7虚拟现实的硬件与软件基础ppt课件

1、第二章 虚拟现实的硬件与软件根底.高性能计算机；广角宽视野的立体显示设备；察看者头、眼的跟踪设备；人体姿态的跟踪设备；立体声；触觉、力觉反响；语音输入输出等。2.1 概论虚拟现实的硬件设备:.交互性 是虚拟现实系统的首要特性。为了允许人机交互，必需运用特殊的人机接口与外部设备，既要允许用户将信息输入到计算机，也要使计算机能反响信息给用户。今天的VR外部设备在功能和目的上各不一样。 .例如 ：身体运动由3-D位置跟踪器跟踪；手势由传感手套数字化；视觉反响发送给立体显示器；虚拟声音由3-D声音生成器计算；察看方向随跟踪球和支配杆改动等。 .虚拟现实运用系统的特点： 具有灵敏性、可移植性与实时交互的

2、特性。本章内容：将描画一些虚拟现实硬件设备及其软件，并分别讲述其功能、特征以及当前的局限性。 .2.2 VR硬件的系统集成虚拟现实VR系统集成的关键技术： 虚拟现实系统中通常包括大量需求处置来自各种设备的感知信息、模型和数据，因此，建立一个以计算机为中心、将多种I/O交互设备协调组合在一同的硬件平台，是VR系统集成的关键技术。 计算机系统的作用：实时处置、数据输入/输出、虚拟境界的管理和生成等功能。计算机系统的功能：1要保证虚拟三维场景的实时计算和显示，尽量减少延迟；(2)另一方面还要协调各种I/O交互设备之间的任务，以确保系统整体运转的性能。 .目前虚拟现实的计算机系统可以是PC机、任务站和

3、超级计算机等，而且多数情况下都采用多种机，并以各种方式衔接。 PC机和任务站的比较：1PC机普通只能用于低档的VR系统，这主要是由于与任务站和超级计算机相比，它的图形和声音处置功能都是有限的。2任务站专门用于虚拟现实系统中，它具有多个处置器，以便进一步加强整体系统构造，其中有的系统可以允许一百多个处置器同时运转一个程序，从而使VR系统的性能到达最正确。 .虚拟现实的集成系统: 是指在任务站或者PC机上任务的不同组合虚拟现实硬、软件工具包。它提供了一套紧凑的设备，在此系统内，虚拟世界可被发明、仿真和可视，还能经过这些集成设备获得浸入式体验。下面以VIEWVirtual Interface Env

4、ironment Workstation为例，引见VR系统平台。 .VIEW系统组成 . VIEW由一组由计算机控制的I/O子系统组成：它以HP公司的HP900835为主，图形处置采用SGI公司的图形计算机或HPSRX图形系统配备了Plohemus空间跟踪系统来跟踪运用者手部的位置，配备了LEEP广角立体视景头戴显示器和单色液晶显示器，双屏显示器的三维场景由遥控摄像机获取，且视景可随着操作者的视野头部位姿变化；头盔上有一个麦克风以便作语音识别，两个耳机进展三维声音跟踪，Convolvotron三维音频输出设备那么使整个虚拟环境附有立体声音响；VPL数据手套用于识别运用者手势控制系统的行为，使操

5、作者可以借助语音、手语手指动作的组合姿态由数据手套Dataglove构成与环境交互；同时还配备了BOOM CRT显示器及Fake Space远程摄像系统。这些子系统分别提供虚拟环境所需的各种觉得通道的识别和控制功能。运用者“置身于这样的VR环境，周围是预先定义好的虚拟物体及三维空间的声响效果，从而为各类VR运用系统的研发提供了一个方便。 .VIEW系统的运用：远程机器人控制，复杂信息管理及人类诸要素的研讨。目前大多数虚拟现实系统的硬件体系构造都由VIEW开展而来。同时，这种以基于LCD的头盔显示器、数据手套及头部跟踪器为特征的硬件体系构造也己成为当今虚拟现实系统的主流。 .2.3 VR的三维跟

6、踪传感设备 三维交互设备的作用：把各种信息输入计算机，并向用户提供相应的反响，它们是使参与者能以人类自然技艺与虚拟环境交互的必要工具。三维交互设备的分类：根据传感渠道以及在功能和目的上的不同，虚拟现实系统的三维交互设备主要被分为三维跟踪传感设备，立体显示设备、手数字化设备、声音设备以及系统集成设备等几大类。.虚拟现实技术是在三维空间中与人交互的技术，为了能及时、准确地获取人的动作信息，需求有各类高精度、高可靠的跟踪定位设备。传感器技术，它是VR系统中实现人机之间沟通的极其重要的通讯手段，是实时处置的关键技术。目前虚拟现实系统运用的仍是多年来的常用方法，其典型的任务方式是，固定发射器发射出电磁信

7、号，该信号被附在用户头上的机动传感器截获，传感器接纳到这些信号后进展解码，确定发射器与接纳器之间的相对位置及方位，信号随后传输到时间运转系统进而传给三维图形环境处置系统。 .2.3.1 电磁波跟踪器 原理：它运用一个信号发生器3个正交线圈组产生低频电磁场，然后由放置于接纳器中的另外三组正交线圈组担任接纳，经过获得的感生电流和磁场场强的9个数据来计算被跟踪物体的位置和方向如图。特点：体积小、价钱廉价、用户运动自在，而且敏感性不依赖于跟踪方位，但是其系统延迟较长，跟踪范围小，且准确度容易受环境中大的金属物体或其他磁场的影响。.常用电磁波跟踪器多数电磁波跟踪器采用交流磁场如Polhemus的跟踪器，

8、但也有的采用直流磁场如Ascension的跟踪器交变电磁跟踪系统对传感器或接纳器附近的电磁体较为敏感，它会由于周围环境中的金属或铁磁性物质而产生涡旋电流和干扰性次磁场，从而导致信号发生畸变，跟踪精度降低。 直流电磁跟踪系统只是在丈量开场时产生涡旋电流而在稳定形状下衰减为零，这就减少了畸变磁场的产生率，使跟踪准确度大大提高。且可以保证在较大操作范围内的高灵敏度。 .2.3.2 超声波跟踪器 任务原理：发射器发出高频超声波脉冲频率20kHz以上后，由接纳器计算收到信号的时间差、相位差或声压差等，就可以跟踪物体的间隔和方位了。特点：性能适中，本钱低廉，而且不会受外部磁场和大块金属物质的干扰，敏感性却

9、容易受接纳器的方位和空气密度的影响。分类：按照丈量方法的不同，分为飞行时间丈量法和相位相关丈量法。 .声波飞行时间跟踪的原理：经过丈量声波的飞行时间延迟来确定间隔的。它同时运用多个发射器和接纳器，以便获得一系列的间隔量，从而计算出准确的位置和方向。声波飞行时间跟踪的特点：具有较好的准确度和呼应性；易遭到外界噪音脉冲的干扰，同时数据传输率还会随着监测范围的扩展而降低，适用于小范围内的操作环境。相位相关跟踪的原理：经过比较基准信号和传感器监测到的发射信号之间的相位差来确定间隔的。相位相关跟踪的特点：具有较高的数据传输率、可保证系统监测的精度、呼应性以及耐久性等，而不遭到外界噪声的干扰。 .2.3.

10、3 光学跟踪器光学跟踪器可以运用自然光、激光或红外线等作为光源，但为防止干扰用户的察看视野，目前多采用红外线方式。优点：可任务范围较小、其数据处置速度、呼应性都非常好，适用于头部活动范围相当受限但要求具有较高刷新率和准确率的实时运用。 光学跟踪传感器构造的实现方法通常有两种：“由外向内方式和“由内向外方式。 .“由外向内方式特点和原理：传感器是固定的，发射器是可挪动的。它通常是利用置于知位置的多台照相机或摄像机，追踪放置在被监测物体外表的红外线发光二极管的位置，并经过察看多个目的来计算它的方位。“由外向内方式缺乏：这类光学跟踪器采用了昂贵的信号处置器硬件，因此它主要用于飞机座舱模拟。“由内向外

11、方式特点和原理：发射器是固定的，而传感器是可挪动的。由于在此种方式中，多个传感器可以由一组发射器支持，因此在定点传送系统跟踪多个目的的时候，具有比“由外向内方式更优秀的性能。 .2.3.4 其他空间跟踪系统1. 机械跟踪器 ： 通常把参考点和跟踪体直接经过连杆安装相连。它采用钢体框架，一方面可以支撑察看设备，另一方面可以丈量跟踪体的位置和方位。 这种跟踪器的精度和呼应性适中，不受电磁场的影响，但活动范围非常有限，而且对用户有一定的机械束缚。 .2. 惯性跟踪器 ： 惯性跟踪器也是采用机械方法，其原理是利用小型陀螺仪丈量被监测物在其倾角、偏角和转角方面的数据。它不是一种六自在度的设备，但在不需求

12、位置信息的场所还是非常有用的。 .3. 图像提取跟踪器：原理:由一组两台或两台以上视频摄像机拍摄人及其动作，然后经过图像处置技术的运算和分析来确定人的位置及动作。优点:作为一种高级的采样识别技术，图像提取跟踪设备的计算密度高，又不会受附近的磁场或金属物质的影响，而且对用户没有运动约束，因此在运用上具有极大的方便。缺陷:由于图像提取跟踪设备是经过比较知的采样位置和传感的采样来确定位置的，因此对监测物体的间隔和监测环境的灯光照明系统要求较高，通常远间隔的物体或过强、过弱的照明都会降低采样识别系统的准确度。另外，较少数量的摄像机能够使监测环境中的物体包括参与者出如今摄像机视野中被屏蔽的景象，而较多数

13、量的摄像机又会添加采样识别算法的复杂度和系统冗余度。 .2.3.5 对跟踪传感设备的评价 跟踪安装的性能目的主要包括：1等待时间即延迟 指从采样开场到数据可以处置之前的时间间隔；我们要求跟踪设备的系统延迟应足够短，由于长延迟会影响沉浸效果。2位置精度 即实践位置与丈量位置之间的偏向；偏向越小，随着用户动作产生的模拟效果就越好。3分辨率 即设备能检测到的最小位移；另外还有取样率、运转约束、环境隔离要求等目的。.表 3种常用跟踪技术的主要性能目的跟踪器类型分辨率精度延迟跟踪范围电磁波1mm0.03mm3mm0.1mm50ms半径1.6m的半球形超声波10mm0.5mm依空气密度变化30ms45m光

14、学2rnrn0.02mm1rnrn1ms48m可扩展至14m跟踪器类型分辨率精度延迟跟踪范围电磁波1mm0.03mm3mm0.1mm50ms半径1.6m的半球形超声波10mm0.5mm依空气密度变化30ms45m光学2rnrn0.02mm1rnrn1ms48m可扩展至14m跟踪器类型分辨率精度延迟跟踪范围电磁波1mm0.03mm3mm0.1mm50ms半径1.6m的半球形超声波10mm0.5mm依空气密度变化30ms45m光学2rnrn0.02mm1rnrn1ms48m可扩展至14m跟踪器类型分辨率精度延迟跟踪范围电磁波1mm 0.03mm3mm 0.1mm50ms半径1.6m的半球形超声波1

15、0mm 0.5mm依空气密度变化30ms45m3光学2mm 0.02mm1mm1ms48m3可扩展至14m3.2.4 VR的立体显示设备 对虚拟世界的沉浸感主要依赖于人类的视觉感知。人眼立体视觉效应的原理:当人在现实生活中察看物体时，双眼之间67cm的间隔瞳距会使左、右眼分别产生一个稍有不同的图像即体视差，我们的大脑经过分析后会把这两幅图像交融为一幅画面，并由此获得间隔和深度的觉得。比较常用的显示设备主要有立体眼镜、头盔显示器、双目全方位显示器以及大屏幕立体投影等。 .2.4.1 头盔显示器Head一Mounted 3D Display，HMD HMD是专为用户提供虚拟现实中立体景物的显示器。

16、 HMD的任务原理：它通常被固定在用户的头部，由两个LCD或CRT显示器分别向两只眼睛提供图像，这两个显示屏中的图像由计算机分别驱动，屏上的两幅图像存在着细小的差别，类似于“双眼视差，大脑将交融这两个视差图像以获得深度感知。HMD的特点：它可以使参与者暂时与真实世界隔分开，而处于完全沉浸形状 。 .双眼部分重叠的头盔显示器光学模型.安装在头盔上的显示器可以包括：阴极射线管CRT、液晶显示LCD、发光二极管LED、荧光管、液晶开关显示器以及微机械硅显示器等多种显示技术。现阶段最为常用的是CRT和LCD两种，其中，CRT显示器具有较高分辨率，而LCD显示器具有较好的亮度，估计微机械硅显示器将成为今

17、后新型HMD显示部件的开展主流。 与立体眼镜等显示设备相比，头盔显示器虽然价钱昂贵，但却具有较好的沉浸感，而且用户的走动自在。当然，它也存在着诸如约束感较强、LCD的分辨率偏低，失真较大等问题。 .衡量头盔显示器性能的规格参数及其含义：1逼真的立体视觉双眼视觉 “逼真指所看到的景象中的一切点的方位角和俯仰角与原始图像中的对应点都一样。 “逼真的立体视觉 要求两眼所看到的两幅图像同时符合“逼真这个条件。 2视场 视场即人眼可以看到的视觉范围的大小，它对VR系统的影响包括两个方面：总视场角和视场重叠角。 视场是沉浸感的关键要素，是衡量光学系统性能好坏的主要参数。.衡量头盔显示器性能的规格参数及其含

18、义3分辨率人眼在视网膜中心部分的分辨率较高，大约为1弧分左右，而随着间隔中心点越来越远，其分辨率也会越来越低。4透射率 头盔显示器又可以分为“看穿式和非“看穿式两种。戴上“看穿式显示器，用户可以同时看到计算机产生的图像和真实的外部景象。戴上非“看穿式显示器时，用户就只能看到由计算机生成的图像了。 .衡量头盔显示器性能的规格参数及其含义(5)重叠率 双眼图像重叠在一同的部分，我们称之为双目重叠区。部分重叠式头盔显示器可以在不降低分辨率的前提下，提供更宽的视场。 .衡量头盔显示器性能的规格参数及其含义6分量理想的头盔显示器不但应保证前后两部分坚持平衡不要前重后轻，而且其分量应该是和一副眼镜差不多，

19、这样可以尽量减少运用者的疲劳和不适感。7人的要素 决议头盔显示器性能的很多参数之间是存在相互制约关系的。在设计和购买头盔显示器时，一定要将硬件的规格和参数、系统本身的运用需求以及造价本钱等多方面要素予以综合思索，选择适当的产品。 .2.4.2 双目全方位显示器 (BOOMBOOMBinocu1ar Omni orientation Monitor是一种可挪动式显示器。 BOOM的特点：有两个相互垂直的机械臂支撑、有实时的观测和交互才干 。 BOOM的优点：分辨率高于HMD，且图像柔和 ；系统延迟小，且不受磁场和超声波背景噪音的影响；运用方便灵敏。BOOM的缺陷：使运用者的运动受限，这是由于在任

20、务空间中心的支撑架呵斥了“死区，因此BOOM的任务区要去除中心大约0.5m2的空间范围。 .2.4.3 CRT终端液晶光闸眼镜 任务原理：由计算机分别产生左、右眼的两幅图像，经过合成处置后，采用分时交替的方法显示于CRT终端上。用户那么佩带一副与计算机相连的液晶光闸眼镜，眼镜的左、右镜片在驱动电信号的作用下，将以与图像显示同步的速率交替“开透光、“闭遮光，即当计算机显示左眼图像时，右眼透镜将被遮闭，而当计算机显示右眼图像时，左眼透镜那么被遮闭。这样做可以让用户的左、右眼分别只看到相应的左、右图像。根据双目视差与深度间隔的正比关系，人的视觉生理系统就可以自动将这两幅视差图像交融成一个立体视像了。

21、 .CRT终端液晶光闸眼镜的优缺陷：相对于头盔显示器或BOOM而言，液晶光闸眼镜是一种非常廉价的立体显示设备。它极其短促的光栅开关时间和监视器的高刷新率构成了无闪烁图像，使得这种图像比基于LCD的头盔显示器要明晰得多，而且长时间察看也不会令人疲倦。同时，立体眼镜分量轻，运用温馨，其操作范围最远可离监视器6m，但是，由于光栅过滤器走漏一部分光，所以运用者看到的图像亮度不如普通屏幕好，且由于运用者没有与显示器相联，无法觉得到是被虚拟世界包围，因此沉浸感较差，通常只在桌面式VR系统或一些多用户的环境下运用，例如科学可视化和极细微的外科手术等。 .2.4.4 大屏幕投影液晶光闸眼镜将CRT终端显示改为

22、大屏幕投影显示就得大屏幕投影液晶光闸眼镜。用于投影的CRT或数字投影机要求具有极高的亮度和分辨率，它适宜于在较大的视野内产生投影图像的运用需求。美国芝加哥大学研制的CAVE系统，构造了一个由4面投影屏幕构成的立方体虚拟环境，又叫“洞穴。各屏幕背投式同时显示从某一固定察看点看到的一切视像，由此提供一种全景式的环境。该系统需求复杂而昂贵的计算机投影控制系统：它通常采用球面大屏幕，投影机位于球心，具有与双摄像机立体察看器一样的俯仰和偏转两个位置，并一直坚持以察看者为正前方在球屏上相应挪动，从而构成一定的视景环绕感。.大屏幕投影液晶光闸眼镜显示 .2.5 手数字化设备 普通的跟踪、探测设备都具有简单、

23、紧凑和易于操作等优点，但由于它们本身构造的限制，使操作者手的活动自在度仅限于在桌上的一个小区域中，减弱了它与虚拟世界交互作用的直观性。VR技术的一项艰苦突破就是用手来替代键盘、鼠标，作为人与计算机交互的一种重要手段。借助各种公用的手数字化设备，操作者不但可以获得大范围的基于手势的交互操作，同时经过感知单个手指的运动还可以添加人在虚拟空间中的自在度和灵敏性。 .2.5.1.1 VPL数据手套数据手套的由来：最早的传感手套是由VPL公司开发的，叫做DataGlove，所以通常又把传感手套叫做数据手套 。数据手套由很轻的弹性资料构成，紧贴在手上。该系统包括位置/方向传感器和沿每个手指背部安装的一组有

24、维护套的光纤导线，它们检测手指和手的运动 。DataGlove 的任务原理：作为传感器的光纤可以丈量每个手指的弯曲和伸展 ；磁性的位置/方向传感器那么好像电磁跟踪器一样，这种传感器丈量手的绝对位置x，y，z和三个转角方向转动、俯仰、摇摆。 .详细：作为传感器的光纤可以丈量每个手指的弯曲和伸展。每条光纤从控制器的线路板引出，经过一长段软管到达手套上的腕部固定器。从这里，光纤导线延伸到手指上，经过手指的关节，然后回到腕部固定器和控制器。 在控制器内部，每根光纤导线的一端配备一个发光二极管，而其另一端衔接一个光传感器。控制单元把从光传感器那里接纳到的能量转变成电信号。当弯曲手指时，发光二极管的光经过

25、光纤导线从导线维护套的裂痕或切口逸出。关节越弯曲，光纤逸出越多，到达光传感器的光越少。光量的多少就反映了手指的弯曲程度。 计算机根据光电信号数据算出手指和关节弯曲的程度。每个手指最少有两条光纤导线，一条检测手指下部关节，另一条检测手指中间关节。由于拇指只需两个关节，大拇指上仅有一条光纤导线。为了添加检测的准确度，每个手指上可再添加一条或几条光纤导线。但不论添加多少光纤导线，这种方法只能丈量手指的活动。在DataGlove中，第二个丈量仪器是一个磁性的位置/方向传感器，好像在前面的电磁跟踪器一样，这种传感器丈量手的绝对位置x，y，z和三个转角方向转动、俯仰、摇摆。这两种方法的结合使计算机可以跟踪

26、手所作出的任何动作。 .DataGlove 的运用：数据手套由主机经过25条指令集进展控制，丈量十个关节五个和手掌相连的指骨、一个大拇指关节和四个其他指骨关节，并有附加的传感器来丈量外展肌和小关节。数据记录那么以3060Hz的速率传送。数据手套有大、中、小三种型号的手套。当安装不正确的手套时需求频繁地重新校正尺寸。用同步命令可以运用左、右手套。当两个跟踪系统被同时运用时，我们就不得不对各自的传输器进展改良。 .2.5.1.2 PowerGlove手控器PowerGlove手控器是Mattel为家庭视频游戏市场而设计的，普通用于游戏机，现已停产。其性能比用于其他行业的同类产品要低得多。Power

27、Glove运用基于有一恒定弹力塑料的张力丈量仪Amtec公司消费这种包有0.6mm特殊配方油墨的聚酯条透明物质。 PowerGlove的原理：手是由安装在手套背部的超声发生器来定位的，它发出的超声波由三个超声波接纳器轮番接纳，并测得接纳时间，最大丈量范围是1.524m。 PowerGlove的特点：在手套上安装一个控制板，板上有“开场及四个方向键 。.2.5.1.3 CyberGloveCyberGlove是由VirtexVirtual Technologies公司开发的，是CyberCAD虚拟设计环境中虚拟技术一个理想的接口设备，可被广泛运用来创建、终止、定位三维物体。 CyberGlove

28、具有22个传感器，每个手指有三个弯曲传感器和一个外展肌传感器。它是一种高精度设备，可以提供准确而延续的输出。CyberGlove的特点：1传感器输出仅依赖手指关节的角度，而与关节的突出无关，因此每次戴手套时，校正数据均不变。2传感器输出和弯曲角度成线性关系，因此对于关节弯曲极点，分辨率不会下降。 .几种常见的数据手套.2.5.2 三维鼠标 普通的鼠标只能感受在平面的运动，而立体鼠标可以感受用户在六个自在度的运动，包括三个平移参数和三个旋转参数。 立体鼠标称为space mouse，如 3Space公司的 Spaceball，也有人把它称为cubic mouse。下面引见几种简单的三维鼠标： .

29、三维鼠标.三维鼠标.2.6 其他交互设备2.6.1 触摸和力反响安装Touch/Force Feedback问题的提出在VR系统中，能否让用户产生“沉浸效果的关键要素之一是用户能否用他她的手或身体的其他部分去操作虚拟物体，并在操作的同时可以觉得到虚拟物体的反作用力。数据手套可以实时的生成手与物体接近和远离的图像。但是到今天为止，商品化的数据手套都不提供触觉反响作用，这就很难让用户有手真的抓到物体和推进物体的觉得，于是触摸和力反响安装也就应运而生了。.触觉是人们用于感知外部世界的一大觉得通道，它由触摸反响感知和力量反响感知两大部分组成。 目前，曾经有相当数量的触摸和力量反响安装允许用户在虚拟环境

30、中与物体接触。 .1. 触摸反响安装目前最常用的一种模拟触摸反响的方法就是运用气压法或振动法的数据手套。 .气压法是运用小空气袋作为传感安装 。 在手套上有2030个空气袋放在对应的位置，当发生虚拟触摸时，这些小型气袋可以经过空气紧缩泵的充气和放气而被迅速地加压或减压。同时，由计算机中存储的相关力方式数据来决议各个气袋在不同形状下的气压值，以再现触碰物体时手的各个部位的触觉感受及其受力情况。 .振动法 是用小振动换能器实现的。换能器通常是利用形状记忆合金制成的，当电流经过这些换能器时，它们就会发生形变和弯曲。我们可以根据需求把换能器做成各种外形后，安装在皮肤外表的各个位置上。利用高性能的换能器

31、有能够产生对虚拟物体的光滑度、粗糙度的觉得。 与气袋不同的是：换能器几乎可以立刻对一个控制信号做出反响，这使得它们适宜于产生不延续、快速的觉得。而气袋产生的力反响比形状记忆合金要慢些、强些，更适宜表现一些缓慢、柔和的力。 .2. 力量反响安装力量反响安装的意义：不但有助于加强虚拟交互的逼真性而且可以说有时它也是一种必需的设备。 力量反响安装的任务原理：经过机械或其他动力推进和刺激运用者的手，腕、臂、肘、肩等部位，使之产生相应的触觉感知。力量反响安装的类型：力感反响支配杆、吊挂式机械手臂、桌面式多自在度游戏棒以及可独立作用于每个手指的手控力反响安装等。 .PHANTOM3.0 是美国SensAb

32、le公司研制开发 的，是一种可编程的、具有触觉及力反响功能的安装 。当PHANTOM的机械臂在任务空间中运动时，就会在计算机屏幕上出现一个指示针，反映机械臂在任务空间中的位置。同时，经过碰撞检测等技术探测到指示针与虚拟模型接触时，计算时机发出信号，通知机械臂接触到了虚拟模型，并将该模型的物理性质，如质量、软硬程度、光滑程度等反响给PHANTOM系统，再由该系统产生相应的力传送给操作者，使其具有力的感受，从而实现了力反响。 .PHANTOM系统可以被方便地放置在桌面上，提供最大为 (40.6cm X 58.4cm X 83.8 cm)范围的任务空间，并提供六自在度的触摸和力量反响，从而在用户手部

33、产生150g的平移或改动力量。另外，它还具有0.02mm的位置分辨率 。PHANTOM系统的特点：设备安装简单、运用轻便乖巧，且不会因本身分量等问题而让用户在运用中产生疲倦甚至疼痛的觉得。 .2.6.2 数据衣Data Suit 数据衣服是利用数据手套的原理研制成的。数据衣服的原理：将大量的光纤安装在一个紧身衣服上，可以根据需求检测出人的四肢、腰部的活动以及各关节如腕关节、肘关节的弯曲角度，然后用计算机重建出图像。.2.6.3三维扫描仪3D Handheld Laser Scanner三维扫描仪的功能是根据扫描真实模型外观特征，建造出该物体对应的计算机模型。 任务原理是：由三维扫描仪向物体发射

34、一束激光。然后经过操作杆上的摄像机从每个角度调查并记录下物体各截面的轮廓信息。与此同时，安装在操作杆前端的高性能传感跟踪器也将同步地记录下三维扫描仪在位置及方向上的变换信息。一切这些数据都将传送给与之相连的计算机，再由相应软件做进一步处置后，该物体对应的计算机三维模型就显示在我们面前了。 .三维扫描仪的特点：建模过程快速、准确、方便，它可以到达0.23mm0.43mm的高精度和1,000点秒的快速取样速度，用户只需描出模型的轮廓，就能在几分钟内获得复杂的3D数据，并在如今当今流行的多种图形图像处置软件中如3D Studio MAX、Maya等呈现出来 。三维扫描仪的运用：它提供了一种最迅速、便

35、利的3D建模方法。三维扫描仪可以描画出任何外形。对于那些非金属、不透明物体的处置效果较为理想。 .图 三维扫描仪的运用与效果 .2.7 VR的声音系统3D声音生成器“3D声音并非立体声，3D声音是指由计算机生成的、能由人工设定声源在空间中三维位置的一种声音。3D声音生成器是利用人类定位声音的特点生成出3D声音的一套软硬件系统。人类进展声音的定位根据两个要素：两耳时间差ITD和两耳强度差IID。.3D声音的产生过程：实验人员位于一个圆顶房子内，在房间内放置特定空间位置的声源。微小的麦克风放置在实验人员的耳朵内，接近于中耳。然后，把声源依次翻开，并存储和数字化麦克风输出。例如，当说话者到达听众的左

36、边发出声音时，声音将首先到达左耳，并且比右耳有更大的强度。运用Fourier变换器可以计算麦克风输出的频率呼应，以及相应的HRTF系数用来模拟人耳对声音不同频段的反射作用，我们便能把该声音虚拟地定位在空间的任何位置。 .2.7.1 3D声音定位系统早期的环境音系统未思索人头的自在运动，因此人头不得不坚持固定的位置。虚拟头录制系统合理地引进了环境音的效果。许多影片是经过一个环境音道录制的。具有数字信号处置器的准确的头跟踪系统的出现实现了真正的 3D声音定位。最先商用的 3D声音定位器是由 NASA Ames River Engineering Inc公司消费的，它是根据 NASA Ames Re

37、search Center的需求而设计和提供的。VPL公司以Audiosphere命名注册了称为Convolvotron的 Crystal River的3D定位器。 .2.7.2 声学硬件 CRECrystal River Engineering公司以其 Convolvotron、Beachtron、Acoustetron 及Alphatron产品提供三维声音的专家级支持。 Convolvotron是一数字式有频信号处置系统。 Beachtron可产生两路独立的虚拟声源，刷新频率为22 Hz， HRTF只提供每耳75系统。 Acoustetron为集成的三维音频任务站，包括Convolvotr

38、on及Beachtron处置器。 Alphatron为较新产品。它采用了每耳256系统的HRTF。两声道同时任务时刷新频率为44Hz，平均延时23ms。 .2.8 VR软件工具集 虚拟现实系统是一个将各种先进的硬件技术和软件技术集合在一同的、极其复杂的系统。 虚拟现实工具集是根据现实需求而产生的，它们主要用于提供支持虚拟交互，动画和物理仿真等的控制言语，同时，这些工具集通常都是与硬件无关的，也就是说，它们具有相当的普遍性，可以运用在不同的硬件配置环境中，从而为开发广泛的虚拟现实运用系统提供了一致的软件环境。 .2.8.1 World Tool KitWTK World Tool KitWTK是

39、由美国Sense8公司开发的虚拟环境运用工具软件。从底层看，WTK是由几百个C言语函数组成的软件包。对用户来说，WTK提供了一个完好的用于生成虚拟环境的运用开发工具。它可以不依赖于硬件环境而运转在从pc机到SGI任务站的各种机器上，并且支持一系列虚拟环境的外围设备。用户可以利用WTK开发VR的运用系统，它们通常由主机、 WTK库、C言语编译库、3D外型软件包、图像捕获硬件软件，以及诸如paint Box的位图编辑软件等部件组成。 .WTK的典型程序包含一个初始化阶段和一个仿真阶段。初始化包括建立交互跟踪传感器、标识物体、配置照明、初始化视点等；仿真循环可以执行一次或多次，每次循环担任完成与虚拟

40、现实一次交互。WTK仿真循环程序流程图： .2.8.2 Minimal Reality ToolkitMR MR是由加拿大Alberta大学的Mark Green教授和他指点的研讨小组开发的虚拟环境运用工具软件。它可以免费从Alberta大学获得，但不能用于商业目的。MR本质上是一个支持虚拟环境开发的子程序库，包括3个层次的库函数。1底层包括一组设备支撑函数包，每一函数包支持一种设备，并称为一个客户效力器对。 .2MR的第二层是一组处置从设备获得的数据并将其转换为程序员方便运用的格式的库函数。 3最高层的库函数为程序员提供了一组打包的效力集，它们是基于普通虚拟环境系统要求的。用VR实现的运用中

41、，必需有独一的一个主程序，用于控制整个运用系统并担任其他运用程序运转的初始化任务。 MR的运用程序可以分为运用配置式、运用计算式两大类。 .运用配置部分用于初始化MR的工具库，并根据用户指定的配置要求处置相应的运用配置文件。运用计算部分用于完成MR运用系统指派给程序的义务。 MR支持各种外围设备，包括Polhemus空间跟踪器，VPL Data Glove，VPL Eye Phone和声音合成设备等虚拟环境系统常用的设备。另外MR还可由SGI和DEC任务站上的C言语直接调用，并支持分布式用户界面、数据共享、多种交互技术及实时性能分析等多项功能。 .2.8.3 Distributed Virtual