1.2.3　VR系统硬件设备

VR系统的硬件设备是VR系统的重要组成部分。普通计算机难以满足虚拟现实高度沉浸感的要求，需要专业的VR系统生成设备。此外，传统的键盘、鼠标、显示器等输入输出设备同样无法满足VR系统的交互式需求，因此，必须使用特殊的输入和输出设备，才能让用户在沉浸式虚拟环境中更自然地进行交互[47]。

下面从VR系统的生成设备、输入设备和输出设备三个方面对VR系统硬件设备进行介绍。

1．虚拟现实系统的生成设备

虚拟现实系统的生成设备主要是用于创建虚拟环境的计算机，计算机设备的性能决定了虚拟现实系统的性能。虚拟现实系统需要计算机具备高速的中央处理器（central processing unit，CPU）和图形处理单元（graphics processing unit，GPU）处理能力，CPU对于计算机运算能力的提升有着直接的影响，GPU主要用于图形的绘制，决定了绘制效果好坏；此外，内存的速度和容量决定了系统处理图形的性能，虚拟现实系统往往需要大量内存的支持；系统输入／输出（I/O）同样重要，影响着各个模块之间的数据传输速率。下面根据计算机性能的优劣对虚拟现实系统的生成设备进行介绍。

1）高性能个人计算机

随着计算机技术的飞速发展，高性能个人计算机的出现能够在一定程度上满足虚拟现实系统的开发，它一般具有多个处理器，此外为了满足实时绘制需求，还配备了多个图形加速卡。常见配置为：第六代英特尔酷睿i7处理器、32GB以上内存、256GB以上固态硬盘、2TB以上机械硬盘、高性能显卡（8GB以上显存，320GB/s显存带宽）等。

高性能个人计算机往往配备多个图形加速卡，是一种专门进行图形运算的图像适配卡，用于图形图像绘制和处理。能够极大地降低图形管理为CPU带来的压力。目前市场上主流图形加速卡有：NVIDIA GRID系列和NVIDIA Tesla系列加速卡，以及Radeon系列加速卡。高性能个人计算机主要应用于家庭生活娱乐方面，能够足不出户地利用虚拟现实技术体验沉浸式的游戏和观看全景视频，满足个人用户对虚拟现实技术的好奇和探索。

2）高性能图形工作站

高性能图形工作站是一种专业从事图形图像处理的高档次专用计算机的统称。与普通计算机相比，具有更强的计算能力、更大的磁盘空间、更快的数据交换速率。图形工作站在大型虚拟系统开发方面具有一定优势。评价图形工作站的性能指标有如下四方面：

（1）specfp95系统浮点数运算能力指标，specfp95数值越高，系统的三维图像处理能力越强。

（2）xmark93是系统运行x-windows性能的度量。

（3）plb分为plbwire93和plbsurf93，是由specino gpc分会制定的标准。plbwire93表示几个常用3D线框操作的几何平均值，而plbsurf93表示几个常用的3D面操作的几何平均值。

（4）OpenGL绘制能力。OpenGL常用的性能指标有两个：cdrs和dx。其中，cdrs包含7种不同的测试，是关于3D建模和再现的度量，它是以美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，PTC）的caid应用为基准的。dx则基于IBM的通用软件包Visualization Data Explorer，用于科学数据可视化和分析的能力测定，它包含10种不同的测试，通过加权平均来得出最终值。

目前市场上主要的图形工作站供应商包括惠普、戴尔、联想等公司。

高性能图形工作站主要应用于专业产品设计开发，能够在产品的早期设计阶段通过虚拟现实技术为后续的产品开发提供专业的指导意见，帮助开发者降低产品的研发成本。

3）高度并行计算机

高度并行计算机又称为超级计算机，是能够执行一般个人计算机无法处理的大量数据与高速运算的计算机。超级计算机和普通计算机的构成组件基本相同，但在性能和规模方面却有差异。超级计算机的主要特点包含两个方面：极大的数据存储容量和极快速的数据处理速度。在密集计算和海量数据处理等领域有着巨大作用。对于具有高度真实感、大规模的虚拟现实系统的开发，超级计算机有着重要意义。

超级计算机具备很强的数据处理能力，一般采用涡轮式设计，每一个刀片就是一个服务器，不同的服务器之间能够实现协同工作，并且能够根据实际开发的需求，动态调整服务器规模。随着各种技术的蓬勃发展，超级计算机已经成为世界各个国家在经济和国防方面的竞争利器。经过我国科研工作人员几十年的努力，2009年，我国成为美国之后第二个可以独立研制千万亿次超级计算机的国家。尤其在2016年神威太湖之光的出现，标志着我国已经在超级计算机领域处于世界领先地位。

2019年，我国在超级计算机的排名中占有两个位置，分别是排名第三的“神威·太湖之光”（Sunway TaihuLight）和排名第四的“天河二号”（TH-2），如图1-17所示。“神威·太湖之光”已经全部使用国产CPU，我国成为继美国、日本之后全球第三个采用自主CPU建设千万亿次超级计算机的国家。“天河二号”的硬件系统由计算阵列、服务阵列、存储子系统、互联通信子系统、监控诊断子系统等五大部分组成。

超级计算机在大规模复杂产品的仿真模拟方面有着巨大的优势。国产大飞机C919的全机空气动力学验证在“天河二号”上完成，2年的气动优化实验6天就能够完成，节省了大量时间和成本[47]。

4）分布式网络计算机

分布式网络计算机将计算任务通过网络分配给与之连接的多个工作站，通过互联网技术，可以在不同的物理位置进行协同任务的开发，每个用户可以通过网络访问共享数据，也可以对共享数据进行修改。根据分布式网络中不同节点之间的连接顺序，可以将分布式网络计算机简单划分为4种类型：单中心服务器，所有的客户端都连接到一个中心服务器上，服务器主要负责客户端任务的协调；多服务器环型网，用多个服务器代替中心服务器，每个服务器均具备协调客户端的能力，能够降低单中心服务器的压力；点到点局域网（local area network，LAN），不同的客户端之间通过用户数据协议（user data protocol，UDP）的方式进行连接，任何一个客户端都可以与其他客户端进行信息交流；混合点对点广域网（wide area network，WAN），使用代理服务器的网络路由器把多播信息打包成单播包，再发送给其他路由器，本地代理服务器负责解包后，再以多播形式发送给本地客户。分布式网络计算机能够为产品异地协同设计提供更加便利的途径，同时也为异地协同模拟提供了重要的平台支撑。

由于军事模拟训练的需求，分布式虚拟现实系统的相关研究快速启动和发展。但它综合应用了计算机网络技术、虚拟现实技术、数据库等多学科专业技术知识，导致系统的开发难度较大。美国国防部资助的大规模分布式虚拟战场环境项目——联合仿真系统（joint simulation system，JSIMS），支持多兵种联合演练，目的是实现各兵种之间的联合军事训练。

2．虚拟现实系统的输入设备

虚拟现实系统的输入设备指的是用来输入用户发出的动作，使得用户能够操作虚拟场景的设备。大多数输入设备具有传感器，可以采集用户行为，然后转换为计算机信号来驱动场景中的模型，从而实现人与虚拟现实系统之间的交互。

1）位置跟踪设备[48]

位置跟踪设备是实现虚拟现实系统中最常用的输入设备，通过及时准确地获取人的动作信息、位置信息等，将获得的信息转换为计算机可接受的信号，然后传递至虚拟现实系统中。位置跟踪设备通过采用六自由度来描述对象在三维空间中的位置和方向，三维空间的六自由度分别为沿着x轴、y轴和z轴的3个平移运动，以及分别绕着x轴、y轴和z轴的3个旋转运动，如图1-18所示。

位置跟踪设备的种类包括机械式跟踪设备、电磁波跟踪设备、超声波跟踪设备、光学式跟踪设备、惯性位置跟踪设备和混合位置跟踪设备。

（1）机械式跟踪设备。机械式跟踪设备是采用机械装置来跟踪和测量运动轨迹，一般由多个关节组成串行或者并行的运动结构，每一个关节可以带有一个高精度传感器。测量原理是通过传感器测得每一个关节角度的变化，然后根据关节之间的连接关系计算得到末端点在空间的位置和运动轨迹，进而得到跟踪对象的位置。

机械式跟踪设备一般配合光电编码器使用。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成的，原理是通过对光栅盘进行等分，然后通过计算获得的脉冲数即可以得到转动的角度。

机械式跟踪设备的优点包括简单易用、精度稳定可靠、抖动小、没有遮挡问题。缺点则包括工作范围受机械尺寸限制、连杆过长会降低对机械振动的敏感性、长时间操作会增加操作者疲劳度等。

（2）电磁波跟踪设备。电磁波跟踪设备是一种非接触式空间跟踪设备，一般由电磁波发射器、接收传感器和数据处理单元组成。电磁波跟踪设备是利用电磁波的强度进行位置姿态跟踪。首先由电磁波发射器发射电磁波，跟踪对象身上佩戴若干个接收器，在接收到电磁波之后，将电磁波信号转换为计算机可接收的信号，然后处理器经过计算之后得到每一个接收器在三维空间中的位置姿态。

电磁波跟踪设备的优点包括成本低、体积小、质量轻、使用简单、敏感性不依赖于跟踪方位、不受视线阻挡的限制。缺点则包括延迟长、抗干扰性差、容易受到金属物体和其他电磁场影响。

（3）超声波跟踪设备。超声波跟踪设备同样是一种非接触式位置测量设备，其原理是通过发射器发射高频超声波脉冲来确定接收对象的三维空间位置。超声波设备一般采用20kHz以上的频率，人耳无法听到这个频段的超声波，对人产生的干扰很小。超声波跟踪设备一般由3个超声波发射器、3个超声波接收器和同步信号控制器组成。发射器一般安装在场景上方，接收器安装在被测物体上。测量原理是基于三角测量，常用的两种测量方法是：飞行时间法和超声波相干测量法。通过周期性地激活每个发射器，计算发射器到3个接收器的距离，最后由控制单元计算得到物体的位置和方向。

超声波跟踪设备的优点包括不受环境磁场的影响、成本低。缺点则包括更新频率较低、超声波信号在空气中的传播衰减快、工作范围受限、背景噪声和其他超声源会破坏跟踪器信号。

（4）光学式跟踪设备。光学式跟踪设备也是一种非接触式位置测量设备，通过光学感知来确定对象的实时位置和方向。光学式跟踪设备由发射器（光源）、接收器（感光设备）和信号处理控制器组成。它的测量原理也是基于三角测量。

光学式跟踪设备的实现分为3种技术系统：标志系统、模式识别系统和激光测距系统。

· 标志系统是通过特殊标志来获得空间位置姿态的方法。该方法又分为两种：“从外向里看”的方式，在被跟踪运动物体上安装一个或多个发射器，由固定传感器从外面观测发射器运动，从而得到被跟踪物体的位置和姿态；“从里向外看”的方式，在被跟踪的对象上安装传感器，发射器的位置是固定的，装在运动物体上的传感器从里向外观察固定的发射器，从而得到自身在三维空间的位置和姿态。

· 模式识别系统是把发光设备按照某一阵列排列，并将其固定在被跟踪对象上，然后由摄像机记录运动阵列模式的变化，通过与标准样本比较从而确定对象在三维空间的位置和姿态。

· 激光测距系统是将激光通过衍射光栅发射到被测对象上，然后接收经过物体表面反射的二维衍射图的传感器记录，根据衍射圈的畸变计算对象在三维空间的位置和姿态。

光学跟踪设备的优点包括高精确度、使用机动性好。缺点则包括容易受环境影响，例如遮挡、室外大雾天气等。

（5）惯性位置跟踪设备。惯性位置跟踪设备主要由定向陀螺和加速度计组成。定向陀螺用于角速度测量，通过3个正交定向陀螺能够测量得到偏航角速度、俯仰角速度和滚转角速度，角速度经过一次积分计算可以得到对应的方位角。加速度计用来测量3个方向上的平移速度的变化，即x、y、z方向的加速度值，对加速度值进行两次积分计算可以得到对应的位置信息。

惯性位置跟踪设备的优点包括：完全通过运动系统内部的信息计算得到物体在三维空间的位置和姿态，不涉及外部环境，安装拆卸方便，没有光线要求的运动追踪，可以在户外、办公室等大多数环境中使用。缺点则包括：三维空间位置和姿态信息通过积分计算得到，定位误差会随时间增大，长期使用时无法保证系统精度，且每次使用之前需要较长时间的初始化对准。

（6）混合位置跟踪设备。混合位置跟踪设备采用两种或者两种以上的跟踪设备来进行物体跟踪计算，结合多种跟踪设备的优点，能够很好地避免采用单一跟踪设备带来的计算误差。一般情况是惯性位置跟踪设备与其他跟踪设备的结合，所以通常也称为混合惯性跟踪设备。典型的混合惯性跟踪设备是由惯性位置跟踪设备和超声波跟踪设备结合而成。混合位置跟踪设备的关键技术是传感器融合算法，将不同传感器采集得到的数据进行融合计算，得到三维空间的位置和姿态信息。

混合位置跟踪设备的优点包括：通过改进更新率、分辨率和抗干扰性可以预测50ms的运动，具备快速响应和无失真优势。缺点则包括：工作空间受限制、要求视线不受遮挡，对温度、气压和湿度有一定的要求。

2）数据手套

在现阶段虚拟现实系统开发过程中，常用到的跟踪设备是数据手套。数据手套通过传感器能够理想地感知人手在三维空间的位置和姿态，也能够感知每一根手指的运动，从而为用户提供虚拟现实环境下的更加自然的交互方式。数据手套的出现，为虚拟现实提供了一种更为接近人类感知习惯的交互工具，不仅更加符合人类对于细微虚拟现实场景中的操作习惯，同时也更好地适应了人类较为敏感的手部神经，以获得更好的体验感和交互性，是一种能够获得接近真实体验的三维交互手段。

数据手套主要由弯曲传感器组成，弯曲传感器由柔性电路板、力敏元件、弹性封装材料组成，通过导线连接至信号处理电路。数据手套为用户提供了一种更加直观和通用的交互方式，能够有效地增强用户沉浸感体验。常用数据手套有5DT数据手套、CyberGlove数据手套、WiseGlove数据手套等。

5DT数据手套[49]设计的目的是为了满足现代动作捕捉和动画制作等专业人士的要求，易于使用、轻巧舒适。每根手指包含2个传感器，能够很好地记录手指的弯曲程度，并且很好地区分不同手指之间的外围轮廓。采用无线连接与计算机进行通信，最远通信距离可达20m。

CyberGlove数据手套[50]采用了前所未有的弹性传感技术，增加了数据采集的可靠性。通过对新HyperSensorTM专利技术进行重大改进，手部动作捕捉数据相对简洁，并且可以重复使用，因此更加准确。通过Wi-Fi进行通信使设备具有更好的连接性，并使设备操作范围超过30m。

WiseGlove数据手套[51]采用目前领先的压电传感器技术，配合弹力网孔布面料制作而成，和许多其他虚拟现实数据手套一样，可用于准确测量人手姿态，如搓捻、对掌、屈伸、收展等复杂动作。可以快速建立适合自己的人手骨骼动画模型。适用于人手运动捕捉、手骨骼动画模型建模、机器手的控制应用。WiseGlove数据手套系列产品的设计能满足从事运动捕捉和动画工作专家的需求，其使用简单，佩戴舒适，应用范围广。

3）动作捕捉设备

动作捕捉设备是位置跟踪设备的一个特殊应用。动作捕捉设备通过在运动物体的关键部位设置跟踪器，然后进行多个位置的采集，最后经过计算机处理后得到三维空间坐标的数据。动作捕捉设备能够为虚拟现实中的对象提供更加真实的动作仿真。动作捕捉设备根据跟踪设备的种类，可以划分为机械式、电磁式、光学式、声学式和惯性式。技术原理与前面介绍的跟踪设备一样，在此不再赘述。

最常用的动作捕捉设备是数据衣，数据衣通过在不同的关节位置安装大量的传感器，来获取人体不同关节位置的运动，最后由软件计算得到完整的三维运动数据，从而得到人体的运动信息。数据衣可以对人体大约50个关节进行测量，包括膝盖、手臂、躯干和脚。数据衣的缺点是分辨率低、有一定的采样延迟、使用不方便等。

4）快速建模设备

快速建模设备是一种能够快速建立3D模型的辅助设备，是虚拟现实系统模型的主要来源之一，主要包含3D扫描仪和3D摄像机，如图1-19所示。

3D扫描仪能够快速、方便地将真实世界的物理信息转换为计算机能够直接处理的数字模型，根据测量方式，可以将3D扫描仪分为接触式3D扫描仪和非接触式3D扫描仪。

（1）接触式3D扫描仪通过实际触碰物体表面的方式获取物体信息，有代表性的接触式3D扫描仪是三维坐标测量机。它的工作原理是将测量探针安装在一个具有三自由度的机构上，通过控制机构的运动，对物体表面进行接触式测量。它能够对物体整个表面进行精确测量，测量精度较高，但是由于扫描过程必须对物体进行接触，因此无法对柔软的物体进行测量。

（2）非接触式3D扫描仪通过非接触式方法进行扫描测量，无需触碰物体表面，能够很好地保护被测物体，并且具有速度快、容易操作等特点。非接触式3D扫描仪一般分为激光式和光学式。

3D摄像机是利用3D镜头，拍摄3D立体视频和图像的虚拟现实设备。通常采用两个摄像头进行拍摄，摄像头的间距与人两眼之间的间距类似，能够模仿拍摄出类似人眼所看到的针对同一场景的不同图像。3D摄像机拍摄得到的图像在播放时，通过对图像进行叠加来模拟人眼观察到的立体效果。

3．虚拟现实系统的输出设备

为了能够在虚拟现实系统中获得与真实世界一样的效果，虚拟现实系统需要通过输出设备将虚拟环境中的各种信号转换为人能接收的不同类型的信号。因此，一般将虚拟现实系统输出设备分为视觉感知设备、听觉感知设备、触觉和力反馈设备、其他输出设备。

1）视觉感知设备

据统计，人类对客观世界的感知信息有75%~80%来自视觉，因此视觉感知设备是虚拟现实系统中最重要的感知设备之一。人之所以能够感受三维空间的信息是因为两只眼睛在观察场景时，观察的位置和角度存在一定的差异，称为双眼视差。人的大脑能够通过这种图像差异来判断物体在三维空间的位置，从而使人产生三维立体视觉。

常用的虚拟现实视觉感知设备有立体眼镜系统、头盔显示器、CAVE系统、墙式投影、吊杆式显示器。

（1）立体眼镜系统。立体眼镜系统包含立体显示器和立体眼镜，如图1-20所示。立体显示器与一般的显示器没有太大差别，主要区别是立体显示器具有更高的刷新频率，能够采用两倍于正常扫描的速率刷新显示，并且采用分时显示技术，交替显示两幅图像。这两幅图像通过特殊的算法生成，具有一定差异。立体眼镜采用一定的方式，在观察立体显示器时，左右眼能够分别获得不同的图像，配合人眼自身的视觉暂留特性，从而在人脑中形成一种立体图像。

根据立体眼镜呈现图像的方式，一般将立体眼镜分为被动立体眼镜和主动立体眼镜。被动立体眼镜采用两片正交的偏振光过滤片，分别放置在左右两个镜片之前，在接收图像时，每个眼镜仅允许通过与偏振片方向平行的图像，从而达到左右眼显示不同图像的功能。主动立体眼镜需要配合发射器使用，当显示器显示左侧图像时，发射器控制左侧眼镜处于开启状态，并控制右侧眼镜处于闭合状态，反之亦然。轮流切换左右眼镜的通断状态即可实现左右眼分别看到左右图像的效果。

（2）头盔显示器（HMD）。头盔显示器是虚拟现实系统中最早开发的设备之一，也是目前发展最成熟的虚拟现实外设，如图1-21所示。头盔显示器能够为人提供一个封闭空间，可以带来极强的沉浸式体验。头盔一般固定在头部，头与头盔之间相对静止，头部在运动的同时，头盔也会随之运动，因此，头盔上需要配备位置跟踪器，用来实时探测头部的位置和朝向。头盔的位置信息被实时地传送到计算机进行处理，根据这些信息动态调整头盔显示器中的画面。头盔显示器一般包含两个显示器，分别用来显示左右眼图像。人的大脑通过“双眼视差”对两张图像进行融合，得到一个立体图像，从而感受到三维空间的信息。头盔显示器的显示屏与观察者的距离很小，为了使眼睛能够长时间近距离地观察图像而不产生疲劳感，并且能够放大图像使得显示器中的图像与真实世界中的尺寸差不多，需要采用一种透镜对图像进行放大处理，这种透镜被称为大跨度超视角（large expanse extra perspective，LEEP）镜片。

目前世界上主流的头盔显示器包括：三星公司生产的GearVR、HTC公司发布的HTC Vive、脸书公司生产的Oculus系列、索尼公司发布的Playstation VR等。

（3）CAVE系统。CAVE系统是一种逼真的沉浸式虚拟现实环境，综合了多通道视景同步技术、立体显示技术和三维空间整型校正算法，如图1-22所示。CAVE系统一般由多个显示屏包围而成，分别有4面式、5面式和6面式CAVE系统。用户在CAVE系统中不仅能够感受到周围环境真实的变化，还可以获得具有真实效果的三维立体声音，此外还可以通过跟踪设备与场景进行六自由度的交互操作。CAVE系统还支持多个用户同时在虚拟场景中进行观察。CAVE系统是一个非常理想的多人协同工作的虚拟现实系统。然而，由于CAVE系统价格比较昂贵，需要较大的空间和多种设备的配合，系统的维护和培训成本也很高，因此还没有普及。

（4）墙式投影。墙式投影是一种大型背投式显示设备，最常见的是立体环幕，如图1-23所示。立体环幕一般由多个通道通过拼接技术组合而成，并且具备一定的弧度。由于屏幕较大，人的视线基本被全部包围，具有高度沉浸感，而且允许多人同时体验虚拟现实环境。目前，许多高档电影院都配备了立体环幕，观众通过佩戴立体眼镜，便能够欣赏立体电影。它为观众带来更宽的视野、更多的显示内容、更高的显示分辨率以及更具冲击力和沉浸感的视觉效果。它的成本相对低廉，因此普及性较高。

（5）吊杆式显示器。吊杆式显示器也被称为双目全方位显示器（binocular omniorientation monitor）。通过一个吊杆将两个显示器捆绑在一起，由两个相互垂直的机械臂进行固定，能够让显示器在半径约为2m的空间中进行活动。在吊杆的每个节点处都有三维位置跟踪设备，能够获得显示器在移动过程中的三维空间位置和姿态，从而为用户动态更新图像。由于吊杆式显示器受空间的限制较小，因此，允许配备高分辨率显示器，相对于HMD有着更好的显示效果。缺点是机械臂对于用户的运动有影响，而且在支架的中心会产生“死区”，用户的工作区域会有一定损失。

2）听觉感知设备

听觉也是人类感知外部世界的主要方式之一，是除了视觉之外的第二大感官。通过在虚拟现实环境中增加三维立体声音，能够极大地增强用户在虚拟现实环境中的沉浸感体验。三维立体声音具备方位感、分布感，能够提高信息的清晰度和可感知度，提高周围环境的层次感。三维立体声音是对真实世界声源的真实模拟，声源不仅具有位置信息、方向信息，还包含了声音传播的衰减信息。通过三维立体声音，用户能够在虚拟现实环境下感受到声音从周围的任意空间传播到耳朵，并且能够比较准确地感受到声源相对用户的距离和方向等信息。三维立体声音在虚拟训练中有着非常重要的作用，比如在军事训练中，通过三维立体声，能够快速地判断敌人的位置，从而做出快速响应。

三维立体声音是通过模拟人耳的听觉来实现的。人的双耳之间有着一定的距离（大约17cm），通过判断声音传播到双耳之间的时间差、强度差、相位差，人的大脑能够根据这个时间差判断出声源的位置和方向等信息，这一理论被称为“双耳效应”，双耳效应主要受以下4个因素影响：声音传播到双耳的时间差、声音传播到双耳的强度差、声音低频分量由于时间差产生的相位差、头骨对高频分量的遮蔽作用产生的音色差。听觉设备需要配合视觉设备使用，在目前的虚拟现实系统中，听觉设备主要为耳机和扬声器。前者主要用于头戴式视觉设备的使用，后者用于其他需要声音外放的视觉设备使用。

扬声器能够为更多的用户提供虚拟现实环境下的三维立体声，一般通过两个扬声器配合使用，通过控制两个扬声器声音输出的顺序、强弱等生成三维立体声音。由于扬声器在使用过程中是固定放置的，因此，仅能够为某一区域的用户带来较为真实的三维立体声音体验，对于处于该区域之外的用户，三维立体声音可能会存在一定的误差，甚至会出现混乱的现象。除此之外，扬声器的摆放位置也会影响虚拟现实系统的使用。如果将扬声器放置在显示设备之前，会在一定程度上影响用户的视觉效果；如果将扬声器放置在显示设备之后，则会在一定程度上影响声音的输出。因此，如何为扬声器选择合适的摆放位置是十分关键的。

耳机只能为一个用户提供三维立体声音，使用起来更加方便，能够跟随用户进行移动。耳机不受用户位置的限制，因此无论多少人同时佩戴耳机，用户都可以听到完全一样的三维立体声。此外，由于耳机能够给用户提供一个相对封闭的空间，所以受周围环境的影响较小，同时也能够为用户带来更加高品质的三维立体声音效果。但是长时间佩戴，会增加用户头部和双耳的负担。

3）触觉和力反馈设备

触觉同样是人体重要的感觉之一，通过皮肤表面散布的触点感受来自外部的温度、压力等。虚拟现实环境中常用的触觉和力反馈设备包括接触反馈设备和力反馈设备。

接触反馈设备用来感受接触表面的几何结构、硬度、湿度、温度等非力学信息。这类设备一般分为充气式接触手套和震动式接触手套。

（1）充气式接触手套使用可充气气囊作用于手指产生触觉，通过小型气阀、伺服电机等将空气输送到位于手指的气囊，通过控制电路板采集气囊与外部表面的接触产生的变化，转换为计算机可识别的信号。

（2）震动式接触手套通过将触觉转化为震动感获得虚拟现实环境中的信号。通过在手掌以及指尖部位安装若干个制动器，使其按照不同的频率和强度独立震动，从而精准地模拟触感。此外，在手掌、手指上还会分布多个传感器，检测震动强度，虚拟现实系统会根据采集的信号动态调整震动强度。

力反馈设备用来感受接触表面的压力等力学信息。力反馈设备一方面能够利用跟踪设备测量用户在使用过程中的位置信息，并将其实时传送给计算机；另一方面能够接收来自计算机的力觉信号，将信号通过力反馈设备转换为压力反馈给用户。力反馈设备能够对操作者的手掌、手指、手腕、手臂等产生压力，让操作者感受到作用力的大小和方向。常用的力反馈设备包含力反馈鼠标、力反馈手臂、力反馈手套。

（1）力反馈鼠标是能够为用户带来力反馈信息的鼠标，其操作方式与普通鼠标类似，区别是当力反馈鼠标接触到不同物体时能够产生不同的震动效果，从而可以使用户感受到物体的材质、纹理、弹性等信息。其功能简单，主要用于娱乐游戏行业。

（2）力反馈手臂能够仿真物体重量、惯性和与刚性物体的接触。日本筑波人机交互实验室（MITI）研制出专为虚拟现实仿真设计的力反馈手臂。手臂有4个自由度，设计紧凑，使用直接驱动的电驱动器。力反馈手臂传感器能够测量施加在手臂上的力和力矩信息，被广泛地用于实验室研究。

（3）力反馈手套是带有力反馈的数据手套，其集成了传感器和位置控制器，不仅能够为操作者带来触觉反馈，还能够为操作者提供压力反馈，进而帮助操作者更好地感知虚拟现实环境。