連接。

PC機和工作站的比較：

（1）PC機一般只能用于低檔的VR系統(tǒng)，這主要是因為與工作站和超級計算機相比，它的圖形和聲音處理功能都是有限的。

（2）工作站專門用于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，它具有多個處理器，以便進一步增強整體系統(tǒng)結構，其中有的系統(tǒng)可以允許一百多個處理器同時運行一個程序，從而使VR系統(tǒng)的性能達到最佳。虛擬現(xiàn)實的集成系統(tǒng):是指在工作站或者PC機上工作的不同組合虛擬現(xiàn)實硬、軟件工具包。它提供了一套緊湊的設備，在此系統(tǒng)內，虛擬世界可被創(chuàng)造、仿真和可視，還能通過這些集成設備獲得浸入式體驗。下面以VIEW（VirtualInterfaceEnvironmentWorkstation）為例，介紹VR系統(tǒng)平臺。

VIEW系統(tǒng)組成

VIEW由一組由計算機控制的I/O子系統(tǒng)組成：它以HP公司的HP900／835為主，圖形處理采用SGI公司的圖形計算機或HPSRX圖形系統(tǒng)配備了Plohemus空間跟蹤系統(tǒng)來跟蹤使用者手部的位置，配備了LEEP廣角立體視景頭戴顯示器和單色液晶顯示器，雙屏顯示器的三維場景由遙控攝像機獲取，且視景可隨著操作者的視線（頭部位姿）變化；頭盔上有一個麥克風以便作語音識別，兩個耳機進行三維聲音跟蹤，Convolvotron三維音頻輸出設備則使整個虛擬環(huán)境附有立體聲音響；VPL數(shù)據手套用于識別使用者手勢控制系統(tǒng)的行為，使操作者能夠借助語音、手語（手指動作的組合姿態(tài)由數(shù)據手套Dataglove形成）與環(huán)境交互；同時還配備了BOOMCRT顯示器及FakeSpace遠程攝像系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)分別提供虛擬環(huán)境所需的各種感覺通道的識別和控制功能。使用者“置身”于這樣的VR環(huán)境，周圍是預先定義好的虛擬物體及三維空間的聲響效果，從而為各類VR應用系統(tǒng)的研發(fā)提供了一個方便。

VIEW系統(tǒng)的的應用用：遠程機機器人人控制制，復復雜信信息管管理及及人類類諸因因素的的研究究。目目前大大多數(shù)數(shù)虛擬擬現(xiàn)實實系統(tǒng)統(tǒng)的硬硬件體體系結結構都都由VIEW發(fā)展而而來。。同時時，這這種以以基于于LCD的頭盔盔顯示示器、、數(shù)據據手套套及頭頭部跟跟蹤器器為特特征的的硬件件體系系結構構也己己成為為當今今虛擬擬現(xiàn)實實系統(tǒng)統(tǒng)的主主流。。2.3VR的三維維跟蹤蹤傳感感設備備三維交交互設設備的的作用用：把各種種信息息輸入入計算算機，，并向向用戶戶提供供相應應的反反饋，，它們們是使使參與與者能能以人人類自自然技技能與與虛擬擬環(huán)境境交互互的必必要工工具。。三維交交互設設備的的分類類：根據傳傳感渠渠道以以及在在功能能和目目的上上的不不同，，虛擬擬現(xiàn)實實系統(tǒng)統(tǒng)的三三維交交互設設備主主要被被分為為三維維跟蹤蹤傳感感設備備，立立體顯顯示設設備、、手數(shù)數(shù)字化化設備備、聲聲音設設備以以及系系統(tǒng)集集成設設備等等幾大大類。。虛擬現(xiàn)現(xiàn)實技技術是是在三三維空空間中中與人人交互互的技技術，，為了了能及及時、、準確確地獲獲取人人的動動作信信息，，需要要有各各類高高精度度、高高可靠靠的跟跟蹤定定位設設備。。傳感器器技術術，它它是VR系統(tǒng)中中實現(xiàn)現(xiàn)人機機之間間溝通通的極極其重重要的的通信信手段段，是是實時時處理理的關關鍵技技術。。目前虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系系統(tǒng)使使用的的仍是是多年年來的的常用用方法法，其其典型型的工工作方方式是是，固固定發(fā)發(fā)射器器發(fā)射射出電電磁信信號，，該信信號被被附在在用戶頭頭上的的機動動傳感感器截截獲，，傳感感器接接收到到這些些信號號后進進行解解碼，，確定定發(fā)射射器與與接收收器之之間的的相對對位置置及方方位，，信號號隨后后傳輸輸?shù)綍r時間運運行系系統(tǒng)進進而傳傳給三三維圖圖形環(huán)環(huán)境處處理系系統(tǒng)。。電磁波波跟蹤蹤器原理：：它使用用一個個信號號發(fā)生生器（（3個個正交交線圈圈組））產生生低頻頻電磁磁場，，然后后由放放置于于接收收器中中的另另外三三組正正交線線圈組組負責責接收收，通通過獲獲得的的感生生電流流和磁磁場場場強的的9個個數(shù)據據來計計算被被跟蹤蹤物體體的位位置和和方向向（如如圖））。特點：：體積小小、價價格便便宜、、用戶戶運動動自由由，而而且敏敏感性性不依依賴于于跟蹤蹤方位位，但但是其其系統(tǒng)統(tǒng)延遲遲較長長，跟跟蹤范范圍小小，且且準確確度容容易受受環(huán)境境中大大的金金屬物物體或或其他他磁場場的影影響。。常用電電磁波波跟蹤蹤器多數(shù)電電磁波波跟蹤蹤器采采用交交流磁磁場（（如Polhemus的跟蹤蹤器）），但但也有有的采采用直直流磁磁場（（如Ascension的跟蹤蹤器））交變電電磁跟跟蹤系系統(tǒng)對傳感感器或或接收收器附附近的的電磁磁體較較為敏敏感，，它會會因為為周圍圍環(huán)境境中的的金屬屬或鐵鐵磁性性物質質而產產生渦渦旋電電流和和干擾擾性次次磁場場，從從而導導致信信號發(fā)發(fā)生畸畸變，，跟蹤蹤精度度降低低。直流電電磁跟跟蹤系系統(tǒng)只是在在測量量開始始時產產生渦渦旋電電流而而在穩(wěn)穩(wěn)定狀狀態(tài)下下衰減減為零零，這這就減減少了了畸變變磁場場的產產生率率，使使跟蹤蹤精確確度大大大提提高。。且能能夠保保證在在較大大操作作范圍圍內的的高靈靈敏度度。超聲波波跟蹤蹤器工作原原理：：發(fā)射器器發(fā)出出高頻頻超聲聲波脈脈沖（（頻率率20kHz以上））后，，由接接收器器計算算收到到信號號的時時間差差、相相位差差或聲聲壓差差等，，就可可以跟跟蹤物物體的的距離離和方方位了了。特點：：性能適適中，，成本本低廉廉，而而且不不會受受外部部磁場場和大大塊金金屬物物質的的干擾擾，敏敏感性性卻容容易受受接收收器的的方位位和空空氣密密度的的影響響。分類：：按照測測量方方法的的不同同，分分為飛飛行時時間測測量法和相相位相相干測測量法法。聲波飛飛行時時間跟跟蹤的的原理理：通過測測量聲聲波的的飛行行時間間延遲遲來確確定距距離的的。它它同時時使用用多個個發(fā)射射器和和接收收器，，以便便獲得得一系系列的的距離離量，，從而而計算算出準準確的的位置置和方方向。。聲波飛飛行時時間跟跟蹤的的特點點：具有較較好的的精確確度和和響應應性；；易受受到外外界噪噪音脈脈沖的的干擾擾，同同時數(shù)數(shù)據傳傳輸率率還會會隨著著監(jiān)測測范圍圍的擴擴大而而降低低，適適用于于小范范圍內內的操操作環(huán)環(huán)境。。相位相相干跟跟蹤的的原理理：通過比比較基基準信信號和和傳感感器監(jiān)監(jiān)測到到的發(fā)發(fā)射信信號之之間的的相位位差來來確定定距離離的。。相位相相干跟跟蹤的的特點點：具有較較高的的數(shù)據據傳輸輸率、、可保保證系系統(tǒng)監(jiān)監(jiān)測的的精度度、響響應性性以及及耐久久性等等，而而不受受到外外界噪噪聲的的干擾擾。光學跟跟蹤器器光學跟跟蹤器器可以以使用用自然然光、、激光光或紅紅外線線等作作為光光源，，但為為避免免干擾擾用戶戶的觀觀察視視線，，目前前多采采用紅紅外線線方式式。優(yōu)點：：可工作作范圍圍較小小、其其數(shù)據據處理理速度度、響響應性性都非非常好好，適適用于于頭部部活動動范圍圍相當當受限限但要要求具具有較較高刷刷新率率和精精確率率的實實時應應用。。光學跟跟蹤傳傳感器器結構構的實實現(xiàn)方方法通通常有有兩種種：“由外外向內內”方式和和“由內內向外外”方式?！坝赏庀騼取薄狈绞教攸c和和原理：傳感器是固定定的，發(fā)射器器是可移動的的。它通常是是利用置于已已知位置的多多臺照相機或或攝像機，追追蹤放置在被被監(jiān)測物體表表面的紅外線線發(fā)光二極管管的位置，并并通過觀察多多個目標來計計算它的方位位?！坝赏庀騼取薄狈绞讲蛔悖海哼@類光學跟蹤蹤器采用了昂昂貴的信號處處理器硬件，，因此它主要要用于飛機座座艙模擬?！坝蓛认蛲狻薄狈绞教攸c和和原理：發(fā)射器是固定定的，而傳感感器是可移動動的。由于在在此種方式中中，多個傳感感器可以由一一組發(fā)射器支支持，因而在在定點傳送系系統(tǒng)跟蹤多個個目標的時候候，具有比““由外向內””方式更優(yōu)秀秀的性能。其他空間跟蹤蹤系統(tǒng)1.機械跟跟蹤器：通常把參考點點和跟蹤體直直接通過連桿桿裝置相連。。它采用鋼體體框架，一方方面可以支撐撐觀察設備，，另一方面可可以測量跟蹤蹤體的位置和和方位。這種跟蹤器的的精度和響應應性適中，不不受電磁場的的影響，但活活動范圍十分分有限，而且且對用戶有一一定的機械束束縛。2.慣性跟跟蹤器：慣性跟蹤器也也是采用機械械方法，其原原理是利用小小型陀螺儀測測量被監(jiān)測物物在其傾角、、偏角和轉角角方面的數(shù)據據。它不是一一種六自由度度的設備，但但在不需要位位置信息的場場合還是十分分有用的。3.圖像提提取跟蹤器：：原理:由一組組（兩臺或兩兩臺以上）視視頻攝像機拍拍攝人及其動動作，然后通通過圖像處理理技術的運算算和分析來確確定人的位置置及動作。優(yōu)點:作為一一種高級的采采樣識別技術術，圖像提取取跟蹤設備的的計算密度高高，又不會受受附近的磁場場或金屬物質質的影響，而而且對用戶沒沒有運動約束束，因而在使使用上具有極極大的方便。。缺點:由于圖圖像提取跟蹤蹤設備是通過過比較已知的的采樣位置和和傳感的采樣樣來確定位置置的，因而對對監(jiān)測物體的的距離和監(jiān)測測環(huán)境的燈光光照明系統(tǒng)要要求較高，通通常遠距離的的物體或過強強、過弱的照照明都會降低低采樣識別系系統(tǒng)的精確度度。另外，較較少數(shù)量的攝攝像機可能使使監(jiān)測環(huán)境中中的物體（包括參與與者）出現(xiàn)在在攝像機視野野中被屏蔽的的現(xiàn)象，而較較多數(shù)量的攝攝像機又會增增加采樣識別別算法的復雜雜度和系統(tǒng)冗冗余度。對跟蹤傳感設設備的評價跟蹤裝置的性性能指標主要要包括：（1）等待時時間（即延遲遲）指從采樣開始始到數(shù)據可以以處理之前的的時間間隔；；我們要求跟跟蹤設備的系系統(tǒng)延遲應足足夠短，因為為長延遲會影影響沉浸效果果。（2）位置精精度即實際位置與與測量位置之之間的偏差；；偏差越小，，隨著用戶動動作產生的模模擬效果就越越好。（3）分辨率率即設備能檢測測到的最小位位移；另外還有取樣樣率、運行約約束、環(huán)境隔隔離要求等指指標。表3種常用跟蹤蹤技術的主要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30ms4～5m光學2rnrn0.02mm1rnrn＜1ms4～8m（可擴展至14m）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30ms4～5m光學2rnrn0.02mm1rnrn＜1ms4～8m（可擴展至14m）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30ms4～5m光學2rnrn0.02mm1rnrn＜1ms4～8m（可擴展至14m）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）2.4VR的立體顯示設設備對虛擬世界的的沉浸感主要要依賴于人類類的視覺感知知。人眼立體視覺覺效應的原理理:當人在現(xiàn)實生生活中觀察物物體時，雙眼眼之間6～7cm的距離（瞳距距）會使左、、右眼分別產產生一個稍有有不同的圖像像（即體視差差），我們的的大腦通過分分析后會把這這兩幅圖像融融合為一幅畫畫面，并由此此獲得距離和和深度的感覺覺。比較常用的顯顯示設備主要要有立體眼鏡鏡、頭盔顯示示器、雙目全全方位顯示器器以及大屏幕幕立體投影等等。頭盔顯示器（（Head一Mounted3DDisplay，HMD）HMD是專為用戶提提供虛擬現(xiàn)實實中立體景物物的顯示器。。HMD的工作原理：它通常被固固定在用戶的的頭部，由兩兩個LCD或CRT顯示器分別向向兩只眼睛提提供圖像，這這兩個顯示屏屏中的圖像由由計算機分別別驅動，屏上的兩兩幅圖像存在在著細小的差差別，類似于于“雙眼視差差”，大腦將將融合這兩個個視差圖像以以獲得深度感感知。HMD的特點：它可以使參與與者暫時與真真實世界隔離離開，而處于于完全沉浸狀狀態(tài)。雙眼局部重疊疊的頭盔顯示示器光學模型型安裝在頭盔上上的顯示器可可以包括：陰陰極射線管（（CRT）、液晶顯示（LCD）、發(fā)光二極管（（LED）、熒光管、液晶晶開關顯示器器以及微機械械硅顯示器等等多種顯示技技術?，F(xiàn)階段段最為常用的的是CRT和LCD兩種，其中，，CRT顯示器具有較較高分辨率，，而LCD顯示器具有較較好的亮度，，預計微機械械硅顯示器將將成為今后新新型HMD顯示部件的發(fā)發(fā)展主流。與立體眼鏡等等顯示設備相相比，頭盔顯顯示器雖然價價格昂貴，但但卻具有較好好的沉浸感，，而且用戶的的走動自由。。當然，它也也存在著諸如如約束感較強強、LCD的分辨率偏低低，失真較大大等問題。衡量頭盔顯示示器性能的規(guī)規(guī)格參數(shù)及其其含義：（1）逼真的的立體視覺（（雙眼視覺））“逼真”指所看到的景景象中的所有有點的方位角角和俯仰角與與原始圖像中中的對應點都都一樣?！氨普娴牧Ⅲw體視覺”要求兩眼所看看到的兩幅圖圖像同時符合合“逼真”這這個條件。（2）視場視場即人眼能夠看看到的視覺范范圍的大小，，它對VR系統(tǒng)的影響包包括兩個方面面：總視場角角和視場重疊疊角。視場是沉浸感感的關鍵因素素，是衡量光光學系統(tǒng)性能能好壞的主要要參數(shù)。衡量頭盔顯示示器性能的規(guī)規(guī)格參數(shù)及其其含義（3）分辨率率人眼在視網膜膜中心部分的的分辨率較高高，大約為1弧分左右，而而隨著距離中中心點越來越越遠，其分辨辨率也會越來來越低。（4）透射率率頭盔顯示器又又可以分為““看穿”式和和非“看穿””式兩種。戴上“看穿””式顯示器，，用戶可以同同時看到計算算機產生的圖圖像和真實的的外部景象。。戴上非“看穿穿”式顯示器器時，用戶就就只能看到由由計算機生成成的圖像了。。衡量頭盔顯示示器性能的規(guī)規(guī)格參數(shù)及其其含義(5)重疊率率雙眼圖像像重疊在在一起的的部分，，我們稱稱之為雙雙目重疊疊區(qū)。局部重疊疊式頭盔盔顯示器器可以在在不降低低分辨率率的前提提下，提提供更寬寬的視場場。衡量頭盔盔顯示器器性能的的規(guī)格參參數(shù)及其其含義（6）重重量理想的頭頭盔顯示示器不但但應保證證前后兩兩部分保保持平衡衡（不要要前重后后輕），，而且其其重量應應該是和和一副眼眼鏡差不不多，這這樣可以以盡量減減少使用用者的疲疲勞和不不適感。。（7）人人的因素素決定頭盔盔顯示器器性能的的很多參參數(shù)之間間是存在在相互制制約關系系的。在在設計和和購買頭頭盔顯示示器時，，一定要要將硬件件的規(guī)格格和參數(shù)數(shù)、系統(tǒng)統(tǒng)自身的的應用需需求以及及造價成成本等多多方面因因素予以以綜合考考慮，選選擇適當當?shù)漠a品品。雙目全方方位顯示示器(BOOM）BOOM（Binocu1arOmniorientationMonitor）是一種可可移動式式顯示器器。BOOM的特點：：有兩個互互相垂直直的機械械臂支撐撐、有實實時的觀觀測和交交互能力力。BOOM的優(yōu)點：：分辨率高高于HMD，，且圖像柔柔和；；系統(tǒng)延延遲小，，且不受受磁場和和超聲波波背景噪噪音的影影響；應應用方便便靈活。。BOOM的缺點：：使使用者者的運動動受限，，這是因因為在工工作空間間中心的的支撐架架造成了了“死區(qū)區(qū)”，因因此BOOM的工作區(qū)區(qū)要去除除中心大大約0.5m2的空間范范圍。CRT終端———液晶光光閘眼鏡鏡工作原理理：由計算機機分別產產生左、、右眼的的兩幅圖圖像，經經過合成成處理后后，采用用分時交交替的方方法顯示示于CRT終端上。。用戶則則佩帶一一副與計計算機相相連的液液晶光閘閘眼鏡，，眼鏡的的左、右右鏡片在在驅動電電信號的的作用下下，將以以與圖像像顯示同同步的速速率交替替“開””（透光光）、““閉”（（遮光）），即當當計算機機顯示左左眼圖像像時，右右眼透鏡鏡將被遮遮閉，而而當計算算機顯示示右眼圖圖像時，，左眼透透鏡則被被遮閉。。這樣做做可以讓讓用戶的的左、右右眼分別別只看到到相應的的左、右右圖像。。根據雙雙目視差差與深度度距離的的正比關關系，人人的視覺覺生理系系統(tǒng)就可可以自動動將這兩兩幅視差差圖像融融合成一一個立體體視像了了。CRT終端液晶晶光閘眼眼鏡的優(yōu)優(yōu)缺點：：相對于頭頭盔顯示示器或BOOM而言，液液晶光閘閘眼鏡是是一種非非常廉價價的立體體顯示設設備。它它極其短短促的光光柵開／／關時間間和監(jiān)視視器的高高刷新率率形成了了無閃爍爍圖像，，使得這這種圖像像比基于于LCD的頭盔顯顯示器要要清晰得得多，而而且長時時間觀察察也不會會令人疲疲倦。同同時，立立體眼鏡鏡重量輕輕，使用用舒適，，其操作作范圍最最遠可離離監(jiān)視器器6m，但是，由由于光柵柵過濾器器泄漏一一部分光光，所以以使用者者看到的的圖像亮亮度不如如普通屏屏幕好，，且由于于使用者者沒有與與顯示器器相聯(lián)，，無法感感覺到是是被虛擬擬世界包包圍，因因而沉浸浸感較差差，通常常只在桌桌面式VR系統(tǒng)或一一些多用用戶的環(huán)環(huán)境下應應用，例例如科學學可視化化和極細細微的外外科手術術等。大屏幕投投影———液晶光光閘眼鏡鏡將CRT終端顯示示改為大大屏幕投投影顯示示就得大大屏幕投投影液晶晶光閘眼眼鏡。用于投影影的CRT或數(shù)字投投影機要要求具有有極高的的亮度和和分辨率率，它適適合于在在較大的的視野內內產生投投影圖像像的應用用需求。。美國芝加加哥大學學研制的的CAVE系統(tǒng)，構構造了一一個由4面投影屏屏幕形成成的立方方體虛擬擬環(huán)境，，又叫““洞穴””。各屏屏幕（背背投式））同時顯顯示從某某一固定定觀察點點看到的的所有視視像，由由此提供供一種全全景式的的環(huán)境。。該系統(tǒng)統(tǒng)需要復復雜而昂昂貴的計計算機投投影控制制系統(tǒng)：：它通常常采用球球面大屏屏幕，投投影機位位于球心心，具有有與雙攝攝像機立立體觀察察器相同同的俯仰仰和偏轉轉兩個位位置，并并始終保保持以觀觀察者為為正前方方在球屏屏上相應應移動，，從而形形成一定定的視景景環(huán)繞感感。大屏幕投投影—（（液晶光光閘眼鏡鏡）顯示示2.5手數(shù)字化化設備一般的跟跟蹤、探探測設備備都具有有簡單、、緊湊和和易于操操作等優(yōu)優(yōu)點，但但由于它它們自身身構造的的限制，，使操作作者手的的活動自自由度僅僅限于在在桌上的的一個小小區(qū)域中中，減弱弱了它與與虛擬世世界交互互作用的的直觀性性。VR技術的一一項重大大突破就就是用手手來代替替鍵盤、、鼠標，，作為人人與計算算機交互互的一種種重要手手段。借借助各種種專用的的手數(shù)字字化設備備，操作作者不但但可以獲獲得大范范圍的基基于手勢勢的交互互操作，，同時通通過感知知單個手手指的運運動還可可以增加加人在虛虛擬空間間中的自自由度和和靈活性性。VPL數(shù)據手套套數(shù)據手套套的由來來：最早的的傳感手手套是由由VPL公司開發(fā)發(fā)的，叫叫做DataGlove，所以通常常又把傳傳感手套套叫做數(shù)數(shù)據手套套。數(shù)據手套套由很輕的的彈性材材料構成成，緊貼貼在手上上。該系系統(tǒng)包括括位置/方向傳傳感器和和沿每個個手指背背部安裝裝的一組組有保護護套的光光纖導線線，它們們檢測手手指和手手的運動動。DataGlove的工作原原理：作為傳感感器的光纖可以測量量每個手手指的彎彎曲和伸伸展；磁性的位置/方方向傳感感器則如同電電磁跟蹤蹤器一樣樣，這種種傳感器器測量手手的絕對對位置（（x，y，z）和三個轉轉角方向向（轉動動、俯仰仰、搖擺擺）。具體：作作為傳感感器的光光纖可以以測量每每個手指指的彎曲曲和伸展展。每條條光纖從從控制器器的線路路板引出出，經過過一長段段軟管到到達手套套上的腕腕部固定定器。從從這里，，光纖導導線延伸伸到手指指上，經經過手指指的關節(jié)節(jié)，然后后回到腕腕部固定定器和控控制器。。在控制器器內部，，每根光光纖導線線的一端端配備一一個發(fā)光光二極管管，而其其另一端端連接一一個光傳傳感器。?？刂茊螁卧褟膹墓鈧鞲懈衅髂抢锢锝邮盏降降哪芰苛哭D變成成電信號號。當彎彎曲手指指時，發(fā)發(fā)光二極極管的光光經過光光纖導線線從導線線保護套套的裂縫縫或切口口逸出。。關節(jié)越越彎曲，，光纖逸逸出越多多，到達達光傳感感器的光光越少。。光量的的多少就就反映了了手指的的彎曲程程度。計算機根根據光電電信號數(shù)數(shù)據算出出手指和和關節(jié)彎彎曲的程程度。每每個手指指最少有有兩條光光纖導線線，一條條檢測手手指下部部關節(jié)，，另一條條檢測手手指中間間關節(jié)。。因為拇拇指只有有兩個關關節(jié)，大大拇指上上僅有一一條光纖纖導線。。為了增增加檢測測的準確確度，每每個手指指上可再再增加一一條或幾幾條光纖纖導線。。但不論論添加多多少光纖纖導線，，這種方方法只能能測量手手指的活活動。在在DataGlove中，第二二個測量量儀器是是一個磁磁性的位位置/方方向傳感感器，如如同在前前面的電電磁跟蹤蹤器一樣樣，這種種傳感器器測量手手的絕對對位置（（x，y，，z）和三個轉轉角方向向（轉動動、俯仰仰、搖擺擺）。這這兩種方方法的結結合使計計算機能能夠跟蹤蹤手所作作出的任任何動作作。DataGlove的運用：數(shù)據手套套由主機機通過25條指令集集進行控控制，測測量十個個關節(jié)（（五個和和手掌相相連的指指骨、一一個大拇拇指關節(jié)節(jié)和四個個其他指指骨關節(jié)節(jié)），并并有附加加的傳感感器來測測量外展展肌和小小關節(jié)。。數(shù)據記記錄則以以30～60Hz的速率傳傳送。數(shù)據手套套有大、中中、小三三種型號號的手套套。當安安裝不正正確的手手套時需需要頻繁繁地重新新校正尺尺寸。用同步命命令可以以使用左左、右手手套。當當兩個跟跟蹤系統(tǒng)統(tǒng)被同時時使用時時，我們們就不得得不對各各自的傳傳輸器進進行改進進。PowerGlove手控器PowerGlove手控器是Mattel為家庭視視頻游戲戲市場而而設計的的，一般般用于游游戲機，，現(xiàn)已停停產。其其性能比比用于其其他行業(yè)業(yè)的同類類產品要要低得多多。PowerGlove使用基于于有一恒恒定彈力力塑料的的張力測測量儀（（Amtec公司生產產這種包包有0.6mm特殊配方方油墨的的聚酯條條透明物物質）。。PowerGlove的原理：手是由由安裝在在手套背背部的超超聲發(fā)生生器來定定位的，，它發(fā)出出的超聲聲波由三三個超聲聲波接收收器輪流流接收，，并測得得接收時時間，最最大測量量范圍是是1.524m。PowerGlove的特點：在手套套上安裝裝一個控控制板，，板上有有“開始始”及四四個方向向鍵。。CyberGloveCyberGlove是由Virtex（VirtualTechnologies）公司開開發(fā)的的，是是CyberCAD虛擬設設計環(huán)環(huán)境中中虛擬擬技術術一個個理想想的接接口設設備，，可被被廣泛泛應用用來創(chuàng)創(chuàng)建、、終止止、定定位三三維物物體。。CyberGlove具有22個個傳感感器，，每個個手指指有三三個彎彎曲傳傳感器器和一一個外外展肌肌傳感感器。。它是是一種種高精精度設設備，，能夠夠提供供準確確而連連續(xù)的的輸出出。CyberGlove的特點點：（1）傳感器器輸出出僅依依賴手手指關關節(jié)的的角度度，而而與關關節(jié)的的突出出無關關，因因此每每次戴戴手套套時，，校正正數(shù)據據均不不變。。（2）傳傳感器器輸出出和彎彎曲角角度成成線性性關系系，因因此對對于關關節(jié)彎彎曲極極點，，分辨辨率不不會下下降。。幾種常常見的的數(shù)據據手套套三三維維鼠標標普通的的鼠標標只能能感受受在平平面的的運動動，而而立體體鼠標標能夠夠感受受用戶戶在六六個自自由度度的運運動，，包括括三個個平移移參數(shù)數(shù)和三三個旋旋轉參參數(shù)。。立體鼠鼠標稱稱為spacemouse，如3Space公司的的Spaceball，也有人人把它它稱為為cubicmouse。下面介介紹幾幾種簡簡單的的三維維鼠標標：三維鼠鼠標三維鼠鼠標2.6其他交交互設設備觸觸摸摸和力力反饋饋裝置置（Touch/ForceFeedback））問題的的提出出在VR系統(tǒng)中中，能能否讓讓用戶戶產生生“沉沉浸””效果果的關關鍵因因素之之一是是用戶戶能否否用他他／她她的手手或身身體的的其他他部分分去操操作虛虛擬物物體，，并在在操作作的同同時能能夠感感覺到到虛擬擬物體體的反反作用用力。。數(shù)據據手套套可以以實時時的生生成手手與物物體接接近和和遠離離的圖圖像。。但是是到今今天為為止，，商品品化的的數(shù)據據手套套都不不提供供觸覺覺反饋饋作用用，這就很很難讓讓用戶戶有手手真的的抓到到物體體和推推動物物體的的感覺覺，于于是觸摸和和力反反饋裝裝置也就應應運而而生了了。觸覺是人們們用于于感知知外部部世界界的一一大感感覺通通道，，它由由觸摸摸反饋饋感知知和力力量反反饋感感知兩兩大部部分組組成。。目前，，已經經有相相當數(shù)數(shù)量的的觸摸和和力量量反饋饋裝置置允許用用戶在在虛擬擬環(huán)境境中與與物體體接觸觸。1.觸摸反反饋裝裝置目前最最常用用的一一種模模擬觸觸摸反反饋的的方法法就是是使用用氣壓法法或振動法法的數(shù)據據手套套。氣壓法法是使用用小空空氣袋袋作為為傳感感裝置置。在手套套上有有20～30個個空氣氣袋放放在對對應的的位置置，當當發(fā)生生虛擬擬觸摸摸時，，這些些小型型氣袋袋能夠夠通過過空氣氣壓縮縮泵的的充氣氣和放放氣而而被迅迅速地地加壓壓或減減壓。。同時時，由由計算算機中中存儲儲的相相關力力模式式數(shù)據據來決決定各各個氣氣袋在在不同同狀態(tài)態(tài)下的的氣壓壓值，，以再再現(xiàn)觸觸碰物物體時時手的的各個個部位位的觸觸覺感感受及及其受受力情情況。。振動法是用小振振動換能能器實現(xiàn)現(xiàn)的。換換能器通通常是利利用狀態(tài)態(tài)記憶合合金制成成的，當當電流通通過這些些換能器器時，它它們就會會發(fā)生形形變和彎彎曲。我我們可以以根據需需要把換換能器做做成各種種形狀后后，安裝裝在皮膚膚表面的的各個位位置上。。利用高高性能的的換能器器有可能能產生對對虛擬物物體的光光滑度、、粗糙度度的感覺覺。與氣袋不不同的是是：換能能器幾乎乎可以立立刻對一一個控制制信號做做出反應應，這使使得它們們適合于于產生不不連續(xù)、、快速的的感覺。。而氣袋袋產生的的力反饋饋比狀態(tài)態(tài)記憶合合金要慢慢些、強強些，更更適合表表現(xiàn)一些些緩慢、、柔和的的力。2.力量反饋饋裝置力量反饋饋裝置的的意義：：不但有助助于增強強虛擬交交互的逼逼真性而而且可以以說有時時它也是是一種必必需的設設備。力量反饋饋裝置的的工作原原理：通過機械械或其他他動力推推動和刺刺激使用用者的手手，腕、、臂、肘肘、肩等等部位，，使之產產生相應應的觸覺覺感知。。力量反饋饋裝置的的類型：：力感反饋饋操縱桿桿、吊掛掛式機械械手臂、、桌面式式多自由由度游戲戲棒以及及可獨立立作用于于每個手手指的手手控力反反饋裝置置等。PHANTOM3.0是美國SensAble公司研制制開發(fā)的，是一種可可編程的的、具有有觸覺及及力反饋饋功能的的裝置。當PHANTOM的機械臂臂在工作作空間中中運動時時，就會會在計算算機屏幕幕上出現(xiàn)現(xiàn)一個指指示針，，反映機機械臂在在工作空空間中的的位置。。同時，，通過碰碰撞檢測測等技術術探測到到指示針針與虛擬擬模型接接觸時，，計算機機會發(fā)出出信號，，告訴機機械臂接接觸到了了虛擬模模型，并并將該模模型的物物理性質質，如質質量、軟軟硬程度度、光滑滑程度等等反饋給給PHANTOM系統(tǒng)，再再由該系系統(tǒng)產生生相應的的力傳遞遞給操作作者，使使其具有有力的感感受，從從而實現(xiàn)現(xiàn)了力反反饋。PHANTOM系統(tǒng)可以以被方便便地放置置在桌面面上，提提供最大大為(40.6cmX58.4cmX83.8cm)范圍的工工作空間間，并提提供六自自由度的的觸摸和和力量反反饋，從從而在用用戶手部部產生＜＜150g的平移或或扭轉力力量。另另外，它它還具有有0.02mm的位置分分辨率。PHANTOM系統(tǒng)的特特點：設備安裝裝簡單、、使用輕輕便靈巧巧，且不不會因自自身重量量等問題題而讓用用戶在使使用中產產生疲倦倦甚至疼疼痛的感感覺。數(shù)據衣（（DataSuit）數(shù)據衣服服是利用用數(shù)據手手套的原原理研制制成的。。數(shù)據衣服服的原理理：將大量的的光纖安安裝在一一個緊身身衣服上上，可以以根據需需要檢測測出人的的四肢、、腰部的的活動以以及各關關節(jié)（如如腕關節(jié)節(jié)、肘關關節(jié)）的的彎曲角角度，然然后用計計算機重重建出圖圖像。三維掃描描儀（3DHandheldLaserScanner）三維掃描描儀的功能是是根據掃掃描真實實模型外外觀特征征，建造造出該物物體對應應的計算算機模型型。工作原理理是：由三維掃掃描儀向向物體發(fā)發(fā)射一束束激光。。然后通通過操作作桿上的的攝像機機從每個個角度考考察并記記錄下物物體各截截面的輪輪廓信息息。與此此同時，，安裝在在操作桿桿前端的的高性能能傳感跟跟蹤器也也將同步步地記錄錄下三維維掃描儀儀在位置置及方向向上的變變換信息息。所有有這些數(shù)數(shù)據都將將傳送給給與之相相連的計計算機，，再由相相應軟件件做進一一步處理理后，該該物體對對應的計計算機三三維模型型就顯示示在我們們面前了了。三維掃描儀的的特點：建模過程快速速、精確、方方便，它可以以達到（0.23mm～0.43mm）的高精度和1,000點／秒的快速速取樣速度，，用戶只要描描出模型的輪輪廓，就能在在幾分鐘內獲獲得復雜的3D數(shù)據，并在現(xiàn)現(xiàn)在當今流行行的多種圖形形圖像處理軟軟件中（如3DStudioMAX、Maya等）呈現(xiàn)出來來。三維掃描儀的的應用：它提供了一種最最迅速、便捷捷的3D建模方法。三三維掃描儀可可以描繪出任任何形狀。對對于那些非金金屬、不透明明物體的處理理效果較為理理想。圖三維掃描儀的的使用與效果果2.7VR的聲音系統(tǒng)———3D聲音生成器“3D聲音”并非立立體聲，3D聲音是指由計算機機生成的、能能由人工設定定聲源在空間間中三維位置置的一種聲音音。3D聲音生成器是利用人類定定位聲音的特特點生成出3D聲音的一套軟軟硬件系統(tǒng)。。人類進行聲音音的定位依據據兩個要素：兩耳時間差差（ITD）和兩耳強度差差（IID）。3D聲音的產生過程：：試驗人員位于于一個圓頂房房子內，在房房間內放置特特定空間位置置的聲源。微微小的麥克風風放置在試驗驗人員的耳朵朵內，接近于于中耳。然后后，把聲源依依次打開，并并存儲和數(shù)字字化麥克風輸輸出。例如，，當說話者到到達聽眾的左左邊發(fā)出聲音音時，聲音將將首先到達左左耳，并且比比右耳有更大大的強度。使使用Fourier變換器可以計計算麥克風輸輸出的頻率響響應，以及相相應的HRTF系數(shù)（用來模模擬人耳對聲聲音不同頻段段的反射作用用），我們便便能把該聲音音虛擬地定位位在空間的任任何位置。D聲音定位系統(tǒng)統(tǒng)早期的環(huán)境音系統(tǒng)未考慮人頭的的自由運動，，因而人頭不不得不保持固固定的位置。。虛擬頭錄制系系統(tǒng)合理地引進了了環(huán)境音的效效果。許多影影片是通過一一個環(huán)境音道道錄制的。具具有數(shù)字信號號處理器的精精確的頭跟蹤系統(tǒng)的出現(xiàn)實現(xiàn)了了真正的3D聲音定位。最先商用的3D聲音定位器是是由NASAAmesRiverEngineeringInc公司生產的，，它是根據NASAAmesResearchCenter的需要而設計計和提供的。。VPL公司以Audiosphere命名注冊了稱稱為Convolvotron的CrystalRiver的3D定位器。聲聲學硬件件CRE（CrystalRiverEngineering）公司以其Convolvotron、Beachtron、Acoustetron及Alphatron產品提供三維維聲音的專家家級支持。Convolvotron是一數(shù)字式有有頻信號處理理系統(tǒng)。Beachtron可產生兩路獨獨立的虛擬聲聲源，刷新頻頻率為22Hz，HRTF只提供每耳75系統(tǒng)。Acoustetron為集成的三維維音頻工作站站，包括Convolvotron及Beachtron處理器。Alphatron為較新產品。。它采用了每每耳256系系統(tǒng)的HRTF。兩聲道同時工工作時刷新頻頻率為44Hz，平均延時23ms。2.8VR軟件工具集虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)統(tǒng)是一個將各各種先進的硬硬件技術和軟軟件技術集合合在一起的、、極其復雜的的系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實工具具集是根據現(xiàn)實需需要而產生的的，它們主要要用于提供支支持虛擬交互互，動畫和物物理仿真等的的控制語言，，同時，這些些工具集通常常都是與硬件件無關的，也也就是說，它它們具有相當當?shù)钠毡樾裕?，可以應用在在不同的硬件件配置環(huán)境中中，從而為開發(fā)廣泛的的虛擬現(xiàn)實應應用系統(tǒng)提供供了一致的軟軟件環(huán)境。2.8.1WorldToolKit（WTK）WorldToolKit（WTK）是由美國Sense8公司開發(fā)的虛虛擬環(huán)境應用用工具軟件。。從底層看，WTK是由幾百個C語言函數(shù)組成成的軟件包。。對用戶來說，，WTK提供了一個完完整的用于生生成虛擬環(huán)境境的應用開發(fā)發(fā)工具。它可可以不依賴于于硬件環(huán)境而而運行在從pc機到SGI工作站的各種種機器上，并并且支持一系系列虛擬環(huán)境境的外圍設備備。用戶可以利用用WTK開發(fā)VR的應用系統(tǒng)，，它們通常由由主機、WTK庫、C語言編譯庫、、3D造型軟件包、、圖像捕獲硬硬件／軟件，，以及諸如paintBox的位圖編輯軟軟件等部件組組成。WTK的典型程序包包含一個初始始化階段和一一個仿真階段段。初始化包包括建立交互互跟蹤傳感器器、標識物體體、配置照明明、初始化視視點等；仿真真循環(huán)可以執(zhí)執(zhí)行一次或多多次，每次循循環(huán)負責完成成與虛擬現(xiàn)實實一次交互。。WTK仿真循環(huán)程序序流程圖：2.8.2MinimalRealityToolkit（MR）MR是由加拿大Alberta大學的MarkGreen教授和他領導導的研究小組組開發(fā)的虛擬擬環(huán)境應用工工具軟件。它它可以免費從從Alberta大學獲得，但但不能用于商商業(yè)目的。MR實質上是一個個支持虛擬環(huán)環(huán)境開發(fā)的子子程序庫，包包括3個層次的庫函函數(shù)。（1）底層包包括一組設備備支撐函數(shù)包包，每一函數(shù)數(shù)包支持一種種設備，并稱稱為一個客戶戶／服務器對對。（2）MR的第二層是一一組處理從設設備獲得的數(shù)數(shù)據并將其轉轉換為程序員員方便使用的的格式的庫函函數(shù)。（3）最高層的庫函函數(shù)為程序員員提供了一組組打包的服務務集，它們是是基于一般虛虛擬環(huán)境系統(tǒng)統(tǒng)要求的。用VR實現(xiàn)的應用中中，必須有惟惟一的一個主主程序，用于于控制整個應應用系統(tǒng)并負負責其他應用用程序運行的的初始化工作作。MR的應用程序可可以分為應用用配置式、應應用計算式兩兩大類。應用配置部分分用于初始化MR的工具庫，并并根據用戶指指定的配置要要求處理相應應的應用配置置文件。應用計算部分分用于完成成MR應用系統(tǒng)統(tǒng)指派給給程序的的任務。。MR支持各種種外圍設設備，包包括Polhemus空間跟蹤蹤器，VPLDataGlove，VPLEyePhone和聲音合合成設備備等虛擬擬環(huán)境系系統(tǒng)常用用的設備備。另外外MR還可由SGI和DEC工作站上上的C語言直接接調用，，并支持持分布式式用戶界界面、數(shù)數(shù)據共享享、多種種交互技技術及實實時性能能分析等等多項功功能。（DVS））由于虛擬擬現(xiàn)實系系統(tǒng)本身身的并行行計算要要求，研研發(fā)一種種并行計計算系統(tǒng)統(tǒng)或分布布式系統(tǒng)統(tǒng)對于更更好地實實現(xiàn)VR是很有幫幫助的。。DVS是由英國國Division公司開發(fā)發(fā)的分