人機交互第3章-交互設(shè)備分析

第3章交互設(shè)備重點大學(xué)計算機專業(yè)系列教材輸入設(shè)備輸出設(shè)備虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備交互設(shè)備的整合應(yīng)用文本輸入設(shè)備鍵盤輸入是最常見、最主要的文本輸入方式。手寫等一些更自然的交互方式也可為文本輸入提供輔助手段。3.1輸入設(shè)備1.鍵盤的布局

QWERTY鍵盤布局19世紀(jì)70年代，Sholes發(fā)明了QWERTY鍵盤布局，其名稱來源于該布局方式最上行前6個英文字母，最常用的幾個字母安置在相反方向，最大限度放慢敲鍵速度以避免卡鍵。這種布局方式依然是今天最為常見的排列方式，成為一種事實上的標(biāo)準(zhǔn)。DUORAK鍵盤布局20世紀(jì)20年代的DUORAK鍵盤布局，據(jù)推測可以大大減少手指移動距離，從而大大提高輸入速度，但由于受到傳統(tǒng)QWERTY布局的影響，沒有成為主流的鍵盤布局。2.人性化設(shè)計的鍵盤

(1)人體工程學(xué)鍵盤是在標(biāo)準(zhǔn)鍵盤基礎(chǔ)上將指法規(guī)定的左手鍵區(qū)和右手鍵區(qū)這兩大板塊左右分開，并形成一定角度，這樣可使操作者不必有意識的夾緊雙臂，從而保持一種比較自然的形態(tài)，這種設(shè)計的鍵盤被微軟公司命名為自然鍵盤（NaturalKeyboard）。(1)人體工程學(xué)鍵盤(圖例1)圖3-1人體工程學(xué)鍵盤：固定于椅子上的鍵盤圖3-1人體工程學(xué)鍵盤：固定于桌面上的鍵盤(1)人體工程學(xué)鍵盤(圖例2)2.人性化設(shè)計的鍵盤

（2）多功能集成鍵盤這類鍵盤集成了鼠標(biāo)、無線等功能，在鍵盤布局以及外觀設(shè)計方面，針對游戲、上網(wǎng)瀏覽等常用娛樂功能做了改進。鍵盤正上方設(shè)計的快捷鍵，包括“IE主頁”、“打開文件夾”、“查找文件”和“進入信箱”等12個，許多操作可以一鍵完成。鍵盤的無線接收器采用USB接口，安裝使用也非常方便。

圖3-2BTC9019URF無線游戲鍵盤2.人性化設(shè)計的鍵盤

圖3-2BTC9019URF無線游戲鍵盤2.人性化設(shè)計的鍵盤

手寫設(shè)備手寫板+手寫筆:是手寫系統(tǒng)中一個很重要的部分。有線筆:手寫筆尾部均有一根電纜與手寫板相連，從手寫板上輸入電源。無線筆:借助于一些特殊技術(shù)而不需要任何電源。無線筆的優(yōu)點是攜帶和使用起來非常方便，同時也較少出現(xiàn)故障。手寫筆一般還帶有兩個或三個按鍵，其功能相當(dāng)于鼠標(biāo)按鍵，這樣在操作時不需要在手寫筆和鼠標(biāo)之間來回切換。3.1.2手寫設(shè)備圖3-3漢王筆手寫系統(tǒng)3.1.2手寫設(shè)備手寫板主要分類：電阻式壓力手寫板：幾乎已經(jīng)被淘汰電磁式感應(yīng)手寫板：目前市場主流產(chǎn)品電容式觸控手寫板：市場的新生力量，具有耐磨損、使用簡便、敏感度高等優(yōu)點，是今后手寫板的發(fā)展趨勢。3.1.2手寫設(shè)備手寫板的一些通用的評測指標(biāo)壓感級數(shù)：手寫板可以感應(yīng)到筆在手寫板上的力度的級別，最高為512級。精度：精度又稱分辨率，指的是單位長度上所分布的感應(yīng)點數(shù)，精度越高對手寫的反映越靈敏，對手寫板的要求也越高書寫面積：是手寫板一個很直觀的指標(biāo)，手寫板區(qū)域越大，書寫的回旋余地就越大，運筆也就更加靈活方便，輸入速度往往會更快，當(dāng)然其價格也相應(yīng)更高。書寫面板的尺寸大體有以下幾種：76mm×51mm、76mm×114mm、10mm×13mm和11mm×15mm3.1.2手寫設(shè)備手寫漢字識別軟件除了硬件外，手寫筆和手寫板的另一項核心技術(shù)是手寫漢字識別軟件，目前各類手寫筆的識別技術(shù)都已相當(dāng)成熟，識別率和識別速度也能夠滿足實際應(yīng)用的要求。圖像輸入設(shè)備二維掃描儀可以快速地實現(xiàn)圖像輸入，且經(jīng)過對圖像的分析與識別，可以得到文字、圖形等內(nèi)容；攝像頭是捕捉動態(tài)場景最常用的工具。3.1輸入設(shè)備

掃描儀掃描儀作為光電、機械一體化的高科技產(chǎn)品，自問世以來憑借其獨特的數(shù)字化“圖像”采集能力，低廉的價格以及優(yōu)良的性能，得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，目前已成為計算機不可缺少的圖文輸入工具之一，被廣泛地應(yīng)用于圖形、圖像處理的各個領(lǐng)域。1.掃描儀的簡單工作原理

掃描儀對圖像畫面進行掃描時，光源將光線照射到待掃描的圖像原稿上，產(chǎn)生反射光或透射光，然后經(jīng)反光鏡組反射到線性光電轉(zhuǎn)換的電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，CCD）。中。CCD圖像傳感器根據(jù)反射光線強弱的不同轉(zhuǎn)換成不同大小的電流，經(jīng)模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換處理，將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，即產(chǎn)生一行圖像數(shù)據(jù)。同時，在控制電路的控制下，步進電機旋轉(zhuǎn)帶動驅(qū)動皮帶，從而驅(qū)動光學(xué)系統(tǒng)和CCD掃描裝置在傳動導(dǎo)軌上與待掃原稿做相對平行移動，將待掃圖像原稿逐條線掃入，最終完成全部原稿圖像的掃描。對于彩色圖像，掃描儀在掃描時，首先生成分別對應(yīng)于紅(R)、綠(G)、藍(B)三基色的三幅圖像，然后將這三幅圖像合成。圖3-4掃描儀掃描過程簡圖2.掃描儀的性能指標(biāo)(1)分辨率:掃描儀的分辨率決定了最高掃描精度

;在掃描圖像時，掃描分辨率設(shè)得越高，生成的圖像的效果就越精細，生成的圖像文件也越大。DPI是指用掃描儀輸入圖像時，在每英寸上得到的像素點個數(shù)。掃描儀的分辨率等于其光學(xué)部件的分辨率加上其自身通過硬件及軟件進行處理分析所得到的分辨率;分辨率為1200DPI的掃描儀，往往其光學(xué)部分的分辨率只占400～600DPI。擴充部分的分辨率由硬件和軟件聯(lián)合生成，這個過程是通過計算機對圖像進行分析，對空白部分進行插值處理所產(chǎn)生的;2.掃描儀的性能指標(biāo)(2)掃描速度:掃描速度決定了掃描儀的工作效率.一般而言，以300DPI的分辨率掃描一幅A4幅面的黑白二值圖像，時間少于10秒鐘，相同情況下，掃描灰度圖，約需10秒左右，而如果使用三次掃描成像的彩色掃描儀，則要2~3分鐘。3.平板式掃描儀的結(jié)構(gòu)目前大部分的掃描儀都屬于平板式掃描儀，主要由上蓋、原稿臺、光學(xué)成像部分、光電轉(zhuǎn)換部分、機械傳動部分組成（如圖3-5）。機蓋導(dǎo)軌滑桿稿臺齒輪鏈條步進電機圖3-5平板式掃描儀結(jié)構(gòu)

數(shù)碼攝像頭1.數(shù)碼攝像頭的用途數(shù)碼攝像頭可以直接捕捉影像，然后通過計算機的串口、并口或者USB接口傳送到計算機里。數(shù)碼攝像頭沒有存儲裝置和其他附加控制裝置，只有一個感光部件、簡單的鏡頭和不太復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳輸線路，造價低廉。3.2.2數(shù)碼攝像頭2.衡量數(shù)碼攝像頭的關(guān)鍵因素感光元器件大多為CCD,CCD的成像往往通透性、明銳度都很好，色彩還原、曝光可以保證基本準(zhǔn)確;應(yīng)用在攝像、圖像掃描等對于圖像質(zhì)量要求較高的應(yīng)用中,價格高附加金屬氧化物半導(dǎo)體組件（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，CMOS）大多應(yīng)用在一些低端視頻應(yīng)用中，價格低像素數(shù)：像素數(shù)是影響圖像質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是判斷攝像頭性能優(yōu)劣的重要條件。3.2.2數(shù)碼攝像頭2.衡量數(shù)碼攝像頭的關(guān)鍵因素解析度：分為照像解析度和視頻解析度

：有352×288、320×240、176×144、160×120等規(guī)格一般產(chǎn)品的最高解析度可以達到640×480視頻速度：視頻速度和視頻解析度是直接相關(guān)的，基本成反比關(guān)系如640×480解析度可達12.5幀／秒（FramesPerSecond，F(xiàn)PS），

352×288的解析度可得到30FPS，真正獲取流暢的視頻

鏡頭：鏡頭性能的重要條件是它的調(diào)焦范圍以及靈敏性等因素，好的攝像頭，應(yīng)該有較為寬廣的調(diào)焦范圍和較高的靈敏性數(shù)碼攝像頭產(chǎn)品如圖3-6所示的攝像頭（創(chuàng)新VideoBlasterWebCam），可以用16.7兆顏色進行實時視頻捕捉；分辨率為352×288時速度最快達30幀每秒，分辨率為640×480時達15幀每秒；支持160×120、176×144、320×240、352×288、和640×480分辨率的靜態(tài)圖像捕捉；鏡頭免調(diào)焦距。圖3-6創(chuàng)新VideoBlasterWebCam及其控制界面三維信息輸入設(shè)備在許多領(lǐng)域，如機器視覺、面形檢測、實物仿形、自動加工、產(chǎn)品質(zhì)量控制、生物醫(yī)學(xué)等，物體的三維信息必不可少的。三維掃描儀是實現(xiàn)三維信息數(shù)字化的一種極為有效的工具。動作捕捉設(shè)備則用于捕捉用戶的肢體甚至是表情動作，生成運動模型。在影視、動漫制作中已被大量應(yīng)用。3.1輸入設(shè)備根據(jù)傳感方式的不同，三維掃描儀主要分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式的三維掃描儀采用探測頭直接接觸物體表面，通過探測頭反饋回來的光電信號轉(zhuǎn)換為物體表面形狀的數(shù)字信息。該類設(shè)備主要以三維坐標(biāo)測量機為代表。其優(yōu)點是具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，但也存在測量速度慢、費用較高、探頭易磨損以及誤差修正等缺點。非接觸式的三維掃描儀，主要有三維激光掃描儀，照相式三維掃描儀等，分別是基于激光掃描測量和結(jié)構(gòu)光掃描測量等技術(shù)設(shè)計的。這類設(shè)備的優(yōu)點是掃描速度快，易于操作，且由于不需接觸被測量的物體，所以對物體表面損傷少等。機械式、電磁式、光學(xué)式捕捉設(shè)備機械式動作捕捉設(shè)備利用可伸縮的機械結(jié)構(gòu)安裝于捕捉物體上，以取得各部分的運動量。優(yōu)點是成本低廉，但這種方式限制了運動物體的自由運動，且由于機械設(shè)備的尺寸、重量等問題，因而限制了其應(yīng)用范圍。電磁式設(shè)備將若干低頻磁場感應(yīng)器安裝在捕捉物體上，根據(jù)感應(yīng)器接收到的磁場，可以計算出接收器相對于發(fā)射器的位置和方向。但其由于易受電磁干擾影響到了捕捉數(shù)據(jù)的精度和穩(wěn)定性，對于作業(yè)場地的要求也非常嚴(yán)格。（2）動作捕捉設(shè)備光學(xué)式運動捕捉利用計算機視覺原理。從理論上說，對于空間中的一個點，只要它能同時為兩部攝相機所見，則根據(jù)同一時刻兩部攝相機所拍攝的圖像和對應(yīng)參數(shù)，就可以確定這一時刻該點在空間的位置。攝相機以足夠高的速率連續(xù)拍攝時，從圖像序列中就可以得到該點的運動軌跡。光學(xué)式運動捕捉便是利用這一點通過對目標(biāo)上特定光點的監(jiān)視和跟蹤來完成運動捕捉的任務(wù)。（2）動作捕捉設(shè)備指點輸入設(shè)備指點設(shè)備常用于完成一些定位和選擇物體的交互任務(wù)。物體可能處于一維、二維、三維或更高維的空間中，而選擇與定位的方式可以是直接選擇，或通過操作屏幕上的光標(biāo)來完成。鼠標(biāo)光筆控制桿觸摸板觸摸屏3.1輸入設(shè)備顯示器顯示器是計算機的重要輸出設(shè)備，是人機對話的重要工具。它的主要功能是接收主機發(fā)出的信息，經(jīng)過一系列的變換，最后以光的形式將文字和圖形顯示出來。

陰極射線管顯示器、液晶顯示器和等離子顯示器3.2輸出設(shè)備構(gòu)成：由陰極、電平控制器（即控制極）、聚焦系統(tǒng)、加速系統(tǒng)、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和陽極熒光粉涂層組成，這六部分都在真空管內(nèi)。其中，陰極、電平控制器（即控制極）、聚焦系統(tǒng)、加速系統(tǒng)等統(tǒng)稱為電子槍。當(dāng)顯像管內(nèi)部的電子槍陰極發(fā)出的電子束，經(jīng)強度控制、聚焦和加速后變成細小的電子流，再經(jīng)過偏轉(zhuǎn)線圈的作用向正確目標(biāo)偏離，穿越蔭罩的小孔或柵欄，轟擊到熒光屏上的熒光粉發(fā)出光線。彩色CRT光柵掃描顯示器有三個電子槍，它的熒光屏上涂有三種熒光物質(zhì)，分別能發(fā)紅、綠、藍三種顏色的光。在充電條件下，液晶能改變分子排列，繼而造成光線的扭曲或折射。液晶顯示器工作原理是通過能阻塞或傳遞光的液晶材料，傳遞來自周圍的或內(nèi)部光源的偏振光。以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點、線、面配合背部燈管構(gòu)成畫面。LCD比CRT顯示器具有更好的圖像清晰度，畫面穩(wěn)定性和更低的功率消耗，但液晶材質(zhì)粘滯性比較大，圖像更新需要較長響應(yīng)時間，因此不適合顯示動態(tài)圖象。等離子顯示器誕生于二十世紀(jì)60年代，它采用等離子管作為發(fā)光材料，1個等離子管負責(zé)一個像素的顯示：等離子管內(nèi)的氖氙混合氣體在高壓電極的刺激下產(chǎn)生紫外線，紫外線照射涂有三色熒光粉的玻璃板，熒光粉受激發(fā)出可見光。優(yōu)點：重量較輕、完全無X射線輻射，而且屏幕亮度非常均勻，不存在明顯的亮區(qū)和暗區(qū)；由于各個發(fā)光單元的結(jié)構(gòu)完全相同，因此不會出現(xiàn)CRT顯示器那樣存在某些區(qū)域聚焦不良或因使用時間過長出現(xiàn)散焦的毛病。缺點：是價格較高，由于顯示屏上的玻璃較薄使屏幕較脆弱。打印機打印機是目前非常通用的一種輸出設(shè)備，其結(jié)構(gòu)可分為機械裝置和控制電路兩部分。常見的有針式、噴墨、激光打印機三類。打印分辨率、速度、幅面、最大打印能力等是衡量打印機性能的重要指標(biāo)。3.2輸出設(shè)備語音交互設(shè)備語音作為一種重要的交互手段，日益受到人們的重視?；镜恼Z音交互設(shè)備耳機麥克風(fēng)聲卡3.2輸出設(shè)備虛擬現(xiàn)實Vatualreality系統(tǒng)要求計算機可以實時顯示一個三維場景，用戶可以在其中自由的漫游，并能操縱虛擬世界中一些虛擬物體。因此，除了一些傳統(tǒng)的控制和顯示設(shè)備，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)還需要一些特殊的設(shè)備和交互手段，來滿足虛擬系統(tǒng)中的顯示、漫游以及物體操縱等任務(wù)。三維空間定位設(shè)備三維顯示設(shè)備空間跟蹤定位器或稱三維空間傳感器是一種能實時地檢測物體空間運動的裝置，可以得到物體在六個自由度上相對于某個固定物體的位移，包括：X、Y、Z坐標(biāo)上的位置值，以及圍繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)值（轉(zhuǎn)動，俯仰、搖擺）。這種三維空間傳感器對被檢測的物體必須是無干擾的，也就是說，不論這種傳感器是基于何種原理或使用何種技術(shù)，它都不應(yīng)當(dāng)影響被測物體的運動，因而稱為“非接觸式傳感器”。三維空間跟蹤定位器一般與其他VR設(shè)備結(jié)合使用，如：數(shù)據(jù)頭盔、立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套等。圖3-18空間跟蹤定位器空間跟蹤定位器的主要的性能指標(biāo)：定位精度：指傳感器所測出的位置與實際位置的差異位置修改速率：指傳感器在一秒鐘內(nèi)所能完成的測量次數(shù)延時：指被檢測物體的某個動作與傳感器測出該動作時間的間隔需要解決的關(guān)鍵問題如何減少顫抖、漂移、噪音在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中廣泛使用的傳感器類型：低頻磁場式：在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，這種傳感器常被用來安裝在數(shù)據(jù)手套和頭盔顯示器上。超聲式：數(shù)據(jù)手套一般由很輕的彈性材料構(gòu)成，緊貼在手上。整個系統(tǒng)包括位置、方向傳感器和沿每個手指背部安裝的一組有保護套的光纖導(dǎo)線，它們檢測手指和手的運動。數(shù)據(jù)手套將人手的各種姿勢、動作通過手套上所帶的光導(dǎo)纖維傳感器，輸入計算機中進行分析。這種手勢可以是一些符號表示或命令，也可以是動作。手勢所表示的含義可由用戶加以定義。在虛擬環(huán)境中，操作者通過數(shù)據(jù)手套可以用手去抓或推動虛擬物體，以及做出各種手勢命令。三維鼠標(biāo)能夠感受用戶在六個自由度的運動，包括三個平移參數(shù)和三個旋轉(zhuǎn)參數(shù)。其裝置比較簡單：一個蓋帽放在帶有一系列開關(guān)的底座上。轉(zhuǎn)動這個小球或側(cè)方向推動這個小球時，如向上拉它、向下壓它，使它向前或向后等。三維鼠標(biāo)將用戶的這些動作傳送給計算機，從而進一步控制虛擬環(huán)境中的物體的運動。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)必須提供觸覺反饋，以便使用戶感覺到仿佛真的摸到了物體。但是由于人的觸覺非常敏感，精度一般的裝置根本無法滿足要求。另外，對于觸覺和力反饋器，還要考慮到模擬力的真實性、施加到人手上是否安全以及裝置是否便于攜帶并讓用戶感到舒適等問題。目前已經(jīng)有一些關(guān)于力學(xué)反饋手套、力學(xué)反饋操縱桿、力學(xué)反饋筆、力學(xué)反饋表面等裝置的研究。VirtualTechnology公司的觸覺反饋手套Phantom公司的hapticdevice手指觸覺反饋器的實現(xiàn)主要通過視覺、氣壓感、振動觸覺、電子觸覺和神經(jīng)肌肉模擬等方法。

其中電子觸覺反饋器是向皮膚反饋寬度和頻率可變的電脈沖，而神經(jīng)肌肉模擬反饋是直接刺激皮層，這些方法都很不安全，較安全的方法是氣壓式和振動觸感式的反饋器。

立體視覺頭盔式顯示器CAVE真三維顯示由于人類從客觀世界獲得的信息60%以上來自視覺，因而視覺溝通就成為多感知虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，立體視覺技術(shù)也就成為虛擬現(xiàn)實的一種極重要的支撐技術(shù)。人是通過右眼和左眼所看到物體的細微差異來感知物體的深度，從而識別出立體圖像的。立體影像生成技術(shù)主要有兩種主動式模式對應(yīng)用戶的左右眼影像將按照順序交替顯示，用戶使用LCD立體眼鏡保持與立體影像的同步，這種模式可以產(chǎn)生高質(zhì)量的立體效果。被動式系統(tǒng)需要使用兩套顯示設(shè)備以及投影設(shè)備分別生成左右眼影像并進行投影，不同的投影分別使用不同角度的偏振光來區(qū)別左右眼影像，用戶使用偏振光眼鏡保持立體影像的同步。頭盔式顯示器（HeadMountedDisplay，HMD，）是一種立體圖形顯示設(shè)備，可單獨與主機相連以接受來自主機的三維