基于扇形傳感器的交互技術(shù)研究

摘 要：本文提出了一種新型的虛擬現(xiàn)實(shí)游戲技術(shù)，基于實(shí)時(shí)渲染工具Ventuz和紅外激光扇形傳感器的多點(diǎn)觸摸交互技術(shù)。該技術(shù)不僅為超大尺寸的普通顯示屏增加多點(diǎn)觸摸功能，而且還推動(dòng)了懸空觸摸空氣交互技術(shù)的發(fā)展。扇形傳感器的布置方式?jīng)Q定了是多點(diǎn)觸摸屏還是隔空觸摸空氣。這個(gè)技術(shù)可以在復(fù)雜的光電環(huán)境下正常工作，并且運(yùn)用了改進(jìn)的限幅濾波算法處理獲得的觸摸點(diǎn)，使觸摸點(diǎn)穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)游戲；Ventuz；扇形傳感器；多點(diǎn)觸摸；濾波算法

中圖分類號(hào)：TP11

隨著電子產(chǎn)品的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的人了解虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，大部分發(fā)達(dá)國(guó)家都在大力研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，它的發(fā)展速度非常迅速。很多過(guò)去無(wú)法想象的事情正在逐漸的變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。尤其是虛擬現(xiàn)實(shí)游戲，目前廣為流行的3D眼鏡、數(shù)據(jù)手套、三維鼠標(biāo)、運(yùn)動(dòng)跟蹤器、XBOX360體感游戲等，已經(jīng)得到越來(lái)越多人的青睞。虛擬現(xiàn)實(shí)正向游戲走來(lái)。

本文講述一類虛擬現(xiàn)實(shí)游戲技術(shù)，從渲染軟件工具Ventuz到硬件掃描設(shè)備扇形傳感器，本文的安排如下：首先介紹渲染軟件Ventuz，包括主要用途、功能等。然后介紹多種多點(diǎn)觸摸技術(shù)，包括各類尺寸的觸摸屏。最后介紹扇形傳感器，包括扇形傳感器的原理、觸摸點(diǎn)的獲得、觸摸點(diǎn)的穩(wěn)定、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

1 Ventuz基礎(chǔ)

Ventuz是一款實(shí)時(shí)渲染的軟件，主要用于多媒體演示，它的基本組成是節(jié)點(diǎn)，可以靈活插入刪除節(jié)點(diǎn)，支持C#、VB.NET腳本，可以編輯腳本、動(dòng)畫，工具欄中提供常用的各種物體，如圖形、坐標(biāo)、顏色、燈光、聲音、文本、材質(zhì)等，基本解決了日常所需，可以很方便的導(dǎo)入3Dmax模型，如OBJ、RTG、X等及處理Excel、XML、Text等文件格式。其中Ventuz還提供了交互庫(kù)，支持任何TUIO與OSC協(xié)議的交互設(shè)備與Ventuz無(wú)縫集成，而不需要進(jìn)行任何軟件的調(diào)試與矯正。Ventuz支持交互，常用的交互技術(shù)如：點(diǎn)擊、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放等已經(jīng)以節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行了封裝，用戶使用很方便，使用時(shí)直接加入節(jié)點(diǎn)，無(wú)需編寫復(fù)雜的程序。Ventuz為客戶提供了清晰邏輯層次關(guān)系。

Ventuz每秒渲染60次場(chǎng)景，任何內(nèi)容的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)的修改、系統(tǒng)的控制命令都是立即生效的。因此，Ventuz是唯一一個(gè)將3D和互動(dòng)完美結(jié)合的產(chǎn)物。

Ventuz目前主要應(yīng)用在多媒體領(lǐng)域，作為演示軟件它是當(dāng)前行業(yè)的成就。傳統(tǒng)的演示方法，越來(lái)越吸引不了大眾的眼球。一個(gè)好的演示，不僅需要有好的信息傳達(dá)，也需要好的傳達(dá)方式，展示出創(chuàng)新、卓越和能力，會(huì)給觀眾留下不可磨滅的印象，而這種印象正是時(shí)代所需。傳統(tǒng)的演講者面對(duì)靜態(tài)、線性的演講作風(fēng)，而由Ventuz開(kāi)發(fā)的專業(yè)演講可以帶給觀眾動(dòng)態(tài)的、非線性的演講作風(fēng)，是靈活藝術(shù)設(shè)計(jì)與尖端實(shí)時(shí)技術(shù)的結(jié)合。

2 多點(diǎn)觸控技術(shù)

多點(diǎn)觸控技術(shù)是現(xiàn)在的主要趨勢(shì)。市場(chǎng)上的電子產(chǎn)品大多采用電容屏或電阻屏，這類產(chǎn)品精度非常高，但是尺寸太小。越來(lái)越多的超大屏幕的產(chǎn)生刺激了多點(diǎn)觸控技術(shù)的發(fā)展。

2.1 基于表面聲波式技術(shù)

表面聲波是一種在介質(zhì)表面進(jìn)行淺層傳播的機(jī)械能量波，其性能穩(wěn)定，在聲波傳遞中具有非常尖銳的頻率特性，表面聲波式觸摸屏的觸摸部分是玻璃平板，沒(méi)有任何貼膜和覆蓋層。當(dāng)手指或其他柔性觸摸筆接近屏幕表面時(shí)，手指或其他柔性觸摸筆吸收了一部分聲波能量，而控制器則偵測(cè)到接收信號(hào)在某一時(shí)刻上的衰減，由此可計(jì)算出觸摸點(diǎn)的位置。表面聲波式觸摸屏不會(huì)受到溫度、光照、濕度等的影響，主要應(yīng)用于大屏幕。

2.2 基于圖像采集技術(shù)

多點(diǎn)觸摸系統(tǒng)一般通過(guò)紅外攝像機(jī)或攝像機(jī)配紅外濾光片的方法攝取手指觸點(diǎn)圖像，對(duì)所得圖像通過(guò)圖像處理與分析技術(shù)，計(jì)算出觸摸點(diǎn)的位置，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行觸點(diǎn)手勢(shì)識(shí)別.

2.3 基于Visual Hull技術(shù)

這種技術(shù)需要在屏幕的四周安裝多組發(fā)光/感光器件，系統(tǒng)進(jìn)行掃描，當(dāng)有觸摸物體觸摸屏幕時(shí)，觸摸物會(huì)擋住紅外信號(hào)，通過(guò)分析x和y方向的光線遮擋信息，就可以計(jì)算出觸摸物體的位置。

基于這種技術(shù)的觸摸屏，因?yàn)椴季质且粚?duì)一的，準(zhǔn)確度比較高。但是只能識(shí)別一個(gè)點(diǎn)，惠普公司的Touchsmart和Moeller等人發(fā)明的ZeroTouch技術(shù)在元器件中建立多對(duì)多的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)解決該問(wèn)題.

2.4 基于光感應(yīng)觸摸技術(shù)

這類技術(shù)需要光照射，通過(guò)光的反射確定觸摸點(diǎn)位置。此類技術(shù)主要有全反射技術(shù)、反向全反射技術(shù)、激光反射技術(shù)。這類技術(shù)不適用于高亮度環(huán)境光的情況。

2.5 基于紅外式技術(shù)

紅外式觸摸屏利用紅外設(shè)備發(fā)射信號(hào)，當(dāng)探測(cè)區(qū)有物體時(shí)，光線會(huì)被遮擋，紅外探測(cè)設(shè)備會(huì)受到變化的信號(hào)，以此來(lái)判斷觸摸點(diǎn)的位置。

紅外式觸摸屏適用于在一些惡劣的環(huán)境下，不存在電流、光度、溫度的影響，安裝方便。

本文所講的就是一種紅外式觸摸屏。

3 扇形傳感器基礎(chǔ)

3.1 原理

本文使用的扇形傳感器是德國(guó)的勞易測(cè)公司生產(chǎn)的ROD4扇型傳感器，此扇形傳感器掃描區(qū)域?yàn)樯刃?，因此得名。此設(shè)備每秒打出幾十次的脈沖，脈沖接觸物體，傳感器接受由物體反射的光，依據(jù)時(shí)間和角度確定物體位置。

扇形傳感器是一種二維平面的測(cè)距光學(xué)傳感器，與普通的紅外測(cè)距設(shè)備不同，該傳感器采用了抗干擾能力非常強(qiáng)的編碼紅外脈沖掃瞄方式，這使得它能在非常復(fù)雜的光學(xué)環(huán)境中也能正常工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要講述了基于扇形傳感器的交互技術(shù)，包括超大屏幕的多點(diǎn)觸控技術(shù)和隔空觸摸空氣技術(shù)，使用了Ventuz作為實(shí)時(shí)渲染工具。與以往技術(shù)相比，扇形傳感器擁有優(yōu)良的性能：首先，應(yīng)用范圍廣，不管是超大屏幕還是隔空觸摸空氣；其次，可以在復(fù)雜的光電環(huán)境下工作；再次，安裝布置現(xiàn)場(chǎng)非常方便、迅速；最后，能夠處理不規(guī)則的四邊形。這些優(yōu)點(diǎn)，使扇形傳感器在很多情況下得到了很好的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]王少峰，陳麗娜.多點(diǎn)觸摸技術(shù)領(lǐng)域中國(guó)專利申請(qǐng)分析[J].中國(guó)發(fā)明與專利，2011（11）：53-56.

[2]遲健男，王志良.多點(diǎn)觸摸人機(jī)交互技術(shù)綜述[J].智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2011（01）：29-37.

[3]HP.Touchsmart//http：//www.hp.com/united-states/campaigns/touchsmart/，2012.

[4]Moeller J，Kerne A，Damaraju S.Zerotouch：A Zero-thickness OpticalMulti-touch Force Field[A]//InProceedings of the 2011 annual conference extended abstracts on Human Factors in Computing Systems，Vancouver，2011：1165-1170.

[5]Han J.Low-cost multi-touch sensing through frustrated total internal reflection[A]//In Proceedings of the 18thannual ACM symposium on User interface software andtechnology，Seattle，2005：115-118.

[6]Echtler F.，Dippon A.，T?nnis M.，Klinker G.Inverted FTIR：Easy Multitouch Sensing for Flatscreens[A]//InProceedings of the ACM International Conference on Interactive Tabletops and Surfaces，Banff Alberta，2009：29-32.

[7]Echtler F，Pototschnig T，and Klinker G.An Led-based Multitouch Sensor for LCD Screens[A]//In Proceedingsof the fourth international conference on Tangible， embedded，and embodied interaction，Cambridge，2010：227-230.

作者簡(jiǎn)介：蘇志同（1963-），男，河北新河人，教授，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字媒體技術(shù)。

作者單位：北方工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100144