虛擬現實中人機交互有哪些內容和設備

A. 虛擬現實硬體的交互設備

（1）數據手套
數據手套是虛擬模擬中最常用的交互工具。 數據手套設有彎曲感測器，彎曲感測器由柔性電路板、力敏元件、彈性封裝材料組成，通過導線連接至信號處理電路；在柔性電路板上設有至少兩根導線，以力敏材料包覆於柔性電路板大部，再在力敏材料上包覆一層彈性封裝材料，柔性電路板留一端在外，以導線與外電路連接。把人手姿態准確實時地傳遞給虛擬環境，而且能夠把與虛擬物體的接觸信息反饋給操作者。使操作者以更加直接，更加自然，更加有效的方式與虛擬世界進行交互，大大增強了互動性和沉浸感。並為操作者提供了一種通用、直接的人機交互方式，特別適用於需要多自由度手模型對虛擬物體進行復雜操作的虛擬現實系統。數據手套本身不提供與空間位置相關的信息，必須與位置跟蹤設備連用。
（2）力矩球
力矩球（空間求Space Ball）是一種可提供為6自由度的外部輸入設備，他安裝在一個小型的固定平台上。6自由度是指寬度、高度、深度、俯仰角、轉動角和偏轉角，可以扭轉、擠壓、拉伸以及來回搖擺，用來控制虛擬場景做自由漫遊，或者控制場景中牧歌物體的空間位置機器方向。力矩球通常使用發光二極體來測量力。他通過裝在求中心的幾個張力器測量出手所施加的力，閉關將其測量值轉化為三個平移運動和三個旋轉運動的值送入計算機中，計算機根據這些值來改變其輸出顯示。力矩球在選取對象時不是很直觀，一般與數據手套、立體眼鏡配合使用。3
（3）操縱桿
操縱桿是一種可以提供前後左右上下6個自由度及手指按鈕的外部輸入設備。適合對虛擬飛行等的操作。由於操縱桿採用全數字化設計，所以其精度非常高。無論操作速度多快，他都能快速做出反應。
操縱桿的優點是操作靈活方便，真實感強，相對於其他設備來說價格低廉。缺點是只能用於特殊的環境，如虛擬飛行。
（4）觸覺反饋裝置
在VR系統中如果沒有觸覺反饋，當用戶接觸到虛擬世界的某一物體時易使手穿過物體，從而失去真實感。解決這種問題的有效方法是在用戶交互設備中增加觸覺反饋。觸覺反饋主要是居於視覺、氣壓感、振動觸感、電子觸感和神經肌肉模擬等方法來實現的。向皮膚反饋可變點脈沖的電子觸感反饋和直接刺激皮層的神經肌肉模擬反饋都不太安全，相對而言，氣壓式和振動觸感是是較為安全的觸覺反饋方法。
氣壓式觸摸反饋是一種採用小空氣袋作為感測裝置的。它由雙層手套組成，其中一個輸入手套來測量力，有20~30個力敏元件分布在手套的不同位置，當使用者在VR系統中產生虛擬接觸的時候，檢測出手的各個部位的手裡情況。用另一個輸出手套再現所檢測的壓力，手套上也裝有20~30個空氣袋放在對應的位置，這些小空氣袋由空氣壓縮泵控制其氣壓，並由計算機對氣壓值進行調整，從而實現虛擬手物碰觸時的觸覺感受和手裡情況。該方法實現的觸覺雖然不是非常的逼真，但是已經有較好的結果。
振動反饋是用聲音線圈作為振動換能裝置以產生振動的方法。簡單的換能裝置就如同一個未安裝喇叭的聲音線圈，復雜的換能器是利用狀態記憶合金支撐。當電流通過這些換能裝置時，它們都會發生形變和彎曲。可能根據需要把換能器做成各種形狀，把它們安裝在皮膚表面的各個位置。這樣就能產生對虛擬物體的光滑度、粗糙度的感知。
（5）力覺反饋裝置
力覺和觸覺實際是兩種不同的感知，觸覺包括的感知內容更加豐富如接觸感、質感、紋理感以及溫度感等；力覺感知設備要求能反饋力的大小和方向，與觸覺反饋裝置相比，力反饋裝置相對成熟一些。目前已經有的力反饋裝置有：力量反饋臂，力量反饋操縱桿，筆式六自由度游戲棒等。其主原理是有計算機通過里反饋系統對用戶的手、腕、臂等運動產生阻力從而使用戶感受到作用力的方向和大小。
由於人對力覺感知非常敏感，一般精度的裝置根本無法滿足要求，而研製高精度里反饋裝置又相當昂貴，這是人們面臨的難題之一。
（6）運動捕捉系統
在VR系統中為了實現人與VR系統的交互，必須確定參與者的頭部、手、身體等位置的方向，准確地跟蹤測量參與者的動作，將這些動作實時監測出來，以便將這些數據反饋給顯示和控制系統。這些工作對VR系統是必不可少的，也正是運動捕捉技術的研究內容。
到目前為止，常用的運動捕捉技術從原理上說可分為機械式、聲學式、電磁式、和光學式。同時，不依賴於感測器而直接識別人體人體特徵的運動捕捉技術也將很快進入實用。
從技術角度來看，運動捕捉就是要測量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運動軌跡。
（7）機械式運動捕捉
機械式運動捕捉依靠機械裝置來跟蹤和測量運動軌跡。典型的系統由多個關節和剛性連桿組成，在可轉動的關節中裝有角度感測器，可以測得關節轉動角度的變化情況。裝置運動是，根據角度感測器所測得的角度變化和連桿的昂度，可以得出桿件末端點在空間中的位置和運動軌跡。實際上，裝置上任何一點的軌跡都可以求出，剛性連桿也可以換成長度可變的伸縮桿。
機械式運動捕捉的一種應用形式是將欲捕捉的運動物體與機械結構相連，物體運動帶動機械裝置，從而被感測器記錄下來。這種方法的優點是成本低、精度高、可以做到實時測量，還可以允許多個角色同時表演，但是使用起來非常不方便，機械結構對表演者的動作的阻礙和限制很大。
（8）聲學運動捕捉
常用的聲學捕捉設備由發送器、接收器和處理單元組成。發送器是一個固定的超聲波發送器，接收器一般由呈三角形排列的三個超聲波探頭組成。通過測量聲波從發送器到接收器的時間或者相位差，系統可以確定接收器的位置和方向。
這類裝置的成本較低，但對運動的捕捉有較大的延遲和滯後，實時性較差，精度一般不很高，聲源和接收器之間不能有大的遮擋物，受雜訊影響和多次反射等干擾較大。由於空氣中聲波的速度與大氣壓、濕度、溫度有關，所以必須在演算法中做出相應的補償。
（9）電磁式運動捕捉
電磁式運動捕捉是比較常用的運動捕捉設備。一般由發射源、接受感測器和數據處理單元組成。發射源在空間按照一定時空規律分布的電磁場；接受感測器安置在表演者沿著身體的相關位置，隨著表演者在電磁場中運動，通過電纜或者無線方式與數據處理單元相連。
它對環境的要求比較嚴格，在使用場地附近不能有金屬物品，否則會干擾電磁場，影響精度。系統的允許范圍比光學式要小，特別是電纜對使用者的活動限制比較大，對於比較劇烈的運動則不適用。
（10）光學式運動捕捉
光學式運動捕捉通過對目標上特定光點的監視和跟蹤來完成運動捕捉的任務。目前常見的光學式運動捕捉大多數居於計算機視覺原理。從理論上說，對於空間中的一個點，只要他能同時被兩個相機縮減，則根據同一時刻兩個相機所拍攝的圖像和相機參數，可以確定這一時刻該點在空間中的位置。當相機以足夠高的速率連續拍攝時，從圖像序列中就可以得到該店的運動軌跡。
這種方法的缺點就是價格昂貴，雖然可以實時捕捉運動，但後期處理的工作量非常大，對於表演場的光照、反射情況有一定的要求，裝置定標也比較繁瑣。
（11）數據衣
在VR系統中比較常用的運動捕捉是數據衣。數據衣為了讓VR系統識別全身運動而設計的輸入裝置。他是根據『數據手套』的原理研製出來的，這種衣服裝備著許多觸覺感測器，穿在身上，衣服裡面的感測器能夠根據身體的動作探測和跟蹤人體的所有動作。數據衣對人體大約50個不同的關節進行測量，包括膝蓋、手臂、軀乾和腳。通過光電轉換，身體的運動信息被計算機識別，反過來衣服也會反作用在身上產生壓力和摩擦力，使人的感覺更加逼真。
和HMD，數據手套一樣數據衣也有延遲大、解析度低、作用范圍小、使用不便的缺點，另外數據衣還存在著一個潛在的問題就是人的體型差異比較大。為了檢測全身，不但要檢測肢體的伸張狀況，而且還要檢測肢體的空間位置和方向，這需要許多空間跟蹤器。