虚拟现实的硬件设备概述(PPT 53页)
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虚拟现实技术概述(PPT187页).pptx
基于头盔式显示器的系统
投影式虚拟现实系统
远程存在系统（遥在系统）
增强式虚拟现实系统
分布式虚拟现实系统 网络+虚拟现实
➢虚拟现实系统：
=用户+硬件+虚拟环境 ✓交互性
用户
用户信息 反馈信息
虚拟环境
第二章 虚拟现实系统的硬件
➢用户+硬件+虚拟环境 ✓交互性
用户
用户信息 反馈信息
虚拟环境
化
30m s
跟踪范围
半径<1.6m 的半球形
4～5m3
光学 2mm 0.02mm
1mm
＜ 4～8m3（可 1ms 扩展至14m3）
3
三维位置跟踪器类型
典型输入输出装置：
➢三维跟踪传感设备 ➢立体鼠标 ➢传感手套 ➢数据衣 ➢立体显示器 ➢触觉和力觉反馈装置 ➢3-D声音生成器
1、三维位置跟踪器
跟踪器的作用：
获得移动对象的位置和方向信息；
应用：
航行、导弹、CG艺术、交通、 GPS等
VR：
高精度、快速、测量范围小
跟踪器：跟踪身体
身体跟踪：VR系统感知参与者位置和动作； ✓身体姿态与手势； ✓跟踪头部：头的朝向，影响绘制场景 ✓手和手指：手提供了与世界交互的方法
注意：
延迟的原因在于：跟踪器对移动对象的运 动总是滞后的。
系统延迟＝测量延迟＋通信延迟＋绘制与 显示延迟
导致HMD的运动与用户看到的虚拟场景的 运动之间有很大的时间迟滞
对于使用者来说，一方面沉浸感降低，另 一方面导致“仿真病”。
降低延迟的方法：
1.同步锁相：让跟踪器和通信的周期 与显示的周期同步。
2.使用高速通信线路 3.提高跟踪器的采样率（更新率）
虚拟现实系统的硬件设备
无线通信设备
功能：实现虚拟现实系统与外部设 备的无线通信
应用场景：虚拟现实游戏、虚拟现 实教育、虚拟现实医疗等
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
设备类型：蓝牙、Wi-Fi、ZigBee 等
发展趋势：高速、低功耗、高稳定 性、高安全性
数据线和其他连接设备
数据线：用于连接虚拟现实设备和计算机，传输数据 耳机：用于提供沉浸式音效体验 控制器：用于控制虚拟现实环境中的物体和操作 手套：用于捕捉手部动作，实现更真实的交互体验
耳机：提供立体声效果，增强沉浸感 麦克风：用于语音识别和交互 扬声器：提供声音输出，增强沉浸感 音频处理芯片：负责音频信号的处理和输出
传感器
作用：感知用 户头部运动， 实现虚拟现实 中的视角变化
类型：加速度 传感器、陀螺 仪、磁力计等
精度：影响虚 拟现实体验的 流畅性和真实
感
技术挑战：提 高传感器精度、 降低功耗、减
技术：包括计算 机视觉、机器学 习等
全向跑步机
功能：提供全方 位移动体验，模 拟真实跑步环境
特点：可调节速 度、坡度，适应 不同运动需求
应用：广泛应用 于虚拟现实游戏、 健身等领域
技术：采用先进 的传感器和电机 技术，实现精确 控制和实时反馈
座椅和摇杆控制器
座椅：提供舒适的坐姿，支持多角度调节 摇杆控制器：用于控制虚拟现实中的角色或物体，提供精确的控制 功能：支持多种游戏和软件，提供沉浸式体验 技术：采用先进的传感器和算法，实现精确的控制和反馈
控制器跟踪设备
跟踪设备：用于跟踪控制器的位置和运动 跟踪技术：包括光学跟踪、惯性跟踪、超声波跟踪等 跟踪精度：影响虚拟现实体验的重要因素 跟踪范围：控制器在虚拟现实环境中的可移动范围
虚拟现实概述(PPT 43页)
虚拟现实（VR）
{
一、虚拟现实技术的产生与发展
1961年，美国科学家 海里戈提出了构建虚 拟布鲁克林城的构想， 他希望观众可以通过 他设计的系统体验漫 步在布鲁克林城市街 道上的感受。是最早 看到虚拟现实技术前 景的人。
虚拟现实的概念来自萨瑟兰的“终极显示”。
1965年，萨瑟兰在一篇论文中提出了“终极显示”的概 念：认为可以把计算机显示器作为通往虚拟世界的窗口。
各种人体感宫可以感觉到的刺激。常用的虚拟现实 系统输出设备有头戴式显示器和声音发生器。
2．虚拟现实系统的软件
虚拟现实系统的软件用来进行境界构造，包括建模 和绘制对象，给这些对象指定行为，提供交互性和编 程。虚拟现实软件可分为工具包和创作工具。
工具包即程序库，一般用C或C＋＋等编制，利用 它所提供的函数集合，熟练的程序员可以生成具体的 虚拟现实系统应用。VRML就是这样一个程序库。创作 工具是带有图形用户界面的完整软件，通过创作工具 只需简单编程就可生成虚拟境界。程序库一般比创作 工具更灵活，绘制速度更快，但需要丰富的编程经验 。
桌面式VR系统仅使用个人计算机和低级工作站来产生三维空间 的交互场景。它把计算机的屏幕作为用户观察虚拟环境的一个窗 口，参与者需要使用手拿输入设备或位置跟踪器来驾驭虚拟环境 和操纵虚拟场景中的各种物体。
在桌面VR系统中，参与者虽然坐在监视器前面，但可以通过计 算机屏幕观察360°范围内的虚拟环境；可以通过交互操作，使 虚拟环境的物体平移和旋转，以便从各个方向观看物体，也可以 利用“through walk”进入功能在虚拟环境中浏览。但参与者并 没有完全沉浸，他仍然会受到周围现实环境的干扰。
（4）人机交互设备
应用手势、体势、眼神以及自然语言的人机交互设备， 常见的有数据手套、数据衣服（带传感器的衣服）、眼球跟 踪器以及语音综合和识别装置。
{
一、虚拟现实技术的产生与发展
1961年，美国科学家 海里戈提出了构建虚 拟布鲁克林城的构想， 他希望观众可以通过 他设计的系统体验漫 步在布鲁克林城市街 道上的感受。是最早 看到虚拟现实技术前 景的人。
虚拟现实的概念来自萨瑟兰的“终极显示”。
1965年，萨瑟兰在一篇论文中提出了“终极显示”的概 念：认为可以把计算机显示器作为通往虚拟世界的窗口。
各种人体感宫可以感觉到的刺激。常用的虚拟现实 系统输出设备有头戴式显示器和声音发生器。
2．虚拟现实系统的软件
虚拟现实系统的软件用来进行境界构造，包括建模 和绘制对象，给这些对象指定行为，提供交互性和编 程。虚拟现实软件可分为工具包和创作工具。
工具包即程序库，一般用C或C＋＋等编制，利用 它所提供的函数集合，熟练的程序员可以生成具体的 虚拟现实系统应用。VRML就是这样一个程序库。创作 工具是带有图形用户界面的完整软件，通过创作工具 只需简单编程就可生成虚拟境界。程序库一般比创作 工具更灵活，绘制速度更快，但需要丰富的编程经验 。
桌面式VR系统仅使用个人计算机和低级工作站来产生三维空间 的交互场景。它把计算机的屏幕作为用户观察虚拟环境的一个窗 口，参与者需要使用手拿输入设备或位置跟踪器来驾驭虚拟环境 和操纵虚拟场景中的各种物体。
在桌面VR系统中，参与者虽然坐在监视器前面，但可以通过计 算机屏幕观察360°范围内的虚拟环境；可以通过交互操作，使 虚拟环境的物体平移和旋转，以便从各个方向观看物体，也可以 利用“through walk”进入功能在虚拟环境中浏览。但参与者并 没有完全沉浸，他仍然会受到周围现实环境的干扰。
（4）人机交互设备
应用手势、体势、眼神以及自然语言的人机交互设备， 常见的有数据手套、数据衣服（带传感器的衣服）、眼球跟 踪器以及语音综合和识别装置。
《vr虚拟现实》课件
解决方案
通过不断的技术创新和研发，提 高VR设备的硬件性能，优化软件 算法，以解决技术瓶颈问题。
用户体验与设计
用户体验
良好的用户体验是VR技术发展的关 键，包括舒适度、交互自然性、视觉 真实感等方面。
设计原则
遵循人体工学和心理学原理，注重用 户需求和习惯，提高VR产品的易用性 和舒适性。
内容创新与制作
声音设备
耳机
提供立体声音频，增强虚拟世 界的真实感。
麦克风
用于语音交互和语音识别，实 现语音控制和交流。
音效和音质
音效和音质对营造虚拟环境的 氛围和沉浸感至关重要。
舒适度
耳机和麦克风的舒适度也是重 要的考量因素，长时间使用不
易疲劳。
其他设备
数据线和其他连接设备
兼容性和扩展性
为了确保稳定的图像和声音传输，需 要高质量的数据线和连接设备。
02
03
04
控制器
用于用户与虚拟世界进行交互 的设备，如手柄、手套等。
定位器
通过接收器和传感器，精确追 踪用户的动作和位置，实现真
实与虚拟的交互。
精确度和响应速度
控制器和定位器的精确度和响 应速度影响用户体验的真实感
和交互性。
舒适度和易用性
设备舒适度和易用性也是重要 的考量因素，方便用户操作和
携带。
02
它通过模拟人的视觉、听觉、触 觉等感官感受，使用户仿佛身临 其境地置身于一个三维的虚拟环 境中，与虚拟世界进行互动。
VR虚拟现实发展历程
01
02
03
1950年代
科幻小说家首次提出虚拟 现实概念。
1980年代
VR开始进入商业化应用， 推出了一些VR设备和游戏 。
通过不断的技术创新和研发，提 高VR设备的硬件性能，优化软件 算法，以解决技术瓶颈问题。
用户体验与设计
用户体验
良好的用户体验是VR技术发展的关 键，包括舒适度、交互自然性、视觉 真实感等方面。
设计原则
遵循人体工学和心理学原理，注重用 户需求和习惯，提高VR产品的易用性 和舒适性。
内容创新与制作
声音设备
耳机
提供立体声音频，增强虚拟世 界的真实感。
麦克风
用于语音交互和语音识别，实 现语音控制和交流。
音效和音质
音效和音质对营造虚拟环境的 氛围和沉浸感至关重要。
舒适度
耳机和麦克风的舒适度也是重 要的考量因素，长时间使用不
易疲劳。
其他设备
数据线和其他连接设备
兼容性和扩展性
为了确保稳定的图像和声音传输，需 要高质量的数据线和连接设备。
02
03
04
控制器
用于用户与虚拟世界进行交互 的设备，如手柄、手套等。
定位器
通过接收器和传感器，精确追 踪用户的动作和位置，实现真
实与虚拟的交互。
精确度和响应速度
控制器和定位器的精确度和响 应速度影响用户体验的真实感
和交互性。
舒适度和易用性
设备舒适度和易用性也是重要 的考量因素，方便用户操作和
携带。
02
它通过模拟人的视觉、听觉、触 觉等感官感受，使用户仿佛身临 其境地置身于一个三维的虚拟环 境中，与虚拟世界进行互动。
VR虚拟现实发展历程
01
02
03
1950年代
科幻小说家首次提出虚拟 现实概念。
1980年代
VR开始进入商业化应用， 推出了一些VR设备和游戏 。
虚拟现实简介 PPT
什么是AR？
• 增强现实（Augmented Reality，简称AR） • 它通过电脑技术，将虚拟的信息应用到真 实世界，真实的环境和虚拟的物体实时地 叠加到了同一个画面或空间同时存在。像 钢铁侠电影里的技术就是AR的一种。 • AR=真实世界 + 数字化信息
• 设备代表: HoloLens（微软出品）
￥3600
SAMSUNG
• 三星和Facebook联合推出了一款全新的 Gear VR虚拟现实头盔，用户通过Micro USB接口将智能手机连接到头盔上，观看视 频时就可以实现穿越时空，身临其境。
谷歌纸板！
$25
山寨版￥16
说了大半天，到底VR、AR、
MR说的是什么鬼呢？
什么是VR？
• Microsoft HoloLens
• Microsoft HoloLens全息眼镜由Microsoft 公司于北京时 间2015年1月22日凌晨与Window10同时发布。 • 可以投射新闻信息流，收看视频，查看天气，辅助3d建 模，协助模拟登录火星场景，模拟游戏。
• 很成功地将虚拟和现实结合起来，并实现了更佳的互动性。 使用者可以很轻松地在现实场景中辨别出虚拟图像，并对 其发号施令。
• 其次是旅行，没有时间和经费旅行时，可 以跨空间体验祖国山河，风景名胜，跨时 空参加演唱会、欣赏艺术展......将来的业余 生活将更加丰富多彩。
• 3、改变我们的工作模 • 将来，我们工作、生活面对的屏幕界面将不局限于某 个设备（电脑，手机，pad，手表），整个世界都是 你的屏幕 • 我们能够看到界面不一定是二维的平面，可以是曲面， 也可以是三维的空间。 • 在使用电子产品时，我们可以依赖人眼轨迹，人眼聚 焦，身体动作与界面的交互，而不再是鼠标或手指与 屏幕的交互。 • 今后的办公，也不需要一直坐在办公桌前对着电脑， 我们可以使用任何VR版的应用，随时随地进行办公。 • 今后的会议，我们也可以随时随地，有想法，就开会。
虚拟现实技术所需的硬件设备和软件环境
虚拟现实技术所需的硬件设备和软件环境虚拟现实（Virtual Reality, VR）是一种模拟真实情景的技术，通过计算机生成的环境，使用户可以身临其境地与虚拟世界进行交互。
虚拟现实技术的发展已经取得了显著进展，并且在各种领域如游戏、医疗、培训、建筑等得到广泛应用。
实现虚拟现实技术需要一系列硬件设备和软件环境的支持。
一、硬件设备1.头戴式显示器（Head-mounted Display，HMD）：HMD是使用虚拟现实技术的必备设备。
它是一种戴在头部上，从而将计算机生成的图像投射到用户的眼睛中的显示器。
通过HMD，用户能够看到虚拟环境中的图像和内容，从而获得身临其境的体验。
目前市场上常见的HMD设备有Oculus Rift、HTC Vive、Sony PlayStation VR等。
2.跟踪系统（Tracking System）：虚拟现实技术需要对用户的头部和手部进行跟踪，以便在虚拟环境中实现交互。
跟踪系统可以通过传感器探测用户的移动，从而实时更新虚拟环境中的相应内容。
常见的跟踪系统有基于摄像头的光学跟踪系统和基于惯性传感器的惯性导航系统。
3.控制器（Controller）：控制器是实现虚拟现实交互的关键设备。
用户可以通过控制器操作虚拟环境中的物体、进行手势识别和用户输入等操作。
常见的控制器有手柄、手套、手势识别设备等，可提供多种方式的交互体验。
4.计算机或游戏主机：为了实现复杂的图像处理和运算，虚拟现实技术需要强大的计算性能。
目前，高端的虚拟现实系统需要配备一台高性能的计算机或游戏主机，以满足对图像渲染和数据处理的要求。
5.声音系统：声音是虚拟现实中重要的感官体验之一。
为了提供真实的声音效果，虚拟现实技术需要配备适当的声音系统，如耳机或扬声器。
通过立体声效果和定位，虚拟现实技术可以为用户提供身临其境的听觉体验。
二、软件环境1.虚拟现实软件平台：虚拟现实软件平台是虚拟现实技术的核心软件，用于创建和渲染虚拟环境，并将用户的输入与虚拟环境进行交互。
虚拟现实技术系统的硬件组成详解-精
演示
虚拟现实系统的硬件组成
感知设备
功能: 将VR系统各类感知模型转变为人能接受的 多通道刺激信号的设备。 感知包括：视、听、触、嗅、味觉等多种通道。 视觉感知设备：立体宽视场图形显示器（沉浸式和非沉浸式 ）；
沉浸式 非沉浸式
头盔显示器（HMD） 吊杆式（Boom） 洞穴式(CAVE) 桌面立体显示器 墙式立体显示器
小、形状、距
全身运动 聚焦、扫瞄
离、位置、颜色
虚拟现实系统的硬件组成
人类感官感知的激励
❖人类感官感知的计算机及虚拟现实设备输出信息
▪ 实时的三维计算机图形图像； ▪ 实时的三维虚拟声； ▪ 触觉、力觉反馈； ▪ 参与者感受的动感； ▪ 其它感知（如嗅觉等）。
虚拟现实系统的硬件组成
❖ 视觉子系统：视觉子系统利用双眼视觉的微小视 差，获得深度感知，它的典型传感器是立体显示 器，如现在市面上流行的头盔显示器（HMD） 和支架式显示器（BOOM）。立体显示器是虚拟 现实系统的重要组成部分，是使参与者沉浸于虚 拟世界的主要的交互手段。
虚拟现实系统的硬件组成
❖ 感知与行为系统概念模型 ❖ 人类是通过视觉/听觉/触觉/嗅觉等感官来感知外
界环境及变化的，他们用眼看/用耳听/用手模/用 嘴尝等方式与环境交互。因此，在感知系统的概 念模型中，Gibson把感知系统划分成方向/听觉/ 触觉/嗅觉及视觉等6个子系统，并分别列出了这 些子系统的行为方式/接受单元/器官模拟/器官行 为/刺激元及外部信息。
虚拟现实系统的硬件组成
触觉/力感反馈系统
❖ Pairick在进行人类因素实验来检测它的反馈系统时 发现，在简单的双指活动场景中，将触觉反馈和视 频显示综合起来，其感知性能比仅使用视频显示要 提高10%；当视频失效时（模拟低能见度），附加 触觉反馈则会使感知性能提高30%。
虚拟现实系统的硬件组成
感知设备
功能: 将VR系统各类感知模型转变为人能接受的 多通道刺激信号的设备。 感知包括：视、听、触、嗅、味觉等多种通道。 视觉感知设备：立体宽视场图形显示器（沉浸式和非沉浸式 ）；
沉浸式 非沉浸式
头盔显示器（HMD） 吊杆式（Boom） 洞穴式(CAVE) 桌面立体显示器 墙式立体显示器
小、形状、距
全身运动 聚焦、扫瞄
离、位置、颜色
虚拟现实系统的硬件组成
人类感官感知的激励
❖人类感官感知的计算机及虚拟现实设备输出信息
▪ 实时的三维计算机图形图像； ▪ 实时的三维虚拟声； ▪ 触觉、力觉反馈； ▪ 参与者感受的动感； ▪ 其它感知（如嗅觉等）。
虚拟现实系统的硬件组成
❖ 视觉子系统：视觉子系统利用双眼视觉的微小视 差，获得深度感知，它的典型传感器是立体显示 器，如现在市面上流行的头盔显示器（HMD） 和支架式显示器（BOOM）。立体显示器是虚拟 现实系统的重要组成部分，是使参与者沉浸于虚 拟世界的主要的交互手段。
虚拟现实系统的硬件组成
❖ 感知与行为系统概念模型 ❖ 人类是通过视觉/听觉/触觉/嗅觉等感官来感知外
界环境及变化的，他们用眼看/用耳听/用手模/用 嘴尝等方式与环境交互。因此，在感知系统的概 念模型中，Gibson把感知系统划分成方向/听觉/ 触觉/嗅觉及视觉等6个子系统，并分别列出了这 些子系统的行为方式/接受单元/器官模拟/器官行 为/刺激元及外部信息。
虚拟现实系统的硬件组成
触觉/力感反馈系统
❖ Pairick在进行人类因素实验来检测它的反馈系统时 发现，在简单的双指活动场景中，将触觉反馈和视 频显示综合起来，其感知性能比仅使用视频显示要 提高10%；当视频失效时（模拟低能见度），附加 触觉反馈则会使感知性能提高30%。
虚拟现实技术概述(PPT41页).pptx
有关虚拟现实技术的研究。如，1984年，NASA Ames研究中心虚拟行星探测实验室将火星探测器发回的 数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维 虚拟环境。 90年代，计算机软硬件的发展为虚拟现实系统的发展打 下了的基础。1993年11月，宇航员利用虚拟现实系统 成功地完成了从飞机的运输舱内取出望远镜面板的工作。 再如，用虚拟现实技术设计波音777获得成功。
二、虚拟现实的发展简史
1965年，Sutherland在《终极的显示》中首次提出虚 拟现实系统的基本思想。
1966年，MIT的林肯实验室开始头盔式显示器研制。 70年代出现第一个功能较齐全的HMD系统。 80年代初正式提出了“Virtual Reality”一词 80年代，美国宇航局（NASA）及国防部组织了一系列
三、常见的桌面虚拟现实技术
基于静态图像的虚拟现实技术☆ 采用连续拍摄的图像和视频，在计算机中拼接建立实景化
虚拟空间 VRML（虚拟现实造型语言）☆ 采用描述性的文本语言描述基本的三维物体的造型，通过
一定的控制，将这些基本的三维造型组合成虚拟场景，当 浏览器浏览这些文本描述信息时，在本地进行解释执行， 生成虚拟的三维场景。 桌面CAD（computer associated design计算机辅 助设计）系统 利用桌面三维图形绘制技术对虚拟世界进行建模，通过计 算机的显示器进行观察，并能自由地控制视点和视角。
医学 医生远程做手术
培训 汽车驾驶模拟训练，大型飞机驾驶模拟
娱乐
虚拟房地产推销
大型工程漫游
光学虚拟实验室
五、虚拟现实系统的发展趋势
桌面虚拟现实系统
虚拟现实系统有如下几种，在这里主要介绍桌面虚拟现实系统
一、什么是桌面虚拟现实系统？
二、虚拟现实的发展简史
1965年，Sutherland在《终极的显示》中首次提出虚 拟现实系统的基本思想。
1966年，MIT的林肯实验室开始头盔式显示器研制。 70年代出现第一个功能较齐全的HMD系统。 80年代初正式提出了“Virtual Reality”一词 80年代，美国宇航局（NASA）及国防部组织了一系列
三、常见的桌面虚拟现实技术
基于静态图像的虚拟现实技术☆ 采用连续拍摄的图像和视频，在计算机中拼接建立实景化
虚拟空间 VRML（虚拟现实造型语言）☆ 采用描述性的文本语言描述基本的三维物体的造型，通过
一定的控制，将这些基本的三维造型组合成虚拟场景，当 浏览器浏览这些文本描述信息时，在本地进行解释执行， 生成虚拟的三维场景。 桌面CAD（computer associated design计算机辅 助设计）系统 利用桌面三维图形绘制技术对虚拟世界进行建模，通过计 算机的显示器进行观察，并能自由地控制视点和视角。
医学 医生远程做手术
培训 汽车驾驶模拟训练，大型飞机驾驶模拟
娱乐
虚拟房地产推销
大型工程漫游
光学虚拟实验室
五、虚拟现实系统的发展趋势
桌面虚拟现实系统
虚拟现实系统有如下几种，在这里主要介绍桌面虚拟现实系统
一、什么是桌面虚拟现实系统？