虚拟现实技术-教学课件.ppt

1、虚拟现实技术课程的主要内容 虚拟现实与系统仿真的基本概念和术语虚拟现实与系统仿真的基本概念和术语 虚拟现实与系统仿真的基础方法虚拟现实与系统仿真的基础方法 虚拟现实有关的人的因素，虚拟现实的接口设备和虚拟现实有关的人的因素，虚拟现实的接口设备和计算机设备计算机设备 虚拟现实的建模技术虚拟现实的建模技术 虚拟现实的应用虚拟现实的应用相关知识背景 虚拟现实技术学习的知识背景是什么样的？虚拟现实技术学习的知识背景是什么样的？ 虚拟现实技术是针对计算机专业的本科生开设的课虚拟现实技术是针对计算机专业的本科生开设的课程，学生需要有程，学生需要有 计算机原理，体系结构，操作系统，网络，软件工计算机原理，体

2、系结构，操作系统，网络，软件工程，程序设计，数据结构，电子学，图形学与，系程，程序设计，数据结构，电子学，图形学与，系统分析，人工智能的知识背景。统分析，人工智能的知识背景。1.虚拟现实概述虚拟现实概述2.虚拟现实的接口设备虚拟现实的接口设备3.虚拟现实的计算机技术虚拟现实的计算机技术4.虚拟现实的建模和仿真技术虚拟现实的建模和仿真技术5.虚拟现实的应用虚拟现实的应用课程目录课程目录学习重点和难点虚拟现实的基本概念；虚拟现实的基本概念；人的视觉系统和虚拟现实的视觉显示技术；人的视觉系统和虚拟现实的视觉显示技术；各类位姿跟踪系统的技术；各类位姿跟踪系统的技术；力觉和触觉反馈技术；力觉和触觉反馈技

3、术；虚拟现实的计算机系统；虚拟现实的计算机系统；虚拟现实的工具软件系统；虚拟现实的工具软件系统；分布式虚拟现实系统。分布式虚拟现实系统。 第一章 虚拟现实概述课前索引课前索引第一节虚拟现实的基本概念第一节虚拟现实的基本概念第二节虚拟现实有关的人的因素第二节虚拟现实有关的人的因素章节小结章节小结课后习题课后习题 课前索引两个问题两个问题什么是虚拟现实？什么是虚拟现实？虚拟现实与人有什么关系？虚拟现实与人有什么关系？ 点击观看演示点击观看演示 第一节 虚拟现实的基本概念1.虚拟现实的概念虚拟现实的概念2.有关的其它概念有关的其它概念3.虚拟现实的特点虚拟现实的特点4.虚拟现实的应用领域虚拟现实的应

4、用领域5.虚拟现实的技术虚拟现实的技术 虚拟现实虚拟现实这个概念最早是由谁在什么时间提出的？虚拟现实这个概念最早是由谁在什么时间提出的？年，美国年，美国 公司创始人公司创始人 提出了提出了“ ”（虚拟现实）的概念。（虚拟现实）的概念。如何理解如何理解“虚拟虚拟”这个词？这个词？“”“”说明，这个世界或环境是虚拟的，不是真实的。这个世说明，这个世界或环境是虚拟的，不是真实的。这个世界或环境是人工构造的，是存在于计算机内部的。用户应该界或环境是人工构造的，是存在于计算机内部的。用户应该能够能够“进入进入”这个虚拟的环境中。所谓这个虚拟的环境中。所谓“进入进入”这个虚拟的这个虚拟的环境中，是指用户以

5、自然的方式与这个环境交互环境中，是指用户以自然的方式与这个环境交互如何理解如何理解“交互交互”这个词？这个词？包括感知环境并干预环境，从而产生置身于相应的真实环境包括感知环境并干预环境，从而产生置身于相应的真实环境中的虚幻感，沉浸感，身临其境的感觉。中的虚幻感，沉浸感，身临其境的感觉。虚拟现实或虚拟环境系统包括哪些？虚拟现实或虚拟环境系统包括哪些？包括人类操作者、人机接口和计算机包括人类操作者、人机接口和计算机问题请给出正确与错误的判别请给出正确与错误的判别使用虚拟现实系统的标志就是使用头盔式立体显使用虚拟现实系统的标志就是使用头盔式立体显示器和数据手套。示器和数据手套。虚拟现实系统应用最多的

6、专用设备是头盔式立体虚拟现实系统应用最多的专用设备是头盔式立体显示器和数据手套。于是，有人以使用这些专用显示器和数据手套。于是，有人以使用这些专用设备为虚拟现实系统的标志。这种观点是不准确设备为虚拟现实系统的标志。这种观点是不准确的。的。头盔式立体显示器和数据手套等设备，只是当前头盔式立体显示器和数据手套等设备，只是当前已经实现的一部分虚拟显示设备。它们还很不完已经实现的一部分虚拟显示设备。它们还很不完善。例如，头盔的视场，分辨率，造成眩晕等问善。例如，头盔的视场，分辨率，造成眩晕等问题还有待解决。听觉接口和力觉接口等设备还在题还有待解决。听觉接口和力觉接口等设备还在研究，应用还不多。味觉，嗅

7、觉，运动觉等技术研究，应用还不多。味觉，嗅觉，运动觉等技术，还缺乏研究。，还缺乏研究。关于虚拟仿真虚拟现实系统中的虚拟环境，可能有下列几种情况虚拟现实系统中的虚拟环境，可能有下列几种情况第一种情况是模仿真实世界中的环境。例如，建筑第一种情况是模仿真实世界中的环境。例如，建筑物，武器系统，或战场环境。这种真实环境，可能物，武器系统，或战场环境。这种真实环境，可能是已经存在的，也可能是已经设计好但还没有建成是已经存在的，也可能是已经设计好但还没有建成的。的。为了逼真地模仿真实世界中的环境，要求逼真地建为了逼真地模仿真实世界中的环境，要求逼真地建立几何模型和物理模型。环境的动态应符合物理规立几何模型

8、和物理模型。环境的动态应符合物理规律。这一类虚拟现实系统的功能，实际是系统仿真律。这一类虚拟现实系统的功能，实际是系统仿真。 点击观看居室环境的仿真和漫游例子点击观看居室环境的仿真和漫游例子 和虚拟现实有关的几个概念虚拟环境虚拟环境( )系统或虚拟现实系统或虚拟现实( )系统系统包括人类操作者、人机接口和计算机包括人类操作者、人机接口和计算机遥操作遥操作( )系统系统包括人类操作者、人机接口和遥机器人包括人类操作者、人机接口和遥机器人增强现实增强现实( )系统系统组合了虚拟环境和真实环境组合了虚拟环境和真实环境合成环境合成环境( )系统系统是遥操作系统、虚拟环境系统、增强现实系统等的是遥操作系

9、统、虚拟环境系统、增强现实系统等的总称。总称。关于虚拟现实系统对于虚拟现实系统，与用户交互的环境实际是人工对于虚拟现实系统，与用户交互的环境实际是人工构造的，存在于计算机内部的环境。这种虚拟的环构造的，存在于计算机内部的环境。这种虚拟的环境，可能是不同的环境。境，可能是不同的环境。一种情况是真实环境的仿真。一种情况是真实环境的仿真。例如，仿真真实建筑物的虚拟建筑物。这种真实建例如，仿真真实建筑物的虚拟建筑物。这种真实建筑物可能是已经建成的，也可能是已经设计好但尚筑物可能是已经建成的，也可能是已经设计好但尚未建成的。未建成的。一种情况是完全虚拟的人造环境。一种情况是完全虚拟的人造环境。例如在虚拟

10、风洞中，借助可视化技术构造的虚拟风例如在虚拟风洞中，借助可视化技术构造的虚拟风洞环境。又如在三维动画中，人工构造的虚拟环境洞环境。又如在三维动画中，人工构造的虚拟环境。关于遥操作系统为什么要针对虚拟现实系统提出这么多概念？概念之间的区为什么要针对虚拟现实系统提出这么多概念？概念之间的区别？别？这些概念之间的区别在于与用户交互的环境不同。这些概念之间的区别在于与用户交互的环境不同。虚拟现实系统的环境是怎样的？虚拟现实系统的环境是怎样的？真实环境的仿真真实环境的仿真完全虚拟的人造环境完全虚拟的人造环境遥操作系统的环境是怎样的？遥操作系统的环境是怎样的？对于遥操作系统，与用户交互的环境实际是在远地的

11、一个真对于遥操作系统，与用户交互的环境实际是在远地的一个真实的环境。实的环境。用户通过类似虚拟现实系统的人机接口，与远处的真实环境用户通过类似虚拟现实系统的人机接口，与远处的真实环境交互。也就是看到真实环境的场景，听到真实环境的声音，交互。也就是看到真实环境的场景，听到真实环境的声音，感到与环境中物体的接触。感到与环境中物体的接触。遥操作系统实际上是高级的遥控系统，是采用了先进的虚拟遥操作系统实际上是高级的遥控系统，是采用了先进的虚拟现实技术的遥控系统。现实技术的遥控系统。 虚拟现实的特点基于虚拟现实的基本概念，可以得到虚拟现实的下基于虚拟现实的基本概念，可以得到虚拟现实的下列三个特点。列三个

12、特点。人机接口的内容人机接口的内容计算机提供计算机提供“环境环境”, 不是不是“数据数据, 信息信息”。这改变。这改变了人机接口的内容。了人机接口的内容。人机接口的形式人机接口的形式操作者由视觉操作者由视觉,听觉听觉,力觉感知环境力觉感知环境, 由自然的动作操由自然的动作操作环境作环境, 不是由屏幕不是由屏幕,键盘键盘,鼠标和计算机交互。这改鼠标和计算机交互。这改变了人机接口的形式。变了人机接口的形式。人机接口的效果人机接口的效果逼真的感知和自然的动作，使人产生身临其境的感逼真的感知和自然的动作，使人产生身临其境的感觉。这改变了人机接口的效果。觉。这改变了人机接口的效果。人机接口内容的改变计算

13、机提供计算机提供“环境环境”, 不是不是“数据数据, 信息信息”。这改变了人机。这改变了人机接口的内容。接口的内容。虚拟现实的这个特点体现了计算机应用的新方向。虚拟现实的这个特点体现了计算机应用的新方向。计算机的名称体现了它的最早应用是计算。当时，计算机计算机的名称体现了它的最早应用是计算。当时，计算机和用户交互的是计算有关的数值。和用户交互的是计算有关的数值。此后，计算机扩大到处理数值，字符串，文本等各类数据此后，计算机扩大到处理数值，字符串，文本等各类数据。以后，计算机更扩大到处理图像，图形，声音，语言等多以后，计算机更扩大到处理图像，图形，声音，语言等多种媒体的信息。种媒体的信息。虚拟现

14、实系统则以环境为计算机处理的对象和人机交互的虚拟现实系统则以环境为计算机处理的对象和人机交互的内容。这开拓了计算机应用的新思路。内容。这开拓了计算机应用的新思路。数值各类数据多媒体信息环境数值各类数据多媒体信息环境人机接口的内容的变化：人机接口的内容的变化：人机接口的形式的改变操作者由视觉操作者由视觉,听觉听觉,力觉感知环境力觉感知环境, 由自然的动作操由自然的动作操作环境作环境, 不是由屏幕不是由屏幕,键盘键盘,鼠标和计算机交互。这改鼠标和计算机交互。这改变了人机接口的形式变了人机接口的形式这个特点体现了计算机人机接口的新方向。这个特点体现了计算机人机接口的新方向。至今为止的计算机人机接口都

15、是面向机器的。至今为止的计算机人机接口都是面向机器的。人机接口有哪些？人机接口有哪些？终端，键盘，鼠标，打印机等接口设备，都是适应终端，键盘，鼠标，打印机等接口设备，都是适应计算机的专用设备。这些设备很好地完成了各类数计算机的专用设备。这些设备很好地完成了各类数据和多媒体信息的交互。据和多媒体信息的交互。虚拟现实中的人机接口，则是面向用户的。虚拟现虚拟现实中的人机接口，则是面向用户的。虚拟现实系统中，用户以自然的方式与虚拟环境交互。实系统中，用户以自然的方式与虚拟环境交互。如何理解自然的方式呢？如何理解自然的方式呢？所谓自然的方式，是指用户通过视觉，听觉，触觉所谓自然的方式，是指用户通过视觉，

16、听觉，触觉等感觉虚拟环境，使用户产生在真实环境中的幻觉等感觉虚拟环境，使用户产生在真实环境中的幻觉。同时，用户通过在真实环境中的行为，去干预虚。同时，用户通过在真实环境中的行为，去干预虚拟环境。于是，虚拟现实的人机接口设备，完全不拟环境。于是，虚拟现实的人机接口设备，完全不同于现有计算机的人机接口设备。这也是虚拟现实同于现有计算机的人机接口设备。这也是虚拟现实技术中最有特色的内容。技术中最有特色的内容。人机接口的效果的改变逼真的感知和自然的动作，使人产生身临其境的感逼真的感知和自然的动作，使人产生身临其境的感觉。这改变了人机接口的效果觉。这改变了人机接口的效果这个特点体现了计算机人机接口的新要

17、求。这个特点体现了计算机人机接口的新要求。用户通过人机接口与虚拟环境交互的结果，是使用用户通过人机接口与虚拟环境交互的结果，是使用户产生身临其境的虚幻感，沉浸感。户产生身临其境的虚幻感，沉浸感。 虚拟现实的概念中有三个：虚拟现实的概念中有三个：（）（）(沉浸沉浸)，是指逼真的，身临其境的感觉。，是指逼真的，身临其境的感觉。（）（）(交互交互)，是指用户感知与操作环境，是指用户感知与操作环境（）（）(想象想象)，是指创造性。，是指创造性。 虚拟现实的应用领域娱乐娱乐国防国防设计、制造和销售设计、制造和销售医疗和健康医疗和健康危险操作危险操作训练训练教育教育信息可视化信息可视化远程交往与远程游历远

18、程交往与远程游历 虚拟现实的技术的人机接口的人机接口的计算机系统的计算机系统的建模和仿真的建模和仿真的人机接口的人机接口的作用是什么？的人机接口的作用是什么？其一是给人类操作者提供环境信息其一是给人类操作者提供环境信息通过什么方式提供环境信息？通过什么方式提供环境信息？视觉、听觉和触觉视觉、听觉和触觉包括：视觉通道、听觉通道、触觉通道、运动接口包括：视觉通道、听觉通道、触觉通道、运动接口和其他接口和其他接口其二是感觉人类操作者的动作和响应其二是感觉人类操作者的动作和响应包括：位置跟踪和映射，语音识别等。包括：位置跟踪和映射，语音识别等。 （）位置跟踪和映射位置跟踪和映射用于位置跟踪和映射用于测

19、量人体各部位的位置和姿态测量人体各部位的位置和姿态分析判断人面部的表情分析判断人面部的表情它的目的是：它的目的是：了解人的身体行为了解人的身体行为这是为了实现人机交互所必需的系统功能。系统由此了解人这是为了实现人机交互所必需的系统功能。系统由此了解人的行为，然后做出适当的响应，实现交互。的行为，然后做出适当的响应，实现交互。常用的技术包括：常用的技术包括：机械链接、磁传感器、声传感器、光传感器和惯性传感器机械链接、磁传感器、声传感器、光传感器和惯性传感器基本目标是精确完成位置和姿态的测量。三个主要的要求：基本目标是精确完成位置和姿态的测量。三个主要的要求：大范围的线性响应，高带宽（），以及允许

20、头和身体的运动大范围的线性响应，高带宽（），以及允许头和身体的运动。（）视觉通道视觉通道的作用：视觉通道的作用： 给人的视觉系统提供图形显示。给人的视觉系统提供图形显示。为了提供身临其境的逼真感觉视觉通道应该满足的要求：为了提供身临其境的逼真感觉视觉通道应该满足的要求：显示的像素应该足够小，使人不至于感觉到像素的不连续显示的像素应该足够小，使人不至于感觉到像素的不连续显示的频率应该足够高，使人不至于感觉到画面的不连续显示的频率应该足够高，使人不至于感觉到画面的不连续给两眼提供具有双目视差的图形，形成立体视觉。给两眼提供具有双目视差的图形，形成立体视觉。应该具有足够大的视场，理想情况是显示画面充

21、满整个视场应该具有足够大的视场，理想情况是显示画面充满整个视场。视觉通道的显示表面分为：视觉通道的显示表面分为：基于和基于。基于和基于。视觉通道的光学系统分为：视觉通道的光学系统分为：头盔显示头盔显示()和非头盔显示和非头盔显示() 专用头盔图（） 听觉通道听觉通道的作用：听觉通道的作用：给人的听觉系统提供声音显示。给人的听觉系统提供声音显示。为了提供身临其境的逼真感觉，听觉通道应该满足一些要求为了提供身临其境的逼真感觉，听觉通道应该满足一些要求使人感觉置身于立体的声场之中使人感觉置身于立体的声场之中能识别声音的类型和强度能识别声音的类型和强度能判定声源的位置。能判定声源的位置。听觉通道的关键

22、技术包括：听觉通道的关键技术包括：合成由接口提供的虚拟声音信号合成由接口提供的虚拟声音信号声音在虚拟空间定位问题声音在虚拟空间定位问题发声设备。发声设备。（） 触觉通道触觉通道的作用触觉通道的作用给人体表面提供触觉和力觉。当人体在虚拟空间中给人体表面提供触觉和力觉。当人体在虚拟空间中运动时，如果接触到虚拟物体，虚拟显示系统应该运动时，如果接触到虚拟物体，虚拟显示系统应该给人提供这种触觉和力觉。给人提供这种触觉和力觉。触觉通道涉及操作以及感觉包括触觉通道涉及操作以及感觉包括触觉反馈触觉反馈力觉反馈。力觉反馈。触觉通道的结构分为：触觉通道的结构分为：安装在身体上的设备安装在身体上的设备安装在地面的

23、设备。安装在地面的设备。（） 运动接口人体在环境中的运动包括：人体在环境中的运动包括：身体的被动运动身体的被动运动如在车上的运动如在车上的运动身体主动运动身体主动运动漫游，如散步。漫游，如散步。人在运动中，人体内部的运动感觉器官可以感知运动信息。人在运动中，人体内部的运动感觉器官可以感知运动信息。感知运动信息的器官包含：感知运动信息的器官包含：前庭系统前庭系统运动系统运动系统视觉听觉系统视觉听觉系统本体感受，动觉和触觉本体感受，动觉和触觉运动接口应该给这些器官提供运动信息。运动接口应该给这些器官提供运动信息。（） 其它类型接口其它类型接口包括：其它类型接口包括：嗅觉、味觉通道嗅觉、味觉通道感觉

24、热、风及湿度的接口感觉热、风及湿度的接口还包括语音通讯（语音识别与合成）还包括语音通讯（语音识别与合成）以及直接心理感觉和控制。以及直接心理感觉和控制。这些接口，目前还缺乏研究这些接口，目前还缺乏研究的计算机系统 现有的虚拟现实系统，主要的通道是什么？现有的虚拟现实系统，主要的通道是什么？现有的虚拟显示系统主要考虑视觉通道。现有的虚拟显示系统主要考虑视觉通道。听觉通道和触觉通道还处于研究阶段。听觉通道和触觉通道还处于研究阶段。的计算机系统主要考虑的通道是什么？的计算机系统主要考虑的通道是什么？所以，的计算机系统主要考虑视觉通道的要求。所以，的计算机系统主要考虑视觉通道的要求。的计算机系统的视觉

25、通道（）（） 视觉通道对计算机系统硬件的要求视觉通道对计算机系统硬件的要求 首先是要求维持足够的图形帧速率首先是要求维持足够的图形帧速率这要求在指定的时间内（约为秒）计算出两眼的两这要求在指定的时间内（约为秒）计算出两眼的两幅图像。幅图像。同时要求提供足够好质量的图像同时要求提供足够好质量的图像这一般体现在图像中显示的多边形或三角形的树木这一般体现在图像中显示的多边形或三角形的树木。因此，往往需要专用硬件。图形硬件应提供因此，往往需要专用硬件。图形硬件应提供快速几何变换、截取、消隐、多边形填充和表面纹快速几何变换、截取、消隐、多边形填充和表面纹理。理。（）视觉通道对计算机系统软件的要求（）视觉

26、通道对计算机系统软件的要求系统中的软件主要包括下列几种：系统中的软件主要包括下列几种：交互软件：交互软件：利用人机控制设备的输出去修改。利用人机控制设备的输出去修改。视觉漫游软件：视觉漫游软件：控制用户在中运动时看到的场景。控制用户在中运动时看到的场景。建模软件：建模软件：定义虚拟物体形状、外观和属性的模型。定义虚拟物体形状、外观和属性的模型。操作系统支持的实时多模态要求。操作系统支持的实时多模态要求。（）视觉通道对计算机系统网络的要求（）视觉通道对计算机系统网络的要求分布式交互仿真分布式交互仿真分布式交互仿真已经成为现代仿真技术，特别是军分布式交互仿真已经成为现代仿真技术，特别是军事仿真的潮

27、流。事仿真的潮流。通讯网络可以把转换成共享的分布式计算环境。通讯网络可以把转换成共享的分布式计算环境。 的建模和仿真 （）（） 的建模包括：的建模包括：几何建模和物理建模几何建模和物理建模的几何建模的几何建模一般的工具软件都具有几何建模功能。一般的工具软件都具有几何建模功能。利用现有的建模工具也是常用的方法。利用现有的建模工具也是常用的方法。市场上已有商业模型库出售。市场上已有商业模型库出售。对实际物体的建模，则采用激光扫描等专用设备对实际物体的建模，则采用激光扫描等专用设备。的物理建模的物理建模物理建模是基于物理方程的建模。物理建模是基于物理方程的建模。一般考虑刚体建模，链接物体的建模，以及

28、非刚一般考虑刚体建模，链接物体的建模，以及非刚体的建模。体的建模。智能体建模不是基于物理方程，而是基于人为的智能体建模不是基于物理方程，而是基于人为的物体智能物体智能思考题什么是刚体？什么是刚体？什么是智能体？什么是智能体？的建模和仿真 （）仿真（）仿真仿真包括：图形绘制和三维动画。仿真包括：图形绘制和三维动画。 图形绘制图形绘制是把三维环境，相对于虚拟摄像机（虚拟视点）投影，形是把三维环境，相对于虚拟摄像机（虚拟视点）投影，形成图像的过程。成图像的过程。图形绘制要求图形绘制要求为了提供连续运动的错觉，帧速率必须大于每秒到帧。为了提供连续运动的错觉，帧速率必须大于每秒到帧。为了保持瞬间交互控制

29、的错觉，响应时间的延迟必须小于为了保持瞬间交互控制的错觉，响应时间的延迟必须小于秒。秒。为了绘制人眼可分辨的所有细节，这要求有千万个多边形为了绘制人眼可分辨的所有细节，这要求有千万个多边形。然而，用今天的硬件，每个画面千万多边形的系统对真正然而，用今天的硬件，每个画面千万多边形的系统对真正的实时交互是太慢了，于是存在真实图像与实时交互间的的实时交互是太慢了，于是存在真实图像与实时交互间的折衷。某些应用（如建筑和艺术）可能要求照片一样真实折衷。某些应用（如建筑和艺术）可能要求照片一样真实的绘制。制造和医疗应用要求更高层次的实时交互。的绘制。制造和医疗应用要求更高层次的实时交互。（）仿真（）仿真仿

30、真包括：图形绘制和三维动画。仿真包括：图形绘制和三维动画。 三维动画三维动画可以用两种途径实现可以用两种途径实现:：基于物理模型的数值计算。：基于物理模型的数值计算。属于满足物理规律的仿真技术，用于军事和工业等属于满足物理规律的仿真技术，用于军事和工业等方面。方面。：数学插值。：数学插值。这种技术在三维动画电影中获得了巨大的成功。这种技术在三维动画电影中获得了巨大的成功。 虚拟现实开发系统的方块图用户通过输入输出设备与输入输出软件交互。输入软件通过形用户通过输入输出设备与输入输出软件交互。输入软件通过形状编辑器完成几何建模，通过声音编辑器完成虚拟声音系统建状编辑器完成几何建模，通过声音编辑器完

31、成虚拟声音系统建模。然后，在世界编辑器完成虚拟环境的建模。其中的虚拟剪模。然后，在世界编辑器完成虚拟环境的建模。其中的虚拟剪切器，用于模型的剪切。建立的模型，保存在虚拟世界中。整切器，用于模型的剪切。建立的模型，保存在虚拟世界中。整个工作在计算机系统中完成个工作在计算机系统中完成第二节 虚拟现实有关的人的因素为什么要讨论人的因素？为什么要讨论人的因素？计算机，接口和用户是系统中的三个组成部分。接计算机，接口和用户是系统中的三个组成部分。接口设计必须考虑人的因素，人的因素与系统性能直口设计必须考虑人的因素，人的因素与系统性能直接相关。接相关。虚拟现实中有关的人的因素具体有哪些方面？虚拟现实中有关

32、的人的因素具体有哪些方面？人眼人眼人耳人耳身体感觉身体感觉虚拟现实有关的人的因素人眼视觉生理结构视觉生理结构立体视觉立体视觉 屈光度屈光度瞳孔瞳孔分辨力分辨力明暗适应明暗适应周围视觉和中央视觉周围视觉和中央视觉视觉暂留视觉暂留视场视场 视觉生理结构视觉生理结构 大脑皮层（大脑皮层（ ）是大脑半球的最外层，它负责）是大脑半球的最外层，它负责各种形式的感觉。视网膜（）是在每只眼背部的神各种形式的感觉。视网膜（）是在每只眼背部的神经细胞的多层膜，它把光转成电信号，并通过视神经细胞的多层膜，它把光转成电信号，并通过视神经和管道传给大脑。经和管道传给大脑。下图表示，视网膜的解剖图。图中显示了层，下图表示

33、，视网膜的解剖图。图中显示了层，管道和神经。管道和神经。 光感受器（）是每只眼睛视网膜中亿个神光感受器（）是每只眼睛视网膜中亿个神经细胞中的一部分，它在受到特定波长的经细胞中的一部分，它在受到特定波长的光的刺激时，会发出电信号。视网膜是眼光的刺激时，会发出电信号。视网膜是眼的光敏层，几百微米厚，有层。光线通过的光敏层，几百微米厚，有层。光线通过其中层，被另外两层的视杆细胞和视锥细其中层，被另外两层的视杆细胞和视锥细胞的光接收器（）吸收。每只眼的视网膜胞的光接收器（）吸收。每只眼的视网膜上有亿个神经细胞。脊椎动物有两种光感上有亿个神经细胞。脊椎动物有两种光感受器，：视杆细胞（）负责低分辨率的、受

34、器，：视杆细胞（）负责低分辨率的、单色的、夜间的视觉。视锥细胞（）负责单色的、夜间的视觉。视锥细胞（）负责高分辨率的、彩色的、白天的视觉。它花高分辨率的、彩色的、白天的视觉。它花费把光转成电信号，再送给大脑。费把光转成电信号，再送给大脑。右图表示，视网膜内光感受器的解剖右图表示，视网膜内光感受器的解剖图。图中杆状细胞和锥状细胞在上部，通图。图中杆状细胞和锥状细胞在上部，通向大脑的视神经纤维在下部。向大脑的视神经纤维在下部。立体视觉立体视觉 视觉的另一个重要因素是立体视觉能力。提供视觉的另一个重要因素是立体视觉能力。提供给人类视觉的图像，必须使人感觉是立体的。给人类视觉的图像，必须使人感觉是立体

35、的。这样，观看者的视觉系统就可以计算出被看物这样，观看者的视觉系统就可以计算出被看物体的远近。对同一个场景，两眼得到稍有差别体的远近。对同一个场景，两眼得到稍有差别的视图。左视区的信息，送到两眼视网膜的右的视图。左视区的信息，送到两眼视网膜的右侧。在视交叉处，左眼的一半神经纤维交叉到侧。在视交叉处，左眼的一半神经纤维交叉到大脑的右半球，左眼的另一半神经纤维不交叉大脑的右半球，左眼的另一半神经纤维不交叉，直接到大脑的左半球。这样，两眼得到的左，直接到大脑的左半球。这样，两眼得到的左视区的所有信息，都送到右半球。视区的所有信息，都送到右半球。 右图表示，人类立体视觉的原理图。右图表示，人类立体视觉

36、的原理图。（头盔显示器）提供两个显示，不但应保持双（头盔显示器）提供两个显示，不但应保持双目视差，而且应该重叠。实际上目视差，而且应该重叠。实际上,由于两眼有由于两眼有的瞳距，所以两者视场总有些差别的瞳距，所以两者视场总有些差别,有不重叠有不重叠的区域。的区域。对中央凹区域，深度感在时减弱。对周围视觉对中央凹区域，深度感在时减弱。对周围视觉，深度感在减弱。而在这个距离上，双目视差，深度感在减弱。而在这个距离上，双目视差不是最有用的，运动视差和透视可能更有用。不是最有用的，运动视差和透视可能更有用。 屈光度屈光度与眼的光学部分有关的一个度量是与眼的光学部分有关的一个度量是屈光度屈光度 （）。有个

37、屈光（）。有个屈光度的镜头，可以聚焦平行光线在米距离。人眼的聚焦能力约度的镜头，可以聚焦平行光线在米距离。人眼的聚焦能力约屈光度，这表明聚焦平行光在距离，这就是眼球尺寸，是晶屈光度，这表明聚焦平行光在距离，这就是眼球尺寸，是晶状体和视网膜的距离。状体和视网膜的距离。年青人可以连续改变个屈光度，这称为调节或聚焦。这保证年青人可以连续改变个屈光度，这称为调节或聚焦。这保证对远近物体都能看到清晰的图像。年长后调节能力减弱，岁对远近物体都能看到清晰的图像。年长后调节能力减弱，岁时调节能力个屈光度，岁时调节能力个屈光度。在注视运动时调节能力个屈光度，岁时调节能力个屈光度。在注视运动物体时，自动调节屈光度

38、。物体时，自动调节屈光度。调节作用保证某个距离的物体清晰，而其它距离物体模糊。调节作用保证某个距离的物体清晰，而其它距离物体模糊。这起了滤波器的作用，使人集中关注视场中部分区域。在中这起了滤波器的作用，使人集中关注视场中部分区域。在中没有调节，个图像都是聚焦在到米距离。没有调节，个图像都是聚焦在到米距离。瞳孔瞳孔瞳孔是晶状体前的孔，直径可变化，由到。面积之瞳孔是晶状体前的孔，直径可变化，由到。面积之比。瞳孔作用有三个：比。瞳孔作用有三个：() 放大时可增加眼的敏感；放大时可增加眼的敏感；() 缩小时可增加近视觉的视距；缩小时可增加近视觉的视距；() 缩小时可限制入缩小时可限制入射光在光学效果最

39、好的中心区。射光在光学效果最好的中心区。 分辨力分辨力分辨力是人眼区分两个点的能力，限于距离上约。分辨力是人眼区分两个点的能力，限于距离上约。例如在的距离观看宽度的电视。人眼区分两个点的例如在的距离观看宽度的电视。人眼区分两个点的能力，在距离上约。则宽度上应该由个大小的像素能力，在距离上约。则宽度上应该由个大小的像素。计算机监视器和高清晰度电视机，都达到了这样。计算机监视器和高清晰度电视机，都达到了这样的分辨率。的分辨率。明暗适应明暗适应眼对亮度的感觉可以自动调节，这是通过改变在视杆和视锥细胞中眼对亮度的感觉可以自动调节，这是通过改变在视杆和视锥细胞中光敏化合物的浓度。例如从亮处进入暗室时的现

40、象，称为暗适应，光敏化合物的浓度。例如从亮处进入暗室时的现象，称为暗适应，花费约分。亮适应是从暗室进入阳光下时的现象，这种适应的强度花费约分。亮适应是从暗室进入阳光下时的现象，这种适应的强度变化在倍。视杆细胞适应时间约小时，视锥细胞适应时间约几分钟变化在倍。视杆细胞适应时间约小时，视锥细胞适应时间约几分钟。 周围视觉和中央视觉周围视觉和中央视觉视网膜不仅是被动的光敏表面。通过视杆和视锥细胞与神经细胞的视网膜不仅是被动的光敏表面。通过视杆和视锥细胞与神经细胞的连接，它还有一定的图像处理。中央凹是视网膜中央部分，在光轴连接，它还有一定的图像处理。中央凹是视网膜中央部分，在光轴与视网膜焦点附近，直径

41、约，有高密度视锥细胞。中央凹区域的视与视网膜焦点附近，直径约，有高密度视锥细胞。中央凹区域的视觉称为中央视觉。中央视觉是高分辨率部分，有彩色的、白天的视觉称为中央视觉。中央视觉是高分辨率部分，有彩色的、白天的视觉。视网膜周围区域包含视杆和视锥细胞。视网膜周围区域的视觉觉。视网膜周围区域包含视杆和视锥细胞。视网膜周围区域的视觉称为周围视觉。这些神经细胞对光强的变化敏感，它帮助我们注意称为周围视觉。这些神经细胞对光强的变化敏感，它帮助我们注意运动物体。周围视觉虽然分辨率低，是单色的、夜间的视觉，但敏运动物体。周围视觉虽然分辨率低，是单色的、夜间的视觉，但敏感运动物体。感运动物体。 视觉暂留视觉暂留

42、视觉暂留是视网膜的电化学现象造成视觉的反应时视觉暂留是视网膜的电化学现象造成视觉的反应时间。当观看很短的光脉冲时，视杆细胞得到约间。当观看很短的光脉冲时，视杆细胞得到约 的的峰，视锥细胞快倍，得到约的峰。这种现象造成视峰，视锥细胞快倍，得到约的峰。这种现象造成视觉暂留觉暂留现有的技术，是否对以上个人眼的因素都考虑到了现有的技术，是否对以上个人眼的因素都考虑到了？人眼的八个因素：人眼的八个因素：视觉生理结构、立体视觉、屈光度、瞳孔、分辨力视觉生理结构、立体视觉、屈光度、瞳孔、分辨力、明暗适应、周围视觉和中央视觉、视觉暂留、视、明暗适应、周围视觉和中央视觉、视觉暂留、视场场 现有的系统中，已经考虑

43、的因素包括：现有的系统中，已经考虑的因素包括：立体视觉，分辨力，视觉暂留，以及视场。其他因立体视觉，分辨力，视觉暂留，以及视场。其他因素还没有充分考虑到。素还没有充分考虑到。 虚拟现实有关的人的因素人耳声音声音声音感觉声音感觉频率范围频率范围声强声强声音方向声音方向声音舞台声音舞台头部有关的传递函数头部有关的传递函数 声音声音音速在空气中，音速在空气中，时，时，时。在海水中，时。在海水中，时时音速。在铸铁棒中，音速。音速。在铸铁棒中，音速。耳听到的频率范围约到。随年岁增加，频率范耳听到的频率范围约到。随年岁增加，频率范围缩小，特别是高频段。围缩小，特别是高频段。考虑音速。考虑音速。 的波长的波

44、长, 的波长的波长, 的波长的波长 。人耳的。人耳的尺寸约，这是的波长。这说明耳会影响这种频率声尺寸约，这是的波长。这说明耳会影响这种频率声音的收集。人的身体也会与声波交互，这也会影响音的收集。人的身体也会与声波交互，这也会影响声音的质量。这类似音乐厅中的音响效果。声音的质量。这类似音乐厅中的音响效果。声音感觉声音感觉耳分为外耳、中耳、内耳。外耳把声音引导进耳分为外耳、中耳、内耳。外耳把声音引导进内耳，它也作为滤波器而改变声音。把手放在耳前内耳，它也作为滤波器而改变声音。把手放在耳前面，就会感到声音变化。声音最终冲击耳膜，使之面，就会感到声音变化。声音最终冲击耳膜，使之振动。耳膜振动再传到耳蜗

45、，并且振动加大倍。振动。耳膜振动再传到耳蜗，并且振动加大倍。频率范围频率范围耳蜗有个螺旋管，被个膜片分开，膜和耳底膜耳蜗有个螺旋管，被个膜片分开，膜和耳底膜。振动会刺激耳底膜上的万到万个硬毛，并产生电。振动会刺激耳底膜上的万到万个硬毛，并产生电信号传给大脑。耳底膜有识别频率的机制。高频振信号传给大脑。耳底膜有识别频率的机制。高频振动刺激膜的开始部分，中频振动刺激膜的中间部分动刺激膜的开始部分，中频振动刺激膜的中间部分，低频振动刺激膜的远端部分。，低频振动刺激膜的远端部分。声强声强声强影响到耳底膜的振幅，直接转成毛细胞的刺激声强影响到耳底膜的振幅，直接转成毛细胞的刺激。声音方向声音方向一般认为，

46、人脑识别声源位置，是利用两耳收到的一般认为，人脑识别声源位置，是利用两耳收到的声音的时间差和声音幅度差。当人面对声源时，两声音的时间差和声音幅度差。当人面对声源时，两耳的声强和路径相等。当人向左转以后，右耳声音耳的声强和路径相等。当人向左转以后，右耳声音比左耳强，且更早听到。若两耳路径之差为，则时比左耳强，且更早听到。若两耳路径之差为，则时间差。间差。声音舞台声音舞台如果用一对麦克风记录立体声音，就可以重现声音如果用一对麦克风记录立体声音，就可以重现声音舞台，它有宽度和深度。舞台，它有宽度和深度。 头部有关的传递函数头部有关的传递函数在听耳机时，每个耳只听一个发声器的声音。当然一在听耳机时，每

47、个耳只听一个发声器的声音。当然一个耳中的声音，也会经头部传给另一耳。在听扬声器时，个耳中的声音，也会经头部传给另一耳。在听扬声器时，每个耳都分别听到两个扬声器的声音。每个耳都分别听到两个扬声器的声音。年认为，进入耳的声音的形式，会产生外部的声音舞年认为，进入耳的声音的形式，会产生外部的声音舞台的感觉。对于耳机（特别是插入式耳塞），感觉的声音台的感觉。对于耳机（特别是插入式耳塞），感觉的声音舞台是内部的。如果驱动耳机的左右通道可以由电子设备舞台是内部的。如果驱动耳机的左右通道可以由电子设备构成声音，则人会感觉声音有外部的真实性。为此要求知构成声音，则人会感觉声音有外部的真实性。为此要求知道声音的

48、形状，或由声源到耳内部的传递函数。这个由声道声音的形状，或由声源到耳内部的传递函数。这个由声源到耳内部的传递函数称为源到耳内部的传递函数称为头部有关的传递函数头部有关的传递函数 ( , )，它反映头和耳对传声的影响，不同的人有不同的。它反映头和耳对传声的影响，不同的人有不同的。的测量方法如下。对空间每个位置的声源，安放在耳的测量方法如下。对空间每个位置的声源，安放在耳中接近耳膜的小麦克风测量收到的信号。信号经过处理，中接近耳膜的小麦克风测量收到的信号。信号经过处理，补偿非线性频率响应。由此得到。补偿非线性频率响应。由此得到。 现有的系统中，已经考虑的人耳的因素有哪些？现有的系统中，已经考虑的人

49、耳的因素有哪些？现有的系统中，已经考虑的因素包括：声音方向，现有的系统中，已经考虑的因素包括：声音方向，声音舞台，以及头部有关的传递函数。其他因素还声音舞台，以及头部有关的传递函数。其他因素还没有充分考虑到。没有充分考虑到。 虚拟现实有关的人的因素身体感觉在环境中，我们说的身体感觉，主要是对哪些事物在环境中，我们说的身体感觉，主要是对哪些事物的感觉？的感觉？感觉表面粗糙、振动、运动、位置、压力、疼痛和感觉表面粗糙、振动、运动、位置、压力、疼痛和温度。温度。现有的系统中，已经考虑了触觉和力觉显示。但是现有的系统中，已经考虑了触觉和力觉显示。但是有关的技术细节还没有充分考虑到。有关的技术细节还没有

50、充分考虑到。按身体不同部位，身体感觉可分四类。按身体不同部位，身体感觉可分四类。()深部感觉深部感觉它提供关节、骨、腱、肌肉和其它组织的信息，涉它提供关节、骨、腱、肌肉和其它组织的信息，涉及压力、疼痛和振动。及压力、疼痛和振动。 ()内脏感觉内脏感觉它提供胸腹腔中的内脏的状况，主要是疼痛它提供胸腹腔中的内脏的状况，主要是疼痛 ()本体感觉本体感觉它提供身体的位置，平衡和肌肉感觉。也涉及与其它提供身体的位置，平衡和肌肉感觉。也涉及与其它物体的接触，如站在地上、躺在床上。本体感觉它物体的接触，如站在地上、躺在床上。本体感觉接受器位于关节、肌肉和深部组织。接受器位于关节、肌肉和深部组织。()外感受感