第2章-人机接口要点.ppt

虚拟现实技术,第二章虚拟现实系统的硬件设备,1.视觉感知设备2.听觉感知设备3.触觉和力反馈设备位置跟踪设备虚拟现实的计算设备,课前索引,1视觉显示主要的要求，不同的技术及其对比。2听觉显示的发声设备和声学建模的特点。3力觉和触觉显示的技术要求及实现方法。4位姿传感器的作用，不同的技术及其对比。,在虚拟现实系统中，首先要建立一个虚拟世界，这就必须要有以计算机为中心的一系列设备，同时为了实现用户与虚拟世界的自然交互，还必须有一些特殊设备才能实现。,在虚拟现实系统中，硬件设备主要由三个部分组成：输入设备，输出设备，计算设备。,2.1视觉感知设备,2.1.1人类的视觉模型1.视觉的生理结构,人眼的生理结构图物体在人眼成像图,2.影响视觉的因素,立体视觉,屈光度眼睛折射光线的作用叫屈光，用光焦度来表示屈光的能力叫做屈光度。屈光度的改变称为调节或聚焦，其作用是保证某个距离的物体清晰，而其他距离的物体模糊。,瞳孔瞳孔是晶状体前的孔，瞳孔的大小可以控制进入眼内的光量。瞳孔的工作原理就像照相机里的光圈，可以随光线的强弱而缩小或变大。瞳孔在光线强烈时，调节瞳孔变小，光线较暗时，调节瞳孔变大，始终保持适量的光线进入眼睛。,视觉暂留视觉暂留是视网膜的电化学现象造成的反应时间，原理是当人的眼睛看到一幅画面或一个物体后，在1/24s内不会消失，即如果每秒更替24幅或者更多的画面，在前一幅画面在人脑中消失以前，下一个画面就会进入大脑，从而形成连续的影像。视觉暂留是电影、电视、动画和虚拟现实等显示的基础。,视场人眼能观察到的最大范围，通常以角度来表示，人眼正常的视场约为水平100，垂直60.,2.1.2视觉感知设备,视觉感知设备主要向用户提供立体视觉的场景现实，并且这种场景的变化会实时变化。关键技术是立体显示，一般采用两种方法来实现1.同时显示技术：让两幅图像存在细微的差别，使双眼只能看到相应的图像，主要用在头盔显示器中。,2.分时显示技术以一定的频率交替显示两幅图像，为了保证每只眼睛只能看到各自相应的图像，用户通过以相同频率同步切换的有源或无源立体眼镜来观察图像，这种技术主要用于立体眼镜。,各种视觉感知设备介绍头盔显示器立体眼镜显示系统洞穴式立体显示系统(cave)响应工作台立体显示系统墙式立体显示系统裸体立体显示系统,头盔显示器,头盔显示器（HMD）,是目前较普遍采用的一种立体显示设备，通常用机械的方法固定在用户头部，头与头盔之间不能有相对运动。头盔配有位置跟踪器，用于实时探测头部的位置和朝向，并反馈给计算机，计算机根据这些反馈数据生成反映当前位置和朝向的场景图像并显示在头盔显示器的屏幕上。,头盔显示器（HMD）,HMD系统主要由显示器（显示表面）和光学透镜（LEEP镜片）两部分组成。根据显示器种类的不同，又分为：1.基于LCD的头盔显示器2.基于CRT的头盔显示器,各种类型的LCD头盔显示器,基于CRT的头盔显示器,立体眼镜,立体眼镜显示系统,立体眼镜显示系统包括立体图像显示器和立体眼镜。采用分时显示技术，计算机给显示器交替发送两幅有轻微偏差的图像，位于CRT显示器顶部的红外发射器以无线的方式控制立体眼镜，交替地遮挡用户两只眼睛中的一只眼睛的视野。,立体眼镜目前主要有两类：有源眼镜有源眼镜的镜框上装有电池及液晶调制器控制的镜片。工作原理：当显示器显示左眼视图时，发射红外线控制信号至有源立体眼镜，使其右眼镜片处于不透明状态，左眼镜片处于透明状态。有源系统的图像质量好，但价格昂贵，且红外线控制信号易被阻拦而使用户工作范围受限。,无源眼镜根据光的偏振原理设计,无源眼镜工作原理：显示器的显示屏前安装一块与显示屏同样尺寸的液晶立体调制器，显示器显示的左右眼视图经液晶立体调制器后形成左偏振光和右偏振光，然后分别通过无源立体眼镜的左右镜片实现左右眼分别只能看到显示器上显示的左右视图的目的。价格低廉，无须接受红外线控制信号。,洞穴式立体显示系统,洞穴式立体显示系统是使用投影系统，投射多个投影面，形成房间式的空间结构。,浙江大学计算机辅助设计与图形学国家重点实验室成功建成我国第一台4面cave系统。,最先发明cave系统的伊利诺斯大学芝加哥校区的电子可视化实验室的cave空间结构：,响应工作台立体显示系统,工作台立体显示系统工作示意图,墙式立体显示系统,裸体立体显示系统,2.2听觉感知设备,2.2.1人类听觉模型,听觉因素,声音的频率范围：20Hz-20kHz声音的定位：“双工理论”,听觉感知设备的特性,核心技术就是三维虚拟声音的定位技术。全向三维定位特性三维实时跟踪技术,听觉感知设备,耳机扬声器,2.3触觉和力反馈设备,虚拟现实中的触觉和力觉信息感知虚拟世界中物体的位置和方位操纵和移动物体来完成某种任务,触觉感知包括接触反馈感和力觉反馈感。接触反馈感知代表了作用在皮肤上的力，反映被触摸物体的形状、纹理及温度等。力反馈感知代表了作用在人的肌肉、关节、筋腱上的力，如物体重量等。例如，用手拿起一个玻璃杯，通过接触反馈可知杯面是光滑而坚硬的，通过力觉反馈可知被子的重量。,虚拟现实中触觉和力觉反馈的性能指标：实时性安全性轻便和舒适,常见触觉反馈设备,充气式触觉反馈装置,常见触觉反馈设备,振动式触觉反馈装置1、探针阵列式振动触觉反馈设备利用音圈产生的振动刺激皮肤达到触觉反馈的目的。,2、轻型形状记忆合金的振动触觉反馈设备,形状记忆合金是锌铁记忆合金，当记忆合金丝通电、加热时，因焦耳效应发热，合金将收缩，当电流中断时，记忆合金丝冷却下来，恢复原始形状。,力反馈设备,力反馈设备是运用先进的技术手段跟踪用户身体的运动，将其在虚拟世界的空间运动转变成用户周边物理设备的机械运动，并施加力给用户，使用户能够体验到真实的力度感和方向感。,常用的力觉反馈设备,力反馈鼠标,力反馈操纵杆,力反馈手臂,力反馈手臂的设计主要是用来仿真物体重量、惯性以及与刚性物体接触对人手产生的力反馈。,安装在人身上的力反馈装置,位置跟踪设备,位姿跟踪设备是实现人与计算机之间交互的方法之一。虚拟现实中跟踪用户的方式有两种：1、跟踪头部位置与方向来确定用户的视点与视线方向。2、跟踪用户手的位置和方向。位置跟踪的参数：六自由度,常见的位置跟踪设备,机械式位置跟踪设备电磁式位置跟踪设备超声波式位置跟踪设备光学式位置跟踪设备,机械式位置跟踪设备,比较古老的跟踪方式，使用连杆装置组成，原理是通过在机械连杆上多个带有精密传感器的关节与被测物体相接触的方法来检测其位置变化。优点：便宜，精确度高。缺点：笨重，不灵活，有惯性。,电磁式位置跟踪设备,包括发射器、接收器、接口和计算机原理：例如交流电发射器，由三个互相垂直的线圈组成，当有交流电通过时，产生互相垂直的三个磁场分量在空间传播，接收器也由三个互相垂直的线圈组成，当有磁场在线圈中变化时，会产生感应电流，接收器感应的电流强度与其距发射器的距离有关。使用时，固定发射器或接收器，另一个安装在被测物体上。,超声波位置跟踪设备,采用20kHz以上的超声波，不会对人产生干扰。由3个超声发射器，3个超声接收器以及用于控制发射器与接收器之间同步的控制器。测量方法：飞行时间法及相位相干法。,光学式位置跟踪设备,利用光学感知来确定对象的实时位置和方向。包括光