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1、虚拟现实技术概论和设备 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
2、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 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 l 优点是其敏感性不依赖于跟踪方位 基本不受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 于手部的跟踪大都采用此类跟踪器 l l 缺点是其延迟较
3、长 跟踪范围小 且容易受环缺点是其延迟较长 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 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种 其工作原理是发射器发出高频超声波脉冲 频率 频率20KHz20KHz以上 由接收器计算收到信号以上 由接收器计算收到信号 的时间差 相位差或声压差等 即可确定跟踪的时间差 相位差或声压差等 即可确定跟踪 对象的距离和
4、方位 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 按测量方法的不同 超声波跟踪定位技术可分为 l l 飞行时间 飞行时间 Time Of FlightTime Of Flight TOFTOF 测量法 测量法 同时使用多个发射器和接收器 通过测量超声波从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 发出到反射回来的飞行时间计算出准确的位置和方向 l l 相位相干 相位相干 Phase CoherentPhase Coherent PCPC 测量法 测量法 通过比较基准信号和
5、发射出去后发射回来的信号之间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 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 光学跟踪器使用的主要三种
6、技术 l l 标志系统标志系统 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 如红外线发光二极管 的位置进行追踪 l l 模式识别系统模式识别系统 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 知的样本模式进行比较从而确定物体的位置 l l 激光测距系统激光测距系统 将激光通过衍射光栅发射到被测对象 然后接收经物将激光通过衍射光
7、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 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 求具有较高刷新率和精确率的实时应用 2 12 2 1 3 光学跟踪器 2 13 2 1 跟踪定位设备 2 1 4 其他类型跟踪器 1 1 机械跟踪器 机械跟踪器 通常
8、把参考点和跟踪对象直接通过连杆装置相连 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 以测量跟踪对象的位置和方位 2 2 惯性跟踪器 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陀螺仪测量跟踪对象在其倾角 偏角和转角方面的数据 3 3 图像提取跟踪器 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
9、运算和分析来确定人的位置及动作 像处理技术的运算和分析来确定人的位置及动作 2 14 2 1 跟踪定位设备 2 1 5 跟踪传感设备的性能比较 跟踪定位器的性能指标主要包括 跟踪定位器的性能指标主要包括 l l 精度 指检测目标位置的正确性 即误差范围精度 指检测目标位置的正确性 即误差范围 l l 分辨率 指跟踪定位器所能检测到的最小变化分辨率 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 范围 小于此值将检测不到 l l 响应时间 包括采样率 数据率 更新率和延响应时间 包括采样率 数据率 更新率和延 迟时间等迟时间等4 4个指标 个指标 l l 抗干扰性 指跟踪定位器在相对
10、恶劣的条件下抗干扰性 指跟踪定位器在相对恶劣的条件下 避免出错的能力 避免出错的能力 2 15 2 16 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3mm 0 1mm1mm 0 03mm50 ms半径 1 6m的半球形 超 声 波 依空气密度变 化 10mm 0 5mm30 ms4 5m3 光 学1 mm2mm 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 17 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
11、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 18 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 19 2 2 立体显示设备 2 2 1 固定式立体显示设备 1 1 台式 台式VRVR显示设备显示设备 一般使用标准计算机监视器 配合双目立体眼镜组成 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 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最简单也是最便
12、宜的 VRVR视觉显示模式 视觉显示模式 但缺乏沉浸感 但缺乏沉浸感 2 20 2 2 立体显示设备 2 2 1 固定式立体显示设备 2 2 投影式 投影式VRVR显示设备显示设备 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 式的环境 2 21 2 2 立体显示设备 2 2 1 固定式立体显示设备 2 2 投影式 投影式VRV
13、R显示设备显示设备 1 1 墙式投影显示设备 墙式投影显示设备 可采用平面 柱面 球面的屏幕形式 可采用平面 柱面 球面的屏幕形式 2 22 2 2 立体显示设备 2 2 1 固定式立体显示设备 2 2 投影式 投影式VRVR显示设备显示设备 2 2 响应工作台式显示设备响应工作台式显示设备 Responsive Work BenchResponsive Work Bench RWBRWB 一般由投影仪 反射镜和一般由投影仪 反射镜和 显示屏 一种特制玻璃 显示屏 一种特制玻璃 组成 投影仪将立体图像组成 投影仪将立体图像 投射到反射镜面上 再由投射到反射镜面上 再由 反射镜将图像反射到显示反
14、射镜将图像反射到显示 屏上 屏上 2 23 2 2 立体显示设备 2 2 1 固定式立体显示设备 2 2 投影式 投影式VRVR显示设备显示设备 3 3 洞穴式投影显示设备 洞穴式投影显示设备 CAVECAVE CAVECAVE就是由投影显示屏包围而成的一个立体空间就是由投影显示屏包围而成的一个立体空间 洞穴 分别有 洞穴 分别有4 4面式 面式 5 5面式或面式或6 6面式面式CAVECAVE系统系统 2 24 2 2 立体显示设备 2 2 1 固定式立体显示设备 3 3 三维显示器 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
15、体眼镜等装置就可以看到立体影像 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 25 2 2 立体显示设备 2 2 1 固定式立体显示设备 3 3 三维显示器 三维显示器 三维显示器的实现方法主要分为以下三维显示器的实现方法主要分为以下4 4种 种 1 1 在普通的显示屏前附着特殊的涂层和滤光器来替代立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 体眼镜的作用 2 2 利用投影机把同一物体的多幅不同二维影像闪投在显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示屏上 同时屏幕快速旋转 观看者大脑就
16、会将不同画 面拼合而成似乎漂浮在空中的三维物体影像 面拼合而成似乎漂浮在空中的三维物体影像 2 26 2 2 立体显示设备 2 2 1 固定式立体显示设备 3 3 三维显示器 三维显示器 三维显示器的实现方法主要分为以下三维显示器的实现方法主要分为以下4 4种 种 3 3 显示器由几十个超薄屏幕叠制而成 每个屏幕快速依 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 次闪现出同一图像 由此流畅的组成完整的三维影像 4 4 利用全息图像技术实现 利用全息图像技术实现 真正的三维显示 它是真正的三维显示 它是 在真实空间内创造出一在真实空间内创造出一 个完整的立体影像 个完整的立体影像 2 27 2 2 立体显示设备 2 2 2 头盔显示器 Head Mounted Display HMD HMD HMD通常被固定在用户的头部 随着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 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 并输入能够实时测出头部的位置和朝向 并输入 到计算机中 到计算机中 2 28 2
