虚拟现实硬件-new.ppt

1、采用以采用以计算机技术计算机技术为核心的现代高科技为核心的现代高科技手段生成逼真的视觉、听觉、触觉、嗅手段生成逼真的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等觉、味觉等一体化的虚拟环境一体化的虚拟环境，用户从，用户从自己的视点出发，借助特殊的输入输出自己的视点出发，借助特殊的输入输出设备，采用设备，采用自然的方式自然的方式与虚拟世界的物与虚拟世界的物体进行体进行交互，相互影响交互，相互影响。虚拟现实：虚拟现实：q虚拟现实系统虚拟现实系统“ 3 I ”图图 Immersion-Interaction-Imagination ImmersionImaginationInteraction桌面式虚拟现实系统桌面

2、式虚拟现实系统增强式虚拟现实系统增强式虚拟现实系统虚拟现实系统的硬件虚拟现实系统的硬件用户用户+硬件硬件+虚拟环境虚拟环境交互性交互性用户用户 虚拟环境虚拟环境用户信息用户信息反馈信息反馈信息输入输出设备输入输出设备必要性：必要性：终极目标：终极目标： 如 ：身体运动身体运动3-D3-D位置跟踪器；位置跟踪器；手势手势传感手套；传感手套；视觉反馈视觉反馈立体显示器；立体显示器；虚拟声音虚拟声音3-D3-D声音生成器；声音生成器；观察方向观察方向跟踪球和操纵杆。跟踪球和操纵杆。 VRVR硬件的系统集成硬件的系统集成VRVR系统需要：一个以系统需要：一个以计算机计算机为核心、将多种为核心、将多种I

3、/OI/O交互设备协调组合在一起的硬件平台。交互设备协调组合在一起的硬件平台。 计算机系统的功能：计算机系统的功能：保障虚拟三维场景的实时计算和显示，尽量减少保障虚拟三维场景的实时计算和显示，尽量减少延迟；延迟；协调各种协调各种I/OI/O交互设备之间的工作，确保系统整体交互设备之间的工作，确保系统整体运行的性能。运行的性能。PC机机、工作站工作站和和超级计算机超级计算机等等VIEW系统组成 VR系统平台系统平台VIEW（Virtual Interface Environment Workstation） VIEW:VIEW:一组由计算机控制的一组由计算机控制的I/OI/O子系统子系统提供虚拟

4、环境所需的提供虚拟环境所需的各种感觉通道的识别和控制各种感觉通道的识别和控制功功能能HP公司的HP900835SGI的图形计算机或HPSRX图形系统图形处理Plohemus空间跟踪系统跟踪手部位置LEEP广角立体视景头戴显示器和单色液晶显示器麦克风语音识别两个耳机三维声音跟踪VPL数据手套识别使用者手势控制系统的行为BOOM CRT显示器及Fake Space远程摄像系统三维跟踪传感设备三维跟踪传感设备立体鼠标立体鼠标传感手套传感手套数据衣数据衣立体显示器立体显示器触觉和力觉反馈装置触觉和力觉反馈装置3-D声音生成器声音生成器典型输入输出装置：典型输入输出装置：跟踪器的作用：跟踪器的作用： 应

5、用：应用： VR： 1、三维位置跟踪器、三维位置跟踪器跟踪器：跟踪身体 身体跟踪：身体跟踪：VR系统感知参与者位置和动作；系统感知参与者位置和动作；身体姿态与手势；身体姿态与手势；跟踪头部：头的朝向，影响绘制场景跟踪头部：头的朝向，影响绘制场景手和手指：手提供了与世界交互的方法手和手指：手提供了与世界交互的方法眼睛：眼睛的注视方向眼睛：眼睛的注视方向躯干：躯干的方向躯干：躯干的方向脚：确定漫游速度和方向脚：确定漫游速度和方向其它身体部位：体温、心率等其它身体部位：体温、心率等间接跟踪：使用物理对象而不是身体部位间接跟踪：使用物理对象而不是身体部位来估计参与者的位置；来估计参与者的位置；跟踪器跟

6、踪物体的移动：跟踪器跟踪物体的移动：3-D空间中移动物体的参数：在移动物体上捆绑一个笛卡尔坐标系，则对象有：三个平移参数：沿X，Y，Z轴移动；三个旋转参数：沿X，Y，Z轴旋转，称为“yaw”，“pitch”，“roll”；六个运动方向相互正交，构成六个独立变量：x，y，z，水平角，俯仰角，偏转角，被称为6自由度（Degree of Freedom，DOM）不良跟踪器的后果不良跟踪器的后果不良跟踪器即不良跟踪器即定位误差定位误差较大的跟踪器较大的跟踪器定位误差：跟踪对象出现在不该出现的位定位误差：跟踪对象出现在不该出现的位置上；体验与经验相违背；置上；体验与经验相违背；定位误差将给用户造成一种类

7、似于运动病定位误差将给用户造成一种类似于运动病的症状，如眩晕、晕船感、视觉混乱、身的症状，如眩晕、晕船感、视觉混乱、身体乏力等；体乏力等；衡量跟踪器性能的参数衡量跟踪器性能的参数精度精度抖动抖动偏差偏差延迟延迟更新率更新率跟踪器的性能参数跟踪器的性能参数精度精度跟踪器的跟踪器的精度精度 注意：注意：跟踪器的性能参数跟踪器的性能参数抖动抖动跟踪器的跟踪器的抖动抖动 注意：注意：跟踪器的性能参数跟踪器的性能参数偏差偏差跟踪器的跟踪器的偏差偏差 注意：注意：跟踪器的性能参数跟踪器的性能参数延迟延迟跟踪器的跟踪器的延迟延迟 注意：注意：降低延迟的方法：降低延迟的方法：跟踪器的性能参数跟踪器的性能参数更

8、新率更新率跟踪器的跟踪器的更新率更新率 3种常用跟踪技术的主要性能指标种常用跟踪技术的主要性能指标3 3 3跟踪器跟踪器类型类型分辨率分辨率精度精度延迟延迟跟踪范围跟踪范围电磁波电磁波1mm 0.03mm3mm 0.1mm50ms半径半径1.6m的半球形的半球形超声波超声波10mm 0.5mm依空气依空气密度变密度变化化30ms45m3光学光学2mm 0.02mm1mm1ms48m3（可（可扩展至扩展至14m3）三维位置跟踪器类型三维位置跟踪器类型机械跟踪器机械跟踪器Gypsy 动作捕获系统动作捕获系统无线动作捕获系统范围：在户外的有效距离可以达到0.8公里，相当于450个足球场的范围；室内的

9、范围为180米 没有摄象头-直接记录人体的身体动作 操作非常简单便携 机械跟踪器的优点机械跟踪器的优点机械跟踪器的缺点机械跟踪器的缺点三维位置跟踪器类型三维位置跟踪器类型发射器：发射磁场发射器：发射磁场接收器：接受磁场，将信号送到控制部件接收器：接受磁场，将信号送到控制部件控制部件：计算得出跟踪目标的数据控制部件：计算得出跟踪目标的数据优点：不受视线阻挡的限制优点：不受视线阻挡的限制交流电磁跟踪器交流电磁跟踪器 Polhemus跟踪器Polhemus公司生产方位跟踪器： Isotrak 3Space跟踪器 FastrakFASTRAK：非金属上的快速动作捕捉器，取样频率达每秒120次；适用于头

10、部跟踪、手部跟踪、仪器追踪、生物机械分析、机械臂动作捕捉等应用交流电磁跟踪器的缺点交流电磁跟踪器的缺点直流电磁跟踪系统：直流电磁跟踪系统：减少畸变减少畸变的影的影响响只在测量周期开始时产生涡流只在测量周期开始时产生涡流涡流衰减到零时系统会达到一种稳定状态涡流衰减到零时系统会达到一种稳定状态直流电跟踪器直流电跟踪器Ascension技术公司直流电磁跟踪器：技术公司直流电磁跟踪器：BirdFlock of BirdsERT（Big Bird） Ascension Bird跟踪器跟踪器发射器：发射一系列脉冲，控制发射场的开与关。发射器：发射一系列脉冲，控制发射场的开与关。特点：减小由金属物体所感应的

11、畸变涡流场，涡流只特点：减小由金属物体所感应的畸变涡流场，涡流只在磁场发生变化时产生。在磁场发生变化时产生。Polhemus 3spacePolhemus 3space发射器发射器发射连续变化的磁场，连发射连续变化的磁场，连续不断地产生涡流续不断地产生涡流BirdBird发射器发射器发射磁脉冲，只在测量周期开始时产发射磁脉冲，只在测量周期开始时产生涡流。一旦磁场达到了稳态，就不再产生涡流生涡流。一旦磁场达到了稳态，就不再产生涡流三维位置跟踪器类型三维位置跟踪器类型超声波跟踪器超声波跟踪器 Piltdown三维罗盘三维罗盘三维位置跟踪器立体鼠标传感手套数据衣立体显示器3-D声音生成器触觉和力觉反

12、馈装置2、立体鼠标普通鼠标:平面运动立体鼠标：六个自由度的运动Space mouse，如3Space公司的SpaceBallcubic mouseSpaceBall50003Dconnexion公司的公司的Space mouse 三维鼠标三维鼠标三维位置跟踪器立体鼠标传感手套数据衣立体显示器3-D声音生成器触觉和力觉反馈装置VR强调以自然方式进行交互强调以自然方式进行交互手势手势把手势用于人机交互：把手势用于人机交互：赋予手势确切的交互操作的含义赋予手势确切的交互操作的含义带传感器的手套，能把手指和手掌伸屈时的各带传感器的手套，能把手指和手掌伸屈时的各种姿态转换为数字信号送给计算机；种姿态转换

13、为数字信号送给计算机；3、传感手套传感手套要传感手套要配备位置跟踪器配备位置跟踪器以检测手的实以检测手的实际位置和方位；际位置和方位；传感手套：传感手套：数据手套、赛伯手套、威力手套、手控制器、数据手套、赛伯手套、威力手套、手控制器、说话手套说话手套 最早的传感手套（最早的传感手套（VPLVPL）把人手的动作转化为计算机的输入信号；把人手的动作转化为计算机的输入信号；构成：构成：很轻的弹性材料构成。弹性材料紧贴在手上，很轻的弹性材料构成。弹性材料紧贴在手上，同时附许多同时附许多位置、方向传感器和光纤导线位置、方向传感器和光纤导线，以，以检测手的运动。检测手的运动。光纤：光纤：测量手指的弯曲、伸

14、展，通过光电转测量手指的弯曲、伸展，通过光电转换，手指的动作信息被计算机识别。换，手指的动作信息被计算机识别。 DataGlove 光导纤维传感器：光导纤维传感器：监视监视手指弯曲和伸展手指弯曲和伸展 位置方向跟踪系统位置方向跟踪系统：监：监视手的位置和方向视手的位置和方向 微处理器：微处理器：监控通过光监控通过光导纤维的光量及由空间跟导纤维的光量及由空间跟踪器返回的信息，对数据踪器返回的信息，对数据分析后传递给主机。分析后传递给主机。工作原理：工作原理：光导纤维：测量手指角度。当光导纤维弯曲时，光导纤维：测量手指角度。当光导纤维弯曲时，传输的光将会有损失，传输的光量与其弯曲程度有传输的光将会

15、有损失，传输的光量与其弯曲程度有关。手指关节运动时，纤维弯曲导致光的散失。关。手指关节运动时，纤维弯曲导致光的散失。 高精度传感器系统，准确跟踪人手的复杂运动高精度传感器系统，准确跟踪人手的复杂运动 外轮廓外轮廓附着在手的背面，监视手的整个运动过附着在手的背面，监视手的整个运动过程程 每一个手指关节上附着一个每一个手指关节上附着一个Hall EffectHall Effect传感器传感器，测量手指三个弯曲动作及手指间的动作。测量测量手指三个弯曲动作及手指间的动作。测量2020个个关节的角度，并将数据送给主机。关节的角度，并将数据送给主机。 EXOS的精巧手控设备的精巧手控设备EXOS精巧手控设

16、备精巧手控设备 为家庭视频游戏市场专门设计的，性能为家庭视频游戏市场专门设计的，性能比其他同类产品低得多，但价格较为便宜比其他同类产品低得多，但价格较为便宜 使用基于使用基于有一恒定弹力的塑料的张力测有一恒定弹力的塑料的张力测量仪量仪。一个单独的传感器一次测量所有关。一个单独的传感器一次测量所有关节，不能检测某一特殊的关节。节，不能检测某一特殊的关节。PowerGloveVirtexVirtex公司的一种新高精度关节传感技术，公司的一种新高精度关节传感技术，被广泛用来创建、终止、定位三维物体。被广泛用来创建、终止、定位三维物体。有有2222个传感器个传感器，每个手指三个弯曲传感器和，每个手指三

17、个弯曲传感器和一个外展肌传感器。拇指与小手指由一传感一个外展肌传感器。拇指与小手指由一传感器相连，手腕处有一传感器。器相连，手腕处有一传感器。一个高精度设备，能提供准确而连续的输出。一个高精度设备，能提供准确而连续的输出。 CyberGlove传感手套Data GloveCyberGloveCyberGrasp三维位置跟踪器三维位置跟踪器传感手套传感手套立体鼠标立体鼠标数据衣数据衣立体显示器立体显示器3-D声音生成器声音生成器触觉和力觉反馈装置触觉和力觉反馈装置识别全身运动识别全身运动对人体大约对人体大约5050多个不同的关节进行测量，包括膝多个不同的关节进行测量，包括膝盖、手臂、躯干和脚。盖

18、、手臂、躯干和脚。通过光电转换，身体的运动信息被计算机识别。通过光电转换，身体的运动信息被计算机识别。光纤系统光纤系统: :大量光纤装在一个紧身衣服上，能测量大量光纤装在一个紧身衣服上，能测量肢体的位置，用计算机重建出图象。肢体的位置，用计算机重建出图象。4、数据衣、数据衣问题问题?人外形变化太大人外形变化太大需要使用多个空间跟踪器：需要使用多个空间跟踪器：检测肢体伸展状况检测肢体伸展状况检测肢体的空间位置及方向检测肢体的空间位置及方向多个跟踪器提高计算速度，达到实时性更加困难。多个跟踪器提高计算速度，达到实时性更加困难。三维位置跟踪器三维位置跟踪器传感手套传感手套立体鼠标立体鼠标数据衣数据衣

19、立体显示设备立体显示设备3-D声音生成器声音生成器触觉和力觉反馈装置触觉和力觉反馈装置5、立体显示设备、立体显示设备立体显示原理立体显示原理常用立体显示装置常用立体显示装置HMDBOOM立体眼镜立体眼镜立体投影显示立体投影显示3D显示器显示器立体视觉：人眼感觉到空间立体感的主要原立体视觉：人眼感觉到空间立体感的主要原因；因；两只眼睛之间存在一定的距离。两只眼睛之间存在一定的距离。看物体时，两只眼睛从不同的角度来看，看到看物体时，两只眼睛从不同的角度来看，看到的画面是不完全一样的，中间存在一定的差别的画面是不完全一样的，中间存在一定的差别（双眼立体视觉），这个差别称为（双眼立体视觉），这个差别称

20、为“视差视差”。大脑根据视差，产生物体远近位置的信息大脑根据视差，产生物体远近位置的信息这种信息的直观表现即立体感。这种信息的直观表现即立体感。 （1）立体显示原理）立体显示原理如果能够左右两只眼睛从显示器屏幕上看如果能够左右两只眼睛从显示器屏幕上看到两副具有视差的有区别的画面，反映到到两副具有视差的有区别的画面，反映到大脑，就会产生立体感。大脑，就会产生立体感。立体显示设备就是为了实现这样的一个过立体显示设备就是为了实现这样的一个过程。程。首先，产生两副具有视差的画面首先，产生两副具有视差的画面真实场景：用两架照相机相距一定的距离同时真实场景：用两架照相机相距一定的距离同时拍摄即可得到具有视

21、差的两副画面；拍摄即可得到具有视差的两副画面；3D3D游戏：通过计算来得到具有视差的两副画面。游戏：通过计算来得到具有视差的两副画面。然后：在显示器上显示出来然后：在显示器上显示出来最后：让左眼只看到左眼的画面，右眼只最后：让左眼只看到左眼的画面，右眼只看到右眼的画面看到右眼的画面立体图的绘制立体图的绘制对同一场景用左右两个视点分别计算其透视图，对同一场景用左右两个视点分别计算其透视图，产生两幅具有一定视差的图象；产生两幅具有一定视差的图象；在虚拟环境中，用户的视场在水平方向至少要在虚拟环境中，用户的视场在水平方向至少要有有110110度，垂直方向度，垂直方向6060度，还要有不小于度，还要有

22、不小于3030度度的双目立体重叠的双目立体重叠立体图象的显示：立体图象的显示：1 1、同时显示左右两幅图象、同时显示左右两幅图象 称为同时显示技术（称为同时显示技术（time-paralleltime-parallel），是对两），是对两幅图象用不同的幅图象用不同的光波长光波长显示，用户的眼睛片分显示，用户的眼睛片分别配以相应的别配以相应的滤波片滤波片，使双眼只能看到相应的，使双眼只能看到相应的图象；图象； 此技术在此技术在2020世纪世纪5050年代被广泛应用于立体电年代被广泛应用于立体电影放映中；影放映中； 立体图象的显示：立体图象的显示：2 2、以一定的频率交替显示两幅图象、以一定的频率

23、交替显示两幅图象 称为分时显示技术（称为分时显示技术（time-multiplexedtime-multiplexed），两幅），两幅图象的交替频率通常为图象的交替频率通常为30Hz30Hz；同时为了保证每；同时为了保证每只眼睛只能看到各自相应的图象，用户通过以只眼睛只能看到各自相应的图象，用户通过以相同频率同步切换的立体眼镜来观察图象；相同频率同步切换的立体眼镜来观察图象；应用现代计算机图形学和可视化领域中使用光栅显现代计算机图形学和可视化领域中使用光栅显示器，光栅显示器的显示方式和显示内容是无示器，光栅显示器的显示方式和显示内容是无关的；关的；分时显示技术能够容易地通过光栅显示技术来分时显

24、示技术能够容易地通过光栅显示技术来实现，所以在立体图的显示中占据了主导地位。实现，所以在立体图的显示中占据了主导地位。（2）常用立体显示器立体眼镜立体眼镜HMDBOOM立体投影显示立体投影显示3D显示器显示器立体眼镜立体眼镜：保证用户左右眼只能看到对应：保证用户左右眼只能看到对应的左右视图；的左右视图；包括：主动立体包括：主动立体眼镜（有源立体眼镜）眼镜（有源立体眼镜） 被动立体被动立体眼镜（无源立体眼睛）眼镜（无源立体眼睛）立体眼镜立体眼镜立体眼镜主动（有源）立体眼镜主动（有源）立体眼镜镜框上装有电池及液晶调制器控制的镜片；镜框上装有电池及液晶调制器控制的镜片；立体监视器配有红外线发射器，根

25、据监视器显立体监视器配有红外线发射器，根据监视器显示左右眼视图的频率发射红外控制信号；示左右眼视图的频率发射红外控制信号；眼镜的液晶调制器接收红外控制信号眼镜的液晶调制器接收红外控制信号眼镜接到红外控制信号后，调制镜片上液晶的眼镜接到红外控制信号后，调制镜片上液晶的通断状态，即控制左右镜片的透明和不透明状通断状态，即控制左右镜片的透明和不透明状态；态；如监视器显示左眼视图，发射红外信号使右眼如监视器显示左眼视图，发射红外信号使右眼镜片处于不透明状态，左眼处于透明状态，这镜片处于不透明状态，左眼处于透明状态，这样轮流切换；样轮流切换；图象效果好，但价格昂贵；图象效果好，但价格昂贵；被动（无源）立

26、体眼镜被动（无源）立体眼镜根据光的偏震原理设计，左右镜片是两片正交根据光的偏震原理设计，左右镜片是两片正交的偏震滤光片，分别只允许一个方向的偏震光的偏震滤光片，分别只允许一个方向的偏震光通过通过监视器显示屏前装一同样大小的液晶立体调制监视器显示屏前装一同样大小的液晶立体调制器器显示器的左右眼视图经液晶立体调制器形成左显示器的左右眼视图经液晶立体调制器形成左偏震光和右偏震光，分别透过左右镜片，使左偏震光和右偏震光，分别透过左右镜片，使左眼只能看到左视图，右眼只能看到右视图；眼只能看到左视图，右眼只能看到右视图；无源立体眼镜价格低廉，无须红外发射器；无源立体眼镜价格低廉，无须红外发射器； 头盔式立

27、体显示器（HMD）头盔式立体显示器是头盔式立体显示器是VR普遍采用的立体显示器普遍采用的立体显示器是安装在头盔上的显示是安装在头盔上的显示装置，头盔显示器戴在装置，头盔显示器戴在头部，用机械方法固定头部，用机械方法固定，头盔显示器与头之间，头盔显示器与头之间不能有相对运动；不能有相对运动；头盔式立体显示器（头盔式立体显示器（HMD）头盔上装有头盔上装有位置跟踪器位置跟踪器，可实时测出头部的位，可实时测出头部的位置和朝向，并输入计算机；置和朝向，并输入计算机；计算机根据这些数据生成反映当前位置和朝向计算机根据这些数据生成反映当前位置和朝向的的场景图象并显示场景图象并显示在头盔显示器的屏幕上；在头

28、盔显示器的屏幕上；用户只能看到计算机生成的用户只能看到计算机生成的虚拟世界虚拟世界，看不到，看不到其所处的现实世界，从而获得沉浸感；其所处的现实世界，从而获得沉浸感；头盔显示器的显示屏不透明，距离人眼很近，头盔显示器的显示屏不透明，距离人眼很近，需用专用的需用专用的光学系统（光学系统（LEEP系统）系统）使人眼能使人眼能聚焦在如此近的距离又不易疲劳；聚焦在如此近的距离又不易疲劳；三维空间传感器HMD 基于LCD的头盔式显示器优点：便宜优点：便宜缺点：缺点：LCD分辨率有限分辨率有限 Eyephone头盔式显示器 使用单色的便携使用单色的便携LCD电视显示器，分辨率很低，电视显示器，分辨率很低，

29、显示器是单色的。显示器是单色的。 LX型Eyephone 图象由宽角图象由宽角FMT光学器件显示。使用了光学器件显示。使用了Fresnel透镜，比最初的透镜，比最初的LEEP视觉系统轻。视觉系统轻。 VPL HRX型Eyephone是基于是基于LX型型Eyephone的彩色立体显示系统。使的彩色立体显示系统。使用的用的LCD大约有大约有350000个彩色象素，能够显示较高个彩色象素，能够显示较高分辨率的图象分辨率的图象 Virtual Research的飞行头盔的飞行头盔 低分辨率，使用宽角度低分辨率，使用宽角度LEEP系统。头盔形式系统。头盔形式和舒适程度方面设计很好，整体舒适程度比其他和舒

30、适程度方面设计很好，整体舒适程度比其他大多数基于大多数基于LCD的头盔式显示器要好，重量相对的头盔式显示器要好，重量相对要轻，容易保持平衡。要轻，容易保持平衡。 基于CRT的头盔式显示器优点：优点：低成本低成本小规格小规格高分辨率高分辨率带有光导纤维的头盔式显示器 CRT设备比设备比LCD有较高的分辨率，但很有较高的分辨率，但很笨重。因为电子束直径、点的聚焦和磷光笨重。因为电子束直径、点的聚焦和磷光体颗粒大小等原因影响体颗粒大小等原因影响CRT的分辨率。的分辨率。解决方法：解决方法：使用一个大屏幕、高分辨率的使用一个大屏幕、高分辨率的CRT作为图象源，作为图象源，把它的图象连接到头盔式显示器上

31、把它的图象连接到头盔式显示器上光导纤维用来把光导纤维用来把CRT的图象传送给头盔上的视的图象传送给头盔上的视觉系统。觉系统。优点：优点：能使用非常高分辨率的显示源，却不给头部带能使用非常高分辨率的显示源，却不给头部带来重量上的难题。来重量上的难题。BOOMLCDLCD和和CRTCRT的的HMDHMD都会受到头部跟踪延迟都会受到头部跟踪延迟的影响；延迟太大，使用户产生不适感的影响；延迟太大，使用户产生不适感需要有快速跟踪机制和快速图形绘制需要有快速跟踪机制和快速图形绘制NASANASA的研究与的研究与VIEWVIEW项目结合产生了项目结合产生了“基基于平衡于平衡CRTCRT的立体观察器的立体观察

32、器CCSVCCSV”，它使用一，它使用一个机械臂支撑个机械臂支撑CRTCRTCCSV的概念由的概念由Fakespace公司发展为公司发展为“BOOM”（Binocular Omni-Orientational Monitor，双目全方位监视，双目全方位监视器）器）半投入式视觉显示设备。半投入式视觉显示设备。类似于一对双目望远镜，把两个独立的类似于一对双目望远镜，把两个独立的CRT显显示器捆绑在一起，用户用手操纵显示器的位置，示器捆绑在一起，用户用手操纵显示器的位置，观察一个可移动的、宽视角的虚拟空间观察一个可移动的、宽视角的虚拟空间立体投影显示基于空间投影的显示技术基于空间投影的显示技术 CA

33、VE洞穴式立体显示装置洞穴式立体显示装置90年代初由美国年代初由美国Illinois大学大学EVL实验室为克服实验室为克服HMD存在的问题而存在的问题而研制的研制的一个一个10X10X9英尺大小的房间；每一面墙与地英尺大小的房间；每一面墙与地板均由大屏幕背投影机投上板均由大屏幕背投影机投上1024X768分辨率分辨率的立体图像；的立体图像；用户戴上立体眼镜能从空间中任意方向看到立用户戴上立体眼镜能从空间中任意方向看到立体图像；体图像；CAVE系统中配有三维立体声系统；系统中配有三维立体声系统；CAVE系统的关键是计算投影和形成立体图形，系统的关键是计算投影和形成立体图形，投影面相当于墙面；投影

34、面相当于墙面；特点：让几个用户同时沉浸在同一个虚拟世界特点：让几个用户同时沉浸在同一个虚拟世界中进行协同工作；中进行协同工作；3D显示器让画面充满在整个空间；让画面充满在整个空间； MITMIT媒体实验室发明了一种被称为边光显示媒体实验室发明了一种被称为边光显示器的新型三维显示器，不需用户戴上专门的器的新型三维显示器，不需用户戴上专门的眼镜也能观察到立体的图像。眼镜也能观察到立体的图像。把光源从显示器的下面向上发射，通过显示把光源从显示器的下面向上发射，通过显示器内部的发射与折射，使用户能看到立体的器内部的发射与折射，使用户能看到立体的图像。图像。优点：对显示器周围的环境没有任何严格的优点：对

35、显示器周围的环境没有任何严格的要求。要求。3D显示器经过两部分的处理。显示器经过两部分的处理。软件处理，把图像处理成需要的格式，比如左软件处理，把图像处理成需要的格式，比如左右眼交叉的栅状图。右眼交叉的栅状图。硬件手段：比如条状透镜组将左右眼画面分别硬件手段：比如条状透镜组将左右眼画面分别折射到各自的区域，观看者站在一些特定的位折射到各自的区域，观看者站在一些特定的位置上，左眼处于左眼图像区只能看到左眼图像，置上，左眼处于左眼图像区只能看到左眼图像，右眼只能看到右眼图像。右眼只能看到右眼图像。由于技术上原因，目前的由于技术上原因，目前的3D显示器基本都显示器基本都是基于是基于LCD液晶或者液晶

36、或者PDP等离子显示器的。等离子显示器的。Autostereoscopic：3D显示装置产生左右两副有视差的图像，显示显示装置产生左右两副有视差的图像，显示出来，左眼看到左眼图像，右眼看到右眼图像出来，左眼看到左眼图像，右眼看到右眼图像以前的以前的3D显示设备要使用一个设备（液晶眼镜、显示设备要使用一个设备（液晶眼镜、红蓝眼镜等）来分离左右眼画面，现在的红蓝眼镜等）来分离左右眼画面，现在的3D显显示器则无需这样的设备，所以称为示器则无需这样的设备，所以称为autostereoscopic或者或者glassless不需佩戴不需佩戴3D眼镜可以直接看眼镜可以直接看 代表性的代表性的3D显示器：显示

37、器：德国德国4D-Vision公司的公司的4D-Vision技术技术DTI的视差照明技术的视差照明技术Parallax Illumination）利浦的多重视点技术（利浦的多重视点技术（Multiview 3D-LCD）德累斯顿大学的德累斯顿大学的D4D技术技术4D-Vision最吸引人的产品就是最吸引人的产品就是4D50将将3D技术应用于技术应用于50英寸大屏幕等离子显示器，英寸大屏幕等离子显示器，造就一款极具震撼力的产品。造就一款极具震撼力的产品。DTI的视差照明技术Parallax IlluminationDTI的2015XLS显示器照片 原理：原理：左右眼图像在一副画面上显示左右眼图像

38、在一副画面上显示将每副画面分割成一列一列，左右眼列交叉，将每副画面分割成一列一列，左右眼列交叉，形成一副特殊的画面，其中奇数列为左眼画面，形成一副特殊的画面，其中奇数列为左眼画面，偶数列为右眼画面偶数列为右眼画面最终立体画面的分辨率只有显示器分辨率的一最终立体画面的分辨率只有显示器分辨率的一半。假设显示器的分辨率为半。假设显示器的分辨率为1024x768，那么眼，那么眼睛所看到的画面的分辨率为睛所看到的画面的分辨率为512x768。 飞利浦的多重视点飞利浦的多重视点Multiview 3D-LCD 飞利浦在飞利浦在3D显示器方面，采用了多重显示器方面，采用了多重视点的技术。视点的技术。原理：原

39、理：把多视点图像进行分解，按像素划分成竖列把多视点图像进行分解，按像素划分成竖列然后把竖列交叉排列拼成一副图像然后把竖列交叉排列拼成一副图像Dresden 3D Display（D4D）德累斯顿技）德累斯顿技术大学术大学 D4Dc_181照片增加轨迹探测系统，跟踪脑袋的位置，实增加轨迹探测系统，跟踪脑袋的位置，实时调整显示器左右画面反射角度，达到很时调整显示器左右画面反射角度，达到很好的观看效果，不受位置限制。好的观看效果，不受位置限制。不能用于多人观看不能用于多人观看 未来立体显示器未来立体显示器展望展望 360度显示器照片 目前的目前的3D显示器，属于单视点的立体显示显示器，属于单视点的立

40、体显示装置，重现的是在装置，重现的是在某一点的立体视觉效果某一点的立体视觉效果，想看到物体侧面或后面是不可能的。想看到物体侧面或后面是不可能的。将来的立体显示器将是多视点的类似全息技将来的立体显示器将是多视点的类似全息技术的效果，可通过改变视点看场景或物体的术的效果，可通过改变视点看场景或物体的其它面。其它面。三维位置跟踪器三维位置跟踪器传感手套传感手套立体鼠标立体鼠标数据衣数据衣显示设备显示设备3-D声音生成器声音生成器触觉反馈触觉反馈6、3-D声音生成器3-D声音不是立体声，是指由计算机生成的、声音不是立体声，是指由计算机生成的、能由人工设定声源在空间中三维位置的一能由人工设定声源在空间中

41、三维位置的一种声音；种声音；3-D声音生成器是利用人类定位声音的特点声音生成器是利用人类定位声音的特点生成出生成出3-D声音的一套软硬件系统；声音的一套软硬件系统；三维位置跟踪器三维位置跟踪器传感手套传感手套立体鼠标立体鼠标数据衣数据衣显示设备显示设备3-D声音生成器声音生成器触觉反馈触觉反馈VRVR产生产生“沉浸沉浸”效果的关键因素之一是效果的关键因素之一是用户能否用手或身体的其他部分去用户能否用手或身体的其他部分去操作虚拟操作虚拟物体物体，并在操作的同时能够，并在操作的同时能够感觉到虚拟物体感觉到虚拟物体的反作用力的反作用力。没有力觉反馈作用的系统至少有两个缺没有力觉反馈作用的系统至少有两

42、个缺点：点：首先是缺乏真实感；其次是给视觉计算首先是缺乏真实感；其次是给视觉计算带来麻烦带来麻烦7、触觉反馈触觉反馈触觉反馈接触反馈接触反馈力反馈力反馈触觉反馈的分类触觉反馈的分类人类触觉系统感知类型人类触觉系统感知类型触觉反馈接口触觉反馈接口触觉反馈接口触觉反馈接口接触反馈接口接触反馈接口力反馈接口力反馈接口触觉鼠标触觉鼠标触觉手套触觉手套 （CyberTouch）温度反馈手套温度反馈手套 触觉鼠标触觉鼠标iFeeliFeel工作原理：工作原理： iFeel特点：特点：使用电子激励器，振使用电子激励器，振动式动式振动幅度和频率可调，振动幅度和频率可调，可以感知触觉纹理（窗可以感知触觉纹理（窗

43、口边缘、菜单、超链接、口边缘、菜单、超链接、不同粗糙程度的地面布不同粗糙程度的地面布料等）料等）光电式光电式USBUSB接口接口售价：售价：4040美元美元触觉手套触觉手套CyberTuchCyberTuch工作原理：工作原理： CyberTuch特点：特点：使用使用6 6个振动激励器（直流、离心质体）个振动激励器（直流、离心质体）带手势接口传感器带手势接口传感器可产复杂的触觉反馈模式可产复杂的触觉反馈模式用户大的运动自由度用户大的运动自由度RSRS232232接口接口售价：售价：1500015000美元美元温度反馈手套温度反馈手套温度反馈手套的作用：温度反馈手套的作用： 帮助用户确定虚拟物体

44、表面的帮助用户确定虚拟物体表面的热量特性热量特性（温度高低），（温度高低），帮助用户确定虚拟物体的帮助用户确定虚拟物体的材质材质（如高导热性的金属和低导（如高导热性的金属和低导热性的木头等），从而提高虚拟环境的真实感热性的木头等），从而提高虚拟环境的真实感 温度反馈手套中对热量激励器的要求：温度反馈手套中对热量激励器的要求： 能进行较快的温度变化。（热传导、热对流、热辐射）能进行较快的温度变化。（热传导、热对流、热辐射） 小巧轻便小巧轻便干净快捷，以保持温度变化的快速干净快捷，以保持温度变化的快速温度安全温度安全触觉反馈接口触觉反馈接口触觉反馈接口触觉反馈接口接触反馈接口接触反馈接口力反馈接口

45、力反馈接口触觉鼠标触觉鼠标触觉手套（触觉手套（CyberTouch）温度反馈手套温度反馈手套力反馈接口力反馈接口力反馈接口力反馈接口力反馈操纵杆特点：力反馈操纵杆特点：Logitech 的 WingMan Force 3D操纵杆的力反馈系统操纵杆的力反馈系统力反馈接口力反馈接口力反馈接口力反馈接口力反馈接口力反馈接口力反馈接口力反馈接口VR系统中人的因素nVR系统组成：系统组成： 计算机，接口和用户。计算机，接口和用户。 n接口设计必须考虑人的因素，人的因素与接口设计必须考虑人的因素，人的因素与VR系统性能直接相关。系统性能直接相关。VR系统中人的因素眼睛眼睛耳朵耳朵身体感觉身体感觉平衡和运动

46、眩晕平衡和运动眩晕眼睛调节n调节作用保证某个距离的物体清晰，而其调节作用保证某个距离的物体清晰，而其它距离物体模糊。这起了滤波器的作用，它距离物体模糊。这起了滤波器的作用，使人集中关注视场中部分区域。在使人集中关注视场中部分区域。在HMD中中没有调节，没有调节，2个图象聚焦在个图象聚焦在2到到3米距离。米距离。眼睛视觉暂留 视觉暂留是视网膜的电化学现象造成视视觉暂留是视网膜的电化学现象造成视觉的反应时间。当观看很短的光脉冲时，觉的反应时间。当观看很短的光脉冲时，视杆细胞得到约视杆细胞得到约0.25s 的峰，视锥细胞快的峰，视锥细胞快4倍倍(0.04s)。这种现象造成视觉暂留。这种现象造成视觉暂

47、留。是电影、电视、是电影、电视、VR显示的基础。显示的基础。 眼睛临界熔合频率临界熔合频率临界熔合频率(Critical Fusion Fregnency,CFF)效果会产生把离散图象序效果会产生把离散图象序列组合成连续视觉的能力，列组合成连续视觉的能力，CFF最低最低20Hz，并取决于图象尺寸和亮度。并取决于图象尺寸和亮度。眼睛立体视觉HMD提供两个显示，不但应保持双目视差，提供两个显示，不但应保持双目视差，而且应该重叠。实际上而且应该重叠。实际上,由于两眼有由于两眼有6.5cm的的瞳距，所以两者视场总有些差别瞳距，所以两者视场总有些差别,有不重叠有不重叠的区域。的区域。 眼睛视场双目的视场

48、约为水平双目的视场约为水平1000，垂直，垂直600，而水平的双目重叠视场而水平的双目重叠视场1200。实际的全景显。实际的全景显示可能产生水平示可能产生水平1000，垂直，垂直300视场，视场，这已经有强的沉浸感。这已经有强的沉浸感。头盔显示（头盔显示（HMD显示）的主要问题是分辩率、显示）的主要问题是分辩率、彩色、视场、场深度、动态范围、光学失真彩色、视场、场深度、动态范围、光学失真与全面沉浸感。与全面沉浸感。 VR系统中人的因素眼睛眼睛耳朵耳朵身体感觉身体感觉平衡和运动眩晕平衡和运动眩晕耳朵声音耳听到的频率范围约耳听到的频率范围约20Hz到到20kHz。随年岁。随年岁增加，频率范围缩小，

49、特别是高频段。增加，频率范围缩小，特别是高频段。人耳的尺寸约人耳的尺寸约7cm，这是，这是5kHz的波长。这的波长。这说明耳会影响这种频率声音的收集。人的身说明耳会影响这种频率声音的收集。人的身体也会与声波交互，这也会影响声音的质量。体也会与声波交互，这也会影响声音的质量。这类似音乐厅中的音响效果。这类似音乐厅中的音响效果。 耳朵声音感觉耳分为外耳、中耳、内耳。外耳把声音引导耳分为外耳、中耳、内耳。外耳把声音引导进内耳，它也作为滤波器而改变声音。把手进内耳，它也作为滤波器而改变声音。把手放在耳前面，就会感到声音变化。声音最终放在耳前面，就会感到声音变化。声音最终冲击耳膜，使之振动。耳膜振动再传

50、到耳蜗，冲击耳膜，使之振动。耳膜振动再传到耳蜗，并且振动加大并且振动加大20倍。倍。 耳朵 声音方向一般认为，人脑识别声源位置，是利用两耳一般认为，人脑识别声源位置，是利用两耳收到的声音的时间差和声音幅度差。当人面收到的声音的时间差和声音幅度差。当人面对声源时，两耳的声强和路径相等。当人向对声源时，两耳的声强和路径相等。当人向左转以后，右耳声音比左耳强，且更早听到。左转以后，右耳声音比左耳强，且更早听到。若两耳路径之差为若两耳路径之差为20cm，则时间差，则时间差0.6ms。 VR系统中人的因素眼睛眼睛耳朵耳朵身体感觉身体感觉平衡和运动眩晕平衡和运动眩晕身体感觉涉及到感觉表面粗糙、振动、运动、