目錄
2.1三維位置跟蹤器
2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的交互接口?
輸入設(shè)備（Input Devices）是用來(lái)輸入用戶發(fā)出的動(dòng)作，使用戶可以操控一個(gè)虛擬境界。 包括：跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、三維鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)衣等。
2.1三維位置跟蹤器
跟蹤器是指虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中用于測(cè)量三維對(duì)象位置和方向?qū)崟r(shí)變化的專門(mén)硬件設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)地測(cè)量用戶身體或其局部的位置和方向，并將其作為用戶的輸入信息傳遞給虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的主控計(jì)算機(jī)，從而根據(jù)用戶當(dāng)前的視點(diǎn)信息刷新虛擬場(chǎng)景的顯示。
?目前的跟蹤器主要包括機(jī)械跟蹤器、電磁跟蹤器、光學(xué)跟蹤器、超聲波跟蹤器、慣性跟蹤器、GPS跟蹤器及混合跟蹤器等。
1 維度
維度（Dimension），又稱維數(shù)，指獨(dú)立的時(shí)空坐標(biāo)的數(shù)目。
零維：零維空間是一個(gè)無(wú)限小的點(diǎn)，不占任何空間。
一維：一維空間只有長(zhǎng)度，沒(méi)有寬度和深度。
二維：二維空間里的物體有寬度和長(zhǎng)度，但是沒(méi)有深度。
三維：三維空間有長(zhǎng)度、寬度與高度。
2 六自由度
物體在三維空間運(yùn)動(dòng)時(shí)，其具有6個(gè)自由度，三個(gè)用于平移運(yùn)動(dòng)，三個(gè)用于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
三個(gè)平移自由度: 用于描述三維對(duì)象的X、Y、Z坐標(biāo)值。
三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度: 俯仰角（Pitch） 橫滾角（Roll） 航向角（Yaw）
?2.1.1 ?跟蹤器的性能參數(shù)
跟蹤器的性能指標(biāo)主要包括： 精度、抖動(dòng)、偏差和延遲。
| 精度（Accuracy） | 是指對(duì)象真實(shí)的三維位置與跟蹤器測(cè)量出的三維位置之間的差值。 | 跟蹤用戶實(shí)際動(dòng)作的效果越好，要求跟蹤器越精確，則這個(gè)差值就越小。 |
| 抖動(dòng)（Jitter） | 是指當(dāng)被跟蹤對(duì)象固定不變時(shí)，跟蹤器輸出結(jié)果的變化。 | 抖動(dòng)有時(shí)也稱為傳感噪聲，它使得跟蹤器數(shù)據(jù)圍繞平均值隨機(jī)變化。 |
| 偏差（Drift） | 是指跟蹤器隨時(shí)間推移而累積的誤差。 | 隨著時(shí)間的推移，跟蹤器的精確度降低，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性下降。 |
| 延遲（Latency） | 是動(dòng)作與結(jié)果之間的時(shí)間差。 對(duì)三維跟蹤器來(lái)說(shuō)，延遲是對(duì)象的位置或方向的變化與跟蹤器檢測(cè)這種變化之間的時(shí)間差。 | 延遲比較大的跟蹤器會(huì)帶來(lái)很大的時(shí)間滯后，因此仿真中需要盡量小的延遲。 |
2.1.2 ?機(jī)械跟蹤器
機(jī)械跟蹤器（Mechanical Trackers）由一個(gè)串行或并行的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)組成，該運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)由多個(gè)帶有傳感器的關(guān)節(jié)連接在一起的連桿構(gòu)成。
機(jī)械跟蹤器的工作原理是通過(guò)機(jī)械連桿裝置上的參考點(diǎn)與被測(cè)物體相接觸的方法來(lái)檢測(cè)其位置的變化。
| 優(yōu)點(diǎn) |
缺點(diǎn) |
| 簡(jiǎn)單且易于使用 不受周?chē)h(huán)境中的金屬物質(zhì)和磁場(chǎng)的影響 抖動(dòng)比較小，延遲比較低 與被跟蹤對(duì)象之間無(wú)視覺(jué)阻擋問(wèn)題 |
機(jī)械臂受尺寸限制，工作范圍有限 人機(jī)工程學(xué)問(wèn)題，降低沉浸感 |
2.1.3 ?電磁跟蹤器
電磁跟蹤器（Magnetic Trackers）是一種非接觸式的位置測(cè)量設(shè)備，它使用由一個(gè)固定發(fā)射器產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，來(lái)確定移動(dòng)接收單元的實(shí)時(shí)位置。
電磁跟蹤器的原理就是利用磁場(chǎng)的強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行位置和方向跟蹤。一般由一個(gè)控制部件，幾個(gè)發(fā)射器和幾個(gè)接收器組成。
| 優(yōu)點(diǎn) |
缺點(diǎn) |
| 其敏感性不依賴于跟蹤方位 不受視線阻擋的限制 體積小、價(jià)格便宜 |
延遲較長(zhǎng) 跟蹤范圍小 容易受環(huán)境中大的金屬物體或其他磁場(chǎng)的影響，信號(hào)發(fā)生畸變， 跟蹤精度降低 |
2.1.4 ?超聲波跟蹤器
超聲波跟蹤器（Ultrasonic Trackers）是聲學(xué)跟蹤技術(shù)最常用的一種，是一種非接觸式的位置測(cè)量設(shè)備，使用固定發(fā)射器產(chǎn)生的超聲信號(hào)來(lái)確定移動(dòng)接收單元的實(shí)時(shí)位置。
超聲波跟蹤器的測(cè)量基于三角測(cè)量，周期性的激活每個(gè)揚(yáng)聲器，計(jì)算它到三個(gè)接收器麥克風(fēng)的距離?？刂破鲗?duì)麥克風(fēng)進(jìn)行采樣，并根據(jù)校準(zhǔn)常數(shù)將采樣值轉(zhuǎn)換成位置和方向，然后發(fā)送給計(jì)算機(jī)，用于渲染圖形場(chǎng)景。
| 優(yōu)點(diǎn) |
缺點(diǎn) |
| 不受環(huán)境磁場(chǎng)及鐵磁物體的影響 不產(chǎn)生電磁輻射 價(jià)格便宜 |
更新率慢 超聲波信號(hào)在空氣中的傳播衰減，影響跟蹤器工作范圍 發(fā)射器和接收器之間要求無(wú)阻擋 背景噪聲和其它超聲源會(huì)破壞跟蹤器的信號(hào) |
2.1.5 ?光學(xué)跟蹤器
光學(xué)跟蹤器（Optical Trackers）是一種非接觸式的位置測(cè)量設(shè)備，使用光學(xué)感知來(lái)確定對(duì)象的實(shí)時(shí)位置和方向。
從外向里看的光學(xué)跟蹤器：在被跟蹤的運(yùn)動(dòng)物體上安裝幾個(gè)發(fā)射器（如LED燈標(biāo)），由固定的傳感器（如CCD照相機(jī)）從外面觀測(cè)發(fā)射器的運(yùn)動(dòng)，從而得出被跟蹤物體的位置與方向。 適合跟蹤較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，如手勢(shì)，所以數(shù)據(jù)手套上跟蹤系統(tǒng)一般用從外向內(nèi)的結(jié)構(gòu)。
從里向外看的光學(xué)跟蹤器：在被跟蹤的運(yùn)動(dòng)對(duì)象上安裝傳感器（如帶傳感器的HMD），從里面向外觀測(cè)固定的發(fā)射器（如LED天花板），來(lái)得出自身的運(yùn)動(dòng)情況。 它對(duì)于方向上的變化是最敏感的，因此在HMD的跟蹤中非常有用。
| 優(yōu)點(diǎn) |
缺點(diǎn) |
| 在近距離內(nèi)非常精確且不受磁場(chǎng)和聲場(chǎng)的干擾 不受金屬物質(zhì)的干擾 較高的更新率和較低的延遲 |
要求光源與探測(cè)器可視 跟蹤的角度范圍有限 |
2.1.6 ?慣性跟蹤器
慣性跟蹤器通過(guò)牛頓運(yùn)動(dòng)定律確定方向和位置。 陀螺儀和加速度計(jì)是慣性跟蹤器的兩個(gè)關(guān)鍵部件。
陀螺儀測(cè)量對(duì)象的方向變化速率。
加速度計(jì)是能夠測(cè)量物體的加速力。 加速力就是當(dāng)物體在加速過(guò)程中作用在物體上的力，就比如地球引力，也就是重力。
慣性跟蹤器原理： 對(duì)象方向（或角速度）的變化率由陀螺儀測(cè)量。 慣性跟蹤器使用加速計(jì)測(cè)量平移速度的變化。 知道了被跟蹤對(duì)象的方向（從陀螺儀的測(cè)量數(shù)據(jù)得到），減去重力加速度，就可以計(jì)算出世界坐標(biāo)系中的加速度。 被跟蹤對(duì)象的位置最終可以通過(guò)對(duì)時(shí)間的二重積分和已知的起始位置（校準(zhǔn)點(diǎn)）計(jì)算得到。
| 優(yōu)點(diǎn) |
缺點(diǎn) |
| 不存在發(fā)射源、不怕遮擋、沒(méi)有外界干擾、有無(wú)限大的工作空間、抖動(dòng)（傳感器噪聲可通過(guò)積分過(guò)濾掉）很小 |
快速積累誤差（或偏差） 由于重力場(chǎng)，容易產(chǎn)生噪聲與校準(zhǔn)錯(cuò)誤，位置和方向會(huì)發(fā)生漂移? |
2.1.7 ?GPS跟蹤器
GPS跟蹤器是內(nèi)置了GPS模塊和移動(dòng)通信模塊的終端，用于將GPS模塊獲得的定位數(shù)據(jù)通過(guò)移動(dòng)通信模塊傳至Internet上的一臺(tái)服務(wù)器上，從而可以實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上查詢終端位置。
GPS系統(tǒng)包括三大部分：
- 空間部分——GPS衛(wèi)星星座
- 地面控制部分——地面監(jiān)控系統(tǒng)
- 用戶設(shè)備部分——GPS信號(hào)接收機(jī)
| 優(yōu)點(diǎn) |
缺點(diǎn) |
| 擁有全球范圍的有效覆蓋面積 系統(tǒng)比較成熟 定位服務(wù)比較完備 |
信號(hào)受建筑物影響較大，衰弱很大，定位精度相對(duì)較低。而且在航線 控制區(qū)域，它甚至?xí)耆珱](méi)有信號(hào)。 |
2.1.8 ?混合跟蹤器
混合跟蹤器（Hybrid Trackers）指使用了兩種或兩種以上位置測(cè)量技術(shù)來(lái)跟蹤對(duì)象的系統(tǒng)，它能取得比使用任何一種單一技術(shù)更好的性能。
其中光學(xué)混合、超聲波-慣性和視覺(jué)-慣性混合跟蹤器的發(fā)展技術(shù)水平已比較成熟，而未來(lái)發(fā)展重點(diǎn)在于視覺(jué)-慣性-GPS等復(fù)雜跟蹤器。
2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的交互接口?
2.2.1 ?手勢(shì)接口
手勢(shì)接口（Gesture Interface）是測(cè)量用戶手指（有時(shí)也包括手腕）實(shí)時(shí)位置的設(shè)備。
目的：是為了實(shí)現(xiàn)與虛擬環(huán)境的基于手勢(shì)識(shí)別的自然交互。?
各種數(shù)據(jù)手套之間的主要區(qū)別是：
- 所使用的傳感器的類型
- 給每個(gè)手指分配的傳感器的數(shù)目
- 感知分辨率
- 手套的采樣速度
- 它們是無(wú)線的還是有范圍限制的
數(shù)據(jù)手套的基本原理是： 數(shù)據(jù)手套設(shè)有彎曲傳感器，一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)傳感器，有5節(jié)點(diǎn)、14節(jié)點(diǎn)、18節(jié)點(diǎn)、22節(jié)點(diǎn)之分。 彎曲傳感器由力敏元件、柔性電路板、彈性封裝材料組成，通過(guò)導(dǎo)線連接至信號(hào)處理電路； 在柔性電路板上設(shè)有至少兩根導(dǎo)線，以力敏材料包覆于柔性電路板大部，再在力敏材料上包覆一層彈性封裝材料，柔性電路板留一端在外，以導(dǎo)線與外電路連接。
1. ? ?5DT數(shù)據(jù)手套
5DT數(shù)據(jù)手套有5節(jié)點(diǎn)和14節(jié)點(diǎn)之分。
5節(jié)點(diǎn)：每個(gè)手指都配有一個(gè)傳感器，用于測(cè)量指節(jié)和第一個(gè)關(guān)節(jié)。
14節(jié)點(diǎn)：每個(gè)手指2個(gè)傳感器， 一個(gè)測(cè)量指節(jié)另一個(gè)測(cè)量第一個(gè)關(guān)節(jié)，在手指之間有1個(gè)傳感器，共4個(gè)指間的傳感器。
2.CyberGlove
CyberGlove是一種復(fù)雜的傳感手套，它使用的是線性彎曲傳感器，能夠準(zhǔn)確捕捉用戶手指和手的動(dòng)作。（注：該手套去掉了手掌區(qū)域部分，使得手套變得很輕，易于穿戴。）
2.2.2 ?三維鼠標(biāo)
三維鼠標(biāo)是虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中比較重要的交互設(shè)備，可以從不同的角度和方位對(duì)三維物體進(jìn)行觀察、瀏覽和操縱。 ?? ??
2.2.3 ?數(shù)據(jù)衣
數(shù)據(jù)衣是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中比較常用的運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備，是為了讓虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)識(shí)別全身運(yùn)動(dòng)而設(shè)計(jì)的輸入裝置，根據(jù)“數(shù)據(jù)手套”的原理研制。?
數(shù)據(jù)衣裝備著許多觸覺(jué)傳感器，使用者穿上后，衣服里面的傳感器能夠根據(jù)使用者身體的動(dòng)作進(jìn)行探測(cè)，并跟蹤人體的所有動(dòng)作。 數(shù)據(jù)衣對(duì)人體大約50個(gè)不同的關(guān)節(jié)進(jìn)行測(cè)量，包括膝蓋、手臂、軀干和腳。通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，身體的運(yùn)動(dòng)信息被計(jì)算機(jī)識(shí)別，反過(guò)來(lái)衣服也會(huì)反作用在身上產(chǎn)生壓力和摩擦力，使人的感覺(jué)更加逼真。 ?? ?文章來(lái)源：http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-451768.html
（讀書(shū)筆記摘自《虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)概論》）文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-451768.html
到了這里，關(guān)于第2章 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的輸入設(shè)備的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！
