虚拟现实技术课件第二章

虚拟现实技术主讲：吴慧欣第二章虚拟现实的接口设备

课前索引

第一节位姿传感器

第二节视觉显示

第三节听觉显示

第四节力觉和触觉显示

章节小结

课后习题课前索引1．位姿传感器的作用，不同的技术及其对比。2．视觉显示主要的要求，不同的技术及其对比。3．听觉显示的发声设备和声学建模的特点。4．力觉和触觉显示的技术要求及实现方法。第一节位姿传感器位姿传感器的概述位姿传感器的要求各种位姿跟踪器的比较研究要求位姿传感器的要求对位姿传感器的要求有5个：（1）3-D空间中的运动的刚体具有三个平移和三个转动平移（沿着X、Y和Z轴）转动（偏航、俯仰和滚动）（2）在物体以高速运动时，应该足够快地测出这六个数值。（3）传感器在3-D测量时不应妨碍物体运动。非接触式测量（低频磁场、超声、雷达、红外摄像和LED等）已经代替机械臂等接触式测量。（4）3-D传感器都具有一些共同的参数。例如：采样率是每秒测量次数。执行时间是在行为和结果之间的时间延迟。传感器的精度即实际位置与所测出位置的差。分辨率是传感器检测的“粒度”，即检测的最小的位置变化。位姿跟踪常用的性能参数有：精度，分辨率，采样率，执行时间，范围，工作空间，价格，障碍，方便，对模糊的敏感，容易校准，同时测量的数目，方向相对位置跟踪。（5）人体各部分之间的相对运动也应该测量。人体并非刚体。上述六个数值只能描述人体整体的运动，各个部分之间的相对运动也要测量用于位姿跟踪和映射的基本传感系统有哪些？机械链接磁传感器光传感器声传感器惯性传感器。2各种位姿跟踪器的比较3研究要求求位姿跟踪踪器要求求合适的的性能和和合理的的价格。。例如对肢肢体跟踪踪，某些些光学传感感器是精确快速速的，但对对日常应应用太贵（在5万到10万美元范范围），，特别是是为了防防止阻挡挡和增加加工作空空间而加加倍安装装时。位姿跟踪踪器必须须使用某某些校准准过程为了得到到关节角，必须须使用某某些校准准过程，，在肢体体上建立立坐标系系。此后后的关节节角计算算将接近近真实的的生物机机械角。。对整个人人体跟踪踪，工作作空间大大小是重重要问题题。应该能在在足够大的的空间跟跟踪运动动人体，并且不不会损失失分辨率率，不必必担心遮遮挡。被被跟踪的的人应能能在建筑筑中由一一个房间间走到另另一个房房间。如如果人体体所有主主要部分分都被跟跟踪，则则要求安安装某些些东西在在人体上上（反光光器，标标记，测测角器））针对性能能指标的的含义及及测量方方法之间间的不一一致性，，应该建建立标准准。测量方法法是在选选择位置置跟踪方方法时最最易混淆淆的一个个问题，，问题是是性能指指标的含含义及测测量方法法之间的的不一致致。应建建立标准准，指出出怎样测测精度、、分辨率率、等待待时间、、带宽、、敏感干干扰、和和起伏。。测量设设备应商商品化，，应建立立独立的的实验室室，使用用户不至至依赖厂厂家指标标，而是是了解真真实性能能。位姿传感感器——机械式传传感器原理机械式传传感器可可分两类类：“安在身体体上的”机械跟踪踪器中，，机械全全部安在在身上。。测角器“安在地面面上的”机械跟踪踪器中，，机械部部分安在在地面。。机械链接接测角器（（“安在在身体上上的”机机械跟踪踪器）安在身体体上的机机械链(外骨骼或或测角器器)，常用作作关节角角测量与触觉接接口结合合，可形形成力反反馈外骨骨骼它是轻便便的可移移动的，，有全范范围的运运动测量量，因为为与肢体体运动有有同样的的工作空空间。要要求使用用其它方方法跟踪踪身体运运动。测量角的的使用方方法有两两种得到关节节角得到末端端位置测角器与与关节的的校准是是困难的的，特别别是对多多自由度度关节例如：肩肩膀由于测角角器是肢肢体外部部的外骨骨骼，所所以它的的转动中中心不同同于关节节转动中中心。由由于运动动的不一一致，在在测角器器和运动动肢体之之间存在在着滑动动。人的的关节不不是完善善的铰链链关节或或球关节节，转动动轴随关关节角而而移动。。对于测角角器，必必须研究究装配和和测量的的问题例如对不不同人体体的调整整、与关关节的调调节、足足够硬的的连接、、链接与与肢体的的校准等等安在地面面上的机机械链接接作用：安在地面面上的机机械链接接主要用用于大自由度度末端跟跟踪，如头或或手的位位姿跟踪踪。它不不会引起起上述的的关节角角测量有有关的问问题。哪些问题题？要求操作作者牢固固地抓住住手操作作器，或或者要求求头盔牢牢固地缚缚在头上上。安在地面面上的机机械链接接比安在在身体上上的链接接更容易易产生力力反馈，，因为驱驱动器不不必安在在身体上上。缺点：缺点一：：安在地面面的机械械链接的的一个缺缺点是操操作者被被连在地地面，工工作空间间受到限限制。即即使希望望有较长长的机械械臂，两两段机械械手臂也也限制在在约2m。只有在在操作者者坐着不不动时，，这才是是好的方方案。缺点二：：另一个缺缺点是可可测量的的自由度度数目受受到限制制，通常常六个。。对于同同时测量量多个臂臂或测量量冗余的的链接，，这都有有问题。。例如多多手指运运动一般般不用安安在地面面的链接接。此外外，人的的手臂是是冗余的的7自由度机机构，安安在地面面的链接接不能解解决这种种冗余。。机械式传传感器的的优缺点点便宜，比比较精确确。可以以测量整整个身体体运动，，没有延延迟。可可以同时时实现力力反馈。。妨碍身体体运动。。机械式传传感器的的产品跟踪球3-D探头传感手套套数据手套套CyberGlovePowerGloveDextrousHandMaster（DHM）（灵巧巧手设备备）机械传感感器产品品一-------跟踪球范例跟踪球Dimension6，安装有传传感器的的球工作原理理它测量用户的手手施加在在弹性元元件上的的三个力力和三个个力矩。力和力力矩是基基于弹性性变形定定律间接接测量的的。球的的中心部部分是固固定的，，并有六六个发光光二极管管。相应应的六个个光敏传传感器安安装在运运动的外外部球。。当用户户在运动动球上施加力力和力力矩时时，用用六个个光敏敏传感感器的的输出出测量量三个个力和和三个个力矩矩。这些些力和和力矩矩数据经经过串串行口口送给给主计计算机机。这些些值由由软件件乘上上增益益，就就得到物物体位位置和和方向向的差差分变变化。增益益越大大，物物体的的速度度越大大，但但若主主机不不能足足够快快的更更新屏屏幕，，物体体运动动将不不平滑滑。这种方方式实实际上上是，，由用户户的手手施加加在球球上的的力和和力矩矩的大大小，，控制制虚拟拟物体体的运运动速速度和和角速速度的的大小小。跟踪球球上支支座上上有若若干按按键，，可根根据需需要安安排用用途缺点存在传感器器的耦耦合工作在在开环方方式，用户户可以以控制制物体体和环环境间间的力力，但但无反反馈跟踪球球的外外观以以及原原理图图机械传传感器器产品品二------3-D探头第一个个3-D探头的的诞生生1993年秋ImmersionCorporation推出的的“ImmersionProbe””（沉浸浸感探探头））。它它包括括一个个安装装在支支座上上的，，有传感器器的小小型机机械臂臂。这个个探头头有六六个关关节（（关节节0到关节节5）。每每个转转动关关节表表示一一个自自由度度，于于是探探头有有六个自自由度度，这允允许同同时确确定探探头尖尖端的的位置置和方方向。。工作原原理尖端相相对底底座的的位置置是通通过直直接动力学学计算，，根据据传感感器数数据（（关节节角））和机机械链链长度度得到到的。。主计计算机机上的的软件件经过过RS232接口读读取关关节传传感器器数据据，然然后利利用它它的动动力学学模型型确定定尖端端的位位置。。传感器器的分分辨率率以及及测量量速度度和精精度对探头头“Probe-IC”是0.7°，而对对探头头“Probe-IX”是0.35°°。测量量速度度可能能达到到200位置/秒，执执行时时间仅仅3毫秒。。存存在误误差的的原因因是关关节传传感器器的分分辨率率，温温度变变化和和关节节的公公差。。探头头的误误差会会由底底座到到尖端端累积积。优点它的测测量不不受磁磁场干干扰，，因为为探头头是机机械结结构。。机械传传感器器产品品三-----传感手手套提问：：跟踪球球和3-D探头的的优点点是什什么？？简单、、紧凑凑和工工作速速度快快跟踪球球和3-D探头的的缺点点是什什么？？限制了了用户户手的的运动动范围围，只只能在在桌子子上很很小的的区域域内，，手的的自然然运动动受到到影响响。我们要求虚虚拟现实的的I/O工具能处理理手在一定定空间的自自由活动，，同时通过过感觉单个个手指的运运动，得到到更多的自自由度。人的手指运运动有三类类弯曲—伸直外展—内敛前位—复位传感手套的的研究意义义？手是人与外外界进行物物理接触及及意识表达达的主要媒媒介。当人与计算算机控制系系统进行交交互操作时时,传统的输入入输出接口口设备,如键盘、鼠鼠标等只能能限制手在在桌面上或或一个小区区域内进行行简单的运运动控制,而表达意识识的大多数数手的自然然运动被牺牺牲了,妨碍了人们们对系统控控制意识表表达的全面面性与灵活活性。数据手套可可以跟踪操操作者灵活活多变的手手势及空间间方位,使操作者自自然而然地地将自己的的意识传送送至计算机机。因此数数据手套作作为一种重重要的人机机交互接口口,广泛地应用用于虚拟现现实的研究究领域中。。传感手套是为满足上上述要求而而设计的虚虚拟现实工工具。商业化的产产品有VPL公司的DataGlove数据手套，，Vertex的CyberGlove，Mattel的PowerGlove，和ExosDextrousHandMaster灵巧手设备备。工作原理它们都用传传感器测量量全部或部分分手指关节节的角度。某些传感感手套还用用3-D传感器跟踪踪用户手腕的运动。手手套的工作作区大于跟跟踪球和手手柄（探头头）的工作作区。传感手套---数据手套应用最多的的，应用最最早的传感感手套至今应用最最多的传感感手套是VPL公司的数据据手套DataGlove，它也是第第一个推向向市场的。。使用的材料料传感手套使使用光纤，，光纤安装装在轻便且且有弹性的的Lycra手套上。它它还使用Isotrack3-D位置传感器器。工作原理手指的每个个被测的关关节上都有有一个光纤维环。纤维经过过塑料附件件安装，使使之在手指指弯曲时作作小的移动动。在标准准的布局中中，每个手指背背面只安装装两个传感感器，以便测量量主要关节的的弯曲运动动。在手指关节节弯曲时，，光纤壁改改变其折射射率，于是是在手指弯弯曲处的光光线就漏出出。这样就就可能根据据返回光线线的强度间间接测出关关节角。光纤传感器器的优点是轻便和紧紧凑，用户户戴上手套套感到很舒舒适。数据手套的的校准把原始的传传感器读数数变成手指指关节角的的过程称为为手套校准准。每当开开始一次新新的仿真，，戴上数据据手套时，，都必须重重新作校准准。这是因因为不可能能知道是否否用户把手手套松紧合合适地戴在在手指上。。传感手套---CyberGlove应用时间1992年底，VPL倒闭，CyberGlove已经取代了了DataGlove工作原理每个关节的的弯曲角由一对应变变片的阻值值变化间接测量。。在手指运运动时，一一个应变片片受压，另另一个应变变片受拉。。它们的电电阻变化就就造成电桥桥上电压的变化化。手套上每每个传感器器有一个电电桥电路。。这些差分分电压由模模拟多路扫扫描器（MUX）进行多路路传输，再再放大并由由A/D转换器数字字化。数字化的电压被主主计算机采样，再经过校准程序得到关关节角度。。关节零位位的位置可可以用硬件件改变（利利用偏置电电位计），，也可以用用软件改变变（利用图图形接口））。特点把很薄的应应变电测量量片放在弹弹性的尼龙龙合成材料料上。手掌掌区不覆盖盖这种材料料，透气并允许通常常的活动，，如打字和和写字等。。很轻并容易戴戴。手套的传感感器或者是是矩形的（用于弯弯曲角），，或者是U-形的（用于外外展-内收角）。。对弯曲有有16至24个传感器（（每个手指指3个），对外外展-内收角1个传感器，，再加上拇拇指及小指指的转动，，以及手腕腕的偏转和和俯仰。传传感器的分分辨率是0.5°，并在整个个关节运动动范围内保保持不变。。还应指出出，手套使使用解耦的传感器，，使输出彼彼此无关。。Virtex还是一个小小公司。CyberGlove产品价格约约有10000美元，不包包括位置跟跟踪器和校校准源代码码。传感手套---PowerGlove特点与DataGlove和CyberGlove（价值几千千美元）比比较，PowerGlove是很便宜的产品，它它的价格只只有约50美元。在1989年大量销售售（达到4千万美元）），用于Nintendo（任天堂））的基于手手套的电子子游戏。原理为了保持低低价格，手手套设计使使用了很多多廉价的技术术。手腕位置置传感器是是超声传感器器，超声扬声声器放在PC监视器上，，而超声麦麦克风放在在手腕上。。弯曲传感感器是导电墨水传传感器。传感器包包括在支持持结构上的的两层导电电墨水。墨墨水在粘合合剂中有炭炭粒子。当当底座弯曲曲时，在弯弯曲的外侧侧的墨水就就延伸，造造成导电炭炭粒子之间间距离增加加。这使传传感器的阻阻值增加。。反之，当当墨水受压压缩时，炭炭粒子之间间距离减小小，传感器器阻值也减减小。阻值值数据经过过简单的校校准就转换换成关节角角数据。传感手套---DextrousHandMaster(灵巧手设备备)应用时间1990年Exos公司推出戴在用户手手背上的金金属外骨架架结构。工作原理每个手指有有4个传感器，，五个手指指就有20个传感器。。每个角度度由安装在在机械结构构关节上的的霍尔效应传传感器测量。特点结构设计仔仔细，使手组织织柔软性的的影响最少少。这些复杂的的机械设计计造成了高成本（至今最昂贵的传感手套套）专门设计的的夹紧弹簧簧和手指支支撑保证在在手的全部部运动范围围内设备的的紧密配合合。设备是是用可调的的Velcro带子安装在在用户手上上。附加的的支撑和可可调的杆使使之适应不不同用户手手的大小。。高传感速率率以及高传感分辨辨率DHM的传感器信信号送到信信号调节盒盒，然后以以100位置/秒的速率被被连到用户户接口的A/D转换器采样样。DHM的高传感速速率以及高高传感分辨辨率，是与与DataGlove相比的优点点。但是它它也在精度度和校准上上存在与其其它手套类类似的问题题。位姿传感器器----电磁传感器器用途电磁传感器器测量头，，手，其他他设备的位位姿。测量量三个坐标标，以及三三个姿态角角度例如测量头盔的的位姿测量手的位位姿电磁传感器器的优缺点点主要产品原理电磁传感器器包括发射器接受器接口计算机测量一个方方向的距离离为了测量在在y方向的距离离，通电流流的主动线圈发出在y方向的电磁波，在被动线圈中的感应电流，正比于主主动线圈和和被动线圈圈的距离。。由此得到到主动线圈圈和被动线线圈在y方向的距离离。在被动线线圈中的感感应电流，，还取决于于主动线圈圈和被动线线圈的交角。主动线圈圈和被动线线圈的方向向不同时，，在被动线线圈中的感感应电流会会减少。测量六个位位姿的传感感器发射器包括括三个正交的的线圈（即三个线线圈的轴线线互相垂直直，如同x，y，z坐标轴那样样）。接受受器也包括括类似的三三个正交的的线圈。改改变主动线线圈中电流流强度或定定时选通（（定时选通通表示三个个主动线圈圈轮流通电电），可以以使三个线线圈的磁场场互相隔离离。由此可可以确定姿态角和距距离造成的的感应电流流的变化。每个主动动电流产生生三个感应应电流，三三个主动电电流产生九九个感应电电流。可可以由此此九个感应电电流解算出三个个坐标，以以及三个姿姿态角度。缺点限制应用的的主要缺点点包括适中中的精度和和大的等待待时间(20－30ms)。大的等待待时间特别别难解决，，因此它限限制了在真真实交互中中的应用。。精度不能能与其它多多数方法比比较。此外外，在交流流传感器的的情况，外外部磁场的的影响使之之难以保证证其精度，，没有简单单方法确定定和补偿干干扰磁场。。电磁传感器器的优缺点点优点：电磁传感器器没有遮挡问题（接受受器与发射射器之间允允许有其他他物体）价格低（处理简单单，比光学学测量便宜宜）精度适中，，采样率高高（可达120次/秒）工作范围大大（可达60平方米），，可以用多多个磁跟踪踪器跟踪整整个身体的的运动，并并且增加跟跟踪运动的的范围。缺点：电磁传感器器可能因磁场变形引引起误差（电子设备备和铁磁材材料会使磁磁场变形，，直流电磁磁场可以用用补偿法，，交流电磁磁场不可以以用补偿法法），测量量距离加大大时误差增增加，时间延迟较大（达33毫秒），有有小的抖动。问题：为什么电磁磁传感器在在实际应用用到受到限限制？限制应用主主要因为适中的精度度和大的等待待时间(20－30ms)。大的等等待时间间特别难难解决，，精度不不能与其其它多数数方法比比较。在交流传传感器的的情况，，外部磁场场的影响响使之难以以保证其其精度，，没有简简单方法法确定和和补偿干干扰磁场场。电磁传感感器的产产品销售电磁磁传感器器的公司司Polhemus和AscensionPolhemus建立于1970年，占有有运动测测量设备备市场的的70%。主要产产品为Fasttrak。精度为为0.03英寸和0.15°，测量范范围可达达15英尺，采采样率达达120Hz（修改率率随传感感器数目目增加而而下降））。等待待时间为为20-30ms。采用交交流磁场场。有标标准串型型扣联接接计算机机。1996年价格$6,000。Ascension建立于1986年。产品品的范围围广，包包括高级级的研究究设备，，以及低低级的娱娱乐设备备。高高级的产产品为FlockofBirds。采用直直流磁场场，可以以补偿磁磁场失真真。精度度为0.1英寸和0.5°°，测量范范围可达达3-8英尺，采采样率达达144Hz（对每台台测量设设备）。。等待时时间30ms。1996年价格$2,700。低级的的产品为为AscensionSpacePad，用于游游戏。采采样率达达120Hz。1996年价格$1,000。上述两种种传感器器的对比比精度都取取决于发发射器与与接收器器的接近近程度Fasttrak利用交流磁场，邻邻近的金金属表面面上会产产生旋涡涡电流，，因而会会降低传传感器精精度。Bird传感器使使用直流磁场，因因此对周周围金属属的敏感感较少。。但是磁磁阻效果果可能改改变磁路路，因此此影响测测量位姿传感感器——超声传感感器用途超声传感感器同样样测量头头，手，，其他设设备的位位姿。测测量三个个坐标，，以及三三个姿态态角度。。工作方法法：超声传感感器包括括三个超超声发射射器的阵阵列（安安装在天天花板上上），三三个超声声接受器器（安装装在被测测物体上上），用用于启动动发射的的红外同同步信号号，以及及计算机机。测量原理理测量飞行行时间测量相位位差。产品使用超声声传感器器示意图图超声波传传感器测测量原理理----测量飞行行时间一一在测量飞飞行时间间的方式式中，各各个发射射器轮流流发出高高频的超超声波，，测量到到达各个个接受点点的飞行行时间。。由此利用用声音的的速度得得到发射射点与接接受点的的两两之之间的九九个距离离，再由由三角运运算得到到被测物物体的位位姿为了精确确测量，，要求在在发射器器与接受受器之间间的同步步。为此此可以采采用红外外的同步步信号。。为了测量量物体位位姿的6个自由度度，至少少需要3个接受器器和3个发射器器。为了精确确测量，，要求发发射器与与接受器器的合理理布局。。一般把把发射器器安装在在天花板板的4个角上。。超声波传传感器测测量原理理----测量相位位在测量相相位差的的方式中中，各个个发射器器发出高高频的超超声波，，测量到到达各个个接受点点的相位位差，由由此得到到点与点点的距离离，再由由三角运运算得到到被测物物体的位位姿。声波是正正弦波，，发射器器与接受受器的声声波之间间存在相相位差，，这个相相位差也也与距离离有关。。如果在在一个采采样周期期内，物物体运动动的距离离超过声声波信号号波长的的一半，，就会造造成问题题。因为为在每个个波长后后，信号号波形（（相位））会重复复。这时时无法确确定距离离是加大大还是减减少，因因为二者者造成的的相位差差相同。。这种方法法是增量量测量法法，每步步的测量量误差会会随时间间积累。。绝对距距离必须须在初始始由其它它设备校校准。它它的问题题是反射射和环境境噪音。。为了克克服漂移移问题，，改进的的模块化化相位相相干可以以达到毫毫米以下下精度。。优点：不受电磁磁干扰，，不受临临近物体体的影响响，轻便便的接受受器易于于安装在在头盔上上。缺点：工作范围围有限，，信号传传输不能能受遮挡挡，受到到温度、、气压、、湿度的的影响（（改变声声速，造造成误差差），受受到环境境反射声声波的影影响，飞飞行时间间法有低低的采样样率和低低的分辨辨率，相相位差法法每步的的测量误误差会随随时间积积累。Logitech提供两种超声声跟踪产品。。Logitech是瑞士公司，，成立于1981年。是世界最最大的鼠标生生产商。一个产品是超声3D鼠标跟踪器，它提供六个个自由度的跟跟踪。在CAD/CAM软件系统中可可以用于用户户的操作，也也可以用于计计算机动画，，建模，机器器人控制，和和虚拟现实。。超声传感器器每台价格$1799。另一个产品是是超声头部跟踪踪器，它也提供六六个自由度的的跟踪。每台台价格$1799。其它在VE市场上的商品品还有ScienceAccessories的GP8-3D和MattelPowerGlove。CelescoTransducerProducts,Inc.推出了系统V-scope，这是新的无无线40kHz飞行时间系统统。它在16英尺范围的分分辨率为0.1mm。位姿传感器----惯性传感器和和混合传感器器惯性传感器的的原理：惯性传感器使使用加速度计和角角速度计。测量加速度和和角速度。线性加速度计计（1）同时测量物物体在三个方方向上的加速速度。（2）可动部件由由弹性件支撑撑，弹性件的的变形就表示示加速度。（3）可以用光学学系统测量这这种微小变形形。例如利用用硅的微机械械可以制造很很小的惯性传传感器。（4）加速度计的的输出需要积积分两次，得得到位置角速度计（1）利用陀螺原原理测量物体体的角速度。。（2）角速度计的的输出需要积积分一次，得得到姿态角。。问题一：为了得到位置置和方向，传传感器输出必须积分。积分会使得得位置和姿态存存在积分误差差。所以它敏感感传感器的偏偏移。某些漂移是不可免免的。为了偏移移校正，惯性性部件必须周周期地返回某某个初始位置置，或者必须须连带使用其其它位置传感感器和适当的的数据熔合方方法。后一个个方案是有吸吸引力的。问题二：任何基于连杆杆弯曲的惯性性传感器，都都有非线性效应。力平衡加速速度计避免了了连杆弯曲的的非线性问题题，它们很稳稳定，并用于于运动学校准准。惯性传感器的的特点没有信号发射射，是唯一的的轻便的设备备安装在被测测物体上。不怕遮挡，没没有外界干扰扰，而且有无无限大的工作作空间。问题：积分误误差。需要减少传感感器的大小和和价格，使惯惯性跟踪器比比磁性跟踪器器更方便更经经济。高性能HMD的跟踪应该应应用组合惯性性传感器与其其它技术的混混合系统，它它要求精度和和快速动态响响应。推荐的的组合是全惯惯性方向跟踪踪，与混合的的惯性-声学位置跟踪踪。惯性传感器的的优缺点：惯性传感器的的优点：不存在发射源源，所以不受受干扰不怕遮遮挡，物体运运动不受约束束，大的工作作空间，低的的延迟时间。。惯性传感器的的缺点：漂移随时间积积累（每分3度），重力场场使输出失真真，测量的非非线性（由于于材料特性或或温度变化）），角速度计计敏感震动，，难以测量慢慢速的位置变变化，重复性性差惯性传感器的的产品InterSense公司提供IS300运动跟踪器和和InterTrax等惯性跟踪设设备。InterSense建立于1996年，研制生产产惯性的，混混合的，以及及SensorFusion的运动跟踪设设备。EricFoxlin基于他在MIT的博士论文建建立了该公司司。总部设在在麻省。它的的产品包括：：头盔上的设设备（用于仿仿真和训练）），摄像头跟跟踪（用于电电影特技），，增强现实系系统（用于装装配）。IS300使用小的固态态惯性测量单单元（称为InertiaCubeTM）。它使用角角速度计，在在积分得到姿姿态角。他还还用磁罗盘和和重力计，防防止陀螺漂移移的积累。产产品价格$3949。InterTrax是实时的头部部3维姿态跟踪器器。产品价格格$849。混合传感器的的原理：混合传感器是是由惯性传感器和和其他传感器器组成，以解决惯性传感感器的漂移问问题。混合传感器总总是利用一个个传感器的优优点，去克服服另一传感器器的缺点。典典型的混合传传感器由超声和惯性传传感器组成。它包括括：安在天花花板上的超声声发射器阵列列，3个超声接受器器，用于超声声信号同步的的红外触发设设备，加速度度计和角速度度计，计算机机。这种混合合是为了达到到更高的精度度和更低的延延迟。混合跟跟踪的关键技技术是传感器器融合算法，，如采用Kalman滤波。混合传感器的的优缺点优点：改进更新率、、分辨率、及及抗干扰性（（由超声补偿偿惯性的漂移移），可以预预测未来运动动达50ms（克服仿真滞滞后），快速速响应（更新新率150Hz，延迟极小）），无失真（（无电磁干扰扰）。缺点：工作空间受限限制（大范围围时超声不能能补偿惯性的的漂移），要要求视线不受受遮挡，受到到温度、气压压、湿度影响响，6D的跟踪要求3个超声接受器器。混合传感器的的产品InterSense提供混合跟踪踪器产品IS600。它使用惯性性和超声传感感器，以及传传感器融合算算法。他提供供6D的位姿跟踪，，可以预测未未来50ms的运动。价格格$11850。位姿传感器---光学传感器原理一般讲，光学学传感器是基基于高对比度的视视频图像，图像中具有有若干标记，这些图像反映了被被测物体的运运动。这些标记是小小圆点。有些些标记是红外外(IR)发光标记，他他用发光管管（LED）增加对比度度。标记的数量取决于运动的的类型和要求求的跟踪质量量。对于不不包括面部的的人体跟踪，，一般安装20到30个标记。标记记安在皮肤上上或紧身衣服服上。标记尺寸为1至5cm，这取决于测测量硬件和动动作范围大小小。标记的安放取决于要测的的数据。单个个标记只测量量一个点。安安在头部的三三个标记用于于测量头部的的位姿。一般般全身安装21个标记，头部部3个，颈部和背背部各1个，肩部、肘肘部、腕部、、手部、髋部部、膝部、脚脚腕和脚部各各1个。如果要求求更多的转动动信息，则要要求安装更多多的标记。光学传感器的的优缺点优点：可能很大的工作空空间（取决于采用用的系统合要要求的精度）），运动不受妨碍（测量系统不不装在运动体体上），标记的价格很小（理论上上可以达到几几百个标记，，实际上因为为阻塞和软件件的限制，不不能太多），，足够快的采样率（适于多数体体育运动，在在120至250Hz采样率，适于于测量多数人人体运动。缺点：是最昂贵的运动测量系系统对光敏感（由于系统依依靠对比度，，所以背景和和环境照明都都是问题），，对反射敏感（有水和发亮亮的表面可能能引起错误的的标记信号）），标记的阻挡（为了得到3D数据，每个标标记至少被两两个摄像机看看到。物体的的遮挡会造成成标记的丢失失、代替或交交换。）跟踪时间可能能很大（而且可能变变化）非实时的测量量（除少数昂贵贵的系统外，，都是非实时时的）对校准敏感（由于用多个个摄像机，必必须精确测量量每个摄像机机的参考帧））。光学传感器的的产品光学跟踪器在在计算机领域域的两个主要要应用领域：：计算机动画（（测量人体的的运动，并用用于动画人物物的动作）虚拟环境（测测量用户头部部的位置和姿姿态，并由此此改变视点，，改变显示的的图形）。位姿传感器---运动接口背景VR研究的趋势是是由手姿来做事情，如如抓取物体或或漫游。小的手姿之间间容易混淆。。所以现在控控制漫游的方方法，是利用用其他运动接接口。运动接口是一一类特殊的位位姿传感器，，它跟踪测量量人体的运动动。最简单的运动动接口就是跑跑步机。代替替在室外的真真实跑步，用用户可以在跑跑步机上跑步步，跑步机测测量跑步者的的运动。运动接口的优优缺点优点：克服传统接口口的限制（如手柄的逼逼真感有限）），得到逼真真的漫游（如如跑步机和自自行车给出运运动和方向感感），增加空空间布局感（（在跑步机和和自行车上，，参与者要施施加力和运动动，于是有在在环境中的移移动感）缺点：运动范围有限限（任何设备备的运动范围围都有限，但但虚拟环境可可能覆盖很大大范围），难难以保持平衡衡（在这些设设备上往往难难以保持平衡衡）。运动接口的产产品产品一：Sarcos,Inc.公司的运动接接口是Tread-Port，它包括跑步步机、机械链链和CAVE视觉显示。它它是用于研究究涉及运动接接口的感知问问题，以及研研究运动生物物力学的控制制问题。主动动机械链防止止人走开，使使得试验更加加逼真，模仿仿运动中的压压力，这在人人平稳站立时时是不会发生生的。产品二：GeorgiaTechGraphics,VisualizationandUsabilityCenter的运动接口是是TectrixBicycle。它用于虚拟拟重现1996年亚特兰大奥奥运会公路自自行车赛。虚虚拟环境的目目标是，使选选手体验赛道道，在视觉和和身体上都提提供给自行车车手。TectrixBicycle的设计如下：：赛车安在运运动平台上，，平台前后倾倾斜+/-12度，前论旋转转角度+/-20度，CompuTrainerPro在后轮上加负负载（以模拟拟山坡）。产品三：VirtualSpaceDevices,Inc.(VSD)根据1996年美国军队合合同，开发了了Omni-DirectionalTreadmill(ODT)。人在计算机机生成的环境境中，在ODT上走或跑，可可以在任意方方向上漫游，，人总是保持持在设备中心心。这是自然然的人机漫游游接口。Omni-DirectionalTreadmill的指标为，主主动表面1.3×1.3米，速度6英里/小时，两个带带子（X，Y方向）每个约约3400圈，力反馈+/-20磅。产品四：MikeBenjaminandThatcherUlrichofCyberGear,Inc.开发了VR自行车，用作作DiamondPark的输入设备。。这是第一个个多用户接口口的虚拟环境境，使用了MERL'sScalablePlatformforInteractiveEnvironments(SPLINE)。小节介绍了虚拟现现实中的位姿姿测量技术。。位姿跟踪常用用的性能参数数有：精度，，分辨率，采采样率，执行行时间，范围围，工作空间间，价格，障障碍，方便，，对模糊的敏敏感，容易校校准，同时测测量的数目，，方向相对位位置跟踪。运动动接接口口是是一一类类特特殊殊的的位位姿姿传传感感器器，，它它跟跟踪踪测测量量人人体体的的运运动动第二二节节视视觉觉显显示示视觉觉显显示示概概述述视觉觉显显示示的的显显示示表表面面CRT类显显示示LCD类显显示示VRD类显显示示VLST类显显示示全息息显显示示视觉觉显显示示的的光光学学系系统统头盔盔式式立立体体显显示示立体体眼眼镜镜式式立立体体显显示示自动动立立体体显显示示视觉觉显显示示的的产产品品头盔盔显显示示非头头盔盔显显示示混合合的的立立体体显显示示系系统统多面面的的显显示示系系统统视觉觉显显示示概概述述对理理想想的的视视觉觉显显示示有有什什么么要要求求与日日常常经经历历中中的的场场景景对对比比，，在在质质量量、、修修改改率率和和范范围围方方面面应应该该是是无无法法区区分分的的。。技术术支支持持当前前的的技技术术还还不不支支持持这这种种高高真真实实度度的的视视觉觉显显示示评价价各各种种显显示示特特性性对任任何何给给定定的的应应用用，，必必须须认认真真评评价价各各种种显显示示特特性性的的重重要要性性，，这这包包括括视视觉觉特特性性（（视视场场、、分分辨辨率率、、亮亮度度、、对对比比和和彩彩色色）），，人人类类工工程程学学，，安安全全，，可可靠靠和和价价格格。。视觉觉显显示示的的基基本本要要求求提供供立立体体视视觉觉。。立体体视视觉觉的的基基本本原原理理两眼眼空空间间位位置置的的不不同同，，是是产产生生立体体视视觉觉的原原因因。。空间间某某个个物物体体在在两两眼眼的的视视图图中中位位置置不不同同就就产产生生了了立体体视视差。。人眼眼也也可可以以利利用用这这种种视视差差，，判判断断物物体体的的远远近近，，产产生生深深度度感感。。这这就就是是人人类类的的立体体视视觉觉，由由此此获获得得环环境境的的三三维维信信息息。视觉觉接接口口完整整的的视视觉觉接接口口包包括括四四个个基基本本部部分分。。(1)视觉觉显显示示表表面面和和辅辅助助光光学学系系统统，，它它把把详详细细的的时时变变的的光光模模式式投投影影在在用用户户视视网网膜膜上上。。(2)产生生光光学学信信号号的的系系统统（（来来自自真真实实场场景景的的摄摄像像机机，，存存贮贮图图像像的的录录像像机机，，生生成成图图形形的的计计算算机机，，或或三三者者的的组组合合））。。(3)感觉觉头头或或眼眼球球位位置置运运动动的的系系统统（（这这是是上上一一节节介介绍绍的的位位姿姿跟跟踪踪问问题题））。。(4)使视视觉觉显显示示表表面面相相对对于于人人眼眼定定位位的的系系统统。。对虚虚拟拟现现实实（（VR），，最最常常用用的的技技术术的的显显示示表表面面类类型型是是阴极极射射线线管管（（CRT）和和背背光光液液晶晶显显示示（（LCD）。。VR应用用有有两两类类主主要要的的视视觉觉显显示示光光学学系系统统：：头盔盔显显示示和和非非头头盔盔显显示示。。这些些技技术术对对近近期期的的虚虚拟拟现现实实应应用用是是很很有有用用的的，，但但几几个个缺缺点点却却妨妨碍碍其其长长期期的的发发展展。。下面面分分别别介介绍绍不不同同的的显示示表表面面和不不同同的的光学学系系统统。最最后后介介绍绍现现有有的的产品品。CRT技术术CRT技术术CRT技术术是是多多年年来来在在电电视视机机和和计计算算机机监监视视器器上上广广泛泛应应用用的的成成熟熟技技术术。。CRT技术术能能给给头头盔盔显显示示器器提提供供小小的的高高分分辨辨率率高高亮亮度度的的单色显显示示。。CRT较重重，，并并把把高电电压压放在在人人头头部部上上的的设设备备中中。。开开发发小型型高高分分辨辨率率高高亮亮度度彩彩色色CRT是困困难难的。。在在头头盔盔显显示示中中，，要要求求这这些些笨笨重重的的光光学学设设备备形形成成高高质质量量图图像像。。组合合的的技技术术途途径径可可产产生生高高质质量量彩彩色色图图像像，，并并减减少少重重量量和和价价格格。。把把高高质质量量彩彩色色的的基基于于CRT的HMD（头头盔盔显显示示器器））引引入入市市场场，，它它使使用用了了加于于单单色色CRT的机机械械电电子子彩彩色色滤滤光光技术术。。这这种种途途径径中中，，CRT以三三倍倍正正常常速速率率扫扫描描，，并并依依次次加加上上红红、、绿绿、、兰兰三三色色的的滤滤光光器器。。LCD技术术LCD技术术以低电电压压产生生彩彩色色图图像像，，但但只只具具有有很很低的的图图像像元元密密度度。在在头头盔盔显显示示中中，，也也要要求求笨笨重重的的光光学学设设备备形形成成高高质质量量图图像像。。市场场出出售售的的头头盔盔式式显显示示器器几几乎乎全全部部依依靠靠TV（电电视视机机））质质量量的的液液晶晶显显示示。。在在VR和遥遥操操作作领领域域，，不不要要求求大大区区域域显显示示。。只只要要求求紧紧凑凑的的轻轻便便的的高高分分辨辨率率显显示示。。LCD显示示器器有有待待提提高高其其分分辨辨率率。。VRD技术术关于于VRDVRD（VirtualRealityDisplay）是是美美国国华华盛盛顿顿大大学学人人类类接接口口技技术术实实验验室室HumanInterfaceTechnologyLab（HIT）在在1991年发发明明的的。。HIT研究究内内容容基于于激激光光微微扫扫描描技技术术的的显显示示VRD，它它用用微型型固固体体激激光光器器扫描描视视网网膜膜上上的的彩彩色色图图像像。。它它的的优优点点是是不不使使用用笨笨重重的的光光学学设设备备，，可可能能开开发发高高分分辨辨率率、、轻轻便便、、低低价价格格显显示示系系统统。。但但激激光光微微扫扫描描显显示示还还面面对对大大量量技技术术障障碍碍。。研究究目目标标是产产生生全全彩彩色色，，宽宽视视场场，，高高分分辨辨率率，，高高亮亮度度，，低低价价格格的的虚虚拟拟现现实实立立体体显显示示。。MicrovisionInc.具有有该该技技术术产产品品化化的的专专有有权权。。该该技技术术有有很很多多潜潜在在的的应应用用，，由由军军事事航航天天应应用用的的HMD，到到医医学学应应用用。。VRD原理理VRD直接接把把调调制制的的光光线线投投射射在在人人眼眼的的视视网网膜膜上上，，产产生生光光栅栅化化的的图图像像。。观观看看者者的的幻幻觉觉是是，，感感到到这这个个图图像像是是在在前前方方2英尺尺远远处处的的14英寸寸监监视视器器上上。。实实际际上上，，图图像像是是在在眼眼的的视视网网膜膜上上。。图图像像质质量量很很高高，，有有立立体体感感，，全全彩彩色色，，宽宽视视场场，，无无闪闪烁烁。。VRD的主主要要特特点点如如下下：：①很小小很轻轻的眼眼镜，，②大大于120度的大大视场场，③③适应应人类类视觉觉的高高分辨辨率，，④有有更高高彩色色分辨辨率的的全彩彩色，，⑤适适用于于室外外的高高亮度度，⑥⑥很低低的功功率消消耗，，⑦有有深度度感的的真正正的立立体显显示，，⑧具具有看看穿的的显示示方式式。（（这类类似于于看穿穿的头头盔显显示。。在看看到激激光扫扫描的的虚拟拟图形形的同同时，，也看看到真真实场场景。。）VRD的工作作过程程中，，源图图像是是要求求显示示的图图像。。调制制的光光源是是红绿绿蓝三三基色色的光光源。。水平平和垂垂直扫扫描器器根据据源图图像对对于光光源进进行扫扫描。。经过过光学学镜头头，在在人的的视网网膜上上成像像。为什么么VRD具有高高分辨辨率、、宽视视场、、高亮亮度和和没有有闪烁烁的特特点？？在普通通的屏屏幕显显示中中，受受控的的光线线或光光发射射元素素组成成高密密集的的阵列列，这这个阵阵列投投影到到各个个象素素。但但在VRD的显示示中，，不存存在其其他屏屏幕，，象素流流直接接投影影到视视网膜膜。VRD中不具具备象象素持持续性性质，，只有有视网网膜上上光接接受器器的光光收集集特性性。因因此，，在VRD提供的的光线线和人人脑产产生的的图像像质量量之间间的关关系，，就是是很重重要的的了。。源图像像直接接进入入驱动动电子子设备备中，，去调调制红红绿兰兰三色色的光光线。。每个个象素素通过过水平平和垂垂直扫扫描器器，在在视网网膜上上产生生光栅栅化的的图像像。视视网膜膜没有有持续续性质质，因因此没没有闪闪烁。。产生生的图图像很很亮，，有很很高的的分辨辨率，，有很很宽的的视场场。每每个象象素投投影在在视网网膜上上的时时间很很少，，30-40ns。此外外，该该设备备只消消耗很很少能能量。。VRD的显示示设备备VRD的摄像像设备备VRD的主要要指标标VRD的主要要指标标：①分辨辨率只只取决决于光光源的的衍射射和像像差②亮度度可达达很高高和很很低，，所以以对比比度就就很大大③传统统的显显示器器不会会发出出很强强的光光，所所以很很难在在很亮亮的环环境下下看到到，VRD的显示示可以以在很很亮的的环境境下看看到④CRT只能反反射可可见彩彩色光光中的的一部部分，，VRD发射高高饱和和的纯纯彩色色光，，其彩彩色逼逼真度度极高高⑤CRT未把电电能有有效地地转成成光能能，VRD把所有有产生生的光光线投投在视视网膜膜，所所以允允许很很强的的亮度度和很很小的的能耗耗⑥VRD很容易易改进进性能能⑦VRD提供通通用的的方法法，适适用于于各类类应用用，有有潜力力降低低价格格⑧VRD包括很很简单单的子子系统统，将将以低低价格格进行行大批批量生生产范例----IVRDIVRD是HITLab为美国国海军军飞行行员研研制的的交互互的VRDIVRD课题的的目标标是飞行员员用这这种设设备，，能更更好地地在强强光下下观看看，有有立体体视觉觉，通通过手手指指指向显显示与与设备备交互互。设设备很很轻，，耗能能很少少①高亮亮度彩彩色图图像覆覆盖在在飞行行员的的真实实视场场中②测量量在真真实视视场中中增强强图像像的位位置③测量量注视视方向向，以以及在在增强强图像像中眼眼和手手的位位置④在增增强图图像的的视场场中360度范围围显示示传感感器数数⑤允许许观看看者要要求显显示更更多信信息。。VRD的应用用包括用用于军军事，，头盔盔，移移动电电话，，以及及医学学上范例HMD上的应应用。。交互的的VRD。手持的的二维维显示示VRD技术医学应应用①HMD上的应应用。。直升机机飞行行员需要获获取信信息，，以便便做出出关系系生死死的决决策。。如果信信息是是以图图形或或直觉觉的方方式提提供的的，就就能减减少飞飞行员员的负负担，，增加加在恶恶劣环环境下下的可可视能能力。。HMD在白天和夜夜间都提供供全彩色的的图形信息息，但缺乏乏有效的数数据接口的的联系。“VRD技术的产品品Microvision给军队提供供了单色双双目HMD系统，视场场水平52度，垂直30度，显示行行数960，水平象素素1716，重量2磅（包括两两个显示器器，头盔结结构，及光光学系统）），图像以以”看穿的方式式“投影，飞行行员同时看看到背景场场景。②交互的VRD。三维交互显显示的VRD技术，可以以集成在眼眼镜或头盔盔上，产生生立体效果果。VRD的显示设备备用于头盔盔显示器VRD的显示设备备用于看穿穿的头盔显显示器VRD现实设备用用于军事的的示意图③手持的二二维显示VRD技术，集成成进手提电电话，允许许用户看商商业网，因因特网，e-mail，web页面，传真真，文件等等，如同看看台式监视视器。医学应用美国2%的人有弱视视。弱视的的人不是全全盲，但不不能拿到驾驾驶执照，，而且难以以阅读和看看电视。原原因可能是是视网膜的的伤害（中中心或周围围视力的衰衰减），或或光路的伤伤害（角膜膜伤害或晶晶状体伤害害）。VRD使得弱视的人能能看到图像像。1998年，Microvision与Wallace-KetteringNeuroscienceInstitute签订了合同同，在神经经外科的安安全帽的研研究上合作作。没有视视网膜伤害害的病人能能通过他的的视场看到到运动的粒粒子，具有有视网膜伤伤害的病人人实际上能能反常地看看到他自己己的盲区。。要求病人人跟踪视觉觉扰动的边边缘，于是是就产生它它自己视网网膜的数字字图像，这这实际上定定位了受伤伤的组织。。这个图像像与基底摄摄像机拍摄摄的照片比比较，基底底摄像机获获取器官内内表面的图图像。基于于VRD的工作站，，在过去一一年扫描了了58个各种视网网膜疾病的的病人。VRD的未来VRD的未来，将将更加紧凑凑。正在开开发边缘发发射，超亮亮度发射二二极管，以以及微型二二极管激光光器。这将将允许直接接的光调制制。加上专专用集成电电路技术，，产生手持持的VRD设备。VLSI显示技术VLSI类显示MITAI实验室用硅VLSI芯片技术实现这种显显示特征。。基于硅技术术的图像传传感器与液液晶显示技技术的产品品相比，有有着更高的的密度和性性能的潜力力。查询思考LCD最大分辨率率？象素间间距？硅传传感器