虚拟现实技术概述(PPT187页).pptx

基于头盔式显示器的系统
投影式虚拟现实系统
远程存在系统（遥在系统）
增强式虚拟现实系统
分布式虚拟现实系统 网络+虚拟现实
➢虚拟现实系统：
=用户+硬件+虚拟环境 ✓交互性
用户
用户信息 反馈信息
虚拟环境
第二章 虚拟现实系统的硬件
➢用户+硬件+虚拟环境 ✓交互性
用户
用户信息 反馈信息
虚拟环境
化
30m s
跟踪范围
半径<1.6m 的半球形
4～5m3
光学 2mm 0.02mm
1mm
＜ 4～8m3（可 1ms 扩展至14m3）
3
三维位置跟踪器类型
典型输入输出装置：
➢三维跟踪传感设备 ➢立体鼠标 ➢传感手套 ➢数据衣 ➢立体显示器 ➢触觉和力觉反馈装置 ➢3-D声音生成器
1、三维位置跟踪器
跟踪器的作用：
获得移动对象的位置和方向信息；
应用：
航行、导弹、CG艺术、交通、 GPS等
VR：
高精度、快速、测量范围小
跟踪器：跟踪身体
身体跟踪：VR系统感知参与者位置和动作； ✓身体姿态与手势； ✓跟踪头部：头的朝向，影响绘制场景 ✓手和手指：手提供了与世界交互的方法
注意：
延迟的原因在于：跟踪器对移动对象的运 动总是滞后的。
系统延迟＝测量延迟＋通信延迟＋绘制与 显示延迟
导致HMD的运动与用户看到的虚拟场景的 运动之间有很大的时间迟滞
对于使用者来说，一方面沉浸感降低，另 一方面导致“仿真病”。
降低延迟的方法：
1.同步锁相：让跟踪器和通信的周期 与显示的周期同步。
2.使用高速通信线路 3.提高跟踪器的采样率（更新率）
跟踪器的性能参数－更新率
跟踪器的更新率 指跟踪器每秒
钟报告的测量数 据集的次数
3种常用跟踪技术的主要性能指标
跟踪器 类型
分辨率
精度 延迟
电磁波 1mm 3mm 50m 0.03mm 0.1mm s
超声波 10mm 0.5mm
依空气 密度变
跟踪器的性能参数－偏差
跟踪器的偏差 指跟踪器随着
时间的推移而积 累的误差。
注意：
偏差的根源在于跟踪器的不准确性
偏差与时间相关，时间越长，积累的偏差 越大
校正：使用另一个无偏差的跟踪器周期性 的对当前的跟踪器进行零位调整。
跟踪器的性能参数－延迟
跟踪器的延迟 指对象的位置
或方向的变化与 跟踪器检测到这 种变化之间的时 间差
➢第一章 虚拟现实技术概述
➢虚拟现实定义（一）：
✓由交互式计算机仿真组成的一种媒体，能 够感知参与者的位置和动作，替代或增强 一种或多种感觉反馈，从而产生一种精神 沉浸或出现在仿真环境（虚拟世界）中的 感觉。
虚拟现实定义（二）：
✓采用以计算机技术为核心的现代高科技 手段生成逼真的视觉、听觉、触觉、嗅 觉、味觉等一体化的虚拟环境，用户从 自己的视点出发，借助特殊的输入输出 设备，采用自然的方式与虚拟世界的物 体进行交互，相互影响。
虚拟现实系统——“ 3 I ”图 Immersion-
Interaction-Imagination
Immersion
Interaction
Imagination
四类虚拟现实系统
桌面式虚拟现实系统
沉浸式虚拟现实系统
1. 基于头盔式显示器的系统 2. 投影式虚拟现实系统 3. 远程存在系统（遥在系统）
VR硬件的系统集成
➢ VR系统需要：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。
➢计算机系统的功能：
✓ 保障虚拟三维场景的实时计算和显示，尽量减少 延迟；
✓ 协调各种I/O交互设备之间的工作，确保系统整体 运行的性能。
➢PC机、工作站和超级计算机等
VR系统平台——VIEW（Virtual Interface Environment Workstation）
输入输出设备
必要性：
➢交互性——VR基本特性 特殊的人机接口与外部设备是实现人机交 互的必要手段
➢商品化，不成原型
终极目标：
能满足快速、自然的交互
如：
➢身体运动——3-D位置跟踪器； ➢手势——传感手套； ➢视觉反馈——立体显示器； ➢虚拟声音——3-D声音生成器； ➢观察方向——跟踪球和操纵杆。
✓眼睛：眼睛的注视方向 ✓躯干：躯干的方向 ✓脚：确定漫游速度和方向 ✓其它身体部位：体温、心率等 ✓间接跟踪：使用物理对象而不是身体部位
来估计参与者的位置；
跟踪器跟踪物体的移动：
➢3-D空间中移动物体的参数：
在移动物体上捆绑一个笛卡尔坐标系，则对象有： ✓三个平移参数：沿X，Y，Z轴移动； ✓三个旋转参数：沿X，Y，Z轴旋转，称为“yaw”，
“pitch”，“roll”；
➢六个运动方向相互正交，构成六个独立变量： x，y，z，水平角，俯仰角，偏转角，被称为 6自由度（Degree of Freedom，DOM）
不良跟踪器的后果
➢不良跟踪器即定位误差较大的跟踪器 ➢定位误差：跟踪对象出现在不该出现的位
置上；体验与经验相违背； ➢定位误差将给用户造成一种类似于运动病
的症状，如眩晕、晕船感、视觉混乱、身 体乏力等；
➢衡量跟踪器性能的参数
✓精度 ✓抖动 ✓偏差 ✓延迟 ✓更新率
跟踪器的性能参数－精度
跟踪器的精度
指对象真实的 三维位置与跟踪 器测量出的三维 位置值之间的差 值
注意：
差值↓ 跟踪器的精度↑ 跟踪器越精确
精度的单位：毫米，度
精度随着与坐标原点的距离的增加而降低
精度与分辨率不同：一个是表征测得的位 置与真实位置的差值，一个是可测得的被跟 踪对象的最小的三维位置变化
跟踪器的性能参数－抖动
跟踪器的抖动 指当被跟踪对
象固定不变时， 跟踪器输出结果 的变化。
注意：
理想情况下，抖动应该为零，测得的位置 为固定值 抖动不是一个常数，受周围环境的影响 严重的抖动会导致虚拟对象振动和跳动
VIEW 系统 组成
➢ VIEW:一组由计算机控制的I/O子系统
✓提供虚拟环境所需的各种感觉通道的识别和控制功 能
✓HP公司的HP900／835 ✓SGI的图形计算机或HPSRX图形系统——图形处理 ✓Plohemus空间跟踪系统——跟踪手部位置 ✓LEEP广角立体视景头戴显示器和单色液晶显示器 ✓麦克风——语音识别 ✓两个耳机——三维声音跟踪 ✓VPL数据手套——识别使用者手势控制系统的行为 ✓BOOM CRT显示器及Fake Space远程摄像系统