第二章 第二节 虚拟现实常用的软硬件设备.docVIP

第二章 虚拟现实技术概述 第二节 虚拟现实系统的软硬件构成 1虚拟现实系统的一般构成 完整的虚拟现实系统由三部分构成： 图A1-3：VR系统一般组成 （1）虚拟环境产生器，是指能产生三维世界的软硬件环境，是VR系统的核心部件。它的主要功能是接收用户的运动信息（如头部、眼、手的运动），分路/分时生成左右眼视图，并融合成三维立体图像，同时进行三维声音合成和发出触觉、压力等反馈信号。 （2）输入输出设备，如头盔显示器、数据手套等，其目的是使用户能够通过视觉、听觉和触觉实现与虚拟环境的交互作用。理想的虚拟现实技术应具有一切人所具有的感知功能。 （3）数据接口，其作用是将虚拟环境产生器、输入输出设备以及用户等有机地连接成一体，这不仅包括硬件协配问题，也包括软硬件联调以及人机界面等技术内容。与其他计算机系统一样，这些构成可以分成软件和硬件两部分。 2虚拟现实系统的基本模块 4 硬件系统 硬件系统包括主机（个人计算机、工作站、超级计算机）和输入输出设备。 目前，硬件系统主要实现视觉和听觉效果，而其他力觉、触觉的感知正在开发与研究，味觉、嗅觉则有待于研究。按功能可以把这些设备进一步划分为跟踪定位系统（确定用户的头、手和躯体的位置）、触觉系统（提供力与压力的反馈）、音频系统（提供立体声源和判定空间位置）、图像生成和显示系统（产生视觉图像和立体显示）。但一个设备中可能包含了上面的几个功能系统，如头盔显示器兼有跟踪头部运动和显示场景两种功能。 4.1 高性能主机系统 VR技术的一个重要特点 ：是通过仿真为用户提供一个虚构的但能反映研究对象变化的环境，这需要大量的数据处理。由于VR的数据量很大，精度要求非常高，并且要动态显示，因此对计算机的处理速度和存储容量都有很高的要求。当今的计算机技术已经能够生产出功能强大的计算机，为虚拟现实的应用提供了硬件条件。一般来说，人脑检测延迟的阈值约10ms，所以VR系统要求的延迟应低于10ms。因为延迟越长，系统越不逼真，过长甚至产生负效应（如运动病）。另外，使用多边形越多，视景效果越真实，但是增加多边形，会使其延迟时间拉长，这样，视景生成对计算机硬件的速度要求更高。从目前技术来看，要实现低于10ms的延时，成本较昂贵。 4.2 输入设备 输入设备： 用来输入用户发出的动作，使用户可以驾驭一个虚拟境界。在与虚拟场景进行交互时，大量的传感器用来管理用户的行为，并将场景中的物体状态反馈给用户。 传感器是VR系统的重要组成部分。诸如精确测定用户头部方位的位置检测传感器和测试手的姿势，将虚拟场景中的力觉信息反馈给用户的力觉传感器、电磁场传感器以及检测人体姿势的跟踪传感器等常常在系统中用到。 最简单的就是常规的二维鼠标器，或各种控制杆；中等复杂程度的有三维或六维鼠标器，或其它种类的控制杆；复杂的有人体部位式跟踪器，这种装置附着在人体的某个部位，依靠传感器跟踪人的对应部位各个关节的移动使操作者与VR环境产生交互作用，如仪器式手套带在手上，依靠手套各个部位传感器跟踪手部各个关节的动作使操作者与VR环境实现交互。 （1）数据手套 在VR系统中，数据手套是最常见的输入装置。手的空间位置和方位是利用固定在手背上的跟踪器来确定的，数据手套的手背上有多个固定传感器，各个手指有可弯曲的柔性传感器，柔性传感器用来测量拇指与其余各手指及关节的方位角。因此，只要明确了手指相对于手掌的运动关系，就可根据手套的输出信号得到手指关节的弯曲角度，确定手指相对于手掌的位置和方式，从而确定手指的空间位置和方位。为了解决手势的识别，判断直接操纵过程中手是否与虚拟对象发生碰撞或接触，以及以图形手的方式向用户输出反馈等基本问题，必须研究手的运动学模型和几何模型。手势信息与数据库中人类的手势信息语言或各专业的手势相对应时，计算机就可以发出准确的指令。人机交互时你可以看到虚拟手随着你的真手在虚拟环境中活动，可进行物体的抓取、移动、装配、操纵和控制。 （2）鼠标 常用的二维鼠标器是一个二自由度的输入设备，适用于平面内的交互，但在三维场景中的交互需要在不同的角度和方位对空间物体进行观察、操纵，这是它就无能为力了。三维空间有六个自由度，三个是确定位置的(ｘ,ｙ,ｚ)，另外三个是确定方向的(θ, φ,γ)，需要提供六个自由度的装置，如浮动鼠标和空间球。浮动鼠标器在桌面上类似于上述二维鼠标器，但是当它离开桌面后，就成为一个六自由度的鼠标器；空间球是一个刚性球体，装在一个凹形支架上，它可以舒适地放在使用者的手掌之下，空间球有足够的传感器来测量三维移动和三个方向角。 （3）跟踪定位器 这是VR系统中用于空间跟踪定位的装置，一般与头盔显示器、立体眼镜、数据手套等其他设备结合使用，使用户在空间上能够自由移动、旋转，操作更加灵活、随意。跟踪系统一般由发射器、接收器和电子部件组成。目前的跟踪