虚拟现实技术基础与应用课件-第2章 虚拟现实系统的硬件设备
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虚拟现实技术应用培训ppt (2)
特色等信息，为实地旅游做好充分准备。
04
虚拟现实技术的前景与 挑战
虚拟现实技术的发展趋势
01
02
03
硬件设备升级
随着技术的不断进步，虚 拟现实设备的舒适度、便 携性和性能将得到进一步 提升。
交互体验优化
更自然、直观的人机交互 方式将出现，如手势识别 、语音识别等。
内容创新
虚拟现实将与更多领域结 合，产生更多创新性的内 容，如教育、医疗、娱乐 等。
沉迷问题
过度使用虚拟现实技术可能导致沉迷，影响正常的学习 、工作和社交生活。
对青少年身心健康的潜在影响
身体健康
长时间使用虚拟现实设备 可能对青少年的视力、颈 部和背部造成不良影响。
心理健康
过度暴露于虚拟世界可能 影响青少年的认知、情感 和社会发展，导致焦虑、 抑郁等心理问题。
教育影响
虚拟现实技术在教育中的 应用可能影响学生的学习 方式和思维方式，需要合 理引导和教育。
个人隐私保护与数据安全
隐私泄露风险
虚拟现实技术应用过程中，用户的个人信息 和行为数据可能被收集并用于分析，存在隐 私泄露的风险。
数据安全保护
为了确保用户数据的安全，应采取加密、匿 名化等措施，并制定严格的数据使用和存储 政策，防止数据被滥用或泄露。
对现实世界的依赖与沉迷问题
依赖性
虚拟现实技术可能使人们过度依赖虚拟世界旅游路线
总结词
通过虚拟旅游体验，旅游规划者可以优化旅 游路线设计，提升游客的旅游体验。
详细描述
在旅游规划领域，虚拟现实技术为旅游路线 设计提供了新的思路和方法。通过虚拟旅游 体验，规划者可以在虚拟环境中对旅游路线 进行测试和优化，确保游客能够获得最佳的 旅游体验。同时，游客也可以通过虚拟现实 技术提前了解旅游目的地的风土人情、景点
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虚拟现实技术的前景与 挑战
虚拟现实技术的发展趋势
01
02
03
硬件设备升级
随着技术的不断进步，虚 拟现实设备的舒适度、便 携性和性能将得到进一步 提升。
交互体验优化
更自然、直观的人机交互 方式将出现，如手势识别 、语音识别等。
内容创新
虚拟现实将与更多领域结 合，产生更多创新性的内 容，如教育、医疗、娱乐 等。
沉迷问题
过度使用虚拟现实技术可能导致沉迷，影响正常的学习 、工作和社交生活。
对青少年身心健康的潜在影响
身体健康
长时间使用虚拟现实设备 可能对青少年的视力、颈 部和背部造成不良影响。
心理健康
过度暴露于虚拟世界可能 影响青少年的认知、情感 和社会发展，导致焦虑、 抑郁等心理问题。
教育影响
虚拟现实技术在教育中的 应用可能影响学生的学习 方式和思维方式，需要合 理引导和教育。
个人隐私保护与数据安全
隐私泄露风险
虚拟现实技术应用过程中，用户的个人信息 和行为数据可能被收集并用于分析，存在隐 私泄露的风险。
数据安全保护
为了确保用户数据的安全，应采取加密、匿 名化等措施，并制定严格的数据使用和存储 政策，防止数据被滥用或泄露。
对现实世界的依赖与沉迷问题
依赖性
虚拟现实技术可能使人们过度依赖虚拟世界旅游路线
总结词
通过虚拟旅游体验，旅游规划者可以优化旅 游路线设计，提升游客的旅游体验。
详细描述
在旅游规划领域，虚拟现实技术为旅游路线 设计提供了新的思路和方法。通过虚拟旅游 体验，规划者可以在虚拟环境中对旅游路线 进行测试和优化，确保游客能够获得最佳的 旅游体验。同时，游客也可以通过虚拟现实 技术提前了解旅游目的地的风土人情、景点
VR虚拟现实技术概论PPT(共 20张)
3.航空航天
航空航天领域应用VR也比较早。 驾驶员戴着头盔进行操作，测试飞机仪表 布局、色度，起落时的光照是否合适，依此对 设计进行调整。
4.安防监控。
虚实融合的监控系统，把 边虚拟环境融合在一起， 的视频无缝融合，提升了 和适人化水平。
5.医疗健康
•
VR在医疗健康领域极具发展潜力。
• 首先是对人体及人体器官的三维可 交互展示，这样就可以通过虚拟手术模 拟器对大夫进行手术培训。还可以构建 个性化病体器官模型，进行具体的手术 规划和预演，从而大幅度提升手术效果， 对医疗手术带来颠覆性影响。
一、虚拟现实是什么
•
VR的目标是以计
算机技术为核心，结合
其他相关科学技术，生
成与一定范围现实世界
在视、听、触觉等方面
高度近似的数字化环境，
人们通过一些交互设备
与该数字化环境进行交
互，能够产生亲临现实
世界的体验。
VR具有的特征：
一是沉浸感，参与者可以全身心沉浸于计算机 生成的三维虚拟环境中；
二是交互性，参与者可以通过一些VR交互设 备和虚拟环境中的对象进行交互，产生与对应 真实环境中的对象进行交互的体验。现在自然 交互、体感交互是非常热的一个研究方向。
• VR技术的发展可以给许多行业带来升级换代式发 航天、国防军事、装备制造、智慧城市、医疗健康、 文化教育等；会对许多产业产生颠覆性影响，如影视 游、商务、社交网络等，同时可望形成新型的VR产业 VR人机
• 交互设备产业，行业应用模拟器、虚拟环境产业 件与嵌入式系统产业，领域和行业模型数据产业，网 端VR产业和VR服务产业等。可以说VR产业进入了爆 前夜。
VR 虚 拟 现 实
—
目 录
虚拟现实技术与应用概述(PPT 34页)
(4) 虚拟实验操作
• 大连理工大学项目成果 • 项目名称：《以网络虚拟实验室为核心的
全方位、多层次化学数字化教学资源建设》 • 液相色谱虚拟实验
4.工业设计
• 工业设计的成本在企业整体支出中的比重 越来越大
• 用数字模型代替实物模型进行开发产品， 节约了实物模型的成本，以最小的投入获 取最大的效益。
• (3)虚拟现实技术使用户完全沉浸在三维虚拟场景之中，凭 借它的巨大的优势在游戏发展史上具有里程碑的作用。
植物大战僵尸3D版本
虚拟现实在教育中的应用
• (1) 虚拟校园
(2)虚拟现实实体模型应用
《基础医学》课程中神经系统部分,目前正在开发中
(3) 虚拟实验过程演示
• 将一些微观现象以虚拟的形式呈现 • 核裂变和链式反应 • 核裂变的过程在核电厂最为常见 • 裂变过程的演示
桌面虚拟现实系统
• 它是利用个人计算机或图形工作站等设备，采用立体图形、 自然交互等技术，产生三维立体空间的交互场景，利用计 算机的屏幕作为观察虚拟世界的一个窗口，通过各种输入 设备实现与虚拟世界的交互。
图 4 桌面虚拟现实系统
3.虚拟现实的特点
• 常用三个“I”表示的 ，即 Immersion(沉浸)、 Interaction(交互)和Imagination(构想)。用这 三个“I”说明虚拟现实系统的三个基本特征。
（二）虚拟现实系统的组成--为什么
• 关键在于软件与硬件的支持
生成设备
硬件 感知设备
人机交互设备
软件
Virtools Cult3D Flash VRML等
视觉感知设备
1、台式立体显示系统 2、头盔式显示器 3、墙式全景立体显示装置
人机交互设备——数据衣与数据手套
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
添加标题
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
虚拟现实技术基础及应用 第2版 第2章 虚拟现实的关键技术
由于每个人头、耳的大小和形状各不相同，头部相关传 递函数也会因人而异。但目前已有研究开始寻找对各种 类型都通用且能提供良好效果的头部相关传递函数。
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2.3.3 语音识别与合成技术
在虚拟现实系统中，语音应用技术主要是指基于语音进行处理的技术， 主要包括语音识别技术和语音合成技术，它是信息处理领域的一项前沿 技术。
①产生新的粒子； ②赋予每一新粒子一定的属性； ③删去那些已经超过生存期的粒子； ④根据粒子的动态属性对粒子进行移动和变幻； ⑤显示由有生命的粒子组成的图像。
✓ 在虚拟现实中，粒子系统常用于描述火焰、水流、雨雪、旋风、喷泉、战场硝烟、 飞机尾焰、爆炸烟雾等现象。
1-22
2.2.3 运动建模
要表现虚拟对象在虚拟世界中的动态特性，而有关 对象位置变化、旋转、碰撞、手抓握、表面变形等 方面的属性就属于运动建模问题。
分光作用将左右眼视差图像的光线向不同方向传播。当观看者位于合适的观看区域 时，其左右眼分别观看到相应的视差图像，从而获得立体视觉效果。
1-14
2.1.2立体高清显示技术
2）体显示
✓ 基本原理：通过特殊显示设备将三维物体的各个侧面图像同时显示出来。
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2.1.2立体高清显示技术
3）全息投影显示
1-23
2.3 三维虚拟声音技术
虚拟环境中的三维虚拟声音与人们熟悉的立体 声音有所不同
三维虚拟声音则是来自围绕听者双耳的一个球 形中的任何地方，即声音出现在头的上方、后 方或者前方。
1-24
2.3.1三维虚拟声音的特征
三维虚拟声音具有全向三维定位和三维实时跟 踪两大特性。
✓ 全向三维定位（3D steering），是指在虚拟环境中对声源位置 的实时跟踪。例如，当虚拟物体发生位移时，声源位置也应发 生变化，这样用户才会觉得声源的相对位置没有发生变化。只 有当声源变化和视觉变化同步时，用户才能产生正确的听觉和 视觉的叠加效果。
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2.3.3 语音识别与合成技术
在虚拟现实系统中，语音应用技术主要是指基于语音进行处理的技术， 主要包括语音识别技术和语音合成技术，它是信息处理领域的一项前沿 技术。
①产生新的粒子； ②赋予每一新粒子一定的属性； ③删去那些已经超过生存期的粒子； ④根据粒子的动态属性对粒子进行移动和变幻； ⑤显示由有生命的粒子组成的图像。
✓ 在虚拟现实中，粒子系统常用于描述火焰、水流、雨雪、旋风、喷泉、战场硝烟、 飞机尾焰、爆炸烟雾等现象。
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2.2.3 运动建模
要表现虚拟对象在虚拟世界中的动态特性，而有关 对象位置变化、旋转、碰撞、手抓握、表面变形等 方面的属性就属于运动建模问题。
分光作用将左右眼视差图像的光线向不同方向传播。当观看者位于合适的观看区域 时，其左右眼分别观看到相应的视差图像，从而获得立体视觉效果。
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2.1.2立体高清显示技术
2）体显示
✓ 基本原理：通过特殊显示设备将三维物体的各个侧面图像同时显示出来。
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2.1.2立体高清显示技术
3）全息投影显示
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2.3 三维虚拟声音技术
虚拟环境中的三维虚拟声音与人们熟悉的立体 声音有所不同
三维虚拟声音则是来自围绕听者双耳的一个球 形中的任何地方，即声音出现在头的上方、后 方或者前方。
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2.3.1三维虚拟声音的特征
三维虚拟声音具有全向三维定位和三维实时跟 踪两大特性。
✓ 全向三维定位（3D steering），是指在虚拟环境中对声源位置 的实时跟踪。例如，当虚拟物体发生位移时，声源位置也应发 生变化，这样用户才会觉得声源的相对位置没有发生变化。只 有当声源变化和视觉变化同步时，用户才能产生正确的听觉和 视觉的叠加效果。
虚拟现实技术PPT课件
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2.1 跟踪定位设备
2.1.1 电磁波跟踪器 2.1.2 超声波跟踪器 2.1.3 光学跟踪器 2.1.4 其他类型跟踪器 2.1.5 跟踪传感设备的性能比较
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2.1 跟踪定位设备
2.1.1 电磁波跟踪器
电磁波跟踪器是一种较为常见的空间跟踪 定位器，一般由一个控制部件，几个发射器和 几个接收器组成。
2.2 立体显示设备
2.2.1 固定式立体显示设备
2、投影式VR显示设备
（1）墙式投影显示设备： 可采用平面、柱面、球面的屏幕形式。
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2.2 立体显示设备
2.2.1 固定式立体显示设备
2、投影式VR显示设备
（2）响应工作台式显示设备 （Responsive Work Bench，RWB）：
3种常用跟踪技术的主要性能指标对比
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2.2 立体显示设备
人眼立体视觉效应的原理 ：当人在现实生活 中观察物体时，双眼之间6～7cm的距离（瞳距） 会使左、右眼分别产生一个略有差别的影像（即 双眼视差），而大脑通过分析后会把这两幅影像 融合为一幅画面，并由此获得距离和深度的感觉。
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2-16
一般由投影仪、反射镜和 显示屏（一种特制玻璃） 组成，投影仪将立体图像 投射到反射镜面上，再由 反射镜将图像反射到显示 屏上。
飞行时间（Time Of Flight，TOF）测量法
同时使用多个发射器和接收器，通过测量超声波从 发出到反射回来的飞行时间计算出准确的位置和方向。
相位相干（Phase Coherent，PC）测量法
通过比较基准信号和发射出去后发射回来的信号之间
《虚拟现实应用技术基础》教学课件 项目2虚拟现实系统硬件设备
4.手势识别设备
最后比较重要的手势跟踪技 术，目前可分为两种方式： 第一种是使用光学跟踪，比 如体感控制技术和高级VR这 样的传感器，第二种是将传 感器戴在手上的手套，光学 跟踪的优势在于使用门槛低、 场景灵活，使用者不需要在 手上穿脱设备。
相关知识拓展———CAVE
CAVE(CaveAutomaticVirtual
2.2.3 虚拟现实系统中的定位设备
2.2.4 虚拟现实系统中的交互设备
1.虚拟现实交互手柄
虚拟现实设备中目前最为广 泛使用的交互硬件是手柄， 手柄主要使用触觉反馈的交 互模式，这里主要是振动和 按钮反馈，这就是下面要提 到的一大类虚拟现实手柄， 目前三大VR厂商Oculus、索 尼、HTC都不约而同地采用 了虚拟现实手柄作为标准的 交互模式。
项目2
目录
项目 描述
项目描述
知识目标
1.了解虚拟现实的概念 2.了解虚拟现实技术中的硬件种类 3.了解虚拟现实系统的构成 4.了解市面上主流的VR硬件设备的使用方拟 现实设备的类型;
4.能够使用市面上 主流VR交互设备。
3.够使用外接式VR头显;
2.会使用传统的手 机盒子进行虚拟现 实体验
2.动作捕捉
动作捕捉涉及尺寸测量、物 理空间里物体的定位及方位 测定等方面可以由计算机直 接理解处理的数据。在运动 物体的关键部位设置跟踪器， 由Motion capture系统捕捉跟 踪器位置，再经过计算机处 理后得到三维空间坐标的数 据。
3.眼动识别设备
眼球追踪，又称注视点追踪， 是利用传感器捕获、提取眼 球特征信息，测量眼睛的运 动情况，估计视线方向或眼 睛注视点位置的技术。眼球 追踪技术是VR领域最重要的 技术之一，Oculus创始人帕 尔默曾称其为VR的心脏。
虚拟现实技术及应用ppt课件
VR的概念和发展 VR系统的硬件组成 VR系统的体系结构 VR的研究内容 增强现实 （AR） VR应用 虚拟现实的发展趋势
2
我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物
（一）VR的概念和发展
（1）虚拟现实技术的提出
我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个பைடு நூலகம்的生物
虚拟现实技术及应用
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我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物
第一讲： 虚拟现实技术概论
1965年计算机图形学的奠基者 Ivan Sutherland 发表 了“ The Ultimate Display” 论文，提出了一种全新的 图形显示技术。他在论文中提出使观察者直接沉浸 在计算机生成的三维世界中，而不是通过窗户（计 算机屏幕）来观察。 １）观察者自然地转动头部和身体，他看到的场景 就实时地发生变化。 ２）观察者能够以自然的方式直接与虚拟世界中的 对象进行交互操作，触摸它们，感觉它们，并能听 到虚拟世界的三维空间声音。
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（3）操纵杆 操纵杆是一种可以提供前后左右上下留个自由度及手指按钮的外部输 入设备。如图所示，适合对虚拟飞行等的操作。由于操纵杆采用全数字 化设计，随意其精度非常高。无论操作速度多快，它都能快速做出相应 。
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触觉反馈设备
充气式触觉反馈装置的工作原理是在数据手套中配置一些微小的气泡， 每一个气泡都有两条很细的进气和出气管道，所有气泡的进/出气管汇总在一 起与控制器中的微型压缩泵相连接。根据需要采用压缩泵对气泡来充气和排 气。充气时，微型压缩泵迅速加压，使气泡膨胀而压迫刺激皮肤达到触觉反 馈的目的。
虚拟现实技术基础 与应用
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2.1 虚拟现实的生成设备
虚拟现实的生成设备主要是指创建虚拟场景、实时响应用户各种操作的计 算机设备。计算机是虚拟现实系统的心脏，也称之为虚拟世界的发动机。 虚拟现实系统的性能优劣很大程度上取决于计算机设备的性能，由于虚拟 世界本身的复杂性及实时性计算的要求，产生虚拟环境的计算量极为巨大， 这就对计算设备的配置提出了极高的要求，最主要的要求就是计算机必须 具备高速的CPU和强有力的图形处理能力。 根据CPU的速度和图形处理能力，虚拟现实的生成设备可分为高性能个人 计算机、图形工作站、巨型机和分布式网络计算机。
典型的运动捕捉设备一般由三部分组成。 信号捕捉设备负责捕捉，识别传感器的信号，并将运动数 据从信号捕捉设备快速准确地传送到计算机系统。这种设备 会因系统的类型不同而有所区别，对于机械系统来说是一块 捕捉电信号的线路板，对于光学系统则是高分辨率红外摄像 机。
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3．运动捕捉系统
(a) 身体运动捕捉
(b) 面部表情运动捕捉
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2．振动式触觉反馈装置
记忆合金触觉反馈装置
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力反馈设备
力反馈设备是运用先进的技术手段跟踪用户身体的运动，将其在虚拟物体的空间运动转换成 对周边物理设备的机械运动，并施加力给用户，使用户能够体验到真实的力度感和方向感，给用 户提供一个立即的，高逼真的，可信的真实交互。在实际应用中常见的力反馈设备有力反馈鼠标、 力反馈操纵杆、力反馈手臂以及力反馈手套。
2. 叙述立体显示设备哪些？其特点如何？
3. 简述听觉感知设备的原理
4. 叙述听觉感知设备有哪些？各有什么特点？
5. 叙述虚拟物体操作设备有哪些？各有什么特点？
6. 叙述运动捕捉设备有哪些？各有什么特点？
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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。
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视觉感知设备 （3） 基于CRT的头盔显示器
基于CRT的头盔产品
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（4）大屏幕投影-液晶光闸眼镜 大屏幕投影-液晶光闸眼镜立体视觉系统原理和CRT显示一样只是将分时图像CRT显示 改为大屏幕显示，用于投影的CRT或者数字投影机要求极高的亮度和分辨率，它适合 在较大的使用内产生投影图像的应用需求。 洞穴式VR系统就是一种基于投影的环绕屏幕的洞穴自动化虚拟环境CAVE（Cave Automatic Virtual Environment）。
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裸体立体显示系统
裸体立体显示系统：显示技术结合双眼的视觉差和图片三维的原理，自动生成两幅图片，一副给左眼看，另一幅 给右眼看，使人的双眼产生视觉差异。由于双眼观看液晶的角度不同，因此不用戴上立体眼镜就可以看到立体的图 像。
立体液晶显示器
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美国DTI公司首先推出的15英寸 2015XLS 3D液晶显示器, 采用了一种被 称为视差照明（parallax illumination） 的开关液晶技术实现了裸体立体显示效 果。
SGI Altix 3000
6 曙光TC1700服务器
1.3 高度并行的计算机
联想成功研制的“深腾7000”
天河一号”超级计算机 7
1.4 分布式网络计算机
分布式虚拟环境是指它驻留在两台或两台以上的网络计算机上， 这些计算机共享整个仿真的计算负载。如果在分布式虚拟环境中的 两个(或多个)用户称为合作，是指他们依次执行给定的仿真任务， 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。
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3．运动捕捉系统
基于运动捕捉的角色动画制作
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3．运动捕捉系统
运动捕捉系统
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3．运动捕捉系统 典型的运动捕捉设备一般由三部分组成。 接收传感器是固定在运动物体特定部位的跟踪装置，它将
向系统提供运动物体运动的位置信息，一般会随着捕捉的细 致程度确定传感器的数目。
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2.4.8 常见的三维位置跟踪设备
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1.2 高性能图形工作站
(a) Sun Blade 2500
(b) Sun Blade 2000
Sun工作站
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1.3 高度并行的计算机 计算机界的研究重心是并行计算。所以各个工作站厂商都在发展
高度并行的虚拟现实机器，以便提高计算能力。
目前高性能并行计算机的体系结构较多，集群和巨型机主机就是 并行计算机。
3．运动捕捉系统 典型的运动捕捉设备一般由三部分组成。 处理单元是负责处理系统捕捉到的原始信号，计算传感器
的运动轨迹，对数据进行修正、处理、并与三维角色模型相 结合。处理单元既可以是软件也可以是硬件，借助计算机对 数据告诉的运算能力来完成数据的处理，使三维模型真正、 自然地运动起来。
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3．运动捕捉系统
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3．力反馈手柄
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4．力反馈手套
CyberGrasp手套
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4．力反馈手套
CyberGrasp的工作外观
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2.2.4 运动捕捉系统
运动捕捉技术的工作原理是把真实人的动作完全附加到一 个三维模型或者角色动画上。所以，运动捕捉技术作为三维动 画主流制作工具，在国外已得到业内的认可和应用。通常借助 该技术，动画师们模拟真实感较强的动画角色，并与实拍中演 员的大小比例相匹配，然后借助运动捕捉系统来捕捉表演中演 员的每一细微动作和表情变化，并真实地还原在角色动画上。
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1．力反馈鼠标
力反馈鼠标Wingman
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2.3.3 力反馈设备
2．力反馈操纵杆
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3．力反馈手柄 力反馈手柄是较简单的力反馈设备。它只有三个自由
度，功能有限。为了增加仿真的灵活性，力反馈手臂的仿 真接口有一定的改进。
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3．力反馈手柄
(a) 手臂反馈运动机构
(b) 系统配置图
力反馈手臂装置示意图
裸体立体显示系统
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2.2.2 听觉感知设备
听觉感知设备主要有耳机和扬声器两种。 （1）耳机
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2．听觉感知设备 （2）扬声器 又称“喇叭”。是一种十分常用的电声转换器件，它是一种
位置固定的听觉感知设备。大多数情况下能很好地用于给一组人 提供声音，但也可以在基于头部的视觉现实设备中使用扬声器。
*
2
1.1 高性能个人计算机
高性能个人计算机系统结构图
高性能个人计算机的核心部分是计算机的图形加速卡。为了加快图 形处理的速度，系统可配置多个图形加速卡。
3
1.2 高性能图形工作站 工作站是仅次于PC机的用的最多的计算设备。比PC机相比，工
作站的优点是有更强的计算能力，更大的磁盘空间和更快的通讯方 式。工作站主要用于通用计算而不是虚拟现实。随着虚拟现实的不 断成熟，主要的工作站制造厂家逐渐开发用高端图形加速器来实现 现有的模型。Sun和SGI公司采用的一种途径是用虚拟现实工具改进 现有的工作站，像基于PC的系统那样。Division Ltd.采用的另一个 途径是设计虚拟现实专用的"总承包"系统，如Provision 100。这是 基于工作站的虚拟现实机器的两种发展途径。
11
2.1.2 视觉感知设备
1. 头盔显示器(Head——Mounted Display,HMD) 示 各
（1） 基于LCD的头盔显示器
器种 类
型
的
LED
头 盔 显
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（2） 双目全方位显示器 双目全方位显示器（Binocular Omni-Orientation Monitor， BOOM）是种可移动式显示器，是一种特殊的头部显示设备。使 用BOOM比较类似使用一个望远镜，它把两个独立的CRT显示器 捆绑在一起，由两个相互垂直的机械臂支撑称，这不仅让用户可 以在半径2m的球面空间内用手自由操纵显示器的位置，还能将 显示器的重量加以巧妙的平衡而使之始终保持水平，不受平台的 运动影响。在支撑臂上的每个节点处都有位置跟踪器，因此 BOOM和HMD一样有实时的观测和交互能力。
光学式运动捕捉的应用
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一、填空题
1.虚拟现实的硬件设备主要包括虚拟现实的（ ）和支持虚拟现实（ ）
两大部分
2.根据CPU的速度和图形处理能力，虚拟现实的生成设备可分为（ ）、
（ ）、（ ）和（ ）。
3.目前虚拟现实交互设备根据功能的不同，可以分为（ ）、（ ）、
（ ）和（ ）等。
二、简答题
1. 简述立体显示设备的原理。
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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。
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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。
（3）操纵杆 操纵杆是一种可以提供前后左右上下留个自由度及手指按钮的外部输 入设备。如图所示，适合对虚拟飞行等的操作。由于操纵杆采用全数字 化设计，随意其精度非常高。无论操作速度多快，它都能快速做出相应 。
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触觉反馈设备
充气式触觉反馈装置的工作原理是在数据手套中配置一些微小的气泡， 每一个气泡都有两条很细的进气和出气管道，所有气泡的进/出气管汇总在一 起与控制器中的微型压缩泵相连接。根据需要采用压缩泵对气泡来充气和排 气。充气时，微型压缩泵迅速加压，使气泡膨胀而压迫刺激皮肤达到触觉反 馈的目的。
虚拟现实技术基础 与应用
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2.1 虚拟现实的生成设备
虚拟现实的生成设备主要是指创建虚拟场景、实时响应用户各种操作的计 算机设备。计算机是虚拟现实系统的心脏，也称之为虚拟世界的发动机。 虚拟现实系统的性能优劣很大程度上取决于计算机设备的性能，由于虚拟 世界本身的复杂性及实时性计算的要求，产生虚拟环境的计算量极为巨大， 这就对计算设备的配置提出了极高的要求，最主要的要求就是计算机必须 具备高速的CPU和强有力的图形处理能力。 根据CPU的速度和图形处理能力，虚拟现实的生成设备可分为高性能个人 计算机、图形工作站、巨型机和分布式网络计算机。
典型的运动捕捉设备一般由三部分组成。 信号捕捉设备负责捕捉，识别传感器的信号，并将运动数 据从信号捕捉设备快速准确地传送到计算机系统。这种设备 会因系统的类型不同而有所区别，对于机械系统来说是一块 捕捉电信号的线路板，对于光学系统则是高分辨率红外摄像 机。
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3．运动捕捉系统
(a) 身体运动捕捉
(b) 面部表情运动捕捉
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2．振动式触觉反馈装置
记忆合金触觉反馈装置
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力反馈设备
力反馈设备是运用先进的技术手段跟踪用户身体的运动，将其在虚拟物体的空间运动转换成 对周边物理设备的机械运动，并施加力给用户，使用户能够体验到真实的力度感和方向感，给用 户提供一个立即的，高逼真的，可信的真实交互。在实际应用中常见的力反馈设备有力反馈鼠标、 力反馈操纵杆、力反馈手臂以及力反馈手套。
2. 叙述立体显示设备哪些？其特点如何？
3. 简述听觉感知设备的原理
4. 叙述听觉感知设备有哪些？各有什么特点？
5. 叙述虚拟物体操作设备有哪些？各有什么特点？
6. 叙述运动捕捉设备有哪些？各有什么特点？
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41
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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。
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视觉感知设备 （3） 基于CRT的头盔显示器
基于CRT的头盔产品
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（4）大屏幕投影-液晶光闸眼镜 大屏幕投影-液晶光闸眼镜立体视觉系统原理和CRT显示一样只是将分时图像CRT显示 改为大屏幕显示，用于投影的CRT或者数字投影机要求极高的亮度和分辨率，它适合 在较大的使用内产生投影图像的应用需求。 洞穴式VR系统就是一种基于投影的环绕屏幕的洞穴自动化虚拟环境CAVE（Cave Automatic Virtual Environment）。
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裸体立体显示系统
裸体立体显示系统：显示技术结合双眼的视觉差和图片三维的原理，自动生成两幅图片，一副给左眼看，另一幅 给右眼看，使人的双眼产生视觉差异。由于双眼观看液晶的角度不同，因此不用戴上立体眼镜就可以看到立体的图 像。
立体液晶显示器
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美国DTI公司首先推出的15英寸 2015XLS 3D液晶显示器, 采用了一种被 称为视差照明（parallax illumination） 的开关液晶技术实现了裸体立体显示效 果。
SGI Altix 3000
6 曙光TC1700服务器
1.3 高度并行的计算机
联想成功研制的“深腾7000”
天河一号”超级计算机 7
1.4 分布式网络计算机
分布式虚拟环境是指它驻留在两台或两台以上的网络计算机上， 这些计算机共享整个仿真的计算负载。如果在分布式虚拟环境中的 两个(或多个)用户称为合作，是指他们依次执行给定的仿真任务， 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。
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3．运动捕捉系统
基于运动捕捉的角色动画制作
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3．运动捕捉系统
运动捕捉系统
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3．运动捕捉系统 典型的运动捕捉设备一般由三部分组成。 接收传感器是固定在运动物体特定部位的跟踪装置，它将
向系统提供运动物体运动的位置信息，一般会随着捕捉的细 致程度确定传感器的数目。
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2.4.8 常见的三维位置跟踪设备
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1.2 高性能图形工作站
(a) Sun Blade 2500
(b) Sun Blade 2000
Sun工作站
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1.3 高度并行的计算机 计算机界的研究重心是并行计算。所以各个工作站厂商都在发展
高度并行的虚拟现实机器，以便提高计算能力。
目前高性能并行计算机的体系结构较多，集群和巨型机主机就是 并行计算机。
3．运动捕捉系统 典型的运动捕捉设备一般由三部分组成。 处理单元是负责处理系统捕捉到的原始信号，计算传感器
的运动轨迹，对数据进行修正、处理、并与三维角色模型相 结合。处理单元既可以是软件也可以是硬件，借助计算机对 数据告诉的运算能力来完成数据的处理，使三维模型真正、 自然地运动起来。
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3．运动捕捉系统
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3．力反馈手柄
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4．力反馈手套
CyberGrasp手套
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4．力反馈手套
CyberGrasp的工作外观
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2.2.4 运动捕捉系统
运动捕捉技术的工作原理是把真实人的动作完全附加到一 个三维模型或者角色动画上。所以，运动捕捉技术作为三维动 画主流制作工具，在国外已得到业内的认可和应用。通常借助 该技术，动画师们模拟真实感较强的动画角色，并与实拍中演 员的大小比例相匹配，然后借助运动捕捉系统来捕捉表演中演 员的每一细微动作和表情变化，并真实地还原在角色动画上。
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1．力反馈鼠标
力反馈鼠标Wingman
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2.3.3 力反馈设备
2．力反馈操纵杆
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3．力反馈手柄 力反馈手柄是较简单的力反馈设备。它只有三个自由
度，功能有限。为了增加仿真的灵活性，力反馈手臂的仿 真接口有一定的改进。
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3．力反馈手柄
(a) 手臂反馈运动机构
(b) 系统配置图
力反馈手臂装置示意图
裸体立体显示系统
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2.2.2 听觉感知设备
听觉感知设备主要有耳机和扬声器两种。 （1）耳机
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2．听觉感知设备 （2）扬声器 又称“喇叭”。是一种十分常用的电声转换器件，它是一种
位置固定的听觉感知设备。大多数情况下能很好地用于给一组人 提供声音，但也可以在基于头部的视觉现实设备中使用扬声器。
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2
1.1 高性能个人计算机
高性能个人计算机系统结构图
高性能个人计算机的核心部分是计算机的图形加速卡。为了加快图 形处理的速度，系统可配置多个图形加速卡。
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1.2 高性能图形工作站 工作站是仅次于PC机的用的最多的计算设备。比PC机相比，工
作站的优点是有更强的计算能力，更大的磁盘空间和更快的通讯方 式。工作站主要用于通用计算而不是虚拟现实。随着虚拟现实的不 断成熟，主要的工作站制造厂家逐渐开发用高端图形加速器来实现 现有的模型。Sun和SGI公司采用的一种途径是用虚拟现实工具改进 现有的工作站，像基于PC的系统那样。Division Ltd.采用的另一个 途径是设计虚拟现实专用的"总承包"系统，如Provision 100。这是 基于工作站的虚拟现实机器的两种发展途径。
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2.1.2 视觉感知设备
1. 头盔显示器(Head——Mounted Display,HMD) 示 各
（1） 基于LCD的头盔显示器
器种 类
型
的
LED
头 盔 显
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（2） 双目全方位显示器 双目全方位显示器（Binocular Omni-Orientation Monitor， BOOM）是种可移动式显示器，是一种特殊的头部显示设备。使 用BOOM比较类似使用一个望远镜，它把两个独立的CRT显示器 捆绑在一起，由两个相互垂直的机械臂支撑称，这不仅让用户可 以在半径2m的球面空间内用手自由操纵显示器的位置，还能将 显示器的重量加以巧妙的平衡而使之始终保持水平，不受平台的 运动影响。在支撑臂上的每个节点处都有位置跟踪器，因此 BOOM和HMD一样有实时的观测和交互能力。
光学式运动捕捉的应用
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一、填空题
1.虚拟现实的硬件设备主要包括虚拟现实的（ ）和支持虚拟现实（ ）
两大部分
2.根据CPU的速度和图形处理能力，虚拟现实的生成设备可分为（ ）、
（ ）、（ ）和（ ）。
3.目前虚拟现实交互设备根据功能的不同，可以分为（ ）、（ ）、
（ ）和（ ）等。
二、简答题
1. 简述立体显示设备的原理。
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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。
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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。