VR多媒体技术：人机交互设备

交互性是虚拟现实系统的重要特征之一，为了达到良好的交互效果，人们开发了许多性能各异、形式多样、功能不同的交互设备。这些设备有的价格非常昂贵，但科技含量较高，有的价廉但简单易用，有的技术成熟已广泛应用，有的还在研究并处于不断地完善之中。

1.数据手套

数据手套(Data Glove)是虚拟现实中最常用的交互工具。它能够把人手姿态准确、实时地传递给虚拟环境，而且能够把与虚拟物体的接触信息反馈给操作者，使操作者以更加直接、自然、有效的方式与虚拟世界进行交互，大大增强了互动性和沉浸感，并提供了一种通用、直接的人机交互方式，特别适用于需要多自由度手模型对虚拟物体进行复杂操作的虚拟现实系统。数据手套本身不提供与空间位置相关的信息，必须与位置跟踪设备连用。这类数据手套称为虚拟现实数据手套。

此外，数据手套按功能划分还有一类，称为力反馈数据手套。力反馈数据手套借助数据手套的触觉反馈功能，用户能够用双手亲自“触碰”虚拟世界，并在与计算机制作的三维物体进行互动的过程中真实感受到物体的振动。触觉反馈能够营造出更为逼真的使用环境，让用户真实感触到物体的移动和反应。

2.三维控制器

三维控制器有三维鼠标和空间球。

三维鼠标(3D Mouse)放在桌面上使用时，与标准的二维鼠标没有什么区别，但当它离开桌面后，就可以完成在虚拟空间中6个自由度的操作。普通鼠标只能感受在平面的运动，而三维鼠标则可以让体验者感受到在三维空间中的运动反馈。与其他手部数据交互设备相比，三维鼠标成本较低，常用于建筑设计等领域。

空间球(Space Ball)是另一种重要的虚拟现实设备，用于6个自由度VR场景的模拟交互，可从不同的角度和方位对三维物体观察、浏览、操纵，也可作为3D Mouse来使用，并可与数据手套或立体眼镜结合使用，作为跟踪定位器，也可单独用于CAD/CAM等。空间球的优点是简单、耐用，易于表现多维自由度，便于对虚拟空间中的虚拟对象进行操作。其缺点是不够直观，选取对象时不是很明确，需要在使用前进行培训。

3.数据衣

在VR系统中，比较常用的人体互动设备是数据衣(data suit)。数据衣是为了让VR系统识别全身运动而设计的输入装置。数据衣的基本原理与VR数据手套类似，它将大量的光纤、电极等传感器安装在一个紧身服上，可以根据需要对人体的四肢、腰部的活动以及各个关节的弯曲角度进行测量。通过光电转换，身体的运动信息被计算机识别，并用计算机重建出图像；反过来，衣服也会反作用在身上，产生压力和摩擦力，使人的感觉更加逼真。

数据衣在使用中存在延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点。(www.xing528.com)

4.触觉和力反馈设备

触觉是人们从客观世界获取信息的重要传感渠道之一，它由接触反馈感知和力反馈(force feedback)感知两大部分组成。在建立虚拟环境时，提供必要的接触和力反馈有助于增强VR系统的真实感和沉浸感，并提高执行虚拟任务成功的概率。

触觉感知包括接触反馈和力反馈所产生的感知信息。接触感知是指人与物体对象接触所得到的全部感觉，是触觉、压觉、振动觉以及刺痛觉等皮肤感觉的统称。所以，接触反馈代表了作用在人皮肤上的力，它反映了人类触摸的感觉，或是皮肤上受到压力的感觉。而力反馈是作用在人的肌肉、关节和筋腱上的力。例如，用手拿起一个玻璃杯子时，通过接触反馈可以感觉到杯子是光滑而坚硬的，而通过力反馈才能感觉到杯子的重量。

由于人类对自身感觉的产生机制还知之甚少，触觉传感器技术分析非常复杂，且在VR系统中对触觉和力反馈设备还有实时、安全、轻便等性能要求，因此，目前虽然已经研制成功了一些触觉和力反馈设备，但大多还是原理性和试验性的，距离真正的实用尚有一定距离。

(1)接触反馈设备。接触反馈的方式包括充气式、振动式、微型阵列式、温度激励式、压力式、微电刺激式及神经肌肉刺激式等。手是实施接触动作的主要感官，因此，目前最常用的一种模拟接触反馈的方法是使用充气式或振动式接触反馈手套。

(2)力反馈设备。为虚拟环境提供一定的力反馈系统，有助于增强虚拟交互的逼真性，有时力反馈设备也是一种必需的设备。如对于像研究物理磁性的相斥和相吸等应用问题来说，没有力反馈设备的VR系统几乎是没有任何意义的。

目前已经有了一些用以提供力反馈的装置，如力反馈手套、力反馈操纵杆、吊挂式机械手臂、桌面式多自由度游戏棒以及可独立作用于每个手指的手控力反馈装置等。

5.神经/肌肉交互设备

通过神经/肌肉交互一直是人们努力研究的热点内容。2013年，加拿大ThalmicLabs公司推出了一款控制终端设备——MYO腕带。该腕带的基本工作原理是，通过检测用户运动时手臂肌肉产生的生物电变化，配合对手臂的物理动作监控来做人机交互，再将计算机处理的结果通过蓝牙发送至受控设备。这种腕带不仅可以通过手势和动作实现滑动屏幕、控制音乐播放等操作，而且还能操控无人机。