第二章 虚拟现实概论 第二节 虚拟现实常用的软硬件设备.ppt

第二章 虚拟现实技术概述?§2 虚拟现实系统的软硬件构成 2.1 虚拟现实系统的一般构成 2.1.1 虚拟环境产生器 定义：是指能产生三维世界的软硬件环境，是VR系统的核心部件。 主要功能： 接收用户的运动信息（如头部、眼、手的运动）； 分路/分时生成左右眼视图，并融合成三维立体图像； 同时进行三维声音合成和发出触觉、压力等反馈信号。 (2) 工作站的虚拟环境产生器 （3）并行处理体系的虚拟环境产生器 2.1.2 输入输出设备 如头盔显示器、数据手套等，其目的是使用户能够通过视觉、听觉和触觉实现与虚拟环境的交互作用。理想的虚拟现实技术应具有一切人所具有的感 知能力。 2.1.3 数据接口 其作用是将虚拟环境产生器、输入输出设备以及用户等有机地连接成一体，这不仅包括硬件协配问题，也包括软硬件联调以及人机界面等技术内容。 与其他计算机系统一样，这些构成可以分成软件和硬件两部分。 2.2 硬件系统 硬件系统包括主机和输入输出设备。 高性能主机系统 ： 个人计算机、工作站、超级计算机 对计算机的处理速度和存储容量都有很高的要求。 输入输出设备 用来输入用户发出的动作和输出场景中物体的状态，使用户可以驾驭一个虚拟境界。 在与虚拟场景进行交互时，大量的传感器用来管理用户的行为，并将场景中的物体状态反馈给用户。 传感器是VR系统的重要组成部分。 诸如精确测定用户头部方位的位置检测传感器 和测试手的姿势，将虚拟场景中的力觉信息反馈给用户的力觉传感器、电磁场传感器 以及检测人体姿势的跟踪传感器等常常在系统中用到。 最简单的就是常规的二维鼠标器，或各种控制杆； 中等复杂程度的有三维或六维鼠标器，或其它种类的控制杆； 复杂的有人体部位式跟踪器，这种装置附着在人体的某个部位，依靠传感器跟踪人的对应部位各个关节的移动使操作者与VR环境产生交互作用，如仪器式手套带在手上，依靠手套各个部位传感器跟踪手部各个关节的动作使操作者与VR环境实现交互。 2.2.1 输入设备 （1）数据手套 手的空间位置和方位是利用固定在手背上的跟踪器来确定的，数据手套的手背上有多个固定传感器，各个手指有可弯曲的柔性传感器，柔性传感器用来测量拇指与其余各手指及关节的方位角。 （2）鼠标 常用的二维鼠标器是一个二自由度的输入设备，适用于平面内的交互，但在三维场景中的交互需要在不同的角度和方位对空间物体进行观察、操纵，这是它就无能为力了。 三维空间有六个自由度，三个是确定位置的(ｘ,ｙ,ｚ)，另外三个是确定方向的(θ, φ,γ)，需要提供六个自由度的装置，如浮动鼠标和空间球。 浮动鼠标器在桌面上类似于上述二维鼠标器，但是当它离开桌面后，就成为一个六自由度的鼠标器； 空间球是一个刚性球体，装在一个凹形支架上，它可以舒适地放在使用者的手掌之下，空间球有足够的传感器来测量三维移动和三个方向角。 （3）跟踪定位器 这是VR系统中用于空间跟踪定位的装置，一般与头盔显示器、立体眼镜、数据手套等其他设备结合使用，使用户在空间上能够自由移动、旋转，操作更加灵活、随意。 跟踪系统一般由发射器、接收器和电子部件组成。目前的跟踪系统有电磁、机械、光学、超声等几类。 （4）数据衣 这是一种穿在用户身上，把他的整个身体中各个部位运动的数据输入到计算机的装置。它可以使虚拟环境中的虚拟人随用户一起运动。原理与数据手套大致相似。 （5）语音识别 这是一种很有发展前途的虚拟现实输入技术。它允许用户对着连接计算机的拾音器说话，而不需要用键盘或其他手工操作的设备输入数据。 （6）触觉反馈器 在高级的虚拟现实系统中触觉反馈器是必须的装置。 原理是在器械手套中加进可控制变形的小泡或记忆合金等力感反馈系统，使用户在身体运动时能感到运动之阻力。 （7）三维扫描仪 扫描真实物体的三维外观特征，使建造虚拟模型的过程更加地快速、精确、方便。 2.2.2 输出设备 在人的感觉中，视觉摄取的信息量最大（人的信息感知约有80%是通过眼睛获取的），反应最敏锐。所以，视觉感知的质量在用户对环境的主观感知中占有最重要的地位。 在各种各样的VR应用环境中，显示设备是最重要的设备。CRT显示器、大屏幕投影、多方位电子墙、立体眼镜、头盔显示器（HMD）等都是VR系统中常见的显示设备。 （1）头盔显示器 在虚拟现实技术中，最重要的是大视场立体显示技术。1965年，美国麻省理工学院的科学家Ivan Sutherland设计了一种头盔显示器(HMD)，通过传感器和计算机仿真环境的相互作用，航天员可以感觉到自己在几何图形中的移动，产生身临其境的感受，由此诞生了一种新的仿真手段——虚拟现实技术。 其基本原理是：HMD上有两个分别对应于双眼的液晶显