第3章(孟祥旭主编人机交互).ppt

第三章交互设备，重点大学计算机专业系列教材，输入设备输出设备虚拟现实交互设备交互设备集成应用，文本输入设备键盘输入是最常见和主要的文本输入方式。手写和其他更自然的交互方法也可以为文本输入提供辅助手段。3.1、输入设备，二维扫描仪的图像输入设备可以快速实现图像输入，并通过对图像、文本、图形等内容的分析和识别可以获得；相机是捕捉动态场景最常用的工具。3.1、输入设备，三维信息输入设备在许多领域，如机器视觉、表面形状检测、物理复制、自动加工、产品质量控制、生物医学等。物体的三维信息是必不可少的。三维扫描仪是实现三维信息数字化的极其有效的工具。运动捕捉设备用于捕捉用户的肢体甚至面部表情以生成运动模型。它已被广泛应用于电影、电视和动画制作中。3.1、输入设备，根据感应方式的不同，三维扫描仪主要分为接触式和非接触式。接触式三维扫描仪利用探头直接接触物体表面，探头反馈的光电信号被转换成物体表面形状的数字信息。这种设备主要以三维坐标测量机为代表。它的优点是高精度和可靠性，但也存在测量速度慢、成本高、探头易磨损和误差修正等缺点。非接触式三维扫描仪主要包括基于激光扫描测量和结构光扫描测量的三维激光扫描仪和摄影三维扫描仪。这种设备的优点是扫描速度快，操作简单，由于不与被测物体接触，对物体表面的损伤小。机械的、电磁的、光学的捕捉设备，机械运动捕捉设备利用伸缩机械结构安装在捕捉对象上，以获得各部分的运动量。优点是成本低，但这种方法由于机械设备的尺寸、重量等问题，限制了运动物体的自由运动，限制了其应用范围。电磁设备在捕获物体上安装许多低频磁场传感器。根据传感器接收的磁场，可以计算接收器相对于发射器的位置和方向。然而，由于其易受电磁干扰，它影响捕获数据的准确性和稳定性，并且对工作现场也有非常严格的要求。(2)运动捕捉设备。光学运动捕捉使用计算机视觉的原理。理论上，对于空间中的一个点，只要它能被两个摄像机同时看到，此时空间中该点的位置可以根据两个摄像机同时拍摄的图像和相应的参数来确定。当相机以足够高的速度连续拍摄时，可以从图像序列中获得该点的运动轨迹。光学运动捕捉利用这一点，通过监视和跟踪目标上的特定光点来完成运动捕捉任务。(2)运动捕捉设备，指点输入设备指点设备通常用于完成一些定位和选择对象的交互任务。对象可以位于一维、二维、三维或更高维的空间中，并且可以通过直接选择或通过操作屏幕上的光标来进行选择和定位。鼠标、光笔、控制杆、触摸屏、触摸屏、3.1输入设备和显示器是计算机的重要输出设备，也是人机对话的重要工具。它的主要功能是通过一系列转换从主机接收信息，最后以光的形式显示文本和图形。阴极射线管显示器、液晶显示器和等离子显示器，3.2输出设备，由阴极、电平控制器(即控制极)、聚焦系统、加速系统、偏转系统和阳极荧光涂层组成，所有这些都在真空管中。其中，阴极、液位控制器(即控制杆)、聚焦系统、加速系统等。统称为电子枪。当显像管内电子枪阴极发射的电子束受到强度控制、聚焦和加速时，它变成一个小电子流，然后通过偏转线圈的作用偏离到正确的目标，穿过荫罩的小孔或栅栏，轰击在荧光屏上的荧光粉发光。彩色阴极射线管光栅扫描显示器有三个电子枪，荧光屏上涂有三种荧光物质，分别发出红、绿、蓝光。在充电的情况下，液晶会改变分子排列，进而导致光的扭曲或折射。液晶显示器的工作原理是通过能够阻挡或透射光的液晶材料来传输来自周围或内部光源的偏振光。电流被用来刺激液晶分子产生点、线和表面，这些点、线和表面与背光灯配合形成一幅画面。液晶显示器比阴极射线管显示器具有更好的图像清晰度、图像稳定性和更低的功耗，但液晶材料具有更大的粘度，需要更长的图像更新响应时间，因此不适合显示动态图像。等离子显示器诞生于20世纪60年代。它使用等离子管作为发光材料。一个等离子管负责显示一个像素。等离子管中的氖氙混合气体在高压电极的刺激下产生紫外线。紫外线照射涂有三色荧光粉的玻璃板，荧光粉被激发产生可见光。优点：重量轻，完全没有x光辐射，屏幕亮度非常均匀，没有明显的亮暗区域；由于每个发光单元的结构完全相同，因此不会像在阴极射线管显示器中那样，由于使用时间长而出现某些区域聚焦不良或散焦的问题。缺点：价格更高，因为显示屏上的玻璃更薄，使屏幕更易碎。打印机打印机是目前非常常见的输出设备，其结构可分为两部分：机械装置和控制电路。有三种常见类型的针式、喷墨和激光打印机。打印分辨率、速度、格式和最大打印能力是衡量打印机性能的重要指标。语音作为一种重要的交互手段，越来越受到人们的重视。基本的语音交互设备、耳机、麦克风、声卡、3.2输出设备、虚拟现实系统要求计算机能够实时显示三维场景，用户可以在其中自由漫游，并且可以操纵虚拟世界中的一些虚拟物体。因此，除了一些传统的控制和显示设备之外，虚拟现实系统还需要一些特殊的设备和交互手段来满足虚拟系统中的显示、漫游和对象操作等任务。三维空间定位设备三维显示设备、空间跟踪定位器或三维空间传感器是一种能够实时检测物体空间运动的设备。它可以获得物体相对于固定物体在六个自由度上的位移，包括在X、Y和Z坐标上的位置值以及围绕X、Y和Z轴的旋转值(旋转、俯仰和摇摆)。三维空间传感器必须与被测物体无干扰，也就是说，无论传感器基于何种原理或技术，都不应影响被测物体的运动，所以称之为“非接触式传感器”。三维空间跟踪定位器通常与其他虚拟现实设备结合使用，如数据头盔、立体眼镜、数据手套等。数据手套通常由非常轻的弹性材料制成，靠近手。整个系统包括位置和方向传感器，以及一组沿每个手指背部安装的带有保护套的光纤，用于检测手指和手的运动。数据手套通过手套上携带的光纤传感器将人手的各种姿势和动作输入计算机进行分析。这个手势可以是一些符号表示或命令或动作。手势表达的意思可以由用户定义。在虚拟环境中，操作员可以用手抓住或推动虚拟物体，并通过数据手套发出各种手势命令。三维鼠标可以感受到用户在六个自由度上的运动，包括三个平移参数和三个旋转参数。这个装置相对简单：一个盖子放在带有一系列开关的底座上。旋转时三维鼠标将用户的这些动作传输到计算机，从而进一步控制虚拟环境中对象的移动。虚拟现实系统必须提供触觉反馈，以使用户感觉好像他已经实际触摸了物体。然而，由于人类触摸的敏感性，普通精度的设备根本不能满足要求。此外，对于触觉和力反馈设备，还应该考虑模拟力的真实性、应用到人手上是否安全以及该设备对于用户是否便携和舒适。目前，已经对机械反馈手套、机械反馈操纵杆、机械反馈笔、机械反馈面等设备进行了一些研究。VirtualTechnology的触觉反馈手套、幻影的触觉装置和立体头盔显示器CAVE都是真正的3D显示器。由于人类从客观世界中获取的信息有60%以上来自视觉，视觉通信已经成为多感知虚拟现实系统中最重要的环节，立体视觉技术已经成为虚拟现实非常重要的支撑技术。人们通过左右眼看到的物体之间的细微差别来感知物体的深度，从而识别立体图像。立体图像生成技术主要有两种主动模式。对应于用户的左眼图像和右眼图像将依次交替显示。用户使用液晶立体眼镜与立体图像保持同步。这种模式可以产生高质量的立体声效果。无源系统需要两套显示设备和投影设备来分别生成和投影左眼图像和右眼图像。不同的投影使用不同角度的偏振光来分别区分左眼和右眼图像。用户使用偏光眼镜来保持立体图像同步。头戴式显示器(HMD)是一种三维图形显示设备，可以单独连接到主机上，从主机上接收三维虚拟现实场景信息。目前，最常用的头戴式显示器是基于液晶显示的原理。早在1992年VPL公司推出的眼电话，它的头上有一个360，240像素分辨率的液晶显示器，水平视野为100度。这是一个四面或六面沉浸式虚拟现实环境。对于系统中的用户，投影屏幕将分别覆盖用户的前视图、左视图、右视图和底视图，形成边长为10英尺的立方体。可以允许多人走进CAVE，用户可以戴上立体眼镜从空间的任何方向看到立体图像。CAVE实现了大视角、全景、立体的虚拟环境，支持5-10人共享。真正的三维显示是三维显示的最终目标。它是一种能够实现360度视角观察的三维显示技术。这是真实风景最真实的表现。在真实的三维显示场景中，不同位置的用户可以在显示区域周围看到与自己位置相对应的信息，无需借助其他设备，可以在宽广的视野和视线范围内随意行走和观看，符合人类观看真实场景的方式。缺点：只能生成半透明的3D透视图，不透明的3D对象无法显示。显示技术扫描人体显示立体显示，山东大学考古数字博物馆可以在综合利用之前引入的各种虚拟设备的基础上，完成一些较为复杂的应用。山东大学构建了基于桌面的虚拟现实平台，并将其应用于山东大学考古数字博物馆和数字博物馆的系统架构中。两个跟踪器分别固定在用户的手套上，跟踪器固定在身体上，跟踪用户的旋转，控制用户在场景中的漫游方向。附在手套上的跟踪器跟踪手掌相对于身体的相对位置。如果手与虚拟空间中的物体碰撞，数据手套用于检测用户的手势命令并判断用户是否想要