虚拟现实chaPPT课件

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1、1,第一章 虚拟现实技术概述,2,虚拟现实定义（一）： 由交互式计算机仿真组成的一种媒体，能够感知参与者的位置和动作，替代或增强一种或多种感觉反馈，从而产生一种精神沉浸或出现在仿真环境（虚拟世界）中的感觉。,3,采用以计算机技术为核心的现代高科技手段生成逼真的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等一体化的虚拟环境，用户从自己的视点出发，借助特殊的输入输出设备，采用自然的方式与虚拟世界的物体进行交互，相互影响。,虚拟现实定义（二）：,4,虚拟现实系统“ 3 I ”图 Immersion-Interaction-Imagination,5,四类虚拟现实系统,6,桌面式虚拟现实系统,7,基于头盔式显示器的系

2、统 投影式虚拟现实系统 远程存在系统（遥在系统）,沉浸式虚拟现实系统,8,基于头盔式显示器的系统,9,10,投影式虚拟现实系统,11,12,远程存在系统（遥在系统）,13,增强式虚拟现实系统,14,15,分布式虚拟现实系统,网络+虚拟现实,16,虚拟现实系统： =用户+硬件+虚拟环境 交互性,17,第二章 虚拟现实系统的硬件,18,用户+硬件+虚拟环境 交互性,19,输入输出设备,必要性： 交互性VR基本特性 特殊的人机接口与外部设备是实现人机交互的必要手段 商品化，不成熟原型 终极目标： 能满足快速、自然的交互,20,如 ：,身体运动3-D位置跟踪器； 手势传感手套； 视觉反馈立体显示器；

3、虚拟声音3-D声音生成器； 观察方向跟踪球和操纵杆。,21,VR硬件的系统集成,VR系统需要：一个以计算机为核心、将多种I/O交互设备协调组合在一起的硬件平台。 计算机系统的功能： 保障虚拟三维场景的实时计算和显示，尽量减少延迟； 协调各种I/O交互设备之间的工作，确保系统整体运行的性能。 PC机、工作站和超级计算机等,22,VIEW 系统 组成,VR系统平台VIEW（Virtual Interface Environment Workstation）,23,VIEW:一组由计算机控制的I/O子系统 提供虚拟环境所需的各种感觉通道的识别和控制功能 HP公司的HP900835 SGI的图形计算机

4、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,24,三维跟踪传感设备 立体鼠标 传感手套 数据衣 立体显示器 触觉和力觉反馈装置 3-D声音生成器,典型输入输出装置：,25,跟踪器的作用： 获得移动对象的位置和方向信息； 应用： 航行、导弹、CG艺术、交通、 GPS等 VR： 高精度、快速、测量范围小,1、三维位置跟踪器,26,跟踪器：跟踪身体,身体跟踪：VR系统感知参与者位置和动作

5、； 身体姿态与手势； 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,27,眼睛：眼睛的注视方向 躯干：躯干的方向 脚：确定漫游速度和方向 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来估计参与者的位置；,28,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，

6、DOM）,29,不良跟踪器的后果,不良跟踪器即定位误差较大的跟踪器 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； 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、身体乏力等；,30,衡量跟踪器性能的参数 精度 抖动 偏差 延迟 更新率,31,跟踪器的性能参数精度,跟踪器的精度 指对象真实的三维位置与跟踪器测量出的三维位置值之间的差值,32,注意： 差值 跟踪器的精度 跟踪器越精确 精度的单位：毫米，度 精度随着与坐标原点的距离的增加而降低 精度与分辨率不同：一个是表征测得的位置与真实位置的差值，一个是可测得的被跟踪对象的最小的三维位置变化,33,跟踪器的性

7、能参数抖动,跟踪器的抖动 指当被跟踪对象固定不变时，跟踪器输出结果的变化。,34,注意： 理想情况下，抖动应该为零，测得的位置为固定值 抖动不是一个常数，受周围环境的影响 严重的抖动会导致虚拟对象振动和跳动,35,跟踪器的性能参数偏差,跟踪器的偏差 指跟踪器随着时间的推移而积累的误差。,36,注意： 偏差的根源在于跟踪器的不准确性 偏差与时间相关，时间越长，积累的偏差越大 校正：使用另一个无偏差的跟踪器周期性的对当前的跟踪器进行零位调整。,37,跟踪器的性能参数延迟,跟踪器的延迟 指对象的位置或方向的变化与跟踪器检测到这种变化之间的时间差,38,注意： 延迟的原因在于：跟踪器对移动对象的运动总

8、是滞后的。 系统延迟测量延迟通信延迟绘制与显示延迟 导致HMD的运动与用户看到的虚拟场景的运动之间有很大的时间迟滞 对于使用者来说，一方面沉浸感降低，另一方面导致“仿真病”。,39,降低延迟的方法： 同步锁相：让跟踪器和通信的周期与显示的周期同步。 使用高速通信线路 提高跟踪器的采样率（更新率）,40,跟踪器的性能参数更新率,跟踪器的更新率 指跟踪器每秒钟报告的测量数据集的次数,41,3种常用跟踪技术的主要性能指标,42,三维位置跟踪器类型,机械跟踪器 电磁跟踪器（交流、直流） 超声波跟踪器 光学跟踪器 混合惯性跟踪器,43,机械跟踪器,定义： 机械跟踪器：一个串行或并行的运动结构，由多个带有

9、传感器的关节连接在一起的连杆构成。,44,45,Gypsy 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,46,Gypsy特点： 15个关节位置由42个单向导电塑料精密电位记测得 精度0.08度，范围18米，采样频率30 使用了脚步微动开关 使用了陀螺仪,47,48,机械跟踪器的优点,简单易用 精度保持相对稳定，基本取决于关节传感器的分辨率 相对于电磁跟踪器，不受周围环境中金属物质和磁场的影响 相对于光学跟踪器，不存在视觉阻挡问题,49,机械跟踪器的缺点,工作范

10、围有限：机械臂有尺寸限制，过长则重量和惯性增加，机械振动敏感性增加。 自由度小 跟重量有关的人机工程学问题,50,三维位置跟踪器类型,机械跟踪器 电磁跟踪器（交流、直流） 超声波跟踪器 光学跟踪器 混合惯性跟踪器,51,非接触式跟踪器的原理介质：电磁、超声波、红外照相、LED、加速计、陀螺仪。,定义： 电磁跟踪器：一种非接触式的位置测量设备，由一个固定发射器产生电磁场，确定移动接受单元的实时位置。,52,电磁跟踪器： 发射器：发射磁场 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 优点：不受视线阻挡的限制,53,交流电磁跟踪器,基本原理： 发射器：（三个相互垂直的线圈

11、天线）依次产生三个正交交流磁场 接收器（三个正交线圈）产生9个电压值 计算接收器相对于发射器的位置和方向。,54,Polhemus跟踪器 Polhemus公司生产方位跟踪器： Isotrak 3Space跟踪器 Fastrak,55,VPL DataGlove：Isotrack,IsoTrack特点： 交流电磁式 延迟：30ms 采样率：60 抖动：1度，导致颤动,56,FASTRAK：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,VPL DataGlove：Fastrack,57,FastTrack特点： 交流电磁

12、式 使用DSP体系结构 采样率：120 抖动：0.1度 工作范围：0.75m, 30.75m 可挂接多个接收器，采样率随之下降,58,交流电磁跟踪器的缺点,强磁场环境： 金属物质：交变磁场中会产生涡流，从而产生小磁场 磁性物质：本身具有磁场,措施： 避免附近有强磁场、大块金属和磁性 物质存在 。,59,60,直流电磁跟踪系统：减少畸变涡流的影响 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,61,直流电跟踪器,基本原理： 发射器（三个相互垂直的线圈天线）依次产生三个脉冲磁场 接收器（三个磁力计或霍尔效应传感器）产生9个电压值， 计算接收器相对于发射器的位置和方向,62,As

13、cension技术公司直流电磁跟踪器： Bird Flock of Birds ERT（Big Bird）,63,Ascension Bird跟踪器 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畸变涡流场，涡流只在磁场发生变化时产生。 Polhemus 3space发射器发射连续变化的磁场，连续不断地产生涡流 Bird发射器发射磁脉冲，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,64,三维位置跟踪器类型,机械跟踪器 电磁跟踪器（交流、直流） 超声波跟踪器 光学跟踪器 混合惯性跟踪器,65,超声波跟踪器,定义： 利用不同声源的声音到达某一特定地点

14、的时间差、相位差及声压差，进行定位与跟踪。,66,Piltdown三维罗盘 六自由度的实时方向和位置跟踪器 第一个使用相位相干技术的商用跟踪器。 位置的跟踪：使用超音速技术来实现的，不受外部磁场和钢铁材料的影响,67,罗盘控制单元： 控制罗盘操作，管理数据采集，位置计算。 发射器系统： 发射不同的频率超音速信号。 接收器系统： 采集发射器系统发射的超音速信号，通过电缆把它们传回控制单元。 控制单元： 通过RS-232C接口与主机进行通信。,68,三维位置跟踪器 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,69,2、立体鼠标,普通鼠标:平面运动 立体鼠标：六个自

15、由度的运动 Space mouse，如3Space公司的SpaceBall cubic mouse,SpaceBall5000,70,3Dconnexion公司的Space mouse,71,三维鼠标,72,三维位置跟踪器 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,73,VR强调以自然方式进行交互手势 把手势用于人机交互： 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种姿态转换为数字信号送给计算机；,3、传感手套,74,传感手套要配备位置跟踪器以检测手的实际位置和方位； 传感手套： 数据手套、赛伯手套、威力手套、手控制器、说话手套,

16、75,最早的传感手套（VPL） 把人手的动作转化为计算机的输入信号； 构成： 很轻的弹性材料构成。弹性材料紧贴在手上，同时附许多位置、方向传感器和光纤导线，以检测手的运动。 光纤：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。,DataGlove,76,光导纤维传感器：监视手指弯曲和伸展 位置方向跟踪系统：监视手的位置和方向 微处理器：监控通过光导纤维的光量及由空间跟踪器返回的信息，对数据分析后传递给主机。,77,工作原理： 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关。手指关节运动时，纤维弯曲导致光的散失。,78,高精度传感器系统，准确跟踪人手的复杂运动 外轮廓附着在手的背面，监视手的整个运动过程 每一个手指关节上附着一个Hall Effect传感器，测量手指三个弯曲动作及手指间的动作。测量20个关节的角度，并将数据送给主机。 EXOS的精巧手控设备,EXOS精巧手控设备,79,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 使用基于有