虚拟现实技术第2章

2-25
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。
2-26
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。
Rockwell Collins / ProView SR80
eMagin / Z800 3Dvisor
2-30
2.2 立体显示设备
2.2.3 手持式立体显示设备
手持式VR立体显示器屏幕很小，它利用某 种跟踪定位器和图像传输技术实现立体图像的 显示和交互作用，可以将额外的数据增加到真 实世界的视图中，用户可以选择观看这些信息， 也可以忽略它们而直接观察真实世界，一般适 用于增强式VR系统中。
2-38
2.5 其他交互设备
2.5.1 触觉和力反馈设备
2、力反馈设备
（1）桌面式力反馈系统 设备安装简单、使用轻便 灵巧，并且不会因自身重 量等问题而让用户在使用 中产生疲倦甚至疼痛的感 觉，因此目前已经成为较 为常用的力反馈设备。
2-39
2.5 其他交互设备
2.5.1 触觉和力反馈设备
2、力反馈设备
2-27
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
2-28
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 View，FOV） 4、透射率 5、重叠率 6、重量 7、人的因素
固定式声音输出设备即扬声器，允许多个用户同时听到声音， 一般在投影式VR系统中使用。扬声器固定不变的特性使其 易于产生世界参照系的音场，在虚拟世界中保持稳定，且用 户使用起来活动性大。
2.4.2 耳机式声音设备
耳机式声音设备一般与头盔显示器结合使用。在默认情况下， 耳机显示的是头部参照系的声音，在VR系统中必须跟踪用 户头部、耳部的位置，并对声音进行相应的过滤，使得空间 化信息能够表现出用户耳部的位置变化。
一般可以通过并排放置多个显示器创建大型显示墙，或通 过多台投影仪以背投的形式投影在环幕上，各屏幕同时显 示从某一固定观察点看到的所有视像，由此提供一种全景 式的环境。
2-19
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
（1）墙式投影显示设备： 可采用平面、柱面、球面的屏幕形式。
跟踪器类型 精 度 分 辨 率 响应时间 跟 踪 范 围
电 磁 波
3mm±0.1mm
1mm±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
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。
2-22
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 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。
2-36
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
2-37
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。
2-20
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。
2-21
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。
2-8
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：
清华大学出版社
虚拟现实技术
申蔚
曾文琪
2-2
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
2-3
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。
2-15
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。
2-16
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
2-34
2.3 手部数据交互设备
2.3.3 三维浮动鼠标器（3D Flying Mouse）
三维浮动鼠标器的工作原理是：在鼠标内部安装了一个 超声波或电磁探测器，利用这个接收器和具有发射器的 固定基座，就可以测量出鼠标离开桌面后的位置和方向。
2-35
2.4 虚拟声音输出设备
2.4.1 固定式声音设备
2-6
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。

2-7
2.1 跟踪定位设备



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 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。
2-14
2.1 跟踪定位设备
2.1.5 跟踪传感设备的性能比较

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
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。
2-9
2.1 跟踪定位设备
三星公司的2233RZ三维显示器
2-23
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。 （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。
2-17
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。
2-18
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
2-31
2.3 手部数据交互设备
2.3.1 数据手套 2.3.2 空间球 2.3.3 三维浮动鼠标器
2-32
2.3 手部数据交互设备
2.3.1 数据手套（Data Glove）
数据手套是一种戴在用户手上的传感装置，用于检 测用户手部活动的设备，并向计算机发送相应电信号， 从而驱动虚拟手模拟真实手的动作。
2-4
2.1 跟踪定位设备
2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 电磁波跟踪器 超声波跟踪器 光学跟踪器 其他类型跟踪器 跟踪传感设备的性能比较
2-5
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。
如图所示为戴上VPL数据手套的 人手与屏幕显示的虚拟手。该数 据手套把光导纤维和一个三维位 置传感器缠绕在一个轻的、有弹 性的手套上，每个手指的每个关 节处都有一圈纤维，用以测量手 指关节的位置与弯曲。
2-33
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。
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。
2-10
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。 激光测距系统 将激光通过衍射光栅发射到被测对象，然后接收经物 体表面反射的二维衍射图的传感器记录。
2-24
2.2 立体显示ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。 （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。
（2）力反馈手套可以独 立反馈每个手指上的力， 主要用于完成精细操作
2-40
2.5 其他交互设备
2.5.2 数据衣（Data Suit）
数据衣将大量的光纤、电 极等传感器安装在一个紧 身服上，可以根据需要检 测出人的四肢、腰部的活 动以及各关节（如腕关节、 肘关节）的弯曲角度，然 后用计算机重建出图像。
2-29
2.2 立体显示设备
2.2.2 头盔显示器HMD
公司/型号
分辨率 1280×1024 1280×1024 800×600
视 场 60° 80° 40°
重 量 约0.8KG 约0.8KG 约0.225KG
市场参考价 17万元 16万元 15万元
Virtual Research Systems / VR1280


2-11
2.1 跟踪定位设备
2.1.3 光学跟踪器
光学跟踪器虽然受视线阻挡的限制且工作 范围较小，但其数据处理速度、响应性都非常 好，因而较适用于头部活动范围相当受限而要 求具有较高刷新率和精确率的实时应用。
2-12
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。
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。
2-13
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：