虚拟现实相关硬件设备包括三维建模、三维显示设备、虚拟现实人机交互等设备。
1.三维建模设备
三维建模所用的设备通常为三维扫描仪，也称三维立体扫描仪或3D扫描仪，用于获取物体外表面的三维坐标及物体的三维数字化模型。通过三维扫描仪非接触扫描实物模型，得到实物表面精确的三维点云数据，最终生成实物的数字模型，不仅速度快，而且精度高，几乎可以完美地复制现实世界中的任何物体，以数字化的形式逼真地重现现实世界。三维扫描仪可分为接触式与非接触式两种。接触式与非接触式三维扫描对比如表5－5所示。
表5－5 接触式与非接触式三维扫描对比
非接触式又可分为主动扫描与被动扫描方式，被动扫描方式不需要特定的光源，完全依靠物体所处的自然光条件进行扫描，常采用双目技术，但是精度低，只能扫描出有几何特征的物体，不能满足很多领域的要求。主动扫描方式是向扫描物体投射特定的能量，借由能量的反射来计算三维空间信息，常见的投射能量有一般的可见光、高能光束、超声波与X射线，其中代表技术激光线式的扫描，精度比较高，但是由于每次只能投射一条光线，所以扫描速度慢，由于激光会对生物体以及比较珍贵的物体造成伤害，所以不能应用于某些特定领域。非接触主动式三维扫描技术对比如表5－6所示。
表5－6 非接触主动式三维扫描技术对比
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以三维激光扫描仪作为测绘科学的领先产品，其未来发展趋势有以下几个方面：
（1）国产化，研制具有自主知识产权的高精度仪器；
（2）点云数据处理软件的公用化和多功能化，实现实时数据共享及海量数据处理；
（3）优化测量方法和算法，提高精度，如采用脉冲和相位结合的方式测量距离；
（4）进一步扩大扫描范围，实现全圆球扫描，获得被测景物空间三维虚拟实体显示；
（5）与其他测量设备（如GPS、IMU、全站仪等）联合测量，实时定位导航，并扩大测程和提高精度；
（6）与摄像机的集成化，在扫描的同时获得物体影像，提高点云数据和影像的匹配精度。
2.三维显示设备
为了实现虚拟现实的沉浸特性，必须具备人体的感官特性，通过视觉感知外界物体的大小、明暗、颜色、动静，至少80%以上的外界信息是经视觉获得的，视觉是人和动物最重要的感觉。三维立体显示是虚拟现实的关键技术之一，以头戴立体现实为主，其他还包括全息显示、立体投影显示、裸眼3D显示等。随着人们对观影要求的不断提高，由非裸眼式向裸眼式的技术升级成为发展重点和趋势。
1）头戴（盔）显示器（HMD）
头戴（盔）显示器利用人的左右眼获取信息差异，在脑海中产生立体感，可以使参与者暂时与现实世界隔离，而完全处于沉浸状态，成为VR系统不可缺少的视觉输出设备。具有小巧和封闭性强的特点，在军事训练、虚拟驾驶、虚拟城市等项目中具有广泛的应用。头戴（盔）显示器是VR、AR的核心关键设备。
基本参数主要包括：显示模式、显示视野、视野双目重叠、显示分辨率、眼到虚拟图像的距离、眼到目镜距离、物面距离、目标域半径、视轴间夹角、瞳孔距离、焦距、出射光瞳、图像像差、视觉扭曲矫正、质量、视频输出等。
2）全息显示系统
全息显示是利用干涉原理，将物体发出的特定光波以干涉条纹的形式记录下来，使物光波前的全部信息都存储在记录介质中，所记录的干涉条纹图样被称为“全息图”。当用光波照射全息图时，由于衍射原理能重现出原始物光波，从而形成原物体逼真的三维像，可看到立体显示的全部特征，并有视差效应，在不同的位置上进行观察时，物体有显著的位移。
3）三维立体投影显示系统
在虚拟现实应用中用以显示实时的虚拟现实仿真应用程序，该系统主要包括专业投影显示系统、悬挂系统、成像装置等三部分，还包括桌面立体显示系统、单通道三维立体投影显示系统、双通道立体投影显示系统、多通道环幕投影立体显示系统、CAV三维立体显示系统。
投影系统分正投和背投，依据展示空间面积大小与实际需要来选择。正投系统更为紧凑，占用的空间更小，投影幕墙具有较好的稳定性。背投系统适用于空间比较大且投影前需要讲解人的场合。在众多的虚拟现实三维显示系统中，单通道三维立体投影显示系统是一种低成本、操作简便、占用空间较小、具有极好性能价格比的小型虚拟三维投影显示系统，其集成的显示系统使安装、操作使用更加容易方便，被广泛应用于高等院校和科研院所的虚拟现实实验室中。
4）裸眼3D显示(www.xing528.com)
裸眼3D显示技术是一种无须佩戴眼镜的裸眼全息投影3D显示技术，在一些博物馆应用较多。裸眼全息投影设备是将不同角度影像投影至一种全息膜上，让人看不到不属于自身角度的其他图像。它实现了真正的全息立体影像，可与实物结合，如做成全息幻影舞台、产品立体360度展示、真人和虚幻人同台表演、科技馆的梦幻舞台等。适合表现细节或内部结构较丰富的个体物品，如名表、名车、珠宝、工业产品，也可表现人物、卡通等。
3.虚拟现实人机交互设备
1）数据手套（Data Glove）
数据手套是虚拟现实交互中最常用的交互工具，可把人手姿态准确实时地传递给虚拟环境，而且能够把与虚拟物体的接触信息反馈给操作者，使操作者以更加直接、自然、有效的方式与虚拟世界进行交互，大大增强了互动性和沉浸感，特别适用于需要多自由度手模型对虚拟物体进行复杂操作的虚拟现实系统。数据手套本身不提供与空间位置相关的信息，在需要进行空间移动交互的虚拟环境中需与位置跟踪设备配套使用。
2）多自由度交互设备
多自由度（Degree of Freedom，DOF）交互设备有3DOF设备和6DOF设备，是一种可提供3个或6个自由度的交互输入设备。
3DOF是指在三维坐标系中的偏航、俯仰和横滚，有其局限性，3DOF设备用于VR系统时，使用者的位置是固定的，无法在环境中互动或四处走动，只能体验到的运动/自由度是偏航、俯仰和横滚。
6DOF是指宽度、高度、深度、俯仰角、转动角和偏转角，6DOF设备用于VR系统，使用者可以在有限的空间内自由移动、控制场景中虚拟物体的空间位置与方向。
3）操纵杆
操纵杆是一种可以提供前后左右上下6个自由度及手指按钮的外部输入设备，具有操作灵活方便、真实感强、精度高、响应速度快的特点，适合对虚拟飞行、射击游戏等的操作。
4）触觉反馈装置
触觉包括的感知内容包括接触感、质感、纹理感以及温度感等，在VR系统中如果没有触觉反馈，则失去真实感。触觉反馈主要是基于视觉、气压感、振动触感、电子触感和神经肌肉模拟等方法来实现的。
5）力觉反馈装置
由计算机通过力反馈系统对用户的手、腕、臂、身体等运动产生阻力从而使用户感受到作用力的方向和大小，现有的力反馈装置有力量反馈臂、力量反馈操纵杆、笔式6DOF游戏棒、力反馈手套等。由于人的力觉感知非常敏锐，研制高精度力反馈装置是人们面临的难题之一。
6）运动捕捉系统
在VR系统中为了实现人与VR系统的交互，必须确定参与者的头部、手、身体等位置的方向，准确地跟踪测量参与者的动作，将这些动作实时监测出来，以便将这些数据反馈给显示和控制系统。
从技术角度看，运动捕捉就是要测量、跟踪、记录物体在三维空间中的运动轨迹。典型的运动捕捉系统组成如表5－7所示。
表5－7 典型的运动捕捉系统组成
目前常用的运动捕捉技术从原理上可分为机械式、声学式、电磁式、光学式和穿戴式。运动捕捉系统技术分类如表5－8所示。
表5－8 运动捕捉系统技术分类
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7）大空间多人定位系统
当多人在同一个VR空间内时，需通过大空间多人定位技术把每个人的动作实时反馈到VR空间中，并且可通过HMD看到其他人的动作，体验者与虚拟环境的交互将不再局限于头部和手部，而是可以全身融入虚拟环境，使体验者与虚拟环境实现全方位的交互。
8）眼动仪
眼动仪的结构一般包括四个系统，即光学系统、瞳孔中心坐标提取系统、视景与瞳孔坐标叠加系统和图像与数据的记录分析系统。利用眼动仪进行虚拟现实交互主要捕捉眼动的三种基本方式：注视、眼跳、追随运动等。
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