虚拟现实课件-第3章(教师-王洪群)

虚拟现实技术讲课老师：王洪群whq_lanzhou@163.com1第三章输出设备：图形、三维声音和触觉显示设备图形显示器声音显示设备触觉反馈2一、图形显示设备定义：图形显示设备是一种计算机接口设备，它把合成出的世界图象展现给与虚拟世界进行交互的一个或多个用户。产生图象的类型特征单视场立体图象的分辨率视场显示技术基于LCD基于CRT人机工程学因素价格3人类视觉系统中央凹会聚角瞳距视场视网膜中心区域（绕视轴几十度的范围）一只眼睛水平150⁰垂直120⁰图象视差IPD，interpupillarydistance视场：FOVFieldofview4个人图形显示设备定义：为单个用户输出虚拟场景的图形显示设备称为个人图形显示设备。这类图象可以是单视场的，也可以是立体的；可以是单目的（为一只眼睛提供显示），也可以是双目的（给两只眼睛提供显示）。头盔显示器个人图形显示设备手持式显示器地面支撑显示器桌面支撑显示器主动立体视觉监视器被动立体视觉监视器5头盔显示器HMD的简化光学模型1~5m6头盔显示器HMD注意：区别主要在哪里？单视场和立体区别在哪里？普通消费级HMD专业级HMD7Olympus的基于LCD的Eye-TrekFMD(face-mounteddisplays,简称FMD)FMD700分辨率：533×450(72万象素)FMD200分辨率267×225(18万象素)单视场Daeyangcy-visorFMD(消费级别)Cy-visorDH-4400VPLiquid-crystal-on-siliconAMLCD-activematrixLCD可透视分辩率高体积小，需要外部光源800×600水平60⁰垂直43⁰重量160g8专业级别的立体HMDProViewXL35Datavisor

HiRes1024×768×3水平28⁰垂直21⁰重量992g1.6arcmin两个1280×1024水平78⁰垂直39⁰重量1587gTektronixNucolor液晶快门，45⁰镜面反射可以通透式应用9手持式显示器Hand-SupportedDisplays,简称HSDNVIS公司的虚拟双目镜Liquid-crystal-on-silicon1080×1024重量1kg,1.6arcmin10地面支撑式显示器0.1光－机械传动轴编码器优点：机械跟踪器的低延迟可以消除仿真病；不受电磁干扰；承载较大重量的显示设备；FakespaceLabs公司Boom3C缺点：存在运动死角。FakespaceLabs公司Boom3C立体图形支撑臂离轴的(off-axis)1600×12001280×1024IterSense惯性跟踪器11桌面支撑显示设备自动立体显示器优点：用户不需要带任何视觉备，就可以显示立体图象缺点：由于采用列交错使得水平分辨率降低一半；照明、观察光学仪器等专用硬件，价格昂贵。自动立体显示器被动自动立体显示器主动自动立体显示器DTI2018XLVirtualWindow被动自动立体显示器12主动自动立体显示器ElsaEcomo4D13各种个人图形显示设备的性能比较显示设备名称类型分辨率FOV(H×V)重量(g)价格（103）美元Eye-TrekAMLCD,FMD267×22530°×23°1000.5cy-visorLCOS,LCD,FMD800×60060°×43°1601ProViewXL35AMLCD,HMD1024×76828°×21°99220Datavisor

HiResCRT,HMD1280×102478°×39°158735VirtualbinocularsSXLCOS,LCD,HSD1280×102442°对角线100019.9Boom3CCRT,FSD1280×102485°×H《100WindowVRFlatpanel,FSD1280×102421in对角线13.9DTI2018XLVirtualWindowTFT,LCD,Autostereo1280×102418.1in对角线112507ElsaEcomo4DTFT,LCD,Autostereo1280×102418in对角线170001514定义：允许靠得很近的多个用户同时观察虚拟世界的立体图像或单视场图像的图形显示设备称为大型显示设备。大型显示设备（1）基于监视器的大型显示设备120~140Hz图象更清除不能遮挡缺点：只有一个用户可以控制场景优点：分辨率高，多用户同时观看Akka关于“人的因素”的考虑（2）基于投影仪的大型显示设备基于监视器的大型显示设备15单视场多屏幕显示器PV290三屏显示器分辨率从：单个1280×1024到3840×1024单视场，多屏幕，三个TFT,-薄膜晶体管LCD问题：同步问题。16快速倾斜造成的图象未对齐校正后的对齐图象17基于投影仪的显示器数字投影仪:数字微镜设备，几千流明Digitalmicromirrordevice,简称DMDCRT投影仪：优点：刷新率高120Hz；缺点：价格高；亮度不足(“fastgreen”涂层),200~300流明微镜元素16ℳm18Workbench显示器单投影仪倾斜配置V-Desk6双投影仪L型配置19四投影仪CAVE显示设备伊利诺斯大学芝加哥校区的电子可视化实验室20投影仪阵列：是由许多功能相同的投影仪组成的大型显示设备，这些投影仪经过校准，能显示虚拟场景中的平铺合成图象。带有三投影仪的PanoWal显示设备需要预处理21由投影仪阵列产生的平铺图象PanoramTechnologies研究了一种无缝矩阵混合方法（专用查找表），可以对图象进行预处理，调整象素的亮度，产生明亮一致的图像。另外，Dome是一种大型球形显示设备，能产生360度视场的图象，容纳400～500个观察者。还有Vdome使用7个投影仪，主要用于军事飞行训练。22声音显示设备定义：声音显示设备是一种计算机接口设备，能给与虚拟世界交互的用户提供合成的声音反馈。声音可以是单声道的(两只耳朵听到相同的声音)，也可以是双声道的（每只耳朵听到不同的声音）。立体声：双声道，听起来在用户头部内部发出来的。不使用头部跟踪器。三维声音：使用头部跟踪器的数据合成的。听起来可以在头部周围的任何地方。23空间位置不变24人类的听觉系统方位角仰角距离25人类的听觉系统方位角（1）ITD-interauraltimedifference两耳时差是大脑估计声源方位角的线索（2）两耳强度差(interauralintensitydifference,IID)是估计声源方位角另外一个线索。（3）耳廓的声音路线变化提供了声源仰角的主要线索。（4）经验知识提供距离估计。（5）运动时差：当用户头部发生变化，声音方位角的变化大小作为距离线索。（6）直接来自声源的声音与经周围环境第一次反射后的声音能量之比，作为距离的另一重要线索。远声场(farfield):比值很小。近声场：比值较大。26HRIR－head-relatedimpulseresponses,为与头部相关的脉冲响应。HRTF－head-relatedtransferfunctions,也就是脉冲响应的傅立叶变换，称头部相关的传递函数。1988年CrystalRiverEngineering为NASA签约开发的，实时数字信号处理器，名为：convolvotron27基于扬声器的三维声音4声道格式，“5.1”环绕格式PC三维声卡：SRS公司生产的TruSurround和Videologic生产的SonicFury3D28触觉反馈接口触觉：haptic,触觉反馈力反馈(forcefeedback)接触反馈(touchfeedback)触觉反馈定义：触觉反馈传送接触表面的几何结构、虚拟对象的表面硬度和温度等实时信息。它不会主动抵抗用户的触摸运动，不能阻止用户穿过虚拟表面。力反馈定义：力反馈提供虚拟对象表面柔顺性、对象的重量和惯性等实时信息。它主动抵抗用户的触摸运动，并能阻止该运动（如果反馈力比较大）。设计所要考虑的问题：(1)安全性和合适性；（2）轻便性和用户舒适度29人类的触觉系统皮肤触觉传感器Merke盘Meissner小体温度感知：是由专门的温度感受器和伤害感受器实现的。本体感受：对自己身体位置和运动的感知。Pacinian小体Ruffini小体慢适应SA相应皮肤上的恒力快应FA感受振动和加速度传感器－发动机控制：使用触觉、本体感受和肌肉运动知觉来影响施加在触觉接口上的力。关键特征：最大施力能力、持续施力、力跟踪（意味着可以控制力的大小）分辨率和力控制带宽（响应力刺激的迅速性）。30人的抓握几何抓握几何精确抓握用力抓握用于巧妙地操纵对象，对象只与手接触对象被握在手掌和弯曲90度以上的闭合手指之间，它的稳定性更高，施加的力更多，但是缺乏灵活性。31触觉反馈接口iFeel触觉反馈鼠标32触觉反馈接口CyberTouch手套提供振动触觉反馈33触觉反馈接口温度反馈手套Peltier热电泵34触觉反馈接口温度反馈手套DTSS热电泵的控制PID－比例积分微分C&M研究所开发的温度替换感知系统DTSS(DisplacedTemperatureSensingSystem)由8个热电极(Peltier热泵和热电偶温度传感器组成)和一个控制接口单元35力反馈接口力反馈操纵杆力反馈系统机械带宽定义：表示用户（通过手指附件、手柄和万向接头等）感觉到的力的频率和转矩的刷新率（单位：Hz）控制带宽定义：指隔行扫描激励器接受到的命令更新的频率。WingManForce3D操纵杆三个自由度，两个自由度有力反馈36力反馈接口PHANToM---PersonalHapticInterfaceMechanism个人触觉接口装置力反馈系统PHANToMDesktop桌面力反馈臂最大输出力3.3N37力反馈接口可以产生力和转矩反馈PHANToM1.5、6.0型转矩机械带宽15Hz荷兰FCSControlSystems公司生产的HapticMaster输入位置输出力的司服环路，又称阻抗控制输入力输出位置的许可进入控制最大输出力8.5N机械带宽10Hz38力反馈接口手指上的模拟力，由CyberGlove改造，22个传感器CyberGrasp力反馈手套CyberGrasp力反馈手套手指产生的最大输出力16N控制带宽1000Hz机械带宽40Hz39力反馈接口力控制单元：FCU－－forcecontrolunitCyberForce力反馈手套无跟踪器手腕产生的最大输出力8.8N40显示设备名称反馈类型激励器数目最大力（N）机械带宽HziFeelMouse振动11.