虛擬現(xiàn)實技術概述

第一章虛擬現(xiàn)實技術概述虛擬現(xiàn)實技術概述第1頁虛擬現(xiàn)實定義（一）：由交互式計算機仿真組成一個媒體，能夠感知參加者位置和動作，替換或增強一個或各種感覺反饋，從而產生一個精神沉醉或出現(xiàn)在仿真環(huán)境（虛擬世界）中感覺。虛擬現(xiàn)實技術概述第2頁采取以計算機技術為關鍵當代高科技伎倆生成逼真視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等一體化虛擬環(huán)境，用戶從自己視點出發(fā)，借助特殊輸入輸出設備，采取自然方式與虛擬世界物體進行交互，相互影響。虛擬現(xiàn)實定義（二）：虛擬現(xiàn)實技術概述第3頁虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)——“3I”圖

Immersion-Interaction-ImaginationImmersionImaginationInteraction虛擬現(xiàn)實技術概述第4頁四類虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實技術概述第5頁桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實技術概述第6頁

基于頭盔式顯示器系統(tǒng)投影式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)遠程存在系統(tǒng)（遙在系統(tǒng)）沉醉式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實技術概述第7頁基于頭盔式顯示器系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實技術概述第8頁虛擬現(xiàn)實技術概述第9頁投影式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實技術概述第10頁虛擬現(xiàn)實技術概述第11頁遠程存在系統(tǒng)（遙在系統(tǒng)）虛擬現(xiàn)實技術概述第12頁增強式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實技術概述第13頁虛擬現(xiàn)實技術概述第14頁分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)網(wǎng)絡+虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實技術概述第15頁虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)：

=用戶+硬件+虛擬環(huán)境交互性用戶

虛擬環(huán)境用戶信息反饋信息虛擬現(xiàn)實技術概述第16頁第二章虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)硬件虛擬現(xiàn)實技術概述第17頁用戶+硬件+虛擬環(huán)境交互性用戶

虛擬環(huán)境用戶信息反饋信息虛擬現(xiàn)實技術概述第18頁輸入輸出設備必要性：交互性——VR基本特征特殊人機接口與外部設備是實現(xiàn)人機交互必要伎倆商品化，不成熟原型終極目標：

能滿足快速、自然交互虛擬現(xiàn)實技術概述第19頁如：身體運動——3-D位置跟蹤器；手勢——傳感手套；視覺反饋——立體顯示器；虛擬聲音——3-D聲音生成器；觀察方向——跟蹤球和操縱桿。

虛擬現(xiàn)實技術概述第20頁VR硬件系統(tǒng)集成VR系統(tǒng)需要：一個以計算機為關鍵、將各種I/O交互設備協(xié)調組合在一起硬件平臺。計算機系統(tǒng)功效：保障虛擬三維場景實時計算和顯示，盡可能降低延遲；協(xié)調各種I/O交互設備之間工作，確保系統(tǒng)整體運行性能。PC機、工作站和超級計算機等虛擬現(xiàn)實技術概述第21頁VIEW系統(tǒng)組成VR系統(tǒng)平臺——VIEW（VirtualInterfaceEnvironmentWorkstation）虛擬現(xiàn)實技術概述第22頁

VIEW:一組由計算機控制I/O子系統(tǒng)提供虛擬環(huán)境所需各種感覺通道識別和控制功效HP企業(yè)HP900／835SGI圖形計算機或HPSRX圖形系統(tǒng)——圖形處理Plohemus空間跟蹤系統(tǒng)——跟蹤手部位置LEEP廣角立體視景頭戴顯示器和單色液晶顯示器麥克風——語音識別兩個耳機——三維聲音跟蹤VPL數(shù)據(jù)手套——識別使用者手勢控制系統(tǒng)行為BOOMCRT顯示器及FakeSpace遠程攝像系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實技術概述第23頁三維跟蹤傳感設備立體鼠標傳感手套數(shù)據(jù)衣立體顯示器觸覺和力覺反饋裝置3-D聲音生成器經典輸入輸出裝置：虛擬現(xiàn)實技術概述第24頁跟蹤器作用：

取得移動對象位置和方向信息；應用：

航行、導彈、CG藝術、交通、GPS等VR：

高精度、快速、測量范圍小

1、三維位置跟蹤器虛擬現(xiàn)實技術概述第25頁跟蹤器：跟蹤身體

身體跟蹤：VR系統(tǒng)感知參加者位置和動作；身體姿態(tài)與手勢；跟蹤頭部：頭朝向，影響繪制場景手和手指：手提供了與世界交互方法虛擬現(xiàn)實技術概述第26頁眼睛：眼睛注視方向軀干：軀干方向腳：確定漫游速度和方向其它身體部位：體溫、心率等間接跟蹤：使用物理對象而不是身體部位來預計參加者位置；虛擬現(xiàn)實技術概述第27頁跟蹤器跟蹤物體移動：3-D空間中移動物體參數(shù)：在移動物體上捆綁一個笛卡爾坐標系，則對象有：三個平移參數(shù)：沿X，Y，Z軸移動；三個旋轉參數(shù)：沿X，Y，Z軸旋轉，稱為“yaw”，“pitch”，“roll”；六個運動方向相互正交，組成六個獨立變量：x，y，z，水平角，俯仰角，偏轉角，被稱為6自由度（DegreeofFreedom，DOM）虛擬現(xiàn)實技術概述第28頁不良跟蹤器后果不良跟蹤器即定位誤差較大跟蹤器定位誤差：跟蹤對象出現(xiàn)在不該出現(xiàn)位置上；體驗與經驗相違反；定位誤差將給用戶造成一個類似于運動病癥狀，如眩暈、暈船感、視覺混亂、身體乏力等；虛擬現(xiàn)實技術概述第29頁衡量跟蹤器性能參數(shù)精度抖動偏差延遲更新率虛擬現(xiàn)實技術概述第30頁跟蹤器性能參數(shù)－精度跟蹤器精度

指對象真實三維位置與跟蹤器測量出三維位置值之間差值虛擬現(xiàn)實技術概述第31頁注意：差值↓

跟蹤器精度↑

跟蹤器越準確精度單位：毫米，度精度伴隨與坐標原點距離增加而降低精度與分辨率不一樣：一個是表征測得位置與真實位置差值，一個是可測得被跟蹤對象最小三維位置改變虛擬現(xiàn)實技術概述第32頁跟蹤器性能參數(shù)－抖動跟蹤器抖動

指當被跟蹤對象固定不變時，跟蹤器輸出結果改變。虛擬現(xiàn)實技術概述第33頁注意：理想情況下，抖動應該為零，測得位置為固定值抖動不是一個常數(shù)，受周圍環(huán)境影響嚴重抖動會造成虛擬對象振動和跳動虛擬現(xiàn)實技術概述第34頁跟蹤器性能參數(shù)－偏差跟蹤器偏差

指跟蹤器伴隨時間推移而積累誤差。虛擬現(xiàn)實技術概述第35頁注意：偏差根源在于跟蹤器不準確性偏差與時間相關，時間越長，積累偏差越大校正：使用另一個無偏差跟蹤器周期性對當前跟蹤器進行零位調整。虛擬現(xiàn)實技術概述第36頁跟蹤器性能參數(shù)－延遲跟蹤器延遲

指對象位置或方向改變與跟蹤器檢測到這種改變之間時間差虛擬現(xiàn)實技術概述第37頁注意：延遲原因在于：跟蹤器對移動對象運動總是滯后。系統(tǒng)延遲＝測量延遲＋通信延遲＋繪制與顯示延遲導致HMD運動與用戶看到虛擬場景運動之間有很大時間遲滯對于使用者來說，一方面沉醉感降低，其次導致“仿真病”。虛擬現(xiàn)實技術概述第38頁降低延遲方法：同時鎖相：讓跟蹤器和通信周期與顯示周期同時。使用高速通信線路提升跟蹤器采樣率（更新率）虛擬現(xiàn)實技術概述第39頁跟蹤器性能參數(shù)－更新率跟蹤器更新率

指跟蹤器每秒鐘匯報測量數(shù)據(jù)集次數(shù)虛擬現(xiàn)實技術概述第40頁3種慣用跟蹤技術主要性能指標跟蹤器類型分辨率精度延遲跟蹤范圍電磁波1mm0.03mm3mm0.1mm50ms半徑<1.6m半球形超聲波10mm0.5mm依空氣密度改變30ms4～5m3光學2mm0.02mm1mm＜1ms4～8m3（可擴展至14m3）虛擬現(xiàn)實技術概述第41頁三維位置跟蹤器類型機械跟蹤器電磁跟蹤器（交流、直流）超聲波跟蹤器光學跟蹤器混合慣性跟蹤器虛擬現(xiàn)實技術概述第42頁機械跟蹤器定義：

機械跟蹤器：一個串行或并行運動結構，由多個帶有傳感器關節(jié)連接在一起連桿組成。虛擬現(xiàn)實技術概述第43頁虛擬現(xiàn)實技術概述第44頁Gypsy動作捕捉系統(tǒng)無線動作捕捉系統(tǒng)范圍：在戶外有效距離能夠到達0.8公里，相當于450個足球場范圍；室內范圍為180米沒有攝象頭--直接統(tǒng)計人體身體動作操作非常簡單便攜虛擬現(xiàn)實技術概述第45頁Gypsy特點：15個關節(jié)位置由42個單向導電塑料精密電位記測得精度0.08度，范圍18米，采樣頻率30使用了腳步微動開關使用了陀螺儀虛擬現(xiàn)實技術概述第46頁虛擬現(xiàn)實技術概述第47頁機械跟蹤器優(yōu)點簡單易用精度保持相對穩(wěn)定，基本取決于關節(jié)傳感器分辨率相對于電磁跟蹤器，不受周圍環(huán)境中金屬物質和磁場影響相對于光學跟蹤器，不存在視覺阻擋問題虛擬現(xiàn)實技術概述第48頁機械跟蹤器缺點工作范圍有限：機械臂有尺寸限制，過長則重量和慣性增加，機械振動敏感性增加。自由度小跟重量相關人機工程學問題虛擬現(xiàn)實技術概述第49頁三維位置跟蹤器類型機械跟蹤器電磁跟蹤器（交流、直流）超聲波跟蹤器光學跟蹤器混合慣性跟蹤器虛擬現(xiàn)實技術概述第50頁非接觸式跟蹤器原理介質：電磁、超聲波、紅外攝影、LED、加速計、陀螺儀。定義：電磁跟蹤器：一個非接觸式位置測量設備，由一個固定發(fā)射器產生電磁場，確定移動接收單元實時位置。虛擬現(xiàn)實技術概述第51頁電磁跟蹤器：發(fā)射器：發(fā)射磁場接收器：接收磁場，將信號送到控制部件控制部件：計算得出跟蹤目標數(shù)據(jù)優(yōu)點：不受視線阻擋限制虛擬現(xiàn)實技術概述第52頁交流電磁跟蹤器基本原理：發(fā)射器：（三個相互垂直線圈天線）依次產生三個正交交流磁場接收器（三個正交線圈）產生9個電壓值計算接收器相對于發(fā)射器位置和方向。虛擬現(xiàn)實技術概述第53頁Polhemus跟蹤器Polhemus企業(yè)生產方位跟蹤器：Isotrak3Space跟蹤器Fastrak虛擬現(xiàn)實技術概述第54頁VPLDataGlove：IsotrackIsoTrack特點：交流電磁式延遲：30ms采樣率：60抖動：1度，造成顫動虛擬現(xiàn)實技術概述第55頁FASTRAK：非金屬上快速動作捕捉器，取樣頻率達每秒120次；適合用于頭部跟蹤、手部跟蹤、儀器追蹤、生物機械分析、機械臂動作捕捉等應用VPLDataGlove：Fastrack虛擬現(xiàn)實技術概述第56頁FastTrack特點：交流電磁式使用DSP體系結構采樣率：120抖動：0.1度工作范圍：0.75m,3×0.75m可掛接多個接收器，采樣率隨之下降虛擬現(xiàn)實技術概述第57頁交流電磁跟蹤器缺點強磁場環(huán)境：金屬物質：交變磁場中會產生渦流，從而產生小磁場磁性物質：本身含有磁場辦法：防止附近有強磁場、大塊金屬和磁性物質存在。虛擬現(xiàn)實技術概述第58頁虛擬現(xiàn)實技術概述第59頁直流電磁跟蹤系統(tǒng)：降低畸變渦流影響只在測量周期開始時產生渦流渦流衰減到零時系統(tǒng)會到達一個穩(wěn)定狀態(tài)虛擬現(xiàn)實技術概述第60頁直流電跟蹤器基本原理：發(fā)射器（三個相互垂直線圈天線）依次產生三個脈沖磁場接收器（三個磁力計或霍爾效應傳感器）產生9個電壓值，計算接收器相對于發(fā)射器位置和方向虛擬現(xiàn)實技術概述第61頁Ascension技術企業(yè)直流電磁跟蹤器：BirdFlockofBirdsERT（BigBird）虛擬現(xiàn)實技術概述第62頁AscensionBird跟蹤器發(fā)射器：發(fā)射一系列脈沖，控制發(fā)射場開與關。特點：減小由金屬物體所感應畸變渦流場，渦流只在磁場發(fā)生改變時產生。Polhemus3space發(fā)射器發(fā)射連續(xù)改變磁場，連續(xù)不停地產生渦流Bird發(fā)射器發(fā)射磁脈沖，只在測量周期開始時產生渦流。一旦磁場到達了穩(wěn)態(tài)，就不再產生渦流虛擬現(xiàn)實技術概述第63頁三維位置跟蹤器類型機械跟蹤器電磁跟蹤器（交流、直流）超聲波跟蹤器光學跟蹤器混合慣性跟蹤器虛擬現(xiàn)實技術概述第64頁超聲波跟蹤器定義：

利用不一樣聲源聲音抵達某一特定地點時間差、相位差及聲壓差，進行定位與跟蹤。虛擬現(xiàn)實技術概述第65頁Piltdown三維羅盤六自由度實時方向和位置跟蹤器第一個使用相位相干技術商用跟蹤器。位置跟蹤：使用超音速技術來實現(xiàn)，不受外部磁場和鋼鐵材料影響虛擬現(xiàn)實技術概述第66頁羅盤控制單元：控制羅盤操作，管理數(shù)據(jù)采集，位置計算。發(fā)射器系統(tǒng)：發(fā)射不一樣頻率超音速信號。接收器系統(tǒng)：采集發(fā)射器系統(tǒng)發(fā)射超音速信號，經過電纜把它們傳回控制單元?？刂茊卧航涍^RS-232C接口與主機進行通信。虛擬現(xiàn)實技術概述第67頁三維位置跟蹤器立體鼠標傳感手套數(shù)據(jù)衣立體顯示器3-D聲音生成器觸覺和力覺反饋裝置虛擬現(xiàn)實技術概述第68頁2、立體鼠標普通鼠標:平面運動立體鼠標：六個自由度運動Spacemouse，如3Space企業(yè)SpaceBallcubicmouseSpaceBall5000虛擬現(xiàn)實技術概述第69頁3Dconnexion企業(yè)Spacemouse虛擬現(xiàn)實技術概述第70頁三維鼠標虛擬現(xiàn)實技術概述第71頁三維位置跟蹤器立體鼠標傳感手套數(shù)據(jù)衣立體顯示器3-D聲音生成器觸覺和力覺反饋裝置虛擬現(xiàn)實技術概述第72頁VR強調以自然方式進行交互——手勢把手勢用于人機交互：賦予手勢確切交互操作含義帶傳感器手套，能把手指和手掌伸屈時各種姿態(tài)轉換為數(shù)字信號送給計算機；3、傳感手套虛擬現(xiàn)實技術概述第73頁傳感手套要配置位置跟蹤器以檢測手實際位置和方位；傳感手套：數(shù)據(jù)手套、賽伯手套、威力手套、手控制器、說話手套虛擬現(xiàn)實技術概述第74頁最早傳感手套（VPL）把人手動作轉化為計算機輸入信號；組成：很輕彈性材料組成。彈性材料緊貼在手上，同時附許多位置、方向傳感器和光纖導線，以檢測手運動。光纖：測量手指彎曲、伸展，經過光電轉換，手指動作信息被計算機識別。DataGlove虛擬現(xiàn)實技術概述第75頁光導纖維傳感器：監(jiān)視手指彎曲和伸展位置方向跟蹤系統(tǒng)：監(jiān)視手位置和方向微處理器：監(jiān)控經過光導纖維光量及由空間跟蹤器返回信息，對數(shù)據(jù)分析后傳遞給主機。虛擬現(xiàn)實技術概述第76頁工作原理：光導纖維：測量手指角度。當光導纖維彎曲時，傳輸光將會有損失，傳輸光量與其彎曲程度相關。手指關節(jié)運動時，纖維彎曲造成光散失。虛擬現(xiàn)實技術概述第77頁高精度傳感器系統(tǒng)，準確跟蹤人手復雜運動外輪廓附著在手后面，監(jiān)視手整個運動過程每一個手指關節(jié)上附著一個HallEffect傳感器，測量手指三個彎曲動作及手指間動作。測量20個關節(jié)角度，并將數(shù)據(jù)送給主機。

EXOS精巧手控設備EXOS精巧手控設備虛擬現(xiàn)實技術概述第78頁為家庭視頻游戲市場專門設計，性能比其他同類產品低得多，但價格較為便宜使用基于有一恒定彈力塑料張力測量儀。一個單獨傳感器一次測量全部關節(jié)，不能檢測某一特殊關節(jié)。PowerGlove虛擬現(xiàn)實技術概述第79頁Virtex企業(yè)一個新高精度關節(jié)傳感技術，被廣泛用來創(chuàng)建、終止、定位三維物體。有22個傳感器，每個手指三個彎曲傳感器和一個外展肌傳感器。拇指與小手指由一傳感器相連，手腕處有一傳感器。一個高精度設備，能提供準確而連續(xù)輸出。CyberGlove虛擬現(xiàn)實技術概述第80頁傳感手套DataGloveCyberGloveCyberGrasp虛擬現(xiàn)實技術概述第81頁虛擬現(xiàn)實技術概述第82頁三維位置跟蹤器傳感手套立體鼠標數(shù)據(jù)衣立體顯示器3-D聲音生成器觸覺和力覺反饋裝置虛擬現(xiàn)實技術概述第83頁識別全身運動對人體大約50多個不一樣關節(jié)進行測量，包含膝蓋、手臂、軀干和腳。經過光電轉換，身體運動信息被計算機識別。光纖系統(tǒng):大量光纖裝在一個緊身衣服上，能測量肢體位置，用計算機重建出圖象。4、數(shù)據(jù)衣虛擬現(xiàn)實技術概述第84頁問題??人外形改變太大需要使用多個空間跟蹤器：檢測肢體伸展情況檢測肢體空間位置及方向多個跟蹤器提升計算速度，到達實時性愈加困難。虛擬現(xiàn)實技術概述第85頁三維位置跟蹤器傳感手套立體鼠標數(shù)據(jù)衣立體顯示設備3-D聲音生成器觸覺和力覺反饋裝置虛擬現(xiàn)實技術概述第86頁5、立體顯示設備立體顯示原理慣用立體顯示裝置HMDBOOM立體眼鏡立體投影顯示3D顯示器虛擬現(xiàn)實技術概述第87頁立體視覺：人眼感覺到空間立體感主要原因；兩只眼睛之間存在一定距離?？次矬w時，兩只眼睛從不一樣角度來看，看到畫面是不完全一樣，中間存在一定差異（雙眼立體視覺），這個差異稱為“視差”。大腦依據(jù)視差，產生物體遠近位置信息這種信息直觀表現(xiàn)即立體感。

（1）立體顯示原理虛擬現(xiàn)實技術概述第88頁虛擬現(xiàn)實技術概述第89頁虛擬現(xiàn)實技術概述第90頁假如能夠左右兩只眼睛從顯示器屏幕上看到兩副含有視差有區(qū)分畫面，反應到大腦，就會產生立體感。立體顯示設備就是為了實現(xiàn)這么一個過程。虛擬現(xiàn)實技術概述第91頁首先，產生兩副含有視差畫面真實場景：用兩架攝影機相距一定距離同時拍攝即可得到含有視差兩副畫面；3D游戲：經過計算來得到含有視差兩副畫面。然后：在顯示器上顯示出來最終：讓左眼只看到左眼畫面，右眼只看到右眼畫面虛擬現(xiàn)實技術概述第92頁立體圖繪制對同一場景用左右兩個視點分別計算其透視圖，產生兩幅含有一定視差圖象；在虛擬環(huán)境中，用戶視場在水平方向最少要有110度，垂直方向60度，還要有大于30度雙目立體重合虛擬現(xiàn)實技術概述第93頁立體圖象顯示：1、同時顯示左右兩幅圖象稱為同時顯示技術（time-parallel），是對兩幅圖象用不一樣光波長顯示，用戶眼睛片分別配以對應濾波片，使雙眼只能看到對應圖象；此技術在20世紀50年代被廣泛應用于立體電影放映中；虛擬現(xiàn)實技術概述第94頁立體圖象顯示：2、以一定頻率交替顯示兩幅圖象

稱為分時顯示技術（time-multiplexed），兩幅圖象交替頻率通常為30Hz；同時為了確保每只眼睛只能看到各自對應圖象，用戶經過以相同頻率同時切換立體眼鏡來觀察圖象；虛擬現(xiàn)實技術概述第95頁應用當代計算機圖形學和可視化領域中使用光柵顯示器，光柵顯示器顯示方式和顯示內容是無關；分時顯示技術能夠輕易地經過光柵顯示技術來實現(xiàn)，所以在立體圖顯示中占據(jù)了主導地位。虛擬現(xiàn)實技術概述第96頁（2）慣用立體顯示器立體眼鏡HMDBOOM立體投影顯示3D顯示器虛擬現(xiàn)實技術概述第97頁立體眼鏡：確保用戶左右眼只能看到對應左右視圖；包含：主動立體眼鏡（有源立體眼鏡）被動立體眼鏡（無源立體眼睛）——立體眼鏡虛擬現(xiàn)實技術概述第98頁立體眼鏡虛擬現(xiàn)實技術概述第99頁主動（有源）立體眼鏡鏡框上裝有電池及液晶調制器控制鏡片；立體監(jiān)視器配有紅外線發(fā)射器，依據(jù)監(jiān)視器顯示左右眼視圖頻率發(fā)射紅外控制信號；眼鏡液晶調制器接收紅外控制信號虛擬現(xiàn)實技術概述第100頁眼鏡接到紅外控制信號后，調制鏡片上液晶通斷狀態(tài)，即控制左右鏡片透明和不透明狀態(tài)；如監(jiān)視器顯示左眼視圖，發(fā)射紅外信號使右眼鏡片處于不透明狀態(tài)，左眼處于透明狀態(tài)，這么輪番切換；圖象效果好，但價格昂貴；虛擬現(xiàn)實技術概述第101頁被動（無源）立體眼鏡依據(jù)光偏震原理設計，左右鏡片是兩片正交偏震濾光片，分別只允許一個方向偏震光經過監(jiān)視器顯示器前裝一一樣大小液晶立體調制器虛擬現(xiàn)實技術概述第102頁顯示器左右眼視圖經液晶立體調制器形成左偏震光和右偏震光，分別透過左右鏡片，使左眼只能看到左視圖，右眼只能看到右視圖；無源立體眼鏡價格低廉，無須紅外發(fā)射器；虛擬現(xiàn)實技術概述第103頁——頭盔式立體顯示器（HMD）虛擬現(xiàn)實技術概述第104頁頭盔式立體顯示器是VR普遍采取立體顯示器是安裝在頭盔上顯示裝置，頭盔顯示器戴在頭部，用機械方法固定，頭盔顯示器與頭之間不能有相對運動；虛擬現(xiàn)實技術概述第105頁頭盔式立體顯示器（HMD）頭盔上裝有位置跟蹤器，可實時測出頭部位置和朝向，并輸入計算機；計算機依據(jù)這些數(shù)據(jù)生成反應當前位置和朝向場景圖象并顯示在頭盔顯示器屏幕上；虛擬現(xiàn)實技術概述第106頁用戶只能看到計算機生成虛擬世界，看不到其所處現(xiàn)實世界，從而取得沉醉感；頭盔顯示器顯示器不透明，距離人眼很近，需用專用光學系統(tǒng)（LEEP系統(tǒng)）使人眼能聚焦在如此近距離又不易疲勞；虛擬現(xiàn)實技術概述第107頁三維空間傳感器HMD虛擬現(xiàn)實技術概述第108頁基于LCD頭盔式顯示器優(yōu)點：廉價缺點：LCD分辨率有限虛擬現(xiàn)實技術概述第109頁Eyephone頭盔式顯示器

使用單色便攜LCD電視顯示器，分辨率很低，顯示器是單色。LX型Eyephone

圖象由寬角FMT光學器件顯示。使用了Fresnel透鏡，比最初LEEP視覺系統(tǒng)輕。虛擬現(xiàn)實技術概述第110頁VPLHRX型Eyephone是基于LX型Eyephone彩色立體顯示系統(tǒng)。使用LCD大約有350000個彩色象素，能夠顯示較高分辨率圖象虛擬現(xiàn)實技術概述第111頁VirtualResearch飛行頭盔低分辨率，使用寬角度LEEP系統(tǒng)。頭盔形式和舒適程度方面設計很好，整體舒適程度比其它大多數(shù)基于LCD頭盔式顯示器要好，重量相對要輕，輕易保持平衡。

虛擬現(xiàn)實技術概述第112頁基于CRT頭盔式顯示器優(yōu)點：低成本小規(guī)格高分辨率虛擬現(xiàn)實技術概述第113頁帶有光導纖維頭盔式顯示器

CRT設備比LCD有較高分辨率，但很粗笨。因為電子束直徑、點聚焦和磷光體顆粒大小等原因影響CRT分辨率。虛擬現(xiàn)實技術概述第114頁處理方法：使用一個大屏幕、高分辨率CRT作為圖象源，把它圖象連接到頭盔式顯示器上光導纖維用來把CRT圖象傳送給頭盔上視覺系統(tǒng)。優(yōu)點：能使用非常高分辨率顯示源，卻不給頭部帶來重量上難題。虛擬現(xiàn)實技術概述第115頁——BOOMLCD和CRTHMD都會受到頭部跟蹤延遲影響；延遲太大，使用戶產生不適感需要有快速跟蹤機制和快速圖形繪制NASA研究與VIEW項目結合產生了“基于平衡CRT立體觀察器CCSV”，它使用一個機械臂支撐CRT虛擬現(xiàn)實技術概述第116頁CCSV概念由Fakespace企業(yè)發(fā)展為“BOOM”（BinocularOmni-OrientationalMonitor，雙目全方位監(jiān)視器）半投入式視覺顯示設備。類似于一對雙目望遠鏡，把兩個獨立CRT顯示器捆綁在一起，用戶用手操縱顯示器位置，觀察一個可移動、寬視角虛擬空間虛擬現(xiàn)實技術概述第117頁——立體投影顯示基于空間投影顯示技術CAVE洞穴式立體顯示裝置90年代初由美國Illinois大學EVL試驗室為克服HMD存在問題而研制一個10X10X9英尺大小房間；每一面墻與地板均由大屏幕背投影機投上1024X768分辨率立體圖像；用戶戴上立體眼鏡能從空間中任意方向看到立體圖像；虛擬現(xiàn)實技術概述第118頁虛擬現(xiàn)實技術概述第119頁CAVE系統(tǒng)中配有三維立體聲系統(tǒng)；CAVE系統(tǒng)關鍵是計算投影和形成立體圖形，投影面相當于墻面；特點：讓幾個用戶同時沉醉在同一個虛擬世界中進行協(xié)同工作；虛擬現(xiàn)實技術概述第120頁虛擬現(xiàn)實技術概述第121頁——3D顯示器讓畫面充滿在整個空間；MIT媒體試驗室創(chuàng)造了一個被稱為邊光顯示器新型三維顯示器，不需用戶戴上專門眼鏡也能觀察到立體圖像。把光源從顯示器下面向上發(fā)射，經過顯示器內部發(fā)射與折射，使用戶能看到立體圖像。優(yōu)點：對顯示器周圍環(huán)境沒有任何嚴格要求。虛擬現(xiàn)實技術概述第122頁3D顯示器經過兩部分處理。軟件處理，把圖像處理成需要格式，比如左右眼交叉柵狀圖。硬件伎倆：比如條狀透鏡組將左右眼畫面分別折射到各自區(qū)域，觀看者站在一些特定位置上，左眼處于左眼圖像區(qū)只能看到左眼圖像，右眼只能看到右眼圖像。因為技術上原因，當前3D顯示器基本都是基于LCD液晶或者PDP等離子顯示器。虛擬現(xiàn)實技術概述第123頁虛擬現(xiàn)實技術概述第124頁Autostereoscopic：3D顯示裝置產生左右兩副有視差圖像，顯示出來，左眼看到左眼圖像，右眼看到右眼圖像以前3D顯示設備要使用一個設備（液晶眼鏡、紅藍眼鏡等）來分離左右眼畫面，現(xiàn)在3D顯示器則無需這么設備，所以稱為autostereoscopic或者glassless——不需佩戴3D眼鏡能夠直接看虛擬現(xiàn)實技術概述第125頁代表性3D顯示器：德國4D-Vision企業(yè)4D-Vision技術DTI視差照明技術ParallaxIllumination）利浦多重視點技術（Multiview3D-LCD）德累斯頓大學D4D技術虛擬現(xiàn)實技術概述第126頁4D-Vision最吸引人產品就是4D50將3D技術應用于50英寸大屏幕等離子顯示器，造就一款極具震撼力產品。虛擬現(xiàn)實技術概述第127頁DTI視差照明技術ParallaxIlluminationDTIXLS顯示器照片

虛擬現(xiàn)實技術概述第128頁原理：左右眼圖像在一副畫面上顯示將每副畫面分割成一列一列，左右眼列交叉，形成一副特殊畫面，其中奇數(shù)列為左眼畫面，偶數(shù)列為右眼畫面最終立體畫面分辨率只有顯示器分辨率二分之一。假設顯示器分辨率為1024x768，那么眼睛所看到畫面分辨率為512x768。虛擬現(xiàn)實技術概述第129頁飛利浦多重視點Multiview3D-LCD飛利浦在3D顯示器方面，采取了多重視點技術。虛擬現(xiàn)實技術概述第130頁原理：把多視點圖像進行分解，按像素劃分成豎列然后把豎列交叉排列拼成一副圖像虛擬現(xiàn)實技術概述第131頁Dresden3DDisplay（D4D）德累斯頓技術大學D4Dc_181照片虛擬現(xiàn)實技術概述第132頁增加軌跡探測系統(tǒng)，跟蹤腦袋位置，實時調整顯示器左右畫面反射角度，到達很好觀看效果，不受位置限制。不能用于多人觀看虛擬現(xiàn)實技術概述第133頁未來立體顯示器展望

360度顯示器照片虛擬現(xiàn)實技術概述第134頁當前3D顯示器，屬于單視點立體顯示裝置，重現(xiàn)是在某一點立體視覺效果，想看到物體側面或后面是不可能。未來立體顯示器將是多視點類似全息技術效果，可經過改變視點看場景或物體其它面。虛擬現(xiàn)實技術概述第135頁三維位置跟蹤器傳感手套立體鼠標數(shù)據(jù)衣顯示設備3-D聲音生成器觸覺反饋虛擬現(xiàn)實技術概述第136頁6、3-D聲音生成器3-D聲音不是立體聲，是指由計算機生成、能由人工設定聲源在空間中三維位置一個聲音；3-D聲音生成器是利用人類定位聲音特點生成出3-D聲音一套軟硬件系統(tǒng)；虛擬現(xiàn)實技術概述第137頁三維位置跟蹤器傳感手套立體鼠標數(shù)據(jù)衣顯示設備3-D聲音生成器觸覺反饋虛擬現(xiàn)實技術概述第138頁VR產生“沉醉”效果關鍵原因之一是用戶能否用手或身體其它部分去操作虛擬物體，并在操作同時能夠感覺到虛擬物體反作用力。沒有力覺反饋作用系統(tǒng)最少有兩個缺點：首先是缺乏真實感；其次是給視覺計算帶來麻煩7、觸覺反饋虛擬現(xiàn)實技術概述第139頁觸覺反饋接觸反饋力反饋觸覺反饋分類Note：只討論與手和手腕相關觸覺反饋虛擬現(xiàn)實技術概述第140頁接觸反饋：接觸反饋傳送接觸表面幾何結構、虛擬對象表面硬度、滑動和溫度等實時信息。它不會主動抵抗用戶觸摸運動，不能阻止用戶穿過虛擬表面力反饋：力反饋提供虛擬對象表面柔順性、對象重量和慣性等實時信息。它主動抵抗用戶觸摸運動，并能阻止該運動。觸覺反饋接口要求：真實性安全性輕便舒適性折中性虛擬現(xiàn)實技術概述第141頁人類觸覺系統(tǒng)－感知類型1、觸覺感知：

2、溫度感知：溫度傳感器：位于表皮層（冷敏），位于真皮層（熱感），空間分別率小傷害感受器：對超出負15度－45度溫度敏感，并引發(fā)疼痛虛擬現(xiàn)實技術概述第142頁3、本體感知：

即人對自己身體位置和運動感知。神經系統(tǒng)、觸覺傳感器共同作用結構。4、肌肉運動感知：人所感知肌肉收縮與伸展。是對本體感受補充。肌肉疲勞感知，影響對力判斷虛擬現(xiàn)實技術概述第143頁觸覺反饋接口觸覺反饋接口接觸反饋接口力反饋接口觸覺鼠標觸覺手套（CyberTouch）溫度反饋手套虛擬現(xiàn)實技術概述第144頁觸覺鼠標－iFeeliFeel工作原理：

在普通鼠標結構基礎上增加一個電子激勵器，其中質量塊伴隨磁場改變上下運動，從而產生振動，使得手得到振動觸覺回饋。

虛擬現(xiàn)實技術概述第145頁iFeel特點：使用電子激勵器，振動式振動幅度和頻率可調，能夠感知觸覺紋理（窗口邊緣、菜單、超鏈接、不一樣粗糙程度地面布料等）光電式USB接口售價：40美元虛擬現(xiàn)實技術概述第146頁觸覺手套－CyberTuch虛擬現(xiàn)實技術概述第147頁CyberTuch工作原理：

CyberTuch特點：使用6個振動激勵器（直流、離心質體）帶手勢接口傳感器可產復雜觸覺反饋模式用戶大運動自由度RS－232接口售價：15000美元虛擬現(xiàn)實技術概述第148頁虛擬現(xiàn)實技術概述第149頁溫度反饋手套溫度反饋手套作用：

幫助用戶確定虛擬物體表面熱量特征（溫度高低），幫助用戶確定虛擬物體材質（如高導熱性金屬和低導熱性木頭等），從而提升虛擬環(huán)境真實感

溫度反饋手套中對熱量激勵器要求：能進行較快溫度改變。（熱傳導、熱對流、熱輻射）小巧輕便潔凈快捷，以保持溫度改變快速溫度安全虛擬現(xiàn)實技術概述第150頁觸覺反饋接口觸覺反饋接口接觸反饋接口力反饋接口觸覺鼠標觸覺手套（CyberTouch）溫度反饋手套虛擬現(xiàn)實技術概述第151頁力反饋接口力反饋接口特點：能提供真實力來阻止用戶運動，使用戶感到力存在需要更大激勵器和更重結構，更昂貴和復雜需牢靠地固定，以防滑動和事故一個主要特征是機械帶寬機械帶寬：

力反饋接口機械帶寬表示用戶（經過手指附件、手柄和萬向接頭等）感覺到力頻率和轉矩刷新率（HZ）虛擬現(xiàn)實技術概述第152頁力反饋接口力反饋操縱桿（Joystick）PhanTom臂HapticMaster臂CyberGrasp手套CyberForce虛擬現(xiàn)實技術概述第153頁力反饋操縱桿特點：簡單、廉價三自由度、兩個自由度上有力反饋按鈕有反饋直流電子激勵器產生中等大小力有較大機械帶寬

經典設備－Logitech

WingManForce3D虛擬現(xiàn)實技術概述第154頁操縱桿力反饋系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實技術概述第155頁力反饋接口力反饋操縱桿PhanTom臂HapticMaster臂CyberGrasp手套CyberForce虛擬現(xiàn)實技術概述第156頁PhanTom特點小型桌面，鐵筆末端，直觀六自由度，三個活躍自由度提供反饋三個力反饋激勵器位置解碼器，跟蹤位置能提供比較真實碰撞反饋，尤其是與堅硬物體碰撞機械帶寬比較小接口：并行接口反饋力比較?。哼B續(xù)力1.7N,峰值6.4N。價格：16000美元虛擬現(xiàn)實技術概述第157頁虛擬現(xiàn)實技術概述第158頁力反饋接口力反饋操縱桿PhanTom臂HapticMaster臂CyberGrasp手套CyberForce虛擬現(xiàn)實技術概述第159頁HapiticMaster臂特點較大型柱狀機器人，更大工作范圍三自由度：旋轉、上下移動、前后移動主要用途：VR輔助康復醫(yī)療等較大力反饋：250N機械帶寬較小慣性較大價格：34000美元虛擬現(xiàn)實技術概述第160頁虛擬現(xiàn)實技術概述第161頁虛擬現(xiàn)實技術概述第162頁力反饋接口力反饋操縱桿PhanTom臂HapticMaster臂CyberGrasp手套CyberForce虛擬現(xiàn)實技術概述第163頁CyberGrasp特點手腕三維跟蹤器靈活手勢、運動空間激勵器經過機械放大裝置傳送到手指，力是單向FCU（力控制單元）：位置信息、手勢信息、力、以太網(wǎng)通信較大力反饋：16N價格：39000美元虛擬現(xiàn)實技術概述第164頁虛擬現(xiàn)實技術概述第165頁虛擬現(xiàn)實技術概述第166頁力反饋接口力反饋操縱桿PhanTom臂HapticMaster臂CyberGrasp手套CyberForce虛擬現(xiàn)實技術概述第167頁CyberForce特點CyberGrasp從屬品模擬對象重量和慣性無跟蹤器三自由度，無扭矩適中力反饋：8.8N工作范圍有限：0.3m×0.3m×0.5m價格：56000美元(加CyberGrasp)虛擬現(xiàn)實技術概述第168頁虛擬現(xiàn)實技術概述第169頁VR系統(tǒng)中人原因VR系統(tǒng)組成：計算機，接口和用戶。

接口設計必須考慮人原因，人原因與VR系統(tǒng)性能直接相關。虛擬現(xiàn)實技術概述第170頁VR系統(tǒng)中人原因眼睛耳朵身體感覺平衡和運動眩暈虛擬現(xiàn)實技術概述第171頁眼睛——調整調整作用確保某個距離物體清楚，而其它距離物體含糊。這起了濾波器作用，使人集中關注視場中部分區(qū)域。在HMD中沒有調整，2個圖象聚焦在2到3米距離。虛擬現(xiàn)實技術概述第172頁眼睛