第2章 虚拟现实系统的硬件设备.ppt

第2章 虚拟现实系统的硬件设备 2.1 虚拟现实系统的输入设备 2.1.1 基于自然的交互设备 用于对虚拟信息的输入 2.1.2 三维定位跟踪设备 用于对输入设备在三维空间中的位置进行判断，并将状态输入到虚拟现实系统中 2.1.1 基于自然的交互设备 1. 数据手套 2. 运动捕捉系统 3. 三维控制器 4. 三扫描仪 1. 数据手套 数据手套是美国VPL公司于1987年推出的一种传感手套的专有名称，现在数据手套已成为一种被广泛使用的输入传感设备，它是一种穿戴在用户手上，作为一只虚拟的手用于与虚拟现实系统进行交换，可以在虚拟世界中进行物体抓取、移动、装配、操纵、控制，并把手指和手掌伸屈时的各种姿势转换成数字信号传送给计算机，计算机通过应用程序识别出用户的手在虚拟世界中操作时的姿势，执行相应的操作。 在实际应用中，数据手套还必须配有空间位置跟踪器，检测手在三维空间中的实际方位。 1. 数据手套 人的手指动作有“弯曲-伸直”，侧向“外展-内收”（五指并拢和分开）和拇指动作“前位-复位”，前位使拇指与手掌相对。 1. 数据手套 VPL公司的数据手套 1. 数据手套 Vertex公司的赛伯手套（Cyber Glove） 1. 数据手套 Exos公司的灵巧手手套（Dextrous Hand Master） 1. 数据手套 Mattel公司的Power Glove 1. 数据手套 5DT公司的传感器数据手套 2. 运动捕捉系统 运动捕捉的原理就是把真实人的动作完全附加到一个三维模型或者角色动画上。 从应用角度来看，运动捕捉系统主要有表情捕捉和身体运动捕捉两类； 从实时性来看，可分为实时捕捉系统和非实时捕捉系统两类。 2. 运动捕捉系统 典型的运动捕捉设备一般由三部分组成。 接收传感器是固定在运动物体特定部位的跟踪装置，它将向系统提供运动物体运动的位置信息，一般会随着捕捉的细致程度确定传感器的数目。 信号捕捉设备负责捕捉，识别传感器的信号，并将运动数据从信号捕捉设备快速准确地传送到计算机系统。这种设备会因系统的类型不同而有所区别，对于机械系统来说是一块捕捉电信号的线路板，对于光学系统则是高分辨率红外摄像机。 处理单元是负责处理系统捕捉到的原始信号，计算传感器的运动轨迹，对数据进行修正、处理、并与三维角色模型相结合。处理单元既可以是软件也可以是硬件，借助计算机对数据告诉的运算能力来完成数据的处理，使三维模型真正、自然地运动起来。 3. 三维控制器 三维鼠标：可以完成在虚拟空间中6个自由度的操作，包括3个平移参数和3个旋转参数。 力矩球（空间球）：它是采用发光二极管和光接收器，通过安装在球中心的几个张力器来测量手施加的力，并将数据转换为3个平移运动和3个旋转运动的值送入计算机，当使用者用手对球的外层施加力时，根据弹簧形变的法则，6个光传感器测出3个力和3个力矩的信息，并将信息传送给计算机，即可计算出虚拟空间中某物体的位置和方向等。 4. 三维扫描仪 三维扫描仪（3Dimensional Scanner）又称为三维数字化仪或三维模型数字化仪，是一种较为先进的三维模型建立设备，它是当前使用的对实际物体三维建模的重要工具，能快速方便地将真实实际的立体参数的物体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了有效的手段。 4. 三维扫描仪 三维扫描仪的种类 接触式 非接触式 三维激光扫描仪 机载激光扫描系统 车载激光扫描系统 地面激光扫描系统 照相式三维扫描仪 CT断层扫描仪 2.1.2 三维定位跟踪设备 三维定位跟踪设备是虚拟现实系统中关键的传感设备之一，它的任务是检测位置与方位，并将其数据输入给虚拟现实系统。需要指出的是，这种三维定位跟踪器对被检测的物体必须是无干扰的，也就是说，不论这种传感器基于何种原理和应用何种技术，它都不应影响被测物体的运动，即“非接触式传感跟踪器”。 在虚拟现实应用中最常见的应用是跟踪用户的头部和手的位置（x，y，z）和方位（俯仰角、转动角、偏转角 ）： 跟踪头部方位是为了确定用户的视点与视线方位 跟踪手部位置和方位是为了确定手与虚拟对象的关系，其他对虚拟对象的影响。 2.1.2 三维定位跟踪设备 对于空间跟踪设备通常有下列要求： 数据采样率高且传输数据速度快，既要满足精确率的需要，同时又不能出现明显滞后。 抗干扰性要强，也就是受环境影响要小。 对被检测的物体必须是无干扰的，不能因为增加了跟踪设备影响用户的运动等。 真实世界和虚拟世界之间相一致的整合能力。 多个用户及多个跟踪设备可以在工作区域内自由移动，不会相互之间产生影响。 三维定位跟踪设备类型： 电磁跟踪系统 声学跟踪系统 1. 电磁跟踪系统 电磁式位置跟踪设备是利用磁场的强度来进行位置和方位跟踪的。一般来说，电磁式位