一種可適用于虛擬現實的3D無線鼠標的探討與設計

安徽師范大學物理與電子信息學院　張鵬飛　李　亞　蔣亞飛　沈　剛　張　超

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一種可適用于虛擬現實的3D無線鼠標的探討與設計

安徽師范大學物理與電子信息學院張鵬飛李亞蔣亞飛沈剛張超

【摘要】鼠標作為電腦的一個基本部件，扮演著重要角色。現今的鼠標即使可以脫離桌面載體的使用，其對于二維桌面環境（windows系統）本質上二維平面屬性未能改變，若針對三維桌面環境，即增加可視化窗口的維度，現今的鼠標在空間進行前后運動未能有真實效果。所以本文是對一種可適用于虛擬現實的3D無線鼠標進行探討與設計。

【關鍵詞】3D；無線鼠標；虛擬現實；三維桌面

0　引言

隨著現今社會各項技術的發展，人們越來越看好便捷的可穿戴設備，加之網絡技術發展迅猛，無論在網速，還是云技術方面，以及大數據時代的到來，更促進了虛擬現實技術逐漸走近人們的生活，比如從開始的谷歌眼鏡，到現在還在開發的微軟Windows Holographic，人眼已不再局限于周圍的現實生活環境，而是借助虛擬現實技術，去觸碰更遙遠的不可思議的世界，我們急于解放和拓展了眼睛，也更急于解放拓展人手的功能，去觸摸或者控制人眼可看到的任何物體，這是人類本能的欲望。我們用鼠標控制電腦，用手點擊或滑動觸摸屏來控制智能手機，信息得以輸入，設備得以控制，對于虛擬現實我們也將用手去控制它，而且更加方便快捷，也更加人性化。

1　技術難點分析

首先是三維空間傳感器的選擇，從我們所需要解決的問題入手，目前可進行選擇的種類繁多，功能單一，無法進行人機交互和將現實的位移與方向的參數輸入計算機系統中。

再者，對這種類型鼠標驅動的算法設計是至關重要的也是尤為困難的，程序對鼠標的傳感數據進行快速精確地分析，對鼠標各按鍵的功能進行明確地定義，當然程序也要適配于計算機系統本身，能夠與計算機系統完美兼容。

還有一個關鍵就是處理器芯片，DSP是專做數字信號處理的芯片，運行速度快，具有專門的硬件乘法器，可以用來快速的實現各種數字信號處理算法，所以處理器芯片可以選用DSP處理器。

最后就是無線信號的發射與接收模塊，如今這方面發展的比較成熟，所以選擇起來較為廣泛。

2 系統總體方案設計

如圖1所示，這種3D鼠標及其系統，包括殼體、設置在殼體內的處理器、為3D鼠標供電的電源、指示鼠標工作狀態的指示燈、與處理器連接的無線發射端口，以及按鍵一、按鍵二、按鍵三和滾輪，還包括與處理器連接的、感測鼠標三維位置及其運動軌跡并將三維感測數據傳送給處理器的三維空間傳感器。三維空間傳感器感測數據后發送給處理器以得到空間坐標軌跡，經過處理后由無線發射端口發送，無線接收端口接收并可控制計算機鼠標指針。

圖1　系統總體框圖

利用三維空間傳感器設計此類3D鼠標，通過傳感器采集位移信號，下位機電路處理信號，無線射頻通信傳輸，單片機運算處理及程序控制實現被操作對象在三維空間中的任意運動，最終實現虛擬裝配或虛擬現實控制等操作。

3　創新性的改動和優化了鼠標各按鍵的作用

對比于現在市場上普通的2D鼠標，按鍵一相當于2D鼠標的左鍵，可進行選定與拖動，按鍵二相當于2D鼠標的右鍵，按鍵二還有特殊功能，它可以對虛擬三維空間中的任一虛擬物體進行選定并在其原位置進行點對稱運動，若在虛擬三維操作系統中選定某一虛擬物體，長按按鍵二不松，使用者手持鼠標在現實空間中滑動，此虛擬物體將在虛擬三維操作系統中以其幾何中心做各種翻轉作用，其區別于按鍵一只對所選定的虛擬物體進行平行位移。

滾輪的作用與2D鼠標相比不變，我們設計一種虛擬現實化操作系統，其內部可產生二維操作界面，當用鼠標選定該二維操作界面，鼠標具有2D鼠標全部功能，此處不再贅述。

按鍵三具有特定功能，其具有復位鼠標指針在三維桌面環境中位置的功能。這避免了由于三維空間傳感器特性，即使用者手持鼠標做任意動作而導致可視界面鼠標指針不穩。當使用者點擊按鍵三的那一瞬間，鼠標指針將出現在可視化界面的某一定點處，并取其作為參照點，這避免了可能發生的鼠標指針丟失在虛擬三維空間環境中并難以尋找的問題。參照點是視野的起點，參照點的選擇取決于計算機系統對它的設置。

如圖2所示，我們將這種3D無線鼠標的殼體形態設計成跟日常生活隨處可見的筆的形態差不多，使用者可用握筆的姿勢手持該鼠標，按鍵與滾輪的位置安排與普通的2D鼠標相似。

圖2　3D鼠標的結構圖

4　結束語

與現有技術相比，這種3D鼠標的有益效果是：其能夠脫離桌面載體，在現實環境中移動，以控制計算機三維桌面環境的鼠標指針模擬出在球面坐標系的各個方向移動，創新性的改動并優化了鼠標各按鍵的作用，從而更有效的實現了人機三維交互。其具有普通二維鼠標所有功能。隨著人們生活和生產更加追求個性化和舒適化，本設計在一定程度上可以實現，并且能夠很好的滿足人們日益豐富的個性化要求。

參考文獻

[1]田亮亮,王國發,臧家偉,朱傳奇.3D無線鼠標的設計與實現[J].機電產品開發與創新,2011,5.

[2]賈伯年,俞樸,宋愛國.傳感器技術[M].2006,12.

[3]何中辰,劉金剛.基于鼠標跟蹤的三維交互機制的研究[J].2012,4.

張鵬飛（1995—），男，安徽六安人，大學本科，主要研究方向：光電信息科學與工程。

作者簡介：

基金項目：安徽師范大學大學生創新創業項目（201410370031）。