第2章-虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件設(shè)備資料

第2章-虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件設(shè)備資料第一頁，共41頁。*虛擬現(xiàn)實的生成設(shè)備2.1虛擬現(xiàn)實的生成設(shè)備主要是指創(chuàng)建虛擬場景、實時響應(yīng)用戶各種操作的計算機(jī)設(shè)備。計算機(jī)是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的心臟，也稱之為虛擬世界的發(fā)動機(jī)。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的性能優(yōu)劣很大程度上取決于計算機(jī)設(shè)備的性能，由于虛擬世界本身的復(fù)雜性及實時性計算的要求，產(chǎn)生虛擬環(huán)境的計算量極為巨大，這就對計算設(shè)備的配置提出了極高的要求，最主要的要求就是計算機(jī)必須具備高速的CPU和強(qiáng)有力的圖形處理能力。根據(jù)CPU的速度和圖形處理能力，虛擬現(xiàn)實的生成設(shè)備可分為高性能個人計算機(jī)、圖形工作站、巨型機(jī)和分布式網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)。第二頁，共41頁。1.1

高性能個人計算機(jī)高性能個人計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖高性能個人計算機(jī)的核心部分是計算機(jī)的圖形加速卡。為了加快圖形處理的速度，系統(tǒng)可配置多個圖形加速卡。第三頁，共41頁。1.2高性能圖形工作站工作站是僅次于PC機(jī)的用的最多的計算設(shè)備。比PC機(jī)相比，工作站的優(yōu)點是有更強(qiáng)的計算能力，更大的磁盤空間和更快的通訊方式。工作站主要用于通用計算而不是虛擬現(xiàn)實。隨著虛擬現(xiàn)實的不斷成熟，主要的工作站制造廠家逐漸開發(fā)用高端圖形加速器來實現(xiàn)現(xiàn)有的模型。Sun和SGI公司采用的一種途徑是用虛擬現(xiàn)實工具改進(jìn)現(xiàn)有的工作站，像基于PC的系統(tǒng)那樣。DivisionLtd.采用的另一個途徑是設(shè)計虛擬現(xiàn)實專用的"總承包"系統(tǒng)，如Provision100。這是基于工作站的虛擬現(xiàn)實機(jī)器的兩種發(fā)展途徑。第四頁，共41頁。

(a)SunBlade2500

(b)SunBlade2000

Sun工作站1.2高性能圖形工作站第五頁，共41頁。1.3

高度并行的計算機(jī)計算機(jī)界的研究重心是并行計算。所以各個工作站廠商都在發(fā)展高度并行的虛擬現(xiàn)實機(jī)器，以便提高計算能力。目前高性能并行計算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)較多，集群和巨型機(jī)主機(jī)就是并行計算機(jī)。SGIAltix3000

曙光TC1700服務(wù)器第六頁，共41頁。聯(lián)想成功研制的“深騰7000”天河一號”超級計算機(jī)1.3

高度并行的計算機(jī)第七頁，共41頁。分布式虛擬環(huán)境是指它駐留在兩臺或兩臺以上的網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)上，這些計算機(jī)共享整個仿真的計算負(fù)載。如果在分布式虛擬環(huán)境中的兩個(或多個)用戶稱為合作，是指他們依次執(zhí)行給定的仿真任務(wù)，在某一時刻只有一個用戶與給定的虛擬對象交互。反之，用戶協(xié)作指的是他們同時與給定的虛擬對象交互。1.4

分布式網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)第八頁，共41頁。2.2虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備

虛擬現(xiàn)實建立了一個虛擬的世界，處于虛擬世界中的人與系統(tǒng)之間相互作用、相互影響，要產(chǎn)生虛擬現(xiàn)實的沉浸感，常見的鍵盤、鼠標(biāo)等交互設(shè)備就不能完全滿足需要了，必須要有相應(yīng)的交互設(shè)備支持。目前虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備根據(jù)功能的不同，可以分為視覺顯示設(shè)備、聽覺感知設(shè)備、虛擬物體操作設(shè)備、運(yùn)動捕捉設(shè)備等。第九頁，共41頁。視覺感知設(shè)備人從外界獲取信息有80%以上來自于視覺，視覺感知設(shè)備是最常見的，也是最成熟的。1.頭盔顯示器(Head——MountedDisplay,HMD)第十頁，共41頁。1.頭盔顯示器(Head——MountedDisplay,HMD)

在頭盔中LEEP光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)立體視覺的基本原理：（a）為單眼視覺的原理，圖中可見虛像比屏幕離開眼睛更遠(yuǎn)。（b）為立體視覺的原理。圖中的一個目標(biāo)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(biāo)點在C點，就是感覺的點。視覺感知設(shè)備第十一頁，共41頁。1.頭盔顯示器(Head——MountedDisplay,HMD)2.1.2

視覺感知設(shè)備（1） 基于LCD的頭盔顯示器各種類型的LED頭盔顯示器第十二頁，共41頁。（2）雙目全方位顯示器雙目全方位顯示器（BinocularOmni-OrientationMonitor，BOOM）是種可移動式顯示器，是一種特殊的頭部顯示設(shè)備。使用BOOM比較類似使用一個望遠(yuǎn)鏡，它把兩個獨立的CRT顯示器捆綁在一起，由兩個相互垂直的機(jī)械臂支撐稱，這不僅讓用戶可以在半徑2m的球面空間內(nèi)用手自由操縱顯示器的位置，還能將顯示器的重量加以巧妙的平衡而使之始終保持水平，不受平臺的運(yùn)動影響。在支撐臂上的每個節(jié)點處都有位置跟蹤器，因此BOOM和HMD一樣有實時的觀測和交互能力。第十三頁，共41頁。（3） 基于CRT的頭盔顯示器基于CRT的頭盔產(chǎn)品視覺感知設(shè)備

第十四頁，共41頁。（4）大屏幕投影-液晶光閘眼鏡大屏幕投影-液晶光閘眼鏡立體視覺系統(tǒng)原理和CRT顯示一樣只是將分時圖像CRT顯示改為大屏幕顯示，用于投影的CRT或者數(shù)字投影機(jī)要求極高的亮度和分辨率，它適合在較大的使用內(nèi)產(chǎn)生投影圖像的應(yīng)用需求。洞穴式VR系統(tǒng)就是一種基于投影的環(huán)繞屏幕的洞穴自動化虛擬環(huán)境CAVE（CaveAutomaticVirtualEnvironment）。第十五頁，共41頁。裸體立體顯示系統(tǒng)裸體立體顯示系統(tǒng)：顯示技術(shù)結(jié)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。立體液晶顯示器美國DTI公司首先推出的15英寸2015XLS3D液晶顯示器,采用了一種被稱為視差照明（parallaxillumination）的開關(guān)液晶技術(shù)實現(xiàn)了裸體立體顯示效果。第十六頁，共41頁。裸體立體顯示系統(tǒng)第十七頁，共41頁。2.2.2聽覺感知設(shè)備聽覺感知設(shè)備主要有耳機(jī)和揚(yáng)聲器兩種。（1）耳機(jī)第十八頁，共41頁。2．聽覺感知設(shè)備（2）揚(yáng)聲器又稱“喇叭”。是一種十分常用的電聲轉(zhuǎn)換器件，它是一種位置固定的聽覺感知設(shè)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(shè)備中使用揚(yáng)聲器。

第十九頁，共41頁。2.2.3虛擬物體操作設(shè)備（1）數(shù)據(jù)手套第二十頁，共41頁。（2）力矩球力矩球（空間球SpaceBall）是一種可提供為6自由度的外部輸入設(shè)備，6自由度是指寬度、高度、深度、俯仰角、轉(zhuǎn)動角和偏轉(zhuǎn)角，可以扭轉(zhuǎn)、擠壓、拉伸以及來回?fù)u擺，用來控制虛擬場景做自由漫游，或者控制場景中虛擬物體的空間位置機(jī)器方向。

第二十一頁，共41頁。（3）操縱桿操縱桿是一種可以提供前后左右上下留個自由度及手指按鈕的外部輸入設(shè)備。如圖所示，適合對虛擬飛行等的操作。由于操縱桿采用全數(shù)字化設(shè)計，隨意其精度非常高。無論操作速度多快，它都能快速做出相應(yīng)。第二十二頁，共41頁。觸覺反饋設(shè)備

充氣式觸覺反饋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(xì)的進(jìn)氣和出氣管道，所有氣泡的進(jìn)/出氣管匯總在一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達(dá)到觸覺反饋的目的。第二十三頁，共41頁。2．振動式觸覺反饋裝置

記憶合金觸覺反饋裝置第二十四頁，共41頁。2．振動式觸覺反饋裝置

記憶合金觸覺反饋裝置第二十五頁，共41頁。力反饋設(shè)備力反饋設(shè)備是運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)手段跟蹤用戶身體的運(yùn)動，將其在虛擬物體的空間運(yùn)動轉(zhuǎn)換成對周邊物理設(shè)備的機(jī)械運(yùn)動，并施加力給用戶，使用戶能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(yīng)用中常見的力反饋設(shè)備有力反饋鼠標(biāo)、力反饋操縱桿、力反饋手臂以及力反饋手套。第二十六頁，共41頁。1．力反饋鼠標(biāo)力反饋鼠標(biāo)Wingman第二十七頁，共41頁。2.3.3

力反饋設(shè)備2．力反饋操縱桿第二十八頁，共41頁。3．力反饋手柄力反饋手柄是較簡單的力反饋設(shè)備。它只有三個自由度，功能有限。為了增加仿真的靈活性，力反饋手臂的仿真接口有一定的改進(jìn)。第二十九頁，共41頁。3．力反饋手柄(a)手臂反饋運(yùn)動機(jī)構(gòu)(b)系統(tǒng)配置圖力反饋手臂裝置示意圖第三十頁，共41頁。3．力反饋手柄第三十一頁，共41頁。4．力反饋手套CyberGrasp手套第三十二頁，共41頁。4．力反饋手套CyberGrasp的工作外觀第三十三頁，共41頁。2.2.4運(yùn)動捕捉系統(tǒng)運(yùn)動捕捉技術(shù)的工作原理是把真實人的動作完全附加到一個三維模型或者角色動畫上。所以，運(yùn)動捕捉技術(shù)作為三維動畫主流制作工具，在國外已得到業(yè)內(nèi)的認(rèn)可和應(yīng)用。通常借助該技術(shù)，動畫師們模擬真實感較強(qiáng)的動畫角色，并與實拍中演員的大小比例相匹配，然后借助運(yùn)動捕捉系統(tǒng)來捕捉表演中演員的每一細(xì)微動作和表情變化，并真實地還原在角色動畫上。第三十四頁，共41頁。3．運(yùn)動捕捉系統(tǒng)基于運(yùn)動捕捉的角色動畫制作第三十五頁，共41頁。3．運(yùn)動捕捉系統(tǒng)運(yùn)動捕捉系統(tǒng)第三十六頁，共41頁。3．運(yùn)動捕捉系統(tǒng)典型的運(yùn)動捕捉設(shè)備一般由三部分組成。接收傳感器是固定在運(yùn)動物體特定部位的跟蹤裝置，它將向系統(tǒng)提供運(yùn)動物體運(yùn)動的位置信息，一般會隨著捕捉的細(xì)致程度確定傳感器的數(shù)目。第三十七頁，共41頁。2.4.8

常見的三維位置跟蹤設(shè)備3．運(yùn)動捕捉系統(tǒng)典型的運(yùn)動捕捉設(shè)備一般由三部分組成。處理單元是負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)捕捉到的原始信號，計算傳感器的運(yùn)動軌跡，對數(shù)據(jù)進(jìn)行修正、處理、并與三維角色模型相結(jié)合。處理單元既可以是軟件也可以是硬件，借助計算機(jī)對數(shù)據(jù)告訴的運(yùn)算能力來完成數(shù)據(jù)的處理，使三維模型真正、自然地運(yùn)動起來。第三十八頁，共41頁。3．運(yùn)動捕捉系統(tǒng)