山大人机交互技术课件03交互设备

1、第3章 交互设备山东大学计算机学院主要内容 输入设备：文本输入设备图像输入设备三维图形输入设备指点输入设备等 输出设备：显示器 声音的输出 数字纸 等虚拟现实系统中的交互设备 本章课程目标了解文本输入设备，图像输入设备，指点输入设备，掌握三维图形输入设备了解显示器，声音的输出，数字纸 等输出设备掌握虚拟现实交互设备3.1 文本输入设备 文本输入是人与计算机交互的一个重要组成部分，同时也是一项繁重的工作。键盘输入是最常见、最主要的文本输入方式。手写等一些更自然的交互方式也可为文本输入提供辅助手段。（1）键盘 键盘是文本输入的最重要手段，而键盘布局对于文本输入的速度和准确性至关重要。为了提高键盘在

2、某些场合下的使用舒适度，许多键盘在设计的过程中还加入了更多人性化的考虑。 键盘分类（按工作原理）编码键盘控制电路的功能完全依靠硬件自动完成，能自动将所按下的按键的编码信息送入计算机。这种键盘响应速度快，但硬件结构复杂。非编码键盘控制电路功能要依靠硬件和软件共同完成。这种键盘响应速度虽然不如编码键盘快，但可通过软件为键盘的某些按键重新定义，为扩充键盘功能提供了极大的方便，因而得到了广泛的使用。键盘的布局 QWERTY键盘布局19世纪70年代，Sholes发明了QWERTY键盘布局，其名称来源于该布局方式最上行前6个英文字母，最常用的几个字母安置在相反方向，最大限度放慢敲键速度以避免卡键。 这种布

3、局方式依然是今天最为常见的排列方式，成为一种事实上的标准。 键盘的布局 DVORAK键盘布局20世纪20年代的DvORAK键盘布局，据推测使用DVORAK，打字者的手指平均每日运动1英里，而QWERTY则是12到20英里。 DVORAK可以大大减少手指移动距离，从而大大提高输入速度，但由于受到传统QWERTY布局的影响，没有成为主流的键盘布局。 双手左手右手人性化设计的键盘 人机工程学键盘是在标准键盘基础上将指法规定的左手键区和右手键区这两大板块左右分开，并形成一定角度，这样可使操作者不必有意识的夹紧双臂，从而保持一种比较自然的形态，这种设计的键盘被微软公司命名为自然键盘（Natural Ke

4、yboard）。 固定于椅子上的键盘 人体工程学键盘固定于桌面上的键盘 人性化设计的键盘 多功能集成键盘这类键盘集成了鼠标、无线等功能，在键盘布局以及外观设计方面，针对游戏、上网浏览等常用娱乐功能做了改进。键盘正上方设计的快捷键，包括 “IE主页”、“打开文件夹”、“查找文件”和“进入信箱”等12个，许多操作可以一键完成。键盘的无线接收器采用USB接口，安装使用也非常方便。 *触控屏键盘*LCD触控板可变成为原始数字键盘、多媒体快捷控制键盘和自定义键盘三种模式。（2）手写设备 手写笔板+手写笔:是手写系统中一个很重要的部分。手写笔 有线笔手写笔尾部均有一根电缆与手写板相连，从手写板上输入电源

5、。无线笔借助于一些特殊技术而不需要任何电源。携带和使用起来非常方便，同时也较少出现故障。手写笔一般还带有两个或三个按键，其功能相当于鼠标按键，这样在操作时不需要在手写笔和鼠标之间来回切换。 手写板电阻式压力手写板：几乎已经被淘汰电磁式感应手写板：目前市场主流产品电容式触控手写板：市场的新生力量，具有耐磨损、使用简便、敏感度高等优点，是今后手写板的发展趋势。电容式触控手写板工作原理利用人体的电流感应进行工作。电容式触控屏是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂有一层ITO(镀膜导电玻璃)，最外层是一薄层矽土玻璃保护层，ITO涂层作为工作面，四个角上引出四个电极，内层ITO为屏蔽层以保证良好

6、的工作环境。当手指触摸在金属层上时，人体电场、用户和触控屏表面形成一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流。这个电流分别从触控屏四角上的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置信息。.net 类库void textbox1_StylusDown(object sender, StylusDownEventArgs e) /在用户将手写笔的笔尖与手写板接触时发生 Stylus.Capture(textbox1); /捕获绑定到textbox1的手写笔，开始信息获取void tex

7、tbox1_StylusMove(object sender, StylusEventArgs e) /在手写笔与手写板接触并移动时发生Point pos = e.GetPosition(textbox1); / 获取笔的位置/*如果需要获取笔的压力等更多的信息，可以调用StylusEventArgs 的GetStylusPoints(IInputElement) 方法，获得StylusPoint结构*/ textbox1.AppendText(X: + pos.X + Y: + pos.Y + n);void textbox1_StylusUp(object sender, StylusEv

8、entArgs e) Stylus.Capture(textbox1, CaptureMode.None); / 取消信息获取手写板通用评测指标压感级数：手写板可以感应到笔在手写板上的力度的级别，最高为512级。 精度：精度又称分辨率，指的是单位长度上所分布的感应点数，精度越高对手写的反映越灵敏，对手写板的要求也越高书写面积：是手写板一个很直观的指标，手写板区域越大，书写的回旋余地就越大，运笔也就更加灵活方便，输入速度往往会更快，当然其价格也相应更高。书写面板的尺寸大体有以下几种：76mm51mm、76mm114mm、10mm13mm和11mm15mm手写汉字识别软件除了硬件外，手写笔和手写板

9、的另一项核心技术是手写汉字识别软件，目前各类手写笔的识别技术都已相当成熟，识别率和识别速度也能够满足实际应用的要求。 汉王科技股份有限公司董事长 刘迎建 1985年研发出第一个联机手写汉字识别装置。中科院在1988年提出利用笔段为基元的 联机手写汉字识别技术。逍遥笔3.2 图像输入设备 图像输入是人与计算机交互的另外一个重要组成部分。二维扫描仪可以快速地实现图像输入，且经过对图像的分析与识别，可以得到文字、图形等内容；摄像头是捕捉动态场景最常用的工具。 （1）二维扫描仪 二维扫描仪对图像画面进行扫描时，光源将光线照射到待扫描的图像原稿上，产生反射光或透射光，然后经反光镜组反射到电荷耦合器件（C

10、harge Coupled Device，CCD）中。CCD图像传感器根据反射光线强弱的不同转换成不同大小的电流，经模拟数字转换处理，将电信号转换成数字信号，即产生一行图像数据。同时，在控制电路的控制下，步进电机旋转带动驱动皮带，从而驱动光学系统和CCD扫描装置在传动导轨上与待扫原稿做相对平行移动，将待扫图像原稿逐条线扫入，最终完成全部原稿图像的扫描。对于彩色图像扫描，通常使用RGB三色滤镜，分别生成对应于红（R）、绿（G）、蓝（B）三基色的三幅单色图像，然后将这三幅图像合成。二维扫描仪的性能指标（一）分辨率:扫描仪的分辨率决定了最高扫描精度 ;在扫描图像时，扫描分辨率设得越高，生成的图像的效

11、果就越精细，生成的图像文件也越大。扫描仪的分辨率等于其光学部件的分辨率加上其自身通过硬件及软件进行处理分析所得到的分辨率。DPI是指用扫描仪输入图像时，在每英寸上得到的像素点个数。分辨率为1200DPI的扫描仪，往往其光学部分的分辨率只占400600DPI。扩充部分的分辨率由硬件和软件联合生成，这个过程是通过计算机对图像进行分析，对空白部分进行插值处理所产生的。扫描速度:扫描速度决定了扫描仪的工作效率一般而言，以300DPI的分辨率扫描一幅A4幅面的黑白二值图像，时间少于10秒钟，相同情况下，扫描灰度图，约需10秒左右，而如果使用三次扫描成像的彩色扫描仪，则要23分钟。二维扫描仪的性能指标（二

12、）二维扫描仪的分类目前大部分的扫描仪都属于平板式扫描仪主要由上盖、原稿台、光学成像部分、光电转换部分、机械传动部分组成。 手持式扫描仪和滚筒式扫描仪手持式扫描仪与平板扫描仪都是 把需要扫描的材料静止放置，通 过扫描光源的移动来完成扫描。滚筒式扫描仪在扫描的过程中保持扫描光源静止不动，通过卷动扫描材料完成扫描。机盖导轨滑杆稿台齿轮链条步进电机平板式扫描仪结构（2）数码摄像头数码摄像头的用途数码摄像头可以直接捕捉影像，然后通过计算机的串口、并口或者USB接口传送到计算机里。数码摄像头没有存储装置和其他附加控制装置，只有一个感光部件、简单的镜头和不太复杂的数据传输线路，造价低廉。 数码摄像头性能指标

13、（一）感光元器件摄像头使用的镜头主要包括CCD和CMOS（附加金属氧化物半导体组件）两种。在相同像素下，CCD的成像通透性、明锐度都很好，色彩还原、曝光可以保证基本准确，应用在摄像、图像扫描等对于图像质量要求较高的应用中。CMOS的制造成本和功耗低，应用在一些低端视频应用中。像素数像素数是影响图像质量的重要指标，也是判断摄像头性能优劣的重要条件。早期产品以10万像素的居多，目前则以500万像素为主。解析度分为照像解析度和视频解析度 ：有12801024、1280960、640480、352288、320240、176144、160120 等规格一般产品的最高解析度可以达到12801024视频速

14、度视频速度和视频解析度是直接相关的，基本成反比关系如640480 解析度可达12.5帧秒（Frames Per Second，FPS）， 352288 的解析度可得到30 FPS，真正获取流畅的视频 镜头镜头性能的重要条件是它的调焦范围以及灵敏性等因素 ，好的摄像头，应该有较为宽广的调焦范围和较高的灵敏性数码摄像头性能指标（二）3.3 三维图形输入设备在许多领域，如机器视觉、面形检测、实物仿形、自动加工、产品质量控制、生物医学等，物体的三维信息必不可少的。三维扫描仪是实现三维信息数字化的一种极为有效的工具。动作捕捉设备则用于捕捉用户的肢体甚至是表情动作，生成运动模型。在影视、动漫制作中已被大量

15、应用。（1）三维扫描仪根据传感方式的不同，三维扫描仪主要分为接触式和非接触式两种。接触式的三维扫描仪采用探测头直接接触物体表面，通过探测头反馈回来的光电信号转换为物体表面形状的数字信息。该类设备主要以三维坐标测量机为代表。其优点是具有较高的准确性和可靠性，但也存在测量速度慢、费用较高、探头易磨损以及误差修正等缺点。非接触式的三维扫描仪，主要有三维激光扫描仪，照相式三维扫描仪等，分别是基于激光扫描测量和结构光扫描测量等技术设计的。这类设备的优点是扫描速度快，易于操作，且由于不需接触被测量的物体，所以对物体表面损伤少等。三维激光扫描仪 照相式三维扫描仪通过三维扫描仪的建模和绘制过程Polygona

16、l meshesPoint setsLaser Scanner三维扫描仪工作原理三维激光扫描仪通过高速激光扫描测量技术，获取被测对象表面的空间坐标数据。时间差测量法通过测量激光在仪器和目标物体表面的往返时间，计算仪器和点间的距离，进而可以计算扫描点的三维坐标值。三维扫描仪工作原理三角测量法三角测量法通过光源孔发射出一束水平的激光束来扫描物体。该激光线经过旋转平面镜的作用，改变角度，使得激光线发射到物体表面。物体表面反射激光束，每一条激光线都通过CCD传感器采集成一帧数据。根据物体表面不同的形状，每条激光线反射回来的信息中所包含表面形状和颜色数据不同。三角测量法多幅深度图像合并（2）动作捕捉设备

17、动作捕捉系统在运动物体的关键部位设置跟踪点，由系统捕捉跟踪点在三维空间中运动的轨迹，再经过计算机处理后，提供给用户物体的运动数据。在动画制作中，动画师可以将数据与动画角色合成，生成动画，然后很方便地在计算机中调整、控制运动的物体。运动捕捉设备分类机械式、电磁式、光学式捕捉设备动作捕捉设备工作原理机械式动作捕捉设备利用可伸缩的机械结构安装于捕捉物体上，以取得各部分的运动量。优点是成本低廉，但这种方式限制了运动物体的自由运动，且由于机械设备的尺寸、重量等问题，因而限制了其应用范围。电磁式设备将若干低频磁场感应器安装在捕捉物体上，根据感应器接收到的磁场，可以计算出接收器相对于发射器的位置和方向。但其

18、由于易受电磁干扰影响到了捕捉数据的精度和稳定性，对于作业场地的要求也非常严格。光学式运动捕捉利用计算机视觉原理。从理论上说，对于空间中的一个点，只要它能同时为两部摄相机所见，则根据同一时刻两部摄相机所拍摄的图像和对应参数，就可以确定这一时刻该点在空间的位置。摄相机以足够高的速率连续拍摄时，从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。光学式运动捕捉便是利用这一点通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。运动捕捉在指环王中应用运动捕捉Dr. Michael Brown表情追踪表情追踪SDU运动捕捉3.4 指点输入设备指点设备常用于完成一些定位和选择物体的交互任务。物体可能处于一维、二维、三维

19、或更高维的空间中，而选择与定位的方式可以是直接选择，或通过操作屏幕上的光标来完成。（1）鼠标1963年，美国科学家Douglas Englebart发明了鼠标器。他最初的想法是为了让计算机输入操作变得更简单、容易。第一只鼠标器的外壳是用木头精心雕刻而成的，整个鼠标器只有一个按键，在底部安装有金属滚轮，用以控制光标的移动。鼠标的使用使得计算机的操作更加简便，有效代替了键盘的繁琐指令。鼠标的分类1）机械式鼠标工作原理：在机械式鼠标底部有一个可以自由滚动的球，在球的前方及右方装置两个支成90度角的编码器滚轴，移动鼠标时小球随之滚动，便会带动旁边的滚轴，前方的滚轴记录前后滑动，右方的滚轴记录左右滑动，

20、两轴一起移动则代表非垂直及水平方向的滑动。编码器由此识别鼠标移动的距离和方位，产生相应的电信号传给电脑，以确定光标在屏幕上的正确位置。 鼠标的分类2）光电式鼠标 工作原理:利用一块特制的光栅板作为位移检测元件，光栅板上方格之间的距离为0.5mm。鼠标器内部有一个发光元件和两个聚焦透镜，发射光经过透镜聚焦后从底部的小孔向下射出，照在鼠标器下面的光栅板上，再反射回鼠标器内。当在光栅板上移动鼠标器时，由于光栅板上明暗相间的条纹反射光有强弱变化，鼠标器内部将强弱变化的反射光变成电脉冲，对电脉冲进行计数即可测出鼠标器移动的距离。 鼠标与计算机的接口串行接口设计(梯形9针接口)；随着PC机器上串口设备的逐

21、渐增多，串口鼠标逐渐被采用新技术的PS/2接口鼠标所取代(小圆形接口)；随着即插即用概念的提出，使得采用USB接口的鼠标成为主流；而对于一些有专业要求的用户而言，采用红外线信号来与电脑传递信息的无线鼠标也成为一种专业时尚。鼠标的按键从按键而言，依次经历了两键、三键时代。随着INTERNET的普及，人们发现，在鼠标上加上一个小小的轮轴更便于浏览网页，这样，又出现了滚轮鼠标，目前的鼠标以三键滚轮鼠标为主。新型鼠标无线鼠标采用红外线信号或蓝牙信号来与电脑传递信息。3D振动鼠标具有全方位立体控制能力，有前、后、左、右、上、下六个移动方向，而且可以组合出前右、左下等不同的移动方向；并且具有振动功能，即触

22、觉回馈功能。（2）触摸板（Touchpad） 触摸板能够在一定的区域内（通常是5075毫米长度）感应接触，将这种接触信号转发给计算机处理。目前，触摸板已应用到笔记本电脑上，可以替代鼠标。触摸板通过电容感应来获知用户的手指移动情况，对手指热量并不敏感。 同鼠标相比，触摸板的使用更加灵活，在使用过程中，通过更多的配置，可以得到更强的功能。 触摸板以及触摸板的配置 可以把触摸板的四个角落定义成不同的按钮，这些特殊的角落称为“角落轻敲区”。于是，利用四个角落轻敲区和手写板的中间轻敲区，加上原来的两个按钮，就可以把触摸板变成拥有七个按钮的鼠标（3）控制杆 控制杆很适宜于跟踪目的（即追随屏幕上一个移动的目

23、标）的原因是移动对应的光标所需的位移相对较小，同时易于变换方向。 控制杆的移动导致屏幕上光标的移动。根据两者移动的关系，可以将其分为两大类：位移定位和压力定位。对于位移定位的控制杆，屏幕上的光标依据控制杆的位移而移动，因而位移是非常重要的定位特征。而对于压力定位的控制杆，其受到的压力被转化为屏幕上光标的运动速度。（4）光笔 光笔是一种较早用于绘图系统的交互输入设备，它能使用户在屏幕上指点某个点以执行选择、定位或其他任务。光笔使显示器在指定亮点上暂时“冻结”，光笔和图形软件相配合，可以在显示器上完成绘图，修改图形和变换图形等复杂功能。 光笔的的原理图光笔的形状和普通钢笔相似，它由透镜、光导纤维、

24、光电元件、放大整形电路和接触开关组成。其工作方式包括指点和跟踪。指点方式包括确定位置和确定对象。这个过程又称为击中。指点过程非常迅速，并可立即恢复，所以用户不会察觉显示暂停。跟踪方式则指定屏幕上某一点，按下接触开关，经光笔程序产生的十字形光标，显示在该点上。光笔的优缺点 光笔的优点不需要特殊的显示屏幕，与触摸屏的设备相比较，价格便宜许多；在一些不适宜使用鼠标的地方，可以起到替代作用。光笔的缺点手和笔迹可能将遮挡屏幕图像的一部分；会造成手腕的疲劳；光笔不能检测黑暗区域内的位置；会因房间背景光的影响，光笔产生误读现象。（5）触摸屏 触摸屏作为一种特殊的计算机外设，提供了一种简单、方便、自然的人机交

25、互方式，在某些应用中，可以代替鼠标或键盘。操作触摸屏时，需要首先用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。触摸屏的组成、分类触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成。触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，然后传送给触摸屏控制器。而触摸屏控制器的主要作用是处理从触摸检测部件接收到的触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。可以把触摸屏分为四种：电阻式电容感应式红外线式表面声波式触摸屏 应用触摸屏目前主要应用于公共信息的查询，如电信、税务、银行、电力等部门的业务查询，城市街头的信

26、息查询。此外还可以应用于工业控制、军事指挥、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学等方面。多点触摸屏Microsoft SurfaceTM/surface/2.0Platform SDK + WPF1 -Screen 2-Infrared1280 x 9603-CPU 4-Projector多点触摸屏PQ lab itable产品实际体积： 1.62m（长） * 80m（宽）* 65m（高）产品清单： 桌子和42 寸红外32 点触摸框 触摸回应时间: 7毫秒 - 12毫秒 多点触摸屏PQ Labs Multi-Touch wall尺寸: 150响应点数: 32 点触摸技术: 红外线玻璃: 3 毫米厚度

27、钢化玻璃 ( 可根据需求定制)触摸方式: 手指、手套或其他任何物体. 触摸识别精度：8mm. 物体形状识别 ( 手掌， 拳头识别)触摸回应时间: 7 毫秒 - 12 毫秒操作系统: W i n d o w s 2 0 0 0 , X P , V i s t a ,Windows 7, Mac OS X 多点触摸屏应用（6） 手写液晶屏 手写液晶屏是液晶矩阵显示技术和高灵敏度电磁压感技术的完美结合，可以在屏幕上直接用压感笔实现高精度的选取、绘图、设计制作。液晶屏幕上除了具备一般的液晶显示屏的特征以外，在最上面还附有一层特制保护层，确保在书写过程中，屏幕保持平整不变形，液晶原来的画质毫不受损，同时

28、具有高耐久性。 （7）眼动跟踪系统 眼动跟踪系统允许用户仅仅通过凝视的手段来控制计算机选择物体。目前来看，眼动跟踪系统需要利用较为复杂的硬件设备以及软件算法。 眼动跟踪系统工作原理首先，用四个L形的红外线发光器，在眼睛里产生一些亮点；然后利用一个广角摄像头获取脸部图像，快速确定眼睛的位置；再利用一个视野较小，分辨率较高的摄像头拍摄眼睛的高分辨率图像；最后，分析眼睛的图像，计算瞳孔中心和亮点的位置，通过计算瞳孔中心和亮点确定的矢量，确定视线方向。眼动跟踪意义通过分析眼部移动，我们能了解人们的行为。注视时间的长短通常表明了大脑处理视觉信息的过程和认知行为的发生。如，在阅读时，注视常见单词的时间通常

29、比非常见单词时间短。（8）光标键-非连续定位装置 选择菜单或者编辑文本过程中光标移动时，只需要上、下、左、右几个方向的控制，这时候仅需要简单的光标键就可以了 。键盘上都有光标键，在windows等图形用户界面和鼠标出现之前，光标键是一般字符界面最重要的定位方式。目前，在一些应用中，特别是一些简单交互界面或一些文本编辑系统中，光标键作为一种简单、自然的方式，仍然发挥着重要的作用。 总结：输入设备文本输入设备键盘、手写输入图像输入设备二维扫描仪、数码摄像头三维图形输入设备三维扫描仪、运动捕捉指点输入设备等 鼠标、光笔、控制杆、触摸板、触摸屏第3章 交互设备山东大学计算机学院主要内容 输入设备：文本

30、输入设备图像输入设备三维图形输入设备指点输入设备等 输出设备：显示器 声音的输出 数字纸 等虚拟现实系统中的交互设备 1. 显示设备 显示器是计算机的重要输出设备，是人机对话的重要工具。它的主要功能是接收主机发出的信息，经过一系列的变换，最后以光的形式将文字和图形显示出来。 阴极射线管显示器、液晶显示器和等离子显示器（1）阴极射线管（CRT）显示器构成：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粉涂层组成，这六部分都在真空管内。其中，阴极、电平控制器（即控制极）、聚焦系统、加速系统等统称为电子枪。 CRT显示器工作原理当显像管内部的电子枪阴极发出的电子束，经强度控制

31、、聚焦和加速后变成细小的电子流，再经过偏转线圈的作用向正确目标偏离，穿越荫罩的小孔或栅栏，轰击到荧光屏上的荧光粉发出光线。彩色CRT光栅扫描显示器有三个电子枪，它的荧光屏上涂有三种荧光物质，分别能发红、绿、蓝三种颜色的光。CRT显示器发展阶段随机扫描显示器（又称矢量显示器）存储管式显示器光栅扫描显示器（主流）位图与光栅显示工作方式电子束从左向右，从上向下扫描荧光屏，产生一幅幅光栅，每一条从左向右的直线称为扫描线，每一幅光栅称为一帧。扫描方式分逐行和隔行扫描方式。隔行扫描方式把一帧光栅分为两次扫描：先扫偶数行扫描线，再扫奇数行扫描线。逐行扫描比隔行扫描拥有更稳定显示效果。 位图与光栅显示 光栅扫

32、描型（Raster scan）显示器，以点阵形式表示图形，采用专门的帧缓冲区存放点阵，缓冲区按照矩形网格排列，每个网格点对应显示器上的一个象素。由视频控制器负责刷新扫描，当扫描到显像管表面时，根据对应的缓冲区中的值，显示不同的灰度和颜色，此类显示技术称为位图（Bitmap）显示。 彩色显示器屏幕的每个象素在帧缓冲器中至少有三位，分别表示RGB三种颜色，三个颜色位面的组合色为最终颜色。对每个颜色的电子枪可以通过增加帧缓存位面来提高颜色种类的灰度等级。如果各组位面存放的不是直接的颜色值而是颜色查找表的地址索引，那么全色帧缓存的颜色还可得到进一步的丰富。具有24位面的彩色帧缓存和10位颜色查找表的彩

33、色显示器的结构图（2）液晶显示器在充电条件下，液晶能改变分子排列，继而造成光线的扭曲或折射。液晶显示器工作原理是通过能阻塞或传递光的液晶材料，传递来自周围的或内部光源的偏振光。以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管构成画面。LCD比CRT显示器具有更好的图像清晰度，画面稳定性和更低的功率消耗，但液晶材质粘滞性比较大，图像更新需要较长响应时间，因此不适合显示动态图象。（3）等离子显示器等离子显示器诞生于二十世纪60年代，它采用等离子管作为发光材料，1个等离子管负责一个像素的显示：等离子管内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，荧光粉受激发出可见光 。

34、优点：重量较轻、完全无X射线辐射，而且屏幕亮度非常均匀，不存在明显的亮区和暗区；由于各个发光单元的结构完全相同，因此不会出现CRT显示器那样存在某些区域聚焦不良或因使用时间过长出现散焦的毛病。缺点：是价格较高，由于显示屏上的玻璃较薄使屏幕较脆弱。显示器主要技术指标扫描方式“隔行扫描”：价格低，明显闪烁，已被淘汰“逐行扫描”：闪烁感降到最小刷新频率75Hz以上的刷新频率时可基本消除闪烁，是显示器稳定工作的最低要求。点距点距是同一像素中两个颜色相近的磷光体间的距离。点距越小，显示出来的图像越细腻，当然其成本也越高。显示器主要技术指标分辨率屏幕上水平方向和垂直方向所显示的点数，分辨率越高，图像也就越

35、清晰，且能增加屏幕上的信息容量。带宽决定着一台显示器可以处理的信息范围，就是指特定电子装置能处理的频率范围，宽带越宽，能处理的频率越高，图像质量越好。亮度和对比度最大亮度的含义即屏幕显示白色图形时白块的最大亮度，产品制造时往往将亮度指标放有较大余量，当然，并不是越亮越好。对比度的含义是显示画面或字符(测试时用白块)与屏幕背景底色的亮度之比。对比度越大，则显示的字符或画面越清晰。尺寸：依据用户需求选择。夏普LB-1085 108英寸 146万2. 打印机打印机是目前非常通用的一种输出设备，其结构可分为机械装置和控制电路两部分。常见的有针式、喷墨、激光打印机三类。打印分辨率、速度、幅面、最大打印能

36、力等是衡量打印机性能的重要指标。针式打印机与喷墨打印机工作原理针式打印机与喷墨打印机的工作原理基本相同主机送来的代码，经过打印机输入接口电路的处理后送至打印机的主控电路，在主控电路控制下，产生字符或图形的编码，驱动打印头逐列进行打印；一行打印完毕后，启动走纸机构进纸，产生行距，同时打印头回车换行，打印下一行；上述过程反复进行，直到打印完毕。针式打印机与喷墨打印机的主要区别在于打印头的结构。针式打印机的打印头通过电路控制打印针击打色带，在纸上打出一个点的图形。喷墨打印机的打印头由几千个直径约几微米的墨水通道组成，通过电路控制将将墨水喷出通道，在纸上产生图形。激光打印机工作原理激光打印机主要由感光

37、鼓、滚筒、打底电晕丝和转移电晕丝等组成。工作原理激光打印机开始工作时，感光鼓旋转通过打底电晕丝，使整个感光鼓的表面带上电荷。工作原理打印数据从计算机传至打印机，打印机先将接收到的数据暂时存放在缓存中，当接收到一段完整的数据后再发送到打印机处理器。处理器将这些数据转换成可以驱动打印引擎动作的类似数据表的信号组，然后将其送至激光发射器。发射器发射的激光照射在多棱反射镜上，反射镜的旋转和激光的发射同时进行，依照打印数据来决定激光的发射或停止。工作原理每个光点打在反射镜上，随着反射镜的转动，不断变换角度，将激光点反射到感光鼓上。感光鼓上被激光照到的点将失去电荷，从而在感光鼓表面形成一幅肉眼看不到的磁化

38、现象。感光鼓旋转到上粉盒，其表面被磁化的点将吸附碳粉，从而在感光鼓上形成将要打印的碳粉图像。工作原理打印纸从感光鼓和转移电晕丝之间通过，转移电晕丝将产生比感光鼓上更强的磁场，碳粉受吸引从感光鼓上脱离，向转移电晕丝方向移动，结果是在不断向前运动的打印纸上形成碳粉图像。打印纸继续向前运动，通过高温的溶凝部件，定型在打印纸上，产生永久图像。同时，感光鼓旋转至清洁器，将所有剩余在感光鼓上的碳粉清除干净，开始下一轮的工作。3. 语音交互设备语音作为一种重要的交互手段，日益受到人们的重视。基本的语音交互设备耳机麦克风声卡（1）耳机常见的耳机技术指标有：耳机结构、频响范围、灵敏度、阻抗、谐波失真等。耳机结构

39、可以分为封闭式、开放式、半开放式三种。耳机分类封闭式通过其自带的软音垫来包裹耳朵，使其被完全覆盖起来。因为有大的音垫，所以体积也较大，但可以在噪音较大的环境下使用而不受影响。开放式耳机是目前比较流行的耳机样式，利用海绵状的微孔发泡塑料制作透声耳垫，特点是体积小巧，佩带舒适，也没有了与外界的隔绝感，但它的低频损失较大。半开放式耳机是综合了封闭式和开放式两种耳机优点的新型耳机，采用了多振膜结构，除了一个主动有源振膜之外，还有多个从动无源振膜同时较好的保留的声音的低频和高频部分。（2）麦克风耳机佩戴有麦克风。为了过滤背景杂音，达到更好的识别效果，许多麦克风采用了NCAT（Noise Cancelin

40、g Amplification Technology）专利技术。NCAT技术结合特殊机构及电子回路设计以达到消除背景噪音，强化单一方向声音的收录效果，是专为各种语音识别和语音交互软件设计的，提供精确音频输入的技术。（3）声音合成设备声卡是最基本的声音合成设备，是实现声波数字信号相互转换的硬件。一般声卡拥有4个接口：LINE OUT（或者SPK OUT）、MIC IN、LINE IN和游戏杆（外部MIDI设备接口）。其中LINE OUT用于连接音箱耳机等外部扬声设备，实现声音回放；MIC IN用于连接麦克风，实现录音功能；而LINE IN则是把外部设备的声音输入到声卡中。 采样位数、频率和声道数

41、：位数：8位、16位等采样频率一般分为22.05KHz、44.1KHz、48KHz三个等级，22.05只能达到广播的声音品质，44.1KHz则是理论上的CD音质界限，48KHz则更加精确一些，对于高于48KHz的采样频率人耳已无法辨别出来了。声道数：单、双、四声道 Lecture 3963.3虚拟现实系统中的交互设备 虚拟现实系统要求计算机可以实时显示一个三维场景，用户可以在其中自由的漫游，并能操纵虚拟世界中一些虚拟物体。因此，除了一些传统的控制和显示设备，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、漫游以及物体操纵等任务。三维空间定位设备三维显示设备Lecture 3

42、97三维空间定位设备 三维交互设备最基本的特点是具有六个自由度。常见的三维输入设备主要有以下几种：空间跟踪定位器数据手套（Data Glove） 三维鼠标 触觉和力反馈器 Lecture 398（1）空间跟踪定位器空间跟踪定位器或称三维空间传感器是一种能实时地检测物体空间运动的装置，可以得到物体在六个自由度上相对于某个固定物体的位移，包括：X、Y、Z坐标上的位置值，以及围绕X、Y、Z轴的旋转值（转动，俯仰、摇摆）。这种三维空间传感器对被检测的物体必须是无干扰的，也就是说，不论这种传感器是基于何种原理或使用何种技术，它都不应当影响被测物体的运动，因而称为“非接触式传感器”。三维空间跟踪定位器一般

43、与其他VR设备结合使用，如：数据头盔、立体眼镜、数据手套等。Lecture 399空间跟踪定位器Lecture 3100空间跟踪定位器的主要的性能指标：定位精度：指传感器所测出的位置与实际位置的差异位置修改速率：指传感器在一秒钟内所能完成的测量次数延时：指被检测物体的某个动作与传感器测出该动作时间的间隔如何减少颤抖、漂移、噪音是需要解决的主要问题在虚拟现实技术中广泛使用的传感器类型：低频磁场式超声式空间跟踪定位器性能指标Lecture 3101Polhemus的 FASTRAK跟踪定位仪 可同时跟踪四路信号；可以得到物体在六个自由度上相对于某个固定物体的位移，包括：X、Y、Z坐标上的位置值，以

44、及围绕X、Y、Z轴的旋转值（转动，俯仰、摇摆）；配置LongRanger长距离发射天线，跟踪范围可到15英尺；低磁场式；增加硬笔，可以成为三维数字化仪；教育价格：约10万元人民币 Lecture 3102（2）数据手套数据手套一般由很轻的弹性材料构成，紧贴在手上。整个系统包括位置、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，它们检测手指和手的运动。数据手套将人手的各种姿势、动作通过手套上所带的光导纤维传感器，输入计算机中进行分析。这种手势可以是一些符号表示或命令，也可以是动作。手势所表示的含义可由用户加以定义。在虚拟环境中，操作者通过数据手套可以用手去抓或推动虚拟物体，以及做出各种

45、手势命令。 Lecture 3103Lecture 3104（3）三维鼠标三维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旋转参数。其装置比较简单：一个盖帽放在带有一系列开关的底座上。转动这个小球或侧方向推动这个小球时，如向上拉它、向下压它，使它向前或向后等。三维鼠标将用户的这些动作传送给计算机，从而进一步控制虚拟环境中的物体的运动。Lecture 3105（4）触觉和力反馈器Virtual Technology公司的触觉反馈手套Phantom 公司的haptic deviceLecture 3106虚拟现实系统必须提供触觉反馈，以便使用户感觉到仿佛真的摸到了物体。但是由于人的触

46、觉非常敏感，精度一般的装置根本无法满足要求。 另外，对于触觉和力反馈器，还要考虑到模拟力的真实性、施加到人手上是否安全以及装置是否便于携带并让用户感到舒适等问题。目前已经有一些关于力学反馈手套、力学反馈操纵杆、力学反馈笔、力学反馈表面等装置的研究 。触觉反馈设备重要性和主要问题Lecture 3107触觉反馈设备技术实现手指触觉反馈器的实现主要通过视觉、气压感、振动触觉、电子触觉和神经肌肉模拟等方法。 其中电子触觉反馈器是向皮肤反馈宽度和频率可变的电脉冲，而神经肌肉模拟反馈是直接刺激皮层，这些方法都很不安全，较安全的方法是气压式和振动触感式的反馈器。 Lecture 3108沉浸感显示设备 立

47、体视觉头盔式显示器CAVE真三维显示 Lecture 3109（1）立体视觉由于人类从客观世界获得的信息60%以上来自视觉，因而视觉沟通就成为多感知虚拟现实系统中最重要的环节，立体视觉技术也就成为虚拟现实的一种极重要的支撑技术。 人是通过右眼和左眼所看到物体的细微差异来感知物体的深度，从而识别出立体图像的。立体影像生成技术立体影像生成技术主要有两种主动式模式对应用户的左右眼影像将按照顺序交替显示，用户使用LCD立体眼镜保持与立体影像的同步，这种模式可以产生高质量的立体效果。被动式系统需要使用两套显示设备以及投影设备分别生成左右眼影像并进行投影，不同的投影分别使用不同角度的偏振光来区别左右眼影像

48、，用户使用偏振光眼镜保持立体影像的同步。立体眼镜立体电影Lecture 3112（2）头盔式显示器头盔式显示器（Head Mounted Display，HMD，）是一种立体图形显示设备，可单独与主机相连以接受来自主机的三维虚拟现实场景信息。 目前最常用的头盔显示器是基于液晶显示原理的，最早如美国VPL公司于1992年推出的Eyephone，它在头上装有一个分辨率为360240象素的液晶显示器，其视野为水平100度。Lecture 3113头盔式显示器Lecture 3114头盔分单通道和双通道两种:单通道的头盔显示器上装有一个液晶显示器并显示同一幅图像；双通道的头盔显示器上装有两个液晶显示器

49、，左边的液晶屏显示来自主控计算机生成的左眼图像，右边的液晶显示屏显示来自主控计算机生成的右眼图像，每一幅的图像的显示刷新速度都在60Hz以上，两幅图像在两个液晶屏之间快速切换显示，根据立体成像原理，观察者就可以看到立体图像 。头盔显示器分类Lecture 3115头盔式显示器使用方式为头戴式，辅以空间跟踪定位器可进行虚拟场景输出效果的观察，同时观察者可做空间上的移动，如自由行走、旋转等。两个显示屏幕处于用户佩戴的头盔中，分别覆盖用户双眼的视野，使得用户只能够感知来自计算机所生成的图像，沉浸感极强。Lecture 3116这是一种四面的沉浸式虚拟现实环境。系统在支持多用户的同时，给用户提供了前所未有的，带有震撼性的沉浸感对于处在系统内的用户来说，投影屏幕将分别覆盖用户的正面、左右以及底面视野，构成一个边长为10英尺的立方体。可以允许多人走进CAV