虚拟现实技术概述-课件

第一章虚拟现实技术概述第一章虚拟现实技术概述虚拟现实定义（一）：由交互式计算机仿真组成的一种媒体，能够感知参与者的位置和动作，替代或增强一种或多种感觉反馈，从而产生一种精神沉浸或出现在仿真环境（虚拟世界）中的感觉。虚拟现实定义（一）：采用以计算机技术为核心的现代高科技手段生成逼真的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等一体化的虚拟环境，用户从自己的视点出发，借助特殊的输入输出设备，采用自然的方式与虚拟世界的物体进行交互，相互影响。虚拟现实定义（二）：采用以计算机技术为核心的现代高科技手段生成逼真的视觉、听觉、虚拟现实系统——“3I”图

Immersion-Interaction-ImaginationImmersionImaginationInteraction虚拟现实系统——“3I”图Immersion-Int四类虚拟现实系统四类虚拟现实系统桌面式虚拟现实系统桌面式虚拟现实系统

基于头盔式显示器的系统投影式虚拟现实系统远程存在系统（遥在系统）沉浸式虚拟现实系统沉浸式虚拟现实系统基于头盔式显示器的系统基于头盔式显示器的系统虚拟现实技术概述课件投影式虚拟现实系统投影式虚拟现实系统虚拟现实技术概述课件远程存在系统（遥在系统）远程存在系统（遥在系统）增强式虚拟现实系统增强式虚拟现实系统虚拟现实技术概述课件分布式虚拟现实系统网络+虚拟现实分布式虚拟现实系统虚拟现实系统：

=用户+硬件+虚拟环境交互性用户

虚拟环境用户信息反馈信息虚拟现实系统：用户虚拟环境用户信息反馈信息第二章虚拟现实系统的硬件虚拟现实技术概述课件用户+硬件+虚拟环境交互性用户

虚拟环境用户信息反馈信息用户+硬件+虚拟环境用户虚拟环境用户信息反馈信息输入输出设备必要性：交互性——VR基本特性特殊的人机接口与外部设备是实现人机交互的必要手段商品化，不成熟原型终极目标：

能满足快速、自然的交互输入输出设备必要性：如：身体运动——3-D位置跟踪器；手势——传感手套；视觉反馈——立体显示器；虚拟声音——3-D声音生成器；观察方向——跟踪球和操纵杆。

如：身体运动——3-D位置跟踪器；VR硬件的系统集成VR系统需要：一个以计算机为核心、将多种I/O交互设备协调组合在一起的硬件平台。计算机系统的功能：保障虚拟三维场景的实时计算和显示，尽量减少延迟；协调各种I/O交互设备之间的工作，确保系统整体运行的性能。PC机、工作站和超级计算机等VR硬件的系统集成VR系统需要：一个以计算机为核心、将多种IVIEW系统组成VR系统平台——VIEW（VirtualInterfaceEnvironmentWorkstation）VIEWVR系统平台——VIEW（VirtualInter

VIEW:一组由计算机控制的I/O子系统提供虚拟环境所需的各种感觉通道的识别和控制功能HP公司的HP900／835SGI的图形计算机或HPSRX图形系统——图形处理Plohemus空间跟踪系统——跟踪手部位置LEEP广角立体视景头戴显示器和单色液晶显示器麦克风——语音识别两个耳机——三维声音跟踪VPL数据手套——识别使用者手势控制系统的行为BOOMCRT显示器及FakeSpace远程摄像系统VIEW:一组由计算机控制的I/O子系统三维跟踪传感设备立体鼠标传感手套数据衣立体显示器触觉和力觉反馈装置3-D声音生成器典型输入输出装置：三维跟踪传感设备典型输入输出装置：跟踪器的作用：

获得移动对象的位置和方向信息；应用：

航行、导弹、CG艺术、交通、GPS等VR：

高精度、快速、测量范围小

1、三维位置跟踪器跟踪器的作用：1、三维位置跟踪器跟踪器：跟踪身体

身体跟踪：VR系统感知参与者位置和动作；身体姿态与手势；跟踪头部：头的朝向，影响绘制场景手和手指：手提供了与世界交互的方法跟踪器：跟踪身体身体跟踪：VR系统感知参与者位置和动作；眼睛：眼睛的注视方向躯干：躯干的方向脚：确定漫游速度和方向其它身体部位：体温、心率等间接跟踪：使用物理对象而不是身体部位来估计参与者的位置；眼睛：眼睛的注视方向跟踪器跟踪物体的移动：3-D空间中移动物体的参数：在移动物体上捆绑一个笛卡尔坐标系，则对象有：三个平移参数：沿X，Y，Z轴移动；三个旋转参数：沿X，Y，Z轴旋转，称为“yaw”，“pitch”，“roll”；六个运动方向相互正交，构成六个独立变量：x，y，z，水平角，俯仰角，偏转角，被称为6自由度（DegreeofFreedom，DOM）跟踪器跟踪物体的移动：3-D空间中移动物体的参数：不良跟踪器的后果不良跟踪器即定位误差较大的跟踪器定位误差：跟踪对象出现在不该出现的位置上；体验与经验相违背；定位误差将给用户造成一种类似于运动病的症状，如眩晕、晕船感、视觉混乱、身体乏力等；不良跟踪器的后果不良跟踪器即定位误差较大的跟踪器衡量跟踪器性能的参数精度抖动偏差延迟更新率衡量跟踪器性能的参数跟踪器的性能参数－精度跟踪器的精度

指对象真实的三维位置与跟踪器测量出的三维位置值之间的差值跟踪器的性能参数－精度跟踪器的精度注意：差值↓

跟踪器的精度↑

跟踪器越精确精度的单位：毫米，度精度随着与坐标原点的距离的增加而降低精度与分辨率不同：一个是表征测得的位置与真实位置的差值，一个是可测得的被跟踪对象的最小的三维位置变化注意：跟踪器的性能参数－抖动跟踪器的抖动

指当被跟踪对象固定不变时，跟踪器输出结果的变化。跟踪器的性能参数－抖动跟踪器的抖动注意：理想情况下，抖动应该为零，测得的位置为固定值抖动不是一个常数，受周围环境的影响严重的抖动会导致虚拟对象振动和跳动注意：跟踪器的性能参数－偏差跟踪器的偏差

指跟踪器随着时间的推移而积累的误差。跟踪器的性能参数－偏差跟踪器的偏差注意：偏差的根源在于跟踪器的不准确性偏差与时间相关，时间越长，积累的偏差越大校正：使用另一个无偏差的跟踪器周期性的对当前的跟踪器进行零位调整。注意：跟踪器的性能参数－延迟跟踪器的延迟

指对象的位置或方向的变化与跟踪器检测到这种变化之间的时间差跟踪器的性能参数－延迟跟踪器的延迟注意：延迟的原因在于：跟踪器对移动对象的运动总是滞后的。系统延迟＝测量延迟＋通信延迟＋绘制与显示延迟导致HMD的运动与用户看到的虚拟场景的运动之间有很大的时间迟滞对于使用者来说，一方面沉浸感降低，另一方面导致“仿真病”。注意：降低延迟的方法：同步锁相：让跟踪器和通信的周期与显示的周期同步。使用高速通信线路提高跟踪器的采样率（更新率）降低延迟的方法：跟踪器的性能参数－更新率跟踪器的更新率

指跟踪器每秒钟报告的测量数据集的次数跟踪器的性能参数－更新率跟踪器的更新率3种常用跟踪技术的主要性能指标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30ms4～5m3光学2mm0.02mm1mm＜1ms4～8m3（可扩展至14m3）3种常用跟踪技术的主要性能指标跟踪器类型分辨率精度延迟跟踪范三维位置跟踪器类型机械跟踪器电磁跟踪器（交流、直流）超声波跟踪器光学跟踪器混合惯性跟踪器三维位置跟踪器类型机械跟踪器机械跟踪器定义：

机械跟踪器：一个串行或并行的运动结构，由多个带有传感器的关节连接在一起的连杆构成。机械跟踪器定义：虚拟现实技术概述课件Gypsy动作捕获系统无线动作捕获系统范围：在户外的有效距离可以达到0.8公里，相当于450个足球场的范围；室内的范围为180米没有摄象头--直接记录人体的身体动作操作非常简单便携Gypsy动作捕获系统无线动作捕获系统Gypsy特点：15个关节位置由42个单向导电塑料精密电位记测得精度0.08度，范围18米，采样频率30使用了脚步微动开关使用了陀螺仪Gypsy特点：虚拟现实技术概述课件机械跟踪器的优点简单易用精度保持相对稳定，基本取决于关节传感器的分辨率相对于电磁跟踪器，不受周围环境中金属物质和磁场的影响相对于光学跟踪器，不存在视觉阻挡问题机械跟踪器的优点简单易用机械跟踪器的缺点工作范围有限：机械臂有尺寸限制，过长则重量和惯性增加，机械振动敏感性增加。自由度小跟重量有关的人机工程学问题机械跟踪器的缺点工作范围有限：机械臂有尺寸限制，过长则重量和三维位置跟踪器类型机械跟踪器电磁跟踪器（交流、直流）超声波跟踪器光学跟踪器混合惯性跟踪器三维位置跟踪器类型机械跟踪器非接触式跟踪器的原理介质：电磁、超声波、红外照相、LED、加速计、陀螺仪。定义：电磁跟踪器：一种非接触式的位置测量设备，由一个固定发射器产生电磁场，确定移动接受单元的实时位置。非接触式跟踪器的原理介质：电磁、超声波、红外照相、LED、加电磁跟踪器：发射器：发射磁场接收器：接受磁场，将信号送到控制部件控制部件：计算得出跟踪目标的数据优点：不受视线阻挡的限制电磁跟踪器：交流电磁跟踪器基本原理：发射器：（三个相互垂直的线圈天线）依次产生三个正交交流磁场接收器（三个正交线圈）产生9个电压值计算接收器相对于发射器的位置和方向。交流电磁跟踪器基本原理：Polhemus跟踪器Polhemus公司生产方位跟踪器：Isotrak3Space跟踪器FastrakPolhemus跟踪器VPLDataGlove：IsotrackIsoTrack特点：交流电磁式延迟：30ms采样率：60抖动：1度，导致颤动VPLDataGlove：IsotrackIsoTrackFASTRAK：非金属上的快速动作捕捉器，取样频率达每秒120次；适用于头部跟踪、手部跟踪、仪器追踪、生物机械分析、机械臂动作捕捉等应用VPLDataGlove：FastrackFASTRAK：非金属上的快速动作捕捉器，取样频率达每秒12FastTrack特点：交流电磁式使用DSP体系结构采样率：120抖动：0.1度工作范围：0.75m,3×0.75m可挂接多个接收器，采样率随之下降FastTrack特点：交流电磁跟踪器的缺点强磁场环境：金属物质：交变磁场中会产生涡流，从而产生小磁场磁性物质：本身具有磁场措施：避免附近有强磁场、大块金属和磁性物质存在。交流电磁跟踪器的缺点强磁场环境：措施：避免附近有强磁场、大虚拟现实技术概述课件直流电磁跟踪系统：减少畸变涡流的影响只在测量周期开始时产生涡流涡流衰减到零时系统会达到一种稳定状态直流电磁跟踪系统：减少畸变涡流的影响直流电跟踪器基本原理：发射器（三个相互垂直的线圈天线）依次产生三个脉冲磁场接收器（三个磁力计或霍尔效应传感器）产生9个电压值，计算接收器相对于发射器的位置和方向直流电跟踪器基本原理：Ascension技术公司直流电磁跟踪器：BirdFlockofBirdsERT（BigBird）Ascension技术公司直流电磁跟踪器：AscensionBird跟踪器发射器：发射一系列脉冲，控制发射场的开与关。特点：减小由金属物体所感应的畸变涡流场，涡流只在磁场发生变化时产生。Polhemus3space发射器发射连续变化的磁场，连续不断地产生涡流Bird发射器发射磁脉冲，只在测量周期开始时产生涡流。一旦磁场达到了稳态，就不再产生涡流AscensionBird跟踪器三维位置跟踪器类型机械跟踪器电磁跟踪器（交流、直流）超声波跟踪器光学跟踪器混合惯性跟踪器三维位置跟踪器类型机械跟踪器超声波跟踪器定义：

利用不同声源的声音到达某一特定地点的时间差、相位差及声压差，进行定位与跟踪。超声波跟踪器定义：Piltdown三维罗盘六自由度的实时方向和位置跟踪器第一个使用相位相干技术的商用跟踪器。位置的跟踪：使用超音速技术来实现的，不受外部磁场和钢铁材料的影响Piltdown三维罗盘罗盘控制单元：控制罗盘操作，管理数据采集，位置计算。发射器系统：发射不同的频率超音速信号。接收器系统：采集发射器系统发射的超音速信号，通过电缆把它们传回控制单元。控制单元：通过RS-232C接口与主机进行通信。罗盘控制单元：三维位置跟踪器立体鼠标传感手套数据衣立体显示器3-D声音生成器触觉和力觉反馈装置三维位置跟踪器2、立体鼠标普通鼠标:平面运动立体鼠标：六个自由度的运动Spacemouse，如3Space公司的SpaceBallcubicmouseSpaceBall50002、立体鼠标普通鼠标:平面运动SpaceBall50003Dconnexion公司的Spacemouse3Dconnexion公司的Spacemouse三维鼠标三维鼠标三维位置跟踪器立体鼠标传感手套数据衣立体显示器3-D声音生成器触觉和力觉反馈装置三维位置跟踪器VR强调以自然方式进行交互——手势把手势用于人机交互：赋予手势确切的交互操作的含义带传感器的手套，能把手指和手掌伸屈时的各种姿态转换为数字信号送给计算机；3、传感手套VR强调以自然方式进行交互——手势3、传感手套传感手套要配备位置跟踪器以检测手的实际位置和方位；传感手套：数据手套、赛伯手套、威力手套、手控制器、说话手套传感手套要配备位置跟踪器以检测手的实际位置和方位；最早的传感手套（VPL）把人手的动作转化为计算机的输入信号；构成：很轻的弹性材料构成。弹性材料紧贴在手上，同时附许多位置、方向传感器和光纤导线，以检测手的运动。光纤：测量手指的弯曲、伸展，通过光电转换，手指的动作信息被计算机识别。DataGlove最早的传感手套（VPL）DataGlove光导纤维传感器：监视手指弯曲和伸展位置方向跟踪系统：监视手的位置和方向微处理器：监控通过光导纤维的光量及由空间跟踪器返回的信息，对数据分析后传递给主机。光导纤维传感器：监视手指弯曲和伸展工作原理：光导纤维：测量手指角度。当光导纤维弯曲时，传输的光将会有损失，传输的光量与其弯曲程度有关。手指关节运动时，纤维弯曲导致光的散失。工作原理：高精度传感器系统，准确跟踪人手的复杂运动外轮廓附着在手的背面，监视手的整个运动过程每一个手指关节上附着一个HallEffect传感器，测量手指三个弯曲动作及手指间的动作。测量20个关节的角度，并将数据送给主机。

EXOS的精巧手控设备EXOS精巧手控设备高精度传感器系统，准确跟踪人手的复杂运动EXOS精巧手控设备为家庭视频游戏市场专门设计的，性能比其他同类产品低得多，但价格较为便宜使用基于有一恒定弹力的塑料的张力测量仪。一个单独的传感器一次测量所有关节，不能检测某一特殊的关节。PowerGlove为家庭视频游戏市场专门设计的，性能比其他同类产品低得多，但价Virtex公司的一种新高精度关节传感技术，被广泛用来创建、终止、定位三维物体。有22个传感器，每个手指三个弯曲传感器和一个外展肌传感器。拇指与小手指由一传感器相连，手腕处有一传感器。一个高精度设备，能提供准确而连续的输出。CyberGloveVirtex公司的一种新高精度关节传感技术，被广泛用来创建、传感手套DataGloveCyberGloveCyberGrasp传感手套DataGloveCyberGloveCyberG虚拟现实技术概述课件三维位置跟踪器传感手套立体鼠标数据衣立体显示器3-D声音生成器触觉和力觉反馈装置三维位置跟踪器识别全身运动对人体大约50多个不同的关节进行测量，包括膝盖、手臂、躯干和脚。通过光电转换，身体的运动信息被计算机识别。光纤系统:大量光纤装在一个紧身衣服上，能测量肢体的位置，用计算机重建出图象。4、数据衣识别全身运动4、数据衣问题??人外形变化太大需要使用多个空间跟踪器：检测肢体伸展状况检测肢体的空间位置及方向多个跟踪器提高计算速度，达到实时性更加困难。问题??人外形变化太大三维位置跟踪器传感手套立体鼠标数据衣立体显示设备3-D声音生成器触觉和力觉反馈装置三维位置跟踪器5、立体显示设备立体显示原理常用立体显示装置HMDBOOM立体眼镜立体投影显示3D显示器5、立体显示设备立体显示原理立体视觉：人眼感觉到空间立体感的主要原因；两只眼睛之间存在一定的距离。看物体时，两只眼睛从不同的角度来看，看到的画面是不完全一样的，中间存在一定的差别（双眼立体视觉），这个差别称为“视差”。大脑根据视差，产生物体远近位置的信息这种信息的直观表现即立体感。

（1）立体显示原理立体视觉：人眼感觉到空间立体感的主要原因；（1）立体显示原虚拟现实技术概述课件虚拟现实技术概述课件如果能够左右两只眼睛从显示器屏幕上看到两副具有视差的有区别的画面，反映到大脑，就会产生立体感。立体显示设备就是为了实现这样的一个过程。如果能够左右两只眼睛从显示器屏幕上看到两副具有视差的有区别的首先，产生两副具有视差的画面真实场景：用两架照相机相距一定的距离同时拍摄即可得到具有视差的两副画面；3D游戏：通过计算来得到具有视差的两副画面。然后：在显示器上显示出来最后：让左眼只看到左眼的画面，右眼只看到右眼的画面首先，产生两副具有视差的画面立体图的绘制对同一场景用左右两个视点分别计算其透视图，产生两幅具有一定视差的图象；在虚拟环境中，用户的视场在水平方向至少要有110度，垂直方向60度，还要有不小于30度的双目立体重叠立体图的绘制立体图象的显示：1、同时显示左右两幅图象称为同时显示技术（time-parallel），是对两幅图象用不同的光波长显示，用户的眼睛片分别配以相应的滤波片，使双眼只能看到相应的图象；此技术在20世纪50年代被广泛应用于立体电影放映中；立体图象的显示：立体图象的显示：2、以一定的频率交替显示两幅图象

称为分时显示技术（time-multiplexed），两幅图象的交替频率通常为30Hz；同时为了保证每只眼睛只能看到各自相应的图象，用户通过以相同频率同步切换的立体眼镜来观察图象；立体图象的显示：应用现代计算机图形学和可视化领域中使用光栅显示器，光栅显示器的显示方式和显示内容是无关的；分时显示技术能够容易地通过光栅显示技术来实现，所以在立体图的显示中占据了主导地位。应用（2）常用立体显示器立体眼镜HMDBOOM立体投影显示3D显示器（2）常用立体显示器立体眼镜立体眼镜：保证用户左右眼只能看到对应的左右视图；包括：主动立体眼镜（有源立体眼镜）被动立体眼镜（无源立体眼睛）——立体眼镜立体眼镜：保证用户左右眼只能看到对应的左右视图；——立体眼镜立体眼镜立体眼镜主动（有源）立体眼镜镜框上装有电池及液晶调制器控制的镜片；立体监视器配有红外线发射器，根据监视器显示左右眼视图的频率发射红外控制信号；眼镜的液晶调制器接收红外控制信号主动（有源）立体眼镜眼镜接到红外控制信号后，调制镜片上液晶的通断状态，即控制左右镜片的透明和不透明状态；如监视器显示左眼视图，发射红外信号使右眼镜片处于不透明状态，左眼处于透明状态，这样轮流切换；图象效果好，但价格昂贵；眼镜接到红外控制信号后，调制镜片上液晶的通断状态，即控制左右被动（无源）立体眼镜根据光的偏震原理设计，左右镜片是两片正交的偏震滤光片，分别只允许一个方向的偏震光通过监视器显示屏前装一同样大小的液晶立体调制器被动（无源）立体眼镜显示器的左右眼视图经液晶立体调制器形成左偏震光和右偏震光，分别透过左右镜片，使左眼只能看到左视图，右眼只能看到右视图；无源立体眼镜价格低廉，无须红外发射器；显示器的左右眼视图经液晶立体调制器形成左偏震光和右偏震光，分——头盔式立体显示器（HMD）——头盔式立体显示器（HMD）头盔式立体显示器是VR普遍采用的立体显示器是安装在头盔上的显示装置，头盔显示器戴在头部，用机械方法固定，头盔显示器与头之间不能有相对运动；头盔式立体显示器是VR普遍采用的立体显示器头盔式立体显示器（HMD）头盔上装有位置跟踪器，可实时测出头部的位置和朝向，并输入计算机；计算机根据这些数据生成反映当前位置和朝向的场景图象并显示在头盔显示器的屏幕上；头盔式立体显示器（HMD）用户只能看到计算机生成的虚拟世界，看不到其所处的现实世界，从而获得沉浸感；头盔显示器的显示屏不透明，距离人眼很近，需用专用的光学系统（LEEP系统）使人眼能聚焦在如此近的距离又不易疲劳；用户只能看到计算机生成的虚拟世界，看不到其所处的现实世界，从三维空间传感器HMD三维空间传感器HMD基于LCD的头盔式显示器优点：便宜缺点：LCD分辨率有限基于LCD的头盔式显示器Eyephone头盔式显示器

使用单色的便携LCD电视显示器，分辨率很低，显示器是单色的。LX型Eyephone

图象由宽角FMT光学器件显示。使用了Fresnel透镜，比最初的LEEP视觉系统轻。Eyephone头盔式显示器VPLHRX型Eyephone是基于LX型Eyephone的彩色立体显示系统。使用的LCD大约有350000个彩色象素，能够显示较高分辨率的图象VPLHRX型EyephoneVirtualResearch的飞行头盔低分辨率，使用宽角度LEEP系统。头盔形式和舒适程度方面设计很好，整体舒适程度比其他大多数基于LCD的头盔式显示器要好，重量相对要轻，容易保持平衡。

VirtualResearch的飞行头盔基于CRT的头盔式显示器优点：低成本小规格高分辨率虚拟现实技术概述课件带有光导纤维的头盔式显示器

CRT设备比LCD有较高的分辨率，但很笨重。因为电子束直径、点的聚焦和磷光体颗粒大小等原因影响CRT的分辨率。带有光导纤维的头盔式显示器解决方法：使用一个大屏幕、高分辨率的CRT作为图象源，把它的图象连接到头盔式显示器上光导纤维用来把CRT的图象传送给头盔上的视觉系统。优点：能使用非常高分辨率的显示源，却不给头部带来重量上的难题。解决方法：——BOOMLCD和CRT的HMD都会受到头部跟踪延迟的影响；延迟太大，使用户产生不适感需要有快速跟踪机制和快速图形绘制NASA的研究与VIEW项目结合产生了“基于平衡CRT的立体观察器CCSV”，它使用一个机械臂支撑CRT——BOOMLCD和CRT的HMD都会受到头部跟踪延迟的影响CCSV的概念由Fakespace公司发展为“BOOM”（BinocularOmni-OrientationalMonitor，双目全方位监视器）半投入式视觉显示设备。类似于一对双目望远镜，把两个独立的CRT显示器捆绑在一起，用户用手操纵显示器的位置，观察一个可移动的、宽视角的虚拟空间CCSV的概念由Fakespace公司发展为“BOOM”（B——立体投影显示基于空间投影的显示技术CAVE洞穴式立体显示装置90年代初由美国Illinois大学EVL实验室为克服HMD存在的问题而研制的一个10X10X9英尺大小的房间；每一面墙与地板均由大屏幕背投影机投上1024X768分辨率的立体图像；用户戴上立体眼镜能从空间中任意方向看到立体图像；——立体投影显示基于空间投影的显示技术虚拟现实技术概述课件CAVE系统中配有三维立体声系统；CAVE系统的关键是计算投影和形成立体图形，投影面相当于墙面；特点：让几个用户同时沉浸在同一个虚拟世界中进行协同工作；CAVE系统中配有三维立体声系统；虚拟现实技术概述课件——3D显示器让画面充满在整个空间；MIT媒体实验室发明了一种被称为边光显示器的新型三维显示器，不需用户戴上专门的眼镜也能观察到立体的图像。把光源从显示器的下面向上发射，通过显示器内部的发射与折射，使用户能看到立体的图像。优点：对显示器周围的环境没有任何严格的要求。——3D显示器让画面充满在整个空间；3D显示器经过两部分的处理。软件处理，把图像处理成需要的格式，比如左右眼交叉的栅状图。硬件手段：比如条状透镜组将左右眼画面分别折射到各自的区域，观看者站在一些特定的位置上，左眼处于左眼图像区只能看到左眼图像，右眼只能看到右眼图像。由于技术上原因，目前的3D显示器基本都是基于LCD液晶或者PDP等离子显示器的。3D显示器经过两部分的处理。虚拟现实技术概述课件Autostereoscopic：3D显示装置产生左右两副有视差的图像，显示出来，左眼看到左眼图像，右眼看到右眼图像以前的3D显示设备要使用一个设备（液晶眼镜、红蓝眼镜等）来分离左右眼画面，现在的3D显示器则无需这样的设备，所以称为autostereoscopic或者glassless——不需佩戴3D眼镜可以直接看Autostereoscopic：代表性的3D显示器：德国4D-Vision公司的4D-Vision技术DTI的视差照明技术ParallaxIllumination）利浦的多重视点技术（Multiview3D-LCD）德累斯顿大学的D4D技术代表性的3D显示器：4D-Vision最吸引人的产品就是4D50将3D技术应用于50英寸大屏幕等离子显示器，造就一款极具震撼力的产品。4D-Vision最吸引人的产品就是4D50DTI的视差照明技术ParallaxIlluminationDTI的2015XLS显示器照片

DTI的视差照明技术ParallaxIlluminatio原理：左右眼图像在一副画面上显示将每副画面分割成一列一列，左右眼列交叉，形成一副特殊的画面，其中奇数列为左眼画面，偶数列为右眼画面最终立体画面的分辨率只有显示器分辨率的一半。假设显示器的分辨率为1024x768，那么眼睛所看到的画面的分辨率为512x768。原理：飞利浦的多重视点Multiview3D-LCD飞利浦在3D显示器方面，采用了多重视点的技术。飞利浦的多重视点Multiview3D-LCD原理：把多视点图像进行分解，按像素划分成竖列然后把竖列交叉排列拼成一副图像原理：Dresden3DDisplay（D4D）德累斯顿技术大学D4Dc_181照片Dresden3DDisplay（D4D）德累斯顿技术大增加轨迹探测系统，跟踪脑袋的位置，实时调整显示器左右画面反射角度，达到很好的观看效果，不受位置限制。不能用于多人观看增加轨迹探测系统，跟踪脑袋的位置，实时调整显示器左右画面反射未来立体显示器展望

360度显示器照片未来立体显示器

目前的3D显示器，属于单视点的立体显示装置，重现的是在某一点的立体视觉效果，想看到物体侧面或后面是不可能的。将来的立体显示器将是多视点的类似全息技术的效果，可通过改变视点看场景或物体的其它面。目前的3D显示器，属于单视点的立体显示装置，重现的是在某一点三维位置跟踪器传感手套立体鼠标数据衣显示设备3-D声音生成器触觉反馈三维位置跟踪器6、3-D声音生成器3-D声音不是立体声，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；3-D声音生成器是利用人类定位声音的特点生成出3-D声音的一套软硬件系统；6、3-D声音生成器3-D声音不是立体声，是指由计算机生成的三维位置跟踪器传感手套立体鼠标数据衣显示设备3-D声音生成器触觉反馈三维位置跟踪器VR产生“沉浸”效果的关键因素之一是用户能否用手或身体的其他部分去操作虚拟物体，并在操作的同时能够感觉到虚拟物体的反作用力。没有力觉反馈作用的系统至少有两个缺点：首先是缺乏真实感；其次是给视觉计算带来麻烦7、触觉反馈VR产生“沉浸”效果的关键因素之一是用户能否用手或身体的其他触觉反馈接触反馈力反馈触觉反馈的分类Note：只讨论与手和手腕有关的触觉反馈触觉反馈接触反馈力反馈触觉反馈的分类Note：只讨论与手和手接触反馈：接触反馈传送接触表面的几何结构、虚拟对象的表面硬度、滑动和温度等实时信息。它不会主动抵抗用户的触摸运动，不能阻止用户穿过虚拟表面力反馈：力反馈提供虚拟对象表面柔顺性、对象的重量和惯性等实时信息。它主动抵抗用户的触摸运动，并能阻止该运动。触觉反馈接口的要求：真实性安全性轻便舒适性折中性接触反馈：力反馈：触觉反馈接口的要求：人类触觉系统－感知类型1、触觉感知：

2、温度感知：温度传感器：位于表皮层（冷敏），位于真皮层（热感），空间分别率小伤害感受器：对超出负15度－45度的温度敏感，并引发疼痛人类触觉系统－感知类型1、触觉感知：2、温度感知：3、本体感知：

即人对自己身体位置和运动的感知。神经系统、触觉传感器共同作用的结构。4、肌肉运动感知：人所感知的肌肉的收缩与伸展。是对本体感受的补充。肌肉疲劳感知，影响对力的判断3、本体感知：4、肌肉运动感知：触觉反馈接口触觉反馈接口接触反馈接口力反馈接口触觉鼠标触觉手套（CyberTouch）温度反馈手套触觉反馈接口触觉反馈接口接触反馈接口力反馈接口触觉鼠标触觉手触觉鼠标－iFeeliFeel工作原理：

在普通鼠标结构的基础上增加一个电子激励器，其中的质量块随着磁场的变化上下运动，从而产生振动，使得手得到振动触觉的回馈。

触觉鼠标－iFeeliFeel工作原理：iFeel特点：使用电子激励器，振动式振动幅度和频率可调，可以感知触觉纹理（窗口边缘、菜单、超链接、不同粗糙程度的地面布料等）光电式USB接口售价：40美元iFeel特点：触觉手套－CyberTuch触觉手套－CyberTuchCyberTuch工作原理：

CyberTuch特点：使用6个振动激励器（直流、离心质体）带手势接口传感器可产复杂的触觉反馈模式用户大的运动自由度RS－232接口售价：15000美元CyberTuchCyberTuch特点：虚拟现实技术概述课件温度反馈手套温度反馈手套的作用：

帮助用户确定虚拟物体表面的热量特性（温度高低），帮助用户确定虚拟物体的材质（如高导热性的金属和低导热性的木头等），从而提高虚拟环境的真实感

温度反馈手套中对热量激励器的要求：能进行较快的温度变化。（热传导、热对流、热辐射）小巧轻便干净快捷，以保持温度变化的快速温度安全温度反馈手套温度反馈手套的作用：温度反馈手套中对热量触觉反馈接口触觉反馈接口接触反馈接口力反馈接口触觉鼠标触觉手套（CyberTouch）温度反馈手套触觉反馈接口触觉反馈接口接触反馈接口力反馈接口触觉鼠标触觉手力反馈接口力反馈接口的特点：能提供真实的力来阻止用户的运动，使用户感到力的存在需要更大的激励器和更重的结构，更昂贵和复杂需牢固地固定，以防滑动和事故一个重要特性是机械带宽机械带宽：

力反馈接口的机械带宽表示用户（通过手指附件、手柄和万向接头等）感觉到力的频率和转矩的刷新率（HZ）力反馈接口力反馈接口的特点：机械带宽：力反馈接口力反馈操纵杆（Joystick）PhanTom臂HapticMaster臂CyberGrasp手套CyberForce力反馈接口力反馈操纵杆（Joystick）力反馈操纵杆特点：简单、便宜三自由度、两个自由度上有力反馈按钮有反馈直流电子激励器产生中等大小的力有较大的机械带宽

典型设备－Logitech

的

WingManForce3D力反馈操纵杆特点：典型设备－Logitech的操纵杆的力反馈系统操纵杆的力反馈系统力反馈接口力反馈操纵杆PhanTom臂HapticMaster臂CyberGrasp手套CyberForce力反馈接口力反馈操纵杆PhanTom特点小型桌面，铁笔末端，直观六自由度，三个活跃自由度提供反馈三个力反馈激励器位置解码器，跟踪位置能提供比较真实的碰撞反馈，特别是与坚硬物体的碰撞机械带宽比较小接口：并行接口反馈力比较小：持续力1.7N,峰值6.4N。价格：16000美元PhanTom特点虚拟现实技术概述课件力反馈接口力反馈操纵杆PhanTom臂HapticMaster臂CyberGrasp手套CyberForce力反馈接口力反馈操纵杆HapiticMaster臂特点较大型的柱状机器人，更大的工作范围三自由度：旋转、上下移动、前后移动主要用途：VR辅助康复医疗等较大的力反馈：250N机械带宽较小惯性较大价格：34000美元HapiticMaster臂特点虚拟现实技术概述课件虚拟现实技术概述课件力反馈接口力反馈操纵杆PhanTom臂HapticMaster臂CyberGrasp手套CyberForce力反馈接口力反馈操纵杆CyberGrasp特点手腕三维跟踪器灵活的手势、运动空间激励器通过机械放大装置传送到手指，力是单向的FCU（力控制单元）：位置信息、手势信息、力、以太网通信较大的力反馈：16N价格：39000美元CyberGrasp特点虚拟现实技术概述课件虚拟现实技术概述课件力反馈接口力反馈操纵杆PhanTom臂HapticMaster臂CyberGrasp手套CyberForce力反馈接口力反馈操纵杆CyberForce特点CyberGrasp的附属品模拟对象的重量和惯性无跟踪器三自由度，无扭矩适中的力反馈：8.8N工作范围有限：0.3m×0.3m×0.5m价格：56000美元(加CyberGrasp)CyberForce特点虚拟现实技术概述课件VR系统中人的因素VR系统组成：计算机，接口和用户。

接口设计必须考虑人的因素，人的因素与VR系统性能直接相关。VR系统中人的因素VR系统组成：VR系统中人的因素眼睛耳朵身体感觉平衡和运动眩晕VR系统中人的因素眼睛眼睛——调节调节作用保证某个距离的物体清晰，而其它距离物体模糊。这起了滤波器的作用，使人集中关注视场中部分区域。在HMD中没有调节，2个图象聚焦在2到3米距离。眼睛——调节调节作用保证某个距离的物体清晰，而其它距离物体模眼睛——视觉暂留

视觉暂留是视网膜的电化学现象造成视觉的反应时间。当观看很短的光脉冲时，视杆细胞得到约0.25s的峰，视锥细胞快4倍(0.04s)。这种现象造成视觉暂留。是电影、电视、VR显示的基础。

眼睛——视觉暂留视觉暂留是视网膜的电化学现象造成视觉的反应眼睛——临界熔合频率临界熔合频率(CriticalFusionFregnency,CFF)效果会产生把离散图象序列组合成连续视觉的能力，CFF最低20Hz，并取决于图象尺寸和亮度。眼睛——临界熔合频率临界熔合频率(CriticalFusi眼睛——立体视觉HMD提供两个显示，不但应保持双目视差，而且应该重叠。实际上,由于两眼有6.5cm的瞳距，所以两者视场总有些差别,有不重叠的区域。

眼睛——立体视觉HMD提供两个显示，不但应保持双目视差，而且眼睛——视场双目的视场约为水平±1000，垂直±600，而水平的双目重叠视场1200。实际的全景显示可能产生水平±1000，垂直±300视场，这已经有强的沉浸感。头盔显示（HMD显示）的主要问题是分辩率、彩色、视场、场深度、动态范围、光学失真与全面沉浸感。

眼睛——视场双目的视场约为水平±1000，垂直±600，而水VR系统中人的因素眼睛耳朵身体感觉平衡和运动眩晕VR系统中人的因素眼睛耳朵——声音耳听到的频率范围约20Hz到20kHz。随年岁增加，频率范围缩小，特别是高频段。人耳的尺寸约7cm，这是5kHz的波长。这说明耳会影响这种频率声音的收集。人的身体也会与声波交互，这也会影响声音的质量。这类似音乐厅中的音响效果。

耳朵——声音耳听到的频率范围约20Hz到20kHz。随年岁增耳朵——声音感觉耳分为外耳、中耳、内耳。外耳把声音引导进内耳，它也作为滤波器而改变声音。把手放在耳前面，就会感到声音变化。声音最终冲击耳膜，使之振动。耳膜振动再传到耳蜗，并且振动加大20倍。

耳朵——声音感觉耳分为外耳、中耳、内耳。外耳把声音引导进内耳耳朵——声音方向一般认为，人脑识别声源位置，是利用两耳收到的声音的时间差和声音幅度差。当人面对声源时，两耳的声强和路径相等。当人向左转以后，右耳声音比左耳强，且更早听到。若两耳路径之差为20cm，则时间差0.6ms。

耳朵——声音方向一般认为，人脑识别声源位置，是利用两耳收到VR系统中人的因素眼睛耳朵身体感觉平衡和运动眩晕VR系统中人的因素眼睛身体感觉涉及到感觉表面粗糙、振动、运动、位置、压力、疼痛和温度。按身体不同部位，可分四类：

深部感觉：它提供关节、骨、腱、肌肉和其它组织的信息，涉及压力、疼痛和振动。

内脏感觉：它提供胸腹腔中的内脏的状况，主要是疼痛。

身体感觉涉及到感觉表面粗糙、振动、运动、位置、压力、疼痛和温本体感觉：它提供身体的位置，平衡和肌肉感觉。也涉及与其它物体的接触，如站在地上、躺在床上。本体感觉接受器位于关节、肌肉和深部组织。外感受感觉：它是身体表面的接触感觉。

本体感觉：它提供身体的位置，平衡和肌肉感觉。也涉及与其它物体VR系统中人的因素眼睛耳朵身体感觉平衡和运动眩晕VR系统中人的因素眼睛平衡平衡是在飞行仿真和运动眩晕中的问题眩晕的原因很多，但往往来自视觉和前庭器官信息的冲突。例如在固定座舱的飞行仿真中，视觉接收人体运动感觉，前庭器官不感觉人体运动。又如在乘车旅行中，前庭器官感觉人体与车同时的运动，视觉没有或较少接收人体运动感觉。

平衡平衡是在飞行仿真和运动眩晕中的问题运动眩晕VR中的HMD考虑了瞳距等因素。但没有考虑运动眩晕等因素。沉浸感显示的副作用：

用HMD看不同远处物体时，不能用会聚和调节，使人不适应。HMD与内瞳距不匹配也使眼疲劳运动眩晕VR中的HMD考虑了瞳距等因素。但没有考虑运动眩晕等VR运动眩晕：150个实验者，有8人产生强烈眩晕实验者经历了20分钟沉浸环境5分钟：22%10分钟：32%15分钟：40%20分钟：45%人沉浸经历后5分钟：36%10分钟后还有27%的人眩晕VR运动眩晕：150个实验者，有8人产生强烈眩晕第一章虚拟现实技术概述第一章虚拟现实技术概述虚拟现实定义（一）：由交互式计算机仿真组成的一种媒体，能够感知参与者的位置和动作，替代或增强一种或多种感觉反馈，从而产生一种精神沉浸或出现在仿真环境（虚拟世界）中的感觉。虚拟现实定义（一）：采用以计算机技术为核心的现代高科技手段生成逼真的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等一体化的虚拟环境，用户从自己的视点出发，借助特殊的输入输出设备，采用自然的方式与虚拟世界的物体进行交互，相互影响。虚拟现实定义（二）：采用以计算机技术为核心的现代高科技手段生成逼真的视觉、听觉、虚拟现实系统——“3I”图

Immersion-Interaction-ImaginationImmersionImaginationInteraction虚拟现实系统——“3I”图Immersion-Int四类虚拟现实系统四类虚拟现实系统桌面式虚拟现实系统桌面式虚拟现实系统

基于头盔式显示器的系统投影式虚拟现实系统远程存在系统（遥在系统）沉浸式虚拟现实系统沉浸式虚拟现实系统基于头盔式显示器的系统基于头盔式显示器的系统虚拟现实技术概述课件投影式虚拟现实系统投影式虚拟现实系统虚拟现实技术概述课件远程存在系统（遥在系统）远程存在系统（遥在系统）增强式虚拟现实系统增强式虚拟现实系统虚拟现实技术概述课件分布式虚拟现实系统网络+虚拟现实分布式虚拟现实系统虚拟现实系统：

=用户+硬件+虚拟环境交互性用户

虚拟环境用户信息反馈信息虚拟现实系统：用户虚拟环境用户信息反馈信息第二章虚拟现实系统的硬件虚拟现实技术概述课件用户+硬件+虚拟环境交互性用户

虚拟环境用户信息反馈信息用户+硬件+虚拟环境用户虚拟环境用户信息反馈信息输入输出设备必要性：交互性——VR基本特性特殊的人机接口与外部设备是实现人机交互的必要手段商品化，不成熟原型终极目标：

能满足快速、自然的交互输入输出设备必要性：如：身体运动——3-D位置跟踪器；手势——传感手套；视觉反馈——立体显示器；虚拟声音——3-D声音生成器；观察方向——跟踪球和操纵杆。

如：身体运动——3-D位置跟踪器；VR硬件的系统集成VR系统需要：一个以计算机为核心、将多种I/O交互设备协调组合在一起的硬件平台。计算机系统的功能：保障虚拟三维场景的实时计算和显示，尽量减少延迟；协调各种I/O交互设备之间的工作，确保系统整体运行的性能。PC机、工作站和超级计算机等VR硬件的系统集成VR系统需要：一个以计算机为核心、将多种IVIEW系统组成VR系统平台——VIEW（VirtualInterfaceEnvironmentWorkstation）VIEWVR系统平台——VIEW（VirtualInter

VIEW:一组由计算机控制的I/O子系统提供虚拟环境所需的各种感觉通道的识别和控制功能HP公司的HP900／835SGI的图形计算机或HPSRX图形系统——图形处理Plohemus空间跟踪系统——跟踪手部位置LEEP广角立体视景头戴显示器和单色液晶显示器麦克风——语音识别两个耳机——三维声音跟踪VPL数据手套——识别使用者手势控制系统的行为BOOMCRT显示器及FakeSpace远程摄像系统VIEW:一组由计算机控制的I/O子系统三维跟踪传感设备立体鼠标传感手套数据衣立体显示器触觉和力觉反馈装置3-D声音生成器典型输入输出装置：三维跟踪传感设备典型输入输出装置：跟踪器的作用：

获得移动对象的位置和方向信息；应用：

航行、导弹、CG艺术、交通、GPS等VR：

高精度、快速、测量范围小

1、三维位置跟踪器跟踪器的作用：1、三维位置跟踪器跟踪器：跟踪身体

身体跟踪：VR系统感知参与者位置和动作；身体姿态与手势；跟踪头部：头的朝向，影响绘制场景手和手指：手提供了与世界交互的方法跟踪器：跟踪身体身体跟踪：VR系统感知参与者位置和动作；眼睛：眼睛的注视方向躯干：躯干的方向脚：确定漫游速度和方向其它身体部位：体温、心率等间接跟踪：使用物理对象而不是身体部位来估计参与者的位置；眼睛：眼睛的注视方向跟踪器跟踪物体的移动：3-D空间中移动物体的参数：在移动物体上捆绑一个笛卡尔坐标系，则对象有：三个平移参数：沿X，Y，Z轴移动；三个旋转参数：沿X，Y，Z轴旋转，称为“yaw”，“pitch”，“roll”；六个运动方向相互正交，构成六个独立变量：x，y，z，水平角，俯仰角，偏转角，被称为6自由度（DegreeofFreedom，DOM）跟踪器跟踪物体的移动：3-D空间中移动物体的参数：不良跟踪器的后果不良跟踪器即定位误差较大的跟踪器定位误差：跟踪对象出现在不该出现的位置上；体验与经验相违背；定位误差将给用户造成一种类似于运动病的症状，如眩晕、晕船感、视觉混乱、身体乏力等；不良跟踪器的后果不良跟踪器即定位误差较大的跟踪器衡量跟踪器性能的参数精度抖动偏差延迟更新率衡量跟踪器性能的参数跟踪器的性能参数－精度跟踪器的精度

指对象真实的三维位置与跟踪器测量出的三维位置值之间的差值跟踪器的性能参数－精度跟踪器的精度注意：差值↓

跟踪器的精度↑

跟踪器越精确精度的单位：毫米，度精度随着与坐标原点的距离的增加而降低精度与分辨率不同：一个是表征测得的位置与真实位置的差值，一个是可测得的被跟踪对象的最小的三维位置变化注意：跟踪器的性能参数－抖动跟踪器的抖动

指当被跟踪对象固定不变时，跟踪器输出结果的变化。跟踪器的性能参数－抖动跟踪器的抖动注意：理想情况下，抖动应该为零，测得的位置为固定值抖动不是一个常数，受周围环境的影响严重的抖动会导致虚拟对象振动和跳动注意：跟踪器的性能参数－偏差跟踪器的偏差

指跟踪器随着时间的推移而积累的误差。跟踪器的性能参数－偏差跟踪器的偏差注意：偏差的根源在于跟踪器的不准确性偏差与时间相关，时间越长，积累的偏差越大校正：使用另一个无偏差的跟踪器周期性的对当前的跟踪器进行零位调整。注意：跟踪器的性能参数－延迟跟踪器的延迟

指对象的位置或方向的变化与跟踪器检测到这种变化之间的时间差跟踪器的性能参数－延迟跟踪器的延迟注意：延迟的原因在于：跟踪器对移动对象的运动总是滞后的。系统延迟＝测量延迟＋通信延迟＋绘制与显示延迟导致HMD的运动与用户看到的虚拟场景的运动之间有很大的时间迟滞对于使用者来说，一方面沉浸感降低，另一方面导致“仿真病”。注意：降低延迟的方法：同步锁相：让跟踪器和通信的周期与显示的周期同步。使用高速通信线路提高跟踪器的采样率（更新率）降低延迟的方法：跟踪器的性能参数－更新率跟踪器的更新率

指跟踪器每秒钟报告的测量数据集的次数跟踪器的性能参数－更新率跟踪器的更新率3种常用跟踪技术的主要性能指标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30ms4～5m3光学2mm0.02mm1mm＜1ms4～8m3（可扩展至14m3）3种常用跟踪技术的主要性能指标跟踪器类型分辨率精度延迟跟踪范三维位置跟踪器类型机械跟踪器电磁跟踪器（交流、直流）超声波跟踪器光学跟踪器混合惯性跟踪器三维位置跟踪器类型机械跟踪器机械跟踪器定义：

机械跟踪器：一个串行或并行的运动结构，由多个带有传感器的关节连接在一起的连杆构成。机械跟踪器定义：虚拟现实技术概述课件Gypsy动作捕获系统无线动作捕获系统范围：在户外的有效距离可以达到0.8公里，相当于450个足球场的范围；室内的范围为180米没有摄象头--直接记录人体的身体动作操作非常简单便携Gypsy动作捕获系统无线动作捕获系统Gypsy特点：15个关节位置由42个单向导电塑料精密电位记测得精度0.08度，范围18米，采样频率30使用了脚步微动开关使用了陀螺仪Gypsy特点：虚拟现实技术概述课件机械跟踪器的优点简单易用精度保持相对稳定，基本取决于关节传感器的分辨率相对于电磁跟踪器，不受周围环境中金属物质和磁场的影响相对于光学跟踪器，不存在视觉阻挡问题机械跟踪器的优点简单易用机械跟踪器的缺点工作范围有限：机械臂有尺寸限制，过长则重量和惯性增加，机械振动敏感性增加。自由度小跟重量有关的人机工程学问题机械跟踪器的缺点工作范围有限：机械臂有尺寸限制，过长则重量和三维位置跟踪器类型机械跟踪器电磁跟踪器（交流、直流）超声波跟踪器光学跟踪器混合惯性跟踪器三维位置跟踪器类型机械跟踪器非接触式跟踪器的原理介质：电磁、超声波、红外照相、LED、加速计、陀螺仪。定义：电磁跟踪器：一种非接触式的位置测量设备，由一个固定发射器产生电磁场，确定移动接受单元的实时位置。非接触式跟踪器的原理介质：电磁、超声波、红外照相、LED、加电磁跟踪器：发射器：发射磁场接收器：接受磁场，将信号送到控制部件控制部件：计算得出跟踪目标的数据优点：不受视线阻挡的限制电磁跟踪器：交流电磁跟踪器基本原理：发射器：（三个相互垂直的线圈天线）依次产生三个正交交流磁场接收器（三个正交线圈）产生9个电压值计算接收器相对于发射器的位置和方向。交流电磁跟踪器基本原理：Polhemus跟踪器Polhemus公司生产方位跟踪器：Isotrak3Space跟踪器FastrakPolhemus跟踪器VPLDataGlove：IsotrackIsoTrack特点：交流电磁式延迟：30ms采样率：60抖动：1度，导致颤动VPLDataGlove：IsotrackIsoTrackFASTRAK：非金属上的快速动作捕捉器，取样频率达每秒120次；适用于头部跟踪、手部跟踪、仪器追踪、生物机械分析、机械臂动作捕捉等应用VPLDataGlove：FastrackFASTRAK：非金属上的快速动作捕捉器，取样频率达每秒12FastTrack特点：交流电磁式使用DSP体系结构采样率：120抖动：0.1度工作范围：0.75m,3×0.75m可挂接多个接收器，采样率随之下降FastTrack特点：交流电磁跟踪器的缺点强磁场环境：金属物质：交变磁场中会产生涡流，从而产生小磁场磁性物质：本身具有磁场措施：避免附近有强磁场、大块金属和磁性物质存在。交流电磁跟踪器的缺点强磁场环境：措施：避免附近有强磁场、大虚拟现实技术概述课件直流电磁跟踪系统：减少畸变涡流的影响只在测量周期开始时产生涡流涡流衰减到零时系统会达到一种稳定状态直流电磁跟踪系统：减少畸变涡流的影响直流电跟踪器基本原理：发射器（三个相互垂直的线圈天线）依次产生三个脉冲磁场接收器（三个磁力计或霍尔效应传感器）产生9个电压值，计算接收器相对于发射器的位置和方向直流电跟踪器基本原理：Ascension技术公司直流电磁跟踪器：BirdFlockofBirdsERT（BigBird）Ascension技术公司直流电磁跟踪器：AscensionBird跟踪器发射器：发射一系列脉冲，控制发射场的开与关。特点：减小由金属物体所感应的畸变涡流场，涡流只在磁场发生变化时产生。Polhemus3space发射器发射连续变化的磁场，连续不断地产生涡流Bird发射器发射磁脉冲，只在测量周期开始时产生涡流。一旦磁场达到了稳态，就不再产生涡流AscensionBird跟踪器三维位置跟踪器类型机械跟踪器电磁跟踪器（交流、直流）超声波跟踪器光学跟踪器混合惯性跟踪器三维位置跟踪器类型机械跟踪器超声波跟踪器定义：

利用不同声源的声音到达某一特定地点的时间差、相位差及声压差，进行定位与跟踪。超声波跟踪器定义：Piltdown三维罗盘六自由度的实时方向和位置跟踪器第一个使用相位相干技术的商用跟踪器。位置的跟踪：使用超音速技术来实现的，不受外部磁场和钢铁材料的影响Piltdown三维罗盘罗盘控制单元：控制罗盘操作，管理数据采集，位置计算。发射器系统：发射不同的频率超音速信号。接收器系统：采集发射器系统发射的超音速信号，通过电缆把它们传回控制单元。控制单元：通过RS-232C接口与主机进行通信。罗盘控制单元：三维位置跟踪器立体鼠标传感手套数据衣立体显示器3-D声音生成器触觉和力觉反馈装置三维位置跟踪器2、立体鼠标普通鼠标:平面运动立体鼠标：六个自由度的运动Spacemouse，如3Space公司的SpaceBallcubicmouseSpaceBall50002、立体鼠标普通鼠标:平面运动SpaceBall50003Dconnexion公司的Spacemouse3Dconnexion公司的Spacemouse三维鼠标三维鼠标三维位置跟踪器立体鼠标传感手套数据衣立体显示器3-D声音生成器触觉和力觉反馈装置三维位置跟踪器VR强调以自然方式进行交互——手势把手势用于人机交互：赋予手势确切的交互操作的含义带传感器的手套，能把手指和手掌伸屈时的各种姿态转换为数字信号送给计算机；3、传感手套VR强调以自然方式进行交互——手势3、传感手套传感手套要配备位置跟踪器以检测手的实际位置和方位；传感手套：数据手套、赛伯手套、威力手套、手控制器、说话手套传感手套要配备位置跟踪器以检测手的实际位置和方位；最早的传感手套（VPL）把人手的动作转化为计算机的输入信号；构成：很轻的弹性材料构成。弹性材料紧贴在手上，同时附许多位置、方向传感器和光纤导线，以检测手的运动。光纤：测量手指的弯曲、伸展，通过光电转换，手指的动作信息被计算机识别。DataGlove最早的传感手套（VPL）DataGlove光导纤维传感器：监视手指弯曲和伸展位置方向跟踪系统：监视手的位置和方向微处理器：监控通过光导纤维的光量及由空间跟踪器返回的信息，对数据分析后传递给主机。光导纤维传感器：监视手指弯曲和伸展工作原理：光导纤维：测量手指角度。当光导纤维弯曲时，传输的光将会有损失，传输的光量与其弯曲程度有关。手指关节运动时，纤维弯曲导致光的散失。工作原理：高精度传感器系统，准确跟踪人手的复杂运动外轮廓附着在手的背面，监视手的整个运动过程每一个手指关节上附着一个HallEffect传感器，测量手指三个弯曲动作及手指间的动作。测量20个关节的角度，并将数据送给主机。

EXOS的精巧手控设备EXOS精巧手控设备高精度传感器系统，准确跟踪人手的复杂运动EXOS精巧手控设备为家庭视频游戏市场专门设计的，性能比其他同类产品低得多，但价格较为便宜使用基于有一恒定弹力的塑料的张力测量仪。一个单独的传感器一次测量所有关节，不能检测某一特殊的关节。PowerGlove为家庭视频游戏市场专门设计的，性能比其他同类产品低得多，但价Virtex公司的一种新高精度关节传感技术，被广泛用来创建、终止、定位三维物体。有22个传感器，每个手指三个弯曲传感器和一个外展肌传感器。拇指与小手指由一传感器相连，手腕处有一传感器。一个高精度设备，能提供准确而连续的输出。CyberGloveVirtex公司的一种新高精度关节传感技术，被广泛用来创建、传感手套DataGloveCyberGloveCyberGrasp传感手套DataGloveCyberGloveCyberG虚拟现实技术概述课件三维位置跟踪器传感手套立体鼠标数据衣立体显示器3-D声音生成器触觉和力觉反馈装置三维位置跟踪器识别全身运动对人体大约50多个不同的关节进行测量，包括膝盖、手臂、躯干和脚。通过光电转换，身体的运动信息被计算机识别。光纤系统:大量光纤装在一个紧身衣服上，能测量肢体的位置，用计算机重建出图象。4、数据衣识别全身运动4、数据衣问题??人外形变化太大需要使用多个空间跟踪器：检测肢体伸展状况检测肢体的空间位置及方向多个跟踪器提高计算速度，达到实时性更加困难。问题??人外形变化太大三维位置跟踪器传感手套立体鼠标数据衣立体显示设备3-D声音生成器触觉和力觉反馈装置三维位置跟踪器5、立体显示设备立体显示原理常用立体显示装置HMDBOOM立体眼镜立体投影显示3D显示器5、立体显示设备立体显示原理立体视觉：人眼感觉到空间立体感的主要原因；两只眼睛之间存在一定的距离。看物体时，两只眼睛从不同的角度来看，看到的画面是不完全一样的，中间存在一定的差别（双眼立体视觉），这个差别称为“视差”。大脑根据视差，产生物体远近位置的信息这种信息的直观表现即立体感。

（1）立体显示原理立体视觉：人眼感觉到空间立体感的主要原因；（1）立体显示原虚拟现实技术概述课件虚拟现实技术概述课件如果能够左右两只眼睛从显示器屏幕上看到两副具有视差的有区别的画面，反映到大脑，就会产生立体感。立体显示设备就是为了实现这样的一个过程。如果能够左右两只眼睛从显示器屏幕上看到两副具有视差的有区别的首先，产生两副具有视差的画面真实场景：用两架照相机相距一定的距离同时拍摄即可得到具有视差的两副画面；3D游戏：通过计算来得到具有视差的两副画面。然后：在显示器上显示出来最后：让左眼只看到左眼的画面，右眼只看到右眼的画面首先，产生两副具有视差的画面立体图的绘制对同一场景用左右两个视点分别计算其透视图，产生两幅具有一定视差的图象；在虚拟环境中，用户的视场在水平方向至少要有110度，垂直方向60度，还要有不小于30度的双目立体重叠立体图的绘制立体图象的显示：1、同时显示左右两幅图象称为同时显示技术（time-parallel），是对两幅图象用不同的光波长显示，用户的眼睛片分别配以相应的滤波片，使双眼只能看到相应的图象；此技术在20世纪50年代被广泛应用于立体电影放映中；立体图象的显示：立体图象的显示：2、以一定的频率交替显示两幅图象

称为分时显示技术（time-multiplexed），两幅图象的交替频率通常为30Hz；同时为了保证每只眼睛只能看到各自相应的图象，用户通过以相同频率同步切换的立体眼镜来观察图象；立体图象的显示：应用现代计算机图形学和可视化领域中使用光栅显示器，光栅显示器的显示方式和显示内容是无关的；分时显示技术能够容易地通过光栅显示技术来实现，所以在立体图的显示中占据了主导地位。应用（2）常用立体显示器立体眼镜HMDBOOM立体投影显示3D显示器（2）常用立体显示器立体眼镜立体眼镜：保证用户左右眼只能看到对应的左右视图；包括：主动立体眼镜（有源立体眼镜）被动立体眼镜（无源立体眼睛）——立体眼镜立体眼镜：保证用户左右眼只能看到对应的左右视图；——立体眼镜立体眼镜立体眼镜主动（有源）立体眼镜镜框上装有电池及液晶调制器控制的镜片；立体监视器配有红外线发射器，根据监视器显示左右眼视图的频率发射红外控制信号；眼镜的液晶调制器接收红外控制信号主动（有源）立体眼镜眼镜接到红外控制信号后，调制镜片上液晶的通断状态，即控制左右镜片的透明和不透明状态；如监视器显示左眼视图，发射红外信号使右眼镜片处于不透明状态，左眼处于透明状态，这样轮流切换；图象效果好，但价格昂贵；眼镜接到红外控制信号后，调制镜片上液晶的通断状态，即控制左右被动（无源）立体眼镜根据光的偏震原理设计，左右镜片是两片正交的偏震滤光片，分别只允许一个方向的偏震光通过监视器显示屏前装一同样大小的液晶立体调制器被动（无源）立体眼镜显示器的左右眼视图经液晶立体调制器形成左偏震光和右偏震光，分别透过左右镜片，使左眼只能看到左视图，右眼只能看到右视图；无源立体眼镜价格低廉，无须红外发射器；显示器的左右眼视图经液晶立体调制器形成左偏震光和右偏震光，分——头盔式立体显示器（HMD）——头盔式立体显示器（HMD）头盔式立体显示器是VR普遍采用的立体显示器是安装在头盔上的显示装置，头盔显示器戴在头部，用机械方法固定，头盔显示器与头之间不能有相对运动；头盔式立体显示器是VR普遍采用的立体显示器头盔式立体显示器（HMD）头盔上装有位置跟踪器，可实时测出头部的位置和朝向，并输入计算机；计算机根据这些数据生成反映当前位置和朝向的场景图象并显示在头盔显示器的屏幕上；头盔式立体显示器（HMD）用户只能看到计算机生成的虚拟世界，看不到其所处的现实世界，从而获得沉浸感；头盔显示器的显示屏不透明，距离人眼很近，需用专用的光学系统（LEEP系统）使人眼能聚焦在如此近的距离又不易疲劳；用户只能看到计算机生成的虚拟世界，看不到其所处的现实世界，从三维空间传感器HMD三维空间