第二章虚拟现实技术课件

第二章虚拟现实技术第二章虚拟现实技术2023/1/3usst吴恩启2主要内容2.1定义2.2发展史2.3VR系统分类2.4VR系统组成2.5虚拟现实工具2.6虚拟现实建模技术2.7建模工具软件2.8开发工具软件2022/12/29usst吴恩启2主要内容2.1定义2023/1/3usst吴恩启3

虚拟现实：由计算机生成的，通过视听、触觉、嗅觉等多通道作用于用户，使之产生身临其境的感觉的交互式计算机仿真，是一种可以创造和体验虚拟世界的计算机系统是一门集成了人与信息的科学。其核心是由一些三维的交互式计算机生成的环境组成。这些环境可以是真实的，也可以是想象的世界模型，其目的是通过人工合成的经历来表示信息。融合了许多人的因素，且放大了它对个人感觉影响的工程建立在集成诸多学科如心理学、控制学、计算机图形学、数据库设计、实时分布系统、电子学、机器人及多媒体技术等之上2.1定义虚拟现实的例子－草地男孩VirtualReality2022/12/29usst吴恩启3虚拟现实：2.1定义1929年，EdwardLink设计出用于训练飞行员的模拟器1956年，MortonHeilig开发出多通道仿真体验系统Sensorama2.2发展史1929年，EdwardLink设计出用于训练飞行员的模拟1965年，IvanSutherland发表论文“UltimateDisplay”（终极的显示）1968年，IvanSutherland研制成功了带跟踪器的头盔式立体显示器（HeadMountedDisplay，HMD）2.2发展史1965年，IvanSutherland发表论文“Ulti1972年，NolanBushnell开发出第一个交互式电子游戏Pong1977年，DanSandin、TomDeFanti和RichSayre研制出第一个数据手套——SayreGlove20世纪80年代，美国国家航空航天局（NASA）组织了一系列有关VR技术的研究：1984年，NASAAmes研究中心的M.McGreevy和J.Humphries开发出用于火星探测的虚拟环境视觉显示器；1987年，JimHumphries设计了双目全方位监视器的最早原型。

2.2发展史1972年，NolanBushnell开发出第一个交互式电1990年，在美国达拉斯召开的Siggraph会议上，明确提出VR技术研究的主要内容包括实时三维图形生成技术、多传感器交互技术和高分辨率显示技术，为VR技术的发展确定了研究方向。从20世纪90年代开始，VR技术的研究热潮也开始向民间的高科技企业转移。著名的VPL公司开发出第一套传感手套命名为“DataGloves”，第一套HMD命名为“EyePhones”。进入21世纪后，VR技术更是进入软件高速发展的时期，一些有代表性的VR软件开发系统不断在发展完善，如MultiGenVega、OpenSceneGraph、Virtools等。2.2发展史1990年，在美国达拉斯召开的Siggraph会议上，明确提2023/1/3usst吴恩启82.3基本概念1.特征虚拟技术三角形2022/12/29usst吴恩启82.3基本概念1.特2023/1/3usst吴恩启9沉浸性Immersion沉浸性：是指用户感觉到好像完全置身于虚拟世界之中一样，被虚拟世界所包围。虚拟现实技术的主要特征就是让用户觉得自己是计算机系统所创建的虚拟世界中的一部分，使用户由被动的观察者变成主动的参与者沉浸于虚拟世界之中，参与虚拟世界的各种活动。比较理想的虚拟世界可以达到使用户难以分辨真假的程度，甚至超越真实，实现比现实更逼真的照明和音响等效果。(1)视觉沉浸(2)听觉沉浸(3)触觉沉浸(4)嗅觉沉浸(5)身体感觉沉浸，味觉沉浸等2022/12/29usst吴恩启9沉浸性Immersio2023/1/3usst吴恩启10交互性Interaction交互性：虚拟现实系统强调人与虚拟世界之间要以自然的方式进行交互，实时产生在真实世界中一样的感知，甚至用户自己都意识不到的计算机的存在。交互性具有以下特点：(1)虚拟环境中人的参与和反馈：在虚拟现实系统中，人是一个重要的因素，这是产生一切变化的前提，正因为有了人的参与和反馈，才会有虚拟环境中实时交互的各种要求与变化。(2)人机交互的有效性：人与虚拟现实系统之间的交互是基于真实感的虚拟世界，并与人进行自然的交互，人机交互的有效性是指虚拟场景的真实感，真实感是前提和基础。(3)人机交互的实时性：实时性是指虚拟现实系统快速响应用户的输入。没有人机交互的实时性，虚拟环境就失去存在的必要性和前提2022/12/29usst吴恩启10交互性Intera2023/1/3usst吴恩启11构想性Imagination构想性：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的获取知识，发挥主观能动性，寻求答案并做出判断。虚拟的环境是人想象出来的，同时这种想象体现出设计者相应的思想，因而可以用来实现一定的目标。例：当在盖一座现代化的大厦之前，1）首先要对这座大厦的结构做细致的构思，2）为了使之定量化，需设计许多图纸。这些图纸只能内行人读懂，反映的是设计者的构思，3）虚拟现实同样反映的是某个设计者的思想，只不过它的功能远比那些呆板的图纸生动，强大的多。

2022/12/29usst吴恩启11构想性Imagin2023/1/3usst吴恩启122.3VR系统分类VR系统分类桌面式(DesktopVR)沉浸式(ImmersiveVR)增强式(AugmentedVR)分布式(DistributedVR)2022/12/29usst吴恩启122.3VR系统分类桌面式VR系统使用个人计算机和低级工作站来产生三维空间的交互场景。用户会受到周围现实环境的干扰而不能获得完全的沉浸感，但由于其成本相对较低桌面式VR系统仍然比较普及。桌面式VR系统使用个人计算机和低级工作站来产生三维空间的交互沉浸式VR系统利用头盔显示器、洞穴式显示设备和数据手套等交互设备把用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，而使用户真正成为VR系统内部的一个参与者，产生一种身临其境、全心投入并沉浸其中的体验。与桌面式VR系统相比，沉浸式VR系统的主要特点在于高度的实时性和沉浸感。沉浸式VR系统利用头盔显示器、洞穴式显示设备和数据手套等交互增强式VR系统允许用户对现实世界进行观察的同时，将虚拟图像叠加在真实物理对象之上。为用户提供与所看到的真实环境有关的、存储在计算机中的信息，从而增强用户对真实环境的感受，又被称为叠加式或补充现实式VR系统。可以使用光学技术或视频技术实现。虚实结合增强式VR系统允许用户对现实世界进行观察的同时，将虚拟图像叠分布式VR系统指基于网络构建的虚拟环境，将位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相连接并共享信息，从而使用户的协同工作达到一个更高的境界。主要被应用于远程虚拟会议、虚拟医学会诊、多人网络游戏、虚拟战争演习等领域。3D异形投影互动展示法国视觉舞台剧cinematique分布式VR系统指基于网络构建的虚拟环境，将位于不同物理位置的2023/1/3usst吴恩启172.4VR系统的组成典型的VR系统主要由计算机软、硬件系统（包括VR软件和VR环境数据库）和VR输入、输出设备等组成。2022/12/29usst吴恩启172.4VR系统的组2023/1/3usst吴恩启18进一步分类：检测输入装置：位置跟踪系统、数据手套、三维鼠标等图像生成和现实系统：音频系统力和触觉系统高性能计算机系统建模系统2.4VR系统的组成2022/12/29usst吴恩启18进一步分类：2.42023/1/3usst吴恩启191.3D位置跟踪器虚拟现实系统中3D位置的描述：6个参数：

3个平移参数：x,y,z

3个旋转参数：Pitch—俯仰角：围绕X轴旋转Yaw–转动角：围绕Y轴旋转Roll–偏转角：围绕Z轴旋转物体坐标的设置：物体的左右方向为x，前后方向为y，上下方向为z2.5虚拟现实工具3D位置跟踪器：主要用在沉浸式VR系统中，用来测量用户的头部或者身体的某个部位的空间位置和角度，一般与其他VR设备结合使用，如：头盔、立体眼镜、数据手套等，用户在空间上能够自由移动、旋转。目前有六自由度和三自由度两种产品2022/12/29usst吴恩启191.3D位置跟踪器22023/1/3usst吴恩启20磁场式跟踪器超声波式跟踪器光学跟踪器组成：磁发射器，磁接收器，计算模块原理：磁接收器安装在运动物体上，根据接受到的磁场信息，经计算模块计算出相对磁发射器的方向和位置2.5虚拟现实工具1.3D位置跟踪器2022/12/29usst吴恩启20磁场式跟踪器组成：磁2023/1/3usst吴恩启21磁场式跟踪器超声波式跟踪器光学跟踪器组成：超声波发射器，超声波接收器，计算机原理：1.通过测量超声波从发射器到接收器的传播时间来测量物体的方向和距离；2.通过比较接收器收到的声波相位与参考波相位来测量距离2.5虚拟现实工具1.3D位置跟踪器2022/12/29usst吴恩启21磁场式跟踪器组成：超2023/1/3usst吴恩启22磁场式跟踪器超声波式跟踪器光学跟踪器组成：发光装置，光探测器，计算机原理：通过光学成像计算物体位置；固定转换器系统：利用光探测器（或发射器）的固定距离计算出跟踪物体位置图像处理型系统：利用两个或两个以上摄像机的图像来计算出物体的三维信息2.5虚拟现实工具1.3D位置跟踪器2022/12/29usst吴恩启22磁场式跟踪器组成：发2023/1/3usst吴恩启232.视觉设备立体眼镜

双色镜：左镜片具有蓝色膜，右镜片具有红色膜，而左右眼视图则分别以红／蓝显示，并同时投影到屏幕上，左眼通过蓝色滤光膜只能看到红色的左眼视图，右眼通过红色滤光膜只能看到蓝色右眼视图，从而产生强烈的立体感

偏光镜：利用偏光不同的两个镜片实现滤光作用

开关式立体眼镜：镜片用液晶材料制造在电压控制下变成透明或不透明．左右视图以一定的频率交替显示在同一液晶屏上，用显示器的帧信号控制立体眼镜的透明与否，使显示左眼视图时，左眼镜片透明，显示右眼视图时，右眼镜片透明头盔显示器封闭式：用户只能看到头盔内显示的图像半封闭式：同时可以看到现实世界和计算机产生的图像立体图像采用时间平行显示立体图像采用分时多路复合显示2.5虚拟现实工具2022/12/29usst吴恩启232.视觉设备立体图像2023/1/3usst吴恩启243.触觉反馈和力觉反馈装置

可以和数据手套做在一起，向用户提供真实的操作感觉．使用时，计算机首先检测使用者手的位置和方向，然后将数据输入的虚拟世界发生器，在头盔显示器或显示屏中现实图拟手图像，并随着使用者手的移动而移动．当虚拟手和虚拟世界中的物体接触时，计算机再将相应的触觉和力觉反馈给使用者2.5虚拟现实工具2022/12/29usst吴恩启243.触觉反馈和力觉反2023/1/3usst吴恩启254.数据手套是一种把手势输入到计算机的工具．戴上数据手套后，数据手套通过扭曲传感器．弧度传感器来确定手及关节的位置和方向，并向计算机送出相应的数据，计算机将这些数据转化为虚拟手的动作，如握拳，伸手指等．1)VPL公司DataGlove

：美国VPL公司的数据手套是同类产品中第一个推向市场的。手套部分使用了轻质的富有弹性的Lycra材料制成，在手套中还可附加使用Isotrack3D位置传感器，用于位置检测。它采用光纤作为传感器，用于测量手指关节的弯曲和外展角度。采用光纤作为传感器是因为光纤较轻便、结构紧凑，可方便的安装在手套上，并且用户戴上手套感觉很舒适。2)Vertex公司的CyberGlove：赛伯手套是为把美国手语翻译成英语所设计的。在手套尼龙合成材料上每个关节弯曲处织有多个由两片很薄的应变电阻片组成的传感器，在手掌区不覆盖这种材料，以便透气，并可方便其他操作。3)Mattel公司的PowerGlove：用于电子游戏，精度低，价格便宜。2.5虚拟现实工具2022/12/29usst吴恩启254.数据手套2.52023/1/3usst吴恩启265.三维控制器

（1）三维鼠标：普通鼠标只能感受平面运动，而三维鼠标则可能让用户感受到三维空间中的运动，三维鼠标可能完成在虚拟空间中6个自由度的操作，包括3个平移参数与3个旋转参数，其工作原理是在鼠标内部装有超声波或电磁发射器，利用配套的接收设备可检测到鼠标在空间中的位置与方向，与其他设备相比其成本低，常应用于建筑设计等领域。

（2）空间球：

力矩球通常被安装在固定的平台上。它的中心是固定的，有6个发光二极管，这个球有一个活动的外层，也装有6个相应的光接受器。用户可通过手的扭转，挤压，来回摇摆等实现相应的操作。其优点是简单而且耐用，可以操纵物体。但在选取物体时不够直观，在使用前一般需要进行培训与学习。2.5虚拟现实工具2022/12/29usst吴恩启265.三维控制器

2023/1/3usst吴恩启27模型分类几何模型运动模型物理模型声音模型2.6虚拟现实建模技术2022/12/29usst吴恩启27模型分类2.6虚拟2023/1/3usst吴恩启28几何模型：

用来描述对象固有的形状和外表的抽象模型。几何建模：

用三角形或多边形构造对象的几何外形，然后对模型进行纹理、颜色、光照等处理几何模型2022/12/29usst吴恩启28几何模型：几何模型2023/1/3usst吴恩启29(1)实物体数字化建模：如数码拍摄、三维扫描等数字化后的建模处理。(2)图形库：共建或购买标准图形库，根据几何类似性进行修改。最好是参数化图形库，可以根据需要修改参数而得到新的几何模型。(3)使用CAD软件建模：如AutoCAD、3DMAX、UG、SolidWorks等，完成建模后，再根据所要建立的虚拟系统的需求和标准进行必要的变化或修改。由于每个软件的特点和数据格式不同，也就涉及到了建模后续应用中的许多问题(4)软件编程建模：如使用VRML、OpenGL、DirectX、Java3D等直接编程实现几何模型的建立，数据量小，专业编程技术要求就高。(5)自我开发建模软件系统：通常适应于专业性较强的子系统建模。(6)综合方式建模：根据具体情况，综合使用各种建模技术，并进行有效的组合，是目前主要的手段之一。几何模型几何模型的生成方法：2022/12/29usst吴恩启29(1)实物体数字化2023/1/3usst吴恩启30运动模型：

表现虚拟对象在虚拟世界的动态特性，如对象的位置变化，碰撞、变形等运动建模：根据对象的运动特性，对视景进行相应的变换.例2：笔记本运动建模方法

1)位置变化：

关键帧法：首先生成运动轨迹上的部分关键画面，然后插值生成中间帧画面。样条驱动法：指定物体运动的轨迹样条，根据运动向量由初始图像生成图像序列2)碰撞检测：实时计算对象间的距离

3)物体变形：通过移动或控制物体顶点来实现运动模型2022/12/29usst吴恩启30运动模型：表现虚拟2023/1/3usst吴恩启313.物理模型物理模型：物体的质量、惯性、表面粗糙度、软硬度等物理建模：将模型赋予一定的性质，使其逼真地模拟自然物理现象。物理建模的方法：刚体运动模拟、塑性物体变形运动模拟、流体运动模拟。4.声音模型1）声音的空间分布：考虑被传送声音的复杂频谱和传播性能，通过分布建模使人们能判断不同位置的声源和特性。2）房间声学建模：考虑声音源的反射等特性，声源的环境模型将会成为此声源，就像房间中墙壁等的反射效果。Example：鹦鹉物理模型和声音模型2022/12/29usst吴恩启313.物理模型物理模型2023/1/3usst吴恩启322.7建模工具软件1.3DMAX3DStudioMAX,简称3DSMAX，其前身为运行在DOS操作系统下的3DS，由著名的AutoDesk公司麾下的Discreet多媒体分部推出的一种功能强大的三维设计软件包，是当前世界上销量最大的一种三维建模、虚拟现实建模的应用软件。广泛应用于电视及娱乐业中，如片头动画和视频游戏的制作、影视特效、建筑效果图和建筑动画制作中。根据不同行业的应用特点对3DSMAX的掌握程度也有不同的要求。在虚拟现实方面，主要要求是对场景物体进行建模，并可以通过相关的插件输出其他文件格式的模型，一般是一些简单的动画功能。与其它的同类软件相比，它具有以下的优点：

（1）提供了强大的建模功能

（2）性价比高

（3）入学容易，学习简单

（4）使用者多，便于交流与应用

2022/12/29usst吴恩启322.7建模工具软件2023/1/3usst吴恩启332.7建模工具软件2.MultiGenCreator系列

MultigenCreator系列软件是MultiGen-Paradigm公司开发的一个用于可视化系统数据库进行创建与编辑的软件工具集。MultiGenCreator系列产品是一个高性价比，高度自动化，功能强大，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施三维数据库，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。

MultiGenCreator系列软件可运行平台为Windows98/NT/2000/XP及SGIIPRIX6.2版本以上。它的基本模块为：Creator（BaseCreator）或CreatorPro(是BaseCreator的扩展集），基本选项两种：TerrainBundle和RoadTools。

1.Creator

Creator提供交互多边形的建模及纹理应用工具，构造高逼真度、高度优化的实时三维模型，并提供格式转换功能，能将常用的CAD或动画三维模型转化成OpenFlight数据格式2022/12/29usst吴恩启332.7建模工具软件2023/1/3usst吴恩启342.7建模工具软件2.CreatorPro

CreatorPro是功能强大，交互的建模工具，在它所提供的“所见即所得”建模环境中，可以建立所期望的，被优化的三维场景。.CreatorPro将多边形建模，矢量建模和地表产生等特征集于一体，具有无与伦比的效率和创造性。

（1）多边形和纹理建模功能

使用.CreatorPro直观的可交互的多边形建模和纹理应用工具，可构造高度逼真的三维模型，并可能对它进行实时化而无需更多的人工干预。

（2）矢量化建模和编辑功能

利用矢量数据高效地建立感兴趣的地域。读入或生成矢量数据并对它进行编辑，.CreatorPro自动建立全纹理和彩色的模型并把它们加到地形表面。

（3）地表特征生成功能

CreatorPro拥有一套完整的工具集，可以快速生成地形并精确地使用来自USGS和NIMA等有效数据源的标准数据或根据图像产生的数据。

3．TerrainBundle

它是一种快速创建大面积地形数据库的工具。它可以使地形精度接近真实世界，并带有高逼真度的三维文化特征和图象特征。它利用一系列投影算法及大规模型的，建立并转换地形，同时保持与原型一致的方位。通过自动的整体纹理映射，它能生成可与照片媲美的地形，包括道路、河流、市区等特征。它的路径发现算法比线型特征生成算法更优越，可以自动在实时三维场景中建立数千个逼真的桥梁和路口。

2022/12/29usst吴恩启342.7建模工具软件2023/1/3usst吴恩启352.7虚拟现实技术的建模工具软件(1)批处理功能

(2)高级地形表面生成功能

(3)整体纹理映射功能

(4)三维文化特征自动生成功能

4.RoadTools

RoadTools是高级道路建模工具，它利用精确的高级算法生成道路特征，以满足驾驶仿真的需要。它主要应用于车辆的设计，特殊的驾驶员培训、事故模拟重现等领域。它必须基于Creator或CreatorPor。

5．OpenFlight格式

OpenFlight格式是一个分层数据结构，它使用几何层次结构和属性来描述三维物体。它采用层次结构对物体进行描述，可以保证对物体顶点、面的控制，允许对集合层的数据进行直接操作，使建模过程快捷方便2022/12/29usst吴恩启352.7虚拟现实技术2023/1/3usst吴恩启362.8开发工具软件1.虚拟世界工具箱

虚拟工具箱是美国Sense8公司开发的虚拟现实系统中的一种简洁的、跨平台软件开发环境，也是目前世界上最先进的虚拟现实和视觉模拟开发软件之一。它是具有很强功能的终端用户工具，可用来建立和管理一个项目并使之商业化。

一个典型的基于WTK的系统由以下元素组成：主计算机，WTK库、“C”编辑器、3D建模程序报、图像捕获硬件与软件、位图编辑软件、硬件加速卡、内存管理系统等。

WTK的特点

（1）为性能而设计

（2）为开发而强化

（3）开放性和系统优化

（4）高级函数调用

WTK的仿真流程

WTK的仿真流程是仿真程序的核心，它主要包括接收外部事件、更新对象状态、出发时间树立句炳和任务聚丙三个过程，最终完成场景对象的各种行为描述。行为建模的过程包括涉及事件的类型、触发方式和时机、事件和对象任务的结构以及每个事件处理函数和任务的代码实现。仿真行为的设计和实现，无疑是静态建模后程序员的主要工作，也是实现程序目标的最终体现2022/12/29usst吴恩启362.8开发工具软件2023/1/3usst吴恩启372.8开发工具软件2.

VEGA系列

1)VEGA经典实时视景仿真渲染软件

Vega时MuitiGen-Paradigm公司最主要的工业软件环境，使应用于实时视景仿真、声音仿真、虚拟现实及其他可视化领域的世界领先的软件环境。Vega将先进的模拟功能和应用工具相结合，对于复杂的应用，能够提供快速、方便地建立、编辑和驱动工具。Vega能显著地提高工作效率，同时大幅度减少代码开发时间。Vega可以使他们集中精力解决特别领域内的问题而无需花费大量的时间和精力去编程。Vega提供一种基于多处理器硬件结构开发和运行环境，它为每一个有效的处理器逻辑分配系统任务；同时也允许使用者根据需要对某个处理器进行设置并允许定制系统配置以满足极高的性能要求。

VEGA的标准功能配置为：Lunx应用开发界面,C语言应用编程接口,应用库及完整文档:Vega编程手册Lynx用户手册．

2022/12/29usst吴恩启372.8开发工具软件2023/1/3usst吴恩启382.8开发工具软件

２.VEGA

Prime精华实时视景仿真渲染软件

使用VegaPrime能把时间和精力集中于解决应用领域内的问题，而无须过多考虑三位编程的实现。此外，VegaPrime具有灵活的可定制能力，能根据应用需要调整三维程序。

VegaPrime特性如下：

跨平台性与C++STL兼容支持双精度浮点数可定制用户界面和可扩展模块同时支持OpenGL1.2和Direct3D8高效的生产率支持MetalFlight文件格式

2022/12/29usst吴恩启382.8开发工具软件2023/1/3usst吴恩启39进入下一章第三章虚拟制造技术相关软件2022/12/29usst吴恩启39进入下一章第二章虚拟现实技术第二章虚拟现实技术2023/1/3usst吴恩启41主要内容2.1定义2.2发展史2.3VR系统分类2.4VR系统组成2.5虚拟现实工具2.6虚拟现实建模技术2.7建模工具软件2.8开发工具软件2022/12/29usst吴恩启2主要内容2.1定义2023/1/3usst吴恩启42

虚拟现实：由计算机生成的，通过视听、触觉、嗅觉等多通道作用于用户，使之产生身临其境的感觉的交互式计算机仿真，是一种可以创造和体验虚拟世界的计算机系统是一门集成了人与信息的科学。其核心是由一些三维的交互式计算机生成的环境组成。这些环境可以是真实的，也可以是想象的世界模型，其目的是通过人工合成的经历来表示信息。融合了许多人的因素，且放大了它对个人感觉影响的工程建立在集成诸多学科如心理学、控制学、计算机图形学、数据库设计、实时分布系统、电子学、机器人及多媒体技术等之上2.1定义虚拟现实的例子－草地男孩VirtualReality2022/12/29usst吴恩启3虚拟现实：2.1定义1929年，EdwardLink设计出用于训练飞行员的模拟器1956年，MortonHeilig开发出多通道仿真体验系统Sensorama2.2发展史1929年，EdwardLink设计出用于训练飞行员的模拟1965年，IvanSutherland发表论文“UltimateDisplay”（终极的显示）1968年，IvanSutherland研制成功了带跟踪器的头盔式立体显示器（HeadMountedDisplay，HMD）2.2发展史1965年，IvanSutherland发表论文“Ulti1972年，NolanBushnell开发出第一个交互式电子游戏Pong1977年，DanSandin、TomDeFanti和RichSayre研制出第一个数据手套——SayreGlove20世纪80年代，美国国家航空航天局（NASA）组织了一系列有关VR技术的研究：1984年，NASAAmes研究中心的M.McGreevy和J.Humphries开发出用于火星探测的虚拟环境视觉显示器；1987年，JimHumphries设计了双目全方位监视器的最早原型。

2.2发展史1972年，NolanBushnell开发出第一个交互式电1990年，在美国达拉斯召开的Siggraph会议上，明确提出VR技术研究的主要内容包括实时三维图形生成技术、多传感器交互技术和高分辨率显示技术，为VR技术的发展确定了研究方向。从20世纪90年代开始，VR技术的研究热潮也开始向民间的高科技企业转移。著名的VPL公司开发出第一套传感手套命名为“DataGloves”，第一套HMD命名为“EyePhones”。进入21世纪后，VR技术更是进入软件高速发展的时期，一些有代表性的VR软件开发系统不断在发展完善，如MultiGenVega、OpenSceneGraph、Virtools等。2.2发展史1990年，在美国达拉斯召开的Siggraph会议上，明确提2023/1/3usst吴恩启472.3基本概念1.特征虚拟技术三角形2022/12/29usst吴恩启82.3基本概念1.特2023/1/3usst吴恩启48沉浸性Immersion沉浸性：是指用户感觉到好像完全置身于虚拟世界之中一样，被虚拟世界所包围。虚拟现实技术的主要特征就是让用户觉得自己是计算机系统所创建的虚拟世界中的一部分，使用户由被动的观察者变成主动的参与者沉浸于虚拟世界之中，参与虚拟世界的各种活动。比较理想的虚拟世界可以达到使用户难以分辨真假的程度，甚至超越真实，实现比现实更逼真的照明和音响等效果。(1)视觉沉浸(2)听觉沉浸(3)触觉沉浸(4)嗅觉沉浸(5)身体感觉沉浸，味觉沉浸等2022/12/29usst吴恩启9沉浸性Immersio2023/1/3usst吴恩启49交互性Interaction交互性：虚拟现实系统强调人与虚拟世界之间要以自然的方式进行交互，实时产生在真实世界中一样的感知，甚至用户自己都意识不到的计算机的存在。交互性具有以下特点：(1)虚拟环境中人的参与和反馈：在虚拟现实系统中，人是一个重要的因素，这是产生一切变化的前提，正因为有了人的参与和反馈，才会有虚拟环境中实时交互的各种要求与变化。(2)人机交互的有效性：人与虚拟现实系统之间的交互是基于真实感的虚拟世界，并与人进行自然的交互，人机交互的有效性是指虚拟场景的真实感，真实感是前提和基础。(3)人机交互的实时性：实时性是指虚拟现实系统快速响应用户的输入。没有人机交互的实时性，虚拟环境就失去存在的必要性和前提2022/12/29usst吴恩启10交互性Intera2023/1/3usst吴恩启50构想性Imagination构想性：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的获取知识，发挥主观能动性，寻求答案并做出判断。虚拟的环境是人想象出来的，同时这种想象体现出设计者相应的思想，因而可以用来实现一定的目标。例：当在盖一座现代化的大厦之前，1）首先要对这座大厦的结构做细致的构思，2）为了使之定量化，需设计许多图纸。这些图纸只能内行人读懂，反映的是设计者的构思，3）虚拟现实同样反映的是某个设计者的思想，只不过它的功能远比那些呆板的图纸生动，强大的多。

2022/12/29usst吴恩启11构想性Imagin2023/1/3usst吴恩启512.3VR系统分类VR系统分类桌面式(DesktopVR)沉浸式(ImmersiveVR)增强式(AugmentedVR)分布式(DistributedVR)2022/12/29usst吴恩启122.3VR系统分类桌面式VR系统使用个人计算机和低级工作站来产生三维空间的交互场景。用户会受到周围现实环境的干扰而不能获得完全的沉浸感，但由于其成本相对较低桌面式VR系统仍然比较普及。桌面式VR系统使用个人计算机和低级工作站来产生三维空间的交互沉浸式VR系统利用头盔显示器、洞穴式显示设备和数据手套等交互设备把用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，而使用户真正成为VR系统内部的一个参与者，产生一种身临其境、全心投入并沉浸其中的体验。与桌面式VR系统相比，沉浸式VR系统的主要特点在于高度的实时性和沉浸感。沉浸式VR系统利用头盔显示器、洞穴式显示设备和数据手套等交互增强式VR系统允许用户对现实世界进行观察的同时，将虚拟图像叠加在真实物理对象之上。为用户提供与所看到的真实环境有关的、存储在计算机中的信息，从而增强用户对真实环境的感受，又被称为叠加式或补充现实式VR系统。可以使用光学技术或视频技术实现。虚实结合增强式VR系统允许用户对现实世界进行观察的同时，将虚拟图像叠分布式VR系统指基于网络构建的虚拟环境，将位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相连接并共享信息，从而使用户的协同工作达到一个更高的境界。主要被应用于远程虚拟会议、虚拟医学会诊、多人网络游戏、虚拟战争演习等领域。3D异形投影互动展示法国视觉舞台剧cinematique分布式VR系统指基于网络构建的虚拟环境，将位于不同物理位置的2023/1/3usst吴恩启562.4VR系统的组成典型的VR系统主要由计算机软、硬件系统（包括VR软件和VR环境数据库）和VR输入、输出设备等组成。2022/12/29usst吴恩启172.4VR系统的组2023/1/3usst吴恩启57进一步分类：检测输入装置：位置跟踪系统、数据手套、三维鼠标等图像生成和现实系统：音频系统力和触觉系统高性能计算机系统建模系统2.4VR系统的组成2022/12/29usst吴恩启18进一步分类：2.42023/1/3usst吴恩启581.3D位置跟踪器虚拟现实系统中3D位置的描述：6个参数：

3个平移参数：x,y,z

3个旋转参数：Pitch—俯仰角：围绕X轴旋转Yaw–转动角：围绕Y轴旋转Roll–偏转角：围绕Z轴旋转物体坐标的设置：物体的左右方向为x，前后方向为y，上下方向为z2.5虚拟现实工具3D位置跟踪器：主要用在沉浸式VR系统中，用来测量用户的头部或者身体的某个部位的空间位置和角度，一般与其他VR设备结合使用，如：头盔、立体眼镜、数据手套等，用户在空间上能够自由移动、旋转。目前有六自由度和三自由度两种产品2022/12/29usst吴恩启191.3D位置跟踪器22023/1/3usst吴恩启59磁场式跟踪器超声波式跟踪器光学跟踪器组成：磁发射器，磁接收器，计算模块原理：磁接收器安装在运动物体上，根据接受到的磁场信息，经计算模块计算出相对磁发射器的方向和位置2.5虚拟现实工具1.3D位置跟踪器2022/12/29usst吴恩启20磁场式跟踪器组成：磁2023/1/3usst吴恩启60磁场式跟踪器超声波式跟踪器光学跟踪器组成：超声波发射器，超声波接收器，计算机原理：1.通过测量超声波从发射器到接收器的传播时间来测量物体的方向和距离；2.通过比较接收器收到的声波相位与参考波相位来测量距离2.5虚拟现实工具1.3D位置跟踪器2022/12/29usst吴恩启21磁场式跟踪器组成：超2023/1/3usst吴恩启61磁场式跟踪器超声波式跟踪器光学跟踪器组成：发光装置，光探测器，计算机原理：通过光学成像计算物体位置；固定转换器系统：利用光探测器（或发射器）的固定距离计算出跟踪物体位置图像处理型系统：利用两个或两个以上摄像机的图像来计算出物体的三维信息2.5虚拟现实工具1.3D位置跟踪器2022/12/29usst吴恩启22磁场式跟踪器组成：发2023/1/3usst吴恩启622.视觉设备立体眼镜

双色镜：左镜片具有蓝色膜，右镜片具有红色膜，而左右眼视图则分别以红／蓝显示，并同时投影到屏幕上，左眼通过蓝色滤光膜只能看到红色的左眼视图，右眼通过红色滤光膜只能看到蓝色右眼视图，从而产生强烈的立体感

偏光镜：利用偏光不同的两个镜片实现滤光作用

开关式立体眼镜：镜片用液晶材料制造在电压控制下变成透明或不透明．左右视图以一定的频率交替显示在同一液晶屏上，用显示器的帧信号控制立体眼镜的透明与否，使显示左眼视图时，左眼镜片透明，显示右眼视图时，右眼镜片透明头盔显示器封闭式：用户只能看到头盔内显示的图像半封闭式：同时可以看到现实世界和计算机产生的图像立体图像采用时间平行显示立体图像采用分时多路复合显示2.5虚拟现实工具2022/12/29usst吴恩启232.视觉设备立体图像2023/1/3usst吴恩启633.触觉反馈和力觉反馈装置

可以和数据手套做在一起，向用户提供真实的操作感觉．使用时，计算机首先检测使用者手的位置和方向，然后将数据输入的虚拟世界发生器，在头盔显示器或显示屏中现实图拟手图像，并随着使用者手的移动而移动．当虚拟手和虚拟世界中的物体接触时，计算机再将相应的触觉和力觉反馈给使用者2.5虚拟现实工具2022/12/29usst吴恩启243.触觉反馈和力觉反2023/1/3usst吴恩启644.数据手套是一种把手势输入到计算机的工具．戴上数据手套后，数据手套通过扭曲传感器．弧度传感器来确定手及关节的位置和方向，并向计算机送出相应的数据，计算机将这些数据转化为虚拟手的动作，如握拳，伸手指等．1)VPL公司DataGlove

：美国VPL公司的数据手套是同类产品中第一个推向市场的。手套部分使用了轻质的富有弹性的Lycra材料制成，在手套中还可附加使用Isotrack3D位置传感器，用于位置检测。它采用光纤作为传感器，用于测量手指关节的弯曲和外展角度。采用光纤作为传感器是因为光纤较轻便、结构紧凑，可方便的安装在手套上，并且用户戴上手套感觉很舒适。2)Vertex公司的CyberGlove：赛伯手套是为把美国手语翻译成英语所设计的。在手套尼龙合成材料上每个关节弯曲处织有多个由两片很薄的应变电阻片组成的传感器，在手掌区不覆盖这种材料，以便透气，并可方便其他操作。3)Mattel公司的PowerGlove：用于电子游戏，精度低，价格便宜。2.5虚拟现实工具2022/12/29usst吴恩启254.数据手套2.52023/1/3usst吴恩启655.三维控制器

（1）三维鼠标：普通鼠标只能感受平面运动，而三维鼠标则可能让用户感受到三维空间中的运动，三维鼠标可能完成在虚拟空间中6个自由度的操作，包括3个平移参数与3个旋转参数，其工作原理是在鼠标内部装有超声波或电磁发射器，利用配套的接收设备可检测到鼠标在空间中的位置与方向，与其他设备相比其成本低，常应用于建筑设计等领域。

（2）空间球：

力矩球通常被安装在固定的平台上。它的中心是固定的，有6个发光二极管，这个球有一个活动的外层，也装有6个相应的光接受器。用户可通过手的扭转，挤压，来回摇摆等实现相应的操作。其优点是简单而且耐用，可以操纵物体。但在选取物体时不够直观，在使用前一般需要进行培训与学习。2.5虚拟现实工具2022/12/29usst吴恩启265.三维控制器

2023/1/3usst吴恩启66模型分类几何模型运动模型物理模型声音模型2.6虚拟现实建模技术2022/12/29usst吴恩启27模型分类2.6虚拟2023/1/3usst吴恩启67几何模型：

用来描述对象固有的形状和外表的抽象模型。几何建模：

用三角形或多边形构造对象的几何外形，然后对模型进行纹理、颜色、光照等处理几何模型2022/12/29usst吴恩启28几何模型：几何模型2023/1/3usst吴恩启68(1)实物体数字化建模：如数码拍摄、三维扫描等数字化后的建模处理。(2)图形库：共建或购买标准图形库，根据几何类似性进行修改。最好是参数化图形库，可以根据需要修改参数而得到新的几何模型。(3)使用CAD软件建模：如AutoCAD、3DMAX、UG、SolidWorks等，完成建模后，再根据所要建立的虚拟系统的需求和标准进行必要的变化或修改。由于每个软件的特点和数据格式不同，也就涉及到了建模后续应用中的许多问题(4)软件编程建模：如使用VRML、OpenGL、DirectX、Java3D等直接编程实现几何模型的建立，数据量小，专业编程技术要求就高。(5)自我开发建模软件系统：通常适应于专业性较强的子系统建模。(6)综合方式建模：根据具体情况，综合使用各种建模技术，并进行有效的组合，是目前主要的手段之一。几何模型几何模型的生成方法：2022/12/29usst吴恩启29(1)实物体数字化2023/1/3usst吴恩启69运动模型：

表现虚拟对象在虚拟世界的动态特性，如对象的位置变化，碰撞、变形等运动建模：根据对象的运动特性，对视景进行相应的变换.例2：笔记本运动建模方法

1)位置变化：

关键帧法：首先生成运动轨迹上的部分关键画面，然后插值生成中间帧画面。样条驱动法：指定物体运动的轨迹样条，根据运动向量由初始图像生成图像序列2)碰撞检测：实时计算对象间的距离

3)物体变形：通过移动或控制物体顶点来实现运动模型2022/12/29usst吴恩启30运动模型：表现虚拟2023/1/3usst吴恩启703.物理模型物理模型：物体的质量、惯性、表面粗糙度、软硬度等物理建模：将模型赋予一定的性质，使其逼真地模拟自然物理现象。物理建模的方法：刚体运动模拟、塑性物体变形运动模拟、流体运动模拟。4.声音模型1）声音的空间分布：考虑被传送声音的复杂频谱和传播性能，通过分布建模使人们能判断不同位置的声源和特性。2）房间声学建模：考虑声音源的反射等特性，声源的环境模型将会成为此声源，就像房间中墙壁等的反射效果。Example：鹦鹉物理模型和声音模型2022/12/29usst吴恩启313.物理模型物理模型2023/1/3usst吴恩启712.7建模工具软件1.3DMAX3DStudioMAX,简称3DSMAX，其前身为运行在DOS操作系统下的3DS，由著名的AutoDesk公司麾下的Discreet多媒体分部推出的一种功能强大的三维设计软件包，是当前世界上销量最大的一种三维建模、虚拟现实建模的应用软件。广泛应用于电视及娱乐业中，如片头动画和视频游戏的制作、影视特效、建筑效果图和建筑动画制作中。根据不同行业的应用特点对3DSMAX的掌握程度也有不同的要求。在虚拟现实方面，主要要求是对场景物体进行建模，并可以通过相关的插件输出其他文件格式的模型，一般是一些简单的动画功能。与其它的同类软件相比，它具有以下的优点：

（1）提供了强大的建模功能

（2）性价比高

（3）入学容易，学习简单

（4）使用者多，便于交流与应用

2022/12/29usst吴恩启322.7建模工具软件2023/1/3usst吴恩启722.7建模工具软件2.MultiGenCreator系列

MultigenCreator系列软件是MultiGen-Paradigm公司开发的一个用于可视化系统数据库进行创建与编辑的软件工具集。MultiGenCreator系列产品是一个高性价比，高度自动化，功能强大，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施三维数据库，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。

MultiGenCreator系列软件可运行平台为Windows98/NT/2000/XP及SGIIPRIX6.2版本以上。它的基本模块为：Creator（BaseCreator）或CreatorPro(是BaseCreator的扩展集），基本选项两种：TerrainBundle和RoadTools。

1.Creator

Creator提供交互多边形的建模及纹理应用工具，构造高逼真度、高度优化的实时三维模型，并提供格式转换功能，能将常用的CAD或动画三维模型转化成OpenFlight数据格式2022/12/29usst吴恩启332.7建模工具软件2023/1/3usst吴恩启732.7建模工具软件2.CreatorPro

CreatorPro是功能强大，交互的建模工具，在它所提供的“所见即所得”建模环境中，可以建立所期望的，被优化的三维场景。.CreatorPro将多边形建模，矢量建模和地表产生等特征集于一体，具有无与伦比的效率和创造性。

（1）多边形和纹理建模功能

使用.CreatorPro直观的可交互的多边形建模和纹理应用工具，可构造高度逼真的三维模型，并可能对它进行实时化而无需更多的人工干预。

（2）矢量化建模和编辑功能

利用矢量数据高效地建立感兴趣的地域。读入或生成矢量数据并对它进行编辑，.CreatorPro自动建立全纹理和彩色的模型并把它们加到地形表