7.6.1   虚拟世界的生成设备

 通常，虚拟世界生成设备主要分为基于高性能个人计算机、基于高性能图形工作站和基于分布式计算机的虚拟现实交互系统三大类。基于高性能个人计算机的虚拟现实交互系统，主要采用普通计算机配置图形加速卡，通常用于桌面式非沉浸型虚拟现实交互系统；基于高性能图形工作站的虚拟现实交互系统一般配备有SUN 或SGI公司可视化工作站；而基于分布式计算机的虚拟现实交互系统则采用的是分布式结构的计算机系统。

虚拟世界生成设备的主要功能应该包括：

视觉通道信号生成与显示

在虚拟现实交互系统中生成显示所需的三维立体、高度真实感的复杂场景，并能根据视点的变化进行实时绘制。

听觉通道信号生成与显示

该功能支持三维真实感声音生成与播放。所谓三维真实感声音是具有动态方位感、距离感和三维空间效应的声音。

触觉与力觉通道信号与显示

在虚拟现实交互系统中，要想实现人与虚拟世界之间的自然交互，就必须要支持实时的人机交互操作功能，包括三维空间定位、碰撞检测、语音识别以及人机实时对话功能,。

7.6.2   虚拟世界的感知设备

人在现实世界中的感受一般来自于视觉、听觉、触觉、力觉、痛感、味觉、嗅觉等多种途径，然而基于目前的技术水平，成熟和相对成熟的感知信息的产生和检测技术，仅有视觉、听觉和触觉（力觉）三种。

视觉感知设备

 视觉感知设备主要是向用户提供立体宽视野的场景显示，并且这种场景的变化会实时改变。此类设备主要有：头盔式显示器、洞穴式立体显示装置、响应工作台立体显示装置、墙式立体显示装置等。

听觉感知设备

 听觉感知设备的主要功能是提供虚拟世界中的三维真实感声音的输入及播放。一般由耳机和专用声卡组成。通常用专用声卡将单通道或普通立体声源信号处理成具有双耳效应的三维虚拟立体声音。听觉是人类仅次于视觉的第二传感通道，它是多通道感知虚拟环境中的一个重要组成部分。

触觉和力觉感知设备

 从本质上来说，触觉和力觉实际是两种不同的感知。力觉感知设备主要是要求能反馈力的大小和方向，而触觉感知所包含的内容要更丰富一些。触觉与力觉也是人类感觉的重要通道，人们可以利用触觉和力觉反馈的信息去感知世界，并进行各种交互。

7.6.3   空间位置跟踪定位设备

空间位置跟踪定位设备是虚拟现实交互系统中一个关键的传感设备，它的任务是检测位置与方位，并将数据报告给虚拟现实交互系统。在虚拟现实交互系统中最常见的应用是跟踪用户的头部位置与方位来确定用户的视点位置与视线方向，而视点位置与视线方向是确定虚拟世界场景显示的关键。

 虚拟现实交互系统中，显示设备或交互设备都有可能配备空间位置跟踪定位设备。如头盔式显示器、数据手套、立体眼镜均要有空间位置跟踪定位设备，没有空间位置跟踪定位设备的虚拟现实交互硬件设备，无论从功能上还是在使用上都是有严重缺陷的、非专业的或无法使用的。

 磁跟踪系统突出的优点是体积小，价格便宜，不影响用户自由运动，它不受视线阻挡的限制，除导电及导磁体外其他物体都不能被阻挡，能同时捕捉多个运动物体，并且在系统配置上比较容易实现。其缺点是系统延迟较长，跟踪范围小，易受干扰，金属导体或导磁体的存在以及凡是发出相应频率的电磁噪声，都能对它产生干扰。大多数对手的跟踪都采用磁跟踪系统，手的伸缩、移动和隐藏均不会影响其使用，而其他跟踪技术难于适应。另外磁跟踪系统体积较小、重量轻，不会妨碍手的各种运动。

光学跟踪系统也是一种较常见的空间位置跟踪定位设备。这种跟踪系统可采用的光源有很多，可以是环境光，也可以是受跟踪系统控制发出的光，如激光、红外线等。为了防止可见光对用户的观察产生视线影响，目前多采用红外线作为光源。基于光学跟踪系统使用的技术不同，主要可分为标志系统和激光测距系统等。光学跟踪系统最显著的优点就是速度快，它具有很高的数据传输率，因而很适用于实时性强的场合。在许多军用的虚拟现实交互系统中都使用光学跟踪系统。光学跟踪系统的缺点主要是由它固有的工作范围和精确度之间的矛盾所带来的。在小范围内工作效果好，随着距离变大，其性能会变差。

机械跟踪系统的工作原理是通过机械连杆装置上的参考点与被测物体相接触的方法来检测其位置的变化。它通常采用钢体结构，一方面可以支撑观察的设备，另一方面可以测量跟踪物体的位置与方向。机械跟踪系统是一个精确而响应时间短的系统，而且它不受声、光、电磁波等外界的干扰。另外，它能够与力反馈装置组合在一起，因此在虚拟现实交互应用中更具应用前景。它的缺点是：比较笨重，不灵活而且有一定的惯性；由于机械连接的限制，对用户有一定的机械束缚，所以不可能应用到较大的工作空间；而且在不大的工作空间中还有一块中心地带是不能进入的（机械系统的死角）；几个用户同时工作时也会相互产生影响。

声学跟踪系统是所有空间位置跟踪定位设备中成本最低的。它有两种实现方法：飞行时间（Time Of Flight，TOF）测量法和相位相干（Phase Coherent，PC）测量法。按这两种方法实现的系统分别称为TOF 系统和PC 系统。一般的声学跟踪系统使用超声波（频率在20 kHz 以上），人耳是听不到的，所以声学跟踪系统有时也被称为超声跟踪系统。理论上讲，可听见的声波也是可以使用的。在实际应用中，通常采用多个发射传感器。将多个发射传感器得到的数据综合，可以更好地确定目标的位置和方向。

惯性位置跟踪系统是近几年虚拟现实交互技术研究的方向之一，它通常也是采用机械的方法。通过盲推的方法得出被跟踪物体的位置，它不是一个6 自由度的设备，完全通过运动系统内部的推算而绝不通过外部环境得到位置信息，只适合于不需要位置信息的场合。惯性位置跟踪系统以其与外部完全隔离的特性提供了一系列优点，如抗干扰性好、无线化等。目前尚无实用系统出现，对其准确性和响应时间还无法评估。在虚拟现实交互系统中，应用实用的惯性位置跟踪系统还有一段距离，但将惯性位置跟踪系统与其他成熟的应用技术结合，用来弥补其他系统的不足，是很有潜力的发展方向。

 图像提取跟踪系统是一种最容易使用但又最难开发的一种空间位置跟踪定位设备，它由一组（两台或多台）计算机拍摄人及人的动作，然后通过图像处理技术来分析，确定人的位置及动作，这种方法最大的特点是对用户没有约束，又不会像磁跟踪系统一样受附近的磁场或金属物质的影响，因而在使用上非常方便。图像提取跟踪系统对被跟踪物体的距离和环境的背景等要求较高，通常远距离的物体或灯光的明暗都会影响其识别的精度。另外，采用较少的摄像机可能使被跟踪环境中物体出现在拍摄视野之外，而较多的摄像机又会增加采样识别算法复杂度与系统冗余度，目前应用并不广泛。     

7.6.4   面向自然的人机交互设备

虚拟现实交互系统是一个人机交互系统，而且在虚拟现实交互系统中要求人与虚拟世界之间是自然交互的。在人机交互设备中，基于手的自然交互比较常见，基于手的数字化设备很多。在虚拟现实交互系统中最常用的人机接口工具就是数据手套。

 数据手套（Data Glove）是VPL 公司在1987 年推出的一种传感手套的专有名称。到现在，数据手套是一种被广泛使用的传感设备，它是一种戴在用户手上的虚拟的手，用于与虚拟现实交互系统进行交互。主要由以下几种：

VPL 数据手套。

赛伯手套

DHM手套。

数据衣是采用与数据手套同样的原理制成的，数据衣是为了让虚拟现实交互系统识别全身运动而设计的输入装置。它将大量的光纤安装在一件紧身衣上，可以检测人的四肢、腰部等部位的活动，以及各关节（如手腕、肘关节）弯曲的角度。它能对人体的大约50 多个不同的关节进行测量，通过光电转换，将身体的运动信息送入计算机进行图像重建。目前，这种设备正处于研发阶段，因为每个人的身体差异较大，存在着如何协调大量传感器之间实时同步性能等各种问题，但随着科技的进步，此种设备必将有较大的发展。数据衣主要应用在一些复杂环境中，对物体进行的跟踪和对人体运动的跟踪与捕捉。

三维模型数字化仪又称三维扫描仪或三维数字化仪，是一种先进的三维模型建立设备，利用CCD 成像、激光扫描等手段实现物体模型的取样，同时通过配套的矢量化软件对三维模型数据进行数字化。它特别适合于建立一些不规则三维物体模型，如人体器官和骨骼模型、出土文物、三维数字模型的建立等，在医疗、动植物研究、文物保护等虚拟现实交互应用领域有广阔的应用前景。

三维模型数字化仪的工作原理是：由三维模型数字化仪向被扫描的物体发射激光，通过摄像机从每个角度扫描并记录下物体各个面的轮廓信息，安装在其上的空间位置跟踪定位设备也同步记录下三维模型数字化仪的位置及方向的变换信息，将这些数据送入计算机中，再采用相应的软件进行处理，得到与物体对应的三维模型。

体感交互设备可以直接使用肢体动作与数字设备和环境互动，随心所欲地操控的智能技术。体感交互设备的核心在于它让计算机有了更精准有效的“眼睛”去观察这个世界，并根据人的动作来完成各种指令。体感交互不是简单地利用体感技术代替鼠标键盘的点击操作，要用全新的思维去思考如何利用体感技术与设备进行人机交互，包括UI设计，体验操作，动作操作设计。常用的体感交互设备有Kinect、Leap Motion。

真正的虚拟现实设备(中文字幕)