虚拟现实技术第2章49[1]

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2.1.3 光学跟踪器
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2.1 跟踪定位设备
2.1.4 其他类型跟踪器
1、机械跟踪器
通常把参考点和跟踪对象直接通过连杆装置相连， 采用刚体框架，一方面可以支撑观察设备，另一方面可 以测量跟踪对象的位置和方位。
2、惯性跟踪器
惯性跟踪器也是采用机械方法，其原理是利用小型 陀螺仪测量跟踪对象在其倾角、偏角和转角方面的数据。
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2.2 立体显示设备
2.2.1 固定式立体显示设备
1、台式VR显示设备
一般使用标准计算机监视器，配合双目立体眼镜组成。 根据监视器的数目不同，还可分为单屏式和多屏式两类。
最简单也是最便宜的 VR视觉显示模式， 但缺乏沉浸感。
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2.2 立体显示设备
2.2 立体显示设备
人眼立体视觉效应的原理 ：当人在现实生活 中观察物体时，双眼之间6～7cm的距离（瞳距） 会使左、右眼分别产生一个略有差别的影像（即 双眼视差），而大脑通过分析后会把这两幅影像 融合为一幅画面，并由此获得距离和深度的感觉。
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2.2 立体显示设备
2.2.1 固定式立体显示设备 2.2.2 头盔显示器 2.2.3 手持式立体显示设备
如图所示为戴上VPL数据手套的 人手与屏幕显示的虚拟手。
机械式 电阻式 光纤式☆
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2.3 手部数据交互设备
2.3.2 空间球（Space Ball）
空间球是一种可以提供6自由度的桌面设备，它被安 装在一个小型的固定平台上，可以扭转、挤压、按下、 拉出和来回摇摆。
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2.2 立体显示设备
2.2.2 头盔显示器HMD
•双眼局部重叠的头盔显示器光学模型
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2.2 立体显示设备
2.2.2 头盔显示器HMD
衡量头盔显示器性能的指标包括以下各方面：
1、逼真的立体视觉（双眼视觉）
2、分辨率
3、视场（Fireld Of V1mm±0.03mm 50 ms
半径<1.6m的半球形
超 声 波 依空气密度变化 10mm±0.5mm 30 ms
4～5m3
光学
1 mm
2mm±0.02mm < 1 ms 4～8m3（可扩展至14m3）
• 3种常用跟踪技术的主要性能指标对比
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范围，小于此值将检测不到。 响应时间：包括采样率、数据率、更新率和延
迟时间等4个指标。 抗干扰性：指跟踪定位器在相对恶劣的条件下
避免出错的能力。
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2.1 跟踪定位设备
2.1.5 跟踪传感设备的性能比较
跟踪器类型
精度
分 辨 率 响应时间
跟踪范围
（2） 利用投影机把同一物体的多幅不同二维影像闪投在显 示屏上，同时屏幕快速旋转，观看者大脑就会将不同画 面拼合而成似乎漂浮在空中的三维物体影像。
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2.2 立体显示设备
2.2.1 固定式立体显示设备
3、三维显示器 三维显示器的实现方法主要分为以下4种：
（3）显示器由几十个超薄屏幕叠制而成，每个屏幕快速依 次闪现出同一图像，由此流畅的组成完整的三维影像。
（1）墙式投影显示设备： 可采用平面、柱面、球面的屏幕形式。
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2.2 立体显示设备
2.2.1 固定式立体显示设备
2、投影式VR显示设备
（2）响应工作台式显示设备 （Responsive Work Bench，RWB）：
一般由投影仪、反射镜和 显示屏（一种特制玻璃） 组成，投影仪将立体图像 投射到反射镜面上，再由 反射镜将图像反射到显示 屏上。
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2.1 跟踪定位设备
2.1.2 超声波跟踪器
按测量方法的不同，超声波跟踪定位技术可分为：
飞行时间（Time Of Flight，TOF）测量法
同时使用多个发射器和接收器，通过测量超声波从 发出到反射回来的飞行时间计算出准确的位置和方向。
相位相干（Phase Coherent，PC）测量法
3、三维显示器 指的是直接显示虚拟三维影像的显示设备，用户 不需佩戴立体眼镜等装置就可以看到立体影像。
• 三星公司的2233RZ三维显示器
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2.2 立体显示设备
2.2.1 固定式立体显示设备
3、三维显示器 三维显示器的实现方法主要分为以下4种：
（1） 在普通的显示屏前附着特殊的涂层和滤光器来替代立 体眼镜的作用。
3、图像提取跟踪器
一般是由一组摄像机拍摄人及其动作，然后通过图 像处理技术的运算和分析来确定人的位置及动作。
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2.1 跟踪定位设备
2.1.5 跟踪传感设备的性能比较
跟踪定位器的性能指标主要包括：
精度：指检测目标位置的正确性，即误差范围。 分辨率：指跟踪定位器所能检测到的最小变化
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2.5 其他交互设备
2.5.1 触觉和力反馈设备 2.5.2 数据衣 2.5.3 三维扫描仪
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2.5 其他交互设备
2.5.1 触觉和力反馈设备
1、接触反馈设备
（1）充气式接触反馈手套是使用小气囊作为传感装置， 在手套上有20-30个小气囊放在对应的位置，当发生虚拟 接触时，这些小型气囊能够通过空气压缩泵的充气和放气 而被迅速地加压或减压。 （2）振动式接触反馈手套是使用小振动换能器实现的， 换能器通常由状态记忆合金制成，当电流通过这些换能器 时，它们就会发生形变和弯曲。
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2.1 跟踪定位设备
2.1.1 电磁波跟踪器
电磁波跟踪器是一种较为常见的空间跟踪 定位器，一般由一个控制部件，几个发射器和 几个接收器组成。
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2.1 跟踪定位设备
2.1.1 电磁波跟踪器
优点是其敏感性不依赖于跟踪方位，基本不受 视线阻挡的限制，体积小、价格便宜，因此对 于手部的跟踪大都采用此类跟踪器。
缺点是其延迟较长，跟踪范围小，且容易受环 境中大的金属物体或其他磁场的影响，从而导 致信号发生畸变，跟踪精度降低。
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2.1.2 超声波跟踪器
超声波跟踪器是声学跟踪技术最常用的一 种，其工作原理是发射器发出高频超声波脉冲 （频率20KHz以上），由接收器计算收到信号 的时间差、相位差或声压差等，即可确定跟踪 对象的距离和方位。
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2.2 立体显示设备
2.2.1 固定式立体显示设备
2、投影式VR显示设备
（3）洞穴式投影显示设备（CAVE）： CAVE就是由投影显示屏包围而成的一个立体空间
（洞穴），分别有4面式、5面式或6面式CAVE系统。
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2.2 立体显示设备
2.2.1 固定式立体显示设备
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2020/12/5
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第2章 虚拟现实技术概论
2.1 跟踪定位设备 2.2 立体显示设备 2.3 手部数据交互设备 2.4 虚拟声音输出设备 2.5 其他交互设备 2.6 虚拟现实硬件系统的集成
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2.1 跟踪定位设备
典型的工作方式是：由固定发射器发射出信 号，该信号将被附在用户头部或身上的机动传感 器截获，传感器接收到这些信号后进行解码并送 入计算部件处理，最后确定发射器与接收器之间 的相对位置及方位，数据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。
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2.1 跟踪定位设备
2.1.1 电磁波跟踪器 2.1.2 超声波跟踪器 2.1.3 光学跟踪器 2.1.4 其他类型跟踪器 2.1.5 跟踪传感设备的性能比较
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2.2 立体显示设备
2.2.2 头盔显示器HMD
HMD通常被固定在用户的头部，随着头部的 运动而运动，并装有位置跟踪器，能够实时测出 头部的位置和朝向，并输入到计算机中。
计算机根据这些数据生成反映当前位置和朝 向的场景图像，进而由两个LCD或CRT显示屏分 别向两只眼睛提供图像。
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2.1 跟踪定位设备
2.1.3 光学跟踪器
光学跟踪器使用的主要三种技术：
标志系统 通常是利用传感器（如照相机或摄像机）监测发射器
（如红外线发光二极管）的位置进行追踪。
模式识别系统 把发光器件按某一阵列排列，并将其固定在被跟踪对
象身上，由摄像机记录运动阵列模式的变化，通过与已 知的样本模式进行比较从而确定物体的位置。
通过比较基准信号和发射出去后发射回来的信号之间 的相位差来确定距离。
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2.1 跟踪定位设备
2.1.3 光学跟踪器
光学跟踪器可以使用多种感光设备，从普 通摄像机到光敏二极管都有。光源也是多种多 样的，如自然光、激光或红外线等，但为避免 干扰用户的观察视线，目前多采用红外线方式。
（4）利用全息图像技术实现 真正的三维显示，它是 在真实空间内创造出一 个完整的立体影像。
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2.2 立体显示设备
2.2.2 头盔显示器 （Head- Mounted Display，HMD） HMD通常被固定在用户的头部，随着 头部的运动而运动，并装有位置跟踪器， 能够实时测出头部的位置和朝向，并输入 到计算机中。