虚拟现实概述2

现代仿真技术与应用教师：陆艳洪联系方式：

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yanhonglu@ 办公室：实验大楼A9131现代仿真真技术与与应用章节安排排第一章概述第二章系系统统的数学学模型第三章连续系统统的数字字仿真第四章离离散散事件系系统仿真真第六章分分布式交互互仿真第七章可可视化、多多媒体、、虚拟现现实仿真真2背景知识识包括：计算机原原理与系系统结构构，操作作系统，，计算机机网络，，软件工工程，程程序设计计，数据据结构，，电子学学，图形形学与CAD，，系统分分析，人人工智能能等。内容包括虚拟拟现实与与系统仿仿真的基基本概念念和术语语，虚拟拟现实与与系统仿仿真的基基础方法法，虚拟拟现实有有关的人人的因素素，虚拟拟现实的的接口设设备和计计算机设设备，虚虚拟现实实的世界界建模技技术，虚虚拟现实实的应用用。现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实3

知识结构构现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实4重点难点点虚拟现实实的基本本概念人的视觉觉系统和和虚拟现现实的视视觉显示示技术各类位姿姿跟踪系系统的技技术力觉和触触觉反馈馈技术虚拟现实实用计算算机系统统虚拟现实实的工具具软件系系统分布式虚虚拟现实实系统。。现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实5要求首先要求求掌握虚虚拟现实实与系统统仿真的的基本概概念和术术语，以以及虚拟拟现实有有关的人人的因素素，明确确虚拟对对现实要要求。其次要求求掌握虚虚拟现实实与系统统仿真的的基础方方法，虚虚拟现实实的接口口设备和和计算机机设备，，虚拟现现实的世世界建模模技术，，了解实实现要求求的技术术。最后要求求掌握虚虚拟现实实的应用用。现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实6参考资料料1.《虚虚拟现实实与系统统仿真》》韦有双；；国防工工业出版版社；2004年2.《虚虚拟现实实的技术术及其应应用》曾曾建超超，俞志志和；清清华大学学出版社社；19963.《灵灵境（虚虚拟现实实）技术术的理论论，实现现及应用用》汪汪成为，，高文，，王行仁仁；清华华大学出出版社，，广西科科学技术术出版社社；19964.《VirtualRealityTechnology》GrigoreBurdea，PhillippeCoiffet；JohnWiley&&Sons,,INC.；19945.《VirtualRealitySystems》JohnVince；Addison-WesleyPnblishingCompany；；1995现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实7虚拟现实实概述虚拟现实实的接口口技术虚拟现实实的计算算机技术术虚拟现实实的建模模和仿真真技术分布式虚虚拟现实实技术系统仿真真与虚拟拟现实的的结合机机制虚拟现实实的应用用现代仿真真技术与与应用第第七七章虚拟拟现实内容8〖课前思思考〗

〖学习目目标〗〗

〖难重点点〗现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述1．什么么是虚拟拟现实？？2．虚拟拟现实与与人有什什麽关系系？1．注意意理解几几个概念念。2．注意意理解几几个特点点。3．注意意理解VR设计计中考虑虑的视觉觉问题。。1．了解解VR的的概念和和特点。。2．了解解VR有有关的人人的因素素。91、虚虚拟现实实系统的的三个部部分是。2、遥遥操作系系统的三三个部分分是。3、增增强显示示系统是是。4、合合成显示示系统是是。5、虚虚拟现实实系统的的三个特特点是。6、虚虚拟现实实系统的的三个I是。7、虚虚拟现实实系统的的三个主主要技术术领域。8、确确定电影影和电视视的帧频频应该考考虑人眼眼的现象。9、人人耳的HRTF的中文文名称是是。现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述10主要内容容本章主要要介绍虚虚拟现实实的基本本概念和和有关人人的概念念。虚拟现实实或虚拟拟环境是是人工构构造的存存在于计计算机系系统内部部而非现现实世界界中的一一种环境境。该环环境包括括：环境境的人类类操作者者、人机机接口和和计算机机，人的的视觉和和听觉问问题，都都是和虚虚拟现实实有关的的人的因因素。本章内容容包括：：1虚虚拟现实实的基本本概念2虚虚拟现实实的特点点3虚虚拟现实实的应用用领域4虚虚拟现实实技术简简介5虚虚拟现实实中有关关人的因因素现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述11第一章的的知识点点现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述12虚拟现实实的发展展史1)1965年，Sutherland在篇名为为<<终极的显显示>>的论文中中首次提提出了包包括具有有交互图图形显示示、力反反馈设备备以及声声音提示示的虚拟拟现实系系统的基基本思想想，从此此，人们们正式开开始了对对虚拟现现实系统统的研究究探索历历程。2)1966年，美国国MIT的林肯实实验室正正式开始始了头盔盔式显示示器的研研制工作作。3)1989年，美国国VPLResearch公司创始始人JaronLanier提出了““VirtualReality””（虚拟现现实）的的概念。。4)1994年，美国国SGI公司和比比利时的的BARCO投影机制制造公司司，在英英国建设设了世界界上第一一个虚拟拟现实系系统。现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述13基本概念念现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述“Reality”的含义是是现实的的世界或或现实的的环境。。所以，，“VirtualReality””（虚拟现现实）的的另一个个名称是是“VirtualEnvironment”（虚拟环环境）。。“Virtual”说明这个个世界或或环境是是虚拟的的，不是是真实的的，是人人工构造造的，存存在于计计算机内内部的，，用户应应该能够够“进入入”这个个虚拟的的环境中中。所谓“进入”这个虚拟拟的环境境中，是是指用户户以自然然的方式式与这个个环境交交互（包包括感知知环境并并干预环环境），，从而产产生置身身于相应应的真实实环境中中的虚幻幻感，沉沉浸感，，身临其其境的感感觉。14“VirtualReality””(虚拟现实实）或“VirtualEnvironment”（虚拟环环境）是人工构构造的，，存在于于计算机机内部的的环境。。用户应该该能够以以自然的的方式与与这个环环境交互互（包括括感知环环境并干干预环境境），从从而产生生置身于于相应的的真实环环境中的的虚幻感感，沉浸浸感受，，身临其其境的感感觉。虚拟环境境（VirtualEnvironment,VE）系统或虚拟现现实（VirtualReality,,VR）系统包包括人类类操作者者、人机机接口和和计算机机。现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述基本概念念151）虚拟现实实系统应应用最多多的专用用设备是是头盔式立立体显示示器和数数据手套套。于是，，有人以以使用这这些专用用设备为为虚拟现现实系统统的标志志，这种种观点是是不准确确的，它它们只是是当前已已经实现现的一部部分虚拟拟现实接接口设备备。现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述基本概念念16现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述基本概念念2）虚拟现实实技术，，是在计计算机应应用和人人机交互互方面开开创的全全新的学学科领域域。这个个新领域域的发展展，还有有很多困困难，有有很多技技术难点点有待解解决，当当前，这这一领域域还只是是走出了了第一步步。3）以接口设设备为例例，头盔盔式立体体显示器器和数据据手套等等设备很很不完善善。例如如，头盔盔的视场场，分辨辨率，造造成眩晕晕等问题题还有待待解决。。听觉接接口和力力觉接口口等设备备还在研研究，应应用还不不多。味味觉，嗅嗅觉，运运动觉等等技术，，还缺乏乏研究。。17虚拟现实实系统构构成现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述检测模块块：检测用户户的操作作命令，，并通过过传感器器模块作作用于虚虚拟环境境。反馈模块块：接受来自自传感器器模块信信息，为为用户提提供实时时反馈。。传感器模模块：一方面接接受来自自用户的的操作命命令，并并将其作作用于虚虚拟环境境；另一一方面将将操作作后产生生的结果果以各种种反馈的的形式提提供给用用户。控制模块块：对传感器器进行控控制，使使其对用用户、虚虚拟环境境和现实实世界产产生作用用。建模模块块：获取现实实世界组组成部分分的三维维表示，，并由此此构成对对应的虚虚拟环境境。构成虚拟拟现实系系统的五五大模块块18一、模仿仿真实世世界中的的环境：建筑物物，武器器系统，，或战场场环境特点与功功能：这种真实实环境，，可能是是已经存存在的，，也可能能是已经经设计好好但还没没有建成成的，这这一类虚虚拟现实实系统的的功能实实际上是是系统仿仿真。要求：为了逼真真地模仿仿真实世世界中的的环境，，逼真地地建立几几何模型型和物理理模型，，环境的的动态应应符合物物理规律律。二、人类类主观构构造的环环境：用于影视视制作或或电子游游戏的三三维动画画。特点：环境是是虚构的的，几何何模型和和物理模模型就可可以完全全虚构。。实现：常用插插值方法法来实现现系统的的动画技技术三、模仿仿真实世世界中的的人类不不可见的的环境：：分子的结结构，空空气中的的速度、、温度、、压力的的分布等等。特点与功功能：这种真真实环境境，是客客观存在在的，但但是人类类的视觉觉和听觉觉不能感感觉到。。其功能能，实际际是科学学可视化化。实现：对于分子子结构这这类微观观环境，，进行放放大尺度度的模仿仿，使人人能看到到。对于于空气中中的速度度这类不不可见的的物理量量，可以以用流线线显示速速度（流流线方向向表示速速度方向向，流线线密度表表示速度度大小））。虚拟现实实的虚拟拟环境分分类现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述电影动画画的例子子居室环境境的仿真真和漫游游例子由此可见见，虚拟拟现实技技术可以以用于系统仿真真、科学学可视化化、三维维动画等领域。。19与虚拟现现实系统统有关的的几个系系统是遥遥操作系系统，增增强现实实系统以以及合成成现实系系统。遥操作(Teleoperator)系统由人类操操作者、、人机接接口和遥遥机器人人组成。。增强现实实（AugmentedReality）系统是将虚拟拟环境和和真实环环境组合合在一起起。合成环境境（SyntheticEnvironment,,SE）系统，是遥操操作系统统，虚拟拟环境系系统，增增强现实实系统等等的总称称。其他相关关系统概概念现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述虚拟环境境(VirtualEnvironment，VE)系统或虚拟现实实(VirtualReality，VR)系统由人类操操作者、、人机接接口和计计算机组组成。20对于虚拟现实实系统，与用户户交互的的环境实实际是人人工构造造的，存存在于计计算机内内部的环环境。对于遥操作系系统，与用户户交互的的环境实实际是在在远地的一一个真实实的机器器人工作作环境。增强现实实系统，是虚拟拟环境((VE))与真实实环境((RE))的组合合，与人人类交互互的既有有VE也也有RE。如虚虚拟演播播室，背背景是VE，前前景是真真实的人人其他相关关系统概概念现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述虚拟现实实系统、、遥操作作系统、、增强现现实系统统之间的区区别在于于与用户户交互的的环境不不同。遥控机器器人代替替了计算算机，环环境实际际上是远远离操作作者或操操作者无无法到达达的远程程真实环环境（如如深海、、深空、、核爆环环境等）），用户户通过类类似虚拟拟现实系系统的人人机接口口，操作作或感受受远处的的真实环环境。也也就是看看到真实实环境的的场景，，听到真真实环境境的声音音，感到到与环境境中物体体的接触触。211）全景景（Panorama）2）物体体（Object）3）场景景（Scenes）虚拟现实实的三种种表现方方式现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述在全景（（Panorama））模式下下，物体体是相对对固定而而镜头位位置是相相对移动动（原地地360度转动动）的，，例如在在建筑的的顶楼平平台环顾顾四周360度度的景观观。在场景（（Scenes）模式式下，物物体和镜镜头都可可以运动动，比如如客户在在看房时时，从一一个房间间走到另另外一个个房间。。这时，，镜头（（眼睛））在运动动，从一一个节节点（房房间一））移动到到另外一一个节点点（房间间二）。。简单的的说，这这是全景景和物体体模式的的综合。。在物体（（Object）模式式下，物物体运动动而镜头头相对固固定，比比如玩手手机时，，物体（（手机））运动，，而镜头头（眼睛睛）固定定。22虚拟现实实的特点点计算机提提供“环环境”，，不是““数据，，信息””操作者由由视觉、、听觉、、力觉感感知环境境，由自自然的动动作操作作环境，，不是由由屏幕、、键盘、鼠标标和计算算机交互互;逼真的感感知和自自然的动动作，使使人产生生身临其其境的感感觉;现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述该特点改变了人人机接口口的内容容，体现了计计算机应用的新新方向。。以环境为计计算机处处理的对对象和人人机交互互的内容容。该特点改改变了人机接口口的形式式，体现了计计算机人人机接口的新新方向。。一般计算算机系统统的人机机接口都都是面向机器器的，终端，，键盘，，鼠标，，打印机机等接口口设备。。它们能能很好地地完成了了各类数数据和多多媒体信信息的交交互。虚拟现实实中的人人机接口口，则是是面向用户户的。虚拟现现实系统统中，用用户以自然的方方式与虚拟环环境交互互。该特点改改变了人机接口口的效果果，体现了了计算机机人机接口口的新要要求。用户通过过人机接接口与虚虚拟环境境交互的的结果，，是使用用户产生生身临其其境的虚虚幻感，，沉浸感感。虚拟现实实的概念念中有三个I：（1）Immersion((沉浸)，是指逼逼真的，，身临其其境的感感觉。（2）Interaction(交互)，是指用用户感知知与操作作环境。。（3）Imagination(想象)，是指创创造性。。23虚拟现实实的应用用领域娱乐国防设计、制制造和销销售医疗和健健康危险操作作训练教育信息可视视化远程交往往与远程程游历现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述24把分布式式虚拟现现实系统统用于建建造人体体模型、、电脑太太空旅游游、化合合物分子子结构显显示等领领域，由由于数据据更加逼逼真，大大大提高高了人们们的想象象力、激激发了受受教育者者的学习习兴趣，，学习效效果十分分显著。。同时，，随着计计算机技技术、心心理学、、教育学学等多种种学科的的相互结结合、促促进和发发展，系系统因此此能够提提供更加加协调的的人机对对话方式式，虚拟现实实的应用用领域现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述教育应用用

工程应用用当前的工工程很大大程度上上要依赖赖于图形形工具，，以便直直观地显显示各种种产品，，目前，，CAD//CAM已经成为为机械、、建筑等等领域必必不可少少的软件件工具。。分布式式虚拟现现实系统统的应用用将使工工程人员员能通过过全球网网或局域域网按协协作方式式进行三三维模型型的设计计、交流流和发布布，从而而进一步步提高生生产效率率并削减减成本。。25对于那些些期望与与顾客建建立直接接联系的的公司，，尤其是是那些在在他们的的主页上上向客户户发送电电子广告告的公司司，Internet具有特特别的吸吸引力。。分布式式虚拟系系统的应应用有可可能大幅幅度改善善顾客购购买商品品的经历历。例如如，顾客客可以访访问虚拟拟世界中中的商店店，在那那里挑选选商品，，然后通通过Internet办理付付款手续续，商店店则及时时把商品品送到顾顾客手中中。虚拟现实实的应用用领域现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述商业应用用

娱乐应用用娱乐领域域是分布布式虚拟拟现实系系统的一一个重要要应用领领域。它它能够提提供更为为逼真的的虚拟环环境，从从而使人人们能够够享受其其中的乐乐趣，带带来更好好的娱乐乐感觉。。26虚拟现实实技术简简介1．VR的人机机接口2．VR的计算算机系统统3．VR的建模模和仿真真现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述给人类操操作者提提供环境境信息；；包括位位置跟踪踪和反馈馈、视觉觉通道、、听觉通通道、触触觉通道道、运动动接口和和其他接接口。感觉人类类操作者者的动作作和响应应；包括括位置跟跟踪和映映射，语语音识别别等。现有的虚虚拟系统统主要考考虑视觉觉通道。。听觉通通道和触触觉通道道还处于于研究阶阶段。所所以，VR的计计算机系系统主要要考虑视视觉通道道的要求求。建模包括括几何建建模和物物理建模模。仿真包括括图形绘绘制、三三维动画画27虚拟现实实的接口口设备位姿传感感器视觉通道道听觉通道道触觉通道道运动接口口其他类型型接口VR的人机接接口现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述28位姿传感感器VR的人机接接口现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述位置跟踪踪和映射射：用于测量量人体各各部位的的位置和和姿态，，分析判判断人面面部的表表情。它它的目的的是了解解人的身身体行为为。这是为了了实现人人机交互互所必需需的系统统功能，，VR系系统由此此了解人人的行为为，然后后做出适适当的响响应，实实现交互互。常用技术术：机械链接接、磁传传感器、、声传感感器、光光传感器器和惯性性传感器器。基本目标标：精确完完成位置置和姿态态的测量量。三个主要要的要求求：大范围围的线性性响应，，高带宽宽（1kHz）），以及及允许头头和身体体的运动动。29各种位姿姿跟踪器器的比较较发射源便携精度价格刷新率延迟范围干扰源机械式无差很高较高高很小很小无磁场式有好较高较低较高较大单传感器小

多传感器大金属及磁场超声式有较好时间法低

相位法高很低时间法低

相位法高小较大空气流动，

超声噪声光学式有较好较高昂贵高小大光反射，

红外光源惯性式无好较低昂贵很高随时间和

温度漂移现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述30给人的视视觉系统统提供图图形显示示。要求：a)显显示的的像素应应该足够够小，使使人不至至感觉到到像素的的不连续续；b)显显示的的频率应应该足够够高，使使人不至至感觉到到画面的的不连续续；c)给给两眼眼提供具具有双目目视差的的图形，，形成立立体视觉觉；d)应应该具具有足够够大的视视场，理理想情况况是显示示画面充充满整个个视场。。VR的人机接接口现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述视觉接口口通道31给人的听听觉系统统提供声声音显示示。要求：能识别声声音的类类型和强强度，能能判定声声源的位位置。关键技术术：由接口提提供的虚虚拟声音音信号合合成，声声音在虚虚拟空间间定位问问题，以以及发声声设备VR的人机接接口现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述听觉通道道触觉通道触觉通道：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。内容：涉及操作以及感觉，包括触觉反馈和力觉反馈。结构：包括安在身体上的和安在地面上的设备。人体在环境中的运动包括：身体的被动运动（被动移动，如在车上的运动），身体主动运动（漫游，如散步）。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：前庭系统、运动系统、视觉听觉系统、本体感受、动觉和触觉。运动接口的作用即为这些器官提供运动信息。运动接口32现有的虚虚拟系统统主要考考虑视觉觉通道。。听觉通通道和触触觉通道道还处于于研究阶阶段。所所以，VR的计算机机系统主主要考虑虑视觉通通道的要要求。VR的计算机机系统现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述一、硬件件视觉通道道对计算算机系统统的要求求：首先是要要求维持持足够的图图形帧速速率其次要求求在指定定的时间间内（约约为0.1秒）计算算出两眼眼的两幅幅图像同时要求求提供足够好质质量的图像，，体现在在图像中中显示的的多边形形或三角角形的数数量上。。要满足以以上要求求，往往往需要专专用硬件件。图形形硬件能提提供快速速几何变变换、截截取、消消隐、多多边形填填充和表表面纹理理。二、软件件VR系统中的的软件主主要包括括：交互软件件-----利用人机机控制设设备的输输出去修修改VE；视觉漫游游软件---控制用户户在VE中运动时时看到的的场景。。建模软件件---定义虚拟拟物体形形状、外外观和属属性的模模型。操作系统统--支持VE的实时多多模态要要求。三、网络络分布式交交互仿真真已经成成为现代代仿真技技术，特特别是军军事仿真真的潮流流。通讯网络络可以把把VE转换成共共享的分分布式计计算环境境。33一、建模模包括：几何建模模和物理理建模。。几何建模模方法：a)一般的VR工具软件件；b)利用现有有的CAD建模工具具；c)对实际物物体的建建模，采采用激光光扫描等等专用设设备；d)购买市场场上已有有的商业业模型库库。几何何建模技技术在图图形学和和CAD领域，已已有成熟熟的成果果。物理建模模：基于物理理方程的的建模---刚体建模模、链接接物体的的建模及及非刚体体建模。。VR的建模和和仿真现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述34VR的建模和和仿真现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述二、仿真真包括：图形绘制制、三维维动画。。图形绘制制：把三维环环境，相相对于虚虚拟摄像像机（虚虚拟视点点）投影影，形成成图像的的过程。。要求：1）为了提提供连续续运动的的错觉，，帧速率率须大于于每秒8到10帧；2）为保持持瞬间交交互控制制的错觉觉，响应应时间的的延迟须须小于0.1秒；3）为绘制制可分辨辨的所有有细节，，要求有有至少8千万个多多边形。。然而，用用今天的的硬件，，每个画画面8千万多边边形的系系统对对真真正的实实时交互互是太慢慢了，于于是存在在真实图图像与实实时交互互间的折折衷。某某些应用用（如建建筑和艺艺术）可可能要求求照片一一样真实实的绘制制。制造造和医疗疗应用要要求更高高层次的的实时交交互。三维动画画的实现现途径：：1）基于物理理模型的的数值计计算-----军事和工工业等应应用，往往往要求求这种满满足物理理规律的的仿真技技术；2）数学插值值-----三维动画画电影等等。35虚拟现实实开发系系统的框框图用户通过过输入输输出设备备与输入入输出软软件交互互。输入软件件通过形形状编辑辑器完成成几何建建模，通通过声音音编辑器器完成虚虚拟声音音系统建建模。在在世界编编辑器完完成虚拟拟环境的的建模。。其中的的虚拟剪剪切器，，用于模模型的剪剪切。建立的模模型，保保存在虚虚拟世界界中。整个工作作在计算算机系统统中完成成。现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述36小结虚拟现实实或虚拟拟环境是是人工构构造的，，存在于于计算机机内部的的环境。。用户应该该能够以以自然的的方式与与这个环环境交互互（包括括感知环环境并干干预环境境），从从而产生生置身于于相应的的真实环环境中的的虚幻感感，沉浸浸感，身身临其境境的感觉觉。虚拟现实实系统包包括人类操作作者、人人机接口口和计算算机。现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述1．计算机机提供“环境”,不是“数据,信息”。2．操作者者由视觉觉,听觉,力觉感知知环境,由自然的的动作操操作环境境。3．逼真的的感知和和自然的的动作，，使人产产生身临临其境的的感觉。。虚拟现实实有下列列三个特特点：37虚拟现实实中有关关人的因因素计算机，，接口和和用户是是VR系统中的的三个组组成部分分。接口口设计必必须考虑虑人的因因素，人人的因素素与VR系统性能能直接相相关。下下面介绍绍与VR系统直接接相关的的人的因因素问题题，包括括：人眼人耳身体感觉觉现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述38视觉生理理结构立体视觉觉屈光度瞳孔分辨力明暗适应应周围视觉觉和中央央视觉视觉暂留留视场现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述虚拟现实实中有关关人的因因素—人眼现有的VR系统统中，已已经考虑虑的因素素包括：：立体视觉觉，分辨辨力，视视觉暂留留，以及视场。其他因素素还没有有充分考考虑到。。视网膜解解剖图

光感受器解剖图

39图中铅笔笔的反射射光线通通过眼睛睛晶状体体的透镜镜。于是是，铅笔笔的倒置置图像直直接投影影在视网网膜上。。视网膜的的杆状细细胞和锥锥状细胞胞负责通通过视神神经把信信号传给给大脑。。视觉系统的生理结构图现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述虚拟现实实中有关关人的因因素—人眼40立体视觉觉人类立体体视觉的的原理图图现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述虚拟现实实中有关关人的因因素—人眼视觉的另另一个重重要因素素是立体体视觉能能力。提提供给人人类视觉觉的图像像，必须须使人感感觉是立立体的，，能使观观看者的的视觉系系统计算算出被看看物体的的远近。。对同一个个场景，，两眼得得到稍有有差别的的视图。。左视区的的信息，，送到两两眼视网网膜的右右侧。在视交叉叉处，左左眼的一一半神经经纤维交交叉到大大脑的右右半球，，左眼的的另一半半神经纤纤维不交交叉，直直接到大大脑的左左半球。。这样，两两眼得到到的左视视区的所所有信息息，都送送到右半半球。41分辨力是是人眼区区分两个个点的能能力，限限于10m距离上约约1.5--2mm。人眼区分分两个点点的能力力，在2m距离上约约0.4mm。则宽度度400mm上应该由由1000个0.4mm大小的像像素。计算机监监视器和和高清晰晰度电视视机，都都达到了了这样的的分辨率率。分辨力现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述虚拟现实实中有关关人的因因素—人眼42视觉暂留留是视网膜膜的电化学现现象造成视觉觉的反应应时间。。当观看看很短的的光脉冲冲时，视视杆细胞胞得到约约0.25s的峰，视视锥细胞胞快4倍，得到到约0.04s的峰。这这种现象象造成视视觉暂留留。临界熔合合频率（（CriticalFusionFrequency,CFF）效果会产生把把离散图图像序列列组合成成连续视视觉的能能力，CFF最低20Hz，并取决决于图像像尺寸和和亮度。。英国电电视帧频频25Hz，美国电电视帧频频30Hz。电影帧帧频24Hz。眼对闪闪烁的敏敏感正比比于亮度度，所以以若白天天的图像像更新率率为60Hz，则夜间间只要30Hz。视觉暂留留现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述虚拟现实实中有关关人的因因素—人眼视场双目的视视场约为为水平±1000，垂直±600，而水平平的双目目重叠视视场1200。实际的的全景显显示可能能产生水水平±1000，垂直±300视场，这这已经有有强的沉沉浸感。。43声音声音感觉觉频率范围围声强声音方向向声音舞台台头部有关关的传递递函数

现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述虚拟现实实中有关关人的因因素—人耳现有的VR系统中，，已经考考虑的因因素包括括：声音音方向，，声音舞舞台，以以及头部部有关的的传递函函数。其其他因素素还没有有充分考考虑到。。44音速在空空气中，，0℃时331m/s，20℃时344m/s。在海水水中，1℃时音速1453m/s。在铸铁铁棒中，，音速3500m/s。耳听到的的频率范范围约20Hz到20kHz。随年岁岁增加，，频率范范围缩小小，特别别是高频频段。考虑音速速344m/s。20Hz的波长17.2m,1kHz的波长34.4cm,,10kHz的波长3.44cm。人耳的尺尺寸约7cm，这是5kHz的波长。。这说明明耳会影影响这种种频率声声音的收收集。人人的身体体也会与与声波交交互，这这也会影影响声音音的质量量。这类类似音乐乐厅中的的音响效效果。声音现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述虚拟现实实中有关关人的因因素—人耳45耳分为外外耳、中中耳、内内耳。外耳把声声音引导导进内耳耳，它也也作为滤滤波器而而改变声声音。把把手放在在耳前面面，就会会感到声声音变化化。声音音最终冲冲击耳膜膜，使之之振动。。耳膜振振动再传传到耳蜗蜗，并且且振动加加大20倍。声音感觉觉现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述虚拟现实实中有关关人的因因素—人耳频率范围围耳蜗有3个螺旋管管，被2个膜片（（Reissner膜和耳底底膜）分分开。振动会刺刺激耳底底膜上的的2万到3万个硬毛毛，并产产生电信信号传给给大脑。。耳底膜膜有识别别频率的的机制。。高频振振动刺激激膜的开开始部分分，中频频振动刺刺激膜的的中间部部分，低低频振动动刺激膜膜的远端端部分。。46声强影响响到耳底底膜的振振幅，直直接转成成毛细胞胞的刺激激。声强现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述虚拟现实实中有关关人的因因素—人耳人脑识别别声源位位置，是是利用两两耳收到到的声音音的时间间差和声声音幅度度差。当人面对对声源时时，两耳耳的声强强和路径径相等。。当人向向左转以以后，右右耳声音音比左耳耳强，且且更早听听到。若若两耳路路径之差差为20cm，则时间间差0.6ms。声音方向向如果用一一对麦克克风记录录立体声声音，就就可以重重现声音音舞台，，它有宽宽度和深深度。声音舞台台由声源到到耳内部部的传递递函数称称为“头部有关关的传递递函数”(Head-relatedtransferfunctions,HRTF)，它反映头头和耳对对传声的的影响，，不同的的人有不不同的HRTF。HRTF的测量方法法：对空间每每个位置置的声源源，安放放在耳中中接近耳耳膜的小小麦克风风测量收收到的信信号。信号经过过处理，，补偿非非线性频频率响应应。头部有关关的传递递函数47涉及到感感觉表面面粗糙、、振动、、运动、、位置、、压力、、疼痛和和温度。。按身体体不同部部位，可可分四类类。现代仿真真技术与与应用第第七章虚虚拟现实实第一部部分概述述虚拟现实实中有关关人的因因素—身体感觉觉深部感觉觉:提供关节节、骨、、腱、肌肌肉和其其它组织织的信息息，涉及及压力、、疼痛和和振动。。内脏感觉觉:提供胸腹腹腔中的的内脏的的状况，，主要是是疼痛本体感觉觉:提供身体体的位置置，平衡衡和肌肉肉感觉；；也涉及及与其它它物体的的接触。。本体感感觉接受受器位于于关节、