人机交互：第2章 交互设备.pptx

,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,1,第,2,章 人机交互设备,2,本章主要内容,人机工程学,输入设备：,文本输入设备；语音输入设备；指点输入设备；图像,/,视频输入设备,输出设备：,显示器；数字纸,/,打印机,/,绘图仪；音响,/,喇叭,虚拟现实交互设备,3,2.1,人机工程学,人机工程学是研究,“,人,-,机,-,环境,”,系统中人、机、环境三大要素之间的关系，为解决系统中人的效能、健康问题提供理论与方法的科学。,人,机,环境,4,人机工程学其它名词,人类工程学（,Human Engineering,）,人因工程学,(Human Factors Engineering),欧洲称之为人机工程学,/,人类工效学（,Ergonomics,），,5,人机系统组成,人子系统,包括感觉器官、中枢神经系统及运动器官三大部分,;,机子系统,包括操作器（控制器,键盘）、主机及显示器三大部分,;,人机界面,负责人机子系统之间的信息传递,;,环境,是人机系统运行的外界条件。,人子系统,人机界面,机子系统,环境,6,人机系统设计步骤,(1),需求分析,明确目标，即用户是,“,谁,”,，人机系统所应具备的功能、条件，包括可用条件、制约条件及环境条件等。,(2),调查研究,包括预测和确定目标，对同类系统的调查研究。,(3),系统分析规划,在明确系统目的和条件基础上，分析和规划系统的功能，并,按人机两者进行分配,。,(4),系统设计,这个阶段完成具体的设计，设计中要,考虑人的因素,，要,保证人机的适应性,，并制定人机系统操作步骤、方法及制定人员培训计划。,(5),测试,对构成系统进行试运行，并评价系统的安全性、可靠性、舒适性等指标，如果获得用户认可则可提交生产。,(6),人机系统生产制造及提交使用。,7,人机工程学研究内容,研究人与机器之间的分工与配合；,研究机器如何能更适合人的操作和使用，以提高人的工作效率，减轻人的疲劳和劳动强度；,研究人机系统的工作环境对操作者的影响，用以改善工作环境；,研究人机之间的界面，信息传递以及控制器和显示器的设计等等。,8,人机比较与分工,10s,内能输出,1.5kW,以,0.15kW,的输出能连续工作一天，并能作精细的调整,具有与认知直接联系的高级检测能力，缺少标准，会出偏差，具有味觉、嗅觉、触觉,空间自由度高，协调性好，可在三维空间进行多种运动,具有特征抽取、综合、归纳、模式识别、联想、发明创造等高级思维能力及丰富的经验,比较项目,机的特性,人的特性,物理方面的功率,能输出极大和极小的功率，但不能像人手那样精细地调整,检测,物理量检测范围广，可正确检测像电磁波这样人不易检测的物理量,操作,在速度、精度、力度、操作范围、耐久性等方面比人优越，能处理液体、气体、粉状体等物,信息处理能力,在事先编程的情况下可进行高级、准确的数据处理，记忆准确、持久，调出速度快,9,比较项目,机的特性,人的特性,易疲劳，需要适当休息、保健、娱乐，很难长时间保持紧张状态，不适应从事刺激小、单调乏味的作业,容易出差错；如果有时间和精力，可以处理意外事件，自我维护力强,单通道,耗费能源小，但要吃饭，需要教育和训练，必须采取绝对的安全措施,图形识别,图形识别能力强,耐久性、持续性、可维护性,由成本决定；需维护保养，可进行单调的反复作业，不会疲劳,可靠性,由成本决定；对事先设计的作业有高可靠性，对预料之外的事件无能为力。一个零件的损坏，可导致整机失灵；特性能保持不变,通道,能够进行多通道的复杂动作,效率,需外加功率；简单作业速度快、准确，新机械从设计、制造到运转需要时间；即使坏了也不要紧,图形识别能力差,成本,需要购置费，运转、保养费；机械不使用仅失去机械本身的价值,需要人工费用、工资等；如果发生意外，会危及生命,10,人机系统设计要求考虑的问题,人机系统应该能满足以下要求：,(1),达到预定的目的，完成预定的任务。,(2),人机都能发挥各自的作用并协调一致地工作；,(3),系统提供接收输入和完成输出的功能，并具备协调功能。,(4),系统设计应考率环境因素影响，例如厂房结构、工作场地布局、照明、温度、湿度、噪声等。,(5),人机系统应充分适应人的特性，让人容易学习、操作、使用系统，充分发挥系统效能。,11,设计时应考虑的问题,(1),为了满足系统设计目标必须提供什么输入和输出？,(2),为产生系统输出需要什么操作？,(3),人机之间的功能如何分工？,(4),人要完成操作需要什么样的训练和技能？构成的人机系统需要提供哪些方法帮助人接受训练和获得技能？,(5),需要系统完成的任务能否与人的能力相容？要避免人在过负荷状态下的操作；,(6),人要完成作业需要什么样的设备接口？这是考虑人的因素的最重要的问题。,(7),人机子系统工作能否协调？是相互帮助还是相互妨碍？,12,界面设计中的人机工程学,原则,在人机界面设计中，根据人接受信息的感觉通道不同，可将显示界面分为,视觉显示界面,听觉显示界面,触觉显示界面,其中以视觉和听觉显示界面最为广泛。,13,视觉,显示界面设计,原则,视觉显示器必须保证三项基本要求：,能见性,清晰性,可识性,14,视觉显示器的设计须遵循的原则：,(1),选用最适宜的视觉刺激维度作为传递信息的代码，并将视觉代码的数目限制在人的绝对辨识能力允许的范围内。,(2),使显示器精度与人的视觉辨认能力相适应。,(3),尽量采用形象直观且与人的认知特点相匹配的显示格式。,(4),对同时呈现的相互关联的信息尽可能实现综合显示，以提高显示效率。,(5),目标与背景之间要有适宜的对比关系，包括亮度对比、颜色对比和形状对比等。,(6),具有良好的环境照明条件，以保证对目标的准确辨认。,(7),根据任务的性质和使用条件，确定视觉显示器的尺寸和安放位置。,(8),要与系统中其他显示器和控制器在空间关系和运动关系上相兼容。,15,听觉显示器,听觉显示器是利用声音通过人的听觉通道向人传递信息的装置，可分为声音听觉显示器和言语听觉显示器两大类。,与视觉通道相比，听觉具有易引起人的随意注意，而且反应速度快和不受照明条件限制等突出的优点。,16,优化听觉显示器的设计应遵循的原则,(1),听觉刺激所代表的意义一般应与人们已经习惯的或自然的联系相一致。,(2),采用声音的强度、频率、持续时间等维度作信息代码时，应避免使用极端值，而且代码数目不应超过使用者的绝对辨识能力。,(3),信号的强度应高于背景噪声，要保持足够的信噪比，以防止声音掩蔽效应带来的不利影响。,(4),尽量使用间隔或可变的声音信号，要避免使用稳定信号，使对声音信号的听觉适应减至最小。,(5),不同声音信号应尽量分时段呈现，其时间间隔不易短于,1s,。,(6),显示复杂的信息时，可采用两级信号。第一级为引起注意的信号，第二级为精确指示的信号。,(7),对不同场合使用的听觉信号尽可能标准化。,17,触觉,/,控制界面设计,控制界面主要指各种操作装置，包括手动操纵装置和脚动操纵装置。常见的有旋钮、摇柄、按钮、手柄按键等。在这些界面设计中需要人给予一定力的作用，并且这些力都需要一定的信息反馈。,18,显控协调性设计,显控协调性是指显示和控制的关系与人们的期望的一致性。对于显示与控制的协调性设计，应根据人机工程学原理和人的习惯定式等生理、心理特点，并遵循以下的原则：,19,显示与控制的协调性设计原则,1.,空间协调性,显示与控制在空间位置上的关系与人的期望的一致性。,2.,运动协调性,显示指示部分的运动、所控制变量的增减方向是决定关系协调性的重要因素。,3.,概念协调性,概念协调性是指显示与控制在概念上与人的期望的一致性。例如绿色通常表示安全，黄色表示警戒，红色表示危险。,4.,习惯模式,习惯模式是下意识和,“,自动,”,的行为，是一种条件反射。,20,数字化人机工程,数字化人机工程主要包括：,人机工程咨询,人机工程仿真,人机工程评价,21,人机工程咨询,目前，基于人体测量等技术而建立起来的人体数据咨询系统软件较多，系统包括各种国别、年龄、性别的人体测量学数据。如英国,Open Ergonomics,公司开发的,PeopleSize2000,人体数据咨询系统。它包括英国儿童（从出生起）、成年人的尺寸以及其他一些国家人的尺寸，其中包括部分中国人人体尺寸（,18,45,岁）。基本覆盖了英国的各个阶层，并同时包括人体全身尺寸、人体头部尺寸、手部尺寸、足部尺寸等。利用这些人体测量数据库，他们进行了一些人体姿势分析，座椅等的设计，为民航、铁路、汽车、国防、劳动安全等服务。,22,人机工程仿真,通过虚拟环境，分别从生理学、运动学等对人体的各种工作方式进行仿真。虚拟人体最基本的动作包括：头部运动、抓举、行走、坐姿、弯腰、后倾、搬运、负荷、视域等。仿真与评价往往是结合在一起的。,23,人机工程评价,Delima,公司（国际上较早的数字化企业）已经将,3D,虚拟人体融入到从过程计划、成本预算、质量控制、人机分析到数字化制造中；另外，基于开放的,C,商业平台,(open c-commerce platform OCP),，,EDS Unigraphics,公司提出了,e-Factory,概念，也将虚拟人作为咨询、仿真、评价的一个重要因素。,Transom,公司开发的,Transom JACK,人机工程软件可以评价安全姿势、举手与能量消耗、疲劳与体力恢复、静态受力、人体关节移动范围等人机工程性能指标。由于,JACK,具有的优势，已经在航空、车辆、船舶、工厂规划、维修、产品设计等领域广泛应用。,24,输入设备,25,2.2,文本输入设备,文本输入是人机交互输入的重要组成部分,;,键盘输入是最常见、最主要的文本输入方式,;,手写,、,语音是更自然的文本输入方式。,26,1.,键盘,键盘是文本输入的最重要手段，而,键盘布局,对于文本输入的速度和准确性至关重要。,为了提高键盘在某些场合下的使用舒适度，许多键盘在设计的过程中还加入了更多人性化的,人机工程学,考虑。,27,键盘的布局,QWERTY,键盘布局,19,世纪,70,年代，,Sholes,发明了,QWERTY,键盘布局，其名称来源于该布局方式最上行前,6,个英文字母，最常用的几个字母安置在相反方向，最大限度放慢敲键速度以避免卡键。这种布局方式依然是今天最为常见的排列方式，成为一种事实上的标准。,DUORAK,键盘布局,20,世纪,20,年代的,DUORAK,键盘布局，据推测可以大大减少手指移动距离，从而大大提高输入速度，但由于受到传统,QWERTY,布局的影响，没有成为主流的键盘布局。,28,人性化设计的多功能集成键盘,这类键盘,集成了鼠标、无线,等功能，在键盘布局以及外观设计方面，针对游戏、上网浏览等常用娱乐功能做了改进。,键盘正上方设计的,快捷键,，包括,“,IE,主页,”,、,“,打开文件夹,”,、,“,查找文件,”,和,“,进入信箱,”,等,12,个，许多操作可以一键完成。键盘的无线接收器采用,USB,接口，安装使用也非常方便。,29,人机工程学键盘,是在标准键盘基础上将指法规定的左手键区和右手键区这两大板块左右分开，并形成一定角度，这样可使操作者不必有意识的夹紧双臂，从而保持一种比较自然的形态，这种设计的键盘被微软公司命名为自然键盘（,Natural Keyboard,）。,30,(,手写板,+,手写笔,+,手写汉字识别软件,),2.,手写设备,31,手写板,电阻式压力手写板：几乎已经被淘汰,电磁式感应手写板：目前市场主流产品,电容式触控手写板：市场的新生力量，具有耐磨损、使用简便、敏感度高等优点，是今后手写板的发展趋势。,32,手写板的评测指标,压感级数：,手写板可以感应到笔在手写板上的力度的级别，最高为,512,级。,精度：,精度又称分辨率，指的是单位长度上所分布的感应点数，精度越高对手写的反映越灵敏，对手写板的要求也越高,书写面积：,是手写板一个很直观的指标，手写板区域越大，书写的回旋余地就越大，运笔也就更加灵活方便，输入速度往往会更快，当然其价格也相应更高。书写面板的尺寸大体有以下几种：,76mm51mm,、,76mm114mm,、,10mm13mm,和,11mm15mm,33,手写笔,有线笔,:,手写笔尾部均有一根电缆与手写板相连，从手写板上输入电源。,无线笔,:,借助于一些特殊技术而不需要任何电源。无线笔的优点是携带和使用起来非常方便，同时也较少出现故障。,手写笔一般还带有两个或三个按键，其功能相当于鼠标按键，这样在操作时不需要在手写笔和鼠标之间来回切换。,34,手写汉字识别软件,除了硬件外，手写笔和手写板的另一项核心技术是手写汉字识别软件,;,目前各类手写笔的识别技术都已相当成熟，识别率和识别速度也能够满足实际应用的要求。,35,3.,语音文本输入设备,(,麦克风,+,声卡,+,语音识别软件,),语音输入为文本输入提供了更加自然的交互手段，也许在将来，我们能够真正抛弃键盘，实现和计算机的,“,对话,”,;,语音录入并不限于输入文本,其中还有身份,情绪,健康状况等多种信息。,36,3.,语音文本输入设备,麦克风,+,声卡,+,语音识别情感分析身份认证软件,在语音录入过程中所涉及的设备主要是麦克风和声卡,语音识别,、,情感分析,、,身份认证,是语音输入的核心技术,37,麦克风,/,话筒,对于语音的输入，麦克风,/,话筒是最基本的设备。,38,麦克风技术,为了过滤背景杂音，达到更好的识别效果，许多麦克风采用了,NCAT,（,Noise Canceling Amplification Technology,）专利技术。,NCAT,技术结合特殊机构及电子回路设计以达到消除背景噪音，强化单一方向声音（只从配戴者嘴部方向）的收录效果，是专为各种语音识别和语音交互软件设计的，提供精确音频输入的技术，采用,NCAT/NCAT2,技术的麦克风会着重采集处于正常语音频段（介于,350Hz-7000Hz,）的音频信号，从而降低环境噪音的干扰。,39,声卡,声卡的功能,是一种安装在计算机中的最基本的声音设备，是实现声波数字信号相互转换的硬件,:,可把来自话筒、磁带、光盘的原始声音信号加以转换，输出到耳机、扬声器、扩音机、录音机等声响设备，完成对声音信息进行录制与回放。,声卡的结构,声卡可分为模数、数模转换电路两部分,:,模数转换电路负责将麦克风等声音输入设备采集到的模拟声音信号转换为计算机能处理的数字信号；,而数模转换电路负责将计算机使用的数字声音信号转换为耳机、音箱等设备能使用的模拟信号。,40,声卡拥有的接口：,LINE OUT,（或者,SPK OUT,）,用于连接音箱耳机等外部扬声设备，实现声音回放；,MIC IN,OUTMIC IN,用于连接麦克风，实现录音功能；,LINE IN,LINE IN,则是把外部设备的声音输入到声卡中,游戏杆（外部,MIDI,设备接口）,41,与声卡相关的重要概念,声音的采样,采样的位数,决定了声音采集的质量。采样位数可以理解为声卡处理声音的解析度，这个数值越大，解析度就越高，录制和回放的声音也越真实,16,位声卡,能将声音分为,64K,个精度单位进行处理，而,8,位声卡,只能处理,256,个精度单位，造成较大的信号损失,采样的频率,采样频率是指录音设备在一秒钟内对声音信号的采样次数，采样频率越高则声音的还原就越真实越自然。在当今的主流声卡上，,采样频率一般分为,22.05KHz,、,44.1KHz,、,48KHz,三个等级,42,声道数,声音在录制过程中被分配到两个独立的声道，从而达到了很好的声音定位效果，用户可以清晰地分辨出各种乐器来自的方向，从而使音乐更富想象力，更加接近于临场感受。,四声道环绕音频技术较好实现了三维音效，四声道环绕规定了,4,个发音点：前左、前右，后左、后右，听众则被包围在这中间。,43,2.3,图像,/,视频输入设备,图像输入是人与计算机交互的另外一个重要组成部分,;,扫描仪可以快速地实现图像输入，且经过对图像的分析与识别，可以得到文字、图形等内容；,而摄像头则是捕捉动态场景最常用的工具。,44,1.,扫描仪,光电、机械一体化的高科技产品,独特的数字化“图像”采集能力，低廉的价格以及优良的性能，得到了迅速的发展和应用,目前已成为计算机不可缺少的图文输入工具之一，被广泛地应用于图形、图像处理的各个领域。,45,扫描仪的性能指标,(1),分辨率,:,扫描仪的分辨率决定了最高扫描精度,;,在扫描图像时，扫描分辨率设得越高，生成的图像的效果就越精细，生成的图像文件也越大。,DPI,是指用扫描仪输入图像时，在每英寸上得到的像素点个数。,扫描仪的分辨率等于其光学部件的分辨率加上其自身通过硬件及软件进行处理分析所得到的分辨率,;,分辨率为,1200DPI,的扫描仪，往往其光学部分的分辨率只占,400,600DPI,。扩充部分的分辨率由硬件和软件联合生成，这个过程是通过计算机对图像进行分析，对空白部分进行插值处理所产生的,;,46,扫描仪的性能指标,(2),扫描速度,:,扫描速度决定了扫描仪的工作效率,.,一般而言，以,300DPI,的分辨率扫描一幅,A4,幅面的黑白二值图像，时间少于,10,秒钟，相同情况下，扫描灰度图，约需,10,秒左右，而如果使用三次扫描成像的彩色扫描仪，则要,23,分钟。,47,平板式扫描仪的结构,目前大部分的扫描仪都属于,平板式扫描仪，,主要由上盖、原稿台、光学成像部分、光电转换部分、机械传动部分组成。,48,2.,摄像头,数码摄像头的用途,数码摄像头可以直接捕捉影像，然后通过计算机的串口、并口或者,USB,接口传送到计算机里。,数码摄像头没有存储装置和其他附加控制装置，只有一个感光部件、简单的镜头和不太复杂的数据传输线路，造价低廉。,49,2.,衡量数码摄像头的关键因素,感光元器件,大多为,CCD,CCD,的成像往往通透性、明锐度都很好，色彩还原、曝光可以保证基本准确,;,应用在摄像、图像扫描等对于图像质量要求较高的应用中,价格高,附加金属氧化物半导体组件（,Complementary Metal-Oxide Semiconductor,，,CMOS,）大多应用在一些低端视频应用中，价格低,像素数：,像素数是影响图像质量的重要指标，也是判断摄像头性能优劣的重要条件。早期产品以,10,万像素的居多，目前则以,百,万像素为主,50,2.,衡量数码摄像头的关键因素,解析度：,分为照像解析度和视频解析度,：有,352288,、,320240,、,176144,、,160120,等规格,目前一般产品的解析度是,640480,视频速度：,视频速度和视频解析度是直接相关的，基本成反比关系如,640480,解析度可达,12.5,帧秒（,Frames Per Second,，,FPS,），,352288,的,解析度可得到,30 FPS,，真正获取流畅的视频,镜头：,镜头性能的重要条件是它的调焦范围以及灵敏性等因素,，,好的摄像头，应该有较为宽广的调焦范围和较高的灵敏性,51,2.4,指点输入设备,指点设备常用于完成一些定位和选择物体的交互任务。,鼠标是最常用的一种指点输入设备,另外还有触摸板,、,控制杆,、,光笔,、,触摸屏,、,手写液晶屏,、,眼动跟踪系统等,。,52,1.,鼠标,1963,年，美国,Douglas Englebart,发明了鼠标器。他最初的想法是为了让计算机输入操作变得更简单、容易。,第一只鼠标器的外壳是用木头精心雕刻而成的，整个鼠标器只有一个按键，在底部安装有金属滚轮，用以控制光标的移动。,1984,年，苹果公司把经过改进的鼠标器安装在,Lisa,微电脑上，从而使鼠标器声名显赫，它与键盘一道成为电脑系统中必备的输入装置。,53,鼠标的分类,1,）机械式鼠标,工作原理：在机械式鼠标底部有一个可以自由滚动的球，在球的前方及右方装置两个支成,90,度角的编码器滚轴，移动鼠标时小球随之滚动，便会带动旁边的滚轴，前方的滚轴记录前后滑动，右方的滚轴记录左右滑动，两轴一起移动则代表非垂直及水平方向的滑动。编码器由此识别鼠标移动的距离和方位，产生相应的电信号传给电脑，以确定光标在屏幕上的正确位置。,54,2,）光电式鼠标,工作原理,:,利用一块特制的光栅板作为位移检测元件，光栅板上方格之间的距离为,0.5mm,。鼠标器内部有一个发光元件和两个聚焦透镜，发射光经过透镜聚焦后从底部的小孔向下射出，照在鼠标器下面的光栅板上，再反射回鼠标器内。当在光栅板上移动鼠标器时，由于光栅板上明暗相间的条纹反射光有强弱变化，鼠标器内部将强弱变化的反射光变成电脉冲，对电脉冲进行计数即可测出鼠标器移动的距离。,55,鼠标与其接口的发展,串行接口设计,(,梯形,9,针接口,),；,随着,PC,机器上串口设备的逐渐增多，串口鼠标逐渐被采用新技术的,PS/2,接口鼠标所取代,(,小圆形接口,),；,随着即插即用概念的提出，使得采用,USB,接口的鼠标成为主流；,而对于一些有专业要求的用户而言，采用红外线信号来与电脑传递信息的无线鼠标也成为一种专业时尚,;,BlueTooth,无线鼠标,.,56,鼠标的按键发展,从按键而言，依次经历了两键、三键时代。,随着,INTERNET,的普及，人们发现，在鼠标上加上一个小小的轮轴更便于浏览网页，这样，又出现了滚轮鼠标，目前的鼠标以三键滚轮鼠标为主。,虽然鼠标的发展速度和其他输入设备相比似乎慢了许多，但是鼠标对计算机操作带来的巨大便利，决定了其在短时间内是难以被完全替代的。,57,2.,触摸板（,Touchpad,）,触摸板能够在一定的区域内（通常是,5075,毫米长度）感应接触，将这种接触信号转发给计算机处理。,目前，触摸板已应用到笔记本电脑上，可以替代鼠标。触摸板通过电容感应来获知用户的手指移动情况，对手指热量并不敏感。,同鼠标相比，触摸板的使用更加灵活，在使用过程中，通过更多的配置，可以得到更强的功能。,58,3.,控制杆,控制杆很适宜于跟踪目的（即追随屏幕上一个移动的目标）的原因是移动对应的光标所需的位移相对较小，同时易于变换方向。,控制杆的移动导致屏幕上光标的移动。根据两者移动的关系，可以将其分为两大类：位移定位和压力定位。对于位移定位的游戏杆，屏幕上的光标依据游戏杆的位移而移动,59,4.,光笔,光笔是一种较早用于绘图系统的交互输入设备，它能使用户在屏幕上指点某个点以执行选择、定位或其他任务。,光笔和图形软件相配合，可以在显示器上完成绘图，修改图形和变换图形等复杂功能。,光笔的形状和普通钢笔相似，它由透镜、光导纤维、光电元件、放大整形电路和接触开关组成。,60,光笔的优缺点,光笔的优点,不需要特殊的显示屏幕，与触摸屏的设备相比较，价格便宜许多；,在一些不适宜使用鼠标的地方，可以起到替代作用。,光笔的缺点,手和笔迹可能将遮挡屏幕图像的一部分；,会造成手腕的疲劳；,光笔不能检测黑暗区域内的位置；,会因房间背景光的影响，光笔产生误读现象。,61,5.,触摸屏,触摸屏作为一种特殊的计算机外设，提供了一种简单、方便、自然的人机交互方式，在某些应用中，可以代替鼠标或键盘。,触摸屏目前主要应用于公共信息的查询，如电信、税务、银行、电力等部门的业务查询，城市街头的信息查询。,此外还可以应用于工业控制、军事指挥、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学等方面。,62,触摸屏的分类,可以把触摸屏分为四种：,电阻式,电容感应式,红外线式,表面声波式,每一类触摸屏都有其各自的优缺点。,63,6.,手写液晶屏,手写液晶屏是液晶矩阵显示技术和高灵敏度电磁压感技术的完美结合，可以在屏幕上直接用压感笔实现高精度的选取、绘图、设计制作。,液晶屏幕上除了具备一般的液晶显示屏的特征以外，在最上面还附有一层特制保护层，确保在书写过程中，屏幕保持平整不变形，液晶原来的画质毫不受损，同时具有高耐久性。,64,7.,眼动跟踪系统,眼动跟踪系统允许用户仅仅通过凝视的手段来控制计算机选择物体。,眼动跟踪系统需要利用较为复杂的硬件设备以及软件算法。,65,眼动跟踪系统,工作原理,首先，用四个,L,形的红外线发光器，在眼睛里产生一些亮点；,然后利用一个广角摄像头获取脸部图像，快速确定眼睛的位置，再利用一个视野较小，分辨率较高的摄像头拍摄眼睛的高分辨率图像；,最后，分析眼睛的图像,计算瞳孔中心和亮点的位置，通过计算瞳孔中心和亮点确定的矢量，确定视线方向。,66,输出设备,67,2.5,显示设备,显示器是计算机的重要输出设备，是人机对话的重要工具。,它的主要功能是接收主机发出的信息，经过一系列的变换，最后以光的形式将文字和图形显示出来。,常用的显示设备如显示器、数字纸,/,打印机,/,绘图仪。,68,1.,显示器,光栅扫描型（,Raster scan,）显示器，以点阵形式表示图形，采用专门的帧缓冲区存放点阵，缓冲区按照矩形网格排列，每个网格点对应显示器上的一个象素。,由视频控制器负责刷新扫描，当扫描到显像管表面时，根据对应的缓冲区中的值，显示不同的灰度和颜色，此类显示技术称为位图（,Bitmap,）显示。,69,液晶显示器,LCD,比,CRT,显示器具有更好的图像清晰度，画面稳定性和更低的功率消耗，但液晶材质粘滞性比较大，图像更新需要较长响应时间，因此不适合显示动态图象,70,等离子显示器,等离子显示器诞生于二十世纪,60,年代，它采用等离子管作为发光材料，,1,个等离子管负责一个像素的显示：等离子管内的氖氙混合气体在高压电极的刺激下产生紫外线，紫外线照射涂有三色荧光粉的玻璃板，荧光粉受激发出可见光,。,71,2.,数字纸,数字纸是一种仍处于试验阶段的显示技术。数字纸是一种薄的，柔软的介质，如同一般的计算机屏幕一样，可以利用电子仪器在上面书写，不同的是，即使没有了能量，它也能保存已经书写的内容。,有若干技术应用于数字纸的研究。其中之一是将介质的表面布满小的球体，一面是黑色的，另一面是白色的。电子进入介质后，会使得小球旋转，呈现出黑色或白色。当电子信号消失后，小球保持其最后的朝向。目前的数字纸的分辨率可以到达,100dpi,，并可以显示不同的灰度和颜色。,72,2.6,语音输出设备,语音作为一种重要的交互手段，日益受到人们的重视。,对于语音的输出，耳机,/,音响,/,喇叭以及声卡是最基本的设备。,73,1.,耳机,耳机结构：,耳机结构可以分为封闭式、开放式、半开放式三种,频响范围：,耳机能够放送出的频带的宽度，国际电工委员会,IEC581-10,标准中高保真耳机的频响范围应当能够包括,50Hz,到,12500Hz,之间,灵敏度,指在同样响度的情况下，需要输入功率的大小，灵敏度越高所需要的输入功率越小,74,阻抗,是耳机交流阻抗的简称，台式机或功放、,VCD,、,DVD,、电视等器械上，常用到的是高阻抗耳机，各种便携式随身听，例如,CD,、,MD,或,MP3,，一般会使用低阻抗耳机,谐波失真,是一种波形失真，在耳机指标中有标示，失真越小，音质也就越好。一般的耳机应当小于或略等于,0.5%,。,75,2.,声卡,-,声音合成设备,声卡的功能,是一种安装在计算机中的最基本的声音合成设备，是实现声波数字信号相互转换的硬件，可把来自话筒、磁带、光盘的原始声音信号加以转换，输出到耳机、扬声器、扩音机、录音机等声响设备，完成对声音信息进行录制与回放。,声卡的结构,声卡可分为模数、数模转换电路两部分,:,模数转换电路负责将麦克风等声音输入设备采集到的模拟声音信号转换为计算机能处理的数字信号；,而数模转换电路负责将计算机使用的数字声音信号转换为耳机、音箱等设备能使用的模拟信号。,76,波表合成,波表（,WAVE TABLE,）将各种真实乐器所能发出的所有声音（包括各个音域、声调）录制下来，存贮为一个波表文件。,播放时，根据,MIDI,文件记录的乐曲信息向波表发出指令，从,“,表格,”,中逐一找出对应的声音信息，经过合成、加工后回放出来。,采用真实乐器的采样，所以效果较好。,一般波表的乐器声音信息都以,44.1KHz,、,16Bit,的精度录制，以达到最真实回放效果。,理论上，波表容量越大合成效果越好。,77,虚拟现实交互设备,78,2.7,虚拟现实交互设备,虚拟现实系统要求计算机可以实时显示一个三维场景，用户可以在其中自由的漫游，并能操纵虚拟世界中一些虚拟物体。,除了一些传统的控制和显示设备，虚拟现实系统还需要一些特殊的设备和交互手段，来满足虚拟系统中的显示、漫游以及物体操纵等任务。,79,1.,三维空间定位设备,(,输入设备,),三维交互设备最基本的特点是具有六个自由度。常见的三维输入设备主要有以下几种：,1.,空间跟踪定位器,2.,数据手套（,Data Glove,）,3.,三维鼠标,4.,触觉和力反馈器,80,(1),空间跟踪定位器,空间跟踪定位器或称三维空间传感器是一种能实时地检测物体空间运动的装置,可以得到物体在六个自由度上相对于某个固定物体的位移，包括：,X,、,Y,、,Z,坐标上的位置值，以及围绕,X,、,Y,、,Z,轴的旋转值（转动，俯仰、摇摆）。,81,空间跟踪定位器的主要性能指标,定位精度,：指传感器所测出的位置与实际位置的差异,位置修改速率,：指传感器在一秒钟内所能完成的测量次数,延时,：指被检测物体的某个动作与传感器测出该动作时间的间隔,82,(2),数据手套（,Data Glove,）,数据手套一般由很轻的弹性材料构成，紧贴在手上。整个系统包括位置、方向传感器和沿每个手指背部安装的一组有保护套的光纤导线，它们检测手指和手的运动。数据手套将人手的各种姿势、动作通过手套上所带的光导纤维传感器，输入计算机中进行分析。这种手势可以是一些符号表示或命令，也可以是动作。手势所表示的含义可由用户加以定义。,在虚拟环境中，操作者通过数据手套可以用手去抓或推动虚拟物体，以及做出各种手势命令。,83,(3),三维鼠标,三维鼠标能够感受用户在六个自由度的运动，包括三个平移参数和三个旋转参数。,其装置比较简单：一个盖帽放在带有一系列开关的底座上。,转动这个小球或侧方向推动这个小球时，如向上拉它、向下压它，使它向前或向后等。,三维鼠标将用户的这些动作传送给计算机，从而进一步控制虚拟环境中的物体的运动。,84,Logitech,公司的,Magellan 3D Controller,，它可提供,x,y,z,a,b,c,六个自由度，并附有九个按钮。,Magellan,的外观设计充分考虑了功效学的原则，用户长时间操作不容易感到疲劳，用户只要轻轻搓动其上的盖帽便可在屏幕上平移和旋转三维物体，松手后盖帽会自动恢复到初始位置。,85,(4),触觉和力反馈器,(,振动触感式反馈器,),86,虚拟现实系统必须提供触觉反馈，以便使用户感觉到仿佛真的摸到了物体。但是由于人的触觉非常敏感，精度一般的装置根本无法满足要求。,另外，对于,触觉和力反馈器，,还要考虑到模拟力的真实性、施加到人手上是否安全以及装置是否便于携带并让用户感到舒适等问题。目前已经有一些关于力学反馈手套、力学反馈操纵杆、力学反馈笔、力学反馈表面等装置的研究,87,2.,沉浸感显示设备,立体视觉技术是虚拟现实的一种极重要的支撑技术。,人是通过右眼和左眼所看到物体的细微差异来感知物体的深度，从而识别出立体图像。,立体影像生成技术主要有两种：主动式立体模式和被动式立体模式。,88,显示模式,主动式模式,用户的左右眼影像将按照顺序交替显示，用户使用,LCD,立体眼镜,保持与立体影像的同步，这种模式可以产生高质量的立体效果。,HMD,被动式模式,需要使用两套显示设备以及投影设备分别生成左右眼影像并进行投影，不同的投影分别使用不同角度的偏振光来区别左右眼影像，用户使用,偏振光眼镜,保持立体影像的同步,。,89,虚拟现实立体显示系统,(1),头盔式立体显示系统（,Head Mounted Display,，,HMD,）,是一种立体图形显示设备，可单独与主机相连以接受来自主机的三维虚拟现实场景信息。,目前最常用的头盔显示器是基于液晶显示原理的，最早如美国,VPL,公司于,1992,年推出的,Eyephone,，它在头上装有一个分辨率为,360240,象素的液晶显示器，其视野为水平,100,度。,90,头盔分单通道和双通道两种,:,单通道的头盔显示器上装有一个液晶显示器并,显示同一幅图像,；,双通道的头盔显示器上装有两个液晶显示器，左边的液晶屏显示来自主控计算机生成的左眼图像，右边的液晶显示屏显示来自主控计算机生成的右眼图像，每一幅的图像的显示刷新速度都在,60Hz,以上，两幅图像在两个液晶屏之间快速切换显示，根据立体成像原理，观察者就可以,看到立体图像,91,头盔式显示器使用方式为头戴式，辅以空间跟踪定位器可进行虚拟场景输出效果的观察，同时观察者可做空间上的移动，如自由行走、旋转等。,两个显示屏幕处于用户佩戴的头盔中，分别覆盖用户双眼的视野，使得用户只能够感知来自计算机所生成的图像，沉浸感极强。,92,(2),吊杆式双筒虚拟现实显示系统（,Binocular Omni-Orientation Monitor,，,BOOM,）,BOOM,把两个独立的显示器捆绑在一起，用户可以用手操纵显示器的位置，以观察一个可移动、宽视角的虚拟空间。,BOOM,的显著优点是分辨率较高，高端产品的分辨率是,12801024,像素。,BOOM,的另外优点包括：没有延迟和噪声，对用户无佩戴重量方面的负担。,93,(3),洞穴式显示环境,（,Cave Automatic Virtual Environment,，,CAVE,）,它可提供,180,o,的宽视域和,2000,2000,以上的高分辨率,给用户提供了前所未有的，带有震撼性的沉浸感；,它允许用户在虚拟空间中走动，而不用佩戴笨重的设备；,它允许在同一个环境中存在多个用户，而且用户间可以自然地交互；,一次能显示大型模型，如汽车、房屋等，而,HMD,则需要头部运动才能看到完整的模型。,94,四面的洞穴式虚拟现实环境,对于处在系统内的用户来说，投影屏幕将分别覆盖用户的正面、左右以及底面视野。,系统支持多用户可以允许多人走进,CAVE,中，用户戴上立体眼镜便能从空间中任何方向看到立体的图像。,CAVE,实现了大视角、全景、立体、且支持多人共享的一个虚拟环境。,95,6,个投影面的,CAVE,系统,能够完全覆盖用户的视野范围，使用户能够完全沉浸于所生成的虚拟环境。另外，也有投影到圆柱状或环绕投影面的系统，主要应用于虚拟剧场，提供对多用户的支持。,96,3.,协同工作的虚拟现实场景,支持异地用户协同工作的虚拟现实场景,:,多种显示环境，三个网络用户分别使用,BOOM,（左上），,CAVE,（右上），以及,HMD,（右下）系统在同一个场景中进行交互，,每个用户看到的虚拟场景都是根据自己的视点计算得到的，用户通过自己在虚拟环境中的替身,(avatar),同其他用户交互。,每个用户同时可以使用不同的交互设备同其他用户自由的交流与协作。,97,输入设备：,文本输入设备；语音输入设备；图像输入设备；指点输入设备等,输出设备：,显示器；数字纸,/,打印机；声音的输出等,虚拟现实系统中的交互设备,本章小结,