虚拟现实技术的体系结构和关键技术

虚拟现实技术的体系结构和关键技术演示文稿现在是1页\一共有73页\编辑于星期日（优选）虚拟现实技术的体系结构和关键技术现在是2页\一共有73页\编辑于星期日2.1虚拟现实技术的体系结构现在是3页\一共有73页\编辑于星期日体系结构输入处理器渲染处理器用户模拟处理器虚拟世界数据库现在是4页\一共有73页\编辑于星期日模拟处理器

VR的核心程序处理:

控制交互、对象动作和决定虚拟世界的状态。现在是5页\一共有73页\编辑于星期日渲染处理感觉传输到用户视觉听觉触觉（触摸/力）实时图像生成SGI图形工作站现在是6页\一共有73页\编辑于星期日虚拟世界数据库设计的主体部分隶属虚拟世界的对象信息描述动作的脚本用户信息灯光效果程序控制硬件设备支持OOD技术现在是7页\一共有73页\编辑于星期日虚拟现实建模语言(VRML)VirtualRealityModelingLanguageVRML是在因特网上建立虚拟现实的开放标准现在是8页\一共有73页\编辑于星期日AVRMLcylinder#VRMLV2.0utf8#ACylinderShape{appearanceAppearance{materialMaterial{}}geometryCylinder{height2.0radius1.5}}Cylinder.wrl现在是9页\一共有73页\编辑于星期日2.2虚拟现实的多感知系统体系和技术现在是10页\一共有73页\编辑于星期日J.J.Gibson总结的感知系统人类的感知系统现在是11页\一共有73页\编辑于星期日行为系统人类的行为系统现在是12页\一共有73页\编辑于星期日人与环境的关系现在是13页\一共有73页\编辑于星期日虚拟现实系统http://www.reflex.lth.se/reflex/whatisVR/现在是14页\一共有73页\编辑于星期日1992年Bryson主计算机数据手套（传感器）（信号源）BOOM双筒全方位监视器多感知系统技术框图现在是15页\一共有73页\编辑于星期日一个示例：virtualcockpithttp://www.ipo.tue.nl/homepages/mrauterb/presentations/HCI-history/sld068.htm现在是16页\一共有73页\编辑于星期日VirtualRealitysystems

totrainaircraftpilotsandtankcommanders/info/fact_gadget/best_ever_qa/science__technology/computers/1781.html现在是17页\一共有73页\编辑于星期日1、视觉生成技术现在是18页\一共有73页\编辑于星期日1.1视觉生成基本原理：光线跟踪的方法假设从视点V通过屏幕象素e向场景投射光线交场景中的景物于P1,P2,…,Pm,那么离视点最近的P1

就是画面在象素点e处的可见点，象素e的光亮度应由P1

点向P1V方向辐射的光亮度决定。如此求出视域内每一个象素的光亮度，则可生成一幅完整的真实感图象。e现在是19页\一共有73页\编辑于星期日光线跟踪技术(raytracing)I=Ic+tsIs

+ttIt其中：I：可见点P处的光亮度。Ic：局部光照亮度tsIs：环境镜面反射光亮度ttIt：规则透射光亮度每一点的光亮度求法现在是20页\一共有73页\编辑于星期日视觉生成的基本内容在图形设备上生成逼真视景必须完成四个基本任务：用数学方法建立所需要三维场景的几何描述将三维几何描述转换为二维视图这可通过对场景的透视变换来完成。确定场景中的所有可见面这需要使用隐藏面消除算法将视域之外的或被其他物体遮挡的不可见面消去。计算场景中可见面的光强与颜色严格地说，就是根据基于光学物理的光照模型计算可见面投射到观察者眼中的光亮度大小和色彩，并将它转换成合适图形设备的颜色值，从而确定投影画面上每一个象素的颜色，最终生成视景。现在是21页\一共有73页\编辑于星期日1.2视景的几何建模与表示方法要实现虚拟现实，首先要尽可能详细地表示虚拟现实的场景几何信息。例如：表示虚拟环境中的山川河谷、鱼虫鸟兽，花草树木、五官躯体、车船路桥等。实现虚拟现实视景的表示方法有：多边形(三角形)网格表示方法结构立体几何表示方法体数据表示方法(volume-basedmethod)现在是22页\一共有73页\编辑于星期日多边形(三角形)表示方法这种方法又称为表面或边界表示方法，即物体的立体几何信息是通过它们的边界面或包围面来表示的。而物体的边界面或包围面（即物体的表面）可以用多边形表示。现在是23页\一共有73页\编辑于星期日结构立体几何表示方法这种方法又称为体积表示方法。这种表示方法中，物体被表示为一个三维体积基元的集合及它们之们的布尔运算：并、交及差。现在是24页\一共有73页\编辑于星期日Volume-basedmethods表示单元为体素(voxel)每个体素表示了所在位置的颜色、密度等相关信息。现在是25页\一共有73页\编辑于星期日其他建模与表示技术(VR相关)细节层次(LevelsofDetail:LOD)技术纹理映射(texturemap)技术现在是26页\一共有73页\编辑于星期日CourtesyStanford3DScanningRepository69,451polys2,502polys251polys76polysLevelofDetail:

TraditionalLODInANutshellFrom:DavidLuebke(UniversityofVirginia)/~gfx/Courses/2004/RealTime/lecture06.LOD1.ppt现在是27页\一共有73页\编辑于星期日DistantobjectsusecoarserLODs:LevelofDetail:

TraditionalLODInANutshellFrom:DavidLuebke(UniversityofVirginia)/~gfx/Courses/2004/RealTime/lecture06.LOD1.ppt现在是28页\一共有73页\编辑于星期日纹理映射技术(texturemapping)在视景表示时，对于有些细节，不需要建立相应的多边形表示，为了达到很好的视觉效果，只需要建立简单的几何模型，然后在几何模型的面上贴上对应的逼真图片就可以了。这种方法称为纹理映射方法。这不仅增加了场景的逼真度，而且减少了表示场景的多边形数目。现在是29页\一共有73页\编辑于星期日映射纹理前的场景映射纹理后的场景纹理映射技术(示例)现在是30页\一共有73页\编辑于星期日1.3立体显示技术基本原理：人的视觉系统可以通过四种线索得到深度知觉:侧视网膜图象差(lateralretinalimagedisparity);运动视差(motionparallax);图象大小差异(differentialimagesize);纹理梯度(texturegradient)。目前的立体显示技术基本上是基于双目视差原理实现的。现在是31页\一共有73页\编辑于星期日影响（沉浸感）立体视觉因素宽视野（１８０Ｘ１５０）立体显示彩色高分辨率头部跟踪主要视觉设备：红蓝滤色眼镜液晶开关的立体视眼镜三维头盔显示器（HMD）双筒全方位监视器（BOOM）墙式显示屏自动声象虚拟环境（CAVE）现在是32页\一共有73页\编辑于星期日头盔式显示器（HeadMountedDisplay，HMD)现在是33页\一共有73页\编辑于星期日HMD实物与原理图头盔显示器HeadMountedDisplay,HMD现在是34页\一共有73页\编辑于星期日头盔实现方法1带有光导纤维的HMD的原理HMD的实现方法现在是35页\一共有73页\编辑于星期日美国icuiti公司分辨率：VGA（640X480）价格69800日圆（约合人民币5235元）距离眼睛1cm，画面相当于2米外42英寸屏幕厚度2cm，重量70g支持连接DVD播放器、桌面电脑等电源使用3节AA电池，可以连续播放5小时左右。VideoEyewear眼镜式显示器现在是36页\一共有73页\编辑于星期日现在是37页\一共有73页\编辑于星期日现在是38页\一共有73页\编辑于星期日BOOMBinocularOmni-OrientationMonitor/tools.htmBOOMFS2现在是39页\一共有73页\编辑于星期日BinocularOmniOrientationMonitor(BOOM)现在是40页\一共有73页\编辑于星期日CAVECaveAutomaticVirtualEnvironment/pape/CAVE/http://www.ipo.tue.nl/homepages/mrauterb/presentations/HCI-history/sld076.htm现在是41页\一共有73页\编辑于星期日CyberSphereFullyImmersiveSphericalProjectionSystemIllustrationoftheSphericalProjectionSystemtheFullyImmersiveSphericalProjectionSystemhttp://www.vr-systems.ndtilda.co.uk/sphere1.htm现在是42页\一共有73页\编辑于星期日ImmersaDesk/pape/CAVE/idesk/paper//technology/idesk/现在是43页\一共有73页\编辑于星期日InfinityWall/pape/CAVE/idesk/paper/http://www.it.bton.ac.uk/staff/lp22/CS133/vrslides/sld009.htm现在是44页\一共有73页\编辑于星期日2、声音生成技术现在是45页\一共有73页\编辑于星期日听觉

3D&Stereo声源定位：强度（高频）和时差（低频）问题：声音从头里发出，随强度差而偏左或偏右原因：与耳朵形状有关解决：Convolvotron($15,000)

耳内录音+计算现在是46页\一共有73页\编辑于星期日3触觉与力觉生成技术现在是47页\一共有73页\编辑于星期日3.1触觉与力觉反馈设备Therearetwomaintypesofhapticdevices:devicesthatallowusersto"feel"texturesof2-dementionalobjectswithapenormouse-typeinterfacegloveorpen-typedevicesthatallowtheuserto"touch"andmanipulate3-dementionalvirtualobjects现在是48页\一共有73页\编辑于星期日触觉（Haptic)Haptic:机械感受器（压力与纹理）与本体感受器(proprioceptor)（重量、形状、大小）机械臂，空气囊，记忆金属，小马达，小探针现在是49页\一共有73页\编辑于星期日第二代TeletactII装有更高分辨率的指尖空气室，其余部分的空气室更大，并提供手掌反馈系统。很大的手掌空气室允许用户使劲握物体，然后接收刺激。TeletactII与TeletactI使用相似，只是空气室由20增加到30个。在中指尖、食指尖和拇指区域空气室密度较大，空气室也被放在手的背部，以产生手接触物体的感觉。ARRC力学反馈手套现在是50页\一共有73页\编辑于星期日笔式力量感知器现在是51页\一共有73页\编辑于星期日PHANTOM®Omni™HapticDevice/products/phantom_ghost/phantom-omni.aspBySensAbleTechnologies现在是52页\一共有73页\编辑于星期日力反馈手套RMⅡRMⅡ像一付手套似的戴在用户的手上。主要结构包括一个小平台，上面架着四个特制的汽缸。每个汽缸轴的顶端都和相应的指尖相连接，轴和指尖的连接通过“Y”形的连接物。一个简单的细皮手套被作为传感器/反馈系统的支持结构。现在是53页\一共有73页\编辑于星期日CyberGrasp/3d/products/cyber_grasp.phpByImmersionCorporation现在是54页\一共有73页\编辑于星期日数据手套现在是55页\一共有73页\编辑于星期日DHM手势传感装置原理图现在是56页\一共有73页\编辑于星期日4、身体位置跟踪现在是57页\一共有73页\编辑于星期日身体跟踪位置的跟踪（位置+方向） 及角度的度量（指关节、光纤）眼动跟踪现在是58页\一共有73页\编辑于星期日位置跟踪技术：正交电磁场 Polhemustrackers超声波信号 Logitec.MattelPowerGlove机械连接 FakeSpaceLabs视频信号处理 MyronKruegerLED视频传感 UNCatChapelHill惯性跟踪（加速度） Spaceball现在是59页\一共有73页\编辑于星期日PowerGlove示意图现在是60页\一共有73页\编辑于星期日三维鼠标器示意图现在是61页\一共有73页\编辑于星期日基于运动跟踪的方法一种人体运动记录回放的方法关键：数据的转换现在是62页\一共有73页\编辑于星期日基于运