虚拟现实技术基础与应用课件-第2章 虚拟现实系统的硬件设备
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3．运动捕捉系统 典型的运动捕捉设备一般由三部分组成。 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。
38
3．运动捕捉系统
8
2.2 虚拟现实交互设备
虚拟现实建立了一个虚拟的世界，处于虚拟世界中的人与系统之间相 互作用、相互影响，要产生虚拟现实的沉浸感，常见的键盘、鼠标等交互 设备就不能完全满足需要了，必须要有相应的交互设备支持。目前虚拟现 实交互设备根据功能的不同，可以分为视觉显示设备、听觉感知设备、虚 拟物体操作设备、运动捕捉设备等。
2. 叙述立体显示设备哪些？其特点如何？
3. 简述听觉感知设备的原理
4. 叙述听觉感知设备有哪些？各有什么特点？
5. 叙述虚拟物体操作设备有哪些？各有什么特点？
6. 叙述运动捕捉设备有哪些？各有什么特点？
41
41
19
2.2.3 虚拟物体操作设备 （1）数据手套
20
（2） 力矩球 力矩球（空间球Space Ball）是一种可提供为6自由度的外部输入设备，6自由度是指宽度、 高度、深度、俯仰角、转动角和偏转角，可以扭转、挤压、拉伸以及来回摇摆，用来控制虚 拟场景做自由漫游，或者控制场景中虚拟物体的空间位置机器方向。
26
1．力反馈鼠标
力反馈鼠标Wingman
27
2.3.3 力反馈设备
2．力反馈操纵杆
28
3．力反馈手柄 力反馈手柄是较简单的力反馈设备。它只有三个自由
度，功能有限。为了增加仿真的灵活性，力反馈手臂的仿 真接口有一定的改进。
29
3．力反馈手柄
(a) 手臂反馈运动机构
(b) 系统配置图
力反馈手臂装置示意图
SGI Altix 3000
6 曙光TC1700服务器
1.3 高度并行的计算机
联想成功研制的“深腾7000”
天河一号”超级计算机 7
1.4 分布式网络计算机
分布式虚拟环境是指它驻留在两台或两台以上的网络计算机上， 这些计算机共享整个仿真的计算负载。如果在分布式虚拟环境中的 两个(或多个)用户称为合作，是指他们依次执行给定的仿真任务， 在某一时刻只有一个用户与给定的虚拟对象交互。反之，用户协作 指的是他们同时与给定的虚拟对象交互。
15
裸体立体显示系统
裸体立体显示系统：显示技术结合双眼的视觉差和图片三维的原理，自动生成两幅图片，一副给左眼看，另一幅 给右眼看，使人的双眼产生视觉差异。由于双眼观看液晶的角度不同，因此不用戴上立体眼镜就可以看到立体的图 像。
立体液晶显示器
16
美国DTI公司首先推出的15英寸 2015XLS 3D液晶显示器, 采用了一种被 称为视差照明（parallax illumination） 的开关液晶技术实现了裸体立体显示效 果。
光学式运动捕捉的应用
40
一、填空题
1.虚拟现实的硬件设备主要包括虚拟现实的（ ）和支持虚拟现实（ ）
两大部分
2.根据CPU的速度和图形处理能力，虚拟现实的生成设备可分为（ ）、
（ ）、（ ）和（ ）。
3.目前虚拟现实交互设备根据功能的不同，可以分为（ ）、（ ）、
（ ）和（ ）等。
二、简答题
1. 简述立体显示设备的原理。
23
2．振动式触觉反馈装置
记忆合金触觉反馈装置
24
2．振动式触觉反馈装置
记忆合金触觉反馈装置
25
力反馈设备
力反馈设备是运用先进的技术手段跟踪用户身体的运动，将其在虚拟物体的空间运动转换成 对周边物理设备的机械运动，并施加力给用户，使用户能够体验到真实的力度感和方向感，给用 户提供一个立即的，高逼真的，可信的真实交互。在实际应用中常见的力反馈设备有力反馈鼠标、 力反馈操纵杆、力反馈手臂以及力反馈手套。
*
2
1.1 高性能个人计算机
高性能个人计算机系统结构图
高性能个人计算机的核心部分是计算机的图形加速卡。为了加快图 形处理的速度，系统可配置多个图形加速卡。
3
1.2 高性能图形工作站 工作站是仅次于PC机的用的最多的计算设备。比PC机相比，工
作站的优点是有更强的计算能力，更大的磁盘空间和更快的通讯方 式。工作站主要用于通用计算而不是虚拟现实。随着虚拟现实的不 断成熟，主要的工作站制造厂家逐渐开发用高端图形加速器来实现 现有的模型。Sun和SGI公司采用的一种途径是用虚拟现实工具改进 现有的工作站，像基于PC的系统那样。Division Ltd.采用的另一个 途径是设计虚拟现实专用的"总承包"系统，如Provision 100。这是 基于工作站的虚拟现实机器的两种发展途径。
34
3．运动捕捉系统
基于运动捕捉的角色动画制作
35
3．运动捕捉系统
运动捕捉系统
36
3．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。
37
2.4.8 常见的三维位置跟踪设备
13
视觉感知设备 （3） 基于CRT的头盔显示器
基于CRT的头盔产品
14
（4）大屏幕投影-液晶光闸眼镜 大屏幕投影-液晶光闸眼镜立体视觉系统原理和CRT显示一样只是将分时图像CRT显示 改为大屏幕显示，用于投影的CRT或者数字投影机要求极高的亮度和分辨率，它适合 在较大的使用内产生投影图像的应用需求。 洞穴式VR系统就是一种基于投影的环绕屏幕的洞穴自动化虚拟环境CAVE（Cave Automatic Virtual Environment）。
典型的运动捕捉设备一般由三部分组成。 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。
39
3．运动捕捉系统
(a) 身体运动捕捉
(b) 面部表情运动捕捉
裸体立体显示系统
17
2.2.2 听觉感知设备
听觉感知设备主要有耳机和扬声器两种。 （1）耳机
18
2．听觉感知设备 （2）扬声器 又称“喇叭”。是一种十分常用的电声转换器件，它是一种
位置固定的听觉感知设备。大多数情况下能很好地用于给一组人 提供声音，但也可以在基于头部的视觉现实设备中使用扬声器。
4
1.2 高性能图形工作站
Biblioteka Baidu
(a) Sun Blade 2500
(b) Sun Blade 2000
Sun工作站
5
1.3 高度并行的计算机 计算机界的研究重心是并行计算。所以各个工作站厂商都在发展
高度并行的虚拟现实机器，以便提高计算能力。
目前高性能并行计算机的体系结构较多，集群和巨型机主机就是 并行计算机。
9
视觉感知设备
1. 头盔显示器(Head——Mounted Display,HMD)
人从外界获取信息有80%以上来自于视觉，视觉感知设备是最常 见的，也是最成熟的。
10
视觉感知设备
1. 头盔显示器(Head——Mounted Display,HMD)
在头盔中LEEP光学系统实现立体视觉的基本原理： （a）为单眼视觉的原理，图中可见虚像比屏幕离开眼睛更远。 （b）为立体视觉的原理。图中的一个目标点，在两个屏幕上的 像素分别为A1和A2。它们在屏幕上的位置之差，就是立体视差。 这两个像素的虚像分别为B1和B2。双目视觉的融合，人就感到 这个目标点在C点，就是感觉的点。
11
2.1.2 视觉感知设备
1. 头盔显示器(Head——Mounted Display,HMD) 示 各
（1） 基于LCD的头盔显示器
器种 类
型
的
LED
头 盔 显
12
（2） 双目全方位显示器 双目全方位显示器（Binocular Omni-Orientation Monitor， BOOM）是种可移动式显示器，是一种特殊的头部显示设备。使 用BOOM比较类似使用一个望远镜，它把两个独立的CRT显示器 捆绑在一起，由两个相互垂直的机械臂支撑称，这不仅让用户可 以在半径2m的球面空间内用手自由操纵显示器的位置，还能将 显示器的重量加以巧妙的平衡而使之始终保持水平，不受平台的 运动影响。在支撑臂上的每个节点处都有位置跟踪器，因此 BOOM和HMD一样有实时的观测和交互能力。
30
3．力反馈手柄
31
4．力反馈手套
CyberGrasp手套
32
4．力反馈手套
CyberGrasp的工作外观
33
2.2.4 运动捕捉系统
运动捕捉技术的工作原理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。所以，运动捕捉技术作为三维动 画主流制作工具，在国外已得到业内的认可和应用。通常借助 该技术，动画师们模拟真实感较强的动画角色，并与实拍中演 员的大小比例相匹配，然后借助运动捕捉系统来捕捉表演中演 员的每一细微动作和表情变化，并真实地还原在角色动画上。
21
（3）操纵杆 操纵杆是一种可以提供前后左右上下留个自由度及手指按钮的外部输 入设备。如图所示，适合对虚拟飞行等的操作。由于操纵杆采用全数字 化设计，随意其精度非常高。无论操作速度多快，它都能快速做出相应 。
22
触觉反馈设备
充气式触觉反馈装置的工作原理是在数据手套中配置一些微小的气泡， 每一个气泡都有两条很细的进气和出气管道，所有气泡的进/出气管汇总在一 起与控制器中的微型压缩泵相连接。根据需要采用压缩泵对气泡来充气和排 气。充气时，微型压缩泵迅速加压，使气泡膨胀而压迫刺激皮肤达到触觉反 馈的目的。
虚拟现实技术基础 与应用
1
2.1 虚拟现实的生成设备
虚拟现实的生成设备主要是指创建虚拟场景、实时响应用户各种操作的计 算机设备。计算机是虚拟现实系统的心脏，也称之为虚拟世界的发动机。 虚拟现实系统的性能优劣很大程度上取决于计算机设备的性能，由于虚拟 世界本身的复杂性及实时性计算的要求，产生虚拟环境的计算量极为巨大， 这就对计算设备的配置提出了极高的要求，最主要的要求就是计算机必须 具备高速的CPU和强有力的图形处理能力。 根据CPU的速度和图形处理能力，虚拟现实的生成设备可分为高性能个人 计算机、图形工作站、巨型机和分布式网络计算机。
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。
38
3．运动捕捉系统
8
2.2 虚拟现实交互设备
虚拟现实建立了一个虚拟的世界，处于虚拟世界中的人与系统之间相 互作用、相互影响，要产生虚拟现实的沉浸感，常见的键盘、鼠标等交互 设备就不能完全满足需要了，必须要有相应的交互设备支持。目前虚拟现 实交互设备根据功能的不同，可以分为视觉显示设备、听觉感知设备、虚 拟物体操作设备、运动捕捉设备等。
2. 叙述立体显示设备哪些？其特点如何？
3. 简述听觉感知设备的原理
4. 叙述听觉感知设备有哪些？各有什么特点？
5. 叙述虚拟物体操作设备有哪些？各有什么特点？
6. 叙述运动捕捉设备有哪些？各有什么特点？
41
41
19
2.2.3 虚拟物体操作设备 （1）数据手套
20
（2） 力矩球 力矩球（空间球Space Ball）是一种可提供为6自由度的外部输入设备，6自由度是指宽度、 高度、深度、俯仰角、转动角和偏转角，可以扭转、挤压、拉伸以及来回摇摆，用来控制虚 拟场景做自由漫游，或者控制场景中虚拟物体的空间位置机器方向。
26
1．力反馈鼠标
力反馈鼠标Wingman
27
2.3.3 力反馈设备
2．力反馈操纵杆
28
3．力反馈手柄 力反馈手柄是较简单的力反馈设备。它只有三个自由
度，功能有限。为了增加仿真的灵活性，力反馈手臂的仿 真接口有一定的改进。
29
3．力反馈手柄
(a) 手臂反馈运动机构
(b) 系统配置图
力反馈手臂装置示意图
SGI Altix 3000
6 曙光TC1700服务器
1.3 高度并行的计算机
联想成功研制的“深腾7000”
天河一号”超级计算机 7
1.4 分布式网络计算机
分布式虚拟环境是指它驻留在两台或两台以上的网络计算机上， 这些计算机共享整个仿真的计算负载。如果在分布式虚拟环境中的 两个(或多个)用户称为合作，是指他们依次执行给定的仿真任务， 在某一时刻只有一个用户与给定的虚拟对象交互。反之，用户协作 指的是他们同时与给定的虚拟对象交互。
15
裸体立体显示系统
裸体立体显示系统：显示技术结合双眼的视觉差和图片三维的原理，自动生成两幅图片，一副给左眼看，另一幅 给右眼看，使人的双眼产生视觉差异。由于双眼观看液晶的角度不同，因此不用戴上立体眼镜就可以看到立体的图 像。
立体液晶显示器
16
美国DTI公司首先推出的15英寸 2015XLS 3D液晶显示器, 采用了一种被 称为视差照明（parallax illumination） 的开关液晶技术实现了裸体立体显示效 果。
光学式运动捕捉的应用
40
一、填空题
1.虚拟现实的硬件设备主要包括虚拟现实的（ ）和支持虚拟现实（ ）
两大部分
2.根据CPU的速度和图形处理能力，虚拟现实的生成设备可分为（ ）、
（ ）、（ ）和（ ）。
3.目前虚拟现实交互设备根据功能的不同，可以分为（ ）、（ ）、
（ ）和（ ）等。
二、简答题
1. 简述立体显示设备的原理。
23
2．振动式触觉反馈装置
记忆合金触觉反馈装置
24
2．振动式触觉反馈装置
记忆合金触觉反馈装置
25
力反馈设备
力反馈设备是运用先进的技术手段跟踪用户身体的运动，将其在虚拟物体的空间运动转换成 对周边物理设备的机械运动，并施加力给用户，使用户能够体验到真实的力度感和方向感，给用 户提供一个立即的，高逼真的，可信的真实交互。在实际应用中常见的力反馈设备有力反馈鼠标、 力反馈操纵杆、力反馈手臂以及力反馈手套。
*
2
1.1 高性能个人计算机
高性能个人计算机系统结构图
高性能个人计算机的核心部分是计算机的图形加速卡。为了加快图 形处理的速度，系统可配置多个图形加速卡。
3
1.2 高性能图形工作站 工作站是仅次于PC机的用的最多的计算设备。比PC机相比，工
作站的优点是有更强的计算能力，更大的磁盘空间和更快的通讯方 式。工作站主要用于通用计算而不是虚拟现实。随着虚拟现实的不 断成熟，主要的工作站制造厂家逐渐开发用高端图形加速器来实现 现有的模型。Sun和SGI公司采用的一种途径是用虚拟现实工具改进 现有的工作站，像基于PC的系统那样。Division Ltd.采用的另一个 途径是设计虚拟现实专用的"总承包"系统，如Provision 100。这是 基于工作站的虚拟现实机器的两种发展途径。
34
3．运动捕捉系统
基于运动捕捉的角色动画制作
35
3．运动捕捉系统
运动捕捉系统
36
3．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。
37
2.4.8 常见的三维位置跟踪设备
13
视觉感知设备 （3） 基于CRT的头盔显示器
基于CRT的头盔产品
14
（4）大屏幕投影-液晶光闸眼镜 大屏幕投影-液晶光闸眼镜立体视觉系统原理和CRT显示一样只是将分时图像CRT显示 改为大屏幕显示，用于投影的CRT或者数字投影机要求极高的亮度和分辨率，它适合 在较大的使用内产生投影图像的应用需求。 洞穴式VR系统就是一种基于投影的环绕屏幕的洞穴自动化虚拟环境CAVE（Cave Automatic Virtual Environment）。
典型的运动捕捉设备一般由三部分组成。 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。
39
3．运动捕捉系统
(a) 身体运动捕捉
(b) 面部表情运动捕捉
裸体立体显示系统
17
2.2.2 听觉感知设备
听觉感知设备主要有耳机和扬声器两种。 （1）耳机
18
2．听觉感知设备 （2）扬声器 又称“喇叭”。是一种十分常用的电声转换器件，它是一种
位置固定的听觉感知设备。大多数情况下能很好地用于给一组人 提供声音，但也可以在基于头部的视觉现实设备中使用扬声器。
4
1.2 高性能图形工作站
Biblioteka Baidu
(a) Sun Blade 2500
(b) Sun Blade 2000
Sun工作站
5
1.3 高度并行的计算机 计算机界的研究重心是并行计算。所以各个工作站厂商都在发展
高度并行的虚拟现实机器，以便提高计算能力。
目前高性能并行计算机的体系结构较多，集群和巨型机主机就是 并行计算机。
9
视觉感知设备
1. 头盔显示器(Head——Mounted Display,HMD)
人从外界获取信息有80%以上来自于视觉，视觉感知设备是最常 见的，也是最成熟的。
10
视觉感知设备
1. 头盔显示器(Head——Mounted Display,HMD)
在头盔中LEEP光学系统实现立体视觉的基本原理： （a）为单眼视觉的原理，图中可见虚像比屏幕离开眼睛更远。 （b）为立体视觉的原理。图中的一个目标点，在两个屏幕上的 像素分别为A1和A2。它们在屏幕上的位置之差，就是立体视差。 这两个像素的虚像分别为B1和B2。双目视觉的融合，人就感到 这个目标点在C点，就是感觉的点。
11
2.1.2 视觉感知设备
1. 头盔显示器(Head——Mounted Display,HMD) 示 各
（1） 基于LCD的头盔显示器
器种 类
型
的
LED
头 盔 显
12
（2） 双目全方位显示器 双目全方位显示器（Binocular Omni-Orientation Monitor， BOOM）是种可移动式显示器，是一种特殊的头部显示设备。使 用BOOM比较类似使用一个望远镜，它把两个独立的CRT显示器 捆绑在一起，由两个相互垂直的机械臂支撑称，这不仅让用户可 以在半径2m的球面空间内用手自由操纵显示器的位置，还能将 显示器的重量加以巧妙的平衡而使之始终保持水平，不受平台的 运动影响。在支撑臂上的每个节点处都有位置跟踪器，因此 BOOM和HMD一样有实时的观测和交互能力。
30
3．力反馈手柄
31
4．力反馈手套
CyberGrasp手套
32
4．力反馈手套
CyberGrasp的工作外观
33
2.2.4 运动捕捉系统
运动捕捉技术的工作原理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。所以，运动捕捉技术作为三维动 画主流制作工具，在国外已得到业内的认可和应用。通常借助 该技术，动画师们模拟真实感较强的动画角色，并与实拍中演 员的大小比例相匹配，然后借助运动捕捉系统来捕捉表演中演 员的每一细微动作和表情变化，并真实地还原在角色动画上。
21
（3）操纵杆 操纵杆是一种可以提供前后左右上下留个自由度及手指按钮的外部输 入设备。如图所示，适合对虚拟飞行等的操作。由于操纵杆采用全数字 化设计，随意其精度非常高。无论操作速度多快，它都能快速做出相应 。
22
触觉反馈设备
充气式触觉反馈装置的工作原理是在数据手套中配置一些微小的气泡， 每一个气泡都有两条很细的进气和出气管道，所有气泡的进/出气管汇总在一 起与控制器中的微型压缩泵相连接。根据需要采用压缩泵对气泡来充气和排 气。充气时，微型压缩泵迅速加压，使气泡膨胀而压迫刺激皮肤达到触觉反 馈的目的。
虚拟现实技术基础 与应用
1
2.1 虚拟现实的生成设备
虚拟现实的生成设备主要是指创建虚拟场景、实时响应用户各种操作的计 算机设备。计算机是虚拟现实系统的心脏，也称之为虚拟世界的发动机。 虚拟现实系统的性能优劣很大程度上取决于计算机设备的性能，由于虚拟 世界本身的复杂性及实时性计算的要求，产生虚拟环境的计算量极为巨大， 这就对计算设备的配置提出了极高的要求，最主要的要求就是计算机必须 具备高速的CPU和强有力的图形处理能力。 根据CPU的速度和图形处理能力，虚拟现实的生成设备可分为高性能个人 计算机、图形工作站、巨型机和分布式网络计算机。