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【摘 要】数据手套是虚拟现实系统中重要的人机交互工具。近年来，随着研究的深入，数据手套的性能越来越完善，种类也覆盖到其应用的各个方面。本文首先对虚拟现实的概念及特点进行了简要介绍，其次对数据手套的概念、研究现状及市面上流行的数据手套进行了综述，最后阐明了数据手套的发展方面。
【关键词】数据手套 虚拟现实 力反馈
一、引言
随着科学技术的发展与生活水平的提高，人们对如何使先进技术服务于生活越来越重视。虚拟现实（Virtual Reality， VR）技术为此提供了一条崭新且更好的途径。虚拟现实技术是利用计算机建立一个逼真的虚拟环境，用户在其中通过视、听、触、嗅等感官获取对周围环境的感知，以达到身临其境的感觉。此技术在教育、军事、娱乐等领域有着广泛的应用。数据手套（Data Glove）作为重要的虚拟现实交互工具，让用户更自然的与虚拟环境进行人机交互，给用户带来更好的沉浸感。
二、虚拟现实
虚拟现实技术的目的是对真实世界进行模拟。它在计算机中根据真实物体建立三维模型，利用图像、音频、视频等手段增强模拟效果，借以人机交互设备完成用户与虚拟环境的交互，最终达到给用户身临其境的感觉。
虚拟现实具有如下特征：
（一）多感知性（Multi-Sensory）
传统的用户交互方式多为单一的视觉和听觉感知，相比之下，虚拟现实技术借助人机交互设备，可具有视觉、听觉、触觉、运动感知，甚至是嗅觉感知。多种感知相配合，可给用户带来更强烈的沉浸感。
（二）沉浸感（Immersion）
沉浸感是指用户在使用虚拟现实系统时，感觉虚拟环境的真实程度。理想的虚拟现实技术使用户难以分辨出其所在的是真实世界还是虚拟环境。优秀的虚拟现实系统应具有所有真实世界的特点，比如玻璃杯会受重力作用，且掉到地上应该摔碎。
（三）交互性（Interactivity）
在虚拟现实环境中，用户通过人机交互设备，可以与计算机进行自然交互的程度。例如真实世界中用户利用数据手套做出抓起物体动作，计算机的虚拟环境中应有相应的虚拟手抓起了物体的三维模型，同时用户应感觉到物体的重量。
（四）构想性（Imagination）
构想性指用户在虚拟环境中具有可拓展的想象空间。如用户将思考的结果通过交互设备输入到计算机中，计算机再将处理结果通过虚拟环境呈现给用户，用户再次学习，形成一个学习-创造-再学习-再创造的良性循环，虚拟现实系统就达到了理想的拓展用户学习潜能的目的。
虚拟现实中常用的人机交互设备包括数据头盔、数据手套、数据衣、图形眼镜、立体声耳机、脚踏板等，当然还有为特殊项目定做的交互设备，如模拟汽车驾驶操作的方向盘、挂档装置、刹车离合踏板等。本文将针对数据手套展开讨论。
三、数据手套
（一）概述
数据手套是虚拟现实系统中重要的人机交互设备，它可以捕捉人手的动作与姿态信息，将信息传递给虚拟现实系统，在系统中再现用户手部的动作与姿态。数据手套的外观与普通手套类似，但其材质中具有捕获手部信息的特殊材质，通过计算机通用接口（USB接口、蓝牙等）实时传递给虚拟现实系统，使系统中的虚拟手的动作和姿态实时更新，完成流畅的人机交互操作。
数据手套按功能分类可以分为虚拟现实数据手套和力反馈数据手套。虚拟现实数据手套为具有基本功能的数据手套，即采集手的姿态与动作信息。力反馈数据手套比虚拟现实数据手套增加了力反馈功能，即虚拟手与物体发生碰撞时用户的手能感受到手套发出的震动。此功能可使数据手套模拟用户手的操作过程更真实。
目前数据手套产品都不具备获取空间位置信息功能，数据手套可配合位置跟踪器使用以达到获取空间位置信息的目的。
（二）研究现状
由于数据手套应用前景大好，国内外许多研究机构对其做了大量的研究工作，取得了显著地成果。
解放军理工大学于2002年研制成功了一款数据手套DataGlove，它针对手指关节的弯曲和外展问题研制了光学行程传感器和光纤弯曲传感器，这两款传感器精度好，测量可靠，传感器体型细小，布置紧凑，手套佩戴舒适，轻便易用；这款数据手套使用OpenGL的双缓冲技术回执三维图像，避免了因刷新频率低而造成的图像闪烁现象。但对于不同的用户，手套需要重新校正。为了避免因手套滑动带来的误差，在使用过程中也需要重新校正。
广州工业大学的潘燕彬对如何将数据手套用于虚拟助产手术训练进行了研究。她们对人手的结构及手术场景进行了分析，构建了逼真的虚拟手及手术场景的模型，并实现了对虚拟手的动态控制，制定了虚拟手术训练虚拟手的操作规则。最后以Eon Studio作为虚拟现实平台，配合3ds-max作为建模工具，结合5dt DataGlove作为人机交互工具，实现了虚拟助产手术训练系统的交互部分的开发工作。但此系统不具备力反馈效果，且因手术模型众多，实时交互的系统开销大，对系统手术操作的实时性有一定影响。
扬州大学的张锐等研发了一种基于磁场力的力反馈数据手套。它的力反馈原理是利用两个垂直配置的电磁铁相互配合提供反馈力。当接收到反馈信号时，垂直方向的电磁铁吸合，水平方向的电磁铁产生电磁力，提供反馈力。此方法的力反馈数据手套的优点在于整体结构简单，重量轻，工作电压低，使用安全，便于控制，反馈力可调，利用电磁铁自身实现手套机械装置的制动。但反馈力在传递到指尖的过程中存在力的流失，需进一步研究优化。
（三）市面流行的数据手套
经过一段时间的发展，目前市面上可供购买的数据手套种类已较为丰富，如5DT、CyberGlove、Measurand、X-IST等。数据手套的功能已比较全面，但由于受技术及材料的影响，价格普遍偏高。 5DT是数据手套的资深厂商，其品牌很具权威性。目前其产品分为两类，即5传感器和14传感器。每种传感器的手套又分左手和右手，共有四种产品。5DT数据手套可通过手指上的传感器对手指弯曲度进行测量，从而获得手的姿态信息。此手套佩带舒适、简单易用、获取的数据质量高，适合大部分项目对数据手套的要求。
CyberGlove是较为完备的数据手套系列，它的每只手套具有18或22个传感器，测量精度极高。它拥有CyberGlove公司独立版权的抗弯曲感应技术，可将手的动作精确地转化为数字化数据，传递给计算机。手套由弹性面料制成，手掌为网布设计，舒适性和透气性俱佳。但价格较为昂贵。
Measurand数据手套由传感器数据捕捉组件和手套组件两部分构成。手套组件采用皮质材料，方便配带，不同手型尺寸的人可更换适合的手套。传感器组件配有韧性极强的条带，与手套组件灵活拆卸，使手套对不同手型尺寸的用户适应度极高。Measurand手套具有40传感器，测量精度极高。
X-IST数据手套系列是为音乐家、VJ和舞台演员设计的创新产品，它可以捕捉双手手指动作，每个手指上钩有一个传感器，可供测量手指的弯曲度。它还具有触觉传感器，可探测对物体的触摸，并对所施加的压力进行测量。它具有很多midi（乐器数字接口）功能，可通过USB输出midi文件。
四、发展方向
（一）增强沉浸感
虚拟现实的特点之一就是使用户获得高沉浸感，有身临其境的感觉。数据手套虽然解决用户与系统自然交互方式的问题，但还没有达到完全自然交互的效果。首先，在硬件设备上，多数数据手套不具备采集空间位置信息设备，要配合位置跟踪器使用。如用有线方式传输数据，用户的可操作空间受限，且数据线的干扰会在一定程度上影响用户的沉浸感。虽说大多数手套提供蓝牙无线传输，但都会在用户手臂上增加一个收发数据的装置，操作上也会与人手的自然操作有一定差异。如能将数据传输设备缩小的芯片级，用户沉浸感会大大增加。
其次，力反馈效果与实际效果差异较大。目前的力反馈数据手套是在技术允许的条件下尽可能的模拟真实的力反馈效果，但与真实效果还有一定差距，应在技术层面寻求突破。
第三，无触觉效果模拟。触觉效果是虚拟现实中难度较大的部分。木质材料与金属材料给人的触感具有细微差异，但如果想在虚拟现实环境中用技术还原这细微的差别，目前的技术还不能做到，需要进一步探索。
（二）降低成本，提高质量
虽然对数据手套的研究已经持续了一段时间，但它还是高新技术产物，价格仍然偏高，这一因素在一定程度上阻碍了数据手套的推广。而数据手套上一些硬件设备（如传感器）的材料比较娇贵，存在老化快，不能长时间应用等问题，也对数据手套的发展造成一定影响。
五、结束语
传统的虚拟现实系统中，人机交互方式已鼠标键盘交互为主，这类方式与人类的自然交互差异较大，所以虚拟现实系统的沉浸感较差。借助数据手套等交互设备，大大提高了虚拟现实系统的人机交互效果，给用户带来身临其境的感觉。然而要达到理想的自然交互效果，数据手套需要进一步的研究，有很大的提升空间。
参考文献：
[1]张文龙，贺申，虚拟现实与数据手套的研究，常州工业学院学报，2005.10
[2]齐曼，张珩，数据手套的研究现状，计算机仿真，1996.12
[3]张睿，张锡恩，虚拟场景中基于数据手套的交互方法，计算机工程，2005.06
[4]王烨，基于DIVISION的虚拟装配系统研究，西安电子科技大学，2008.01
【关键词】数据手套 虚拟现实 力反馈
一、引言
随着科学技术的发展与生活水平的提高，人们对如何使先进技术服务于生活越来越重视。虚拟现实（Virtual Reality， VR）技术为此提供了一条崭新且更好的途径。虚拟现实技术是利用计算机建立一个逼真的虚拟环境，用户在其中通过视、听、触、嗅等感官获取对周围环境的感知，以达到身临其境的感觉。此技术在教育、军事、娱乐等领域有着广泛的应用。数据手套（Data Glove）作为重要的虚拟现实交互工具，让用户更自然的与虚拟环境进行人机交互，给用户带来更好的沉浸感。
二、虚拟现实
虚拟现实技术的目的是对真实世界进行模拟。它在计算机中根据真实物体建立三维模型，利用图像、音频、视频等手段增强模拟效果，借以人机交互设备完成用户与虚拟环境的交互，最终达到给用户身临其境的感觉。
虚拟现实具有如下特征：
（一）多感知性（Multi-Sensory）
传统的用户交互方式多为单一的视觉和听觉感知，相比之下，虚拟现实技术借助人机交互设备，可具有视觉、听觉、触觉、运动感知，甚至是嗅觉感知。多种感知相配合，可给用户带来更强烈的沉浸感。
（二）沉浸感（Immersion）
沉浸感是指用户在使用虚拟现实系统时，感觉虚拟环境的真实程度。理想的虚拟现实技术使用户难以分辨出其所在的是真实世界还是虚拟环境。优秀的虚拟现实系统应具有所有真实世界的特点，比如玻璃杯会受重力作用，且掉到地上应该摔碎。
（三）交互性（Interactivity）
在虚拟现实环境中，用户通过人机交互设备，可以与计算机进行自然交互的程度。例如真实世界中用户利用数据手套做出抓起物体动作，计算机的虚拟环境中应有相应的虚拟手抓起了物体的三维模型，同时用户应感觉到物体的重量。
（四）构想性（Imagination）
构想性指用户在虚拟环境中具有可拓展的想象空间。如用户将思考的结果通过交互设备输入到计算机中，计算机再将处理结果通过虚拟环境呈现给用户，用户再次学习，形成一个学习-创造-再学习-再创造的良性循环，虚拟现实系统就达到了理想的拓展用户学习潜能的目的。
虚拟现实中常用的人机交互设备包括数据头盔、数据手套、数据衣、图形眼镜、立体声耳机、脚踏板等，当然还有为特殊项目定做的交互设备，如模拟汽车驾驶操作的方向盘、挂档装置、刹车离合踏板等。本文将针对数据手套展开讨论。
三、数据手套
（一）概述
数据手套是虚拟现实系统中重要的人机交互设备，它可以捕捉人手的动作与姿态信息，将信息传递给虚拟现实系统，在系统中再现用户手部的动作与姿态。数据手套的外观与普通手套类似，但其材质中具有捕获手部信息的特殊材质，通过计算机通用接口（USB接口、蓝牙等）实时传递给虚拟现实系统，使系统中的虚拟手的动作和姿态实时更新，完成流畅的人机交互操作。
数据手套按功能分类可以分为虚拟现实数据手套和力反馈数据手套。虚拟现实数据手套为具有基本功能的数据手套，即采集手的姿态与动作信息。力反馈数据手套比虚拟现实数据手套增加了力反馈功能，即虚拟手与物体发生碰撞时用户的手能感受到手套发出的震动。此功能可使数据手套模拟用户手的操作过程更真实。
目前数据手套产品都不具备获取空间位置信息功能，数据手套可配合位置跟踪器使用以达到获取空间位置信息的目的。
（二）研究现状
由于数据手套应用前景大好，国内外许多研究机构对其做了大量的研究工作，取得了显著地成果。
解放军理工大学于2002年研制成功了一款数据手套DataGlove，它针对手指关节的弯曲和外展问题研制了光学行程传感器和光纤弯曲传感器，这两款传感器精度好，测量可靠，传感器体型细小，布置紧凑，手套佩戴舒适，轻便易用；这款数据手套使用OpenGL的双缓冲技术回执三维图像，避免了因刷新频率低而造成的图像闪烁现象。但对于不同的用户，手套需要重新校正。为了避免因手套滑动带来的误差，在使用过程中也需要重新校正。
广州工业大学的潘燕彬对如何将数据手套用于虚拟助产手术训练进行了研究。她们对人手的结构及手术场景进行了分析，构建了逼真的虚拟手及手术场景的模型，并实现了对虚拟手的动态控制，制定了虚拟手术训练虚拟手的操作规则。最后以Eon Studio作为虚拟现实平台，配合3ds-max作为建模工具，结合5dt DataGlove作为人机交互工具，实现了虚拟助产手术训练系统的交互部分的开发工作。但此系统不具备力反馈效果，且因手术模型众多，实时交互的系统开销大，对系统手术操作的实时性有一定影响。
扬州大学的张锐等研发了一种基于磁场力的力反馈数据手套。它的力反馈原理是利用两个垂直配置的电磁铁相互配合提供反馈力。当接收到反馈信号时，垂直方向的电磁铁吸合，水平方向的电磁铁产生电磁力，提供反馈力。此方法的力反馈数据手套的优点在于整体结构简单，重量轻，工作电压低，使用安全，便于控制，反馈力可调，利用电磁铁自身实现手套机械装置的制动。但反馈力在传递到指尖的过程中存在力的流失，需进一步研究优化。
（三）市面流行的数据手套
经过一段时间的发展，目前市面上可供购买的数据手套种类已较为丰富，如5DT、CyberGlove、Measurand、X-IST等。数据手套的功能已比较全面，但由于受技术及材料的影响，价格普遍偏高。 5DT是数据手套的资深厂商，其品牌很具权威性。目前其产品分为两类，即5传感器和14传感器。每种传感器的手套又分左手和右手，共有四种产品。5DT数据手套可通过手指上的传感器对手指弯曲度进行测量，从而获得手的姿态信息。此手套佩带舒适、简单易用、获取的数据质量高，适合大部分项目对数据手套的要求。
CyberGlove是较为完备的数据手套系列，它的每只手套具有18或22个传感器，测量精度极高。它拥有CyberGlove公司独立版权的抗弯曲感应技术，可将手的动作精确地转化为数字化数据，传递给计算机。手套由弹性面料制成，手掌为网布设计，舒适性和透气性俱佳。但价格较为昂贵。
Measurand数据手套由传感器数据捕捉组件和手套组件两部分构成。手套组件采用皮质材料，方便配带，不同手型尺寸的人可更换适合的手套。传感器组件配有韧性极强的条带，与手套组件灵活拆卸，使手套对不同手型尺寸的用户适应度极高。Measurand手套具有40传感器，测量精度极高。
X-IST数据手套系列是为音乐家、VJ和舞台演员设计的创新产品，它可以捕捉双手手指动作，每个手指上钩有一个传感器，可供测量手指的弯曲度。它还具有触觉传感器，可探测对物体的触摸，并对所施加的压力进行测量。它具有很多midi（乐器数字接口）功能，可通过USB输出midi文件。
四、发展方向
（一）增强沉浸感
虚拟现实的特点之一就是使用户获得高沉浸感，有身临其境的感觉。数据手套虽然解决用户与系统自然交互方式的问题，但还没有达到完全自然交互的效果。首先，在硬件设备上，多数数据手套不具备采集空间位置信息设备，要配合位置跟踪器使用。如用有线方式传输数据，用户的可操作空间受限，且数据线的干扰会在一定程度上影响用户的沉浸感。虽说大多数手套提供蓝牙无线传输，但都会在用户手臂上增加一个收发数据的装置，操作上也会与人手的自然操作有一定差异。如能将数据传输设备缩小的芯片级，用户沉浸感会大大增加。
其次，力反馈效果与实际效果差异较大。目前的力反馈数据手套是在技术允许的条件下尽可能的模拟真实的力反馈效果，但与真实效果还有一定差距，应在技术层面寻求突破。
第三，无触觉效果模拟。触觉效果是虚拟现实中难度较大的部分。木质材料与金属材料给人的触感具有细微差异，但如果想在虚拟现实环境中用技术还原这细微的差别，目前的技术还不能做到，需要进一步探索。
（二）降低成本，提高质量
虽然对数据手套的研究已经持续了一段时间，但它还是高新技术产物，价格仍然偏高，这一因素在一定程度上阻碍了数据手套的推广。而数据手套上一些硬件设备（如传感器）的材料比较娇贵，存在老化快，不能长时间应用等问题，也对数据手套的发展造成一定影响。
五、结束语
传统的虚拟现实系统中，人机交互方式已鼠标键盘交互为主，这类方式与人类的自然交互差异较大，所以虚拟现实系统的沉浸感较差。借助数据手套等交互设备，大大提高了虚拟现实系统的人机交互效果，给用户带来身临其境的感觉。然而要达到理想的自然交互效果，数据手套需要进一步的研究，有很大的提升空间。
参考文献：
[1]张文龙，贺申，虚拟现实与数据手套的研究，常州工业学院学报，2005.10
[2]齐曼，张珩，数据手套的研究现状，计算机仿真，1996.12
[3]张睿，张锡恩，虚拟场景中基于数据手套的交互方法，计算机工程，2005.06
[4]王烨，基于DIVISION的虚拟装配系统研究，西安电子科技大学，2008.01