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正文內(nèi)容

虛擬現(xiàn)實(shí)的接口設(shè)備-資料下載頁

2025-02-11 18:01本頁面
  

【正文】 ronment Enclosure是 1991年伊利諾伊(Illinois)大學(xué)開發(fā)的 CAVE( CAVE Automatic Virtual Environment),它在圖形學(xué)會(huì)議 SIGGRAPH 92上發(fā)表。由多臺(tái)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖像,被鏡面反射到投影屏幕。視點(diǎn)在環(huán)境中的移動(dòng),受一個(gè)主要用戶的控制。該用戶身上有位置跟蹤設(shè)備(如磁跟蹤器),測量他注視的地方。該用戶還用操縱桿控制視點(diǎn)的移動(dòng)。為了觀看立體顯示,所有用戶都要佩帶立體眼鏡。一個(gè)缺點(diǎn)是,除了主要用戶外,每個(gè)人都好像乘車一樣,會(huì)出現(xiàn)仿真眩暈。CAVE的房間尺寸是 3039。 2039。 1339。投影機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)被鏡面折疊。每個(gè)投影面用單獨(dú)的投影材料,在三面墻交界的兩個(gè)墻角處,從房頂?shù)降孛胬桓?1/4英寸的纜線。纜線的遮擋會(huì)破壞在墻角處的立體效果。 CAVE 由Pyramid Systems, Inc. 銷售。與伊利諾伊大學(xué)合作,保持很強(qiáng)的技術(shù)支持。 多表面顯示系統(tǒng)的產(chǎn)品 2. C2 C2 是由愛荷華( Iowa)州立大學(xué)制造的。通過與愛荷華工程部的合作,他們試圖改進(jìn) CAVE的不足。 主要改進(jìn)包括 :移動(dòng)地板投影由用戶后方到用戶前方。這就把用戶在地板上的陰影移到用戶后方,不至影響顯示。在墻角處,用架子把兩邊的墻面夾在一起,防止有陰影投在屏幕上。用 Unistrut結(jié)構(gòu),提供更好的立體聲效果。 3 CABIN ?( Computer Aided Booth for Image Navigation)是東京大學(xué)制造的五面顯示的系統(tǒng)。它有強(qiáng)化玻璃的地板,還有三面墻和天花板的顯示。得到工業(yè)界支持。 4 NAVE( NAVE Automatic Virtual Environment) ?是由 Geia Tech Virtual Environments Group 制造的。課題成本 $60k,適于用在大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室。它用視覺和其他物理感覺增強(qiáng)全局的沉浸感。兩個(gè)人坐在一個(gè)椅子上,采用力反饋手柄控制運(yùn)動(dòng)。聲音系統(tǒng)很好。還通過地板發(fā)出震動(dòng)。用旋轉(zhuǎn)和閃爍的光線加強(qiáng)氣氛。 5 C6 ?由愛荷華( Iowa)州立大學(xué)制造,是三維全沉浸的合成環(huán)境。它的房間中,四面墻,地面和天花板都是投影屏幕,顯示背投立體圖像。一面墻可動(dòng),允許用戶進(jìn)出房間。 Virtual Environment Enclosure的改進(jìn)包括: ?減小空間要求,增加投影面,增加立體聲音,增加物理反饋,以及降低價(jià)格。 第二節(jié) 小結(jié) 介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)中的視覺顯示技術(shù)。 視覺顯示要求的視覺特性包括:視場、分辨率、亮度、對比、彩色和立體視覺。視覺顯示還要求考慮人類工程學(xué),安全,可靠和價(jià)格。 第三節(jié) 聽覺顯示 聽覺顯示概述 聲音顯示設(shè)備 房間聲音建模 非語音聲音合成 1 聽覺顯示概述 虛擬環(huán)境的聽覺接口應(yīng)能給兩耳提供一對聲波。 這些聲波具有: ?(1)它應(yīng)有 高逼真 性 ?(2)能以預(yù)訂方式 改變波形 ,作為聽者各種屬性和輸出的函數(shù) (包括頭部位姿變化 ) ?(3)排除 所有不是 VR系統(tǒng)產(chǎn)生的聲源 (如真實(shí)環(huán)境背景聲音 )。對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以放松上述條件(3),它的意圖是組合合成聲音與真實(shí)聲音。 聽覺顯示設(shè)計(jì)的三方面內(nèi)容: ?為了滿足這些要求,聽覺顯示系統(tǒng)應(yīng)該包括 ?發(fā)聲設(shè)備 。 ?為了使用戶產(chǎn)生置身于某種聲場的臨場感,首要解決了兩個(gè)問題: 解決聲音空間 定位 問題 建模 問題 ?為了仿真不同類型的聲源,要求 合成各類特定聲源的聲音信號(hào) 。這里只介紹非語音信號(hào)的合成 2 聲音顯示設(shè)備 聲音顯示設(shè)備 ?一般講,用 耳機(jī) 最 容易達(dá)到 虛擬現(xiàn)實(shí)的要求。 ?在使用 喇叭 ,并遠(yuǎn)離頭部時(shí),每個(gè)耳朵聽到每個(gè)喇叭的聲音, 控制問題 很困難。雖然商業(yè)化的高逼真電影往往聲稱喇叭有很好的形成聲象能力,但用戶限制在房中單一收聽位置,只得到固定方位聲象(不補(bǔ)償頭部轉(zhuǎn)動(dòng)),而且房間的聲學(xué)特性不容易處理。此外,由于耳朵完全打開 ,不可能排除環(huán)境中附加的聲音。 ?雖然 與耳機(jī)有關(guān)的接觸感 可能限制聽覺臨場感的程度,但是由于用戶需要在虛擬和真實(shí)環(huán)境之間來回轉(zhuǎn)移,這種與耳機(jī)接觸可能是有用的。在任何情況,由于視覺接口會(huì)存在這些問題。在需要喇叭的情況下,可能發(fā)生高能低頻聲爆破。這種情況,喇叭可能用于振動(dòng)部分身體,而不僅是耳膜。 1.耳機(jī) ? 耳機(jī)有不同的 電聲特性 , 尺寸重量 ,以及 安在耳上的方式 。 ? 一類耳機(jī)是 護(hù)耳式耳機(jī) ,它是大的重的,并用護(hù)耳墊連在耳朵上。 ? 另一類耳機(jī)是 插入耳機(jī) (或耳塞 ),聲音通過它送到耳中某一點(diǎn)。插入耳機(jī)可能很小,并封閉在可壓縮的插塞中 (或適于用戶的耳模 ),它放入耳道中。耳機(jī)的發(fā)聲部分也可能遠(yuǎn)離耳朵,其輸出的聲音經(jīng)過塑料管連接 (一般 2mm內(nèi)徑 ),它的終端在類似的插塞中。 ? 插入耳機(jī) (或耳塞 ),依靠與聲音傳送區(qū)有高的接觸區(qū)域比,可以提供外部聲音較好的衰減 (在 4kHz以上約 35dB,在 250Hz以下降到約 25dB)。 護(hù)耳式耳機(jī) 可以達(dá)到類似的高頻衰減,但只有較少的低頻衰減。 主動(dòng)消噪音護(hù)耳式耳機(jī) 提供高達(dá) 15dB附加低頻衰減,因而使其整個(gè)衰減特性類似于插入耳機(jī)。組合插入耳機(jī)和主動(dòng)消噪音 護(hù)耳式聽力保護(hù)器 可以達(dá)到最大的衰減。即使包括保護(hù)器,價(jià)格也不超過 1000美元。 除了在娛樂應(yīng)用上的工作外 ,在 VR領(lǐng)域涉及聽覺顯示的 多數(shù)研究開發(fā)集中在由耳機(jī)提供聲音 。但這有兩個(gè)缺點(diǎn): ? (1)它要求把設(shè)備安在用戶頭上,從而增加負(fù)擔(dān)。 考慮到 (1),對許多現(xiàn)有的頭部跟蹤技術(shù),頭部跟蹤設(shè)備與耳機(jī)都必須安在頭上。如果視覺顯示也是頭部安裝的,則與增加耳機(jī)有關(guān)的人類工程問題就是次要的。即使不要求聽覺顯示,視覺顯示也要求頭部跟蹤器,增加耳機(jī)到頭盔顯示后所附加的負(fù)擔(dān)是較小的。 ? (2)它只刺激聽者耳膜。 考慮到 (2),即使耳機(jī)能產(chǎn)生足夠的能量震聾用戶,但通過耳機(jī)的刺激不足以給用戶提供聲音能量, 影響耳朵以外的身體部位 。雖然對 VR領(lǐng)域的多數(shù)應(yīng)用,聽覺系統(tǒng)對正常聽覺通道的刺激 (外耳、耳膜、中耳、耳蝸等 )是精確的,但是如果希望在環(huán)境中 提供真實(shí)的高能聲音事件的仿真 (如爆破或高速飛機(jī)低空飛過 ),則其它身體部位的聲音仿真也是重要的 (如振動(dòng)用戶肚子 )。 3 房間聲音建模 聲音的空間分布 ?虛擬環(huán)境聽覺接口以前多數(shù)工作是要提供聲音的空間分布。在這個(gè)領(lǐng)域,工作最初集中在 仿真正常的空間分布 。很少注意提供超正常分布。 房間聲學(xué)建模 ?當(dāng)前, Acoustetron是唯一的包含簡化的房間實(shí)時(shí)聲學(xué)建模的 實(shí)時(shí)聲音空間定位系統(tǒng) 。即使聲學(xué)模型是簡單的,并只有少量一階和二階反射,系統(tǒng)提供了加強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)性。 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示 非語音聲音合成 聲音的空間分布 要求對任何聲音提供正??臻g分布 。 ?這要求考慮被傳送聲音的 復(fù)雜頻譜 。聲音的傳輸涉及到 空間濾波器 的傳輸功能,這就是在聲波由聲源傳到耳膜時(shí)發(fā)生的變換 (在時(shí)間域內(nèi),在濾波器脈沖響應(yīng)中的時(shí)間信號(hào),實(shí)現(xiàn)同樣的變換 )。由于存在兩個(gè)耳朵,每只耳朵加一個(gè)濾波器(由聲源傳到這個(gè)耳膜時(shí)發(fā)生的變換)。 ?由于虛擬環(huán)境上多數(shù)工作集中在 無回聲空間 ,加之聲源與耳的距離對應(yīng)的 時(shí)間延遲 ,確定濾波器只需要根據(jù)聽者的身體、頭和耳有關(guān)的反射、折射和吸收。 傳輸功能看作與頭有關(guān)的傳輸功能 (HRTF)。 ?在考慮真實(shí)的反射環(huán)境時(shí),傳輸功能受到 環(huán)境聲結(jié)構(gòu)和人體聲結(jié)構(gòu)的影響 。對不同聲源位置的 HRTF估計(jì),是通過在聽者耳道中的探針麥克風(fēng)的直接測量。一旦得到 HRTF,則監(jiān)測頭部位姿,對給定的聲源定位,并針對頭部位姿提供適當(dāng)?shù)?HRTF,實(shí)現(xiàn)仿真 定位系統(tǒng) ?WrightPatterson空軍基地的 McKinley開發(fā)了一個(gè)時(shí)域空間定位系統(tǒng)。 它給駕駛員提供三維聲音。系統(tǒng)中的 HRTF有足夠的方位密度 (HRTF在方位上測量每一度 ),所以不要求方位的插值。在高低角上,測量密度較差,需要使用線性內(nèi)插。已開發(fā)出新的時(shí)域處理器。這種市售的機(jī)器比以前的系統(tǒng)有更多的存儲(chǔ)器。此外,產(chǎn)品設(shè)計(jì)加大了靈活性,使研究者能分配處理能力。 ?Convolvotron Ⅱ 使用頻域?yàn)V波器。這是下一代空間定位設(shè)備。 它使用頻域?yàn)V波,以較低價(jià)格提供更大的容量。此外, ,因?yàn)樗峭ㄓ玫拇罅可a(chǎn)的數(shù)字信號(hào)處理板,所以系統(tǒng)完全模塊化,容易升級(jí)。 房間聲學(xué)建模 建模聲場的一般途徑: ?是產(chǎn)生第二聲源的空間圖。在回聲空間中一個(gè)聲源的聲場建模為在無回聲環(huán)境中一個(gè)初始聲源和一組離散的第二聲源 (表示回聲 )。 ?第二聲源可以由三個(gè)主要特性描述: (1)距離 (延遲 ) (2)相對第一聲源的頻譜修改 (空氣吸收,表面反射,聲源方向,傳播衰減 ) (3)入射方向 (方位和高低 )。 房間聲學(xué)建模 尋找第二聲源的兩種方法: ?鏡面圖像法 鏡面圖像法確保找到所有幾何正確的聲路徑。 鏡面圖像方法由于算法是遞歸的,不容易改變比例。 ?射線跟蹤法 射線跟蹤法,難以預(yù)測為發(fā)現(xiàn)所有反射所要求的射線數(shù)目。 射線跟蹤方法的優(yōu)點(diǎn)是,即使只有很少的處理時(shí)間,它也能產(chǎn)生合理的結(jié)果。 通過調(diào)節(jié)可用射線的數(shù)目,它很容易以給定的幀頻工作。 ?對比 射線跟蹤在更復(fù)雜的環(huán)境得到更好的結(jié)果,因?yàn)樘幚頃r(shí)間與表面數(shù)目的關(guān)系是線性的,不是指數(shù)的。雖然對給定的測試情況,鏡面圖像法更有效,但在某些情況射線跟蹤法性能更好。 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示 聽覺通道的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)很少引起注意。 如在視覺通道一樣,在許多應(yīng)用中 必須組合計(jì)算機(jī)合成的聲音信號(hào)與采樣的真實(shí)聲音信號(hào) 。采樣的真實(shí)聲音信號(hào)來自當(dāng)?shù)丨h(huán)境,或借助遙操作系統(tǒng)來自遠(yuǎn)地環(huán)境。 一般來自當(dāng)?shù)丨h(huán)境的信號(hào)可以由 耳機(jī)周圍的聲音泄漏 得到,或者由 當(dāng)?shù)丨h(huán)境中的定位麥克風(fēng) (可能在頭盔上)得到,并把聲音信號(hào)加在 電路中合成 而不是在聲音域合成。但是因?yàn)橄M诩尤胍郧疤幚磉@些環(huán)境信號(hào),或者希望在環(huán)境信號(hào)聲源在遠(yuǎn)地的情況利用同樣的系統(tǒng),所以要用后一種途徑。 聲音增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)能接收任何環(huán)境中麥克風(fēng)感受的信號(hào),以適應(yīng)給定情況的方式變換這些信號(hào),再把它們增加到 VE系統(tǒng)提供的信號(hào)上。當(dāng)前 ,聲音增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)最明顯的應(yīng)用是 使沉浸在某種 VR任務(wù)中的用戶同時(shí)處理真實(shí)世界中的重要事件 (如真實(shí)世界中的警告信號(hào) )。 非語音聲音合成 1.非語音聲音合成問題 ?在聲音空間定位和建模領(lǐng)域中進(jìn)行了很多工作,在物理建模和計(jì)算機(jī)生成非語音聲音領(lǐng)域的工作還很少。 2.非語音聲音合成的方法 ?( 1)附加合成 ?( 2)相減合成 ?( 3)物理建模 3.非語音聲音合成的設(shè)備 ?當(dāng)前用于非語音聲音生成的設(shè)備可分兩大類:采樣器以數(shù)字形式記錄聲音并在以后實(shí)時(shí)重放,合成器依靠為模仿樂器開發(fā)的聲音生成技術(shù)的分析與算法。 非語音聲音合成問題 問題是怎樣建立實(shí)時(shí)系統(tǒng),以能產(chǎn)生偽音樂聲音,以及純環(huán)境聲音(如開門或打破玻璃)。 理想的合成設(shè)備能靈活地產(chǎn)生全連續(xù)的非語音聲音,并能實(shí)時(shí)地連續(xù)調(diào)制與這些聲音有關(guān)的各種聲音參數(shù)。這種設(shè)備用作 聲源特征產(chǎn)生器 ,它可以用作聲音空間定位系統(tǒng)的輸入。 至少在開始, 聲源產(chǎn)生和空間合成 是聲音顯示集成系統(tǒng)中功能分離的部件??刂品蛛x設(shè)備要求某些額外代價(jià),優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)部件可以開發(fā)、升級(jí)、并用作獨(dú)立部件,于是系統(tǒng)不至封鎖在過時(shí)的技術(shù)中 用于產(chǎn)生非語音聲音的很多 算法 是基于最初為合成音樂及語音而開發(fā)的技術(shù)。 語音合成的主要目標(biāo)是產(chǎn)生智能的(或自然聲音的)語音波形。為此必須精確地合成人的語音。在語音合成中,最終的聲音輸出可以根據(jù)可測的信息量及語音的逼真度確定。 在合成音樂中,一般目標(biāo)不是特殊的或受限的。它們根據(jù)設(shè)計(jì)者的某些主觀準(zhǔn)則確定。通常目標(biāo)是產(chǎn)生有特定感知質(zhì)量的聲波,或者仿真某些傳統(tǒng)的物理聲源,或者產(chǎn)生某些有適當(dāng)屬性的獨(dú)特聲音。 因?yàn)楹铣梢魳返哪繕?biāo)比合成語音更多樣,所以有大量不同的可利用的合成方法。方法的選擇取決于特定的目標(biāo),設(shè)計(jì)者的知識(shí)和資源。在任一種合成方法中,設(shè)計(jì)者控制某些時(shí)變參數(shù),產(chǎn)生不同感知質(zhì)量的聲波。計(jì)算機(jī)控制的參數(shù)可能關(guān)系到被建模樂器的物理參數(shù),關(guān)系到聲波的形狀和頻譜,或關(guān)系到希望的感知質(zhì)量。通常集合這些不同的技術(shù),可以得到特定的效果。 第三節(jié) 小節(jié) 介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)中的聽覺顯示技術(shù) 耳機(jī)和喇叭是兩類發(fā)聲設(shè)備。封閉耳朵的護(hù)耳式耳機(jī)具有比插入耳機(jī)更多的共振。護(hù)耳式耳機(jī)只有較少的低頻衰減。它們都要求把設(shè)備安在用戶頭上,而且只刺激聽者耳膜。喇叭系統(tǒng)的主要問題是達(dá)到要求的聲音空間定位。 空間聲學(xué)建模的主要技術(shù)方法。通常用兩種方法找到第二聲源:鏡面圖像法和射線跟蹤法。鏡面圖像法確保找到所有幾何正確的聲路徑。射線跟蹤方法的優(yōu)點(diǎn)是,即使只有很少的處理時(shí)間,它也能產(chǎn)生合理的結(jié)果。 第四節(jié) 力覺和觸覺顯示 力覺和觸覺顯示概述 觸覺顯示設(shè)備 力覺顯示設(shè)備 力覺和觸覺顯示概述 力覺和觸覺
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