虚拟现实的硬件与软件基础.pptx
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➢下面以VIEW（Virtual Interface Environment Workstation）为例，介绍 VR系统平台。
VIEW系统组成
VIEW由一组由计算机控制的I/O子系统组成：它以HP 公司的HP900／835为主，图形处理采用SGI公司的图形 计算机或HPSRX图形系统配备了Plohemus空间跟踪系 统来跟踪使用者手部的位置，配备了LEEP广角立体视景 头戴显示器和单色液晶显示器，双屏显示器的三维场景 由遥控摄像机获取，且视景可随着操作者的视线（头部 位姿）变化；头盔上有一个麦克风以便作语音识别，两 个耳机进行三维声音跟踪，Convolvotron三维音频输 出设备则使整个虚拟环境附有立体声音响；VPL数据手 套用于识别使用者手势控制系统的行为，使操作者能够 借助语音、手语（手指动作的组合姿态由数据手套 Dataglove形成）与环境交互；同时还配备了BOOM CRT显示器及Fake Space远程摄像系统。这些子系统分 别提供虚拟环境所需的各种感觉通道的识别和控制功能。 使用者“置身”于这样的VR环境，周围是预先定义好的 虚拟物体及三维空间的声响效果，从而为各类VR应用系 统的研发提供了一个方便。
例如 ：
身体运动由3-D位置跟踪器跟踪； 手势由传感手套数字化； 视觉反馈发送给立体显示器； 虚拟声音由3-D声音生成器计算； 观察方向随跟踪球和操纵杆改变等。
➢虚拟现实应用系统的特点：
具有灵活性、可移植性与实时交互的 特性。
➢本章内容：将描述一些虚拟现实硬件设
备及其软件，并分别讲述其功能、特征 以及当前的局限性。
第二章 虚拟现实的硬件与软件基础
2.1 概论
虚拟现实的硬件设备:
➢高性能计算机； ➢广角（宽视野）的立体显示设备； ➢观察者（头、眼）的跟踪设备； ➢人体姿势的跟踪设备； ➢立体声； ➢触觉、力觉反馈； ➢语音输入输出等。
交互性
是虚拟现实系统的首要特性。为了允许 人机交互，必须使用特殊的人机接口与外部 设备，既要允许用户将信息输入到计算机， 也要使计算机能反馈信息给用户。今天的VR 外部设备在功能和目的上各不相同。
➢计算机系统的功能：（1）要保障虚拟三维
场景的实时计算和显示，尽量减少延迟；(2) 另一方面还要协调各种I/O交互设备之间的工 作，以确保系统整体运行的性能。
➢目前虚拟现实的计算机系统可以是PC机、 工作站和超级计算机等，而且多数情况 下都采用多种机，并以各种方式连接。
➢ PC机和工作站的比较：
（1）PC机一般只能用于低档的VR系统，这主
常用电磁波跟踪器
多数电磁波跟踪器采用交流磁场（如Polhemus 的跟踪器），但也有的采用直流磁场（如 Ascension的跟踪器）
交变电磁跟踪系统对传感器或接收器附近的电磁 体较为敏感，它会因为周围环境中的金属或铁磁 性物质而产生涡旋电流和干扰性次磁场，从而导 致信号发生畸变，跟踪精度降低。
特点：性能适中，成本低廉，而且不会
❖三维交互设备的分类：根据传感渠道 以及在功能和目的上的不同，虚拟现 实系统的三维交互设备主要被分为三 维跟踪传感设备，立体显示设备、手 数字化设备、声音设备以及系统集成 设备等几大类。
➢虚拟现实技术是在三维空间中与人交互的技
术，为了能及时、准确地获取人的动作信息， 需要有各类高精度、高可靠的跟踪定位设备。
2.3.1 电磁波跟踪器
原理：它使用一个信号发 生器（3个正交线圈组） 产生低频电磁场，然后由 放置于接收器中的另外三 组正交线圈组负责接收， 通过获得的感生电流和磁 场场强的9个数据来计算 被跟踪物体的位置和方向 （如图）。
特点：体积小、价格便宜、用户运动自由，而且敏
感性不依赖于跟踪方位，但是其系统延迟较长，跟踪 范围小，且准确度容易受环境中大的金属物体或其他 磁场的影响。
要是因为与工作站和超级计算机相比，它的图 形和声音处理功能都是有限的。
（2）工作站专门用于虚拟现实系统中，它具
有多个处理器，以便进一步增强整体系统结构， 其中有的系统可以允许一百多个处理器同时运 行一个程序，从而使VR系统的性能达到最佳。
➢虚拟现实的集成系统:
是指在工作站或者PC机上工作的不同组 合虚拟现实硬、软件工具包。它提供了一套 紧凑的设备，在此系统内，虚拟世界可被创 造、仿真和可视，还能通过这些集成设备获 得浸入式体验。
➢VIEW系统的应用：远程机器人控制，
复杂信息管理及人类诸因素的研究。目前 大多数虚拟现实系统的硬件体系结构都由 VIEW发展而来。同时，这种以基于LCD的头 盔显示器、数据手套及头部跟踪器为特征 的硬件体系结构也己成为当今虚拟现实系 统的主流。
2.3 VR的三维跟踪传感设备
❖三维交互设备的作用：把各种信息输 入计算机，并向用户提供相应的反馈， 它们是使参与者能以人类自然技能与 虚拟环境交互的必要工具。
2.2 VR硬件的系统集成Biblioteka Baidu
➢ 虚拟现实（VR）系统集成的关键技术：
虚拟现实系统中通常包括大量需要处理来自各 种设备的感知信息、模型和数据，因此，建
立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，是VR系统集成的关 键技术。
➢ 计算机系统的作用：实时处理、数据输入/输 出、虚拟境界的管理和生成等功能。
直流电磁跟踪系统只是在测量开始时产生涡旋电 流而在稳定状态下衰减为零，这就减少了畸变磁 场的产生率，使跟踪精确度大大提高。且能够保 证在较大操作范围内的高灵敏度。
2.3.2 超声波跟踪器
工作原理：发射器发出高频超声波脉冲
（频率20kHz以上）后，由接收器计算 收到信号的时间差、相位差或声压差等， 就可以跟踪物体的距离和方位了。
➢传感器技术，它是VR系统中实现人机之间沟
通的极其重要的通信手段，是实时处理的关 键技术。
➢目前虚拟现实系统使用的仍是多年来的常用
方法，其典型的工作方式是，固定发射器发 射出电磁信号，该信号被附在用户头上的机 动传感器截获，传感器接收到这些信号后进 行解码，确定发射器与接收器之间的相对位 置及方位，信号随后传输到时间运行系统进 而传给三维图形环境处理系统。
VIEW系统组成
VIEW由一组由计算机控制的I/O子系统组成：它以HP 公司的HP900／835为主，图形处理采用SGI公司的图形 计算机或HPSRX图形系统配备了Plohemus空间跟踪系 统来跟踪使用者手部的位置，配备了LEEP广角立体视景 头戴显示器和单色液晶显示器，双屏显示器的三维场景 由遥控摄像机获取，且视景可随着操作者的视线（头部 位姿）变化；头盔上有一个麦克风以便作语音识别，两 个耳机进行三维声音跟踪，Convolvotron三维音频输 出设备则使整个虚拟环境附有立体声音响；VPL数据手 套用于识别使用者手势控制系统的行为，使操作者能够 借助语音、手语（手指动作的组合姿态由数据手套 Dataglove形成）与环境交互；同时还配备了BOOM CRT显示器及Fake Space远程摄像系统。这些子系统分 别提供虚拟环境所需的各种感觉通道的识别和控制功能。 使用者“置身”于这样的VR环境，周围是预先定义好的 虚拟物体及三维空间的声响效果，从而为各类VR应用系 统的研发提供了一个方便。
例如 ：
身体运动由3-D位置跟踪器跟踪； 手势由传感手套数字化； 视觉反馈发送给立体显示器； 虚拟声音由3-D声音生成器计算； 观察方向随跟踪球和操纵杆改变等。
➢虚拟现实应用系统的特点：
具有灵活性、可移植性与实时交互的 特性。
➢本章内容：将描述一些虚拟现实硬件设
备及其软件，并分别讲述其功能、特征 以及当前的局限性。
第二章 虚拟现实的硬件与软件基础
2.1 概论
虚拟现实的硬件设备:
➢高性能计算机； ➢广角（宽视野）的立体显示设备； ➢观察者（头、眼）的跟踪设备； ➢人体姿势的跟踪设备； ➢立体声； ➢触觉、力觉反馈； ➢语音输入输出等。
交互性
是虚拟现实系统的首要特性。为了允许 人机交互，必须使用特殊的人机接口与外部 设备，既要允许用户将信息输入到计算机， 也要使计算机能反馈信息给用户。今天的VR 外部设备在功能和目的上各不相同。
➢计算机系统的功能：（1）要保障虚拟三维
场景的实时计算和显示，尽量减少延迟；(2) 另一方面还要协调各种I/O交互设备之间的工 作，以确保系统整体运行的性能。
➢目前虚拟现实的计算机系统可以是PC机、 工作站和超级计算机等，而且多数情况 下都采用多种机，并以各种方式连接。
➢ PC机和工作站的比较：
（1）PC机一般只能用于低档的VR系统，这主
常用电磁波跟踪器
多数电磁波跟踪器采用交流磁场（如Polhemus 的跟踪器），但也有的采用直流磁场（如 Ascension的跟踪器）
交变电磁跟踪系统对传感器或接收器附近的电磁 体较为敏感，它会因为周围环境中的金属或铁磁 性物质而产生涡旋电流和干扰性次磁场，从而导 致信号发生畸变，跟踪精度降低。
特点：性能适中，成本低廉，而且不会
❖三维交互设备的分类：根据传感渠道 以及在功能和目的上的不同，虚拟现 实系统的三维交互设备主要被分为三 维跟踪传感设备，立体显示设备、手 数字化设备、声音设备以及系统集成 设备等几大类。
➢虚拟现实技术是在三维空间中与人交互的技
术，为了能及时、准确地获取人的动作信息， 需要有各类高精度、高可靠的跟踪定位设备。
2.3.1 电磁波跟踪器
原理：它使用一个信号发 生器（3个正交线圈组） 产生低频电磁场，然后由 放置于接收器中的另外三 组正交线圈组负责接收， 通过获得的感生电流和磁 场场强的9个数据来计算 被跟踪物体的位置和方向 （如图）。
特点：体积小、价格便宜、用户运动自由，而且敏
感性不依赖于跟踪方位，但是其系统延迟较长，跟踪 范围小，且准确度容易受环境中大的金属物体或其他 磁场的影响。
要是因为与工作站和超级计算机相比，它的图 形和声音处理功能都是有限的。
（2）工作站专门用于虚拟现实系统中，它具
有多个处理器，以便进一步增强整体系统结构， 其中有的系统可以允许一百多个处理器同时运 行一个程序，从而使VR系统的性能达到最佳。
➢虚拟现实的集成系统:
是指在工作站或者PC机上工作的不同组 合虚拟现实硬、软件工具包。它提供了一套 紧凑的设备，在此系统内，虚拟世界可被创 造、仿真和可视，还能通过这些集成设备获 得浸入式体验。
➢VIEW系统的应用：远程机器人控制，
复杂信息管理及人类诸因素的研究。目前 大多数虚拟现实系统的硬件体系结构都由 VIEW发展而来。同时，这种以基于LCD的头 盔显示器、数据手套及头部跟踪器为特征 的硬件体系结构也己成为当今虚拟现实系 统的主流。
2.3 VR的三维跟踪传感设备
❖三维交互设备的作用：把各种信息输 入计算机，并向用户提供相应的反馈， 它们是使参与者能以人类自然技能与 虚拟环境交互的必要工具。
2.2 VR硬件的系统集成Biblioteka Baidu
➢ 虚拟现实（VR）系统集成的关键技术：
虚拟现实系统中通常包括大量需要处理来自各 种设备的感知信息、模型和数据，因此，建
立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，是VR系统集成的关 键技术。
➢ 计算机系统的作用：实时处理、数据输入/输 出、虚拟境界的管理和生成等功能。
直流电磁跟踪系统只是在测量开始时产生涡旋电 流而在稳定状态下衰减为零，这就减少了畸变磁 场的产生率，使跟踪精确度大大提高。且能够保 证在较大操作范围内的高灵敏度。
2.3.2 超声波跟踪器
工作原理：发射器发出高频超声波脉冲
（频率20kHz以上）后，由接收器计算 收到信号的时间差、相位差或声压差等， 就可以跟踪物体的距离和方位了。
➢传感器技术，它是VR系统中实现人机之间沟
通的极其重要的通信手段，是实时处理的关 键技术。
➢目前虚拟现实系统使用的仍是多年来的常用
方法，其典型的工作方式是，固定发射器发 射出电磁信号，该信号被附在用户头上的机 动传感器截获，传感器接收到这些信号后进 行解码，确定发射器与接收器之间的相对位 置及方位，信号随后传输到时间运行系统进 而传给三维图形环境处理系统。