人机交互设备及历史省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

人机交互设备人机交互设备1第1页主要内容输入设备：n文本输入设备；图像输入设备；指点输入设备等；输出设备：n显示器；声音输出；数字纸等虚拟现实系统中交互设备2第2页3.1文本输入设备文本输入是人与计算机交互一个主要组成部分，同时也是一项繁重工作。键盘输入是最常见、最主要文本输入方式。手写以及语音等一些更自然交互方式也可为文本输入提供辅助伎俩。3第3页3.1.1键盘键盘是文本输入最主要伎俩，而键盘布局对于文本输入速度和准确性至关主要。为了提升键盘在一些场所下使用舒适度，许多键盘在设计过程中还加入了更多人性化考虑。4第4页1.键盘布局键盘布局QWERTY键盘布局19世纪70年代，Sholes创造了QWERTY键盘布局，其名称起源于该布局方式最上行前6个英文字母，最惯用几个字母安置在相反方向，最大程度放慢敲键速度以防止卡键。这种布局方式依然是今天最为常见排列方式，成为一个实际上标准。DUORAK键盘布局20世纪代DUORAK键盘布局，据推测能够大大降低手指移动距离，从而大大提升输入速度，但因为受到传统QWERTY布局影响，没有成为主流键盘布局。5第5页2.人性化设计键盘人性化设计键盘(1)人体工程学键盘w是在标准键盘基础上将指法要求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，这么可使操作者无须有意识夹紧双臂，从而保持一个比较自然形态，这种设计键盘被微软企业命名为自然键盘（NaturalKeyboard）。6第6页(1)人体工程学键盘(图例1)图 3-1 人体工程学键盘：固定于椅子上键盘 7第7页图 3-1 人体工程学键盘：固定于桌面上键盘(1)人体工程学键盘(图例2)8第8页2.人性化设计键盘人性化设计键盘（2）多功效集成键盘n这类键盘集成了鼠标、无线等功效，在键盘布局以及外观设计方面，针对游戏、上网浏览等惯用娱乐功效做了改进。n键盘正上方设计快捷键，包含“IE主页”、“打开文件夹”、“查找文件”和“进入信箱”等12个，许多操作能够一键完成。键盘无线接收器采取USB接口，安装使用也非常方便。9第9页图 3-2 BTC 9019URF 无线游戏键盘2.人性化设计键盘人性化设计键盘10第10页图 3-2 BTC 9019URF 无线游戏键盘2.人性化设计键盘人性化设计键盘11第11页3.1.2手写设备手写笔板+手写笔:n是手写系统中一个很主要部分。w有线笔:手写笔尾部都有一根电缆与手写板相连，从手写板上输入电源。w无线笔:借助于一些特殊技术而不需要任何电源。无线笔优点是携带和使用起来非常方便，同时也较少出现故障。w手写笔普通还带有两个或三个按键，其功效相当于鼠标按键，这么在操作时不需要在手写笔和鼠标之间往返切换。12第12页3.1.2手写设备图 3-3 汉王笔手写系统13第13页3.1.2手写设备手写板主要分类：n电阻式压力手写板：几乎已经被淘汰n电磁式感应手写板：当前市场主流产品n电容式触控手写板：市场新生力量，含有耐磨损、使用简便、敏感度高等优点，是今后手写板发展趋势。14第14页3.1.2手写设备手写板一些通用评测指标压感级数：n手写板能够感应到笔在手写板上力度级别，最高为512级。精度：n精度又称分辨率，指是单位长度上所分布感应点数，精度越高对手写反应越灵敏，对手写板要求也越高书写面积：n是手写板一个很直观指标，手写板区域越大，书写盘旋余地就越大，运笔也就愈加灵活方便，输入速度往往会更加快，当然其价格也对应更高。书写面板尺寸大致有以下几个：76mm51mm、76mm114mm、10mm13mm和11mm15mm15第15页3.1.2手写设备手写汉字识别软件n除了硬件外，手写笔和手写板另一项关键技术是手写汉字识别软件，当前各类手写笔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要求。16第16页3.1.3语音输入设备语音输入为文本输入提供了愈加自然交互伎俩，可能在未来，我们能够真正抛弃键盘，实现和计算机“对话”。在语音录入过程中所包括设备主要麦克风和声卡17第17页3.2图像输入设备图像输入是人与计算机交互另外一个主要组成部分。扫描仪能够快速地实现图像输入，且经过对图像分析与识别，能够得到文字、图形等内容；而摄像头则是捕捉动态场景最惯用工具。18第18页3.2.1扫描仪扫描仪作为光电、机械一体化高科技产品，自问世以来凭借其独特数字化“图像”采集能力，低廉价格以及优良性能，得到了快速发展和广泛应用，当前已成为计算机不可缺乏图文输入工具之一，被广泛地应用于图形、图像处理各个领域。19第19页1.扫描仪简单工作原理扫描仪对图像画面进行扫描时，光源将光线照射到待扫描图像原稿上，产生反射光或透射光，然后经反光镜组反射到线性光电转换电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，CCD）。中。CCD图像传感器依据反射光线强弱不一样转换成不一样大小电流，经模拟数字转换处理，将电信号转换成数字信号，即产生一行图像数据。同时，在控制电路控制下，步进电机旋转带动驱动皮带，从而驱动光学系统和CCD扫描装置在传动导轨上与待扫原稿做相对平行移动，将待扫图像原稿逐条线扫入，最终完成全部原稿图像扫描。对于彩色图像，扫描仪在扫描时，首先生成份别对应于红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色三幅图像，然后将这三幅图像合成。20第20页图 3-4 扫描仪扫描过程简图21第21页2.扫描仪性能指标(1)分辨率:n扫描仪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，生成图像效果就越精细，生成图像文件也越大。nDPI是指用扫描仪输入图像时，在每英寸上得到像素点个数。n扫描仪分辨率等于其光学部件分辨率加上其本身经过硬件及软件进行处理分析所得到分辨率;n分辨率为1200DPI扫描仪，往往其光学部分分辨率只占400600DPI。扩充部分分辨率由硬件和软件联合生成，这个过程是经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;22第22页2.扫描仪性能指标(2)扫描速度:n扫描速度决定了扫描仪工作效率.n普通而言，以300DPI分辨率扫描一幅A4幅面黑白二值图像，时间少于10秒钟，相同情况下，扫描灰度图，约需10秒左右，而假如使用三次扫描成像彩色扫描仪，则要23分钟。23第23页3.平板式扫描仪结构当前大部分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。机盖导轨滑杆稿台齿轮链条步进电机图 3-5 平板式扫描仪结构24第24页3.2.2 数码摄像头数码摄像头1.数码摄像头用途n数码摄像头能够直接捕捉影像，然后经过计算机串口、并口或者USB接口传送到计算机里。n数码摄像头没有存放装置和其它附加控制装置，只有一个感光部件、简单镜头和不太复杂数据传输线路，造价低廉。25第25页3.2.2 数码摄像头数码摄像头2.衡量数码摄像头关键原因n感光元器件w大多为CCD,CCD成像往往通透性、明锐度都很好，色彩还原、曝光能够确保基本准确;应用在摄像、图像扫描等对于图像质量要求较高应用中,价格高w附加金属氧化物半导体组件（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，CMOS）大多应用在一些低端视频应用中，价格低n像素数：w像素数是影响图像质量主要指标，也是判断摄像头性能优劣主要条件。早期产品以10万像素居多，当前则以35万像素为主26第26页3.2.2 数码摄像头数码摄像头2.衡量数码摄像头关键原因n解析度：w分为照像解析度和视频解析度：有352288、320240、176144、160120 等规格w普通产品最高解析度能够到达640480 n视频速度：w视频速度和视频解析度是直接相关，基本成反比关系如640480 解析度可达12.5帧秒（FramesPerSecond，FPS），352288解析度可得到30FPS，真正获取流畅视频n镜头：w镜头性能主要条件是它调焦范围以及灵敏性等原因，好摄像头，应该有较为宽广调焦范围和较高灵敏性27第27页数码摄像头产品如图3-6所表示摄像头（创新VideoBlasterWebCam），能够用16.7兆颜色进行实时视频捕捉；分辨率为352288时速度最快达30帧每秒，分辨率为640480时达15帧每秒；支持160120、176144、320240、352288、和640480分辨率静态图像捕捉；镜头免调焦距。28第28页图 3-6创新 Video Blaster WebCam 及其控制界面29第29页3.3指点输入设备指点输入设备指点设备惯用于完成一些定位和选择物体交互任务。物体可能处于一维、二维、三维或更高维空间中，而选择与定位方式能够是直接选择，或经过操作屏幕上光标来完成。30第30页3.3.1鼠标鼠标1963年，美国科学家DouglasEnglebart创造了鼠标器（如图3-7左）。他最初想法是为了让计算机输入操作变得更简单、轻易。第一只鼠标器外壳是用木头精心雕刻而成，整个鼠标器只有一个按键，在底部安装有金属滚轮，用以控制光标移动。1984年，苹果企业把经过改进鼠标器安装在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输入装置。31第31页1.最初鼠标和现在惯用鼠标最初鼠标和现在惯用鼠标32第32页2.鼠标分类1）机械式鼠标(半光学鼠标)w工作原理：在机械式鼠标底部有一个能够自由滚动球，在球前方及右方装置两个支成90度角编码器滚轴，移动鼠标时小球随之滚动，便会带动旁边滚轴，前方滚轴统计前后滑动，右方滚轴统计左右滑动，两轴一起移动则代表非垂直及水平方向滑动。编码器由此识别鼠标移动距离和方位，产生对应电信号传给电脑，以确定光标在屏幕上正确位置。33第33页2.鼠标分类2）光电式鼠标w工作原理:利用一块特制光栅板作为位移检测元件，光栅板上方格之间距离为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小孔向下射出，照在鼠标器下面光栅板上，再反射回鼠标器内。当在光栅板上移动鼠标器时，因为光栅板上明暗相间条纹反射光有强弱改变，鼠标器内部将强弱改变反射光变成电脉冲，对电脉冲进行计数即可测出鼠标器移动距离。34第34页3.鼠标与计算机接口串行接口设计(梯形9针接口)；伴随PC机器上串口设备逐步增多，串口鼠标逐步被采取新技术PS/2接口鼠标所取代(小圆形接口)；伴随即插即用概念提出，使得采取USB接口鼠标成为主流；而对于一些有专业要求用户而言，采取红外线信号来与电脑传递信息无线鼠标也成为一个专业时尚。35第35页4.鼠标按键从按键而言，依次经历了两键、三键时代。伴随INTERNET普及，人们发觉，在鼠标上加上一个小小轮轴更便于浏览网页，这么，又出现了滚轮鼠标，当前鼠标以三键滚轮鼠标为主（如图3-7右）。即使鼠标发展速度和其它输入设备相比似乎慢了许多，不过鼠标对计算机操作带来巨大便利，决定了其在短时间内是难以被完全替换。36第36页3.3.2触摸板（Touchpad）触摸板能够在一定区域内（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。当前，触摸板已应用到笔记本电脑上，能够替换鼠标。触摸板经过电容感应来获知用户手指移动情况，对手指热量并不敏感。同鼠标相比，触摸板使用愈加灵活，在使用过程中，经过更多配置，能够得到更强功效。37第37页触摸板以及触摸板配置图 3-8 触摸板以及触摸板配置38第38页3.3.3控制杆控制杆很适宜于跟踪目标（即追随屏幕上一个移动目标）原因是移动对应光标所需位移相对较小，同时易于变换方向。控制杆移动造成屏幕上光标移动。依据二者移动关系，能够将其分为两大类：位移定位和压力定位。对于位移定位游戏杆，屏幕上光标依据游戏杆位移而移动。39第39页40第40页3.3.4光笔光笔是一个较早用于绘图系统交互输入设备，它能使用户在屏幕上指点某个点以执行选择、定位或其它任务。光笔和图形软件相配合，能够在显示器上完成绘图，修改图形和变换图形等复杂功效（如图3-10）。光笔形状和普通钢笔相同，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（如图3-11）。41第41页图 3-10 光笔使用42第42页光笔原理图图 3-11 光笔使用43第43页光笔优缺点光笔优点n不需要特殊显示器幕，与触摸屏设备相比较，价格廉价许多；n在一些不宜使用鼠标地方，能够起到替换作用。光笔缺点n手和字迹可能将遮挡屏幕图像一部分；n会造成手腕疲劳；n光笔不能检测黑暗区域内位置；n会因房间背景光影响，光笔产生误读现象。44第44页3.3.5触摸屏触摸屏作为一个特殊计算机外设，提供了一个简单、方便、自然人机交互方式，在一些应用中，能够代替鼠标或键盘。触摸屏当前主要应用于公共信息查询，如电信、税务、银行、电力等部门业务查询，城市街头信息查询。另外还能够应用于工业控制、军事指挥、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学等方面。45第45页触摸屏分类能够把触摸屏分为四种：n电阻式n电容感应式n红外线式（图3-12）n表面声波式。每一类触摸屏都有其各自优缺点。46第46页红外线式触摸屏及相关技术参数原理：红外线 屏幕类型：平面 分辨率（dpi）：16001200 尺寸（英寸）：19 透光率：92%感应力度：可感知100g触摸力图 3-12 触摸屏及相关技术参数47第47页3.3.6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完美结合，能够在屏幕上直接用压感笔实现高精度选取、绘图、设计制作。液晶屏幕上除了具备普通液晶显示器特征以外，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，液晶原来画质毫不受损，同时含有高耐久性。48第48页手写液晶屏49第49页3.3.7眼动跟踪系统眼动跟踪系统允许用户仅仅经过凝视伎俩来控制计算机选择物体。当前来看，眼动跟踪系统需要利用较为复杂硬件设备以及软件算法。50第50页一个眼动跟踪系统示例图 3-14 眼动跟踪系统51第51页眼动跟踪系统工作原理首先，用四个L形红外线发光器，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，快速确定眼睛位置，再利用一个视野较小，分辨率较高摄像头拍摄眼睛高分辨率图像；最终，分析眼睛图像,计算瞳孔中心和亮点位置，经过计算瞳孔中心和亮点确定矢量，确定视线方向。52第52页3.3.8光标键-非连续定位装置选择菜单或者编辑文本过程中光标移动时，只需要上、下、左、右几个方向控制，这时候仅需要简单光标键就能够了。键盘上都有光标键，在windows等图形用户界面和鼠标出现之前，光标键是普通字符界面最主要定位方式。当前，在一些应用中，尤其是一些简单交互界面或一些文本编辑系统中，光标键作为一个简单、自然方式，依然发挥着主要作用。53第53页3.4显示设备显示器是计算机主要输出设备，是人机对话主要工具。它主要功效是接收主机发出信息，经过一系列变换，最终以光形式将文字和图形显示出来。在交互计算机系统中，没有显示器情况是非常少见，只出现在一些非传统应用中。54第54页3.4.1位图显示光栅扫描型（Rasterscan）显示器，以点阵形式表示图形，采取专门帧缓冲区存放点阵，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，依据对应缓冲区中值，显示不一样灰度和颜色（如图3-15），这类显示技术称为位图（Bitmap）显示。55第55页1.位图与光栅显示56第56页屏幕坐标系光栅显示器图形表现能力，是经过光栅图形元素来实现。为此建立了以屏幕分辨率为基础二维图形整数坐标系，称为屏幕坐标系。它垂直方向为Y轴，水平方向为X轴，原点在屏幕左上角，单位为象素直径（即点距）。57第57页3.4.2显示技术1.阴极射线管（阴极射线管（CRT）显示器）显示器n结构58第58页3.4.2显示技术n工作方式w电子束从左向右，从上向下扫描荧光屏，产生一幅幅光栅，每一条从左向右直线称为扫描线，每一幅光栅称为一帧。扫描方式分逐行和隔行扫描方式。隔行扫描方式把一帧光栅分为两次扫描：先扫偶数行扫描线，再扫奇数行扫描线。逐行扫描比隔行扫描拥有更稳定显示效果。59第59页液晶显示器液晶显示器2.液晶液晶-等离子显示器等离子显示器n在充电条件下，液晶能改变分子排列，继而造成光线扭曲或折射n液晶显示器工作原理是经过能阻塞或传递光液晶材料，传递来自周围或内部光源偏振光。nLCD比CRT显示器含有更加好图像清楚度，画面稳定性和更低功率消耗，但液晶材质粘滞性比较大，图像更新需要较长响应时间，所以不适合显示动态图象60第60页等离子显示器等离子显示器诞生于二十世纪60年代，它采取等离子管作为发光材料，1个等离子管负责一个像素显示：等离子管内氖氙混合气体在高压电极刺激下产生紫外线，紫外线照射涂有三色荧光粉玻璃板，荧光粉受激发出可见光。61第61页3.4.3数字纸数字纸是一个仍处于试验阶段显示技术。数字纸是一个薄，柔软介质，如同普通计算机屏幕一样，能够利用电子仪器在上面书写，不一样是，即使没有了能量，它也能保留已经书写内容。有若干技术应用于数字纸研究。其中之一是将介质表面充满小球体，一面是黑色，另一面是白色。电子进入介质后，会使得小球旋转，展现出黑色或白色。当电子信号消失后，小球保持其最终朝向。当前数字纸分辨率能够抵达100dpi，并能够显示不一样灰度和颜色。62第62页3.5语音交互设备语音作为一个主要交互伎俩，日益受到人们重视。人们能够使用固定电话或移动电话以及PC、PDA和其它智能设备经过语音识别、语音合成等交互技术，以及语音浏览、智能信息处理技术等实现访问互联网，实现个人服务和商业服务语音应用。在美国、日本，语音互联已成为简易终端接入互联网主要方式之一。对于语音交互，耳机、麦克风以及声卡是最基本设备。63第63页3.5.1耳麦1.耳机及指标n耳机结构：w耳机结构能够分为封闭式、开放式、半开放式三种n频响范围：w耳机能够放送出频带宽度，国际电工委员会IEC581-10标准中高保真耳机频响范围应该能够包含50Hz到12500Hz之间n灵敏度w指在一样响度情况下，需要输入功率大小，灵敏度越高所需要输入功率越小64第64页3.5.1耳麦1.耳机及指标n阻抗w是耳机交流阻抗简称，台式机或功放、VCD、DVD、电视等器械上，惯用到是高阻抗耳机，各种便携式随身听，比如CD、MD或MP3，普通会使用低阻抗耳机n谐波失真w是一个波形失真，在耳机指标中有标示，失真越小，音质也就越好。普通耳机应该小于或略等于0.5%。65第65页3.5.1耳麦2.麦克风及指标n耳机佩戴有麦克风。为了过滤背景杂音，到达更加好识别效果，许多麦克风采取了NCAT（Noise Canceling Amplification Technology）专利技术。nNCAT技术结合特殊机构及电子回路设计以到达消除背景噪音，强化单一方向声音（只从配戴者嘴部方向）收录效果，是专为各种语音识别和语音交互软件设计，提供准确音频输入技术，采取NCAT/NCAT2技术麦克风会着重采集处于正常语音频段（介于350Hz-7000Hz）音频信号，从而降低环境噪音干扰。66第66页3.5.1耳麦微软设计GameVoice能够方便地实现同时与多个人对话，与不一样个人对话，以及经过语音命令控制游戏功效。图 3-17 Game Voice67第67页3.5.2声音合成设备-声卡1.声卡功效n是一个安装在计算机中最基本声音合成设备，是实现声波数字信号相互转换硬件，可把来自话筒、磁带、光盘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。2.声卡结构n声卡可分为模数、数模转换电路两部分:n模数转换电路负责将麦克风等声音输入设备采集到模拟声音信号转换为计算机能处理数字信号；n而数模转换电路负责将计算机使用数字声音信号转换为耳机、音箱等设备能使用模拟信号。68第68页3.5.2声音合成设备-声卡3.声卡拥有接口：nLINEOUT（或者SPKOUT）w用于连接音箱耳机等外部扬声设备，实现声音回放；nMICINwOUTMICIN用于连接麦克风，实现录音功效；nLINEINwLINEIN则是把外部设备声音输入到声卡中n游戏杆（外部MIDI设备接口）69第69页3.5.2声音合成设备-声卡4.与声卡相关主要概念n声音采样w采样位数n决定了声音采集质量。采样位数能够了解为声卡处理声音解析度，这个数值越大，解析度就越高，录制和回放声音也越真实。n16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，造成较大信号损失 w采样频率n采样频率是指录音设备在一秒钟内对声音信号采样次数，采样频率越高则声音还原就越真实越自然。在当今主流声卡上，采样频率普通分为22.05KHz、44.1KHz、48KHz三个等级 70第70页3.5.2声音合成设备-声卡n声道数w声音在录制过程中被分配到两个独立声道，从而到达了很好声音定位效果，用户能够清楚地分辨出各种乐器来自方向，从而使音乐更富想象力，愈加靠近于临场感受。w四声道围绕音频技术很好实现了三维音效，四声道围绕要求了4个发音点：前左、前右，后左、后右，听众则被包围在这中间。nMIDI（Musical Instrument Digital Interface）文件wMIDI文件是一个描述性“音乐语言”，非常小巧，它将所要演奏乐曲信息用字节描述，比如“在某一时刻，使用什么乐器，以什么音符开始，以什么音调结束，加以什么伴奏”等等。wMIDI文件只是一个对乐曲描述，本身不包含任何可供回放声音信息。71第71页3.5.2声音合成设备-声卡n波表合成w波表（WAVETABLE）将各种真实乐器所能发出全部声音（包含各个音域、声调）录制下来，存贮为一个波表文件。w播放时，依据MIDI文件统计乐曲信息向波表发出指令，从“表格”中逐一找出对应声音信息，经过合成、加工后回放出来。w采取真实乐器采样，所以效果很好。w普通波表乐器声音信息都以44.1KHz、16Bit精度录制，以到达最真实回放效果。w理论上，波表容量越大合成效果越好。72第72页3.6虚拟现实系统中交互设备虚拟现实系统要求计算机能够实时显示一个三维场景，用户能够在其中自由漫游，并能操纵虚拟世界中一些虚拟物体。所以，除了一些传统控制和显示设备，虚拟现实系统还需要一些特殊设备和交互伎俩，来满足虚拟系统中显示、漫游以及物体操纵等任务。73第73页3.6.1三维空间定位设备三维交互设备最基本特点是含有六个自由度。常见三维输入设备主要有以下几个：n1.空间跟踪定位器空间跟踪定位器n2.数据手套（数据手套（Data Glove）n3.三维鼠标三维鼠标 n4.触觉和力反馈器触觉和力反馈器 74第74页3.6.1三维空间定位设备1.空间跟踪定位器空间跟踪定位器w空空间间跟跟踪踪定定位位器器或或称称三三维维空空间间传传感感器器（如如图图3-18）是是一一个个能能实实时时地地检检测测物物体体空空间间运运动动装装置置，能能够够得得到到物物体体在在六六个个自自由由度度上上相相对对于于某某个个固固定定物物体体位位移移，包包含含：X、Y、Z坐坐标标上上位位置置值值，以以及及围围绕绕X、Y、Z轴旋转值（转动，俯仰、摇摆）。轴旋转值（转动，俯仰、摇摆）。w这这种种三三维维空空间间传传感感器器对对被被检检测测物物体体必必须须是是无无干干扰扰，也也就就是是说说，不不论论这这种种传传感感器器是是基基于于何何种种原原理理或或使使用用何何种种技技术术，它它都都不不应应该该影影响响被被测测物物体体运运动动，因因而称为而称为“非接触式传感器非接触式传感器”。75第75页图 3-18 空间跟踪定位器76第76页空间跟踪定位器主要性能指标：w定位精度：指传感器所测出位置与实际位置差异w位置修改速率：指传感器在一秒钟内所能完成测量次数w延时：指被检测物体某个动作与传感器测出该动作时间间隔需要处理关键问题n怎样降低颤动、漂移、噪音n在虚拟现实技术中广泛使用传感器类型：w低频磁场式：在虚拟现实环境中，这种传感器常被用来安装在数据手套和头盔显示器上。w超声式。77第77页3.6.1三维空间定位设备2.数据手套（数据手套（Data Glove）n数据手套普通由很轻弹性材料组成，紧贴在手上。整个系统数据手套普通由很轻弹性材料组成，紧贴在手上。整个系统包含位置、方向传感器和沿每个手指背部安装一组有保护套包含位置、方向传感器和沿每个手指背部安装一组有保护套光纤导线，它们检测手指和手运动。数据手套将人手各种姿光纤导线，它们检测手指和手运动。数据手套将人手各种姿势、动作经过手套上所带光导纤维传感器，输入计算机中进势、动作经过手套上所带光导纤维传感器，输入计算机中进行分析。这种手势能够是一些符号表示或命令，也能够是动行分析。这种手势能够是一些符号表示或命令，也能够是动作。手势所表示含义可由用户加以定义。作。手势所表示含义可由用户加以定义。n在虚拟环境中，操作者经过数据手套能够用手去抓或推进虚在虚拟环境中，操作者经过数据手套能够用手去抓或推进虚拟物体，以及做出各种手势命令。拟物体，以及做出各种手势命令。78第78页图 3-19 数据手套79第79页3.6.1三维空间定位设备3.三维鼠标三维鼠标n三三维维鼠鼠标标能能够够感感受受用用户户在在六六个个自自由由度度运运动动，包含三个平移参数和三个旋转参数。包含三个平移参数和三个旋转参数。n其其装装置置比比较较简简单单：一一个个盖盖帽帽放放在在带带有有一一系系列列开关底座上。开关底座上。n转转动动这这个个小小球球或或侧侧方方向向推推进进这这个个小小球球时时，如如向上拉它、向下压它，使它向前或向后等。向上拉它、向下压它，使它向前或向后等。n三三维维鼠鼠标标将将用用户户这这些些动动作作传传送送给给计计算算机机，从从而深入控制虚拟环境中物体运动。而深入控制虚拟环境中物体运动。80第80页3.6.1三维空间定位设备图 3-20 三维鼠标nLogitech 企业企业Magellan 3D Controller，它可提，它可提供供x,y,z,a,b,c 六个自六个自由度，并附有九个由度，并附有九个按钮。按钮。nMagellan 外观设计充分考虑了功效学标准，用户外观设计充分考虑了功效学标准，用户长时间操作不轻易感到疲劳，用户只要轻轻搓动其长时间操作不轻易感到疲劳，用户只要轻轻搓动其上盖帽便可在屏幕上平移和旋转三维物体，松手后上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。盖帽会自动恢复到初始位置。81第81页3.6.1三维空间定位设备4.触觉和力反馈器触觉和力反馈器(振动触感式反馈器振动触感式反馈器)图 3-21 触觉反馈手套82第82页3.6.1三维空间定位设备虚拟现实系统必须提供触觉反馈，方便使用户感觉到好像真摸到了物体。不过因为人触觉非常敏感，精度普通装置根本无法满足要求。另外，对于触觉和力反馈器，触觉和力反馈器，还要考虑到模拟力真实性、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。当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研究83第83页3.6.1三维空间定位设备手指触觉反馈器实现主要经过视觉、气压感、振动触觉、电子触觉和神经肌肉模拟等方法。其中电子触觉反馈器是向皮肤反馈宽度和频率可变电脉冲，而神经肌肉模拟反馈是直接刺激皮层，这些方法都很不安全，较安全方法是气压式和振动触感式反馈器。84第84页3.6.2沉醉感显示设备1.立体视觉立体视觉n因为人类从客观世界取得信息80%（60%视觉，听觉20%，其它20%）以上来自视觉，因而视觉沟通就成为多感知虚拟现实系统中最主要步骤，立体视觉技术也就成为虚拟现实一个极主要支撑技术。n人是经过右眼和左眼所看到物体细微差异来感知物体深度，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。85第85页3.6.2沉醉感显示设备显示模式n主动式模式：w用户左右眼影像将按照次序交替显示，用户使用LCD立体眼镜保持与立体影像同时，这种模式能够产生高质量立体效果。n被动式系统w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，不一样投影分别使用不一样角度偏振光来区分左右眼影像，用户使用偏振光眼镜保持立体影像同时。86第86页3.6.2沉醉感显示设备2.立体显示系统立体显示系统n头盔式显示器（HeadMountedDisplay，HMD，）是一个立体图形显示设备，可单独与主机相连以接收来自主机三维虚拟现实场景信息。n当前最惯用头盔显示器是基于液晶显示原理，最早如美国VPL企业于1992年推出Eyephone，它在头上装有一个分辨率为360240象素液晶显示器，其视野为水平100度。87第87页图 3-22 头盔式显示器88第88页3.6.2沉醉感显示设备头盔分单通道和双通道两种:n单通道头盔显示器上装有一个液晶显示器并显示同一幅图像；n双通道头盔显示器上装有两个液晶显示器，左边液晶屏显示来自主控计算机生成左眼图像，右边液晶显示器显示来自主控计算机生成右眼图像，每一幅图像显示刷新速度都在60Hz以上，两幅图像在两个液晶屏之间快速切换显示，依据立体成像原理，观察者就能够看到立体图像89第89页3.6.2沉醉感显示设备n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观察，同时观察者可做空间上移动，如自由行走、旋转等。n两个显示器幕处于用户佩戴头盔中，分别覆盖用户双眼视野，使得用户只能够感知来自计算机所生成图像，沉醉感极强。90第90页3.6.2沉醉感显示设备改进沉醉式虚拟现实环境：n吊杆式双筒全方位监视器（BinocularOmni-OrientationMonitor，BOOM）nBOOM把两个独立CRT 显示器捆绑在一起，用户能够用手操纵显示器位置，以观察一个可移动、宽视角虚拟空间。nBOOM显著优点是分辨率较高，高端产品分辨率是12801024 像素。nBOOM 另外优点包含：没有延迟和噪声，对用户无佩戴重量方面负担。91第91页图 3-23 BOOM显示系统92第92页洞穴式显示环境（CaveAutomaticVirtualEnvironment，CAVE）n这是一个四面沉醉式虚拟现实环境。n系统在支持多用户同时，给用户提供了前所未有，带有震撼性沉醉感n对于处于系统内用户来说，投影屏幕将分别覆盖用户正面、左右以及底面视野，组成一个边长为10英尺立方体。n能够允许多人走进CAVE中，用户戴上立体眼镜便能从空间中任何方向看到立体图像。nCAVE 实现了大视角、全景、立体、且支持510 人共享一个虚拟环境。93第93页图3-24CAVE显示环境 94第94页 图3-24CAVE显示原理 95第95页洞穴式显示环境l 它可提供180o宽视域和以上高分辨率；l 它允许用户在虚拟空间中走动，而不用佩戴粗笨设备；l 它允许在同一个环境中存在多个用户，而且用户间能够自然地交互；l 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模型。96第96页Cave系统示例Workbench是一个单投影面系统，立体影像经过镜子折射投影到一个水平投影平面，用户在此工作平面上与虚拟物体进行交互97第97页多投影面系统n相对于单投影面系统来说，多投影面系统能相对于单投影面系统来说，多投影面系统能够涵盖更多用户视野范围，提供更加好沉醉够涵盖更多用户视野范围，提供更加好沉醉感，所以多投影面系统也成为沉醉式虚拟环感，所以多投影面系统也成为沉醉式虚拟环境主要发展方向。对原来单投影面境主要发展方向。对原来单投影面Workbench进行双投影面改进，在水平投进行双投影面改进，在水平投影面基础上增加额外垂直投影面，能够深入影面基础上增加额外垂直投影面，能够深入增加用户虚拟视野范围。增加用户虚拟视野范围。98第98页PowerWall系统nMinnesota大学在1994年提出PowerWall系统是由多个投影面层叠或并排形成单个面积较大投影平面，它能提供高解析度大面积范围影像，主要被应用于科学数据可视化，或面向多用户展示工作（图3-25左）。99第99页图 3-25 PowerWall100第100页图 3-25 WORKBENCH101第101页6个投影面CAVE系统n能够完全覆盖用户视野范围，使用户能够完全沉醉于所生成虚拟环境。另外，也有投影到圆柱状或围绕投影面系统，主要应用于虚拟剧场，提供对多用户支持。102第102页3.6.3虚拟现实系统山东大学考古数字博物馆n综合利用前面介绍各种虚拟设备，能够在此基础上完成一些较为复杂应用。山东大学构建了一套基于桌面虚拟现实平台，并用于山东大学考古数字博物馆（图3-26）103第103页图 3-26 山东大学考古数字博物馆场景与交互104第104页漫游系统跟踪器立体眼镜/头盔音箱手 势位 置语音命令传统命令通 道了解整合立体图像三维音效麦克风鼠标/键盘数据手套图 3-27 数字博物馆系统架构105第105页图3-27展示了该系统整体结构。两个跟踪器分别固定在用户手套和身体上-固定在身体上跟踪器跟踪用户转动，控制用户在场景中漫游方向；附着在手套上跟踪器跟踪手相对于身体相对位置。假如手与虚拟空间中物体发生碰撞，则利用数据手套检测用户手势命令，判断用户是否要抓取物体。语音命令能够辅助用户在虚拟场景中进行漫游。106第106页协同工作虚拟现实场景Michigan大学支持异地用户协同工作虚拟现实场景n利用各种显示环境，构建了如图3-28所表示，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，每个用户看到虚拟场景都是依据自己视点计算得到，用户经过自己在虚拟环境中替身(avatar)同其它用户交互。每个用户同时能够使用不一样交互设备同其它用户自由交流与协作。107第107页图 3-28 支持异地协同工作虚拟现实环境108第108页人机交互历史人机交互历史109第109页人机关系无处不在！110第110页人机交互起源任何事物发展都取决于事物内部矛盾。人机交互起源首先来自于人和机器之间矛盾，或者说人和“人造物”矛盾。人类用科学方法研究人要晚于用科学方法研究物。因为人复杂性，对人研究少于对物研究。人类文明出现了失衡状态，其特征是：人和机器之间失去了友好。111第111页著名物理学家牛顿牛顿(1642-1727)。（牛顿和第一个建立心理学试验室冯特大约相差一百年）112第112页人机交互起源人机关系和人机矛盾演变和发展大致能够分为三个历史时期：第一时期是漫长石器时代、青铜时代和农耕时代。这一时期，人们使用工具均属手工工具，人劳动属手工劳动。所以，人机关系是一个所谓“柔性”关系，即工具对于使用者而言是一个“器物”，工具对于人没有很大“约束力”，工具是个体意义工具或者说“我工具”。所以，在人机关系中人占主导地位。113第113页114第114页人机交互起源第二时期，工业化时代。工业化使“器物”工具演变为含有动力和计算能力机器，形成了社会化大工业生产方式和组织方式。机器对于人含有强大“约束力”，人工作效率和生活素质取决于甚至是依附于机器。人机关系是一个“刚性”人机关系。产生了研究人需要，造成人机交互学产生。纺织纺织车间工人穿梭在纺织机器纺织机器之间 115第115页用户：我又错了？n用户必须不停地适应机器116第116页人机交互起源第三时期：信息时代这将是人机关系一次重大演变。机器开始含有智能，假如机器智能水平到达了一定程度“自主性”，能够构想人机关系将是一个相互适应关系，或者说一个“弹性”人机关系。这一时期研究人机之间交互成为主流。117第117页人机交互历史早期历史：文明史早期历史：文明史人机交互还没有成为一门学科，但在人类文明进程中，表达出重视人思想。118第118页古代盛水工具古代盛水工具古埃及化装盒古埃及方凳古代镜子119第119页早期历史：二战前早期历史：二战前19世纪80年代和90年代工业运动泰勒最早进行人和机器匹配问题研究学者铁锹试验科学管理原理120第120页吉尔伯瑞斯时间和动作研究手术研究莫斯特伯格用试验方法进行人员挑选和培训 这段时期研究特点：主要研究人，经过改变人活动来提升人机系统效率。1