虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的核心技術課件

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的核心技術導學

一、學習目標1.掌握常用的幾種顯示技術的實現(xiàn)原理。2.了解真實感實時繪制技術如何實現(xiàn)。3.掌握三種建模技術的建模特點以及區(qū)別。4.熟悉虛擬聲音的原理，虛擬聲音與傳統(tǒng)立體聲的區(qū)別，如何實現(xiàn)三維虛擬聲音。5.了解當前人機交互技術的發(fā)展現(xiàn)狀。6.了解碰撞檢測技術的技術要求以及實現(xiàn)方法。二、重點、難點1、重點是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的核心技術分類、特點、應用。2、難點是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)相關技術的原理和實現(xiàn)方法。

5.1.1幾何建模技術虛擬環(huán)境中的幾何模型是物體幾何信息的表示，設計表示幾何信息的數(shù)據(jù)結構、相關的構造與操縱該數(shù)據(jù)結構的算法。虛擬環(huán)境中的每個物體包含形狀和外觀兩個方面。幾何建?？赏ㄟ^以下兩種方式實現(xiàn)：（1）人工的幾何建模方法（2）自動的幾何建模方法5.1三維建模技術

奧迪R8solidworks建模視頻展示使用3dMax軟件進行人工建模心臟結構三維動畫應用3dsMax制作的游戲人物形象三維立體掃描儀人體外形建模的大型激光掃描系統(tǒng)如上圖所示，應用3dsMax制作的游戲人物形象屬于人工幾何建模，使用三維掃描儀屬于自動幾何建模。

5.1.2物理建模技術物理建模指的是虛擬對象的質量、重量、慣性、表面紋理、硬度、變形模式等特征的建模。分形技術和粒子系統(tǒng)就是典型的物理建模方法。分形技術模擬山體形態(tài)粒子系統(tǒng)建模的煙花左上圖為利用分形技術模擬的山體形態(tài)，右上圖為粒子系統(tǒng)建模的暗花形態(tài)。5.1.3行為建模技術

虛擬現(xiàn)實的本質就是客觀世界的仿真或折射，虛擬現(xiàn)實的模型則是客觀世界中物體或對象的代表。而客觀世界中的物體或對象除了具有表觀特征如外形、質感以外，還具有一定的行為能力，并且服從一定的客觀規(guī)律。

如右圖，由于人兩眼有4-6cm的距離，所以實際上看物體時兩只眼睛中的圖像是有差別的，如圖所示。兩幅不同的圖像輸送到大腦后，看到的是有景深的圖像。這就是計算機和投影系統(tǒng)的立體成像原理。顯示技術原理

5.2.1雙目視差顯示技術5.2立體顯示技術分色技術原理分光技術原理分時技術原理光柵3D顯示技術原理如上圖所示為目前比較有代表性四種立體顯示技術。5.2.2全息技術計算機全息圖（ComputerGeneratedHologram，簡稱CGH）被認為是三維立體顯示的最終解決方案。CGH是通過計算機的運算來獲得一個計算機圖形（虛物）的干涉圖樣，替代傳統(tǒng)全息圖物體光波記錄的干涉過程。2.5D“全息”投影效果全息眼鏡

虛擬現(xiàn)實中還有真實感與實時性的要求，也就是說虛擬世界的產(chǎn)生不僅需要真實的立體感，而且虛擬世界還必須實時生成，這就必須要采用真實感實時繪制技術。5.3.1真實感繪制技術

真實感繪制是在計算機中重現(xiàn)真實世界場景的過程。主要任務是模擬真實物體的物理屬性。當用戶視點發(fā)生變化時，所看到的場景需要及時更新。5.3真實感實時繪制技術紋理映射前后對比圖環(huán)境映射效果圖反走樣前后對比圖常采用下列方法：（1）紋理映射（2）環(huán)境映射（3）反走樣

5.3.2圖形的實時繪制技術

傳統(tǒng)的虛擬場景基本上都是基于幾何的，就是用數(shù)學意義上的曲線、曲面等數(shù)學模型預先定義好虛擬場景的幾何輪廓，再采用紋理映射、光照等數(shù)學模型加以渲染。

除了在硬件方面采用高性能的計算機，提高計算機的運行速度以提高圖形顯示能力外，還可以降低場景的復雜度。5.4三維虛擬聲音的實現(xiàn)技術5.4.1三維虛擬聲音與立體聲音的區(qū)別立體聲，就是指具有立體感的聲音。具有一定程度的方位層次等空間分布特性的重放聲，稱為音響技術中的立體聲。虛擬環(huán)繞聲技術也稱為非標準環(huán)繞聲技術。三維虛擬聲音與人們熟悉的立體聲音有所不同，立體聲來自聽者面前的某個平面，而三維虛擬聲音則是來自圍繞聽者雙耳的一個球形中的任何地方。5.4.2虛擬環(huán)繞聲原理虛擬環(huán)繞聲的關鍵是聲音的虛擬化處理，依據(jù)了人的生理聲學和心理聲學原理專門處理環(huán)繞聲道，制造出環(huán)繞聲源來自聽眾后方或側面的幻象感覺。三維虛擬聲音

5.5.1手勢識別手勢識別系統(tǒng)的輸入設備主要分為基于數(shù)據(jù)手套的識別和基于視覺（圖像）的識別系統(tǒng)兩種?；跀?shù)據(jù)手套和基于視覺（圖像）的兩種手勢識別技術5.5人機交互技術

人可以通過臉部的表情表達自己的各種情緒，傳遞必要的信息。人臉圖像的分割、主要特征（如眼睛、鼻子等）定位以及識別是這個技術的主要難點。人臉檢測方法基于特征的人臉檢測基于圖像的人臉檢測方法5.5.2面部表情識別

5.5.3眼動跟蹤眼動跟蹤原理示意圖眼動跟蹤技術的基本工作原理是利用圖像處理技術，使用能鎖定眼睛的特殊攝像機。通過攝入從人的眼角膜和瞳孔反射的紅外線連續(xù)地記錄視線變化，從而達到記錄、分析視線追蹤過程的目的。5.5.4語音識別技術語音識別技術（AutomaticSpeechRecognition，簡稱ASR）是將人說話的語音信號轉換為可被計算機程序所識別的文字信息，從而識別說話者的語音指令以及文字內容的技術，包括參數(shù)提取、參考模式建立和模式識別等過程。

碰撞檢測經(jīng)常用來檢測對象甲是否與對象乙相互作用。為了保證虛擬世界的真實性，就需要虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能夠及時檢測出這些碰撞，產(chǎn)生相應的碰撞反應，并及時更新場景輸出，否則就會發(fā)生穿透現(xiàn)象。（如下圖為發(fā)生碰撞前后的兩輛車。）

5.6碰撞檢測技術虛擬現(xiàn)實中的碰撞檢測技術本章小結

虛擬現(xiàn)實技術是由計算機產(chǎn)生，通過視覺、聽覺、觸覺等作用，