第二章_虚拟现实系统的硬件设备24
虚拟现实技术-第二章-输入设备
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。
• 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。
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
• 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—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
《虚拟现实技术基础及应用(第2版)》课后习题答案
《虚拟现实技术基础及应用（第2版）》课后习题答案习题一一、名词解释VR：虚拟现实是从英文Virtual Reality一词翻译过来的，简称“VR”，是指采用以计算机技术为核心的现代高新技术，生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的虚拟环境，参与者可以借助必要的装备，以自然的方式与虚拟环境中的物体进行交互，并相互影响，从而获得等同真实环境的感受和体验。
AR：AR（Augmented Reality，增强现实）是通过计算机技术，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。
MR：MR（Mixed Reality，混合现实），混合现实既包括增强现实又包括增强虚拟，指的是合并现实和虚拟世界而产生的新的可视化环境。
在新的可视化环境里，物理和虚拟数字对象共存，并实时互动。
XR：即扩展现实，英文为“Extended Reality”或者“Cross Reality”，常见的缩写简称为“XR”或“ER”等，是指通过计算机技术和可穿戴设备产生的一个真实与虚拟结合、可人机交互的环境。
扩展现实技术可以看作一种涵盖性术语，包含了虚拟现实VR、增强现实AR、混合现实MR及其他因技术进步而可能出现的新型沉浸式技术。
二、填空题1. 虚拟现实技术的特性有沉浸感Immersion、交互性Interaction和构想性Imagination。
2. 典型的虚拟现实系统主要由三维的虚拟环境产生器及其显示部分、由各种传感器构成的信号采集部分和由各种外部设备构成的信息输出部分等组成。
3. 根据用户参与虚拟现实的不同形式以及沉浸程度的不同，可以把各种类型的虚拟现实系统划分为四类：沉浸式虚拟现实系统、增强虚拟现实系统、桌面式虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统。
三、简答题1. 简述虚拟现实技术的发展历程。
答：虚拟现实技术的发展经历了三个阶段：1)虚拟现实技术的探索阶段（20世纪初期——20世纪70年代）2)虚拟现实技术概念的逐步形成阶段（20世纪80年代初——20世纪80年代末）3)虚拟现实技术全面发展阶段（20世纪90年代初——至今）2. 简述虚拟现实技术的原理及本质。
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三维位置跟踪器类型
机械跟踪器 电磁跟踪器（交流、直流） 超声波跟踪器 光学跟踪器 混合惯性跟踪器
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机械跟踪器
定义：
机械跟踪器：一 个串行或并行的运动 结构，由多个带有传 感器的关节连接在一 起的连杆构成。
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机械跟踪器的优点
简单易用
精度保持相对稳定，基本取决于关节 传感器的分辨率
相对于电磁跟踪器，不受周围环境中 金属物质和磁场的影响
相对于光学跟踪器，不存在视觉阻挡 问题
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机械跟踪器的缺点
Gypsy 动作捕获系统
Ø 无线动作捕获系统 Ø 范围：在户外的有效距离可以达到0.8公里，
相当于450个足球场的范围；室内的范围为 180米 Ø 没有摄象头--直接记录人体的身体动作 Ø 操作非常简单 Ø 便携
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Gypsy特点： 15个关节位置由42个 单向导电塑料精密电位记 测得 精度0.08度，范围18 米，采样频率30 使用了脚步微动开关 使用了陀螺仪
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跟踪器的性能参数－抖动
跟踪器的抖动 指当被跟踪对
象固定不变时， 跟踪器输出结果 的变化。
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注意：
理想情况下，抖动应该为零，测得的位置 为固定值 抖动不是一个常数，受周围环境的影响 严重的抖动会导致虚拟对象振动和跳动
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虚拟现实技术课件第二章
位姿传感器——机械式传感器
原理 机械式传感器可分两类：
机械式传感器的优缺点
便宜，比较精确。可以测量整个身体运动，没 有延迟。可以同时实现力反馈。
妨碍身体运动。
机械式传感器的产品
跟踪球 3-D探头 传感手套
I. 数据手套 II. CyberGlove III. PowerGlove IV. Dextrous Hand Master （DHM）（灵巧手设备）
工作原理 尖端相对底座的位置是通过直接动力学计算，根据传感器数据 （关节角）和机械链长度得到的。主计算机上的软件经过RS232 接口读取关节传感器数据，然后利用它的动力学模型确定尖端 的位置。
传感器的分辨率以及测量速度和精度 对探头“Probe-IC”是0.7°，而对探头“Probe-IX”是0.35°。测量速度 可能达到200位置/秒，执行时间仅3毫秒 。存在误差的原因是关 节传感器的分辨率，温度变化和关节的公差。探头的误差会由 底座到尖端累积。
对于测角器，必须研究装配和测量的问题 例如对不同人体的调整、与关节的调节、足够硬的连接、链接 与肢体的校准等
安在地面上的机械链接
作用： 安在地面上的机械链接主要用于大自由度末端跟踪，如头或手 的位姿跟踪。它不会引起上述的关节角测量有关的问题。 哪些问题？
要求操作者牢固地抓住手操作器，或者要求头盔牢固地缚在头上。 安在地面上的机械链接比安在身体上的链接更容易产生力反馈，因为 驱动器不必安在身体上。
《虚拟现实技术》课程教学大纲
虚拟现实技术课程教学大纲Virtua1Rea1ityTechno1ogyCourseTeachingProgram学时数：32其中：实验学时：0课外学时：0学分数：2适用专业：计算机科学与技术一、课程性质、任务与目的虚拟现实技术（简称VR）,又称灵境技术，是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。
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。
本门课的主要任务与目的是，学习建模能力，VRM1定义了类型丰富的几何、编组、定位等节点，建模能力较强；真实感及渲染能力，通过提供丰富的渲染相关节点，可以很精细地实现光照、着色、纹理贴图、三维立体声源；观察及交互手段，传感器类型丰富，可以感知用户交互，视点可以控制对三维世界的观察方式及动画控制。
二、教学基本要求（一）动态环境建模技术学习。
（二）实时三维图形生成技术学习。
（H）立体显示和传感器技术学习。
（四）虚拟现实技应用系统开发工具学习（ShoUt3D的使用、Java3D的使用、3DMax的使用、ShOCkWave3D的使用）。
三、课程的教学内容、重点和难点第一章虚拟现实技术概述一、虚拟现实的基本概念（一）虚拟现实的定义（二）虚拟现实的本质特征（H）虚拟现实系统的组成二、虚拟现实系统的分类（一）桌面虚拟现实系统（二）沉浸式虚拟现实系统（H）增强虚拟现实系统（四）分布式虚拟现实系统三、虚拟现实的发展和现状（一）虚拟现实的发展历程（-）国外虚拟现实技术的研究现状（H）国内虚拟现实技术的研究现状（四）虚拟现实技术的发展趋势四、虚拟现实技术的主要应用领域（一）军事领域（二）医疗领域（H）教育领域（四）文化艺术领域（五）制造业（六）商业第二章虚拟现实系统的硬件设备一、视觉感知设备概述（-）人类视觉模型（二）视觉感知设备二、听觉感知设备概述（-）人类听觉模型（二）听觉感知设备三、触觉和力反馈设备（-）触觉和力反馈模型（二）触觉反馈设备（三）力反馈设备四、位置跟踪设备（-）位置跟踪设备概述（二）机械式位置跟踪设备（三）电磁式位置跟踪设备（四）超声波位置跟踪设备（五）光学式位置跟踪设备（六）惯性位置跟踪设备（七）混合位置跟踪设备（八）常见的三维位置跟踪设备五、虚拟现实的计算设备（-）高性能个人计算机（二）高性能图形工作站（三）高度并行的计算机（四）分布式网络计算机重点：不同虚拟现实系统硬件设备的了解难点：位置跟踪设备的使用第三章虚拟现实的建模技术一、对象虚拟（一）几何建模（二）图像建模（三）图像与几何相结合的建模方法（四）三维对象的视觉外观二、物理建模（一）分形技术（二）粒子系统（H）碰撞一响应建模三、运动建模（一）对象位置（二）对象层次（H）虚拟摄像机（四）行人的运动建模技术四、行为建模（一）基于Agent的行为建模（二）其他行为建模方法五、声音建模（一）虚拟声音建模（二）虚拟声音传播和再现重点：图像与几何相结合的建模方法难点：对象建模技术的掌握第四章虚拟现实的Web3D技术一、Web3D技术概述（-）Web3D技术的发展（二）Web3D技术的特点（三）Web3D发展方向及应用前景二、三维全景技术（一）全景技术概述（二）全景技术常用设备（三）全景作品的制作三、C1I1t3D技术（一）CUIt3D技术概述（二）Cu1t3D窗口介绍（三）CUIt3D制作流程（四）CUIt3D应用实例四、基于Web的其他技术（一）Java3D（二）Viewpoint（三）Atmosphere（四）Shout3D（五）ShockWaveSD重点：Web3D软件的应用难点：三维全景作品的制作第五章三维建模工具3dsMax一、三维建模工具简介二、3dsMax的基础知识（一）3dsMax的操作界面（二）三维标准基本几何体简介（H）变换物体（四）操作视图（五）三维坐标系统的概念（六）选择物体的方法（七）使用组（八）克隆物体（九）三个常用工具三、修改三维几何体（一）修改器介绍（-）常用对象空间修改器（H）“编辑网格”修改器四、样条曲线建模方法（一）创建样条曲线（-）样条曲线的可视化（H）样条曲线的插值（四）样条曲线的基本修改方法（五）常用对象空间修改器（六）样条曲线的放样（七）放样物体的编辑五、材质与贴图（一）材质与贴图的概念（二）材质和贴图的类型（H）材质编辑器的使用（四）标准材质的设置六、灯光与摄影机（一）灯光简介（二）灯光的基本参数（H）摄影机简介七、生成动画（一）生成动画的基本流程（二）小球滚动动画实例八、综合实例（一）演播大厅的制作第六章虚拟现实开发平台EON一、虚拟现实系统开发平台概述（-）虚拟现实系统开发平台的基本功能（二）虚拟现实系统开发平台的发展趋势（H）常见的虚拟现实系统开发平台二、虚拟现实开发平台EON概述（一）EoN技术简介（二）EON产品（Ξ）EoN技术在国内外的研究与应用三、认识EONStudio（一）安装EONStUdio（二）EoNRaPtor的安装与使用（Ξ）EoNSmdiO操作界面四、EON的节点和元件（一）节点（二）元件五、创建EoN应用程序（一）EoN坐标系统（二）导入3D物体（H）交互程序开发（四）发布交互程序六、EON与其他软件的整合（一）EOnX属性设置（~）EoN通信接口（Ξ）EON文件嵌入PPT第七章虚拟现实系统综合实例一、室内漫游交互系统（-）虚拟漫游系统说明（二）EON漫游系统的开发二、机器虚拟拆装训练系统（一）虚拟拆装训练系统说明（二）素材准备（三）交互功能开发（四）打包发布重点：机器虚拟拆装训练系统交互功能的开发难点：EoN漫游系统的开发四、课程各教学环节要求（一）教与学模式建立《虚拟现实技术》的电子教案和多媒体课件或积件，以任务驱动为主线，采用多媒体演播教学、讲授、自主学习、协作学习、小组讨论、上机实验等多种教与学模式。
第二课虚拟现实的软硬件技术
立体显示－NuVision17/21立体挂屏
NuVision 17/21SX立体挂屏给桌面虚拟现 实带来一种新的观看方式，屏幕特性是高速 显示，使用简单，充分利用您现有的17/21 寸显示器。你能更清晰的看出问题和鉴别解 决方案，获得洞察力和只有在立体显示器中 才能提供的信息。
NuVision 17/21SX立体挂屏和偏振立体眼 镜配合使用，而不需要其他的设备。出于舒 适和方便的设计目的，戴几个小时的立体眼 镜而不会有眼镜疲劳。NuVision 立体显示 器技术使你能自由移动而不会损失3D图象效 果，而且近看显示器不会有任何影响。因为 立体挂屏为多用户使用而设计，2个标准立 体眼镜和2个有线眼镜包含在显示器中。
StereoGraphics CrystalEyes液晶偏 振光眼镜
StereoGraphics CrystalEyes3是一款工 业机标准的液晶偏振光眼 镜，对于那些从事于虚拟 仿真开发的工程师来说无 疑是一件很好的工具。 CrystalEyes是业界产品 的领导者，它提供给用户 高清晰的图像，兼容于 UNIX和Windows平台， 主要应用于CAVE系统， 演播室和全景场所。无线 液晶偏振光眼镜广泛应用 于地理信息系统，化学研 究系统，虚拟仿真系统 等...
X3D 显示器是X3D技术在vr硬件和软件上的 创新，它可以使图像产生一定的纵深感。 X3D 显示器专注于生产VR 产业的主导，它 的技术和服务促进了广告和市场领域的发展。 X3D 显示器提供动态的解决方案，例如教育， 医学，工业，机械领域的3d模型。
VR硬件
人眼是如何形成立体视觉的
在电视机、电脑显示器上出现的画面都是二维的、平面的， 我们突然间意识到这些屏幕上的画面和生活中的不一样， 是不真实的，缺乏一种让人震撼的感觉。
《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PPT共18页
统硬件设备
41、实际上，我们想要的不是针对犯 罪的法 律，而 是针对 疯狂 跟随着 身体一 样。— —贝卡 利亚
43、法律和制度必须跟上人类思想进 步。— —杰弗 逊
44、人类受制于法律，法律受制于情 理。— —托·富 勒
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
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29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
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45、法律的制定是为了保证每一个人 自由发 挥自己 的才能 ，而不 是为了 束缚他 的才能 。—— 罗伯斯 庇尔
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26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
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27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
虚拟现实(VR与增强现实(AR技术应用方案
虚拟现实（VR与增强现实（AR技术应用方案第一章：虚拟现实（VR）技术概述 (2)1.1 VR技术的发展历程 (2)1.2 VR技术的核心组成部分 (3)第二章：虚拟现实（VR）硬件设备 (4)2.1 头戴式显示器（HMD） (4)2.2 手柄与追踪设备 (4)2.3 虚拟现实交互设备 (5)第三章：虚拟现实（VR）软件平台 (5)3.1 VR内容创作工具 (5)3.1.1 Unity (6)3.1.2 Unreal Engine (6)3.1.3 VR Studio (6)3.2 VR应用程序开发框架 (6)3.2.1 OpenVR (6)3.2.2 OSVR (6)3.2.3 Unity XR Interaction Toolkit (6)3.3 VR内容分发平台 (7)3.3.1 SteamVR (7)3.3.2 Oculus Store (7)3.3.3 Viveport (7)第四章：增强现实（AR）技术概述 (7)4.1 AR技术的发展历程 (7)4.2 AR技术的核心组成部分 (8)第五章：增强现实（AR）硬件设备 (8)5.1 智能眼镜 (8)5.2 手机与平板电脑 (9)5.3 AR投影设备 (9)第六章：增强现实（AR）软件平台 (9)6.1 AR内容创作工具 (9)6.1.1 Unity AR Foundation (9)6.1.2 ARKit（iOS） (10)6.1.3 ARCore（Android） (10)6.1.4 Vuforia (10)6.2 AR应用程序开发框架 (10)6.2.1 ARKit（iOS） (10)6.2.2 ARCore（Android） (10)6.2.3 EasyAR (10)6.2.4 Wikitude (11)6.3 AR内容分发平台 (11)6.3.1 Apple App Store (11)6.3.2 Google Play (11)6.3.3 Vuforia Developer Services (11)6.3.4 Wikitude Studio (11)第七章：虚拟现实（VR）在教育领域的应用 (11)7.1 虚拟课堂 (11)7.1.1 概述 (11)7.1.2 应用场景 (12)7.1.3 技术实现 (12)7.2 虚拟实验 (12)7.2.1 概述 (12)7.2.2 应用场景 (12)7.2.3 技术实现 (12)7.3 虚拟实训 (12)7.3.1 概述 (12)7.3.2 应用场景 (12)7.3.3 技术实现 (13)第八章：增强现实（AR）在零售行业的应用 (13)8.1 虚拟试衣 (13)8.2 商品展示 (13)8.3 购物体验优化 (14)第九章：虚拟现实（VR）在医疗领域的应用 (14)9.1 虚拟诊疗 (14)9.1.1 概述 (14)9.1.2 应用场景 (15)9.1.3 技术特点 (15)9.2 虚拟手术 (15)9.2.1 概述 (15)9.2.2 应用场景 (15)9.2.3 技术特点 (15)9.3 康复训练 (16)9.3.1 概述 (16)9.3.2 应用场景 (16)9.3.3 技术特点 (16)第十章：增强现实（AR）在娱乐与游戏领域的应用 (16)10.1 虚拟现实游戏 (16)10.2 增强现实游戏 (16)10.3 虚拟现实娱乐体验 (17)第一章：虚拟现实（VR）技术概述1.1 VR技术的发展历程虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术作为一种新兴的信息技术，旨在通过计算机的模拟环境，为用户提供一种沉浸式的交互体验。
虚拟现实与VRML-第二章虚拟现实的接口设备
（4）3-D传感器都具有一些共同的参数。 例如，采样率是每秒测量次数。执行时间是在
行为和结果之间的时间延迟。传感器的精度，即实 际位置与所测出位置的差。分辨率是传感器检测的" 粒度"，即检测的最小的位置变化。
位姿跟踪常用的性能参数有：精度，分辨率，
采样率，执行时间，范围，工作空间，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。 （5）人体并非刚体。上述六个数值只能描述人体整 体的运动，人体各部分之间的相对运动也应该测量。
虚拟现实与VRML－第二章 虚拟现实的接口设备
第二章 虚拟现实的接口设备
第一节 位姿传感器
1、位姿传感器要求： 机器人、生物学、建筑、CAD、教育等应用领域，
都要求知道运动物体实时的位置和方向。虚拟现实系 统则要求知道人体各部分实时的位置和方向。 （1）3-D空间中的运动的刚体具有三个平移（沿着X、 Y和Z轴）和三个转动（偏航、俯仰和滚动）。 （2）在物体以高速运动时，应该足够快地测出这六个 数值。 （3）3-D测量不应妨碍物体运动。非接触式测量（低 频磁场、超声、雷达、红外摄像和LED等）已经代替 机械臂等接触式测量。
⑧具有看穿的显示方式。（这类似于看穿的头盔显示。在 看到激光扫描的虚拟图形的同时，也看到真实场景。）
下图表示，VRD的工作原理。源图像是要求显示的图像。调制 的光源是红绿蓝三基色的光源。水平和垂直扫描器根据源图像 对于光源进行扫描。经过光学镜头，在人的视网膜上成像。
在普通的屏幕显示中，受控的光线或光发射 元素组成高密集的阵列，这个阵列投影到各 个象素。但在VRD的显示中，不存在其他屏 幕，象素流直接投影到视网膜。VRD中不具 备象素持续性质，只有视网膜上光接受器的 光收集特性。因此，在VRD提供的光线和人 脑产生的图像质量之间的关系，就是很重要 的了。源图像直接进入驱动电子设备中，去 调制红绿兰三色的光线。每个象素通过水平 和垂直扫描器，在视网膜上产生光栅化的图 像。视网膜没有持续性质，因此没有闪烁。 产生的图像很亮，有很高的分辨率，有很宽 的视场。每个象素投影在视网膜上的时间很 少，30-40ns。此外，该设备只消耗很少能量
虚拟现实技术的设备设置和配置方法
虚拟现实技术的设备设置和配置方法虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术近年来逐渐进入了普通消费者的生活，为人们带来了前所未有的沉浸式体验。
无论是在娱乐、教育、医疗还是工业领域，虚拟现实技术的应用越来越广泛。
然而，对于初次接触虚拟现实设备的人们来说，设备的设置和配置可能会有些困惑。
本文将介绍虚拟现实技术的设备设置和配置方法，帮助读者更好地享受虚拟现实的乐趣。
1. 设备选择虚拟现实技术的设备通常包括头戴式显示器（Head-Mounted Display，HMD）、追踪设备（Tracking Device）和控制器（Controller）。
对于初学者来说，选择合适的设备非常重要。
首先，选择头戴式显示器时需要考虑以下因素：- 分辨率和图像质量：高分辨率和清晰的图像质量能够提供更真实的沉浸式体验；- 舒适性：选择轻便、舒适的头戴式显示器可以减少佩戴的不适感；- 运动跟踪：一些高级HMD设备具备内置的运动跟踪功能，可以提供更精确的交互体验。
其次，追踪设备也是虚拟现实技术中不可或缺的一部分。
常见的追踪设备有外置式追踪传感器和摄像头。
外置式传感器通常需要安装在房间的角落或墙壁上，用于追踪用户在空间中的位置。
而摄像头则适用于追踪头部和手部的动作。
根据自身需求和预算，选择合适的追踪设备。
最后，控制器也是虚拟现实中的重要组成部分，它提供了用户与虚拟世界进行交互的方式。
常见的控制器有手柄、手套和手势识别设备。
选择控制器时，需要考虑其功能、舒适性和与设备的兼容性。
2. 连接和配置设备当我们选定了合适的虚拟现实设备后，下一步是连接和配置这些设备以进行正常使用。
通常，设备连接和配置涉及以下步骤：- 下载和安装驱动程序：根据设备厂商提供的指南，下载并安装相应的驱动程序。
这些驱动程序负责与操作系统进行通信，确保设备正常工作。
- 连接设备：根据设备的接口类型，使用适当的连接线缆将设备与电脑或游戏主机连接起来。
头戴式显示器通常使用高清显显示口（HDMI）或显示端口（DisplayPort）进行连接。