虛擬現(xiàn)實課件-第3章(教師-王洪群)

虛擬現(xiàn)實技術講課老師：王洪群whq_lanzhou@163.com1第三章輸出設備：圖形、三維聲音和觸覺顯示設備圖形顯示器聲音顯示設備觸覺反饋2一、圖形顯示設備定義：圖形顯示設備是一種計算機接口設備，它把合成出的世界圖象展現(xiàn)給與虛擬世界進行交互的一個或多個用戶。產(chǎn)生圖象的類型特征單視場立體圖象的分辨率視場顯示技術基于LCD基于CRT人機工程學因素價格3人類視覺系統(tǒng)中央凹會聚角瞳距視場視網(wǎng)膜中心區(qū)域（繞視軸幾十度的范圍）一只眼睛水平150?垂直120?圖象視差IPD，interpupillarydistance視場：FOVFieldofview4個人圖形顯示設備定義：為單個用戶輸出虛擬場景的圖形顯示設備稱為個人圖形顯示設備。這類圖象可以是單視場的，也可以是立體的；可以是單目的（為一只眼睛提供顯示），也可以是雙目的（給兩只眼睛提供顯示）。頭盔顯示器個人圖形顯示設備手持式顯示器地面支撐顯示器桌面支撐顯示器主動立體視覺監(jiān)視器被動立體視覺監(jiān)視器5頭盔顯示器HMD的簡化光學模型1~5m6頭盔顯示器HMD注意：區(qū)別主要在哪里？單視場和立體區(qū)別在哪里？普通消費級HMD專業(yè)級HMD7Olympus的基于LCD的Eye-TrekFMD(face-mounteddisplays,簡稱FMD)FMD700分辨率：533×450(72萬象素)FMD200分辨率267×225(18萬象素)單視場Daeyangcy-visorFMD(消費級別)Cy-visorDH-4400VPLiquid-crystal-on-siliconAMLCD-activematrixLCD可透視分辯率高體積小，需要外部光源800×600水平60?垂直43?重量160g8專業(yè)級別的立體HMDProViewXL35Datavisor

HiRes1024×768×3水平28?垂直21?重量992g1.6arcmin兩個1280×1024水平78?垂直39?重量1587gTektronixNucolor液晶快門，45?鏡面反射可以通透式應用9手持式顯示器Hand-SupportedDisplays,簡稱HSDNVIS公司的虛擬雙目鏡Liquid-crystal-on-silicon1080×1024重量1kg,1.6arcmin10地面支撐式顯示器0.1光－機械傳動軸編碼器優(yōu)點：機械跟蹤器的低延遲可以消除仿真??；不受電磁干擾；承載較大重量的顯示設備；FakespaceLabs公司Boom3C缺點：存在運動死角。FakespaceLabs公司Boom3C立體圖形支撐臂離軸的(off-axis)1600×12001280×1024IterSense慣性跟蹤器11桌面支撐顯示設備自動立體顯示器優(yōu)點：用戶不需要帶任何視覺備，就可以顯示立體圖象缺點：由于采用列交錯使得水平分辨率降低一半；照明、觀察光學儀器等專用硬件，價格昂貴。自動立體顯示器被動自動立體顯示器主動自動立體顯示器DTI2018XLVirtualWindow被動自動立體顯示器12主動自動立體顯示器ElsaEcomo4D13各種個人圖形顯示設備的性能比較顯示設備名稱類型分辨率FOV(H×V)重量(g)價格（103）美元Eye-TrekAMLCD,FMD267×22530°×23°1000.5cy-visorLCOS,LCD,FMD800×60060°×43°1601ProViewXL35AMLCD,HMD1024×76828°×21°99220Datavisor

HiResCRT,HMD1280×102478°×39°158735VirtualbinocularsSXLCOS,LCD,HSD1280×102442°對角線100019.9Boom3CCRT,FSD1280×102485°×H《100WindowVRFlatpanel,FSD1280×102421in對角線13.9DTI2018XLVirtualWindowTFT,LCD,Autostereo1280×102418.1in對角線112507ElsaEcomo4DTFT,LCD,Autostereo1280×102418in對角線170001514定義：允許靠得很近的多個用戶同時觀察虛擬世界的立體圖像或單視場圖像的圖形顯示設備稱為大型顯示設備。大型顯示設備（1）基于監(jiān)視器的大型顯示設備120~140Hz圖象更清除不能遮擋缺點：只有一個用戶可以控制場景優(yōu)點：分辨率高，多用戶同時觀看Akka關于“人的因素”的考慮（2）基于投影儀的大型顯示設備基于監(jiān)視器的大型顯示設備15單視場多屏幕顯示器PV290三屏顯示器分辨率從：單個1280×1024到3840×1024單視場，多屏幕，三個TFT,-薄膜晶體管LCD問題：同步問題。16快速傾斜造成的圖象未對齊校正后的對齊圖象17基于投影儀的顯示器數(shù)字投影儀:數(shù)字微鏡設備，幾千流明Digitalmicromirrordevice,簡稱DMDCRT投影儀：優(yōu)點：刷新率高120Hz；缺點：價格高；亮度不足(“fastgreen”涂層),200~300流明微鏡元素16?m18Workbench顯示器單投影儀傾斜配置V-Desk6雙投影儀L型配置19四投影儀CAVE顯示設備伊利諾斯大學芝加哥校區(qū)的電子可視化實驗室20投影儀陣列：是由許多功能相同的投影儀組成的大型顯示設備，這些投影儀經(jīng)過校準，能顯示虛擬場景中的平鋪合成圖象。帶有三投影儀的PanoWal顯示設備需要預處理21由投影儀陣列產(chǎn)生的平鋪圖象PanoramTechnologies研究了一種無縫矩陣混合方法（專用查找表），可以對圖象進行預處理，調整象素的亮度，產(chǎn)生明亮一致的圖像。另外，Dome是一種大型球形顯示設備，能產(chǎn)生360度視場的圖象，容納400～500個觀察者。還有Vdome使用7個投影儀，主要用于軍事飛行訓練。22聲音顯示設備定義：聲音顯示設備是一種計算機接口設備，能給與虛擬世界交互的用戶提供合成的聲音反饋。聲音可以是單聲道的(兩只耳朵聽到相同的聲音)，也可以是雙聲道的（每只耳朵聽到不同的聲音）。立體聲：雙聲道，聽起來在用戶頭部內部發(fā)出來的。不使用頭部跟蹤器。三維聲音：使用頭部跟蹤器的數(shù)據(jù)合成的。聽起來可以在頭部周圍的任何地方。23空間位置不變24人類的聽覺系統(tǒng)方位角仰角距離25人類的聽覺系統(tǒng)方位角（1）ITD-interauraltimedifference兩耳時差是大腦估計聲源方位角的線索（2）兩耳強度差(interauralintensitydifference,IID)是估計聲源方位角另外一個線索。（3）耳廓的聲音路線變化提供了聲源仰角的主要線索。（4）經(jīng)驗知識提供距離估計。（5）運動時差：當用戶頭部發(fā)生變化，聲音方位角的變化大小作為距離線索。（6）直接來自聲源的聲音與經(jīng)周圍環(huán)境第一次反射后的聲音能量之比，作為距離的另一重要線索。遠聲場(farfield):比值很小。近聲場：比值較大。26HRIR－h(huán)ead-relatedimpulseresponses,為與頭部相關的脈沖響應。HRTF－h(huán)ead-relatedtransferfunctions,也就是脈沖響應的傅立葉變換，稱頭部相關的傳遞函數(shù)。1988年CrystalRiverEngineering為NASA簽約開發(fā)的，實時數(shù)字信號處理器，名為：convolvotron27基于揚聲器的三維聲音4聲道格式，“5.1”環(huán)繞格式PC三維聲卡：SRS公司生產(chǎn)的TruSurround和Videologic生產(chǎn)的SonicFury3D28觸覺反饋接口觸覺：haptic,觸覺反饋力反饋(forcefeedback)接觸反饋(touchfeedback)觸覺反饋定義：觸覺反饋傳送接觸表面的幾何結構、虛擬對象的表面硬度和溫度等實時信息。它不會主動抵抗用戶的觸摸運動，不能阻止用戶穿過虛擬表面。力反饋定義：力反饋提供虛擬對象表面柔順性、對象的重量和慣性等實時信息。它主動抵抗用戶的觸摸運動，并能阻止該運動（如果反饋力比較大）。設計所要考慮的問題：(1)安全性和合適性；（2）輕便性和用戶舒適度29人類的觸覺系統(tǒng)皮膚觸覺傳感器Merke盤Meissner小體溫度感知：是由專門的溫度感受器和傷害感受器實現(xiàn)的。本體感受：對自己身體位置和運動的感知。Pacinian小體Ruffini小體慢適應SA相應皮膚上的恒力快應FA感受振動和加速度傳感器－發(fā)動機控制：使用觸覺、本體感受和肌肉運動知覺來影響施加在觸覺接口上的力。關鍵特征：最大施力能力、持續(xù)施力、力跟蹤（意味著可以控制力的大?。┓直媛屎土刂茙挘憫Υ碳さ难杆傩裕?0人的抓握幾何抓握幾何精確抓握用力抓握用于巧妙地操縱對象，對象只與手接觸對象被握在手掌和彎曲90度以上的閉合手指之間，它的穩(wěn)定性更高，施加的力更多，但是缺乏靈活性。31觸覺反饋接口iFeel觸覺反饋鼠標32觸覺反饋接口CyberTouch手套提供振動觸覺反饋33觸覺反饋接口溫度反饋手套Peltier熱電泵34觸覺反饋接口溫度反饋手套DTSS熱電泵的控制PID－比例積分微分C&M研究所開發(fā)的溫度替換感知系統(tǒng)DTSS(DisplacedTemperatureSensingSystem)由8個熱電極(Peltier熱泵和熱電偶溫度傳感器組成)和一個控制接口單元35力反饋接口力反饋操縱桿力反饋系統(tǒng)機械帶寬定義：表示用戶（通過手指附件、手柄和萬向接頭等）感覺到的力的頻率和轉矩的刷新率（單位：Hz）控制帶寬定義：指隔行掃描激勵器接受到的命令更新的頻率。WingManForce3D操縱桿三個自由度，兩個自由度有力反饋36力反饋接口PHANToM---PersonalHapticInterfaceMechanism個人觸覺接口裝置力反饋系統(tǒng)PHANToMDesktop桌面力反饋臂最大輸出力3.3N37力反饋接口可以產(chǎn)生力和轉矩反饋PHANToM1.5、6.0型轉矩機械帶寬15Hz荷蘭FCSControlSystems公司生產(chǎn)的HapticMaster輸入位置輸出力的司服環(huán)路，又稱阻抗控制輸入力輸出位置的許可進入控制最大輸出力8.5N機械帶寬10Hz38力反饋接口手指上的模擬力，由CyberGlove改造，22個傳感器CyberGrasp力反饋手套CyberGrasp力反饋手套手指產(chǎn)生的最大輸出力16N控制帶寬1000Hz機械帶寬40Hz39力反饋接口力控制單元：FCU－－forcecontrolunitCyberForce力反饋手套無跟蹤器手腕產(chǎn)生的最大輸出力8.8N40顯示設備名稱反饋類型激勵器數(shù)目最大力（N）機械帶寬HziFeelMouse振動11.