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虚拟现实系统中的主要硬件设备
2010年9月26日    评论:    分享:

       来源:第三维度
       作者:王逍

       虚拟现实是多种技术的综合,包括实时三维计算机图形技术,广角(宽视野)立体显示技术,对观察者头、眼和手的跟踪技术,以及触觉/力觉反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等。下面对这些技术分别加以说明。

   实时三维计算机图形技术

   相比较而言,利用计算机模型产生图形图像并不是太难的事情。如果有足够准确的模型,又有足够的时间,我们就可以生成不同光照条件下各种物体的精确图像,但是这里的关键是实时。例如在飞行模拟系统中,图像的刷新相当重要,同时对图像质量的要求也很高,再加上非常复杂的虚拟环境,问题就变得相当困难。

      另外,由于虚拟现实环境追求的方向是无限的接近真实世界,这时候的三维虚拟世界中的物理规律也相应更加完善,如航空模拟中要考虑非常复杂的空气动力学因素,航海模拟中要考虑海面水流等流体力学因素。在数字地球的应用中,空间数据(GIS)的三维可视化就变的非常重要。然而,更多的时候是需要在我们创建的虚拟世界中同时考虑以上各种因素。这也就为实时的三维计算机图形处理技术提出了更高的要求。

   3D立体显示 视景仿真

   人看周围的世界时,由于两只眼睛的位置不同,得到的图像略有不同,这些图像在脑子里融合起来,就形成了一个关于周围世界的整体景象,这个景象中包括了距离远近的信息。当然,距离信息也可以通过其他方法获得,例如眼睛焦距的远近、物体大小的比较等。


  视觉是人类感知客观环境的重要方式,人类大概有70%的信息是靠视觉来获取的。在虚拟现实VR系统中,双目立体视觉起了很大作用。用户的两只眼睛看到的不同图像是分别产生的,显示在不同的显示器上。有的系统采用单个显示器,但用户带上特殊的眼镜后,一只眼睛只能看到奇数帧图像,另一只眼睛只能看到偶数帧图像,奇、偶帧之间的不同也就是视差就产生了立体感。

       三维空间输入

   在人造环境中,每个物体相对于系统的坐标系都有一个位置与姿态,而用户也是如此。用户看到的景象是由用户的位置和头(眼)的方向来确定的。

   跟踪头部运动的虚拟现实头套:在传统的计算机图形技术中,视场的改变是通过鼠标或键盘来实现的,用户的视觉系统和运动感知系统是分离的,而利用头部跟踪来改变图像的视角,用户的视觉系统和运动感知系统之间就可以联系起来,感觉更逼真。另一个优点是,用户不仅可以通过双目立体视觉去认识环境,而且可以通过头部的运动去观察环境。

虚拟现实系统中的硬件设备和关键技术

   在用户与计算机的交互中,键盘和鼠标是目前最常用的工具,但对于三维空间来说,它们都不太适合。在三维空间中因为有六个自由度,我们很难找出比较直观的办法把鼠标的平面运动映射成三维空间的任意运动。现在,已经有一些设备可以提供六个自由度,如3Space数字化仪和SpaceBall空间球等。另外一些性能比较优异的设备是数据手套和数据衣。

虚拟现实系统中的硬件设备和关键技术

       人体动作捕捉

      人体动作在三维虚拟空间中也有着非常重要的作用,如体育运动训练分析、影视演员的动作处理,包括军事训练、单兵模拟等系统中,都离不开人体动作捕捉。目前是通过一套动作捕捉设备来完成这个过程的。

虚拟现实系统中的硬件设备和关键技术

       动作捕捉的基本原理与立体显示技术的基本原理是一样的,都是通过视觉差来计算空间物体的位置。不同的是立体显示技术只是通过模拟两只眼睛,来实现模拟人类视觉形成过程,而动作捕捉是通过计算不同“眼睛”(摄像机)中这一点点的图像差别,得到被测物的具体空间位置。在一个大型动作捕捉环境中,可能有很多摄像机,拍摄各个方位的画面,然后得到更加精确的被测物空间信息。

虚拟现实系统中的硬件设备和关键技术

       空间位置监测

      空间位置监测在一个小范围的虚拟环境中一般比较容易实现,因为大部分时候我们提到“空间位置监测”是指对一个点的监测。但是如果是一个非常大的空间实现起来就非困难。如我们熟知的GPS卫星定位系统,就是通过地球轨道上30多颗人造卫星实现的。它的原理与动作捕捉的原理差不多,只不过是使用范围、测量目标与传输方式的不同。


    立体声

    人能够很好地判定声源的方向。在水平方向上,我们靠声音的相位差及强度的差别来确定声音的方向,因为声音到达两只耳朵的时间或距离有所不同。常见的立体声效果就是靠左右耳听到在不同位置录制的不同声音来实现的,所以会有一种方向感。现实生活里,当头部转动时,听到的声音的方向就会改变。但目前在VR系统中,声音的方向与用户头部的运动无关。

  触觉与力觉反馈传感器

  在一个VR系统中,用户可以看到一个虚拟的杯子。你可以设法去抓住它,但是你的手没有真正接触杯子的感觉,并有可能穿过虚拟杯子的“表面”,而这在现实生活中是不可能的。解决这一问题的常用装置是在手套内层安装一些可以振动的触点来模拟触觉。

虚拟现实系统中的硬件设备和关键技术

     在某些虚拟环境中,触觉与力觉反馈非常重要。如虚拟医疗手术中,训练者必须能够准确的感受到在人体手术过程中的力反馈信息,才能准确的完成手术过程。在虚拟装配训练者,操作者也必须能够知道某些零部件操作的力反馈信息。


     结束语

    虚拟现实技术是一个综合性比较强的学科,一套完整的虚拟现实系统涉及到力学、光学、生物学、计算机图形学等非常复杂的专业知识,同时还需要更多的基于某个专业领域的专业知识。在专业知识的基础上研发各种可以在虚拟现实系统中实现数据处理、信息输入、输出等的高效设备是从业者的宏远目标。


 

标签:硬件
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