第二章 虚拟现实系统的硬件设备.

2.1.2视觉感知设备
• 1.头盔显示器（Head Mounted Display,HMD ）
通常，头盔显示器的显示屏采用两个LCD或者CRT显示器分别 向两只眼睛显示图像，这两个图像由计算机分别驱动，两个图像存 在着微小的差别，类似于“双眼视差”。大脑将融合这两个图像获 得深度感知，得到一个立体的图像。
根据显示表面的不同，头盔显示器主 要分为基于LCD头盔显示器、基于CRT 头盔显示器和基于VRD头盔显示器。 1)基于LCD头盔显示器 LCD显示技术是以低电压产生彩色图像， 但其图像清晰度比较低。 包括EyePhone、Flight Helmet Cyberface Ⅱ、Tire 1 HMSI 1000
液晶显示器原理图
2.2 听觉感知设备概述
虚拟现实系统中已经考虑到的人耳因素包 括：声音方向，声音舞台，以及头部有 关的传递函数。 听觉感知设备的特性： 1）全向三维定位特性 2）三维实时跟踪特性 虚拟现实技术中所采用的听觉感知设备主 要有耳机和扬声器两种。
2.3 触觉和力反馈设备
在虚拟环境中的触觉反馈设备目前只能提 供最基本的“触到了”的感觉，无法提 供材质、纹理和温度的感觉，并且触觉 反馈装置仅局限于手指触觉反馈装置。 可分为：基于视觉式、充气式、振动式、 电刺激式和神经肌肉刺激式5类装置。
RWB的工作示意图 V_Desk 6 工作示意图
5. 墙式立体显示系统 此系统类似于放映电影形式的背投式显示设 备。目前常用的包括单通道立体投影系统和多 通道立体投影系统。
单通道立体投影系统
6. 裸眼立体显示系统 其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，一幅 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。
第二章 虚拟现实系统的硬件设备
简述：
本章将介绍视觉感知设备、听觉感知设备、 触觉和力反馈设备、位置跟踪设备及虚拟 现实的计算设备等知识。请自行查阅市场 上相关的主流产品。
教学重点难点：
1、人的视听觉感知模型； 2、各种硬件设备的工作原理； 3、各种硬件设备的性能指标； 4、各种硬件设备的优缺点。
虚拟现实系统硬件配置示意图：
膨胀气泡技术存在一些 固有的困难，导致现在 充气式反馈装置暂时停 产。
Βιβλιοθήκη Baidu
Johnson制造出一个轻 型“可编程接触仿真器” 并取得了专利，它使用 轻型的形状记忆合金驱 动器来减少重量。
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，从而提供 一个立即的、高逼真的、可信的真实交 互。常见的设备包括：力反馈鼠标、力 反馈操作杆、力反馈手臂以及力反馈手 套。
各种类型的头盔显示器
2）基于CRT的头盔显示器
CRT称为阴极射线管。基于CRT的头盔显示器是使用 电子快门等技术实现双眼立体显示的，提供小的高分 辨率、高亮度的单色显示。但其CRT较重、存有高电 压，佩戴较危险，视场较小，缺乏沉浸感。 HMD-131 Datavision 9C DMD
3）基于VRD的头盔显示器 VRD（Virtual Reality Display）的目标是产生全彩 色、宽视场、高分辨率、低价格的虚拟现实立体 显示。
2.1 视觉感知设备概述
• 2.1.1 人类视觉模型 • 1.视觉生理结构
眼球为人眼的视觉器官，主要由角膜、晶状 体、玻璃体及视网膜等组成一套光学系统。 大脑皮层（Cerebral Cortex）是大脑半球的 最外层，他负责各种形式的感觉。视网膜（ Retina）是每只眼背部的神经细胞的多层膜， 它把光转成电信号，并通过视神经和管道传给 大脑。
力反馈设备示例及其原理
力反馈手臂装置示意图
2.4 位置跟踪设备
主要任务是检测有关对象的位置和方位，并 将位置和方位信息报告给虚拟现实系统。 目前，用于跟踪用户的方式有两种： 一是跟踪头部位置与方位来确定用户的视点 与视线方向，而视点位置与视线方向是确定虚 拟世界场景显示的关键。 另一种就是跟踪用户手的位置和方向，这是 带有跟踪系统的数据手套所获取的关键信息。
2. 视觉因素 立体视觉：对同一个场景，两眼 得到稍有差别的视图，左视区 （1）立体视觉 的信息，送到两眼视网膜的右 侧。在视交叉处，左眼的另一 （2）屈光度 半神经纤维交叉到大脑的右半 球，另一半神经纤维直接到大 （3）瞳孔 脑的左半球，这样，两眼得到 （4）分辨率 的左视区的所有信息，都送到 右半球。 （5）明暗适应 （6）周围视觉和中央视觉 hmd（头盔显示器）提 （7）视觉暂留 供两个显示，不但应保 持双目视差，而且应该 （8）视场
表2.1 人的感觉器官对应的各种接口设 备
人的感官 视觉 听觉 嗅觉 味觉 触觉 力觉 身体感觉 前庭感觉 说明 感觉各种可见光 感觉声音波 感知空气中的化学成分 感知液体中的化学成分 皮肤感知温度、压力和纹理等 肌肉等感知的力度 感知肌体或身躯的位置与角度 平衡感知 触觉传感器 力觉传感器 数据仪 动平台 接口设备 显示器或投影仪等 耳机、喇叭等 气味放大传感装置
重叠，实际上，由于两 眼有6.5cm的瞳距，所 以两者视场总有些差别， 有不重叠的区域。
• 视觉暂留是视网膜的电化学现象造成视 觉的反应时间。其原理是当人的眼睛看 到一幅画面或一个物体后，在1/24s内不 会消失。也就是说如果每秒更替24幅或 更多的画面，则前一幅画面在人脑中消 失之前，下一个画面就会进入人脑，从 而形成了连续的影像。 • 现有的VR技术，已经考虑的因素包括立 体视觉，分辨力，视觉暂留以及视场， 能够提供理想的立体视觉效果，实现较 强的视觉沉浸。
2.立体眼镜显示系统 目前主要有： 有源眼镜和无源眼镜 又称： 主动立体眼镜、 被动立体眼镜
3. 洞穴式立体显示系统 使用投影系统，投射多个投影面，形成房间式 的空间结构，使得围绕观察者具有多个图像画 面显示的虚拟现实系统，增强了沉浸感。
4. 响应工作台立体显示系统
计算机通过多传感器交互通道向用户提供视觉、听觉、 触觉等多模态信息，具有非沉浸式、支持多用户协同工 作的立体显示装置。类似于绘图桌形式的背投式显示器 ，通常采用主动式立体显示方式。