虚拟现实的硬件与软件基础

第二章虚拟现实的硬件与软件基础高性能计算机；广角（宽视野）的立体显示设备；观察者（头、眼）的跟踪设备；人体姿势的跟踪设备；立体声；触觉、力觉反馈；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，必须使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，也要使计算机能反馈信息给用户。今天的VR外部设备在功能和目的上各不相同。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；视觉反馈发送给立体显示器；虚拟声音由3-D声音生成器计算；观察方向随跟踪球和操纵杆改变等。

虚拟现实应用系统的特点：具有灵活性、可移植性与实时交互的特性。本章内容：将描述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。

2.2VR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要处理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核心、将多种I/O交互设备协调组合在一起的硬件平台，是VR系统集成的关键技术。计算机系统的作用：实时处理、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）要保障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交互设备之间的工作，以确保系统整体运行的性能。

目前虚拟现实的计算机系统可以是PC机、工作站和超级计算机等，而且多数情况下都采用多种机，并以各种方式连接。

PC机和工作站的比较：

（1）PC机一般只能用于低档的VR系统，这主要是因为与工作站和超级计算机相比，它的图形和声音处理功能都是有限的。

（2）工作站专门用于虚拟现实系统中，它具有多个处理器，以便进一步增强整体系统结构，其中有的系统可以允许一百多个处理器同时运行一个程序，从而使VR系统的性能达到最佳。虚拟现实的集成系统:是指在工作站或者PC机上工作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，虚拟世界可被创造、仿真和可视，还能通过这些集成设备获得浸入式体验。下面以VIEW（VirtualInterfaceEnvironmentWorkstation）为例，介绍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HP900／835为主，图形处理采用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使用者手部的位置，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线（头部位姿）变化；头盔上有一个麦克风以便作语音识别，两个耳机进行三维声音跟踪，Convolvotron三维音频输出设备则使整个虚拟环境附有立体声音响；VPL数据手套用于识别使用者手势控制系统的行为，使操作者能够借助语音、手语（手指动作的组合姿态由数据手套Dataglove形成）与环境交互；同时还配备了BOOMCRT显示器及FakeSpace远程摄像系统。这些子系统分别提供虚拟环境所需的各种感觉通道的识别和控制功能。使用者“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应用系统的研发提供了一个方便。

VIEW系统统的的应应用用：：远程程机机器器人人控控制制，，复复杂杂信信息息管管理理及及人人类类诸诸因因素素的的研研究究。。目目前前大大多多数数虚虚拟拟现现实实系系统统的的硬硬件件体体系系结结构构都都由由VIEW发展展而而来来。。同同时时，，这这种种以以基基于于LCD的头头盔盔显显示示器器、、数数据据手手套套及及头头部部跟跟踪踪器器为为特特征征的的硬硬件件体体系系结结构构也也己己成成为为当当今今虚虚拟拟现现实实系系统统的的主主流流。。2.3VR的三三维维跟跟踪踪传传感感设设备备三维维交交互互设设备备的的作作用用：：把各各种种信信息息输输入入计计算算机机，，并并向向用用户户提提供供相相应应的的反反馈馈，，它它们们是是使使参参与与者者能能以以人人类类自自然然技技能能与与虚虚拟拟环环境境交交互互的的必必要要工工具具。。三维维交交互互设设备备的的分分类类：：根据据传传感感渠渠道道以以及及在在功功能能和和目目的的上上的的不不同同，，虚虚拟拟现现实实系系统统的的三三维维交交互互设设备备主主要要被被分分为为三三维维跟跟踪踪传传感感设设备备，，立立体体显显示示设设备备、、手手数数字字化化设设备备、、声声音音设设备备以以及及系系统统集集成成设设备备等等几几大大类类。。虚拟拟现现实实技技术术是是在在三三维维空空间间中中与与人人交交互互的的技技术术，，为为了了能能及及时时、、准准确确地地获获取取人人的的动动作作信信息息，，需需要要有有各各类类高高精精度度、、高高可可靠靠的的跟跟踪踪定定位位设设备备。。传感感器器技技术术，，它它是是VR系统统中中实实现现人人机机之之间间沟沟通通的的极极其其重重要要的的通通信信手手段段，，是是实实时时处处理理的的关关键键技技术术。。目前前虚虚拟拟现现实实系系统统使使用用的的仍仍是是多多年年来来的的常常用用方方法法，，其其典典型型的的工工作作方方式式是是，，固固定定发发射射器器发发射射出出电电磁磁信信号号，，该该信信号号被被附附在在用户户头头上上的的机机动动传传感感器器截截获获，，传传感感器器接接收收到到这这些些信信号号后后进进行行解解码码，，确确定定发发射射器器与与接接收收器器之之间间的的相相对对位位置置及及方方位位，，信信号号随随后后传传输输到到时时间间运运行行系系统统进进而而传传给给三三维维图图形形环环境境处处理理系系统统。。电磁磁波波跟跟踪踪器器原理理：：它使使用用一一个个信信号号发发生生器器（（3个个正正交交线线圈圈组组））产产生生低低频频电电磁磁场场，，然然后后由由放放置置于于接接收收器器中中的的另另外外三三组组正正交交线线圈圈组组负负责责接接收收，，通通过过获获得得的的感感生生电电流流和和磁磁场场场场强强的的9个个数数据据来来计计算算被被跟跟踪踪物物体体的的位位置置和和方方向向（（如如图图））。。特点点：：体积积小小、、价价格格便便宜宜、、用用户户运运动动自自由由，，而而且且敏敏感感性性不不依依赖赖于于跟跟踪踪方方位位，，但但是是其其系系统统延延迟迟较较长长，，跟跟踪踪范范围围小小，，且且准准确确度度容容易易受受环环境境中中大大的的金金属属物物体体或或其其他他磁磁场场的的影影响响。。常用用电电磁磁波波跟跟踪踪器器多数数电电磁磁波波跟跟踪踪器器采采用用交交流流磁磁场场（（如如Polhemus的跟跟踪踪器器）），，但但也也有有的的采采用用直直流流磁磁场场（（如如Ascension的跟跟踪踪器器））交变变电电磁磁跟跟踪踪系系统统对传传感感器器或或接接收收器器附附近近的的电电磁磁体体较较为为敏敏感感，，它它会会因因为为周周围围环环境境中中的的金金属属或或铁铁磁磁性性物物质质而而产产生生涡涡旋旋电电流流和和干干扰扰性性次次磁磁场场，，从从而而导导致致信信号号发发生生畸畸变变，，跟跟踪踪精精度度降降低低。。直流流电电磁磁跟跟踪踪系系统统只是是在在测测量量开开始始时时产产生生涡涡旋旋电电流流而而在在稳稳定定状状态态下下衰衰减减为为零零，，这这就就减减少少了了畸畸变变磁磁场场的的产产生生率率，，使使跟跟踪踪精精确确度度大大大大提提高高。。且且能能够够保保证证在在较较大大操操作作范范围围内内的的高高灵灵敏敏度度。。超声声波波跟跟踪踪器器工作作原原理理：：发射射器器发发出出高高频频超超声声波波脉脉冲冲（（频频率率20kHz以上上））后后，，由由接接收收器器计计算算收收到到信信号号的的时时间间差差、、相相位位差差或或声声压压差差等等，，就就可可以以跟跟踪踪物物体体的的距距离离和和方方位位了了。。特点点：：性能能适适中中，，成成本本低低廉廉，，而而且且不不会会受受外外部部磁磁场场和和大大块块金金属属物物质质的的干干扰扰，，敏敏感感性性却却容容易易受受接接收收器器的的方方位位和和空空气气密密度度的的影影响响。。分类类：：按照照测测量量方方法法的的不不同同，，分分为为飞飞行行时时间间测测量量法和和相相位位相相干干测测量量法法。。声波波飞飞行行时时间间跟跟踪踪的的原原理理：：通过过测测量量声声波波的的飞飞行行时时间间延延迟迟来来确确定定距距离离的的。。它它同同时时使使用用多多个个发发射射器器和和接接收收器器，，以以便便获获得得一一系系列列的的距距离离量量，，从从而而计计算算出出准准确确的的位位置置和和方方向向。。声波波飞飞行行时时间间跟跟踪踪的的特特点点：：具有有较较好好的的精精确确度度和和响响应应性性；；易易受受到到外外界界噪噪音音脉脉冲冲的的干干扰扰，，同同时时数数据据传传输输率率还还会会随随着着监监测测范范围围的的扩扩大大而而降降低低，，适适用用于于小小范范围围内内的的操操作作环环境境。。相位位相相干干跟跟踪踪的的原原理理：：通过过比比较较基基准准信信号号和和传传感感器器监监测测到到的的发发射射信信号号之之间间的的相相位位差差来来确确定定距距离离的的。。相位位相相干干跟跟踪踪的的特特点点：：具有有较较高高的的数数据据传传输输率率、、可可保保证证系系统统监监测测的的精精度度、、响响应应性性以以及及耐耐久久性性等等，，而而不不受受到到外外界界噪噪声声的的干干扰扰。。光学学跟跟踪踪器器光学学跟跟踪踪器器可可以以使使用用自自然然光光、、激激光光或或红红外外线线等等作作为为光光源源，，但但为为避避免免干干扰扰用用户户的的观观察察视视线线，，目目前前多多采采用用红红外外线线方方式式。。优点点：：可工工作作范范围围较较小小、、其其数数据据处处理理速速度度、、响响应应性性都都非非常常好好，，适适用用于于头头部部活活动动范范围围相相当当受受限限但但要要求求具具有有较较高高刷刷新新率率和和精精确确率率的的实实时时应应用用。。光学学跟跟踪踪传传感感器器结结构构的的实实现现方方法法通通常常有有两两种种：：“由外向向内”方式和“由内向向外”方式。“由外向向内”方方式特点点和原理理：传感器是是固定的的，发射射器是可可移动的的。它通通常是利利用置于于已知位位置的多多台照相相机或摄摄像机，，追踪放放置在被被监测物物体表面面的红外外线发光光二极管管的位置置，并通通过观察察多个目目标来计计算它的的方位。。“由外向向内”方方式不足足：这类光学学跟踪器器采用了了昂贵的的信号处处理器硬硬件，因因此它主主要用于于飞机座座舱模拟拟。“由内向向外”方方式特点点和原理理：发射器是是固定的的，而传传感器是是可移动动的。由由于在此此种方式式中，多多个传感感器可以以由一组组发射器器支持，，因而在在定点传传送系统统跟踪多多个目标标的时候候，具有有比“由由外向内内”方式式更优秀秀的性能能。其他空间间跟踪系系统1.机机械跟踪踪器：：通常把参参考点和和跟踪体体直接通通过连杆杆装置相相连。它它采用钢钢体框架架，一方方面可以以支撑观观察设备备，另一一方面可可以测量量跟踪体体的位置置和方位位。这种跟踪踪器的精精度和响响应性适适中，不不受电磁磁场的影影响，但但活动范范围十分分有限，，而且对对用户有有一定的的机械束束缚。2.惯惯性跟踪踪器：：惯性跟踪踪器也是是采用机机械方法法，其原原理是利利用小型型陀螺仪仪测量被被监测物物在其倾倾角、偏偏角和转转角方面面的数据据。它不不是一种种六自由由度的设设备，但但在不需需要位置置信息的的场合还还是十分分有用的的。3.图图像提取取跟踪器器：原理:由由一组（（两台或或两台以以上）视视频摄像像机拍摄摄人及其其动作，，然后通通过图像像处理技技术的运运算和分分析来确确定人的的位置及及动作。。优点:作作为一种种高级的的采样识识别技术术，图像像提取跟跟踪设备备的计算算密度高高，又不不会受附附近的磁磁场或金金属物质质的影响响，而且且对用户户没有运运动约束束，因而而在使用用上具有有极大的的方便。。缺点:由由于图像像提取跟跟踪设备备是通过过比较已已知的采采样位置置和传感感的采样样来确定定位置的的，因而而对监测测物体的的距离和和监测环环境的灯灯光照明明系统要要求较高高，通常常远距离离的物体体或过强强、过弱弱的照明明都会降降低采样样识别系系统的精精确度。。另外，，较少数数量的摄摄像机可可能使监监测环境境中的物物体（包括括参与者者）出现现在摄像像机视野野中被屏屏蔽的现现象，而而较多数数量的摄摄像机又又会增加加采样识识别算法法的复杂杂度和系系统冗余余度。对跟踪传传感设备备的评价价跟踪装置置的性能能指标主主要包括括：（1）等等待时间间（即延延迟）指从采样样开始到到数据可可以处理理之前的的时间间间隔；我我们要求求跟踪设设备的系系统延迟迟应足够够短，因因为长延延迟会影影响沉浸浸效果。。（2）位位置精度度即实际位位置与测测量位置置之间的的偏差；；偏差越越小，随随着用户户动作产产生的模模拟效果果就越好好。（3）分分辨率即设备能能检测到到的最小小位移；；另外还有有取样率率、运行行约束、、环境隔隔离要求求等指标标。表3种种常用跟跟踪技术术的主要要性能指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30ms4～5m光学2rnrn0.02mm1rnrn＜1ms4～8m（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30ms4～5m光学2rnrn0.02mm1rnrn＜1ms4～8m（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30ms4～5m光学2rnrn0.02mm1rnrn＜1ms4～8m（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30ms4～5m3光学2mm0.02mm1mm＜1ms4～8m3（可扩展至14m3）2.4VR的立体显显示设备备对虚拟世世界的沉沉浸感主主要依赖赖于人类类的视觉觉感知。。人眼立体体视觉效效应的原原理:当人在现现实生活活中观察察物体时时，双眼眼之间6～7cm的距离（（瞳距））会使左左、右眼眼分别产产生一个个稍有不不同的图图像（即即体视差差），我我们的大大脑通过过分析后后会把这这两幅图图像融合合为一幅幅画面，，并由此此获得距距离和深深度的感感觉。比较常用用的显示示设备主主要有立立体眼镜镜、头盔盔显示器器、双目目全方位位显示器器以及大大屏幕立立体投影影等。头盔显示示器（Head一Mounted3DDisplay，HMD）HMD是专为用用户提供供虚拟现现实中立立体景物物的显示示器。HMD的工作原原理：它通常常被固定定在用户户的头部部，由两两个LCD或CRT显示器分分别向两两只眼睛睛提供图图像，这这两个显显示屏中中的图像像由计算算机分别别驱动，屏上上的两幅幅图像存存在着细细小的差差别，类类似于““双眼视视差”，，大脑将将融合这这两个视视差图像像以获得得深度感感知。HMD的特点：：它可以使使参与者者暂时与与真实世世界隔离离开，而而处于完完全沉浸浸状态。双眼局部部重叠的的头盔显显示器光光学模型型安装在头头盔上的的显示器器可以包包括：阴阴极射线线管（CRT））、液晶显示示（LCD））、发光二极极管（LED））、荧光管、、液晶开开关显示示器以及及微机械械硅显示示器等多多种显示示技术。。现阶段段最为常常用的是是CRT和LCD两种，其其中，CRT显示器具具有较高高分辨率率，而LCD显示器具具有较好好的亮度度，预计计微机械械硅显示示器将成成为今后后新型HMD显示部件件的发展展主流。。与立体眼眼镜等显显示设备备相比，，头盔显显示器虽虽然价格格昂贵，，但却具具有较好好的沉浸浸感，而而且用户户的走动动自由。。当然，，它也存存在着诸诸如约束束感较强强、LCD的分辨率率偏低，，失真较较大等问问题。衡量头盔盔显示器器性能的的规格参参数及其其含义：：（1）逼逼真的立立体视觉觉（双眼眼视觉））“逼真””指所看到到的景象象中的所所有点的的方位角角和俯仰仰角与原原始图像像中的对对应点都都一样。。“逼真的的立体视视觉”要求两眼眼所看到到的两幅幅图像同同时符合合“逼真真”这个个条件。。（2）视视场视场即人眼能能够看到到的视觉觉范围的的大小，，它对VR系统的影影响包括括两个方方面：总总视场角角和视场场重叠角角。视场是沉沉浸感的的关键因因素，是是衡量光光学系统统性能好好坏的主主要参数数。衡量头盔盔显示器器性能的的规格参参数及其其含义（3）分分辨率人眼在视视网膜中中心部分分的分辨辨率较高高，大约约为1弧分左右右，而随随着距离离中心点点越来越越远，其其分辨率率也会越越来越低低。（4）透透射率头盔显示示器又可可以分为为“看穿穿”式和和非“看看穿”式式两种。。戴上“看看穿”式式显示器器，用户户可以同同时看到到计算机机产生的的图像和和真实的的外部景景象。戴上非““看穿””式显示示器时，，用户就就只能看看到由计计算机生生成的图图像了。。衡量头盔盔显示器器性能的的规格参参数及其其含义(5)重重叠率双眼图像像重叠在在一起的的部分，，我们称称之为双双目重叠叠区。局部重叠叠式头盔盔显示器器可以在在不降低低分辨率率的前提提下，提提供更宽宽的视场场。衡量头盔盔显示器器性能的的规格参参数及其其含义（6）重重量理想的头头盔显示示器不但但应保证证前后两两部分保保持平衡衡（不要要前重后后轻），，而且其其重量应应该是和和一副眼眼镜差不不多，这这样可以以尽量减减少使用用者的疲疲劳和不不适感。。（7）人的因因素决定头盔显示示器性能的很很多参数之间间是存在相互互制约关系的的。在设计和和购买头盔显显示器时，一一定要将硬件件的规格和参参数、系统自自身的应用需需求以及造价价成本等多方方面因素予以以综合考虑，，选择适当的的产品。双目全方位显显示器(BOOM）BOOM（Binocu1arOmniorientationMonitor）是一种可移动动式显示器。。BOOM的特点：有两个互相垂垂直的机械臂臂支撑、有实实时的观测和和交互能力。。BOOM的优点：分辨率高于HMD，且图像柔和；；系统延迟迟小，且不受受磁场和超声声波背景噪音音的影响；应应用方便灵活活。BOOM的缺点：使使用者的运运动受限，这这是因为在工工作空间中心心的支撑架造造成了“死区区”，因此BOOM的工作区要去去除中心大约约0.5m2的空间范围。。CRT终端——液晶晶光闸眼镜工作原理：由计算机分别别产生左、右右眼的两幅图图像，经过合合成处理后，，采用分时交交替的方法显显示于CRT终端上。用户户则佩带一副副与计算机相相连的液晶光光闸眼镜，眼眼镜的左、右右镜片在驱动动电信号的作作用下，将以以与图像显示示同步的速率率交替“开””（透光）、、“闭”（遮遮光），即当当计算机显示示左眼图像时时，右眼透镜镜将被遮闭，，而当计算机机显示右眼图图像时，左眼眼透镜则被遮遮闭。这样做做可以让用户户的左、右眼眼分别只看到到相应的左、、右图像。根根据双目视差差与深度距离离的正比关系系，人的视觉觉生理系统就就可以自动将将这两幅视差差图像融合成成一个立体视视像了。CRT终端液晶光闸闸眼镜的优缺缺点：相对于头盔显显示器或BOOM而言，液晶光光闸眼镜是一一种非常廉价价的立体显示示设备。它极极其短促的光光栅开／关时时间和监视器器的高刷新率率形成了无闪闪烁图像，使使得这种图像像比基于LCD的头盔显示器器要清晰得多多，而且长时时间观察也不不会令人疲倦倦。同时，立立体眼镜重量量轻，使用舒舒适，其操作作范围最远可可离监视器6m，但是，由于光光栅过滤器泄泄漏一部分光光，所以使用用者看到的图图像亮度不如如普通屏幕好好，且由于使使用者没有与与显示器相联联，无法感觉觉到是被虚拟拟世界包围，，因而沉浸感感较差，通常常只在桌面式式VR系统或一些多多用户的环境境下应用，例例如科学可视视化和极细微微的外科手术术等。大屏幕投影———液晶光闸闸眼镜将CRT终端显示改为为大屏幕投影影显示就得大大屏幕投影液液晶光闸眼镜镜。用于投影的CRT或数字投影机机要求具有极极高的亮度和和分辨率，它它适合于在较较大的视野内内产生投影图图像的应用需需求。美国芝加哥大大学研制的CAVE系统，构造了了一个由4面投影屏幕形形成的立方体体虚拟环境，，又叫“洞穴穴”。各屏幕幕（背投式））同时显示从从某一固定观观察点看到的的所有视像，，由此提供一一种全景式的的环境。该系系统需要复杂杂而昂贵的计计算机投影控控制系统：它它通常采用球球面大屏幕，，投影机位于于球心，具有有与双摄像机机立体观察器器相同的俯仰仰和偏转两个个位置，并始始终保持以观观察者为正前前方在球屏上上相应移动，，从而形成一一定的视景环环绕感。大屏幕投影——（液晶光闸闸眼镜）显示示2.5手数字化设备备一般的跟踪、、探测设备都都具有简单、、紧凑和易于于操作等优点点，但由于它它们自身构造造的限制，使使操作者手的的活动自由度度仅限于在桌桌上的一个小小区域中，减减弱了它与虚虚拟世界交互互作用的直观观性。VR技术的一项重重大突破就是是用手来代替替键盘、鼠标标，作为人与与计算机交互互的一种重要要手段。借助助各种专用的的手数字化设设备，操作者者不但可以获获得大范围的的基于手势的的交互操作，，同时通过感感知单个手指指的运动还可可以增加人在在虚拟空间中中的自由度和和灵活性。VPL数据手套数据手套的由由来：最早的传感感手套是由VPL公司开发的，，叫做DataGlove，所以通常又把把传感手套叫叫做数据手套套。数据手套由很轻的弹性性材料构成，，紧贴在手上上。该系统包包括位置/方方向传感器和和沿每个手指指背部安装的的一组有保护护套的光纤导导线，它们检检测手指和手手的运动。DataGlove的工作原理：作为传感器的的光纤可以测量每个个手指的弯曲曲和伸展；磁性的位置/方向传传感器则如同电磁跟跟踪器一样，，这种传感器器测量手的绝绝对位置（x，y，z）和三个转角方方向（转动、、俯仰、摇摆摆）。具体：作为传传感器的光纤纤可以测量每每个手指的弯弯曲和伸展。。每条光纤从从控制器的线线路板引出，，经过一长段段软管到达手手套上的腕部部固定器。从从这里，光纤纤导线延伸到到手指上，经经过手指的关关节，然后回回到腕部固定定器和控制器器。在控制器内部部，每根光纤纤导线的一端端配备一个发发光二极管，，而其另一端端连接一个光光传感器。控控制单元把从从光传感器那那里接收到的的能量转变成成电信号。当当弯曲手指时时，发光二极极管的光经过过光纤导线从从导线保护套套的裂缝或切切口逸出。关关节越弯曲，，光纤逸出越越多，到达光光传感器的光光越少。光量量的多少就反反映了手指的的弯曲程度。。计算机根据光光电信号数据据算出手指和和关节弯曲的的程度。每个个手指最少有有两条光纤导导线，一条检检测手指下部部关节，另一一条检测手指指中间关节。。因为拇指只只有两个关节节，大拇指上上仅有一条光光纤导线。为为了增加检测测的准确度，，每个手指上上可再增加一一条或几条光光纤导线。但但不论添加多多少光纤导线线，这种方法法只能测量手手指的活动。。在DataGlove中，第二个测测量仪器是一一个磁性的位位置/方向传传感器，如同同在前面的电电磁跟踪器一一样，这种传传感器测量手手的绝对位置置（x，y，z））和三个转角方方向（转动、、俯仰、摇摆摆）。这两种种方法的结合合使计算机能能够跟踪手所所作出的任何何动作。DataGlove的运用：数据手套由主主机通过25条指令集进行行控制，测量量十个关节（（五个和手掌掌相连的指骨骨、一个大拇拇指关节和四四个其他指骨骨关节），并并有附加的传传感器来测量量外展肌和小小关节。数据据记录则以30～60Hz的速率传送。。数据手套有大、中、小小三种型号的的手套。当安安装不正确的的手套时需要要频繁地重新新校正尺寸。。用同步命令可可以使用左、、右手套。当当两个跟踪系系统被同时使使用时，我们们就不得不对对各自的传输输器进行改进进。PowerGlove手控器PowerGlove手控器是Mattel为家庭视频游游戏市场而设设计的，一般般用于游戏机机，现已停产产。其性能比比用于其他行行业的同类产产品要低得多多。PowerGlove使用基于有一一恒定弹力塑塑料的张力测测量仪（Amtec公司生产这种种包有0.6mm特殊配方油墨墨的聚酯条透透明物质）。。PowerGlove的原理：手是由安装装在手套背部部的超声发生生器来定位的的，它发出的的超声波由三三个超声波接接收器轮流接接收，并测得得接收时间，，最大测量范范围是1.524m。PowerGlove的特点：在手套上安安装一个控制制板，板上有有“开始”及及四个方向键键。CyberGloveCyberGlove是由Virtex（VirtualTechnologies）公司开发的，，是CyberCAD虚拟设计环境境中虚拟技术术一个理想的的接口设备，，可被广泛应应用来创建、、终止、定位位三维物体。。CyberGlove具有22个传传感器，每个个手指有三个个弯曲传感器器和一个外展展肌传感器。。它是一种高高精度设备，，能够提供准准确而连续的的输出。CyberGlove的特点：（1）传感器输出仅仅依赖手指关关节的角度，，而与关节的的突出无关，，因此每次戴戴手套时，校校正数据均不不变。（2））传感器输出出和弯曲角度度成线性关系系，因此对于于关节弯曲极极点，分辨率率不会下降。。几种常见的数数据手套三三维鼠标标普通的鼠标只只能感受在平平面的运动，，而立体鼠标标能够感受用用户在六个自自由度的运动动，包括三个个平移参数和和三个旋转参参数。立体鼠标称为为spacemouse，如3Space公司的Spaceball，也有人把它称称为cubicmouse。下面介绍几种种简单的三维维鼠标：三维鼠标三维鼠标2.6其他交互设备备触触摸和力力反馈装置（Touch/ForceFeedback））问题的提出在VR系统中，能否否让用户产生生“沉浸”效效果的关键因因素之一是用用户能否用他他／她的手或或身体的其他他部分去操作作虚拟物体，，并在操作的的同时能够感感觉到虚拟物物体的反作用用力。数据手手套可以实时时的生成手与与物体接近和和远离的图像像。但是到今今天为止，商商品化的数据据手套都不提提供触觉反馈馈作用，这就很难让用用户有手真的的抓到物体和和推动物体的的感觉，于是是触摸和力反馈馈装置也就应运而生生了。触觉是人们用于感感知外部世界界的一大感觉觉通道，它由由触摸反馈感感知和力量反反馈感知两大大部分组成。。目前，已经有有相当数量的的触摸和力量反反馈装置允许用户在虚虚拟环境中与与物体接触。。1.触摸反馈装置置目前最常用的的一种模拟触触摸反馈的方方法就是使用用气压法或振动法的数据手套。。气压法是使用小空气气袋作为传感感装置。在手套上有20～30个个空气袋放在在对应的位置置，当发生虚虚拟触摸时，，这些小型气气袋能够通过过空气压缩泵泵的充气和放放气而被迅速速地加压或减减压。同时，，由计算机中中存储的相关关力模式数据据来决定各个个气袋在不同同状态下的气气压值，以再再现触碰物体体时手的各个个部位的触觉觉感受及其受受力情况。振动法是用小振动换换能器实现的的。换能器通通常是利用状状态记忆合金金制成的，当当电流通过这这些换能器时时，它们就会会发生形变和和弯曲。我们们可以根据需需要把换能器器做成各种形形状后，安装装在皮肤表面面的各个位置置上。利用高高性能的换能能器有可能产产生对虚拟物物体的光滑度度、粗糙度的的感觉。与气袋不同的的是：换能器器几乎可以立立刻对一个控控制信号做出出反应，这使使得它们适合合于产生不连连续、快速的的感觉。而气气袋产生的力力反馈比状态态记忆合金要要慢些、强些些，更适合表表现一些缓慢慢、柔和的力力。2.力量反馈装装置力量反馈装装置的意义义：不但有助于于增强虚拟拟交互的逼逼真性而且且可以说有有时它也是是一种必需需的设备。。力量反馈装装置的工作作原理：通过机械或或其他动力力推动和刺刺激使用者者的手，腕腕、臂、肘肘、肩等部部位，使之之产生相应应的触觉感感知。力量反馈装装置的类型型：力感反馈操操纵杆、吊吊挂式机械械手臂、桌桌面式多自自由度游戏戏棒以及可可独立作用用于每个手手指的手控控力反馈装装置等。PHANTOM3.0是美国SensAble公司研制开开发的，是一种可编编程的、具具有触觉及及力反馈功功能的装置置。当PHANTOM的机械臂在在工作空间间中运动时时，就会在在计算机屏屏幕上出现现一个指示示针，反映映机械臂在在工作空间间中的位置置。同时，，通过碰撞撞检测等技技术探测到到指示针与与虚拟模型型接触时，，计算机会会发出信号号，告诉机机械臂接触触到了虚拟拟模型，并并将该模型型的物理性性质，如质质量、软硬硬程度、光光滑程度等等反馈给PHANTOM系统，再由由该系统产产生相应的的力传递给给操作者，，使其具有有力的感受受，从而实实现了力反反馈。PHANTOM系统可以被被方便地放放置在桌面面上，提供供最大为(40.6cmX58.4cmX83.8cm)范围的工作作空间，并并提供六自自由度的触触摸和力量量反馈，从从而在用户户手部产生生＜150g的平移或扭扭转力量。。另外，它它还具有0.02mm的位置分辨辨率。PHANTOM系统的特点点：设备安装简简单、使用用轻便灵巧巧，且不会会因自身重重量等问题题而让用户户在使用中中产生疲倦倦甚至疼痛痛的感觉。。数据衣（DataSuit）数据衣服是是利用数据据手套的原原理研制成成的。数据衣服的的原理：将大量的光光纤安装在在一个紧身身衣服上，，可以根据据需要检测测出人的四四肢、腰部部的活动以以及各关节节（如腕关关节、肘关关节）的弯弯曲角度，，然后用计计算机重建建出图像。。三维扫描仪仪（3DHandheldLaserScanner）三维扫描仪仪的功能是根根据扫描真真实模型外外观特征，，建造出该该物体对应应的计算机机模型。工作原理是是：由三维扫描描仪向物体体发射一束束激光。然然后通过操操作杆上的的摄像机从从每个角度度考察并记记录下物体体各截面的的轮廓信息息。与此同同时，安装装在操作杆杆前端的高高性能传感感跟踪器也也将同步地地记录下三三维扫描仪仪在位置及及方向上的的变换信息息。所有这这些数据都都将传送给给与之相连连的计算机机，再由相相应软件做做进一步处处理后，该该物体对应应的计算机机三维模型型就显示在在我们面前前了。三维扫描仪仪的特点：：建模过程快快速、精确确、方便，，它可以达达到（0.23mm～0.43mm）的高精度和和1,000点／秒的快快速取样速速度，用户户只要描出出模型的轮轮廓，就能能在几分钟钟内获得复复杂的3D数据，并在在现在当今今流行的多多种图形图图像处理软软件中（如如3DStudioMAX、Maya等）呈现出出来。三维扫描仪仪的应用：：它提供了一种种最迅速、、便捷的3D建模方法。。三维扫描描仪可以描描绘出任何何形状。对对于那些非非金属、不不透明物体体的处理效效果较为理理想。图三维扫描仪仪的使用与与效果2.7VR的声音系统统——3D声音生成器器“3D声音”并非非立体声，，3D声音是指由计算算机生成的的、能由人人工设定声声源在空间间中三维位位置的一种种声音。3D声音生成器器是利用人类类定位声音音的特点生生成出3D声音的一套套软硬件系系统。人类进行声声音的定位位依据两个个要素：两耳时间间差（ITD）和两耳强度度差（IID）。。3D声音的产生过程程：试验人员位位于一个圆圆顶房子内内，在房间间内放置特特定空间位位置的声源源。微小的的麦克风放放置在试验验人员的耳耳朵内，接接近于中耳耳。然后，，把声源依依次打开，，并存储和和数字化麦麦克风输出出。例如，，当说话者者到达听众众的左边发发出声音时时，声音将将首先到达达左耳，并并且比右耳耳有更大的的强度。使使用Fourier变换器可以以计算麦克克风输出的的频率响应应，以及相相应的HRTF系数（用来来模拟人耳耳对声音不不同频段的的反射作用用），我们们便能把该该声音虚拟拟地定位在在空间的任任何位置。。2.7.13D声音定位系系统早期的环境音系统统未考虑人头头的自由运运动，因而而人头不得得不保持固固定的位置置。虚拟头录制制系统合理地引进进了环境音音的效果。。许多影片片是通过一一个环境音音道录制的的。具有数数字信号处处理器的精精确的头跟踪系统统的出现实现现了真正的的3D声音定位。。最先商用的的3D声音定位器器是由NASAAmesRiverEngineeringInc公司生产的的，它是根根据NASAAmesResearchCenter的需要而设设计和提供供的。VPL公司以Audiosphere命名注册了了称为Convolvotron的CrystalRiver的3D定位器。2.7.2声学学硬件CRE（CrystalRiverEngineering）公司以其Convolvotron、Beachtron、Acoustetron及Alphatron产品提供三三维声音的的专家级支支持。Convolvotron是一数字式式有频信号号处理系统统。Beachtron可产生两路路独立的虚虚拟声源，，刷新频率率为22Hz，HRTF只提供每耳耳75系统。Acoustetron为集成的三三维音频工工作站，包包括Convolvotron及Beachtron处理器。Alphatron为较新产品品。它采用用了每耳256系统统的HRTF。。两声道同时时工作时刷刷新频率为为44Hz，平均延时23ms。2.8VR软件工具集集虚拟现实系系统是一个个将各种先先进的硬件件技术和软软件技术集集合在一起起的、极其其复杂的系系统。虚拟现实工工具集是根据现实实需要而产产生的，它它们主要用用于提供支支持虚拟交交互，动画画和物理仿仿真等的控控制语言，，同时，这这些工具集集通常都是是与硬件无无关的，也也就是说，，它们具有有相当的普普遍性，可可以应用在在不同的硬硬件配置环环境中，从从而为开发广泛泛的虚拟现现实应用系系统提供了了一致的软软件环境。。2.8.1WorldToolKit（WTK）WorldToolKit（WTK）是由美国Sense8公司开发的的虚拟环境境应用工具具软件。从底层看，，WTK是由几百个个C语言函数组组成的软件件包。对用户来说说，WTK提供了一个个完整的用用于生成虚虚拟环境的的应用开发发工具。它它可以不依依赖于硬件件环境而运运行在从pc机到SGI工作站的各各种机器上上，并且支支持一系列列虚拟环境境的外围设设备。用户可以利利用WTK开发VR的应用系统统，它们通通常由主机机、WTK库、C语言编译库库、3D造型软件包包、图像捕捕获硬件／／软件，以以及诸如paintBox的位图编辑辑软件等部部件组成。。WTK的典型程序序包含一个个初始化阶阶段和一个个仿真阶段段。初始化化包括建立立交互跟踪踪传感器、、标识物体体、配置照照明、初始始化视点等等；仿真循循环可以执执行一次或或多次，每每次循环负负责完成与与虚拟现实实一次交互互。WTK仿真循环程程序流程图图：2.8.2MinimalRealityToolkit（MR）MR是由加拿大大Alberta大学的MarkGreen教授和他领领导的研究究小组开发发的虚拟环环境应用工工具软件。。它可以免免费从Alberta大学获得，，但不能用用于商业目目的。MR实质上是一一个支持虚虚拟环境开开发的子程程序库，包包括3个层次的库库函数。（1）底层层包括一组组设备支撑撑函数包，，每一函数数包支持一一种设备，，并称为一一个客户／／服务器对对。（2）MR的第二层是是一组处理理从设备获获得的数据据并将其转转换为程序序员方便使使用的格式式的库函数数。（3）最高层的库库函数为程程序员提供供了一组打打包的服务务集，它们们是基于一一般虚拟环环境系统要要求的。用VR实现的应用用中，必须须有惟一的的一个主程程序，用于于控制整个个应用系统统并负责其其他应用程程序运行的的初始化工工作。MR的应用程序序可以分为为应用配置置式、应用用计算式两两大类。应用配置部部分用于初始化化MR的工具库，，并根据用用户指定的的配置要求求处理相应应的应用配配置文件。。应用计算部部分用于完成MR应用系统指指派给程序序的任务。。MR支持各种外外围设备