*虛擬現實的生成設備2.1虛擬現實的生成設備主要是指創建虛擬場景、實時響應用戶各種操作的計算機設備。計算機是虛擬現實系統的心臟，也稱之為虛擬世界的發動機。虛擬現實系統的性能優劣很大程度上取決于計算機設備的性能，由于虛擬世界本身的復雜性及實時性計算的要求，產生虛擬環境的計算量極為巨大，這就對計算設備的配置提出了極高的要求，最主要的要求就是計算機必須具備高速的CPU和強有力的圖形處理能力。根據CPU的速度和圖形處理能力，虛擬現實的生成設備可分為高性能個人計算機、圖形工作站、巨型機和分布式網絡計算機。第1頁/共41頁第一頁，共42頁。1.1

高性能個人計算機高性能個人計算機系統結構圖高性能個人計算機的核心部分是計算機的圖形加速卡。為了加快圖形處理的速度，系統可配置多個圖形加速卡。第2頁/共41頁第二頁，共42頁。1.2高性能圖形工作站工作站是僅次于PC機的用的最多的計算設備。比PC機相比，工作站的優點是有更強的計算能力，更大的磁盤空間和更快的通訊方式。工作站主要用于通用計算而不是虛擬現實。隨著虛擬現實的不斷成熟，主要的工作站制造廠家逐漸開發用高端圖形加速器來實現現有的模型。Sun和SGI公司采用的一種途徑是用虛擬現實工具改進現有的工作站，像基于PC的系統那樣。DivisionLtd.采用的另一個途徑是設計虛擬現實專用的"總承包"系統，如Provision100。這是基于工作站的虛擬現實機器的兩種發展途徑。第3頁/共41頁第三頁，共42頁。

(a)SunBlade2500

(b)SunBlade2000

Sun工作站1.2高性能圖形工作站第4頁/共41頁第四頁，共42頁。1.3

高度并行的計算機計算機界的研究重心是并行計算。所以各個工作站廠商都在發展高度并行的虛擬現實機器，以便提高計算能力。目前高性能并行計算機的體系結構較多，集群和巨型機主機就是并行計算機。SGIAltix3000

曙光TC1700服務器第5頁/共41頁第五頁，共42頁。聯想成功研制的“深騰7000”天河一號”超級計算機1.3

高度并行的計算機第6頁/共41頁第六頁，共42頁。分布式虛擬環境是指它駐留在兩臺或兩臺以上的網絡計算機上，這些計算機共享整個仿真的計算負載。如果在分布式虛擬環境中的兩個(或多個)用戶稱為合作，是指他們依次執行給定的仿真任務，在某一時刻只有一個用戶與給定的虛擬對象交互。反之，用戶協作指的是他們同時與給定的虛擬對象交互。1.4

分布式網絡計算機第7頁/共41頁第七頁，共42頁。2.2虛擬現實交互設備

虛擬現實建立了一個虛擬的世界，處于虛擬世界中的人與系統之間相互作用、相互影響，要產生虛擬現實的沉浸感，常見的鍵盤、鼠標等交互設備就不能完全滿足需要了，必須要有相應的交互設備支持。目前虛擬現實交互設備根據功能的不同，可以分為視覺顯示設備、聽覺感知設備、虛擬物體操作設備、運動捕捉設備等。第8頁/共41頁第八頁，共42頁。視覺感知設備人從外界獲取信息有80%以上來自于視覺，視覺感知設備是最常見的，也是最成熟的。1.頭盔顯示器(Head——MountedDisplay,HMD)第9頁/共41頁第九頁，共42頁。1.頭盔顯示器(Head——MountedDisplay,HMD)

在頭盔中LEEP光學系統實現立體視覺的基本原理：（a）為單眼視覺的原理，圖中可見虛像比屏幕離開眼睛更遠。（b）為立體視覺的原理。圖中的一個目標點，在兩個屏幕上的像素分別為A1和A2。它們在屏幕上的位置之差，就是立體視差。這兩個像素的虛像分別為B1和B2。雙目視覺的融合，人就感到這個目標點在C點，就是感覺的點。視覺感知設備第10頁/共41頁第十頁，共42頁。1.頭盔顯示器(Head——MountedDisplay,HMD)2.1.2

視覺感知設備（1） 基于LCD的頭盔顯示器各種類型的LED頭盔顯示器第11頁/共41頁第十一頁，共42頁。（2）雙目全方位顯示器雙目全方位顯示器（BinocularOmni-OrientationMonitor，BOOM）是種可移動式顯示器，是一種特殊的頭部顯示設備。使用BOOM比較類似使用一個望遠鏡，它把兩個獨立的CRT顯示器捆綁在一起，由兩個相互垂直的機械臂支撐稱，這不僅讓用戶可以在半徑2m的球面空間內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，不受平臺的運動影響。在支撐臂上的每個節點處都有位置跟蹤器，因此BOOM和HMD一樣有實時的觀測和交互能力。第12頁/共41頁第十二頁，共42頁。（3） 基于CRT的頭盔顯示器基于CRT的頭盔產品視覺感知設備

第13頁/共41頁第十三頁，共42頁。（4）大屏幕投影-液晶光閘眼鏡大屏幕投影-液晶光閘眼鏡立體視覺系統原理和CRT顯示一樣只是將分時圖像CRT顯示改為大屏幕顯示，用于投影的CRT或者數字投影機要求極高的亮度和分辨率，它適合在較大的使用內產生投影圖像的應用需求。洞穴式VR系統就是一種基于投影的環繞屏幕的洞穴自動化虛擬環境CAVE（CaveAutomaticVirtualEnvironment）。第14頁/共41頁第十四頁，共42頁。裸體立體顯示系統裸體立體顯示系統：顯示技術結合雙眼的視覺差和圖片三維的原理，自動生成兩幅圖片，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。立體液晶顯示器美國DTI公司首先推出的15英寸2015XLS3D液晶顯示器,采用了一種被稱為視差照明（parallaxillumination）的開關液晶技術實現了裸體立體顯示效果。第15頁/共41頁第十五頁，共42頁。裸體立體顯示系統第16頁/共41頁第十六頁，共42頁。2.2.2聽覺感知設備聽覺感知設備主要有耳機和揚聲器兩種。（1）耳機第17頁/共41頁第十七頁，共42頁。2．聽覺感知設備（2）揚聲器又稱“喇叭”。是一種十分常用的電聲轉換器件，它是一種位置固定的聽覺感知設備。大多數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現實設備中使用揚聲器。

第18頁/共41頁第十八頁，共42頁。2.2.3虛擬物體操作設備（1）數據手套第19頁/共41頁第十九頁，共42頁。（2）力矩球力矩球（空間球SpaceBall）是一種可提供為6自由度的外部輸入設備，6自由度是指寬度、高度、深度、俯仰角、轉動角和偏轉角，可以扭轉、擠壓、拉伸以及來回搖擺，用來控制虛擬場景做自由漫游，或者控制場景中虛擬物體的空間位置機器方向。

第20頁/共41頁第二十頁，共42頁。（3）操縱桿操縱桿是一種可以提供前后左右上下留個自由度及手指按鈕的外部輸入設備。如圖所示，適合對虛擬飛行等的操作。由于操縱桿采用全數字化設計，隨意其精度非常高。無論操作速度多快，它都能快速做出相應。第21頁/共41頁第二十一頁，共42頁。觸覺反饋設備

充氣式觸覺反饋裝置的工作原理是在數據手套中配置一些微小的氣泡，每一個氣泡都有兩條很細的進氣和出氣管道，所有氣泡的進/出氣管匯總在一起與控制器中的微型壓縮泵相連接。根據需要采用壓縮泵對氣泡來充氣和排氣。充氣時，微型壓縮泵迅速加壓，使氣泡膨脹而壓迫刺激皮膚達到觸覺反饋的目的。第22頁/共41頁第二十二頁，共42頁。2．振動式觸覺反饋裝置

記憶合金觸覺反饋裝置第23頁/共41頁第二十三頁，共42頁。2．振動式觸覺反饋裝置

記憶合金觸覺反饋裝置第24頁/共41頁第二十四頁，共42頁。力反饋設備力反饋設備是運用先進的技術手段跟蹤用戶身體的運動，將其在虛擬物體的空間運動轉換成對周邊物理設備的機械運動，并施加力給用戶，使用戶能夠體驗到真實的力度感和方向感，給用戶提供一個立即的，高逼真的，可信的真實交互。在實際應用中常見的力反饋設備有力反饋鼠標、力反饋操縱桿、力反饋手臂以及力反饋手套。第25頁/共41頁第二十五頁，共42頁。1．力反饋鼠標力反饋鼠標Wingman第26頁/共41頁第二十六頁，共42頁。2.3.3

力反饋設備2．力反饋操縱桿第27頁/共41頁第二十七頁，共42頁。3．力反饋手柄力反饋手柄是較簡單的力反饋設備。它只有三個自由度，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。第28頁/共41頁第二十八頁，共42頁。3．力反饋手柄(a)手臂反饋運動機構(b)系統配置圖力反饋手臂裝置示意圖第29頁/共41頁第二十九頁，共42頁。3．力反饋手柄第30頁/共41頁第三十頁，共42頁。4．力反饋手套CyberGrasp手套第31頁/共41頁第三十一頁，共42頁。4．力反饋手套CyberGrasp的工作外觀第32頁/共41頁第三十二頁，共42頁。2.2.4運動捕捉系統運動捕捉技術的工作原理是把真實人的動作完全附加到一個三維模型或者角色動畫上。所以，運動捕捉技術作為三維動畫主流制作工具，在國外已得到業內的認可和應用。通常借助該技術，動畫師們模擬真實感較強的動畫角色，并與實拍中演員的大小比例相匹配，然后借助運動捕捉系統來捕捉表演中演員的每一細微動作和表情變化，并真實地還原在角色動畫上。第33頁/共41頁第三十三頁，共42頁。3．運動捕捉系統基于運動捕捉的角色動畫制作第34頁/共41頁第三十四頁，共42頁。3．運動捕捉系統運動捕捉系統第35頁/共41頁第三十五頁，共42頁。3．運動捕捉系統典型的運動捕捉設備一般由三部分組成。接收傳感器是固定在運動物體特定部位的跟蹤裝置，它將向系統提供運動物體運動的位置信息，一般會隨著捕捉的細致程度確定傳感器的數目。第36頁/共41頁第三十六頁，共42頁。2.4.8

常見的三維位置跟蹤設備3．運動捕捉系統典型的運動捕捉設備一般由三部分組成。處理單元是負責處理系統捕捉到的原始信號，計算傳感器的運動軌跡，對數據進行修正、處理、并與三維角色模型相結合。處理單元既可以是軟件也可以是硬件，借助計算機對數據告訴的運算能力來完成數據的處理，使三維模型真正、自然地運動起來。第37頁/共41頁第三十七頁，共42頁。3．運動捕捉系統典型的運動捕捉設備一般由三部分組成。信號捕捉設備負責捕捉，識別傳感器的信號，并將運動數據從信號捕捉設備快速準確地傳送到計算機系統。這種設備會因系統的類型不同而有所區別，對于機械系統來說是一塊捕捉電信號的線路板，對于光學系統則是高分辨率紅外攝像機。第38頁/共41頁第三十八頁，共42頁。3．運動捕捉系統(a)身體運動捕捉(b)面部表情運動捕捉光學式運動捕捉的應用第39頁/共41頁第三十九頁，共42頁。40一、填空題1.虛擬現實的硬件設備主要包括虛擬現實的（

）和支持虛擬現實（

）兩大部分2.根據CPU的速度和圖形處理能力，虛擬現實的生成設備可分為（

）、（

）、（

）和（

）。3.目前虛擬現實交互設備根據功能的不同，可以分為（

）、（

）、（

）和（

）等。二、簡答題1.簡述立體顯示設備的原理。2.敘述立體顯示設備哪些？其特點如何？3.簡述聽覺感知設備的原理4.敘述聽覺感知設備有哪些？各有什么特點？5.敘述虛擬物體操作設備有哪些？各有什么特點？6.敘述運動捕捉設備有哪些？