1、虚拟现实技术基础与应用第一章第一章 虚拟现实技术概论虚拟现实技术概论v1.1 虚拟现实技术概述v1.1.1 虚拟现实技术的定义关于虚拟现实技术的定义，目前尚无统一的标准，有多种不同的定义，主要分为有狭义和广义两种：所谓狭义的定义，认为虚拟现实技术就是一种先进的人机交互方式。所谓广义的定义，即为对虚拟想象（三维可视化的）或真实的、多感官的三维虚拟世界的模拟。1、人机接口形式的改进 在虚拟现实系统中，用户可以利用自己的视觉、听觉、力觉、嗅觉等来感知环境2、人机交互内容的改进虚拟现实系统中，由计算机提供的不仅是“数据、信息”，而且还包括多种媒体信息的“环境”，以环境作为计算机处理的对象和人机交互的内
2、容3、人机接口效果的改进 在虚拟现实系统中，用户通过基于自然的特殊设备进行交互，得到逼真的视觉、听觉、触觉、嗅觉等感知效果，使人产生身临其境的感觉v1.1.2 虚拟现实技术的发展历程1.虚拟现实技术的探索阶段2.虚拟现实技术系统化阶段3.虚拟现实技术高速发展的阶段v1.1.3虚拟现实系统的组成1、计算机 在虚拟现实系统中，计算机是系统的心脏，被称之为虚拟世界的发动机。2、输入与输出设备常用的设备有用于手势输入的数据手套、用于语音交互的三维声音系统、用于立体视觉输出的头盔式显示器等。3、虚拟现实系统的应用软件在虚拟现实系统中，应用软件完成的功能有：虚拟世界中物体的几何模型、物理模型、运动模型的建
3、立；三维虚拟立体声的生成；模型管理技术及实时显示技术、虚拟世界数据库的建立与管理等。4、数据库 虚拟世界数据库主要存放的是整个虚拟世界中所有物体的各方面信息。v1.1.4 虚拟现实技术与其他技术1计算机图形学 计算机图形学（Computer Graphics：CG）是利用计算机研究图形的表示、生成、处理、显示的学科。它研究的基本内容是如何在计算机中表示图形，以及如何利用计算机进行图形的生成、处理和显示的相关原理与算法。2多媒体技术 所谓媒体（Media），通常认为包括着两种含义。一种是指信息的物理载体（即存储和传递信息的实体），如纸质的书、照片、磁盘、光盘、磁带以及相关的播放设备等；另一种含义
4、是指信息的表现形式（或称传播形式），如文本、声音、图像、动画等媒体分成5类：（1）感觉媒体（2）表示媒体（3）表现媒体（4）存储媒体（5）传输媒体3系统仿真技术 系统仿真技术是一种实验技术，它为一些复杂系统创造了一种计算机实验环境，使系统的未来性能测试和长期动态特性能在相对极短的时间内在计算机上得到实现4虚拟现实技术与计算机图形学、多媒体技术、仿真技术（1）虚拟现实技术与计算机图形学计算机图形学的任务是在计算机上生成看起来是真的，动起来像真的图像，而用户通过显示器(犹如一个窗户)观看计算机生成的图像所构造的景象。（2）虚拟现实技术与多媒体技术（3）虚拟现实技术与系统仿真技术 虚拟现实系统侧重于
5、表现形式，而系统仿真则侧重于真实复杂世界的科学抽象。5.虚拟现实技术与三维动画技术 传统三维动画是依靠计算机预先处理好的含有某些场景或物体等的静态图片连续播放形成，不具有任何交互性；而虚拟现实技术可以根据用户的需要把整个空间中所有的信息真实地提供给用户，用户可根据自己的路线行走v1.1.5 虚拟现实技术的实现意义与影响1在观念上，从“以计算机为主体”变成“以人为主体”2在哲学上使人进一步认识“虚”和“实”之间的辩证关系3引起了一系列的技术和手段的重大变革4促进了理论与技术的进步5促进了计算机学科的发展与交叉6为人类认识世界提供了全新的方法与手段，对人类的生活产生了重大的影响v1.2 虚拟现实技
6、术的特性v1.2.1 沉浸性(Immersion)1、视觉沉浸视觉通道给人的视觉系统提供图形显示。2、听觉沉浸虚拟现实系统中，主要让用户感觉到的是三维虚拟声音3、触觉沉浸在虚拟现实系统中，可以借助于各种特殊的交互设备，使用户能体验抓、握等操作的感觉。4、嗅觉沉浸只要把虚拟空间中的水果放到鼻尖上一闻，装置就会在鼻尖处释放出水果的香味。5、身体感觉沉浸、味觉沉浸等v1.2.2 交互性(Interactivity)虚拟现实技术的交互性具有以下特点：虚拟环境中人的参与与反馈人机交互的有效性人机交互的实时性v1.2.3 想象性(Imagination)想象性指虚拟的环境是人想象出来的，同时这种想象体现出
7、设计者相应的思想，因而可以用来实现一定的目标。v1.3 虚拟现实系统分类1.3.1沉浸式系统（Immersive VR）沉浸式虚拟现实系统是一种高级的、较理想的虚拟现实系统，它提供一个完全沉浸的体验，使用户有一种仿佛置身于真实世界之中的感觉。沉浸式虚拟现实系统具有以下五个特点：具有高度实时性能。具有高度的沉浸感。具有良好的系统集成度与整合性能。具有良好的开放性。能同时支持多种输入与输出设备并行工作。v1.3.2桌面式系统(Desktop VR)桌面式虚拟现实系统也称窗口虚拟现实，是利用个人计算机或初级图形工作站等设备，以计算机屏幕作为用户观察虚拟世界的一个窗口，采用立体图形、自然交互等技术，产
8、生三维立体空间的交互场景，通过包括键盘、鼠标和力矩球等各种输入设备操纵虚拟世界，实现与虚拟世界的交互桌面式虚拟现实系统主要具有以下三个特点：用户处于不完全沉浸的环境，缺少完全沉浸、身临其境的感觉，即使戴上立体眼镜，他仍然会受到周围现实世界的干扰。对硬件设备要求极低，有的简单型甚至只需要计算机，或是增加数据手套、空间跟踪设置等。由于桌面式虚拟现实系统实现成本相对较低，应用相对比较普遍，而且它也具备了沉浸性虚拟现实系统的一些技术要求。v1.3.3 增强式VR系统(Augmented VR)增强式虚拟现实系统(AVR)既可以允许用户看到真实世界，同时也可以看到叠加在真实世界上的虚拟对象，它是把真实环
9、境和虚拟环境组合在一起的一种系统增强式虚拟现实系统主要具有以下三个特点：真实世界和虚拟世界融为一体。具有实时人机交互功能。真实世界和虚拟世界是在三维空间中整合的。v1.3.4 分布式虚拟现实系统（Distributed VR）虚拟现实系统运行在分布式系统下有两方面的原因：一方面是充分利用分布式计算机系统提供的强大计算能力；另一方面是有些应用本身具有分布特性，如多人通过网络进行游戏和虚拟战争模拟等。分布式虚拟现实系统有以下特点：各用户具有共享的虚拟工作空间。伪实体的行为真实感。支持实时交互，共享时钟。多个用户可以各自不同的方式相互通信。资源信息共享以及允许用户自然操纵虚拟世界中的对象。v1.4
10、虚拟现实中人的因素v1.4.1 人的视觉1、人类的视觉模型2、立体视觉 人在现实世界中看到的物体是立体的，这样可以感觉出被看物体的远近。3、屈光度人的屈光度是可以变化的，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。4、瞳孔瞳孔是晶状体前的孔，直径可变化。5、分辨力分辨力是人眼区分两个点的能力。6、明暗适应人眼对亮度的变化感觉会自动进行调节，这是通过改变在视杆和视锥细胞中光敏化合物的浓度。7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连接，它还有一定的图像处理能力。8视觉暂留 人的眼睛具有保持视觉印象的特性。当光对视网膜所产生的视觉在光停止作用后，仍保留
11、一段时间的现象，这就是视觉暂留。9视场视场（field of view:FOV）指人眼能够观察到的最大范围，通常以角度来表示，视场越大,观测范圉越大。v1.4.2 人的耳朵1、人类的听觉模型耳分为外耳、中耳、内耳。外耳、中耳是接受并传导声音的装置；内耳则是感受声音和初步分析声音的场所。所以，外耳、中耳合称为传音系统，而内耳及其神经传导径路则称为感音神经系统.外耳包括耳廓和外耳道两部分。主要作用是收集及部分放大声音和参与声音方向的辨别。中耳的结构比外耳复杂，有鼓室、咽鼓管、鼓窦及乳突4部分。鼓室又称中耳腔，容积约为2毫升。中耳腔内有一条通到鼻咽部的管道，叫做咽鼓管。咽鼓管使中耳与外界相通，起到调
12、节鼓室压力的作用 内耳构造非常精细，管道盘旋，好像迷宫一样，故称为迷路。内耳分为3部分，即半规管，前庭和耳蜗。半规管和前庭主要负责身体平衡，耳蜗则负责感受声音。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，并且振动加大20倍。听觉的产生过程是一个复杂的生理过程，它包括3个基本过程：声波在耳朵内部的传递过程。声波在传递过程中由声波引起的机械振动转变为生物电能，同时通过化学递质的释放而产生神经冲动的过程。听觉中枢对传人信息进行综合加工处理的过程。2、频率范围3、声音的定位4、头部有关的传递函数v1.4.3 身体感觉
13、 1、体感 深度感觉：内脏感觉：本体感觉：外感受感觉：2、痛感3、触觉4、体位感v1.4.4 健康与安全问题v1.5虚拟现实技术的研究v1.5.1 国外的研究状况1、美国 虚拟现实技术诞生于美国，是全球研究最早，研究范围最广的国家，美国虚拟现实研究技术的水平基本上就代表国际虚拟现实发展的水平。2、欧洲欧洲的虚拟现实技术研究主要由欧共体(CEC)的许多计划支持，在英国、德国、瑞典、西班牙、荷兰等国家都积极进行了虚拟现实的开发与应用3.亚洲在亚洲，日本的虚拟现实研究发展十分迅速，同时韩国、新加坡等国家也在积极开展虚拟现实技术方面的研究工作。v1.5.2 国内的研究状况 我国虚拟现实技术研究始于20
14、世纪90年代初，相对其它国家来说起步较晚，技术上有一定的差距，但已引起我国政府有关部门和科学家们的高度重视，并及时根据我国的国情，制定了开展虚拟现实技术的研究计划。v1.5.3 目前存在的问题1、硬件设备方面(1)相关设备普遍存在使用不方便，效果不佳(2)硬件设备品种有待进一步扩展(3)虚拟现实系统应用的相关设备价格也比较昂贵 现在大多数虚拟现实软件普遍存在语言专业性较强，通用性较差，易用性差。同时，由于硬件设备的诸多局限性，使得软件的开发费用也十分巨大，而且软件所能实现的效果受到时间和空间的影响较大。3、实现效果方面（1）虚拟世界的表示侧重几何图形表示，缺乏逼真的物理、行为模型（2）虚拟世界
15、的感知方面，有关视觉方面研究多，听觉、触觉（力觉）关注较少，真实性与实时性不足。（3）在与虚拟世界的交互中，自然交互性不够，基于自然的交互效果还远不能令人满意。4、应用方面v1.5.4 今后的研究方向1、人机交互接口2、感知研究领域3、高效的虚拟现实软件和算法4、廉价的虚拟现实硬件系统5、智能虚拟环境v1.6 虚拟现实技术的应用v1.6.1 军事与航空航天1军事上的应用（1）军事训练方面 虚拟战场环境。近战战术训练单兵模拟训练 诸军兵种联合战略战术演习。（2）在武器装备研究与新武器展示中的应用。在武器设计研制过程中，采用虚拟现实技术提供先期演示，检验设计方案，把先进设计思想融入武器装备研制的全
16、过程，从而保证总体质量和效能 研制者和用户利用虚拟现实技术，可以很方便介入系统建模和仿真试验的全过程，既能加快武器系统的研制周期，又能合理评估其作战效能及其操作的合理性，使之更接近实战的要求。采用虚拟现实技术对未来高技术战争的战场环境、武器装备的技术性能和使用效率等方面进行仿真，有利于选择重点发展的武器装备体系，改善其整体质量和作战效果。很多武器供应商借助于网络，采用虚拟现实系统来展示武器的各种性能。2.航空航天方面的应用（1）NASA的虚拟现实训练（2）EVA的虚拟现实训练（3）英国空军的虚拟座舱v1.6.2 教育与培训1虚拟校园虚拟校园是指从因特网、虚拟现实技术、网上虚拟社区和3S技术的发
17、展角度，对现实大学三维景观和教学环境的虚拟化和数字化，是基于现实大学的一个三维虚拟环境，用于支持对现实大学的资源管理、环境规划和学校发展。2虚拟演示教学与实验 利用虚拟现实技术在课堂上可对办公自动化设备三维展示，并模拟通电运行，特别对于有些学校缺乏相应的实验设备情况下十分恰当，一方面可大大提高教学效果，一方面可节省大量的实验投资。3 远程教育系统可以弥补远程教学条件的不足，彻底打破空间、时间的限制4 特殊教育5 技能培训 将虚拟现实技术应用于技能培训可以使培训工作更加安全，并节约了成本。v1.6.3 建筑设计与城市规划 在城市规划、建筑工程设计领域，虚拟现实技术被作为必须的开发工具，由于城市规
18、划的关联性和前瞻性要求较高，在城市规划中，虚拟现实系统正发挥着巨大作用。采用虚拟现实技术系统，可以让建筑设计师看到和“摸”到设计成果，而且方便随时修改，大大加快了方案设计的速度和质量，节省了大量的资金,这是采用传统手段如沙盘、效果图、平面图等所不能达到的。v1.6.4 娱乐、文化体育艺术1、娱乐2、艺术（1）虚拟博物馆与虚拟旅游（2）虚拟音乐（3）虚拟演播室（4）虚拟演员（5）虚拟世界遗产（6）电影拍摄v1.6.5 商业领域 采用虚拟现实技术来进行展示，全方位地对商品进行展览，展示商品的多种功能，另外还能模拟工作时的情景，包括声音、图像等效果，比单纯使用文字或图片宣传更加有吸引力。v1.6.6
19、 工业应用目前应用主要在以下几个方面：1、产品的外形设计 2、产品的布局设计3、机械产品的运动仿真4、虚拟装配5、产品加工过程仿真6、虚拟样机v1.6.7 医学领域 应用范围包括从建立合成药物的分子结构模型到各种医学模拟，以及进行解剖和外科手术教育等。第二章第二章 虚拟现实系统的硬件组成虚拟现实系统的硬件组成v2.1虚拟现实系统的输入设备v2.1.1 基于自然的交互设备1.数据手套 它是一种穿戴在用户手上，作为一只虚拟的手用于与虚拟现实系统进行交互（1）VPL公司数据手套（2）Vertex公司的赛伯手套（3）Exos公司的灵巧手手套（4）Mattel公司的Power Glove2、运动捕捉系统
20、 运动捕捉的原理就是把真实人的动作完全附加到一个三维模型或者角色动画上3、三维控制器（1）三维鼠标（3D mouse）普通鼠标只能感受在平面的运动，而三维鼠标则可能让用户感受到在三维空间中的运动（2）力矩球（space ball）用户可以通过手的扭转、挤压、来回摇摆等操作，来实现相应的操作4、三维扫描仪又称为三维数字化仪或三维模型数字化仪，能快速方便的将真实世界的立体彩色的物体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了有效的手段。三维信息获取技术方法常见有以下几种：机械接触原理雷达原理计算机视觉原理v2.1.2 三维定位跟踪设备 三维定位跟踪设备是虚拟现实系统中关键传感设备之一，
21、它的任务是检测位置与方位，并将其数据报告给虚拟现实系统对于空间跟踪设备通常有下列要求：数据采样率高且传输数据速度快，既要满足精确率的需要，同时又不能出现明显滞后。抗干扰性要强，也就是受环境影响要小。对被检测的物体必须是无干扰的，不能因为增加了跟踪设备影响用户的运动等。真实世界和虚拟世界之间相一致的整合能力。多个用户及多个跟踪设备可以在工作区域内自由移动，不会相互之间产生影响。1、电磁跟踪系统 磁跟踪系统的原理就是利用磁场的强度来进行位置和方位跟踪。(1)交流电发射器型电磁跟踪设备(2)直流电发射器型电磁跟踪设备2、声学跟踪系统 超声传感器包括三个超声发射器的阵列，三个超声接受器,用于启动发射的
22、同步信号，以及计算机 在实际虚拟现实应用系统中，我们主要采用测量飞行时间法（Time-of-Flight）或相位相干法这两种声音测量原理来实现物体的跟踪3、光学跟踪系统 通常利用摄像机等设备获取图像，通过立体视觉计算，或由传递时间测量（如激光雷达），或由光的干涉测量，并通过观测多个参照点来确定目标位置。光学跟踪系统的感光设备有多种多样，目前多采用红外线、激光等作为光源。基于光学跟踪系统使用的技术主要可分为标志系统、激光测距系统和模式识别方式3种.(1)标志系统：也有人称它为信号灯系统或固定传感器系统。它有两种结构：自外而内结构和自内而外结构(2)模式识别：模式识别是指跟踪器通过比较已知的样本模
23、式和由传感器得到的模式而得出物体的位置，是前面介绍的标志系统的一个改进(3)激光测距系统：激光测距系统是将激光发射到被测物体，然后接收从物体上反射回来的光来测量位置的4、机械跟踪系统 机械式位置跟踪器的工作原理是通过机械连杆装置上的参考点与被测物体相接触的方法来检测其位置变化的,它通常采用钢体结构，一方面可以支撑观察的设备，另一方面可以测量跟踪物体的位置与方位。5、惯性位置跟踪系统 惯性位置跟踪系统是近几年虚拟现实技术研究的方向之一，它通常也是采用机械的方法，通过盲推的方法得出被跟踪物体的位置v2.2 虚拟系统的输出设备 基于目前的技术水平，成熟和相对成熟的感知信息的产生和检测技术，仅有视觉、
24、听觉和触觉（力觉）三种 视觉感知设备：视觉感知设备主要是向用户提供立体宽视野的场景显示，并且这种场景的变化会实时改变。听觉感知设备：听觉感知设备的主要功能是提供虚拟世界中的三维真实感声音的输入及播放。触觉（力觉）感知设备：从本质上来说，触觉和力觉实际是两种不同的感知。力觉感知设备主要是要求能反馈力的大小和方向，而触觉感知所包含的内容要更丰富一些v2.2.1视觉感知设备1、台式立体显示系统2、头盔显示器HMD（Head-Mounted Display）CRT类显示表面LCD类显示表面VRD类显示表面VLSI类显示表面3 吊杆式显示器（BOOM，Binocular Omni-Orientation
25、 Monitor）4 洞穴式立体显示装置CAVE（Computer Automatic Virtual Environment）5 响应工作台显示装置（RWB）6 墙式立体显示装置 v2.2.2 听觉感知设备 它一方面接受用户与虚拟环境的语音输入，另一方面也生成虚拟世界中的立体三维声音。声音处理可以使用内部与外部的声音发生设备，其系统主要由立体声音发生器与播放设备组成。虚拟环境的听觉显示系统应该能给两耳提供一对声波，同时还应有具有以下特点：它应有高度的逼真性。能以预订方式改变波形，作为听者各种属性和输出的函数(包括头部位置变化)。应该消除所有不是虚拟现实系统产生的声源(如真实环境背景声音)，当
26、然在增强现实系统中，允许有现实世界的声音，因为它的意图是组合合成声音与真实声音。1、耳机 一类耳机是护耳式耳机，另一类耳机是插入耳机(或称耳塞)2喇叭 喇叭与耳机相比具有声音大，可使多人感受等特点，同时象耳机一样，在动态范围、频率响应和失真等特征上适用于所有虚拟现实应用。v 2.2.3 触觉（力觉）反馈设备在虚拟现实系统中，对触觉反馈和力觉反馈有下列一些要求：实时性要求。触觉反馈和力反馈需要实时计算的接触力、表面形状、平滑性和滑动等，这样才有真实感。有较好的安全性。由于虚拟的反馈力量是在用户的手或其他部位上加真实的力。因此要求有足够的力度让用户感觉到，但这种力不应该大到伤害用户。同时，一旦计算
27、机出现故障，也不会出现伤害用户的情况。具有轻便和舒适的特点。在这类设备中，如果执行机械太大且太重，则用户很容易疲劳，所以设备应该有便于安装与携带的优点。1、触觉反馈装置触觉反馈在物体辨识与操作中起重要作用。（1）、充气压力式触觉反馈装置（2）振动触感式触觉反馈装置2 力觉反馈装置 所谓力反馈是运用先进的技术手段将虚拟物体的空间运动转变成周边物理设备的机械运动，使用户能够体验到真实的力度感和方向感，从而提供一个崭新的人机交互界面力反馈鼠标力反馈手柄力反馈手臂有力反馈的Rutgers轻便操纵器LRP手操纵器v2.3 虚拟世界生成设备 计算机是虚拟世界的主要生成设备，它首先创建出虚拟世界的场景，同时
28、还必须实时响应用户的各种方式的输入。虚拟世界生成设备的主要功能应该包括：视觉通道信号生成与显示 听觉通道信号生成与显示 触觉与力觉通道信号与显示虚拟现实生成设备的要求 帧频和延迟时间的要求计算能力和场景复杂性v2.3.1 基于PC机的VR系统图形加速卡常见的有以下几种：艾尔莎 ATI FireGL V7100 耕宇TNT2 Ultra+帝盟Stealth III S540 ATI Rage Fury Matrox多显示MGA-G450v2.3.2 基于图形工作站的VR系统1、Sun 公司的Sun Blade2500工作站（1）支持多达2个1.28GHz UltraSPARC IIIi处理器（2
29、）支持多达8GB带有纠错功能的DDR存储器，提供了足够的RAM可扩展性（3）支持多达2个Ultra SCSI 10,000rpm硬盘，支持大型内部存储和可扩展性（4）3个1394a（FireWire）端口，可使用户访问当今工作站上的各种连接设备（5）6个64位PCI插槽提供了出色的灵活性、系统扩展以及对Sun和每三方PCI卡的支持（6）集成的板上10/100/1000BASE-T以太网卡提供了目前最高带度的桌面网络标准（7）Sun XVR-1200、Sun XVR-500和Sun XVR-100图形加速器为专业级三维图形提供了二维功能（8）支持SunPCi III协处理器卡（9）预装了Sola
30、ris 8 HW 5/03操作环境和Sun StarOffice 6.0办公套件2、SGI公司的Silicon Graphics Tezro可视化工作站SGI系统用作许多VR系统的核心，它完成仿真、可视化、通讯等任务。关键问题是系统支持强大的计算，体视的多通道视觉输出，以及连接到传感器、控制设备和网络的快速输入输出。纹理化多边形填充能力也是它的特点。3、黎明公司SunGraph 虚拟现实系列虚拟现实工作站 SunGraph系列专业虚拟现实工作站是北京黎明公司开发的国内首套应用于虚拟现实和视景仿真领域的专业虚拟现实工作站系统，SunGraph系列专业虚拟现实工作站具有强大的计算能力和卓越的虚拟现
31、实 3D图形处理速度、极高的性能价格比，开放易用、兼容性好和稳定性高、可升级性强，同时具有视景仿真和虚拟现实功能v2.3.3 超级计算机 超级计算机又称巨型机，是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大和价格最贵的一类计算机。超级计算机通常分为6种实际机器模型：单指令多数据流（SIMD）机，并行向量处理机（PVP），对称多处理机（SMP），大规模并行处理机（MPP），工作站群（COW），以及分布共享存储器（DSM）多处理机。第三章第三章 虚拟现实系统的相关技术虚拟现实系统的相关技术v3.1 立体显示技术v3.1.1 彩色眼镜法v其原理是在进行电影拍摄时，先模拟人的双眼位置从左右两个视角拍摄
32、出两个影像，然后分别以滤光片（通常为红、绿滤光片为多）投影重叠印到同一画面上，制成一条电影胶片。v3.1.2 偏振光眼镜法 光波是一种横波，当它通过媒质时或被一些媒质反射、折射及吸收生，会产生偏振现象，成为定向传播的偏振光，偏振片就是使光通过后成为偏振光的一种薄膜，它是由能够直线排列的晶体物质（如电气石晶体、碘化硼酸喹宁晶体等）均匀加入聚氯乙烯或其它透明胶膜中，经过定向拉伸而成v3.1.3串行式立体显示法要显示立体图像主要有两种方法（1）同时显示技术，即在屏幕上同时显示分别对应左右眼的两幅图像（2)分时显示技术，即以一定的频率交替显示两幅图像。v3.1.4 裸眼立体显示实现技术 三维立体液晶显
33、示技术巧妙结合了双眼的视觉差和图片三维的原理，会自动生成两幅图片，一幅给左眼看，另一幅给右眼看，使人的双眼产生视沉差异。由于左右双眼观看液晶的角度不同，因此不用戴上立体眼镜就可以看到立体的图像v3.2 环境建模技术虚拟现实系统中的虚拟环境，可能有下列几种情况。(1)模仿真实世界中的环境。(2)人类主观构造的环境。(3)模仿真实世界中的人类不可见的环境。虚拟现实系统中的环境建模技术与其他图形建模技术相比，主要表现有以下三个方面的特点：虚拟环境中可以有很多的物体，往往需要建造大量完全不同类型的物体模型。虚拟环境中有些物体有自己的行为，而一般其他图形建模系统中只构造静态的物体，或是物体简单的运动。虚
34、拟环境中的物体必须有良好的操纵性能，当用户与物体进行交互时，物体必须以某种适当的方式来做出相应的反应。v3.2.1几何建模技术几何建模通常采用以下两种方法：1、人工的几何建模方法：利用相关程序语言来进行建模。如：OpenGL、Java3D、VRML等。这类方法主要针对虚拟现实技术的特点而编写，编程容易，效率较高。直接从某些商品图形库中选购所需的几何图形，这样可以避免直接用多边形成三角形拼构某个对象外形时繁琐的过程，也可节省大量的时间。利用常用建模软件来进行建模。自制的工具软件。2、自动的几何建模方法 与大型3D扫描仪比较，这类软件有很大的优势：使用简单，节省人力，成本低，速度快，但实际建模效果
35、一般，常用于大场景中建筑物的建模。v3.2.2 物理建模技术1、分形技术 分形技术是指可以描述具有自相似特征的数据集。分形技术的优点是用简单的操作就可以完成复杂的不规则物体建模，缺点是计算量太大，不利于实时性。2、粒子系统 粒子系统是一种典型的物理建模系统，粒子系统是用简单的体素完成复杂的运动的建模。v3.2.3 行为建模技术虚拟环境中的行为动画与传统的计算机动画还是有很大的不同，这主要表现在两个方面：在计算机动画中，动画制作人员可控制整个动画的场景，而在虚拟环境中，用户与虚拟环境可以以任何方式进行自由交互。在计算机动画中，动画制作人员可完全计划动画中物体的运动过程，而在虚拟环境中，设计人员只
36、能规定在某些特定条件下物体如何运动。建模方法：1、运动学方法：运动学方法是指通过几何变换如物体的平移和旋转等来描述运动。2、动力学仿真在该方法中，运动是通过物体的质量和惯性、力和力矩以及其他的物理作用计算出来的。v3.2.4 听觉的建模技术1声音的空间分布要求对任何声音提供正常空间分布。2房间声学建模建模声场的一般途径是产生第二声源的空间图。第二声源可以由三个主要特性描述：(1)距离(延迟)，(2)相对第一声源的频谱修改(空气吸收，表面反射，声源方向，传播衰减)，(3)入射方向(方位和高低)。3增强现实中听觉的显示v3.3真实感实时绘制技术v3.3.1 真实感绘制技术所谓真实感绘制是指在计算机
37、中重现真实世界场景的过程。真实感绘制的主要任务是要模拟真实物体的物理属性，即物体的形状、光学性质、表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置、遮挡关系等等。为了提高显示的逼真度，加强真实性，常采用下列方法。纹理映射 纹理映射是将纹理图像贴在简单物体的几何表面，以近似描述物体表面的纹理细节，加强真实性。环境映照 采用纹理图像来表示物体表面的镜面反射和规则透射效果。反走样v3.3.2 基于几何图形的实时绘制技术1 预测计算该方法根据各种运动的方向、速率和加速度等运动规律2 脱机计算由于VR系统是一个较为复杂的多任务的模拟系统，在实际应用中有必要尽可能将一些可预先计算好的数据进行预先计算并存储在系统
38、中3 3D剪切 将一个复杂的场景划分成若干个子场景，各个子场景间几乎不可见或完全不可见。Cohen-Sutherland剪切算法 Cyrus-Beck剪切算法 背面消除法4 可见消隐从显示图形中去掉隐藏的（被遮挡的）线和面常见有以下几种方法：画家算法 扫描线算法 Z-缓冲器算法（Z-buffer）5 细节层次模型 所谓细节层次模型（Level of Detail），是首先对同一个场景或场景中的物体，使用具有不同细节的描述方法得到的一组模型。v3.3.3 基于图像的实时绘制技术与基于几何的传统绘制技术相比，基于图像的实时绘制技术的优势在于：计算量适中，采用IBR方法所需的计算量相对较小，对计算机
39、的资源要求不高，因此可以在普通工作站和个人计算机上实现复杂场景的实时显示，适合个人计算机上的虚拟现实应用；作为已知的源图像既可以是计算机生成的，也可以是用相机从真实环境中捕获，甚至是两者混合生成，因此可以反映更加丰富的明暗、颜色、纹理等信息；图形绘制技术与所绘制的场景复杂性无关，交互显示的开销仅与所要生成画面的分辨率有关，因此IBR能用于表现非常复杂的场景基于图像的绘制的相关技术主要有以下两种。1、全景技术2、图像的插值及视图变换技术v3.4 三维虚拟声音的实现技术v3.4.1 三维虚拟声音的概念与作用声音在虚拟现实系统中的作用，主要有以下几点：声音是用户和虚拟环境的另一种交互方法，人们可以通
40、过语音与虚拟世界进行双向交流，如语音识别与语音合成等。数据驱动的声音能传递对象的属性信息。增强空间信息，尤其是当空间超出了视域范围。v3.4.2 三维虚拟声音的特征1、全向三维定位特性（3 D steering）全向三维定位特性是指在三维虚拟空间中把实际声音信号定位到特定虚拟专用源的能力。2、三维实时跟踪特性(3D RrealTime Localization)三维实时跟踪特性是指在三维虚拟空间中实时跟踪虚拟声源位置变化或景象变化的能力。3、沉浸感与交互性v3.4.3 语音识别技术语音识别技术（ASR：Automatic Speech Recognition），是指将人说话的语音信号转换为可被
41、计算机程序所识别的文字信息，从而识别说话人的语音指令以及文字内容的技术。语音识别一般包括参数提取、参考模式建立、模式识别等过程。v3.3.4 语音合成技术 实现语音输出有两种方法（1）录音/重放：首先要把模拟语音信号转换成数字序列，编码后，暂存于存储设备中(录音)，需要时，再经解码，重建声音信号(重放)。录音/重放可获得高音质声音，并能保留特定人的音色。但所需的存储容量随发音时间线性增长。（2）文语转换：基于声音合成技术的一种声音产生技术。它可用于语音合成和音乐合成。它是语音合成技术的延伸，它能把计算机内的文本转换成连续自然的语声流。v3.5自然交互与传感技术作为新一代的人机交互系统，虚拟现实
42、技术与传统交互技术的区别可以从下列几方面说明：自然交互。多通道。多通道接口是在充分利用一个以上的感觉和运动通道的互补特性来捕捉用户的意向，从而增进人机交互中的可靠性与自然性。高“带宽”。非精确交互技术。这是指能用一种技术来完全说明用户交互目的的交互方式，键盘和鼠标均需要用户的精确输入。v3.5.1手势识别 手势识别系统的输入设备主要分为基于数据手套的识别和基于视觉（图像）的手语识别系统两种。手势识别技术主要有：模板匹配、人工神经网络和统计分析技术v3.5.2 面部表情识别1、基于特征的人脸检测 (1)轮廓规则(2)器官分布规则(3)肤色、纹理规则(4)对称性规则(5)运动规则2、基于图像的人脸
43、检测方法(1)神经网络方法(2)特征脸方法(3)模板匹配方法v3.5.3 眼动跟踪 眼动跟踪的基本工作原理是利用图像处理技术，使用能锁定眼睛的特殊摄像机。在常见的视觉追踪方法有：眼电图、虹膜-巩膜边缘、角膜反射、瞳孔-角膜反射、接触镜等几种。v3.5.4 触觉（力觉）反馈传感技术 触觉通道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，包括触觉反馈和力觉反馈。v3.6 实时碰撞检测技术 碰撞检测的任务是检测到有碰撞的发生及发生碰撞的位置，碰撞响应是在碰撞发生后，根据碰撞点和其它参数促使发生碰撞的对象做出正
44、确的动作，以符合真实世界中的动态效果。v3.6.1 碰撞检测的要求：基于视觉显示的要求，碰撞检测的速度一般至少要达到24Hz，而基于触觉要求，碰撞检测的速度至少要达到300Hz才能维持触觉交互系统的稳定性，只有达到1000Hz才能获得平滑的效果v3.6.2 碰撞检测的实现方法（1）层次包围盒法：基本思想是利用体积略大而几何特性简单的包围盒来近似地描述复杂的几何对象，并通过构造树状层次结构来逼近对象的几何模型（2）空间分解法：将整个虚拟空间划分成相等体积的小的单元格，只对占据同一单元格或相邻单元格的几何对象进行相交测试第四章第四章 虚拟现实技术的虚拟现实技术的相关软件相关软件v4.1 虚拟现实技
45、术的建模工具软件v4.1.1 3DS MAX优点：入门容易，学习简单 性价比高提供了功能强大的建模功能 用户人数众多，交流方便（1）运行环境：硬件配置：推荐Pentium-III或更高的CPU，至少256MB或更多的内存，高速硬盘，显卡须采用三维图形加速卡，显示器建议采用17寸以上的大屏幕。操作系统：采用稳定的高版本的操作系统。选择 Windows 2000/XP或更高版本的操作系统。（2）软件的安装（以3DS MAX8.0官方英文版为例）将3DS MAX 的安装光盘放入光驱，运行光盘中的3dsmaxSetup.exe安装程序，弹出3dsmax7setup对话框。在对话框中选择country为
46、“china”，声明同意许可协议，填写用户信息，选择安装目录。即可完成安装程序，重新启动计算机。运行3DS MAX8，填写授权码。选择图形加速卡驱动（已装图形加速卡），或选择软件加速（未装图形加速卡）v4.1.2 MAYA主要新功能：更快地完整复杂的建模任务制作效果更佳的游戏简化您的 3D 工作流程新的和改进的建模工具与工作流程更快、更精确的视窗/硬件渲染支持 DirectX HLSL 材质非破坏性皮肤编辑API 改进mental ray 3.6 内核扩展的平台支持v4.1.3 MultiGen Creator系列 MultiGen Creator系列产品是一个高性价比、高度自动化、功能强大、
47、交互的三维建模工具，具有强大的多边形建模、矢量建模、大面积地形精确生成功能，以及多种专业选项及插件，能高效、最优化地生成实时三维（RT3D）数据库，并与后续的实时仿真软件紧密结合，专门创建用于视景仿真的实时三维模型。其基本模块为：Creator(Base Creator)或Creator Pro(Base Creator的扩展集)1、Creator(1)多窗口、多视角、所见即所得的人机界面；(2)多边形模型创建及编辑；(3)模型变形工具及模型随机分布工具；(4)数据库层次结构(面、体、组等)创建、属性查询及编辑；(5)Mesh节点（紧密多边形结构）创建；(6)多种数据库组织、优化选项(7)用多
48、个调色板（Palettes）对色彩、纹理&多种贴图方式、材质、灯光、红外效果、三维声音进行定制及有效管理；(8)最高八层纹理的多层混合贴图；(9)对纹理属性、显示效果的精确控制；(10)细节层次（LOD）创建及渐变（Morphing）效果；(11)关节自由度（DOFs）设定；(12)两分面（BSPs）创建工具；(13)固定顺序、Z缓冲、两分面（BSPs）三种场景绘制顺序；(14)Box/Sphere/Cylinder/Convex Hull/Histogram五种形式的碰撞盒；(15)四类仪表盘自动创建；(16)大面积分布光点的定义与自动生成（模拟机场、城市、乡村的灯光）(17)二维、三维文字
49、创建；(18)公告板（Billboard）创建；(19)Flipbook动画、Switch开关效果创建；(20)实例（Instances）创建及外部参考（External References）引入；(21)视场（Viewing Volume）及截取面（Clipping Planes）的设定；(22)背景图、天空颜色渐变、雾效果；(23)可直接输入AutoCAD(.dxf)、3D Studio（.3ds）文件（可针对实时应用进行简化和数据库重组），输出AuotCAD、VRML文件；2、Creator Pro 它不仅包括了Creator的所有功能，还增加了许多新功能。(1)多边形和纹理建模功能(
50、2)矢量化建模和编辑功能(3)地表特征生成功能3、Terrain Bundle4、RoadToolsv4.2开发工具软件v4.2.1 虚拟世界工具箱WTK1、WTK的特点 为性能而设计 为开发而强化 开放性和系统优化高级函数调用v4.2.2 VEGA系列1、VEGA经典实时视景仿真渲染软件2、VEGA prime精华实时视景仿真渲染软件（1）Lynx Prime图形环境（2）VSG(Vega Scene Graph)应用程序接口（3）Vega Prime FX特殊效果仿真（4）Vega Prime LADBM大地形数据库管理（5）Vega Prime IR Scene传感器图像仿真（6）Veg
