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1、第二章 虚拟现实技术概述第二节 虚拟现实系统的软硬件构成1 虚拟现实系统的一般构成完整的虚拟现实系统由三部分构成：虚 拟 环 境 产 生 器 数 据 接 口 输 入 输 出 设 备 听 觉 子 系 统 视 觉 子 系 统 触 觉 /动 觉 子 系 统 命 令 数 据 头 及 眼 跟 踪 图 形 、 图 象 虚 拟 环 境 产 生 器 手 跟 踪 数 据 虚 拟 现 实 的 构 成 图 A1-3：VR 系统一般组成（1）虚拟环境产生器，是指能产生三维世界的软硬件环境，是 VR 系统的核心部件。它的主要功能是接收用户的运动信息（如头部、眼、手的运动） ，分路/分时生成左右眼视图，并融合成三维立体图
2、像，同时进行三维声音合成和发出触觉、压力等反馈信号。（2）输入输出设备，如头盔显示器、数据手套等，其目的是使用户能够通过视觉、听觉和触觉实现与虚拟环境的交互作用。理想的虚拟现实技术应具有一切人所具有的感知功能。（3）数据接口，其作用是将虚拟环境产生器、输入输出设备以及用户等有机地连接成一体，这不仅包括硬件协配问题，也包括软硬件联调以及人机界面等技术内容。与其他计算机系统一样，这些构成可以分成软件和硬件两部分。2 虚拟现实系统的基本模块4 硬件系统硬件系统包括主机（个人计算机、工作站、超级计算机）和输入输出设备。目前，硬件系统主要实现视觉和听觉效果，而其他力觉、触觉的感知正在开发与研究，味觉、嗅
3、觉则有待于研究。按功能可以把这些设备进一步划分为跟踪定位系统（确定用户的头、手和躯体的位置） 、触觉系统（提供力与压力的反馈） 、音频系统（提供立体声源和判定空间位置） 、图像生成和显示系统（产生视觉图像和立体显示） 。但一个设备中可能包含了上面的几个功能系统，如头盔显示器兼有跟踪头部运动和显示场景两种功能。4.1 高性能主机系统VR 技术的一个重要特点 ：是通过仿真为用户提供一个虚构的但能反映研究对象变化的环境，这需要大量的数据处理。由于 VR 的数据量很大，精度要求非常高，并且要动态显示，因此对计算机的处理速度和存储容量都有很高的要求。当今的计算机技术已经能够生产出功能强大的计算机，为虚拟
4、现实的应用提供了硬件条件。一般来说，人脑检测延迟的阈值约 10ms，所以 VR 系统要求的延迟应低于 10ms。因为延迟越长，系统越不逼真，过长甚至产生负效应（如运动病） 。另外，使用多边形越多，视景效果越真实，但是增加多边形，会使其延迟时间拉长，这样，视景生成对计算机硬件的速度要求更高。从目前技术来看，要实现低于 10ms 的延时，成本较昂贵。4.2 输入设备输入设备： 用来输入用户发出的动作，使用户可以驾驭一个虚拟境界。在与虚拟场景进行交互时，大量的传感器用来管理用户的行为，并将场景中的物体状态反馈给用户。传感器是 VR 系统的重要组成部分。诸如精确测定用户头部方位的 位置检测传感器和测试
5、手的姿势，将虚拟场景中的力觉信息反馈给用户的力觉传感器、电磁场传感器以及检测人体姿势的跟踪传感器等常常在系统中用到。最简单的就是常规的二维鼠标器，或各种控制杆；中等复杂程度的有三维或六维鼠标器，或其它种类的控制杆；复杂的有人体部位式跟踪器，这种装置附着在人体的某个部位，依靠传感器跟踪人的对应部位各个关节的移动使操作者与 VR 环境产生交互作用，如仪器式手套带在手上，依靠手套各个部位传感器跟踪手部各个关节的动作使操作者与 VR 环境实现交互。（1）数据手套个 人 计 算 机 工 作 站 跟 踪 定 位 系 统 触 觉 系 统 视 觉 系 统 主 机 虚 拟 现 实 硬件 系 统 输 入 输 出设
6、 备 图 1 虚 拟 现 实 硬 件 系 统 的 构 成 音 频 系 统 在 VR 系统中，数据手套是最常见的输入装置。手的空间位置和方位是利用固定在手背上的跟踪器来确定的，数据手套的手背上有多个固定传感器，各个手指有可弯曲的柔性传感器，柔性传感器用来测量拇指与其余各手指及关节的方位角。因此，只要明确了手指相对于手掌的运动关系，就可根据手套的输出信号得到手指关节的弯曲角度，确定手指相对于手掌的位置和方式，从而确定手指的空间位置和方位。为了解决手势的识别，判断直接操纵过程中手是否与虚拟对象发生碰撞或接触，以及以图形手的方式向用户输出反馈等基本问题，必须研究手的运动学模型和几何模型。手势信息与数据
7、库中人类的手势信息语言或各专业的手势相对应时，计算机就可以发出准确的指令。人机交互时你可以看到虚拟手随着你的真手在虚拟环境中活动，可进行物体的抓取、移动、装配、操纵和控制。（2）鼠标常用的二维鼠标器是一个二自由度的输入设备，适用于平面内的交互，但在三维场景中的交互需要在不同的角度和方位对空间物体进行观察、操纵，这是它就无能为力了。三维空间有六个自由度，三个是确定位置的(,) ，另外三个是确定方向的 (, ,) ，需要提供六个自由度的装置，如浮动鼠标和空间球。浮动鼠标器在桌面上类似于上述二维鼠标器，但是当它离开桌面后，就成为一个六自由度的鼠标器；空间球是一个刚性球体，装在一个凹形支架上，它可以舒
8、适地放在使用者的手掌之下，空间球有足够的传感器来测量三维移动和三个方向角。（3）跟踪定位器这是 VR 系统中用于空间跟踪定位的装置，一般与头盔显示器、立体眼镜、数据手套等其他设备结合使用，使用户在空间上能够自由移动、旋转，操作更加灵活、随意。跟踪系统一般由发射器、接收器和电子部件组成。目前的跟踪系统有电磁、机械、光学、超声等几类。如超声跟踪器置于监视器上方，在立体眼镜的上方加有三个超声波麦克风，可以感测到发送器中的超声波。跟踪器和控制器把声波相位之差转换成头部运动的三维信息，并以一定的速率发送给图形计算机，图形计算机利用获得的 3 维数据重新生成虚拟场景。这样，用户就可看到随视觉位置的改变而变
9、化的虚拟场景。常见的如头部跟踪器根据用户的位置、头的方向及视场角，给出用户所能看到的各种对象，其作用不仅仅是取代今日的鼠标器，更重要的是机器与人的运动感受神经、人的视觉系统建立了联系，使人在虚拟环境中有了真实环境的感受。（4）数据衣这是一种穿在用户身上，把他的整个身体中各个部位运动的数据输入到计算机的装置。它可以使虚拟环境中的虚拟人随用户一起运动。原理与数据手套大致相似。（5）语音识别这是一种很有发展前途的虚拟现实输入技术。它允许用户对着连接计算机的拾音器说话，而不需要用键盘或其他手工操作的设备输入数据。（6）触觉反馈器在高级的虚拟现实系统中触觉反馈器是必须的装置。其原理是在器械手套中加进可控
10、制变形的小泡或记忆合金等力感反馈系统，使用户在身体运动时能感到运动之阻力。（7）三维扫描仪扫描真实物体的三维外观特征，使建造虚拟模型的过程更加地快速、精确、方便。4.3 输出设备在人的感觉中，视觉摄取的信息量最大（人的信息感知约有 80%是通过眼睛获取的） ，反应最敏锐。所以，视觉感知的质量在用户对环境的主观感知中占有最重要的地位。对于虚拟现实环境而言，实时动态的图形视觉效果是产生现实感觉的首要条件，也是实现交互性的关键。因此，在各种各样的 VR 应用环境中，显示设备是最重要的设备。CRT 显示器、大屏幕投影、多方位电子墙、立体眼镜、头盔显示器（HMD ）等都是 VR 系统中常见的显示设备。立
11、体显示设备正向重量轻、延迟小、高分辨率、行动限制小或无、跟踪精度高、视野宽化等方向发展。（1）头盔显示器在虚拟现实技术中，最重要的是大视场立体显示技术。1965 年，美国麻省理工学院的科学家 Ivan Sutherland 设计了一种头盔显示器(HMD) ，通过传感器和计算机仿真环境的相互作用，航天员可以感觉到自己在几何图形中的移动，产生身临其境的感受，由此诞生了一种新的仿真手段虚拟现实技术。其基本原理是：HMD 上有两个分别对应于双眼的液晶显示器，由计算机为它们独立驱动，两者显示的图像是计算机根据人的正常立体视觉原理计算出来的，略有不同。大脑把两只眼睛分别观察到的两个图像叠加并融合在一起，从
12、而在观察者的意念中，产生一幅具有纵深立体感的景物信息。人眼水平视角为 180 度，垂直视角为 150 度，当显示系统场景超出此范围时用户将产生沉浸感。为了实现视觉虚拟，头盔带有头部跟踪器，当用户自由行走、头部转动时，就可以连续产生随视觉位置变化而不断变化的立体画面，沉浸感极强，优于立体眼镜。但 HMD 有两个缺点，一是人眼如此近距离聚焦容易感到疲惫；二是屏幕成像太小，必须尽可能放大以达到与人眼视野所见相一致。为克服上述缺点，至使 HMD 结构复杂、造价昂贵。（2）立体眼镜（鹰眼）立体眼镜以其简单的结构、轻巧的外形和便宜的价格成为理想的选择，是目前最为流行和经济适用的 VR 观察设备。结构原理：
13、经过特殊设计的 VR 监视器能以 120140 帧/秒或 2 倍于普通监视器的扫描频率刷新屏幕，与其相连的计算机向监视器发送 RGB 信号中含有 2 个交互出现的、略微有所漂移的透视图。与 RGB 信号同步的红外控制器发射红外线，立体眼镜中红外接收器依次控制正色液晶检波器保护器轮流锁定双眼视觉。因此，大脑中就记录有一序列快速变化的左、右眼视觉图像，再由人眼视觉的生理特性将其加以融合，就产生了深度效果即3 维立体画面。检波器保护器的开/关时间极短，只有几毫秒，而监视器的刷新频率又很高，因此，产生的立体画面无抖动现象。有些立体眼镜也带有头部跟踪器，能够根据用户的位置变化实时作出反应。与 HMD 相
14、比，立体眼镜结构轻巧、造价较低，而且佩戴很长时间眼睛也不至于疲劳。（3）a（3）立体声耳机声音可大大增强虚拟环境的真实程度，立体声耳机使得用户在虚拟环境有一种身临其境的感觉。人类有很好的确定声源方向的能力，如果人与声源处在同一水平面内，一般来说总会产生“相”延迟，即到达一个耳朵和另一个耳朵的时间差。在水平面之外确定声源方向是人类凭藉经验而积累起来的一种能力。这就要求在虚拟现实系统中，听觉子系统提供一种可以覆盖 360 度球体的声音，给虚拟环境中的用户一个真实的声音环境，用户的头部运动时，声音要同时作相应的改变，使用户感到声音在原处未变。（4）数据接口其作用是将主机系统、输入输出设备以及用户有机
15、地连接成一体，这不仅包括硬件协配问题，也包括软硬件联调以及人机界面等技术内容。5 软件系统5.1 软件系统的功能在软件方面，除去一般所需要的系统软件支持环境外，还需要一些特殊软件的支持。它们的共同作用是提供一个产生虚拟环境的工具集，它至少具有下述功能：（1）能兼容、调用和互联多种数据库（如地形地貌数据库、实体模型数据库等） 、多种 GIS 软件、造型软件，构成和谐的集成环境。（2）能够接受跟踪定位器、数据手套及数据衣等各种高性能传感器的信息；（3）应该具备三维场景建模描绘功能，能生成立体的显示图形。主要包括用一个具有空间结构的面向对象数据库实现三维图像模型，同时还要有建模功能，用于构造虚拟环境
16、的单个对象物体，如实体对象的可视化和动态特性的表达等。（4）定义人与对象进行操作的行为规则及状态，具备实时动态仿真能力。5.2 软件系统的组成VR 软件系统主要包括以下 4 部分：（1）输入部分：接收、控制各种输入装置的输入信息。（2）模拟部分：这是 VR 的核心部分，其功能是识别物体及各种输入信息、处理交互作用、控制物体的运动、模拟自然规律、确定空间状态等。模拟按一定时间步长间断进行。（3）演示生成部分：生成输出给用户的感知(真实的或想象的) ，由视觉、听觉、触觉或其它感觉合成环节组成。按单位时间步长从模拟的环境状态或直接从全局数据库中提取一种描述演示。（4）全局数据库：用于储存 VR 环境及其物体的参数、描述物体动作的程序、亮度、程序控制和硬件支持等信息。5.3 VR 系统开发工具专用于开发 VR 系统的工具软件主要分为 2 类：b（1）工具库软件。这是为具备编程技
