第3章(孟祥旭主編人機(jī)交互)

1、第3章 交互設(shè)備 重點(diǎn)大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)系列教材 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備 交互設(shè)備的整合應(yīng)用 文本輸入設(shè)備 鍵盤輸入是最常見、最主要的文本輸入方式。 手寫等一些更自然的交互方式也可為文本輸入提供輔助手 段。 圖像輸入設(shè)備 二維掃描儀可以快速地實(shí)現(xiàn)圖像輸入，且經(jīng)過對(duì)圖像的分 析與識(shí)別，可以得到文字、圖形等內(nèi)容； 攝像頭是捕捉動(dòng)態(tài)場(chǎng)景最常用的工具。 三維信息輸入設(shè)備 在許多領(lǐng)域，如機(jī)器視覺、面形檢測(cè)、實(shí)物仿形、自動(dòng)加 工、產(chǎn)品質(zhì)量控制、生物醫(yī)學(xué)等，物體的三維信息必不可 少的。 三維掃描儀是實(shí)現(xiàn)三維信息數(shù)字化的一種極為有效的工具。 動(dòng)作捕捉設(shè)備則用于捕捉用戶的肢體甚至是表情動(dòng)作，生成 運(yùn)動(dòng)

2、模型。在影視、動(dòng)漫制作中已被大量應(yīng)用。 根據(jù)傳感方式的不同，三維掃描儀主要分為接觸式 和非接觸式兩種。 接觸式的三維掃描儀采用探測(cè)頭直接接觸物體表面，通過 探測(cè)頭反饋回來的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換為物體表面形狀的數(shù)字信 息。該類設(shè)備主要以三維坐標(biāo)測(cè)量機(jī)為代表。 其優(yōu)點(diǎn)是具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，但也存在測(cè)量速度慢 、費(fèi)用較高、探頭易磨損以及誤差修正等缺點(diǎn)。 非接觸式的三維掃描儀，主要有三維激光掃描儀，照相式 三維掃描儀等，分別是基于激光掃描測(cè)量和結(jié)構(gòu)光掃描測(cè) 量等技術(shù)設(shè)計(jì)的。 這類設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是掃描速度快，易于操作，且由于不需接觸 被測(cè)量的物體，所以對(duì)物體表面損傷少等。 機(jī)械式、電磁式、光學(xué)式捕捉設(shè)備 機(jī)械

3、式動(dòng)作捕捉設(shè)備 利用可伸縮的機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝于捕捉物體上，以取得各部分 的運(yùn)動(dòng)量。 優(yōu)點(diǎn)是成本低廉，但這種方式限制了運(yùn)動(dòng)物體的自由運(yùn)動(dòng) ，且由于機(jī)械設(shè)備的尺寸、重量等問題，因而限制了其應(yīng) 用范圍。 電磁式設(shè)備 將若干低頻磁場(chǎng)感應(yīng)器安裝在捕捉物體上，根據(jù)感應(yīng)器接 收到的磁場(chǎng)，可以計(jì)算出接收器相對(duì)于發(fā)射器的位置和方 向。但其由于易受電磁干擾影響到了捕捉數(shù)據(jù)的精度和穩(wěn) 定性，對(duì)于作業(yè)場(chǎng)地的要求也非常嚴(yán)格。 光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉 利用計(jì)算機(jī)視覺原理。從理論上說，對(duì)于空間中的一個(gè)點(diǎn) ，只要它能同時(shí)為兩部攝相機(jī)所見，則根據(jù)同一時(shí)刻兩部 攝相機(jī)所拍攝的圖像和對(duì)應(yīng)參數(shù)，就可以確定這一時(shí)刻該 點(diǎn)在空間的位置。攝相機(jī)以足夠

4、高的速率連續(xù)拍攝時(shí)，從 圖像序列中就可以得到該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉 便是利用這一點(diǎn)通過對(duì)目標(biāo)上特定光點(diǎn)的監(jiān)視和跟蹤來完 成運(yùn)動(dòng)捕捉的任務(wù)。 指點(diǎn)輸入設(shè)備 指點(diǎn)設(shè)備常用于完成一些定位和選擇物體的交互任務(wù)。 物體可能處于一維、二維、三維或更高維的空間中，而 選擇與定位的方式可以是直接選擇，或通過操作屏幕上 的光標(biāo)來完成。 鼠標(biāo) 光筆 控制桿 觸摸板 觸摸屏 顯示器 顯示器是計(jì)算機(jī)的重要輸出設(shè)備，是人機(jī)對(duì)話的重要工具 。它的主要功能是接收主機(jī)發(fā)出的信息，經(jīng)過一系列的變 換，最后以光的形式將文字和圖形顯示出來。 陰極射線管顯示器、液晶顯示器和等離子顯示器 構(gòu)成：由陰極、電平控制器（即控制極）、

5、聚焦系 統(tǒng)、加速系統(tǒng)、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和陽極熒光粉涂層組成， 這六部分都在真空管內(nèi)。其中，陰極、電平控制器 （即控制極）、聚焦系統(tǒng)、加速系統(tǒng)等統(tǒng)稱為電子 槍。 當(dāng)顯像管內(nèi)部的電子槍陰極發(fā)出的電子束，經(jīng)強(qiáng)度 控制、聚焦和加速后變成細(xì)小的電子流，再經(jīng)過偏 轉(zhuǎn)線圈的作用向正確目標(biāo)偏離，穿越蔭罩的小孔或 柵欄，轟擊到熒光屏上的熒光粉發(fā)出光線。 彩色CRT光柵掃描顯示器有三個(gè)電子槍，它的熒光 屏上涂有三種熒光物質(zhì)，分別能發(fā)紅、綠、藍(lán)三種 顏色的光。 在充電條件下，液晶能改變分子排列，繼而造成光線的扭 曲或折射。 液晶顯示器工作原理是通過能阻塞或傳遞光的液晶材料， 傳遞來自周圍的或內(nèi)部光源的偏振光。以電流刺激液晶

6、分 子產(chǎn)生點(diǎn)、線、面配合背部燈管構(gòu)成畫面。 LCD比CRT顯示器具有更好的圖像清晰度，畫面穩(wěn)定性和 更低的功率消耗，但液晶材質(zhì)粘滯性比較大，圖像更新需 要較長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間，因此不適合顯示動(dòng)態(tài)圖象。 等離子顯示器誕生于二十世紀(jì)60年代，它采用等離子管作 為發(fā)光材料，1個(gè)等離子管負(fù)責(zé)一個(gè)像素的顯示：等離子 管內(nèi)的氖氙混合氣體在高壓電極的刺激下產(chǎn)生紫外線，紫 外線照射涂有三色熒光粉的玻璃板，熒光粉受激發(fā)出可見 光 。 優(yōu)點(diǎn)：重量較輕、完全無X射線輻射，而且屏幕亮度非常均勻 ，不存在明顯的亮區(qū)和暗區(qū)；由于各個(gè)發(fā)光單元的結(jié)構(gòu)完全 相同，因此不會(huì)出現(xiàn)CRT顯示器那樣存在某些區(qū)域聚焦不良 或因使用時(shí)間過長(zhǎng)出現(xiàn)散

7、焦的毛病。 缺點(diǎn)：是價(jià)格較高，由于顯示屏上的玻璃較薄使屏幕較脆弱 。 打印機(jī) 打印機(jī)是目前非常通用的一種輸出設(shè)備，其結(jié)構(gòu)可分為機(jī) 械裝置和控制電路兩部分。 常見的有針式、噴墨、激光打印機(jī)三類。 打印分辨率、速度、幅面、最大打印能力等是衡量打印機(jī) 性能的重要指標(biāo)。 語音交互設(shè)備 語音作為一種重要的交互手段，日益受到人們的重視。 基本的語音交互設(shè)備 耳機(jī) 麥克風(fēng) 聲卡 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)要求計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)顯示一個(gè)三維場(chǎng) 景，用戶可以在其中自由的漫游，并能操縱虛擬世 界中一些虛擬物體。因此，除了一些傳統(tǒng)的控制和 顯示設(shè)備，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)還需要一些特殊的設(shè)備和 交互手段，來滿足虛擬系統(tǒng)中的顯示、漫游以及物 體

8、操縱等任務(wù)。 三維空間定位設(shè)備 三維顯示設(shè)備 空間跟蹤定位器或稱三維空間傳感器是一種能實(shí)時(shí)地檢測(cè) 物體空間運(yùn)動(dòng)的裝置，可以得到物體在六個(gè)自由度上相對(duì) 于某個(gè)固定物體的位移，包括：X、Y、Z坐標(biāo)上的位置值 ，以及圍繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)值（轉(zhuǎn)動(dòng)，俯仰、搖擺）。 這種三維空間傳感器對(duì)被檢測(cè)的物體必須是無干擾的，也 就是說，不論這種傳感器是基于何種原理或使用何種技術(shù) ，它都不應(yīng)當(dāng)影響被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)，因而稱為“非接觸式 傳感器”。 三維空間跟蹤定位器一般與其他VR設(shè)備結(jié)合使用，如：數(shù) 據(jù)頭盔、立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套等。 數(shù)據(jù)手套一般由很輕的彈性材料構(gòu)成，緊貼在手上。整個(gè) 系統(tǒng)包括位置、方向傳感器和沿每個(gè)手指

9、背部安裝的一組 有保護(hù)套的光纖導(dǎo)線，它們檢測(cè)手指和手的運(yùn)動(dòng)。數(shù)據(jù)手 套將人手的各種姿勢(shì)、動(dòng)作通過手套上所帶的光導(dǎo)纖維傳 感器，輸入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行分析。這種手勢(shì)可以是一些符號(hào) 表示或命令，也可以是動(dòng)作。手勢(shì)所表示的含義可由用戶 加以定義。 在虛擬環(huán)境中，操作者通過數(shù)據(jù)手套可以用手去抓或推動(dòng) 虛擬物體，以及做出各種手勢(shì)命令。 三維鼠標(biāo)能夠感受用戶在六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，包括三個(gè)平 移參數(shù)和三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)。 其裝置比較簡(jiǎn)單：一個(gè)蓋帽放在帶有一系列開關(guān)的底座上 。 轉(zhuǎn)動(dòng)這個(gè)小球或側(cè)方向推動(dòng)這個(gè)小球時(shí)，如向上拉它、向 下壓它，使它向前或向后等。 三維鼠標(biāo)將用戶的這些動(dòng)作傳送給計(jì)算機(jī)，從而進(jìn)一步控 制虛擬環(huán)境中的

10、物體的運(yùn)動(dòng)。 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)必須提供觸覺反饋，以便使用戶感覺到仿佛 真的摸到了物體。但是由于人的觸覺非常敏感，精度一般 的裝置根本無法滿足要求。 另外，對(duì)于觸覺和力反饋器，還要考慮到模擬力的真實(shí)性 、施加到人手上是否安全以及裝置是否便于攜帶并讓用戶 感到舒適等問題。目前已經(jīng)有一些關(guān)于力學(xué)反饋手套、力 學(xué)反饋操縱桿、力學(xué)反饋筆、力學(xué)反饋表面等裝置的研究 。 Virtual Technology公 司的觸覺反饋手套 Phantom 公司的haptic device 立體視覺 頭盔式顯示器 CAVE 真三維顯示 由于人類從客觀世界獲得的信息60%以上來自視覺，因而 視覺溝通就成為多感知虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中最

11、重要的環(huán)節(jié)，立 體視覺技術(shù)也就成為虛擬現(xiàn)實(shí)的一種極重要的支撐技術(shù)。 人是通過右眼和左眼所看到物體的細(xì)微差異來感知物體的 深度，從而識(shí)別出立體圖像的。 物物體體 眼眼睛睛 投投影影平平面面 左左眼眼視視圖圖右右眼眼視視圖圖 立體影像生成技術(shù)主要有兩種 主動(dòng)式模式 對(duì)應(yīng)用戶的左右眼影像將按照順序交替顯示，用戶使用LCD立體 眼鏡保持與立體影像的同步，這種模式可以產(chǎn)生高質(zhì)量的立體效 果。 被動(dòng)式系統(tǒng) 需要使用兩套顯示設(shè)備以及投影設(shè)備分別生成左右眼影像并進(jìn)行 投影，不同的投影分別使用不同角度的偏振光來區(qū)別左右眼影像 ，用戶使用偏振光眼鏡保持立體影像的同步。 頭盔式顯示器（Head Mounted Di

12、splay，HMD，）是一 種立體圖形顯示設(shè)備，可單獨(dú)與主機(jī)相連以接受來自主機(jī) 的三維虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景信息。 目前最常用的頭盔顯示器是基于液晶顯示原理的，最早如 美國VPL公司于1992年推出的Eyephone，它在頭上裝有 一個(gè)分辨率為360240象素的液晶顯示器，其視野為水 平100度。 這是一種四面或六面的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。對(duì)于處在系 統(tǒng)內(nèi)的用戶來說，投影屏幕將分別覆蓋用戶的正面、左右 以及底面視野，構(gòu)成一個(gè)邊長(zhǎng)為10英尺的立方體。 可以允許多人走進(jìn)CAVE中，用戶戴上立體眼鏡便能從空 間中任何方向看到立體的圖像。CAVE 實(shí)現(xiàn)了大視角、全 景、立體、且支持510 人共享的一個(gè)虛擬環(huán)境。

13、真三維顯示是三維顯示的最終目標(biāo)，是一種能夠?qū)?現(xiàn)360度視角觀察的三維顯示技術(shù)，是現(xiàn)實(shí)景物的 最真實(shí)的再現(xiàn)。 在真三維顯示場(chǎng)景中，位置各異的用戶無需借助其他器具 ，就可以圍繞顯示區(qū)域看到與自身位置相對(duì)應(yīng)的信息，在 寬廣的視場(chǎng)和視距范圍內(nèi)隨心所欲地邊走邊看，符合人類 對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的觀看方式。 缺點(diǎn)：只能產(chǎn)生半透明的3D透視圖，而無法顯示不透明的 三維物體。 顯示技術(shù) 掃描體顯示 固態(tài)體顯示 山東大學(xué)考古數(shù)字博物館 綜合利用前面介紹的各種虛擬設(shè)備，可以在此基礎(chǔ)上完成 一些較為復(fù)雜的應(yīng)用。山東大學(xué)構(gòu)建了一套基于桌面的虛 擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，并用于山東大學(xué)考古數(shù)字博物館 用 戶 漫 游 系 統(tǒng) 跟蹤器 立體眼鏡/頭盔 音箱 手 勢(shì) 位 置 語音命令 傳統(tǒng)命令 通 道 理解 整合 立體圖像 三維音效 麥克風(fēng) 鼠標(biāo)/鍵盤 數(shù)據(jù)手套 數(shù)字博物館的系統(tǒng)架構(gòu) 兩個(gè)跟蹤器分別固定在用戶的手套和身體上 固定在身體上的跟蹤器跟蹤用戶的轉(zhuǎn)動(dòng)，控制用戶在場(chǎng)景 中漫游的方向； 附著在手套上的跟蹤器跟蹤手相對(duì)于身體的相對(duì)位置。如 果手與虛擬空間中的物體發(fā)生碰撞，則利用數(shù)據(jù)手套檢測(cè) 用戶的手勢(shì)命令，判斷用戶是否要抓取物