人机交互基础教程第3章.ppt

1、第3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,文本输入设备 键盘输入是最常见、最主要的文本输入方式。,QWERTY键盘，又称柯蒂键盘、全键盘，是目前最为广泛使用的键盘布局方式，由克里斯托夫拉森肖尔斯（Christopher Latham Sholes）发明。 肖尔斯造出打字机后，发现打字员击键时老是出故障。为了解决这个难题，肖尔斯跑去请他的妹夫一名数学家兼学校教师帮忙。他妹夫提出了一个解决方案：在键盘上把那些常用的连在一起的字母分开，这样击键的速度就会稍稍减慢，也就减少了故障的发生。 肖尔斯很乐意地采纳了他妹夫的建议，将字母按一种奇怪的QWERTY顺序排列

2、。为了避免发生故障而不得不将字母杂乱无章地进行排列，告诉公众这一事实或许会让肖尔斯觉得尴尬。于是，他巧妙地耍了一个花招，说这样排列是最科学的，可以加快人们的打字速度。,依据键盘的按键结构可以分为：薄膜式键盘和机械键盘。 薄膜式键盘内部共分三层，实现了无机械磨损。其特点是低价格、低噪音和低成本，已占领市场绝大部分份额。 除了上下盖、键帽之外，拆开键盘之后，还会看到橡胶帽(但事实上现在大都是用硅胶制成)、以及三片薄膜、电路板。 薄膜式键盘的原理相当简单，三片薄膜中，最上方为正极电路，最下方为负极电路，而中间为不导电的塑料片。接着在上方放按压模块(通常包括键帽、键帽下方活动模块，以及橡胶帽)，当手指

3、从键帽压下时，上方与下方薄膜就会接触通电，即完成导通。,机械键盘采用类似金属接触式开关，工作原理是使触点导通或断开，具有耐用、噪音大、易维护的特点。,依据键盘的工作原理，可以分为：编码键盘和非编码键盘。 编码键盘：控制功能依靠硬件自动完成，自动将所按下的按键的编码信息送入计算机。 非编码键盘：控制电路功能要依靠硬件和软件共同完成。 非编码键盘的键盘处理程序有查询、传送、译码三部分组成。,人体工程学键盘（英文名称：Natural Keyboard）是在标准键盘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，使操作者不必有意识的夹紧双臂，保持一种比较自然的形态。 这种设计的键盘

4、被微软公司命名为自然键盘，对于习惯盲打的用户可以有效的减少左右手键区的误击率。,从社会科学、认知科学的角度来看，手写输入更符合人的认知习惯，是一种自然高效的交互方式。常见的有手写液晶屏、手写板。,电阻压力式 阻式手写板是由一层可变形的电阻薄膜和一层固定的电阻薄膜构成，中间由空气隔离。其工作原理是: 当用笔或手指接触手写板时，上层电阻受压变形并与下层电阻接触，下层电阻薄膜就能感应出笔或手指的位置。,电磁压感式 电磁式手写板是通过在手写板下方的布线电路通电后，在一定空间范围内形成电磁场，来感应带有线圈的笔尖的位置进行工作。,电容触控式 电容式手写板的工作原理是通过人体的电容来感知手指的位置，即当使

5、用者的手指接触到触控板的瞬间，就在板的表面产生了一个电容，在触控板表面的传感矩阵持续不断地跟踪着使用者手指电容的“轨迹”。,图像输入设备 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；,扫描仪的工作原理如下： 自然界的每一种物体都会吸收特定的光波，而没被吸收的光波就会反射出去。扫描仪就是利用上述原理来完成对稿件的读取的。 扫描仪工作时发出的强光照射在稿件上，没有被吸收的光线将被反射到光学感应器上。光感应器接收到这些信号后，将这些信号传送到模数（A/D）转换器，模数转换器再将其转换成计算机能读取的信号，然后通过驱动程序转换成显示器上能看到的正确图像。 配合

6、光学字符识别软件OCR（Optic Character Recognize）还能将扫描的文稿转换成计算机的文本形式。,摄像头是捕捉动态场景最常用的工具。 摄像头可分为数字摄像头和模拟摄像头两大类。数字摄像头可以将视频采集设备产生的模拟视频信号转换成数字信号，进而将其储存在计算机里。模拟摄像头捕捉到的视频信号必须经过特定的视频捕捉卡将模拟信号转换成数字模式，并加以压缩后才可以转换到计算机上运用。数字摄像头可以直接捕捉影像，然后通过串、并口或者USB接口传到计算机里。,感光芯片是组成数码摄像头的重要组成部分，根据元件不同分为： CCD（电荷耦合元件），一般是用于摄影摄像方面的高端技术元件，应用技术

7、成熟，成像效果较好，但是价格相对而言较贵。 CMOS（金属氧化物半导体元件）应用于较低影像品质的产品中。它相对于CCD来说价格低，功耗小。,三维信息输入设备 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应用。,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

8、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。,机械式、电磁式、光学式捕捉设备,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，

9、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。,安迪瑟金斯（Andy Serkis），1964年4月20日出生于英国伦敦，英国演员、导演。 代表作品:指环王猩球崛

10、起金刚丁丁历险记 “表演捕捉第一人”,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。 鼠标 光笔 控制杆 触摸板 触摸屏,鼠标,鼠标 串口就是串行接口，即COM接口。这是最古老的鼠标接口，是一种9针或25针的D型接口，将鼠标接到电脑主机串口上就能使用。 PS/2接口是1987年IBM公司推出的鼠标接口，俗称“小口”。这是一种鼠标和键盘的专用接口，是一种6针的圆型接口。,控制杆 控制杆的历史很长，始于汽车和飞行器的控制装置。 游戏杆是较为常见的控制杆。 有些笔记本键盘中央

11、也有灵活小巧的指点杆。,触摸板 是一种在平滑的触控板上，利用手指的滑动操作来移动光标的输入装置。当使用者的手指接近触摸板时会使电容量改变，触摸板自身会检测出电容改变量，转换成坐标。 其优点在于使用范围较广，全内置、超轻薄笔记本均适用，而且耗电量少；因为它是无移动式机构件，使用时可以保证耐久与可靠。 同电容式手写板相比，触摸板不能感知压力等级。,显示器 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,构成：由阴极、电平控制器（即控制极）、聚焦系统、加速系统、偏

12、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。,当显像管内部的电子枪阴极发出的电子束，经强度控制、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。,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。 L

13、CD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。 根据液晶分子的排布方式，常见的液晶显示器分为：窄视角的TN-LCD，宽视角的IPS,VA,FFS等。,TN： 扭曲向列型（Twisted Nematic）液晶分子扭曲角度为90度。 TN型是目前市场上最主流的液晶显示器采用的模式，广泛应用于入门级和中端的面板。价格便宜，可视角度不理想和色彩表现不真实又是明显的劣势。,IPS：平面转换（In-Plane Switching）。它是日立于2001推出的面板技术，它也被俗称为 “Super TFT”。从技术角度看，传统LCD显示器的液晶分子一般都在垂直-平行状态间切换，而IPS 技

14、术与上述技术最大的差异就在于，不管在何种状态下液晶分子始终都与屏幕平行。,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 。 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：由于显示屏上的玻璃较薄使屏幕较脆弱，大部分的等离子显示器都比较费电。,显卡 根据CPU提供的指令和有关数据进行相应的

15、处理，并把处理结果传换成显示器能够接受的文字和图形显示信号，通过屏幕显示出来。 GPU是显卡的核心，显卡的性能基本上取决于图形处理芯片的技术类型和性能。GPU减少了对CPU的依赖，并进行部分原本CPU的工作，尤其在3D图形处理时。 显存的用途主要是来保存由图形芯片处理好的各帧图形显示数据。所以显存也被称为帧缓存，它的大小之间影响显卡可以显示的颜色多少和可以支持的最高分辨率。,显卡有独立显卡和集成显卡的区别。 集成显卡将显示芯片、显存及其相关电路都做在主板上，与主板融为一体，其功耗低发热量小，但显示性能较弱。 独立显卡是将显示芯片、显存及其相关电路单独做在一块电路板上。 无论是NVIDIA还是A

16、TI，目前均可用自己最新的集成显卡和独立显卡进行混合并行使用。,CUDA（Compute Unified Device Architecture，统一计算设备架构） 随着显卡的发展，GPU越来越强大，而且GPU为显示图像做了优化。在计算上已经超越了通用的CPU。如此强大的芯片只做显卡太浪费了，因此NVIDIA推出了CUDA，让显卡可以用于图像计算以外的目的。 这个架构可以使用GPU来解决商业、工业以及科学方面的复杂计算问题。,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、最大打印能力等是衡量打印

17、机性能的重要指标。,针式打印机 针式打印机是通过打印头中的24根针击打复写纸，从而形成字体，在使用中，用户可以根据需求来选择多联纸张。多联纸一次性打印完成只有针式打印机能够快速完成，喷墨打印机、激光打印机无法实现多联纸打印。,喷墨打印机 喷墨打印机在打印图像时，需要进行一系列的繁杂程序。当打印机喷头快速扫过打印纸时，它上面的无数喷嘴就会喷出无数的小墨滴，从而组成图像中的像素。,激光打印机 工作原理是由计算机传来的二进制数据信息，通过视频控制器转换成视频信号，再由视频接口/控制系统把视频信号转换为激光驱动信号，然后由激光扫描系统产生载有字符信息的激光束，最后由电子照相系统使激光束成像并转印到纸上

18、。,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,耳机 开放式耳机的外壳是开放的，开放式耳机质量轻，声音自然，无压迫感。因为是开放的，声音外泄，外界噪声也会进入。 半开放耳机是指耳机的开放是选择性的，即只对某些频率开放对其他频率是封闭的，或者是在一定方向上是开放的在其他方向是封闭的。 封闭式耳机的外壳是封闭的，防止外界声音进入，声音外泄减少，在专业监听中使用的很多。声音一般来说非常清晰，细节丰富。,频率响应范围是指耳机能够放送出的频带的宽度，优秀的耳机频响宽度可达5Hz-40000Hz，而人耳的听觉范围仅在20Hz-20000Hz。 什

19、么是高保真耳机？ 国际电工委员会IEC581-10标准高保真耳机主要性能是频率响应不低于50Hz到12500Hz。 高端耳机频响范围可达5Hz到40000Hz左右。,耳机灵敏度 指向耳机输入1毫瓦的功率时耳机所能发出的声压级（声压的单位是分贝，声压越大音量越大），所以一般灵敏度越高、阻抗越小，耳机越容易出声、越容易驱动。,耳机阻抗 是其交流阻抗的简称，阻抗是指在具有电阻、电感和电容的电路中，对交流电所起的阻碍作用叫做阻抗，单位为欧姆()。一般来说，阻抗越小，耳机就越容易出声、越容易驱动。 不同阻抗的耳机主要用于不同的场合，在台式机或功放、VCD、DVD、电视等设备上，常用到的是高阻抗耳机，有些

20、专业耳机阻抗甚至会在200欧姆以上，这是为了与专业机上的耳机插口匹配。,声卡(Sound Card)也叫音频卡（港台称之为声效卡）：声卡是多媒体技术中最基本的组成部分，是实现声波/数字信号相互转换的一种硬件。 声卡的基本功能是把来自话筒、磁带、光盘的原始声音信号加以转换，输出到耳机、扬声器、扩音机、录音机等声响设备。,声卡的主要作用之一是对声音信息进行录制和回放，在这个过程中采样的位数和频率决定了声音采集的质量。采样位数可以理解为声卡处理声音的解析度，解析度越大，录制和回放的声音也越真实。 例如：在模拟声音信号准换为数字声音信号的过程中，16位声卡能将声音分为216个精度单位进行处理，而8位声

21、卡只能处理256个精度单位，信号损失较大。,采样频率：录音设备在一秒内对声音信号的采样次数，采样频率越高则声音的还原就越真实、自然。 采样是将一个信号（即时间或空间上的连续函数）转换成一个数值序列（即时间或空间上的离散函数）。 香农采样定理，又称奈奎斯特采样定理，为了不失真地恢复模拟信号，采样频率应该不小于模拟信号频谱中最高频率的2倍。,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

22、示设备,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与其他VR设备结合使用，如：数据头盔、立体眼镜、数据手套等。,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

23、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，以及做出各种手势命令。,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。 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。,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。但是由于人的触觉非常敏感，精度一般的装置根本无法

24、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 。,Virtual Technology公司的触觉反馈手套,Phantom 公司的haptic device,立体视觉 头盔式显示器 CAVE 真三维显示,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。,立体影像生成技术主要有两种 主动