虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主講：吳慧欣虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主講：吳慧欣第二章虛擬現(xiàn)實(shí)的接口設(shè)備

課前索引

第一節(jié)位姿傳感器

第二節(jié)視覺顯示

第三節(jié)聽覺顯示

第四節(jié)力覺和觸覺顯示

章節(jié)小結(jié)

課后習(xí)題第二章虛擬現(xiàn)實(shí)的接口設(shè)備

課前索引課前索引1．位姿傳感器的作用，不同的技術(shù)及其對比。2．視覺顯示主要的要求，不同的技術(shù)及其對比。3．聽覺顯示的發(fā)聲設(shè)備和聲學(xué)建模的特點(diǎn)。4．力覺和觸覺顯示的技術(shù)要求及實(shí)現(xiàn)方法。課前索引1．位姿傳感器的作用，不同的技術(shù)及其對比。第一節(jié)位姿傳感器第一節(jié)位姿傳感器位姿傳感器的概述位姿傳感器的要求各種位姿跟蹤器的比較研究要求位姿傳感器的概述位姿傳感器的要求位姿傳感器的要求對位姿傳感器的要求有5個(gè)：（1）3-D空間中的運(yùn)動(dòng)的剛體具有三個(gè)平移和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)平移（沿著X、Y和Z軸）轉(zhuǎn)動(dòng)（偏航、俯仰和滾動(dòng)）（2）在物體以高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)該足夠快地測出這六個(gè)數(shù)值。（3）傳感器在3-D測量時(shí)不應(yīng)妨礙物體運(yùn)動(dòng)。非接觸式測量（低頻磁場、超聲、雷達(dá)、紅外攝像和LED等）已經(jīng)代替機(jī)械臂等接觸式測量。位姿傳感器的要求對位姿傳感器的要求有5個(gè)：（4）3-D傳感器都具有一些共同的參數(shù)。例如：采樣率是每秒測量次數(shù)。執(zhí)行時(shí)間是在行為和結(jié)果之間的時(shí)間延遲。傳感器的精度即實(shí)際位置與所測出位置的差。分辨率是傳感器檢測的“粒度”，即檢測的最小的位置變化。（4）3-D傳感器都具有一些共同的參數(shù)。例如：位姿跟蹤常用的性能參數(shù)有：精度，分辨率，采樣率，執(zhí)行時(shí)間，范圍，工作空間，價(jià)格，障礙，方便，對模糊的敏感，容易校準(zhǔn)，同時(shí)測量的數(shù)目，方向相對位置跟蹤。（5）人體各部分之間的相對運(yùn)動(dòng)也應(yīng)該測量。人體并非剛體。上述六個(gè)數(shù)值只能描述人體整體的運(yùn)動(dòng)，各個(gè)部分之間的相對運(yùn)動(dòng)也要測量位姿跟蹤常用的性能參數(shù)有：用于位姿跟蹤和映射的基本傳感系統(tǒng)有哪些？機(jī)械鏈接磁傳感器光傳感器聲傳感器慣性傳感器。用于位姿跟蹤和映射的基本傳感系統(tǒng)有哪些？2各種位姿跟蹤器的比較2各種位姿跟蹤器的比較3研究要求位姿跟蹤器要求合適的性能和合理的價(jià)格。例如對肢體跟蹤，某些光學(xué)傳感器是精確快速的，但對日常應(yīng)用太貴（在5萬到10萬美元范圍），特別是為了防止阻擋和增加工作空間而加倍安裝時(shí)。位姿跟蹤器必須使用某些校準(zhǔn)過程為了得到關(guān)節(jié)角，必須使用某些校準(zhǔn)過程，在肢體上建立坐標(biāo)系。此后的關(guān)節(jié)角計(jì)算將接近真實(shí)的生物機(jī)械角。對整個(gè)人體跟蹤，工作空間大小是重要問題。應(yīng)該能在足夠大的空間跟蹤運(yùn)動(dòng)人體，并且不會損失分辨率，不必?fù)?dān)心遮擋。被跟蹤的人應(yīng)能在建筑中由一個(gè)房間走到另一個(gè)房間。如果人體所有主要部分都被跟蹤，則要求安裝某些東西在人體上（反光器，標(biāo)記，測角器）3研究要求位姿跟蹤器要求合適的性能和合理的價(jià)格。針對性能指標(biāo)的含義及測量方法之間的不一致性，應(yīng)該建立標(biāo)準(zhǔn)。測量方法是在選擇位置跟蹤方法時(shí)最易混淆的一個(gè)問題，問題是性能指標(biāo)的含義及測量方法之間的不一致。應(yīng)建立標(biāo)準(zhǔn)，指出怎樣測精度、分辨率、等待時(shí)間、帶寬、敏感干擾、和起伏。測量設(shè)備應(yīng)商品化，應(yīng)建立獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室，使用戶不至依賴廠家指標(biāo)，而是了解真實(shí)性能。針對性能指標(biāo)的含義及測量方法之間的不一致性，應(yīng)該建立標(biāo)準(zhǔn)。位姿傳感器——機(jī)械式傳感器原理機(jī)械式傳感器可分兩類：

“安在身體上的”機(jī)械跟蹤器中，機(jī)械全部安在身上。測角器

“安在地面上的”機(jī)械跟蹤器中，機(jī)械部分安在地面。機(jī)械鏈接位姿傳感器——機(jī)械式傳感器原理測角器（“安在身體上的”機(jī)械跟蹤器）安在身體上的機(jī)械鏈(外骨骼或測角器)，常用作關(guān)節(jié)角測量與觸覺接口結(jié)合，可形成力反饋外骨骼它是輕便的可移動(dòng)的，有全范圍的運(yùn)動(dòng)測量，因?yàn)榕c肢體運(yùn)動(dòng)有同樣的工作空間。要求使用其它方法跟蹤身體運(yùn)動(dòng)。測量角的使用方法有兩種得到關(guān)節(jié)角得到末端位置測角器與關(guān)節(jié)的校準(zhǔn)是困難的，特別是對多自由度關(guān)節(jié)例如：肩膀由于測角器是肢體外部的外骨骼，所以它的轉(zhuǎn)動(dòng)中心不同于關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心。由于運(yùn)動(dòng)的不一致，在測角器和運(yùn)動(dòng)肢體之間存在著滑動(dòng)。人的關(guān)節(jié)不是完善的鉸鏈關(guān)節(jié)或球關(guān)節(jié)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸隨關(guān)節(jié)角而移動(dòng)。對于測角器，必須研究裝配和測量的問題例如對不同人體的調(diào)整、與關(guān)節(jié)的調(diào)節(jié)、足夠硬的連接、鏈接與肢體的校準(zhǔn)等測角器（“安在身體上的”機(jī)械跟蹤器）安在身體上的機(jī)械鏈(外骨安在地面上的機(jī)械鏈接作用：安在地面上的機(jī)械鏈接主要用于大自由度末端跟蹤，如頭或手的位姿跟蹤。它不會引起上述的關(guān)節(jié)角測量有關(guān)的問題。哪些問題？要求操作者牢固地抓住手操作器，或者要求頭盔牢固地縛在頭上。安在地面上的機(jī)械鏈接比安在身體上的鏈接更容易產(chǎn)生力反饋，因?yàn)轵?qū)動(dòng)器不必安在身體上。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)一：安在地面的機(jī)械鏈接的一個(gè)缺點(diǎn)是操作者被連在地面，工作空間受到限制。即使希望有較長的機(jī)械臂，兩段機(jī)械手臂也限制在約2m。只有在操作者坐著不動(dòng)時(shí)，這才是好的方案。缺點(diǎn)二：另一個(gè)缺點(diǎn)是可測量的自由度數(shù)目受到限制，通常六個(gè)。對于同時(shí)測量多個(gè)臂或測量冗余的鏈接，這都有問題。例如多手指運(yùn)動(dòng)一般不用安在地面的鏈接。此外，人的手臂是冗余的7自由度機(jī)構(gòu)，安在地面的鏈接不能解決這種冗余。

安在地面上的機(jī)械鏈接作用：機(jī)械式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)便宜，比較精確?？梢詼y量整個(gè)身體運(yùn)動(dòng)，沒有延遲?？梢酝瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)力反饋。妨礙身體運(yùn)動(dòng)。機(jī)械式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)機(jī)械式傳感器的產(chǎn)品跟蹤球3-D探頭傳感手套數(shù)據(jù)手套CyberGlovePowerGloveDextrousHandMaster（DHM）（靈巧手設(shè)備）

機(jī)械式傳感器的產(chǎn)品跟蹤球機(jī)械傳感器產(chǎn)品一-------跟蹤球范例跟蹤球Dimension6，安裝有傳感器的球工作原理它測量用戶的手施加在彈性元件上的三個(gè)力和三個(gè)力矩。力和力矩是基于彈性變形定律間接測量的。球的中心部分是固定的，并有六個(gè)發(fā)光二極管。相應(yīng)的六個(gè)光敏傳感器安裝在運(yùn)動(dòng)的外部球。當(dāng)用戶在運(yùn)動(dòng)球上施加力和力矩時(shí)，用六個(gè)光敏傳感器的輸出測量三個(gè)力和三個(gè)力矩。這些力和力矩?cái)?shù)據(jù)經(jīng)過串行口送給主計(jì)算機(jī)。這些值由軟件乘上增益，就得到物體位置和方向的差分變化。增益越大，物體的速度越大，但若主機(jī)不能足夠快的更新屏幕，物體運(yùn)動(dòng)將不平滑。這種方式實(shí)際上是，由用戶的手施加在球上的力和力矩的大小，控制虛擬物體的運(yùn)動(dòng)速度和角速度的大小。跟蹤球上支座上有若干按鍵，可根據(jù)需要安排用途缺點(diǎn)存在傳感器的耦合工作在開環(huán)方式，用戶可以控制物體和環(huán)境間的力，但無反饋機(jī)械傳感器產(chǎn)品一-------跟蹤球范例跟蹤球的外觀以及原理圖跟蹤球的外觀以及原理圖機(jī)械傳感器產(chǎn)品二------3-D探頭第一個(gè)3-D探頭的誕生1993年秋ImmersionCorporation推出的“ImmersionProbe”（沉浸感探頭）。它包括一個(gè)安裝在支座上的，有傳感器的小型機(jī)械臂。這個(gè)探頭有六個(gè)關(guān)節(jié)（關(guān)節(jié)0到關(guān)節(jié)5）。每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)表示一個(gè)自由度，于是探頭有六個(gè)自由度，這允許同時(shí)確定探頭尖端的位置和方向。工作原理尖端相對底座的位置是通過直接動(dòng)力學(xué)計(jì)算，根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)（關(guān)節(jié)角）和機(jī)械鏈長度得到的。主計(jì)算機(jī)上的軟件經(jīng)過RS232接口讀取關(guān)節(jié)傳感器數(shù)據(jù)，然后利用它的動(dòng)力學(xué)模型確定尖端的位置。傳感器的分辨率以及測量速度和精度對探頭“Probe-IC”是0.7°，而對探頭“Probe-IX”是0.35°。測量速度可能達(dá)到200位置/秒，執(zhí)行時(shí)間僅3毫秒。存在誤差的原因是關(guān)節(jié)傳感器的分辨率，溫度變化和關(guān)節(jié)的公差。探頭的誤差會由底座到尖端累積。優(yōu)點(diǎn)它的測量不受磁場干擾，因?yàn)樘筋^是機(jī)械結(jié)構(gòu)。機(jī)械傳感器產(chǎn)品二------3-D探頭第一個(gè)3-D探頭的誕生機(jī)械傳感器產(chǎn)品三-----傳感手套提問：跟蹤球和3-D探頭的優(yōu)點(diǎn)是什么？簡單、緊湊和工作速度快跟蹤球和3-D探頭的缺點(diǎn)是什么？限制了用戶手的運(yùn)動(dòng)范圍，只能在桌子上很小的區(qū)域內(nèi)，手的自然運(yùn)動(dòng)受到影響。我們要求虛擬現(xiàn)實(shí)的I/O工具能處理手在一定空間的自由活動(dòng)，同時(shí)通過感覺單個(gè)手指的運(yùn)動(dòng)，得到更多的自由度。人的手指運(yùn)動(dòng)有三類彎曲—伸直外展—內(nèi)斂前位—復(fù)位機(jī)械傳感器產(chǎn)品三-----傳感手套提問：傳感手套的研究意義？手是人與外界進(jìn)行物理接觸及意識表達(dá)的主要媒介。當(dāng)人與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行交互操作時(shí),傳統(tǒng)的輸入輸出接口設(shè)備,如鍵盤、鼠標(biāo)等只能限制手在桌面上或一個(gè)小區(qū)域內(nèi)進(jìn)行簡單的運(yùn)動(dòng)控制,而表達(dá)意識的大多數(shù)手的自然運(yùn)動(dòng)被犧牲了,妨礙了人們對系統(tǒng)控制意識表達(dá)的全面性與靈活性。數(shù)據(jù)手套可以跟蹤操作者靈活多變的手勢及空間方位,使操作者自然而然地將自己的意識傳送至計(jì)算機(jī)。因此數(shù)據(jù)手套作為一種重要的人機(jī)交互接口,廣泛地應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)的研究領(lǐng)域中。傳感手套的研究意義？傳感手套是為滿足上述要求而設(shè)計(jì)的虛擬現(xiàn)實(shí)工具。商業(yè)化的產(chǎn)品有VPL公司的DataGlove數(shù)據(jù)手套，Vertex的CyberGlove，Mattel的PowerGlove，和ExosDextrousHandMaster靈巧手設(shè)備。工作原理它們都用傳感器測量全部或部分手指關(guān)節(jié)的角度。某些傳感手套還用3-D傳感器跟蹤用戶手腕的運(yùn)動(dòng)。手套的工作區(qū)大于跟蹤球和手柄（探頭）的工作區(qū)。

傳感手套傳感手套---數(shù)據(jù)手套應(yīng)用最多的，應(yīng)用最早的傳感手套至今應(yīng)用最多的傳感手套是VPL公司的數(shù)據(jù)手套DataGlove，它也是第一個(gè)推向市場的。使用的材料傳感手套使用光纖，光纖安裝在輕便且有彈性的Lycra手套上。它還使用Isotrack3-D位置傳感器。工作原理手指的每個(gè)被測的關(guān)節(jié)上都有一個(gè)光纖維環(huán)。纖維經(jīng)過塑料附件安裝，使之在手指彎曲時(shí)作小的移動(dòng)。在標(biāo)準(zhǔn)的布局中，每個(gè)手指背面只安裝兩個(gè)傳感器，以便測量主要關(guān)節(jié)的彎曲運(yùn)動(dòng)。在手指關(guān)節(jié)彎曲時(shí)，光纖壁改變其折射率，于是在手指彎曲處的光線就漏出。這樣就可能根據(jù)返回光線的強(qiáng)度間接測出關(guān)節(jié)角。光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)是輕便和緊湊，用戶戴上手套感到很舒適。傳感手套---數(shù)據(jù)手套應(yīng)用最多的，應(yīng)用最早的傳感手套數(shù)據(jù)手套的校準(zhǔn)把原始的傳感器讀數(shù)變成手指關(guān)節(jié)角的過程稱為手套校準(zhǔn)。每當(dāng)開始一次新的仿真，戴上數(shù)據(jù)手套時(shí)，都必須重新作校準(zhǔn)。這是因?yàn)椴豢赡苤朗欠裼脩舭咽痔姿删o合適地戴在手指上。數(shù)據(jù)手套的校準(zhǔn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章傳感手套---CyberGlove應(yīng)用時(shí)間1992年底，VPL倒閉，CyberGlove已經(jīng)取代了DataGlove工作原理每個(gè)關(guān)節(jié)的彎曲角由一對應(yīng)變片的阻值變化間接測量。在手指運(yùn)動(dòng)時(shí)，一個(gè)應(yīng)變片受壓，另一個(gè)應(yīng)變片受拉。它們的電阻變化就造成電橋上電壓的變化。手套上每個(gè)傳感器有一個(gè)電橋電路。這些差分電壓由模擬多路掃描器（MUX）進(jìn)行多路傳輸，再放大并由A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字化。數(shù)字化的電壓被主計(jì)算機(jī)采樣，再經(jīng)過校準(zhǔn)程序得到關(guān)節(jié)角度。關(guān)節(jié)零位的位置可以用硬件改變（利用偏置電位計(jì)），也可以用軟件改變（利用圖形接口）。特點(diǎn)把很薄的應(yīng)變電測量片放在彈性的尼龍合成材料上。手掌區(qū)不覆蓋這種材料，透氣并允許通常的活動(dòng)，如打字和寫字等。很輕并容易戴。手套的傳感器或者是矩形的（用于彎曲角），或者是U-形的（用于外展-內(nèi)收角）。對彎曲有16至24個(gè)傳感器（每個(gè)手指3個(gè)），對外展-內(nèi)收角1個(gè)傳感器，再加上拇指及小指的轉(zhuǎn)動(dòng)，以及手腕的偏轉(zhuǎn)和俯仰。傳感器的分辨率是0.5°，并在整個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)保持不變。還應(yīng)指出，手套使用解耦的傳感器，使輸出彼此無關(guān)。

Virtex還是一個(gè)小公司。CyberGlove產(chǎn)品價(jià)格約有10000美元，不包括位置跟蹤器和校準(zhǔn)源代碼。傳感手套---CyberGlove應(yīng)用時(shí)間虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章傳感手套---PowerGlove特點(diǎn)與DataGlove和CyberGlove（價(jià)值幾千美元）比較，PowerGlove是很便宜的產(chǎn)品，它的價(jià)格只有約50美元。在1989年大量銷售（達(dá)到4千萬美元），用于Nintendo（任天堂）的基于手套的電子游戲。原理為了保持低價(jià)格，手套設(shè)計(jì)使用了很多廉價(jià)的技術(shù)。手腕位置傳感器是超聲傳感器，超聲揚(yáng)聲器放在PC監(jiān)視器上，而超聲麥克風(fēng)放在手腕上。彎曲傳感器是導(dǎo)電墨水傳感器。傳感器包括在支持結(jié)構(gòu)上的兩層導(dǎo)電墨水。墨水在粘合劑中有炭粒子。當(dāng)?shù)鬃鶑澢鷷r(shí)，在彎曲的外側(cè)的墨水就延伸，造成導(dǎo)電炭粒子之間距離增加。這使傳感器的阻值增加。反之，當(dāng)墨水受壓縮時(shí)，炭粒子之間距離減小，傳感器阻值也減小。阻值數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單的校準(zhǔn)就轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)角數(shù)據(jù)。傳感手套---PowerGlove特點(diǎn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章傳感手套---DextrousHandMaster(靈巧手設(shè)備)應(yīng)用時(shí)間1990年Exos公司推出戴在用戶手背上的金屬外骨架結(jié)構(gòu)。工作原理每個(gè)手指有4個(gè)傳感器，五個(gè)手指就有20個(gè)傳感器。每個(gè)角度由安裝在機(jī)械結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)上的霍爾效應(yīng)傳感器測量。特點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仔細(xì)，使手組織柔軟性的影響最少。這些復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)造成了高成本（至今最昂貴的傳感手套）專門設(shè)計(jì)的夾緊彈簧和手指支撐保證在手的全部運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)設(shè)備的緊密配合。設(shè)備是用可調(diào)的Velcro帶子安裝在用戶手上。附加的支撐和可調(diào)的桿使之適應(yīng)不同用戶手的大小。高傳感速率以及高傳感分辨率DHM的傳感器信號送到信號調(diào)節(jié)盒，然后以100位置/秒的速率被連到用戶接口的A/D轉(zhuǎn)換器采樣。DHM的高傳感速率以及高傳感分辨率，是與DataGlove相比的優(yōu)點(diǎn)。但是它也在精度和校準(zhǔn)上存在與其它手套類似的問題。傳感手套---DextrousHandMaster(靈虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章位姿傳感器----電磁傳感器用途電磁傳感器測量頭，手，其他設(shè)備的位姿。測量三個(gè)坐標(biāo)，以及三個(gè)姿態(tài)角度例如測量頭盔的位姿測量手的位姿電磁傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)主要產(chǎn)品位姿傳感器----電磁傳感器用途虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章原理電磁傳感器包括發(fā)射器接受器接口計(jì)算機(jī)測量一個(gè)方向的距離為了測量在y方向的距離，通電流的主動(dòng)線圈發(fā)出在y方向的電磁波，在被動(dòng)線圈中的感應(yīng)電流，正比于主動(dòng)線圈和被動(dòng)線圈的距離。由此得到主動(dòng)線圈和被動(dòng)線圈在y方向的距離。在被動(dòng)線圈中的感應(yīng)電流，還取決于主動(dòng)線圈和被動(dòng)線圈的交角。主動(dòng)線圈和被動(dòng)線圈的方向不同時(shí)，在被動(dòng)線圈中的感應(yīng)電流會減少。

測量六個(gè)位姿的傳感器

發(fā)射器包括三個(gè)正交的線圈（即三個(gè)線圈的軸線互相垂直，如同x，y，z坐標(biāo)軸那樣）。接受器也包括類似的三個(gè)正交的線圈。改變主動(dòng)線圈中電流強(qiáng)度或定時(shí)選通（定時(shí)選通表示三個(gè)主動(dòng)線圈輪流通電），可以使三個(gè)線圈的磁場互相隔離。由此可以確定姿態(tài)角和距離造成的感應(yīng)電流的變化。每個(gè)主動(dòng)電流產(chǎn)生三個(gè)感應(yīng)電流，三個(gè)主動(dòng)電流產(chǎn)生九個(gè)感應(yīng)電流。

可以由此九個(gè)感應(yīng)電流解算出三個(gè)坐標(biāo)，以及三個(gè)姿態(tài)角度。原理缺點(diǎn)限制應(yīng)用的主要缺點(diǎn)包括適中的精度和大的等待時(shí)間(20－30ms)。大的等待時(shí)間特別難解決，因此它限制了在真實(shí)交互中的應(yīng)用。精度不能與其它多數(shù)方法比較。此外，在交流傳感器的情況，外部磁場的影響使之難以保證其精度，沒有簡單方法確定和補(bǔ)償干擾磁場。缺點(diǎn)電磁傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：電磁傳感器沒有遮擋問題（接受器與發(fā)射器之間允許有其他物體）價(jià)格低（處理簡單，比光學(xué)測量便宜）精度適中，采樣率高（可達(dá)120次/秒）工作范圍大（可達(dá)60平方米），可以用多個(gè)磁跟蹤器跟蹤整個(gè)身體的運(yùn)動(dòng)，并且增加跟蹤運(yùn)動(dòng)的范圍。缺點(diǎn)：電磁傳感器可能因磁場變形引起誤差（電子設(shè)備和鐵磁材料會使磁場變形，直流電磁場可以用補(bǔ)償法，交流電磁場不可以用補(bǔ)償法），測量距離加大時(shí)誤差增加，時(shí)間延遲較大（達(dá)33毫秒），有小的抖動(dòng)。電磁傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：問題：為什么電磁傳感器在實(shí)際應(yīng)用到受到限制？限制應(yīng)用主要因?yàn)檫m中的精度和大的等待時(shí)間(20－30ms)。大的等待時(shí)間特別難解決，精度不能與其它多數(shù)方法比較。在交流傳感器的情況，外部磁場的影響使之難以保證其精度，沒有簡單方法確定和補(bǔ)償干擾磁場。問題：電磁傳感器的產(chǎn)品銷售電磁傳感器的公司Polhemus和AscensionPolhemus建立于1970年，占有運(yùn)動(dòng)測量設(shè)備市場的70%。主要產(chǎn)品為Fasttrak。精度為0.03英寸和0.15°，測量范圍可達(dá)15英尺，采樣率達(dá)120Hz（修改率隨傳感器數(shù)目增加而下降）。等待時(shí)間為20-30ms。采用交流磁場。有標(biāo)準(zhǔn)串型扣聯(lián)接計(jì)算機(jī)。1996年價(jià)格$6,000。電磁傳感器的產(chǎn)品銷售電磁傳感器的公司Ascension建立于1986年。產(chǎn)品的范圍廣，包括高級的研究設(shè)備，以及低級的娛樂設(shè)備。高級的產(chǎn)品為FlockofBirds。采用直流磁場，可以補(bǔ)償磁場失真。精度為0.1英寸和0.5°，測量范圍可達(dá)3-8英尺，采樣率達(dá)144Hz（對每臺測量設(shè)備）。等待時(shí)間30ms。1996年價(jià)格$2,700。低級的產(chǎn)品為AscensionSpacePad，用于游戲。采樣率達(dá)120Hz。1996年價(jià)格$1,000。Ascension建立于1986年。產(chǎn)品的范圍廣，包括高級的上述兩種傳感器的對比精度都取決于發(fā)射器與接收器的接近程度Fasttrak利用交流磁場，鄰近的金屬表面上會產(chǎn)生旋渦電流，因而會降低傳感器精度。Bird傳感器使用直流磁場，因此對周圍金屬的敏感較少。但是磁阻效果可能改變磁路，因此影響測量上述兩種傳感器的對比位姿傳感器——超聲傳感器用途超聲傳感器同樣測量頭，手，其他設(shè)備的位姿。測量三個(gè)坐標(biāo)，以及三個(gè)姿態(tài)角度。工作方法：超聲傳感器包括三個(gè)超聲發(fā)射器的陣列（安裝在天花板上），三個(gè)超聲接受器（安裝在被測物體上），用于啟動(dòng)發(fā)射的紅外同步信號，以及計(jì)算機(jī)。測量原理測量飛行時(shí)間測量相位差。產(chǎn)品

位姿傳感器——超聲傳感器用途虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章使用超聲傳感器示意圖使用超聲傳感器示意圖超聲波傳感器測量原理----測量飛行時(shí)間一在測量飛行時(shí)間的方式中，各個(gè)發(fā)射器輪流發(fā)出高頻的超聲波，測量到達(dá)各個(gè)接受點(diǎn)的飛行時(shí)間。由此利用聲音的速度得到發(fā)射點(diǎn)與接受點(diǎn)的兩兩之間的九個(gè)距離，再由三角運(yùn)算得到被測物體的位姿為了精確測量，要求在發(fā)射器與接受器之間的同步。為此可以采用紅外的同步信號。為了測量物體位姿的6個(gè)自由度，至少需要3個(gè)接受器和3個(gè)發(fā)射器。為了精確測量，要求發(fā)射器與接受器的合理布局。一般把發(fā)射器安裝在天花板的4個(gè)角上。超聲波傳感器測量原理----測量飛行時(shí)間一在測量飛行時(shí)間的方超聲波傳感器測量原理----測量相位在測量相位差的方式中，各個(gè)發(fā)射器發(fā)出高頻的超聲波，測量到達(dá)各個(gè)接受點(diǎn)的相位差，由此得到點(diǎn)與點(diǎn)的距離，再由三角運(yùn)算得到被測物體的位姿。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(gè)相位差也與距離有關(guān)。如果在一個(gè)采樣周期內(nèi)，物體運(yùn)動(dòng)的距離超過聲波信號波長的一半，就會造成問題。因?yàn)樵诿總€(gè)波長后，信號波形（相位）會重復(fù)。這時(shí)無法確定距離是加大還是減少，因?yàn)槎咴斐傻南辔徊钕嗤?。這種方法是增量測量法，每步的測量誤差會隨時(shí)間積累。絕對距離必須在初始由其它設(shè)備校準(zhǔn)。它的問題是反射和環(huán)境噪音。為了克服漂移問題，改進(jìn)的模塊化相位相干可以達(dá)到毫米以下精度。超聲波傳感器測量原理----測量相位在測量相位差的方式中，各優(yōu)點(diǎn)：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頭盔上。缺點(diǎn)：工作范圍有限，信號傳輸不能受遮擋，受到溫度、氣壓、濕度的影響（改變聲速，造成誤差），受到環(huán)境反射聲波的影響，飛行時(shí)間法有低的采樣率和低的分辨率，相位差法每步的測量誤差會隨時(shí)間積累。優(yōu)點(diǎn)：Logitech提供兩種超聲跟蹤產(chǎn)品。Logitech是瑞士公司，成立于1981年。是世界最大的鼠標(biāo)生產(chǎn)商。一個(gè)產(chǎn)品是超聲3D鼠標(biāo)跟蹤器，它提供六個(gè)自由度的跟蹤。在CAD/CAM軟件系統(tǒng)中可以用于用戶的操作，也可以用于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫，建模，機(jī)器人控制，和虛擬現(xiàn)實(shí)。超聲傳感器每臺價(jià)格$1799。另一個(gè)產(chǎn)品是超聲頭部跟蹤器，它也提供六個(gè)自由度的跟蹤。每臺價(jià)格$1799。其它在VE市場上的商品還有ScienceAccessories的GP8-3D和MattelPowerGlove。CelescoTransducerProducts,Inc.推出了系統(tǒng)V-scope，這是新的無線40kHz飛行時(shí)間系統(tǒng)。它在16英尺范圍的分辨率為0.1mm。Logitech提供兩種超聲跟蹤產(chǎn)品。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章位姿傳感器----慣性傳感器和混合傳感器慣性傳感器的原理：慣性傳感器使用加速度計(jì)和角速度計(jì)。測量加速度和角速度。線性加速度計(jì)（1）同時(shí)測量物體在三個(gè)方向上的加速度。（2）可動(dòng)部件由彈性件支撐，彈性件的變形就表示加速度。（3）可以用光學(xué)系統(tǒng)測量這種微小變形。例如利用硅的微機(jī)械可以制造很小的慣性傳感器。（4）加速度計(jì)的輸出需要積分兩次，得到位置角速度計(jì)（1）利用陀螺原理測量物體的角速度。（2）角速度計(jì)的輸出需要積分一次，得到姿態(tài)角。位姿傳感器----慣性傳感器和混合傳感器慣性傳感器的原理：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章問題一：為了得到位置和方向，傳感器輸出必須積分。積分會使得位置和姿態(tài)存在積分誤差。所以它敏感傳感器的偏移。某些漂移是不可免的。為了偏移校正，慣性部件必須周期地返回某個(gè)初始位置，或者必須連帶使用其它位置傳感器和適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)熔合方法。后一個(gè)方案是有吸引力的。問題二：任何基于連桿彎曲的慣性傳感器，都有非線性效應(yīng)。力平衡加速度計(jì)避免了連桿彎曲的非線性問題，它們很穩(wěn)定，并用于運(yùn)動(dòng)學(xué)校準(zhǔn)。問題一：慣性傳感器的特點(diǎn)沒有信號發(fā)射，是唯一的輕便的設(shè)備安裝在被測物體上。不怕遮擋，沒有外界干擾，而且有無限大的工作空間。問題：積分誤差。需要減少傳感器的大小和價(jià)格，使慣性跟蹤器比磁性跟蹤器更方便更經(jīng)濟(jì)。高性能HMD的跟蹤應(yīng)該應(yīng)用組合慣性傳感器與其它技術(shù)的混合系統(tǒng)，它要求精度和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。推薦的組合是全慣性方向跟蹤，與混合的慣性-聲學(xué)位置跟蹤。慣性傳感器的特點(diǎn)慣性傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)：慣性傳感器的優(yōu)點(diǎn)：不存在發(fā)射源，所以不受干擾不怕遮擋，物體運(yùn)動(dòng)不受約束，大的工作空間，低的延遲時(shí)間。慣性傳感器的缺點(diǎn)：漂移隨時(shí)間積累（每分3度），重力場使輸出失真，測量的非線性（由于材料特性或溫度變化），角速度計(jì)敏感震動(dòng)，難以測量慢速的位置變化，重復(fù)性差慣性傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)：慣性傳感器的優(yōu)點(diǎn)：慣性傳感器的產(chǎn)品InterSense公司提供IS300運(yùn)動(dòng)跟蹤器和InterTrax等慣性跟蹤設(shè)備。InterSense建立于1996年，研制生產(chǎn)慣性的，混合的，以及SensorFusion的運(yùn)動(dòng)跟蹤設(shè)備。EricFoxlin基于他在MIT的博士論文建立了該公司。總部設(shè)在麻省。它的產(chǎn)品包括：頭盔上的設(shè)備（用于仿真和訓(xùn)練），攝像頭跟蹤（用于電影特技），增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（用于裝配）。IS300使用小的固態(tài)慣性測量單元（稱為InertiaCubeTM）。它使用角速度計(jì)，在積分得到姿態(tài)角。他還用磁羅盤和重力計(jì)，防止陀螺漂移的積累。產(chǎn)品價(jià)格$3949。InterTrax是實(shí)時(shí)的頭部3維姿態(tài)跟蹤器。產(chǎn)品價(jià)格$849。慣性傳感器的產(chǎn)品InterSense公司提供IS300運(yùn)動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章混合傳感器的原理：混合傳感器是由慣性傳感器和其他傳感器組成，以解決慣性傳感器的漂移問題。混合傳感器總是利用一個(gè)傳感器的優(yōu)點(diǎn)，去克服另一傳感器的缺點(diǎn)。典型的混合傳感器由超聲和慣性傳感器組成。它包括：安在天花板上的超聲發(fā)射器陣列，3個(gè)超聲接受器，用于超聲信號同步的紅外觸發(fā)設(shè)備，加速度計(jì)和角速度計(jì)，計(jì)算機(jī)。這種混合是為了達(dá)到更高的精度和更低的延遲?；旌细櫟年P(guān)鍵技術(shù)是傳感器融合算法，如采用Kalman濾波。混合傳感器的原理：混合傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：改進(jìn)更新率、分辨率、及抗干擾性（由超聲補(bǔ)償慣性的漂移），可以預(yù)測未來運(yùn)動(dòng)達(dá)50ms（克服仿真滯后），快速響應(yīng)（更新率150Hz，延遲極?。瑹o失真（無電磁干擾）。缺點(diǎn)：工作空間受限制（大范圍時(shí)超聲不能補(bǔ)償慣性的漂移），要求視線不受遮擋，受到溫度、氣壓、濕度影響，6D的跟蹤要求3個(gè)超聲接受器。

混合傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：混合傳感器的產(chǎn)品InterSense提供混合跟蹤器產(chǎn)品IS600。它使用慣性和超聲傳感器，以及傳感器融合算法。他提供6D的位姿跟蹤，可以預(yù)測未來50ms的運(yùn)動(dòng)。價(jià)格$11850。

混合傳感器的產(chǎn)品InterSense提供混合跟蹤器產(chǎn)品IS位姿傳感器---光學(xué)傳感器原理一般講，光學(xué)傳感器是基于高對比度的視頻圖像，圖像中具有若干標(biāo)記，這些圖像反映了被測物體的運(yùn)動(dòng)。這些標(biāo)記是小圓點(diǎn)。有些標(biāo)記是紅外(IR)發(fā)光標(biāo)記，他用發(fā)光管（LED）增加對比度。標(biāo)記的數(shù)量取決于運(yùn)動(dòng)的類型和要求的跟蹤質(zhì)量。對于不包括面部的人體跟蹤，一般安裝20到30個(gè)標(biāo)記。標(biāo)記安在皮膚上或緊身衣服上。標(biāo)記尺寸為1至5cm，這取決于測量硬件和動(dòng)作范圍大小。標(biāo)記的安放取決于要測的數(shù)據(jù)。單個(gè)標(biāo)記只測量一個(gè)點(diǎn)。安在頭部的三個(gè)標(biāo)記用于測量頭部的位姿。一般全身安裝21個(gè)標(biāo)記，頭部3個(gè)，頸部和背部各1個(gè)，肩部、肘部、腕部、手部、髖部、膝部、腳腕和腳部各1個(gè)。如果要求更多的轉(zhuǎn)動(dòng)信息，則要求安裝更多的標(biāo)記。位姿傳感器---光學(xué)傳感器原理虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章光學(xué)傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：可能很大的工作空間（取決于采用的系統(tǒng)合要求的精度），運(yùn)動(dòng)不受妨礙（測量系統(tǒng)不裝在運(yùn)動(dòng)體上），標(biāo)記的價(jià)格很小（理論上可以達(dá)到幾百個(gè)標(biāo)記，實(shí)際上因?yàn)樽枞蛙浖南拗?，不能太多），足夠快的采樣率（適于多數(shù)體育運(yùn)動(dòng)，在120至250Hz采樣率，適于測量多數(shù)人體運(yùn)動(dòng)。缺點(diǎn)：是最昂貴的運(yùn)動(dòng)測量系統(tǒng)對光敏感（由于系統(tǒng)依靠對比度，所以背景和環(huán)境照明都是問題），對反射敏感（有水和發(fā)亮的表面可能引起錯(cuò)誤的標(biāo)記信號），標(biāo)記的阻擋（為了得到3D數(shù)據(jù)，每個(gè)標(biāo)記至少被兩個(gè)攝像機(jī)看到。物體的遮擋會造成標(biāo)記的丟失、代替或交換。）跟蹤時(shí)間可能很大（而且可能變化）非實(shí)時(shí)的測量（除少數(shù)昂貴的系統(tǒng)外，都是非實(shí)時(shí)的）對校準(zhǔn)敏感（由于用多個(gè)攝像機(jī)，必須精確測量每個(gè)攝像機(jī)的參考幀）。光學(xué)傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：光學(xué)傳感器的產(chǎn)品光學(xué)跟蹤器在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的兩個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)動(dòng)畫（測量人體的運(yùn)動(dòng)，并用于動(dòng)畫人物的動(dòng)作）虛擬環(huán)境（測量用戶頭部的位置和姿態(tài)，并由此改變視點(diǎn)，改變顯示的圖形）。光學(xué)傳感器的產(chǎn)品光學(xué)跟蹤器在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的兩個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章位姿傳感器---運(yùn)動(dòng)接口背景VR研究的趨勢是由手姿來做事情，如抓取物體或漫游。小的手姿之間容易混淆。所以現(xiàn)在控制漫游的方法，是利用其他運(yùn)動(dòng)接口。運(yùn)動(dòng)接口是一類特殊的位姿傳感器，它跟蹤測量人體的運(yùn)動(dòng)。最簡單的運(yùn)動(dòng)接口就是跑步機(jī)。代替在室外的真實(shí)跑步，用戶可以在跑步機(jī)上跑步，跑步機(jī)測量跑步者的運(yùn)動(dòng)。位姿傳感器---運(yùn)動(dòng)接口背景運(yùn)動(dòng)接口的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：克服傳統(tǒng)接口的限制（如手柄的逼真感有限），得到逼真的漫游（如跑步機(jī)和自行車給出運(yùn)動(dòng)和方向感），增加空間布局感（在跑步機(jī)和自行車上，參與者要施加力和運(yùn)動(dòng)，于是有在環(huán)境中的移動(dòng)感）缺點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)范圍有限（任何設(shè)備的運(yùn)動(dòng)范圍都有限，但虛擬環(huán)境可能覆蓋很大范圍），難以保持平衡（在這些設(shè)備上往往難以保持平衡）。運(yùn)動(dòng)接口的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)接口的產(chǎn)品產(chǎn)品一：Sarcos,Inc.公司的運(yùn)動(dòng)接口是Tread-Port，它包括跑步機(jī)、機(jī)械鏈和CAVE視覺顯示。它是用于研究涉及運(yùn)動(dòng)接口的感知問題，以及研究運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的控制問題。主動(dòng)機(jī)械鏈防止人走開，使得試驗(yàn)更加逼真，模仿運(yùn)動(dòng)中的壓力，這在人平穩(wěn)站立時(shí)是不會發(fā)生的。產(chǎn)品二：GeorgiaTechGraphics,VisualizationandUsabilityCenter的運(yùn)動(dòng)接口是TectrixBicycle。它用于虛擬重現(xiàn)1996年亞特蘭大奧運(yùn)會公路自行車賽。虛擬環(huán)境的目標(biāo)是，使選手體驗(yàn)賽道，在視覺和身體上都提供給自行車手。TectrixBicycle的設(shè)計(jì)如下：賽車安在運(yùn)動(dòng)平臺上，平臺前后傾斜+/-12度，前論旋轉(zhuǎn)角度+/-20度，CompuTrainerPro在后輪上加負(fù)載（以模擬山坡）。運(yùn)動(dòng)接口的產(chǎn)品產(chǎn)品一：產(chǎn)品三：VirtualSpaceDevices,Inc.(VSD)根據(jù)1996年美國軍隊(duì)合同，開發(fā)了Omni-DirectionalTreadmill(ODT)。人在計(jì)算機(jī)生成的環(huán)境中，在ODT上走或跑，可以在任意方向上漫游，人總是保持在設(shè)備中心。這是自然的人機(jī)漫游接口。Omni-DirectionalTreadmill的指標(biāo)為，主動(dòng)表面1.3×1.3米，速度6英里/小時(shí)，兩個(gè)帶子（X，Y方向）每個(gè)約3400圈，力反饋+/-20磅。產(chǎn)品四：MikeBenjaminandThatcherUlrichofCyberGear,Inc.開發(fā)了VR自行車，用作DiamondPark的輸入設(shè)備。這是第一個(gè)多用戶接口的虛擬環(huán)境，使用了MERL'sScalablePlatformforInteractiveEnvironments(SPLINE)。產(chǎn)品三：小節(jié)介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)中的位姿測量技術(shù)。位姿跟蹤常用的性能參數(shù)有：精度，分辨率，采樣率，執(zhí)行時(shí)間，范圍，工作空間，價(jià)格，障礙，方便，對模糊的敏感，容易校準(zhǔn)，同時(shí)測量的數(shù)目，方向相對位置跟蹤。運(yùn)動(dòng)接口是一類特殊的位姿傳感器，它跟蹤測量人體的運(yùn)動(dòng)小節(jié)介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)中的位姿測量技術(shù)。第二節(jié)視覺顯示視覺顯示概述視覺顯示的顯示表面CRT類顯示LCD類顯示VRD類顯示VLST類顯示全息顯示視覺顯示的光學(xué)系統(tǒng)頭盔式立體顯示立體眼鏡式立體顯示自動(dòng)立體顯示視覺顯示的產(chǎn)品頭盔顯示非頭盔顯示混合的立體顯示系統(tǒng)多面的顯示系統(tǒng)第二節(jié)視覺顯示視覺顯示概述視覺顯示概述對理想的視覺顯示有什么要求與日常經(jīng)歷中的場景對比，在質(zhì)量、修改率和范圍方面應(yīng)該是無法區(qū)分的。技術(shù)支持當(dāng)前的技術(shù)還不支持這種高真實(shí)度的視覺顯示評價(jià)各種顯示特性對任何給定的應(yīng)用，必須認(rèn)真評價(jià)各種顯示特性的重要性，這包括視覺特性（視場、分辨率、亮度、對比和彩色），人類工程學(xué)，安全，可靠和價(jià)格。視覺顯示的基本要求提供立體視覺。視覺顯示概述對理想的視覺顯示有什么要求立體視覺的基本原理兩眼空間位置的不同，是產(chǎn)生立體視覺的原因?？臻g某個(gè)物體在兩眼的視圖中位置不同就產(chǎn)生了立體視差。人眼也可以利用這種視差，判斷物體的遠(yuǎn)近，產(chǎn)生深度感。這就是人類的立體視覺，由此獲得環(huán)境的三維信息。

立體視覺的基本原理兩眼空間位置的不同，是產(chǎn)生立體視覺的原因。視覺接口完整的視覺接口包括四個(gè)基本部分。(1)視覺顯示表面和輔助光學(xué)系統(tǒng)，它把詳細(xì)的時(shí)變的光模式投影在用戶視網(wǎng)膜上。(2)產(chǎn)生光學(xué)信號的系統(tǒng)（來自真實(shí)場景的攝像機(jī)，存貯圖像的錄像機(jī)，生成圖形的計(jì)算機(jī)，或三者的組合）。(3)感覺頭或眼球位置運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)（這是上一節(jié)介紹的位姿跟蹤問題）。(4)使視覺顯示表面相對于人眼定位的系統(tǒng)。視覺接口完整的視覺接口包括四個(gè)基本部分。對虛擬現(xiàn)實(shí)（VR），最常用的技術(shù)的顯示表面類型是陰極射線管（CRT）和背光液晶顯示（LCD）。VR應(yīng)用有兩類主要的視覺顯示光學(xué)系統(tǒng)：頭盔顯示和非頭盔顯示。這些技術(shù)對近期的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用是很有用的，但幾個(gè)缺點(diǎn)卻妨礙其長期的發(fā)展。

下面分別介紹不同的顯示表面和不同的光學(xué)系統(tǒng)。最后介紹現(xiàn)有的產(chǎn)品。對虛擬現(xiàn)實(shí)（VR），最常用的技術(shù)的顯示表面類型是CRT技術(shù)CRT技術(shù)CRT技術(shù)是多年來在電視機(jī)和計(jì)算機(jī)監(jiān)視器上廣泛應(yīng)用的成熟技術(shù)。CRT技術(shù)能給頭盔顯示器提供小的高分辨率高亮度的單色顯示。CRT較重，并把高電壓放在人頭部上的設(shè)備中。開發(fā)小型高分辨率高亮度彩色CRT是困難的。在頭盔顯示中，要求這些笨重的光學(xué)設(shè)備形成高質(zhì)量圖像。組合的技術(shù)途徑可產(chǎn)生高質(zhì)量彩色圖像，并減少重量和價(jià)格。把高質(zhì)量彩色的基于CRT的HMD（頭盔顯示器）引入市場，它使用了加于單色CRT的機(jī)械電子彩色濾光技術(shù)。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。CRT技術(shù)CRT技術(shù)LCD技術(shù)LCD技術(shù)以低電壓產(chǎn)生彩色圖像，但只具有很低的圖像元密度。在頭盔顯示中，也要求笨重的光學(xué)設(shè)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(jī)）質(zhì)量的液晶顯示。在VR和遙操作領(lǐng)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。LCD技術(shù)LCD技術(shù)VRD技術(shù)關(guān)于VRDVRD（VirtualRealityDisplay）是美國華盛頓大學(xué)人類接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)室HumanInterfaceTechnologyLab（HIT）在1991年發(fā)明的。HIT研究內(nèi)容基于激光微掃描技術(shù)的顯示VRD，它用微型固體激光器掃描視網(wǎng)膜上的彩色圖像。它的優(yōu)點(diǎn)是不使用笨重的光學(xué)設(shè)備，可能開發(fā)高分辨率、輕便、低價(jià)格顯示系統(tǒng)。但激光微掃描顯示還面對大量技術(shù)障礙。研究目標(biāo)是產(chǎn)生全彩色，寬視場，高分辨率，高亮度，低價(jià)格的虛擬現(xiàn)實(shí)立體顯示。MicrovisionInc.具有該技術(shù)產(chǎn)品化的專有權(quán)。該技術(shù)有很多潛在的應(yīng)用，由軍事航天應(yīng)用的HMD，到醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

VRD技術(shù)關(guān)于VRDVRD原理VRD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(gè)圖像是在前方2英尺遠(yuǎn)處的14英寸監(jiān)視器上。實(shí)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，寬視場，無閃爍。VRD的主要特點(diǎn)如下：①很小很輕的眼鏡，②大于120度的大視場，③適應(yīng)人類視覺的高分辨率，④有更高彩色分辨率的全彩色，⑤適用于室外的高亮度，⑥很低的功率消耗，⑦有深度感的真正的立體顯示，⑧具有看穿的顯示方式。（這類似于看穿的頭盔顯示。在看到激光掃描的虛擬圖形的同時(shí)，也看到真實(shí)場景。）VRD原理VRD的工作過程中，源圖像是要求顯示的圖像。調(diào)制的光源是紅綠藍(lán)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(jìn)行掃描。經(jīng)過光學(xué)鏡頭，在人的視網(wǎng)膜上成像。VRD的工作過程中，源圖像是要求顯示的圖像。調(diào)制的光源是紅綠為什么VRD具有高分辨率、寬視場、高亮度和沒有閃爍的特點(diǎn)？在普通的屏幕顯示中，受控的光線或光發(fā)射元素組成高密集的陣列，這個(gè)陣列投影到各個(gè)象素。但在VRD的顯示中，不存在其他屏幕，象素流直接投影到視網(wǎng)膜。VRD中不具備象素持續(xù)性質(zhì)，只有視網(wǎng)膜上光接受器的光收集特性。因此，在VRD提供的光線和人腦產(chǎn)生的圖像質(zhì)量之間的關(guān)系，就是很重要的了。源圖像直接進(jìn)入驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備中，去調(diào)制紅綠蘭三色的光線。每個(gè)象素通過水平和垂直掃描器，在視網(wǎng)膜上產(chǎn)生光柵化的圖像。視網(wǎng)膜沒有持續(xù)性質(zhì)，因此沒有閃爍。產(chǎn)生的圖像很亮，有很高的分辨率，有很寬的視場。每個(gè)象素投影在視網(wǎng)膜上的時(shí)間很少，30-40ns。此外，該設(shè)備只消耗很少能量。為什么VRD具有高分辨率、寬視場、高亮度和沒有閃爍的特點(diǎn)？VRD的顯示設(shè)備VRD的顯示設(shè)備VRD的攝像設(shè)備VRD的攝像設(shè)備VRD的主要指標(biāo)VRD的主要指標(biāo)：①分辨率只取決于光源的衍射和像差②亮度可達(dá)很高和很低，所以對比度就很大③傳統(tǒng)的顯示器不會發(fā)出很強(qiáng)的光，所以很難在很亮的環(huán)境下看到，VRD的顯示可以在很亮的環(huán)境下看到④CRT只能反射可見彩色光中的一部分，VRD發(fā)射高飽和的純彩色光，其彩色逼真度極高⑤CRT未把電能有效地轉(zhuǎn)成光能，VRD把所有產(chǎn)生的光線投在視網(wǎng)膜，所以允許很強(qiáng)的亮度和很小的能耗⑥VRD很容易改進(jìn)性能⑦VRD提供通用的方法，適用于各類應(yīng)用，有潛力降低價(jià)格⑧VRD包括很簡單的子系統(tǒng)，將以低價(jià)格進(jìn)行大批量生產(chǎn)VRD的主要指標(biāo)VRD的主要指標(biāo)：范例----IVRDIVRD是HITLab為美國海軍飛行員研制的交互的VRDIVRD課題的目標(biāo)是飛行員用這種設(shè)備，能更好地在強(qiáng)光下觀看，有立體視覺，通過手指指向顯示與設(shè)備交互。設(shè)備很輕，耗能很少①高亮度彩色圖像覆蓋在飛行員的真實(shí)視場中②測量在真實(shí)視場中增強(qiáng)圖像的位置③測量注視方向，以及在增強(qiáng)圖像中眼和手的位置④在增強(qiáng)圖像的視場中360度范圍顯示傳感器數(shù)⑤允許觀看者要求顯示更多信息。范例----IVRDIVRD是HITLab為美國海軍飛行VRD的應(yīng)用包括用于軍事，頭盔，移動(dòng)電話，以及醫(yī)學(xué)上范例HMD上的應(yīng)用。交互的VRD。手持的二維顯示VRD技術(shù)醫(yī)學(xué)應(yīng)用VRD的應(yīng)用①HMD上的應(yīng)用。直升機(jī)飛行員需要獲取信息，以便做出關(guān)系生死的決策。如果信息是以圖形或直覺的方式提供的，就能減少飛行員的負(fù)擔(dān)，增加在惡劣環(huán)境下的可視能力。HMD在白天和夜間都提供全彩色的圖形信息，但缺乏有效的數(shù)據(jù)接口的聯(lián)系?！癡RD技術(shù)的產(chǎn)品Microvision給軍隊(duì)提供了單色雙目HMD系統(tǒng)，視場水平52度，垂直30度，顯示行數(shù)960，水平象素1716，重量2磅（包括兩個(gè)顯示器，頭盔結(jié)構(gòu)，及光學(xué)系統(tǒng)），圖像以”看穿的方式“投影，飛行員同時(shí)看到背景場景。②交互的VRD。三維交互顯示的VRD技術(shù)，可以集成在眼鏡或頭盔上，產(chǎn)生立體效果。①HMD上的應(yīng)用。VRD的顯示設(shè)備用于頭盔顯示器VRD的顯示設(shè)備用于頭盔顯示器VRD的顯示設(shè)備用于看穿的頭盔顯示器VRD的顯示設(shè)備用于看穿的頭盔顯示器VRD現(xiàn)實(shí)設(shè)備用于軍事的示意圖VRD現(xiàn)實(shí)設(shè)備用于軍事的示意圖③手持的二維顯示VRD技術(shù)，集成進(jìn)手提電話，允許用戶看商業(yè)網(wǎng)，因特網(wǎng)，e-mail，web頁面，傳真，文件等，如同看臺式監(jiān)視器。③手持的二維顯示VRD技術(shù)，集成進(jìn)手提電話，允許用戶看商業(yè)網(wǎng)醫(yī)學(xué)應(yīng)用美國2%的人有弱視。弱視的人不是全盲，但不能拿到駕駛執(zhí)照，而且難以閱讀和看電視。原因可能是視網(wǎng)膜的傷害（中心或周圍視力的衰減），或光路的傷害（角膜傷害或晶狀體傷害）。VRD使得弱視的人能看到圖像。1998年，Microvision與Wallace-KetteringNeuroscienceInstitute簽訂了合同，在神經(jīng)外科的安全帽的研究上合作。沒有視網(wǎng)膜傷害的病人能通過他的視場看到運(yùn)動(dòng)的粒子，具有視網(wǎng)膜傷害的病人實(shí)際上能反常地看到他自己的盲區(qū)。要求病人跟蹤視覺擾動(dòng)的邊緣，于是就產(chǎn)生它自己視網(wǎng)膜的數(shù)字圖像，這實(shí)際上定位了受傷的組織。這個(gè)圖像與基底攝像機(jī)拍攝的照片比較，基底攝像機(jī)獲取器官內(nèi)表面的圖像?；赩RD的工作站，在過去一年掃描了58個(gè)各種視網(wǎng)膜疾病的病人。醫(yī)學(xué)應(yīng)用美國2%的人有弱視。弱視的人不是全盲，但不能拿到駕駛VRD的未來VRD的未來，將更加緊湊。正在開發(fā)邊緣發(fā)射，超亮度發(fā)射二極管，以及微型二極管激光器。這將允許直接的光調(diào)制。加上專用集成電路技術(shù)，產(chǎn)生手持的VRD設(shè)備。

VRD的未來VRD的未來，將更加緊湊。正在開發(fā)邊緣發(fā)射，超亮VLSI顯示技術(shù)VLSI類顯示MITAI實(shí)驗(yàn)室用硅VLSI芯片技術(shù)實(shí)現(xiàn)這種顯示特征?；诠杓夹g(shù)的圖像傳感器與液晶顯示技術(shù)的產(chǎn)品相比，有著更高的密度和性能的潛力。查詢思考LCD最大分辨率？象素間距？硅傳感器制造的分辨率？，點(diǎn)距？VLSI顯示技術(shù)VLSI類顯示全息顯示關(guān)于全息圖全息圖是一種三維圖像，它與傳統(tǒng)的照片有很大的區(qū)別傳統(tǒng)的照片呈現(xiàn)的是真實(shí)的物理圖像，而全息圖則包含了被記錄物體的尺寸、形狀、亮度和對比度等信息。這些信息儲存在一個(gè)很微小但卻很復(fù)雜的干涉模式中。這個(gè)干涉模式是由激光產(chǎn)生的。從三維物體上反射出來的光形成一個(gè)非常復(fù)雜的三維干涉模式。要記錄下整個(gè)模式，使用的光必須嚴(yán)格定向，而且屬于同一顏色。這樣的光叫做相干光。因?yàn)榧す馄鳟a(chǎn)生的光具有單一顏色，而且所有光波都協(xié)調(diào)同步，因此激光是制作全息圖的理想光源。當(dāng)你用光照射全息圖時(shí)，儲存在干涉模式中的信息就會借助入射光再現(xiàn)由物體反射出來的原始光波波陣。你的眼睛和大腦就會覺得原來的物體好像又出現(xiàn)在你面前了。全息顯示關(guān)于全息圖全息技術(shù)是實(shí)現(xiàn)真實(shí)的三維圖像的記錄和再現(xiàn)的技術(shù)。制作全息圖。和其他三維“圖像”不一樣的是，全息圖提供了“視差”。視差的存在使得觀察者可以通過前后、左右和上下移動(dòng)來觀察圖像的不同形象——好像有個(gè)真實(shí)的物體在那里一樣。全息技術(shù)是倫敦大學(xué)帝國理工學(xué)院的DennisGabor博士發(fā)明的。他也因此而獲得了1971年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。最初，Gabor博士只是希望提高掃描電子顯微鏡的解析度。上世紀(jì)60年代初期，密歇根大學(xué)的研究員Leith和Upatnieks制作出世界上第一組三維全息圖像。這段時(shí)間，前蘇聯(lián)的YuriDennisyuk也開始嘗試制作可以用普通白光觀看的全息圖。全息技術(shù)全息圖有何用途？全息圖在藝術(shù)、科學(xué)和技術(shù)上有很多用途。它可以用于一些產(chǎn)品的包裝上，可以貼在出版物的封面上，也可以用于信用卡、駕照甚至衣服上以防假冒。一個(gè)片面的醫(yī)學(xué)圖像（例如一個(gè)CAT掃面圖像）可以最終制作成三維全息圖。計(jì)算機(jī)生成的全息圖也可以使工程師和設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)圖樣獲得前所未有的視覺效果。工程師可以在生產(chǎn)過程中利用全息圖檢查產(chǎn)品上可能出現(xiàn)的裂紋及進(jìn)行質(zhì)量控制。這種技術(shù)叫做全息無損檢測。全息圖還用于很多民用和軍用飛機(jī)。飛行員在望向駕駛艙窗外時(shí)，全息圖為他們提供很多重要的信息。這叫做智能顯示?，F(xiàn)在，智能顯示在一些汽車上也可以看到。藝術(shù)家可以利用全息圖進(jìn)行創(chuàng)作。很多藝術(shù)家覺得，全息圖為他們提供了一個(gè)三維的和純光學(xué)的空間，使得他們可以表達(dá)一些在“傳統(tǒng)”媒介上不能表達(dá)的圖像和信息。當(dāng)光子進(jìn)入你的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。全息圖將會被用于儲存信息。這叫做全息數(shù)字存儲（HDS）。有了HDS，你就可以在一個(gè)方糖大小的尺寸上儲存整個(gè)國會圖書館的信息。全息圖有何用途？全息顯示計(jì)算機(jī)生成的全息圖分為兩類：計(jì)算機(jī)生成的立體圖是三維場景的一系列二維視場的光學(xué)記錄。最后的全息圖投影每個(gè)二維圖像在觀看區(qū)域中，于是可以看到有水平視差的立體視場?？梢援a(chǎn)生全色高分辨率圖像，以及大的寬視場全息圖。然而，這是非實(shí)時(shí)圖像技術(shù)，它要求離線記錄。為產(chǎn)生全息圖要求大量信息，因?yàn)楸仨毊a(chǎn)生每個(gè)視場（一般100到300個(gè)視場）。計(jì)算生成的繞射模式這種方法是復(fù)雜的，計(jì)算量大?，F(xiàn)狀直到最近，計(jì)算機(jī)生成的全息圖通常還只是用于繪圖或打印技術(shù)記錄，用作為離線過程。但是一個(gè)新方法允許全息圖像實(shí)時(shí)顯示，由快速幀緩沖存儲器顯示。全息圖信號可以實(shí)時(shí)掃描并發(fā)送，這個(gè)系統(tǒng)是MIT發(fā)明的全息錄像。全息顯示計(jì)算機(jī)生成的全息圖分為兩類：視覺顯示的光學(xué)系統(tǒng)VR應(yīng)用有兩類主要的視覺顯示光學(xué)系統(tǒng)：頭盔式立體顯示非頭盔顯示立體眼鏡式立體顯示自動(dòng)立體顯示顯示系統(tǒng)中顯示的圖像有兩種情況直接聯(lián)系到用戶頭部運(yùn)動(dòng)（用傳感器測量頭部位姿）或間接聯(lián)系頭部運(yùn)動(dòng)（用手柄等控制設(shè)備或語音輸入）視覺顯示的光學(xué)系統(tǒng)VR應(yīng)用有兩類主要的視覺顯示光學(xué)系統(tǒng)：頭盔式立體顯示使用方法將顯示硬件安裝在頭盔上或在頭帶上。優(yōu)點(diǎn)顯示定位伺服機(jī)械由人的軀干和頸部提供。這允許不附加硬件就產(chǎn)生完全環(huán)繞的觀看空間，并消除某些非頭盔顯示中顯示表面定位系統(tǒng)引入的延遲。在許多HMD中，所有圖像是合成的，由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生。缺點(diǎn)重量和慣性約束（妨礙了用戶自由運(yùn)動(dòng)），由此引起的疲勞，以及隨著增加頭部慣性而增加運(yùn)動(dòng)眩暈征狀。要求頭盔顯示應(yīng)有好的空間分辨率、視場、彩色，并應(yīng)輕便、舒適、代價(jià)效益好。頭盔顯示產(chǎn)生無縫的全環(huán)繞的觀看體積。頭盔顯示一般難以制造。高性能HMD價(jià)格高。頭盔式立體顯示使用方法頭盔立體顯示在性能上的技術(shù)難點(diǎn)。(1)高分辨率、小型、輕便、低價(jià)的顯示還有待實(shí)現(xiàn)(2)重量和慣性約束影響到發(fā)生運(yùn)動(dòng)眩暈，正確判定方向，以及長期適應(yīng)性。(3)由于尺寸、性能和價(jià)格約束，多數(shù)HMD使用定位/聚焦補(bǔ)償，就給用戶提供了沖突的視覺深度信息(4)HMD的正常工作聯(lián)系到頭部跟蹤系統(tǒng)性能（修改率和延遲）。頭盔立體顯示在性能上的技術(shù)難點(diǎn)。立體眼鏡式立體顯示非頭盔式，但是又要求觀看設(shè)備的立體顯示的眼鏡，有兩種情況：場順序眼鏡（液晶光閥眼鏡）用于雙目分時(shí)觀看左右圖像。是非頭盔的立體顯示中常用的方式，又稱為立體眼鏡方法偏振眼鏡用于雙目分別觀看不同偏振的左右圖像。在立體電影院中提供立體顯示。立體眼鏡式立體顯示非頭盔式，但是又要求觀看設(shè)備的立體顯示的眼采用液晶眼鏡觀看立體顯示采用液晶眼鏡觀看立體顯示非頭盔立體眼鏡方式顯示采用立體屏幕與投影顯示。高分辨率彩色立體屏幕和投影顯示系統(tǒng)價(jià)格較低，因此往往用于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和娛樂業(yè)。優(yōu)點(diǎn)這些系統(tǒng)只要求一對輕便的主動(dòng)或被動(dòng)眼鏡產(chǎn)生高質(zhì)量的立體顯示，因此給用戶施加最小的慣性約束，并是舒適的。在舒適的觀看范圍的限制下，屏幕和投影顯示的靜態(tài)視場和空間分辨率取決于用戶到顯示平面的距離。用大的顯示平面，不要求光學(xué)設(shè)備，就可以實(shí)現(xiàn)較大的視場（＞100°水平視場）缺點(diǎn)屏幕和投影顯示一般比HMD更大更重。這種空間和重量限制是其缺點(diǎn)。此外，必須用伺服控制或多個(gè)靜態(tài)顯示表面增加觀看空間，提供全環(huán)繞視覺環(huán)境。增加觀看空間的另一個(gè)途徑是使用與頭盔顯示中同樣的頭部位姿傳感器。非頭盔立體眼鏡方式立體投影的四種方法主動(dòng)式系統(tǒng)有單臺投影機(jī)的被動(dòng)式系統(tǒng)有兩臺投影機(jī)的被動(dòng)式系統(tǒng)有兩臺LCD式投影機(jī)的被動(dòng)式系統(tǒng)立體投影的四種方法虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章3自動(dòng)立體顯示含義：自動(dòng)立體顯示不要求輔助的觀看設(shè)備（如場順序或偏振眼鏡），不給用戶附加慣性約束。觀看區(qū)域或觀看體積的大小可能有所不同，自動(dòng)立體顯示也可由多人觀看。方式透鏡顯示視差擋板顯示切片堆積顯示3自動(dòng)立體顯示透鏡顯示一個(gè)透鏡面是圓柱透鏡的陣列，它用于產(chǎn)生自動(dòng)立體三維圖像，這是通過把兩個(gè)不同的二維圖像導(dǎo)向各自的觀看子區(qū)域。在透鏡面前方不同的角度上，在子區(qū)域內(nèi)形成圖像。當(dāng)觀察者的頭在正確的位置時(shí)，每只眼就在不同的觀看區(qū)，看到不同的圖像，得到雙目視差。柱面透鏡構(gòu)成左右兩個(gè)眼的觀看區(qū)域透鏡成像透鏡顯示柱面透鏡構(gòu)成左右兩個(gè)眼的觀看區(qū)域透鏡成像視差檔板顯示視差檔板是放在顯示前方的垂直平板，它對每只眼都阻檔了屏幕的一部分。視差檔板的作用類似透鏡面。差別在于它是用檔板檔住部分顯示，而不是用透鏡導(dǎo)引屏幕圖像。屏幕顯示兩個(gè)圖像，每個(gè)分成垂直條。屏幕上顯示的條交替為左右眼圖像。每只眼只看到它的條。棱柱透鏡對兩幅圖的導(dǎo)向作用視差擋板對兩幅圖的局部遮擋視差檔板顯示棱柱透鏡對兩幅圖的導(dǎo)向作用視差擋板對兩幅圖的局部切片堆積顯示切片堆積顯示也稱為多平面顯示。它由多層二維圖像（切片）構(gòu)成三維體積。正如發(fā)光二極管（LED）的旋轉(zhuǎn)線可以產(chǎn)生平面圖像感，LED的旋轉(zhuǎn)平面可以產(chǎn)生體圖像。類似的體積可以用CRT顯示或運(yùn)動(dòng)鏡面掃描。運(yùn)動(dòng)鏡面必須以高頻運(yùn)動(dòng)很大距離，所以也可以用變焦距鏡面。一般用30Hz聲音信號振動(dòng)反射膜片。在鏡面振動(dòng)時(shí)，聚焦長度改變，反射的監(jiān)示器在截?cái)嗟慕鹱炙陀^看體積中形成圖像。鏡面連續(xù)改變其放大率，使隨時(shí)間掃描的圖像連續(xù)改變其深度。切片堆積顯示視覺顯示的產(chǎn)品頭盔顯示主要指低分辨率大視場的基于LCD的系統(tǒng)應(yīng)用比較廣泛的HMD產(chǎn)品提供100-110度水平視場，用LCD屏幕，有效空間分辨率300*200，采用標(biāo)準(zhǔn)的NTSC外觀，價(jià)格1萬美元以下代表產(chǎn)品：VirtualResearchFlightHelmet，VPLEyePhone和LEEPSystemsCyberFaceⅡ輕便的HMD，使用小型單色CRT以及彩色輪。重28盎司，兩個(gè)NTSC輸入，分辨率250(水平)×493(垂直)。其視場在100%雙目重疊時(shí)為32°，在50%雙目重疊時(shí)為48°。它有很好的亮度與對比，價(jià)格低于8000美元。代表產(chǎn)品：EYEGEN3在較高檔的商品范圍（約15萬美元），KaiserElectro-Optics推出了ColorSimEye。這是軍用研究的結(jié)果，它在40°對角視場上提供1280(水平)×1024(垂直)的隔行掃描線。正在開發(fā)60°-80°視場的產(chǎn)品。視覺顯示的產(chǎn)品頭盔顯示虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章基于LCD的頭盔顯示基于LCD的頭盔顯示基于CRT的頭盔產(chǎn)品基于CRT的頭盔產(chǎn)品虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章近年為各種軍事研究應(yīng)用開發(fā)了先進(jìn)的高性能HMD這些系統(tǒng)雖然功能強(qiáng)，但價(jià)格往往超過50萬美元。最初為軍用開發(fā)的高檔HMD技術(shù)已轉(zhuǎn)向商業(yè)，新的市場已形成了低檔的設(shè)計(jì)。輕便，中等分辨率（約1000水平線），彩色，看穿的HMD在20萬美元以下較低分辨率系統(tǒng)（NTSC水平）在1萬美元以下。中等分辨率非頭盔場順序投影系統(tǒng)在2萬美元以下等效的BOOM類系統(tǒng)在10萬美元以下。BOOM可移動(dòng)式顯示器:它是一種半投入式視覺顯示設(shè)備。使用時(shí)，用戶可以把顯示器方便地置于眼前，不用時(shí)可以很快移開。BOOM使用小型的陰極射線管，產(chǎn)生的像素?cái)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于液晶顯示屏，圖像比較柔和，分辨率為1280×1024像素，彩色圖像。

近年為各種軍事研究應(yīng)用開發(fā)了先進(jìn)的高性能HMD視覺顯示產(chǎn)品2．非頭盔的顯示基于CRT的屏幕和投影顯示，有足夠的掃描速率和帶寬，可以用場順序技術(shù)產(chǎn)生高分辨率（1000水平線）立體顯示。這種形式的高分辨率彩色高帶寬顯示，對屏幕型式約2000美元，對大屏幕投影方式約為13000美元。這種立體顯示利用時(shí)間順序方法提供左右眼交替的立體顯示對。在計(jì)算機(jī)圖形市場上，場順序設(shè)備最早的提供者是StereographicsCorporation。它制造了一系列LCD光閘眼鏡，它用紅外技術(shù)作場同步。這些眼鏡和紅外發(fā)射器可以加到適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)和投影系統(tǒng)，在2000美元以下。3DTV提供低價(jià)格，有線同步的，場順序系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)價(jià)格比可比的頭盔顯示低一個(gè)數(shù)量級。這種立體眼鏡的顯示系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和低檔的VR系統(tǒng)。它以較低的成本實(shí)現(xiàn)了立體顯示

視覺顯示產(chǎn)品2．非頭盔的顯示使用主動(dòng)立體眼鏡的立體顯示系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)的布局。其中利用紅外信號傳送同步信號，用于控制液晶眼鏡的開關(guān)。眼鏡上備有輕便的鋰電池，眼鏡在無線狀態(tài)下工作

使用主動(dòng)立體眼鏡的立體顯示系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)的布局。其中利用紅外信號使用主動(dòng)立體眼鏡的立體顯示系統(tǒng)為用于VR的布局。除了標(biāo)準(zhǔn)布局中的上述設(shè)備外，眼鏡上還有頭部跟蹤的超聲接受器。超聲接受信號要經(jīng)過導(dǎo)線傳給頭部跟蹤系統(tǒng)，眼鏡在有線狀態(tài)下工作

使用主動(dòng)立體眼鏡的立體顯示系統(tǒng)為用于VR的布局。除了標(biāo)準(zhǔn)布局視覺顯示產(chǎn)品3混合的立體顯示系統(tǒng)

Fake空間實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一類顯示，稱為BOOM。它的顯示器安裝在六自由度支持結(jié)構(gòu)上。用戶以兩手抓住顯示器，轉(zhuǎn)動(dòng)顯示器改變觀看方向，好像它是望遠(yuǎn)鏡。用按鈕控制，在VR中向前向后運(yùn)動(dòng)。這種粗的地面安裝設(shè)備有幾種布局。低檔系統(tǒng)用兩臺CRT顯示提供640(水平)×480(垂直)單色分辨率。BOOM的高檔三色版本提供1280(水平)×1024(垂直)隔行分辨率，使用彩色濾光技術(shù)。BOOM觀看者在六自由度支持結(jié)構(gòu)上有集成的跟蹤傳感器。這個(gè)跟蹤系統(tǒng)，在改變觀看方向后5ms以內(nèi)，很快把方向位置信息送給計(jì)算機(jī)。視覺顯示產(chǎn)品3混合的立體顯示系統(tǒng)

Fa虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章混合的屏幕顯示系統(tǒng)，使用小的顯示表面，通過顯示支持結(jié)構(gòu)支持顯示系統(tǒng)。顯示系統(tǒng)通過伺服控制或人操縱跟隨用戶頭部運(yùn)動(dòng)。這些系統(tǒng)去掉了頭盔顯示的慣性約束，并允許用小型高分辨率彩色屏幕顯示設(shè)備。通過顯示支持結(jié)構(gòu)的儀表得到頭部位姿信息，于是不增加復(fù)雜性就可以得到大的有效的觀看空間。在伺服控制的方案中，由電子機(jī)械控制機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的延遲和失真必須解決，還要注意與人頭部相連的電源設(shè)備的安全問題。人操縱的設(shè)備沒有安全問題，但是必須由一兩只手移動(dòng)視覺設(shè)備，于是這一兩只手就不能用于人機(jī)交互的任務(wù)。

混合的屏幕顯示系統(tǒng)，使用小的顯示表面，通過顯示支持結(jié)構(gòu)支持顯視覺顯示的產(chǎn)品4．多面的顯示系統(tǒng)（VirtualEnvironmentEnclosure）多表面顯示系統(tǒng)（VirtualEnvironmentEnclosure）至少具有三個(gè)顯示表面。顯示表面可以是墻面，天花板，和地面。它們彼此相連構(gòu)成房間。最早的布局是立方體的三個(gè)顯示墻面和一個(gè)顯示地面。典型的尺寸是，每邊長度10英尺，允許多人同時(shí)在這個(gè)虛擬環(huán)境中。多面顯示系統(tǒng)中，同時(shí)在三面，四面，五面或六面墻面上顯示圖像。顯示圖像可以充滿整個(gè)視場，增加沉浸感。

視覺顯示的產(chǎn)品4．多面的顯示系統(tǒng)（VirtualEnvirCAVE1系統(tǒng)的工作原理。該系統(tǒng)中，前方，左方，右方，上方的四面墻，都是投影屏幕。圖中可以看到，對四個(gè)屏幕的四臺投影機(jī)和四個(gè)反光鏡CAVE1系統(tǒng)的工作原理。該系統(tǒng)中，前方，左方，右方，上方的多表面顯示系統(tǒng)的產(chǎn)品CAVE第一個(gè)VirtualEnvironmentEnclosure是1991年伊利諾伊（Illinois）大學(xué)開發(fā)的CAVE（CAVEAutomaticVirtualEnvironment），它在圖形學(xué)會議SIGGRAPH92上發(fā)表。由多臺計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖像，被鏡面反射到投影屏幕。視點(diǎn)在環(huán)境中的移動(dòng)，受一個(gè)主要用戶的控制。該用戶身上有位置跟蹤設(shè)備（如磁跟蹤器），測量他注視的地方。該用戶還用操縱桿控制視點(diǎn)的移動(dòng)。為了觀看立體顯示，所有用戶都要佩帶立體眼鏡。一個(gè)缺點(diǎn)是，除了主要用戶外，每個(gè)人都好像乘車一樣，會出現(xiàn)仿真眩暈。CAVE的房間尺寸是30'×20'×13'。投影機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)被鏡面折疊。每個(gè)投影面用單獨(dú)的投影材料，在三面墻交界的兩個(gè)墻角處，從房頂?shù)降孛胬桓?/4英寸的纜線。纜線的遮擋會破壞在墻角處的立體效果。CAVE由PyramidSystems,Inc.銷售。與伊利諾伊大學(xué)合作，保持很強(qiáng)的技術(shù)支持。多表面顯示系統(tǒng)的產(chǎn)品CAVE多表面顯示系統(tǒng)的產(chǎn)品C2

C2是由愛荷華（Iowa）州立大學(xué)制造的。通過與愛荷華工程部的合作，他們試圖改進(jìn)CAVE的不足。

主要改進(jìn)包括：移動(dòng)地板投影由用戶后方到用戶前方。這就把用戶在地板上的陰影移到用戶后方，不至影響顯示。在墻角處，用架子把兩邊的墻面夾在一起，防止有陰影投在屏幕上。用Unistrut結(jié)構(gòu)，提供更好的立體聲效果。

多表面顯示系統(tǒng)的產(chǎn)品C23CABIN（ComputerAidedBoothforImageNavigation）是東京大學(xué)制造的五面顯示的系統(tǒng)。它有強(qiáng)化玻璃的地板，還有三面墻和天花板的顯示。得到工業(yè)界支持。3CABIN4NAVE（NAVEAutomaticVirtualEnvironment）是由GeorgiaTechVirtualEnvironmentsGroup制造的。課題成本$60k，適于用在大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室。它用視覺和其他物理感覺增強(qiáng)全局的沉浸感。兩個(gè)人坐在一個(gè)椅子上，采用力反饋手柄控制運(yùn)動(dòng)。聲音系統(tǒng)很好。還通過地板發(fā)出震動(dòng)。用旋轉(zhuǎn)和閃爍的光線加強(qiáng)氣氛。

4NAVE（NAVEAutomaticVirtua5C6由愛荷華（Iowa）州立大學(xué)制造，是三維全沉浸的合成環(huán)境。它的房間中，四面墻，地面和天花板都是投影屏幕，顯示背投立體圖像。一面墻可動(dòng)，允許用戶進(jìn)出房間。

VirtualEnvironmentEnclosure的改進(jìn)包括：減小空間要求，增加投影面，增加立體聲音，增加物理反饋，以及降低價(jià)格。5C6第二節(jié)小結(jié)介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)中的視覺顯示技術(shù)。

視覺顯示要求的視覺特性包括：視場、分辨率、亮度、對比、彩色和立體視覺。視覺顯示還要求考慮人類工程學(xué)，安全，可靠和價(jià)格。

第二節(jié)小結(jié)介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)中的視覺顯示技術(shù)。

視覺顯示要第三節(jié)聽覺顯示聽覺顯示概述聲音顯示設(shè)備房間聲音建模非語音聲音合成

第三節(jié)聽覺顯示聽覺顯示概述1聽覺顯示概述虛擬環(huán)境的聽覺接口應(yīng)能給兩耳提供一對聲波。這些聲波具有：(1)它應(yīng)有高逼真性(2)能以預(yù)訂方式改變波形，作為聽者各種屬性和輸出的函數(shù)(包括頭部位姿變化)(3)排除所有不是VR系統(tǒng)產(chǎn)生的聲源(如真實(shí)環(huán)境背景聲音)。對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以放松上述條件(3)，它的意圖是組合合成聲音與真實(shí)聲音。1聽覺顯示概述虛擬環(huán)境的聽覺接口應(yīng)能給兩耳提供一對聲波聽覺顯示設(shè)計(jì)的三方面內(nèi)容：為了滿足這些要求，聽覺顯示系統(tǒng)應(yīng)該包括發(fā)聲設(shè)備。為了使用戶產(chǎn)生置身于某種聲場的臨場感，首要解決了兩個(gè)問題：解決聲音空間定位問題建模問題為了仿真不同類型的聲源，要求合成各類特定聲源的聲音信號。這里只介紹非語音信號的合成

聽覺顯示設(shè)計(jì)的三方面內(nèi)容：2聲音顯示設(shè)備聲音顯示設(shè)備一般講，用耳機(jī)最容易達(dá)到虛擬現(xiàn)實(shí)的要求。在使用喇叭，并遠(yuǎn)離頭部時(shí)，每個(gè)耳朵聽到每個(gè)喇叭的聲音，控制問題很困難。雖然商業(yè)化的高逼真電影往往聲稱喇叭有很好的形成聲象能力，但用戶限制在房中單一收聽位置，只得到固定方位聲象（不補(bǔ)償頭部轉(zhuǎn)動(dòng)），而且房間的聲學(xué)特性不容易處理。此外，由于耳朵完全打開,不可能排除環(huán)境中附加的聲音。雖然與耳機(jī)有關(guān)的接觸感可能限制聽覺臨場感的程度，但是由于用戶需要在虛擬和真實(shí)環(huán)境之間來回轉(zhuǎn)移，這種與耳機(jī)接觸可能是有用的。在任何情況，由于視覺接口會存在這些問題。在需要喇叭的情況下，可能發(fā)生高能低頻聲爆破。這種情況，喇叭可能用于振動(dòng)部分身體，而不僅是耳膜。

2聲音顯示設(shè)備聲音顯示設(shè)備1．耳機(jī)耳機(jī)有不同的電聲特性，尺寸重量，以及安在耳上的方式。一類耳機(jī)是護(hù)耳式耳機(jī)，它是大的重的，并用護(hù)耳墊連在耳朵上。另一類耳機(jī)是插入耳機(jī)(或耳塞)，聲音通過它送到耳中某一點(diǎn)。插入耳機(jī)可能很小，并封閉在可壓縮的插塞中(或適于用戶的耳模)，它放入耳道中。耳機(jī)的發(fā)聲部分也可能遠(yuǎn)離耳朵，其輸出的聲音經(jīng)過塑料管連接(一般2mm內(nèi)徑)，它的終端在類似的插塞中。插入耳機(jī)(或耳塞)，依靠與聲音傳送區(qū)有高的接觸區(qū)域比，可以提供外部聲音較好的衰減(在4kHz以上約35dB，在250Hz以下降到約25dB)。護(hù)耳式耳機(jī)可以達(dá)到類似的高頻衰減，但只有較少的低頻衰減。主動(dòng)消噪音護(hù)耳式耳機(jī)提供高達(dá)15dB附加低頻衰減，因而使其整個(gè)衰減特性類似于插入耳機(jī)。組合插入耳機(jī)和主動(dòng)消噪音護(hù)耳式聽力保護(hù)器可以達(dá)到最大的衰減。即使包括保護(hù)器，價(jià)格也不超過1000美元。

1．耳機(jī)除了在娛樂應(yīng)用上的工作外,在VR領(lǐng)域涉及聽覺顯示的多數(shù)研究開發(fā)集中在由耳機(jī)提供聲音。但這有兩個(gè)缺點(diǎn)：(1)它要求把設(shè)備安在用戶頭上，從而增加負(fù)擔(dān)?？紤]到(1)，對許多現(xiàn)有的頭部跟蹤技術(shù)，頭部跟蹤設(shè)備與耳機(jī)都必須安在頭上。如果視覺顯示也是頭部安裝的，則與增加耳機(jī)有關(guān)的人類工程問題就是次要的。即使不要求聽覺顯示，視覺顯示也要求頭部跟蹤器，增加耳機(jī)到頭盔顯示后所附加的負(fù)擔(dān)是較小的。

(2)它只刺激聽者耳膜。考慮到(2)，即使耳機(jī)能產(chǎn)生足夠的能量震聾用戶，但通過耳機(jī)的刺激不足以給用戶提供聲音能量，影響耳朵以外的身體部位。雖然對VR領(lǐng)域的多數(shù)應(yīng)用，聽覺系統(tǒng)對正常聽覺通道的刺激(外耳、耳膜、中耳、耳蝸等)是精確的，但是如果希望在環(huán)境中提供真實(shí)的高能聲音事件的仿真(如爆破或高速飛機(jī)低空飛過)，則其它身體部位的聲音仿真也是重要的(如振動(dòng)用戶肚子)。除了在娛樂應(yīng)用上的工作外,在VR領(lǐng)域涉及聽覺顯示的多數(shù)研究開3房間聲音建模聲音的空間分布虛擬環(huán)境聽覺接口以前多數(shù)工作是要提供聲音的空間分布。在這個(gè)領(lǐng)域，工作最初集中在仿真正常的空間分布。很少注意提供超正常分布。房間聲學(xué)建模當(dāng)前，Acoustetron是唯一的包含簡化的房間實(shí)時(shí)聲學(xué)建模的實(shí)時(shí)聲音空間定位系統(tǒng)。即使聲學(xué)模型是簡單的，并只有少量一階和二階反射，系統(tǒng)提供了加強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)性。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示非語音聲音合成3房間聲音建模聲音的空間分布聲音的空間分布要求對任何聲音提供正?？臻g分布。這要求考慮被傳送聲音的復(fù)雜頻譜。聲音的傳輸涉及到空間濾波器的傳輸功能，這就是在聲波由聲源傳到耳膜時(shí)發(fā)生的變換(在時(shí)間域內(nèi)，在濾波器脈沖響應(yīng)中的時(shí)間信號，實(shí)現(xiàn)同樣的變換)。由于存在兩個(gè)耳朵，每只耳朵加一個(gè)濾波器（由聲源傳到這個(gè)耳膜時(shí)發(fā)生的變換）。由于虛擬環(huán)境上多數(shù)工作集中在無回聲空間，加之聲源與耳的距離對應(yīng)的時(shí)間延遲，確定濾波器只需要根據(jù)聽者的身體、頭和耳有關(guān)的反射、折射和吸收。傳輸功能看作與頭有關(guān)的傳輸功能(HRTF)。在考慮真實(shí)的反射環(huán)境時(shí)，傳輸功能受到環(huán)境聲結(jié)構(gòu)和人體聲結(jié)構(gòu)的影響。對不同聲源位置的HRTF估計(jì)，是通過在聽者耳道中的探針麥克風(fēng)的直接測量。一旦得到HRTF，則監(jiān)測頭部位姿，對給定的聲源定位，并針對頭部位姿提供適當(dāng)?shù)腍RTF，實(shí)現(xiàn)仿真聲音的空間分布要求對任何聲音提供正?？臻g分布。定位系統(tǒng)Wr