虚拟现实人机交互设备

第2章
虚拟现实人机交互设备 2021/2/27
虚拟现实系统的人机交互设备
虚拟现实三维动态交互感知设备，主要用于将 各种控制信息传输到计算机，然后，虚拟现实 计算机系统再把处理后的信息反馈给参与者。 实现人与虚拟现实计算机系统之间的动态交互 和感知效果。虚拟现实系统为了实现人机之间 的交互感知，人们开发了许多的特种设备，由 于这些特殊设备的使用，才使得参与者能够很 好地体验到虚拟现实中的沉浸感、交互性和想 象力。
为了构建视觉三维环境，VR硬件系统有常用 的立体显示设备有固定式、头盔式和手持式3 大类。
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固定式立体显示设备
固定式立体显示设备通常会被安装在某一位置， 具有不可移动性或不必要移动的特点。
台式VR显示设备
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柱面墙式投影显示设备
洞穴式投影显示设备
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三维立体眼镜
有源立体眼镜
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有源立体眼镜
无源立体眼镜
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头盔显示器
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头盔显示器(Head Mounted Display HMD)是 沉浸式虚拟现实系统中最主要的硬件设备 之一。通过头盔设备，用户可以很好地体 验到三维视觉场景效果。
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其他类型跟踪器
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⒈机械跟踪器 ⒉惯性跟踪器 ⒊图像提取跟踪器
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2.3 虚拟声音输出设备
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2.3.1 固定式声音设备
2.3.2耳机式声音设备
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固定式声音设备
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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。
交互性是虚拟现实系统的重要特征之一， 为了达到良好的交互效果，人们开发了 许多性能各异、形式多样、功能不同的 交互设备，这些设备有的价格非常昂贵， 但科技含量较高，有的价廉但简单易用， 有的技术成熟已广泛应用，有的还在研 究并处于不断的完善之中。
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光学跟踪器
光学式跟踪器是使用光学感知来确定对象的实 时位置和方向，光学跟踪器的测量与超声波跟 踪器设备类似，基于三角测量。基于光学跟踪 设备主要包括感光设备（接收器）、光源（发 射器）以及用于信号处理的控制器。感光设备 有多种形式，如光敏二极管、普通摄相机等。 光源可以是环境光、结构光（如激光扫描）、 或脉冲光（如激光雷达）。为了防止可见光的 干扰，通常采用红外线、激光作为光源。
六自由度坐标系
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电磁波跟踪器
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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。工作时，跟踪器按照发射 器发出的电磁波磁场的强度变化量，由多个 不同方位的接收器接受信号，并将该信号转 换为电信号编码传送到控制部件，通过控制 部件计算得到跟踪对象的三维坐标和方向。
扬声器与投影屏相结合存在的问题是它们之间 会互相影响，如果扬声器放在屏幕后，声音会 被阻碍；如果扬声器放在屏幕前，则会阻挡视 觉显示。
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耳机式声音设备
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相对于扬声器来说，耳机式声音设备虽然只能 给单个用户使用，但却能更好地将用户与真实 世界隔离开。同时，由于耳机是双声道的，因 此比扬声器更易创建空间化的3D声场，提供 更好的沉浸感。此外，耳机使用起来具有很大 的移动性，如果用户需要在VR系统中频繁走 动，显然使用耳机比使用扬声器更为适合。
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2.4 人机交互设备
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2.4.1三维空间跟踪球 2.4.2数据手套
2.4.3三维浮动鼠标器 2.4.4数据衣
2.4.5触觉和力反馈设备 2.4.6 神经/肌肉交互设备
2.4.7 语音交互设备 2.4.8 意念控制设备
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人机交互设备
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超声波跟踪器
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超声波跟踪器是利用声学原理进行跟踪物体对 象的一种常用技术，其工作原理是由3个超声 波发射器阵列发出高频超声波脉冲（频率 20kHz 以上），该声波人耳听不见，不会对人 产生影响。同样也有三个超声波接收器和发射 同步信号的控制器所组成。接收器计算接收到 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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2.1立体显示设备
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2.1.1 固定式立体显示设备
2.1.2头盔显示器
2.1.3 手持式立体显示设备
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立体显示设备
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在虚拟世界中的沉浸感主要依赖于人类的视觉 感知，因此三维立体视觉是虚拟现实技术的第 一传感通道，专业的立体显示设备可以增强用 户在虚拟环境中视觉沉浸感的逼真程度。
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2.2 跟踪定位设备
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2.2.1 电磁波跟踪器 2.2.2 超声波跟踪器
2.2.3光学跟踪器 2.2.4其他类型跟踪器 2.2.5 跟踪传感设备的性能参数 2.2.6三维跟踪设备实例
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跟踪定位设备是虚拟现实 系统中，人机交互的重要 设备之一。它的主要作用 就是及时准确地获取人的 动态位置和方向信息，并 将该位置和方向信息发送 到虚拟现实中的计算机控 制系统中。
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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。
手持式VR立体显示器目前还在实验室研究阶 段，存在许多实际的技术难题，但其应用价值 非常高。