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虚拟现实(VR)与数据手套的研究

发表时间:2020-09-15 浏览次数:259

虚拟现实(VR)与数据手套的研究

  导读: 虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)技术是近年来最热门的研究领域之一,有着巨大的发展潜力和广泛的应用前景,受到各界、尤其是军方的青睐。

       虚拟现实是一种虚拟的沉浸式交互环境,具体地说,就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境,用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响,从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体验。VR带来了人机交互的新概念、新内容、新方式和新方法,使人机交互的内容更加丰富、形象,方式更加自然、和谐。

     本文分析了几种不同的数据手套性能,并进一步阐述作者在数据手套研制方面所做的工作。


虚拟现实简介

       在虚拟的现实中,人们利用头盔显示器、图形眼镜、数据服、立体声耳机、数据手套及脚踏板等多维输入输出设备通过传感器装置与计算机生成的三维虚拟环境交互作用,可获得视觉、听觉、触觉等多种感知反馈,并按照自己的意愿去实时地改变虚拟环境。

      虚拟现实系统中包括人件(HumanWare) 、媒体件(MediaWare) 、数据件(DataWare)和网络件(NetworkWare) 4部分。

      媒体件将从听觉、视觉和触觉得到的信息加以综合,并以和谐的形式进行反馈处理。

   

       一是桌面虚拟现实系统,也称窗口中的VR。它主要在台式计算机上实现,所以成本低,功能也最简单,主要用于CAD、CAM、建筑设计、桌面游戏等领域。

       三是分布式虚拟现实系统,它在因特网环境下,充分利用分布于各地的资源,协同开发各种虚拟现实的利用。它通常是沉浸虚拟现实系统的发展,也就是把分布于不同地方的沉浸虚拟现实系统,通过因特网连接起来,共同实现某种用途。美国大型军用交互仿真系统NPSNET以及因特网上多人游戏MUD便是这类系统。


    总的来说,虚拟现实具备以下主要特征:

      投入性是虚拟现实最主要的技术特征。要让用户觉得自己是虚拟环境中的一部分,而不是旁观者,力图使用户在计算机所创建的三维虚拟环境中处于一种“全身心投入”的状态,有身临其境的感觉,即所谓的“沉浸感”。正是这种“沉浸感”特性使虚拟现实与一般的交互式三维计算机图形有较大的不同,用户可以暂时与现实环境隔离,沉浸于数据空间、从数据空间向外观察,以更自然、更直接的方式与数据交互,从而能真实地注视数据。理想的虚拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度(例如可视场景应随着视点的变化而变化) ,甚至超越真实,如实现比现实更逼真的照明和音响效果等。

       交互性是人机和谐的关键因素。指用户通过使用专用设备,用人类的自然技能实现对模拟环境的考察和操作的程度,即用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力,包含对象的可操作程度及用户从环境中得到反馈的自然程度(包括时实性) 。虚拟场景中,对象应正确地模拟物理、化学等自然界应遵守的定理。

       虚拟现实不仅仅是一个用户与终端的接口,用户还可以沉浸在多维信息空间中,依靠自己的感知和认知能力全方位地从环境中获取新的知识,提高感性和理性认识,产生新的构想。若将构想结果再次输入到系统中,处理结果可实时显示或由感受装置反馈给用户,如此反复,形成一个学习—创造—再学习—再创造的过程,因而,虚拟现实能启发人的创造性思维。伴随网络技术的发展,或许今后通过虚拟现实技术学习的可以是一台机器,它具有极强的数据处理能力及认知能力,通过对虚拟现实环境的访问,将获取的知识加入自己的知识库,并控制下一步动作。


虚拟现实是多种技术的综合


      (1)动态环境建模技术

      (2)实时三维图形系统和虚拟现实交互技术

      (3)传感器技术

      (4)开发和系统集成技术工具

      由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型,因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等等。

数据手套

      数据手套是虚拟现实系统的重要组成部分,是一种通用的人机接口,其直接目的在于实时获取人手的动作姿态,以便在虚拟环境中再现人手动作,达到理想的人机交互目的。

       对一个具体的数据手套应用过程,可设由手部各弯角组成的向量f = ( f1 , f2 , ⋯, fn )与对应传感器示数组成的向量d = ( d1 , d2 , ⋯, dn ) 。显然f和d之间存在着强耦合的映射关系。数据手套的实现即是根据示数向量d, 找出原映射关系的逆映射,从而反演出手部各部位的姿态。

       由于数据手套的传感器数目较多,而且响应的标定和解耦计算十分复杂,进行实时处理时困难较大,因此,目前数据手套的发展与应用只是处于初级阶段,还不十分成熟。

       国内外许多研究单位和公司在数据手套的研制开发方面做了大量的工作,并推出了一些采用不同传感器的数据手套产品,得到较成功的应用。下面分析几个主要产品的各项性能指标。

       手套本体材料:氯丁二烯橡胶布。

       自由度(DOF) :手指关节的弯曲和外展、大拇指的复杂动作。

       测量精度: < 5°。

       接口: RS232,最高波特率115. 2 kbp s。

       评价:专利传感器技术,结构紧凑,佩戴舒适,轻便易用;采用桌面控制模块,能同时支持系4副手套;但是容易受用户手尺大小影响,应用过程中需要重新校正(防止手套与手指之间滑动带来的误差) ,另外光纤的疲劳问题(光纤使用时间过长导致精度下降或折断)也值得注意。

       手套本体材料:弹性纤维,可拉伸,尺寸固定。

       自由度(DOF) :手指关节的弯曲和外展、大拇指、手掌弯曲、手腕的弯曲和外展。

       测量精度: 0. 5°。

       接口: RS232,最高波特率115. 2 kbp s。

       评价:质地很轻,佩戴舒适,手掌处成网状易于通风,指尖露出,便于用户抓取、写字等;专利“压电传感器”具有良好的线性和强健性,体型细小、柔软,对弯曲基本无阻力,受安装位置和手指的弯曲曲率半径影响很小,保证传感器准确可重复地测量手部运动,并对所有用户校正标准一致。

       手套本体材料:弹性纤维,手套尺寸固定,适用面广,分左右手。

       自由度(DOF) : 5个手指的弯曲传感器、手掌的倾斜和转动。

       测量精度: 8位A /D采样,漂移扰动小。

       接口: RS232,支持无线收发。

       评价:质量有保证,适合大众的尺寸,左右手版本,佩戴非常舒适; PC的ISA总线可同时连接4个手套,开放式结构,鼠标仿真模式, VR 程序驱动,有DOS和W indows下的软件开发包;但是对不同用户需要重新校正,同样也存在疲劳问题。

       随着虚拟现实技术在各个领域的广泛应用,数据手套的研制和应用也不断深入。例如,美国宇航局的Ames实验室将数据手套工程化,使其成为可用性较高的产品,在约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真。美国Boneing公司制造了一架虚拟飞机,运用数据手套进行控制,从而观察设计结果,考察性能指标。NEC公司开发的虚拟现实系统,操作者通过使用数据手套可以处理三维CAD中的形体模型。国内的研究也取得了一批成果。

    (1)研制开发能够满足数据手套实用性要求的新型传感器

    (2)研制技术成熟、性能可靠的力反馈装置

    (3)硬件接口及软件环境的深入开发

    (4)进一步提高设计工艺要求在数据手套及其部件的选材、设计组装等方面下功夫,既要佩戴方便舒适,又要易于组装维护,进一步提高整体性能。