虚拟漫游系统中外设的应用初探

王玉涛　郭　翔　吴文铁

摘要：虚拟漫游是一项难度很大的综合技术，要达到逼真的感觉和实时的自然交互是非常不容易的。这一方面不仅依赖于虚拟场景的构建、显示和交互等技术的不断改进，同时虚拟外设的管理和使用在虚拟漫游中也有不可忽视的重要地位。当前虚拟漫游中沉浸感的获得很大程度上依赖于像头盔、数据手套、跟踪器等虚拟外设的使用。虚拟外设的使用很大程度上影响着虚拟漫游的仿真效果。本文就是通过在介绍虚拟漫游系统的基础上来探索外设在其中的应用。

关键词：虚拟漫游 外设 应用

0 引言

虚拟现实（virtual reality， VR）是一种能够创建和体验虚拟环境的、由计算机生成的、给人多种感官刺激的高级人机交互系统。它的目的是用计算机来生成一个逼真的二维感觉世界，给观众以如同真实世界的体验。近几年来，它已经逐步走进了人们的日常生活，无论是在游戏、广告宣传还是在建筑设计、军事仿真等领域都显现出强大魅力。特别是随着计算机软硬件技术的发展，利用虚拟现实技术进行复杂场景的虚拟漫游现已成为可能，利用这一技术我们可以足不出户游览风景胜地，可以在虚拟世界中任意漫游等。本文就是通过在介绍虚拟漫游系统的基础上来探索外设在其中的应用。

1 拟漫游系统的概念及功能

虚拟漫游系统是指计算机对真实世界的三维模拟，用户可以通过一定的方式对模拟的场景进行全方位的审视，并可在虚拟场中巡航漫游，从而达到观察自然，欣赏景观，了解实体的目的。用户可从任意角度对虚拟环境中的对象进行观察，从而产生身临其境的感觉。它的主要功能是实现客户与虚拟场景的交互。

2 虚拟世界中常见的外部设备

虚拟现实漫游的目标是由计算机生成虚拟世界，用户能与之进行视觉、听觉、触觉等全方位的交互，尽量使用户能沉浸于虚拟世界中。而要达到这种效果，仅仅靠一些计算机的普通硬件设备是远远不够的，这就需要一些特殊外部设备的支持。现在虚拟世界中主要应用的是基于视觉、听觉、和力觉感知的外部设备。这些设备可使用户能更好的感知虚拟世界。由此可见，外部设备在虚拟世界中起着至关重要的作用。现就向大家简单介绍虚拟现实（VR）系统中几种常见的虚拟外部设备。

2.1 视觉感知设备 视觉感知设备主要是向用户提供立体宽视野的场景显示，并且这种场景的变化会实时改变。此类设备主要有：头盔式显示器、洞穴式立体显示装备、响应工作台立体显示装置、墙式立体显示装置等。此类设备相对来说已经比较成熟。

2.2 听觉感知设备 听觉感知设备的主要功能是提供虚拟世界中的三维真实感声音的输入及播放。一般由耳机和专用声卡组成。通常用专用声卡将单通道或普通立体声源信号处理成具有双耳效应的三维虚拟立体声音。

2.3 触觉和力觉感知设备 从本质上来说，触觉和力觉实际是两种不同的感知。力觉感知设备主要是要求能反馈力的大小和方向，而触觉感知所包含的主要的内容要更丰富一些，例如手与物体相接触，应包含一般的接触感，进一步应包含感知物体的质感（布料、海绵、橡胶、木材、金属、石头等）、纹理感（平滑、粗糙程度等）以及温度等。此类设备主要有：数据手套、赛伯手套、DHM手套、数据衣等等。

3 探索虚拟漫游系统中外设的应用

在虚拟漫游系统的发展过程中人们总结出一个虚拟漫游系统应具有以下二个特征:沉浸感(Immersion)、交互性(Interaction)和想象力(Imagination)。它们分别表示虚拟环境模拟的真实程度，与虚拟环境进行交互的自然程度和用户在虚拟环境中的认知能力。虚拟漫游是一项难度很大的综合技术，因此在虚拟漫游中增强沉浸感，达到逼真的感觉和实时的自然交互是非常不容易的。这一方面不仅依赖于虚拟场景的构建、显示和交互等技术的不断改进，同时虚拟外设的管理和使用在虚拟漫游中有也不可忽视的重要地位，当前虚拟漫游中沉浸感的获得很大程度上依赖于像头盔、数据手套、跟踪器等虚拟外设的使用。虚拟外设的应用用正在影响着虚拟漫游的仿真效果。以下就来探讨其中一些外设在虚拟漫游系统中应用。

3.1 视觉感知设备的应用 人从外界获得的信息，有80%—90%来自视觉，其中眼睛是人的主要感觉器官。为了让访问者能在虚拟漫游中获得较大的真实感，我们就需要利用一些视觉的感知设备。以此获得更大的真实感与沉浸感。以下想大家介绍立体眼镜和洞穴式立体显示装置在虚拟漫游中的应用。

3.1.1 立体眼睛的应用 立体眼镜是利用液晶光阀高速切换左右眼图像原理从而产生一幅具有立体深度感的图像来实现的。它有有线和无线之分，可使用户在虚拟世界中自由的遨游，多方位的欣赏和观察事物，真实感强，是目前最为流行和经济适用的虚拟现实观察设备。在虚拟漫游中起到重要地位。

3.1.2 洞穴式立体显示装置的应用 洞穴式立体显示装置（CAVE）是一套基于高端计算机的房间式立体投影系统。CAVE是把高分辨率的立体投影技术和三维计算机图形技术、音响技术、传感器技术等综合在一起，产生一个供多人使用的完全沉浸的虚拟环境。用户在其中可以非常自然地运动，随意的观看周围的环境，可直接环顾左右。另外，CAVE系统允许多个用户沉浸于虚拟世界的漫游中，因此是一个理想的虚拟现实显示系统。在虚拟漫游中，我们可以在CAVE上建造一个虚拟模型并随意观看，用户可以围绕着它，从各个角度审视它。例如我们需要进行建筑设计，一个建筑师与其建造一个小比例的建筑模型，不如利用CAVE在虚拟建筑内漫游，身临其境地观看一些建筑物的内部结构，并与之发生互动，分析设计的合理性。

3.2 听觉感知设备的应用 听觉是人类仅次于视觉的第二传感通道，它是多通道和虚拟环境中的一个重要组成部分。它一方面要接受用户与虚拟环境的语言输入，同时也生成虚拟世界中的立体三维声音。听觉感知设备能使我们在虚拟漫游时听到模拟真实世界的一些三维立体声音，有让人深感在现实世界中的感受。使人体会到沉浸的感觉，在虚拟漫游中感知认识现实世界。例如我们在漫游中可根据听到的某个声音来判断它的空间位置，犹如在现实世界中，有较大的真实感。

3.3 触觉、力觉感知设备的应用 触觉和力觉也是人类感觉的重要渠道，人们可以利用触觉和力觉反馈的信息去感知世界，并进行各种交互。一方面可以去感知虚拟世界中的物体的位置和方向；另一方面还可以去操纵和移动物体以完成某种任务。数据手套是一种传感手套的专有名称。它是一种戴在用户手上的虚拟的手，用于与虚拟现实系统进行交互，可以在虚拟世界中进行物体抓取、移动、装配、操纵、控制。用户戴上手套可与虚拟漫游中的一些景物和事物进行实时交互，感受事物的存在和重量等等许多属性，使用户获得了很大限度的真实感和沉浸感。

4 结束语

虚拟漫游系统中，外设起到了很重要的作用，它使得虚拟漫游变得更加生动人性化，使得人机交互变得真实化。给人们带来了更多的视觉和听觉感受，犹如身临其境现实世界一般。大大增加了虚拟漫游系统的沉浸感，具有不容忽视的重要作用。

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