三维用户界面下的输入输出设备1 3DUI输入设备 通常，有三种重要的特性用来描述输入设备：第一个也是最重要的一个特性是输入设备所提供的自由度（DOF）自由度是物体在空间移动的一个特殊的、独立的描述方式例如跟踪器的设备一般捕获三个位置值和三个方向值，总共6个DOF对于大部分而言，设备的DOF表示出设备的复杂性和它适应各种交互技术的能力第二个特性是输入类型和生成数据（即报告）的频率数据报告包括离散构件、连续构件、或者由二者组合离散输入设备构件通常根据用户的动作生成一个简单的数值（如布尔值或者一个集合中的元素）它们通常用来改变应用的模式，如更改桌面3D建模应用的绘制模式，或者表示用户想要开始某个动作，如初始化漫游技术连续的输入设备构件通常根据用户的行为生成多个数据（如实数值、坐标值等），在很多情况下，忽略用户正在做的事情（跟踪系统和弯曲度感知手套就是这样的例子）在很多应用中，输入设备将离散和连续构件融合在一起，提供一个大范围的设备到交互技术映射第三个特性是基于使用这个设备需要多少物理交互来描述比如分为主动式输入设备和被动式的输入设备主动式输入设备在产生数据前需要用户实际执行一些物理动作，输入设备本身不会产生任何信息给计算机。
被动式输入设备不需要任何物理动作来运行设备，设备甚至在不被碰触的情况下也能持续的生成数据1.1 桌面输入设备1.1.1 键盘键盘是经典的传统桌面输入设备，它包含一组离散构件（一组按键）它们普遍被用在从建模到计算机游戏等很多桌面3D应用中例如，箭头键常在第一人称射击的计算机游戏中用作简单漫游技术的输入但是，将标准键盘应用到更加沉浸式的3D环境中是不现实的，此时用户穿戴HMD或处在环屏显示环境中，而用户通常是站立着的由于输入文字数字字符对于很多使用HMD和环屏显示器的沉浸式3D应用也是非常重要的，所以这些环境需要其它一些非传统设备在此需求上，研究者们基于键盘隐喻，开发了基于键盘的交互技术包括：（1）微型键盘优点：能够保留熟悉的QWERTY布局，使得用户不必重新学习键的位置；比常规的键盘体积小，便于携带或者穿戴缺点：小键盘的大小不足以允许触摸式打字（或10个指头打字），所以用户必须用一个或两个指头，无法利用多年使用键盘养成的肌肉记忆2）键数量少的键盘◆基于的普通文本输入技术优点：精确而易学将a, b和c映射到数字按键2上，d, e和f映射到数字按键3上等等，用户使用想要的字母来按键，通过多次按键来区分字母。
缺点：效率非常低当映射到同一个键的两个字母需要顺序输入时，采用这种技术的速度可能特别慢例如，按下“2”键三次可能解释为aaa，ab，ba或c为了使意义明确，系统强迫用户在使用同一个键输入另一个字母之前等一定的时间◆ 改进的T9文本输入系统优点：仅需要每个键敲击一次为了确定每次按键是哪个字母，系统使用一个字典，并试图将一系列按键匹配成已知的单词在系统对当前的单词有一个猜测时，单词被显示，用户能够接受单词或继续打字缺点：输入名字、稀有单词或非单词很困难（3）和弦键盘（chord keyboard，用户同时按下多个键来产生一些符号，被按下的按键集合一起被称为一个和弦）优点：用户只用一只手进行符号输入，可用在移动计算和可穿戴计算环境下缺点：性能、错误数和用户喜好程度都不高（4）掐捏键盘（Pinch Keyboard）它使用掐捏手套（Pinch Glove），用套在每个指尖的可传导的布料做成的轻量手套，在两个或多个手指接触时产生感应优点：手套穿戴舒适，并且由于它们开/关自然，对用户的动作没有二义性并使用了标准的QWERTY键盘布局，以便用户能够利用已有的打字技能容易学习，令人满意，并且用起来舒适。
缺点：由于受跟踪器的精度限制，需要大范围的运动来改变行或者选择内侧键，降低了操作效率打字速度很慢，性能较差，需要大量的训练5）软键盘（用户按虚拟键来代替物理键输入符号）优点：容易为不同布局或字符集重新配置，以及它们不需要一个专门的输入设备缺点：单点输入的限制（一次只有一个手指或一支笔），以及缺少主动和被动触觉反馈1.1.2 2D鼠标和轨迹球鼠标和轨迹球是相对设备，它们报告移动了多远而不是在哪儿和键盘一样，它们被广泛运用到很多不同的3D应用中，并且提供了将交互技术映射到应用任务的多种不同的选择但是，鼠标和轨迹球具有与键盘同样问题，它们不是为更加沉浸式的3D环境设计的由于鼠标需要放在一个2D平面上来实现定位功能，所以在这些显示器中很难使用而轨迹球可以一手拿着而用另一手操纵，所以可以用在沉浸式3D环境中，且它已经成功的引入到使用工作台显示器的3D界面中1.1.3 基于笔的手写板原理：基于笔的手写板能够产生和鼠标同样类型的输入，另外笔或手写板本身可以有一些按键来生成离散事件，基于笔的写字板是绝对设备，这意味着设备所获得的笔的位置是和写字板表面相关的缺点：大的写字板由于太重，并不适合大部分完全沉浸式的视觉显示器，不过小型的写字板和PDA已经成功的集成到这种环境的3D UI中，大的基于笔的写字板可以用到那些用户可以坐着操作的3D应用中。
图 2.1 一个大的基于笔的LCD写字板，允许用户直接在屏幕上绘图1.1.4 操纵杆原理：操纵杆是传统桌面输入设备的另一个例子，并且作为计算机的外围设备有很久的历史了这种设备和鼠标、基于笔的手写板类似，它们都有一个手动的持续2D定位器和一组离散构件，比如按钮或其它开关特点：操纵杆与鼠标之间有一个重要的区别使用鼠标时，当鼠标停止移动的时候指针也停止移动，而使用操纵杆，光标通常保持向操纵杆所指的方向移动为了停下光标，操纵杆的把柄必须转回中间位置，这种操纵杆通常称作等分操纵杆很多控制台视频游戏系统在游戏控制中使用不同的操纵杆另一种操纵杆是等轴操纵杆，它有一个大的弹性常量，这样它不会觉察到移动它的输出随着用户向装置施加的力来改变平移等轴设备通过按压来输入，而旋转等轴设备则通过扭动来输入这类设备的问题在于用户可能会由于必须提供压力来驱动它们而很快就感到疲惫图2.2 P1500游戏控制器1.1.5 6-DOF桌面输入设备6-DOF输入设备是专为桌面3D交互而开发的手指轻微的推拉设备的盖就产生的x，y，和z方向的微小的偏差，从而在对应的3个坐标轴上动态的移动物体通过轻微的扭转和倾斜盖，就可以获得绕这3个轴的旋转运动。
它们并没有替代鼠标，而是和鼠标结合使用1.2 跟踪设备1.2.1 运动跟踪器运动跟踪器的关键特性包括它们的范围、延迟（从发生动作到生成数据之间的时间）、抖动（噪音或者不稳定性）和精度目前有很多不同的运动跟踪技术可以使用，包括l 磁性跟踪原理：磁性跟踪器使用发射设备来发射低频磁场一个小的传感器用作接收器，确定它相对磁场源的位置和方向这些跟踪器有各种有效范围，不过它们的工作半径通常为4到30英尺缺点：传输器空间内的任何铁磁性的或者传导性的（金属）物体都会干扰磁场，降低交互技术的精确度，使得很多交互技术，特别是基于手势的技术难以使用可以通过校准和过滤算法来排除干扰，不过这样做会增加启动时间和运算负荷图2.3 Ascension MiniBirdl 机械跟踪原理：机械跟踪器具有刚性结构，它将很多相互联接的机械连杆和机电转换器（如分压器或轴编码器）连接起来一端固定，另一端连接到被跟踪物体（通常是用户的头部或者手）上当被跟踪的物体运动时，连杆也跟着动，转换器进行测量以获得位置和方向信息悬臂式视觉显示器就使用这类的跟踪技术另外，很多固定式压力反馈设备是基于机械的，既是压力显示器又是跟踪器优点：机械跟踪器非常精确，传输的延迟很短。
缺点：它们一般体积庞大，限制了用户的移动，难以使用基于物理的导航技术l 声学跟踪原理：声学跟踪设备使用高频发声源发射声音，用麦克风接收发声源可以放在被跟踪对象上，而麦克风可以放在环境中（由外到里的方法），或者发声源放在环境中，而麦克风放在被跟踪的对象上（由里到外的方法）在发射器和接收器之间距离可以通过用超声波脉冲从源到目的所花费的时间乘以声速得到使用这个距离可以确定位置，使用更多的接收器，可以用三个点通过三角测量来判定方向图 2.4声音跟踪器（像鼠标形状的设备产生声音信号，接收器可以因此判定位置和方向信息）优点：比较便宜而且轻便缺点：这类设备的范围有限，采样频率也低（光线跟踪、惯性跟踪的采样频率可以达到1KHz以上）另外，如果房间中有声音反射平面，它们的精确性将受到影响另一个缺点是外部的噪音，比如叮当声或者铃会明显干扰跟踪信号，显著降低精确度l 惯性跟踪原理：惯性跟踪系统使用多种惯性的测量设备，比如角度回转仪和线性加速器这些设备提供派生的测量（即回转仪提供角速度，线性加速器提供线性加速度），所以必须将它们集成起来才能获得位置和方向信息InterSense IS300图2.5惯性跟踪设备。
惯性传感器放置在图中的立方体中缺点：它们会由于传感器偏差、噪声、和漂移产生误差积累误差积累可能会因为线性加速器变得严重回转仪同样也有错误累积的问题，不过并不严重，并且有补偿的办法例如，惯性跟踪器通常用一个比重计和圆规测量来防止回转漂移的累积跟踪位置会对界面设计者在使用通用交互技术上有严重限制，而仅跟踪方向的系统可以用在VE中来跟踪站在一个位置而四处观看的用户的头部l 光学跟踪原理：另一种对用户和物理对象的位置和方向跟踪的方法是通过测量反射光或发射光实现的这类跟踪器使用计算机视觉技术和光线传感器，如相机、红外线发射器或者侧效应二极管，它们能够沿着某个轴线产生和输入光的位置成比例的信号（就是2D置换测量）缺点：基于视觉的跟踪器的主要缺点是遮挡问题在很多情况下，相机不能获取被其它部分遮挡的用户身体那部分的信息比如，当手在某一个方位时很难获取所有手指的准确信息增加更多的相机和标志可以减少遮挡问题，但会增加跟踪算法的复杂性l 混和跟踪原理：混和跟踪将多个跟踪技术放在一起来提高精确度，减少延迟，提供一个更好的全面3D交互体验一般说来，一项跟踪技术可以补偿其它技术的弱点缺点：构件越多越复杂不过，如果能够显著增加跟踪的精确性，增加一些复杂性是可以的。
1.2.2 眼动跟踪器眼动跟踪器是完全被动式的输入设备，用来判定用户正在看哪里眼动跟踪技术主要是基于计算机视觉技术：设备使用相机通过角膜反射光跟踪用户的瞳孔设备可以穿戴在身上或嵌入到一个计算机屏幕上，使得不会特别突出其它的眼动跟踪技术包括眼电描记法，在眼部周围放置电极测量皮肤的电压差，并在直接戴在眼睛上的隐形透镜上嵌入机械或者光学参照物眼动跟踪系统可以同时用来作为评估工具和与应用任务进行交互例如，这类设备可以在心理学试验中收集用户的眼部运动信息，获取应用的使用模式以帮助改善界面，或进行视觉检查任务中的训练同样也可以用作输入设备，如用户通过眼睛精确控制鼠标指针图2.6 iView 眼动跟踪仪1.2.3 数据手套（1）弯曲感觉数据手套原理：这是一种完全被动的输入设备，用来检测用户的手形（静态的形状）和特定的手势（一系列的手形）例如，设备可以区分拳头、指点手形、和张开的手手套获得的原始数据常常是以测量的关节角度给出的，使用软件根据这些测量结果来判定手形和手势数据手套通常有5到22个传感器比如，有5个传感器的手套通常会测量每个手指的一个关节，而有18个传感器的手套可以测量每个手指至少2个关节，手指之间的外展，腕关节的扭曲和偏转以及其它。
优点：能提供大量的DOF，使得它不但可以识别各种手势和手形，而且可以给3D应用提供。