虛擬外設(shè)有什么組成

　　不知道你是否有聽過VR這詞，即是虛擬現(xiàn)實(shí)。你知道虛擬現(xiàn)實(shí)外設(shè)由生命組成嗎?今天由學(xué)習(xí)啦小編和大家說說你們不知道的一些小知識吧!跟緊腳步啦!

　　什么是虛擬現(xiàn)實(shí)

　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境是一種多源信息融合的交互式的三維動態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真使用戶沉浸到該環(huán)境中。而虛擬現(xiàn)實(shí)硬件指的是與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)的硬件產(chǎn)品，是虛擬現(xiàn)實(shí)解決方案中用到的硬件設(shè)備。

　　虛擬現(xiàn)實(shí)外設(shè)有什么

　　現(xiàn)階段虛擬現(xiàn)實(shí)中常用到的硬件設(shè)備，大致可以分為四類。

　　它們分別是：

　　1、建模設(shè)備(如3D掃描儀);

　　2、三維視覺顯示設(shè)備(如3D展示系統(tǒng)、大型投影系統(tǒng)(如CAVE)、頭顯(頭戴式立體顯示器等));

　　3、聲音設(shè)備(如 三維的聲音系統(tǒng)以及非傳統(tǒng)意義的立體聲);

　　4、交互設(shè)備(包括 位置追蹤儀、數(shù)據(jù)手套、3D輸入設(shè)備(三維鼠標(biāo))、動作捕捉設(shè)備、眼動儀、力反饋設(shè)備以及其他交互設(shè)備)。

　　建模設(shè)備編輯

　　3D掃描儀等

　　3D掃描儀，也稱為三維立體掃描儀，3D掃描儀，是融合光、 機(jī)、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高新科技產(chǎn)品，主要用于獲取物體外表面的三維坐標(biāo)及物體的三維數(shù)字化模型。該設(shè)備不但可用于產(chǎn)品的逆向工程、快速原型制造、三維檢測(機(jī)器視覺測量)等領(lǐng)域，而且隨著三維掃描技術(shù)的不斷深入發(fā)展，諸如三維影視動畫、數(shù)字化展覽館、服裝量身定制、計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真與可視化等越來 越多的行業(yè)也開始應(yīng)用三維掃描儀這一便捷的手段來創(chuàng)建實(shí)物的數(shù)字化模型。通過三維掃描儀非接觸掃描實(shí)物模型，得到實(shí)物表面精確的三維點(diǎn)云(Point Cloud)數(shù)據(jù)，最終生成實(shí)物的數(shù)字模型，不僅速度快，而且精度高，幾乎可以完美的復(fù)制現(xiàn)實(shí)世界中的任何物體，以數(shù)字化的形式逼真的重現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界。

　　顯示設(shè)備編輯

　　為了實(shí)現(xiàn)虛擬顯示的沉浸特性，必須具備人體的感官特性，包括視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺等。這一節(jié)主要敘述視覺顯示系統(tǒng)。

　　VR其實(shí)就是VirtualReality的縮寫，翻譯成中文就是虛擬現(xiàn)實(shí)的意思。顧名思義，就是通過技術(shù)手段創(chuàng)造出一種逼真的虛擬的現(xiàn)實(shí)效果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的歷史其實(shí)不短，但是真正將這項(xiàng)技術(shù)發(fā)揮出來并讓人們體驗(yàn)到非常逼真的現(xiàn)實(shí)效果。

　　(1)虛擬現(xiàn)實(shí)頭顯

　　虛擬現(xiàn)實(shí)頭顯(頭戴式顯示器)是利用人的左右眼獲取信息差異，引導(dǎo)用戶產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的感覺的一種頭戴式立體顯示器。其顯示原理是左右眼屏幕分別顯示左右眼的圖像，人眼獲取這種帶有差異的信息后在腦海中產(chǎn)生立體感。虛擬現(xiàn)實(shí)頭顯作為虛擬現(xiàn)實(shí)的顯示設(shè)備，具有小巧和封閉性強(qiáng)的特點(diǎn)，在軍事訓(xùn)練，虛擬駕駛，虛擬城市等項(xiàng)目中具有廣泛的應(yīng)用。

　　(2)雙目全方位顯示器

　　雙目全方位顯示器(BOOM)是一種偶聯(lián)頭部的立體顯示設(shè)備，是一種特殊的頭部顯示設(shè)備。使用BOOM比較類似使用一個(gè)望遠(yuǎn)鏡，它吧兩個(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，這不僅讓用戶可以在半徑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，不受平臺運(yùn)動的影響。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)的觀測和交互能力。

　　(3)CRT終端-液晶光閘眼鏡

　　CRT終端-液晶光閘眼鏡立體視覺系統(tǒng)的工作原理是：有計(jì)算機(jī)分別產(chǎn)生左右眼的兩幅圖像，經(jīng)過合成處理之后，采用分時(shí)交替的方式顯示在CRT終端上。用戶則佩戴一副與計(jì)算機(jī)相連的液晶光閘眼鏡，眼鏡片在驅(qū)動信號的作用下，將以與圖像顯示同步的速率交替開和閉，即當(dāng)計(jì)算機(jī)顯示左眼圖像時(shí)，右眼透鏡將被屏蔽，顯示右眼圖像時(shí)，左眼透鏡被屏蔽。根據(jù)雙目視察與深度距離正比的關(guān)系，人的視覺生理系統(tǒng)可以自動的將這兩幅視察圖像合成一個(gè)立體圖像。

　　(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(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)繞屏幕的洞穴自動化虛擬環(huán)境CAVE(Cave Automatic Virtual Environment)。人置身于有計(jì)算機(jī)生成的世界中，并能在其中來回走動，從不同的角度觀察他，觸摸它、改變他的形狀。大屏幕投影系統(tǒng)出了CAVE還有圓柱形的投影屏幕和有矩形拼接構(gòu)成的投影屏幕等。

　　(5)CAVE洞穴式虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)

　　CAVE投影系統(tǒng)是由3個(gè)面以上(含3面)硬質(zhì)背投影墻組成的高度沉浸的虛擬演示環(huán)境，配合三維跟蹤器，用戶可以在被投影墻包圍的系統(tǒng)近距離接觸虛擬三維物體，或者隨意漫游“真實(shí)”的虛擬環(huán)境。CAVE系統(tǒng)一般應(yīng)用于高標(biāo)準(zhǔn)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。至紐約大學(xué)94年建立第一套CAVE系統(tǒng)以來，CAVE已經(jīng)在全球超過600所高校、國家科技中心、各研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用。

　　CAVE系統(tǒng)是一種基于多通道視景同步技術(shù)和立體顯示技術(shù)的房間式投影可視協(xié)同環(huán)境，該系統(tǒng)可提供一個(gè)房間大小的最小三面或最大七十面(2004年)立方體投影顯示空間，供多人參與，所有參與者均完全沉浸在一個(gè)被立體投影畫面包圍的高級虛擬仿真環(huán)境中，借助相應(yīng)虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備(如數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器等)，從而獲得一種身臨其境的高分辨率三維立體視聽影像和6自由度交互感受。由于投影面幾能夠覆蓋用戶的所有視野,所以VR-PLATFORM CAVE系統(tǒng)能提供給使用者一種前所未有的帶有震撼性的身臨其境的沉浸感受。

　　(6)智能眼鏡

　　智能眼鏡是一個(gè)非常有創(chuàng)意的產(chǎn)品，可以直接解放大家的雙手，讓大家不需要用手一直拿著設(shè)備，也不需要用手連續(xù)點(diǎn)擊屏幕輸入。智能眼鏡配合自然交互界面，相當(dāng)于現(xiàn)在手持終端的圖像接口，不需要點(diǎn)擊，只需要使用人的本能行為，例如：搖頭晃腦、講話、轉(zhuǎn)眼等，就可以和智能眼鏡進(jìn)行交互。因此，這種方式提高了用戶體驗(yàn)，操作起來更加自然隨心。

　　聲音設(shè)備編輯

　　(1)三維立體聲

　　三維聲音不是立體聲的概念，而是由計(jì)算機(jī)生成的、能由人工設(shè)定聲源在空間中的三維位置的一種合成聲音。這種聲音技術(shù)不僅考慮到人的頭部、軀干對聲音反射所產(chǎn)生的影響，還對人的頭部進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，是虛擬聲音能隨著人的頭部運(yùn)動相應(yīng)的變化，從而能夠得到逼真的三維聽覺效果。

　　(2)語音識別

　　VR的語音識別系統(tǒng)讓計(jì)算機(jī)具備人類的聽覺功能，是人-機(jī)以語言這種人類最自然的方式進(jìn)行信息交換。必須根據(jù)人類的發(fā)生機(jī)理和聽覺機(jī)制，給計(jì)算機(jī)配上“發(fā)聲器官”和“聽覺神經(jīng)”。當(dāng)參與者對微音器說話時(shí)米計(jì)算機(jī)將所說的話轉(zhuǎn)換為命令流，就像從鍵盤輸入命令一樣，在VR系統(tǒng)中，最有力的也是最難的是語音識別。

　　VR系統(tǒng)中的語音識別裝置，主要用于合并其他參與者的感覺道(聽覺道、視覺道)。語音識別系統(tǒng)在大量數(shù)據(jù)輸入時(shí)，可以進(jìn)行處理和調(diào)節(jié)，像人類在工作負(fù)擔(dān)很重的時(shí)候?qū)簳r(shí)關(guān)閉聽覺道一樣。不過在這種情況下，將影響語音識別技術(shù)的正常使用。

　　交互設(shè)備編輯

　　(1)數(shù)據(jù)手套

　　數(shù)據(jù)手套是虛擬仿真中最常用的交互工具。 數(shù)據(jù)手套設(shè)有彎曲傳感器，彎曲傳感器由柔性電路板、力敏元件、彈性封裝材料組成，通過導(dǎo)線連接至信號處理電路;在柔性電路板上設(shè)有至少兩根導(dǎo)線，以力敏材料包覆于柔性電路板大部，再在力敏材料上包覆一層彈性封裝材料，柔性電路板留一端在外，以導(dǎo)線與外電路連接。把人手姿態(tài)準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地傳遞給虛擬環(huán)境，而且能夠把與虛擬物體的接觸信息反饋給操作者。使操作者以更加直接，更加自然，更加有效的方式與虛擬世界進(jìn)行交互，大大增強(qiáng)了互動性和沉浸感。并為操作者提供了一種通用、直接的人機(jī)交互方式，特別適用于需要多自由度手模型對虛擬物體進(jìn)行復(fù)雜操作的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)手套本身不提供與空間位置相關(guān)的信息，必須與位置跟蹤設(shè)備連用。

　　(2)力矩球

　　力矩球(空間求Space Ball)是一種可提供為6自由度的外部輸入設(shè)備，他安裝在一個(gè)小型的固定平臺上。6自由度是指寬度、高度、深度、俯仰角、轉(zhuǎn)動角和偏轉(zhuǎn)角，可以扭轉(zhuǎn)、擠壓、拉伸以及來回?fù)u擺，用來控制虛擬場景做自由漫游，或者控制場景中某個(gè)物體的空間位置機(jī)器方向。力矩球通常使用發(fā)光二極管來測量力。他通過裝在求中心的幾個(gè)張力器測量出手所施加的力，閉關(guān)將其測量值轉(zhuǎn)化為三個(gè)平移運(yùn)動和三個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的值送入計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)根據(jù)這些值來改變其輸出顯示。力矩球在選取對象時(shí)不是很直觀，一般與數(shù)據(jù)手套、立體眼鏡配合使用。3

　　(3)操縱桿

　　操縱桿是一種可以提供前后左右上下6個(gè)自由度及手指按鈕的外部輸入設(shè)備。適合對虛擬飛行等的操作。由于操縱桿采用全數(shù)字化設(shè)計(jì)，所以其精度非常高。無論操作速度多快，他都能快速做出反應(yīng)。

　　操縱桿的優(yōu)點(diǎn)是操作靈活方便，真實(shí)感強(qiáng)，相對于其他設(shè)備來說價(jià)格低廉。缺點(diǎn)是只能用于特殊的環(huán)境，如虛擬飛行。

　　(4)觸覺反饋裝置

　　在VR系統(tǒng)中如果沒有觸覺反饋，當(dāng)用戶接觸到虛擬世界的某一物體時(shí)易使手穿過物體，從而失去真實(shí)感。解決這種問題的有效方法是在用戶交互設(shè)備中增加觸覺反饋。觸覺反饋主要是居于視覺、氣壓感、振動觸感、電子觸感和神經(jīng)肌肉模擬等方法來實(shí)現(xiàn)的。向皮膚反饋可變點(diǎn)脈沖的電子觸感反饋和直接刺激皮層的神經(jīng)肌肉模擬反饋都不太安全，相對而言，氣壓式和振動觸感是是較為安全的觸覺反饋方法。

　　氣壓式觸摸反饋是一種采用小空氣袋作為傳感裝置的。它由雙層手套組成，其中一個(gè)輸入手套來測量力，有20~30個(gè)力敏元件分布在手套的不同位置，當(dāng)使用者在VR系統(tǒng)中產(chǎn)生虛擬接觸的時(shí)候，檢測出手的各個(gè)部位的手里情況。用另一個(gè)輸出手套再現(xiàn)所檢測的壓力，手套上也裝有20~30個(gè)空氣袋放在對應(yīng)的位置，這些小空氣袋由空氣壓縮泵控制其氣壓，并由計(jì)算機(jī)對氣壓值進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)虛擬手物碰觸時(shí)的觸覺感受和手里情況。該方法實(shí)現(xiàn)的觸覺雖然不是非常的逼真，但是已經(jīng)有較好的結(jié)果。

　　振動反饋是用聲音線圈作為振動換能裝置以產(chǎn)生振動的方法。簡單的換能裝置就如同一個(gè)未安裝喇叭的聲音線圈，復(fù)雜的換能器是利用狀態(tài)記憶合金支撐。當(dāng)電流通過這些換能裝置時(shí)，它們都會發(fā)生形變和彎曲?？赡芨鶕?jù)需要把換能器做成各種形狀，把它們安裝在皮膚表面的各個(gè)位置。這樣就能產(chǎn)生對虛擬物體的光滑度、粗糙度的感知。

　　(5)力覺反饋裝置

　　力覺和觸覺實(shí)際是兩種不同的感知，觸覺包括的感知內(nèi)容更加豐富如接觸感、質(zhì)感、紋理感以及溫度感等;力覺感知設(shè)備要求能反饋力的大小和方向，與觸覺反饋裝置相比，力反饋裝置相對成熟一些。目前已經(jīng)有的力反饋裝置有：力量反饋臂，力量反饋操縱桿，筆式六自由度游戲棒等。其主原理是有計(jì)算機(jī)通過里反饋系統(tǒng)對用戶的手、腕、臂等運(yùn)動產(chǎn)生阻力從而使用戶感受到作用力的方向和大小。

　　由于人對力覺感知非常敏感，一般精度的裝置根本無法滿足要求，而研制高精度里反饋裝置又相當(dāng)昂貴，這是人們面臨的難題之一。

　　(6)運(yùn)動捕捉系統(tǒng)

　　在VR系統(tǒng)中為了實(shí)現(xiàn)人與VR系統(tǒng)的交互，必須確定參與者的頭部、手、身體等位置的方向，準(zhǔn)確地跟蹤測量參與者的動作，將這些動作實(shí)時(shí)監(jiān)測出來，以便將這些數(shù)據(jù)反饋給顯示和控制系統(tǒng)。這些工作對VR系統(tǒng)是必不可少的，也正是運(yùn)動捕捉技術(shù)的研究內(nèi)容。

　　到目前為止，常用的運(yùn)動捕捉技術(shù)從原理上說可分為機(jī)械式、聲學(xué)式、電磁式、和光學(xué)式。同時(shí)，不依賴于傳感器而直接識別人體人體特征的運(yùn)動捕捉技術(shù)也將很快進(jìn)入實(shí)用。

　　從技術(shù)角度來看，運(yùn)動捕捉就是要測量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運(yùn)動軌跡。

　　(7)機(jī)械式運(yùn)動捕捉

　　機(jī)械式運(yùn)動捕捉依靠機(jī)械裝置來跟蹤和測量運(yùn)動軌跡。典型的系統(tǒng)由多個(gè)關(guān)節(jié)和剛性連桿組成，在可轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)中裝有角度傳感器，可以測得關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度的變化情況。裝置運(yùn)動是，根據(jù)角度傳感器所測得的角度變化和連桿的昂度，可以得出桿件末端點(diǎn)在空間中的位置和運(yùn)動軌跡。實(shí)際上，裝置上任何一點(diǎn)的軌跡都可以求出，剛性連桿也可以換成長度可變的伸縮桿。

　　機(jī)械式運(yùn)動捕捉的一種應(yīng)用形式是將欲捕捉的運(yùn)動物體與機(jī)械結(jié)構(gòu)相連，物體運(yùn)動帶動機(jī)械裝置，從而被傳感器記錄下來。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是成本低、精度高、可以做到實(shí)時(shí)測量，還可以允許多個(gè)角色同時(shí)表演，但是使用起來非常不方便，機(jī)械結(jié)構(gòu)對表演者的動作的阻礙和限制很大。

　　(8)聲學(xué)運(yùn)動捕捉

　　常用的聲學(xué)捕捉設(shè)備由發(fā)送器、接收器和處理單元組成。發(fā)送器是一個(gè)固定的超聲波發(fā)送器，接收器一般由呈三角形排列的三個(gè)超聲波探頭組成。通過測量聲波從發(fā)送器到接收器的時(shí)間或者相位差，系統(tǒng)可以確定接收器的位置和方向。

　　這類裝置的成本較低，但對運(yùn)動的捕捉有較大的延遲和滯后，實(shí)時(shí)性較差，精度一般不很高，聲源和接收器之間不能有大的遮擋物，受噪聲影響和多次反射等干擾較大。由于空氣中聲波的速度與大氣壓、濕度、溫度有關(guān)，所以必須在算法中做出相應(yīng)的補(bǔ)償。

　　(9)電磁式運(yùn)動捕捉

　　電磁式運(yùn)動捕捉是比較常用的運(yùn)動捕捉設(shè)備。一般由發(fā)射源、接受傳感器和數(shù)據(jù)處理單元組成。發(fā)射源在空間按照一定時(shí)空規(guī)律分布的電磁場;接受傳感器安置在表演者沿著身體的相關(guān)位置，隨著表演者在電磁場中運(yùn)動，通過電纜或者無線方式與數(shù)據(jù)處理單元相連。

　　它對環(huán)境的要求比較嚴(yán)格，在使用場地附近不能有金屬物品，否則會干擾電磁場，影響精度。系統(tǒng)的允許范圍比光學(xué)式要小，特別是電纜對使用者的活動限制比較大，對于比較劇烈的運(yùn)動則不適用。

　　(10)光學(xué)式運(yùn)動捕捉

　　光學(xué)式運(yùn)動捕捉通過對目標(biāo)上特定光點(diǎn)的監(jiān)視和跟蹤來完成運(yùn)動捕捉的任務(wù)。目前常見的光學(xué)式運(yùn)動捕捉大多數(shù)居于計(jì)算機(jī)視覺原理。從理論上說，對于空間中的一個(gè)點(diǎn)，只要他能同時(shí)被兩個(gè)相機(jī)縮減，則根據(jù)同一時(shí)刻兩個(gè)相機(jī)所拍攝的圖像和相機(jī)參數(shù)，可以確定這一時(shí)刻該點(diǎn)在空間中的位置。當(dāng)相機(jī)以足夠高的速率連續(xù)拍攝時(shí)，從圖像序列中就可以得到該店的運(yùn)動軌跡。

　　這種方法的缺點(diǎn)就是價(jià)格昂貴，雖然可以實(shí)時(shí)捕捉運(yùn)動，但后期處理的工作量非常大，對于表演場的光照、反射情況有一定的要求，裝置定標(biāo)也比較繁瑣。

　　(11)數(shù)據(jù)衣

　　在VR系統(tǒng)中比較常用的運(yùn)動捕捉是數(shù)據(jù)衣。數(shù)據(jù)衣為了讓VR系統(tǒng)識別全身運(yùn)動而設(shè)計(jì)的輸入裝置。他是根據(jù)‘數(shù)據(jù)手套’的原理研制出來的，這種衣服裝備著許多觸覺傳感器，穿在身上，衣服里面的傳感器能夠根據(jù)身體的動作探測和跟蹤人體的所有動作。數(shù)據(jù)衣對人體大約50個(gè)不同的關(guān)節(jié)進(jìn)行測量，包括膝蓋、手臂、軀干和腳。通過光電轉(zhuǎn)換，身體的運(yùn)動信息被計(jì)算機(jī)識別，反過來衣服也會反作用在身上產(chǎn)生壓力和摩擦力，使人的感覺更加逼真。

　　和HMD，數(shù)據(jù)手套一樣數(shù)據(jù)衣也有延遲大、分辨率低、作用范圍小、使用不便的缺點(diǎn)，另外數(shù)據(jù)衣還存在著一個(gè)潛在的問題就是人的體型差異比較大。為了檢測全身，不但要檢測肢體的伸張狀況，而且還要檢測肢體的空間位置和方向，這需要許多空間跟蹤器。