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1 虚拟现实技术基础

虚拟现实（VR）是指一种能够使受试者置于到不同的环境中，而不用物理地移动他/她的技术。为此目的，要通过操作输入到被检体中感觉器官这样的方式，即感知的环境是与所需虚拟环境（VE）相关联的，而不是物理环境。该操作过程是由一个基于的VE物理描述的计算机模型控制。因此，该技术能够创建几乎任何可以感知的环境。

沉浸在虚拟现实系统中是一个关键问题，因为它的一个中心问题是使用户成为模拟世界的一部分，而不是模拟世界成为用户自己世界的一部分。

通过真实硬件和虚拟图像的精巧组合，第一个“沉浸式虚拟现实系统”在飞行模拟器上已经完成。

“沉浸”一词是描述一种可以实现不同程度场景的技术。关于虚拟环境一个必要条件是埃利斯的概念[1]，即保持至少一个感官（通常是视觉）。例如，一个具有广角视野的头戴式显示器，至少头跟踪是必不可少的。沉浸程度的增加是通过增加了额外的感官，且有一致的方式，像更大程度的身体跟踪，更丰富的身体陈述，减少身体运动和感官数据变化的滞后，等等。

阿斯特海默[2]定义为一个虚拟用户他的虚拟环境是真实的沉浸感。类似于图灵的人工智能定义：如果用户不知道，哪个是“真实”，哪个是“虚拟”，那么计算机产生的那个场景就让人身临其境。高度的沉浸感相当于一个真实的虚拟。必须满足几个条件来实现这一点：最重要的似乎是反馈滞后，二是一个广泛的视角。显示器也应该是立体的，所以通常是头戴式显示器。在这里低分辨率显示似乎是不太重要的。

根据斯莱特[3]，一种身临其境的虚拟环境（IVE）可能让参与者有参与这种经历的存在感。基于技术所建立的身临其境的基础上，存在是自然环境中心里感官认知的“在那里”。然而，任何给定的沉浸式系统并不一定总是带给所有人存在感。我们的日常生活中存在是如此的重要，使它难以被定义。但它确实是有意义的，认为否定存在感就好比缺失的位置，这样的“不存在”是等同与无，对于存在自我的感觉是在不断变化的。

2 虚拟设备

2.1 磁定位/定向追踪

记录位置和方向的主要途径：就是利用由Polhemus和Ascension Technology公司制造的磁跟踪装置。本质上，一个传感器检测一个发射源所产生的一个低频磁场。

例如，Polhemus公司的STAR*TRAKreg;是一个长程动作捕捉系统，可以在无线模式（完全自由的接口电缆）或者一个普通的连接电缆。该系统可以在任何工作室空间中运作无论在环境中是否有金属，可以直接安置在工作室地板上。 ULTRATRAKreg; PRO是一种全身运动捕捉系统，它还是专门为表演动画开发的第一个解决方案。 ULTRATRAKreg; PRO可以大面积跟踪几乎无限数量的接收机。 FASTRAK，一个屡获殊荣的高精度，低延迟的三维运动跟踪和数字化系统。 FASTRAK可以在高达10英尺范围跟踪多达四个接收器。多个FASTRAK可以复用于需要多于四个接收器的应用程序中。

Ascension Technologies生产几种不同类型的跟踪系统，包括专用跟踪系统，无线位置跟踪系统，鸟群系统。

无线位置跟踪系统是第一个摆脱电缆束缚并能自由设置执行器的磁跟踪装置。为远程处理，每个执行器的运动数据现在通过空气传输到一个基站。我们结合世界著名的无线跟踪系统 DC磁性跟踪器拥有最好的无线技术提供给实时不受限制的动作捕捉。这绝对不会影响性能。扭曲，翻转，并不会丢失数据或打结。

专用MotionStarreg;是为角色动画设计的运动捕捉跟踪器。它能同时捕捉高达120接收器在远距离的运动并且没有金属失真。每个接收机被跟踪高达每秒144次，通过瞬时反馈装置捕获和过滤快速复杂的运动。采用单机架安装底盘，每套20个接收器。

Flock of Birdsreg;是一个具有六个自由度（6DOF）同时跟踪的模块化跟踪器，能在plusmn;4英尺的指定范围内跟踪一个或多个接收器（目标）的位置和方位。运动被追踪精确到0.5度0.07英寸和频率144Hz。群体采用脉冲直流磁场，以尽量减少金属附近的扭曲效应。由于同步跟踪，即使多目标跟踪也能快速更新率和产生最小的滞后。专为虚拟现实游戏，模拟，动画和可视化设计头部和手部跟踪。

数据手套

手感应设备必须能感受手指的弯曲角度和手腕实时的位置和方向这两个方面。第一个商业化的DataGlovereg;是从VPL数据手套研究而来。DataGlovereg;（图1）由一个轻质尼龙手套和安装在其手指的光学传感器组成。

在其基本配置中，传感器测量拇指关节和其他四个手指下中指关节的弯曲角度，并且DataGlovereg;可以拓展到测量手指之间的外展角度。每个传感器都是一端发光二极管（LED）和另一端光电晶体管的长度较短的光纤电缆。当电缆被弯曲，一些LED的光被丢失，所以较少的光被光电晶体管接收。附在后面的是一个Polhemus公司的测量位置和方向的手套式传感器。这一信息，和指关节的十个弯曲角度一起通过串行通信线被发送到主计算机。

图1. DataGlovereg;

CyberGlovereg;的虚拟技术是一种可以精确和重复测量手指和手腕的位置和方向的轻量级手套式灵敏型传感器。 18型传感器典型特征是每个手指上有两个弯曲传感器，四个外展传感器，再加上测量大拇指交叉，掌心拱，屈腕和手腕外展的传感器。许多应用需要测量空间中前臂的位置和方向。要做到这一点，装备Polhemus和Ascension公司供应的六自由度跟踪传感器可用于手套护腕。

3D鼠标和SpaceBallreg;

一些人曾试图将鼠标的概念扩展到3-D。Ware及Jessome[4]描述了一种6D鼠标，称为蝙蝠，基于Polhemus的跟踪器之上。

图2. 罗技3D鼠标

罗技3D鼠标（图2）是基于一个超声波位置参考的阵列，它是一个三角形位置设置三个超声波扬声器的三角架，从每个三角发射器发射超声波的声音信号。这些被用来跟踪接收机位置，方向和运动。它提供了6个自由度的比例输出：X，Y，Z，俯仰，偏航和滚动。

空间系统被设计成一个6自由度的交互输入设备称为SpaceBallreg;。这实质上是一个“力”敏装置，涉及的力和力矩作用于安装在球顶部的装置上。这些力和力矩向量被实时发送到计算机，那里它们将被解释并且可能会复合成可被应用到对象的齐次变换矩阵。用户可以控制SpaceBallreg;的灵敏度，并且可以根据当前正在操纵对象的比例或距离来调节一个小面板上的按钮。其他的按钮用于过滤传入的力量来限制或停止对象的转换或旋转。图3展示了一个SpaceBallreg;。

图3. SpaceBallreg;

MIDI键盘

MIDI键盘已被首先设计用于音乐输入，但它提供了在同一时间进入多维数据的一个更一般的方式。尤其是，它是用于在实时动画系统控制大量自由度的一个很好的工具。 MIDI键盘控制器有88个键，其中任何一个都可以在一秒的时间内击中。按下键后的各键发送击键的速度以及压力信息。

快门眼镜

双眼视力极大地增强视觉深度感知。立体显示器像美国硅图公司工作站的StereoViewreg;选项可提供高分辨率立体实时互动。StereoViewreg;包括两个项目，分别是特别设计的眼镜和一个红外线发射器。快门开闭与交替呈现在左和右眼视网膜上相协调每1/120秒交替地打开和关闭——说明每只眼睛有效刷新频率为60Hz。红外发射器发射的左/右信号从IRIS工作站发送到无线眼镜上使LCS快门锁定在左/右交替的图像显示上。结果，每个眼睛看到唯一图像然后大脑将两种图像合成立体画面。

头戴式显示器

大多数头戴式显示器（HMD）系统目前有丰富的3D头部运动视差角度和立体影像。他们的目的是充分利用人类双眼视觉功能，并呈现以下特点：

• 有两个小液晶彩色屏幕的头饰，每个光学引导一个眼，为双眼视力。
• 在屏幕前的特殊光学系统，为宽视场。
• 用户头部实时精确定位的跟踪系统（Polhemus公司或Ascension公司）。

图4展示了HMD的使用。

图4.头戴式显示器

一个光学模型要求描述一个HMD创建正确立体图像的计算必要过程，表明这个系统参数需要被测量并纳入模型中。实现立体效应，非线性光学畸变必须通过预校正功能修正屏幕上的所有像素映射。线性基本图形，如线和多边形写入虚拟屏幕图像缓冲区，然后所有的像素被移位根据预失真函数并写入到用于显示的屏幕图像缓冲器。预失真函数是用于光学领域的失真函数的反函数，使得由眼睛看到的虚像和虚拟屏幕缓冲器中的图像相匹配。一条直线在虚像缓冲器中预失真成曲线到显示屏幕上，这是由光学扭曲而被看作是直线的曲线。

cave （显示系统）

CAVE（TM）是一个多个人，超大型，高分辨率，3D视频和音频的环境。它是在伊利诺伊大学开发，通过金字塔系统公司商业销售。

目前，四台投影机是用来投掷全彩影像，计算机生成的图像在三面墙壁和地板（该软件可以支持6墙CAVE。）CAVE软件同步所有设备并计算到每个墙壁正确的角度。在当前的配置下，一个拥有两个无限现实引擎的Rack Onyx被用于创建四壁图像。

在CAVE里的所有的观点都是从用户的角度来计算。头部跟踪器提供有关用户的位置信息。图像偏移量适用于每只眼睛。为体验到这种立体效果，用户佩戴交替地遮挡左眼和右眼的活动立体眼镜。

实时视频输入

现在视频输入是许多工作站的标准工具。然而，它通常需要很长的时间（几秒钟）来获得一个完整的画面，这使得工具无法用于实时交互。在虚拟现实需要实时交互，图像应该是在传统的视频帧速下数字化。其中一个这样做的可能是Silicon Graphics公司的SIRIUS reg;显卡。SIRIUS reg;中，图像数字化的频率是在25赫兹（PAL）或30赫兹（NTSC），并且可以通过在VR程序进行分析。

实时音频输入

音频输入也可以被认为是一种交互的方式。然而，它通常意味着一个实时语音的识别和自然语言的处理。

在虚拟现实环境中语音合成设备有明确效用，尤其是对命令的反馈。虽然语音合成软件在当前计算机的水平也是可行的，但仍然需要一些改进，尤其是在语音的质量方面。

相当数量的工作也已在语音识别系统的领域进行，现在商业系统也可应用。但他们仍然是昂贵的，尤其是系统识别人还有口音。此外，系统需要一个训练过程保证每个用户的使用。同时，用户必须小心在每一个不自然的字留下有明显的差距。

2.2触觉界面和触觉反馈VE应用

VE应用的最新发展增强了用户与虚拟环境交互的问题。根据提供的抓取对象到手掌有限位移的运动结果，操作程序包括用手指抓取的对象和移动他们。然后在VE中上述程序的现实控制意味着人机界面系统是能够记录人手（手指的动作和手的总运动）的运动，还能复制其过程，对于人的手，虚拟力是虚拟手和虚拟对象之间检测接触时发生的接触条件。因此手运动的记录和接触力复制代表接口系统的两个主要功能。目前，虽然跟踪系统和手套型高级接口的几个实例是可用于手和手指动作的记录，力和触觉反馈系统的设计中仍然存在方法以及技术的问题。如我们考虑到例子，抓握一个杯，有两个主要的结果：

• 虚拟现实用户可以伸手抓住杯子，但不会感到接触杯的感觉
• 没有什么可以阻止继续把握时穿过杯子的表面！

提供触觉反馈装置意味着通过皮肤提供一些反馈。这可能是在手套的表面下，结合振动结节的手套。这是虚拟技术的CyberTouch reg;应用。CyberTouch reg;（图5）。给出了具有每个手指的小型振动触觉刺激和CyberGlove reg;手掌触觉反馈。每个激励器可以单独编程以改变触摸感觉的强度。激励器的阵列可产生简单的感觉如脉冲或持续的振动，并且可以组合使用，以产生复杂的触觉反馈模式。软件开发人员可以自己设计致动配置文件，以实现所需的触觉，包括在模拟虚拟世界触摸的固体对象的感知。这不是触摸的逼真模拟，但是它至少提供表面接触的一些方向。

图5.使用的CyberTouch reg;

EXOS也纳入了触觉反馈装置（Touchmasterreg;）在他们的灵巧手主人那。它是基于一个低成本音圈振荡器。另一种方法包括在手套充气泡沫，可从液体下电荷和记忆金属变成固态物质。该Teletactreg;手套通过在手套中使用30个充气气袋提供低分辨率的触觉反馈。

提供了一种手段来执行物理约束，也模拟了可以发生在远程操作环境中的力。有些可以提供力反馈的设备已建成。

腹腔镜脉冲引擎是专门为腹腔镜的VR仿真内镜外科手术设计了一个3-D的人机界面。它允许用户挥动实际外科手术工具和操纵它们作为执行真实手术的程序。该设备允许计算机跟踪虚拟手术器械的微妙运动，同时还允许所述计算机命令逼真的虚拟力传递到使用者的手。最终的结果是可以创造的医疗程序，不仅看起来是真实的VR模拟，实际上也真正感受到的人机界面！

脉冲引擎2000是一个力回馈摇杆，它准确地跟踪两个自由度的运动，并通过操纵杆手柄产生精确力反馈的感觉。脉冲引擎2000可以逼真地模拟表面，纹理，弹簧，液体，重力场，弹跳球，生物材料，或者你可以用数学代表任何其他物理感觉。该脉冲引擎是一种具有低惯性，低摩擦和高带宽的科研质量力反馈接口。

PHANTOMreg;装置被设计允许用户将他或她的手指插入顶针与计算机交互。对于更复杂的应用程序，多个手指可以同时使用或其他设备诸如触笔或工具手柄可取代顶针。所述PHANTOMreg;装置提供3个自由度的力反馈，和选择用于测量3个附加的自由度。<!--

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