第二章虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件設(shè)備

第二章虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件設(shè)備簡(jiǎn)述：本章將介紹視覺感知設(shè)備、聽覺感知設(shè)備、觸覺和力反饋設(shè)備、位置跟蹤設(shè)備及虛擬現(xiàn)實(shí)的計(jì)算設(shè)備等知識(shí)。請(qǐng)自行查閱市場(chǎng)上相關(guān)的主流產(chǎn)品。教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)：1、人的視聽覺感知模型；2、各種硬件設(shè)備的工作原理；3、各種硬件設(shè)備的性能指標(biāo)；4、各種硬件設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)硬件配置示意圖：

表2.1人的感覺器官對(duì)應(yīng)的各種接口設(shè)備人的感官說明接口設(shè)備視覺感覺各種可見光顯示器或投影儀等聽覺感覺聲音波耳機(jī)、喇叭等嗅覺感知空氣中的化學(xué)成分氣味放大傳感裝置味覺感知液體中的化學(xué)成分觸覺皮膚感知溫度、壓力和紋理等觸覺傳感器力覺肌肉等感知的力度力覺傳感器身體感覺感知肌體或身軀的位置與角度數(shù)據(jù)儀前庭感覺平衡感知?jiǎng)悠脚_(tái)2.1視覺感知設(shè)備概述2.1.1人類視覺模型1.視覺生理結(jié)構(gòu)

眼球?yàn)槿搜鄣囊曈X器官，主要由角膜、晶狀體、玻璃體及視網(wǎng)膜等組成一套光學(xué)系統(tǒng)。

大腦皮層（CerebralCortex）是大腦半球的最外層，他負(fù)責(zé)各種形式的感覺。視網(wǎng)膜（Retina）是每只眼背部的神經(jīng)細(xì)胞的多層膜，它把光轉(zhuǎn)成電信號(hào)，并通過視神經(jīng)和管道傳給大腦。

2.視覺因素（1）立體視覺（2）屈光度（3）瞳孔（4）分辨率（5）明暗適應(yīng)（6）周圍視覺和中央視覺（7）視覺暫留（8）視場(chǎng)立體視覺：對(duì)同一個(gè)場(chǎng)景，兩眼得到稍有差別的視圖，左視區(qū)的信息，送到兩眼視網(wǎng)膜的右側(cè)。在視交叉處，左眼的另一半神經(jīng)纖維交叉到大腦的右半球，另一半神經(jīng)纖維直接到大腦的左半球，這樣，兩眼得到的左視區(qū)的所有信息，都送到右半球。hmd（頭盔顯示器）提供兩個(gè)顯示，不但應(yīng)保持雙目視差，而且應(yīng)該重疊，實(shí)際上，由于兩眼有6.5cm的瞳距，所以兩者視場(chǎng)總有些差別，有不重疊的區(qū)域。視覺暫留是視網(wǎng)膜的電化學(xué)現(xiàn)象造成視覺的反應(yīng)時(shí)間。其原理是當(dāng)人的眼睛看到一幅畫面或一個(gè)物體后，在1/24s內(nèi)不會(huì)消失。也就是說如果每秒更替24幅或更多的畫面，則前一幅畫面在人腦中消失之前，下一個(gè)畫面就會(huì)進(jìn)入人腦，從而形成了連續(xù)的影像?，F(xiàn)有的VR技術(shù)，已經(jīng)考慮的因素包括立體視覺，分辨力，視覺暫留以及視場(chǎng)，能夠提供理想的立體視覺效果，實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的視覺沉浸。2.1.2視覺感知設(shè)備1.頭盔顯示器（HeadMountedDisplay,HMD）

通常，頭盔顯示器的顯示屏采用兩個(gè)LCD或者CRT顯示器分別向兩只眼睛顯示圖像，這兩個(gè)圖像由計(jì)算機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)圖像存在著微小的差別，類似于“雙眼視差”。大腦將融合這兩個(gè)圖像獲得深度感知，得到一個(gè)立體的圖像。根據(jù)顯示表面的不同，頭盔顯示器主要分為基于LCD頭盔顯示器、基于CRT頭盔顯示器和基于VRD頭盔顯示器。1)基于LCD頭盔顯示器LCD顯示技術(shù)是以低電壓產(chǎn)生彩色圖像，但其圖像清晰度比較低。包括EyePhone、FlightHelmetCyberfaceⅡ、Tire1HMSI1000各種類型的頭盔顯示器2）基于CRT的頭盔顯示器

CRT稱為陰極射線管。基于CRT的頭盔顯示器是使用電子快門等技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙眼立體顯示的，提供小的高分辨率、高亮度的單色顯示。但其CRT較重、存有高電壓，佩戴較危險(xiǎn)，視場(chǎng)較小，缺乏沉浸感。HMD-131Datavision9CDMD3）基于VRD的頭盔顯示器VRD（VirtualRealityDisplay）的目標(biāo)是產(chǎn)生全彩色、寬視場(chǎng)、高分辨率、低價(jià)格的虛擬現(xiàn)實(shí)立體顯示。2.立體眼鏡顯示系統(tǒng)目前主要有：有源眼鏡和無源眼鏡又稱：主動(dòng)立體眼鏡、被動(dòng)立體眼鏡3.洞穴式立體顯示系統(tǒng)

使用投影系統(tǒng)，投射多個(gè)投影面，形成房間式的空間結(jié)構(gòu)，使得圍繞觀察者具有多個(gè)圖像畫面顯示的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，增強(qiáng)了沉浸感。4.響應(yīng)工作臺(tái)立體顯示系統(tǒng)計(jì)算機(jī)通過多傳感器交互通道向用戶提供視覺、聽覺、觸覺等多模態(tài)信息，具有非沉浸式、支持多用戶協(xié)同工作的立體顯示裝置。類似于繪圖桌形式的背投式顯示器，通常采用主動(dòng)式立體顯示方式。RWB的工作示意圖V_Desk6工作示意圖5.墻式立體顯示系統(tǒng)此系統(tǒng)類似于放映電影形式的背投式顯示設(shè)備。目前常用的包括單通道立體投影系統(tǒng)和多通道立體投影系統(tǒng)。單通道立體投影系統(tǒng)6.裸眼立體顯示系統(tǒng)其顯示技術(shù)結(jié)合雙眼的視覺差和圖片三維的原理，自動(dòng)生成兩幅圖片，一幅給左眼看，另一幅給右眼看，使人的雙眼產(chǎn)生視覺差異。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。液晶顯示器原理圖2.2聽覺感知設(shè)備概述虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中已經(jīng)考慮到的人耳因素包括：聲音方向，聲音舞臺(tái)，以及頭部有關(guān)的傳遞函數(shù)。聽覺感知設(shè)備的特性：1）全向三維定位特性2）三維實(shí)時(shí)跟蹤特性虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中所采用的聽覺感知設(shè)備主要有耳機(jī)和揚(yáng)聲器兩種。2.3觸覺和力反饋設(shè)備在虛擬環(huán)境中的觸覺反饋設(shè)備目前只能提供最基本的“觸到了”的感覺，無法提供材質(zhì)、紋理和溫度的感覺，并且觸覺反饋裝置僅局限于手指觸覺反饋裝置。可分為：基于視覺式、充氣式、振動(dòng)式、電刺激式和神經(jīng)肌肉刺激式5類裝置。膨脹氣泡技術(shù)存在一些固有的困難，導(dǎo)致現(xiàn)在充氣式反饋裝置暫時(shí)停產(chǎn)。Johnson制造出一個(gè)輕型“可編程接觸仿真器”并取得了專利，它使用輕型的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器來減少重量。

力反饋設(shè)備是運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)手段跟蹤用戶身體的運(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，使用戶能夠體驗(yàn)到真實(shí)的力度感和方向感，從而提供一個(gè)立即的、高逼真的、可信的真實(shí)交互。常見的設(shè)備包括：力反饋鼠標(biāo)、力反饋操作桿、力反饋手臂以及力反饋手套。力反饋設(shè)備示例及其原理力反饋手臂裝置示意圖2.4位置跟蹤設(shè)備主要任務(wù)是檢測(cè)有關(guān)對(duì)象的位置和方位，并將位置和方位信息報(bào)告給虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

目前，用于跟蹤用戶的方式有兩種：

一是跟蹤頭部位置與方位來確定用戶的視點(diǎn)與視線方向，而視點(diǎn)位置與視線方向是確定虛擬世界場(chǎng)景顯示的關(guān)鍵。

另一種就是跟蹤用戶手的位置和方向，這是帶有跟蹤系統(tǒng)的數(shù)據(jù)手套所獲取的關(guān)鍵信息。機(jī)械式位置跟蹤設(shè)備使用連桿裝置組成，通過機(jī)械連桿上多個(gè)帶有精密傳感器的關(guān)節(jié)與被測(cè)物體相接觸的方法來檢測(cè)其位置變化。電磁式位置跟蹤設(shè)備利用磁場(chǎng)的強(qiáng)度進(jìn)行位置和方位跟蹤。包括發(fā)射器、接收器、接口和計(jì)算機(jī)。超聲波位置跟蹤裝置：一般采用20kHz以上的超聲波，人耳聽不到，不會(huì)對(duì)人產(chǎn)生干擾，目前是所有跟蹤技術(shù)中成本最低的。它由三個(gè)超聲發(fā)射器的陣列、三個(gè)超聲接收器以及用于啟動(dòng)發(fā)射同步信號(hào)的控制器三部分