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VR硬件交互设备

2017-06-19 14:53:38 admin 66

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  乐客VR硬件达人:虚拟现实硬件交互设备主要包括:位置追踪仪、数据手套、3D输入设备(三维鼠标)、动作捕捉设备、眼动仪、力反馈设备以及其他交互设备等。
  (1)数据手套
  数据手套是虚拟仿真中最常用的交互工具。数据手套设有弯曲传感器,弯曲传感器由柔性电路板、力敏元件、弹性封装材料组成,通过导线连接至信号处理电路;在柔性电路板上设有至少两根导线,以力敏材料包覆于柔性电路板大部,再在力敏材料上包覆一层弹性封装材料,柔性电路板留一端在外,以导线与外电路连接。把人手姿态准确实时地传递给虚拟环境,而且能够把与虚拟物体的接触信息反馈给操作者。使操作者以更加直接,更加自然,更加有效的方式与虚拟世界进行交互,大大增强了互动性和沉浸感。并为操作者提供了一种通用、直接的人机交互方式,特别适用于需要多自由度手模型对虚拟物体进行复杂操作的虚拟现实系统。数据手套本身不提供与空间位置相关的信息,必须与位置跟踪设备连用。
  (2)力矩球
  力矩球(空间求SpaceBall)是一种可提供为6自由度的外部输入设备,他安装在一个小型的固定平台上。6自由度是指宽度、高度、深度、俯仰角、转动角和偏转角,可以扭转、挤压、拉伸以及来回摇摆,用来控制虚拟场景做自由漫游,或者控制场景中某个物体的空间位置机器方向。力矩球通常使用发光二极管来测量力。他通过装在求中心的几个张力器测量出手所施加的力,闭关将其测量值转化为三个平移运动和三个旋转运动的值送入计算机中,计算机根据这些值来改变其输出显示。力矩球在选取对象时不是很直观,一般与数据手套、立体眼镜配合使用。
  (3)操纵杆
  操纵杆是一种可以提供前后左右上下6个自由度及手指按钮的外部输入设备。适合对虚拟飞行等的操作。由于操纵杆采用全数字化设计,所以其精度非常高。无论操作速度多快,他都能快速做出反应。
  操纵杆的优点是操作灵活方便,真实感强,相对于其他设备来说价格低廉。缺点是只能用于特殊的环境,如虚拟飞行。
  (4)触觉反馈装置
  在VR系统中如果没有触觉反馈,当用户接触到虚拟世界的某一物体时易使手穿过物体,从而失去真实感。解决这种问题的有效方法是在用户交互设备中增加触觉反馈。触觉反馈主要是居于视觉、气压感、振动触感、电子触感和神经肌肉模拟等方法来实现的。向皮肤反馈可变点脉冲的电子触感反馈和直接刺激皮层的神经肌肉模拟反馈都不太安全,相对而言,气压式和振动触感是是较为安全的触觉反馈方法。
  气压式触摸反馈是一种采用小空气袋作为传感装置的。它由双层手套组成,其中一个输入手套来测量力,有20~30个力敏元件分布在手套的不同位置,当使用者在VR系统中产生虚拟接触的时候,检测出手的各个部位的手里情况。用另一个输出手套再现所检测的压力,手套上也装有20~30个空气袋放在对应的位置,这些小空气袋由空气压缩泵控制其气压,并由计算机对气压值进行调整,从而实现虚拟手物碰触时的触觉感受和手里情况。该方法实现的触觉虽然不是非常的逼真,但是已经有较好的结果。
  振动反馈是用声音线圈作为振动换能装置以产生振动的方法。简单的换能装置就如同一个未安装喇叭的声音线圈,复杂的换能器是利用状态记忆合金支撑。当电流通过这些换能装置时,它们都会发生形变和弯曲。可能根据需要把换能器做成各种形状,把它们安装在皮肤表面的各个位置。这样就能产生对虚拟物体的光滑度、粗糙度的感知。
  (5)力觉反馈装置
  力觉和触觉实际是两种不同的感知,触觉包括的感知内容更加丰富如接触感、质感、纹理感以及温度感等;力觉感知设备要求能反馈力的大小和方向,与触觉反馈装置相比,力反馈装置相对成熟一些。目前已经有的力反馈装置有:力量反馈臂,力量反馈操纵杆,笔式六自由度游戏棒等。其主原理是有计算机通过里反馈系统对用户的手、腕、臂等运动产生阻力从而使用户感受到作用力的方向和大小。
  由于人对力觉感知非常敏感,一般精度的装置根本无法满足要求,而研制高精度里反馈装置又相当昂贵,这是人们面临的难题之一。
  (6)运动捕捉系统
  在VR系统中为了实现人与VR系统的交互,必须确定参与者的头部、手、身体等位置的方向,准确地跟踪测量参与者的动作,将这些动作实时监测出来,以便将这些数据反馈给显示和控制系统。这些工作对VR系统是必不可少的,也正是运动捕捉技术的研究内容。
  到目前为止,常用的运动捕捉技术从原理上说可分为机械式、声学式、电磁式、和光学式。同时,不依赖于传感器而直接识别人体人体特征的运动捕捉技术也将很快进入实用。
  从技术角度来看,运动捕捉就是要测量、跟踪、记录物体在三维空间中的运动轨迹。
  (7)机械式运动捕捉
  机械式运动捕捉依靠机械装置来跟踪和测量运动轨迹。典型的系统由多个关节和刚性连杆组成,在可转动的关节中装有角度传感器,可以测得关节转动角度的变化情况。装置运动是,根据角度传感器所测得的角度变化和连杆的昂度,可以得出杆件末端点在空间中的位置和运动轨迹。实际上,装置上任何一点的轨迹都可以求出,刚性连杆也可以换成长度可变的伸缩杆。
  机械式运动捕捉的一种应用形式是将欲捕捉的运动物体与机械结构相连,物体运动带动机械装置,从而被传感器记录下来。这种方法的优点是成本低、精度高、可以做到实时测量,还可以允许多个角色同时表演,但是使用起来非常不方便,机械结构对表演者的动作的阻碍和限制很大。
  (8)声学运动捕捉
  常用的声学捕捉设备由发送器、接收器和处理单元组成。发送器是一个固定的超声波发送器,接收器一般由呈三角形排列的三个超声波探头组成。通过测量声波从发送器到接收器的时间或者相位差,系统可以确定接收器的位置和方向。
  这类装置的成本较低,但对运动的捕捉有较大的延迟和滞后,实时性较差,精度一般不很高,声源和接收器之间不能有大的遮挡物,受噪声影响和多次反射等干扰较大。由于空气中声波的速度与大气压、湿度、温度有关,所以必须在算法中做出相应的补偿。
  (9)电磁式运动捕捉
  电磁式运动捕捉是比较常用的运动捕捉设备。一般由发射源、接受传感器和数据处理单元组成。发射源在空间按照一定时空规律分布的电磁场;接受传感器安置在表演者沿着身体的相关位置,随着表演者在电磁场中运动,通过电缆或者无线方式与数据处理单元相连。
  它对环境的要求比较严格,在使用场地附近不能有金属物品,否则会干扰电磁场,影响精度。系统的允许范围比光学式要小,特别是电缆对使用者的活动限制比较大,对于比较剧烈的运动则不适用。
  (10)光学式运动捕捉
  光学式运动捕捉通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。目前常见的光学式运动捕捉大多数居于计算机视觉原理。从理论上说,对于空间中的一个点,只要他能同时被两个相机缩减,则根据同一时刻两个相机所拍摄的图像和相机参数,可以确定这一时刻该点在空间中的位置。当相机以足够高的速率连续拍摄时,从图像序列中就可以得到该店的运动轨迹。
  这种方法的缺点就是价格昂贵,虽然可以实时捕捉运动,但后期处理的工作量非常大,对于表演场的光照、反射情况有一定的要求,装置定标也比较繁琐。
  (11)数据衣
  在VR系统中比较常用的运动捕捉是数据衣。数据衣为了让VR系统识别全身运动而设计的输入装置。他是根据‘数据手套’的原理研制出来的,这种衣服装备着许多触觉传感器,穿在身上,衣服里面的传感器能够根据身体的动作探测和跟踪人体的所有动作。数据衣对人体大约50个不同的关节进行测量,包括膝盖、手臂、躯干和脚。通过光电转换,身体的运动信息被计算机识别,反过来衣服也会反作用在身上产生压力和摩擦力,使人的感觉更加逼真。
  和HMD,数据手套一样数据衣也有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便的缺点,另外数据衣还存在着一个潜在的问题就是人的体型差异比较大。为了检测全身,不但要检测肢体的伸张状况,而且还要检测肢体的空间位置和方向,这需要许多空间跟踪器。


关键词:  乐客VR

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