虚拟现实的硬件与软件基础

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1、第二章第二章 虚拟现实的硬件与软件基础虚拟现实的硬件与软件基础高性能计算机；高性能计算机；广角（宽视野）的立体显示设备；广角（宽视野）的立体显示设备；观察者（头、眼）的跟踪设备；观察者（头、眼）的跟踪设备；人体姿势的跟踪设备；人体姿势的跟踪设备；立体声；立体声；触觉、力觉反馈；触觉、力觉反馈；语音输入输出等。语音输入输出等。2.1 概论概论虚拟现实的硬件设备虚拟现实的硬件设备: :交互性交互性 是虚拟现实系统的首要特性。为了允许人是虚拟现实系统的首要特性。为了允许人机交互，必须使用特殊的人机接口与外部设机交互，必须使用特殊的人机接口与外部设备，既要允许用户将信息输入到计算机，也备，既要允许用户

2、将信息输入到计算机，也要使计算机能反馈信息给用户。今天的要使计算机能反馈信息给用户。今天的VRVR外外部设备在功能和目的上各不相同。部设备在功能和目的上各不相同。 例如 ：n n身体运动由身体运动由3-3-D D位置跟踪器跟踪；位置跟踪器跟踪；n n手势由传感手套数字化；手势由传感手套数字化；n n视觉反馈发送给立体显示器；视觉反馈发送给立体显示器；n n虚拟声音由虚拟声音由3-3-D D声音生成器计算；声音生成器计算；n n观察方向随跟踪球和操纵杆改变等。观察方向随跟踪球和操纵杆改变等。 虚拟现实应用系统的特点：虚拟现实应用系统的特点： 具有灵活性、可移植性与实时交互的具有灵活性、可移植性与

3、实时交互的特性。特性。本章内容：本章内容：将描述一些虚拟现实硬件设将描述一些虚拟现实硬件设备及其软件，并分别讲述其功能、特征备及其软件，并分别讲述其功能、特征以及当前的局限性。以及当前的局限性。 2.2 VR硬件的系统集成硬件的系统集成虚拟现实（虚拟现实（VRVR）系统集成的关键技术：系统集成的关键技术： 虚拟现实系统中通常包括大量需要处理来自虚拟现实系统中通常包括大量需要处理来自各种设备的感知信息、模型和数据，因此，各种设备的感知信息、模型和数据，因此，建立一个以计算机为核心、将多种建立一个以计算机为核心、将多种建立一个以计算机为核心、将多种建立一个以计算机为核心、将多种I/OI/OI/OI

4、/O交互设备交互设备交互设备交互设备协调组合在一起的硬件平台，协调组合在一起的硬件平台，协调组合在一起的硬件平台，协调组合在一起的硬件平台，是是VRVR系统集成的系统集成的关键技术。关键技术。 计算机系统的作用：计算机系统的作用：计算机系统的作用：计算机系统的作用：实时处理、数据输入实时处理、数据输入/ /输输出、虚拟境界的管理和生成等功能。出、虚拟境界的管理和生成等功能。计算机系统的功能：计算机系统的功能：（1 1）要保障虚拟三维要保障虚拟三维场景的实时计算和显示，尽量减少延迟；场景的实时计算和显示，尽量减少延迟；(2)(2)另一方面还要协调各种另一方面还要协调各种I/OI/O交互设备之间的

5、工交互设备之间的工作，以确保系统整体运行的性能。作，以确保系统整体运行的性能。 目前虚拟现实的计算机系统可以是目前虚拟现实的计算机系统可以是PC机机、工作站工作站和和超级计算机超级计算机等，而且多数情况等，而且多数情况下都采用多种机，并以各种方式连接。下都采用多种机，并以各种方式连接。 PCPC机和工作站的比较：机和工作站的比较：（1 1）PCPC机机一般只能用于低档的一般只能用于低档的一般只能用于低档的一般只能用于低档的VRVRVRVR系统，这主系统，这主系统，这主系统，这主要是因为与工作站和超级计算机相比，它的图要是因为与工作站和超级计算机相比，它的图要是因为与工作站和超级计算机相比，它的

6、图要是因为与工作站和超级计算机相比，它的图形和声音处理功能都是有限的。形和声音处理功能都是有限的。形和声音处理功能都是有限的。形和声音处理功能都是有限的。（2 2）工作站）工作站专门用于虚拟现实系统中，它具专门用于虚拟现实系统中，它具专门用于虚拟现实系统中，它具专门用于虚拟现实系统中，它具有多个处理器，以便进一步增强整体系统结构，有多个处理器，以便进一步增强整体系统结构，有多个处理器，以便进一步增强整体系统结构，有多个处理器，以便进一步增强整体系统结构，其中有的系统可以允许一百多个处理器同时运其中有的系统可以允许一百多个处理器同时运其中有的系统可以允许一百多个处理器同时运其中有的系统可以允许一

7、百多个处理器同时运行一个程序，从而使行一个程序，从而使行一个程序，从而使行一个程序，从而使VRVRVRVR系统的性能达到最佳。系统的性能达到最佳。系统的性能达到最佳。系统的性能达到最佳。 虚拟现实的集成系统虚拟现实的集成系统: : 是指在工作站或者是指在工作站或者PC机上工作的不同组机上工作的不同组合虚拟现实硬、软件工具包。它提供了一套紧合虚拟现实硬、软件工具包。它提供了一套紧凑的设备，在此系统内，虚拟世界可被创造、凑的设备，在此系统内，虚拟世界可被创造、仿真和可视，还能通过这些集成设备获得浸入仿真和可视，还能通过这些集成设备获得浸入式体验。式体验。下面以下面以VIEW（Virtual Int

8、erface Environment Workstation）为例，介绍为例，介绍VR系统平台。系统平台。 VIEW系统组成 VIEWVIEWVIEWVIEW由一组由计算机控制的由一组由计算机控制的由一组由计算机控制的由一组由计算机控制的I/OI/OI/OI/O子系统组成：它以子系统组成：它以子系统组成：它以子系统组成：它以HPHPHPHP公司的公司的公司的公司的HP900HP900HP900HP900835835835835为主，图形处理采用为主，图形处理采用为主，图形处理采用为主，图形处理采用SGISGISGISGI公司的图形计公司的图形计公司的图形计公司的图形计算机或算机或算机或算机或H

9、PSRXHPSRXHPSRXHPSRX图形系统配备了图形系统配备了图形系统配备了图形系统配备了PlohemusPlohemusPlohemusPlohemus空间跟踪系统来跟空间跟踪系统来跟空间跟踪系统来跟空间跟踪系统来跟踪使用者手部的位置，配备了踪使用者手部的位置，配备了踪使用者手部的位置，配备了踪使用者手部的位置，配备了LEEPLEEPLEEPLEEP广角立体视景头戴显广角立体视景头戴显广角立体视景头戴显广角立体视景头戴显示器和单色液晶显示器，双屏显示器的三维场景由遥控示器和单色液晶显示器，双屏显示器的三维场景由遥控示器和单色液晶显示器，双屏显示器的三维场景由遥控示器和单色液晶显示器，双屏

10、显示器的三维场景由遥控摄像机获取，且视景可随着操作者的视线（头部位姿）摄像机获取，且视景可随着操作者的视线（头部位姿）摄像机获取，且视景可随着操作者的视线（头部位姿）摄像机获取，且视景可随着操作者的视线（头部位姿）变化；头盔上有一个麦克风以便作语音识别，两个耳机变化；头盔上有一个麦克风以便作语音识别，两个耳机变化；头盔上有一个麦克风以便作语音识别，两个耳机变化；头盔上有一个麦克风以便作语音识别，两个耳机进行三维声音跟踪，进行三维声音跟踪，进行三维声音跟踪，进行三维声音跟踪，ConvolvotronConvolvotronConvolvotronConvolvotron三维音频输出设备则三维音频

11、输出设备则三维音频输出设备则三维音频输出设备则使整个虚拟环境附有立体声音响；使整个虚拟环境附有立体声音响；使整个虚拟环境附有立体声音响；使整个虚拟环境附有立体声音响；VPLVPLVPLVPL数据手套用于识别数据手套用于识别数据手套用于识别数据手套用于识别使用者手势控制系统的行为，使操作者能够借助语音、使用者手势控制系统的行为，使操作者能够借助语音、使用者手势控制系统的行为，使操作者能够借助语音、使用者手势控制系统的行为，使操作者能够借助语音、手语（手指动作的组合姿态由数据手套手语（手指动作的组合姿态由数据手套手语（手指动作的组合姿态由数据手套手语（手指动作的组合姿态由数据手套Dataglove

12、DatagloveDatagloveDataglove形成）形成）形成）形成）与环境交互；同时还配备了与环境交互；同时还配备了与环境交互；同时还配备了与环境交互；同时还配备了BOOM CRTBOOM CRTBOOM CRTBOOM CRT显示器及显示器及显示器及显示器及Fake Fake Fake Fake SpaceSpaceSpaceSpace远程摄像系统。这些子系统分别提供虚拟环境所需远程摄像系统。这些子系统分别提供虚拟环境所需远程摄像系统。这些子系统分别提供虚拟环境所需远程摄像系统。这些子系统分别提供虚拟环境所需的各种感觉通道的识别和控制功能。使用者的各种感觉通道的识别和控制功能。使用

13、者的各种感觉通道的识别和控制功能。使用者的各种感觉通道的识别和控制功能。使用者“置身置身置身置身”于于于于这样的这样的这样的这样的VRVRVRVR环境，周围是预先定义好的虚拟物体及三维空环境，周围是预先定义好的虚拟物体及三维空环境，周围是预先定义好的虚拟物体及三维空环境，周围是预先定义好的虚拟物体及三维空间的声响效果，从而为各类间的声响效果，从而为各类间的声响效果，从而为各类间的声响效果，从而为各类VRVRVRVR应用系统的研发提供了一应用系统的研发提供了一应用系统的研发提供了一应用系统的研发提供了一个方便。个方便。个方便。个方便。 VIEWVIEW系系统统的的应应用用：远远程程机机器器人人控

14、控制制，复复杂杂信信息息管管理理及及人人类类诸诸因因素素的的研研究究。目目前前大大多多数数虚虚拟拟现现实实系系统统的的硬硬件件体体系系结结构构都都由由VIEWVIEW发发展展而而来来。同同时时，这这种种以以基基于于LCDLCD的的头头盔盔显显示示器器、数数据据手手套套及及头头部部跟跟踪踪器器为为特特征征的的硬硬件件体体系系结结构构也也己己成成为为当当今今虚虚拟拟现现实实系系统的主流。统的主流。 2.3 VR的三维跟踪传感设备的三维跟踪传感设备 v三三维维交交互互设设备备的的作作用用：把把各各种种信信息息输输入入计计算算机机，并并向向用用户户提提供供相相应应的的反反馈馈，它它们们是是使使参参与与

15、者者能能以以人人类类自自然然技技能能与与虚拟环境交互的必要工具。虚拟环境交互的必要工具。v三三维维交交互互设设备备的的分分类类：根根据据传传感感渠渠道道以以及及在在功功能能和和目目的的上上的的不不同同，虚虚拟拟现现实实系系统统的的三三维维交交互互设设备备主主要要被被分分为为三三维维跟跟踪踪传传感感设设备备，立立体体显显示示设设备备、手手数数字字化化设设备备、声声音音设设备备以以及及系系统统集集成成设备等几大类。设备等几大类。虚拟现实技术是在三维空间中与人交互的技虚拟现实技术是在三维空间中与人交互的技术，为了能及时、准确地获取人的动作信息，术，为了能及时、准确地获取人的动作信息，需要有各类高精度

16、、高可靠的跟踪定位设备。需要有各类高精度、高可靠的跟踪定位设备。传感器技术，它是传感器技术，它是VR系统中实现人机之间沟系统中实现人机之间沟通的极其重要的通信手段，是实时处理的关通的极其重要的通信手段，是实时处理的关键技术。键技术。目前虚拟现实系统使用的仍是多年来的常用目前虚拟现实系统使用的仍是多年来的常用方法，其典型的工作方式是，固定发射器发方法，其典型的工作方式是，固定发射器发射出电磁信号，该信号被附在射出电磁信号，该信号被附在用户头上的机用户头上的机动传感器截获，传感器接收到这些信号后进动传感器截获，传感器接收到这些信号后进行解码，确定发射器与接收器之间的相对位行解码，确定发射器与接收器

17、之间的相对位置及方位，信号随后传输到时间运行系统进置及方位，信号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。而传给三维图形环境处理系统。 2.3.1 电磁波跟踪器电磁波跟踪器 n n原理：原理：原理：原理：它使用一个信号发它使用一个信号发它使用一个信号发它使用一个信号发生器（生器（生器（生器（3 3 3 3个正交线圈组）个正交线圈组）个正交线圈组）个正交线圈组）产生低频电磁场，然后由产生低频电磁场，然后由产生低频电磁场，然后由产生低频电磁场，然后由放置于接收器中的另外三放置于接收器中的另外三放置于接收器中的另外三放置于接收器中的另外三组正交线圈组负责接收，组正交线圈组负责接收，组正交线

18、圈组负责接收，组正交线圈组负责接收，通过获得的感生电流和磁通过获得的感生电流和磁通过获得的感生电流和磁通过获得的感生电流和磁场场强的场场强的场场强的场场强的9 9 9 9个数据来计算个数据来计算个数据来计算个数据来计算被跟踪物体的位置和方向被跟踪物体的位置和方向被跟踪物体的位置和方向被跟踪物体的位置和方向（如图）。（如图）。（如图）。（如图）。特点：特点：体积小、价格便宜、用户运动自由，而且敏体积小、价格便宜、用户运动自由，而且敏体积小、价格便宜、用户运动自由，而且敏体积小、价格便宜、用户运动自由，而且敏感性不依赖于跟踪方位，但是其系统延迟较长，跟踪感性不依赖于跟踪方位，但是其系统延迟较长，跟

19、踪感性不依赖于跟踪方位，但是其系统延迟较长，跟踪感性不依赖于跟踪方位，但是其系统延迟较长，跟踪范围小，且准确度容易受环境中大的金属物体或其他范围小，且准确度容易受环境中大的金属物体或其他范围小，且准确度容易受环境中大的金属物体或其他范围小，且准确度容易受环境中大的金属物体或其他磁场的影响。磁场的影响。磁场的影响。磁场的影响。常用电磁波跟踪器常用电磁波跟踪器多数电磁波跟踪器采用交流磁场（如多数电磁波跟踪器采用交流磁场（如多数电磁波跟踪器采用交流磁场（如多数电磁波跟踪器采用交流磁场（如PolhemusPolhemus的的的的跟踪器），但也有的采用直流磁场（如跟踪器），但也有的采用直流磁场（如跟踪器

20、），但也有的采用直流磁场（如跟踪器），但也有的采用直流磁场（如AscensionAscension的跟踪器）的跟踪器）的跟踪器）的跟踪器）交变电磁跟踪系统交变电磁跟踪系统交变电磁跟踪系统交变电磁跟踪系统对传感器或接收器附近的电磁对传感器或接收器附近的电磁对传感器或接收器附近的电磁对传感器或接收器附近的电磁体较为敏感，它会因为周围环境中的金属或铁磁体较为敏感，它会因为周围环境中的金属或铁磁体较为敏感，它会因为周围环境中的金属或铁磁体较为敏感，它会因为周围环境中的金属或铁磁性物质而产生涡旋电流和干扰性次磁场，从而导性物质而产生涡旋电流和干扰性次磁场，从而导性物质而产生涡旋电流和干扰性次磁场，从而导

21、性物质而产生涡旋电流和干扰性次磁场，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。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。 直流电磁跟踪系统直流电磁跟踪系统直流电磁跟踪系统直流电磁跟踪系统只是在测量开始时产生涡旋电只是在测量开始时产生涡旋电只是在测量开始时产生涡旋电只是在测量开始时产生涡旋电流而在稳定状态下衰减为零，这就减少了畸变磁流而在稳定状态下衰减为零，这就减少了畸变磁流而在稳定状态下衰减为零，这就减少了畸变磁流而在稳定状态下衰减为零，这就减少了畸变磁场的产生率，使跟踪精确度大大提高。且能够保场的产生率，使跟踪精确度大大提高。且能够保场的产生率，使跟

22、踪精确度大大提高。且能够保场的产生率，使跟踪精确度大大提高。且能够保证在较大操作范围内的高灵敏度。证在较大操作范围内的高灵敏度。证在较大操作范围内的高灵敏度。证在较大操作范围内的高灵敏度。 2.3.2 超声波跟踪器超声波跟踪器 工作原理：工作原理：发射器发出高频超声波脉发射器发出高频超声波脉冲（频率冲（频率20kHz以上）后，由接收器计以上）后，由接收器计算收到信号的时间差、相位差或声压差算收到信号的时间差、相位差或声压差等，就可以跟踪物体的距离和方位了。等，就可以跟踪物体的距离和方位了。特点：特点：性能适中，成本低廉，而且不会性能适中，成本低廉，而且不会受外部磁场和大块金属物质的干扰，敏受外

23、部磁场和大块金属物质的干扰，敏感性却容易受接收器的方位和空气密度感性却容易受接收器的方位和空气密度的影响。的影响。分类：分类：按照测量方法的不同，分为飞行按照测量方法的不同，分为飞行时间测量时间测量法和相位相干测量法。法和相位相干测量法。 声波飞行时间跟踪的原理：声波飞行时间跟踪的原理：通过测量声波的飞通过测量声波的飞行时间延迟来确定距离的。它同时使用多个发行时间延迟来确定距离的。它同时使用多个发射器和接收器，以便获得一系列的距离量，从射器和接收器，以便获得一系列的距离量，从而计算出准确的位置和方向。而计算出准确的位置和方向。声波飞行时间跟踪的特点：声波飞行时间跟踪的特点：具有较好的精确度具有

24、较好的精确度和响应性；易受到外界噪音脉冲的干扰，同时和响应性；易受到外界噪音脉冲的干扰，同时数据传输率还会随着监测范围的扩大而降低，数据传输率还会随着监测范围的扩大而降低，适用于小范围内的操作环境。适用于小范围内的操作环境。相位相干跟踪的原理：相位相干跟踪的原理：通过比较基准信号和传通过比较基准信号和传感器监测到的发射信号之间的相位差来确定距感器监测到的发射信号之间的相位差来确定距离的。离的。相位相干跟踪的特点：相位相干跟踪的特点：具有较高的数据传输率、具有较高的数据传输率、可保证系统监测的精度、响应性以及耐久性等，可保证系统监测的精度、响应性以及耐久性等，而不受到外界噪声的干扰。而不受到外界

25、噪声的干扰。 2.3.3 光学跟踪器光学跟踪器n n光学跟踪器可以使用自然光、激光或红外光学跟踪器可以使用自然光、激光或红外线等作为光源，但为避免干扰用户的观察线等作为光源，但为避免干扰用户的观察视线，目前多采用红外线方式。视线，目前多采用红外线方式。n n优点：优点：可工作范围较小、其数据处理速度、可工作范围较小、其数据处理速度、响应性都非常好，适用于头部活动范围相响应性都非常好，适用于头部活动范围相当受限但要求具有较高刷新率和精确率的当受限但要求具有较高刷新率和精确率的实时应用。实时应用。 n n光学跟踪传感器结构的实现方法通常有两光学跟踪传感器结构的实现方法通常有两种：种：“由外向内由外

26、向内”方式和方式和“由内向外由内向外”方方式。式。 “由外向内由外向内”方式特点和原理：方式特点和原理：传感器是固传感器是固传感器是固传感器是固定的，发射器是可移动的。它通常是利用置于定的，发射器是可移动的。它通常是利用置于定的，发射器是可移动的。它通常是利用置于定的，发射器是可移动的。它通常是利用置于已知位置的多台照相机或摄像机，追踪放置在已知位置的多台照相机或摄像机，追踪放置在已知位置的多台照相机或摄像机，追踪放置在已知位置的多台照相机或摄像机，追踪放置在被监测物体表面的红外线发光二极管的位置，被监测物体表面的红外线发光二极管的位置，被监测物体表面的红外线发光二极管的位置，被监测物体表面的

27、红外线发光二极管的位置，并通过观察多个目标来计算它的方位。并通过观察多个目标来计算它的方位。并通过观察多个目标来计算它的方位。并通过观察多个目标来计算它的方位。“由外向内由外向内”方式不足：方式不足：这类光学跟踪器采这类光学跟踪器采这类光学跟踪器采这类光学跟踪器采用了昂贵的信号处理器硬件，因此它主要用于用了昂贵的信号处理器硬件，因此它主要用于用了昂贵的信号处理器硬件，因此它主要用于用了昂贵的信号处理器硬件，因此它主要用于飞机座舱模拟。飞机座舱模拟。飞机座舱模拟。飞机座舱模拟。“由内向外由内向外”方式特点和原理：方式特点和原理：发射器是固发射器是固发射器是固发射器是固定的，而传感器是可移动的。由

28、于在此种方式定的，而传感器是可移动的。由于在此种方式定的，而传感器是可移动的。由于在此种方式定的，而传感器是可移动的。由于在此种方式中，多个传感器可以由一组发射器支持，因而中，多个传感器可以由一组发射器支持，因而中，多个传感器可以由一组发射器支持，因而中，多个传感器可以由一组发射器支持，因而在定点传送系统跟踪多个目标的时候，具有比在定点传送系统跟踪多个目标的时候，具有比在定点传送系统跟踪多个目标的时候，具有比在定点传送系统跟踪多个目标的时候，具有比“由外向内由外向内由外向内由外向内”方式更优秀的性能。方式更优秀的性能。方式更优秀的性能。方式更优秀的性能。 2.3.4 其他空间跟踪系统其他空间跟

29、踪系统n n1. 1. 机械跟踪器机械跟踪器 ： 通常把参考点和跟踪体直接通过连杆装通常把参考点和跟踪体直接通过连杆装置相连。它采用钢体框架，一方面可以支撑观置相连。它采用钢体框架，一方面可以支撑观察设备，另一方面可以测量跟踪体的位置和方察设备，另一方面可以测量跟踪体的位置和方位。位。 这种跟踪器的精度和响应性适中，不受这种跟踪器的精度和响应性适中，不受电磁场的影响，但活动范围十分有限，而且对电磁场的影响，但活动范围十分有限，而且对用户有一定的机械束缚。用户有一定的机械束缚。 n n2. 2. 惯性跟踪器惯性跟踪器 ： 惯性跟踪器也是采用机械方法，其原惯性跟踪器也是采用机械方法，其原理是利用小

30、型陀螺仪测量被监测物在其倾角、理是利用小型陀螺仪测量被监测物在其倾角、偏角和转角方面的数据。它不是一种六自由偏角和转角方面的数据。它不是一种六自由度的设备，但在不需要位置信息的场合还是度的设备，但在不需要位置信息的场合还是十分有用的。十分有用的。 n n3. 3. 图像提取跟踪器：图像提取跟踪器：原原原原理理理理: :由由由由一一一一组组组组（两两两两台台台台或或或或两两两两台台台台以以以以上上上上）视视视视频频频频摄摄摄摄像像像像机机机机拍拍拍拍摄摄摄摄人人人人及及及及其其其其动动动动作作作作，然然然然后后后后通通通通过过过过图图图图像像像像处处处处理理理理技技技技术术术术的的的的运运运运算

31、算算算和和和和分分分分析析析析来来来来确确确确定定定定人人人人的的的的位位位位置及动作。置及动作。置及动作。置及动作。优优优优点点点点: :作作作作为为为为一一一一种种种种高高高高级级级级的的的的采采采采样样样样识识识识别别别别技技技技术术术术，图图图图像像像像提提提提取取取取跟跟跟跟踪踪踪踪设设设设备备备备的的的的计计计计算算算算密密密密度度度度高高高高，又又又又不不不不会会会会受受受受附附附附近近近近的的的的磁磁磁磁场场场场或或或或金金金金属属属属物物物物质质质质的的的的影影影影响响响响，而而而而且且且且对对对对用用用用户户户户没没没没有有有有运运运运动动动动约约约约束束束束，因因因因而而

32、而而在在在在使使使使用用用用上上上上具具具具有有有有极极极极大大大大的的的的方方方方便。便。便。便。缺缺缺缺点点点点: :由由由由于于于于图图图图像像像像提提提提取取取取跟跟跟跟踪踪踪踪设设设设备备备备是是是是通通通通过过过过比比比比较较较较已已已已知知知知的的的的采采采采样样样样位位位位置置置置和和和和传传传传感感感感的的的的采采采采样样样样来来来来确确确确定定定定位位位位置置置置的的的的，因因因因而而而而对对对对监监监监测测测测物物物物体体体体的的的的距距距距离离离离和和和和监监监监测测测测环环环环境境境境的的的的灯灯灯灯光光光光照照照照明明明明系系系系统统统统要要要要求求求求较较较较高高

33、高高，通通通通常常常常远远远远距距距距离离离离的的的的物物物物体体体体或或或或过过过过强强强强、过过过过弱弱弱弱的的的的照照照照明明明明都都都都会会会会降降降降低低低低采采采采样样样样识识识识别别别别系系系系统统统统的的的的精精精精确确确确度度度度。另另另另外外外外，较较较较少少少少数数数数量量量量的的的的摄摄摄摄像像像像机机机机可可可可能能能能使使使使监监监监测测测测环环环环境境境境中中中中的的的的物物物物体体体体（包包包包括括括括参参参参与与与与者者者者）出出出出现现现现在在在在摄摄摄摄像像像像机机机机视视视视野野野野中中中中被被被被屏屏屏屏蔽蔽蔽蔽的的的的现现现现象象象象，而而而而较较较

34、较多多多多数数数数量量量量的的的的摄摄摄摄像像像像机机机机又又又又会会会会增增增增加加加加采采采采样样样样识识识识别别别别算算算算法法法法的的的的复复复复杂杂杂杂度度度度和和和和系系系系统统统统冗冗冗冗余余余余度。度。度。度。 2.3.5 对跟踪传感设备的评价对跟踪传感设备的评价 跟踪装置的性能指标主要包括：跟踪装置的性能指标主要包括：跟踪装置的性能指标主要包括：跟踪装置的性能指标主要包括：（1 1）等待时间（即延迟）等待时间（即延迟） 指从采样开始到数指从采样开始到数指从采样开始到数指从采样开始到数据可以处理之前的时间间隔；我们要求跟踪设备据可以处理之前的时间间隔；我们要求跟踪设备据可以处理

35、之前的时间间隔；我们要求跟踪设备据可以处理之前的时间间隔；我们要求跟踪设备的系统延迟应足够短，因为长延迟会影响沉浸效的系统延迟应足够短，因为长延迟会影响沉浸效的系统延迟应足够短，因为长延迟会影响沉浸效的系统延迟应足够短，因为长延迟会影响沉浸效果。果。果。果。（2 2）位置精度）位置精度 即实际位置与测量位置之间的即实际位置与测量位置之间的即实际位置与测量位置之间的即实际位置与测量位置之间的偏差；偏差越小，随着用户动作产生的模拟效果偏差；偏差越小，随着用户动作产生的模拟效果偏差；偏差越小，随着用户动作产生的模拟效果偏差；偏差越小，随着用户动作产生的模拟效果就越好。就越好。就越好。就越好。（3 3

36、）分辨率）分辨率 即设备能检测到的最小位移；即设备能检测到的最小位移；即设备能检测到的最小位移；即设备能检测到的最小位移；另外还有取样率、运行约束、环境隔离要求等另外还有取样率、运行约束、环境隔离要求等指标。指标。表表 3种常用跟踪技术的主要性能指标种常用跟踪技术的主要性能指标跟踪器类型分辨率精度延迟跟踪范围电磁波1mm0.03mm3mm0.1mm50ms半径1.6m的半球形超声波10mm0.5mm依空气密度变化30ms45m光学2rnrn0.02mm1rnrn1ms48m（可扩展至14m）跟踪器类型分辨率精度延迟跟踪范围电磁波1mm0.03mm3mm0.1mm50ms半径1.6m的半球形超声

37、波10mm0.5mm依空气密度变化30ms45m光学2rnrn0.02mm1rnrn1ms48m（可扩展至14m）跟踪器类型分辨率精度延迟跟踪范围电磁波1mm0.03mm3mm0.1mm50ms半径1.6m的半球形超声波10mm0.5mm依空气密度变化30ms45m光学2rnrn0.02mm1rnrn1ms48m（可扩展至14m）跟踪器跟踪器类型类型分辨率分辨率精度精度延迟延迟跟踪范围跟踪范围电磁波电磁波1mm 0.03mm3mm 0.1mm50ms半径半径1.6m的半球形的半球形超声波超声波10mm 0.5mm依空气依空气密度变密度变化化30ms45m3光学光学2mm 0.02mm1mm1m

38、s48m3（可可扩展至扩展至14m3）2.4 VR的立体显示设备的立体显示设备 n n对虚拟世界的沉浸感主要依赖于人类的视觉对虚拟世界的沉浸感主要依赖于人类的视觉对虚拟世界的沉浸感主要依赖于人类的视觉对虚拟世界的沉浸感主要依赖于人类的视觉感知。感知。感知。感知。n n人眼立体视觉效应的原理人眼立体视觉效应的原理: :当人在现实生当人在现实生当人在现实生当人在现实生活中观察物体时，双眼之间活中观察物体时，双眼之间活中观察物体时，双眼之间活中观察物体时，双眼之间6 6 6 67 7 7 7cmcmcmcm的距离的距离的距离的距离（瞳距）会使左、右眼分别产生一个稍有不（瞳距）会使左、右眼分别产生一个

39、稍有不（瞳距）会使左、右眼分别产生一个稍有不（瞳距）会使左、右眼分别产生一个稍有不同的图像（即体视差），我们的大脑通过分同的图像（即体视差），我们的大脑通过分同的图像（即体视差），我们的大脑通过分同的图像（即体视差），我们的大脑通过分析后会把这两幅图像融合为一幅画面，并由析后会把这两幅图像融合为一幅画面，并由析后会把这两幅图像融合为一幅画面，并由析后会把这两幅图像融合为一幅画面，并由此获得距离和深度的感觉。此获得距离和深度的感觉。此获得距离和深度的感觉。此获得距离和深度的感觉。n n比较常用的显示设备主要有立体眼镜、头盔比较常用的显示设备主要有立体眼镜、头盔比较常用的显示设备主要有立体眼镜、头

40、盔比较常用的显示设备主要有立体眼镜、头盔显示器、双目全方位显示器以及大屏幕立体显示器、双目全方位显示器以及大屏幕立体显示器、双目全方位显示器以及大屏幕立体显示器、双目全方位显示器以及大屏幕立体投影等。投影等。投影等。投影等。 2.4.1 头盔显示器（头盔显示器（Head一一Mounted 3D Display，HMD） n nHMD是专为用户提供虚拟现实中立体景是专为用户提供虚拟现实中立体景物的显示器。物的显示器。 n nHMDHMD的工作原理的工作原理：它通常被固定在用户的：它通常被固定在用户的头部，由两个头部，由两个LCD或或CRT显示器分别向两显示器分别向两只眼睛提供图像，这两个显示屏中

41、的图像只眼睛提供图像，这两个显示屏中的图像由计算机分别驱由计算机分别驱动，屏上的两幅图像存在动，屏上的两幅图像存在着细小的差别，类似于着细小的差别，类似于“双眼视差双眼视差”，大，大脑将融合这两个视差图像以获得深度感知。脑将融合这两个视差图像以获得深度感知。n nHMDHMD的特点：的特点：它可以使参与者暂时与真实它可以使参与者暂时与真实世界隔离开，而处于完全沉浸状态世界隔离开，而处于完全沉浸状态 。 双眼局部重叠的头盔显示器光学模型双眼局部重叠的头盔显示器光学模型n n安装在头盔上的显示器可以包括：阴极射线管安装在头盔上的显示器可以包括：阴极射线管安装在头盔上的显示器可以包括：阴极射线管安装

42、在头盔上的显示器可以包括：阴极射线管（CRTCRTCRTCRT）、）、）、）、液晶显示（液晶显示（液晶显示（液晶显示（LCDLCDLCDLCD）、）、）、）、发光二极管（发光二极管（发光二极管（发光二极管（LEDLEDLEDLED）、）、）、）、荧光管、液晶开关显示器以及微机械硅显示器等荧光管、液晶开关显示器以及微机械硅显示器等荧光管、液晶开关显示器以及微机械硅显示器等荧光管、液晶开关显示器以及微机械硅显示器等多种显示技术。现阶段最为常用的是多种显示技术。现阶段最为常用的是多种显示技术。现阶段最为常用的是多种显示技术。现阶段最为常用的是CRTCRTCRTCRT和和和和LCDLCDLCDLCD两

43、两两两种，其中，种，其中，种，其中，种，其中，CRTCRTCRTCRT显示器具有较高分辨率，而显示器具有较高分辨率，而显示器具有较高分辨率，而显示器具有较高分辨率，而LCDLCDLCDLCD显显显显示器具有较好的亮度，预计微机械硅显示器将成示器具有较好的亮度，预计微机械硅显示器将成示器具有较好的亮度，预计微机械硅显示器将成示器具有较好的亮度，预计微机械硅显示器将成为今后新型为今后新型为今后新型为今后新型HMDHMDHMDHMD显示部件的发展主流。显示部件的发展主流。显示部件的发展主流。显示部件的发展主流。 n n与立体眼镜等显示设备相比，头盔显示器虽然价与立体眼镜等显示设备相比，头盔显示器虽然

44、价与立体眼镜等显示设备相比，头盔显示器虽然价与立体眼镜等显示设备相比，头盔显示器虽然价格昂贵，但却具有较好的沉浸感，而且用户的走格昂贵，但却具有较好的沉浸感，而且用户的走格昂贵，但却具有较好的沉浸感，而且用户的走格昂贵，但却具有较好的沉浸感，而且用户的走动自由。当然，它也存在着诸如约束感较强、动自由。当然，它也存在着诸如约束感较强、动自由。当然，它也存在着诸如约束感较强、动自由。当然，它也存在着诸如约束感较强、LCDLCDLCDLCD的分辨率偏低，失真较大等问题。的分辨率偏低，失真较大等问题。的分辨率偏低，失真较大等问题。的分辨率偏低，失真较大等问题。 衡量头盔显示器性能的规格参数及其含义：衡

45、量头盔显示器性能的规格参数及其含义：（1 1）逼真的立体视觉（双眼视觉）逼真的立体视觉（双眼视觉） “逼真逼真”指所看到的景象中的所有点的方位角和指所看到的景象中的所有点的方位角和指所看到的景象中的所有点的方位角和指所看到的景象中的所有点的方位角和俯仰角与原始图像中的对应点都一样。俯仰角与原始图像中的对应点都一样。俯仰角与原始图像中的对应点都一样。俯仰角与原始图像中的对应点都一样。 “逼真的立体视觉逼真的立体视觉” 要求两眼所看到的两幅图要求两眼所看到的两幅图要求两眼所看到的两幅图要求两眼所看到的两幅图像同时符合像同时符合像同时符合像同时符合“逼真逼真逼真逼真”这个条件。这个条件。这个条件。这

46、个条件。 （2 2）视场）视场 视场视场即人眼能够看到的视觉范围的大小，它对即人眼能够看到的视觉范围的大小，它对即人眼能够看到的视觉范围的大小，它对即人眼能够看到的视觉范围的大小，它对VRVR系统的影响包括两个方面：总视场角和视场重叠系统的影响包括两个方面：总视场角和视场重叠系统的影响包括两个方面：总视场角和视场重叠系统的影响包括两个方面：总视场角和视场重叠角。角。角。角。 视场是沉浸感的关键因素，是衡量光学系视场是沉浸感的关键因素，是衡量光学系统性能好坏的主要参数。统性能好坏的主要参数。衡量头盔显示器性能的规格参数及其含义衡量头盔显示器性能的规格参数及其含义衡量头盔显示器性能的规格参数及其含

47、义衡量头盔显示器性能的规格参数及其含义（3 3）分辨率）分辨率人眼在视网膜中心部分的分辨率较高，大约人眼在视网膜中心部分的分辨率较高，大约为为1弧分左右，而随着距离中心点越来越远，弧分左右，而随着距离中心点越来越远，其分辨率也会越来越低。其分辨率也会越来越低。（4 4）透射率）透射率 头盔显示器又可以分为头盔显示器又可以分为“看穿看穿”式和非式和非“看看穿穿”式两种。式两种。戴上戴上“看穿看穿”式显示器，用户可以同时看到式显示器，用户可以同时看到计算机产生的图像和真实的外部景象。计算机产生的图像和真实的外部景象。戴上非戴上非“看穿看穿”式显示器时，用户就只能看式显示器时，用户就只能看到由计算机

48、生成的图像了。到由计算机生成的图像了。 衡量头盔显示器性能的规格参数及其含义衡量头盔显示器性能的规格参数及其含义衡量头盔显示器性能的规格参数及其含义衡量头盔显示器性能的规格参数及其含义(5)(5)重叠率重叠率 双眼图像重叠在一起的部分，我们称之为双目重双眼图像重叠在一起的部分，我们称之为双目重双眼图像重叠在一起的部分，我们称之为双目重双眼图像重叠在一起的部分，我们称之为双目重叠区。叠区。叠区。叠区。局部重叠式头盔显示器可以在不降低分辨率的前局部重叠式头盔显示器可以在不降低分辨率的前局部重叠式头盔显示器可以在不降低分辨率的前局部重叠式头盔显示器可以在不降低分辨率的前提下，提供更宽的视场。提下，提

49、供更宽的视场。提下，提供更宽的视场。提下，提供更宽的视场。 衡量头盔显示器性能的规格参数及其含义衡量头盔显示器性能的规格参数及其含义衡量头盔显示器性能的规格参数及其含义衡量头盔显示器性能的规格参数及其含义（6 6）重量）重量理想的头盔显示器不但应保证前后两部分理想的头盔显示器不但应保证前后两部分保持平衡（不要前重后轻），而且其重量保持平衡（不要前重后轻），而且其重量应该是和一副眼镜差不多，这样可以尽量应该是和一副眼镜差不多，这样可以尽量减少使用者的疲劳和不适感。减少使用者的疲劳和不适感。（7 7）人的因素）人的因素v 决决定定头头盔盔显显示示器器性性能能的的很很多多参参数数之之间间是是存存在在

50、相相互互制制约约关关系系的的。在在设设计计和和购购买买头头盔盔显显示示器器时时，一一定定要要将将硬硬件件的的规规格格和和参参数数、系系统统自自身身的的应应用用需需求求以以及及造造价价成成本本等等多多方方面面因素予以综合考虑，选择适当的产品。因素予以综合考虑，选择适当的产品。 2.4.2 双目全方位显示器双目全方位显示器 (BOOM）vBOOM（Binocu1ar Omni orientation Monitor）是一种可移动式显示器。是一种可移动式显示器。 vBOOMBOOM的特点：的特点：有两个互相垂直的机械臂支有两个互相垂直的机械臂支撑、有实时的观测和交互能力撑、有实时的观测和交互能力 。

51、v BOOMBOOM的优点：的优点：分辨率高于分辨率高于HMDHMD，且图像柔且图像柔和和 ；系统延迟小，且不受磁场和超声波；系统延迟小，且不受磁场和超声波背景噪音的影响；应用方便灵活。背景噪音的影响；应用方便灵活。vBOOMBOOM的缺点：的缺点：使使用者的运动受限，这是使使用者的运动受限，这是因为在工作空间中心的支撑架造成了因为在工作空间中心的支撑架造成了“死死区区”，因此，因此BOOMBOOM的工作区要去除中心大约的工作区要去除中心大约0.50.5m m2 2的空间范围。的空间范围。 2.4.3 CRT终端终端液晶光闸眼镜液晶光闸眼镜 工作原理：工作原理：由计算机分别产生左、右眼的两幅由

52、计算机分别产生左、右眼的两幅由计算机分别产生左、右眼的两幅由计算机分别产生左、右眼的两幅图像，经过合成处理后，采用分时交替的方法显图像，经过合成处理后，采用分时交替的方法显图像，经过合成处理后，采用分时交替的方法显图像，经过合成处理后，采用分时交替的方法显示于示于示于示于CRTCRTCRTCRT终端上。用户则佩带一副与计算机相连终端上。用户则佩带一副与计算机相连终端上。用户则佩带一副与计算机相连终端上。用户则佩带一副与计算机相连的液晶光闸眼镜，眼镜的左、右镜片在驱动电信的液晶光闸眼镜，眼镜的左、右镜片在驱动电信的液晶光闸眼镜，眼镜的左、右镜片在驱动电信的液晶光闸眼镜，眼镜的左、右镜片在驱动电信

53、号的作用下，将以与图像显示同步的速率交替号的作用下，将以与图像显示同步的速率交替号的作用下，将以与图像显示同步的速率交替号的作用下，将以与图像显示同步的速率交替“开开开开”（透光）、（透光）、（透光）、（透光）、“闭闭闭闭”（遮光），即当计算机显（遮光），即当计算机显（遮光），即当计算机显（遮光），即当计算机显示左眼图像时，右眼透镜将被遮闭，而当计算机示左眼图像时，右眼透镜将被遮闭，而当计算机示左眼图像时，右眼透镜将被遮闭，而当计算机示左眼图像时，右眼透镜将被遮闭，而当计算机显示右眼图像时，左眼透镜则被遮闭。这样做可显示右眼图像时，左眼透镜则被遮闭。这样做可显示右眼图像时，左眼透镜则被遮闭。这

54、样做可显示右眼图像时，左眼透镜则被遮闭。这样做可以让用户的左、右眼分别只看到相应的左、右图以让用户的左、右眼分别只看到相应的左、右图以让用户的左、右眼分别只看到相应的左、右图以让用户的左、右眼分别只看到相应的左、右图像。根据双目视差与深度距离的正比关系，人的像。根据双目视差与深度距离的正比关系，人的像。根据双目视差与深度距离的正比关系，人的像。根据双目视差与深度距离的正比关系，人的视觉生理系统就可以自动将这两幅视差图像融合视觉生理系统就可以自动将这两幅视差图像融合视觉生理系统就可以自动将这两幅视差图像融合视觉生理系统就可以自动将这两幅视差图像融合成一个立体视像了。成一个立体视像了。成一个立体视

55、像了。成一个立体视像了。 CRTCRT终端液晶光闸眼镜的优缺点：终端液晶光闸眼镜的优缺点：n n相对于头盔显示器或相对于头盔显示器或相对于头盔显示器或相对于头盔显示器或BOOMBOOMBOOMBOOM而言，液晶光闸眼镜是而言，液晶光闸眼镜是而言，液晶光闸眼镜是而言，液晶光闸眼镜是一种非常廉价的立体显示设备。它极其短促的光一种非常廉价的立体显示设备。它极其短促的光一种非常廉价的立体显示设备。它极其短促的光一种非常廉价的立体显示设备。它极其短促的光栅开关时间和监视器的高刷新率形成了无闪烁栅开关时间和监视器的高刷新率形成了无闪烁栅开关时间和监视器的高刷新率形成了无闪烁栅开关时间和监视器的高刷新率形成

56、了无闪烁图像，使得这种图像比基于图像，使得这种图像比基于图像，使得这种图像比基于图像，使得这种图像比基于LCDLCDLCDLCD的头盔显示器要清的头盔显示器要清的头盔显示器要清的头盔显示器要清晰得多，而且长时间观察也不会令人疲倦。同时，晰得多，而且长时间观察也不会令人疲倦。同时，晰得多，而且长时间观察也不会令人疲倦。同时，晰得多，而且长时间观察也不会令人疲倦。同时，立体眼镜重量轻，使用舒适，其操作范围最远可立体眼镜重量轻，使用舒适，其操作范围最远可立体眼镜重量轻，使用舒适，其操作范围最远可立体眼镜重量轻，使用舒适，其操作范围最远可离监视器离监视器离监视器离监视器6 6 6 6m m m m，但

57、是，由于光栅过滤器泄漏一部分但是，由于光栅过滤器泄漏一部分但是，由于光栅过滤器泄漏一部分但是，由于光栅过滤器泄漏一部分光，所以使用者看到的图像亮度不如普通屏幕好，光，所以使用者看到的图像亮度不如普通屏幕好，光，所以使用者看到的图像亮度不如普通屏幕好，光，所以使用者看到的图像亮度不如普通屏幕好，且由于使用者没有与显示器相联，无法感觉到是且由于使用者没有与显示器相联，无法感觉到是且由于使用者没有与显示器相联，无法感觉到是且由于使用者没有与显示器相联，无法感觉到是被虚拟世界包围，因而沉浸感较差，通常只在桌被虚拟世界包围，因而沉浸感较差，通常只在桌被虚拟世界包围，因而沉浸感较差，通常只在桌被虚拟世界包

58、围，因而沉浸感较差，通常只在桌面式面式面式面式VRVRVRVR系统或一些多用户的环境下应用，例如科系统或一些多用户的环境下应用，例如科系统或一些多用户的环境下应用，例如科系统或一些多用户的环境下应用，例如科学可视化和极细微的外科手术等。学可视化和极细微的外科手术等。学可视化和极细微的外科手术等。学可视化和极细微的外科手术等。 2.4.4 大屏幕投影大屏幕投影液晶光闸眼镜液晶光闸眼镜将将将将CRTCRT终端显示改为大屏幕投影显示就得大屏幕终端显示改为大屏幕投影显示就得大屏幕终端显示改为大屏幕投影显示就得大屏幕终端显示改为大屏幕投影显示就得大屏幕投影液晶光闸眼镜。投影液晶光闸眼镜。投影液晶光闸眼镜

59、。投影液晶光闸眼镜。用于投影的用于投影的用于投影的用于投影的CRTCRT或数字投影机要求具有极高的亮或数字投影机要求具有极高的亮或数字投影机要求具有极高的亮或数字投影机要求具有极高的亮度和分辨率，它适合于在较大的视野内产生投影度和分辨率，它适合于在较大的视野内产生投影度和分辨率，它适合于在较大的视野内产生投影度和分辨率，它适合于在较大的视野内产生投影图像的应用需求。图像的应用需求。图像的应用需求。图像的应用需求。美国芝加哥大学研制的美国芝加哥大学研制的美国芝加哥大学研制的美国芝加哥大学研制的CAVECAVE系统，构造了一个由系统，构造了一个由系统，构造了一个由系统，构造了一个由4 4面投影屏幕

60、形成的立方体虚拟环境，又叫面投影屏幕形成的立方体虚拟环境，又叫面投影屏幕形成的立方体虚拟环境，又叫面投影屏幕形成的立方体虚拟环境，又叫“洞穴洞穴洞穴洞穴”。各屏幕（背投式）同时显示从某一固定观察。各屏幕（背投式）同时显示从某一固定观察。各屏幕（背投式）同时显示从某一固定观察。各屏幕（背投式）同时显示从某一固定观察点看到的所有视像，由此提供一种全景式的环境。点看到的所有视像，由此提供一种全景式的环境。点看到的所有视像，由此提供一种全景式的环境。点看到的所有视像，由此提供一种全景式的环境。该系统需要复杂而昂贵的计算机投影控制系统：该系统需要复杂而昂贵的计算机投影控制系统：该系统需要复杂而昂贵的计算

61、机投影控制系统：该系统需要复杂而昂贵的计算机投影控制系统：它通常采用球面大屏幕，投影机位于球心，具有它通常采用球面大屏幕，投影机位于球心，具有它通常采用球面大屏幕，投影机位于球心，具有它通常采用球面大屏幕，投影机位于球心，具有与双摄像机立体观察器相同的俯仰和偏转两个位与双摄像机立体观察器相同的俯仰和偏转两个位与双摄像机立体观察器相同的俯仰和偏转两个位与双摄像机立体观察器相同的俯仰和偏转两个位置，并始终保持以观察者为正前方在球屏上相应置，并始终保持以观察者为正前方在球屏上相应置，并始终保持以观察者为正前方在球屏上相应置，并始终保持以观察者为正前方在球屏上相应移动，从而形成一定的视景环绕感。移动，

62、从而形成一定的视景环绕感。移动，从而形成一定的视景环绕感。移动，从而形成一定的视景环绕感。大大大大屏屏屏屏幕幕幕幕投投投投影影影影 （液液液液晶晶晶晶光光光光闸闸闸闸眼眼眼眼镜镜镜镜）显显显显示示示示 2.5 手数字化设备手数字化设备 n n一般的跟踪、探测设备都具有简单、紧凑和易一般的跟踪、探测设备都具有简单、紧凑和易一般的跟踪、探测设备都具有简单、紧凑和易一般的跟踪、探测设备都具有简单、紧凑和易于操作等优点，但由于它们自身构造的限制，于操作等优点，但由于它们自身构造的限制，于操作等优点，但由于它们自身构造的限制，于操作等优点，但由于它们自身构造的限制，使操作者手的活动自由度仅限于在桌上的一

63、个使操作者手的活动自由度仅限于在桌上的一个使操作者手的活动自由度仅限于在桌上的一个使操作者手的活动自由度仅限于在桌上的一个小区域中，减弱了它与虚拟世界交互作用的直小区域中，减弱了它与虚拟世界交互作用的直小区域中，减弱了它与虚拟世界交互作用的直小区域中，减弱了它与虚拟世界交互作用的直观性。观性。观性。观性。n nVRVRVRVR技术的一项重大突破就是用手来代替键盘、技术的一项重大突破就是用手来代替键盘、技术的一项重大突破就是用手来代替键盘、技术的一项重大突破就是用手来代替键盘、鼠标，作为人与计算机交互的一种重要手段。鼠标，作为人与计算机交互的一种重要手段。鼠标，作为人与计算机交互的一种重要手段。

64、鼠标，作为人与计算机交互的一种重要手段。借助各种专用的手数字化设备，操作者不但可借助各种专用的手数字化设备，操作者不但可借助各种专用的手数字化设备，操作者不但可借助各种专用的手数字化设备，操作者不但可以获得大范围的基于手势的交互操作，同时通以获得大范围的基于手势的交互操作，同时通以获得大范围的基于手势的交互操作，同时通以获得大范围的基于手势的交互操作，同时通过感知单个手指的运动还可以增加人在虚拟空过感知单个手指的运动还可以增加人在虚拟空过感知单个手指的运动还可以增加人在虚拟空过感知单个手指的运动还可以增加人在虚拟空间中的自由度和灵活性。间中的自由度和灵活性。间中的自由度和灵活性。间中的自由度和

65、灵活性。 2.5.1.1 VPL数据手套数据手套n n数据手套的由来数据手套的由来：最早的传感手套是由：最早的传感手套是由VPL公公司开发的，叫做司开发的，叫做DataGlove，所以通常又把传所以通常又把传感手套叫做数据手套感手套叫做数据手套 。n n数据手套数据手套由很轻的弹性材料构成，紧贴在手上。由很轻的弹性材料构成，紧贴在手上。该系统包括位置该系统包括位置/ /方向传感器和沿每个手指背方向传感器和沿每个手指背部安装的一组有保护套的光纤导线，它们检测部安装的一组有保护套的光纤导线，它们检测手指和手的运动手指和手的运动 。n nDataGlove DataGlove 的工作原理的工作原理：

66、作为传感器的作为传感器的光纤光纤可可以测量每个手指的弯曲和伸展以测量每个手指的弯曲和伸展 ；磁性的磁性的位置位置/ /方向传感器方向传感器则如同电磁跟踪器一样，这种传感则如同电磁跟踪器一样，这种传感器测量手的绝对位置（器测量手的绝对位置（x，y，z）和三个转角方和三个转角方向（转动、俯仰、摇摆）。向（转动、俯仰、摇摆）。 n n具体：作为传感器的光纤可以测量每个手指的弯曲和伸展。每具体：作为传感器的光纤可以测量每个手指的弯曲和伸展。每具体：作为传感器的光纤可以测量每个手指的弯曲和伸展。每具体：作为传感器的光纤可以测量每个手指的弯曲和伸展。每条光纤从控制器的线路板引出，经过一长段软管到达手套上的

67、条光纤从控制器的线路板引出，经过一长段软管到达手套上的条光纤从控制器的线路板引出，经过一长段软管到达手套上的条光纤从控制器的线路板引出，经过一长段软管到达手套上的腕部固定器。从这里，光纤导线延伸到手指上，经过手指的关腕部固定器。从这里，光纤导线延伸到手指上，经过手指的关腕部固定器。从这里，光纤导线延伸到手指上，经过手指的关腕部固定器。从这里，光纤导线延伸到手指上，经过手指的关节，然后回到腕部固定器和控制器。节，然后回到腕部固定器和控制器。节，然后回到腕部固定器和控制器。节，然后回到腕部固定器和控制器。 在控制器内部，每根光纤导线的一端配备一个发光二极管，在控制器内部，每根光纤导线的一端配备一个

68、发光二极管，在控制器内部，每根光纤导线的一端配备一个发光二极管，在控制器内部，每根光纤导线的一端配备一个发光二极管，而其另一端连接一个光传感器。控制单元把从光传感器那里接而其另一端连接一个光传感器。控制单元把从光传感器那里接而其另一端连接一个光传感器。控制单元把从光传感器那里接而其另一端连接一个光传感器。控制单元把从光传感器那里接收到的能量转变成电信号。当弯曲手指时，发光二极管的光经收到的能量转变成电信号。当弯曲手指时，发光二极管的光经收到的能量转变成电信号。当弯曲手指时，发光二极管的光经收到的能量转变成电信号。当弯曲手指时，发光二极管的光经过光纤导线从导线保护套的裂缝或切口逸出。关节越弯曲，

69、光过光纤导线从导线保护套的裂缝或切口逸出。关节越弯曲，光过光纤导线从导线保护套的裂缝或切口逸出。关节越弯曲，光过光纤导线从导线保护套的裂缝或切口逸出。关节越弯曲，光纤逸出越多，到达光传感器的光越少。光量的多少就反映了手纤逸出越多，到达光传感器的光越少。光量的多少就反映了手纤逸出越多，到达光传感器的光越少。光量的多少就反映了手纤逸出越多，到达光传感器的光越少。光量的多少就反映了手指的弯曲程度。指的弯曲程度。指的弯曲程度。指的弯曲程度。 计算机根据光电信号数据算出手指和关节弯曲的程度。每计算机根据光电信号数据算出手指和关节弯曲的程度。每计算机根据光电信号数据算出手指和关节弯曲的程度。每计算机根据光

70、电信号数据算出手指和关节弯曲的程度。每个手指最少有两条光纤导线，一条检测手指下部关节，另一条个手指最少有两条光纤导线，一条检测手指下部关节，另一条个手指最少有两条光纤导线，一条检测手指下部关节，另一条个手指最少有两条光纤导线，一条检测手指下部关节，另一条检测手指中间关节。因为拇指只有两个关节，大拇指上仅有一检测手指中间关节。因为拇指只有两个关节，大拇指上仅有一检测手指中间关节。因为拇指只有两个关节，大拇指上仅有一检测手指中间关节。因为拇指只有两个关节，大拇指上仅有一条光纤导线。为了增加检测的准确度，每个手指上可再增加一条光纤导线。为了增加检测的准确度，每个手指上可再增加一条光纤导线。为了增加检

71、测的准确度，每个手指上可再增加一条光纤导线。为了增加检测的准确度，每个手指上可再增加一条或几条光纤导线。但不论添加多少光纤导线，这种方法只能条或几条光纤导线。但不论添加多少光纤导线，这种方法只能条或几条光纤导线。但不论添加多少光纤导线，这种方法只能条或几条光纤导线。但不论添加多少光纤导线，这种方法只能测量手指的活动。在测量手指的活动。在测量手指的活动。在测量手指的活动。在DataGloveDataGloveDataGloveDataGlove中，第二个测量仪器是一个磁性中，第二个测量仪器是一个磁性中，第二个测量仪器是一个磁性中，第二个测量仪器是一个磁性的位置的位置的位置的位置/ / / /方向

72、传感器，如同在前面的电磁跟踪器一样，这种传感方向传感器，如同在前面的电磁跟踪器一样，这种传感方向传感器，如同在前面的电磁跟踪器一样，这种传感方向传感器，如同在前面的电磁跟踪器一样，这种传感器测量手的绝对位置（器测量手的绝对位置（器测量手的绝对位置（器测量手的绝对位置（x x x x，y y y y，z z z z）和三个转角方向（转动、俯仰、和三个转角方向（转动、俯仰、和三个转角方向（转动、俯仰、和三个转角方向（转动、俯仰、摇摆）。这两种方法的结合使计算机能够跟踪手所作出的任何摇摆）。这两种方法的结合使计算机能够跟踪手所作出的任何摇摆）。这两种方法的结合使计算机能够跟踪手所作出的任何摇摆）。这

73、两种方法的结合使计算机能够跟踪手所作出的任何动作。动作。动作。动作。 n nDataGlove DataGlove 的运用的运用：数据手套由主机通过数据手套由主机通过25条指令集进行控制，测量十个关节（五条指令集进行控制，测量十个关节（五个和手掌相连的指骨、一个大拇指关节和个和手掌相连的指骨、一个大拇指关节和四个其他指骨关节），并有附加的传感器四个其他指骨关节），并有附加的传感器来测量外展肌和小关节。数据记录则以来测量外展肌和小关节。数据记录则以3060Hz的速率传送。的速率传送。n n数据手套数据手套有大、中、小三种型号的手套。有大、中、小三种型号的手套。当安装不正确的手套时需要频繁地重新校

74、当安装不正确的手套时需要频繁地重新校正尺寸。正尺寸。n n用同步命令可以使用左、右手套。当两个用同步命令可以使用左、右手套。当两个跟踪系统被同时使用时，我们就不得不对跟踪系统被同时使用时，我们就不得不对各自的传输器进行改进各自的传输器进行改进。 2.5.1.2 2.5.1.2 PowerGlovePowerGlove手控器手控器n nPowerGlove手控器手控器是是Mattel为家庭视频游戏为家庭视频游戏市场而设计的，一般用于游戏机，现已停产。市场而设计的，一般用于游戏机，现已停产。其性能比用于其他行业的同类产品要低得多。其性能比用于其他行业的同类产品要低得多。n nPowerGloveP

75、owerGlove使用基于有一恒定弹力塑料的张使用基于有一恒定弹力塑料的张力测量仪（力测量仪（AmtecAmtec公司生产这种包有公司生产这种包有0.60.6mmmm特特殊配方油墨的聚酯条透明物质）。殊配方油墨的聚酯条透明物质）。 n nPowerGlovePowerGlove的原理的原理：手是由安装在手套背部：手是由安装在手套背部的超声发生器来定位的，它发出的超声波由的超声发生器来定位的，它发出的超声波由三个超声波接收器轮流接收，并测得接收时三个超声波接收器轮流接收，并测得接收时间，最大测量范围是间，最大测量范围是1.5241.524m m。 n nPowerGlovePowerGlove的

76、特点的特点：在手套上安装一个控制：在手套上安装一个控制板，板上有板，板上有“开始开始”及四个方向键及四个方向键 。2.5.1.3 2.5.1.3 CyberGloveCyberGloven nCyberGloveCyberGlove是由是由是由是由VirtexVirtex（Virtual TechnologiesVirtual Technologies）公公公公司开发的，是司开发的，是司开发的，是司开发的，是CyberCADCyberCAD虚拟设计环境中虚拟技术虚拟设计环境中虚拟技术虚拟设计环境中虚拟技术虚拟设计环境中虚拟技术一个理想的接口设备，可被广泛应用来创建、终止、一个理想的接口设备，可

77、被广泛应用来创建、终止、一个理想的接口设备，可被广泛应用来创建、终止、一个理想的接口设备，可被广泛应用来创建、终止、定位三维物体。定位三维物体。定位三维物体。定位三维物体。n n CyberGloveCyberGloveCyberGloveCyberGlove具有具有具有具有22222222个传感器，每个手指有三个弯个传感器，每个手指有三个弯个传感器，每个手指有三个弯个传感器，每个手指有三个弯曲传感器和一个外展肌传感器。它是一种高精度设曲传感器和一个外展肌传感器。它是一种高精度设曲传感器和一个外展肌传感器。它是一种高精度设曲传感器和一个外展肌传感器。它是一种高精度设备，能够提供准确而连续的输出

78、。备，能够提供准确而连续的输出。备，能够提供准确而连续的输出。备，能够提供准确而连续的输出。n nCyberGloveCyberGloveCyberGloveCyberGlove的特点的特点的特点的特点：（：（：（：（1 1 1 1）传感器输出仅依赖手指传感器输出仅依赖手指传感器输出仅依赖手指传感器输出仅依赖手指关节的角度，而与关节的突出无关，因此每次戴手关节的角度，而与关节的突出无关，因此每次戴手关节的角度，而与关节的突出无关，因此每次戴手关节的角度，而与关节的突出无关，因此每次戴手套时，校正数据均不变。（套时，校正数据均不变。（套时，校正数据均不变。（套时，校正数据均不变。（2 2 2 2

79、）传感器输出和弯曲）传感器输出和弯曲）传感器输出和弯曲）传感器输出和弯曲角度成线性关系，因此对于关节弯曲极点，分辨率角度成线性关系，因此对于关节弯曲极点，分辨率角度成线性关系，因此对于关节弯曲极点，分辨率角度成线性关系，因此对于关节弯曲极点，分辨率不会下降。不会下降。不会下降。不会下降。 几几种种常常见见的的数数据据手手套套2.5.2 2.5.2 三维鼠标三维鼠标 普通的鼠标只能感受在平面的运动，普通的鼠标只能感受在平面的运动，而立体鼠标能够感受用户在六个自由而立体鼠标能够感受用户在六个自由度的运动，包括三个平移参数和三个度的运动，包括三个平移参数和三个旋转参数。旋转参数。 立体鼠标称为立体鼠

80、标称为space mousespace mouse，如如 3 3SpaceSpace公司的公司的 SpaceballSpaceball，也有人也有人把它称为把它称为cubic mousecubic mouse。下面介绍几种简单的三维鼠标：下面介绍几种简单的三维鼠标： 三维鼠标三维鼠标三维鼠标三维鼠标2.6 其他交互设备其他交互设备2.6.1 触摸和力反馈装置触摸和力反馈装置（Touch/Force FeedbackTouch/Force Feedback）n n问题的提出问题的提出问题的提出问题的提出在在在在VRVRVRVR系统中，能否让用户产生系统中，能否让用户产生系统中，能否让用户产生系统

81、中，能否让用户产生“沉浸沉浸沉浸沉浸”效果的关效果的关效果的关效果的关键因素之一是用户能否用他她的手或身体的其键因素之一是用户能否用他她的手或身体的其键因素之一是用户能否用他她的手或身体的其键因素之一是用户能否用他她的手或身体的其他部分去操作虚拟物体，并在操作的同时能够感他部分去操作虚拟物体，并在操作的同时能够感他部分去操作虚拟物体，并在操作的同时能够感他部分去操作虚拟物体，并在操作的同时能够感觉到虚拟物体的反作用力。数据手套可以实时的觉到虚拟物体的反作用力。数据手套可以实时的觉到虚拟物体的反作用力。数据手套可以实时的觉到虚拟物体的反作用力。数据手套可以实时的生成手与物体接近和远离的图像。但是

82、到今天为生成手与物体接近和远离的图像。但是到今天为生成手与物体接近和远离的图像。但是到今天为生成手与物体接近和远离的图像。但是到今天为止，商品化的数据手套都不提供触觉反馈作用，止，商品化的数据手套都不提供触觉反馈作用，止，商品化的数据手套都不提供触觉反馈作用，止，商品化的数据手套都不提供触觉反馈作用，这就很难让用户有手真的抓到物体和推动物体的这就很难让用户有手真的抓到物体和推动物体的这就很难让用户有手真的抓到物体和推动物体的这就很难让用户有手真的抓到物体和推动物体的感觉，于是感觉，于是感觉，于是感觉，于是触摸和力反馈装置触摸和力反馈装置触摸和力反馈装置触摸和力反馈装置也就应运而生了。也就应运而

83、生了。也就应运而生了。也就应运而生了。触觉触觉是人们用于感知外部世界的一大是人们用于感知外部世界的一大感觉通道，它由触摸反馈感知和力量感觉通道，它由触摸反馈感知和力量反馈感知两大部分组成。反馈感知两大部分组成。 目前，已经有相当数量的目前，已经有相当数量的触摸和力量触摸和力量反馈装置反馈装置允许用户在虚拟环境中与物允许用户在虚拟环境中与物体接触。体接触。 1. 触摸反馈装置触摸反馈装置v目前最常用的一种模拟触摸反馈的方法目前最常用的一种模拟触摸反馈的方法就是使用就是使用气压法气压法或或振动法振动法的数据手套。的数据手套。 v气压法气压法是使用小空气袋作为传感装置是使用小空气袋作为传感装置 。

84、在手套上有在手套上有20203030个空气个空气袋放在对应的位置，当发袋放在对应的位置，当发生虚拟触摸时，这些小型生虚拟触摸时，这些小型气袋能够通过空气压缩泵气袋能够通过空气压缩泵的充气和放气而被迅速地的充气和放气而被迅速地加压或减压。同时，由计加压或减压。同时，由计算机中存储的相关力模式算机中存储的相关力模式数据来决定各个气袋在不数据来决定各个气袋在不同状态下的气压值，以再同状态下的气压值，以再现触碰物体时手的各个部现触碰物体时手的各个部位的触觉感受及其受力情位的触觉感受及其受力情况。况。 v振动法振动法 是用小振动换能器实现的。换能器通常是利用是用小振动换能器实现的。换能器通常是利用是用小

85、振动换能器实现的。换能器通常是利用是用小振动换能器实现的。换能器通常是利用状态记忆合金制成的，当电流通过这些换能器时，状态记忆合金制成的，当电流通过这些换能器时，状态记忆合金制成的，当电流通过这些换能器时，状态记忆合金制成的，当电流通过这些换能器时，它们就会发生形变和弯曲。我们可以根据需要把换它们就会发生形变和弯曲。我们可以根据需要把换它们就会发生形变和弯曲。我们可以根据需要把换它们就会发生形变和弯曲。我们可以根据需要把换能器做成各种形状后，安装在皮肤表面的各个位置能器做成各种形状后，安装在皮肤表面的各个位置能器做成各种形状后，安装在皮肤表面的各个位置能器做成各种形状后，安装在皮肤表面的各个位

86、置上。利用高性能的换能器有可能产生对虚拟物体的上。利用高性能的换能器有可能产生对虚拟物体的上。利用高性能的换能器有可能产生对虚拟物体的上。利用高性能的换能器有可能产生对虚拟物体的光滑度、粗糙度的感觉。光滑度、粗糙度的感觉。光滑度、粗糙度的感觉。光滑度、粗糙度的感觉。 与气袋不同的是：换能器几乎可以立刻对一个与气袋不同的是：换能器几乎可以立刻对一个与气袋不同的是：换能器几乎可以立刻对一个与气袋不同的是：换能器几乎可以立刻对一个控制信号做出反应，这使得它们适合于产生不连续、控制信号做出反应，这使得它们适合于产生不连续、控制信号做出反应，这使得它们适合于产生不连续、控制信号做出反应，这使得它们适合于

87、产生不连续、快速的感觉。而气袋产生的力反馈比状态记忆合金快速的感觉。而气袋产生的力反馈比状态记忆合金快速的感觉。而气袋产生的力反馈比状态记忆合金快速的感觉。而气袋产生的力反馈比状态记忆合金要慢些、强些，更适合表现一些缓慢、柔和的力。要慢些、强些，更适合表现一些缓慢、柔和的力。要慢些、强些，更适合表现一些缓慢、柔和的力。要慢些、强些，更适合表现一些缓慢、柔和的力。 2. 力量反馈装置力量反馈装置力量反馈装置的意义：力量反馈装置的意义：不但有助于增强虚不但有助于增强虚拟交互的逼真性而且可以说有时它也是一拟交互的逼真性而且可以说有时它也是一种必需的设备。种必需的设备。 力量反馈装置的工作原理：力量反

88、馈装置的工作原理：通过机械或其通过机械或其他动力推动和刺激使用者的手，腕、臂、他动力推动和刺激使用者的手，腕、臂、肘、肩等部位，使之产生相应的触觉感知。肘、肩等部位，使之产生相应的触觉感知。力量反馈装置的类型：力量反馈装置的类型：力感反馈操纵杆、力感反馈操纵杆、吊挂式机械手臂、桌面式多自由度游戏棒吊挂式机械手臂、桌面式多自由度游戏棒以及可独立作用于每个手指的手控力反馈以及可独立作用于每个手指的手控力反馈装置等。装置等。 PHANTOM3.0 PHANTOM3.0 是是是是美国美国美国美国SensAbleSensAble公司研制开发公司研制开发公司研制开发公司研制开发 的，的，的，的，是一种可编

89、程的、具有触觉及力反馈功能的装置是一种可编程的、具有触觉及力反馈功能的装置是一种可编程的、具有触觉及力反馈功能的装置是一种可编程的、具有触觉及力反馈功能的装置 。当当PHANTOMPHANTOM的的机机械械臂臂在在工工作作空空间间中中运运动动时时，就就会会在在计计算算机机屏屏幕幕上上出出现现一一个个指指示示针针，反反映映机机械械臂臂在在工工作作空空间间中中的的位位置置。同同时时，通通过过碰碰撞撞检检测测等等技技术术探探测测到到指指示示针针与与虚虚拟拟模模型型接接触触时时，计计算算机机会会发发出出信信号号，告告诉诉机机械械臂臂接接触触到到了了虚虚拟拟模模型型，并并将将该该模模型型的的物物理理性性

90、质质，如如质质量量、软软硬硬程程度度、光光滑滑程程度度等等反反馈馈给给PHANTOMPHANTOM系系统统，再再由由该该系系统统产产生生相相应应的的力力传传递递给给操操作作者者，使使其其具具有有力力的的感感受受，从从而而实实现现了了力反馈。力反馈。 PHANTOM系统可以被方便地放置在桌面上，系统可以被方便地放置在桌面上，提供最大为提供最大为 (40.6cm X 58.4cm X 83.8 cm)范围范围的工作空间，并提供六自由度的触摸和力量反的工作空间，并提供六自由度的触摸和力量反馈，从而在用户手部产生馈，从而在用户手部产生150g的平移或扭转的平移或扭转力量。另外，它还具有力量。另外，它还

91、具有0.02mm的位置分辨率的位置分辨率 。PHANTOM系统的特点：系统的特点：设备安装简单、使用设备安装简单、使用轻便灵巧，且不会因自身重量等问题而让用户轻便灵巧，且不会因自身重量等问题而让用户在使用中产生疲倦甚至疼痛的感觉。在使用中产生疲倦甚至疼痛的感觉。 2.6.2 数据衣（数据衣（Data Suit） 数据衣服是利用数据数据衣服是利用数据数据衣服是利用数据数据衣服是利用数据手套的原理研制成的。手套的原理研制成的。手套的原理研制成的。手套的原理研制成的。数据衣服的原理：数据衣服的原理：数据衣服的原理：数据衣服的原理：将将将将大量的光纤安装在一大量的光纤安装在一大量的光纤安装在一大量的光

92、纤安装在一个紧身衣服上，可以个紧身衣服上，可以个紧身衣服上，可以个紧身衣服上，可以根据需要检测出人的根据需要检测出人的根据需要检测出人的根据需要检测出人的四肢、腰部的活动以四肢、腰部的活动以四肢、腰部的活动以四肢、腰部的活动以及各关节（如腕关节、及各关节（如腕关节、及各关节（如腕关节、及各关节（如腕关节、肘关节）的弯曲角度，肘关节）的弯曲角度，肘关节）的弯曲角度，肘关节）的弯曲角度，然后用计算机重建出然后用计算机重建出然后用计算机重建出然后用计算机重建出图像。图像。图像。图像。2.6.3三维扫描仪（三维扫描仪（3D Handheld Laser Scanner）三维扫描仪三维扫描仪的功能是根据

93、扫描真实模型外的功能是根据扫描真实模型外观特征，建造出该物体对应的计算机模型。观特征，建造出该物体对应的计算机模型。 工作原理是：工作原理是：由三维扫描仪向物体发射一由三维扫描仪向物体发射一束激光。然后通过操作杆上的摄像机从每束激光。然后通过操作杆上的摄像机从每个角度考察并记录下物体各截面的轮廓信个角度考察并记录下物体各截面的轮廓信息。与此同时，安装在操作杆前端的高性息。与此同时，安装在操作杆前端的高性能传感跟踪器也将同步地记录下三维扫描能传感跟踪器也将同步地记录下三维扫描仪在位置及方向上的变换信息。所有这些仪在位置及方向上的变换信息。所有这些数据都将传送给与之相连的计算机，再由数据都将传送给

94、与之相连的计算机，再由相应软件做进一步处理后，该物体对应的相应软件做进一步处理后，该物体对应的计算机三维模型就显示在我们面前了。计算机三维模型就显示在我们面前了。 三维扫描仪的特点：三维扫描仪的特点：建模过程快速、精确、建模过程快速、精确、方便，它可以达到（方便，它可以达到（0.23mm0.43mm）的高精度和的高精度和1, ,000点秒的快速取样速度，点秒的快速取样速度，用户只要描出模型的轮廓，就能在几分用户只要描出模型的轮廓，就能在几分钟内获得复杂的钟内获得复杂的3D数据，并在现在当今数据，并在现在当今流行的多种图形图像处理软件中（如流行的多种图形图像处理软件中（如3D Studio MA

95、X、Maya等）呈现出来等）呈现出来 。三维扫描仪的应用：三维扫描仪的应用：它它提供了一种最迅速、提供了一种最迅速、便捷的便捷的3D建模方法。三维扫描仪可以描建模方法。三维扫描仪可以描绘出任何形状。对于那些非金属、不透绘出任何形状。对于那些非金属、不透明物体的处理效果较为理想。明物体的处理效果较为理想。 图图 三维扫描仪的使用与效果三维扫描仪的使用与效果 2.7 VR的声音系统的声音系统3D声音生成器声音生成器n n“3D声音声音”并非立体声，并非立体声，3 3D D声音声音是指是指由计算机生成的、能由人工设定声源由计算机生成的、能由人工设定声源在空间中三维位置的一种声音。在空间中三维位置的一

96、种声音。n n3 3D D声音生成器声音生成器是利用人类定位声音的是利用人类定位声音的特点生成出特点生成出3D声音的一套软硬件系声音的一套软硬件系统。统。n n人类进行声音的定位依据两个人类进行声音的定位依据两个要素要素：两耳时间差（两耳时间差（ITDITD）和两耳强度差和两耳强度差（IIDIID）。）。3 3D D声音声音的产生过程：的产生过程：n n试试验验人人员员位位于于一一个个圆圆顶顶房房子子内内，在在房房间间内内放放置置特特定定空空间间位位置置的的声声源源。微微小小的的麦麦克克风风放放置置在在试试验验人人员员的的耳耳朵朵内内，接接近近于于中中耳耳。然然后后，把把声声源源依依次次打打开

97、开，并并存存储储和和数数字字化化麦麦克克风风输输出出。例例如如，当当说说话话者者到到达达听听众众的的左左边边发发出出声声音音时时，声声音音将将首首先先到到达达左左耳耳，并并且且比比右右耳耳有有更更大大的的强强度度。使使用用FourierFourier变变换换器器可可以以计计算算麦麦克克风风输输出出的的频频率率响响应应，以以及及相相应应的的HRTFHRTF系系数数（用用来来模模拟拟人人耳耳对对声声音音不不同同频频段段的的反反射射作作用用），我我们们便便能能把把该该声声音音虚虚拟拟地地定定位位在在空空间间的任何位置。的任何位置。 2.7.1 3D声音定位系统声音定位系统n n早期的早期的早期的早期

98、的环境音系统环境音系统环境音系统环境音系统未考虑人头的自由运动，因而未考虑人头的自由运动，因而未考虑人头的自由运动，因而未考虑人头的自由运动，因而人头不得不保持固定的位置。人头不得不保持固定的位置。人头不得不保持固定的位置。人头不得不保持固定的位置。虚拟头录制系统虚拟头录制系统虚拟头录制系统虚拟头录制系统合合合合理地引进了环境音的效果。许多影片是通过一个理地引进了环境音的效果。许多影片是通过一个理地引进了环境音的效果。许多影片是通过一个理地引进了环境音的效果。许多影片是通过一个环境音道录制的。具有数字信号处理器的精确的环境音道录制的。具有数字信号处理器的精确的环境音道录制的。具有数字信号处理器

99、的精确的环境音道录制的。具有数字信号处理器的精确的头跟踪系统头跟踪系统头跟踪系统头跟踪系统的出现实现了真正的的出现实现了真正的的出现实现了真正的的出现实现了真正的 3 3D D声音定位。声音定位。声音定位。声音定位。n n最先商用的最先商用的最先商用的最先商用的 3 3 3 3D D D D声音定位器是由声音定位器是由声音定位器是由声音定位器是由 NASA Ames NASA Ames NASA Ames NASA Ames River Engineering IncRiver Engineering IncRiver Engineering IncRiver Engineering Inc公

100、司生产的，它是根据公司生产的，它是根据公司生产的，它是根据公司生产的，它是根据 NASA Ames Research CenterNASA Ames Research CenterNASA Ames Research CenterNASA Ames Research Center的需要而设计和提的需要而设计和提的需要而设计和提的需要而设计和提供的。供的。供的。供的。VPLVPLVPLVPL公司以公司以公司以公司以AudiosphereAudiosphereAudiosphereAudiosphere命名注册了称为命名注册了称为命名注册了称为命名注册了称为ConvolvotronConvolvo

101、tronConvolvotronConvolvotron的的的的 Crystal RiverCrystal RiverCrystal RiverCrystal River的的的的3 3 3 3D D D D定位器。定位器。定位器。定位器。 2.7.2 声学硬件声学硬件 n nCRECRE（Crystal River EngineeringCrystal River Engineering）公司以其公司以其公司以其公司以其 ConvolvotronConvolvotron、BeachtronBeachtron、Acoustetron Acoustetron 及及及及AlphatronAlphat

102、ron产品提供三维声音的专家级支持。产品提供三维声音的专家级支持。产品提供三维声音的专家级支持。产品提供三维声音的专家级支持。 n nConvolvotronConvolvotron是一数字式有频信号处理系统。是一数字式有频信号处理系统。是一数字式有频信号处理系统。是一数字式有频信号处理系统。 n nBeachtronBeachtronBeachtronBeachtron可产生两路独立的虚拟声源，刷新频可产生两路独立的虚拟声源，刷新频可产生两路独立的虚拟声源，刷新频可产生两路独立的虚拟声源，刷新频率为率为率为率为22 22 HzHz， HRTF HRTF只提供每耳只提供每耳只提供每耳只提供每耳

103、7575系统。系统。系统。系统。n n AcoustetronAcoustetronAcoustetronAcoustetron为集成的三维音频工作站，包括为集成的三维音频工作站，包括为集成的三维音频工作站，包括为集成的三维音频工作站，包括ConvolvotronConvolvotronConvolvotronConvolvotron及及及及BeachtronBeachtronBeachtronBeachtron处理器。处理器。处理器。处理器。 n n AlphatronAlphatronAlphatronAlphatron为较新产品。它采用了每耳为较新产品。它采用了每耳为较新产品。它采用了每

104、耳为较新产品。它采用了每耳256256256256系统系统系统系统的的的的HRTFHRTFHRTFHRTF。两声道同时工作时刷新频率为两声道同时工作时刷新频率为两声道同时工作时刷新频率为两声道同时工作时刷新频率为44444444HzHzHzHz，平平平平均延时均延时均延时均延时23232323msmsmsms。 2.8 VR软件工具集软件工具集 虚拟现实系统是一个将各种先进的硬件技虚拟现实系统是一个将各种先进的硬件技术和软件技术集合在一起的、极其复杂的术和软件技术集合在一起的、极其复杂的系统。系统。 虚虚拟拟现现实实工工具具集集是是根根据据现现实实需需要要而而产产生生的的，它它们们主主要要用用

105、于于提提供供支支持持虚虚拟拟交交互互，动动画画和和物物理理仿仿真真等等的的控控制制语语言言，同同时时，这这些些工工具具集集通通常常都都是是与与硬硬件件无无关关的的，也也就就是是说说，它它们们具具有有相相当当的的普普遍遍性性，可可以以应应用用在在不不同同的的硬硬件件配配置置环环境境中中，从从而而为为开开发发广广泛泛的的虚虚拟拟现实应用系统提供了一致的软件环境。现实应用系统提供了一致的软件环境。 2.8.1 World Tool Kit（WTK） World Tool Kit（WTK）是是由由美美国国Sense8公公司司开发的虚拟环境应用工具软件。开发的虚拟环境应用工具软件。从从底底层层看看，WT

106、K是是由由几几百百个个C语语言言函函数数组组成成的的软件包。软件包。对对用用户户来来说说，WTK提提供供了了一一个个完完整整的的用用于于生生成成虚虚拟拟环环境境的的应应用用开开发发工工具具。它它可可以以不不依依赖赖于于硬硬件件环环境境而而运运行行在在从从pc机机到到SGI工工作作站站的的各各种种机机器器上，并且支持一系列虚拟环境的外围设备。上，并且支持一系列虚拟环境的外围设备。用用户户可可以以利利用用WTKWTK开开发发VRVR的的应应用用系系统统，它它们们通通常常由由主主机机、 WTKWTK库库、C C语语言言编编译译库库、3 3D D造造型型软软件件包包、图图像像捕捕获获硬硬件件软软件件，

107、以以及及诸诸如如paint paint BoxBox的的位位图编辑软件等部件组成。图编辑软件等部件组成。 WTK的典型程序包含一个初始化阶段和一的典型程序包含一个初始化阶段和一个仿真阶段。初始化包括建立交互跟踪传个仿真阶段。初始化包括建立交互跟踪传感器、标识物体、配置照明、初始化视点感器、标识物体、配置照明、初始化视点等；仿真循环可以执行一次或多次，每次等；仿真循环可以执行一次或多次，每次循环负责完成与虚拟现实一次交互。循环负责完成与虚拟现实一次交互。WTKWTK仿真循环程序流程图：仿真循环程序流程图： 2.8.2 Minimal Reality Toolkit（MR） MR是是由由加加拿拿大

108、大Alberta大大学学的的Mark Green教教授授和和他他领领导导的的研研究究小小组组开开发发的的虚虚拟拟环环境境应应用用工工具具软软件件。它它可可以以免免费费从从Alberta大大学学获得，但不能用于商业目的。获得，但不能用于商业目的。MR实质上是一个支持虚拟环境开发的子程实质上是一个支持虚拟环境开发的子程序库，包括序库，包括3个层次的库函数。个层次的库函数。（1 1）底层包括一组设备支撑函数包，每一）底层包括一组设备支撑函数包，每一函数包支持一种设备，并称为一个客户函数包支持一种设备，并称为一个客户服务器对。服务器对。 （2）MR的第二层是一组处理从设备获得的第二层是一组处理从设备获

109、得的数据并将其转换为程序员方便使用的格的数据并将其转换为程序员方便使用的格式的库函数。式的库函数。 （3）最高层的库函数为程序员提供了一组最高层的库函数为程序员提供了一组打包的服务集，它们是基于一般虚拟环境打包的服务集，它们是基于一般虚拟环境系统要求的。系统要求的。用用VR实现的应用中，必须有惟一的一个主实现的应用中，必须有惟一的一个主程序，用于控制整个应用系统并负责其他程序，用于控制整个应用系统并负责其他应用程序运行的初始化工作。应用程序运行的初始化工作。 MR的应用程序可以分为应用配置式、应用的应用程序可以分为应用配置式、应用计算式两大类。计算式两大类。 应用配置部分应用配置部分用于初始化

110、用于初始化MR的工具库，的工具库，并根据用户指定的配置要求处理相应的并根据用户指定的配置要求处理相应的应用配置文件。应用配置文件。应用计算部分应用计算部分用于完成用于完成MRMR应用系统指派应用系统指派给程序的任务。给程序的任务。v MRMR支支 持持 各各 种种 外外 围围 设设 备备 ， 包包 括括PolhemusPolhemus空空间间跟跟踪踪器器，VPL VPL Data Data GloveGlove，VPL VPL Eye Eye PhonePhone和和声声音音合合成成设设备备等等虚虚拟拟环环境境系系统统常常用用的的设设备备。另另外外MRMR还还可可由由SGISGI和和DECDE

111、C工工作作站站上上的的C C语语言言直直接接调调用用，并并支支持持分分布布式式用用户户界界面面、数数据据共共享享、多多种交互技术及实时性能分析等多项功能。种交互技术及实时性能分析等多项功能。 2.8.3 Distributed Virtual Environment System（DVS）由于虚拟现实系统本身的并行计算要求，由于虚拟现实系统本身的并行计算要求，研发一种并行计算系统或分布式系统对于研发一种并行计算系统或分布式系统对于更好地实现更好地实现VR是很有帮助的。是很有帮助的。DVS是由英国是由英国Division公司开发的分布式虚公司开发的分布式虚拟环境工具软件，它主要运行于拟环境工具软

112、件，它主要运行于Pro Vision和和super Vision等并行处理机上。等并行处理机上。DVS的设的设计适合于不同的并行体系结构并支持松耦计适合于不同的并行体系结构并支持松耦合网络、对称多处理器和单处理器系统。合网络、对称多处理器和单处理器系统。 在在在在DVSDVS中中中中，物物物物体体体体的的的的定定定定义义义义是是是是广广广广义义义义的的的的，每每每每个个个个物物物物体体体体的的的的特特特特征征征征（如如如如位位位位置置置置、外外外外表表表表、声声声声音音音音等等等等）都都都都被被被被称称称称为为为为特特特特征征征征元元元元素素素素。每每每每个个个个物物物物体体体体的的的的不不不

113、不同同同同特特特特征征征征元元元元素素素素是是是是相相相相互互互互独独独独立立立立的的的的，这这这这就就就就为为为为并并并并行行行行计计计计算算算算或或或或分分分分布布布布式式式式系系系系统统统统提提提提供供供供了了了了基基基基础础础础。例例例例如如如如，不不不不同同同同物物物物体体体体的的的的视视视视觉觉觉觉表表表表现现现现特特特特征征征征元元元元素素素素可可可可以以以以在在在在某某某某一一一一个个个个服服服服务务务务器器器器或或或或处处处处理理理理器器器器中中中中计计计计算算算算，而而而而不不不不同同同同物物物物体体体体的的的的声声声声音音音音特特特特征征征征元元元元素素素素可可可可以以以

114、以在在在在另另另另一一一一个个个个服服服服务务务务器器器器或或或或同同同同一一一一计计计计算算算算机机机机的的的的不不不不同同同同运运运运算算算算器器器器上上上上计计计计算算算算。另另另另外外外外，当当当当采采采采用用用用多多多多个个个个计计计计算算算算机机机机时时时时，这这这这些些些些特特特特征征征征元元元元素素素素的的的的运运运运算算算算还还还还可可可可以以以以通通通通过过过过网网网网络络络络由由由由各各各各个个个个计计计计算算算算机机机机（或或或或计计计计算算算算机机机机中中中中的的的的运运运运算算算算器器器器）分分分分工工工工合合合合作作作作来来来来完完完完成成成成。例例例例如如如如，

115、有有有有的的的的负负负负责责责责控控控控制制制制，有有有有的的的的进进进进行行行行显显显显示，有的则专门用于监视传感信息等。示，有的则专门用于监视传感信息等。示，有的则专门用于监视传感信息等。示，有的则专门用于监视传感信息等。 与与与与其其其其他他他他VRVR系系系系统统统统不不不不同同同同的的的的是是是是，用用用用户户户户可可可可以以以以从从从从底底底底层层层层（如如如如c cc+c+语语语语言言言言）编编编编写写写写DVSDVS应应应应用用用用，也也也也可可可可以以以以利利利利用用用用DVSDVS提提提提供供供供的高级动画服务器，直接进行虚拟环境的模拟。的高级动画服务器，直接进行虚拟环境的

116、模拟。的高级动画服务器，直接进行虚拟环境的模拟。的高级动画服务器，直接进行虚拟环境的模拟。2.8.4 Virtual Reality Toolkit2.8.4 Virtual Reality Toolkit（VRTVRT） 由由Dimension International公司推出的超公司推出的超视视景（景（superscape）VR工具包（工具包（VRT）是当今桌面式是当今桌面式VR系统的代表性产品。系统的代表性产品。 VRTVRT的三部分：的三部分：形状编辑器（形状编辑器（Shape Editor）、）、世界编辑器（世界编辑器（Wor1d Editor）和可视化器（和可视化器（Visual

117、izer）。）。VRTVRT允许较高程度上的交互性和网络处理，允许较高程度上的交互性和网络处理，同时它又具有桌面同时它又具有桌面VRVR系统非常吸引人的系统非常吸引人的廉价（包括硬件和软件）特性。廉价（包括硬件和软件）特性。 2.8.4 Virtual Reality Toolkit2.8.4 Virtual Reality Toolkit（VRTVRT） 形形状状编编辑辑器器提提供供构构造造虚虚拟拟环环境境中中多多边边形形对对象象的的交交互互工工具具；世世界界编编辑辑器器用用于于将将这这些些对对象象与与它它们们在在虚虚拟拟环环境境中中的的运运动动或或行行为为联联系系起起来来，可可视视化化器器

118、则则提提供供了了虚虚拟拟环环境境的的表表演演舞舞台台。除除此此之之外外，其其他他编编辑辑器器分分别别用用于于调调整整屏屏幕幕布布局局、编编辑辑材材质质和和声声音音，以以及及控控制制菜单和对话框等功能。菜单和对话框等功能。2.9 关于虚拟现实技术的总结关于虚拟现实技术的总结 v在硬件系统方面，在硬件系统方面，交互性是实现人机和谐的交互性是实现人机和谐的关键，关键，（1 1 1 1）改进硬件设备的性能则是其中的关键。）改进硬件设备的性能则是其中的关键。）改进硬件设备的性能则是其中的关键。）改进硬件设备的性能则是其中的关键。（2 2 2 2）还应针对不同领域的应用需求，研制一些能满）还应针对不同领域

119、的应用需求，研制一些能满）还应针对不同领域的应用需求，研制一些能满）还应针对不同领域的应用需求，研制一些能满足特殊需要的硬件设备。足特殊需要的硬件设备。足特殊需要的硬件设备。足特殊需要的硬件设备。（3 3 3 3）目前）目前）目前）目前VRVRVRVR系统的硬件设备的造价总体上依旧过高，系统的硬件设备的造价总体上依旧过高，系统的硬件设备的造价总体上依旧过高，系统的硬件设备的造价总体上依旧过高，这势必将成为阻碍这势必将成为阻碍这势必将成为阻碍这势必将成为阻碍VRVRVRVR研究与推广的主要障碍。研究与推广的主要障碍。研究与推广的主要障碍。研究与推广的主要障碍。（4 4 4 4）现在的虚拟现实系统

120、还远不能满足人们的要求，）现在的虚拟现实系统还远不能满足人们的要求，）现在的虚拟现实系统还远不能满足人们的要求，）现在的虚拟现实系统还远不能满足人们的要求，这除了它自身的缺陷以外，与之相关的各种设施的这除了它自身的缺陷以外，与之相关的各种设施的这除了它自身的缺陷以外，与之相关的各种设施的这除了它自身的缺陷以外，与之相关的各种设施的局限也是一个很重要的因素。局限也是一个很重要的因素。局限也是一个很重要的因素。局限也是一个很重要的因素。 2.9 关于虚拟现实技术的总结关于虚拟现实技术的总结 v在软件系统方面，在软件系统方面，在软件系统方面，在软件系统方面，（1 1 1 1）应该为应用系统的开发提供

121、一些更为简单、）应该为应用系统的开发提供一些更为简单、）应该为应用系统的开发提供一些更为简单、）应该为应用系统的开发提供一些更为简单、适用的生成工具。适用的生成工具。适用的生成工具。适用的生成工具。（2 2 2 2）现阶段的软件开发费用过高，且效果不理想。）现阶段的软件开发费用过高，且效果不理想。）现阶段的软件开发费用过高，且效果不理想。）现阶段的软件开发费用过高，且效果不理想。（3 3 3 3）VRVRVRVR是一门综合性技术，其系统研制、开发工是一门综合性技术，其系统研制、开发工是一门综合性技术，其系统研制、开发工是一门综合性技术，其系统研制、开发工程庞大，因此需要系统设计人员、编程人员、

122、导程庞大，因此需要系统设计人员、编程人员、导程庞大，因此需要系统设计人员、编程人员、导程庞大，因此需要系统设计人员、编程人员、导演、动画师、造型设计师、实施人员以及相关行演、动画师、造型设计师、实施人员以及相关行演、动画师、造型设计师、实施人员以及相关行演、动画师、造型设计师、实施人员以及相关行业应用人员，必须进行广泛的，前所未有的合作，业应用人员，必须进行广泛的，前所未有的合作，业应用人员，必须进行广泛的，前所未有的合作，业应用人员，必须进行广泛的，前所未有的合作，才能创建出更多更好的三维新世界。才能创建出更多更好的三维新世界。才能创建出更多更好的三维新世界。才能创建出更多更好的三维新世界。 v从应用系统的角度来看，从应用系统的角度来看，VR的应用领域尚的应用领域尚有待大力拓展。有待大力拓展。 v客观而论，目前客观而论，目前VR技术所取得的成就，绝技术所取得的成就，绝大部分还局限于扩展了计算机的接口能力，大部分还局限于扩展了计算机的接口能力，仅仅是刚刚开始涉及到人的感知系统和肌仅仅是刚刚开始涉及到人的感知系统和肌肉系统与计算机的交互作用问题，还根本肉系统与计算机的交互作用问题，还根本未涉及未涉及“在实践中所得到的感觉信息是怎在实践中所得到的感觉信息是怎样在人的大脑中存储和加工处理成为人对样在人的大脑中存储和加工处理成为人对客观世界的认识客观世界的认识”的过程。的过程。