VRML课件-虚拟现实基础及VRML编程-2

虚拟现实基础与VRML基础授课教师：赵应丁E-Mail:zhaoyingding@163.com江西农业大学计算机与信息工程学院2023/2/7江西农业大学计算机与信息工程学院第1

页第二讲虚拟现实硬件设备及技术1.虚拟现实立体显示技术与设备2.虚拟现实空间声技术3.虚拟现实跟踪技术4.虚拟现实触觉反馈原理5.虚拟现实交互设备6.数据衣服2023/2/7江西农业大学计算机与信息工程学院第2

页1.虚拟现实立体显示技术与设备人类左右双眼之间的距离大约是65mm，两只眼睛所看到的立体空间的影像略有差别，这个随空间深度而变化的差别称为双眼视差，正是这个视差为人类提供了空间除平面信息之外的第三维信息，也正是人眼的立体视觉机制所在。1.1立体显示原理平面立体图产生的基本原理是通过对图片深度信息的恢复来实现的。由于一般的二维照片仅保存了部分三维信息，这是信息是通过图像的灰度变化存储的。因此，在人眼的视觉系统中，平面立体图只能获得有限深度信息的恢复。三维立体图形形成的基本原理是通过让人类左右眼分别接收各自的图像，该图像是对同一场景产生两幅分别对应于左右双眼的不同图像，由于两者具有一定的视差，因而保存了完整的深度立体信息。通过人眼后可以完美地恢复三维立体信息。2023/2/7江西农业大学计算机与信息工程学院第3

页1.虚拟现实立体显示技术与设备(续)三维立体图像的显示方法：同时显示左右两幅图像，该技术称之为”同时显示技术”(Time-Paralle)；同时显示技术对两幅图像采用不同的光波长显示，用户需要使用特殊的眼睛，眼睛片则分别配以不同波长的滤波片，使双眼只能看到各自的图像。以一定频率交替显示两幅图像，该技术称之为”分时显示技术”(Time-Multiplex)。分时显示技术需要生成关于同一场景的立体图像时，然后再将左右眼图像以一定的频率交替扫描在显示屏上；由于人眼的视觉暂留现象，感觉上是同时显示在屏幕上。2023/2/7江西农业大学计算机与信息工程学院第4

页1.虚拟现实立体显示技术与设备(续)2.台式立体显示装置台式立体显示装置由立体显示器和立体眼睛组成。立体显示器有两种工作方式，即标准方式和立体方式。工作在立体方式时，显示器屏幕以一定频率交替显示按立体显示原理生成的左右眼视图，用户需佩戴立体眼睛，使左右眼只能看到屏幕上显示的、对应的左眼视图或右眼视图，从而最终在人眼视觉系统中形成立体影像。现有两类立体眼睛：有源眼睛，用以构成主动系统(ActiveSystem);无源眼睛，用以构成被动系统(PassiveSystem)。有源立体眼镜的镜框上装有电池及液晶调制器控制的镜片。无源立体眼镜是根据光学偏振原理设计而成的。2023/2/7江西农业大学计算机与信息工程学院第5

页1.虚拟现实立体显示技术与设备(续)3.三维显示器边光显示器：它是将光源从显示器的下面向上发射，通过显示器内部结构的反射与折射，使用户看到立体影像。还有一种被称之为”透视棱镜”的技术，它是将一层特殊镜面附着在普通的显示屏之前，左右眼分别透过不同镜面观看三维影像。2023/2/7江西农业大学计算机与信息工程学院第6

页1.虚拟现实立体显示技术与设备(续)4.头盔式立体显示装置头盔式显示器，顾名思义是安装在头盔上的显示装置，而头盔显示器整体上戴在头部，并采用机械方向固定。当头部运动时，头盔显示器随头部运动而运动，但头盔和头部之间则不产生任何相对运动。头盔上装有位置跟踪器，位置跟踪器实时测量头部的空间位置和朝向，并输入计算机。计算机则根据这些数据生成反映当前位置和朝向的场景图并显示在头盔显示器的屏幕上。2023/2/7江西农业大学计算机与信息工程学院第7

页1.虚拟现实立体显示技术与设备(续)5.洞穴式立体显示装置事实上，CAVE是一种由多投影显示屏包围而成的一个像小房子的立体显示装置，是最具沉浸感的虚拟现实立体显示设备。CAVE中，可以有多个观察者同时分享虚拟现实带来的神奇感受。CAVE装置的优势在于可以向多用户提供高质量的虚拟环境(大视角、立体、全景式)并允许多人进行交互，这将有助于研究人员更有效和快速地分析并揭示所从事的科学研究的内在规律。2023/2/7江西农业大学计算机与信息工程学院第8

页1.虚拟现实立体显示技术与设备(续)6.响应工作台式立体显示装置响应式工作台是一种非沉浸式、支持多用户协同工作的立体显示装置。响应式工作台为一台式装置，硬件由投影机、一面大的反射镜和一块既做桌面又做显示屏的特种玻璃组成。允许多用户同时观察虚拟境界；但立体视图只能受控于一位观察者的视点位置和视线方向，其他观察者则通过各自的立体眼镜被动观察虚拟对象，因此响应工作台比较适合于教学，即教师、学生共同参与的工作模式。2023/2/7江西农业大学计算机与信息工程学院第9

页1.虚拟现实立体显示技术与设备(续)7.墙式立体显示装置墙式立体显示装置的主要目的是为了使更多的观众可以共享虚拟现实带来的奇思妙想。技术上存在的问题：(1)性能指标。并非任何型号的投影显示器都适用于构建墙式立体显示装置，主要的性能指标是要求提供较高的刷新频率(刷新频率大于120Hz)。投影显示器一般由发光器件和液晶光阀组成。发光器件可以是阴极射线管CRT或液晶显示器LCD。(2)主动及被动系统。立体显示系统有主动系统和被动系统之分。在主动系统中，左右眼球视图分别以标准刷新频率(60Hz)交替投影到大屏幕上，用户必须佩戴有源立体眼镜观看。2023/2/7江西农业大学计算机与信息工程学院第10

页1.虚拟现实立体显示技术与设备(续)在被动系统中，用户只需佩戴价格便宜的无源立体眼球，但投影显示器的镜头前需添加”起便振片”，将显示器显示的左右眼视图分别调制成两个正交方向的偏振光。(3)多显示屏将多台投影显示器组合起来以构成显示面积更大的墙式立体显示系统，此类系统又称为墙式全景立体显示系统，有平面式、360全景式以及可支持多用户协同工作的投影屏幕几种类型。将多个显示屏拼接在一起的关键在于拼接处的无缝过渡技术。2023/2/7江西农业大学计算机与信息工程学院第11

页2.虚拟现实空间声技术(续)听觉与视觉构成人类感知外部世界的两种最重要的信息通道，其信息载体分别为声音与图像。传统意义上的声学仿真是指对声音产生与传播的物理过程使用计算机进行模拟或辅助处理，而虚拟环境这一特定应用领域使传统声学仿真技术的内涵和外延都发生了很大变化。声音感知和定位的研究：Duplex理论，该理论认为，两耳时间差和两耳强度差。致力于耳部复杂结构的研究。声波从声源到鼓膜处的变化可以看作是人的双耳对声波的滤波作用。科研人员在研究与头部相关的传递函数HRTF(Head–RelatedTransferFunction)基础上，已成功地将单声道声音转换为具有双耳听觉效果的三维空间声，从而模拟出人耳对不同频率和不同位置的声音的感知情况。2023/2/7江西农业大学计算机与信息工程学院第12

页2.虚拟现实空间声技术(续)由于人耳及人体结构的复杂性，技术上对声音的准确定位仍然十分困难。导致HRTF函数对多用户的不归一性。对于任何声音，给它施加ITD、IID和HRTF系数，便能将该声音虚拟地定位在空间的任何位置。2023/2/7江西农业大学计算机与信息工程学院第13

页3.虚拟现实跟踪技术三维位置跟踪是虚拟现实要求实现的关键技术之一，它的任务是检测相关对象的位置及其朝向(方位)，并将这些信息报告给虚拟现实系统。虚拟现实系统中位置跟踪器最常见的应用是跟踪用户的头部(HMD或立体眼睛)位置和朝向以确定用户的视点和视线方向，而视点位置和视线方向是确定虚拟视觉场景的最关键信息。另一种常见应用是跟踪用户手的位置和方向，而手(数据手套或三维鼠标)的位置和方向是基于自然方式的人机交互工具----传感手套所必需的重要信息。2023/2/7江西农业大学计算机与信息工程学院第14

页3.虚拟现实跟踪技术(续)为了检测头和手在三维空间中的位置和朝向，需要跟踪6种不同的运动模式，即沿X、Y、Z轴的平移运动以及沿X、Y、Z轴的旋转运动。由于这6种运动彼此相互正交，因此使用6个独立变量(即x,y,z,水平角、俯角、偏转角，又称为6自由度空间)可以全面表征对象在三维空间中的具体位置及其朝向。2023/2/7江西农业大学计算机与信息工程学院第15

页3.虚拟现实跟踪技术(续)1.跟踪器性能指标位置跟踪器通常有以下几方面性能指标，分述如下：精度和分辨率。精度和分辨率决定了一种跟踪技术反馈其跟踪目标位置的能力。分辨率是指使用某种技术所能检测的位置的最小变化值，小于这个距离或角度的变化将不能被检测出。精度是指系统所报告的目标位置的正确性或误差范围。响应时间。响应时间是对一种跟踪技术在时间上提出的要求，它又分为4个指标，即采样率、数据率、更新率以及延迟时间。采样率是传感器测量目标位置的频率，为防止丢失有效数据，采样率应尽可能高。数据率是系统向主机报告新的位置数据的时间间隔，它决定了整个虚拟系统追求的目标。(接下页)2023/2/7江西农业大学计算机与信息工程学院第16

页3.虚拟现实跟踪技术(续)更新率是指系统向主机报告新的位置数据的时间间隔，它决定了整个虚拟系统的显示更新时间，低更新率的系统会缺乏真实感。延迟时间是指从一个位置变化发生到主机收到反映这一变化的跟踪数据的时间间隔，虽然低延迟依赖于高数据率和高更新率，但两者都不是低延迟的决定性因素。强壮性和抗干扰能力。强壮性是指一个系统在相对恶劣的条件下避免出错的能力。由于跟踪系统处在一个充满了各种噪声和外部干扰的实际世界中，跟踪系统必须具有一定的强壮性。一般的外部干扰可分为两种：遮变和畸变。融合性。融合性是指系统所检测的物体与实际位置的一致性。一个融合性好的系统能始终保持两者的一致性。2023/2/7江西农业大学计算机与信息工程学院第17

页3.虚拟现实跟踪技术(续)合群性。合群性是指一种跟踪技术对多用户系统的支持能力，它包括两方面的内容，即大范围的操作空间和多目标的跟踪能力。实际跟踪系统并不能提供无限的跟踪范围，它只能在一定区域内进行跟踪和测量。多用户系统还必须具有多目标跟踪能力，它决定于一个系统的组成结构以及多边作用的抵抗能力。2023/2/7江西农业大学计算机与信息工程学院第18

页3.虚拟现实跟踪技术(续)超声跟踪技术。超声跟踪技术使用超声波进行跟踪。它的基本原理是利用不同声源的声波到达某一特定地点的时间差、相位差和声压差等参数进行空间位置跟踪。它有两种基本的测量方法：飞行时间测量法(TimeofFlight,TOF)和相位相干测量法(PhaseCoherent,PC)。TOF的工作原理是首先由发射器发射一个超声脉冲，然后控制系统开始计时，直到接收器测量到反射回来的脉冲波计时停止。PC技术较好地克服了TOF数据率不高的缺点。PC测距的基本原理是比较参考信号的相位与发射出去又反射回来的声波的相位而进行测量的。2023/2/7江西农业大学计算机与信息工程学院第19

页3.虚拟现实跟踪技术(续)在一个小的工作空间里，TOF具有较好的准确性和响应时间；但在工作空间增大时，TOF的数据率会严重下降；同时TOF系统也易受一些刺激性声波脉冲的干扰。PC具有较好的准确性、响应时间、工作范围和强壮性，这一切都是建立在高数据率之上的。TOF的合群性差，因为它只能在小范围工作；而PC的合群性就很好，因为在一个很大的工作空间内，PC也能提供较高的数据率。2023/2/7江西农业大学计算机与信息工程学院第20

页3.虚拟现实跟踪技术(续)3.不良跟踪后果不良跟踪造成的后果从表面看仅表现为被跟踪对象出现在它不应该出现的位置上，从而使用户在虚拟境界中的体验与其多年积累的生活经验相违背，造成一种类似于运动病的症状，如眩晕、视觉混乱、身体乏力等。单纯的位置整合误差。如果这一误差是稳定的，将不会造成太严重的后果，因为人的感知系统具有相当的自适应能力。但在虚拟现实系统中，由于跟踪误差在工作区域内不断改变，这种看到的与感觉到的位置之间不断变化的差异完全破坏了人类感知系统的自适应性。2023/2/7江西农业大学计算机与信息工程学院第21

页3.虚拟现实跟踪技术(续)感知滞后。人体的实际运动与它在虚拟境界中所看到的反应之间存在明显的滞后，将会造成人不敢做快速运动，从而更加剧了视觉与位置感之间的冲突。人体图像抖动或振动。虚拟境界中出现的人体图像抖动或振动现象是造成运动病的重要原因之一，2023/2/7江西农业大学计算机与信息工程学院第22

页4.增强现实触觉反馈原理触觉与力觉是人类感觉的重要组成部分，人们利用触觉与力觉反馈信息去完成各种任务。大致可以分为两类：一类是在探索某个环境时利用触觉和力觉信息去识别所探索的对象以及对象的位置和朝向；另一类是利用触觉和力觉去操纵和移动对象以完成某种任务。按触觉反馈原理，手指触觉反馈装置分为5类：基于视觉的、充气式、振动式、压电刺激式以及神经肌肉刺激式反馈装置。基于视觉的触觉反馈原理。所谓基于视觉的触觉反馈就是基于视觉来判断是否接触，即人眼是否看到接触，这是目前虚拟现实系统普遍采用的技术方法。2023/2/7江西农业大学计算机与信息工程学院第23

页4.增强现实触觉反馈原理(续)充气式触觉反馈原理。在传感手套中配置一些做微小气泡，每一气泡都有两条很细的进气和出气管道，所以气泡的进/出气管部汇总在一起，与控制器中的微型压缩泵相连，从而使这些气泡可以按需要充气和排气。充气时气泡膨胀而压泼皮肤，排气时气泡收缩而释放压迫，从而达到触觉反馈的目的。振动式触觉反馈原理。振动式触觉反馈装置的工作原理可以是将音圈缠绕在指尖，通过音圈产生的振动刺激皮肤以获得触觉感知；另外还可以采用轻型的形状记忆合金作为传感装置，当记忆合金丝通电加热时，将产生收缩，从而拉动触头，接触手指皮肤而产生触觉感知。2023/2/7江西农业大学计算机与信息工程学院第24

页4.增强现实触觉反馈原理(续)压电刺激式触觉反馈原理。指通过压力生成电脉冲信号刺激皮肤，以达到触觉反馈的目的。神经肌肉刺激式触觉反馈原理。使用了物理刺激信号，因此该类装置会具有一定的操作危险性。2023/2/7江西农业大学计算机与信息工程学院第25

页5.虚拟现实交互设备虚拟现实要求采用自然方式的人机交互，部分原理在于当人完全沉浸在计算机所生成的虚拟境界中时，计算机常用的键盘、二维鼠标等交互设备将变得无法使用。常见的虚拟现实交互设备有传感手套、跟踪球、三维探针、三维鼠标及三维操纵杆。三维交互技术的主要技术难点是如何在三维空间中直接完成定位、拾取