虚拟现实技术课件

Chapter4VirtualReality

第四章虚拟现实技术4.1虚拟现实技术4.2计算机图形学4.3三维图形接口Chapter4VirtualReality

第四章4.1VirtualReality

4.1虚拟现实技术4.1.1HistoryandApplicationofVirtualReality4.1.1虚拟现实的历史及应用4.1VirtualReality

4.1虚拟现实技术HistoryofVirtualReality

虚拟现实的历史自1962年，美国青年（MortonHeilig），发明了实感全景仿真机开始，虚拟现实技术越来越受到人们的关注。1970年元月1日，艾凡·萨瑟兰(IvanSutherland)领导研制成功第一个头盔显示器，这一天进行了首次的正式演示。VirtualReality的概念由美国VPLResearch公司的创始人加隆·兰里尔(JaronLanier)在1989年正式提出来，中文通常译作“虚拟现实”。VirtualReality简称VR。HistoryofVirtualReality

虚拟ApplicationofVirtualReality

虚拟现实的应用近年来VR研究也取得了很大进步，除了一些娱乐系统外，还有飞行模拟器，模拟手术实验室，驾驶模拟器，波音飞机777设计、遥控机器人、欧洲MonaLisa影视虚拟演播室、美国SIMNET海陆空战场仿真互联网。VR的一些具体的应用领域有：娱乐、教育与训练、医学、可视化、遥控遥现、通讯与协同工作、设计与规划、虚拟制造技术ApplicationofVirtualRealityApplication:

Meeting(VirtualEnvironment)Application:Meeting(VirtualEApplication:FearofHeightsApplication:FearofHeightsFearofHeights…SuccessStories!FearofHeights…SuccessStorieFearofspiders(arachnophobia)

蜘蛛恐惧症Fearofspiders(arachnophobiaDrivingSimulatorDrivingSimulatorApplication:YACON高尔夫系统Application:YACON高尔夫系统Application:YACON高尔夫系统玩家击打的是真的高尔夫球，经过速度感应器的计算，电脑能实时显示出高尔夫球在虚拟球场上的运动轨迹，以及落点。真实的手感，加上逼真的显示效果带给玩家的是一种超越现实示的满足感。在这里不仅能玩高尔夫球，而且能玩的很尽兴，这家俱乐部还能提供您世界50个顶级高尔夫场地的模拟数据，玩家在这里就能足不出户体验游历世界著名球场，享受挥杆天下的乐趣了Application:YACON高尔夫系统玩家击打的是真4.1.2BasicConceptsofVR

4.1.2虚拟现实的基本概念(1)虚拟现实的定义

VirtualRealityDefinition(2)虚拟现实三角形

TriangleRelationshipofVirtualReality

(3)虚拟现实的外部设备

VirtualRealityTools4.1.2BasicConceptsofVR

.1VRDefinition

虚拟现实的定义(1)虚拟现实技术是在计算机技术支持下的一种人工环境，是人类与计算机和极其复杂的数据进行交换的一种技术。利用计算机系统可以人为创建一种虚拟空间，虚拟现实系统具有向用户提供视觉、听觉和触觉、味觉和嗅觉等感知功能的能力，人们能够在这个虚拟环境中观察、聆听、触摸、漫游，并与虚拟环境中的实体进行交互，从而使用户亲身体验沉浸在虚拟空间中的感受。VRDefinition

虚VRDefinition

虚拟现实的定义(2)Realineffect,notrealinfact.

虚拟现实的最终目的是提高人的认识能力，促进人与环境的交流，更深入的开发人类的智慧。

思考：道路交通驾驶模拟器系统的目的？VRDefinition

TriangleofVirtualReality

虚拟现实三角形(1)

Imagination

Interaction

Immersion

VirtualReality

TriangleofVirtualRe

TriangleofVirtualReality

虚拟现实三角形(2)RealTime:Actionscanimmediatelymodifythestateofthespace.Immersion:Feelingtobeinthe3DVirtualSpace.Interaction:Possibiltyofmovinginthe3DspaceandmanipulateobjectsImagination:Getsomeideainthe3Dspace.TriangleofVirtualRe

TriangleofVirtualReality

虚拟现实三角形(3)

沉浸性是指用户感到被虚拟世界所包围，就好像完全融入其中一样。通常有两种实现方法，一种是多“窗口”显示法，常用于飞行或者驾驶模拟器中，用户能够通过任一“窗口”看见虚拟的世界，就好像通过一个真实的窗口看见外部世界一样；另一种是多数沉浸式虚拟现实系统所采用的头盔法，通过跟踪用户头部的运动，用户能看到变化的景象。交互性是指用户能通过自然的动作与虚拟世界的物体进行交互作用。例如在建筑中“穿行”，你可以开门或关门，也可以开关家电设备；在工程设计时，你可以用手拆散你的设计或者做其他的交互动作。想象力是指用户沉浸在多维信息空间中，依靠自己的感知和认知能力全方位地获取知识，发挥主观能动性，寻求解答、形成新的概念。用一句话来概括3I：人们能够沉浸到计算机系统所描述的环境中，利用多种传感器和多维化的信息环境进行交互作用，从定性和定量结合集成的环境中得到感性和理性的认识。TriangleofVirtualReExample1:InputtingDocument

VR实例1：文档录入《虚拟现实与系统仿真》P29半实物仿真增强现实Example1:InputtingDocumentExample2:DrinkingHotCoffeeinVR

VR实例2：人在VR中喝热咖啡半实物仿真、增强现实沉浸感生成的技术基础人的感知系统对各种信息的获取比例：视觉≥60%听觉25％其他20％

如：触觉、味觉、表情、手势等真正可以投入实际应用的技术还局限于视觉、听觉、触觉，人们对嗅觉、味觉的研究尚处于开发中……Example2:DrinkingHotCoffeVirtualRealityTools

虚拟现实外设3DPositionTrackersDataGlove3DMouseDataClothingTouchandForceFeedbackStereoDisplayDevices3DSoundGeneratorsVirtualRealityTools

DataGloveDataGloveHead-mounteddisplayHead-mounteddisplay3DMOUSE3DMOUSETouchandForceFeedback触觉系统中的纹理模拟：细小弹簧模拟充气式触觉反馈装置：细小可充气气泡操纵杆JoyStick式力反馈装置：

如：游戏手柄、游戏方向盘kTouchandForceFeedback触觉系统中的Ego-CentricorEmissiveVREgo-CentricorEmissiveVRNewSphereofVirtualRealityVirtuSphereprovidesamechnicalbasisfortrulyimmersivevirtualrealityenvironments,permittingtheusertomoveaboutinvirtualspacebysimplywalking.Thedeviceconsistsofalargehollowspherewhichismountedonaspeciallydesignedplatformthatallowsthespheretorotatefreelyastheuserwalksinanydirection.(Notethattheopenhatchinthepictureaboveisclosedduringuse.)Theuserwearsahead-mounteddisplay,whichprovidesthevirtualenvironment.Sensorsunderthesphereprovidesubjectspeedanddirectiontothecomputerrunningthesimulation.Userscanevenineractwithobjectsinvirtualspaceusingaspecialmanipulator.NewSphereofVirtualRealityV4.1.3StructureandClassificationofVR

4.1.3VR系统的构成与分类

（1）典型的虚拟现实系统的基本构成：包括：虚拟现实发生器，声音合成器，3D声音定域器，语音识别器，跟踪器，触、动觉系统，头盔显示器（Head--MountDisplay），数据手套（DataGlove）等硬件系统；以及虚拟现实境界构造程序和有关虚拟现实境界的数据库等软件系统。4.1.3StructureandClassifica头部动作跟踪器 头部动作

跟踪设备眼球运动

跟踪设备 声音

识别设备 手动作

识别设备 触感发生器 计算机 眼球跟踪器 拾音器

数据手套 自由度运动机构 视景生成

子系统 立体声

合成器

耳机

典型VR系统的基本构成

头部动作跟踪器 头部动作

跟踪设备眼球运动

跟踪设备 声音

（2）

VRClassification

（2）VR的分类VR系统根据沉浸程度的不同，大致分为：强制式VR非强制式VR：如KMRTDSVR系统根据其原理和规模的不同可分为:桌面式VR系统座舱式VR系统投影式VR系统（2）VRClassification

（2）VR的分NonmandatoryVR

非强制式VRNonmandatoryVR

非强制式VRDesktopVR

桌面式VR系统DesktopVR

桌面式VR系统4.1.4VRRenderingTechnology

4.1.4VR渲染技术虚拟现实系统的渲染技术包括三类：基于图形的渲染技术:RenderingBasedonGraph基于图像的渲染技术：RenderingBasedonImage基于点的渲染技术：RenderingBasedonPoint4.1.4VRRenderingTechnology

GeometricModeling

基于图形：几何造型GeometricModeling

基于图TextureMapping

基于图形：纹理映射TextureMapping

基于图形：纹理RenderingBasedonImage基于图像的渲染技术问题：纹理映射依赖于基础的三维几何建模纹理坐标与几何模型的结合存在困难RenderingBasedonIm虚拟现实技术课件Example实例电影《泰坦尼克号》中“泰坦尼克”模型的

建模费用为60MUS$

。Example实例电影《泰坦尼克号》中“泰坦尼克”模型的

建VR渲染技术演示基于图像建模技术演示基于图形建模技术演示VR渲染技术演示基于图像建模技术演示基于图形4.1.5VRModeling

4.1.5

VR建模

1.几何建模GeometricModeling2.运动建模MotionModeling3.物理建模：表面变形、表面光滑程度4.对象行为：人的行为、驾驶员的行为5.模型分割LevelofDetail（LOD）6.

VirtualRealityModelingLanguage4.1.5VRModeling

4.1.5VR建模1GeometricModeling

几何建模物体的几何模型主要内用来描述物体的形状，常用的物体结构表示有线框表示法、表面或边界法和实体模型表示法。

GeometricModeling

几何建模物体的几何模型VSDesignDemo(CityRoad)VSDesignDemo(CityRoad)VSDesignDemo(Freeway)VSDesignDemo(Freeway)VSDesignDemo(RuralRoad)VSDesignDemo(RuralRoad)MotionModeling

运动建模Definition：在计算机上模拟空间微重力状况下FFSR的运动学、动力学的运动规律。About：碰撞检测：（demo）动态建模：（行走demo）MotionModeling

运动建模DefinitionPhysicalModeling

物理建模也称现象建模，主要包括对几何建模的结果进行材质、纹理、颜色、光照等处理，在计算机上生成具有真实感的图形，并对虚拟环境对象的特性进行描述。

PhysicalModeling

物理建模也称现象建模，主ObjectBehaviour

对象行为行人行走仿真Demo法国AIMSUN软件行人简单行走模型实验室逼真行人行走模型(行走仿真_逼真.dys)ObjectBehaviour

对象行为行人行走仿真DemDriverdealwithunexpectedevents

KMRTDS应用:驾驶员处理突发事件DriverdealwithunexpectedevLevelofDetail

模型分割LevelofDetail

模型分割VirtualRealityModelingLanguage

虚拟现实建模语言VRML是一种用在Internet和Web超链上的，多用户交互的，独立于计算机平台的，网络虚拟现实建模语言。虚拟世界的显示、交互及网络互连都可以用VRML来描述。VRML被称为继HTML之后的第二代Web语言，它本身是一种建模语言，也就是说，它是用来描述三维物体及其行为的，可以构建虚拟境界（VirturalWorld),可以集成文本、图像、音响、MPEG影像等多种媒体类型，还可以内嵌用Java、ECMAScript等语言编写的程序代码。VRML的基本目标是建立因特网上的交互式三维多媒体，基本特征包括分布式、三维、交互性、多媒体集成、境界逼真性等。VirtualRealityModelingLanguVRML的设计是从在WEB上欣赏实时3D图象开始的。VRML浏览器既是插件，又是帮助应用程序，还是独立运行的应用程序，它是传统的虚拟现实中同样也使用的实时3D着色引擎。这使得VRML应用从三维建模和动画应用中分离出来，在三维建模和动画应用中可以预先对前方场景进行着色，但是没有选择方向的自由。VRML提供了6+1度的自由，用户可以沿着三个方向移动，也可以沿着三个方向旋转，同时还可以建立与其它3D空间的超链接。因此VRML是超空间的。VRML的设计是从在WEB上欣赏实时3D图象开始的。VRMLVRML定义了一种把3D图形和多媒体集成在一起的文件格式。从语法角度看，VRML文件是显式地定义和组织起来的3D多媒体对象集合；从语义角度看，VRML文件描述的是基于时间的交互式3D多媒体信息的抽象功能行为。VRML文件描述的基于时间的3D空间称为虚拟境界(VirtualWorld)，简称境界，所包含的图形对象和听觉对象可通过多种机制动态修改。VRML定义了一种把3D图形和多媒体集成在一起的文件格式。从4.1.6VirturalRealityApplicationandForeground

4.1.6虚拟现实相关技术应用与展望

增强现实技术

AugmentedReality普适计算

UbiquitousComputing虚拟现实技术应用实例

VirturalRealityApplicationInstance4.1.6VirturalRealityApplicaAugmentedReality

增强现实技术增强现实(augmentedreality，AR)是指在真实环境(realenvironment)之上提供信息性和娱乐性的覆盖(informativeandentertainingoverlays)，如将图形、文字、声音及超文本等叠加(overlay)于真实环境之上，提供附加信息，从而实现提醒、提示、注记、注释及解释等辅助功能。它是虚拟环境和真实环境的结合。增强现实技术的发展：仿真技术→虚拟现实技术→增强现实技术增强现实技术特征：虚实结合、实时交互、三维注册AugmentedReality

4.1.VirtualEnvironmentModel

虚拟环境模型VirtualEnvironmentModel

虚拟环境增强现实虚拟环境建模增强现实虚拟环境建模UbiquitousComputing

普适计算20年前，计算机还是贵重的科学仪器，安装在洁净的机房并有专人负责管理。如果要上机，你需要换上白大褂和拖鞋，小心翼翼地敲键盘输入程序代码，然后耐心地等待运行结果。10年前，PC的普及使计算机的应用迈进了一大步，我们可以在办公室、在家里、甚至在旅途中使用计算机。但这离人类的理想还有很大的距离，我们仍然是在主动地“使用”计算机，必须去安装、配置和管理它们，基本上，计算机还是一种生产工具，与我们的生活还存在很大的距离。UbiquitousComputing

今天，社会信息化的飞速发展已经使我们的工作和生活发生了深刻的变化，工作、学习、甚至日常生活都与计算机紧密相连。看看典型的都市白领装扮：手里拎着笔记本电脑、包里带着“商务通”和手机，用计算机工作、上网、玩游戏已经成为日常生活中不可或缺的部分。但这还远远不够，人类的理想是让计算机无处不在，成为能自觉、主动地为人们服务的“仆人”，这就是普适计算要解决的问题。今天，社会信息化的飞速发展已经使我们的工作和生活发生了深刻的普适计算（ubiquitouscomputing，UC），又称为无处不在的计算，这是由PARC的MarkWeiser于20世纪90年代初提出的，目的是让计算机真正渗入到我们的日常生活中。它是指在我们周围的环境中嵌入许多微型的计算芯片、装置或系统，不仅可完成预定的计算功能，还可主动向可穿戴计算机的使用者提供信息，以便使用者无论在何处都能与周围的环境进行动态通信，充分获取环境信息。在UC环境中，可穿戴计算机就是人与UC环境交互的主要渠道，起着特殊“界面”的作用。普适计算（ubiquitouscomputing，UC），VirturalRealityApplicationInstance

虚拟现实技术应用实例（1）基于图形建模软件RoadTranS–VRMAG：简介：RoadTran-S–VRMAG建模、仿真软件是基于OpenGL图形库的VisualC++程序，可在PC系列计算机、MicrosoftWindows操作系统下运行，具有三维实体建模、交互式场景生成平台、任意视点3D漫游、模拟器实时驱动；开放接口等特点。软件适用于交通工程、交通运输、汽车工程、道路工程等行业。可用于道路交通虚拟仿真、交通环境3维建模、驾驶模拟器支撑软件、交通设计评价等方向的教学与科研。软件的主要功能、特色：该软件具有三维实体建模、交互式场景生成平台、任意视点3D漫游、模拟器实时驱动；开放接口等特点。VirturalRealityAppliRoadTranS–VRMAG软件界面RoadTranS–VRMAG软件界面（2）世纪景园演示

（2）世纪景园演示4.2ComputerGraphics

4.2计算机图形学要求：了解计算机图形学研究的基本内容。回顾线性代数的矩阵乘法，掌握用与矩阵相乘实现图形变换的方法、理解齐次坐标的几何意义。通过实例介绍二维图形变换的基本方法、基本变换矩阵的级联方法；要求掌握简单的二维图形变换方法。4.2ComputerGraphics

4.2计算机4.2.1Summarize

4.2.1概述随着计算机技术的进步，计算机图形技术的发展也愈来愈受到人们的重视。计算机的应用也逐步由数值计算，数据处理领域向信息处理和知识处理领域拓宽。计算机的应用不断提出各种各样的要求又进一步促进了计算机科学技术的发展和提高。计算机图形学这一新的分支学科的出现，就是计算机应用与计算机技术相互促进的一个范例。与其它形态的信息相比，图形具有直观明了，含义丰富等种种优点。因此它有着广泛的用途。虽然图形的表示、生成、处理、存贮、检索和管理等要比文字复杂得多，但用计算机处理图形信息比传统的手工或机械方式提高了一大步，它使图形的用途更加广泛，更加有效，而成本越来越低。与图形信息的计算机处理有关的计算机分支学科有三个，它们是图象处理，模式识别和计算机图形学。4.2.1Summarize

4.2.1概述随着计算机4.2.23DStereoVision

4.2.2三维立体视觉

术语“深度”一般可以指：某一点到远处某物体之间的距离，也可以指两个物体或同一物体的两点之间的距离。（1)静态的深度线索（2)运动深度线索（3)生理上的深度线索（4)立体视觉线索4.2.23DStereoVision

4.2.2三Staticdepthcue

静态的深度线索遮挡

影调

亮度尺寸

线性透视

纹理Staticdepthcue

静态的深度线索遮挡（1)

（1)静态的深度线索--遮挡（1)

（1)静态的深度线索--遮挡（1)静态的深度线索--尺寸（1)静态的深度线索--尺寸（1)静态的深度线索--线性透视

我们观察某一建筑物，屋顶和地面形成的直线看起来会聚于一点。如果知道建筑物的高度是一致的，我们就可以确定建筑物的深度了。这种利用物体上的直线投影的角度来判断距离的方法，就是利用了线形透视。

（1)静态的深度线索--线性透视我们观察某一建筑物，屋顶和（2)MotionDepthCue

（2)运动深度线索

当你用一只眼睛去看几棵树的上部，如果他们之间没有互相遮拦的话，你很难说出哪棵树近，哪棵树远。但当你左右移动一下你的头部，树的远近就很容易发现了，因为近处的树在你看来移动得多或者说移动得快，而在远处的树则移动得慢一些。（2)MotionDepthCue

（2)运动深度线索（3)PhysiologicalDepthCue

（3)生理上的深度线索

最重要的近处物体的深度信息要靠两只眼睛来获取。从生理上来探讨，当你看近处的物体时，因为两只眼睛要看同一处，眼睛就要内向（向脸的中心线）转动。物体离你的脸越近，眼睛的转动就越多，如果看的物体在6、7米之外，两眼就基本平直了。所以，眼睛转动的多少提供了深度的信息。从眼睛聚焦的过程来看，为了要看清一个物体，眼睛要调节晶状体使得物体的像能清晰的聚焦眼底，这种调节过程能给我们一些深度线索。你可以试验这种方法，但获得的深度信息一般不太准确。

（3)PhysiologicalDepthCue

（（4)StereoVision

DepthCue

（4)立体视觉线索

当两只眼睛相隔约60毫米，每只眼睛从略有不同的角度观察同一物体时，每只眼睛看到的并不完全相同，这称为视差。当双眼观察到左右配对的特征时，某种神经元反应最为灵敏。在虚拟现实的显示技术中，利用双目视差来造成立体感是一个重要的方面。头盔显示系统就是利用了这一点来实现虚拟现实系统的立体视觉线索的，因为头盔显示器中左眼和右眼所看到的视景系统有些差别。（4)StereoVisionDepthCue

4.2.3GraphTransform

4.2.3图形变换二维图形变换

三维图形变换与投影变换

图形变换实例4.2.3GraphTransform

4.2.3图形GraphTransform

图形变换通常我们要对图形进行各种变换，如平移，缩放，旋转，投影等。这些变换的实质是改变组成图形的各点的坐标。所以对图形的变换就转化为对一组点集的变换。既然构成图形的一组点集可由矩阵来表示，那么对图形的变换就可通过对矩阵的运算来实现。

GraphTransform

图形变换通常我们要对图形进行2DGraphTransform

二维图形变换

一个点可以表示为［x,y］,与矩阵T2×2相乘得：［x,y］T＝［x*,y*］2DGraphTransform

4.(1)ScaleTransform

(1)比例变换

(1)ScaleTransform

(1)比例变换(2)RotateTransform

(2)旋转变换

(2)RotateTransform

(2)旋转变换(3)Translationand

HomogeneousCoordinates

(3)平移变换与齐次坐标

(3)TranslationandHomogeneou(4)GeometricSignificanceofHomogeneousCoordinates

（4)齐次坐标的几何意义

用n+1维向量来表示n维向量的方法叫作齐次坐标表示法。二维向量[xy]的齐次表示的一般形式为[ＨxＨyＨ](1)当Ｈ＝１时，[xy1]是齐次坐标的规范化表示，它的几何意义是：x,y的坐标没任何变化，只是增加了Ｈ＝１的附加坐标，相当于使xoy坐标平面上的图形落到了Ｈ＝１平面上，图形没有发生任何几何意义上的变化。图形ABC与Ｈ＝１平面上的图形A′B′C′完全等价。(2)当Ｈ≠１时，产生透视效果。(4)GeometricSignificanceof3DGraphTransformandProjectionTransform

三维图形变换与投影变换

3DGraphTransformandGraphTransformInstance

图形变换实例(1)（1）绕坐标原点外任意一点A的旋转变换矩阵－2D问题描述：点P（x，y）绕任意点A（x0,y0）旋转θ角，求变换矩阵T实

例：P（2，2）、A（1，1），θ＝45°，先用变换矩阵T求解，然后用数学方法求解以验证。

GraphTransformInstanTransformation

MatrixSolution

变换矩阵求解（1)TransformationMatrixSolutionGraphTransformInstance

图形变换实例(2)（2）关于任何一条直线的对称变换矩阵－2D问题描述：点P（x，y）（或直线、面）绕任意轴（直线L：ax＋by＋c＝0）的镜像操作，求变换矩阵T实

例：点P（0，0），直线L：x＋y＋1＝0，求镜像点P′

GraphTransformInstanTransformation

MatrixSolution

变换矩阵求解（2)TransformationMatrixSolution4.33DGraphicalInterface

4.3三维图形接口要求：了解三维图形接口的概念，了解OpenGL的基本概念

4.3.1常见图形API介绍4.3.2OpenGL简介4.3.3OpenGL对图形变换的封装4.3.4图形接口的选择4.33DGraphicalInterface

WhatisAPI？

4.3.1什么是API？ApplicationProgrammingInterface在图形图像行业里，三维图形API有许多种。常用的3D图形API是：Direct3D(DirectX的主要设计成果)、OpenGL和QuickDraw3D(Heidi)。这3种常用的API格式在使用中都体现了一定的扩展性、灵活性和便捷性等。4.3.1WhatisAPI？

4.3.1什么是AP4.3.2OpenGLIntro

4.3.2OpenGL简介OpenGL(OpenGraphicsLibrary开放图形库)是近年来发展起来的一个性能卓越的三维图形标准，它是在SGI等多家世界闻名的计算机公司倡导下，以SGI的GL三维图形库为基础制定的一个通用共享的开发式三维图形标准。SGI公司于1990年开始着手OpenGL的研制。1992年OpenGL体系结构委员会制定了1.0规范，经历了1.1、1.2、1.3、1.4、1.5，2.0(2004年8月推出)各个版本。目前最新版本为2.1版。什么是OpenGL？OpenGL被严格定义为“一种图形硬件的软件接口”,不是一门新的“语言”。从本质上讲，它是一个完全可移植并且速度很快的3D图形和建模库。

OpenGL是图形硬件的软件接口。OpenGL是作为一种新型的接口来设计的，它与硬件无关的特性，使其可以在不同的硬件平台上实现。4.3.2OpenGLIntro

4.3.2OpenG4.3.3OpenGLAPIofGraphTransform

4.3.3OpenGL对图形变换的封装平移变换glTranslated(x，y，z)旋转变换glRotated(θ，x，y，z)比例变换glScaled(x，y，z)4.3.3OpenGLAPIofGraphTran4.3.4GraphicalInterfaceSelect

4.3.4图形接口的选择OpenGL属于底层图形开发库，要开发一个项目，开发量较大，但如果对一个已经积累了许多OpenGL模块的单位而言就不同了，使用已有的成果可能会非常容易。能快速、方便的加入了自定义的功能模块。使用OpenGL开发的软件具有自主知识产权。而使用Vega、MultiGenCreator等软件进行建模与仿真则不具备自主知识产权，必须绑定相应的模块。4.3.4GraphicalInterfaceSele态度决定一切细节影响成败谢谢您的关注！态度决定一切Chapter4VirtualReality

第四章虚拟现实技术4.1虚拟现实技术4.2计算机图形学4.3三维图形接口Chapter4VirtualReality

第四章4.1VirtualReality

4.1虚拟现实技术4.1.1HistoryandApplicationofVirtualReality4.1.1虚拟现实的历史及应用4.1VirtualReality

4.1虚拟现实技术HistoryofVirtualReality

虚拟现实的历史自1962年，美国青年（MortonHeilig），发明了实感全景仿真机开始，虚拟现实技术越来越受到人们的关注。1970年元月1日，艾凡·萨瑟兰(IvanSutherland)领导研制成功第一个头盔显示器，这一天进行了首次的正式演示。VirtualReality的概念由美国VPLResearch公司的创始人加隆·兰里尔(JaronLanier)在1989年正式提出来，中文通常译作“虚拟现实”。VirtualReality简称VR。HistoryofVirtualReality

虚拟ApplicationofVirtualReality

虚拟现实的应用近年来VR研究也取得了很大进步，除了一些娱乐系统外，还有飞行模拟器，模拟手术实验室，驾驶模拟器，波音飞机777设计、遥控机器人、欧洲MonaLisa影视虚拟演播室、美国SIMNET海陆空战场仿真互联网。VR的一些具体的应用领域有：娱乐、教育与训练、医学、可视化、遥控遥现、通讯与协同工作、设计与规划、虚拟制造技术ApplicationofVirtualRealityApplication:

Meeting(VirtualEnvironment)Application:Meeting(VirtualEApplication:FearofHeightsApplication:FearofHeightsFearofHeights…SuccessStories!FearofHeights…SuccessStorieFearofspiders(arachnophobia)

蜘蛛恐惧症Fearofspiders(arachnophobiaDrivingSimulatorDrivingSimulatorApplication:YACON高尔夫系统Application:YACON高尔夫系统Application:YACON高尔夫系统玩家击打的是真的高尔夫球，经过速度感应器的计算，电脑能实时显示出高尔夫球在虚拟球场上的运动轨迹，以及落点。真实的手感，加上逼真的显示效果带给玩家的是一种超越现实示的满足感。在这里不仅能玩高尔夫球，而且能玩的很尽兴，这家俱乐部还能提供您世界50个顶级高尔夫场地的模拟数据，玩家在这里就能足不出户体验游历世界著名球场，享受挥杆天下的乐趣了Application:YACON高尔夫系统玩家击打的是真4.1.2BasicConceptsofVR

4.1.2虚拟现实的基本概念(1)虚拟现实的定义

VirtualRealityDefinition(2)虚拟现实三角形

TriangleRelationshipofVirtualReality

(3)虚拟现实的外部设备

VirtualRealityTools4.1.2BasicConceptsofVR

.1VRDefinition

虚拟现实的定义(1)虚拟现实技术是在计算机技术支持下的一种人工环境，是人类与计算机和极其复杂的数据进行交换的一种技术。利用计算机系统可以人为创建一种虚拟空间，虚拟现实系统具有向用户提供视觉、听觉和触觉、味觉和嗅觉等感知功能的能力，人们能够在这个虚拟环境中观察、聆听、触摸、漫游，并与虚拟环境中的实体进行交互，从而使用户亲身体验沉浸在虚拟空间中的感受。VRDefinition

虚VRDefinition

虚拟现实的定义(2)Realineffect,notrealinfact.

虚拟现实的最终目的是提高人的认识能力，促进人与环境的交流，更深入的开发人类的智慧。

思考：道路交通驾驶模拟器系统的目的？VRDefinition

TriangleofVirtualReality

虚拟现实三角形(1)

Imagination

Interaction

Immersion

VirtualReality

TriangleofVirtualRe

TriangleofVirtualReality

虚拟现实三角形(2)RealTime:Actionscanimmediatelymodifythestateofthespace.Immersion:Feelingtobeinthe3DVirtualSpace.Interaction:Possibiltyofmovinginthe3DspaceandmanipulateobjectsImagination:Getsomeideainthe3Dspace.TriangleofVirtualRe

TriangleofVirtualReality

虚拟现实三角形(3)

沉浸性是指用户感到被虚拟世界所包围，就好像完全融入其中一样。通常有两种实现方法，一种是多“窗口”显示法，常用于飞行或者驾驶模拟器中，用户能够通过任一“窗口”看见虚拟的世界，就好像通过一个真实的窗口看见外部世界一样；另一种是多数沉浸式虚拟现实系统所采用的头盔法，通过跟踪用户头部的运动，用户能看到变化的景象。交互性是指用户能通过自然的动作与虚拟世界的物体进行交互作用。例如在建筑中“穿行”，你可以开门或关门，也可以开关家电设备；在工程设计时，你可以用手拆散你的设计或者做其他的交互动作。想象力是指用户沉浸在多维信息空间中，依靠自己的感知和认知能力全方位地获取知识，发挥主观能动性，寻求解答、形成新的概念。用一句话来概括3I：人们能够沉浸到计算机系统所描述的环境中，利用多种传感器和多维化的信息环境进行交互作用，从定性和定量结合集成的环境中得到感性和理性的认识。TriangleofVirtualReExample1:InputtingDocument

VR实例1：文档录入《虚拟现实与系统仿真》P29半实物仿真增强现实Example1:InputtingDocumentExample2:DrinkingHotCoffeeinVR

VR实例2：人在VR中喝热咖啡半实物仿真、增强现实沉浸感生成的技术基础人的感知系统对各种信息的获取比例：视觉≥60%听觉25％其他20％

如：触觉、味觉、表情、手势等真正可以投入实际应用的技术还局限于视觉、听觉、触觉，人们对嗅觉、味觉的研究尚处于开发中……Example2:DrinkingHotCoffeVirtualRealityTools

虚拟现实外设3DPositionTrackersDataGlove3DMouseDataClothingTouchandForceFeedbackStereoDisplayDevices3DSoundGeneratorsVirtualRealityTools

DataGloveDataGloveHead-mounteddisplayHead-mounteddisplay3DMOUSE3DMOUSETouchandForceFeedback触觉系统中的纹理模拟：细小弹簧模拟充气式触觉反馈装置：细小可充气气泡操纵杆JoyStick式力反馈装置：

如：游戏手柄、游戏方向盘kTouchandForceFeedback触觉系统中的Ego-CentricorEmissiveVREgo-CentricorEmissiveVRNewSphereofVirtualRealityVirtuSphereprovidesamechnicalbasisfortrulyimmersivevirtualrealityenvironments,permittingtheusertomoveaboutinvirtualspacebysimplywalking.Thedeviceconsistsofalargehollowspherewhichismountedonaspeciallydesignedplatformthatallowsthespheretorotatefreelyastheuserwalksinanydirection.(Notethattheopenhatchinthepictureaboveisclosedduringuse.)Theuserwearsahead-mounteddisplay,whichprovidesthevirtualenvironment.Sensorsunderthesphereprovidesubjectspeedanddirectiontothecomputerrunningthesimulation.Userscanevenineractwithobjectsinvirtualspaceusingaspecialmanipulator.NewSphereofVirtualRealityV4.1.3StructureandClassificationofVR

4.1.3VR系统的构成与分类

（1）典型的虚拟现实系统的基本构成：包括：虚拟现实发生器，声音合成器，3D声音定域器，语音识别器，跟踪器，触、动觉系统，头盔显示器（Head--MountDisplay），数据手套（DataGlove）等硬件系统；以及虚拟现实境界构造程序和有关虚拟现实境界的数据库等软件系统。4.1.3StructureandClassifica头部动作跟踪器 头部动作

跟踪设备眼球运动

跟踪设备 声音

识别设备 手动作

识别设备 触感发生器 计算机 眼球跟踪器 拾音器

数据手套 自由度运动机构 视景生成

子系统 立体声

合成器

耳机

典型VR系统的基本构成

头部动作跟踪器 头部动作

跟踪设备眼球运动

跟踪设备 声音

（2）

VRClassification

（2）VR的分类VR系统根据沉浸程度的不同，大致分为：强制式VR非强制式VR：如KMRTDSVR系统根据其原理和规模的不同可分为:桌面式VR系统座舱式VR系统投影式VR系统（2）VRClassification

（2）VR的分NonmandatoryVR

非强制式VRNonmandatoryVR

非强制式VRDesktopVR

桌面式VR系统DesktopVR

桌面式VR系统4.1.4VRRenderingTechnology

4.1.4VR渲染技术虚拟现实系统的渲染技术包括三类：基于图形的渲染技术:RenderingBasedonGraph基于图像的渲染技术：RenderingBasedonImage基于点的渲染技术：RenderingBasedonPoint4.1.4VRRenderingTechnology

GeometricModeling

基于图形：几何造型GeometricModeling

基于图TextureMapping

基于图形：纹理映射TextureMapping

基于图形：纹理RenderingBasedonImage基于图像的渲染技术问题：纹理映射依赖于基础的三维几何建模纹理坐标与几何模型的结合存在困难RenderingBasedonIm虚拟现实技术课件Example实例电影《泰坦尼克号》中“泰坦尼克”模型的

建模费用为60MUS$

。Example实例电影《泰坦尼克号》中“泰坦尼克”模型的

建VR渲染技术演示基于图像建模技术演示基于图形建模技术演示VR渲染技术演示基于图像建模技术演示基于图形4.1.5VRModeling

4.1.5

VR建模

1.几何建模GeometricModeling2.运动建模MotionModeling3.物理建模：表面变形、表面光滑程度4.对象行为：人的行为、驾驶员的行为5.模型分割LevelofDetail（LOD）6.

VirtualRealityModelingLanguage4.1.5VRModeling

4.1.5VR建模1GeometricModeling

几何建模物体的几何模型主要内用来描述物体的形状，常用的物体结构表示有线框表示法、表面或边界法和实体模型表示法。

GeometricModeling

几何建模物体的几何模型VSDesignDemo(CityRoad)VSDesignDemo(CityRoad)VSDesignDemo(Freeway)VSDesignDemo(Freeway)VSDesignDemo(RuralRoad)VSDesignDemo(RuralRoad)MotionModeling

运动建模Definition：在计算机上模拟空间微重力状况下FFSR的运动学、动力学的运动规律。About：碰撞检测：（demo）动态建模：（行走demo）MotionModeling

运动建模DefinitionPhysicalModeling

物理建模也称现象建模，主要包括对几何建模的结果进行材质、纹理、颜色、光照等处理，在计算机上生成具有真实感的图形，并对虚拟环境对象的特性进行描述。

PhysicalModeling

物理建模也称现象建模，主ObjectBehaviour

对象行为行人行走仿真Demo法国AIMSUN软件行人简单行走模型实验室逼真行人行走模型(行走仿真_逼真.dys)ObjectBehaviour

对象行为行人行走仿真DemDriverdealwithunexpectedevents

KMRTDS应用:驾驶员处理突发事件DriverdealwithunexpectedevLevelofDetail

模型分割LevelofDetail

模型分割VirtualRealityModelingLanguage

虚拟现实建模语言VRML是一种用在Internet和Web超链上的，多用户交互的，独立于计算机平台的，网络虚拟现实建模语言。虚拟世界的显示、交互及网络互连都可以用VRML来描述。VRML被称为继HTML之后的第二代Web语言，它本身是一种建模语言，也就是说，它是用来描述三维物体及其行为的，可以构建虚拟境界（VirturalWorld),可以集成文本、图像、音响、MPEG影像等多种媒体类型，还可以内嵌用Java、ECMAScript等语言编写的程序代码。VRML的基本目标是建立因特网上的交互式三维多媒体，基本特征包括分布式、三维、交互性、多媒体集成、境界逼真性等。VirtualRealityModelingLanguVRML的设计是从在WEB上欣赏实时3D图象开始的。VRML浏览器既是插件，又是帮助应用程序，还是独立运行的应用程序，它是传统的虚拟现实中同样也使用的实时3D着色引擎。这使得VRML应用从三维建模和动画应用中分离出来，在三维建模和动画应用中可以预先对前方场景进行着色，但是没有选择方向的自由。VRML提供了6+1度的自由，用户可以沿着三个方向移动，也可以沿着三个方向旋转，同时还可以建立与其它3D空间的超链接。因此VRML是超空间的。VRML的设计是从在WEB上欣赏实时3D图象开始的。VRMLVRML定义了一种把3D图形和多媒体集成在一起的文件格式。从语法角度看，VRML文件是显式地定义和组织起来的3D多媒体对象集合；从语义角度看，VRML文件描述的是基于时间的交互式3D多媒体信息的抽象功能行为。VRML文件描述的基于时间的3D空间称为虚拟境界(VirtualWorld)，简称境界，所包含的图形对象和听觉对象可通过多种机制动态修改。VRML定义了一种把3D图形和多媒体集成在一起的文件格式。从4.1.6VirturalRealityApplicationandForeground

4.1.6虚拟现实相关技术应用与展望

增强现实技术

AugmentedReality普适计算

UbiquitousComputing虚拟现实技术应用实例

VirturalRealityApplicationInstance4.1.6VirturalRealityApplicaAugmentedReality

增强现实技术增强现实(augmentedreality，AR)是指在真实环境(realenvironment)之上提供信息性和娱乐性的覆盖(informativeandentertainingoverlays)，如将图形、文字、声音及超文本等叠加(overlay)于真实环境之上，提供附加信息，从而实现提醒、提示、注记、注释及解释等辅助功能。它是虚拟环境和真实环境的结合。增强现实技术的发展：仿真技术→虚拟现实技术→增强现实技术增强现实技术特征：虚实结合、实时交互、三维注册AugmentedReality

4.1.VirtualEnvironmentModel

虚拟环境模型VirtualEnvironmentModel

虚拟环境增强现实虚拟环境建模增强现实虚拟环境建模UbiquitousComputing

普适计算20年前，计算机还是贵重的科学仪器，安装在洁净的机房并有专人负责管理。如果要上机，你需要换上白大褂和拖鞋，小心翼翼地敲键盘输入程序代码，然后耐心地等待运行结果。10年前，PC的普及使计算机的应用迈进了一大步，我们可以在办公室、在家里、甚至在旅途中使用计算机。但这离人类的理想还有很大的距离，我们仍然是在主动地“使用”计算机，必须去安装、配置和管理它们，基本上，计算机还是一种生产工具，与我们的生活还存在很大的距离。UbiquitousComputing

今天，社会信息化的飞速发展已经使我们的工作和生活发生了深刻的变化，工作、学习、甚至日常生活都与计算机紧密相连。看看典型的都市白领装扮：手里拎着笔记本电脑、包里带着“商务通”和手机，用计算机工作、上网、玩游戏已经成为日常生活中不可或缺的部分。但这还远远不够，人类的理想是让计算机无处不在，成为能自觉、主动地为人们服务的“仆人”，这就是普适计算要解决的问题。今天，社会信息化的飞速发展已经使我们的工作和生活发生了深刻的普适计算（ubiquitouscomputing，UC），又称为无处不在的计算，这是由PARC的MarkWeiser于20世纪90年代初提出的，目的是让计算机真正渗入到我们的日常生活中。它是指在我们周围的环境中嵌入许多微型的计算芯片、装置或系统，不仅可完成预定的计算功能，还可主动向可穿戴计算机的使用者提供信息，以便使用者无论在何处都能与周围的环境进行动态通信，充分获取环境信息。在UC环境中，可穿戴计算机就是人与UC环境交互的主要渠道，起着特殊“界面”的作用。普适计算（ubiquitouscomputing，UC），VirturalRealityApplicationInstance

虚拟现实技术应用实例（1）基于图形建模软件RoadTranS–VRMAG：简介：RoadTran-S–VRMAG建模、仿真软件是基于OpenGL图形库的VisualC++程序，可在PC系列计算机、MicrosoftWindows操作系统下运行，具有三维实体建模、交互式场景生成平台、任意视点3D漫游、模拟器实时驱动；开放接口等特点。软件适用于交通工程、交通运输、汽车工程、道路工程等行业。可用于道路交通虚拟仿真、交通环境3维建模、驾驶模拟器支撑软件、交通设计评价等方向的教学与科研。软件的主要功能、特色：该软件具有三维实体建模、交互式场景生成平台、任意视点3D漫游、模拟器实时驱动；开放接口等特点。VirturalRealityAppliRoadTranS–VRMAG软件界面RoadTranS–VRMAG软件界面（2）世纪景园演示

（2）世纪景园演示4.2ComputerGraphics

4.2计算机图形学要求：了解计算机图形学研究的基本内容。回顾线性代数的矩阵乘法，掌握用与矩阵相乘实现图形变换的方法、理解齐次坐标的几何意义。通过实例介绍二维图形变换的基本方法、基本变换矩阵的级联方法；要求掌握简单的二维图形变换方法。4.2ComputerGraphics

4.2计算机4.2.1Summarize

4.2.1概述随着计算机技术的进步，计算机图形技术的发展也愈来愈受到人们的重视。计算机的应用也逐步由数值计算，数据处理领域向信息处理和知识处理领域拓宽。计算机的应用不断提出各种各样的要求又进一步促进了计算机科学技术的发展和提高。计算机图形学这一新的分支学科的出现，就是计算机应用与计算机技术相互促进的一个范例。与其它形态的信息相比，图形具有直观明了，含义丰富等种种优点。因此它有着广泛的用途。虽然图形的表示、生成、处理、存贮、检索和管理等要比文字复杂得多，但用计算机处理图形信息比传统的手工或机械方式提高了一大步，它使图形的用途更加广泛，更加有效，而成本越来越低。与图形信息的计算机处理有关的计算机分支学科有三个，它们是图象处理，模式识别和计算机图形学。4.2.1Summarize

4.2.1概述随着计算机4.2.23DStereoVision

4.2.2三维立体视觉

术语“深度”一般可以指：某一点到远处某物体之间的距离，也可以指两个物体或同一物体的两点之间的距离。（1)静态的深度线索（2)运动深度线索（3)生理上的深度线索（4)立体视觉线索4.2.23DStereoVision

4.2.2三Staticdepthcue

静态的深度线索遮挡

影调

亮度尺寸

线性透视

纹理Staticdepthcue

静态的深度线索遮挡（1)

（1)静态的深度线索--遮挡（1)

（1)静态的深度线索--遮挡（1)静态的深度线索--尺寸（1)静态的深度线索--尺寸（1)静态的深度线索--线性透视

我们观察某一建筑物，屋顶和地面形成的直线看起来会聚于一点。如果知道建筑物的高度是一致的，我们就可以确定建筑物的深度了。这种利用物体上的直线投影的角度来判断距离的方法，就是利用了线形透视。

（1)静态的深度线索--线性透视我们观察某一建筑物，屋顶和（2)MotionDepthCue

（2)运动深度线索

当你用一只眼睛去看几棵树的上部，如果他们之间没有互相遮拦的话，你很难说出哪棵树近，哪棵树远。但当你左右移动一下你的头部，树的远近就很容易发现了，因为近处的树在你看来移动得多或者说移动得快，而在远处的树则移动得慢一些。（2)MotionDepthCue

（2)运动深度线索（3)PhysiologicalDepthCue

（3)生理上的深度线索

最重要的近处物体的深度信息要靠两只眼睛来获取。从生理上来探讨，当你看近处的物体时，因为两只眼睛要看同一处，眼睛就要内向（向脸的中心线）转动。物体离你的脸越近，眼睛的转动就越多，如果看的物体在6、7米之外，两眼就基本平直了。所以，眼睛转动的多少提供了深度的信息。从眼睛聚焦的过程来看，为了要看清一个物体，眼睛要调节晶状体使得物体的像能清晰的聚焦眼底，这种调节过程能给我们一些深度线索。你可以试验这种方法，但获得的深度信息一般不太准确。

（3)PhysiologicalDepthCue

（（4)StereoVision

DepthCue

（4)立体视觉线索

当两只眼睛相隔约60毫米，每只眼睛从略有不同的角度观察同一物体时，每只眼睛看到的并不完全相同，这称为视差。当双眼观察到左右配对的特征时，某种神经元反应最为灵敏。在虚拟现实的显示技术中，利用双目视差来造成立体感是一个重要的方面。头盔显示系统就是利用了这一点来实现虚拟现实系统的立体视觉线索的，因为头盔显示器中左眼和右眼所看到的视景系统有些差别。（4)StereoVisionDepthCue

4.2.3GraphTransform

4.2.3图形变换二维图形变换

三维图形变换与投影变换

图形变换实例4.2.3GraphTransform

4.2.3图形GraphTransform

图形变换通常我们要对图形进行各种变换，如平移，缩放，旋转，投影等。这些变换的实质是改变组成图形的各点的坐标。所以对图形的变换就转化为对一