第二章虚拟现实系统的硬件设备24
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
在虚拟现实系统中，显
2.1.2 三维定位跟踪设备
示设备或交互设备都必 须配备跟踪定位设备。
o 三维定位跟踪设备：检测位置与方位，并将其数据 报告给虚拟现实系统。
o 在虚拟现实系统中最常见的应用是跟踪用户的头部 位置与方位来确定用户的视点与视线方向，而视点 位置与视线方向是确定虚拟世界场景显示的关键。
第二章虚拟现实系统的 硬件设备24
2020/12/10
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.1 虚拟现实系统的输入设备
输入设备分为两类： o 基于自然的交互设备，用于对虚拟世界信息
的输入 o 三维定位跟踪设备，用于对输入设备在三维
空间中的位置进行判断，并送入虚拟现实系 统中。
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
o 应用程序阶段可以在多个CPU上运行。 o 几何处理阶段在一组几何处理引擎(geometry engines,GE)上运行，每
个引擎处理一部分场景几何（一组图形对象或图元）。应用程序阶段的输 出存储在一个FIFO缓冲区中，每个几何处理引擎在处理完自己的图元后， 从这个缓冲区里读取新的图元。然后，把结构写入到光栅化阶段的FIFO 缓冲区中。 o 光栅化单元(rasterizer units,RU)周期性地读取这个缓冲区，形成绘制 流水线的第三个阶段。每个RU绘制分配给它的一片像素，把数据写入输 出缓冲区，然后从FIFO缓冲区中读取新数据，依次类推。 o 现代体系结构使用双缓冲区，即有一个前缓冲区和一个后缓冲区。前者存 储已经显示的图像，与此同时一副新场景被写入后缓冲区。接着后缓冲区 被显示，新图像被写入前缓冲区，如此周而复始。这样做是为了减少由于 显示硬件刷新而引起的闪烁。
o 触觉与力觉通道信号生成与显示：
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.3 虚拟世界生成设备
o 现有的虚拟现实系统主要考虑视觉通道，因 此对虚拟现实生成设备提出了一下要求：
（1）帧频和延迟时间的要求：VR要求高速的 帧频和快速响应。
帧频是指新场景更新旧场景的时间，当达到每秒20帧 以上时就产生连续运动的幻觉。 延迟时间是从用户的动作开始，经过三维空间跟踪器 感知用户位置，把这个信号传送给计算机，计算机计算 新的显示场景，把新的显示场景传送给视觉显示设备， 直到视觉显示设备显示出新的场景为止。
2.4 绘制流水线
o 光栅化阶段：为了提高速度，它是通过硬件实现的，把 几何处理阶段输出的顶点信息（例如颜色和纹理）转换 成视频显示器需要的像素信息。
o 光栅化阶段的一个重要功能是执行反走样，以平滑多边 形的边缘锯齿。
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.4 绘制流水线
为了提高性能，绘制流水线的各个阶段使用并行体系结构。
o 听觉感知设备：提供虚拟世界中的三维真实 感声音的输入及播放。一般由耳机和专用声 音卡组成。通常用专用声音卡将单通道或普 通立体声源信号处理成具有双耳效应的三维 虚拟立体声音。
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.2 虚拟世界输出设备
o 触觉（力觉）感知设备：力觉感知设备主要 是要求能反馈力的大小和方向，而触觉感知 应包含一般的接触感，进一步应包含感知物 体的质感、纹理感及温度感等。目前能实现 的仅仅是模拟一般的接触感。
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.4 绘制流水线
o 图形流水线优化：
o 应用程序阶段优化： （1）用告诉CPU取代低速CPU，或者再增加一个CPU。 （2）降低场景的复杂性。 （3）优化仿真软件。 o 几何处理阶段优化： （1）减少虚拟光源的数量。 （2）使用绘制硬件有优化措施的多边形类型。 o 光栅化阶段优化： （1）减少显示窗口尺寸 （2）减少窗口分辨率
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.1.1 基于自然的交互设备
数据衣：让虚拟现实系统 识别全身运动而设计的输 入装置，可以检测出人的 四肢、腰部等部位的活动， 以及各关节弯曲的角度。 它能对人体大约50多个 不同的关节进行测量，通 过光电转换，身体的运动 信息送入计算机进行图像 重建。
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.5 基于PC的图形体系结构
o PC机体系结构的通信瓶颈影响着实时图形 绘制的性能。现代基于PC的VR系统，通过 引入加速图形接口(Accelerated Graphics Port，AGP)总线来解决PCI带宽问题。
o AGP总线直接与主板的北桥芯片相连，且通 过该接口让显示芯片与系统主内存直接相连， 避免了窄带宽的PCI总线形成的系统瓶颈， 增加3D图形数据传输速度，同时在显存不 足的情况下还可以调用系统主内存。
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.1.2 三维定位跟踪设备
空间跟踪设备通常有下列要求：
o 数据采样率高且传输数据速度快，既要满足精确度的需要，同时 又不能出现明显滞后。
o 抗干扰性要强，也就是受环境影响要小。 o 对被检测的物体必须是无干扰的，不能因为增加了跟踪设备影响
用户的运动等。 o 真实世界和虚拟世界之间相一致的整合能力。 o 多个用户及多个跟踪设备可以在工作区域内自由移动，不会相互
2.1.1 基于自然的交互设备
o 数据手套：作为一只虚拟的手用于与虚拟现实系统进行交互，可 以在虚拟世界中进行物体抓取、移动、装配、操纵、控制等操作， 并把手指和手掌伸屈时的各种姿势转换成数字信号传送给计算机， 计算机通过应用程序识别出用户的手在虚拟世界中操作时的姿势， 执行相应的操作。在实际应用中，数据手套还必须配有空间位置 跟踪器，检测手在空间中的实际方位及运动方向。 现在已经有多种传感手套产品，区别主要在于采用传感器的不同。
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.3 虚拟世界生成设备
虚拟世界生成设备主要分为： o 基于高性能个人计算机的VR系统 o 基于高性能图形工作站的VR系统 o 高度并行的计算机系统的VR系统 o 基于分布式计算机的VR系统
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.4 绘制流水线
o 绘制流水线：把绘制过程划分成几个阶段， 并把它们指派给不同的硬件资源。
2.1.1 基于自然的交互设备
三维控制器 o 三维鼠标：可以完成在虚拟空间中6个自由
度的操作，包括三个平移参数与三个旋转参 数。常用于建筑设计等领域。 o 力矩球：可以通过手的扭转、挤压、来回摇 摆等实现相应的操作。
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.1.1 基于自然的交互设备
o 三维扫描仪：是一种较为 先进的三维模型输入设备， 是当前使用的对实际物体 三维建模的重要工具。能 快速方便地将真实世界的 立体彩色的物体信息转换 为计算机能直接处理的数 字信号，为实物数字化提 供有效的手段。
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.4 绘制流水线
o 图形流水线瓶颈：图形流水线基于一种理想 的假设，每一阶段的输出速度和下一阶段的 输入速度都非常匹配，即两个FIFO缓冲区 永远不会为空。事实上，三个阶段中最慢的 那个阶段会处于100%的运行状态，从而限 制了整个流水线的吞吐量。这一阶段成为瓶 颈状态。
几何处理阶段可以通过软件和硬件两种渠道实现。该阶 段包括模型变换（平移、旋转和缩放）、光照计算、场 景投影、剪裁和映射等。
光照子阶段根据场景中的模拟光源的类型和数目、光照 模型、表面材质属性、大气效果计算表面颜色。光照计 算的结果是场景具有明暗效果，看上去会更加真实。
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
之间产生影响。
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.2 虚拟世界输出设备
o 感知设备将虚拟世界中各种感知信号转变为 人所能接受的多通道刺激信号。
（1）视觉感知设备 （2）听觉感知设备 （3）触觉（力觉）感知设备
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.2 虚拟世界输出设备
o 视觉感知设备：主要是向用户提供立体宽视 野的场景显示，并且这种场景的变化会实时 改变。
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2.3 虚拟世界生成设备
（2）计算能力和场景复杂性
如果一个显示的场景中有10000个三角形（或多 边形），这个数量就反应了场景复杂性。
如在每秒进行10次计算，就应该计算100000个三 角形（或多边形），这表示了计算能力。
若要求更加逼真的仿真效果，就要增加场景复杂性。 这就要求更强的计算机能力，每秒计算更多的三角形 （或多边形）。 这就要考虑计算能力和场景复杂性的折衷。
图形绘制分为三个阶段： 应用程序阶段、几何处理阶段和光栅化阶段
应用程序阶段
几何处理阶段
光栅化阶段
用户
CPU1
输入
…
CPUn
GE1
缓
…
冲
区
GEn
FIFO FIFO
RU1
输 视频控
缓 冲 区
… RUn
出 缓
制器
冲
区
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2.4 绘制流水线
o 应用程序阶段是用软件方法由CPU完成的，读取数据库 和来自鼠标、跟踪球、跟踪器或传感手套等的用户输入。
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.3 虚拟世界生成设备
虚拟世界生成设备的主要功能包括：
o 视觉通道信号产生与显示：生成显示所需三维立体、高 真实感复杂场景，并能根据视点的变化进行实时绘制。
o 听觉通道信号生成与显示：支持三维真实感声音的生成 与播放。所谓三维真实感声音是具有动态方位感、距离 感和三维空间效应的声音。
o 虚拟现实系统中常需要检测头部与手的位置。要检 测头与手在三维空间中的位置和方向，一般要跟踪 6个不同的运动方向，即沿X、Y、Z坐标轴的平动 和沿X、Y、Z轴方向的转动。由于这几个运动都是 相互正交的，因此共有6个独立变量，即对应于描 述三维对象的宽度、高度、深度、俯仰角、转动角 和偏转角，称之为六自由度（DOF）。
在虚拟现实系统中，显
2.1.2 三维定位跟踪设备
示设备或交互设备都必 须配备跟踪定位设备。
o 三维定位跟踪设备：检测位置与方位，并将其数据 报告给虚拟现实系统。
o 在虚拟现实系统中最常见的应用是跟踪用户的头部 位置与方位来确定用户的视点与视线方向，而视点 位置与视线方向是确定虚拟世界场景显示的关键。
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2020/12/10
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2.1 虚拟现实系统的输入设备
输入设备分为两类： o 基于自然的交互设备，用于对虚拟世界信息
的输入 o 三维定位跟踪设备，用于对输入设备在三维
空间中的位置进行判断，并送入虚拟现实系 统中。
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
o 应用程序阶段可以在多个CPU上运行。 o 几何处理阶段在一组几何处理引擎(geometry engines,GE)上运行，每
个引擎处理一部分场景几何（一组图形对象或图元）。应用程序阶段的输 出存储在一个FIFO缓冲区中，每个几何处理引擎在处理完自己的图元后， 从这个缓冲区里读取新的图元。然后，把结构写入到光栅化阶段的FIFO 缓冲区中。 o 光栅化单元(rasterizer units,RU)周期性地读取这个缓冲区，形成绘制 流水线的第三个阶段。每个RU绘制分配给它的一片像素，把数据写入输 出缓冲区，然后从FIFO缓冲区中读取新数据，依次类推。 o 现代体系结构使用双缓冲区，即有一个前缓冲区和一个后缓冲区。前者存 储已经显示的图像，与此同时一副新场景被写入后缓冲区。接着后缓冲区 被显示，新图像被写入前缓冲区，如此周而复始。这样做是为了减少由于 显示硬件刷新而引起的闪烁。
o 触觉与力觉通道信号生成与显示：
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2.3 虚拟世界生成设备
o 现有的虚拟现实系统主要考虑视觉通道，因 此对虚拟现实生成设备提出了一下要求：
（1）帧频和延迟时间的要求：VR要求高速的 帧频和快速响应。
帧频是指新场景更新旧场景的时间，当达到每秒20帧 以上时就产生连续运动的幻觉。 延迟时间是从用户的动作开始，经过三维空间跟踪器 感知用户位置，把这个信号传送给计算机，计算机计算 新的显示场景，把新的显示场景传送给视觉显示设备， 直到视觉显示设备显示出新的场景为止。
2.4 绘制流水线
o 光栅化阶段：为了提高速度，它是通过硬件实现的，把 几何处理阶段输出的顶点信息（例如颜色和纹理）转换 成视频显示器需要的像素信息。
o 光栅化阶段的一个重要功能是执行反走样，以平滑多边 形的边缘锯齿。
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.4 绘制流水线
为了提高性能，绘制流水线的各个阶段使用并行体系结构。
o 听觉感知设备：提供虚拟世界中的三维真实 感声音的输入及播放。一般由耳机和专用声 音卡组成。通常用专用声音卡将单通道或普 通立体声源信号处理成具有双耳效应的三维 虚拟立体声音。
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.2 虚拟世界输出设备
o 触觉（力觉）感知设备：力觉感知设备主要 是要求能反馈力的大小和方向，而触觉感知 应包含一般的接触感，进一步应包含感知物 体的质感、纹理感及温度感等。目前能实现 的仅仅是模拟一般的接触感。
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.4 绘制流水线
o 图形流水线优化：
o 应用程序阶段优化： （1）用告诉CPU取代低速CPU，或者再增加一个CPU。 （2）降低场景的复杂性。 （3）优化仿真软件。 o 几何处理阶段优化： （1）减少虚拟光源的数量。 （2）使用绘制硬件有优化措施的多边形类型。 o 光栅化阶段优化： （1）减少显示窗口尺寸 （2）减少窗口分辨率
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.1.1 基于自然的交互设备
数据衣：让虚拟现实系统 识别全身运动而设计的输 入装置，可以检测出人的 四肢、腰部等部位的活动， 以及各关节弯曲的角度。 它能对人体大约50多个 不同的关节进行测量，通 过光电转换，身体的运动 信息送入计算机进行图像 重建。
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.5 基于PC的图形体系结构
o PC机体系结构的通信瓶颈影响着实时图形 绘制的性能。现代基于PC的VR系统，通过 引入加速图形接口(Accelerated Graphics Port，AGP)总线来解决PCI带宽问题。
o AGP总线直接与主板的北桥芯片相连，且通 过该接口让显示芯片与系统主内存直接相连， 避免了窄带宽的PCI总线形成的系统瓶颈， 增加3D图形数据传输速度，同时在显存不 足的情况下还可以调用系统主内存。
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.1.2 三维定位跟踪设备
空间跟踪设备通常有下列要求：
o 数据采样率高且传输数据速度快，既要满足精确度的需要，同时 又不能出现明显滞后。
o 抗干扰性要强，也就是受环境影响要小。 o 对被检测的物体必须是无干扰的，不能因为增加了跟踪设备影响
用户的运动等。 o 真实世界和虚拟世界之间相一致的整合能力。 o 多个用户及多个跟踪设备可以在工作区域内自由移动，不会相互
2.1.1 基于自然的交互设备
o 数据手套：作为一只虚拟的手用于与虚拟现实系统进行交互，可 以在虚拟世界中进行物体抓取、移动、装配、操纵、控制等操作， 并把手指和手掌伸屈时的各种姿势转换成数字信号传送给计算机， 计算机通过应用程序识别出用户的手在虚拟世界中操作时的姿势， 执行相应的操作。在实际应用中，数据手套还必须配有空间位置 跟踪器，检测手在空间中的实际方位及运动方向。 现在已经有多种传感手套产品，区别主要在于采用传感器的不同。
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.3 虚拟世界生成设备
虚拟世界生成设备主要分为： o 基于高性能个人计算机的VR系统 o 基于高性能图形工作站的VR系统 o 高度并行的计算机系统的VR系统 o 基于分布式计算机的VR系统
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.4 绘制流水线
o 绘制流水线：把绘制过程划分成几个阶段， 并把它们指派给不同的硬件资源。
2.1.1 基于自然的交互设备
三维控制器 o 三维鼠标：可以完成在虚拟空间中6个自由
度的操作，包括三个平移参数与三个旋转参 数。常用于建筑设计等领域。 o 力矩球：可以通过手的扭转、挤压、来回摇 摆等实现相应的操作。
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.1.1 基于自然的交互设备
o 三维扫描仪：是一种较为 先进的三维模型输入设备， 是当前使用的对实际物体 三维建模的重要工具。能 快速方便地将真实世界的 立体彩色的物体信息转换 为计算机能直接处理的数 字信号，为实物数字化提 供有效的手段。
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.4 绘制流水线
o 图形流水线瓶颈：图形流水线基于一种理想 的假设，每一阶段的输出速度和下一阶段的 输入速度都非常匹配，即两个FIFO缓冲区 永远不会为空。事实上，三个阶段中最慢的 那个阶段会处于100%的运行状态，从而限 制了整个流水线的吞吐量。这一阶段成为瓶 颈状态。
几何处理阶段可以通过软件和硬件两种渠道实现。该阶 段包括模型变换（平移、旋转和缩放）、光照计算、场 景投影、剪裁和映射等。
光照子阶段根据场景中的模拟光源的类型和数目、光照 模型、表面材质属性、大气效果计算表面颜色。光照计 算的结果是场景具有明暗效果，看上去会更加真实。
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
之间产生影响。
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.2 虚拟世界输出设备
o 感知设备将虚拟世界中各种感知信号转变为 人所能接受的多通道刺激信号。
（1）视觉感知设备 （2）听觉感知设备 （3）触觉（力觉）感知设备
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.2 虚拟世界输出设备
o 视觉感知设备：主要是向用户提供立体宽视 野的场景显示，并且这种场景的变化会实时 改变。
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.3 虚拟世界生成设备
（2）计算能力和场景复杂性
如果一个显示的场景中有10000个三角形（或多 边形），这个数量就反应了场景复杂性。
如在每秒进行10次计算，就应该计算100000个三 角形（或多边形），这表示了计算能力。
若要求更加逼真的仿真效果，就要增加场景复杂性。 这就要求更强的计算机能力，每秒计算更多的三角形 （或多边形）。 这就要考虑计算能力和场景复杂性的折衷。
图形绘制分为三个阶段： 应用程序阶段、几何处理阶段和光栅化阶段
应用程序阶段
几何处理阶段
光栅化阶段
用户
CPU1
输入
…
CPUn
GE1
缓
…
冲
区
GEn
FIFO FIFO
RU1
输 视频控
缓 冲 区
… RUn
出 缓
制器
冲
区
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.4 绘制流水线
o 应用程序阶段是用软件方法由CPU完成的，读取数据库 和来自鼠标、跟踪球、跟踪器或传感手套等的用户输入。
第二章虚拟现实系统的硬件设备24
2.3 虚拟世界生成设备
虚拟世界生成设备的主要功能包括：
o 视觉通道信号产生与显示：生成显示所需三维立体、高 真实感复杂场景，并能根据视点的变化进行实时绘制。
o 听觉通道信号生成与显示：支持三维真实感声音的生成 与播放。所谓三维真实感声音是具有动态方位感、距离 感和三维空间效应的声音。
o 虚拟现实系统中常需要检测头部与手的位置。要检 测头与手在三维空间中的位置和方向，一般要跟踪 6个不同的运动方向，即沿X、Y、Z坐标轴的平动 和沿X、Y、Z轴方向的转动。由于这几个运动都是 相互正交的，因此共有6个独立变量，即对应于描 述三维对象的宽度、高度、深度、俯仰角、转动角 和偏转角，称之为六自由度（DOF）。
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虚拟现实的硬件设施
THANKS
感谢观看
工作方式创新
虚拟现实提供新的工作 方式，如远程协作、虚 拟会议等
数字经济发展
虚拟现实推动数字经济 的快速发展，成为新的 增长点
虚拟现实技术的挑战
虚拟现实技术虽然发展迅速，但面临着硬件成本高、内容不足、用户体 验不佳等挑战。要克服这些挑战，需要不断创新技术、提升用户体验， 才能推动虚拟现实技术走向更广阔的应用领域。
虚拟现实仿真设备的未来特点
智能化
智能识别用户需求 个性化定制服务
真实感
模拟真实环境 提供身临其境的感觉
多样化
多种设备形式 满足不同需求
交互性
用户与环境互动频繁 提供更多参与感
结语
虚拟现实仿真设备作为虚拟现实技术的重要组成部分，一直以来都在不 断演进和创新。未来，随着技术的发展和应用领域的拓展，虚拟现实仿 真设备将为用户带来更加真实、多样、智能的虚拟体验，成为人们生活 不可或缺的重要工具。
智能硬件发展
03 未来设备将更智能化、便捷
虚拟现实数据处理设备趋势比较
强大高效
提供稳定可靠的计算能 力 支持高质量虚拟体验
节能环保
采用低功耗设计 追求更环保的数据处理
技术整合
融合云计算、AI等技术 提供更多智能功能
总结
虚拟现实数据处理设备是虚拟现实技术的核心组成部分，未来发展将更 加智能、高效。我们需要关注技术趋势，不断优化设备性能，以提供更 优质的虚拟现实体验。
什么是虚拟现实仿真设备？
真实场景模拟
01 模拟真实场景，让用户沉浸其中
沉浸体验
02 让用户感受真实的体验
虚拟体验
03 提供非凡的虚拟体验
虚拟现实仿真设备的种类
全景投影
虚拟现实的硬件设备课件
工作原理：通过模拟双耳定位，产生立体声效果
应用范围：虚拟现实游戏、电影、音乐等领域
不足：价格较高，使用范围有限
3D立体声耳机的分类和特点
添加标题
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添加标题
添加标题
开放式耳机：声音通透，细节丰富，适合听音乐和看电影
封闭式耳机：隔音效果好，佩戴舒适，低音强劲
半开放式耳机：声音隔离度适中，适合在嘈杂环境中使用
添加标题
HTC Vive：由HTC和Valve联合开发，拥有高分辨率和精确的定位技术。
添加标题
PlayStation VR：由Sony Interactive Entertainment开发，兼容PS4游戏机，具有舒适的佩戴设计。
添加标题
Google Daydream：由Google开发，具有简单易用的设计和兼容Daydream View头盔。
跟踪系统的种类：光学、机械、电磁等
跟踪系统的技术发展：不断升级和优化，提高精度和稳定性
应用范围：虚拟现实、增强现实、机器人等领域
跟踪系统的分类和特点
超声波跟踪系统：利用超声波的反射和传播特性来捕捉目标物体的运动轨迹实现跟踪
光学跟踪系统：基于计算机视觉原理，通过摄像头捕捉标记点的运动轨迹实现跟踪
电磁跟踪系统：通过电磁场感应信号来捕捉目标物体的运动轨迹实现跟踪
头戴式显示器的发展趋势和未来展望
显示效果：分辨率和视场角不断提高，画面更加清晰、逼真。
追踪技术：内置传感器和摄像头，实现头部和手部跟踪，增强沉浸感和交互性。
无线化：摆脱线材束缚，提高用户体验和便捷性。
轻量化：减轻重量，提高舒适性和可穿戴性。
虚拟现实跟踪系统
跟踪系统的原理和应用范围
原理：基于传感器和算法，实现位置和姿态的实时监测和跟踪
第2章 虚拟现实系统的硬件设备
在某一时刻只有一个用户与给定的虚拟对象交互。反之，用户协作
指的是他们同时与给定的虚拟对象交互。
8
2.2
虚拟现实交互设备
虚拟现实建立了一个虚拟的世界，处于虚拟世界中的人与系统之间相 互作用、相互影响，要产生虚拟现实的沉浸感，常见的键盘、鼠标等交互 设备就不能完全满足需要了，必须要有相应的交互设备支持。目前虚拟现 实交互设备根据功能的不同，可以分为视觉显示设备、听觉感知设备、虚 拟物体操作设备、运动捕捉设备等。
9
视觉感知设备
1. 头盔显示器(Head——Mounted Display,HMD)
人从外界获取信息有80%以上来自于视觉，视觉感知设备是最常 见的，也是最成熟的。 10
视觉感知设备
1. 头盔显示器(Head——Mounted Display,HMD)
在头盔中LEEP光学系统实现立体视觉的基本原理： （a）为单眼视觉的原理，图中可见虚像比屏幕离开眼睛更远。 （b）为立体视觉的原理。图中的一个目标点，在两个屏幕上的 像素分别为A1和A2。它们在屏幕上的位置之差，就是立体视差。 这两个像素的虚像分别为B1和B2。双目视觉的融合，人就感到 这个目标点在C点，就是感觉的点。
19
2.2.3 虚拟物体操作设备 （1）数据手套
20
（2） 力矩球 力矩球（空间球Space Ball）是一种可提供为6自由度的外部输入设备，6自由度是指宽度、 高度、深度、俯仰角、转动角和偏转角，可以扭转、挤压、拉伸以及来回摇摆，用来控制虚 拟场景做自由漫游，或者控制场景中虚拟物体的空间位置机器方向。
4
1.2
高性能图形工作站
(a) Sun Blade 2500
Sun工作站
5
(b) Sun Blade 2000
虚拟现实系统的硬件设备
虚拟现实系统的硬件设备引言虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术是一种通过计算机生成的仿真环境，使用户可以沉浸在虚拟场景中，并与之进行交互。
虚拟现实系统由软件和硬件两部分组成，其中硬件设备起着至关重要的作用。
本文将介绍虚拟现实系统中涉及的常见硬件设备，包括头戴式显示器、追踪设备、手柄控制器和体感设备等。
1. 头戴式显示器头戴式显示器是虚拟现实系统中最关键的硬件设备之一。
它通常由一个头盔和一个显示器组成。
头盔贴合用户的头部，通过内置的显示器将虚拟现实场景投影到用户的眼睛。
较好的头戴式显示器具有高分辨率、高刷新率和低延迟等特点，以提供更真实流畅的虚拟现实体验。
同时，头戴式显示器还通常包含陀螺仪和加速度计等传感器，以跟踪用户的头部运动，并实时调整视角，增强交互的真实感。
2. 追踪设备虚拟现实系统中的追踪设备用于跟踪用户的身体姿势和位置，以实现在虚拟现实场景中的真实交互。
常见的追踪设备包括基于光学原理的红外摄像机和红外发射器。
红外摄像机通过捕捉发射器发出的红外光线反射回来的图像，计算用户的位置和姿势。
通过这种方式，追踪设备使用户能够在虚拟场景中自由移动，并将其身体动作精确地映射到虚拟角色上。
3. 手柄控制器手柄控制器是虚拟现实系统中用于手部操作的硬件设备。
它通常由一个或多个传感器和按键组成，可以实时捕捉用户的手势和触摸动作，并将其传递给虚拟现实系统。
手柄控制器的设计旨在模拟真实世界中的物体，使用户能够在虚拟场景中进行精确的抓取、放置和操作。
一些高级手柄控制器还具备力触反馈功能，可以模拟不同物体的质感和重量，增强用户的沉浸感。
4. 体感设备体感设备是虚拟现实系统中用于跟踪用户整个身体运动的硬件设备。
它通常由传感器、电子设备和驱动器等组成。
体感设备可以通过感应用户的身体运动，例如步行、奔跑、跳跃等，将其反馈到虚拟场景中，实现用户在虚拟环境中的自由移动。
体感设备的主要作用是提供身体级别的交互和沉浸式体验，使用户能够更加自然地与虚拟环境进行互动。
(VR虚拟现实)虚拟现实技术与应用实践
（VR虚拟现实）虚拟现实技术与应用实践内容提要本书是新世纪高职高专教改项目成果教材。
在书中主要介绍了虚拟现实技术的基本概念、虚拟现实系统的组成、虚拟现实系统的硬件设备、虚拟现实的相关技术、虚拟现实技术在现实世界中的应用。
全书共有6 个章节，内容包括：概论、虚拟现实系统的硬件设备、虚拟现实系统的相关技术与软件、全景技术、网络三维互动Cult3D、虚拟现实建模语言VRML。
附录中附有VRML 的关键字和域参考等。
本书内容较为全面且涉及面广，在编写时本着侧重于普及、推广及应用的原则，内容方面没有过多涉及有关虚拟现实技术的算法理论及程序等。
本书既介绍了虚拟现实技术的必要理论，又介绍了具有代表性的虚拟现实软件的使用，并采用实例进行讲解，使读者能在较短的时间内达到入门及应用的效果。
本书适合于高等职业学校、高等专科学校、成人高校、本科院校举办的二级职业技术学院，也可供示范性软件职业技术学院、继续教育学院、民办高校、技能型紧缺人才培养使用，还可供本科院校、计算机专业人员和爱好者参考使用。
图书在版编目（CIP）数据虚拟现实技术与应用／胡小强主编. —北京：高等教育出版社，2004.4ISBN 7-04-014758-0Ⅰ. 虚… Ⅱ. 胡… Ⅲ. 虚拟技术-高等学校-教材Ⅳ. TP391中国版本图书馆CIP 数据核字（2004）第024745 号策划编辑冯英责任编辑焦建虹封面设计王凌波责任绘图宗小梅版式设计王艳红责任校对存怡责任印制出版发行高等教育出版社购书热线010 - 64054588社址北京市西城区德外大街4 号免费咨询800-810-0598邮政编码100011 网址http://.cn经销新华书店北京发行所印刷开本787×1092 1/16 版次年月第1 版印张14.5 印次年月第次印刷字数350 000 定价18.50 元本书如有缺页、倒页、脱页等质量问题，请到所购图书销售部门联系调换。
版权所有侵权必究前言近几年来，虚拟现实（Virtual Reality）技术成为一项十分热门的技术，越来越多的人员投身到这个研究领域，致力于虚拟现实技术的研究、开发及应用推广。
第二章_虚拟现实系统的硬件设备24
虚拟现实系统中常需要检测头部与手的位置。要检 测头与手在三维空间中的位置和方向，一般要跟踪 6个不同的运动方向，即沿X、Y、Z坐标轴的平动 和沿X、Y、Z轴方向的转动。由于这几个运动都是 相互正交的，因此共有6个独立变量，即对应于描 述三维对象的宽度、高度、深度、俯仰角、转动角 和偏转角，称之为六自由度（DOF）。
之间产生影响。
8
2.2 虚拟世界输出设备
感知设备将虚拟世界中各种感知信号转变为 人所能接受的多通道刺激信号。
（1）视觉感知设备 （2）听觉感知设备 （3）触觉（力觉）感知设备
9
2.2 虚拟世界输出设备
视觉感知设备：主要是向用户提供立体宽视 野的场景显示，并且这种场景的变化会实时 改变。
听觉感知设备：提供虚拟世界中的三维真实 感声音的输入及播放。一般由耳机和专用声 音卡组成。通常用专用声音卡将单通道或普 通立体声源信号处理成具有双耳效应的三维 虚拟立体声音。
3
2.1.1 基于自然的交互设备
数据衣：让虚拟现实系统 识别全身运动而设计的输 入装置，可以检测出人的 四肢、腰部等部位的活动， 以及各关节弯曲的角度。 它能对人体大约50多个 不同的关节进行测量，通 过光电转换，身体的运动 信息送入计算机进行图像 重建。
4
2.1.1 基于自然的交互设备
三维控制器 三维鼠标：可以完成在虚拟空间中6个自由
12
2.3 虚拟世界生成设备
虚拟世界生成设备的主要功能包括：
视觉通道信号产生与显示：生成显示所需三维立体、高 真实感复杂场景，并能根据视点的变化进行实时绘制。
听觉通道信号生成与显示：支持三维真实感声音的生成 与播放。所谓三维真实感声音是具有动态方位感、距离 感和三维空间效应的声音。
之间产生影响。
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2.2 虚拟世界输出设备
感知设备将虚拟世界中各种感知信号转变为 人所能接受的多通道刺激信号。
（1）视觉感知设备 （2）听觉感知设备 （3）触觉（力觉）感知设备
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2.2 虚拟世界输出设备
视觉感知设备：主要是向用户提供立体宽视 野的场景显示，并且这种场景的变化会实时 改变。
听觉感知设备：提供虚拟世界中的三维真实 感声音的输入及播放。一般由耳机和专用声 音卡组成。通常用专用声音卡将单通道或普 通立体声源信号处理成具有双耳效应的三维 虚拟立体声音。
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2.1.1 基于自然的交互设备
数据衣：让虚拟现实系统 识别全身运动而设计的输 入装置，可以检测出人的 四肢、腰部等部位的活动， 以及各关节弯曲的角度。 它能对人体大约50多个 不同的关节进行测量，通 过光电转换，身体的运动 信息送入计算机进行图像 重建。
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2.1.1 基于自然的交互设备
三维控制器 三维鼠标：可以完成在虚拟空间中6个自由
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2.3 虚拟世界生成设备
虚拟世界生成设备的主要功能包括：
视觉通道信号产生与显示：生成显示所需三维立体、高 真实感复杂场景，并能根据视点的变化进行实时绘制。
听觉通道信号生成与显示：支持三维真实感声音的生成 与播放。所谓三维真实感声音是具有动态方位感、距离 感和三维空间效应的声音。
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
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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
第2章 虚拟现实常用软硬件
光学动作捕捉系统广泛用于运动、人体工程学、实时动画制作、工业 测量、临床运动分析、知觉动作技能研究。它可用于各种环境包括医 院、工厂大学、运动场、动画制作摄影棚和国际空间站等。
PS光学式人体运动捕捉系统是目前光学式系统中价格最便宜、性能最 好的系统。 • 它依靠主动方式的、一元硬币大小的LED，可以快速、高精度、 方便地获取人体各个部位的运动数据。 • 不同于被动式的光学反射标志，其能够实时获取多达120个LED主 动方式标志点的运动轨迹。
结构光式3D扫描仪有别于传统的激光点扫描和线扫 描方式，该扫描系统采用结构光照相式原理对物体进 行快速面扫描。目前成型的产品有3D REALSCAN和 北京天远的3D扫描系统。
2024秋，虚拟现实技术导论
虚拟现实技术导论
22
3D照相机
美能达公司1999年推出3D1500 数码照相机可将现实世界 中的实物实景拍摄为3D 影像。3D数码照相机在逼真再 现立体世界方面还存在着不足，比如，目前只能通过3D 技术再现小实物，拍摄后在计算机中处理的时间也较长。 目前的3D照相机主要有Komamura的Horseman 3D camera， 它采用了双镜头组，但双镜头是同时工作的，因此不需 要额外地处理就可以直接拍摄出红蓝立体眼镜能够观看 的立体照片。
2024秋，虚拟现实技术导论
虚拟现实技术导论
7
用户位姿获取设备——模式识别系统
模式识别系统的原理是通过比较已知的样本模式与传感器得到 的模式而得出物体位置 的，它其实是前面介绍的标志系统的一 个改进。把几个LED那样的发光器件按某一固定阵列（即样本 模式排列），并将其固定在被跟踪对象的身上。然后由摄像机 跟踪拍摄运动的LED 阵列，记录整个LED阵列模式的变化。这 实际上是将人的运动抽象为固定模式的LED 点阵运动，从而避 免从图像中直接识别被跟踪物体所带来的复杂性。
PS光学式人体运动捕捉系统是目前光学式系统中价格最便宜、性能最 好的系统。 • 它依靠主动方式的、一元硬币大小的LED，可以快速、高精度、 方便地获取人体各个部位的运动数据。 • 不同于被动式的光学反射标志，其能够实时获取多达120个LED主 动方式标志点的运动轨迹。
结构光式3D扫描仪有别于传统的激光点扫描和线扫 描方式，该扫描系统采用结构光照相式原理对物体进 行快速面扫描。目前成型的产品有3D REALSCAN和 北京天远的3D扫描系统。
2024秋，虚拟现实技术导论
虚拟现实技术导论
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3D照相机
美能达公司1999年推出3D1500 数码照相机可将现实世界 中的实物实景拍摄为3D 影像。3D数码照相机在逼真再 现立体世界方面还存在着不足，比如，目前只能通过3D 技术再现小实物，拍摄后在计算机中处理的时间也较长。 目前的3D照相机主要有Komamura的Horseman 3D camera， 它采用了双镜头组，但双镜头是同时工作的，因此不需 要额外地处理就可以直接拍摄出红蓝立体眼镜能够观看 的立体照片。
2024秋，虚拟现实技术导论
虚拟现实技术导论
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用户位姿获取设备——模式识别系统
模式识别系统的原理是通过比较已知的样本模式与传感器得到 的模式而得出物体位置 的，它其实是前面介绍的标志系统的一 个改进。把几个LED那样的发光器件按某一固定阵列（即样本 模式排列），并将其固定在被跟踪对象的身上。然后由摄像机 跟踪拍摄运动的LED 阵列，记录整个LED阵列模式的变化。这 实际上是将人的运动抽象为固定模式的LED 点阵运动，从而避 免从图像中直接识别被跟踪物体所带来的复杂性。
虚拟现实的硬件与软件基础(共79张PPT)(共78张PPT)
电磁波 1mm 3mm 0.03mm 0.1mm
50m s
半径<1.6m 的半球形
超声波 10mm 0.5mm
依空气 密度变
化
30m s
4～5m3
光学 2mm 0.02mm
1mm
＜ 4～8m3（可 1ms 扩展至14m3）
3 第二十四页，共七十八页。
2.4 VR的立体显示(xiǎnshì)设备 对虚拟世界的沉浸感主要依赖于人类的视觉感知。
特点：体积小、价格便宜、用户运动自由，而且(ér qiě)敏感性不依
赖于跟踪方位，但是其系统延迟较长，跟踪范围小，且准确度容 易受环境中大的金属物体或其他磁场的影响。
第十四页，共七十八页。
常用 电磁波跟踪器 (chánɡ yònɡ)
多数电磁波跟踪器采用交流磁场（如Polhemus的跟踪 器），但也有的采用直流磁场（如Ascension的跟踪器）
第二页，共七十八页。
交互性
是虚拟现实系统的首要特性。为了允许人 机交互，必须使用(shǐyòng)特殊的人机接口与外 部设备，既要允许用户将信息输入到计算机， 也要使计算机能反馈信息给用户。今天的VR 外部设备在功能和目的上各不相同。
第三页，共七十八页。
例如 ： (lìrú)
身体运动由3-D位置跟踪器跟踪； 手势由传感手套数字化； 视觉反馈发送给立体显示器； 虚拟声音由3-D声音生成器计算； 观察(guānchá)方向随跟踪球和操纵杆改变等。
是指在工作站或者PC机上工作的不同组合虚拟 现实硬、软件工具包。它提供了一套紧凑的设备， 在此系统内，虚拟世界可被创造、仿真和可视， 还能通过这些集成设备获得浸入式体验。
➢下面以VIEW（Virtual Interface Environment Workstation）为例，介绍VR 系统平台。
虚拟现实的硬件设备
应用范围
将涉及更多领域，如游戏、教育、 医疗等 可能会有更多基于眼动追踪技术的 创新应用出现
技术成熟度
随着研究和开发的深入，眼动追踪技 术将更加成熟 可能会有更精准和高效的眼动追踪设 备问世
总结
眼动追踪设备作为虚拟现实的重要硬件设备，具有广泛 的应用前景和发展潜力。未来随着技术的不断进步，相 信眼动追踪技术将会在虚拟现实领域发挥越来越重要的 作用。
虚拟现实硬件设备的发展历程
简单头戴式显示器 早期的虚拟现实设备
高感知度设备 提升用户体验的重要技术
高清晰度设备 现代虚拟现实发展的标志
虚拟现实硬件设备的应用领域
游戏娱乐
01 沉浸式游戏体验
医疗保健
02 手术模拟和康复治疗
军事训练
03 模拟实战环境
虚拟现实硬件设备的未来发展趋势
智能化
智能交互系统 人工智能辅助
分析用户偏好和行为
和认知疾病
广告营销
可以根据用户的目光聚焦点， 制定精准的广告投放策略
眼动追踪设备的优势
实时性强
01 能够即时捕捉用户眼球运动数据
准确性高
02 能够精准地分析用户的视线轨迹
便捷操作
03 使用方便，无需复杂设置即可开始使用
眼动追踪设备的未来发展
普及程度
随着技术的进步，眼动追踪设备 将更加普及 未来可能会成为虚拟现实设备的 标配之一
THANKS
感谢观看
智能化 体感设备将会更加智能化 能够更好地感知用户动作和环境 变化
精准化 体感设备将会更加精准化 提供更准确的运动追踪和交互体验
丰富化
体感设备将会变得更加丰富 为用户提供更多元化的虚拟现实体验
体感设备的未来
体感设备作为虚拟现实技术的重要组成部分，其未来发 展方向是不可限量的。随着科技的进步和用户需求的不 断增长，体感设备将会不断创新，为人们带来更加真实、 沉浸的虚拟现实体验。
将涉及更多领域，如游戏、教育、 医疗等 可能会有更多基于眼动追踪技术的 创新应用出现
技术成熟度
随着研究和开发的深入，眼动追踪技 术将更加成熟 可能会有更精准和高效的眼动追踪设 备问世
总结
眼动追踪设备作为虚拟现实的重要硬件设备，具有广泛 的应用前景和发展潜力。未来随着技术的不断进步，相 信眼动追踪技术将会在虚拟现实领域发挥越来越重要的 作用。
虚拟现实硬件设备的发展历程
简单头戴式显示器 早期的虚拟现实设备
高感知度设备 提升用户体验的重要技术
高清晰度设备 现代虚拟现实发展的标志
虚拟现实硬件设备的应用领域
游戏娱乐
01 沉浸式游戏体验
医疗保健
02 手术模拟和康复治疗
军事训练
03 模拟实战环境
虚拟现实硬件设备的未来发展趋势
智能化
智能交互系统 人工智能辅助
分析用户偏好和行为
和认知疾病
广告营销
可以根据用户的目光聚焦点， 制定精准的广告投放策略
眼动追踪设备的优势
实时性强
01 能够即时捕捉用户眼球运动数据
准确性高
02 能够精准地分析用户的视线轨迹
便捷操作
03 使用方便，无需复杂设置即可开始使用
眼动追踪设备的未来发展
普及程度
随着技术的进步，眼动追踪设备 将更加普及 未来可能会成为虚拟现实设备的 标配之一
THANKS
感谢观看
智能化 体感设备将会更加智能化 能够更好地感知用户动作和环境 变化
精准化 体感设备将会更加精准化 提供更准确的运动追踪和交互体验
丰富化
体感设备将会变得更加丰富 为用户提供更多元化的虚拟现实体验
体感设备的未来
体感设备作为虚拟现实技术的重要组成部分，其未来发 展方向是不可限量的。随着科技的进步和用户需求的不 断增长，体感设备将会不断创新，为人们带来更加真实、 沉浸的虚拟现实体验。