第2章输入设备

第二章虚拟现实输入设备虚拟现实系统构成•显示器（Displays）•跟踪器（Headandhandtrackers）•输入设备（Inputdevices）–3D鼠标（3Dmouse）–数据手套（Gloves）•3D声音（3Dsound）虚拟环境可视化可视化环境环境图形环境图形环境声音环境声音环境触觉触觉//运动感觉环境运动感觉环境硬件发展的历史背景1965:Sutherland的终端显示器1970:飞行模拟器及头盔显示器1984:NASA系统1985:VPL数据手套1989:FakeSpaceLabs,BOOM特殊头部显示器1992:UICCAVE当前状况（CurrentStateoftheArt）•系统的代价昂贵•特殊系统（飞行模拟器）的价格高(US$1M)Veryexpensivesystemsareeffectiveforspecializedapplications(Flightsimulation)•特殊的应用系统不具有头盔显示器（Application-specificsystemswithoutfullhead-mounteddisplaytechnology）虚拟环境中用户的动作检测和设备用户反应动作检测设备头部运动头部跟踪装置肢体或躯体运动跟踪器，力反馈装置，空间球手指运动数据手套，按钮装置，操纵感眼球运动眼球跟踪器语言语音识别装置受力带力传感器的力反馈装置常见系统•头盔显示器具有低分辨率和动态范围（DisplaysinHMD(LCDs)havepoorresolutionanddynamicrange）•手头跟踪（Trackingofheadandhand）–跟踪范围有限（Limittedrange）–受环境干扰（interferencefromenvironment）•图像产生系统（Imagegenerationsystem）–绘图能力有限（Insufficientgraphicspower）–延迟较长（Longdelay）虚拟现实技术•实时三维计算机图形（Real-time3Dcomputergraphics）•广角立体显示器（Wide-anglestereoscopicdisplays）•可视头部跟踪（Viewer(head)tracking）•手臂姿势跟踪（Handandgesturetracking）•双声（Binauralsound）•触觉反馈（Hapticfeedback）•声音的输入输出（Voiceinput/output）VR系统的典型设备和环境输入设备:跟踪器,漫游及手势接口虚拟现实是一种通过多种感官（视觉、听觉、触觉、嗅觉及味觉）的实时仿真与交互的用户界面。输入设备常用输入设备–跟踪器–立体鼠标,跟踪球及3-D探针–数据手套–手势输入设备–三维扫描仪虚拟对象的三维坐标系统虚拟对象具有6自由度(D.O.Fs):-三个平移（threetranslations）-三个旋转（threerotations）输入设备跟踪器度量对象的运动，如用户的手腕和头的运动。完成这个任务的技术包括:磁性跟踪器(常用的方法);超声波跟踪器(很少用);机械跟踪器(特殊情况使用);惯性/超声跟踪器(新方法)；基于视觉的跟踪器(新方法)输入设备输入设备跟踪器的特性跟踪器的特性::测量速度–读的次数/秒;传感延迟;传感器的噪声和漂移;测量精度（误差）测量重复性;栓系或无线;工作范围;遥感退化.输入设备跟踪器的特性跟踪器的特性::实际物体的位置准确性分辨率跟踪器位置测量输入设备跟踪器的特性跟踪器的特性::实际物体的固定位置信号噪声时间跟踪器数据输入设备跟踪器的特性跟踪器的特性::实际物体的固定位置传感器漂移时间跟踪器数据输入设备跟踪器的特性跟踪器的特性::实际物体的固定位置传感器延迟时间跟踪器数据输入设备跟踪器的特性跟踪器的特性::跟踪器更新率输入设备机械式跟踪器机械式跟踪器定义:一个机械式跟踪器包括一系列的串行或并行相互连机械式跟踪器包括一系列的串行或并行相互连接的运动学结构的关节。接的运动学结构的关节。输入设备机械式跟踪器机械式跟踪器特性使用嵌入在架构内的传感器来测量位置;具有很低的延迟;具有抗磁场和大型金属物体的干扰;缺点：对用户的运动自由度限制;随身携带很重输入设备输入设备(Fakespace公司)外骨架结构与计算机交互输入设备3D磁性跟踪器•交流电磁跟踪器交流电磁跟踪器由发射器、接收器和计算模块组成•发射器：由三个磁场方向相互垂直的双极磁源构成；•接收器：有三套分别测量三个磁源对应的方向的线圈组成；Polhemus公司的产品：Isotrak，3Space,Fastrack•Isotrak支持一个接收器•3Space,Fastrak支持四个接收器：所激活的接受器分享更新速率输入设备交流电磁跟踪器输入设备的缺点是：–对出现在发射器和接收器附近的电子导体非常敏感；–交流旋转磁场在铁磁物质中产生涡流，导致次磁场的产生；–导致场模式发生畸变，导致跟踪器计算的位置和方向结果错误3D磁性跟踪器•直流电磁跟踪器•直流电磁跟踪器由发射器、接收器和计算模块组成•发射器由绕立方体磁芯正交缠绕的三组线圈组成，被严格地安装在基准构架上；•接收器由绕立方体磁芯正交缠绕的三组线圈组成，立方体中央是一个圆柱形管子，三向线圈几乎同时测量接收器单元所在的磁场的各个不同的部分输入设备磁性跟踪器使用低频磁场来测量位置;磁场有固定磁源;磁源的大小要随着跟踪范围增大而不同；接收器附在跟踪物体上;输入设备带有数据手套的磁跟踪器输入设备Fastrack磁跟踪系统笔磁源接收器电子接口输入设备跟踪系统的大范围的磁源磁源输入设备Fastrack磁跟踪器的电路磁源接收器输入设备Polhemus大范围跟踪误差(Rutgers)金属在实验室天棚上MagnitudeofErrorVector/MovingTripod0.05.010.015.020.025.030.035.001020304050607080Transmitter-ReceiverDistance(inches)MagnitudeofErrorVector(inches)Err(54)Err(60)Err(66)Err(72)Err(80)跟踪误差是三脚架的高度函数LibertyLATUSLibertyLATUS––PolhemusPolhemus无限跟踪器无限跟踪器使用无限源,成为标记,每一个具有不同频率;每一个源的位置由接收器在8英尺(50平方米英尺)内被接收，一个接收器能跟踪4个标记。系统可以有最多12个标记和16个接收器采样率上限为188Hz，8个标记；下限94Hz，9至12个标记；标记是由电池供电高达2.5小时，并每个重2盎司一个标记和1接收器的精度为0.04毫米，然后在一英尺范围以0.0012度递减；通信的基本单元是的RS232或USB成本为最高$64,000PATRIOTPATRIOT––PolhemusPolhemus一种新型的无限跟踪器一种新型的无限跟踪器跟踪最多4个无限源(“标记”),每个具有不同的频率;采样率为50Hz；每个源的位置由接收器在6英尺内量度.每个接收器能跟踪2个标记；系统最多有2个接收器标记是由电池供电最高2小时性能比LATUS差,但便宜($14,000而不用$60,000)MotionStarMotionStar无线跟踪器输入设备直流磁跟踪器结构图输入设备FlockofBirds磁跟踪器(Ascension公司)输入设备传感器:20/suit100更新次数/秒3米范围分辨率2mmand.2度Electronicunit(2小时电池)1.7千克(3.8lb)输入设备Wirelesssuit(Ascension技术)MotionStar结构图输入设备•最佳精度下的跟踪面积3.63.6m•最佳跟踪面积1.84.2m•ReadingsweightedtothecloserERTs•SeveralBaseStationsforseveralusers磁跟踪器的校正磁跟踪器的校正使用机械测量，以减少错误;传感器的噪声–对于无实际物体运动的变化量测量，采用过采样解决;测量位置和方向的误差.输入设备磁跟踪器的误差磁跟踪器的误差由于环境噪声引起:eambient=Kn(dtransmitter-receiver)4由于金属引起:Kr(dtransmitter-receiver)4emetal=---------------------------------(dtransmitter-metal)3(dmetal-receiver)3输入设备磁跟踪器精度退化输入设备交流和直流磁跟踪器比较：直流跟踪器不受非铁磁性金属影响(黄铜，铝和不锈钢)交流和直流磁跟踪器都受铁磁金属存在的影响（碳钢和铁素体），都受铜的影响;交流跟踪器具有更好的分辨率和精确度；交流跟踪器具有稍短的距离范围。输入设备输入设备超声波跟踪器超声波跟踪器定义:一种非接触式位置测量设备，使用由固定发射机产生的超声波信号实时地确定接收器的位置和方向。利用不同声源的声音到达某一特定地点的时间差、相位差、声压差等进行空间位置的跟踪。输入设备超声波超声波跟踪器使用低频的超声波来测量位置;声音由一个固定的三角源产生；声源的数目随着跟踪范围的扩大而增加;接收器三角化，并附于被跟踪物体上并具有三个麦克风；距离根据声音的时间和传播路程来推断;对气温和其他的噪声源很敏感；需要“直接视线”;比磁跟踪器慢（最多每秒50次更新）输入设备超声波超声波跟踪器(Logitech)输入设备大容量超声波超声波跟踪器(Logitech)输入设备光学跟踪器定义:一种非接触式位置测量设备，使用利用光学传感实时决定物体的位置和方向输入设备光学跟踪器:a)从外向里看的;b)从里向外看的：输入设备从外向里看的：LaserBIRD光跟踪器输入设备从里向外看的：LaserBIRD光学跟踪器输入设备三个顶点的计算基于已知距离、光束的几何和角速度三个顶点的均值被计算，并以240sets/sec的速度发送到主机范围比磁跟踪器小2毫秒延迟时间的距离从外向里看的：ViconMXViconMX使用4M像素相机具有120LED阵列(红外的,或可见红光).0.02个像素精度摄像机具有实时的图像处理(掩码及阈值)分辨率2352x1728@160fps8个摄像机与MX网单元相连，然后与PC通讯输入设备从外向里看的：ViconMXViconMXMX与几个MX网的单元相连，有多个像机与其他设备交互像一个力板（forceplate）、传感手套或眼跟踪器–使用MX控制单元.使用者穿反光标记(小球).Inside-out光学跟踪器的优点与范围相关的精确性大范围的跟踪面及对遮挡的情况下无效(视线).输入设备HiBall3100宽区域跟踪器(courtesy三技术公司.)6opticallenses6opticallensesHiBall光学传感器HiBall光学传感器内部SignalconditioningSignalconditioningelectronicselectronics6photodiodes6photodiodes这种传感器的优点是:高采样率(2000Hz,1000Hz对于2个传感器,500Hz对于4个传感器);高精度(0.4mm,0.02°)，高分辨率(0.2mm,0.03°)抗金属或超声波干扰;跟踪区域大(达到40英尺×40英尺),低重量(6盎司).头盔显示器上的HiBall3000跟踪器LateraleffectphotodiodesVR应用的类型Beacon阵列模块(6条每条8个LED)复合式超声波复合式超声波//惯性跟踪器惯性跟踪器不受金属物体干扰;不受磁场干扰;大容量跟踪;“Source-less”方向跟踪;全室跟踪;一种较新的技术.输入设备缺点：缺点：加速度计的误差a会降低精度，因为x=at22