《虚拟现实技术》讲义教案01概述

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1、虚拟环境与系统仿真虚拟环境部分第一章概述1.1基本概念和术语遥操作(toleoperator)系统包括人类操作者、人机接口和遥机器人。虚拟环境(virtualenvironment,VE)系统或虚拟现实(virtualreality,VR)系统包括人类操作者、人机接口和计算机。增强现实(augmented-reality)系统中,组合了虚拟环境和真实环境。合成环境(syntheticenvironment,SE)系统，是遥操作系统，虚拟环境系统，增强现实系统等的总称。虚拟现实的特点:(1)计算机提供”环境〃，不是〃数

2、据，信息J改变了人机接口的内容。(2)操作者由视，听，力觉感知环境，由自然的动作操作环境,不是由屏幕，键盘，鼠标。改变了人机接口的形式。(3)逼真的感知和自然的动作，产生身临其境的感觉。改变了人机接口的效果。虚拟现实的三个I:_Immersion(沉浸),逼真的，身临其境的.Interaction(交互),感知与操作环境.Imagination(想象),创造性.1.2SE系统应用领域1.2.1娱乐1.2.2国防1.2.3设计、制造和销售1.2.4医疗和健康1.2.5危险操作1.2.6训练1.2.7教育1.2.8信息可

3、视化1.2.9远程交往与远程游历1.3SE技术当前的状态1.3.1人机接口给人类操作者提供信息(视觉、听觉和触觉)，感觉人类操作者动作和响应(位置跟踪和映射)。(1)位置跟踪和映射机械链接、磁传感器、光传感器和声传感器。三个要求：大范围的线性响应，高带宽(1kHz),以及允许头相对运动。(2)视觉通道头盔显示(HMD)和非头盔显示(OHD)o(3)听觉通道合成由接口提供的信号。声音空间定位问题。(4)触觉通道涉及操作以及感觉。一类是安在身体上的手套或外骨骼，它跟踪手的位置和姿态。一类是安在地面的设备，如感觉手动作并提

4、供力反馈的手柄。(1)运动接口身体的被动运动(被动移动)，身体主动运动(漫游)。运动信息可能包含在前庭系统，运动系统，视觉听觉系统，本体感受，动觉和触觉信息中。(2)其它类型接口嗅觉、味觉通道，以及感觉热、风及湿度的接口。语音通讯(语音识别与合成)以及直接心理感觉和控制。1.3.2计算机生成VE为了提供连续运动的错觉，帧速率必须大于每秒8到10帧。为了保持瞬间交互控制的错觉，响应时间的延迟必须小于0・1秒。为了绘制人眼可分辨的所有细节，这要求有8千万个多边形。(然而，用今天的硬件，每个画面8千万多边形的系统对真正的实

5、时交互是太慢了，于是存在真实图象与实时交互间的折衷。)(某些应用(如建筑和艺术)可能要求照片一样真实的绘制。制造和医疗应用要求更高层次的实时交互。)(1)硬件维持足够的图形帧速率是计算要求，于是往往需要专用硬件。图形硬件应提供快速几何变换、截取、消隐、多边形填充和表面纹理。(2)软件(a)交互。交互软件利用人机控制设备的输出去修改VE。(b)漫游。视觉漫游软件控制用户在VE中运动时看到的场景。(c)建模。定义虚拟物体形状、外观和属性的模型是VE的核心。(d)操作系统。支持VE的实时多模态要求。(3)网络通讯网络可以把

6、VE转换成共享的环境。1・4・SE系统的基础方法1.4.1.透视投影“虚拟观察者v(VirtualObserver,VO)观看“虚拟环境"(VirtualEnv让onment,VE),就是透视投影，是把三维场景投影到二维平面上产生图形。VE坐标系是描述虚拟环境的坐标系,一般是一个固定坐标系。V0坐桩系是固定在虚拟观察者身上的坐标系，坐标原点V0在虚拟观察者一只眼上，Z轴为光轴，X轴向左，Y轴向上。一般来说，透视投影首先把YL坐桩系中的点的坐标，转换成在欢坐标系中的坐标。然后是在V0坐标系中引入平行于％,%平面上的投影

7、平面。VE中每个点与V0连线，这个连线与投影平面的交点就是该点的投影。把VE中物体上的每条线透视投影后，就得到物体的线框图(wireframeview)o(F3.15,F3.16)xp=xd/(z+d)yp=yd/(z+d)d是VO到投影平面的距离，用于确定标尺。d越大，投影的(©,儿)越大。影响透视投影的因素有：1)V0位置(在VE中)，2)%方向，3)do摄象机视场(Fieldofview,FOV),取决于焦距，关系如下。焦距(mm)2028355085135200300视场(°)94°75°63°46°28.5

8、°18°12°8.25°视场内的点可见，视场外的点不可见1.4.2.人类视觉的深度感人类视觉的深度感是人类识别环境深度和物体远近的感觉。它包括由单目视觉得到的深度感，以及由双目视觉得到的深度感。单目深度感：运动视差「这是当观察者相对环境运动时,产生的深度感。如头部运动后，能发现物体之间的遮挡关系透视深度感:对已知物体，图象尺寸的变化是透视深度感