安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院　張鵬飛　李　亞　蔣亞飛　沈　剛　張　超

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一種可適用于虛擬現(xiàn)實(shí)的3D無(wú)線鼠標(biāo)的探討與設(shè)計(jì)

安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院張鵬飛李亞蔣亞飛沈剛張超

【摘要】鼠標(biāo)作為電腦的一個(gè)基本部件，扮演著重要角色?，F(xiàn)今的鼠標(biāo)即使可以脫離桌面載體的使用，其對(duì)于二維桌面環(huán)境（windows系統(tǒng)）本質(zhì)上二維平面屬性未能改變，若針對(duì)三維桌面環(huán)境，即增加可視化窗口的維度，現(xiàn)今的鼠標(biāo)在空間進(jìn)行前后運(yùn)動(dòng)未能有真實(shí)效果。所以本文是對(duì)一種可適用于虛擬現(xiàn)實(shí)的3D無(wú)線鼠標(biāo)進(jìn)行探討與設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】3D；無(wú)線鼠標(biāo)；虛擬現(xiàn)實(shí)；三維桌面

0　引言

隨著現(xiàn)今社會(huì)各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越看好便捷的可穿戴設(shè)備，加之網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅猛，無(wú)論在網(wǎng)速，還是云技術(shù)方面，以及大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，更促進(jìn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸走近人們的生活，比如從開(kāi)始的谷歌眼鏡，到現(xiàn)在還在開(kāi)發(fā)的微軟Windows Holographic，人眼已不再局限于周?chē)默F(xiàn)實(shí)生活環(huán)境，而是借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，去觸碰更遙遠(yuǎn)的不可思議的世界，我們急于解放和拓展了眼睛，也更急于解放拓展人手的功能，去觸摸或者控制人眼可看到的任何物體，這是人類(lèi)本能的欲望。我們用鼠標(biāo)控制電腦，用手點(diǎn)擊或滑動(dòng)觸摸屏來(lái)控制智能手機(jī)，信息得以輸入，設(shè)備得以控制，對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)我們也將用手去控制它，而且更加方便快捷，也更加人性化。

1　技術(shù)難點(diǎn)分析

首先是三維空間傳感器的選擇，從我們所需要解決的問(wèn)題入手，目前可進(jìn)行選擇的種類(lèi)繁多，功能單一，無(wú)法進(jìn)行人機(jī)交互和將現(xiàn)實(shí)的位移與方向的參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。

再者，對(duì)這種類(lèi)型鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)的算法設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的也是尤為困難的，程序?qū)κ髽?biāo)的傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行快速精確地分析，對(duì)鼠標(biāo)各按鍵的功能進(jìn)行明確地定義，當(dāng)然程序也要適配于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本身，能夠與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完美兼容。

還有一個(gè)關(guān)鍵就是處理器芯片，DSP是專(zhuān)做數(shù)字信號(hào)處理的芯片，運(yùn)行速度快，具有專(zhuān)門(mén)的硬件乘法器，可以用來(lái)快速的實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法，所以處理器芯片可以選用DSP處理器。

最后就是無(wú)線信號(hào)的發(fā)射與接收模塊，如今這方面發(fā)展的比較成熟，所以選擇起來(lái)較為廣泛。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，這種3D鼠標(biāo)及其系統(tǒng)，包括殼體、設(shè)置在殼體內(nèi)的處理器、為3D鼠標(biāo)供電的電源、指示鼠標(biāo)工作狀態(tài)的指示燈、與處理器連接的無(wú)線發(fā)射端口，以及按鍵一、按鍵二、按鍵三和滾輪，還包括與處理器連接的、感測(cè)鼠標(biāo)三維位置及其運(yùn)動(dòng)軌跡并將三維感測(cè)數(shù)據(jù)傳送給處理器的三維空間傳感器。三維空間傳感器感測(cè)數(shù)據(jù)后發(fā)送給處理器以得到空間坐標(biāo)軌跡，經(jīng)過(guò)處理后由無(wú)線發(fā)射端口發(fā)送，無(wú)線接收端口接收并可控制計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)指針。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

利用三維空間傳感器設(shè)計(jì)此類(lèi)3D鼠標(biāo)，通過(guò)傳感器采集位移信號(hào)，下位機(jī)電路處理信號(hào)，無(wú)線射頻通信傳輸，單片機(jī)運(yùn)算處理及程序控制實(shí)現(xiàn)被操作對(duì)象在三維空間中的任意運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)虛擬裝配或虛擬現(xiàn)實(shí)控制等操作。

3　創(chuàng)新性的改動(dòng)和優(yōu)化了鼠標(biāo)各按鍵的作用

對(duì)比于現(xiàn)在市場(chǎng)上普通的2D鼠標(biāo)，按鍵一相當(dāng)于2D鼠標(biāo)的左鍵，可進(jìn)行選定與拖動(dòng)，按鍵二相當(dāng)于2D鼠標(biāo)的右鍵，按鍵二還有特殊功能，它可以對(duì)虛擬三維空間中的任一虛擬物體進(jìn)行選定并在其原位置進(jìn)行點(diǎn)對(duì)稱(chēng)運(yùn)動(dòng)，若在虛擬三維操作系統(tǒng)中選定某一虛擬物體，長(zhǎng)按按鍵二不松，使用者手持鼠標(biāo)在現(xiàn)實(shí)空間中滑動(dòng)，此虛擬物體將在虛擬三維操作系統(tǒng)中以其幾何中心做各種翻轉(zhuǎn)作用，其區(qū)別于按鍵一只對(duì)所選定的虛擬物體進(jìn)行平行位移。

滾輪的作用與2D鼠標(biāo)相比不變，我們?cè)O(shè)計(jì)一種虛擬現(xiàn)實(shí)化操作系統(tǒng)，其內(nèi)部可產(chǎn)生二維操作界面，當(dāng)用鼠標(biāo)選定該二維操作界面，鼠標(biāo)具有2D鼠標(biāo)全部功能，此處不再贅述。

按鍵三具有特定功能，其具有復(fù)位鼠標(biāo)指針在三維桌面環(huán)境中位置的功能。這避免了由于三維空間傳感器特性，即使用者手持鼠標(biāo)做任意動(dòng)作而導(dǎo)致可視界面鼠標(biāo)指針不穩(wěn)。當(dāng)使用者點(diǎn)擊按鍵三的那一瞬間，鼠標(biāo)指針將出現(xiàn)在可視化界面的某一定點(diǎn)處，并取其作為參照點(diǎn)，這避免了可能發(fā)生的鼠標(biāo)指針丟失在虛擬三維空間環(huán)境中并難以尋找的問(wèn)題。參照點(diǎn)是視野的起點(diǎn)，參照點(diǎn)的選擇取決于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)它的設(shè)置。

如圖2所示，我們將這種3D無(wú)線鼠標(biāo)的殼體形態(tài)設(shè)計(jì)成跟日常生活隨處可見(jiàn)的筆的形態(tài)差不多，使用者可用握筆的姿勢(shì)手持該鼠標(biāo)，按鍵與滾輪的位置安排與普通的2D鼠標(biāo)相似。

圖2　3D鼠標(biāo)的結(jié)構(gòu)圖

4　結(jié)束語(yǔ)

與現(xiàn)有技術(shù)相比，這種3D鼠標(biāo)的有益效果是：其能夠脫離桌面載體，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中移動(dòng)，以控制計(jì)算機(jī)三維桌面環(huán)境的鼠標(biāo)指針模擬出在球面坐標(biāo)系的各個(gè)方向移動(dòng)，創(chuàng)新性的改動(dòng)并優(yōu)化了鼠標(biāo)各按鍵的作用，從而更有效的實(shí)現(xiàn)了人機(jī)三維交互。其具有普通二維鼠標(biāo)所有功能。隨著人們生活和生產(chǎn)更加追求個(gè)性化和舒適化，本設(shè)計(jì)在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)，并且能夠很好的滿(mǎn)足人們?nèi)找尕S富的個(gè)性化要求。

參考文獻(xiàn)

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張鵬飛（1995—），男，安徽六安人，大學(xué)本科，主要研究方向：光電信息科學(xué)與工程。

作者簡(jiǎn)介：

基金項(xiàng)目：安徽師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（201410370031）。