【摘 要】數(shù)據(jù)手套是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中重要的人機(jī)交互工具。近年來，隨著研究的深入，數(shù)據(jù)手套的性能越來越完善，種類也覆蓋到其應(yīng)用的各個(gè)方面。本文首先對虛擬現(xiàn)實(shí)的概念及特點(diǎn)進(jìn)行了簡要介紹，其次對數(shù)據(jù)手套的概念、研究現(xiàn)狀及市面上流行的數(shù)據(jù)手套進(jìn)行了綜述，最后闡明了數(shù)據(jù)手套的發(fā)展方面。

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)手套 虛擬現(xiàn)實(shí) 力反饋

一、引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與生活水平的提高，人們對如何使先進(jìn)技術(shù)服務(wù)于生活越來越重視。虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality， VR）技術(shù)為此提供了一條嶄新且更好的途徑。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)建立一個(gè)逼真的虛擬環(huán)境，用戶在其中通過視、聽、觸、嗅等感官獲取對周圍環(huán)境的感知，以達(dá)到身臨其境的感覺。此技術(shù)在教育、軍事、娛樂等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。數(shù)據(jù)手套（Data Glove）作為重要的虛擬現(xiàn)實(shí)交互工具，讓用戶更自然的與虛擬環(huán)境進(jìn)行人機(jī)交互，給用戶帶來更好的沉浸感。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的目的是對真實(shí)世界進(jìn)行模擬。它在計(jì)算機(jī)中根據(jù)真實(shí)物體建立三維模型，利用圖像、音頻、視頻等手段增強(qiáng)模擬效果，借以人機(jī)交互設(shè)備完成用戶與虛擬環(huán)境的交互，最終達(dá)到給用戶身臨其境的感覺。

虛擬現(xiàn)實(shí)具有如下特征：

（一）多感知性（Multi-Sensory）

傳統(tǒng)的用戶交互方式多為單一的視覺和聽覺感知，相比之下，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)借助人機(jī)交互設(shè)備，可具有視覺、聽覺、觸覺、運(yùn)動感知，甚至是嗅覺感知。多種感知相配合，可給用戶帶來更強(qiáng)烈的沉浸感。

（二）沉浸感（Immersion）

沉浸感是指用戶在使用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)時(shí)，感覺虛擬環(huán)境的真實(shí)程度。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使用戶難以分辨出其所在的是真實(shí)世界還是虛擬環(huán)境。優(yōu)秀的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)具有所有真實(shí)世界的特點(diǎn)，比如玻璃杯會受重力作用，且掉到地上應(yīng)該摔碎。

（三）交互性（Interactivity）

在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，用戶通過人機(jī)交互設(shè)備，可以與計(jì)算機(jī)進(jìn)行自然交互的程度。例如真實(shí)世界中用戶利用數(shù)據(jù)手套做出抓起物體動作，計(jì)算機(jī)的虛擬環(huán)境中應(yīng)有相應(yīng)的虛擬手抓起了物體的三維模型，同時(shí)用戶應(yīng)感覺到物體的重量。

（四）構(gòu)想性（Imagination）

構(gòu)想性指用戶在虛擬環(huán)境中具有可拓展的想象空間。如用戶將思考的結(jié)果通過交互設(shè)備輸入到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)再將處理結(jié)果通過虛擬環(huán)境呈現(xiàn)給用戶，用戶再次學(xué)習(xí)，形成一個(gè)學(xué)習(xí)-創(chuàng)造-再學(xué)習(xí)-再創(chuàng)造的良性循環(huán)，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)就達(dá)到了理想的拓展用戶學(xué)習(xí)潛能的目的。

虛擬現(xiàn)實(shí)中常用的人機(jī)交互設(shè)備包括數(shù)據(jù)頭盔、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣、圖形眼鏡、立體聲耳機(jī)、腳踏板等，當(dāng)然還有為特殊項(xiàng)目定做的交互設(shè)備，如模擬汽車駕駛操作的方向盤、掛檔裝置、剎車離合踏板等。本文將針對數(shù)據(jù)手套展開討論。

三、數(shù)據(jù)手套

（一）概述

數(shù)據(jù)手套是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中重要的人機(jī)交互設(shè)備，它可以捕捉人手的動作與姿態(tài)信息，將信息傳遞給虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，在系統(tǒng)中再現(xiàn)用戶手部的動作與姿態(tài)。數(shù)據(jù)手套的外觀與普通手套類似，但其材質(zhì)中具有捕獲手部信息的特殊材質(zhì)，通過計(jì)算機(jī)通用接口（USB接口、藍(lán)牙等）實(shí)時(shí)傳遞給虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，使系統(tǒng)中的虛擬手的動作和姿態(tài)實(shí)時(shí)更新，完成流暢的人機(jī)交互操作。

數(shù)據(jù)手套按功能分類可以分為虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)手套和力反饋數(shù)據(jù)手套。虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)手套為具有基本功能的數(shù)據(jù)手套，即采集手的姿態(tài)與動作信息。力反饋數(shù)據(jù)手套比虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)手套增加了力反饋功能，即虛擬手與物體發(fā)生碰撞時(shí)用戶的手能感受到手套發(fā)出的震動。此功能可使數(shù)據(jù)手套模擬用戶手的操作過程更真實(shí)。

目前數(shù)據(jù)手套產(chǎn)品都不具備獲取空間位置信息功能，數(shù)據(jù)手套可配合位置跟蹤器使用以達(dá)到獲取空間位置信息的目的。

（二）研究現(xiàn)狀

由于數(shù)據(jù)手套應(yīng)用前景大好，國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)對其做了大量的研究工作，取得了顯著地成果。

解放軍理工大學(xué)于2002年研制成功了一款數(shù)據(jù)手套DataGlove，它針對手指關(guān)節(jié)的彎曲和外展問題研制了光學(xué)行程傳感器和光纖彎曲傳感器，這兩款傳感器精度好，測量可靠，傳感器體型細(xì)小，布置緊湊，手套佩戴舒適，輕便易用；這款數(shù)據(jù)手套使用OpenGL的雙緩沖技術(shù)回執(zhí)三維圖像，避免了因刷新頻率低而造成的圖像閃爍現(xiàn)象。但對于不同的用戶，手套需要重新校正。為了避免因手套滑動帶來的誤差，在使用過程中也需要重新校正。

廣州工業(yè)大學(xué)的潘燕彬?qū)θ绾螌?shù)據(jù)手套用于虛擬助產(chǎn)手術(shù)訓(xùn)練進(jìn)行了研究。她們對人手的結(jié)構(gòu)及手術(shù)場景進(jìn)行了分析，構(gòu)建了逼真的虛擬手及手術(shù)場景的模型，并實(shí)現(xiàn)了對虛擬手的動態(tài)控制，制定了虛擬手術(shù)訓(xùn)練虛擬手的操作規(guī)則。最后以Eon Studio作為虛擬現(xiàn)實(shí)平臺，配合3ds-max作為建模工具，結(jié)合5dt DataGlove作為人機(jī)交互工具，實(shí)現(xiàn)了虛擬助產(chǎn)手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)的交互部分的開發(fā)工作。但此系統(tǒng)不具備力反饋效果，且因手術(shù)模型眾多，實(shí)時(shí)交互的系統(tǒng)開銷大，對系統(tǒng)手術(shù)操作的實(shí)時(shí)性有一定影響。

揚(yáng)州大學(xué)的張銳等研發(fā)了一種基于磁場力的力反饋數(shù)據(jù)手套。它的力反饋原理是利用兩個(gè)垂直配置的電磁鐵相互配合提供反饋力。當(dāng)接收到反饋信號時(shí)，垂直方向的電磁鐵吸合，水平方向的電磁鐵產(chǎn)生電磁力，提供反饋力。此方法的力反饋數(shù)據(jù)手套的優(yōu)點(diǎn)在于整體結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，工作電壓低，使用安全，便于控制，反饋力可調(diào)，利用電磁鐵自身實(shí)現(xiàn)手套機(jī)械裝置的制動。但反饋力在傳遞到指尖的過程中存在力的流失，需進(jìn)一步研究優(yōu)化。

（三）市面流行的數(shù)據(jù)手套

經(jīng)過一段時(shí)間的發(fā)展，目前市面上可供購買的數(shù)據(jù)手套種類已較為豐富，如5DT、CyberGlove、Measurand、X-IST等。數(shù)據(jù)手套的功能已比較全面，但由于受技術(shù)及材料的影響，價(jià)格普遍偏高。

5DT是數(shù)據(jù)手套的資深廠商，其品牌很具權(quán)威性。目前其產(chǎn)品分為兩類，即5傳感器和14傳感器。每種傳感器的手套又分左手和右手，共有四種產(chǎn)品。5DT數(shù)據(jù)手套可通過手指上的傳感器對手指彎曲度進(jìn)行測量，從而獲得手的姿態(tài)信息。此手套佩帶舒適、簡單易用、獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量高，適合大部分項(xiàng)目對數(shù)據(jù)手套的要求。

CyberGlove是較為完備的數(shù)據(jù)手套系列，它的每只手套具有18或22個(gè)傳感器，測量精度極高。它擁有CyberGlove公司獨(dú)立版權(quán)的抗彎曲感應(yīng)技術(shù)，可將手的動作精確地轉(zhuǎn)化為數(shù)字化數(shù)據(jù)，傳遞給計(jì)算機(jī)。手套由彈性面料制成，手掌為網(wǎng)布設(shè)計(jì)，舒適性和透氣性俱佳。但價(jià)格較為昂貴。

Measurand數(shù)據(jù)手套由傳感器數(shù)據(jù)捕捉組件和手套組件兩部分構(gòu)成。手套組件采用皮質(zhì)材料，方便配帶，不同手型尺寸的人可更換適合的手套。傳感器組件配有韌性極強(qiáng)的條帶，與手套組件靈活拆卸，使手套對不同手型尺寸的用戶適應(yīng)度極高。Measurand手套具有40傳感器，測量精度極高。

X-IST數(shù)據(jù)手套系列是為音樂家、VJ和舞臺演員設(shè)計(jì)的創(chuàng)新產(chǎn)品，它可以捕捉雙手手指動作，每個(gè)手指上鉤有一個(gè)傳感器，可供測量手指的彎曲度。它還具有觸覺傳感器，可探測對物體的觸摸，并對所施加的壓力進(jìn)行測量。它具有很多midi（樂器數(shù)字接口）功能，可通過USB輸出midi文件。

四、發(fā)展方向

（一）增強(qiáng)沉浸感

虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)之一就是使用戶獲得高沉浸感，有身臨其境的感覺。數(shù)據(jù)手套雖然解決用戶與系統(tǒng)自然交互方式的問題，但還沒有達(dá)到完全自然交互的效果。首先，在硬件設(shè)備上，多數(shù)數(shù)據(jù)手套不具備采集空間位置信息設(shè)備，要配合位置跟蹤器使用。如用有線方式傳輸數(shù)據(jù)，用戶的可操作空間受限，且數(shù)據(jù)線的干擾會在一定程度上影響用戶的沉浸感。雖說大多數(shù)手套提供藍(lán)牙無線傳輸，但都會在用戶手臂上增加一個(gè)收發(fā)數(shù)據(jù)的裝置，操作上也會與人手的自然操作有一定差異。如能將數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備縮小的芯片級，用戶沉浸感會大大增加。

其次，力反饋效果與實(shí)際效果差異較大。目前的力反饋數(shù)據(jù)手套是在技術(shù)允許的條件下盡可能的模擬真實(shí)的力反饋效果，但與真實(shí)效果還有一定差距，應(yīng)在技術(shù)層面尋求突破。

第三，無觸覺效果模擬。觸覺效果是虛擬現(xiàn)實(shí)中難度較大的部分。木質(zhì)材料與金屬材料給人的觸感具有細(xì)微差異，但如果想在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中用技術(shù)還原這細(xì)微的差別，目前的技術(shù)還不能做到，需要進(jìn)一步探索。

（二）降低成本，提高質(zhì)量

雖然對數(shù)據(jù)手套的研究已經(jīng)持續(xù)了一段時(shí)間，但它還是高新技術(shù)產(chǎn)物，價(jià)格仍然偏高，這一因素在一定程度上阻礙了數(shù)據(jù)手套的推廣。而數(shù)據(jù)手套上一些硬件設(shè)備（如傳感器）的材料比較嬌貴，存在老化快，不能長時(shí)間應(yīng)用等問題，也對數(shù)據(jù)手套的發(fā)展造成一定影響。

五、結(jié)束語

傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，人機(jī)交互方式已鼠標(biāo)鍵盤交互為主，這類方式與人類的自然交互差異較大，所以虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的沉浸感較差。借助數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備，大大提高了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的人機(jī)交互效果，給用戶帶來身臨其境的感覺。然而要達(dá)到理想的自然交互效果，數(shù)據(jù)手套需要進(jìn)一步的研究，有很大的提升空間。

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