虚拟现实技术的体系结构和关键技术 PPT

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虚拟现实的计算机技术(PPT 123页)

因此，帧频必须大于8到10帧/秒,总延迟必须小于0.1秒。
视觉显示对计算机系统的要求---计算能力和场景复杂性
为什么说虚拟现实仿真的计算问题，是一种时间受限的计算
这是因为显示的帧频必须大于8到10帧/秒。于是，在0.1秒内，必须完成一次场景的计算。
用什么表示场景的复杂性？用什么能够表示计算能力？
Gourand明暗处理算法
Gourand在1971年提出了光强度插值明暗算法
该算法较好地消除了用常数明暗法处理光强度的不连续性，但是在明暗强度函数的斜率急剧变化处仍可看到马赫带效应。即Gourand明暗算法不能完全消除光强度的不连续性。
Gourand明暗算法的基本思想是在各多边形的公共顶点处，用前面得到的光照较准确地计算各顶点的反射光的明暗度。而对于各多边形内部各点的明暗度，则使用线性插值法计算各点的明暗度。
1 虚拟现实的计算机体系结构
虚拟现实的计算机体系结构特点，可以从以下几方面讨论： 1. 虚拟现实对计算机系统的要求 2. 基于PC的虚拟现实机器的组成结构 3. 基于工作站的虚拟现实机器组成结构 4. 高度并行的虚拟现实机器组成结构
虚拟现实对计算机系统的要求
问题？ 1. 前面我们讲解了哪些虚拟现实技术指标？
最初的PC平台的虚拟现实机器：在1992年推出了低级的基于486的虚拟现实机器它有头部跟踪器、HMD、3-D声音、图形加速器和手柄，价格少于20000美元。1994年，低级的基于PC的系统价格约3300美元（跟踪球200美元，Cyberscope200美元，软件工具盒900美元，486PC 2000美元）。
图形硬件
图形硬件指的是什么？是那些使图形绘制加速的硬件设备。
图形硬件涉及到哪些？ 1. 图形流水线 2. 图形卡的AGP和PCI 3. 图形加速器 4. Add-ons

2.虚拟现实技术的体系结构和关键技术ppt课件

18
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面点一向景在个物象象P1于素素V方P点的1向,光eP辐亮处2, 射度…的的，可,P光则见m 亮可,点那度生，么决成象离定一素视。幅e点如完的最此整光近求的亮的出真度P视实应1域感就由内图是P每象1画。
e
每一点的光亮度求法
I = Ic + ts Is + tt It
其中： I ：可见点 P 处的光亮度。 Ic：局部光照亮度 ts Is：环境镜面反射光亮度 tt It：规则透射光亮度
光线跟踪技术(ray tracing)
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： 1. 用数学方法建立所需要三维场景的几何描述 2. 将三维几何描述转换为二维视图
By SensAble Technologies
/products/phantom_ghost/phantom-omni.asp
力反馈手套RMⅡ
RMⅡ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。
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。
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。
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。

虚拟现实技术65课件.pptx

虚拟现实硬件基础
立体显示器不需借助外部设备和编程开发技术，只要有三维模型，就可以实现三维模型的立体显示。
虚拟现实硬件基础
虚拟环境的听觉通道听觉环境系统的组成语音与音响合成设备识别设备声源定位设备人类进行声音的定位依据两个要素：两耳时间差(Interaural Time Differences，简称ITD)两耳强度差(Interaural Intensity Differences，简称IID)。
虚拟现实系统的分类
虚拟现实系统的分类叠加式：叠加式虚拟现实系统允许用户对现实世界进行观察的同时，虚拟图像叠加在被观察点(即现实世界)之上。叠加式虚拟现实系统又称为“补充现实系统”或者“扩大的现实系统”(Augmented Reality，A11)。
虚拟现实系统的分类
虚拟现实系统的分类分布式虚拟现实系统(DVR)是一种基于网络的虚拟现实系统，它可使一组虚拟环境连成网络，使其能在虚拟域内交互，同时在交互过程中意识到彼此的存在，每个用户是虚拟环境中的一个化身(Avatar)。它的基础是网络技术、实时图像压缩技术等，它的关键是分布交互仿真协议，必须保证各个用户在任意时刻的虚拟环境视图是一致的，而且协议还必须支持用户规模的可伸缩性，常用的分布式协议是DIS和HLA。分布式VR技术主要运用于远程虚拟会议，虚拟医院，虚实(Artificial Reality，简称AR) ：与VR相类似的一个概念，它是可以更方便地与用可视化技术建立的三维空间中的物体进行交互的技术。这个空间是人造的，但是物体的控制方法就像物体在现实空间中一样，所以就称为人工现实。例如，可用AR技术来漫游用可视化技术建立的大脑结构。遥现技术(Telepresence)，它是一种基于VR的遥控制、遥操作或遥显示技术。
虚拟现实的研究现状

虚拟现实(共52张PPT)(共51张PPT)

第二十二页，共五十一页。
6.2.2 VRML语法(yǔfǎ)基础
1、基本(jīběn)造型 Shape
geometry 几何造型节点Box, Sphere, Cone, Cylinder
appearance 定义颜色和表面纹理等外观属性
Material, Texture, TextureTransform
第二十三页，共五十一页。
表面特性 : (tèxìng) Appearance节点
material域: 值为Material节点(jié diǎn), 可有如下域
diffuseColor, 颜色的反射与入光角度有关 shineness, 光洁度, 取值 0.0 -- 1.0 transparency, 透明度, 取值 0.0 -- 1.0
浏览器的控制比较困难。
Vrml与外界的通信能力比较差
Vrml与用户的交互比较弱
第十六页，共五十一页。
6.2.1 VRML与网络(wǎngluò)教学
3 . VRML在网络教学(jiāo xué)中的应用
能营造更为逼真的环境和场景，人机交互更为自然，更能增强想象力，增强学生的感官刺激，激发学生兴趣
世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客
体进行浏览和交互考察。它可使用户获得
与真实世界一样的感觉,可达到代替实际系统的目的.
第三页，共五十一页。
6.1.1 什么(shén me)是虚拟现实？
专业级虚拟现实系统具有高度的实时性,能同时使用多种输入输出设备，用户可以(kěyǐ)用人体的自然技能，借助数字头盔、立体显示技术、数据手套和数据衣服等工具，与虚拟的感觉世界进行交互作用。
6.2.2 VRML语法(yǔfǎ)基础

虚拟现实技术应用ppt课件

.
全传感仿真器
5
VR的概念-发展历程
虚拟现实技术的初现阶段
1968 年，美国计算机图形学之父伊凡 · 苏泽兰（ Ivan Sutherlan ）开发了第一个计算机图形驱动的头盔显示器 HMD 及头部位置跟踪系统，是 VR 技术发展史上一个重要பைடு நூலகம்的里程碑。
伊凡·苏泽兰
.
头盔显示器 HMD 及头部位置跟踪系6统
.
沉浸性（利用Im三m维e立rs体io图n像），给人一种身
临其境的感觉。
构想性（Imagination）
使用户沉浸其中并且获取新的知识，提高感性和理性认识。
11
03
VR的系统组成
.
12
VR的系统组成
输入设备
使用者
专业图形处理计算机
应用软件系统
输出设备
.
数据库
13
04
VR的关键技术
.
14
VR的关键技术
Master 的 VR 头盔。另外 HTC 的
HTC Vive、索尼的 PlayStationVR
也相继出现。
.
8
VR的概念-定义
虚拟现实（VirtualReality），简称VR，也称
灵境技术或人工环境，是利用电脑模拟产生
一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于
视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者
VR的概念-发展历程
虚拟现实技术概念和理论产生的初期阶段
1975 年，迈隆 · 克鲁格（ Myron Krueger ）设计了 VIDEOPLACE系统 ,可以产生一个虚拟图形环境。
1985 年，麦克格雷维（Michael McGreevy ）领导完成的 VIEW 系统。

2虚拟现实技术的体系结构和关键技术

– 这可通过对场景的透视变换来完成。
3. 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。
4. 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。
凝视、扫光
大小、形
描等活动
状、纹理及
运动等
2020/8/13
J.J.Gibson总结的感知系统
人类的行为系统
系统
目的
应用
相关系统
调整姿势适应重力及加速度
维持身体平衡
前庭器官
定向
通过部分身体运动获得考察或感觉各种信息所有相关感觉
外部剌激
走动
通过身体运动进入其它从一个位置走到另一个定向及调整姿势
• 虚拟现实建模语言(VRML) Virtual Reality Modeling Language
– VRML 是在因特网上建立虚拟现实的开放标准
2020/8/13
• A VRML cylinder
#VRML V2.0 utf8 # A Cylinder Shape { appearance Appearance { material Material { } } geometry Cylinder { height 2.0 radius 1.5 } }
Cylinder.wrl
2020/8/13
2.2 虚拟现实的多感知系统体系和技术
2020/8/13
人类的感知系统
系统方向感听觉
触觉
味觉
嗅觉视觉

虚拟现实VR技术ppt课件

3
一种使用数学算
1 虚拟现法将实二技维术或三(4维)
图形转化为计算
1.3 虚拟机形现显式示的实器科的的学技栅。术格支持
计算机图形学
研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门技术科学。
人工交互技术
虚拟现实
人工智能
是指通过计算机输入、输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话的技术。
3.3 VRP的安装配置软件安装插件配置
15
3 VRP及设计流程
3.4 VRP编辑器6
功能分类属性面板
3 VRP及设计流程
3.4 VRP编辑器界面组成—菜单
常用菜单 •另存场景 •安装插件
17
3 VRP及设计流程
3.4 VRP编辑器界面组成—工具栏
18
4 常见材质的创建与编辑
11
3 VRP及设计流程
3.1 VR-Platform VRP是国内中视典数字科技独立开发的具有独立自主知识产权的一款三维虚拟现实软件平台。
VRP可应用于城市规划、室内设计、工业仿真、古迹复原、桥梁道路设计、军事模拟等行业。
12
3 VRP及设计流程
3.1 VR-Platform
VRP-Bulider 虚拟现实编辑器
1 虚拟现实技术(1)
1.1 虚拟现实的概念
• 虚拟现实(Virtual Reality) • 是一种综合应用计算机图形学、人机接口技术、传感器技术以及人工智能等技术，制造逼真的人工模拟环境，并能有效地模拟人在自然环境中的各种感知的高级的人机交互技术。
1
1 虚拟现实技术(2)
1.2 虚拟现实的基本特征 • 多感知性：指除了一般计算机技术所具有的视觉之外，还有听觉、力觉、触觉、运动感，甚至包括味觉、嗅觉等。

虚拟现实技术概述(PPT72页)

第一种情况是完全对真实世界中的环境进行再现。如虚拟小区对现实小区的虚拟再现、军队中的虚拟战场、虚拟实验室中的各种仪器等，这种真实环境，可能已经存在，如下图所示，也可能是已经设计好但是尚未建成，也可能是原来完好，现在被破坏。
科技引领时代，创新塑造未来
2021/7/2
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1.1.1 虚拟现实的概念
科技引领时代，创新塑造未来
2021/7/2
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1.1.2 虚拟现实的本质特征
交互性（Interaction)是用户通过使用专门输入和输出设备，用人类的自然技能对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。虚拟现实系统强调人与虚拟世界之间以近乎自然的方式进行交互。即不仅用户通过传统设备(键盘和鼠标等)和传感设备（特殊头盔、数据手套等），使用自身的语言、身体的运动等自然技能，对虚拟环境中的对象进行操作。而且计算机能够根据用户的头、手、眼、语言及身体的运动来调整系统呈现的图像及声音。(手握东西)
3．沉浸感通过相关的设备，采用逼真的感知和自然的动作，
使人仿佛置身于真实世界，消除了人的枯燥、生硬和被动的感觉，大大提高工作效率。
科技引领时代，创新塑造未来
2021/7/2
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1.1.2 虚拟现实的本质特征
虚拟现实的概念中有三个I：（1）Immersion(沉浸)，是指逼真的，身临其境的
感觉。（2）Interaction(交互)，是指用户感知与操作环境。（3）Imagination(想象)，是指创造性。
虚拟现实系统中的虚拟环境，可能有下列几种情况。
第三种情况是对真实世界中人类不可见的现象或环境进行仿真。如分子结构、各种物理现象等。这种环境是真实环境，客观存在的，但是受到人类视觉、听觉器官的限制不能感应到。一般情况是以特殊的方式（如放大尺度的形式）进行模仿和仿真，使人能够看到，听到，或者感受到，体现科学可视化。

虚拟现实技术的体系结构和关键技术

3 触觉与力觉生成技术
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
3.1 触觉与力觉反馈设备
q There are two main types of haptic devices:
„devices that allow users to "feel" textures of 2-dementional objects with a pen or mouse-type interface
• Shape {
• appearance Appearance {
•
material Material { }
•}
• geometry Cylinder {
•
height 2.0
•
radius 1.5
•}
•}
•Cylinder.wrl
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
2.2 虚拟现实的多感知系统体系和技术
„ 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。
q 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-based method)
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
多边形(三角形)表示方法
q 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。
1、视觉生成技术
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
1.1 视觉生成基本原理：光线跟踪的方法
q 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面点一景在向个物象象P1于素素V方P点的1向,光eP辐亮处2, 射度…的的，可,P光则见m 亮可,点那度生，么决成象离定一素视。幅e点如完的最此整光近求的亮的出真度P视实应1域感就由内图是P每象1画。

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纹理映射技术(texture mapping)
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。
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。
\
U
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。
细节层次(Levels of Detail: LOD)技术纹理映射(texture map)技术
Cylinder.wrl
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
2.2 虚拟现实的多感知系统体系和技术
系统方向感听觉
触觉
味觉
嗅觉视觉
活动形式感受单元
姿势及方机械及重力
向调整感受器
听
机械感受器
触摸
尝嗅看
机械、热量及动觉感受器化学及机械感受器化学感受器光学感受器
品尝、吸收及其它身体功能
或给予
行动
有利于个人的行为
操作、自我保护等走动及相关行为
表达
用于表达、表明或识别姿势、面部或语言表达语言表达、聆听及面部表情
语义
用信号通知或表达
语言表达
基于信号的相关系统
行为系统
参与者
感知系统
行为系统
感知行为
外界环境
多感知系统技术框图
主计算机
目前的立体显示技术基本上是基于双目视差原理实现的。
单目双目重
单目
视域叠视域
视域
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D）
双筒全方位监视器（BOOM）
墙式显示屏自动声象虚拟环境（CAVE）
凝视、扫光
大小、形
描等活动
状、纹理及
运动等
J.J.Gibson总结的感知系统
系统
目的
应用
相关系统
调整姿势适应重力及加速度
维持身体平衡
前庭器官
定向
通过部分身体运动获得考察或感觉各种信息所有相关感觉
外部剌激
走动
通过身体运动进入其它从一个位置走到另一个定向及调整姿势
环境
位置
饮食
通过部分身体运动获取吸收或排除
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-based method)
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。
这可通过对场景的透视变换来完成。
3. 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。
4. 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。
映射纹理前的场景
映射纹理后的场景
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(lateral retinal image disparity); 运动视差(motion parallax); 图象大小差异(differential image size); 纹理梯度(texture gradient)。
器官模拟器官行为剌激物
外部信息
前庭器官身体平衡重力及加速度重力或加速
度方向
耳蜗器官声音定位空气振动
振动方向及
性质
皮肤、关各种探查组织变形、关物体表面粘
节、肌肉活动
节配合及肌肉性及冷热等
及腱
纤维紧张
各种状态
嘴
品尝
物体化学性质营养及生化
价值
鼻
以鼻吸气气体化学性质气味性质
眼睛
头盔式显示器（ Head Mounted Display ，HMD)
Head Mounted Display, HMD
e
I = Ic + ts Is + tt It
其中： I ：可见点 P 处的光亮度。 Ic：局部光照亮度 ts Is：环境镜面反射光亮度 tt It：规则透射光亮度
光线跟踪技术(ray tracing)
在图形设备上生成逼真视景必须完成四个基本任务： 1. 用数学方法建立所需要三维场景的几何描述 2. 将三维几何描述转换为二维视图
第二章
虚拟现实技术的技术体系结构
2.1 虚拟现实技术的体系结构
体系结构
用户
输入处理器
模拟处理器
渲染处理器
虚拟世界数据库
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。
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
虚拟世界数据库
数据手套
（传感器）（信号源）
BOOM
双筒全方位监视器
1992年 Bryson
1、视觉生成技术
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面点一向景在个物象象P1于素素V方P点的1向,光eP辐亮处2, 射度…的的，可,P光则见m 亮可,点那度生，么决成象离定一素视。幅e点如完的最此整光近求的亮的出真度P视实应1域感就由内图是P每象1画。
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
虚拟现实建模语言(VRML)
Virtual Reality Modeling Language
VRML 是在因特网上建立虚拟现实的开放标准
A VRML cylinder
#VRML V2.0 utf8 # A Cylinder Shape { appearance Appearance { material Material { } } geometry Cylinder { height 2.0 radius 1.5 } }