虛擬現實硬件

3D掃描儀，也稱為三維立體掃描儀，3D掃描儀，是融合光、 機、電和計算機技術於一體的高新科技產品，主要用於獲取物體外表面的三維座標及物體的三維數字化模型。該設備不但可用於產品的逆向工程、快速原型製造、三維檢測（機器視覺測量）等領域，而且隨着三維掃描技術的不斷深入發展，諸如三維影視動畫、數字化展覽館、服裝量身定製、計算機虛擬現實仿真與可視化等越來 越多的行業也開始應用三維掃描儀這一便捷的手段來創建實物的數字化模型。通過三維掃描儀非接觸掃描實物模型，得到實物表面精確的三維點雲（Point Cloud）數據，最終生成實物的數字模型，不僅速度快，而且精度高，幾乎可以完美的複製現實世界中的任何物體，以數字化的形式逼真的重現現實世界。

為了實現虛擬顯示的沉浸特性，必須具備人體的感官特性，包括視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺等。這一節主要敍述視覺顯示系統。

VR其實就是VirtualReality的縮寫，翻譯成中文就是虛擬現實的意思。顧名思義，就是通過技術手段創造出一種逼真的虛擬的現實效果。虛擬現實技術發展的歷史其實不短，但是真正將這項技術發揮出來並讓人們體驗到非常逼真的現實效果。 ^[1] 

（1）虛擬現實頭顯

虛擬現實頭顯（頭戴式顯示器）是利用人的左右眼獲取信息差異，引導用户產生一種身在虛擬環境中的感覺的一種頭戴式立體顯示器。其顯示原理是左右眼屏幕分別顯示左右眼的圖像，人眼獲取這種帶有差異的信息後在腦海中產生立體感。虛擬現實頭顯作為虛擬現實的顯示設備，具有小巧和封閉性強的特點，在軍事訓練，虛擬駕駛，虛擬城市等項目中具有廣泛的應用。 ^[2] 

雙目全方位顯示器（BOOM）是一種偶聯頭部的立體顯示設備，是一種特殊的頭部顯示設備。使用BOOM比較類似使用一個望遠鏡，它吧兩個獨立的CRT顯示器捆綁在一起，由兩個相互垂直的機械臂支撐，這不僅讓用户可以在半徑2m的球面空間內用手自由操縱顯示器的位置，還能將顯示器的重量加以巧妙的平衡而使之始終保持水平，不受平台運動的影響。在支撐臂上的每個節點處都有位置跟蹤器，因此BOOM和HMD一樣有實時的觀測和交互能力。

CRT終端-液晶光閘眼鏡立體視覺系統的工作原理是：有計算機分別產生左右眼的兩幅圖像，經過合成處理之後，採用分時交替的方式顯示在CRT終端上。用户則佩戴一副與計算機相連的液晶光閘眼鏡，眼鏡片在驅動信號的作用下，將以與圖像顯示同步的速率交替開和閉，即當計算機顯示左眼圖像時，右眼透鏡將被屏蔽，顯示右眼圖像時，左眼透鏡被屏蔽。根據雙目視察與深度距離正比的關係，人的視覺生理系統可以自動的將這兩幅視察圖像合成一個立體圖像。

大屏幕投影-液晶光閘眼鏡立體視覺系統原理和CRT顯示一樣只是將分時圖像CRT顯示改為大屏幕顯示，用於投影的CRT或者數字投影機要求極高的亮度和分辨率，它適合在較大的使用內產生投影圖像的應用需求。

洞穴式VR系統就是一種基於投影的環繞屏幕的洞穴自動化虛擬環境CAVE（Cave Automatic Virtual Environment）。人置身於有計算機生成的世界中，並能在其中來回走動，從不同的角度觀察他，觸摸它、改變他的形狀。大屏幕投影系統出了CAVE還有圓柱形的投影屏幕和有矩形拼接構成的投影屏幕等。

CAVE投影系統是由3個面以上（含3面）硬質背投影牆組成的高度沉浸的虛擬演示環境，配合三維跟蹤器，用户可以在被投影牆包圍的系統近距離接觸虛擬三維物體，或者隨意漫遊“真實”的虛擬環境。CAVE系統一般應用於高標準的虛擬現實系統。至紐約大學94年建立第一套CAVE系統以來，CAVE已經在全球超過600所高校、國家科技中心、各研究機構進行了廣泛的應用。

CAVE系統是一種基於多通道視景同步技術和立體顯示技術的房間式投影可視協同環境，該系統可提供一個房間大小的最小三面或最大七十面（2004年）立方體投影顯示空間，供多人蔘與，所有參與者均完全沉浸在一個被立體投影畫面包圍的高級虛擬仿真環境中，藉助相應虛擬現實交互設備（如數據手套、位置跟蹤器等），從而獲得一種身臨其境的高分辨率三維立體視聽影像和6自由度交互感受。由於投影面幾能夠覆蓋用户的所有視野,所以VR-PLATFORM CAVE系統能提供給使用者一種前所未有的帶有震撼性的身臨其境的沉浸感受。

智能眼鏡是一個非常有創意的產品，可以直接解放大家的雙手，讓大家不需要用手一直拿着設備，也不需要用手連續點擊屏幕輸入。智能眼鏡配合自然交互界面，相當於手持終端的圖像接口，不需要點擊，只需要使用人的本能行為，例如：搖頭晃腦、講話、轉眼等，就可以和智能眼鏡進行交互。因此，這種方式提高了用户體驗，操作起來更加自然隨心。

三維聲音不是立體聲的概念，而是由計算機生成的、能由人工設定聲源在空間中的三維位置的一種合成聲音。這種聲音技術不僅考慮到人的頭部、軀幹對聲音反射所產生的影響，還對人的頭部進行實時跟蹤，是虛擬聲音能隨着人的頭部運動相應的變化，從而能夠得到逼真的三維聽覺效果。

VR的語音識別系統讓計算機具備人類的聽覺功能，是人-機以語言這種人類最自然的方式進行信息交換。必須根據人類的發生機理和聽覺機制，給計算機配上“發聲器官”和“聽覺神經”。當參與者對微音器説話時米計算機將所説的話轉換為命令流，就像從鍵盤輸入命令一樣，在VR系統中，最有力的也是最難的是語音識別。

VR系統中的語音識別裝置，主要用於合併其他參與者的感覺道（聽覺道、視覺道）。語音識別系統在大量數據輸入時，可以進行處理和調節，像人類在工作負擔很重的時候將暫時關閉聽覺道一樣。不過在這種情況下，將影響語音識別技術的正常使用。

數據手套是虛擬仿真中最常用的交互工具。 數據手套設有彎曲傳感器，彎曲傳感器由柔性電路板、力敏元件、彈性封裝材料組成，通過導線連接至信號處理電路；在柔性電路板上設有至少兩根導線，以力敏材料包覆於柔性電路板大部，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，以導線與外電路連接。把人手姿態準確實時地傳遞給虛擬環境，而且能夠把與虛擬物體的接觸信息反饋給操作者。使操作者以更加直接，更加自然，更加有效的方式與虛擬世界進行交互，大大增強了互動性和沉浸感。併為操作者提供了一種通用、直接的人機交互方式，特別適用於需要多自由度手模型對虛擬物體進行復雜操作的虛擬現實系統。數據手套本身不提供與空間位置相關的信息，必須與位置跟蹤設備連用。

力矩球（空間求Space Ball）是一種可提供為6自由度的外部輸入設備，他安裝在一個小型的固定平台上。6自由度是指寬度、高度、深度、俯仰角、轉動角和偏轉角，可以扭轉、擠壓、拉伸以及來回搖擺，用來控制虛擬場景做自由漫遊，或者控制場景中某個物體的空間位置機器方向。力矩球通常使用發光二極管來測量力。他通過裝在球中心的幾個張力器測量出手所施加的力，閉關將其測量值轉化為三個平移運動和三個旋轉運動的值送入計算機中，計算機根據這些值來改變其輸出顯示。力矩球在選取對象時不是很直觀，一般與數據手套、立體眼鏡配合使用。3

（3）操縱桿

操縱桿是一種可以提供前後左右上下6個自由度及手指按鈕的外部輸入設備。適合對虛擬飛行等的操作。由於操縱桿採用全數字化設計，所以其精度非常高。無論操作速度多快，他都能快速做出反應。

操縱桿的優點是操作靈活方便，真實感強，相對於其他設備來説價格低廉。缺點是隻能用於特殊的環境，如虛擬飛行。

（4）觸覺反饋裝置

在VR系統中如果沒有觸覺反饋，當用户接觸到虛擬世界的某一物體時易使手穿過物體，從而失去真實感。解決這種問題的有效方法是在用户交互設備中增加觸覺反饋。觸覺反饋主要是居於視覺、氣壓感、振動觸感、電子觸感和神經肌肉模擬等方法來實現的。向皮膚反饋可變點脈衝的電子觸感反饋和直接刺激皮層的神經肌肉模擬反饋都不太安全，相對而言，氣壓式和振動觸感是是較為安全的觸覺反饋方法。

氣壓式觸摸反饋是一種採用小空氣袋作為傳感裝置的。它由雙層手套組成，其中一個輸入手套來測量力，有20~30個力敏元件分佈在手套的不同位置，當使用者在VR系統中產生虛擬接觸的時候，檢測出手的各個部位的手裏情況。用另一個輸出手套再現所檢測的壓力，手套上也裝有20~30個空氣袋放在對應的位置，這些小空氣袋由空氣壓縮泵控制其氣壓，並由計算機對氣壓值進行調整，從而實現虛擬手物碰觸時的觸覺感受和手裏情況。該方法實現的觸覺雖然不是非常的逼真，但是已經有較好的結果。

振動反饋是用聲音線圈作為振動換能裝置以產生振動的方法。簡單的換能裝置就如同一個未安裝喇叭的聲音線圈，複雜的換能器是利用狀態記憶合金支撐。當電流通過這些換能裝置時，它們都會發生形變和彎曲。可能根據需要把換能器做成各種形狀，把它們安裝在皮膚表面的各個位置。這樣就能產生對虛擬物體的光滑度、粗糙度的感知。

力覺和觸覺實際是兩種不同的感知，觸覺包括的感知內容更加豐富如接觸感、質感、紋理感以及温度感等；力覺感知設備要求能反饋力的大小和方向，與觸覺反饋裝置相比，力反饋裝置相對成熟一些。已經有的力反饋裝置有：力量反饋臂，力量反饋操縱桿，筆式六自由度遊戲棒等。其主原理是有計算機通過裏反饋系統對用户的手、腕、臂等運動產生阻力從而使用户感受到作用力的方向和大小。

由於人對力覺感知非常敏感，一般精度的裝置根本無法滿足要求，而研製高精度裏反饋裝置又相當昂貴，這是人們面臨的難題之一。

在VR系統中為了實現人與VR系統的交互，必須確定參與者的頭部、手、身體等位置的方向，準確地跟蹤測量參與者的動作，將這些動作實時監測出來，以便將這些數據反饋給顯示和控制系統。這些工作對VR系統是必不可少的，也正是運動捕捉技術的研究內容。

常用的運動捕捉技術從原理上説可分為機械式、聲學式、電磁式、和光學式。同時，不依賴於傳感器而直接識別人體人體特徵的運動捕捉技術也將很快進入實用。

從技術角度來看，運動捕捉就是要測量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運動軌跡。

機械式運動捕捉依靠機械裝置來跟蹤和測量運動軌跡。典型的系統由多個關節和剛性連桿組成，在可轉動的關節中裝有角度傳感器，可以測得關節轉動角度的變化情況。裝置運動是，根據角度傳感器所測得的角度變化和連桿的昂度，可以得出杆件末端點在空間中的位置和運動軌跡。實際上，裝置上任何一點的軌跡都可以求出，剛性連桿也可以換成長度可變的伸縮杆。

機械式運動捕捉的一種應用形式是將欲捕捉的運動物體與機械結構相連，物體運動帶動機械裝置，從而被傳感器記錄下來。這種方法的優點是成本低、精度高、可以做到實時測量，還可以允許多個角色同時表演，但是使用起來非常不方便，機械結構對錶演者的動作的阻礙和限制很大。

常用的聲學捕捉設備由發送器、接收器和處理單元組成。發送器是一個固定的超聲波發送器，接收器一般由呈三角形排列的三個超聲波探頭組成。通過測量聲波從發送器到接收器的時間或者相位差，系統可以確定接收器的位置和方向。

這類裝置的成本較低，但對運動的捕捉有較大的延遲和滯後，實時性較差，精度一般不很高，聲源和接收器之間不能有大的遮擋物，受噪聲影響和多次反射等干擾較大。由於空氣中聲波的速度與大氣壓、濕度、温度有關，所以必須在算法中做出相應的補償。

電磁式運動捕捉是比較常用的運動捕捉設備。一般由發射源、接受傳感器和數據處理單元組成。發射源在空間按照一定時空規律分佈的電磁場；接受傳感器安置在表演者沿着身體的相關位置，隨着表演者在電磁場中運動，通過電纜或者無線方式與數據處理單元相連。

它對環境的要求比較嚴格，在使用場地附近不能有金屬物品，否則會干擾電磁場，影響精度。系統的允許範圍比光學式要小，特別是電纜對使用者的活動限制比較大，對於比較劇烈的運動則不適用。

光學式運動捕捉通過對目標上特定光點的監視和跟蹤來完成運動捕捉的任務。常見的光學式運動捕捉大多數居於計算機視覺原理。從理論上説，對於空間中的一個點，只要他能同時被兩個相機縮減，則根據同一時刻兩個相機所拍攝的圖像和相機參數，可以確定這一時刻該點在空間中的位置。當相機以足夠高的速率連續拍攝時，從圖像序列中就可以得到該店的運動軌跡。

這種方法的缺點就是價格昂貴，雖然可以實時捕捉運動，但後期處理的工作量非常大，對於表演場的光照、反射情況有一定的要求，裝置定標也比較繁瑣。

在VR系統中比較常用的運動捕捉是數據衣。數據衣為了讓VR系統識別全身運動而設計的輸入裝置。他是根據‘數據手套’的原理研製出來的，這種衣服裝備着許多觸覺傳感器，穿在身上，衣服裏面的傳感器能夠根據身體的動作探測和跟蹤人體的所有動作。數據衣對人體大約50個不同的關節進行測量，包括膝蓋、手臂、軀幹和腳。通過光電轉換，身體的運動信息被計算機識別，反過來衣服也會反作用在身上產生壓力和摩擦力，使人的感覺更加逼真。

和HMD，數據手套一樣數據衣也有延遲大、分辨率低、作用範圍小、使用不便的缺點，另外數據衣還存在着一個潛在的問題就是人的體型差異比較大。為了檢測全身，不但要檢測肢體的伸張狀況，而且還要檢測肢體的空間位置和方向，這需要許多空間跟蹤器。