虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)第1頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日第2章虛擬現(xiàn)實技術(shù)概論2.1 跟蹤定位設(shè)備2.2 立體顯示設(shè)備2.3 手部數(shù)據(jù)交互設(shè)備2.4 虛擬聲音輸出設(shè)備2.5 其他交互設(shè)備2.6 虛擬現(xiàn)實硬件系統(tǒng)的集成第2頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.1 跟蹤定位設(shè)備典型的工作方式是：由固定發(fā)射器發(fā)射出信號，該信號將被附在用戶頭部或身上的機動傳感器截獲，傳感器接收到這些信號后進行解碼并送入計算部件處理，最后確定發(fā)射器與接收器之間的相對位置及方位，數(shù)據(jù)隨后傳輸?shù)綍r間運行系統(tǒng)進而傳給三維圖形環(huán)境處理系統(tǒng)。第3頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.1 跟蹤定位設(shè)備2.1.1 電磁波跟蹤器2.1.2 超聲波跟蹤器2.1.3光學(xué)跟蹤器2.1.4 其他類型跟蹤器2.1.5 跟蹤傳感設(shè)備的性能比較第4頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.1 跟蹤定位設(shè)備2.1.1 電磁波跟蹤器電磁波跟蹤器是一種較為常見的空間跟蹤定位器，一般由一個控制部件，幾個發(fā)射器和幾個接收器組成。第5頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.1 跟蹤定位設(shè)備2.1.1 電磁波跟蹤器優(yōu)點是其敏感性不依賴于跟蹤方位，基本不受視線阻擋的限制，體積小、價格便宜，因此對于手部的跟蹤大都采用此類跟蹤器。缺點是其延遲較長，跟蹤范圍小，且容易受環(huán)境中大的金屬物體或其他磁場的影響，從而導(dǎo)致信號發(fā)生畸變，跟蹤精度降低。第6頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.1 跟蹤定位設(shè)備2.1.2 超聲波跟蹤器超聲波跟蹤器是聲學(xué)跟蹤技術(shù)最常用的一種，其工作原理是發(fā)射器發(fā)出高頻超聲波脈沖（頻率20KHz以上），由接收器計算收到信號的時間差、相位差或聲壓差等，即可確定跟蹤對象的距離和方位。第7頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.1 跟蹤定位設(shè)備2.1.2 超聲波跟蹤器按測量方法的不同，超聲波跟蹤定位技術(shù)可分為：飛行時間（TimeOfFlight，TOF）測量法

同時使用多個發(fā)射器和接收器，通過測量超聲波從發(fā)出到反射回來的飛行時間計算出準(zhǔn)確的位置和方向。相位相干（PhaseCoherent，PC）測量法

通過比較基準(zhǔn)信號和發(fā)射出去后發(fā)射回來的信號之間的相位差來確定距離。第8頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.1 跟蹤定位設(shè)備2.1.3光學(xué)跟蹤器光學(xué)跟蹤器可以使用多種感光設(shè)備，從普通攝像機到光敏二極管都有。光源也是多種多樣的，如自然光、激光或紅外線等，但為避免干擾用戶的觀察視線，目前多采用紅外線方式。第9頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.1 跟蹤定位設(shè)備2.1.3光學(xué)跟蹤器光學(xué)跟蹤器使用的主要三種技術(shù)：標(biāo)志系統(tǒng)

通常是利用傳感器（如照相機或攝像機）監(jiān)測發(fā)射器（如紅外線發(fā)光二極管）的位置進行追蹤。模式識別系統(tǒng)

把發(fā)光器件按某一陣列排列，并將其固定在被跟蹤對象身上，由攝像機記錄運動陣列模式的變化，通過與已知的樣本模式進行比較從而確定物體的位置。激光測距系統(tǒng)

將激光通過衍射光柵發(fā)射到被測對象，然后接收經(jīng)物體表面反射的二維衍射圖的傳感器記錄。第10頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.1 跟蹤定位設(shè)備2.1.3光學(xué)跟蹤器光學(xué)跟蹤器雖然受視線阻擋的限制且工作范圍較小，但其數(shù)據(jù)處理速度、響應(yīng)性都非常好，因而較適用于頭部活動范圍相當(dāng)受限而要求具有較高刷新率和精確率的實時應(yīng)用。第11頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.1 跟蹤定位設(shè)備2.1.4 其他類型跟蹤器1、機械跟蹤器

通常把參考點和跟蹤對象直接通過連桿裝置相連，采用剛體框架，一方面可以支撐觀察設(shè)備，另一方面可以測量跟蹤對象的位置和方位。2、慣性跟蹤器

慣性跟蹤器也是采用機械方法，其原理是利用小型陀螺儀測量跟蹤對象在其傾角、偏角和轉(zhuǎn)角方面的數(shù)據(jù)。3、圖像提取跟蹤器

一般是由一組攝像機拍攝人及其動作，然后通過圖像處理技術(shù)的運算和分析來確定人的位置及動作。第12頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.1 跟蹤定位設(shè)備2.1.5 跟蹤傳感設(shè)備的性能比較跟蹤定位器的性能指標(biāo)主要包括：精度：指檢測目標(biāo)位置的正確性，即誤差范圍。分辨率：指跟蹤定位器所能檢測到的最小變化范圍，小于此值將檢測不到。響應(yīng)時間：包括采樣率、數(shù)據(jù)率、更新率和延遲時間等4個指標(biāo)?？垢蓴_性：指跟蹤定位器在相對惡劣的條件下避免出錯的能力。第13頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.1 跟蹤定位設(shè)備2.1.5 跟蹤傳感設(shè)備的性能比較跟蹤器類型精度分辨率響應(yīng)時間跟蹤范圍電磁波3mm±0.1mm1mm±0.03mm50ms半徑<1.6m的半球形超聲波依空氣密度變化10mm±0.5mm30ms4～5m3光學(xué)1mm2mm±0.02mm<1ms4～8m3（可擴展至14m3）3種常用跟蹤技術(shù)的主要性能指標(biāo)對比第14頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.2 立體顯示設(shè)備人眼立體視覺效應(yīng)的原理：當(dāng)人在現(xiàn)實生活中觀察物體時，雙眼之間6～7cm的距離（瞳距）會使左、右眼分別產(chǎn)生一個略有差別的影像（即雙眼視差），而大腦通過分析后會把這兩幅影像融合為一幅畫面，并由此獲得距離和深度的感覺。第15頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.2 立體顯示設(shè)備2.2.1 固定式立體顯示設(shè)備

2.2.2 頭盔顯示器

2.2.3 手持式立體顯示設(shè)備第16頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.2 立體顯示設(shè)備2.2.1 固定式立體顯示設(shè)備1、臺式VR顯示設(shè)備

一般使用標(biāo)準(zhǔn)計算機監(jiān)視器，配合雙目立體眼鏡組成。

根據(jù)監(jiān)視器的數(shù)目不同，還可分為單屏式和多屏式兩類。

最簡單也是最便宜的

VR視覺顯示模式，

但缺乏沉浸感。第17頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.2 立體顯示設(shè)備2.2.1 固定式立體顯示設(shè)備2、投影式VR顯示設(shè)備

一般可以通過并排放置多個顯示器創(chuàng)建大型顯示墻，或通過多臺投影儀以背投的形式投影在環(huán)幕上，各屏幕同時顯示從某一固定觀察點看到的所有視像，由此提供一種全景式的環(huán)境。第18頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.2 立體顯示設(shè)備2.2.1 固定式立體顯示設(shè)備2、投影式VR顯示設(shè)備（1）墻式投影顯示設(shè)備：

可采用平面、柱面、球面的屏幕形式。第19頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.2 立體顯示設(shè)備2.2.1 固定式立體顯示設(shè)備2、投影式VR顯示設(shè)備（2）響應(yīng)工作臺式顯示設(shè)備

（ResponsiveWorkBench，RWB）：

一般由投影儀、反射鏡和

顯示屏（一種特制玻璃）

組成，投影儀將立體圖像

投射到反射鏡面上，再由

反射鏡將圖像反射到顯示

屏上。第20頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.2 立體顯示設(shè)備2.2.1 固定式立體顯示設(shè)備2、投影式VR顯示設(shè)備（3）洞穴式投影顯示設(shè)備（CAVE）：

CAVE就是由投影顯示屏包圍而成的一個立體空間

（洞穴），分別有4面式、5面式或6面式CAVE系統(tǒng)。第21頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.2 立體顯示設(shè)備2.2.1 固定式立體顯示設(shè)備3、三維顯示器指的是直接顯示虛擬三維影像的顯示設(shè)備，用戶不需佩戴立體眼鏡等裝置就可以看到立體影像。三星公司的2233RZ三維顯示器第22頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.2 立體顯示設(shè)備2.2.1 固定式立體顯示設(shè)備3、三維顯示器三維顯示器的實現(xiàn)方法主要分為以下4種：（1） 在普通的顯示屏前附著特殊的涂層和濾光器來替代立體眼鏡的作用。（2） 利用投影機把同一物體的多幅不同二維影像閃投在顯示屏上，同時屏幕快速旋轉(zhuǎn)，觀看者大腦就會將不同畫面拼合而成似乎漂浮在空中的三維物體影像。第23頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.2 立體顯示設(shè)備2.2.1 固定式立體顯示設(shè)備3、三維顯示器三維顯示器的實現(xiàn)方法主要分為以下4種：（3）顯示器由幾十個超薄屏幕疊制而成，每個屏幕快速依次閃現(xiàn)出同一圖像，由此流暢的組成完整的三維影像。（4）利用全息圖像技術(shù)實現(xiàn)

真正的三維顯示，它是

在真實空間內(nèi)創(chuàng)造出一

個完整的立體影像。第24頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.2 立體顯示設(shè)備2.2.2 頭盔顯示器

（Head-MountedDisplay，HMD）HMD通常被固定在用戶的頭部，隨著頭部的運動而運動，并裝有位置跟蹤器，能夠?qū)崟r測出頭部的位置和朝向，并輸入到計算機中。第25頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.2 立體顯示設(shè)備2.2.2 頭盔顯示器HMDHMD通常被固定在用戶的頭部，隨著頭部的運動而運動，并裝有位置跟蹤器，能夠?qū)崟r測出頭部的位置和朝向，并輸入到計算機中。計算機根據(jù)這些數(shù)據(jù)生成反映當(dāng)前位置和朝向的場景圖像，進而由兩個LCD或CRT顯示屏分別向兩只眼睛提供圖像。第26頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.2 立體顯示設(shè)備2.2.2 頭盔顯示器HMD雙眼局部重疊的頭盔顯示器光學(xué)模型第27頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.2 立體顯示設(shè)備2.2.2 頭盔顯示器HMD衡量頭盔顯示器性能的指標(biāo)包括以下各方面： 1、逼真的立體視覺（雙眼視覺） 2、分辨率 3、視場（FireldOfView，F(xiàn)OV） 4、透射率 5、重疊率 6、重量 7、人的因素第28頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.2 立體顯示設(shè)備2.2.2 頭盔顯示器HMD公司/型號分辨率視場重量市場參考價VirtualResearchSystems/VR12801280×102460°約0.8KG17萬元RockwellCollins/ProViewSR801280×102480°約0.8KG16萬元eMagin/Z8003Dvisor800×60040°約0.225KG15萬元第29頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.2 立體顯示設(shè)備2.2.3 手持式立體顯示設(shè)備

手持式VR立體顯示器屏幕很小，它利用某種跟蹤定位器和圖像傳輸技術(shù)實現(xiàn)立體圖像的顯示和交互作用，可以將額外的數(shù)據(jù)增加到真實世界的視圖中，用戶可以選擇觀看這些信息，也可以忽略它們而直接觀察真實世界，一般適用于增強式VR系統(tǒng)中。第30頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.3 手部數(shù)據(jù)交互設(shè)備2.3.1 數(shù)據(jù)手套

2.3.2 空間球

2.3.3 三維浮動鼠標(biāo)器第31頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.3 手部數(shù)據(jù)交互設(shè)備2.3.1 數(shù)據(jù)手套（DataGlove）

數(shù)據(jù)手套是一種戴在用戶手上的傳感裝置，用于檢測用戶手部活動的設(shè)備，并向計算機發(fā)送相應(yīng)電信號，從而驅(qū)動虛擬手模擬真實手的動作。如圖所示為戴上VPL數(shù)據(jù)手套的人手與屏幕顯示的虛擬手。該數(shù)據(jù)手套把光導(dǎo)纖維和一個三維位置傳感器纏繞在一個輕的、有彈性的手套上，每個手指的每個關(guān)節(jié)處都有一圈纖維，用以測量手指關(guān)節(jié)的位置與彎曲。第32頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.3 手部數(shù)據(jù)交互設(shè)備2.3.2 空間球（SpaceBall）

空間球是一種可以提供6自由度的桌面設(shè)備，它被安裝在一個小型的固定平臺上，可以扭轉(zhuǎn)、擠壓、按下、拉出和來回?fù)u擺。第33頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.3 手部數(shù)據(jù)交互設(shè)備2.3.3 三維浮動鼠標(biāo)器（3DFlyingMouse）

三維浮動鼠標(biāo)器的工作原理是：在鼠標(biāo)內(nèi)部安裝了一個超聲波或電磁探測器，利用這個接收器和具有發(fā)射器的固定基座，就可以測量出鼠標(biāo)離開桌面后的位置和方向。第34頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.4 虛擬聲音輸出設(shè)備2.4.1 固定式聲音設(shè)備固定式聲音輸出設(shè)備即揚聲器，允許多個用戶同時聽到聲音，一般在投影式VR系統(tǒng)中使用。揚聲器固定不變的特性使其易于產(chǎn)生世界參照系的音場，在虛擬世界中保持穩(wěn)定，且用戶使用起來活動性大。2.4.2 耳機式聲音設(shè)備耳機式聲音設(shè)備一般與頭盔顯示器結(jié)合使用。在默認(rèn)情況下，耳機顯示的是頭部參照系的聲音，在VR系統(tǒng)中必須跟蹤用戶頭部、耳部的位置，并對聲音進行相應(yīng)的過濾，使得空間化信息能夠表現(xiàn)出用戶耳部的位置變化。第35頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.5 其他交互設(shè)備2.5.1 觸覺和力反饋設(shè)備2.5.2數(shù)據(jù)衣2.5.3 三維掃描儀第36頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.5 其他交互設(shè)備2.5.1 觸覺和力反饋設(shè)備

1、接觸反饋設(shè)備 （1）充氣式接觸反饋手套是使用小氣囊作為傳感裝置，在手套上有20-30個小氣囊放在對應(yīng)的位置，當(dāng)發(fā)生虛擬接觸時，這些小型氣囊能夠通過空氣壓縮泵的充氣和放氣而被迅速地加壓或減壓。 （2）振動式接觸反饋手套是使用小振動換能器實現(xiàn)的，換能器通常由狀態(tài)記憶合金制成，當(dāng)電流通過這些換能器時，它們就會發(fā)生形變和彎曲。第37頁，共43頁，2023年，2月20日，星期日2.5 其他交互設(shè)備2.5.1 觸覺和力反饋設(shè)備

2、力反饋設(shè)備 （1）桌面式力反饋系統(tǒng)設(shè)備安裝簡單、使用輕便靈巧，并且不會因自身重量等問題而讓用戶在使用中產(chǎn)生疲倦甚至疼痛的感覺，因此目前已經(jīng)成