虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第二章

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主講：吳慧欣第二章虛擬現(xiàn)實(shí)的接口設(shè)備

課前索引

第一節(jié)位姿傳感器

第二節(jié)視覺(jué)顯示

第三節(jié)聽(tīng)覺(jué)顯示

第四節(jié)力覺(jué)和觸覺(jué)顯示

章節(jié)小結(jié)

課后習(xí)題課前索引1．位姿傳感器的作用，不同的技術(shù)及其對(duì)比。2．視覺(jué)顯示主要的要求，不同的技術(shù)及其對(duì)比。3．聽(tīng)覺(jué)顯示的發(fā)聲設(shè)備和聲學(xué)建模的特點(diǎn)。4．力覺(jué)和觸覺(jué)顯示的技術(shù)要求及實(shí)現(xiàn)方法。第一節(jié)位姿傳感器位姿傳感器的概述位姿傳感器的要求各種位姿跟蹤器的比較研究要求位姿傳感器的要求對(duì)位姿傳感器的要求有5個(gè)：（1）3-D空間中的運(yùn)動(dòng)的剛體具有三個(gè)平移和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)平移（沿著X、Y和Z軸）轉(zhuǎn)動(dòng)（偏航、俯仰和滾動(dòng)）（2）在物體以高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)該足夠快地測(cè)出這六個(gè)數(shù)值。（3）傳感器在3-D測(cè)量時(shí)不應(yīng)妨礙物體運(yùn)動(dòng)。非接觸式測(cè)量（低頻磁場(chǎng)、超聲、雷達(dá)、紅外攝像和LED等）已經(jīng)代替機(jī)械臂等接觸式測(cè)量。（4）3-D傳感器都具有一些共同的參數(shù)。例如：采樣率是每秒測(cè)量次數(shù)。執(zhí)行時(shí)間是在行為和結(jié)果之間的時(shí)間延遲。傳感器的精度即實(shí)際位置與所測(cè)出位置的差。分辨率是傳感器檢測(cè)的“粒度”，即檢測(cè)的最小的位置變化。位姿跟蹤常用的性能參數(shù)有：精度，分辨率，采樣率，執(zhí)行時(shí)間，范圍，工作空間，價(jià)格，障礙，方便，對(duì)模糊的敏感，容易校準(zhǔn)，同時(shí)測(cè)量的數(shù)目，方向相對(duì)位置跟蹤。（5）人體各部分之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)也應(yīng)該測(cè)量。人體并非剛體。上述六個(gè)數(shù)值只能描述人體整體的運(yùn)動(dòng)，各個(gè)部分之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)也要測(cè)量用于位姿跟蹤和映射的基本傳感系統(tǒng)有哪些？機(jī)械鏈接磁傳感器光傳感器聲傳感器慣性傳感器。2各種位姿跟蹤器的比較3研究要求求位姿跟蹤蹤器要求求合適的的性能和和合理的的價(jià)格。。例如對(duì)肢肢體跟蹤蹤，某些些光學(xué)傳感感器是精確快速速的，但對(duì)對(duì)日常應(yīng)應(yīng)用太貴（在5萬(wàn)到10萬(wàn)美元范范圍），，特別是是為了防防止阻擋擋和增加加工作空空間而加加倍安裝裝時(shí)。位姿跟蹤蹤器必須須使用某某些校準(zhǔn)準(zhǔn)過(guò)程為了得到到關(guān)節(jié)角，必須須使用某某些校準(zhǔn)準(zhǔn)過(guò)程，，在肢體體上建立立坐標(biāo)系系。此后后的關(guān)節(jié)節(jié)角計(jì)算算將接近近真實(shí)的的生物機(jī)機(jī)械角。。對(duì)整個(gè)人人體跟蹤蹤，工作作空間大大小是重重要問(wèn)題題。應(yīng)該能在在足夠大的的空間跟跟蹤運(yùn)動(dòng)動(dòng)人體，并且不不會(huì)損失失分辨率率，不必必?fù)?dān)心遮遮擋。被被跟蹤的的人應(yīng)能能在建筑筑中由一一個(gè)房間間走到另另一個(gè)房房間。如如果人體體所有主主要部分分都被跟跟蹤，則則要求安安裝某些些東西在在人體上上（反光光器，標(biāo)標(biāo)記，測(cè)測(cè)角器））針對(duì)性能能指標(biāo)的的含義及及測(cè)量方方法之間間的不一一致性，，應(yīng)該建建立標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)。測(cè)量方法法是在選選擇位置置跟蹤方方法時(shí)最最易混淆淆的一個(gè)個(gè)問(wèn)題，，問(wèn)題是是性能指指標(biāo)的含含義及測(cè)測(cè)量方法法之間的的不一致致。應(yīng)建建立標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)，指出出怎樣測(cè)測(cè)精度、、分辨率率、等待待時(shí)間、、帶寬、、敏感干干擾、和和起伏。。測(cè)量設(shè)設(shè)備應(yīng)商商品化，，應(yīng)建立立獨(dú)立的的實(shí)驗(yàn)室室，使用用戶不至至依賴廠廠家指標(biāo)標(biāo)，而是是了解真真實(shí)性能能。位姿傳感感器——機(jī)械式傳傳感器原理機(jī)械式傳傳感器可可分兩類類：“安在身體體上的”機(jī)械跟蹤蹤器中，，機(jī)械全全部安在在身上。。測(cè)角器“安在地面面上的”機(jī)械跟蹤蹤器中，，機(jī)械部部分安在在地面。。機(jī)械鏈接接測(cè)角器（（“安在在身體上上的”機(jī)機(jī)械跟蹤蹤器）安在身體體上的機(jī)機(jī)械鏈(外骨骼或或測(cè)角器器)，常用作作關(guān)節(jié)角角測(cè)量與觸覺(jué)接接口結(jié)合合，可形形成力反反饋外骨骨骼它是輕便便的可移移動(dòng)的，，有全范范圍的運(yùn)運(yùn)動(dòng)測(cè)量量，因?yàn)闉榕c肢體體運(yùn)動(dòng)有有同樣的的工作空空間。要要求使用用其它方方法跟蹤蹤身體運(yùn)運(yùn)動(dòng)。測(cè)量角的的使用方方法有兩兩種得到關(guān)節(jié)節(jié)角得到末端端位置測(cè)角器與與關(guān)節(jié)的的校準(zhǔn)是是困難的的，特別別是對(duì)多多自由度度關(guān)節(jié)例如：肩肩膀由于測(cè)角角器是肢肢體外部部的外骨骨骼，所所以它的的轉(zhuǎn)動(dòng)中中心不同同于關(guān)節(jié)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中中心。由由于運(yùn)動(dòng)動(dòng)的不一一致，在在測(cè)角器器和運(yùn)動(dòng)動(dòng)肢體之之間存在在著滑動(dòng)動(dòng)。人的的關(guān)節(jié)不不是完善善的鉸鏈鏈關(guān)節(jié)或或球關(guān)節(jié)節(jié)，轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)軸隨關(guān)關(guān)節(jié)角而而移動(dòng)。。對(duì)于測(cè)角角器，必必須研究究裝配和和測(cè)量的的問(wèn)題例如對(duì)不不同人體體的調(diào)整整、與關(guān)關(guān)節(jié)的調(diào)調(diào)節(jié)、足足夠硬的的連接、、鏈接與與肢體的的校準(zhǔn)等等安在地面面上的機(jī)機(jī)械鏈接接作用：安在地面面上的機(jī)機(jī)械鏈接接主要用用于大自由度度末端跟跟蹤，如頭或或手的位位姿跟蹤蹤。它不不會(huì)引起起上述的的關(guān)節(jié)角角測(cè)量有有關(guān)的問(wèn)問(wèn)題。哪些問(wèn)題題？要求操作作者牢固固地抓住住手操作作器，或或者要求求頭盔牢牢固地縛縛在頭上上。安在地面面上的機(jī)機(jī)械鏈接接比安在在身體上上的鏈接接更容易易產(chǎn)生力力反饋，，因?yàn)轵?qū)驅(qū)動(dòng)器不不必安在在身體上上。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)一：：安在地面面的機(jī)械械鏈接的的一個(gè)缺缺點(diǎn)是操操作者被被連在地地面，工工作空間間受到限限制。即即使希望望有較長(zhǎng)長(zhǎng)的機(jī)械械臂，兩兩段機(jī)械械手臂也也限制在在約2m。只有在在操作者者坐著不不動(dòng)時(shí)，，這才是是好的方方案。缺點(diǎn)二：：另一個(gè)缺缺點(diǎn)是可可測(cè)量的的自由度度數(shù)目受受到限制制，通常常六個(gè)。。對(duì)于同同時(shí)測(cè)量量多個(gè)臂臂或測(cè)量量冗余的的鏈接，，這都有有問(wèn)題。。例如多多手指運(yùn)運(yùn)動(dòng)一般般不用安安在地面面的鏈接接。此外外，人的的手臂是是冗余的的7自由度機(jī)機(jī)構(gòu)，安安在地面面的鏈接接不能解解決這種種冗余。。機(jī)械式傳傳感器的的優(yōu)缺點(diǎn)點(diǎn)便宜，比比較精確確?？梢砸詼y(cè)量整整個(gè)身體體運(yùn)動(dòng)，，沒(méi)有延延遲?？煽梢酝瑫r(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)力力反饋。。妨礙身體體運(yùn)動(dòng)。。機(jī)械式傳傳感器的的產(chǎn)品跟蹤球3-D探頭傳感手套套數(shù)據(jù)手套套CyberGlovePowerGloveDextrousHandMaster（DHM）（靈巧巧手設(shè)備備）機(jī)械傳感感器產(chǎn)品品一-------跟蹤球范例跟蹤球Dimension6，安裝有傳傳感器的的球工作原理理它測(cè)量用戶的手手施加在在彈性元元件上的的三個(gè)力力和三個(gè)個(gè)力矩。力和力力矩是基基于彈性性變形定定律間接接測(cè)量的的。球的的中心部部分是固固定的，，并有六六個(gè)發(fā)光光二極管管。相應(yīng)應(yīng)的六個(gè)個(gè)光敏傳傳感器安安裝在運(yùn)運(yùn)動(dòng)的外外部球。。當(dāng)用戶戶在運(yùn)動(dòng)動(dòng)球上施加力力和力力矩時(shí)時(shí)，用用六個(gè)個(gè)光敏敏傳感感器的的輸出出測(cè)量量三個(gè)個(gè)力和和三個(gè)個(gè)力矩矩。這些些力和和力矩矩?cái)?shù)據(jù)經(jīng)經(jīng)過(guò)串串行口口送給給主計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)。這些些值由由軟件件乘上上增益益，就就得到物物體位位置和和方向向的差差分變變化。增益益越大大，物物體的的速度度越大大，但但若主主機(jī)不不能足足夠快快的更更新屏屏幕，，物體體運(yùn)動(dòng)動(dòng)將不不平滑滑。這種方方式實(shí)實(shí)際上上是，，由用戶戶的手手施加加在球球上的的力和和力矩矩的大大小，，控制制虛擬擬物體體的運(yùn)運(yùn)動(dòng)速速度和和角速速度的的大小小。跟蹤球球上支支座上上有若若干按按鍵，，可根根據(jù)需需要安安排用用途缺點(diǎn)存在傳感器器的耦耦合工作在在開(kāi)環(huán)方方式，用戶戶可以以控制制物體體和環(huán)環(huán)境間間的力力，但但無(wú)反反饋跟蹤球球的外外觀以以及原原理圖圖機(jī)械傳傳感器器產(chǎn)品品二------3-D探頭第一個(gè)個(gè)3-D探頭的的誕生生1993年秋ImmersionCorporation推出的的“ImmersionProbe””（沉浸浸感探探頭））。它它包括括一個(gè)個(gè)安裝裝在支支座上上的，，有傳感器器的小小型機(jī)機(jī)械臂臂。這個(gè)個(gè)探頭頭有六六個(gè)關(guān)關(guān)節(jié)（（關(guān)節(jié)節(jié)0到關(guān)節(jié)節(jié)5）。每每個(gè)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)關(guān)節(jié)表表示一一個(gè)自自由度度，于于是探探頭有有六個(gè)自自由度度，這允允許同同時(shí)確確定探探頭尖尖端的的位置置和方方向。。工作原原理尖端相相對(duì)底底座的的位置置是通通過(guò)直直接動(dòng)力學(xué)學(xué)計(jì)算，，根據(jù)據(jù)傳感感器數(shù)數(shù)據(jù)（（關(guān)節(jié)節(jié)角））和機(jī)機(jī)械鏈鏈長(zhǎng)度度得到到的。。主計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)上的的軟件件經(jīng)過(guò)過(guò)RS232接口讀讀取關(guān)關(guān)節(jié)傳傳感器器數(shù)據(jù)據(jù)，然然后利利用它它的動(dòng)動(dòng)力學(xué)學(xué)模型型確定定尖端端的位位置。。傳感器器的分分辨率率以及及測(cè)量量速度度和精精度對(duì)探頭頭“Probe-IC”是0.7°，而對(duì)對(duì)探頭頭“Probe-IX”是0.35°°。測(cè)量量速度度可能能達(dá)到到200位置/秒，執(zhí)執(zhí)行時(shí)時(shí)間僅僅3毫秒。。存存在誤誤差的的原因因是關(guān)關(guān)節(jié)傳傳感器器的分分辨率率，溫溫度變變化和和關(guān)節(jié)節(jié)的公公差。。探頭頭的誤誤差會(huì)會(huì)由底底座到到尖端端累積積。優(yōu)點(diǎn)它的測(cè)測(cè)量不不受磁磁場(chǎng)干干擾，，因?yàn)闉樘筋^頭是機(jī)機(jī)械結(jié)結(jié)構(gòu)。。機(jī)械傳傳感器器產(chǎn)品品三-----傳感手手套提問(wèn)：：跟蹤球球和3-D探頭的的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)是什什么？？簡(jiǎn)單、、緊湊湊和工工作速速度快快跟蹤球球和3-D探頭的的缺點(diǎn)點(diǎn)是什什么？？限制了了用戶戶手的的運(yùn)動(dòng)動(dòng)范圍圍，只只能在在桌子子上很很小的的區(qū)域域內(nèi)，，手的的自然然運(yùn)動(dòng)動(dòng)受到到影響響。我們要求虛虛擬現(xiàn)實(shí)的的I/O工具能處理理手在一定定空間的自自由活動(dòng)，，同時(shí)通過(guò)過(guò)感覺(jué)單個(gè)個(gè)手指的運(yùn)運(yùn)動(dòng)，得到到更多的自自由度。人的手指運(yùn)運(yùn)動(dòng)有三類類彎曲—伸直外展—內(nèi)斂前位—復(fù)位傳感手套的的研究意義義？手是人與外外界進(jìn)行物物理接觸及及意識(shí)表達(dá)達(dá)的主要媒媒介。當(dāng)人與計(jì)算算機(jī)控制系系統(tǒng)進(jìn)行交交互操作時(shí)時(shí),傳統(tǒng)的輸入入輸出接口口設(shè)備,如鍵盤(pán)、鼠鼠標(biāo)等只能能限制手在在桌面上或或一個(gè)小區(qū)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行行簡(jiǎn)單的運(yùn)運(yùn)動(dòng)控制,而表達(dá)意識(shí)識(shí)的大多數(shù)數(shù)手的自然然運(yùn)動(dòng)被犧犧牲了,妨礙了人們們對(duì)系統(tǒng)控控制意識(shí)表表達(dá)的全面面性與靈活活性。數(shù)據(jù)手套可可以跟蹤操操作者靈活活多變的手手勢(shì)及空間間方位,使操作者自自然而然地地將自己的的意識(shí)傳送送至計(jì)算機(jī)機(jī)。因此數(shù)數(shù)據(jù)手套作作為一種重重要的人機(jī)機(jī)交互接口口,廣泛地應(yīng)用用于虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)的研究究領(lǐng)域中。。傳感手套是為滿足上上述要求而而設(shè)計(jì)的虛虛擬現(xiàn)實(shí)工工具。商業(yè)化的產(chǎn)產(chǎn)品有VPL公司的DataGlove數(shù)據(jù)手套，，Vertex的CyberGlove，Mattel的PowerGlove，和ExosDextrousHandMaster靈巧手設(shè)備備。工作原理它們都用傳傳感器測(cè)量量全部或部分分手指關(guān)節(jié)節(jié)的角度。某些傳感感手套還用用3-D傳感器跟蹤蹤用戶手腕的運(yùn)動(dòng)。手手套的工作作區(qū)大于跟跟蹤球和手手柄（探頭頭）的工作作區(qū)。傳感手套---數(shù)據(jù)手套應(yīng)用最多的的，應(yīng)用最最早的傳感感手套至今應(yīng)用最最多的傳感感手套是VPL公司的數(shù)據(jù)據(jù)手套DataGlove，它也是第第一個(gè)推向向市場(chǎng)的。。使用的材料料傳感手套使使用光纖，，光纖安裝裝在輕便且且有彈性的的Lycra手套上。它它還使用Isotrack3-D位置傳感器器。工作原理手指的每個(gè)個(gè)被測(cè)的關(guān)關(guān)節(jié)上都有有一個(gè)光纖維環(huán)。纖維經(jīng)過(guò)過(guò)塑料附件件安裝，使使之在手指指彎曲時(shí)作作小的移動(dòng)動(dòng)。在標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)的布局中中，每個(gè)手指背背面只安裝裝兩個(gè)傳感感器，以便測(cè)量量主要關(guān)節(jié)的的彎曲運(yùn)動(dòng)動(dòng)。在手指關(guān)節(jié)節(jié)彎曲時(shí)，，光纖壁改改變其折射射率，于是是在手指彎彎曲處的光光線就漏出出。這樣就就可能根據(jù)據(jù)返回光線線的強(qiáng)度間間接測(cè)出關(guān)關(guān)節(jié)角。光纖傳感器器的優(yōu)點(diǎn)是輕便和緊緊湊，用戶戶戴上手套套感到很舒舒適。數(shù)據(jù)手套的的校準(zhǔn)把原始的傳傳感器讀數(shù)數(shù)變成手指指關(guān)節(jié)角的的過(guò)程稱為為手套校準(zhǔn)準(zhǔn)。每當(dāng)開(kāi)開(kāi)始一次新新的仿真，，戴上數(shù)據(jù)據(jù)手套時(shí)，，都必須重重新作校準(zhǔn)準(zhǔn)。這是因因?yàn)椴豢赡苣苤朗欠穹裼脩舭咽质痔姿删o合合適地戴在在手指上。。傳感手套---CyberGlove應(yīng)用時(shí)間1992年底，VPL倒閉，CyberGlove已經(jīng)取代了了DataGlove工作原理每個(gè)關(guān)節(jié)的的彎曲角由一對(duì)應(yīng)變變片的阻值值變化間接測(cè)量。。在手指運(yùn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，一一個(gè)應(yīng)變片片受壓，另另一個(gè)應(yīng)變變片受拉。。它們的電電阻變化就就造成電橋橋上電壓的變化化。手套上每每個(gè)傳感器器有一個(gè)電電橋電路。。這些差分分電壓由模模擬多路掃掃描器（MUX）進(jìn)行多路路傳輸，再再放大并由由A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字字化。數(shù)字化的電壓被主主計(jì)算機(jī)采樣，再經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)程序得到關(guān)關(guān)節(jié)角度。。關(guān)節(jié)零位位的位置可可以用硬件件改變（利利用偏置電電位計(jì)），，也可以用用軟件改變變（利用圖圖形接口））。特點(diǎn)把很薄的應(yīng)應(yīng)變電測(cè)量量片放在彈彈性的尼龍龍合成材料料上。手掌掌區(qū)不覆蓋蓋這種材料料，透氣并允許通常常的活動(dòng)，，如打字和和寫(xiě)字等。。很輕并容易戴戴。手套的傳感感器或者是是矩形的（用于彎彎曲角），，或者是U-形的（用于外外展-內(nèi)收角）。。對(duì)彎曲有有16至24個(gè)傳感器（（每個(gè)手指指3個(gè)），對(duì)外外展-內(nèi)收角1個(gè)傳感器，，再加上拇拇指及小指指的轉(zhuǎn)動(dòng)，，以及手腕腕的偏轉(zhuǎn)和和俯仰。傳傳感器的分分辨率是0.5°，并在整個(gè)個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)動(dòng)范圍內(nèi)保保持不變。。還應(yīng)指出出，手套使使用解耦的傳感器，，使輸出彼彼此無(wú)關(guān)。。Virtex還是一個(gè)小小公司。CyberGlove產(chǎn)品價(jià)格約約有10000美元，不包包括位置跟跟蹤器和校校準(zhǔn)源代碼碼。傳感手套---PowerGlove特點(diǎn)與DataGlove和CyberGlove（價(jià)值幾千千美元）比比較，PowerGlove是很便宜的產(chǎn)品，它它的價(jià)格只只有約50美元。在1989年大量銷售售（達(dá)到4千萬(wàn)美元）），用于Nintendo（任天堂））的基于手手套的電子子游戲。原理為了保持低低價(jià)格，手手套設(shè)計(jì)使使用了很多多廉價(jià)的技術(shù)術(shù)。手腕位置置傳感器是是超聲傳感器器，超聲揚(yáng)聲聲器放在PC監(jiān)視器上，，而超聲麥麥克風(fēng)放在在手腕上。。彎曲傳感感器是導(dǎo)電墨水傳傳感器。傳感器包包括在支持持結(jié)構(gòu)上的的兩層導(dǎo)電電墨水。墨墨水在粘合合劑中有炭炭粒子。當(dāng)當(dāng)?shù)鬃鶑澢鷷r(shí)，在彎彎曲的外側(cè)側(cè)的墨水就就延伸，造造成導(dǎo)電炭炭粒子之間間距離增加加。這使傳傳感器的阻阻值增加。。反之，當(dāng)當(dāng)墨水受壓壓縮時(shí)，炭炭粒子之間間距離減小小，傳感器器阻值也減減小。阻值值數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)過(guò)簡(jiǎn)單的校校準(zhǔn)就轉(zhuǎn)換換成關(guān)節(jié)角角數(shù)據(jù)。傳感手套---DextrousHandMaster(靈巧手設(shè)備備)應(yīng)用時(shí)間1990年Exos公司推出戴在用戶手手背上的金金屬外骨架架結(jié)構(gòu)。工作原理每個(gè)手指有有4個(gè)傳感器，，五個(gè)手指指就有20個(gè)傳感器。。每個(gè)角度度由安裝在在機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)關(guān)節(jié)上的的霍爾效應(yīng)傳傳感器測(cè)量。特點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仔仔細(xì)，使手組織織柔軟性的的影響最少少。這些復(fù)雜的的機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)造成了高成本（至今最昂貴的傳感手套套）專門(mén)設(shè)計(jì)的的夾緊彈簧簧和手指支支撐保證在在手的全部部運(yùn)動(dòng)范圍圍內(nèi)設(shè)備的的緊密配合合。設(shè)備是是用可調(diào)的的Velcro帶子安裝在在用戶手上上。附加的的支撐和可可調(diào)的桿使使之適應(yīng)不不同用戶手手的大小。。高傳感速率率以及高傳感分辨辨率DHM的傳感器信信號(hào)送到信信號(hào)調(diào)節(jié)盒盒，然后以以100位置/秒的速率被被連到用戶戶接口的A/D轉(zhuǎn)換器采樣樣。DHM的高傳感速速率以及高高傳感分辨辨率，是與與DataGlove相比的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)。但是它它也在精度度和校準(zhǔn)上上存在與其其它手套類類似的問(wèn)題題。位姿傳感器器----電磁傳感器器用途電磁傳感器器測(cè)量頭，，手，其他他設(shè)備的位位姿。測(cè)量量三個(gè)坐標(biāo)標(biāo)，以及三三個(gè)姿態(tài)角角度例如測(cè)量頭盔的的位姿測(cè)量手的位位姿電磁傳感器器的優(yōu)缺點(diǎn)點(diǎn)主要產(chǎn)品原理電磁傳感器器包括發(fā)射器接受器接口計(jì)算機(jī)測(cè)量一個(gè)方方向的距離離為了測(cè)量在在y方向的距離離，通電流流的主動(dòng)線圈發(fā)出在y方向的電磁波，在被動(dòng)線圈中的感應(yīng)電流，正比于主主動(dòng)線圈和和被動(dòng)線圈圈的距離。。由此得到到主動(dòng)線圈圈和被動(dòng)線線圈在y方向的距離離。在被動(dòng)線線圈中的感感應(yīng)電流，，還取決于于主動(dòng)線圈圈和被動(dòng)線線圈的交角。主動(dòng)線圈圈和被動(dòng)線線圈的方向向不同時(shí)，，在被動(dòng)線線圈中的感感應(yīng)電流會(huì)會(huì)減少。測(cè)量六個(gè)位位姿的傳感感器發(fā)射器包括括三個(gè)正交的的線圈（即三個(gè)線線圈的軸線線互相垂直直，如同x，y，z坐標(biāo)軸那樣樣）。接受受器也包括括類似的三三個(gè)正交的的線圈。改改變主動(dòng)線線圈中電流流強(qiáng)度或定定時(shí)選通（（定時(shí)選通通表示三個(gè)個(gè)主動(dòng)線圈圈輪流通電電），可以以使三個(gè)線線圈的磁場(chǎng)場(chǎng)互相隔離離。由此可可以確定姿態(tài)角和距距離造成的的感應(yīng)電流流的變化。每個(gè)主動(dòng)動(dòng)電流產(chǎn)生生三個(gè)感應(yīng)應(yīng)電流，三三個(gè)主動(dòng)電電流產(chǎn)生九九個(gè)感應(yīng)電電流?？煽梢杂纱舜司艂€(gè)感應(yīng)電電流解算出三個(gè)個(gè)坐標(biāo)，以以及三個(gè)姿姿態(tài)角度。缺點(diǎn)限制應(yīng)用的的主要缺點(diǎn)點(diǎn)包括適中中的精度和和大的等待待時(shí)間(20－30ms)。大的等待待時(shí)間特別別難解決，，因此它限限制了在真真實(shí)交互中中的應(yīng)用。。精度不能能與其它多多數(shù)方法比比較。此外外，在交流流傳感器的的情況，外外部磁場(chǎng)的的影響使之之難以保證證其精度，，沒(méi)有簡(jiǎn)單單方法確定定和補(bǔ)償干干擾磁場(chǎng)。。電磁傳感器器的優(yōu)缺點(diǎn)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：電磁傳感器器沒(méi)有遮擋問(wèn)題（接受受器與發(fā)射射器之間允允許有其他他物體）價(jià)格低（處理簡(jiǎn)單單，比光學(xué)學(xué)測(cè)量便宜宜）精度適中，，采樣率高高（可達(dá)120次/秒）工作范圍大大（可達(dá)60平方米），，可以用多多個(gè)磁跟蹤蹤器跟蹤整整個(gè)身體的的運(yùn)動(dòng)，并并且增加跟跟蹤運(yùn)動(dòng)的的范圍。缺點(diǎn)：電磁傳感器器可能因磁場(chǎng)變形引引起誤差（電子設(shè)備備和鐵磁材材料會(huì)使磁磁場(chǎng)變形，，直流電磁磁場(chǎng)可以用用補(bǔ)償法，，交流電磁磁場(chǎng)不可以以用補(bǔ)償法法），測(cè)量量距離加大大時(shí)誤差增增加，時(shí)間延遲較大（達(dá)33毫秒），有有小的抖動(dòng)。問(wèn)題：為什么電磁磁傳感器在在實(shí)際應(yīng)用用到受到限限制？限制應(yīng)用主主要因?yàn)檫m中的精度度和大的等待待時(shí)間(20－30ms)。大的等等待時(shí)間間特別難難解決，，精度不不能與其其它多數(shù)數(shù)方法比比較。在交流傳傳感器的的情況，，外部磁場(chǎng)場(chǎng)的影響響使之難以以保證其其精度，，沒(méi)有簡(jiǎn)簡(jiǎn)單方法法確定和和補(bǔ)償干干擾磁場(chǎng)場(chǎng)。電磁傳感感器的產(chǎn)產(chǎn)品銷售電磁磁傳感器器的公司司Polhemus和AscensionPolhemus建立于1970年，占有有運(yùn)動(dòng)測(cè)測(cè)量設(shè)備備市場(chǎng)的的70%。主要產(chǎn)產(chǎn)品為Fasttrak。精度為為0.03英寸和0.15°，測(cè)量范范圍可達(dá)達(dá)15英尺，采采樣率達(dá)達(dá)120Hz（修改率率隨傳感感器數(shù)目目增加而而下降））。等待待時(shí)間為為20-30ms。采用交交流磁場(chǎng)場(chǎng)。有標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)串型型扣聯(lián)接接計(jì)算機(jī)機(jī)。1996年價(jià)格$6,000。Ascension建立于1986年。產(chǎn)品品的范圍圍廣，包包括高級(jí)級(jí)的研究究設(shè)備，，以及低低級(jí)的娛娛樂(lè)設(shè)備備。高高級(jí)的產(chǎn)產(chǎn)品為FlockofBirds。采用直直流磁場(chǎng)場(chǎng)，可以以補(bǔ)償磁磁場(chǎng)失真真。精度度為0.1英寸和0.5°°，測(cè)量范范圍可達(dá)達(dá)3-8英尺，采采樣率達(dá)達(dá)144Hz（對(duì)每臺(tái)臺(tái)測(cè)量設(shè)設(shè)備）。。等待時(shí)時(shí)間30ms。1996年價(jià)格$2,700。低級(jí)的的產(chǎn)品為為AscensionSpacePad，用于游游戲。采采樣率達(dá)達(dá)120Hz。1996年價(jià)格$1,000。上述兩種種傳感器器的對(duì)比比精度都取取決于發(fā)發(fā)射器與與接收器器的接近近程度Fasttrak利用交流磁場(chǎng)，鄰鄰近的金金屬表面面上會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生旋渦渦電流，，因而會(huì)會(huì)降低傳傳感器精精度。Bird傳感器使使用直流磁場(chǎng)，因因此對(duì)周周圍金屬屬的敏感感較少。。但是磁磁阻效果果可能改改變磁路路，因此此影響測(cè)測(cè)量位姿傳感感器——超聲傳感感器用途超聲傳感感器同樣樣測(cè)量頭頭，手，，其他設(shè)設(shè)備的位位姿。測(cè)測(cè)量三個(gè)個(gè)坐標(biāo)，，以及三三個(gè)姿態(tài)態(tài)角度。。工作方法法：超聲傳感感器包括括三個(gè)超超聲發(fā)射射器的陣陣列（安安裝在天天花板上上），三三個(gè)超聲聲接受器器（安裝裝在被測(cè)測(cè)物體上上），用用于啟動(dòng)動(dòng)發(fā)射的的紅外同同步信號(hào)號(hào)，以及及計(jì)算機(jī)機(jī)。測(cè)量原理理測(cè)量飛行行時(shí)間測(cè)量相位位差。產(chǎn)品使用超聲聲傳感器器示意圖圖超聲波傳傳感器測(cè)測(cè)量原理理----測(cè)量飛行行時(shí)間一一在測(cè)量飛飛行時(shí)間間的方式式中，各各個(gè)發(fā)射射器輪流流發(fā)出高高頻的超超聲波，，測(cè)量到到達(dá)各個(gè)個(gè)接受點(diǎn)點(diǎn)的飛行行時(shí)間。。由此利用用聲音的的速度得得到發(fā)射射點(diǎn)與接接受點(diǎn)的的兩兩之之間的九九個(gè)距離離，再由由三角運(yùn)運(yùn)算得到到被測(cè)物物體的位位姿為了精確確測(cè)量，，要求在在發(fā)射器器與接受受器之間間的同步步。為此此可以采采用紅外外的同步步信號(hào)。。為了測(cè)量量物體位位姿的6個(gè)自由度度，至少少需要3個(gè)接受器器和3個(gè)發(fā)射器器。為了精確確測(cè)量，，要求發(fā)發(fā)射器與與接受器器的合理理布局。。一般把把發(fā)射器器安裝在在天花板板的4個(gè)角上。。超聲波傳傳感器測(cè)測(cè)量原理理----測(cè)量相位位在測(cè)量相相位差的的方式中中，各個(gè)個(gè)發(fā)射器器發(fā)出高高頻的超超聲波，，測(cè)量到到達(dá)各個(gè)個(gè)接受點(diǎn)點(diǎn)的相位位差，由由此得到到點(diǎn)與點(diǎn)點(diǎn)的距離離，再由由三角運(yùn)運(yùn)算得到到被測(cè)物物體的位位姿。聲波是正正弦波，，發(fā)射器器與接受受器的聲聲波之間間存在相相位差，，這個(gè)相相位差也也與距離離有關(guān)。。如果在在一個(gè)采采樣周期期內(nèi)，物物體運(yùn)動(dòng)動(dòng)的距離離超過(guò)聲聲波信號(hào)號(hào)波長(zhǎng)的的一半，，就會(huì)造造成問(wèn)題題。因?yàn)闉樵诿總€(gè)個(gè)波長(zhǎng)后后，信號(hào)號(hào)波形（（相位））會(huì)重復(fù)復(fù)。這時(shí)時(shí)無(wú)法確確定距離離是加大大還是減減少，因因?yàn)槎哒咴斐傻牡南辔徊畈钕嗤！＿@種方法法是增量量測(cè)量法法，每步步的測(cè)量量誤差會(huì)會(huì)隨時(shí)間間積累。。絕對(duì)距距離必須須在初始始由其它它設(shè)備校校準(zhǔn)。它它的問(wèn)題題是反射射和環(huán)境境噪音。。為了克克服漂移移問(wèn)題，，改進(jìn)的的模塊化化相位相相干可以以達(dá)到毫毫米以下下精度。。優(yōu)點(diǎn)：不受電磁磁干擾，，不受臨臨近物體體的影響響，輕便便的接受受器易于于安裝在在頭盔上上。缺點(diǎn)：工作范圍圍有限，，信號(hào)傳傳輸不能能受遮擋擋，受到到溫度、、氣壓、、濕度的的影響（（改變聲聲速，造造成誤差差），受受到環(huán)境境反射聲聲波的影影響，飛飛行時(shí)間間法有低低的采樣樣率和低低的分辨辨率，相相位差法法每步的的測(cè)量誤誤差會(huì)隨隨時(shí)間積積累。Logitech提供兩種超聲聲跟蹤產(chǎn)品。。Logitech是瑞士公司，，成立于1981年。是世界最最大的鼠標(biāo)生生產(chǎn)商。一個(gè)產(chǎn)品是超聲3D鼠標(biāo)跟蹤器，它提供六個(gè)個(gè)自由度的跟跟蹤。在CAD/CAM軟件系統(tǒng)中可可以用于用戶戶的操作，也也可以用于計(jì)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)，，建模，機(jī)器器人控制，和和虛擬現(xiàn)實(shí)。。超聲傳感器器每臺(tái)價(jià)格$1799。另一個(gè)產(chǎn)品是是超聲頭部跟蹤蹤器，它也提供六六個(gè)自由度的的跟蹤。每臺(tái)臺(tái)價(jià)格$1799。其它在VE市場(chǎng)上的商品品還有ScienceAccessories的GP8-3D和MattelPowerGlove。CelescoTransducerProducts,Inc.推出了系統(tǒng)V-scope，這是新的無(wú)無(wú)線40kHz飛行時(shí)間系統(tǒng)統(tǒng)。它在16英尺范圍的分分辨率為0.1mm。位姿傳感器----慣性傳感器和和混合傳感器器慣性傳感器的的原理：慣性傳感器使使用加速度計(jì)和角角速度計(jì)。測(cè)量加速度和和角速度。線性加速度計(jì)計(jì)（1）同時(shí)測(cè)量物物體在三個(gè)方方向上的加速速度。（2）可動(dòng)部件由由彈性件支撐撐，彈性件的的變形就表示示加速度。（3）可以用光學(xué)學(xué)系統(tǒng)測(cè)量這這種微小變形形。例如利用用硅的微機(jī)械械可以制造很很小的慣性傳傳感器。（4）加速度計(jì)的的輸出需要積積分兩次，得得到位置角速度計(jì)（1）利用陀螺原原理測(cè)量物體體的角速度。。（2）角速度計(jì)的的輸出需要積積分一次，得得到姿態(tài)角。。問(wèn)題一：為了得到位置置和方向，傳傳感器輸出必須積分。積分會(huì)使得得位置和姿態(tài)存存在積分誤差差。所以它敏感感傳感器的偏偏移。某些漂移是不可免免的。為了偏移移校正，慣性性部件必須周周期地返回某某個(gè)初始位置置，或者必須須連帶使用其其它位置傳感感器和適當(dāng)?shù)牡臄?shù)據(jù)熔合方方法。后一個(gè)個(gè)方案是有吸吸引力的。問(wèn)題二：任何基于連桿桿彎曲的慣性性傳感器，都都有非線性效應(yīng)。力平衡加速速度計(jì)避免了了連桿彎曲的的非線性問(wèn)題題，它們很穩(wěn)穩(wěn)定，并用于于運(yùn)動(dòng)學(xué)校準(zhǔn)準(zhǔn)。慣性傳感器的的特點(diǎn)沒(méi)有信號(hào)發(fā)射射，是唯一的的輕便的設(shè)備備安裝在被測(cè)測(cè)物體上。不怕遮擋，沒(méi)沒(méi)有外界干擾擾，而且有無(wú)無(wú)限大的工作作空間。問(wèn)題：積分誤誤差。需要減少傳感感器的大小和和價(jià)格，使慣慣性跟蹤器比比磁性跟蹤器器更方便更經(jīng)經(jīng)濟(jì)。高性能HMD的跟蹤應(yīng)該應(yīng)應(yīng)用組合慣性性傳感器與其其它技術(shù)的混混合系統(tǒng)，它它要求精度和和快速動(dòng)態(tài)響響應(yīng)。推薦的的組合是全慣慣性方向跟蹤蹤，與混合的的慣性-聲學(xué)位置跟蹤蹤。慣性傳感器的的優(yōu)缺點(diǎn)：慣性傳感器的的優(yōu)點(diǎn)：不存在發(fā)射源源，所以不受受干擾不怕遮遮擋，物體運(yùn)運(yùn)動(dòng)不受約束束，大的工作作空間，低的的延遲時(shí)間。。慣性傳感器的的缺點(diǎn)：漂移隨時(shí)間積積累（每分3度），重力場(chǎng)場(chǎng)使輸出失真真，測(cè)量的非非線性（由于于材料特性或或溫度變化）），角速度計(jì)計(jì)敏感震動(dòng)，，難以測(cè)量慢慢速的位置變變化，重復(fù)性性差慣性傳感器的的產(chǎn)品InterSense公司提供IS300運(yùn)動(dòng)跟蹤器和和InterTrax等慣性跟蹤設(shè)設(shè)備。InterSense建立于1996年，研制生產(chǎn)產(chǎn)慣性的，混混合的，以及及SensorFusion的運(yùn)動(dòng)跟蹤設(shè)設(shè)備。EricFoxlin基于他在MIT的博士論文建建立了該公司司?？偛吭O(shè)在在麻省。它的的產(chǎn)品包括：：頭盔上的設(shè)設(shè)備（用于仿仿真和訓(xùn)練）），攝像頭跟跟蹤（用于電電影特技），，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)（用于裝裝配）。IS300使用小的固態(tài)態(tài)慣性測(cè)量單單元（稱為InertiaCubeTM）。它使用角角速度計(jì)，在在積分得到姿姿態(tài)角。他還還用磁羅盤(pán)和和重力計(jì)，防防止陀螺漂移移的積累。產(chǎn)產(chǎn)品價(jià)格$3949。InterTrax是實(shí)時(shí)的頭部部3維姿態(tài)跟蹤器器。產(chǎn)品價(jià)格格$849?；旌蟼鞲衅鞯牡脑恚夯旌蟼鞲衅魇鞘怯蓱T性傳感器和和其他傳感器器組成，以解決慣性傳感感器的漂移問(wèn)問(wèn)題。混合傳感器總總是利用一個(gè)個(gè)傳感器的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)，去克服服另一傳感器器的缺點(diǎn)。典典型的混合傳傳感器由超聲和慣性傳傳感器組成。它包括括：安在天花花板上的超聲聲發(fā)射器陣列列，3個(gè)超聲接受器器，用于超聲聲信號(hào)同步的的紅外觸發(fā)設(shè)設(shè)備，加速度度計(jì)和角速度度計(jì)，計(jì)算機(jī)機(jī)。這種混合合是為了達(dá)到到更高的精度度和更低的延延遲?；旌细櫟年P(guān)鍵技技術(shù)是傳感器器融合算法，，如采用Kalman濾波?；旌蟼鞲衅鞯牡膬?yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：改進(jìn)更新率、、分辨率、及及抗干擾性（（由超聲補(bǔ)償償慣性的漂移移），可以預(yù)預(yù)測(cè)未來(lái)運(yùn)動(dòng)動(dòng)達(dá)50ms（克服仿真滯滯后），快速速響應(yīng)（更新新率150Hz，延遲極小）），無(wú)失真（（無(wú)電磁干擾擾）。缺點(diǎn)：工作空間受限限制（大范圍圍時(shí)超聲不能能補(bǔ)償慣性的的漂移），要要求視線不受受遮擋，受到到溫度、氣壓壓、濕度影響響，6D的跟蹤要求3個(gè)超聲接受器器?；旌蟼鞲衅鞯牡漠a(chǎn)品InterSense提供混合跟蹤蹤器產(chǎn)品IS600。它使用慣性性和超聲傳感感器，以及傳傳感器融合算算法。他提供供6D的位姿跟蹤，，可以預(yù)測(cè)未未來(lái)50ms的運(yùn)動(dòng)。價(jià)格格$11850。位姿傳感器---光學(xué)傳感器原理一般講，光學(xué)學(xué)傳感器是基基于高對(duì)比度的視視頻圖像，圖像中具有有若干標(biāo)記，這些圖像反映了被被測(cè)物體的運(yùn)運(yùn)動(dòng)。這些標(biāo)記是小小圓點(diǎn)。有些些標(biāo)記是紅外外(IR)發(fā)光標(biāo)記，他他用發(fā)光管管（LED）增加對(duì)比度度。標(biāo)記的數(shù)量取決于運(yùn)動(dòng)的的類型和要求求的跟蹤質(zhì)量量。對(duì)于不不包括面部的的人體跟蹤，，一般安裝20到30個(gè)標(biāo)記。標(biāo)記記安在皮膚上上或緊身衣服服上。標(biāo)記尺寸為1至5cm，這取決于測(cè)測(cè)量硬件和動(dòng)動(dòng)作范圍大小小。標(biāo)記的安放取決于要測(cè)的的數(shù)據(jù)。單個(gè)個(gè)標(biāo)記只測(cè)量量一個(gè)點(diǎn)。安安在頭部的三三個(gè)標(biāo)記用于于測(cè)量頭部的的位姿。一般般全身安裝21個(gè)標(biāo)記，頭部部3個(gè)，頸部和背背部各1個(gè)，肩部、肘肘部、腕部、、手部、髖部部、膝部、腳腳腕和腳部各各1個(gè)。如果要求求更多的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)信息，則要要求安裝更多多的標(biāo)記。光學(xué)傳感器的的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：可能很大的工作空空間（取決于采用用的系統(tǒng)合要要求的精度）），運(yùn)動(dòng)不受妨礙（測(cè)量系統(tǒng)不不裝在運(yùn)動(dòng)體體上），標(biāo)記的價(jià)格很?。ɡ碚撋仙峡梢赃_(dá)到幾幾百個(gè)標(biāo)記，，實(shí)際上因?yàn)闉樽枞蛙浖南拗?，不不能太多），，足夠快的采樣率（適于多數(shù)體體育運(yùn)動(dòng)，在在120至250Hz采樣率，適于于測(cè)量多數(shù)人人體運(yùn)動(dòng)。缺點(diǎn)：是最昂貴的運(yùn)動(dòng)測(cè)量系系統(tǒng)對(duì)光敏感（由于系統(tǒng)依依靠對(duì)比度，，所以背景和和環(huán)境照明都都是問(wèn)題），，對(duì)反射敏感（有水和發(fā)亮亮的表面可能能引起錯(cuò)誤的的標(biāo)記信號(hào)）），標(biāo)記的阻擋（為了得到3D數(shù)據(jù)，每個(gè)標(biāo)標(biāo)記至少被兩兩個(gè)攝像機(jī)看看到。物體的的遮擋會(huì)造成成標(biāo)記的丟失失、代替或交交換。）跟蹤時(shí)間可能能很大（而且可能變變化）非實(shí)時(shí)的測(cè)量量（除少數(shù)昂貴貴的系統(tǒng)外，，都是非實(shí)時(shí)時(shí)的）對(duì)校準(zhǔn)敏感（由于用多個(gè)個(gè)攝像機(jī)，必必須精確測(cè)量量每個(gè)攝像機(jī)機(jī)的參考幀））。光學(xué)傳感器的的產(chǎn)品光學(xué)跟蹤器在在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域域的兩個(gè)主要要應(yīng)用領(lǐng)域：：計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)（（測(cè)量人體的的運(yùn)動(dòng)，并用用于動(dòng)畫(huà)人物物的動(dòng)作）虛擬環(huán)境（測(cè)測(cè)量用戶頭部部的位置和姿姿態(tài)，并由此此改變視點(diǎn)，，改變顯示的的圖形）。位姿傳感器---運(yùn)動(dòng)接口背景VR研究的趨勢(shì)是是由手姿來(lái)做事情，如如抓取物體或或漫游。小的手姿之間間容易混淆。。所以現(xiàn)在控控制漫游的方方法，是利用用其他運(yùn)動(dòng)接接口。運(yùn)動(dòng)接口是一一類特殊的位位姿傳感器，，它跟蹤測(cè)量量人體的運(yùn)動(dòng)動(dòng)。最簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)動(dòng)接口就是跑跑步機(jī)。代替替在室外的真真實(shí)跑步，用用戶可以在跑跑步機(jī)上跑步步，跑步機(jī)測(cè)測(cè)量跑步者的的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)接口的優(yōu)優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：克服傳統(tǒng)接口口的限制（如手柄的逼逼真感有限）），得到逼真真的漫游（如如跑步機(jī)和自自行車給出運(yùn)運(yùn)動(dòng)和方向感感），增加空空間布局感（（在跑步機(jī)和和自行車上，，參與者要施施加力和運(yùn)動(dòng)動(dòng)，于是有在在環(huán)境中的移移動(dòng)感）缺點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)范圍有限限（任何設(shè)備備的運(yùn)動(dòng)范圍圍都有限，但但虛擬環(huán)境可可能覆蓋很大大范圍），難難以保持平衡衡（在這些設(shè)設(shè)備上往往難難以保持平衡衡）。運(yùn)動(dòng)接口的產(chǎn)產(chǎn)品產(chǎn)品一：Sarcos,Inc.公司的運(yùn)動(dòng)接接口是Tread-Port，它包括跑步步機(jī)、機(jī)械鏈鏈和CAVE視覺(jué)顯示。它它是用于研究究涉及運(yùn)動(dòng)接接口的感知問(wèn)問(wèn)題，以及研研究運(yùn)動(dòng)生物物力學(xué)的控制制問(wèn)題。主動(dòng)動(dòng)機(jī)械鏈防止止人走開(kāi)，使使得試驗(yàn)更加加逼真，模仿仿運(yùn)動(dòng)中的壓壓力，這在人人平穩(wěn)站立時(shí)時(shí)是不會(huì)發(fā)生生的。產(chǎn)品二：GeorgiaTechGraphics,VisualizationandUsabilityCenter的運(yùn)動(dòng)接口是是TectrixBicycle。它用于虛擬擬重現(xiàn)1996年亞特蘭大奧奧運(yùn)會(huì)公路自自行車賽。虛虛擬環(huán)境的目目標(biāo)是，使選選手體驗(yàn)賽道道，在視覺(jué)和和身體上都提提供給自行車車手。TectrixBicycle的設(shè)計(jì)如下：：賽車安在運(yùn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，，平臺(tái)前后傾傾斜+/-12度，前論旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角度+/-20度，CompuTrainerPro在后輪上加負(fù)負(fù)載（以模擬擬山坡）。產(chǎn)品三：VirtualSpaceDevices,Inc.(VSD)根據(jù)1996年美國(guó)軍隊(duì)合合同，開(kāi)發(fā)了了Omni-DirectionalTreadmill(ODT)。人在計(jì)算機(jī)機(jī)生成的環(huán)境境中，在ODT上走或跑，可可以在任意方方向上漫游，，人總是保持持在設(shè)備中心心。這是自然然的人機(jī)漫游游接口。Omni-DirectionalTreadmill的指標(biāo)為，主主動(dòng)表面1.3×1.3米，速度6英里/小時(shí)，兩個(gè)帶帶子（X，Y方向）每個(gè)約約3400圈，力反饋+/-20磅。產(chǎn)品四：MikeBenjaminandThatcherUlrichofCyberGear,Inc.開(kāi)發(fā)了VR自行車，用作作DiamondPark的輸入設(shè)備。。這是第一個(gè)個(gè)多用戶接口口的虛擬環(huán)境境，使用了MERL'sScalablePlatformforInteractiveEnvironments(SPLINE)。小節(jié)介紹了虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中的位姿姿測(cè)量技術(shù)。。位姿跟蹤常用用的性能參數(shù)數(shù)有：精度，，分辨率，采采樣率，執(zhí)行行時(shí)間，范圍圍，工作空間間，價(jià)格，障障礙，方便，，對(duì)模糊的敏敏感，容易校校準(zhǔn)，同時(shí)測(cè)測(cè)量的數(shù)目，，方向相對(duì)位位置跟蹤。運(yùn)動(dòng)動(dòng)接接口口是是一一類類特特殊殊的的位位姿姿傳傳感感器器，，它它跟跟蹤蹤測(cè)測(cè)量量人人體體的的運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)第二二節(jié)節(jié)視視覺(jué)覺(jué)顯顯示示視覺(jué)覺(jué)顯顯示示概概述述視覺(jué)覺(jué)顯顯示示的的顯顯示示表表面面CRT類顯顯示示LCD類顯顯示示VRD類顯顯示示VLST類顯顯示示全息息顯顯示示視覺(jué)覺(jué)顯顯示示的的光光學(xué)學(xué)系系統(tǒng)統(tǒng)頭盔盔式式立立體體顯顯示示立體體眼眼鏡鏡式式立立體體顯顯示示自動(dòng)動(dòng)立立體體顯顯示示視覺(jué)覺(jué)顯顯示示的的產(chǎn)產(chǎn)品品頭盔盔顯顯示示非頭頭盔盔顯顯示示混合合的的立立體體顯顯示示系系統(tǒng)統(tǒng)多面面的的顯顯示示系系統(tǒng)統(tǒng)視覺(jué)覺(jué)顯顯示示概概述述對(duì)理理想想的的視視覺(jué)覺(jué)顯顯示示有有什什么么要要求求與日日常常經(jīng)經(jīng)歷歷中中的的場(chǎng)場(chǎng)景景對(duì)對(duì)比比，，在在質(zhì)質(zhì)量量、、修修改改率率和和范范圍圍方方面面應(yīng)應(yīng)該該是是無(wú)無(wú)法法區(qū)區(qū)分分的的。。技術(shù)術(shù)支支持持當(dāng)前前的的技技術(shù)術(shù)還還不不支支持持這這種種高高真真實(shí)實(shí)度度的的視視覺(jué)覺(jué)顯顯示示評(píng)價(jià)價(jià)各各種種顯顯示示特特性性對(duì)任任何何給給定定的的應(yīng)應(yīng)用用，，必必須須認(rèn)認(rèn)真真評(píng)評(píng)價(jià)價(jià)各各種種顯顯示示特特性性的的重重要要性性，，這這包包括括視視覺(jué)覺(jué)特特性性（（視視場(chǎng)場(chǎng)、、分分辨辨率率、、亮亮度度、、對(duì)對(duì)比比和和彩彩色色）），，人人類類工工程程學(xué)學(xué)，，安安全全，，可可靠靠和和價(jià)價(jià)格格。。視覺(jué)覺(jué)顯顯示示的的基基本本要要求求提供供立立體體視視覺(jué)覺(jué)。。立體體視視覺(jué)覺(jué)的的基基本本原原理理兩眼眼空空間間位位置置的的不不同同，，是是產(chǎn)產(chǎn)生生立體體視視覺(jué)覺(jué)的原原因因。?？臻g間某某個(gè)個(gè)物物體體在在兩兩眼眼的的視視圖圖中中位位置置不不同同就就產(chǎn)產(chǎn)生生了了立體體視視差。。人眼眼也也可可以以利利用用這這種種視視差差，，判判斷斷物物體體的的遠(yuǎn)遠(yuǎn)近近，，產(chǎn)產(chǎn)生生深深度度感感。。這這就就是是人人類類的的立體體視視覺(jué)覺(jué)，由由此此獲獲得得環(huán)環(huán)境境的的三三維維信信息息。視覺(jué)覺(jué)接接口口完整整的的視視覺(jué)覺(jué)接接口口包包括括四四個(gè)個(gè)基基本本部部分分。。(1)視覺(jué)覺(jué)顯顯示示表表面面和和輔輔助助光光學(xué)學(xué)系系統(tǒng)統(tǒng)，，它它把把詳詳細(xì)細(xì)的的時(shí)時(shí)變變的的光光模模式式投投影影在在用用戶戶視視網(wǎng)網(wǎng)膜膜上上。。(2)產(chǎn)生生光光學(xué)學(xué)信信號(hào)號(hào)的的系系統(tǒng)統(tǒng)（（來(lái)來(lái)自自真真實(shí)實(shí)場(chǎng)場(chǎng)景景的的攝攝像像機(jī)機(jī)，，存存貯貯圖圖像像的的錄錄像像機(jī)機(jī)，，生生成成圖圖形形的的計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)，，或或三三者者的的組組合合））。。(3)感覺(jué)覺(jué)頭頭或或眼眼球球位位置置運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)的的系系統(tǒng)統(tǒng)（（這這是是上上一一節(jié)節(jié)介介紹紹的的位位姿姿跟跟蹤蹤問(wèn)問(wèn)題題））。。(4)使視視覺(jué)覺(jué)顯顯示示表表面面相相對(duì)對(duì)于于人人眼眼定定位位的的系系統(tǒng)統(tǒng)。。對(duì)虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)（（VR），，最最常常用用的的技技術(shù)術(shù)的的顯顯示示表表面面類類型型是是陰極極射射線線管管（（CRT）和和背背光光液液晶晶顯顯示示（（LCD）。。VR應(yīng)用用有有兩兩類類主主要要的的視視覺(jué)覺(jué)顯顯示示光光學(xué)學(xué)系系統(tǒng)統(tǒng)：：頭盔盔顯顯示示和和非非頭頭盔盔顯顯示示。。這些些技技術(shù)術(shù)對(duì)對(duì)近近期期的的虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)應(yīng)應(yīng)用用是是很很有有用用的的，，但但幾幾個(gè)個(gè)缺缺點(diǎn)點(diǎn)卻卻妨妨礙礙其其長(zhǎng)長(zhǎng)期期的的發(fā)發(fā)展展。。下面面分分別別介介紹紹不不同同的的顯示示表表面面和不不同同的的光學(xué)學(xué)系系統(tǒng)統(tǒng)。最最后后介介紹紹現(xiàn)現(xiàn)有有的的產(chǎn)品品。CRT技術(shù)術(shù)CRT技術(shù)術(shù)CRT技術(shù)術(shù)是是多多年年來(lái)來(lái)在在電電視視機(jī)機(jī)和和計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)監(jiān)監(jiān)視視器器上上廣廣泛泛應(yīng)應(yīng)用用的的成成熟熟技技術(shù)術(shù)。。CRT技術(shù)術(shù)能能給給頭頭盔盔顯顯示示器器提提供供小小的的高高分分辨辨率率高高亮亮度度的的單色顯顯示示。。CRT較重重，，并并把把高電電壓壓放在在人人頭頭部部上上的的設(shè)設(shè)備備中中。。開(kāi)開(kāi)發(fā)發(fā)小型型高高分分辨辨率率高高亮亮度度彩彩色色CRT是困困難難的。。在在頭頭盔盔顯顯示示中中，，要要求求這這些些笨笨重重的的光光學(xué)學(xué)設(shè)設(shè)備備形形成成高高質(zhì)質(zhì)量量圖圖像像。。組合合的的技技術(shù)術(shù)途途徑徑可可產(chǎn)產(chǎn)生生高高質(zhì)質(zhì)量量彩彩色色圖圖像像，，并并減減少少重重量量和和價(jià)價(jià)格格。。把把高高質(zhì)質(zhì)量量彩彩色色的的基基于于CRT的HMD（頭頭盔盔顯顯示示器器））引引入入市市場(chǎng)場(chǎng)，，它它使使用用了了加于于單單色色CRT的機(jī)機(jī)械械電電子子彩彩色色濾濾光光技術(shù)術(shù)。。這這種種途途徑徑中中，，CRT以三三倍倍正正常常速速率率掃掃描描，，并并依依次次加加上上紅紅、、綠綠、、蘭蘭三三色色的的濾濾光光器器。。LCD技術(shù)術(shù)LCD技術(shù)術(shù)以低電電壓壓產(chǎn)生生彩彩色色圖圖像像，，但但只只具具有有很很低的的圖圖像像元元密密度度。在在頭頭盔盔顯顯示示中中，，也也要要求求笨笨重重的的光光學(xué)學(xué)設(shè)設(shè)備備形形成成高高質(zhì)質(zhì)量量圖圖像像。。市場(chǎng)場(chǎng)出出售售的的頭頭盔盔式式顯顯示示器器幾幾乎乎全全部部依依靠靠TV（電電視視機(jī)機(jī)））質(zhì)質(zhì)量量的的液液晶晶顯顯示示。。在在VR和遙遙操操作作領(lǐng)領(lǐng)域域，，不不要要求求大大區(qū)區(qū)域域顯顯示示。。只只要要求求緊緊湊湊的的輕輕便便的的高高分分辨辨率率顯顯示示。。LCD顯示示器器有有待待提提高高其其分分辨辨率率。。VRD技術(shù)術(shù)關(guān)于于VRDVRD（VirtualRealityDisplay）是是美美國(guó)國(guó)華華盛盛頓頓大大學(xué)學(xué)人人類類接接口口技技術(shù)術(shù)實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)室室HumanInterfaceTechnologyLab（HIT）在在1991年發(fā)發(fā)明明的的。。HIT研究究?jī)?nèi)內(nèi)容容基于于激激光光微微掃掃描描技技術(shù)術(shù)的的顯顯示示VRD，它它用用微型型固固體體激激光光器器掃描描視視網(wǎng)網(wǎng)膜膜上上的的彩彩色色圖圖像像。。它它的的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)是是不不使使用用笨笨重重的的光光學(xué)學(xué)設(shè)設(shè)備備，，可可能能開(kāi)開(kāi)發(fā)發(fā)高高分分辨辨率率、、輕輕便便、、低低價(jià)價(jià)格格顯顯示示系系統(tǒng)統(tǒng)。。但但激激光光微微掃掃描描顯顯示示還還面面對(duì)對(duì)大大量量技技術(shù)術(shù)障障礙礙。。研究究目目標(biāo)標(biāo)是產(chǎn)產(chǎn)生生全全彩彩色色，，寬寬視視場(chǎng)場(chǎng)，，高高分分辨辨率率，，高高亮亮度度，，低低價(jià)價(jià)格格的的虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)立立體體顯顯示示。。MicrovisionInc.具有有該該技技術(shù)術(shù)產(chǎn)產(chǎn)品品化化的的專專有有權(quán)權(quán)。。該該技技術(shù)術(shù)有有很很多多潛潛在在的的應(yīng)應(yīng)用用，，由由軍軍事事航航天天應(yīng)應(yīng)用用的的HMD，到到醫(yī)醫(yī)學(xué)學(xué)應(yīng)應(yīng)用用。。VRD原理理VRD直接接把把調(diào)調(diào)制制的的光光線線投投射射在在人人眼眼的的視視網(wǎng)網(wǎng)膜膜上上，，產(chǎn)產(chǎn)生生光光柵柵化化的的圖圖像像。。觀觀看看者者的的幻幻覺(jué)覺(jué)是是，，感感到到這這個(gè)個(gè)圖圖像像是是在在前前方方2英尺尺遠(yuǎn)遠(yuǎn)處處的的14英寸寸監(jiān)監(jiān)視視器器上上。。實(shí)實(shí)際際上上，，圖圖像像是是在在眼眼的的視視網(wǎng)網(wǎng)膜膜上上。。圖圖像像質(zhì)質(zhì)量量很很高高，，有有立立體體感感，，全全彩彩色色，，寬寬視視場(chǎng)場(chǎng)，，無(wú)無(wú)閃閃爍爍。。VRD的主主要要特特點(diǎn)點(diǎn)如如下下：：①很小小很輕輕的眼眼鏡，，②大大于120度的大大視場(chǎng)場(chǎng)，③③適應(yīng)應(yīng)人類類視覺(jué)覺(jué)的高高分辨辨率，，④有有更高高彩色色分辨辨率的的全彩彩色，，⑤適適用于于室外外的高高亮度度，⑥⑥很低低的功功率消消耗，，⑦有有深度度感的的真正正的立立體顯顯示，，⑧具具有看看穿的的顯示示方式式。（（這類類似于于看穿穿的頭頭盔顯顯示。。在看看到激激光掃掃描的的虛擬擬圖形形的同同時(shí)，，也看看到真真實(shí)場(chǎng)場(chǎng)景。。）VRD的工作作過(guò)程程中，，源圖圖像是是要求求顯示示的圖圖像。。調(diào)制制的光光源是是紅綠綠藍(lán)三三基色色的光光源。。水平平和垂垂直掃掃描器器根據(jù)據(jù)源圖圖像對(duì)對(duì)于光光源進(jìn)進(jìn)行掃掃描。。經(jīng)過(guò)過(guò)光學(xué)學(xué)鏡頭頭，在在人的的視網(wǎng)網(wǎng)膜上上成像像。為什么么VRD具有高高分辨辨率、、寬視視場(chǎng)、、高亮亮度和和沒(méi)有有閃爍爍的特特點(diǎn)？？在普通通的屏屏幕顯顯示中中，受受控的的光線線或光光發(fā)射射元素素組成成高密密集的的陣列列，這這個(gè)陣陣列投投影到到各個(gè)個(gè)象素素。但但在VRD的顯示示中，，不存存在其其他屏屏幕，，象素流流直接接投影影到視視網(wǎng)膜膜。VRD中不具具備象象素持持續(xù)性性質(zhì)，，只有有視網(wǎng)網(wǎng)膜上上光接接受器器的光光收集集特性性。因因此，，在VRD提供的的光線線和人人腦產(chǎn)產(chǎn)生的的圖像像質(zhì)量量之間間的關(guān)關(guān)系，，就是是很重重要的的了。。源圖像像直接接進(jìn)入入驅(qū)動(dòng)動(dòng)電子子設(shè)備備中，，去調(diào)調(diào)制紅紅綠蘭蘭三色色的光光線。。每個(gè)個(gè)象素素通過(guò)過(guò)水平平和垂垂直掃掃描器器，在在視網(wǎng)網(wǎng)膜上上產(chǎn)生生光柵柵化的的圖像像。視視網(wǎng)膜膜沒(méi)有有持續(xù)續(xù)性質(zhì)質(zhì)，因因此沒(méi)沒(méi)有閃閃爍。。產(chǎn)生生的圖圖像很很亮，，有很很高的的分辨辨率，，有很很寬的的視場(chǎng)場(chǎng)。每每個(gè)象象素投投影在在視網(wǎng)網(wǎng)膜上上的時(shí)時(shí)間很很少，，30-40ns。此外外，該該設(shè)備備只消消耗很很少能能量。。VRD的顯示示設(shè)備備VRD的攝像像設(shè)備備VRD的主要要指標(biāo)標(biāo)VRD的主要要指標(biāo)標(biāo)：①分辨辨率只只取決決于光光源的的衍射射和像像差②亮度度可達(dá)達(dá)很高高和很很低，，所以以對(duì)比比度就就很大大③傳統(tǒng)統(tǒng)的顯顯示器器不會(huì)會(huì)發(fā)出出很強(qiáng)強(qiáng)的光光，所所以很很難在在很亮亮的環(huán)環(huán)境下下看到到，VRD的顯示示可以以在很很亮的的環(huán)境境下看看到④CRT只能反反射可可見(jiàn)彩彩色光光中的的一部部分，，VRD發(fā)射高高飽和和的純純彩色色光，，其彩彩色逼逼真度度極高高⑤CRT未把電電能有有效地地轉(zhuǎn)成成光能能，VRD把所有有產(chǎn)生生的光光線投投在視視網(wǎng)膜膜，所所以允允許很很強(qiáng)的的亮度度和很很小的的能耗耗⑥VRD很容易易改進(jìn)進(jìn)性能能⑦VRD提供通通用的的方法法，適適用于于各類類應(yīng)用用，有有潛力力降低低價(jià)格格⑧VRD包括很很簡(jiǎn)單單的子子系統(tǒng)統(tǒng)，將將以低低價(jià)格格進(jìn)行行大批批量生生產(chǎn)范例----IVRDIVRD是HITLab為美國(guó)國(guó)海軍軍飛行行員研研制的的交互互的VRDIVRD課題的的目標(biāo)標(biāo)是飛行員員用這這種設(shè)設(shè)備，，能更更好地地在強(qiáng)強(qiáng)光下下觀看看，有有立體體視覺(jué)覺(jué)，通通過(guò)手手指指指向顯顯示與與設(shè)備備交互互。設(shè)設(shè)備很很輕，，耗能能很少少①高亮亮度彩彩色圖圖像覆覆蓋在在飛行行員的的真實(shí)實(shí)視場(chǎng)場(chǎng)中②測(cè)量量在真真實(shí)視視場(chǎng)中中增強(qiáng)強(qiáng)圖像像的位位置③測(cè)量量注視視方向向，以以及在在增強(qiáng)強(qiáng)圖像像中眼眼和手手的位位置④在增增強(qiáng)圖圖像的的視場(chǎng)場(chǎng)中360度范圍圍顯示示傳感感器數(shù)數(shù)⑤允許許觀看看者要要求顯顯示更更多信信息。。VRD的應(yīng)用用包括用用于軍軍事，，頭盔盔，移移動(dòng)電電話，，以及及醫(yī)學(xué)學(xué)上范例HMD上的應(yīng)應(yīng)用。。交互的的VRD。手持的的二維維顯示示VRD技術(shù)醫(yī)學(xué)應(yīng)應(yīng)用①HMD上的應(yīng)應(yīng)用。。直升機(jī)機(jī)飛行行員需要獲獲取信信息，，以便便做出出關(guān)系系生死死的決決策。。如果信信息是是以圖圖形或或直覺(jué)覺(jué)的方方式提提供的的，就就能減減少飛飛行員員的負(fù)負(fù)擔(dān)，，增加加在惡惡劣環(huán)環(huán)境下下的可可視能能力。。HMD在白天和夜夜間都提供供全彩色的的圖形信息息，但缺乏乏有效的數(shù)數(shù)據(jù)接口的的聯(lián)系?！癡RD技術(shù)的產(chǎn)品品Microvision給軍隊(duì)提供供了單色雙雙目HMD系統(tǒng)，視場(chǎng)場(chǎng)水平52度，垂直30度，顯示行行數(shù)960，水平象素素1716，重量2磅（包括兩兩個(gè)顯示器器，頭盔結(jié)結(jié)構(gòu)，及光光學(xué)系統(tǒng)）），圖像以以”看穿的方式式“投影，飛行行員同時(shí)看看到背景場(chǎng)場(chǎng)景。②交互的VRD。三維交互顯顯示的VRD技術(shù)，可以以集成在眼眼鏡或頭盔盔上，產(chǎn)生生立體效果果。VRD的顯示設(shè)備備用于頭盔盔顯示器VRD的顯示設(shè)備備用于看穿穿的頭盔顯顯示器VRD現(xiàn)實(shí)設(shè)備用用于軍事的的示意圖③手持的二二維顯示VRD技術(shù)，集成成進(jìn)手提電電話，允許許用戶看商商業(yè)網(wǎng)，因因特網(wǎng)，e-mail，web頁(yè)面，傳真真，文件等等，如同看看臺(tái)式監(jiān)視視器。醫(yī)學(xué)應(yīng)用美國(guó)2%的人有弱視視。弱視的的人不是全全盲，但不不能拿到駕駕駛執(zhí)照，，而且難以以閱讀和看看電視。原原因可能是是視網(wǎng)膜的的傷害（中中心或周圍圍視力的衰衰減），或或光路的傷傷害（角膜膜傷害或晶晶狀體傷害害）。VRD使得弱視的人能能看到圖像像。1998年，Microvision與Wallace-KetteringNeuroscienceInstitute簽訂了合同同，在神經(jīng)經(jīng)外科的安安全帽的研研究上合作作。沒(méi)有視視網(wǎng)膜傷害害的病人能能通過(guò)他的的視場(chǎng)看到到運(yùn)動(dòng)的粒粒子，具有有視網(wǎng)膜傷傷害的病人人實(shí)際上能能反常地看看到他自己己的盲區(qū)。。要求病人人跟蹤視覺(jué)覺(jué)擾動(dòng)的邊邊緣，于是是就產(chǎn)生它它自己視網(wǎng)網(wǎng)膜的數(shù)字字圖像，這這實(shí)際上定定位了受傷傷的組織。。這個(gè)圖像像與基底攝攝像機(jī)拍攝攝的照片比比較，基底底攝像機(jī)獲獲取器官內(nèi)內(nèi)表面的圖圖像?；谟赩RD的工作站，，在過(guò)去一一年掃描了了58個(gè)各種視網(wǎng)網(wǎng)膜疾病的的病人。VRD的未來(lái)VRD的未來(lái)，將將更加緊湊湊。正在開(kāi)開(kāi)發(fā)邊緣發(fā)發(fā)射，超亮亮度發(fā)射二二極管，以以及微型二二極管激光光器。這將將允許直接接的光調(diào)制制。加上專專用集成電電路技術(shù)，，產(chǎn)生手持持的VRD設(shè)備。VLSI顯示技術(shù)VLSI類顯示MITAI實(shí)驗(yàn)室用硅VLSI芯片技術(shù)實(shí)現(xiàn)這種顯顯示特征。?；诠杓夹g(shù)術(shù)的圖像傳傳感器與液液晶顯示技技術(shù)的產(chǎn)品品相比，有有著更高的的密度和性性能的潛力力。查詢思考LCD最大分辨率率？象素間間距？硅傳傳感器