第3章 交互设备

第第3 3章章 交互设备交互设备输入设备输出设备虚拟现实交互设备交互设备的整合应用文本输入设备键盘输入是最常见、最主要的文本输入方式。手写等一些更自然的交互方式也可为文本输入提供辅助手段。图像输入设备二维扫描仪可以快速地实现图像输入，且经过对图像的分析与识别，可以得到文字、图形等内容；摄像头是捕捉动态场景最常用的工具。三维信息输入设备在许多领域，如机器视觉、面形检测、实物仿形、自动加工、产品质量控制、生物医学等，物体的三维信息必不可少的。三维扫描仪是实现三维信息数字化的一种极为有效的工具。动作捕捉设备则用于捕捉用户的肢体甚至是表情动作，生成运动模型。在影视、动漫制作中已被大量应用。根据传感方式的不同，三维扫描仪主要分为接触式和非接触式两种。接触式的三维扫描仪采用探测头直接接触物体表面，通过探测头反馈回来的光电信号转换为物体表面形状的数字信息。该类设备主要以三维坐标测量机为代表。其优点是具有较高的准确性和可靠性，但也存在测量速度慢、费用较高、探头易磨损以及误差修正等缺点。非接触式的三维扫描仪，主要有三维激光扫描仪，照相式三维扫描仪等，分别是基于激光扫描测量和结构光扫描测量等技术设计的。这类设备的优点是扫描速度快，易于操作，且由于不需接触被测量的物体，所以对物体表面损伤少等。机械式、电磁式、光学式捕捉设备机械式动作捕捉设备利用可伸缩的机械结构安装于捕捉物体上，以取得各部分的运动量。优点是成本低廉，但这种方式限制了运动物体的自由运动，且由于机械设备的尺寸、重量等问题，因而限制了其应用范围。电磁式设备将若干低频磁场感应器安装在捕捉物体上，根据感应器接收到的磁场，可以计算出接收器相对于发射器的位置和方向。但其由于易受电磁干扰影响到了捕捉数据的精度和稳定性，对于作业场地的要求也非常严格。光学式运动捕捉利用计算机视觉原理。从理论上说，对于空间中的一个点，只要它能同时为两部摄相机所见，则根据同一时刻两部摄相机所拍摄的图像和对应参数，就可以确定这一时刻该点在空间的位置。摄相机以足够高的速率连续拍摄时，从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。光学式运动捕捉便是利用这一点通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。指点输入设备指点设备常用于完成一些定位和选择物体的交互任务。物体可能处于一维、二维、三维或更高维的空间中，而选择与定位的方式可以是直接选择，或通过操作屏幕上的光标来完成。鼠标光笔控制杆触摸板触摸屏显示器显示器是计算机的重要输出设备，是人机对话的重要工具。它的主要功能是接收主机发出的信息，经过一系列的变换，最后以光的形式将文字和图形显示出来。阴极射线管显示器、液晶显示器和等离子显示器构成：由阴极、电平控制器（即控制极）、聚焦系统、加速系统、偏转系统和阳极荧光粉涂层组成，这六部分都在真空管内。其中，阴极、电平控制器（即控制极）、聚焦系统、加速系统等统称为电子枪。当显像管内部的电子枪阴极发出的电子束，经强度控制、聚焦和加速后变成细小的电子流，再经过偏转线圈的作用向正确目标偏离，穿越荫罩的小孔或栅栏，轰击到荧光屏上的荧光粉发出光线。彩色CRT光栅扫描显示器有三个电子枪，它的荧光屏上涂有三种荧光物质，分别能发红、绿、蓝三种颜色的光。在充电条件下，液晶能改变分子排列，继而造成光线的扭曲或折射。液晶显示器工作原理是通过能阻塞或传递光的液晶材料，传递来自周围的或内部光源的偏振光。以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管构成画面。LCD比CRT显示器具有更好的图像清晰度，画面稳定性和更低的功率消耗，但液晶材质粘滞性比较大，图像更新需要较长响应时间，因此不适合显示动态图象。等离子显示器诞生于二十世纪60年代，它采用等离子管作为发光材料，1个等离子管负责一个像素的显示：等离子管内的氖氙混合气体在高压电极的刺激下产生紫外线，紫外线照射涂有三色荧光粉的玻璃板，荧光粉受激发出可见光。优点：重量较轻、完全无X射线辐射，而且屏幕亮度非常均匀，不存在明显的亮区和暗区；由于各个发光单元的结构完全相同，因此不会出现CRT显示器那样存在某些区域聚焦不良或因使用时间过长出现散焦的毛病。缺点：是价格较高，由于显示屏上的玻璃较薄使屏幕较脆弱。打印机打印机是目前非常通用的一种输出设备，其结构可分为机械装置和控制电路两部分。常见的有针式、喷墨、激光打印机三类。打印分辨率、速度、幅面、最大打印能力等是衡量打印机性能的重要指标。语音交互设备语音作为一种重要的交互手段，日益受到人们的重视。基本的语音交互设备耳机麦克风声卡虚拟现实系统要求计算机可以实时显示一个三维场景，用户可以在其中自由的漫游，并能操纵虚拟世界中一些虚拟物体。因此，除了一些传统的控制和显示设备，虚拟现实系统还需要一些特殊的设备和交互手段，来满足虚拟系统中的显示、漫游以及物体操纵等任务。三维空间定位设备三维显示设备空间跟踪定位器或称三维空间传感器是一种能实时地检测物体空间运动的装置，可以得到物体在六个自由度上相对于某个固定物体的位移，包括：X、Y、Z坐标上的位置值，以及围绕X、Y、Z轴的旋转值（转动，俯仰、摇摆）。这种三维空间传感器对被检测的物体必须是无干扰的，也就是说，不论这种传感器是基于何种原理或使用何种技术，它都不应当影响被测物体的运动，因而称为“非接触式传感器”。三维空间跟踪定位器一般与其他VR设备结合使用，如：数据头盔、立体眼镜、数据手套等。数据手套一般由很轻的弹性材料构成，紧贴在手上。整个系统包括位置、方向传感器和沿每个手指背部安装的一组有保护套的光纤导线，它们检测手指和手的运动。数据手套将人手的各种姿势、动作通过手套上所带的光导纤维传感器，输入计算机中进行分析。这种手势可以是一些符号表示或命令，也可以是动作。手势所表示的含义可由用户加以定义。在虚拟环境中，操作者通过数据手套可以用手去抓或推动虚拟物体，以及做出各种手势命令。三维鼠标能够感受用户在六个自由度的运动，包括三个平移参数和三个旋转参数。其装置比较简单：一个盖帽放在带有一系列开关的底座上。转动这个小球或侧方向推动这个小球时，如向上拉它、向下压它，使它向前或向后等。三维鼠标将用户的这些动作传送给计算机，从而进一步控制虚拟环境中的物体的运动。虚拟现实系统必须提供触觉反馈，以便使用户感觉到仿佛真的摸到了物体。但是由于人的触觉非常敏感，精度一般的装置根本无法满足要求。另外，对于触觉和力反馈器，还要考虑到模拟力的真实性、施加到人手上是否安全以及装置是否便于携带并让用户感到舒适等问题。目前已经有一些关于力学反馈手套、力学反馈操纵杆、力学反馈笔、力学反馈表面等装置的研究。Virtual Technology公司的触觉反馈手套Phantom公司的hapticdevice立体视觉头盔式显示器CAVE真三维显示 由于人类从客观世界获得的信息60%以上来自视觉，因而视觉沟通就成为多感知虚拟现实系统中最重要的环节，立体视觉技术也就成为虚拟现实的一种极重要的支撑技术。人是通过右眼和左眼所看到物体的细微差异来感知物体的深度，从而识别出立体图像的。立体影像生成技术主要有两种主动式模式对应用户的左右眼影像将按照顺序交替显示，用户使用LCD立体眼镜保持与立体影像的同步，这种模式可以产生高质量的立体效果。被动式系统需要使用两套显示设备以及投影设备分别生成左右眼影像并进行投影，不同的投影分别使用不同角度的偏振光来区别左右眼影像，用户使用偏振光眼镜保持立体影像的同步。头盔式显示器（Head Mounted Display，HMD，）是一种立体图形显示设备，可单独与主机相连以接受来自主机的三维虚拟现实场景信息。目前最常用的头盔显示器是基于液晶显示原理的，最早如美国VPL公司于1992年推出的Eyephone，它在头上装有一个分辨率为360240象素的液晶显示器，其视野为水平100度。这是一种四面或六面的沉浸式虚拟现实环境。对于处在系统内的用户来说，投影屏幕将分别覆盖用户的正面、左右以及底面视野，构成一个边长为10英尺的立方体。可以允许多人走进CAVE中，用户戴上立体眼镜便能从空间中任何方向看到立体的图像。CAVE 实现了大视角、全景、立体、且支持510 人共享的一个虚拟环境。真三维显示是三维显示的最终目标，是一种能够实现360度视角观察的三维显示技术，是现实景物的最真实的再现。在真三维显示场景中，位置各异的用户无需借助其他器具，就可以围绕显示区域看到与自身位置相对应的信息，在宽广的视场和视距范围内随心所欲地边走边看，符合人类对真实场景的观看方式。缺点：只能产生半透明的3D透视图，而无法显示不透明的三维物体。显示技术扫描体显示固态体显示 山东大学考古数字博物馆综合利用前面介绍的各种虚拟设备，可以在此基础上完成一些较为复杂的应用。山东大学构建了一套基于桌面的虚拟现实平台，并用于山东大学考古数字博物馆漫游系统跟踪器立体眼镜/头盔音箱手 势位 置语音命令传统命令通 道理解整合立体图像三维音效麦克风鼠标/键盘数据手套数字博物馆的系统架构两个跟踪器分别固定在用户的手套和身体上固定在身体上的跟踪器跟踪用户的转动，控制用户在场景中漫游的方向；附着在手套上的跟踪器跟踪手相对于身体的相对位置。如果手与虚拟空间中的物体发生碰撞，则利用数据手套检测用户的手势命令，判断用户是否要抓取物体。语音命令可以辅助用户在虚拟场景中进行漫游。对虚拟现实交互设备进行分类归纳总结，并进行优缺点比较。设计一个手写板绘图程序，获取用户在手写板上的输入位置和压力信息，获取基本笔划。利用WIA，设计一个图像采集与管理程序，支持从摄像头、扫描仪和数码相机获取图像。设计网络聊天模拟器，支持键盘、鼠标、耳麦和摄像头等设备，模拟信息输入、发送功能，以及语音、视频聊天功能等。给出一个实际应用中交互设备整合应用的实例。