《 人机交互技术》第三章 交互设备
第三章交互设备（输入、输出、虚拟现实中交互设备）
1.输入设备（文本输入、图像输入、三维信息输入、指点输入）
- 文本输入（键盘、手写设备、语音输入设备）（第一版P33）
文本输入是人与计算机交互的一个重要的组成部分，键盘是最常见和最主要的文本输入方式。
（1）键盘：文本输入最重要的手段
QWERT键盘、DUQRAK键盘、人体工程学键盘、多功能集成键盘
（2）手写设备：手写笔板+手写笔
手写笔分为：有线笔和无线笔；
手写板分为：电阻式压力手写板
电磁感应手写板 （主流产品）必须使用手写笔
电容式触控手写板 用手指和笔都可以操作
手写板的评测指标：压感级数、精度、书写面积、识别软件
（3）语音输入设备：麦克风和声卡
- 图像输入（扫描仪、数码摄像头）（第一版 P36）
（1）扫描仪
分类：平板式扫描仪（扫描效果最好）、手持式扫描仪、滚筒式扫描仪
性能指标：
扫描速度：决定了扫描仪的工作效率
分辨率：最高扫描精度，分辨率越高，图像越精细
受光学部分、硬件部分、软件部分的共同影响，
光学部分分辨率（400-600dpi）+软硬件处理分析的分辨率=1200dpi
（2）数码摄像头（视频输入设备）（第一版 P38）
直接捕捉影像，通过计算机的串口、并口、USB接口传送到计算机内部，没有存储装置和附加控制装置。
衡量指标：
感光元器件：电荷耦合器件CCD（图像质量高）、附加金属氧化物半导体组件CMOS
像素数：
解析度：照相解析度（高）、视频解析度（与视频速度成反比）
镜头的优劣
- 三维信息输入（三维扫描仪、运动捕捉设备）（第二版 P35）
（1）三维扫描仪
分类：
接触式：具有较高的准确性和可靠性；测量速度慢、费用高、探头容易磨损
非接触式：扫描速度块、容易操作，对物体损伤少
性能指标：扫描速度、精度和范围
（2）运动捕捉设备
分类：机械式、电磁式、光学式（比较普及）
- 指点输入（第一版 P39）
（鼠标、光笔、控制杆、触摸屏、触摸板、手写液晶屏、眼动跟踪）
完成定位和选择物体
（1）鼠标
分类：机械式和光电式
发展：机械式、光机式、光电式
串行接口（梯形9针接口）、PS/2接口、USB接口、红外线信号
二键、三键、滚轮
（2）光笔
（3）控制杆 位移定位、压力定位
（4）触摸板
（5）触摸屏：电阻式、电容感应式、红外线式、表面声波式
手机触摸屏分为两种：电阻屏和电容屏
电阻屏手机采用压力控制，不仅可以用手指任何部分按下操作还可以使用其它一些比如指甲、牙签等只要可以对屏幕产 生挤压的物品操作均可
电容屏只能通过手指来感应，使用指甲或者其它相关物品操作就不起作用，这主要是因为采用的是静电感应，只有导体接 触才会有反应。
（6）手写液晶屏
（7）眼动跟踪系统：允许用户仅仅通过凝视的手段来控制计算机选择物体
2.输出设备（显示器、数字纸、打印机、语音交互设备、三维打印机）
（1）显示器（第二版 P42）
显示器是计算机的重要输出设备，是人机对话的重要工具。它的主要功能是接收主机发出的信息，经过一系列的变换，最后以光的形式将文字和图形显示出来。
类型：阴极射线管显示器（CRT）、液晶显示器（LCD）、等离子显示器
技术指标：
扫描方式：逐行扫描、隔行扫描
刷新频率：屏幕的刷新速度 75Hz以上可以基本消除闪烁
点距：点距越小，图像越细腻
分辨率：水平和垂直方向显示的点数，分辨率越高，图像越清晰
最大亮度：显示白色图形时白块的最大亮度
对比度：与屏幕背景底色的亮度之比，对比度越大，显示越清晰
屏幕尺寸：显像管的尺寸
显卡
定义：显示器必须依靠显卡的提供的显示信号才能显示出字符和图像，显卡是连接显示器和个人计算机主板的重要设备。
功能：根据CPU提供的指令和有关数据进行相应的处理，并把结果转换成显示器能接受的文字和图形显示信号，通过屏幕显示出来。
核心：图形处理芯片（GPU）
（2）数字纸（第一版 P47）
数字纸是一种薄的，柔软的介质，如同一般的计算机屏幕一样，可以利用电子仪器在上面书写，不同的是，即使没有了能量，也能保存已经书写的内容。
（3）打印机（第二版 P47）
分类：
打印机是目前非常通用的一种输出设备，常见有针式、喷墨、激光打印机。
性能指标：
分辨率：横向和纵向每英寸最多打印的点数
打印速度：打印机每分钟打印输出的纸张页数
打印幅面：打印输出的面积，A3，A4，B4等
最大打印能力：负担的最高打印限度
（4）语音交互设备（耳机、麦克风、声卡）（第二版 P48）
耳机技术指标：
耳机结构：封闭式、开放式（目前流行）、半开放式
频响范围：频带宽度 人耳听觉范围（20Hz-20000Hz）
灵敏度：灵敏度越高，输入功率越小，同样音源输出功率下声音越大
耳机阻抗
谐波失音：失真越小，音质越好
麦克风：采用NCAT技术，消除背景噪音，强化单一方向声音。
声卡：是一种安装在计算机中的最基本的声音合成设备，是实现声波／数字信号相互转换的硬件，可把来自话筒、磁带、光盘的原始声音信号加以转换，输出到耳机、扬声器、扩音机、录音机等声响设备，完成对声音信息进行录制与回放。
主要指标：声音的采样、声道数和波表合成；声道数从单声道发展到目前的多声道环绕立体声，四声道环绕音频技术实现了三维音效。
（5）三维打印机
三维打印机是快速成型（Rapid Prototyping,RP）的一种工艺，采用层层堆积的方式分层制作出三维模型，把液态光敏树脂材料、熔融的塑料丝、石膏粉等材料通过喷射粘结剂或挤出等方式实现层层堆积叠加形成三维实体。
3.虚拟现实中的交互设备（三维空间定位、沉浸感显示设备）
（1）三维空间定位设备（第一版P50）
●空间跟踪定位器：实时监测物体空间运动，可以得到六个自由度的位移。
性能指标：定位精度（与实际差异）、分辨率（最小位置变化）、位置修改速率、延时
分类：低频磁场传感器（安装在数据手套和头盔显示器）、超声式传感器
关键问题：减少颤抖、漂移和噪音
●数据手套：捕捉手指和手腕的相对运动，结合跟踪器跟踪实际位置和方向
●三维鼠标：感受在六个自由度上的运动，包括三个平移参数和三个旋转参数
●触觉和力反馈器
目前已经有一些关于力学反馈手套、力学反馈操纵杆、力学反馈笔、力学反馈表面等装置的研究；手指触觉反馈器的实现主要通过视觉、气压感、振动触觉、电子触觉和神经肌肉模拟等方法；电子触觉反馈器是向皮肤反馈宽度和频率可变的电脉冲，而神经肌肉模拟反馈是直接刺激皮层，这些方法都很不安全，较安全的方法是气压式和振动触感式的反馈器。
（2）沉浸感显示设备（立体视觉、立体显示系统、裸眼立体显示、真三维）（第二版P52）
●立体视觉
人是通过有眼和左眼所看到物体的细微差异来感知物体深度，从而识别出立体图像。立体影像生成技术：
主动式立体模式：左右眼影像顺序交替显示，产生高质量的立体效果
被动式立体模式：两台投影机分别对左右眼进行投影
●立体显示系统
头盔显示器（Head Mounted Display HMD）:一种立体图形显示设备，可单独与主机相连以接受来自主机的三维虚拟现实场景信息;头盔分单通道和双通道两种,单通道的头盔显示器上装有一个液晶显示器并显示同一幅图像；双通道的头盔显示器上装有两个液晶显示器，左边的液晶屏显示来自主控计算机生成的左眼图像，右边的液晶显示屏显示来自主控计算机生成的右眼图像;头盔式显示器使用方式为头戴式,两个显示屏幕处于用户佩戴的头盔中，分别覆盖用户双眼的视野，使得用户只能够感知来自计算机所生成的图像，沉浸感极强。
吊杆式双筒全方位监视器（BOOM）
洞穴式显示环境（CAVE）：四面沉浸式
●裸眼立体显示器
利用了立体视觉原理，使用户通过左右眼观察到物体的细微差异来感知深度，将画面分割成左右眼观看的两个不同角度的影像，再利用视觉暂留原理，在人脑形成立体画面。分为视觉屏障方法和柱状透镜方法。
●真三维显示
真三维显示是三维显示的最终目标，是一种能够实现360度视角观察的三维显示技术，是现实景物的最真实的再现，显示技术包括了扫描体显示和固态体显示。