⽬录
⼀、虚拟现实的硬件和设备概述 (1)
⼆、三维建模设备 (1)
2.2 3D扫描仪的功能及应⽤ (2)
2.3 3D扫描仪的发展趋势 (3)
三、三维视觉显⽰设备 (3)
3.1 头盔显⽰器 (3)
3.2 双⽬全⽅位显⽰器 (4)
3.3 CRT终端-液晶光闸眼镜 (4)
3.4 ⼤屏幕投影-液晶光闸眼镜 (5)
四、三维声⾳系统 (5)
4.1 三维⽴体声 (5)
4.2 语⾳识别 (5)
三、虚拟现实交互设备 (6)
4.1 数据⼿套（Data Glove） (6)
4.2 ⼒矩球 (6)
4.3 操纵杆 (6)
4.4 触觉反馈装置 (6)
4.5 ⼒觉反馈装置 (7)
五、运动捕捉系统 (7)
5.1 机械式运动捕捉 (8)
5.2 声学运动捕捉 (8)
5.3 电磁式运动捕捉 (8)
5.4 光学式运动捕捉 (8)
5.5 数据⾐ (9)
参考⽂献 (10)
虚拟现实的硬件技术及设备的发展及现状
史龙飞
（电⼦信息学院物理电⼦学）
⼀、虚拟现实的硬件和设备概述
⾸先看虚拟显⽰技术的定义：虚拟现实技术就是采⽤以计算机技术为核⼼结合光电传感技术⽣成逼真
的视、听、触⼀体化的特定范围内虚拟的环境（如飞机驾驶舱、分⼦结构世界，⾼危环境）。若使⽤特定装备（动作采集⾃由度空间定位、⼒反馈输⼊、数字头盔、⽴体显⽰环境等），就可以⾃然地与虚拟世界中的客体进⾏实时逼真交互，从⽽产⽣亲临现场的感受和体验。其次看虚拟现实技术的特点：1、沉浸感2、交互性3、想象性。
有以上的介绍不难看出虚拟先是不单单是要⼀个虚拟的现实世界，⽽且需要⼈们与虚拟的世界进⾏交互活动。例如：当⼈的⼿在动的时候，在虚拟世界中就应该反映出来虚拟⼈的⼿同步在活动；当⼈转头看周围时候，虚拟环境应该跟随⼈头部的活动同步改变现实的内容。另外，如何构建这个虚拟的现实世界，最主要的是使⽤各种建模语⾔建模，但是⼈们的精⼒是有限的，不可能将所有的虚拟元素都构建完成，这就需要其他设备进⾏辅助建模。最后，构建出来的虚拟显⽰环境都是存储于计算机中，要将计算机中的世界呈现到⼈们眼前也需要各种显⽰设备，不同的虚拟现实系统也需要不同的显⽰设备。
可见，要实现虚拟现实的交互性，沉浸感等特点，需要许多外部设备的配合。现阶段虚拟现实中常⽤到的设备有：
（1）建模设备：3D扫描仪等。
（2）显⽰设备：3D展⽰系统、3D⽴体显卡、⼤型投影系统、头戴式⽴体显⽰器等。
（3）声⾳设备：三维的声⾳系统，⾮传统意义的⽴体声。
（4）交互设备：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、⼒反馈设备等。
⼆、三维建模设备
虚拟现实的三维建模是整个系统中⾮常重要的⼀个部分，常常由OpenGL等图形库⼈为建⽴各种虚拟对象的模型，但是实际中有许多不规则对象不可能这样建⽴模型，这就需要各种三维建模设备进⾏辅助建模，这类设备主要是3D扫描仪。
三维扫描仪，也称为三维⽴体扫描仪，3D扫描仪，是融合光、机、电和计算机技术于⼀体的⾼新科技产品，主要⽤于获取物体外表⾯的三维坐标及物体的三维数字化模型。该设备不但可⽤于产品的逆向⼯程、快速原型制造、三维检测（机器视觉测量）等领域，⽽且随着三维扫描技术的不断深⼊发展，诸如三维影视动画、数字化展览馆、服装量⾝定制、计算机虚拟现实仿真与可视化等越来越多的⾏业也开始应⽤三维扫描仪这⼀便捷的⼿段来创建实物的数字化模型。通过三维扫描仪⾮接触扫描实物模型，得到实物表⾯精确的三维点云（Point Cloud）数据，最终⽣成实物的数字模型，不仅速度 快，⽽且精度⾼，⼏乎可以完美的复制现实世界中的任何物体，以数字化的形式逼真的重现现实世界。
2.1 3D扫描仪的发展
最早出现的是接触式测量⽅法，代表是三维坐标测量机，虽然精度达到微⽶量级（0.5mm），但是由于体积巨⼤、造价⾼以及不能测量柔软的物体等缺点，使其应⽤领域受到限制。
于是出现了⾮接触式测量⽅法，主要分两类。三维人体扫描
⼀类是被动⽅式，就是不需要特定的光源，完全依靠物体所处的⾃然光条件进⾏扫描，常采⽤双⽬技术，但是精度低，只能扫描出有⼏何特征的物体，不能满⾜很多领域的要求。
另⼀类是主动⽅式，就是像物体投射特定的光，其中代表技术激光线式的扫描，精度⽐较⾼，但是由于每次只能投射⼀条光线，所以扫描速度慢。另外，由于激光会对⽣物体以及⽐较珍贵的物体造成伤害，所以不能应⽤于某些特定领域。
现在新兴的技术是结构光式的扫描，结构光也属于主动⽅式，通过投影或者光栅投射同时多条光线，就可以采取物体的⼀个表⾯，只需要⼏个⾯的信息就可以完成扫描，最⼤的特点是扫描速度快，⽽且可编程实现。
还有⼀种是低频脉冲波(低频声波)式原理，主要应⽤于物位测量⽅⾯。基于⼆维数组波束形成器传送低频脉冲，介可视3D物位扫描仪接收来⾃筒仓、仓室或其他容室内物料的回波。设备的数字信号处理器
对接收到的信号进⾏取样和分析，通过估算回波到达的时间和⽅向，处理器形成⼀个物料表⾯的三维图，这个图像通过⼀种专有的计算⽅法对信息进⾏处理并⽣成3D图象，可以在远端屏幕上显⽰出来。
2.2 3D扫描仪的功能及应⽤
三维扫描仪的⽤途是创建物体⼏何表⾯的点云（point cloud），这些点可⽤来插补成物体的表⾯形状，越密集的点云可以创建更精确的模型。若扫描仪能够取得表⾯颜⾊，则可进⼀步在重建的表⾯上粘贴，亦即所谓的纹理映射。
三维扫描仪可模拟为照相机，它们的视线范围都体现圆锥状，信息的搜集皆限定在⼀定的范围内。两者不同之处在于相机所抓取的是颜⾊信息，⽽三维扫描仪测量的是距离。由于测得的结果含有深度信息，因此常称之3D相机。
由于三维扫描仪的扫描范围有限，因此常需要变换扫描仪与物体的相对位置或将物体放置于电动转盘（turnable table）上，经过多次的扫描以拼凑物体的完整模型。将多个⽚⾯模型集成的技术称做图像注册（image registration）或对齐（alignment），其中涉及多种三维⽐对（3D-matching）⽅法。
三维扫描仪的应⽤范围：
●三维彩⾊数字摄影、三维型⾯检测
●⼈体数字化、服装CAD 、⼈体建模、⼈体数字雕塑、三维⾯容识别
●医学仿⽣、医学测量与模拟、整形美容及正畸的模拟与评价
●三维彩⾊数字化、数字博物馆、有形⽂物及档案的管理、鉴定与复制
●三维动画影⽚的制作、3D 游戏建模、三维游戏中三维模型的输⼊与建⽴
●公安刑侦、脚印、⼯具痕迹、弹痕采集及数字化
●⼯业产品的检测与测量、产品及模具的逆向⼯程( 汽车，航空，家电⼯业)
●零部件形状变形检测、形状测量、研究测量、⼯业在线检测
●⼯业产品造型中的逆向三维重构
●设计的物理模型转换成数字模型
●⼯业品的解析与仿制
●⼯业研究实验的检测⼯具
百花仙酒●模具设计与检测领域
2.3 3D扫描仪的发展趋势
三维激光扫描仪作为测绘科学的领先产品，具有鲜明的优势，⼴泛的应⽤从整体来看，三维激光扫描仪基本涵盖测绘的各个领域，具备⼤⾯积，⾼⾃动化，⾼速率，⾼精度测量的特点但是其⾃⾝还存在诸多不⾜，如：
●三维激光扫描仪售价太⾼，基本都在万元以上，难以满⾜普通化需求；
gps信号转发器●仪器⾃⾝和精度的检校存在困难，⽬前检校⽅法单⼀，基准值求取复杂，精度
评定不好；
●点云数据处理软件没有统⼀化，各个⼚家都有⾃带软件，互不兼容；
●精度测距与扫描速率存在⽭盾关系
基于这些不⾜之处，提出三维激光扫描仪的发展趋势有以下⼏个⽅⾯：
（1）三维激光扫描仪国产化，研制具有⾃主知识产权的⾼精度仪器；
（2）点云数据处理软件的公⽤化和多功能化，实现实时数据共享及海量数据处理；
（3）在硬件固定的情况下，注重测量⽅法和算法上提⾼精度，如采⽤脉冲和相位结合的⽅式测量距离；
（4）进⼀步扩⼤扫描范围，实现全圆球扫描，获得被测景物空间三维虚拟实体显⽰；
（5）与其他测量设备（如GPS，IMU，全站仪等）联合测量，实时定位导航，并扩⼤测程和提⾼精度；
（6）三维激光扫描仪与摄像机的集成化，在扫描的同时获得物体影像，提⾼点云数据和影像的匹配精度。
三、三维视觉显⽰设备
为了实现虚拟显⽰的沉浸特性，必须具备⼈体的感官特性，包括视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉等。这⼀节主要叙述视觉显⽰系统。
3.1 头盔显⽰器
头盔显⽰器是专门为⽤户提供虚拟现实中⽴体场景的显⽰器，⼀般由下⾯⼏个部分组成：图像显⽰信息源，图像成像的光学系统，定位传感系统，电路控制机连接系统，头盔及配重装备。两个显⽰器分别向两只眼睛提供图像，显⽰器多发射的光线经过凸透镜是影响折射产⽣类似远⽅效果，利⽤这个效果将近处物体放⼤⾄远处观赏⽽达到所谓
的全像视觉。HMD可以使参与者暂时与现实世界隔离，⽽完全处于沉浸状态，因⽽它成为沉浸式VR系统不可缺少的视觉输出设备。
烧烤箱
图像显⽰信息源是指图像信息显⽰器件，⼀般采⽤微型⾼分辨率CRT或者LCD等平板显⽰器件。CRT和LCD是最常⽤的两种设备。CRT具有⾼分辨率、⾼亮度、快的响应时间和低成本的特性，不⾜之处是功耗较⼤、体积⼤、重量重。LCD的优点是功耗⼩、体积⼩、重量轻，不⾜之处是显⽰亮度低，响应速度较慢。
头盔显⽰器可以根据需要设计成为全投⼊式和半投⼊式。全投⼊式将显⽰器件的图像经过放⼤、畸变等相差矫正以及中继等光学系统在观察着眼前成放⼤的虚像；半投⼊式是将经过矫正放⼤的虚像投射到观察着眼前的半反半透的光学玻璃上，这样显⽰的图像就叠加在透过玻璃的外界图像之上，观察着可以得到显⽰的信息和外部的信息。
头盔的定位传感系统是与光学系统同等重要的⼀部分。他包括头部的定位和眼球的定位。眼球的定位
主要应⽤于标准系统上，⼀般采⽤红外图像的识别处理跟踪来获得眼球的运动信息。头部的定位采⽤的⽅法⽐较多，如超声波、磁、红外、发光⼆极管等的定位系统，头部的定位提供位置和指向等6个⾃由度的信息。
HMD的基本参数主要包括：显⽰模式、显⽰视野、视野双⽬重叠、显⽰分辨率、眼到虚拟图像的距离、眼到⽬镜距离、物⾯距离、⽬标域半径、视轴间夹⾓、瞳孔距离、焦距、出射光瞳、图像像差、视觉扭曲矫正、重量、视频输出等。
3.2 双⽬全⽅位显⽰器
双⽬全⽅位显⽰器（BOOM）是⼀种偶联头部的⽴体显⽰设备，是⼀种特殊的头部显⽰设备。使⽤BOOM⽐较类似使⽤⼀个望远镜，它吧两个独⽴的CRT显⽰器捆绑在⼀起，由两个相互垂直的机械臂职称，这不仅让⽤户可以在半径2m的球⾯空间内⽤⼿⾃由操纵显⽰器的位置，还能降显⽰器的重量加以巧妙的平衡⽽是指始终保持⽔平，不受平台运动的影响。在⽀撑臂上的每个节点处都有位置跟踪器，因此BOOM和HMD ⼀样有实时的观测和交互能⼒。
3.3 CRT终端-液晶光闸眼镜
CRT终端-液晶光闸眼镜⽴体视觉系统的⼯作原理是：有计算机分别产⽣左右眼的两幅图像，经过合成
处理之后，采⽤分时交替的⽅式显⽰在CRT终端上。⽤户则佩戴⼀副与计算机相连的液晶光闸眼镜，眼镜⽚在驱动信号的作⽤下，将以与图像显⽰同步的速率交替开和闭，即当计算机显⽰左眼图像时，有眼透镜将被屏蔽，显⽰右眼图像时，左眼透镜被屏蔽。根据双⽬视察与深度距离正⽐的关系，⼈的视觉⽣理系统可以⾃动的将这两幅视察图像合成⼀个⽴体图像。
这种⽅案的主要技术难点在于如何减弱闪烁现象。因为按照这种分时观察的⽅式，单眼观察图像的频率即为视频信号频率的⼀半，所以对于通常的摄像机和监视器，⽆论是PAL（50Hz）还是NTSC（60Hz），相应的单眼观察频率都低于⼈眼的临界闪烁频率（42Hz）。由于光闸眼镜泄露⼀部分光，所以使⽤者看到的图像不如普通屏幕好，且由于使⽤者没有和显⽰器相连，⽆法感觉到是在被虚拟的世界包围，因⽽沉浸感较差，通常只在桌⾯是VR系统或者⼀些多⽤户的环境下使⽤。
3.4 ⼤屏幕投影-液晶光闸眼镜
⼤屏幕投影-液晶光闸眼镜⽴体视觉系统原理和CRT显⽰⼀样只是将分时图像CRT 显⽰改为⼤屏幕显⽰，⽤于投影的CRT或者数字投影机要求极⾼的亮度和分辨率，它适合在较⼤的使⽤内产⽣投影图像的应⽤需求。
牙疳药
洞⽳式VR系统就是⼀种基于投影的环绕屏幕的洞⽳⾃动化虚拟环境CA VE（Cave Automatic Virtual Environment）。⼈置⾝于有计算机⽣成的世界中，并能在其中来回⾛动，从不同的⾓度观察他，触摸
它、改变他的形状。⼤屏幕投影系统出了CA VE还有圆柱形的投影屏幕和有矩形拼接构成的投影屏幕等。
四、三维声⾳系统
4.1 三维⽴体声
三维声⾳不是⽴体声的概念，⽽是由计算机⽣成的、能由⼈⼯设定声源在空间中的三维位置的⼀种合成声⾳。这种声⾳技术不仅考虑到⼈的头部、去⼲对声⾳反射所产⽣的影响，还对⼈的头部进⾏实时跟踪，是虚拟声⾳能随着⼈的头部运动相应的变化，从⽽能够得到逼真的三维听觉效果。
三维声⾳处理包括⽣意合成、3D声⾳定于和语⾳识别。在虚拟环境中，⼀般不能仅仅依靠⼀种感觉，错综复杂的临场感通常需要⽤到⽴体声。为此需要设置静态及动态噪声源，并创建⼀个动态的声学环境。在VR应⽤中，这个问题甚⾄⽐实时处理数据更重要，因为当进⼊信息流影响数据库状态时，应声⾳来提醒⽤户⾄关重要。
虚拟环境产⽣器中的声⾳定位系统对于利⽤声⾳的发⽣源和头部位置及声⾳相位差传递函数，来实时计算出声⾳源与头部位置发⽣分别变动时的变化。声⾳定域系统可采集⾃然或者合成声⾳信号兵使⽤特殊处理技术在360度的球体中空间化这些信号。例如，可以产⽣诸如式中“滴答”的声⾳并将其放置在
虚拟环境中的准确位置，参与者即使头部运动时，也能感觉到这种声⾳保持在原处不变。为了达到这种效果，声⾳定域系统必须考虑参与者两个“⽿廓”的⾼频滤波特性。参与者头部的⽅向对于正确地判定空间化声⾳信号祈祷重要的作⽤。因此，虚拟环境产⽣器主要为声⾳定域装置提供头部的位置和⽅向信号。
4.2 语⾳识别
VR的语⾳识别系统让计算机具备⼈类的听觉功能，是⼈-机以语⾔这种⼈类最⾃然的⽅式进⾏信息交换。必须根据⼈类的发⽣机理和听觉机制，给计算机配上“发声器官”和“听觉神经”。当参与者对微⾳器说话时⽶计算机将所说的话转换为命令流，就像从键盘输⼊命令⼀样，在VR系统中，最有⼒的也是最难的是语⾳识别。
VR系统中的语⾳识别装置，主要⽤于合并其他参与者的感觉道（听觉道、视觉道）。语⾳识别系统在⼤量数据输⼊时，可以进⾏处理和调节，像⼈类在⼯作负担很重的时候将暂时关闭听觉道⼀样。不过在这种情况下，将影响语⾳识别技术的正常使⽤。
三、虚拟现实交互设备
4.1 数据⼿套（Data Glove）
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。
出了能够跟踪⼿的位置和⽅位外，数据⼿套还可以⽤于模拟触觉。戴上这种特殊的数据⼿套就可以以⼀种新的形式去体验虚拟世界。使⽤者可以伸出戴⼿套的⼿去触碰虚拟世界⾥的物体，当碰到物体表⾯是，不仅可以感觉到物体的温度、光滑度以及物体表⾯纹理等集合特性，还能感觉到稍微的压⼒作⽤。虽然没有东西阻碍⼿的继续下按，三⼗下按的越深，⼿上感受到的压⼒就会越⼤，当松开时压⼒⼜消失了。模拟触觉的关键是某种材质的压⼒或⽪肤的变形。
4.2 ⼒矩球
⼒矩球（空间求Space Ball）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，或者控制场景中牧歌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只管，⼀般与数据⼿套、⽴体眼镜配合使⽤。
4.3 操纵杆
操纵杆是⼀种可以提供前后左右上下留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，随意其精度⾮常⾼。⽆论操作速度多快，他都能快速做出相应。
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。
4.4 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，⼜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⽪疹，但是已经有较好的结果。
振动是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职称。当电流通过这些换能装置时，他么都会发⽣形变和弯曲。可能根据需要吧换能器做成各种形状，把他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。
4.5 ⼒觉反馈装置
⼒觉和除恶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。
五、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
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