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1、1,虚拟现实技术,讲课老师： 王洪群,whq_,2,第三章 输出设备：图形、三维声音和触觉显示设备,图形显示器,声音显示设备,触觉反馈,3,一、图形显示设备,定义：图形显示设备是一种计算机接口设备，它把合成出的世界图象展现给与虚拟世界进行交互的一个或多个用户。,产生图象的类型,特征,单视场,立体,图象的分辨率,视场,显示技术,基于LCD,基于CRT,人机工程学因素,价格,4,人类视觉系统,中央凹,会聚角,瞳距,视场,视网膜中心区域 （绕视轴几十度的范围）,一只眼睛 水平150垂直120,图象视差,IPD，interpupillarydistance,视场：FOV Field of view,5
2、,个人图形显示设备,定义：为单个用户输出虚拟场景的图形显示设备称为个人图形显示设备。这类图象可以是单视场的，也可以是立体的；可以是单目的（为一只眼睛提供显示），也可以是双目的（给两只眼睛提供显示）。,头盔显示器,个人图形显示设备,手持式显示器,地面支撑显示器,桌面支撑显示器,主动立体视觉监视器,被动立体视觉监视器,6,头盔显示器,HMD的简化光学模型,15m,7,头盔显示器HMD,注意：区别主要在哪里？单视场和立体区别在哪里？,普通消费级HMD,专业级HMD,8,Olympus的基于LCD的Eye-Trek FMD(face-mounted displays,简称FMD),FMD 700 分辨
3、率：533450(72万象素),FMD200,分辨率267225(18万象素),单视场,Daeyang cy-visor FMD(消费级别),Cy-visor DH-4400VP,Liquid-crystal-on-silicon,AMLCD-active matrix LCD,可透视,分辩率高 体积小， 需要外部光源,800600水平60垂直43重量160g,9,专业级别的立体HMD,ProView XL35,Datavisor HiRes,10247683 水平28垂直21重量992g 1.6arcmin,两个,12801024 水平78垂直39重量1587g,Tektronix Nuco
4、lor 液晶快门，45镜面反射 可以通透式应用,10,手持式显示器,Hand-Supported Displays,简称HSD,NVIS公司的虚拟双目镜,Liquid-crystal-on-silicon,10801024 重量1kg,1.6arcmin,11,地面支撑式显示器,0.1光机械传动轴编码器,优点：机械跟踪器的低延迟可以消除仿真病； 不受电磁干扰；承载较大重量的显示设备；,Fakespace Labs公司Boom3C,缺点：存在运动死角。,Fakespace Labs公司Boom3C,立体图形,支撑臂离轴的(off-axis),16001200,12801024,IterSense
5、 惯性跟踪器,12,桌面支撑显示设备,自动立体显示器,优点：用户不需要带任何视觉备，就可以显示立体图象,缺点：由于采用列交错使得水平分辨率降低一半；照明、观察光学仪器等专用硬件，价格昂贵。,自动立体显示器,被动自动立体显示器,主动自动立体显示器,DTI 2018XL Virtual Window,被动自动立体显示器,13,主动自动立体显示器,Elsa Ecomo4D,14,各种个人图形显示设备的性能比较,15,定义：允许靠得很近的多个用户同时观察虚拟世界的立体图像或单视场图像的图形显示设备称为大型显示设备。,大型显示设备,（1）基于监视器的大型显示设备,120140Hz,图象更清除,不能遮挡,
6、缺点：只有一个用户可以控制场景,优点：分辨率高，多用户同时观看,Akka关于“人的因素”的考虑,（2）基于投影仪的大型显示设备,基于监视器的大型显示设备,16,单视场多屏幕显示器,PV290三屏显示器,分辨率从：单个12801024到38401024,单视场，多屏幕，三个TFT,-薄膜晶体管LCD,问题：同步问题。,17,快速倾斜造成的图象未对齐,校正后的对齐图象,18,基于投影仪的显示器,数字投影仪:数字微镜设备，几千流明 Digital micromirror device,简称DMD,CRT投影仪：优点：刷新率高120Hz；缺点：价格高；亮度不足(“fast green”涂层),2003
7、00流明,微镜元素,16m,19,Workbench显示器,单投影仪倾斜配置,V-Desk 6,双投影仪L型配置,20,四投影仪CAVE显示设备,伊利诺斯大学芝加哥校区的电子可视化实验室,21,投影仪阵列：是由许多功能相同的投影仪组成的大型显示设备，这些投影仪经过校准，能显示虚拟场景中的平铺合成图象。,带有三投影仪的PanoWal显示设备,需要预处理,22,由投影仪阵列产生的 平铺图象,PanoramTechnologies研究了一种无缝矩阵混合方法（专用查找表），可以对图象进行预处理，调整象素的亮度，产生明亮一致的图像。,另外，Dome是一种大型球形显示设备，能产生360度视场的图象，容纳4
8、00500个观察者。还有Vdome使用7个投影仪，主要用于军事飞行训练。,23,声音显示设备,定义：声音显示设备是一种计算机接口设备，能给与虚拟世界交互的用户提供合成的声音反馈。声音可以是单声道的(两只耳朵听到相同的声音)，也可以是双声道的（每只耳朵听到不同的声音）。,立体声：双声道，听起来在用户头部内部发出来的。不使用头部跟踪器。,三维声音：使用头部跟踪器的数据合成的。听起来可以在头部周围的任何地方。,24,空间位置不变,25,人类的听觉系统,方位角,仰角,距离,26,人类的听觉系统,方位角,（1）ITD-interaural time difference两耳时差 是大脑估计声源方位角的线
9、索 （2）两耳强度差(interaural intensity difference,IID)是估计声源方位角另外一个线索。 （3）耳廓的声音路线变化提供了声源仰角的主要线索。 （4）经验知识提供距离估计。 （5）运动时差：当用户头部发生变化，声音方位角的变化大小作为距离线索。 （6）直接来自声源的声音与经周围环境第一次反射后的声音能量之比，作为距离的另一重要线索。远声场(far field):比值很小。近声场：比值较大。,27,HRIRhead-related impulse responses,为与头部相关的脉冲响应。 HRTFhead-related transfer functions
10、,也就是脉冲响应的傅立叶变换，称头部相关的传递函数。,1988年Crystal River Engineering为NASA签约开发的，实时数字信号处理器，名为：convolvotron,28,基于扬声器的三维声音,4声道格式，“5.1”环绕格式,PC三维声卡：SRS公司生产的TruSurround和Videologic生产的SonicFury 3D,29,触觉反馈接口,触觉：haptic,触觉反馈,力反馈(force feedback),接触反馈(touch feedback),触觉反馈定义：触觉反馈传送接触表面的几何结构、虚拟对象的表面 硬度和温度等实时信息。它不会主动抵抗用户的触摸运动，
11、不能阻止用户穿过虚拟表面。,力反馈定义：力反馈提供虚拟对象表面柔顺性、对象的重量和惯性等实时信息。它主动抵抗用户的触摸运动，并能阻止该运动（如果反馈力比较大）。,设计所要考虑的问题：(1)安全性和合适性；（2）轻便性和用户舒适度,30,人类的触觉系统,皮肤触觉传感器,Merke盘,Meissner小体,温度感知：是由专门的温度感受器和伤害感受器实现的。,本体感受：对自己身体位置和运动的感知。,Pacinian小体,Ruffini小体,慢适应SA,相应皮肤上的恒力,快应FA,感受振动和加速度,传感器发动机控制：使用触觉、本体感受和肌肉运动知觉来影响施加在触觉接口上的力。关键特征：最大施力能力、持
12、续施力、 力跟踪（意味着可以控制力的大小）分辨率和力控制带宽（响应力刺激的迅速性）。,31,人的抓握几何,抓握几何,精确抓握,用力抓握,用于巧妙地操纵对象，对象只与手接触,对象被握在手掌和弯曲90度以上的闭合手指之间，它的稳定性更高，施加的力更多，但是缺乏灵活性。,32,触觉反馈接口,iFeel触觉反馈鼠标,33,触觉反馈接口,CyberTouch手套,提供振动触觉反馈,34,触觉反馈接口,温度反馈手套,Peltier热电泵,35,触觉反馈接口,温度反馈手套DTSS,热电泵的控制,PID比例积分微分,C&M研究所开发的温度替换感知系统 DTSS(Displaced Temperature Se
13、nsing System) 由8个热电极(Peltier热泵和热电偶温度传感器组成)和一个控制接口单元,36,力反馈接口,力反馈操纵杆,力反馈系统,机械带宽定义：表示用户（通过手指附件、手柄和万向接头等）感觉到的力的频率和转矩的刷新率（单位：Hz）,控制带宽定义：指隔行扫描激励器接受到的命令更新的频率。,WingMan Force 3D操纵杆,三个自由度，两个自由度有力反馈,37,力反馈接口,PHANToM-Personal Haptic Interface Mechanism个人触觉接口装置,力反馈系统,PHANToM Desktop桌面力反馈臂,最大输出力3.3N,38,力反馈接口,可以产
14、生力和转矩反馈,PHANToM 1.5、6.0型,转矩机械带宽15Hz,荷兰FCS Control Systems公司生产的Haptic Master,输入位置输出力的司服环路，又称阻抗控制,输入力输出位置的许可进入控制,最大输出力8.5N,机械带宽10Hz,39,力反馈接口,手指上的模拟力，由CyberGlove改造，22个传感器,CyberGrasp力反馈手套,CyberGrasp力反馈手套,手指产生的最大输出力16N,控制带宽1000Hz机械带宽40Hz,40,力反馈接口,力控制单元：FCUforce control unit,CyberForce力反馈手套,无跟踪器,手腕产生的最大输出力8.8N,41,手部触觉接口设备比较,
