下载文档原格式
虚拟现实与增强现实技术导论虚拟现实的计算体系结构虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是一种通过计算机生成的虚拟环境模拟现实世界或者创造一个全新的虚拟世界的技术。
虚拟现实技术的计算体系结构是指支持虚拟现实应用的硬件、软件及其相互之间的组织和关系。
虚拟现实技术的计算体系结构包括以下几个关键要素：1.输入设备：虚拟现实的输入设备通常包括头戴式显示器、追踪器、手柄等。
头戴式显示器可以通过分辨率高的屏幕和镜片进行像素展示和聚焦，使用户可以获得更真实的视觉体验。
追踪器可以追踪用户的头部和手部运动，实现对用户动作的反馈。
手柄可以提供更多的交互方式，以增强虚拟现实的沉浸感。
2.计算设备：虚拟现实技术对计算能力的要求很高，需要能够实时处理大量图形数据的计算设备。
目前常用的计算设备包括个人电脑、游戏主机、智能手机等。
这些设备通常需要具备强大的图形处理能力，并且能够实时生成和渲染虚拟环境中的图像。
3.虚拟环境建模和内容生成：虚拟现实应用需要构建一个真实或虚构的场景，以实现用户的沉浸式体验。
虚拟环境建模和内容生成是通过计算机图形学、物理建模、虚拟现实引擎等技术来实现的。
这些技术可以生成逼真的场景图像、人物模型和物体模型，并提供物理引擎来模拟真实世界的物理特性。
4.虚拟现实引擎：虚拟现实引擎是指一种软件平台，它可以提供基于计算机图形学的场景渲染、用户输入处理、物理模拟等功能，以支持虚拟现实应用的开发。
常见的虚拟现实引擎包括Unity、Unreal等。
虚拟现实引擎可以提供各种接口和工具，帮助开发者实现虚拟现实应用的各种功能，例如用户交互、虚拟物体的碰撞检测等。
5.输出设备：输出设备用于向用户提供虚拟现实体验的结果。
常见的输出设备包括头戴式显示器、扬声器、振动器等。
头戴式显示器用于向用户展示虚拟环境的图像，扬声器用于提供音频效果，振动器用于模拟触觉反馈。
总体来说，虚拟现实技术的计算体系结构由输入设备、计算设备、虚拟环境建模和内容生成、虚拟现实引擎以及输出设备等组成。
第二课输入输出设备刚到张扬家的表妹对摆在书房里的计算机十分感兴趣，她指着显示器问：“这个和电视机是一样的么？”张扬笑着说：“不，这个叫显示器，是计算机的输出设备，它的功能有点像电视机，可以显示图片、播放电影等。
”他又指着键盘、鼠标等设备向表妹介绍。
这节课我们将了解计算机有哪些输入、输出设备。
一、输入设备输入设备是人和计算机进行交互的一种装置，可以让我们将外部信息，如文字、数字、声音、图像、程序、指令等转换为数据输入到计算机中进行加工、处理的设备。
1、键盘键盘是计算机中最常用的输入设备，通过键盘可以将字符或指令信息输入到计算机中。
常见的键盘外观如1-6图所示。
图1-6 键盘[探索区]键盘上的英文字符的布局是谁发明的？你认为这种布局合不合理？2、手写板手写板是一种可以识别人们书写笔画并转换为数据输入计算机中的设备。
手写板可以让不熟悉键盘输入的人也能进行文字的输入，常见的手写板外观如图1-7所示。
图1-7 手写板3、鼠标在图形界面的操作系统中，只要移动鼠标，单击或双击鼠标上的按钮就可以指挥计算机工作。
鼠标按工作原理分为机械式、光电式，如图1-8所示，它们的工作方式和优缺点如表1-4所示。
机械鼠标光电鼠标图1-8 各种鼠标表1-4 机械和光电式鼠标【小知识】鼠标除了可以分为机械式和光电式鼠标外，按与计算机的连接方式还可以分为有线鼠标和无线鼠标，如图1-9所示，就是一种无线鼠标。
图1-9 无线鼠标[实战场]除了键盘、手写板、鼠标，请举出其他一些输入设备，并说明它们输入的是什么类型的信息，填写表1-5。
设备名称输入的信息类型鼠标类型工作方式优缺点机械式鼠标机械式的鼠标底部有一个滚球，当鼠标器移动时，滚球随之滚动，产生移动信息传递给计算机定位精度不高，而且内部容易沾上灰尘和容易磨损和失灵光电式鼠标光电式鼠标的底部有个发光的二极管，当鼠标器移动时，发出的光被鼠标下面的平板反射，产生移动信息给计算机光电时的鼠标器的定位精度高，对垫板有一定的要求二、输出设备输出设备是用来将计算机存储的数据以及计算机处理的结果展示给我们的设备。
虚拟现实常用输入设备在虚拟现实（Virtual Reality, VR）技术的快速发展过程中，输入设备的重要性愈发突显。
好的输入设备可以为用户提供更加真实且流畅的VR体验。
本文将介绍虚拟现实中常用的几种输入设备，并讨论它们的优缺点以及适用场景。
1. 手柄手柄是虚拟现实中最常见的输入设备之一。
一般情况下，手柄通过蓝牙或者其他无线技术连接到VR设备，用户可以通过手柄的按钮、摇杆和传感器来控制游戏或应用。
手柄的设计通常符合人体工程学，使用起来比较方便。
优点•操作简单：手柄的按钮和摇杆设计相对简单，用户容易上手；•多功能：手柄可以实现多种控制操作，如移动、旋转、射击等；•适用广泛：大部分VR应用和游戏都支持手柄，用户体验一致性较高。
缺点•有限交互：手柄相较于其他输入设备，交互性可能稍显单一；•体验局限：对于某些虚拟现实场景，手柄可能无法提供最佳体验。
2. 手部追踪器手部追踪器是一种可以准确追踪用户手部位置和动作的设备。
用户戴上手部追踪器后，系统可以实时捕捉用户手部的位置和姿势，并将其转换为虚拟现实中的手势或操作。
优点•高度沉浸感：用户可以在虚拟现实中看到自己的手部动作，增强沉浸感；•精准操作：手部追踪器可以实现非常精确的手部操作，如捏取物体等。
缺点•成本较高：手部追踪器通常较为昂贵，不是所有用户都能轻易购买；•有局限性：某些操作还是需要结合其他输入设备一起使用，无法完全替代手柄等设备。
3. 眼动追踪器眼动追踪器是一种可以追踪用户眼球运动的设备。
通过眼动追踪器，系统可以准确获取用户注视的物体、位置等信息，从而实现眼神交互。
优点•自然交互：眼动追踪器可以实现更加自然的交互方式，用户只需注视即可完成诸多操作；•增强体验：眼动追踪器可以增强虚拟现实体验，使得用户更加沉浸。
缺点•技术限制：眼动追踪器的技术相对较为复杂，可能存在一些误差；•不适用于所有场景：某些情况下，眼动追踪器可能不适用，需要借助其他输入设备。
4. 身体追踪器身体追踪器可以追踪用户身体的运动和姿势，使得用户在虚拟现实中可以实现更加自然的动作。
虚拟现实技术n虚拟现实系统和其他类型的计算机应用系统一样，n在虚拟现实系统中，硬件设备主设备、虚拟世界n虚拟现实系统的首要标是建立一个虚拟的世界，用，相互基于自然的交互设备n虚拟世界与人自然交互的实现形式很多等多种形式，如数据手套n 数据手套出的一被广泛使VPL 公司数据手套n美国VPL (Data Glove)是同类向市有弹性n在这种数据手套电子接二极管与一个红外接Vertex 公司的赛伯手套n 1992年公司的赛伯手套(Cyber Glove)，在虚拟现实系统中得到用。
12赛伯器电阻薄片边，测量弯曲角度n在数据手套用是于外Exos公司的灵巧手手套n1990Dextrous Hand(DHM Glove)16n DHM数据个手指结构测量，其Mattel公司的Power Gloven Mattel公司设计了一个Power Glove与等数据手套相19n由于数据手套内外的14传感21数据衣n数据衣原理制的成功使光23n数据衣目前处于研发阶段，因为每个人的较大，存在着如何协调大量传感器之间能等各种问题；与数据手套类似，实动导致误差的现象也常有发生。
n数据衣可以测量整个身体不但要检测肢体伸展情况踪设备来检测肢体在空间空间跟踪设备相互之间还实现起来有一定的困难，此类设备将日趋成熟。
三维控制器n三维鼠标的运动2627n力矩球n力矩球(space ball)通常被安装在固定平台上，如图2-8所示。
它的中心是固定的，并装有6个发光二极管，这个球有一个活动的外层，也装有6个相应的光接收器。
用户可以通过手的扭转、挤压、来回摇摆等实现相应的操作。
n它采用发光二极管和光接收器，通过安装在球中心的几个张力器来测量手施加的力，并将数据转化为3个平移运动和计算机中，当使用者用手对球的外层形变的法则，6个光传感器测出3个力将信息传送给计算机，即可计算出虚和方向等。
且耐用，可以操纵物体。
但在选取用前一般需要进行培训与学习。
29三维扫描仪n三维扫描仪(3 Dimensional Scanner)又称三维数字化仪或维模型数字化仪，是较为先进的三维模型输入设备，是对物便地将真(1)机械接触原理n早期常(CMM)的标装在三自由度向移动(2)借助雷达原理n采用或超声，这就是(3)计算机视觉原理n基于多种三维信法、从n在工CT则射线对n Cyberware扫描仪，在公司采n Cyberware3030系列，如图2-9所示，能好。
虚拟现实技术课程教学大纲《虚拟现实技术》课程教学大纲课程名称:虚拟现实技术 / Virtual Reality Technology 课程代码:020170 学时:32 学分:2 讲课学时:24 上机/实验学时:8 考核方式:考查先修课程:计算机图形学、高级语言程序设计适用专业:计算机科学与技术开课院系:电子电气工程学院计算机科学系教材:Grigore C.Burdea. 虚拟现实技术. 第二版. 电子工业出版社. 2005 主要参考书:[1] 张茂军著. 虚拟现实系统. 科学出版社. 2001[2] William R. Sherman, Alan B. Craig. 虚拟现实系统——接口、应用与设计. 电子工业出版社. 2004一、课程的性质和任务虚拟现实技术作为一种最为强大的人机交互技术，一直是信息领域研究开发和应用的热点方向之一。
本课程立足于虚拟现实的“3I”特性，从技术和应用两个方向全面系统地讲述虚拟现实的基础理论和实践技能，包括对虚拟现实最新硬件设备和高级软件技术的讲解，以及虚拟现实传统应用和最新应用的介绍。
二、教学内容和基本要求基本要求通过本课程的学习，使学生了解并掌握虚拟现实的基本概念和术语、系统组成及应用领域，了解虚拟现实的计算机体系结构、输入输出设备，以及有关的人的因素;结合上机实验，了解虚拟现实的建模技术，掌握应用系统开发的基本技能。
教学内容第一章 VR系统简介1. 虚拟现实的3I特性2. 虚拟现实的发展简史3. 构成VR系统的五个典型组成部分第二章输入设备:跟踪器、漫游和手势接口1( 三维位置跟踪器:性能参数;机械、电磁、超声波、光学、混合惯性跟踪器2. 漫游和操纵接口:基于跟踪器的漫游,操纵接口;跟踪球;三维探针3( 手势接口第三章输出设备:图形、三维声音和触觉显示设备1. 图形显示设备2. 声音显示设备3. 触觉反馈第四章 VR的计算体系结构1. 绘制流水线2. 基于PC的图形体系结构3. 基于工作站的体系结构North Gate Station and all the long distance Intercity, TRANS-province lines; North Gate Station currently runs the original counties, rural routes; Simon, station main, Yibin city, across the city, across the province and to the West of range line. Yibin city highway main station distribution table 3.1-6 station name grade accounted for to area (m2) Gao4. 分布式VR体系结构:多流水线同步;联合定位绘制流水线;分布式虚拟环境第五章 VR建模1. 几何建模2. 运动建模3. 物理建模4. 行为建模. 模型管理 5第六章 VR编程1. 工具包和场景图2. World ToolKit:几何建模与外观;场景图;传感器和动作函数;网络开发3. JAVA 3D——几何建模与外观;场景图;传感器和行为;网络开发第七章 VR中的“人的因素”1. 研究方法和专业术语2. 使用者表现研究3. VR健康和安全问题4. VR与社会第八章传统的VR应用1. VR在医疗中的应用2. VR在教育、艺术以及娱乐中的应用3. VR在军事中的应用新型的VR应用第九章1. VR在制造业中的应用2. VR在机器人领域中的应用3. 信息可视化——VR在油气勘探和完善管理中的应用;体数据的可视化三、实验(上机、习题课或讨论课)内容和基本要求上机内容1. World ToolKit——几何建模与外观;场景图;传感器和行为;网络开发2. JAVA 3D——几何建模与外观;场景图;传感器和行为;网络开发3. VR编程实例基本要求可以根据给定的主题或项目建立虚拟环境，掌握构造、交互和控制虚拟现实系统的基本方法。
虚拟现实入门教程第一章什么是虚拟现实？虚拟现实（VR）是一种以计算机技术为基础，通过模拟人的感官系统来创造出的一种全新的交互式体验。
它使用户能够沉浸在一个虚拟的环境中，与环境中的对象进行互动。
虚拟现实技术的发展速度非常快，已经出现了许多使用VR技术的应用，如游戏、教育、医疗等领域。
第二章虚拟现实的工作原理虚拟现实的工作原理主要涉及三个核心要素：头戴式显示器、追踪设备和输入设备。
- 头戴式显示器：用户带上头戴式显示器，可以看到虚拟环境中的图像。
头戴式显示器通过两个小型屏幕将不同的图像分别投影到用户的左右眼，形成立体的视觉效果，实现沉浸感。
- 追踪设备：为了让用户在虚拟环境中能够自由移动并与环境进行互动，追踪设备用于跟踪用户的头部和手部的位置和动作。
这些设备通常包括陀螺仪、加速度计和传感器等。
- 输入设备：用户可以通过手柄、手套或其他外围设备与虚拟环境进行互动。
这些设备可以模拟用户在现实中的操作，如拾取物体、按键等。
第三章虚拟现实的应用领域虚拟现实技术不仅仅在游戏行业有广泛的应用，还有许多其他领域可以受益于虚拟现实技术的创新。
- 游戏：虚拟现实游戏能够使玩家获得更加逼真的游戏体验。
玩家可以亲身体验到游戏中的场景和情节，增强游戏的沉浸感。
- 教育：虚拟现实技术可以在教育中创造全新的学习环境。
学生可以通过虚拟现实来进行实地考察、实验室训练等，提高学习效果和兴趣。
- 医疗：医生可以使用虚拟现实技术进行手术模拟和培训，提高手术的准确性和安全性。
虚拟现实还可以用于疼痛治疗和心理治疗等方面。
- 娱乐：除了游戏，虚拟现实还可以用于电影、音乐会等娱乐活动。
观众可以在家中使用VR头盔观看电影，感受到身临其境的观影体验。
第四章虚拟现实设备的选择选择一个适合自己需求的虚拟现实设备非常重要。
目前市面上有许多不同类型的虚拟现实设备，如Oculus Rift、HTC Vive、PlayStation VR等。
- Oculus Rift：Oculus Rift是最早推出的商用虚拟现实头盔之一，具有高分辨率的显示器和优秀的头部追踪技术。
