7虚拟现实的硬件与软件基础.ppt

第二章 虚拟现实的硬件与软件基础 2.1 概论 高性能计算机； 广角（宽视野）的立体显示设备； 观察者（头、眼）的跟踪设备； 人体姿势的跟踪设备； 立体声； 触觉、力觉反馈； 语音输入输出等。 交互性 是虚拟现实系统的首要特性。为了允许人机交互，必须使用特殊的人机接口与外部设备，既要允许用户将信息输入到计算机，也要使计算机能反馈信息给用户。今天的VR外部设备在功能和目的上各不相同。 例如 ： 身体运动由3-D位置跟踪器跟踪； 手势由传感手套数字化； 视觉反馈发送给立体显示器； 虚拟声音由3-D声音生成器计算； 观察方向随跟踪球和操纵杆改变等。 虚拟现实应用系统的特点： 具有灵活性、可移植性与实时交互的特性。 本章内容：将描述一些虚拟现实硬件设备及其软件，并分别讲述其功能、特征以及当前的局限性。 2.2 VR硬件的系统集成 虚拟现实（VR）系统集成的关键技术： 虚拟现实系统中通常包括大量需要处理来自各种设备的感知信息、模型和数据，因此，建立一个以计算机为核心、将多种I/O交互设备协调组合在一起的硬件平台，是VR系统集成的关键技术。 计算机系统的作用：实时处理、数据输入/输出、虚拟境界的管理和生成等功能。 计算机系统的功能：（1）要保障虚拟三维场景的实时计算和显示，尽量减少延迟；(2)另一方面还要协调各种I/O交互设备之间的工作，以确保系统整体运行的性能。 目前虚拟现实的计算机系统可以是PC机、工作站和超级计算机等，而且多数情况下都采用多种机，并以各种方式连接。 PC机和工作站的比较： （1）PC机一般只能用于低档的VR系统，这主要是因为与工作站和超级计算机相比，它的图形和声音处理功能都是有限的。 （2）工作站专门用于虚拟现实系统中，它具有多个处理器，以便进一步增强整体系统结构，其中有的系统可以允许一百多个处理器同时运行一个程序，从而使VR系统的性能达到最佳。 虚拟现实的集成系统: 是指在工作站或者PC机上工作的不同组合虚拟现实硬、软件工具包。它提供了一套紧凑的设备，在此系统内，虚拟世界可被创造、仿真和可视，还能通过这些集成设备获得浸入式体验。 下面以VIEW（Virtual Interface Environment Workstation）为例，介绍VR系统平台。 VIEW由一组由计算机控制的I/O子系统组成：它以HP公司的HP900／835为主，图形处理采用SGI公司的图形计算机或HPSRX图形系统配备了Plohemus空间跟踪系统来跟踪使用者手部的位置，配备了LEEP广角立体视景头戴显示器和单色液晶显示器，双屏显示器的三维场景由遥控摄像机获取，且视景可随着操作者的视线（头部位姿）变化；头盔上有一个麦克风以便作语音识别，两个耳机进行三维声音跟踪，Convolvotron三维音频输出设备则使整个虚拟环境附有立体声音响；VPL数据手套用于识别使用者手势控制系统的行为，使操作者能够借助语音、手语（手指动作的组合姿态由数据手套Dataglove形成）与环境交互；同时还配备了BOOM CRT显示器及Fake Space远程摄像系统。这些子系统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。使用者“置身”于这样的VR环境，周围是预先定义好的虚拟物体及三维空间的声响效果，从而为各类VR应用系统的研发提供了一个方便。 VIEW系统的应用：远程机器人控制，复杂信息管理及人类诸因素的研究。目前大多数虚拟现实系统的硬件体系结构都由VIEW发展而来。同时，这种以基于LCD的头盔显示器、数据手套及头部跟踪器为特征的硬件体系结构也己成为当今虚拟现实系统的主流。 2.3 VR的三维跟踪传感设备 三维交互设备的作用：把各种信息输入计算机，并向用户提供相应的反馈，它们是使参与者能以人类自然技能与虚拟环境交互的必要工具。 三维交互设备的分类：根据传感渠道以及在功能和目的上的不同，虚拟现实系统的三维交互设备主要被分为三维跟踪传感设备，立体显示设备、手数字化设备、声音设备以及系统集成设备等几大类。 虚拟现实技术是在三维空间中与人交互的技术，为了能及时、准确地获取人的动作信息，需要有各类高精度、高可靠的跟踪定位设备。 传感器技术，它是VR系统中实现人机之间沟通的极其重要的通信手段，是实时处理的关键技术。 目前虚拟现实系统使用的仍是多年来的常用方法，其典型的工作方式是，固定发射器发射出电磁信号，该信号被附在用户头上的机动传感器截获，传感器接收到这些信号后进行解码，确定发射器与接收器之间的相对位置及方位，信号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。 2.3.1 电磁波跟踪器 原理：它使用一个信号发生器（3个正交线圈组