虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用課件-第2章-虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件設(shè)備

1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用 * 虛擬現(xiàn)實(shí)的生成設(shè)備2.1虛擬現(xiàn)實(shí)的生成設(shè)備主要是指創(chuàng)建虛擬場(chǎng)景、實(shí)時(shí)響應(yīng)用戶(hù)各種操作的計(jì)算機(jī)設(shè)備。計(jì)算機(jī)是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的心臟，也稱(chēng)之為虛擬世界的發(fā)動(dòng)機(jī)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的性能優(yōu)劣很大程度上取決于計(jì)算機(jī)設(shè)備的性能，由于虛擬世界本身的復(fù)雜性及實(shí)時(shí)性計(jì)算的要求，產(chǎn)生虛擬環(huán)境的計(jì)算量極為巨大，這就對(duì)計(jì)算設(shè)備的配置提出了極高的要求，最主要的要求就是計(jì)算機(jī)必須具備高速的CPU和強(qiáng)有力的圖形處理能力。根據(jù)CPU的速度和圖形處理能力，虛擬現(xiàn)實(shí)的生成設(shè)備可分為高性能個(gè)人計(jì)算機(jī)、圖形工作站、巨型機(jī)和分布式網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)。* 虛擬現(xiàn)實(shí)的生成設(shè)備2.1虛擬現(xiàn)實(shí)的生成設(shè)備主要

2、是指創(chuàng)建虛1.1 高性能個(gè)人計(jì)算機(jī)高性能個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 高性能個(gè)人計(jì)算機(jī)的核心部分是計(jì)算機(jī)的圖形加速卡。為了加快圖形處理的速度，系統(tǒng)可配置多個(gè)圖形加速卡。1.1 高性能個(gè)人計(jì)算機(jī)高性能個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 1.2 高性能圖形工作站 工作站是僅次于PC機(jī)的用的最多的計(jì)算設(shè)備。比PC機(jī)相比，工作站的優(yōu)點(diǎn)是有更強(qiáng)的計(jì)算能力，更大的磁盤(pán)空間和更快的通訊方式。工作站主要用于通用計(jì)算而不是虛擬現(xiàn)實(shí)。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)的不斷成熟，主要的工作站制造廠(chǎng)家逐漸開(kāi)發(fā)用高端圖形加速器來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的模型。Sun和SGI公司采用的一種途徑是用虛擬現(xiàn)實(shí)工具改進(jìn)現(xiàn)有的工作站，像基于PC的系統(tǒng)那樣。Division Ltd.采用

3、的另一個(gè)途徑是設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)專(zhuān)用的總承包系統(tǒng)，如Provision 100。這是基于工作站的虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)器的兩種發(fā)展途徑。1.2 高性能圖形工作站 工作站是僅次于PC機(jī) (a) Sun Blade 2500 (b) Sun Blade 2000 Sun工作站1.2 高性能圖形工作站 (a) Sun Blade 2500 1.3 高度并行的計(jì)算機(jī) 計(jì)算機(jī)界的研究重心是并行計(jì)算。所以各個(gè)工作站廠(chǎng)商都在發(fā)展高度并行的虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)器，以便提高計(jì)算能力。 目前高性能并行計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)較多，集群和巨型機(jī)主機(jī)就是并行計(jì)算機(jī)。SGI Altix 3000 曙光TC1700服務(wù)器1.3 高度并行的計(jì)算機(jī) 計(jì)算機(jī)界的

4、研聯(lián)想成功研制的“深騰7000” 天河一號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī) 1.3 高度并行的計(jì)算機(jī)聯(lián)想成功研制的“深騰7000” 天河一號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī) 1.3 分布式虛擬環(huán)境是指它駐留在兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)上，這些計(jì)算機(jī)共享整個(gè)仿真的計(jì)算負(fù)載。如果在分布式虛擬環(huán)境中的兩個(gè)(或多個(gè))用戶(hù)稱(chēng)為合作，是指他們依次執(zhí)行給定的仿真任務(wù)，在某一時(shí)刻只有一個(gè)用戶(hù)與給定的虛擬對(duì)象交互。反之，用戶(hù)協(xié)作指的是他們同時(shí)與給定的虛擬對(duì)象交互。1.4 分布式網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī) 分布式虛擬環(huán)境是指它駐留在兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備 虛擬現(xiàn)實(shí)建立了一個(gè)虛擬的世界，處于虛擬世界中的人與系統(tǒng)之間相互作用、相互影響，要產(chǎn)生虛

5、擬現(xiàn)實(shí)的沉浸感，常見(jiàn)的鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等交互設(shè)備就不能完全滿(mǎn)足需要了，必須要有相應(yīng)的交互設(shè)備支持。目前虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備根據(jù)功能的不同，可以分為視覺(jué)顯示設(shè)備、聽(tīng)覺(jué)感知設(shè)備、虛擬物體操作設(shè)備、運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備等。2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備 虛擬現(xiàn)實(shí)建視覺(jué)感知設(shè)備人從外界獲取信息有80%以上來(lái)自于視覺(jué)，視覺(jué)感知設(shè)備是最常見(jiàn)的，也是最成熟的。1. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)視覺(jué)感知設(shè)備人從外界獲取信息有80%以上來(lái)自于視覺(jué)，視覺(jué)感知1. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD) 在頭盔中LEEP光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)立體視覺(jué)的基本原理：（a）為單眼視覺(jué)的原理，圖中可見(jiàn)虛

6、像比屏幕離開(kāi)眼睛更遠(yuǎn)。（b）為立體視覺(jué)的原理。圖中的一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，在兩個(gè)屏幕上的像素分別為A1和A2。它們?cè)谄聊簧系奈恢弥?，就是立體視差。這兩個(gè)像素的虛像分別為B1和B2。雙目視覺(jué)的融合，人就感到這個(gè)目標(biāo)點(diǎn)在C點(diǎn)，就是感覺(jué)的點(diǎn)。視覺(jué)感知設(shè)備1. 頭盔顯示器(HeadMounted Display1. 頭盔顯示器(HeadMounted Display,HMD)2.1.2 視覺(jué)感知設(shè)備（1）基于LCD的頭盔顯示器各 種 類(lèi) 型 的 LED 頭 盔 顯 示 器1. 頭盔顯示器(HeadMounted Display（2） 雙目全方位顯示器雙目全方位顯示器（Binocular Omni-Orient

7、ation Monitor，BOOM）是種可移動(dòng)式顯示器，是一種特殊的頭部顯示設(shè)備。使用BOOM比較類(lèi)似使用一個(gè)望遠(yuǎn)鏡，它把兩個(gè)獨(dú)立的CRT顯示器捆綁在一起，由兩個(gè)相互垂直的機(jī)械臂支撐稱(chēng)，這不僅讓用戶(hù)可以在半徑2m的球面空間內(nèi)用手自由操縱顯示器的位置，還能將顯示器的重量加以巧妙的平衡而使之始終保持水平，不受平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)影響。在支撐臂上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)處都有位置跟蹤器，因此BOOM和HMD一樣有實(shí)時(shí)的觀測(cè)和交互能力。（2） 雙目全方位顯示器（3）基于CRT的頭盔顯示器基于CRT的頭盔產(chǎn)品視覺(jué)感知設(shè)備 （3）基于CRT的頭盔顯示器基于CRT的頭盔產(chǎn)品視覺(jué)感知設(shè)（4）大屏幕投影-液晶光閘眼鏡大屏幕投影-液晶

8、光閘眼鏡立體視覺(jué)系統(tǒng)原理和CRT顯示一樣只是將分時(shí)圖像CRT顯示改為大屏幕顯示，用于投影的CRT或者數(shù)字投影機(jī)要求極高的亮度和分辨率，它適合在較大的使用內(nèi)產(chǎn)生投影圖像的應(yīng)用需求。洞穴式VR系統(tǒng)就是一種基于投影的環(huán)繞屏幕的洞穴自動(dòng)化虛擬環(huán)境CAVE（Cave Automatic Virtual Environment）。（4）大屏幕投影-液晶光閘眼鏡裸體立體顯示系統(tǒng) 裸體立體顯示系統(tǒng)：顯示技術(shù)結(jié)合雙眼的視覺(jué)差和圖片三維的原理，自動(dòng)生成兩幅圖片，一副給左眼看，另一幅給右眼看，使人的雙眼產(chǎn)生視覺(jué)差異。由于雙眼觀看液晶的角度不同，因此不用戴上立體眼鏡就可以看到立體的圖像。立體液晶顯示器美國(guó)DTI公司首

9、先推出的15英寸2015XLS 3D液晶顯示器, 采用了一種被稱(chēng)為視差照明（parallax illumination）的開(kāi)關(guān)液晶技術(shù)實(shí)現(xiàn)了裸體立體顯示效果。裸體立體顯示系統(tǒng) 裸體立體顯示系統(tǒng)：顯示技術(shù)結(jié)合雙裸體立體顯示系統(tǒng)裸體立體顯示系統(tǒng)2.2.2 聽(tīng)覺(jué)感知設(shè)備 聽(tīng)覺(jué)感知設(shè)備主要有耳機(jī)和揚(yáng)聲器兩種。（1）耳機(jī)2.2.2 聽(tīng)覺(jué)感知設(shè)備 聽(tīng)覺(jué)感知設(shè)備主要有耳機(jī)和揚(yáng)聲2聽(tīng)覺(jué)感知設(shè)備（2）揚(yáng)聲器 又稱(chēng)“喇叭”。是一種十分常用的電聲轉(zhuǎn)換器件，它是一種位置固定的聽(tīng)覺(jué)感知設(shè)備。大多數(shù)情況下能很好地用于給一組人提供聲音，但也可以在基于頭部的視覺(jué)現(xiàn)實(shí)設(shè)備中使用揚(yáng)聲器。 2聽(tīng)覺(jué)感知設(shè)備（2）揚(yáng)聲器 2.2.3

10、虛擬物體操作設(shè)備（1）數(shù)據(jù)手套2.2.3 虛擬物體操作設(shè)備（2） 力矩球力矩球（空間球Space Ball）是一種可提供為6自由度的外部輸入設(shè)備，6自由度是指寬度、高度、深度、俯仰角、轉(zhuǎn)動(dòng)角和偏轉(zhuǎn)角，可以扭轉(zhuǎn)、擠壓、拉伸以及來(lái)回?fù)u擺，用來(lái)控制虛擬場(chǎng)景做自由漫游，或者控制場(chǎng)景中虛擬物體的空間位置機(jī)器方向。 （2） 力矩球 （3）操縱桿操縱桿是一種可以提供前后左右上下留個(gè)自由度及手指按鈕的外部輸入設(shè)備。如圖所示，適合對(duì)虛擬飛行等的操作。由于操縱桿采用全數(shù)字化設(shè)計(jì)，隨意其精度非常高。無(wú)論操作速度多快，它都能快速做出相應(yīng)。（3）操縱桿觸覺(jué)反饋設(shè)備 充氣式觸覺(jué)反饋裝置的工作原理是在數(shù)據(jù)手套中配置一些微小

11、的氣泡，每一個(gè)氣泡都有兩條很細(xì)的進(jìn)氣和出氣管道，所有氣泡的進(jìn)/出氣管匯總在一起與控制器中的微型壓縮泵相連接。根據(jù)需要采用壓縮泵對(duì)氣泡來(lái)充氣和排氣。充氣時(shí)，微型壓縮泵迅速加壓，使氣泡膨脹而壓迫刺激皮膚達(dá)到觸覺(jué)反饋的目的。觸覺(jué)反饋設(shè)備 充氣式觸覺(jué)反饋裝置的工作原理是在數(shù)據(jù)手套2振動(dòng)式觸覺(jué)反饋裝置 記憶合金觸覺(jué)反饋裝置2振動(dòng)式觸覺(jué)反饋裝置 記憶合金觸覺(jué)反饋裝置2振動(dòng)式觸覺(jué)反饋裝置 記憶合金觸覺(jué)反饋裝置2振動(dòng)式觸覺(jué)反饋裝置 記憶合金觸覺(jué)反饋裝置力反饋設(shè)備 力反饋設(shè)備是運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)手段跟蹤用戶(hù)身體的運(yùn)動(dòng)，將其在虛擬物體的空間運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成對(duì)周邊物理設(shè)備的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，并施加力給用戶(hù)，使用戶(hù)能夠體驗(yàn)到真實(shí)的力度

12、感和方向感，給用戶(hù)提供一個(gè)立即的，高逼真的，可信的真實(shí)交互。在實(shí)際應(yīng)用中常見(jiàn)的力反饋設(shè)備有力反饋鼠標(biāo)、力反饋操縱桿、力反饋手臂以及力反饋手套。力反饋設(shè)備 力反饋設(shè)備是運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)手段跟蹤用戶(hù)身體1力反饋鼠標(biāo) 力反饋鼠標(biāo)Wingman1力反饋鼠標(biāo) 力反饋鼠標(biāo)Wingman2.3.3 力反饋設(shè)備2力反饋操縱桿 2.3.3 力反饋設(shè)備2力反饋操縱桿 3力反饋手柄 力反饋手柄是較簡(jiǎn)單的力反饋設(shè)備。它只有三個(gè)自由度，功能有限。為了增加仿真的靈活性，力反饋手臂的仿真接口有一定的改進(jìn)。3力反饋手柄 力反饋手柄是較簡(jiǎn)單的力反饋設(shè)備3力反饋手柄 (a) 手臂反饋運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) (b) 系統(tǒng)配置圖 力反饋手臂裝置示意

13、圖3力反饋手柄 (a) 手臂反饋運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 3力反饋手柄 3力反饋手柄 4力反饋手套 CyberGrasp手套4力反饋手套 CyberGrasp手套4力反饋手套 CyberGrasp的工作外觀4力反饋手套 CyberGrasp的工作外觀2.2.4 運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的工作原理是把真實(shí)人的動(dòng)作完全附加到一個(gè)三維模型或者角色動(dòng)畫(huà)上。所以，運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)作為三維動(dòng)畫(huà)主流制作工具，在國(guó)外已得到業(yè)內(nèi)的認(rèn)可和應(yīng)用。通常借助該技術(shù)，動(dòng)畫(huà)師們模擬真實(shí)感較強(qiáng)的動(dòng)畫(huà)角色，并與實(shí)拍中演員的大小比例相匹配，然后借助運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)來(lái)捕捉表演中演員的每一細(xì)微動(dòng)作和表情變化，并真實(shí)地還原在角色動(dòng)畫(huà)上。2.2.4 運(yùn)動(dòng)捕捉

14、系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的工作原理是把3運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng) 基于運(yùn)動(dòng)捕捉的角色動(dòng)畫(huà)制作3運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng) 基于運(yùn)動(dòng)捕捉的角色動(dòng)畫(huà)制作3運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)3運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)3運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng) 典型的運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備一般由三部分組成。接收傳感器是固定在運(yùn)動(dòng)物體特定部位的跟蹤裝置，它將向系統(tǒng)提供運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)的位置信息，一般會(huì)隨著捕捉的細(xì)致程度確定傳感器的數(shù)目。3運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng) 典型的運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備一般由三部分組成。2.4.8 常見(jiàn)的三維位置跟蹤設(shè)備3運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng) 典型的運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備一般由三部分組成。處理單元是負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)捕捉到的原始信號(hào)，計(jì)算傳感器的運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正、處理、并與三維角色模型相結(jié)合。處理

15、單元既可以是軟件也可以是硬件，借助計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)告訴的運(yùn)算能力來(lái)完成數(shù)據(jù)的處理，使三維模型真正、自然地運(yùn)動(dòng)起來(lái)。2.4.8 常見(jiàn)的三維位置跟蹤設(shè)備3運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng) 典型的運(yùn)3運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng) 典型的運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備一般由三部分組成。信號(hào)捕捉設(shè)備負(fù)責(zé)捕捉，識(shí)別傳感器的信號(hào)，并將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)從信號(hào)捕捉設(shè)備快速準(zhǔn)確地傳送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這種設(shè)備會(huì)因系統(tǒng)的類(lèi)型不同而有所區(qū)別，對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一塊捕捉電信號(hào)的線(xiàn)路板，對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)則是高分辨率紅外攝像機(jī)。3運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng) 典型的運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備一般由三部分組成。3運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng) (a) 身體運(yùn)動(dòng)捕捉 (b) 面部表情運(yùn)動(dòng)捕捉光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉的應(yīng)用3運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng) (a) 身體運(yùn)動(dòng)捕捉 41一、填空題1.虛擬現(xiàn)實(shí)的硬件設(shè)備主要包括虛