虚拟与现实交互设备

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2024年1月20日发(作者：)

虚拟与现实交互设备

(1) 空间跟踪定位器原理：空间跟踪定位器或叫三维空降传感器是一种能实时地检测活动着的物体在六个自由度上相对于某个固定物体的数值，即在X、Y、Z坐标上的位置值，以及围绕X、Y、Z轴的旋转值。这种三维空间传感器对被检测的物体必须是无干扰的，也就是说，不论这种传感器是基于何种原理和应用何种技术，它都不应影响被测物体的运动，即俗称为：“非接触式传感器”。在虚拟现实技术中广泛使用的是低频磁场式和超声式传感器。 低频磁场式传感器的低频磁场是由该中传感器的磁场发射器产生的，该发射器有三个正交的天线组成，在接受器内也安装一个正交天线，它被安装在远处的运动物体上，根据接受器所接受到的磁场，可以计算出接受器相对于发射器的位置和方向，并通过通信电缆把数据传送给主计算机。因此，计算机能间接的跟踪运动物体相对于反射器的位置和方向。在虚拟现实环境中，这种传感器常被用来安装在数据手套和头盔显示器上。

在虚拟现实应用中，对空间跟踪定位器的主要的性能要求是：定位精度、位置修改速率和延时、其中定位精度和分辨率不能混淆，前者是指传感器所测出的位置与实际位置的差异，后者是指传感器所能测出的最小位置变化；位置修改速率是指传感器在一秒钟内所能完成的测量次数，延时是指被检测物体的某个动作与传感器测出该动作的时间间隔。如何减少颤抖、漂移、噪音是着类传感器的关键技术，

目前较有效的技术是使用高性能DSP体系结构，低噪音的差分放大器、高性能的模数转换器、和在接受信道上采用比载频高很多的采样频率等。

与低频磁场式传感器相似，超声波式传感器也由发射器、接受器、和电子部件组成。发射器是由三个三个相距约30厘米的超声扩音器所构成，接受器是有三个相距较近的花筒话筒构成。周期性的刺激每个超声扩音器，由于在室温条件下的声波传送速度是已知的，根据三个超声话筒所接受到的三个超声扩音器周期性的发出的超声波，就可以计算出安装超声话筒的平台相对于安装超声扩音器的平台的位置和方向。 在作用范围较大的情况下，低频磁场十传感器比超声波式传感器有较明显的优点。但当在作用范围内存在磁铁性的

物体时，低频磁场式的传感器的精度明显降低。

(2) 触觉和力反馈器：力反馈器一种高精度的触觉交互设备，采用力反馈器，使得在设计阶段模拟数字样机的各种操作成为可能，而不需要任何的物理样机支持。产品的装配、拆卸，以及日常维护和测试等均可以在虚拟样机上进行演练。力反馈装置的研制开发，也代表人机接触交互技术方面的一种革新。

它是六自由度力反馈装置中的一个分支，代表了人机接触交互技术方面的一种革新。以往计算机用户只能通过视觉（最多又加入了听觉）与其进行交互，很明显，触觉作为许多应用场合最重要的感知方式没有被加进去，六自由度力反馈装置的出现改变了这一切。就像显示器能够使用户看到计算机生成的图像，扬声器能够使用户听到计算机合成的声音一样，力反馈装置使用户接触并操作计算机生成的虚拟物体成为可能。

(3)头盔式显示器：头盔显示器（HMD，Head Mounted Display）的原理是将小型2维显示器所产生的影像藉由光学系统放大。具体而言，小型显示器所发射的光线经过凸状透镜使影像因折射产生类似远方效果。利用此效果将近处物体放大至远处观赏而达到所谓的全像视觉（Hologram）。头盔显示器是虚拟现实应用中的3DVR图形显示与观察设备，可单独与主机相连以接受来自主机的3DVR图形信号。使用方式为头戴式，辅以三个自由度的空间跟踪定位器可进行VR输出效果观察，同时观察者可做空间上的自由移动，如；自由行走、旋转等，沉浸感极强，在VR效果的观察设备中，头盔显示器的沉浸感优于显示器的虚拟现实观察效果，逊于虚拟三维投影显示和观察效果，在投影式虚拟现实系统中，头盔显示器作为系统功能和设备的一种补充和辅助。

5、心得（结论）

虚拟现实中使用的交互设备有很多。例如体感交互。体感交互设备Leap Motioncontroller即将上市。该产品能让人通过手指直接控制电脑，包括图片缩放、移动、旋转、指令操作、精准控制、隔空书写等，系统的感应区间能够精确到百分之一毫米。对于一些传统行业来说，LeapMotion可能会带来深刻影响，比如说雕塑家、建筑师

可以利用该技术完成一份虚拟的作品，然后再通过3D打愈把模型或实物打印出来；医生可利用该技术做实验或者模拟手术等等。分析人士认为，体感技术不仅能够成为2013年度最火热的产品之一，还将能够改变一切。

这一切基于六自由度虚拟交互系统。

六自由度虚拟交互系统的原理是物体在空间具有六个自由度，即沿x、y、z三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕这三个坐标轴的转动自由度 。因此，要完全确定物体的位置，就必须消除这六个自由度。

六自由度虚拟交互系统可模拟出各种空间运动姿态，可广泛应用到各种训练模拟器如飞行模拟器、舰艇模拟器、海军直升机起降模拟平台、坦克模拟器、汽车驾驶模拟器、火车驾驶模拟器、地震模拟器以及动感电影、娱乐设备等领域用途及特点：六自由度运动平台，由于有极为广阔的应用前景，近几年，引起了国内外科研、院校广泛的研究兴趣。

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