虛擬現(xiàn)實技術 虛擬現(xiàn)實

1、虛擬現(xiàn)實技術2022/7/9虛擬現(xiàn)實技術虛擬現(xiàn)實的硬件設備2022/7/92第2章 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件設備本章主要包含的內(nèi)容：視覺感知設備概述；聽覺感知設備概述；觸覺和力反響設備；位置跟蹤設備；虛擬現(xiàn)實的計算設備。2022/7/93第2章 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件設備本章主要包含的重難點：人的視聽覺感知模型；各種硬件設備的工作原理；各種硬件設備的性能指標；各種硬件設備的優(yōu)缺點。2022/7/94基于頭盔顯示器的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)硬件配置示意圖2022/7/95人的感官說明接口設備視覺感覺各種可見光顯示器或投影儀等聽覺感覺聲音波耳機、喇叭等嗅覺感知空氣中的化學成分氣味放大傳感裝置味覺感知液體中的化學成分觸覺

2、皮膚感知溫度，壓力，紋理等觸覺傳感器力覺肌肉等感知的力度力覺傳感器身體感覺感知肌體或身軀的位置與角度數(shù)據(jù)衣前庭感覺平衡感知動平臺人的感官器官對應的各種接口設備2022/7/962.1 視覺感知設備概述2022/7/972.1.1 人類視覺模型1視覺生理結構 眼球為人眼的視覺器官，主要有角膜、晶狀體、玻璃體及視網(wǎng)膜等組成一套光學系統(tǒng)，以下圖為視覺系統(tǒng)的生理結構圖。自然界的物體的光線經(jīng)視覺器官發(fā)生折射，在視網(wǎng)膜上形成倒立的像，視網(wǎng)膜的桿狀細胞和錐狀細胞負責通過視神經(jīng)把信號傳給大腦，經(jīng)過腦神經(jīng)傳送給大腦，并由大腦把像顛倒過來。2022/7/982.1.1 人類視覺模型1視覺生理結構 人眼的生理結構圖

3、 物體在人眼成像圖2022/7/992.1.1 人類視覺模型2視覺因素 1立體視覺 提供給人類視覺的圖像，必須使人感覺是立體的。人們感覺到空間立體感，形成立體視覺主要是因為人類的左右雙眼的視野存在很大的重疊。通常將其重疊稱之為雙眼視覺或者立體視覺。人的雙眼之間有6-8cm的距離，看同一物體，雙眼會獲得稍有差異的視圖。人們的左右雙眼視覺各有一套神經(jīng)系統(tǒng)。人眼的兩套神經(jīng)系統(tǒng)在大腦前有一個交叉點，并且在交叉點后分開。進入眼睛的光線根據(jù)左右位置的不同分別進入交叉點后的左右神經(jīng)。2022/7/9102.1.1 人類視覺模型1立體視覺 立體視覺形成原理圖2022/7/9112.1.1 人類視覺模型1立體視

4、覺 立體視覺的根本原理2022/7/9122.1.1 人類視覺模型2屈光度 眼睛折射光線的作用叫屈光，用光焦度來表示屈光的能力，叫做屈光度。屈光度是與眼的光學局部有關的一個度量。有1個屈光度的鏡頭，可以聚焦平行光線在1米距離。人眼的聚焦能力約60屈光度，這說明聚焦平行光在17mm距離，這就是眼球尺寸，是晶狀體和視網(wǎng)膜的距離。 人通過改變眼睛的屈光度來保證遠近物體能夠在視網(wǎng)膜上正確成像，獲得清晰的圖像。在注視運動物體時，眼睛的屈光度可以自動調(diào)節(jié)。屈光度的改變被稱為調(diào)節(jié)或聚焦。其作用是保證某個距離的物體清晰，而其它距離物體模糊。這起了濾波器的作用，使人集中關注視場中局部區(qū)域。2022/7/9132

5、.1.1 人類視覺模型3瞳孔 瞳孔是晶狀體前的孔。一般人瞳孔的直徑可變動于1.5-8.0mm之間，面積之比1:30。瞳孔的大小可以控制進入眼內(nèi)的光量，瞳孔的變化是為了保持在不同光照情況下進入眼內(nèi)的光量較為恒定的。 瞳孔的工作原理就像照相機里的光圈一樣，可以隨光線的強弱而縮小或變大。其對光線強弱的適應是自動完成的。通過瞳孔的調(diào)節(jié)，始終保持適量的光線進入眼睛，使落在視網(wǎng)膜上的物體圖像既清晰，而又不會有過量的光線灼傷視網(wǎng)膜。瞳孔雖然不是眼球光學系統(tǒng)當中的屈光元件，但在眼球光學系統(tǒng)當中起著重要的作用。瞳孔不僅可以對明暗做出反響，調(diào)節(jié)進入眼睛的光線，也影響眼球光學系統(tǒng)的焦深和球差。2022/7/9142

6、.1.1 人類視覺模型4分辨率 分辨率是人眼區(qū)分兩個點的能力，通常情況下，在10m距離上人眼能夠分辨的距離約1.5-2mm。例如在2m的距離觀看寬度400mm的電視時，人眼區(qū)分兩個點的能力，在2m距離上約0.4mm，那么寬度400mm上應該由1000個0.4mm大小的像素。計算機監(jiān)視器和高清晰度電視機，都到達了這樣的分辨率。 2022/7/9152.1.1 人類視覺模型5視覺暫留 視覺暫留是視網(wǎng)膜的電化學現(xiàn)象造成視覺的反響時間。其原理是：當人的眼睛看到一幅畫面或一個物體后，在1/24秒內(nèi)不會消失。也就是如果每秒更替24幅或更多的畫面，那么前一幅畫面在人腦中消失之前，下一個畫面就會進入人腦，從而

7、形成了連續(xù)的影像。 視覺暫留是電影、電視、動畫、虛擬現(xiàn)實等顯示的根底。臨界熔合頻率Critical Fusion Frequency, CFF效果會產(chǎn)生把離散圖像序列組合成連續(xù)視覺的能力，CFF最低20Hz，并取決于圖像尺寸和亮度。英國電視幀頻25Hz，美國電視幀頻30Hz。電影幀頻24Hz。眼對閃爍的敏感正比于亮度，所以假設白天的圖像更新率為60Hz，那么夜間只要30Hz。2022/7/9162.1.1 人類視覺模型6視場 視場是指人眼能夠觀察到的最大范圍，通常以角度來表示，視場越大, 觀測范圍越大。視場通常從水平和垂直兩個方向來說明，人眼正常的視場約為水平100，垂直60，而水平的雙目重疊

8、視場120。實際的全景顯示產(chǎn)生水平100，垂直30視場，即可有很強的沉浸感。2022/7/917 視覺感知設備主要向用戶提供立體視覺的場景顯示，并且這種場景的變化會實時變化。此類設備的關鍵技術是立體顯示。采用兩種方法來實現(xiàn)。一種是同時顯示左右兩幅圖像，稱之為同時顯示技術(time-parallel)，它是讓兩幅圖像存在細微的差異，使雙眼只能看到相應的圖像。這種技術主要用在頭盔顯示器中。另一種技術是分時顯示技術，以一定的頻率交替顯示兩幅圖像，為了保證每只眼睛只能看到各自相應的圖像，用戶通過以相同頻率同步切換的有源或無源立體眼睛來觀察圖像。此技術主要使用在立體眼睛上。2.1.2 視覺感知設備202

9、2/7/9181. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺感知設備 頭盔顯示器是專為用戶提供虛擬現(xiàn)實中景物的彩色立體顯示器，目前較普遍采用的一種立體顯示設備。通常用機械的方法固定在用戶的頭部，頭與頭盔之間不能有相對運動，當頭部運動時，頭盔顯示器隨著頭部運動而運動。頭盔配有位置跟蹤器，用于實時探測頭部的位置和朝向，并反響給計算機。計算機根據(jù)這些反響數(shù)據(jù)生成反映當前位置和朝向的場景圖像并顯示在頭盔顯示器的屏幕上。通常，頭盔顯示器的顯示屏采用兩個LCD或者CRT顯示器分別向兩只眼睛顯示圖像，這兩個圖像由計算機分別驅(qū)動，兩個圖像存在著微小的差異，類似于“雙眼視差。

10、大腦將融合這兩個圖像獲得深度感知，得到一個立體的圖像。2022/7/9191. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺感知設備 由于頭盔顯示器所用屏幕離眼睛很近。因此，為了使眼睛聚焦于如此近的距離而不易產(chǎn)生疲勞，需要使用專門的鏡片。并且此鏡片必須能夠放大圖像，向雙眼提供盡可能寬的視野。在1989年首次推出了這種鏡片，被稱為LEEP鏡片。LEEP鏡片的特征是它們使用輸出成像極其寬闊的透鏡。2022/7/9201. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺感知設備2022/7/9211. 頭盔顯示器(HeadMounted

11、Display,HMD)2.1.2 視覺感知設備 在頭盔中LEEP光學系統(tǒng)實現(xiàn)立體視覺的根本原理：a為單眼視覺的原理，圖中可見虛像比屏幕離開眼睛更遠。b為立體視覺的原理。圖中的一個目標點，在兩個屏幕上的像素分別為A1和A2。它們在屏幕上的位置之差，就是立體視差。這兩個像素的虛像分別為B1和B2。雙目視覺的融合，人就感到這個目標點在C點，就是感覺的點。2022/7/9221. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺感知設備LEEP鏡片的光學模型單眼光學模型2022/7/9231. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺感

12、知設備LEEP鏡片的光學模型雙眼立體光學模型2022/7/9241. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺感知設備 在頭盔中有立體顯示和平面顯示兩種顯示方式。立體顯示的VR系統(tǒng)，為兩眼分別計算具有視差的不同的圖像。平面顯示的VR系統(tǒng)，為兩眼提供相同的圖像。 2022/7/9251. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺感知設備頭盔顯示器的顯示技術立體顯示2022/7/9261. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺感知設備頭盔顯示器的顯示技術平面顯示2022/7/9271.

13、頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺感知設備 對于HMD系統(tǒng)，根據(jù)顯示外表的不同，頭盔顯示器主要分為基于LCD頭盔顯示器、基于CRT頭盔顯示器和基于VRD頭盔顯示器。 2022/7/9281. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺感知設備1基于LCD的頭盔顯示器 以低電壓產(chǎn)生彩色圖像，但只具有很低的圖像清晰度。在頭盔顯示中，要求笨重的光學設備形成高質(zhì)量圖像。 市場出售的頭盔式顯示器幾乎全部依靠TV電視機質(zhì)量的液晶顯示。在VR和遙操作領域，不要求大區(qū)域顯示。只要求緊湊的輕便的高分辨率顯示。LCD顯示器有待提高其分辨率

14、。 2022/7/9291. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺感知設備1基于LCD的頭盔顯示器各 種 類 型 的 LED 頭 盔 顯 示 器2022/7/9301. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺感知設備2基于CRT的頭盔顯示器 基于CRT的頭盔顯示器是使用電子快門等技術實現(xiàn)雙眼立體顯示的，提供小的高分辨率、高亮度的單色顯示。但其CRT較重、存有高電壓、佩戴較危險，視場較小，缺乏沉浸感。組合的技術途徑可產(chǎn)生高質(zhì)量彩色圖像，并減少重量和價格。近期的途徑是把高質(zhì)量彩色的基于CRT的HMD頭盔顯示器引入市場，它

15、使用了加于單色CRT的機械電子彩色濾光技術。這種途徑中，CRT以三倍正常速率掃描，并依次加上紅、綠、蘭三色的濾光器。2022/7/9311. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺感知設備2基于CRT的頭盔顯示器基于CRT的頭盔產(chǎn)品2022/7/9321. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺感知設備3基于VRD的頭盔顯示器 VRD是直接把調(diào)制的光線投射在人眼的視網(wǎng)膜上，產(chǎn)生光柵化的圖像。觀看者的幻覺是，感到這個圖像是在前方2英尺遠處的14英寸監(jiān)視器上。實際上，圖像是在眼的視網(wǎng)膜上。圖像質(zhì)量很高，有立體感，全彩色，寬

16、視場，無閃爍。 VRD的工作原理：源圖像是要求顯示的圖像。調(diào)制的光源是紅綠藍三基色的光源。水平和垂直掃描器根據(jù)源圖像對于光源進行掃描。經(jīng)過光學鏡頭，在人的視網(wǎng)膜上成像。 2022/7/9331. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺感知設備3基于VRD的頭盔顯示器VRT顯示工作原理2022/7/9341. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺感知設備3基于VRD的頭盔顯示器主要特點：很小很輕的眼鏡; 大于120度的大視場;適應人類視覺的高分辨率;有更高彩色分辨率的全彩色;適用于室外的高亮度; 很低的功率消耗;有深度

17、感的真正的立體顯示;具有看穿的顯示方式。2022/7/9352. 立體眼鏡顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備 立體眼鏡顯示系統(tǒng)的設備包括立體圖像顯示器和立體眼鏡。每個用戶佩戴一副立體眼鏡來觀看顯示器。立體圖像顯示器通過專門設計，以兩倍于正常掃描的速度刷新屏幕。 2022/7/9362. 立體眼鏡顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備 立體眼鏡顯示系統(tǒng)的設備包括立體圖像顯示器和立體眼鏡。每個用戶佩戴一副立體眼鏡來觀看顯示器。立體圖像顯示器通過專門設計，以兩倍于正常掃描的速度刷新屏幕。 2022/7/9372. 立體眼鏡顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備 立體眼鏡顯示系統(tǒng)的設備包括立體圖像顯示器和立體眼鏡。

18、每個用戶佩戴一副立體眼鏡來觀看顯示器。立體圖像顯示器通過專門設計，以兩倍于正常掃描的速度刷新屏幕。采用分時顯示技術，計算機給顯示器交替發(fā)送兩幅有輕微偏差的圖像。顯示器采用兩倍于60Hz的刷新率 ，這樣保證了左右眼視圖的刷新率保持60Hz，且圖像也穩(wěn)定。2022/7/9382. 立體眼鏡顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備 立體眼鏡是為了實現(xiàn)立體視覺，即讓雙眼分別只能看到對應的左右視圖。 目前主要有兩類立體眼鏡：有源立體眼鏡主動立體眼鏡，無源立體眼鏡被動立體眼鏡。2022/7/9392. 立體眼鏡顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備有源立體眼鏡：鏡框上裝有電池及液晶調(diào)制器控制的鏡片。立體顯示器有紅外線發(fā)

19、射器，根據(jù)顯示器顯示左右眼視圖的頻率發(fā)射紅外線控制信號。液晶調(diào)制器接收紅外線控制器發(fā)出的信號，通過調(diào)節(jié)左右鏡片上液晶光柵來控制開或者關，即控制左右鏡片的透明或不透明狀態(tài)。當顯示器顯示左眼視圖時，發(fā)射紅外線控制信號至有源立體眼鏡，使有源立體眼鏡的右眼鏡片處于不透明狀態(tài)，左眼鏡片處于透明狀態(tài)。如此輪流切換鏡頭的通斷，使左右眼睛分別只能看到顯示器上顯示的左右視圖。有源系統(tǒng)的圖像質(zhì)量好，但價格昂貴，且工作范圍受限。2022/7/9402. 立體眼鏡顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備無源立體眼鏡：無源立體眼鏡通常根據(jù)光的偏振原理設計的。每一個偏振片中的晶體物質(zhì)排列整體形成如同光柵一樣的極細窄縫，使只有振動

20、方向與窄縫方向相同的光通過，成為偏振光。當光通過第一個偏振片時就形成偏振光，只有當?shù)诙€偏振光片與第一個窄縫平行時才能通過，如果垂直那么不能通過。2022/7/9412. 立體眼鏡顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備光的偏振原理圖2022/7/9422. 立體眼鏡顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備無源立體眼鏡：通常立體眼鏡的左右鏡片是兩片正交偏振片，分別只能容許一個方向的偏振光通過。顯示器顯示屏前安裝一塊與顯示屏同樣尺寸的液晶立體調(diào)制器，顯示器顯示的左右眼視圖經(jīng)液晶立體調(diào)制器后形成左偏振光和右偏振光，然后分別透過無源立體眼鏡的左右鏡片，實現(xiàn)左右眼睛分別只能看到顯示器上顯示的左右視圖的目的。由于無源立

21、體眼鏡價格低廉，且無需接受紅外控制信號，因此適用于觀眾較多的場合。2022/7/9432. 立體眼鏡顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備無源立體眼鏡：其鏡片也可以是濾色片。利用濾色片能吸收其他的光線，只能讓與濾色片相同色彩的光透過的特點來設計。常用的是紅綠濾色片眼鏡。其原理是在進行電影拍攝時，先模擬人的雙眼位置從左右兩個視角拍攝出兩個影像，然后分別以紅、綠濾光片投影重疊印在同一畫面上，制成一條電影膠片。放映時可用普通放映機在一般漫反射銀幕上放映，但觀眾需戴紅綠濾色眼鏡。使通過紅鏡片的眼睛只能看到紅色影像，通過綠色鏡片的眼睛只能看到綠色影像，實現(xiàn)立體電影。2022/7/9442. 立體眼鏡顯示系統(tǒng)2

22、.1.2 視覺感知設備CrystalEyes 32022/7/9453. 洞穴式立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備洞穴式立體顯示系統(tǒng)是使用投影系統(tǒng)，投射多個投影面，形成房間式的空間結構，使得圍繞觀察者具有多個圖像畫面顯示的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，增強了沉浸感。此系統(tǒng)首先由伊利諾斯大學芝加哥校區(qū)的電子可視化實驗室創(chuàng)造的。2022/7/9463. 洞穴式立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備 CAVE空間結構 2022/7/9473. 洞穴式立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備CAVE結構示意圖 2022/7/9483. 洞穴式立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備 CAVE系統(tǒng)是一個立方體結構，圖中所示的版

23、本有4個CRT投影儀：前面1個，左右側各1個，地面1個。每個投影儀都由來自一個4通道計算機的不同圖形流信號驅(qū)動。三個豎直的面板使用背投，投影儀旋轉在四周的地板上，通過鏡面反射圖像。地面顯示器上顯示的圖像由安裝在CAVE上面的投影儀產(chǎn)生，通過一個鏡面反射下來。這個鏡面用在一起，以減少接縫處的不連續(xù)性；投影儀之間保持同步，以減少閃動。戴著立體眼鏡的用戶，能夠看到一個非常逼真的三維場景，包括那些看上去好似是從地面中長出來的對象。2022/7/9493. 洞穴式立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備浙江大學的4面CAVE系統(tǒng)2022/7/9504. 響應工作臺立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備 響應工

24、作臺立體顯示系統(tǒng)是計算機通過多傳感器交互通道向用戶提供視覺、聽覺、觸覺等多模態(tài)信息，具有非沉浸式、支持多用戶協(xié)同工作的立體顯示裝置。類似于繪圖桌形式的背投式顯示器，其顯示屏類似于繪圖桌面的尺寸約為2m1.2m或略小,通常采用主動式立體顯示方式。2022/7/9514. 響應工作臺立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備2022/7/9524. 響應工作臺立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備 由上可知，工作臺由CRT投影儀、一個大的反射鏡和一個具有散射功能的顯示屏組成。響應工作臺前部為水平放置的顯示屏，顯示屏下面安裝一個大的反射鏡，后部桌面下安裝一臺CRT投影儀。投影儀將立體圖像投影到反射鏡面上，再

25、由反射鏡將圖像反射到顯示屏上，顯示屏通過漫散射向屏上反射。工作臺立體顯示裝置為防止外面的光被鏡面反射，通常將CRT投影儀合成在工作臺的外殼中。佩戴立體眼鏡，坐在顯示器周圍的多個用戶，可以同時在立體顯示屏中看到三維對象浮在工作臺上面，虛擬景象具有較強立體感。2022/7/9534. 響應工作臺立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備 因為工作臺是水平的，用戶對面比較高的三維對象會被剪掉這就是所謂的立體倒塌效果。因此引入傾斜機制手工的或者機動的的工作臺?？梢蕴幱谒胶痛怪敝g的任意傾斜角度。另一種選擇是所謂的L型工作臺，例如V-Desk 6。桌面不是機動的，而是引入了兩塊固定的屏幕和兩個CRTBarc

26、o投影儀。頂部的投影儀瞄準豎直的屏幕，第二個投影儀的圖像被放置在顯示器較低局部的鏡面反射出去。其結果是在一個非常緊湊的外殼中創(chuàng)立立體觀察體，允許少數(shù)幾個用戶與三維場景交互。2022/7/9544. 響應工作臺立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備V-Desk 6工作示意圖2022/7/9555. 墻式立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備 類似于放映電影形式的背投式顯示的墻式立體顯示系統(tǒng)，采用大屏幕投影顯示器組成。由于屏幕大，容納的人數(shù)多，以適用于教學和成果演示。目前常用的墻式立體顯示系統(tǒng)包括單通道立體投影系統(tǒng)和多通道立體投影系統(tǒng)。2022/7/9565. 墻式立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備

27、單通道立體投影系統(tǒng)2022/7/9575. 墻式立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備 單通道立體投影系統(tǒng)主要由專業(yè)的虛擬現(xiàn)實工作站、立體投影系統(tǒng)、立體轉換器、VR立體投影軟件系統(tǒng)、VR軟件開發(fā)平臺和三維建模工具軟件等幾個局部。該系統(tǒng)通過以一臺圖形工作站為實時驅(qū)動平臺，兩臺疊加的立體專業(yè)LCD投影儀作為投影主體。在顯示屏上顯示一副高分辨率的立體投影影像。2022/7/9585. 墻式立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備 平面立體多通道虛擬現(xiàn)實投影系統(tǒng)是一種半沉浸式的VR可視協(xié)同環(huán)境。系統(tǒng)采用巨幅平面投影結構，來增強沉浸感，配備了完善的多通道聲響及多維感知性交互系統(tǒng)，充分滿足虛擬現(xiàn)實技術的視、聽、

28、觸等多感知應用需求，是理想的設計、協(xié)同和展示平臺。它可根據(jù)場地空間的大小靈活地配置兩個、三個甚至是假設干個投影通道，無縫地拼接成一幅巨大投影幅面、極高分辨率的二維或三維立體圖像，形成一個更大的虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)環(huán)境。2022/7/9595. 墻式立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備 環(huán)幕投影系統(tǒng)是采用環(huán)形的投影屏幕作為仿真應用的顯示載體，具有多通道虛擬現(xiàn)實投影顯示系統(tǒng)。具有較強的沉浸感。該系統(tǒng)以多通道視景同步技術、多通道亮度和色彩平衡技術，以及數(shù)字圖像邊緣融合技術為支撐，將三維圖形計算機生成的三維數(shù)字圖像實時地輸出并顯示在一個超大幅面的環(huán)形投影幕墻上，并以立體成像的方式呈現(xiàn)在觀看者的眼前，使佩戴

29、立體眼鏡的觀看者和參與者獲得一種身臨其境的虛擬仿真視覺感受。2022/7/9605. 墻式立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備 環(huán)幕投影系統(tǒng)根據(jù)環(huán)形幕半徑的大小，通常有120、135、180、240、270、360弧度不等的環(huán)幕系統(tǒng)。由于其屏幕的顯示半徑巨大，該系統(tǒng)通常用于一些大型的虛擬仿真應用。例如，虛擬戰(zhàn)場仿真、數(shù)字城市規(guī)劃、三維地理信息系統(tǒng)等大型場景仿真環(huán)境，近年來開始向展覽展示、工業(yè)設計、教育培訓、會議中心等專業(yè)領域開展。2022/7/9615. 墻式立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備環(huán)幕投影系統(tǒng)2022/7/9626. 裸體立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備 裸體立體顯示系統(tǒng)：顯

30、示技術結合雙眼的視覺差和圖片三維的原理，自動生成兩幅圖片，一副給左眼看，另一幅給右眼看，使人的雙眼產(chǎn)生視覺差異。由于雙眼觀看液晶的角度不同，因此不用戴上立體眼鏡就可以看到立體的圖像。2022/7/9636. 裸體立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備立體液晶顯示器2022/7/9646. 裸體立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備 美國DTI公司首先推出的15英寸2021XLS 3D液晶顯示器, 采用了一種被稱為視差照明parallax illumination的開關液晶技術實現(xiàn)了裸體立體顯示效果。2022/7/9656. 裸體立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備2022/7/9666. 裸體立體

31、顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備 裸體立體顯示系統(tǒng)的雙眼影像，以每秒60張的速度產(chǎn)生，分別被傳送到不同區(qū)域的像素區(qū)塊，奇數(shù)區(qū)塊代表左眼影像，偶數(shù)區(qū)塊那么代表右眼。而在標準LCD背光板與LCD屏幕本體之間參加的一個TNTwisted Nematic扭曲向列型上，垂直區(qū)塊那么會根據(jù)需要顯示哪一幅影像，相應照亮奇數(shù)或偶數(shù)的區(qū)塊，人的左眼只能看到左眼影像，右眼只會看到右眼影像，從而在大腦中形成一個縱深的真實世界。當然此顯示器也可以工作在二維狀態(tài)下。2022/7/9676. 裸體立體顯示系統(tǒng)2.1.2 視覺感知設備2022/7/9682.2 聽覺感知設備概述2022/7/9692.2.1 人類聽覺模型1

32、聽覺生理結構 2022/7/9702.2.1 人類聽覺模型1聽覺生理結構 人耳是聽覺器官的統(tǒng)稱，與人的眼睛的視覺機構的復雜程度差不多。人耳聽覺機構由具有不同作用的3局部組成，即外耳、中耳和內(nèi)耳。 外耳包括耳廓和外耳道，主要負責定向收集聲波；中耳包括鼓膜、聽骨鏈、鼓室、咽鼓管等機構，主要把外耳收集到的聲音傳遞給內(nèi)耳，并保護內(nèi)耳的作用；內(nèi)耳包括半規(guī)管、前庭、耳蝸三局部，負責放大、濾波和提取聲音特征并傳遞給大腦，其中耳蝸主要起到感聲作用。2022/7/9712聽覺因素 頻率范圍 人耳可感知的頻率范圍約20Hz到20kHz。隨年齡增加，頻率范圍縮小，特別是高頻段。其中，人耳平均分辨能力最靈敏的頻段是1

33、kHz到3kHz之間的頻率，當頻率從1kHz變化到1003Hz時，耳朵就能夠覺察出頻率的變化。在低于1kHz時，人耳能平均分辨能力略弱，需要變化約10Hz，才能覺察到。而在16kHz到20kHz這一頻段時，人耳的分辨能力就更差了。2.2.1 人類聽覺模型2022/7/9722聽覺因素 聲音定位 根據(jù)跟蹤人的頭進行相關研究得出，一般情況人腦識別聲源位置，是利用經(jīng)典的“雙工理論。即兩耳收到的聲音的時間差異和強度差異。 時間差異是指聲音到達兩個耳朵的時間之差。 強度差異指聲音到達兩耳的強度上的差異。 強度差對高頻率聲音定位特別靈敏，而時間差對低頻率聲音定位相對靈敏。所以，只要到達兩耳的聲音存在時間差

34、或者強度差，人就會判斷出聲源的方向。2.2.1 人類聽覺模型2022/7/9732聽覺因素 聲音的掩蔽一個較弱的聲音(被掩蔽音)的聽覺感受被另一個較強的聲音(掩蔽音)影響的現(xiàn)象稱為人耳的“掩蔽效應。一般分為兩種類型：頻域掩蔽和時域掩蔽。頻域掩蔽是指掩蔽聲與被掩蔽聲同時作用時發(fā)生掩蔽效應，又稱同時掩蔽。掩蔽聲在掩蔽效應發(fā)生期間一直起作用，是一種較強的掩蔽效應。通常，頻域中強音會掩蔽與之同時發(fā)聲的附近的弱音，弱音離強音越近，越容易被掩蔽；除此之外，低頻的音容易掩蔽高頻的音。2.2.1 人類聽覺模型2022/7/9742聽覺因素 聲音的掩蔽時域掩蔽是指掩蔽效應發(fā)生在掩蔽聲與被掩蔽聲不同時出現(xiàn)時，又稱

35、異時掩蔽。異時掩蔽又分為超前掩蔽和滯后掩蔽。假設掩蔽聲音出現(xiàn)之前的一段時間內(nèi)發(fā)生掩蔽效應，那么稱為超前掩蔽；否那么稱為滯后掩蔽。產(chǎn)生時域掩蔽的主要原因是人的大腦處理信息需要花費一定的時間，異時掩蔽也隨著時間的推移很快會衰減，是一種弱掩蔽效應。一般情況下，超前掩蔽只有5ms到20ms，而滯后掩蔽卻可以持續(xù)50ms到100ms。2.2.1 人類聽覺模型2022/7/9752聽覺因素 頭部有關的傳遞函數(shù) 1974年Plenge認為，通過改變進入耳朵的聲音的形式，會產(chǎn)生外部的聲音舞臺的感覺。對于耳機特別是插入式耳塞，使人感覺的聲音舞臺是內(nèi)部的。如果耳機的左右通道人為地進行電子設備構成聲音，那么讓人會感

36、覺聲音在外部的真實性。為此要求知道聲音的形狀，也就是知道由聲源到耳內(nèi)部的傳遞函數(shù)。這個由聲源到耳內(nèi)部的傳遞函數(shù)稱為頭部有關的傳遞函數(shù) (Head-related transfer functions, HRTF)，它反映頭和耳對傳聲的影響，不同的人有不同的HRTF。2.2.1 人類聽覺模型2022/7/9762聽覺因素 頭部有關的傳遞函數(shù) HRTF的測量方法如下： 在一個聲音隔絕的測量環(huán)境中，對空間每個位置設置一個聲源，安放在耳中接近耳膜的小麥克風測量收到的信號。信號經(jīng)過處理，補償非線性頻率響應。判斷出聲源到麥克風的聲音傳遞的傳遞函數(shù)HRTF。2.2.1 人類聽覺模型2022/7/9772.2

37、.2 聽覺感知設備1聽覺感知設備的特性 在人的聽覺模型中得知，聽覺的根本就是三維聲音的定位。所以，對于聽覺感知設備其最核心的技術就是三維虛擬聲音的定位技術。1全向三維定位特性2三維實時跟蹤特性2022/7/9782.2.2 聽覺感知設備2聽覺感知設備 聽覺感知設備主要有耳機和揚聲器兩種。1耳機2022/7/9792.2.2 聽覺感知設備2聽覺感知設備 聽覺感知設備主要有耳機和揚聲器兩種。2揚聲器 又稱“喇叭。是一種十分常用的電聲轉換器件，它是一種位置固定的聽覺感知設備。大多數(shù)情況下能很好地用于給一組人提供聲音，但也可以在基于頭部的視覺現(xiàn)實設備中使用揚聲器。2022/7/9802.2.2 聽覺感

38、知設備2聽覺感知設備 聽覺感知設備主要有耳機和揚聲器兩種。2揚聲器 環(huán)繞立體聲是使用多個固定揚聲器表現(xiàn)3D空間化聲音的結果。環(huán)繞立體聲的研究一直在進行。最有名的使用非耳機的系統(tǒng)是CAVE。它使用四個同樣的揚聲器，安在天花板的四角上，而且其幅度變化衰減可以仿真方向和距離效果。在正在開發(fā)的系統(tǒng)中，揚聲器安在長方體的八個角上，而且把反射和高頻衰減參加用于空間定位的參數(shù)中。這項技術的實現(xiàn)有一定的難度，主要是因為兩個耳朵都能聽見來自每個揚聲器的聲音。2022/7/9812.3 觸覺和力反響設備2022/7/9822.3.1 觸覺和力反響模型 觸覺反響稱為接觸反響，是指來自皮膚外表敏感神經(jīng)傳感器的觸感。包

39、括接觸外表的幾何結構、外表硬度、滑動和溫度等實時信息。 力反響是指身體的肌肉、肌腱和關節(jié)運動或收緊的感覺。提供對象的外表柔順性、對象的重量和慣性等實時信息。它主要抵抗用戶的觸摸運動，并能阻止該運動。 觸覺和力反響是人類感覺器官的重要組成局部，是通過傳送一類非常重要的感官信息，幫助用戶利用觸覺來識別環(huán)境中的對象，并通過移動這些對象執(zhí)行各種各樣的任務。一般分為兩類。2022/7/9832.3.1 觸覺和力反響模型 觸覺和力反響是人類感覺器官的重要組成局部，是通過傳送一類非常重要的感官信息，幫助用戶利用觸覺來識別環(huán)境中的對象，并通過移動這些對象執(zhí)行各種各樣的任務。一般分為兩類。 一類是在探索某個環(huán)境

40、時，利用觸覺和力覺信息去識別所探索對象和對象的位置和方向。 另一類是利用觸覺和力覺去操縱和移動物體以完成某種任務。2022/7/9842.3.1 觸覺和力反響模型對虛擬接觸反響和力反響提出以下要求。1實時性要求。2平安性保障。3輕便和舒適的特點。2022/7/9852.3.2 觸覺反響設備 按照觸覺反響的原理，手指觸覺反響裝置可以分為5類： 基于視覺式、充氣式、振動式、電刺激式和神經(jīng)肌肉刺激式的裝置。2022/7/9862.3.2 觸覺反響設備1充氣式觸覺反響裝置 充氣式觸覺反響裝置的工作原理是在數(shù)據(jù)手套中配置一些微小的氣泡，每一個氣泡都有兩條很細的進氣和出氣管道，所有氣泡的進/出氣管匯總在一

41、起與控制器中的微型壓縮泵相連接。根據(jù)需要采用壓縮泵對氣泡來充氣和排氣。充氣時，微型壓縮泵迅速加壓，使氣泡膨脹而壓迫刺激皮膚到達觸覺反響的目的。2022/7/9872.3.2 觸覺反響設備1充氣式觸覺反響裝置 2022/7/9882.3.2 觸覺反響設備1充氣式觸覺反響裝置 缺點：首先，在制作數(shù)據(jù)輸入手套時，很難設計出一種適合于所有用戶的設備；第二，硬件使用麻煩，難于維護，非常脆弱。填充和排空氣泡的響應時間很慢，特別是基于氣壓的系統(tǒng)更是如此。由于這些固有的缺點導致了Teletact系列手套不再生產(chǎn)。2022/7/9892.3.2 觸覺反響設備2振動式觸覺反響裝置 振動式觸覺反響裝置是通過將振動鼓

42、勵器集成在手套輸入設備中。典型的兩種為探針陣列式和輕型形狀記憶合金的振動觸覺反響設備。2022/7/9902.3.2 觸覺反響設備2振動式觸覺反響裝置 探針陣列式振動式觸覺反響裝置的工作原理是利用音圈類似于揚聲器中帶動紙盒振動的音圈產(chǎn)生的振動刺激皮膚到達觸覺反響的目的。這一裝置的原理是在傳感手套中把兩個音圈裝在拇指和食指的指尖上，音圈由調(diào)幅脈沖來驅(qū)動，接受來自PC機仿真觸覺的模擬信號的調(diào)制，模擬信號經(jīng)功率放大后送音圈。2022/7/9912.3.2 觸覺反響設備2振動式觸覺反響裝置 另一種振動式觸覺反響裝置的系統(tǒng)是采用輕型的記憶合金SMM，Shape Memory Metal作為傳感器的裝置。

43、Johnson取得專利制造出一個輕型“可編程接觸仿真器，他使用輕型的形狀記憶合金SMM驅(qū)動器，來減少重量。 形狀記憶合金是鋅鐵記憶合金，一種特殊的元件。當記憶合金絲通電、加熱時，因焦耳效應發(fā)射，合金將收縮，當電流中斷時，記憶合金絲冷卻下來，恢復原始形狀。2022/7/9922.3.2 觸覺反響設備2振動式觸覺反響裝置 記憶合金觸覺反響裝置2022/7/9932.3.2 觸覺反響設備2振動式觸覺反響裝置 記憶合金觸覺反響裝置2022/7/9942.3.3 力反響設備 力反響設備是運用先進的技術手段跟蹤用戶身體的運動，將其在虛擬物體的空間運動轉換成對周邊物理設備的機械運動，并施加力給用戶，使用戶能

44、夠體驗到真實的力度感和方向感，給用戶提供一個立即的，高逼真的，可信的真實交互。在實際應用中常見的力反響設備有力反響鼠標、力反響操縱桿、力反響手臂以及力反響手套。2022/7/9952.3.3 力反響設備1力反響鼠標 力反響鼠標FEELit Mouse是給用戶提供力反響信息的鼠標設備。用戶使用力反響鼠標像使用普通鼠標一樣移動光標。不同的是，當使用力反響鼠標時，光標就變成了用戶手指的延伸。光標所觸到的任何東西，感覺就像用戶用手觸摸到一樣。它能夠感覺到物體真實的質(zhì)地、外表紋理、彈性、液體、摩擦，磁性和振動。例如，當用戶移動光標進入一個虛擬障礙物時，這個鼠標就對人手產(chǎn)生反作用力，阻止這種虛擬的穿透。因

45、為鼠標阻止光標穿透，用戶就感到這個障礙物像一個真的硬物體，產(chǎn)生與硬物體接觸的幻覺。2022/7/9962.3.3 力反響設備1力反響鼠標 力反響鼠標Wingman2022/7/9972.3.3 力反響設備2力反響操縱桿 力反響操縱桿裝置是一種桌面設備，結構簡單、重量輕、價格低和便于攜帶是它的優(yōu)點。以下圖為1993年Schmult和Jebens創(chuàng)造的“高性能力反響操縱桿示意圖。它有一操縱桿架在兩個驅(qū)動軸上，每一鏈桿上有一可調(diào)整軸承，提供旋轉和滑動，其目的是為了補償兩個馬達軸不能精確成直角相交。鏈桿與電位計相連，而電位計那么由精密軸承制支撐。兩個馬達有四極永磁轉子，直接安裝在電位計軸上。操作桿以伺

46、服方式工作，也可用作位置輸入工具相對或絕對。由于其具有較高帶寬，可以產(chǎn)生許多力和接觸感，如恒定力、脈沖、振動和剛度變化。2022/7/9982.3.3 力反響設備2力反響操縱桿 2022/7/9992.3.3 力反響設備3力反響手柄 力反響手柄是較簡單的力反響設備。它只有三個自由度，功能有限。為了增加仿真的靈活性，力反響手臂的仿真接口有一定的改進。2022/7/91002.3.3 力反響設備3力反響手柄 力反響手臂的設計主要是用來仿真物體重量、慣性、以及與剛性物體接觸對人手產(chǎn)生的力反響。力反響手臂都具有嵌入式位置傳感器和電子反響驅(qū)動器設備，控制回路經(jīng)過主計算機閉合，不適合在戶外使用和安裝。因此

47、，其經(jīng)常被更小巧的個人觸覺接口Personal Haptic Interface Mechanism，簡稱PHANToM所取代。接口的主部件是一個末端帶有鐵筆的力反響臂。有六個自由度，其中三個是活潑的，提供平移力反響。鐵筆的朝向是被動的，因此不會有轉矩作用在用戶的受傷。力反響臂的工作空間接近用戶的手腕活動空間，用戶的前臂放在一個支撐物上。2022/7/91012.3.3 力反響設備3力反響手柄 (a) 手臂反響運動機構 (b) 系統(tǒng)配置圖 力反響手臂裝置示意圖2022/7/91022.3.3 力反響設備3力反響手柄 (a) PHANToM力反響手臂外觀 (b) 力反響系統(tǒng) PHANToM桌面力

48、反響臂2022/7/91032.3.3 力反響設備4力反響手套 力反響操縱手臂，操作桿和鼠標的共同特點是設備需放在臺上或地面上，且只在手腕上產(chǎn)生模擬的力，所以限制其使用范圍。而對那些靈活性要求比較高的任務，可能需要獨立控制每個手指上模擬的力，那么需要另一類重要的力反響設備，就是安裝在人手上的力反響手套。2022/7/91042.3.3 力反響設備4力反響手套 CyberGrasp手套2022/7/91052.3.3 力反響設備4力反響手套 CyberGrasp的工作外觀2022/7/91062.4 位置跟蹤設備2022/7/91072.4.1 位置跟蹤設備概述 位置跟蹤設備主要是三維位置跟蹤器

49、，是利用相應的傳感器設備在三維空間中對活動對象進行探測并返回相應的三維信息。2022/7/91082.4.1 位置跟蹤設備概述1六自由度 在理論力學中，物體的自由度是確定物體的位置所需要的獨立坐標數(shù)，當物體受到某些限制時自由度減少。假設將質(zhì)點限制在一條直線或一條曲線上運動，它的位置用一個參數(shù)可以表示，所以質(zhì)點的運動只有一個自由度，即i為1。假設將質(zhì)點限制在一個平面或一個曲面上運動，位置由兩個獨立坐標來確定，它有兩個自由度，i為2。假設質(zhì)點在空間自由運動，位置由三個獨立坐標來確定，i為3。2022/7/91092.4.1 位置跟蹤設備概述1六自由度物體運動的自由度2022/7/91102.4.1

50、 位置跟蹤設備概述1六自由度 物體在三維空間中運動時，其具有的6個自由度，i為6，包括三個平移運動方向和三個旋轉運動方向。物體可以前后(沿x軸)、上下(沿y軸)和左右(沿z軸)運動，稱為平移運動；另外，物體還可以圍繞著任何一個坐標軸做旋轉運動。借用飛機術語，這些旋轉運動稱為滾動(繞x軸)、偏航(繞y軸)、和傾斜(繞z軸)。2022/7/91112.4.1 位置跟蹤設備概述2位置跟蹤器的性能參數(shù) 在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，對用戶的實時跟蹤和接受用戶動作指令的交互技術的實現(xiàn)主要依賴于各種位置跟蹤器，它們是實現(xiàn)人機之間的溝通的極其重要的通信手段，是實時處理的關鍵技術。那么通常位置跟蹤器有以下幾個方面的性能參

51、數(shù)： 精度和分辨率、響應時間、魯棒性和抗干擾能力、合群性等。2022/7/91122.4.2 機械式位置跟蹤設備 機械式位置跟蹤設備是較古老的一種跟蹤方式，使用連桿裝置組成。其工作原理是通過機械連桿上多個帶有精密傳感器的關節(jié)與被測物體相接觸的方法來檢測其位置變化。對于一個六自由度的跟蹤設備，機械連桿必須有6個獨立的機械連接部件，分別對應6個自由度，可將任何一種復雜的運動用幾個簡單的平動和轉動組合來表示。2022/7/91132.4.2 機械式位置跟蹤設備機械式跟蹤設備的裝置示意圖2022/7/91142.4.2 機械式位置跟蹤設備 機械式位置跟蹤設備分為兩類： 一類是“安在身體上的的機械式位置

52、跟蹤設備。這類設備將機械全部安在身上，稱為人體的外骨骼，用作關節(jié)角的測量。 另一類為“安在地面上的機械式位置跟蹤設備。大自由度末端跟蹤的機械局部，包括驅(qū)動器等安裝在地面上。操作者牢固地抓住手操作器，或者頭盔牢固地縛在頭上就可以完成測量。2022/7/91152.4.3 電磁式位置跟蹤設備 電磁式位置跟蹤設備是利用磁場的強度來進行位置和方位跟蹤的。一般來說，電磁式位置跟蹤設備包括幾個發(fā)射器，與一些接受器，接口和計算機。電磁場由發(fā)射器發(fā)射，接收器接收到這個電磁場后，轉換成電信號，并將此信號送到計算機，經(jīng)計算機中的控制部件計算后，得出跟蹤目標的數(shù)據(jù)。多個信號綜合后可得到被跟蹤物體的6個自由度數(shù)據(jù)。2

53、022/7/91162.4.3 電磁式位置跟蹤設備 根據(jù)所發(fā)射磁場的不同，電磁式位置跟蹤設備可分為交流電發(fā)射器型與直流電發(fā)射器型。 交流電發(fā)射器由3個互相垂直的線圈組成，當交流電在3個線圈中通過時，就產(chǎn)生互相垂直的3個磁場分量，在空間傳播。接收器也由3個互相垂直的線圈組成，當有磁場在線圈中變化時，就在線圈上產(chǎn)生一個感應電流，接收器感應電流強度與其距發(fā)射器的距離有關。通過電磁學計算，可產(chǎn)生9個感應電流3個感應線圈分別對3個發(fā)射線圈磁場感應產(chǎn)生9個電流計算出發(fā)射器和接收器之間的角度和距離。2022/7/91172.4.3 電磁式位置跟蹤設備 根據(jù)所發(fā)射磁場的不同，電磁式位置跟蹤設備可分為交流電發(fā)射

54、器型與直流電發(fā)射器型。 直流電發(fā)射器也由3個互相垂直的線圈組成。不同的是它發(fā)射的是一串脈沖磁場，即磁場瞬時從零跳變到某一強度，再跳變回零，如此循環(huán)形成一個開關式的磁場向外發(fā)射。感應線圈接受這個磁場，再經(jīng)過一定的處理后，就可得出跟蹤物體的位置和方向。2022/7/91182.4.3 電磁式位置跟蹤設備磁跟蹤器安裝在數(shù)據(jù)手套上的示意圖2022/7/91192.4.3 電磁式位置跟蹤設備Fastrak跟蹤器2022/7/91202.4.3 電磁式位置跟蹤設備Flock of Birds傳感器2022/7/91212.4.4 超聲波位置跟蹤設備 超聲波位置跟蹤設備一般采用20KHz以上的超聲波，人耳聽

55、不到，不會對人產(chǎn)生干擾，目前是所有跟蹤技術中本錢最低的。它由三個超聲發(fā)射器的陣列由安裝在天花板上的三個超聲揚聲器組成，三個超聲接受器由安裝在被測物體上的三個麥克風組成，以及用于啟動發(fā)射同步信號的控制器三局部組成。以下圖為用于頭部跟蹤的超聲波位置跟蹤設備示意圖。其中穩(wěn)固的小三角架上的三個麥克風仿真在頭盔顯示器上面。當然，對于接受麥克風也可以安裝在三維鼠標、立體眼鏡和其他輸入設備上。2022/7/91222.4.4 超聲波位置跟蹤設備2022/7/91232.4.4 超聲波位置跟蹤設備 根據(jù)不同的測量原理來，超聲波位置跟蹤設備的測量方法分為兩種：飛行時間法Time-of-Flight和相位相干法P

56、hase-Coherent 測量飛行時間法TOF是基于三角測量的。周期性地激活各個發(fā)射器輪流發(fā)出高頻的超聲波，測量到達各個接受點的飛行時間，由此利用聲音的速度得到發(fā)射點與接受點的之間的九個距離，再由三角運算得到被測物體的位置。2022/7/91242.4.4 超聲波位置跟蹤設備 相位相干法PC的工作過程為：在測量相位差的方式中，各個發(fā)射器發(fā)出高頻的超聲波，測量到達各個接受點的相位差來得到點與點的距離，再由三角運算得到被測物體的位置。聲波是正弦波，發(fā)射器與接受器的聲波之間存在相位差，這個相位差也與距離有關。這中測量方法是基于相對距離的，無法得知目標的絕對距離，每步的測量誤差會隨時間而積累。絕對距

57、離必須在初始由其它設備校準。2022/7/91252.4.4 超聲波位置跟蹤設備優(yōu)點是：簡單、經(jīng)濟，不受電磁干擾，不受臨近物體的影響，輕便的接受器易于安裝在被測物體上。缺點是：工作范圍有限，信號傳輸不能受遮擋，受到溫度、氣壓等環(huán)境因素和環(huán)境反射聲波的影響。飛行時間法有低的采樣率和低的分辨率，容易受到噪音聲波的干擾，易適應小范圍內(nèi)工作。相位差法每步的測量誤差會隨時間越來越大，需不斷的調(diào)整初始值。2022/7/91262.4.5 光學式位置跟蹤設備 光學式位置跟蹤設備是使用光學感知來確定對象的實時位置和方向。光學跟蹤器的測量與超聲波位置跟蹤設備類似，基于三角測量。光學式位置跟蹤設備主要包括感光設備

58、接受器，光源發(fā)射器，以及用于信號處理的控制器。用于位置跟蹤的感光設備多種多樣，例如普通攝像機、光敏二極管等。光源可以是環(huán)境光，也可以是使用結構光如激光掃描，或使用脈沖光如激光雷達。為了防止可見光的干擾，通常采用紅外線、激光等作為光源。2022/7/91272.4.5 光學式位置跟蹤設備常用的光學式位置跟蹤設備分為三種： 從外向里看outside-looking-in的跟蹤設備 從里向外看inside-looking-out的跟蹤設備 激光測距光學跟蹤設備。2022/7/91282.4.5 光學式位置跟蹤設備 (a) 從外向里 (b)從里向外 光學跟蹤器的布置2022/7/91292.4.5 光

59、學式位置跟蹤設備 激光測距光學跟蹤設備是將激光發(fā)射到被測物體，然后接收從物體上反射回來的光來測量位置。激光通過一個衍射光柵射到被跟蹤物體上，然后接收經(jīng)物體外表反射的二維衍射圖信號。這種經(jīng)反射的衍射圖信號帶有一定畸變，而這一畸變與距離有關，所以可用作測量距離的一種量度。但由于激光強度在傳播過程中的減弱和激光衍射圖樣變得越來越難以區(qū)別，其精度也會隨距離增加而降低，但它無需在跟蹤目標上安裝發(fā)射/接收器的優(yōu)點，使它具有潛在的開展前景。2022/7/91302.4.6 慣性位置跟蹤設備 慣性位置跟蹤設備是通過盲推dead reckoning得出被跟蹤物體的位置，也就是說完全通過運動系統(tǒng)內(nèi)部的推算，不設計

60、外部環(huán)境就可以得到位置信息。 目前，慣性位置跟蹤設備由定向陀螺和加速計組成。定向陀螺是用來測量角速度，將三個這樣的陀螺儀安裝在互相正交的軸上，可以測量出偏航角、俯仰角和滾動角速度，隨時間的綜合可以得到三個正交軸的方位角。加速計是用來測量三個方向上平移速度的變化，即x，y，z方向的加速度，它是通過彈性器件形變來實現(xiàn)，如圖2.45(b)所示。加速計的輸出需要積分兩次，得到位置。角速度值需要積分一次，得到方位角。2022/7/91312.4.6 慣性位置跟蹤設備 (a)定向陀螺 (b)加速計慣性跟蹤設備2022/7/91322.4.6 慣性位置跟蹤設備 (a) IS300外觀 (b) IS300系統(tǒng)