1虚拟现实技术基础51

1、虚拟现实技术简介授课教师：侯守明单位：河南理工大学计算机学院2主要内容容虚拟现实实系统的的特点及及组成立体视觉觉的生成成与获取取虚拟现实实交互设设备虚拟现实实系统的的分类增强现实实技术3虚拟现实实系统的的特点及及组成虚拟现实实技术综综合图形形、图像像、声音音、手势势、语音音等要素素，试图图给计算算机使用用者创造造一种全全新的感感官体验验，使其其具有置置身于真真实世界界的感觉觉“虚拟环环境是使使人们具具有沉浸浸感的由由计算机机生成的的、交互互的、三三维的环环境”-Aukstakalnis Sand BlatnerD.4虚拟现实实系统的的特点及及组成主要特点点沉浸感如同置身身于真实实环境中中：三维

2、维、立体体、多通通道高交互性性可采取现现实生活活中习以以为常的的方式来来操纵虚虚拟环境境中的物物体实时性依视点位位置和视视线方向向实时地地改变画画面，并并实时产产生听觉觉、触觉觉/力觉响应应5虚拟现实实系统的的特点及及组成典型虚拟拟现实系系统的组组成计算机系系统用户虚拟环境境人机界界面6虚拟现实实系统的的特点及及组成基于HMD的虚拟现现实系统统的构成成7立体视觉觉的生成成与获取取产生沉浸浸感的至至关重要要的因素素立体图像像与观察察者视点点和视线线方向一一致实时生成成人类立体体视觉的的产生立体图像像生成的的照相机机模型对称透视视投影成成像相机机模型位置方向8立体视觉觉的生成成与获取取立体图像像生

3、成的的照相机机模型对称透视视投影成成像相机机模型（cont.)宽高比视角9立体视觉觉的生成成与获取取10立体视觉觉的生成成与获取取立体图像像生成的的照相机机模型对称透视视投影成成像相机机模型（cont.)近裁剪平平面距离离与远裁裁剪平面面距离11立体视觉觉的生成成与获取取立体图像像生成的的照相机机模型对称透视视投影成成像相机机模型（cont.)焦距12立体视觉觉的生成成与获取取立体图像像生成的的照相机机模型对称透视视投影成成像相机机模型（cont.)左右眼视视差（Parallax）为生成立立体图像像，计算算机必须须针对同同一场景景生成两两幅不同同的图像像分别按照照观察者者左、右右眼的位位置实时

4、时绘制13立体视觉觉的生成成与获取取立体视觉觉的捕获获必须借助助于一定定的观察察设备，使计算算机生成成的左、右眼图图像分别别为观察察者的左左、右眼眼所接收收常用的立立体视觉觉设备HMD立体眼镜镜 14虚拟现实实交互设设备WIMP交互范式式已不再再适用Windows，Icons，Menus，Pointingdevices用户将通通过一系系列新的的交互手手段，与与虚拟世世界中的的物体进进行直接接的、三三维的交交互三维鼠标标WAND数据手套套麦克风15虚拟现实实交互设设备三维定位位跟踪设设备用于跟踪踪用户当当前方位位的传感感器大多数具具有6自由度（6-DOF）位置和方方向各3自由度佩戴于用用户身体体

5、的某些些部位可可对相应应部位进进行跟踪踪一般采用用电磁技技术、超超声技术术、光学学技术，也有基基于惯性性的和纯纯机械方方式的16虚拟现实实交互设设备三维定位位跟踪设设备电磁式跟跟踪器示示例 17虚拟现实实交互设设备三维定位位跟踪设设备Logitech超声三维维鼠标 18虚拟现实实交互设设备三维定位位跟踪设设备光学跟踪踪器 19虚拟现实实交互设设备手持式交交互设备备Wand/Wanda美国Illonis大学EVL实验室开开发主要用于于CAVE、ImmersaDesk等虚拟环环境中类似于三三维鼠标标，上有有三个按按键和一一个操纵纵杆（Joystick）20虚拟现实实交互设设备手持式交交互设备备Wi

6、iRemote任天堂游戏主机机Wii的主要控制器外形及按按钮操作作与电视视遥控器器类似可握持在在手中，特别适适合于指指向、挥挥动等操操作 21虚拟现实实交互设设备数据手套套附有传感感器，分分布在手手掌和手手指的关关节处，以获取取用户手手形的准准确信息息传感有电电磁式、机械式式或光学学式传感器捕捕获的数数据被转转换成关关节角度度数据，用于控控制虚拟拟手的运运动22虚拟现实实交互设设备数据手套套传感器器的典型型配置22-dof23虚拟现实实交互设设备24虚拟现实实交互设设备25虚拟现实实交互设设备26虚拟现实实交互设设备27虚拟现实实交互设设备交互设备备的软件件支持硬件接口口标准的串串行设备备接口

7、（即RS-232）并行口其它接口口（如USB或无线通通讯接口口）软件接口口几乎每一一种设备备均未采采用标准准的软件件接口使用各自自独有的的接口控控制协议议或命令令指令集集28虚拟现实实交互设设备交互设备备的软件件支持软件供应应商必须须为每一一硬件供供应商的的输入设设备单独独设计应应用接口口驱动程程序虚拟现实实软件间间的区别别（就交交互设备备而言）所能支持持的输入入设备的的多少设备与各各自系统统的集成成方式是否有能能力进行行扩充以以支持新新的交互互设备VR系统的主主要不同同之处在在于系统统与用户户之间界界面基于系统统与用户户界面划划分桌面型VR系统头盔型VR系统基于投影影显示的的VR系统遥在系统

8、统29虚拟现实实系统的的分类30桌面型虚虚拟现实实系统采用计算算机屏幕幕作为立立体显示示载体辅以一定定的声音音输出设设备、三三维交互互设备和和立体眼眼镜等传统计算算机图形形学的自自然扩展展具有好的的性价比比，但沉沉浸感略略差31基于HMD的虚拟现现实系统统利用HMD等设备把把用户的的视觉、听觉对对外界封封闭起来来用户完全全投入到到虚拟环环境中能提供好好的沉浸浸感阻断了人人与人间间的交流流32基于投影影显示的的虚拟现现实系统统利用大规规模投影影显示设设备让用用户完全全或部分分融入虚虚拟环境境沉浸式典型代表表：CAVE半沉浸式式典型代表表：Workbench33基于投影影显示的的虚拟现现实系统统C

9、AVE美国Illonis大学EVL实验室首首创由36个投影屏屏幕组成成正方体体形状计算机系系统产生生立体图图像，经经投影仪仪分别投投射到对对应的屏屏幕上用户戴着着立体眼眼镜站于于CAVE的内部立体眼镜镜上附有有6-DOF跟踪设备备对用户户头部运运动进行行实时跟跟踪声音系统统34基于投影影显示的的虚拟现现实系统统CAVE示意图35基于投影影显示的的虚拟现现实系统统CAVE示例 36基于投影影显示的的虚拟现现实系统统Virtual WorkbenchTM 卫星虚拟拟装配37遥在系统统将现实世世界中远远程场景景与操作作人员的的感官直直接连通通，让用用户感觉觉就像亲亲临现场场一样利用计算算机图形形、人机机交互、传感器器、网络络等技术术远程传感感器