《虚拟现实技术》PPT课件

虚拟现实技术 申蔚 曾文琪 清华大学出版社 2-2 第 2章 虚拟现实技术概论 2.1 跟踪定位设备 2.2 立体显示设备 2.3 手部数据交互设备 2.4 虚拟声音输出设备 2.5 其他交互设备 2.6 虚拟现实硬件系统的集成 2-3 2.1 跟踪定位设备 典型的工作方式是：由固定发射器发射出信 号，该信号将被附在用户头部或身上的机动传感 器截获，传感器接收到这些信号后进行解码并送 入计算部件处理，最后确定发射器与接收器之间 的相对位置及方位，数据随后传输到时间运行系 统进而传给三维图形环境处理系统。 2-4 2.1 跟踪定位设备 2.1.1 电磁波跟踪器 2.1.2 超声波跟踪器 2.1.3 光学跟踪器 2.1.4 其他类型跟踪器 2.1.5 跟踪传感设备的性能比较 2-5 2.1 跟踪定位设备 2.1.1 电磁波跟踪器 电磁波跟踪器是一种较为常见的空间跟踪 定位器，一般由一个控制部件，几个发射器和 几个接收器组成。 2-6 2.1 跟踪定位设备 2.1.1 电磁波跟踪器 优点是其敏感性不依赖于跟踪方位，基本不受 视线阻挡的限制，体积小、价格便宜，因此对 于手部的跟踪大都采用此类跟踪器。 缺点是其延迟较长，跟踪范围小，且容易受环 境中大的金属物体或其他磁场的影响，从而导 致信号发生畸变，跟踪精度降低。 2-7 2.1 跟踪定位设备 2.1.2 超声波跟踪器 超声波跟踪器是声学跟踪技术最常用的一 种，其工作原理是发射器发出高频超声波脉冲 （频率 20KHz以上），由接收器计算收到信号 的时间差、相位差或声压差等，即可确定跟踪 对象的距离和方位。 2-8 2.1 跟踪定位设备 2.1.2 超声波跟踪器 按测量方法的不同，超声波跟踪定位技术可分为： 飞行时间（ Time Of Flight， TOF）测量法 同时使用多个发射器和接收器，通过测量超声波从 发出到反射回来的飞行时间计算出准确的位置和方向。 相位相干（ Phase Coherent， PC）测量法 通过比较基准信号和发射出去后发射回来的信号之间 的相位差来确定距离。 2-9 2.1 跟踪定位设备 2.1.3 光学跟踪器 光学跟踪器可以使用多种感光设备，从普 通摄像机到光敏二极管都有。光源也是多种多 样的，如自然光、激光或红外线等，但为避免 干扰用户的观察视线，目前多采用红外线方式。 2-10 2.1 跟踪定位设备 2.1.3 光学跟踪器 光学跟踪器使用的主要三种技术： 标志系统 通常是利用传感器（如照相机或摄像机）监测发射器 （如红外线发光二极管）的位置进行追踪。 模式识别系统 把发光器件按某一阵列排列，并将其固定在被跟踪对 象身上，由摄像机记录运动阵列模式的变化，通过与已 知的样本模式进行比较从而确定物体的位置。 激光测距系统 将激光通过衍射光栅发射到被测对象，然后接收经物 体表面反射的二维衍射图的传感器记录。 2-11 2.1 跟踪定位设备 2.1.3 光学跟踪器 光学跟踪器虽然受视线阻挡的限制且工作 范围较小，但其数据处理速度、响应性都非常 好，因而较适用于头部活动范围相当受限而要 求具有较高刷新率和精确率的实时应用。 2-12 2.1 跟踪定位设备 2.1.4 其他类型跟踪器 1、机械跟踪器 通常把参考点和跟踪对象直接通过连杆装置相连， 采用刚体框架，一方面可以支撑观察设备，另一方面可 以测量跟踪对象的位置和方位。 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 陀螺仪测量跟踪对象在其倾角、偏角和转角方面的数据。 3、图像提取跟踪器 一般是由一组摄像机拍摄人及其动作，然后通过图 像处理技术的运算和分析来确定人的位置及动作。 2-13 2.1 跟踪定位设备 2.1.5 跟踪传感设备的性能比较 跟踪定位器的性能指标主要包括： 精度：指检测目标位置的正确性，即误差范围。 分辨率：指跟踪定位器所能检测到的最小变化 范围，小于此值将检测不到。 响应时间：包括采样率、数据率、更新率和延 迟时间等 4个指标。 抗干扰性：指跟踪定位器在相对恶劣的条件下 避免出错的能力。 2-14 2.1 跟踪定位设备 2.1.5 跟踪传感设备的性能比较 跟踪器类型 精 度 分 辨 率 响 应 时 间 跟 踪 范 围 电 磁 波 3mm 0.1mm 1mm 0.03mm 50 ms 半径 1.6m的半球形 超 声 波 依空气密度变化 10mm 0.5mm 30 ms 4 5m3 光 学 1 mm 2mm 0.02mm 1 ms 4 8m3（可扩展至 14m3） 3种常用跟踪技术的主要性能指标对比 2-15 2.2 立体显示设备 人眼立体视觉效应的原理 ：当人在现实生活 中观察物体时，双眼之间 6 7cm的距离（瞳距） 会使左、右眼分别产生一个略有差别的影像（即 双眼视差），而大脑通过分析后会把这两幅影像 融合为一幅画面，并由此获得距离和深度的感觉。 2-16 2.2 立体显示设备 2.2.1 固定式立体显示设备 2.2.2 头盔显示器 2.2.3 手持式立体显示设备 2-17 2.2 立体显示设备 2.2.1 固定式立体显示设备 1、台式 VR显示设备 一般使用标准计算机监视器，配合双目立体眼镜组成。 根据监视器的数目不同，还可分为单屏式和多屏式两类。 最简单也是最便宜的 VR视觉显示模式， 但缺乏沉浸感。 2-18 2.2 立体显示设备 2.2.1 固定式立体显示设备 2、投影式 VR显示设备 一般可以通过并排放置多个显示器创建大型显示墙，或通 过多台投影仪以背投的形式投影在环幕上，各屏幕同时显 示从某一固定观察点看到的所有视像，由此提供一种全景 式的环境。 2-19 2.2 立体显示设备 2.2.1 固定式立体显示设备 2、投影式 VR显示设备 （ 1）墙式投影显示设备： 可采用平面、柱面、球面的屏幕形式。 2-20 2.2 立体显示设备 2.2.1 固定式立体显示设备 2、投影式 VR显示设备 （ 2） 响应工作台式显示设备 （ Responsive Work Bench， RWB） ： 一般由投影仪、反射镜和 显示屏（一种特制玻璃） 组成，投影仪将立体图像 投射到反射镜面上，再由 反射镜将图像反射到显示 屏上。 2-21 2.2 立体显示设备 2.2.1 固定式立体显示设备 2、投影式 VR显示设备 （ 3） 洞穴式投影显示设备（ CAVE） ： CAVE就是由投影显示屏包围而成的一个立体空间 （洞穴），分别有 4面式、 5面式或 6面式 CAVE系统。 2-22 2.2 立体显示设备 2.2.1 固定式立体显示设备 3、三维显示器 指的是直接显示虚拟三维影像的显示设备，用户 不需佩戴立体眼镜等装置就可以看到立体影像。 三星公司的 2233RZ三维显示器 2-23 2.2 立体显示设备 2.2.1 固定式立体显示设备 3、三维显示器 三维显示器的实现方法主要分为以下 4种： （ 1） 在普通的显示屏前附着特殊的涂层和滤光器来替代立 体眼镜的作用。 （ 2） 利用投影机把同一物体的多幅不同二维影像闪投在显 示屏上，同时屏幕快速旋转，观看者大脑就会将不同画 面拼合而成似乎漂浮在空中的三维物体影像。 2-24 2.2 立体显示设备 2.2.1 固定式立体显示设备 3、三维显示器 三维显示器的实现方法主要分为以下 4种： （ 3）显示器由几十个超薄屏幕叠制而成，每个屏幕快速依 次闪现出同一图像，由此流畅的组成完整的三维影像。 （ 4）利用全息图像技术实现 真正的三维显示，它是 在真实空间内创造出一 个完整的立体影像。 2-25 2.2 立体显示设备 2.2.2 头盔显示器 （ Head- Mounted Display， HMD） HMD通常被固定在用户的头部，随着 头部的运动而运动，并装有位置跟踪器， 能够实时测出头部的位置和朝向，并输入 到计算机中。 2-26 2.2 立体显示设备 2.2.2 头盔显示器 HMD HMD通常被固定在用户的头部，随着头部的 运动而运动，并装有位置跟踪器，能够实时测出 头部的位置和朝向，并输入到计算机中。 计算机根据这些数据生成反映当前位置和朝 向的场景图像，进而由两个 LCD或 CRT显示屏分 别向两只眼睛提供图像。 2-27 2.2 立体显示设备 2.2.2 头盔显示器 HMD 双眼局部重叠的头盔显示器光学模型 2-28 2.2 立体显示设备 2.2.2 头盔显示器 HMD 衡量头盔显示器性能的指标包括以下各方面： 1、逼真的立体视觉（双眼视觉） 2、分辨率 3、视场（ Fireld Of View， FOV） 4、透射率 5、重叠率 6、重量 7、人的因素 2-29 2.2 立体显示设备 2.2.2 头盔显示器 HMD 公 司 / 型 号 分 辨 率 视 场 重 量 市场参考价 Virtual Research Systems / VR1280 1280 1024 60 约 0.8KG 17万元 Rockwell Collins / ProView SR80 1280 1024 80 约 0.8KG 16万元 eMagin / Z800 3Dvisor 800 600 40 约 0.225KG 15万元 2-30 2.2 立体显示设备 2.2.3 手持式立体显示设备 手持式 VR立体显示器屏幕很小，它利用某 种跟踪定位器和图像传输技术实现立体图像的 显示和交互作用，可以将额外的数据增加到真 实世界的视图中，用户可以选择观看这些信息， 也可以忽略它们而直接观察真实世界，一般适 用于增强式 VR系统中。 2-31 2.3 手部数据交互设备 2.3.1 数据手套 2.3.2 空间球 2.3.3 三维浮动鼠标器 2-32 2.3 手部数据交互设备 2.3.1 数据手套（ Data Glove） 数据手套是一种戴在用户手上的传感装置，用于检 测用户手部活动的设备，并向计算机发送相应电信号， 从而驱动虚拟手模拟真实手的动作。 如图所示为戴上 VPL数据手套的 人手与屏幕显示的虚拟手。该数 据手套把光导纤维和一个三维位 置传感器缠绕在一个轻的、有弹 性的手套上，每个手指的每个关 节处都有一圈纤维，用以测量手 指关节的位置与弯曲。 2-33 2.3 手部数据交互设备 2.3.2 空间球（ Space Ball） 空间球是一种可以提供 6自由度的桌面设备，它被安 装在一个小型的固定平台上，可以扭转、挤压、按下、 拉出和来回摇摆。 2-34 2.3 手部数据交互设备 2.3.3 三维浮动鼠标器（ 3D Flying Mouse） 三维浮动鼠标器的工作原理是：在鼠标内部安装了一个 超声波或电磁探测器，利用这个接收器和具有发射器的 固定基座，就可以测量出鼠标离开桌面后的位置和方向。 2-35 2.4 虚拟声音输出设备 2.4.1 固定式声音设备 固定式声音输出设备即扬声器，允许多个用户同时听到声音， 一般在投影式 VR系统中使用。扬声器固定不变的特性使其 易于产生世界参照系的音场，在虚拟世界中保持稳定，且用 户使用起来活动性大。 2.4.2 耳机式声音设备 耳机式声音设备一般与头盔显示器结合使用。在默认情况下， 耳机显示的是头部参照系的声音，在 VR系统中必须跟踪用 户头部、耳部的位置，并对声音进行相应的过滤，使得空间 化信息能够表现出用户耳部的位置变化。 2-36 2.5 其他交互设备 2.5.1 触觉和力反馈设备 2.5.2 数据衣 2.5.3 三维扫描仪 2-37 2.5 其他交互设备 2.5.1 触觉和力反馈设备 1、 接触反馈设备 （ 1）充气式接触反馈手套是使用小气囊作为传感装置， 在手套上有 20-30个小气囊放在对应的位置，当发生虚拟 接触时，这些小型气囊能够通过空气压缩泵的充气和放气 而被迅速地加压或减压。 （ 2）振动式接触反馈手套是使用小振动换能器实现的， 换能器通常由状态记忆合金制成，当电流通过这些换能器 时，它们就会发生形变和弯曲。 2-38 2.5 其他交互设备 2.5.1 触觉和力反馈设备 2、 力反馈设备 （ 1）桌面式力反馈系统 设备安装简单、使用轻便 灵巧，并且不会因自身重 量等问题而让用户在使用 中产生疲倦甚至疼痛的感 觉，因此目前已经成为较 为常用的力反馈设备。 2-39 2.5 其他交互设备 2.5.1 触觉和力反馈设备 2、 力反馈设备 （ 2） 力反馈手套可以独 立反馈每个手指上的力， 主要用于完成精细操作 2-40 2.5 其他交互设备 2.5.2 数据衣（ Data Suit） 数据衣将大量的光纤、电 极等传感器安装在一个紧 身服上，可以根据需要检 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。 2-41 2.5 其他交互设备 2.5.3 三维扫描仪（ 3D Scanner） 三维扫描仪的功能是通过扫描真实模型的外观特征，构造 出该物体对应的计算机模型，通常分为激光式、光学式、 机械式等三种类型。 三维激光扫描仪（ 3D Laser Scanner）应用最为广泛，其 数据处理的过程一般包括数据采集、数据预处理、几何模 型重建和模型可视化等四个步骤。 2-42 2.6 虚拟现实硬件系统的集成 VIEW为美国宇航局 Ames研究中心开发的 虚拟交互环境工作站。 VIEW由一组以计算机 控制的输入 /输出子系 统组成，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，从而为各类 VR 应用系统的研发提供 了一个方便、通用的 集成环境。 2-43 本 章 结 束 谢 谢 大 家