人机交互基础教程第3章

◦ 等离子显示器诞生于二十世纪60年代，它采用等离子管作 为发光材料，1个等离子管负责一个像素的显示：等离子 管内的氖氙混合气体在高压电极的刺激下产生紫外线，紫 外线照射涂有三色荧光粉的玻璃板，荧光粉受激发出可见 光。
优点：重量较轻、完全无X射线辐射，而且屏幕亮度非常均匀 ，不存在明显的亮区和暗区；由于各个发光单元的结构完全 相同，因此不会出现CRT显示器那样存在某些区域聚焦不良 或因使用时间过长出现散焦的毛病。 缺点：由于显示屏上的玻璃较薄使屏幕较脆弱，大部分的等 离子显示器都比较费电。
◦ 接触式的三维扫描仪采用探测头直接接触物体表面，通过 探测头反馈回来的光电信号转换为物体表面形状的数字信 息。该类设备主要以三维坐标测量机为代表。
其优点是具有较高的准确性和可靠性，但也存在测量速度慢 、费用较高、探头易磨损以及误差修正等缺点。
◦ 非接触式的三维扫描仪，主要有三维激光扫描仪，照相式 三维扫描仪等，分别是基于激光扫描测量和结构光扫描测 量等技术设计的。
◦ 显卡 ◦ 根据CPU提供的指令和有关数据进行相应的处理，并把处 理结果传换成显示器能够接受的文字和图形显示信号，通 过屏幕显示出来。 ◦ GPU是显卡的核心，显卡的性能基本上取决于图形处理芯 片的技术类型和性能。GPU减少了对CPU的依赖，并进行 部分原本CPU的工作，尤其在3D图形处理时。 ◦ 显存的用途主要是来保存由图形芯片处理好的各帧图形显 示数据。所以显存也被称为帧缓存，它的大小之间影响显 卡可以显示的颜色多少和可以支持的最高分辨率。


人体工程学键盘（英文名称：Natural Keyboard ）是在标准键盘上将指法规定的左手键区和右手键 区这两大板块左右分开，并形成一定角度，使操作 者不必有意识的夹紧双臂，保持一种比较自然的形 态。 这种设计的键盘被微软公司命名为自然键盘，对于 习惯盲打的用户可以有效的减少左右手键区的误击 率。


电磁压感式 电磁式手写板是通过在手写板下方的布线电路通电 后，在一定空间范围内形成电磁场，来感应带有线 圈的笔尖的位置进行工作。


电容触控式 电容式手写板的工作原理是通过人体的电容来感知 手指的位置，即当使用者的手指接触到触控板的瞬 间，就在板的表面产生了一个电容，在触控板表面 的传感矩阵持续不断地跟踪着使用者手指电容的“轨 迹”。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图像输入设备
◦ 二维扫描仪可以快速地实现图像输入，且经过对图像的分 析与识别，可以得到文字、图形等内容；

扫描仪的工作原理如下： 自然界的每一种物体都会吸收特 定的光波，而没被吸收的光波就会反射出去。扫描仪就是利 用上述原理来完成对稿件的读取的。


扫描仪工作时发出的强光照射在稿件上，没有被吸收的光线 将被反射到光学感应器上。光感应器接收到这些信号后，将 这些信号传送到模数（A/D）转换器，模数转换器再将其转 换成计算机能读取的信号，然后通过驱动程序转换成显示器 上能看到的正确图像。 配合光学字符识别软件OCR（Optic Character Recognize ）还能将扫描的文稿转换成计算机的文本形式。


TN： 扭曲向列型（Twisted Nematic）液晶分子扭曲角度 为90度。 TN型是目前市场上最主流的液晶显示器采用的模式，广泛 应用于入门级和中端的面板。价格便宜，可视角度不理想和 色彩表现不真实又是明显的劣势。

IPS：平面转换（In-Plane Switching）。它是日立 于2001推出的面板技术，它也被俗称为 “Super TFT”。从技术角度看，传统LCD显示器的液晶分 子一般都在垂直-平行状态间切换，而IPS 技术与上 述技术最大的差异就在于，不管在何种状态下液晶 分子始终都与屏幕平行。

电磁式设备
◦ 将若干低频磁场感应器安装在捕捉物体上，根据感应器接 收到的磁场，可以计算出接收器相对于发射器的位置和方 向。但其由于易受电磁干扰影响到了捕捉数据的精度和稳 定性，对于作业场地的要求也非常严格。

光学式运动捕捉
◦ 利用计算机视觉原理。从理论上说，对于空间中的一个点 ，只要它能同时为两部摄相机所见，则根据同一时刻两部 摄相机所拍摄的图像和对应参数，就可以确定这一时刻该 点在空间的位置。摄相机以足够高的速率连续拍摄时，从 图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。光学式运动捕捉 便是利用这一点通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完 成运动捕捉的任务。

显示器
◦ 显示器是计算机的重要输出设备，是人机对话的重要工具 。它的主要功能是接收主机发出的信息，经过一系列的变 换，最后以光的形式将文字和图形显示出来。 ◦ 阴极射线管显示器、液晶显示器和等离子显示器

构成：由阴极、电平控制器（即控制极）、聚焦系 统、加速系统、偏转系统和阳极荧光粉涂层组成， 这六部分都在真空管内。其中，阴极、电平控制器 （即控制极）、聚焦系统、加速系统等统称为电子 枪。
第3章 交互设备
重点大学计算机专业系列教材

输入设备 输出设备 虚拟现实交互设备

文本输入设备
◦ 键盘输入是最常见、最主要的文本输入方式。

QWERTY键盘，又称柯蒂键盘、全键盘，是目前最为广泛 使用的键盘布局方式，由克里斯托夫· 拉森· 肖尔斯（ Christopher Latham Sholes）发明。


当显像管内部的电子枪阴极发出的电子束，经强度 控制、聚焦和加速后变成细小的电子流，再经过偏 转线圈的作用向正确目标偏离，穿越荫罩的小孔或 栅栏，轰击到荧光屏上的荧光粉发出光线。 彩色CRT光栅扫描显示器有三个电子枪，它的荧光 屏上涂有三种荧光物质，分别能发红、绿、蓝三种 颜色的光。
◦ 在充电条件下，液晶能改变分子排列，继而造成光线的扭 曲或折射。 ◦ 液晶显示器工作原理是通过能阻塞或传递光的液晶材料， 传递来自周围的或内部光源的偏振光。以电流刺激液晶分 子产生点、线、面配合背部灯管构成画面。 ◦ LCD比CRT显示器具有更好的图像清晰度，画面稳定性和 更低的功率消耗。 ◦ 根据液晶分子的排布方式，常见的液晶显示器分为：窄视 角的TN-LCD，宽视角的IPS,VA,FFS等。


机械键盘采用类似金属接触式开关，工作原理是使 触点导通或断开，具有耐用、噪音大、易维护的特 点。




依据键盘的工作原理，可以分为：编码键盘和非编 码键盘。 编码键盘：控制功能依靠硬件自动完成，自动将所 按下的按键的编码信息送入计算机。 非编码键盘：控制电路功能要依靠硬件和软件共同 完成。 非编码键盘的键盘处理程序有查询、传送、译码三 部分组成。


肖尔斯造出打字机后，发现打字员击键时老是出故障。为 了解决这个难题，肖尔斯跑去请他的妹夫——一名数学家 兼学校教师帮忙。他妹夫提出了一个解决方案：在键盘上 把那些常用的连在一起的字母分开，这样击键的速度就会 稍稍减慢，也就减少了故障的发生。 肖尔斯很乐意地采纳了他妹夫的建议，将字母按一种奇怪 的QWERTY顺序排列。为了避免发生故障而不得不将字母 杂乱无章地进行排列，告诉公众这一事实或许会让肖尔斯 觉得尴尬。于是，他巧妙地耍了一个花招，说这样排列是 最科学的，可以加快人们的打字速度。
◦ CUDA（Compute Unified Device Architecture，统一 计算设备架构） ◦ 随着显卡的发展，GPU越来越强大，而且GPU为显示图像 做了优化。在计算上已经超越了通用的CPU。如此强大的 芯片只做显卡太浪费了，因此NVIDIA推出了CUDA，让显 卡可以用于图像计算以外的目的。 ◦ 这个架构可以使用GPU来解决商业、工业以及科学方面的 复杂计算问题。
◦ 在许多领域，如机器视觉、面形检测、实物仿形、自动加 工、产品质量控制、生物医学等，物体的三维信息必不可 少的。
三维扫描仪是实现三维信息数字化的一种极为有效的工具。 动作捕捉设备则用于捕捉用户的肢体甚至是表情动作，生成 运动模型。在影视、动漫制作中已被大量应用。

根据传感方式的不同，三维扫描仪主要分为接触式 和非接触式两种。
◦ 摄像头是捕捉动态场景最常用的工具。 ◦ 摄像头可分为数字摄像头和模拟摄像头两大类。数字摄像 头可以将视频采集设备产生的模拟视频信号转换成数字信 号，进而将其储存在计算机里。模拟摄像头捕捉到的视频 信号必须经过特定的视频捕捉卡将模拟信号转换成数字模 式，并加以压缩后才可以转换到计算机上运用。数字摄像 头可以直接捕捉影像，然后通过串、并口或者USB接口传 到计算机里。
这类设备的优点是扫描速度快，易于操作，且由于不需接触 被测量的物体，所以对物体表面损伤少等。

机械式、电磁式、光学式捕捉设备

机械式动作捕捉设备
◦ 利用可伸缩的机械结构安装于捕捉物体上，以取得各部分 的运动量。 ◦ 优点是成本低廉，但这种方式限制了运动物体的自由运动 ，且由于机械设备的尺寸、重量等问题，因而限制了其应 用范围。
◦ 显卡有独立显卡和集成显卡的区别。 ◦ 集成显卡将显示芯片、显存及其相关电路都做在主板上， 与主板融为一体，其功耗低发热量小，但显示性能较弱。 ◦ 独立显卡是将显示芯片、显存及其相关电路单独做在一块 电路板上。 ◦ 无论是NVIDIA还是ATI，目前均可用自己最新的集成显卡 和独立显卡进行混合并行使用。
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控制杆 控制杆的历史很长，始于汽车和飞行器的控制装置。 游戏杆是较为常见的控制杆。 有些笔记本键盘中央也有灵活小巧的指点杆。



触摸板 是一种在平滑的触控板上，利用手指的滑动操作来 移动光标的输入装置。当使用者的手指接近触摸板 时会使电容量改变，触摸板自身会检测出电容改变 量，转换成坐标。 其优点在于使用范围较广，全内置、超轻薄笔记本 均适用，而且耗电量少；因为它是无移动式机构件 ，使用时可以保证耐久与可靠。 同电容式手写板相比，触摸板不能感知压力等级。



安迪· 瑟金斯（Andy Serkis），1964年4月20日 出生于英国伦敦，英国演员、导演。 代表作品:《指环王》《猩球崛起》《金刚》《丁丁 历险记》 “表演捕捉第一人”

指点输入设备
◦ 指点设备常用于完成一些定位和选择物体的交互任务。 物体可能处于一维、二维、三维或更高维的空间中，而 选择与定位的方式可以是直接选择，或通过操作屏幕上 的光标来完成。
鼠标 光笔 控制杆 触摸板 触摸屏
◦ 鼠标
◦ 鼠标 ◦ 串口就是串行接口，即COM接口。这是最古老的鼠标接口 ，是一种9针或25针的D型接口，将鼠标接到电脑主机串 口上就能使用。 ◦ PS/2接口是1987年IBM公司推出的鼠标接口，俗称“小 口”。这是一种鼠标和键盘的专用接口，是一种6针的圆 型接口。

从社会科学、认知科学的角度来看，手写输入更符 合人的认知习惯，是一种自然高效的交互方式。常 见的有手写液晶屏、手写板。


电阻压力式 阻式手写板是由一层可变形的电阻薄膜和一层固定 的电阻薄膜构成，中间由空气隔离。其工作原理是: 当用笔或手指接触手写板时，上层电阻受压变形并 与下层电阻接触，下层电阻薄膜就能感应出笔或手 指的位置。

依据键盘的按键结构可以分为：薄膜式键盘和机械键盘。 薄膜式键盘内部共分三层，实现了无机械磨损。其特点是低 价格、低噪音和低成本，已占领市场绝大部分份额。 除了上下盖、键帽之外，拆开键盘之后，还会看到橡胶帽( 但事实上现在大都是用硅胶制成)、以及三片薄膜、电路板 。 薄膜式键盘的原理相当简单，三片薄膜中，最上方为正极电 路，最下方为负极电路，而中间为不导电的塑料片。接着在 上方放按压模块(通常包括键帽、键帽下方活动模块，以及 橡胶帽)，当手指从键帽压下时，上方与下方薄膜就会接触 通电，即完成导通。


感光芯片是组成数码摄像头的重要组成部分，根据 元件不同分为： CCD（电荷耦合元件），一般是用于摄影摄像方面 的高端技术元件，应用技术成熟，成像效果较好， 但是价格相对而言较贵。 CMOS（金属氧化物半导体元件）应用于较低影像 品质的产品中。它相对于CCD来说价格低，功耗小 。

三维信息输入设备