虚拟现实技术-第二章-输入设备
虚拟现实与增强现实技术导论虚拟现实的计算体系结构
虚拟现实与增强现实技术导论虚拟现实的计算体系结构虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是一种通过计算机生成的虚拟环境模拟现实世界或者创造一个全新的虚拟世界的技术。
虚拟现实技术的计算体系结构是指支持虚拟现实应用的硬件、软件及其相互之间的组织和关系。
虚拟现实技术的计算体系结构包括以下几个关键要素：1.输入设备：虚拟现实的输入设备通常包括头戴式显示器、追踪器、手柄等。
头戴式显示器可以通过分辨率高的屏幕和镜片进行像素展示和聚焦，使用户可以获得更真实的视觉体验。
追踪器可以追踪用户的头部和手部运动，实现对用户动作的反馈。
手柄可以提供更多的交互方式，以增强虚拟现实的沉浸感。
2.计算设备：虚拟现实技术对计算能力的要求很高，需要能够实时处理大量图形数据的计算设备。
目前常用的计算设备包括个人电脑、游戏主机、智能手机等。
这些设备通常需要具备强大的图形处理能力，并且能够实时生成和渲染虚拟环境中的图像。
3.虚拟环境建模和内容生成：虚拟现实应用需要构建一个真实或虚构的场景，以实现用户的沉浸式体验。
虚拟环境建模和内容生成是通过计算机图形学、物理建模、虚拟现实引擎等技术来实现的。
这些技术可以生成逼真的场景图像、人物模型和物体模型，并提供物理引擎来模拟真实世界的物理特性。
4.虚拟现实引擎：虚拟现实引擎是指一种软件平台，它可以提供基于计算机图形学的场景渲染、用户输入处理、物理模拟等功能，以支持虚拟现实应用的开发。
常见的虚拟现实引擎包括Unity、Unreal等。
虚拟现实引擎可以提供各种接口和工具，帮助开发者实现虚拟现实应用的各种功能，例如用户交互、虚拟物体的碰撞检测等。
5.输出设备：输出设备用于向用户提供虚拟现实体验的结果。
常见的输出设备包括头戴式显示器、扬声器、振动器等。
头戴式显示器用于向用户展示虚拟环境的图像，扬声器用于提供音频效果，振动器用于模拟触觉反馈。
总体来说，虚拟现实技术的计算体系结构由输入设备、计算设备、虚拟环境建模和内容生成、虚拟现实引擎以及输出设备等组成。
1第2课输入输出设备与虚拟现实技术
第二课输入输出设备刚到张扬家的表妹对摆在书房里的计算机十分感兴趣，她指着显示器问：“这个和电视机是一样的么？”张扬笑着说：“不，这个叫显示器，是计算机的输出设备，它的功能有点像电视机，可以显示图片、播放电影等。
”他又指着键盘、鼠标等设备向表妹介绍。
这节课我们将了解计算机有哪些输入、输出设备。
一、输入设备输入设备是人和计算机进行交互的一种装置，可以让我们将外部信息，如文字、数字、声音、图像、程序、指令等转换为数据输入到计算机中进行加工、处理的设备。
1、键盘键盘是计算机中最常用的输入设备，通过键盘可以将字符或指令信息输入到计算机中。
常见的键盘外观如1-6图所示。
图1-6 键盘[探索区]键盘上的英文字符的布局是谁发明的？你认为这种布局合不合理？2、手写板手写板是一种可以识别人们书写笔画并转换为数据输入计算机中的设备。
手写板可以让不熟悉键盘输入的人也能进行文字的输入，常见的手写板外观如图1-7所示。
图1-7 手写板3、鼠标在图形界面的操作系统中，只要移动鼠标，单击或双击鼠标上的按钮就可以指挥计算机工作。
鼠标按工作原理分为机械式、光电式，如图1-8所示，它们的工作方式和优缺点如表1-4所示。
机械鼠标光电鼠标图1-8 各种鼠标表1-4 机械和光电式鼠标【小知识】鼠标除了可以分为机械式和光电式鼠标外，按与计算机的连接方式还可以分为有线鼠标和无线鼠标，如图1-9所示，就是一种无线鼠标。
图1-9 无线鼠标[实战场]除了键盘、手写板、鼠标，请举出其他一些输入设备，并说明它们输入的是什么类型的信息，填写表1-5。
设备名称输入的信息类型鼠标类型工作方式优缺点机械式鼠标机械式的鼠标底部有一个滚球，当鼠标器移动时，滚球随之滚动，产生移动信息传递给计算机定位精度不高，而且内部容易沾上灰尘和容易磨损和失灵光电式鼠标光电式鼠标的底部有个发光的二极管，当鼠标器移动时，发出的光被鼠标下面的平板反射，产生移动信息给计算机光电时的鼠标器的定位精度高，对垫板有一定的要求二、输出设备输出设备是用来将计算机存储的数据以及计算机处理的结果展示给我们的设备。
第二章_虚拟现实系统的硬件设备24
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。
虚拟现实常用输入设备
手套式控制器可以用于模拟各种手部动作和操作，如操作机器、驾驶车辆、进行手 术等，为专业领域提供更加真实的虚拟现实训练和模拟。
运动控制器
运动控制器是一种新型的虚拟现 实输入设备，它通过跟踪用户的 身体动作来控制虚拟角色的运动。
详细描述
红外追踪器通常通过发射和接收红外线信号来检测用户的运动，这些信号可以穿过大多数材料，包括 衣物和人体。由于红外线具有较高的波长，因此对环境中的障碍物有较好的穿透能力，使得红外追踪 器在虚拟现实应用中具有较高的精度和稳定性。
超声波追踪器
总结词
超声波追踪器利用超声波的反射和传播特性来检测用户的动作，从而实现虚拟现实中的 位置追踪。
手柄式控制器具有高精度和低延迟的 特点，能够提供更加真实和沉浸式的 虚拟现实体验。
手柄式控制器通常采用无线连接方式， 方便用户在虚拟现实环境中自由移动。
手柄式控制器可以模拟多种工具和物 品，如枪支、手术刀、球拍等，以满 足不同类型虚拟现实应用的需求。
手套式控制器
手套式控制器是一种特殊的虚拟现实输入设备，它可以为用户提供更加真实的触感 和手势交互体验。
沉浸在虚拟环境中。
眼镜式显示设备通常配备有小型 屏幕、头部跟踪技术和立体声耳 机，以提供高质量的视觉和听觉
体验。
常见的眼镜式显示设备包括 Google Cardboard和 Samsung Gear VR等。
投影式显示设备
投影式显示设备是一种大型虚拟现实输入设备， 它通过投影机将虚拟图像投射到一个大屏幕上， 使用户能够沉浸在虚拟环境中。
投影式显示设备通常配备有高分辨率投影机、 大屏幕、头部跟踪技术和立体声耳机，以提供 高质量的视觉和听觉体验。
虚拟现实常用输入设备
虚拟现实常用输入设备在虚拟现实（Virtual Reality, VR）技术的快速发展过程中，输入设备的重要性愈发突显。
好的输入设备可以为用户提供更加真实且流畅的VR体验。
本文将介绍虚拟现实中常用的几种输入设备，并讨论它们的优缺点以及适用场景。
1. 手柄手柄是虚拟现实中最常见的输入设备之一。
一般情况下，手柄通过蓝牙或者其他无线技术连接到VR设备，用户可以通过手柄的按钮、摇杆和传感器来控制游戏或应用。
手柄的设计通常符合人体工程学，使用起来比较方便。
优点•操作简单：手柄的按钮和摇杆设计相对简单，用户容易上手；•多功能：手柄可以实现多种控制操作，如移动、旋转、射击等；•适用广泛：大部分VR应用和游戏都支持手柄，用户体验一致性较高。
缺点•有限交互：手柄相较于其他输入设备，交互性可能稍显单一；•体验局限：对于某些虚拟现实场景，手柄可能无法提供最佳体验。
2. 手部追踪器手部追踪器是一种可以准确追踪用户手部位置和动作的设备。
用户戴上手部追踪器后，系统可以实时捕捉用户手部的位置和姿势，并将其转换为虚拟现实中的手势或操作。
优点•高度沉浸感：用户可以在虚拟现实中看到自己的手部动作，增强沉浸感；•精准操作：手部追踪器可以实现非常精确的手部操作，如捏取物体等。
缺点•成本较高：手部追踪器通常较为昂贵，不是所有用户都能轻易购买；•有局限性：某些操作还是需要结合其他输入设备一起使用，无法完全替代手柄等设备。
3. 眼动追踪器眼动追踪器是一种可以追踪用户眼球运动的设备。
通过眼动追踪器，系统可以准确获取用户注视的物体、位置等信息，从而实现眼神交互。
优点•自然交互：眼动追踪器可以实现更加自然的交互方式，用户只需注视即可完成诸多操作；•增强体验：眼动追踪器可以增强虚拟现实体验，使得用户更加沉浸。
缺点•技术限制：眼动追踪器的技术相对较为复杂，可能存在一些误差；•不适用于所有场景：某些情况下，眼动追踪器可能不适用，需要借助其他输入设备。
4. 身体追踪器身体追踪器可以追踪用户身体的运动和姿势，使得用户在虚拟现实中可以实现更加自然的动作。
0-虚拟现实技术(2)输入设备-黄海介绍
虚拟现实技术n虚拟现实系统和其他类型的计算机应用系统一样，n在虚拟现实系统中，硬件设备主设备、虚拟世界n虚拟现实系统的首要标是建立一个虚拟的世界，用，相互基于自然的交互设备n虚拟世界与人自然交互的实现形式很多等多种形式，如数据手套n 数据手套出的一被广泛使VPL 公司数据手套n美国VPL (Data Glove)是同类向市有弹性n在这种数据手套电子接二极管与一个红外接Vertex 公司的赛伯手套n 1992年公司的赛伯手套(Cyber Glove)，在虚拟现实系统中得到用。
12赛伯器电阻薄片边，测量弯曲角度n在数据手套用是于外Exos公司的灵巧手手套n1990Dextrous Hand(DHM Glove)16n DHM数据个手指结构测量，其Mattel公司的Power Gloven Mattel公司设计了一个Power Glove与等数据手套相19n由于数据手套内外的14传感21数据衣n数据衣原理制的成功使光23n数据衣目前处于研发阶段，因为每个人的较大，存在着如何协调大量传感器之间能等各种问题；与数据手套类似，实动导致误差的现象也常有发生。
n数据衣可以测量整个身体不但要检测肢体伸展情况踪设备来检测肢体在空间空间跟踪设备相互之间还实现起来有一定的困难，此类设备将日趋成熟。
三维控制器n三维鼠标的运动2627n力矩球n力矩球(space ball)通常被安装在固定平台上，如图2-8所示。
它的中心是固定的，并装有6个发光二极管，这个球有一个活动的外层，也装有6个相应的光接收器。
用户可以通过手的扭转、挤压、来回摇摆等实现相应的操作。
n它采用发光二极管和光接收器，通过安装在球中心的几个张力器来测量手施加的力，并将数据转化为3个平移运动和计算机中，当使用者用手对球的外层形变的法则，6个光传感器测出3个力将信息传送给计算机，即可计算出虚和方向等。
且耐用，可以操纵物体。
但在选取用前一般需要进行培训与学习。
29三维扫描仪n三维扫描仪(3 Dimensional Scanner)又称三维数字化仪或维模型数字化仪，是较为先进的三维模型输入设备，是对物便地将真(1)机械接触原理n早期常(CMM)的标装在三自由度向移动(2)借助雷达原理n采用或超声，这就是(3)计算机视觉原理n基于多种三维信法、从n在工CT则射线对n Cyberware扫描仪，在公司采n Cyberware3030系列，如图2-9所示，能好。
虚拟现实常用输入设备.pptx
3.0X4.55X1.04英寸 （7.62X11.56X2.64厘米） 标准25英尺（7.62米） RS-232（最大速率115.2K波特）
（二）CyberGlove II18传感器数据手套
• 名称：CyberGlove II数据手套 • 型号：CyberGlove II18传感器数据手套 • 生产厂家 ：是Immersion公司产品 • 价格：30000元
性能指标： 触觉振动器： 震动频率： 振幅：
传感器线性度： 传感器数据速率： 传感器精度： 传感器重复性：
设备单元： 电缆： 接口：
CyberGlove CyberTouch 6个；每根手指配备一个、手掌 配备一个 0-125 赫兹 125赫兹（最大值）下的峰值为 1.2N 整个连接范围内最高0.6%非线性 范围 一般90条记录/秒 <1度
虚拟现实 输入设备及应用
传媒信息实验班 作业一
目录
1
虚拟现实常用输入设备
2
输入设备成功应用案例
一、虚拟现实常用输入设备
• （一）、 CyberGloveCyberTouch 力反馈手套
• （二）、CyberGlove II18 传感器数据手套
• （三）、PATRIOT WIRELESS 六自由度无线位 置跟踪器
• CyberGlove II无线数据手套VirtualHand软件，适用于 MotionBuilder软件
• CyberGlove II无线数据手套“VirtualHand for V5”软件，适 用于Dassault的CATIA V5软件
• CyberTouch的特色是在手指与手掌部位上设置了许多小型 触觉振动器。每个振动器可以独立编辑不同强度的触感压 力。该振动器能产生单一频率或持续性的振动，且可以感 受到虚拟物体的外形。因此软体开发设计师除了可以自由 设计他们想要的物体外型，还可以定义虚拟物体的触感。
虚拟现实技术课程教学大纲
虚拟现实技术课程教学大纲《虚拟现实技术》课程教学大纲课程名称:虚拟现实技术 / Virtual Reality Technology 课程代码:020170 学时:32 学分:2 讲课学时:24 上机/实验学时:8 考核方式:考查先修课程:计算机图形学、高级语言程序设计适用专业:计算机科学与技术开课院系:电子电气工程学院计算机科学系教材:Grigore C.Burdea. 虚拟现实技术. 第二版. 电子工业出版社. 2005 主要参考书:[1] 张茂军著. 虚拟现实系统. 科学出版社. 2001[2] William R. Sherman, Alan B. Craig. 虚拟现实系统——接口、应用与设计. 电子工业出版社. 2004一、课程的性质和任务虚拟现实技术作为一种最为强大的人机交互技术，一直是信息领域研究开发和应用的热点方向之一。
本课程立足于虚拟现实的“3I”特性，从技术和应用两个方向全面系统地讲述虚拟现实的基础理论和实践技能，包括对虚拟现实最新硬件设备和高级软件技术的讲解，以及虚拟现实传统应用和最新应用的介绍。
二、教学内容和基本要求基本要求通过本课程的学习，使学生了解并掌握虚拟现实的基本概念和术语、系统组成及应用领域，了解虚拟现实的计算机体系结构、输入输出设备，以及有关的人的因素;结合上机实验，了解虚拟现实的建模技术，掌握应用系统开发的基本技能。
教学内容第一章 VR系统简介1. 虚拟现实的3I特性2. 虚拟现实的发展简史3. 构成VR系统的五个典型组成部分第二章输入设备:跟踪器、漫游和手势接口1( 三维位置跟踪器:性能参数;机械、电磁、超声波、光学、混合惯性跟踪器2. 漫游和操纵接口:基于跟踪器的漫游,操纵接口;跟踪球;三维探针3( 手势接口第三章输出设备:图形、三维声音和触觉显示设备1. 图形显示设备2. 声音显示设备3. 触觉反馈第四章 VR的计算体系结构1. 绘制流水线2. 基于PC的图形体系结构3. 基于工作站的体系结构North Gate Station and all the long distance Intercity, TRANS-province lines; North Gate Station currently runs the original counties, rural routes; Simon, station main, Yibin city, across the city, across the province and to the West of range line. Yibin city highway main station distribution table 3.1-6 station name grade accounted for to area (m2) Gao4. 分布式VR体系结构:多流水线同步;联合定位绘制流水线;分布式虚拟环境第五章 VR建模1. 几何建模2. 运动建模3. 物理建模4. 行为建模. 模型管理 5第六章 VR编程1. 工具包和场景图2. World ToolKit:几何建模与外观;场景图;传感器和动作函数;网络开发3. JAVA 3D——几何建模与外观;场景图;传感器和行为;网络开发第七章 VR中的“人的因素”1. 研究方法和专业术语2. 使用者表现研究3. VR健康和安全问题4. VR与社会第八章传统的VR应用1. VR在医疗中的应用2. VR在教育、艺术以及娱乐中的应用3. VR在军事中的应用新型的VR应用第九章1. VR在制造业中的应用2. VR在机器人领域中的应用3. 信息可视化——VR在油气勘探和完善管理中的应用;体数据的可视化三、实验(上机、习题课或讨论课)内容和基本要求上机内容1. World ToolKit——几何建模与外观;场景图;传感器和行为;网络开发2. JAVA 3D——几何建模与外观;场景图;传感器和行为;网络开发3. VR编程实例基本要求可以根据给定的主题或项目建立虚拟环境，掌握构造、交互和控制虚拟现实系统的基本方法。
虚拟现实入门教程
虚拟现实入门教程第一章什么是虚拟现实？虚拟现实（VR）是一种以计算机技术为基础，通过模拟人的感官系统来创造出的一种全新的交互式体验。
它使用户能够沉浸在一个虚拟的环境中，与环境中的对象进行互动。
虚拟现实技术的发展速度非常快，已经出现了许多使用VR技术的应用，如游戏、教育、医疗等领域。
第二章虚拟现实的工作原理虚拟现实的工作原理主要涉及三个核心要素：头戴式显示器、追踪设备和输入设备。
- 头戴式显示器：用户带上头戴式显示器，可以看到虚拟环境中的图像。
头戴式显示器通过两个小型屏幕将不同的图像分别投影到用户的左右眼，形成立体的视觉效果，实现沉浸感。
- 追踪设备：为了让用户在虚拟环境中能够自由移动并与环境进行互动，追踪设备用于跟踪用户的头部和手部的位置和动作。
这些设备通常包括陀螺仪、加速度计和传感器等。
- 输入设备：用户可以通过手柄、手套或其他外围设备与虚拟环境进行互动。
这些设备可以模拟用户在现实中的操作，如拾取物体、按键等。
第三章虚拟现实的应用领域虚拟现实技术不仅仅在游戏行业有广泛的应用，还有许多其他领域可以受益于虚拟现实技术的创新。
- 游戏：虚拟现实游戏能够使玩家获得更加逼真的游戏体验。
玩家可以亲身体验到游戏中的场景和情节，增强游戏的沉浸感。
- 教育：虚拟现实技术可以在教育中创造全新的学习环境。
学生可以通过虚拟现实来进行实地考察、实验室训练等，提高学习效果和兴趣。
- 医疗：医生可以使用虚拟现实技术进行手术模拟和培训，提高手术的准确性和安全性。
虚拟现实还可以用于疼痛治疗和心理治疗等方面。
- 娱乐：除了游戏，虚拟现实还可以用于电影、音乐会等娱乐活动。
观众可以在家中使用VR头盔观看电影，感受到身临其境的观影体验。
第四章虚拟现实设备的选择选择一个适合自己需求的虚拟现实设备非常重要。
目前市面上有许多不同类型的虚拟现实设备，如Oculus Rift、HTC Vive、PlayStation VR等。
- Oculus Rift：Oculus Rift是最早推出的商用虚拟现实头盔之一，具有高分辨率的显示器和优秀的头部追踪技术。
虚拟现实与增强现实技术概论课件第2章虚拟现实系统的输入设备
2.1.1 跟踪器的性能参数 跟踪器的性能指标主要包括： 精度、抖动、偏差和延迟。
精度（Accuracy） 是指对象真实的 三维位置与跟踪 器测量出的三维 位置之间的差值。
注：跟踪用户实际动作的效果越好，要求跟踪器越精确， 则这个差值就越小。
抖动（Jitter）是指当被跟踪对象固 定不变时，跟踪器输出结果的变化。
虚拟现实与增强现实技术概论
计算机中心
第2章 虚拟现实系统的输入设备
导学
一、内容与要求
1.理解维度的概念，掌握六自由度的 概念，了解跟踪器的主要性能参数， 了解多种跟踪技术。 2.理解手势接口的工作原理，掌握数 据手套的传感器基本配置情况，了解 三维鼠标、数据衣的基本工作方式。
二、重点、难点
1.重点是跟踪器的概念，主要的跟踪 技术及手势接口的工作原理。
➢ 许多3 D动画和游戏工作室利用惯性跟踪进行“运动捕捉”
2.1.7 GPS跟踪器
GPS跟踪器是内置了GPS模块和移动通信模块的终端， 用于将GPS模块获得的定位数据通过移动通信模块传至 Internet上的一台服务器上，从而可以实现在计算机上查询终 端位置。
GPS系统包括三大部分：
1.空间部分——GPS卫星星座 2.地面控制部分——地面监控系统
输入设备（Input Devices）是用来输入用户发出的动作， 使用户可以操控一个虚拟境界。
包括：跟踪器、数据手套、三维鼠标、数据衣等。
2.1三维位置跟踪器
跟踪器能够实时地测量用户身体或其局部的位置和方向， 并将其作为用户的输入信息传递给虚拟现实系统的主控计算 机，从而根据用户当前的视点信息刷新虚拟场景的显示。
机械跟踪器的工作原理是通过机械连杆装 置上的参考点与被测物体相接触的方法来检测 其位置的变化。
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物理现象 测量变量 自由度 精确性 分辨率 更新速度 滞后 总的运动范围 优点
机械连接 旋转编码器的角度测量 位置和方位(最高可达6自由度) 0.1-2.5毫米 0.05-1.5毫米/0.15-1度 取决于二次数据获取能力 3毫秒 1.8米/40度；受重量和与参照物间距离所引起的机 械机构变形限制 高准确度、高精度，高更新速度和低延时。没有 与环境相关的误差
电磁跟踪器的优点
(1)成本低，体积小，质量轻 (2)速度快，实时性好 (3)装置的定标较简单，技术较成熟，鲁棒性好。
电磁跟踪器的缺点
(1)对环境要求严格，抗干扰性差 (2)工作范围因耦合信号随距离增大迅速衰减 而受到了限制，这同时也影响了磁跟踪器的 精度和分辨率。 (3)由于电磁场对人体的重要影响，电磁场强 度不可能无限制地增长 需要在系统工作范围、精度、分辨率以及 刷新率之间做出综合选择。
• 定义：抗干扰性是指一个系统在相对恶劣 的条件下避免测量错误的能力。 干扰可分为： • 遮挡，即其他的物体挡在目标物和探测器 之间所造成的跟踪困难； • 畸变，即由于一些物体的存在而使探测器 所探测的目标定位产生误差。
性能参数—合群性
• 定义：合群性指的是对多用户系统的支持能力， 包括操作空间范围和多目标跟踪能力。 • 实际的跟踪系统不能提供无限的跟踪范围，只 能在一定的区域内进行跟踪和测量，这个区域 通常称为工作区域。 • 多用户系统必须要有多目标跟踪的能力，取决 于一个系统的组成结构，如光学式跟踪系统中 将发射器安装在被跟踪物体上面的Outside-in 结构，以及将接收器装在被跟踪物体上面的 Inside-out结构，各个跟踪器均能互不干扰的 工作。
机械跟踪器的优点
(1)简单且易于使用 (2)精度稳定，取决于关节传感器的分辨率 (3)性能可靠，潜在的干扰源较少 (4)抖动较小，延迟较低 (5)没有遮挡问题
机械跟踪器的缺点
(1)由于机械臂的尺寸限制，工作范围有限。 (2)连杆过长时重量和惯性会随之增加，对机 械振动的敏感性增加。 (3)由于跟踪器机械臂自身运动的妨碍，用户 运动的自由度被减小了。 (4)当跟踪器必须由用户支撑时会导致用户疲 劳，降低在虚拟环境中的沉浸感。
• 三维空间中的活动对象的位置 和方向通常由6个自由度 (Degree of Freedom, DOF)表 示，即沿x，y，z坐标轴的平 动与绕x，y，z坐标轴的转动， 分别称为位置坐标x，y，z和 角度坐标偏航(yaw)、俯仰 (pitch)、滚动(roll)。
在虚拟现实应用中，为了控制观察方向、 运动和操纵对象，通常需要测量用户头部、 手和四肢的运动。 跟踪器在VR中的另一种应用是把对替 身或虚拟人的控制映射给用户。
性能参数—更新率
• 定义：跟踪器每秒报告测量数据的次数。 • 跟踪器的更新率越高，仿真系统的动态响 应能力就越强。 • 跟踪器的更新率一般介于每秒数十个数据 集到数千个数据集之间，具体取决于所使 用的跟踪技术。 • 使用同一个跟踪器测量多个移动对象时采 样率会受到多路复用的影响
性能参数—抗干扰性
三维位置跟踪器
• • • • • • • 跟踪器的性能参数 机械跟踪器 电磁跟踪器 超声波跟踪器 光学跟踪器 混合惯性跟踪器 各种跟踪器的性能比较
电磁跟踪器：
• 定义：一种非接触式的位置测量设备，使 用由一个固定发射器产生的电磁场来确定 移动接收单元的实时位置。 • 一般由发射器、接收传感器和数据处理单 元组成。
直流电磁跟踪器：
• 直流跟踪器利用脉冲、恒定电流来产生激 励磁场，以使传感器能产生一个恒定的感 应电流。
X
Y Z
直流电磁跟踪器：
• 极大地降低了涡流对测量精度的影响。但 造成的不利影响就是延长了等待时间，降 低了系统数据的刷新速率。 • 在使用过程中的环境干扰大多为直流信号， 采用常规的信号处理手段(如滤波)无法滤除。 • 周围铁磁物质产生的磁场所造成的扭曲同 样会影响直流跟踪器的精度。
0.03 in RMS
0.0002 in/in range 0.15度RMS 0.025度RMS 120(1个接收器)、60(1个接收器) 30(1个接收器) 8.5ms(无滤波) 铁氧体、低碳钢、铜、不锈钢、 黄铜、铝 RS-232(波特率为115200)或IEEE488(不超过100Mbaud/s) ASCII或二进制
交流/直流电磁跟踪器的比较(三)：
• 由于接收信号随距离衰减较快，跟踪器的 跟踪范围受限。 • 对于直流系统，为保证测量精度，要保证 在跟踪范围内发射磁场强度大于地磁等环 境磁场的磁场强度。 • 对于交流磁场而言，由于带有频率、相位 等附加信息，即使当磁场信号强度小于地 磁时，也可以很容易区分出来。
性能参数—延迟
• 定义：动作与结果之间的时间差。对三维 跟踪器来说，延迟是对象的位置/方向的变 化与跟踪器检测这种变化之间的时间差。 • 延迟比较大的跟踪器会带来很大的时间滞 后，这种时间上的滞后会导致“仿真病 (simulation sickness)”。 • 可以采用同步锁相、高速通信线路及高更 新率的跟踪器来降低延迟。
性能参数—抖动
• 定义：当跟踪对象固定不变时，跟踪器的 输出结果的变化。 • 抖动由传感器的噪声引起，使得跟踪器数 据围绕平均值随机变化。 • 应该设法使跟踪器的抖动尽可能小，否则 会引起虚拟对象出现振动或跳动等。
性能参数—偏差
• 定义：随时间推移而累积的误差。 • 随着时间的推移，跟踪器的不精确度不断 增长，从而使数据逐渐不可用。 • 需要使用一个没有偏差的间接跟踪器周期 性地进行零位调整。(混合跟踪)
0.1 in RMS
0.03 in RMS 0.5度RMS 0.1度RMS at 12 in 144(≤30个接收器) 7.5ms(无滤波) 铁氧体、低碳钢、铜 RS-232(波特率为115200)或 RS422/485(波特率为500000) 二进制
• • • • • • • • 精度/分辨率 抖动 偏差 延迟 更新率 抗干扰性 合群性 采样率、执行时间、范围、工作时间、价格、障碍、 方便、对模糊的敏感、容易校准、同时测量的数目、 方向相对位置跟踪
性能参数—分辨率/精度
• 分辨率定义：跟踪器能够检测出的被跟踪 对象的最小三维位置变化。 • 精度定义：对象真实的三维位置与跟踪器 测量出的三维位置之间的差值。 • 跟踪器越精确，差值就越小，跟踪用户实 际动作的效果就越好。 • 精度不是一成不变的，而是随着离坐标系 原点的距离的增加而降低。
交流/直流电磁跟踪器的比较(一)：
通过测量发射器磁场中的局部值计算接收 器与发射器之间的距离，其强度以与发射器之 间距离的三次方的速度下降，而干扰磁场却相 对地增加。
交流/直流电磁跟踪器的比较(二)：
• 直流跟踪器可以很好地避免黄铜、铝和不锈 钢等金属物质的涡流造成的扭曲效应，但易 受周围低碳钢和铁氧体等铁磁物质磁化后产 生的磁场干扰，且很难消除，只能通过初始 化时预先测得磁场偏置来优化性能。 • 和直流跟踪器相比，交流跟踪器去除了测量 环境测场的时间，理论上可以获得更高的刷 新速率。
用于数字圆明园的机械跟踪器
Animazoo跟踪器
• Gypsy 7简称G7，是Animazoo公司推出的 外骨骼陀螺复合产品，配有统一的动作捕捉 软件。
• 在跟踪的过程中不应该妨碍用户的 运动自由。 • 基于这种要求，非接触式三维测量 技术在很大程度上取代了早期的机 械跟踪技术。 • 当前非接触式三维跟踪器主要有电 磁、超声、光学、惯性(加速计和 陀螺仪)等。
局限性 例子
编码器的精度，运动限制 FaroArm, Phantom, Spidar, Anthropomorphic Remote Manipulator from NASA , Argonne Remote Manipulator (ARM), Fake Space Binocular Omni-Oriented Monitor (BOOM), GE
把能单独旋转的机械部件装配使用，给 用户提供多种旋转能力。通过各种连接角度 计算端点位置，利用增量式编码器或电位计 测量连接角。
光电编码器
由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是 在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形 孔，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管 等电子元件组成的检测装置通过计算输出脉冲 的个数可得到转过的角度。
交流电磁跟踪器
• 采用正弦交流信号驱动发射线圈产生一个 交变磁场。 • 变化的磁场将在三个接收线圈中产生感应 电流，电流大小与磁通量幅度和信号频率 有关。
DataGlove使用的三维电磁传感器
交流电磁跟踪器的缺点:
• 交流跟踪器的问题是发射器的时变磁场在 周围的金属物质上产生涡流，这些涡流会 产生一个附加磁场，从而造成接收器接收 的是一个扭曲了的电磁场，因此导致跟踪 精度降低。 • 当金属距离磁场发射源和接收线圈都较远 时，利用耦合信号强度随距离成立方衰减 的特性可以有效地减轻干扰。
电磁跟踪器工作原理
当给一个线圈中通上电流后，在线圈的周 围将产生磁场。磁传感器的输出值与发射线圈 和接收器之间的距离及磁传感器的敏感轴与发 射线圈发射轴之间的夹角有关。
电磁跟踪器工作原理
• 发射器由缠绕在立方体磁芯上的三个互相垂直的 线圈组成，被依次激励后在空间产生按一定时空 规律分布的电磁场(交流电磁场和直流电磁场)。 • 使用交流电磁场时接收器由三个正交的线圈组成， 当使用直流电磁场时接收器由三个磁力计或霍尔 效应传感器组成。
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以头盔显示器为例：
• 用户头部的运动被一个电子单元采样下 来，并发送给计算机。 • 主计算机利用跟踪器的数据计算新的观 察方向，并绘制更新后的虚拟场景图像。 • 该场景被转换成双路视频信号并显示在 两个LCD屏幕上。
另一个使用跟踪信息的VR感 觉模态是三维声音，如头盔用耳机。 跟踪器数据使计算机能定位虚 拟对象的声源，从而提高仿真的真 实感和用户在合成世界中的沉浸感。 对三维声音的测量精度要求低 于对图形反馈的精度要求。