虚拟现实技术ppt课件.ppt

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1、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.

2、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 l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。 l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

3、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 ： l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 。 l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

4、 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： l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。 l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。 l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

5、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

6、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： l精度：指检测目标位置的正确性，即误差范围 。 l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。 l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。 l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 跟踪器类类型精 度分 辨 率响 应应 时时 间间跟 踪 范 围围 电 磁 波3mm0.1mm1mm0.03

7、mm50 ms半径1.6m的半球形 超 声 波 依空气密度变 化 10mm0.5mm30 ms45m3 光 学1 mm2mm0.02mm 1 ms 48m3（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67cm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

8、 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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、公 司 / 型 号分 辨 率视视 场场重 量市场场参考价 Virtual Research Systems / VR1280 1280102460约0.8KG17万元 Rockwell Collins / ProView SR80 1280102480约0.8KG16万元 eMagin / Z800 3Dvisor 80060040约0.225KG15万元 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

14、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

15、 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

16、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

17、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

18、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） l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。 l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 lVIEW为美国宇航局 Ames研究中心开发 的虚拟交互环境工 作站。 lVIEW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