虛擬漫游系統中外設的應用初探

摘要：虛擬漫游是一項難度很大的綜合技術，要達到逼真的感覺和實時的自然交互是非常不容易的。這一方面不僅依賴于虛擬場景的構建、顯示和交互等技術的不斷改進，同時虛擬外設的管理和使用在虛擬漫游中也有不可忽視的重要地位。當前虛擬漫游中沉浸感的獲得很大程度上依賴于像頭盔、數據手套、跟蹤器等虛擬外設的使用。虛擬外設的使用很大程度上影響著虛擬漫游的仿真效果。本文就是通過在介紹虛擬漫游系統的基礎上來探索外設在其中的應用。

關鍵詞：虛擬漫游 外設 應用

0 引言

虛擬現實（virtual reality， VR）是一種能夠創建和體驗虛擬環境的、由計算機生成的、給人多種感官刺激的高級人機交互系統。它的目的是用計算機來生成一個逼真的二維感覺世界，給觀眾以如同真實世界的體驗。近幾年來，它已經逐步走進了人們的日常生活，無論是在游戲、廣告宣傳還是在建筑設計、軍事仿真等領域都顯現出強大魅力。特別是隨著計算機軟硬件技術的發展，利用虛擬現實技術進行復雜場景的虛擬漫游現已成為可能，利用這一技術我們可以足不出戶游覽風景勝地，可以在虛擬世界中任意漫游等。本文就是通過在介紹虛擬漫游系統的基礎上來探索外設在其中的應用。

1 擬漫游系統的概念及功能

虛擬漫游系統是指計算機對真實世界的三維模擬，用戶可以通過一定的方式對模擬的場景進行全方位的審視，并可在虛擬場中巡航漫游，從而達到觀察自然，欣賞景觀，了解實體的目的。用戶可從任意角度對虛擬環境中的對象進行觀察，從而產生身臨其境的感覺。它的主要功能是實現客戶與虛擬場景的交互。

2 虛擬世界中常見的外部設備

虛擬現實漫游的目標是由計算機生成虛擬世界，用戶能與之進行視覺、聽覺、觸覺等全方位的交互，盡量使用戶能沉浸于虛擬世界中。而要達到這種效果，僅僅靠一些計算機的普通硬件設備是遠遠不夠的，這就需要一些特殊外部設備的支持。現在虛擬世界中主要應用的是基于視覺、聽覺、和力覺感知的外部設備。這些設備可使用戶能更好的感知虛擬世界。由此可見，外部設備在虛擬世界中起著至關重要的作用。現就向大家簡單介紹虛擬現實（VR）系統中幾種常見的虛擬外部設備。

2.1 視覺感知設備 視覺感知設備主要是向用戶提供立體寬視野的場景顯示，并且這種場景的變化會實時改變。此類設備主要有：頭盔式顯示器、洞穴式立體顯示裝備、響應工作臺立體顯示裝置、墻式立體顯示裝置等。此類設備相對來說已經比較成熟。

2.2 聽覺感知設備 聽覺感知設備的主要功能是提供虛擬世界中的三維真實感聲音的輸入及播放。一般由耳機和專用聲卡組成。通常用專用聲卡將單通道或普通立體聲源信號處理成具有雙耳效應的三維虛擬立體聲音。

2.3 觸覺和力覺感知設備 從本質上來說，觸覺和力覺實際是兩種不同的感知。力覺感知設備主要是要求能反饋力的大小和方向，而觸覺感知所包含的主要的內容要更豐富一些，例如手與物體相接觸，應包含一般的接觸感，進一步應包含感知物體的質感（布料、海綿、橡膠、木材、金屬、石頭等）、紋理感（平滑、粗糙程度等）以及溫度等。此類設備主要有：數據手套、賽伯手套、DHM手套、數據衣等等。

3 探索虛擬漫游系統中外設的應用

在虛擬漫游系統的發展過程中人們總結出一個虛擬漫游系統應具有以下二個特征:沉浸感(Immersion)、交互性(Interaction)和想象力(Imagination)。它們分別表示虛擬環境模擬的真實程度，與虛擬環境進行交互的自然程度和用戶在虛擬環境中的認知能力。虛擬漫游是一項難度很大的綜合技術，因此在虛擬漫游中增強沉浸感，達到逼真的感覺和實時的自然交互是非常不容易的。這一方面不僅依賴于虛擬場景的構建、顯示和交互等技術的不斷改進，同時虛擬外設的管理和使用在虛擬漫游中有也不可忽視的重要地位，當前虛擬漫游中沉浸感的獲得很大程度上依賴于像頭盔、數據手套、跟蹤器等虛擬外設的使用。虛擬外設的應用用正在影響著虛擬漫游的仿真效果。以下就來探討其中一些外設在虛擬漫游系統中應用。

3.1 視覺感知設備的應用 人從外界獲得的信息，有80%—90%來自視覺，其中眼睛是人的主要感覺器官。為了讓訪問者能在虛擬漫游中獲得較大的真實感，我們就需要利用一些視覺的感知設備。以此獲得更大的真實感與沉浸感。以下想大家介紹立體眼鏡和洞穴式立體顯示裝置在虛擬漫游中的應用。

3.1.1 立體眼睛的應用 立體眼鏡是利用液晶光閥高速切換左右眼圖像原理從而產生一幅具有立體深度感的圖像來實現的。它有有線和無線之分，可使用戶在虛擬世界中自由的遨游，多方位的欣賞和觀察事物，真實感強，是目前最為流行和經濟適用的虛擬現實觀察設備。在虛擬漫游中起到重要地位。

3.1.2 洞穴式立體顯示裝置的應用 洞穴式立體顯示裝置（CAVE）是一套基于高端計算機的房間式立體投影系統。CAVE是把高分辨率的立體投影技術和三維計算機圖形技術、音響技術、傳感器技術等綜合在一起，產生一個供多人使用的完全沉浸的虛擬環境。用戶在其中可以非常自然地運動，隨意的觀看周圍的環境，可直接環顧左右。另外，CAVE系統允許多個用戶沉浸于虛擬世界的漫游中，因此是一個理想的虛擬現實顯示系統。在虛擬漫游中，我們可以在CAVE上建造一個虛擬模型并隨意觀看，用戶可以圍繞著它，從各個角度審視它。例如我們需要進行建筑設計，一個建筑師與其建造一個小比例的建筑模型，不如利用CAVE在虛擬建筑內漫游，身臨其境地觀看一些建筑物的內部結構，并與之發生互動，分析設計的合理性。

3.2 聽覺感知設備的應用 聽覺是人類僅次于視覺的第二傳感通道，它是多通道和虛擬環境中的一個重要組成部分。它一方面要接受用戶與虛擬環境的語言輸入，同時也生成虛擬世界中的立體三維聲音。聽覺感知設備能使我們在虛擬漫游時聽到模擬真實世界的一些三維立體聲音，有讓人深感在現實世界中的感受。使人體會到沉浸的感覺，在虛擬漫游中感知認識現實世界。例如我們在漫游中可根據聽到的某個聲音來判斷它的空間位置，猶如在現實世界中，有較大的真實感。

3.3 觸覺、力覺感知設備的應用 觸覺和力覺也是人類感覺的重要渠道，人們可以利用觸覺和力覺反饋的信息去感知世界，并進行各種交互。一方面可以去感知虛擬世界中的物體的位置和方向；另一方面還可以去操縱和移動物體以完成某種任務。數據手套是一種傳感手套的專有名稱。它是一種戴在用戶手上的虛擬的手，用于與虛擬現實系統進行交互，可以在虛擬世界中進行物體抓取、移動、裝配、操縱、控制。用戶戴上手套可與虛擬漫游中的一些景物和事物進行實時交互，感受事物的存在和重量等等許多屬性，使用戶獲得了很大限度的真實感和沉浸感。

4 結束語

虛擬漫游系統中，外設起到了很重要的作用，它使得虛擬漫游變得更加生動人性化，使得人機交互變得真實化。給人們帶來了更多的視覺和聽覺感受，猶如身臨其境現實世界一般。大大增加了虛擬漫游系統的沉浸感，具有不容忽視的重要作用。

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