虚拟现实技术课件第二章

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虚拟现实技术

主讲：杨文晖

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第二章 虚拟现实的接口设备◇课前索引

◇第一节◇第二节 ◇第三节

位姿传感器视觉显示 听觉显示

◇第四节◇章节小结 ◇课后习题

力觉和触觉显示

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课前索引1.位姿传感器的作用，不同的技术及其对比。

2.视觉显示主要的要求，不同的技术及其对比。3.听觉显示的发声设备和声学建模的特点。 4.力觉和触觉显示的技术要求及实现方法。

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第一节 位姿传感器

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位姿传感器的概述位姿传感器的要求

各种位姿跟踪器的比较研究要求

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位姿传感器的要求对位姿传感器的要求有5个： (1)3-D空间中的运动的刚体具有三个平移和三个 转动 平移(沿着X、Y和Z轴) 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)传感器在3-D测量时不应妨碍物体运动。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。

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(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。

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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)人体各部分之间的相对运动也应该测量。

人体并非刚体。上述六个数值只能描述人体整 体的运动，各个部分之间的相对运动也要测量

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用于位姿跟踪和映射的基本传感系统有哪些？

1. 机械链接2. 磁传感器 3. 光传感器

4. 声传感器5. 惯性传感器。

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2 各种位姿跟踪器的比较

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3 研究要求位姿跟踪器要求合适的性能和合理的价格。 例如对肢体跟踪，某些光学传感器是精确快速的，但对 日常应用太贵(在5万到10万美元范围),特别是为了 防止阻挡和增加工作空间而加倍安装时。 位姿跟踪器必须使用某些校准过程 为了得到关节角，必须使用某些校准过程，在肢体上建 立坐标系。此后的关节角计算将接近真实的生物机械角 。 对整个人体跟踪，工作空间大小是重要问题。 应该能在足够大的空间跟踪运动人体，并且不会损失分 辨率，不必担心遮挡。被跟踪的人应能在建筑中由一个 房间走到另一个房间。如果人体所有主要部分都被跟踪 ，则要求安装某些东西在人体上(反光器，标记，测角 器)

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针对性能指标的含义及测量方法之间的不一致性 ，应该建立标准。 测量方法是在选择位置跟踪方法时最易混淆的 一个

问题，问题是性能指标的含义及测量方法 之间的不一致。应建立标准，指出怎样测精度 、分辨率、等待时间、带宽、敏感干扰、和起 伏。测量设备应商品化，应建立独立的实验室 ，使用户不至依赖厂家指标，而是了解真实性 能。

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位姿传感器——机械式传感器原理

机械式传感器可分两类：“安在身体上的”机械跟踪器中，机械全部安在 身上。 测角器

“安在地面上的”机械跟踪器中，机械部分安在 地面。 机械链接

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测角器(“安在身体上的”机械跟踪器)安在身体上的机械链(外骨骼或测角器),常用作关节角测量 与触觉接口结合，可形成力反馈外骨骼 它是轻便的可移动的，有全范围的运动测量，因为与肢体运动 有同样的工作空间。要求使用其它方法跟踪身体运动。 测量角的使用方法有两种 得到关节角 得到末端位置 测角器与关节的校准是困难的，特别是对多自由度关节 例如：肩膀 由于测角器是肢体外部的外骨骼，所以它的转动中心不同于关 节转动中心。由于运动的不一致，在测角器和运动肢体之间存 在着滑动。人的关节不是完善的铰链关节或球关节，转动轴随 关节角而移动。 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

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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。

缺点： 缺点一：安在地面的机械链接的一个缺点是操作者被连在地面，工作空间受到 限制。即使希望有较长的机械臂，两段机械手臂也限制在约2m。只有 在操作者坐着不动时，这才是好的方案。

缺点二：另一个缺点是可测量的自由度数目受到限制，通常六个。对于同时测 量多个臂或测量冗余的链接，这都有问题。例如多手指运动一般不用 安在地面的链接。此外，人的手臂是冗余的7自由度机构，安在地面 的链接不能解决这种冗余。

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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。