虚拟现实平台中的交互设备

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，弯曲传感器由柔性印刷电路板、力敏元件和弹性封装材料组成，并通过导线连接到信号处理电路；柔性印刷电路板上设置有至少两根导线，柔性印刷电路板上大部分覆盖有力敏材料，然后在力敏材料上涂覆一层弹性封装材料，柔性印刷电路板的一端留在外面，导线与外部电路连接。人手的姿态被准确实时地传输到虚拟环境中，与虚拟物体的接触信息可以反馈给操作者。它使操作者以更直接、自然和有效的方式与虚拟世界进行交互，大大增强了交互性和沉浸感。也为操作者提供了一种通用、直接的人机交互方式，尤其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一起使用。

(2)力矩球

力矩球(Space Ball)是一种可以提供6个自由度的外部输入设备。它安装在一个小型固定平台上。六自由度是指宽度、高度、深度、俯仰角、旋转角和偏转角，可以通过扭曲、挤压、拉伸和来回摆动来控制虚拟场景自由漫游，或者控制场景中田园物体的空间位置和机器方向。扭矩球通常使用发光二极管来测量力。他通过安装在寻道中心的几个张力器来测量手所施加的力，然后将测量值转换成三个平移运动值和三个旋转运动值，送入计算机，计算机根据这些值改变输出显示。力矩球在选择对象时不是很直观，一般配合数据手套和立体眼镜使用。三

(3)操纵杆

操纵杆是一种外部输入设备，可以提供六个自由度和手指按钮。适合虚拟飞行的操作。因为操纵杆是全数字化的，所以精度非常高。不管操作有多快，他都能反应很快。

操纵杆的优点是操作灵活方便，真实感强，与其他设备相比价格低廉。缺点是只能在特殊环境下使用，比如虚拟飞行。

(4)触觉反馈装置

在VR系统中，如果没有触觉反馈，当用户触摸虚拟世界中的物体时，很容易使手穿过物体，从而失去真实感。解决这个问题的有效方法是在用户交互设备中加入触觉反馈。触觉反馈主要通过视觉、气压、振动触觉、电子触觉和神经肌肉模拟方法来实现。向皮肤反馈可变点脉冲的电子触觉反馈和直接刺激皮层的神经肌肉模拟反馈都不安全。相对来说，气压和振动触觉反馈是相对安全的触觉反馈方式。

气动触摸反馈是一种使用小气囊的传感装置。它由双层手套组成，其中一层是测量力的输入，有20~30个力敏元件分布在手套的不同位置。当用户在VR系统中进行虚拟接触时，检测手的每个部分的手情况。另一个输出手套用于再现检测到的压力。手套还配有20~30个气囊，放置在相应的位置。这些小气囊的气压由空气压缩泵控制，气压值由电脑调节，从而实现虚拟手触摸时的触感和手的情况。虽然这种方法达到的触感不是很逼真，但是已经取得了不错的效果。

振动反馈是一种利用音圈作为振动换能器产生振动的方法。简单的换能器就像一个没有喇叭的音圈，复杂的换能器由状态记忆合金支撑。当电流通过这些传感器时，它们都会变形和弯曲。可以根据需要将换能器制成各种形状，并将其安装在皮肤表面的不同位置。这样就可以产生对虚拟物体光滑度和粗糙度的感知。

(5)力反馈装置

力觉和触觉感知其实是两种不同的感知，触觉感知包括接触、质感、纹理、温度等更丰富的感知内容。力感测设备需要能够反馈力的大小和方向。相比触觉反馈设备，力反馈设备相对成熟。目前已有的力反馈设备有:力反馈臂、力反馈操纵杆、笔式六自由度游戏杆等。主要原理是计算机通过反馈系统对使用者的手、手腕和手臂的运动产生阻力，从而让使用者感受到力的方向和大小。

由于人对力的感知非常敏感，普通的精密装置根本无法满足要求，开发高精度的内部反馈装置相当昂贵，这是人们面临的难题之一。

(6)动作捕捉系统

在虚拟现实系统中，为了实现人与虚拟现实系统的交互，需要确定参与者的头、手、身体等位置的方向，准确跟踪和测量参与者的动作，并对这些动作进行实时监控，以便将这些数据反馈给显控系统。这些工作是VR系统必不可少的，也是运动捕捉技术的研究内容。

到目前为止，常用的动作捕捉技术从原理上可以分为机械式、声学式、电磁式和光学式。同时，不依赖传感器直接识别人体特征的动作捕捉技术也将很快投入实际使用。

从技术角度来说，运动捕捉就是测量、跟踪和记录物体在三维空间中的运动轨迹。

(7)机械运动捕捉

机械运动捕捉依赖于机械设备来跟踪和测量运动轨迹。一个典型的系统由多个关节和刚性连杆组成，在可旋转的关节中安装一个角度传感器，可以测量关节旋转角度的变化。该装置的运动是根据角度传感器测得的角度变化和连杆的外倾角，可以得到杆件端点在空间的位置和轨迹。其实可以找到装置上任意一点的轨迹，刚性的连杆也可以换成长度可变的伸缩杆。

机械运动捕捉的一种应用形式是将待捕捉的运动物体与机械结构连接起来，物体的运动带动机械装置，由传感器记录下来。这种方法具有成本低、精度高、实时测量、允许多个角色同时表演等优点，但使用起来非常不方便，机械结构也极大地阻碍和限制了表演者的动作。

(8)声学运动捕捉

常用的声学捕获设备由发射机、接收机和处理单元组成。发射器为固定式超声波发射器，接收器一般由三个呈三角形排列的超声波探头组成。通过测量声波从发射器到接收器的时间差或相位差，系统可以确定接收器的位置和方向。

这类设备成本较低，但捕捉运动的延迟和滞后较大，实时性差，精度一般不是很高，声源和接收器之间不能有大的障碍物，受噪声和多次反射影响较大。因为声波在空气中的传播速度与大气压力、湿度、温度有关，所以在算法中必须进行相应的补偿。

(9)电磁运动捕捉

电磁动作捕捉是一种常用的动作捕捉设备。一般由发射源、接收传感器和数据处理单元组成。发射源在空间按照一定的时空规律分布的电磁场；接收传感器设置在表演者身体的相关位置，当表演者在电磁场中运动时，接收传感器通过有线或无线方式与数据处理单元连接。

对环境要求严格，使用地点附近不能有金属物体，否则会干扰电磁场，影响精度。系统的允许范围比光学系统小，尤其是线缆限制了用户的活动，不适合剧烈运动。

(10)光学运动捕捉

光学运动捕捉通过监测和跟踪目标上的特定光斑来完成运动捕捉的任务。目前，大多数常见的光学运动捕捉都是基于计算机视觉的原理。理论上，只要空间中的一个点可以被两台摄像机同时缩小，那么根据两台摄像机同时拍摄的图像和摄像机参数，就可以确定该点此时在空间中的位置。当摄像机以足够高的速度连续拍摄时，可以从图像序列中获得店铺的运动轨迹。

这种方法的缺点是价格昂贵。虽然可以实时捕捉动作，但是后期处理的工作量非常大，对表演场的灯光和反光有一定的要求，设备的标定也比较繁琐。

(11)数据服装

VR系统中常用的运动捕捉是数据外套。数据服是为VR系统设计的输入设备，用于识别全身运动。他是根据“数据手套”的原理开发出来的。这种衣服装有许多触觉传感器，可以穿在身上。衣服里面的传感器可以根据身体的动作来检测和跟踪人体的所有动作。这套数据套装可以测量人体大约50个不同的关节，包括膝盖、手臂、躯干和脚。通过光电转换，身体的运动信息被计算机识别，反过来，衣服会反作用在身体上产生压力和摩擦力，让人感觉更真实。

和HMD、数据手套一样，数据服也有延时大、分辨率低、行动范围小、使用不方便的缺点。另外，还有一个潜在的问题，就是人的体型差异很大。为了检测整个身体，不仅要检测肢体的伸展程度，还要检测肢体的空间位置和方向，这就需要很多空间跟踪器。