虚拟现实技术之VR的计算体系结构

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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。

全景媒体(OMAF_VR)的系统架构研究综述

全景媒体(OMAF)的系统架构研究综述1 概述虚拟现实技术是一种通过计算机仿真来创建和体验虚拟世界的技术，其中，交互式的三维动态视景与用户实体行为的融合大大丰富了用户的观看体验。

目前，VR（virtual reality，虚拟现实）已成为一项热门技术，它通过展现360度的视频为观看者提供了沉浸式的“亲身体验”和“现实生活”。

用户可以交互性地随时切换他们观看的视角，并且动态地查看他们所期望看到的部分场景。

VR在很多领域都有它独特的应用魅力，如VR模拟、VR游戏、VR视频直播等。

从用户体验的角度看，VR技术的最独特之处在于全景视频，也称360度全景视频或沉浸式视频。

全景媒体是指能够根据用户的观看视角进行渲染的图像、视频及其相关联的音频。

在拍摄端，全景视频一般由指向不同方向的多个照相机拍摄并拼接而成。

由于人的视野有限，因此无法在特定视角看全整体画面，而是通常将注意力放在特定的感兴趣的区域。

在渲染端，全景视频播放已经使用许多显示设备实现。

但是，VR服务的核心问题在于如何将全景视频从相机拍摄端向最终的显示端进行传输和存储。

全景媒体的技术架构主要由视频拼接与映射、视频编解码、存储与传输等技术构成。

目前，已有多家公司提出了视频拼接算法，关于映射方法也有多种模型方案。

此外，一些组织和标准正在制定针对全景媒体的编解码和传输的优化算法。

同时，全景媒体技术面临很多巨大的挑战。

首先，全景视频分辨率是一个技术瓶颈，相机组拼接带来的不同步、变形等因素将严重降低视频质量；其次，全景媒体庞大的数据传输与计算给传输带宽和终端的解码能力提出了巨大的挑战；此外，端到端的时延也是一个影响用户体验的关键参数。

目前，市场上出现的虚拟现实产品标准不一，需要新的行业标准的约束。

因此，为了将VR技术扩展到更广泛的市场，需要定义一种通用的应用架构标准，可以在不同的VR设备之间进行全景视频的存储、管理、交换、编辑和呈现。

2 全景媒体应用的发展与演进OMAF（omnidirectional media application format，全景媒体的应用格式）最先由MPEG（moving picture experts group，动态图像专家组）组织在2015年10月的113届MPEG会议上提出，它提出的重要意义在于它为VR系统的输入输出接口设定了标准，便于扩展到科学研究和商业领域。

虚拟现实技术应用实例以及在各行业的应用情况

虚拟现实在各行应用六则（三）一、虚拟现实的计算机技术：计算机体系结构虚拟现实对计算机系统的要求，只包括了视觉显示对计算机系统的要求。

位姿传感器的数据处理，一般不在主计算机上进行，而是由专用的电子设备完成。

听觉显示，力觉触觉显示，研究工作和实际应用还较少，对其计算要求的认识还较少。

听觉显示和力觉触觉显示的计算，往往由专用计算机完成。

所以，当前的虚拟现实计算机，主要完成视觉显示的计算任务。

帧频和延迟时间的要求VR要求高帧频和快速响应，这是由于其内在的交互性质。

要求的帧频和延迟一般取决于环境特性。

只有慢速运动物体的较静的环境，可以用帧频每秒8至10，和0.1秒延迟。

如果环境有高速运动的物体，则要求高帧频（>60Hz）和短延迟。

所有情况下，若帧频低于每秒8帧，则失去三维环境的生动感，若延迟大于0.1秒，则很难操作环境。

因此，帧频必须大于8到10帧/秒,总延迟必须小于0.1秒。

帧频概念来自动图像技术。

在动图像显示中，每一帧实际上是静止照片。

如果新照片快速接替旧照片，就产生连续运动的幻觉。

修改率是在屏幕上的显示改变的速率。

为符合基本的动图像技术，理想的修改率是每秒20帧（新图像）。

对计算机硬件，帧频有几个含义。

它们大致分类为：图形的帧频，计算的帧频，数据存取的帧频。

为了维持在VR中的临场和沉浸感，图形帧频是关键的。

这些帧频可能是独立的，图像场景可能变化，而没有来自用户视点运动的计算和数据存取。

这时，图形的帧频大于计算的帧频和数据存取的帧频。

经验表明，图形帧频率应尽可能高，低于每秒10帧的帧频严重降低临场的幻觉。

如果图形显示依靠计算和数据存取，则计算和数据存取帧频必须为8到10帧/秒，维持用户看到时间演化的幻觉。

如果应用允许交互控制，也要求快速响应。

已知，长响应时间（滞后时间，延迟时间）严重降低用户性能。

延迟时间是从用户的动作开始（如用户转动头部），经过位姿传感器感知用户位姿，把位姿信号传送给计算机，计算机计算新的显示场景，把新的场景传送给视觉显示设备，直到视觉显示设备显示出新的场景为止。

虚拟现实标准体系

虚拟现实标准体系1. 简介本文档旨在介绍虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）标准体系。

虚拟现实是一种通过计算机技术创造出的仿真环境，可实现用户与虚拟世界的交互。

2. VR标准的重要性虚拟现实技术在娱乐、教育、医疗等领域的应用不断增加。

制定一套统一的VR标准体系，可以帮助确保虚拟现实产品的互操作性、安全性和质量，并促进行业的发展。

3. VR标准体系的组成VR标准体系包括硬件标准、软件标准和内容标准。

3.1 硬件标准硬件标准主要涉及VR设备的规范和要求，包括但不限于头盔、控制器、传感器等。

这些标准可确保VR设备的质量、安全性和人体工程学设计的合理性。

3.2 软件标准软件标准涉及VR应用程序的开发和运行规范。

标准应确保软件的兼容性、稳定性和性能，提高用户体验。

3.3 内容标准内容标准主要涉及虚拟现实内容的设计、制作和交流规范。

标准可以指导内容创作者创造出高质量、丰富多样的虚拟现实体验。

4. VR标准制定组织为了制定和推广VR标准，需要建立一个专门的标准制定组织。

该组织应由VR行业内的相关企业、机构和专家组成，通过研究、讨论和共享经验，制定出高质量的标准。

5. VR标准的前景和挑战VR标准的制定对推动虚拟现实技术的发展和应用具有重要意义。

然而，由于VR技术不断创新和发展，标准制定面临着技术变化快、标准更新迭代频繁等挑战。

6. 结论虚拟现实标准体系的建立有助于推动VR技术的规范化发展和行业标准化。

未来，随着VR技术的进一步演进，标准制定组织应密切跟踪技术发展趋势，不断更新标准，推动VR技术的进一步发展。

简述虚拟现实技术的原理

简述虚拟现实技术的原理虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）是一种计算机技术，利用计算机生成的图像、声音等多种感官输入，通过特殊的设备和系统将用户置身于一个虚拟的环境中，并使用户可以与虚拟世界进行交互和控制。

虚拟现实技术的基本原理是模拟真实的环境，通过计算机实现真实环境的交互和视觉体验。

虚拟现实的技术可分为三个主要部分：硬件系统，软件系统和虚拟世界环境。

硬件系统是虚拟现实技术的基础设施，包括计算机系统、头戴式显示器、手柄、追踪设备和音频设备。

计算机系统是驱动虚拟现实技术的核心，虚拟现实技术需要高性能的计算能力和图形渲染能力来生成逼真的虚拟环境。

头戴式显示器是用户的视觉接口，它将虚拟世界呈现给用户，并支持用户的头部运动跟踪，使用户有身临其境的感觉。

手柄是用户的输入设备，它可以模拟用户的手部动作，实现用户对虚拟物体的操作和交互。

追踪设备可以追踪用户的身体姿态，让用户在虚拟环境中自由移动并与虚拟环境进行身体感觉的交互。

音频设备用于提供环境音响效果，增强用户的身临其境感受。

软件系统是虚拟现实技术的另一个重要组成部分，包括虚拟现实引擎、虚拟现实应用程序和交互程序。

虚拟现实引擎是虚拟现实技术的核心，它负责渲染虚拟环境，并处理用户的输入信号。

虚拟现实应用程序是在虚拟环境中运行的程序，它们可以是游戏、培训模拟、医疗仿真等多种应用场景。

交互程序是用户与虚拟环境之间的接口，它们可以通过手柄、追踪设备等用户设备，让用户与虚拟环境进行交互和控制。

虚拟世界环境是虚拟现实技术的核心，它是在计算机内用数学建模方法生成的虚拟环境，模拟真实世界的环境和物体，包括声音、光线、质感、速度和体积。

虚拟世界环境需要高质量的渲染技术，以呈现出逼真的效果。

根据应用场景的不同，虚拟世界环境可以是游戏场景、培训模拟环境、医疗仿真环境等多种。

虚拟现实技术的原理可以归纳为以下几点：1.逼真的视觉效果：虚拟现实技术通过高质量的渲染技术，生成逼真的虚拟环境，包括环境、物体、人物和动画等。

虚拟现实与三维技术

眼镜和头盔显示技术
❖分时技术
利用双眼视觉的继时显示特性，将两套画面在不同时间播放，将两套画面以极快的速度切换，在人的视觉暂留特性的作用下合成连续的画面，这种眼镜目前也称为液晶快门眼镜。
❖头盔显示器
头盔显示其安装有两个小型显示器在人的眼前，分别为左右眼提供具有双目视差的不同图像。同时遮挡住外部的光线和视野，会有很强的沉浸感。
研究动向
❖美国Actuality systems 公司在2003年美国 HIMSS 2003上介绍了立体图像显示系统 “perspecta 3D system”
❖ 2004年，日本日立公司生产出可以实时生成三维图像的3D显示设备transport，在360度的任何角度都能看到它显示的立体图像。
三维模型重建系统
几个典型的三维重建系统： ❖ 美国CMU大学的AVENUE Project城市环境中的
自动场景建模 ❖ 欧洲的ACTSRESOLV Project进行环境的三维信
息获取与建模,用于重构VR模型 ❖ 美国MIT大学的City Scanning Project在城市环
境中自主导航,获取场景的三维数据并进行三维模型重构 ❖ 加拿大NRC实验室的VIT Group:三维数字化及建模系统 ❖ 日本东京大学的VLMS:三维空间的数据自动获取与建模
虚拟现实简介
虚拟现实系统
沉浸性
多感知性
虚拟现实
真实性
构想性
交互性
虚拟现实简介
虚拟现实系统组成
虚拟境界生成设备
感知设备
跟踪设备
交互设备
虚拟现实简介
简易型沉浸型共享型
虚拟现实系统
三维立体显示技术 ❖三维立体显示技术

虚拟现实技术资料整理

虚拟现实技术资料整理虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术是一种能够模拟和创造虚拟环境的计算机技术，通过使用特殊的设备，如头戴式显示器和手柄控制器，使用户能够身临其境地感受和交互虚拟环境。

近年来，虚拟现实技术在游戏、教育、医疗、娱乐等领域得到了广泛的应用和发展。

一、虚拟现实技术的基本原理虚拟现实技术的实现主要依靠以下几个关键技术：图像生成与渲染、空间定位与追踪、交互设备与手柄控制、声音与音频处理、实时计算与传输等。

1. 图像生成与渲染虚拟现实技术通过计算机生成逼真的三维图像，以模拟真实世界的场景。

图像生成主要依赖于计算机图形学和计算机视觉技术，包括建模、纹理映射、光照计算等。

而图像渲染则是将生成的图像进行处理，使其能够在虚拟环境中呈现出逼真的效果。

2. 空间定位与追踪为了让用户能够在虚拟环境中自由移动和交互，虚拟现实技术需要实时追踪用户的头部和手部位置。

目前常用的定位和追踪技术包括惯性导航、光学追踪、声音定位等。

3. 交互设备与手柄控制为了增强用户对虚拟环境的交互体验，虚拟现实技术使用各种交互设备和手柄控制器。

例如，头戴式显示器可以实时跟踪用户头部的位置和姿态，手柄控制器可以模拟用户的手部动作。

4. 声音与音频处理虚拟现实技术还需要提供逼真的音频效果，以增强用户的沉浸感。

通过声音定位和音频处理技术，可以使用户在虚拟环境中听到来自不同方向的声音，并产生立体声效果。

5. 实时计算与传输虚拟现实技术需要实时计算和传输大量的图像和数据，以确保用户在虚拟环境中的体验流畅和逼真。

高性能的计算机和稳定的网络连接是保证实时计算和传输的关键。

二、虚拟现实技术的应用领域虚拟现实技术在各个领域都有广泛的应用，下面将介绍几个典型的应用领域。

1. 游戏与娱乐虚拟现实技术在游戏和娱乐领域有着广泛的应用。

通过虚拟现实设备，玩家可以身临其境地参与游戏，感受到更加真实的游戏体验。

例如，玩家可以在虚拟现实环境中与游戏角色互动，体验到真实的动作和情感。

虚拟现实技术公式

虚拟现实技术公式全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：虚拟现实技术公式是指通过计算机技术将虚构的虚拟世界与现实世界进行融合，使用户可以沉浸在一个全新的环境中，与传统的计算机界面相比，虚拟现实技术具有更加直观和沉浸的体验。

虚拟现实技术公式的制作需要综合考虑计算机图形学、人机交互、传感技术等多个领域的知识，以实现用户与虚拟环境的交互和沉浸感。

虚拟现实技术公式的核心是通过计算机对现实世界进行建模和仿真，以实现虚拟环境的呈现。

在这个过程中，需要考虑到多个要素，如视觉、听觉、触觉等感官的交互，还有场景的呈现、物体的运动等。

下面我们来简单介绍一些与虚拟现实技术相关的基本公式和概念。

1. 渲染方程渲染方程是虚拟现实技术中的重要概念，它描述了光线在相机（观察者）位置与场景中的物体交互时的物理规律。

具体来说，渲染方程描述了光线如何与物体表面发生反射、折射等现象，从而最终到达相机传感器的过程。

渲染方程通常表示为：L(o,ω) = L_e(o,ω) + ∫f_rω_iL_i(ω_i,n)L_i(o,ω_i)n·ω_idω_i其中L(o,ω)为相机位置o处，方向ω上的辐射强度，L_e(o,ω)为来自场景中光源的辐射强度，f_r为表面的反射函数，n为表面法线，L_i为从光源处射向表面的辐射强度，ω_i为光线入射方向。

2. 虚拟现实技术中的交互公式虚拟现实技术的核心在于与用户进行交互，其交互公式可以表示为：I_t = F(I_t-1, I_t-2, ..., I_t-n)其中，I_t表示在时刻t用户的输入状态，F为交互函数，用于描述用户对虚拟环境的操作和反馈效果。

在虚拟现实环境中，用户的输入可以通过手柄、眼球追踪、体感设备等方式来实现，交互函数的设计需要考虑到输入设备的特性和用户体验。

3. 虚拟环境中的物体运动公式在虚拟现实技术中，物体的运动是模拟现实世界的重要部分之一，其运动公式可以表示为：F = ma其中，F为物体受到的力，m为物体质量，a为物体的加速度。

vr虚拟现实标准体系

vr虚拟现实标准体系VR虚拟现实标准体系。

VR虚拟现实技术是近年来备受关注的新兴技术，它可以为用户提供一种全新的沉浸式体验，让人仿佛置身于虚拟世界之中。

然而，要想实现VR技术的广泛应用，就必须建立起一套完善的标准体系，以确保不同厂商生产的设备和软件能够相互兼容，从而推动整个行业的发展。

本文将探讨VR虚拟现实标准体系的相关内容。

首先，VR虚拟现实标准体系应包括硬件标准和软件标准两个方面。

在硬件标准方面，需要对VR设备的参数、接口、传感器等进行规范，以确保不同厂商生产的设备在性能和兼容性上能够达到统一的标准。

同时，还需要对VR设备的安全性、人体工程学、辐射等方面进行规范，以保障用户的健康和安全。

其次，软件标准是VR虚拟现实标准体系中至关重要的一部分。

在软件标准方面，需要对虚拟现实内容的制作、交互方式、用户界面等进行规范，以确保不同平台上的虚拟现实内容能够统一标准，从而提升用户体验。

此外，还需要对虚拟现实软件的性能、稳定性、安全性等方面进行规范，以确保用户在使用虚拟现实软件时能够获得良好的体验。

除了硬件和软件标准，VR虚拟现实标准体系还应包括内容标准。

内容标准是指对虚拟现实内容的制作、展示、传输等方面进行规范，以确保虚拟现实内容的质量和真实感。

在内容标准方面，需要对虚拟现实内容的分辨率、色彩表现、音频效果等进行规范，以提升虚拟现实内容的逼真度和沉浸感。

同时，还需要对虚拟现实内容的制作流程、版权保护、信息安全等方面进行规范，以保障虚拟现实内容的合法性和安全性。

总的来说，VR虚拟现实标准体系是推动整个行业发展的基础和保障。

只有建立起完善的标准体系，才能推动VR技术的广泛应用，提升用户体验，促进行业的健康发展。

因此，各个相关方应共同努力，制定和遵守VR虚拟现实标准体系，为VR技术的发展搭建起坚实的基础。

在不断发展的过程中，VR虚拟现实标准体系也需要不断完善和更新，以适应行业的发展和需求变化。

只有如此，才能推动VR技术不断向前发展，为用户带来更加丰富和真实的虚拟现实体验。

虚拟现实技术系统的硬件组成详解-精

演示
虚拟现实系统的硬件组成
感知设备
功能: 将VR系统各类感知模型转变为人能接受的多通道刺激信号的设备。感知包括：视、听、触、嗅、味觉等多种通道。视觉感知设备：立体宽视场图形显示器（沉浸式和非沉浸式）；
沉浸式非沉浸式
头盔显示器（HMD）吊杆式（Boom）洞穴式(CAVE) 桌面立体显示器墙式立体显示器
小、形状、距
全身运动聚焦、扫瞄
离、位置、颜色
虚拟现实系统的硬件组成
人类感官感知的激励
❖人类感官感知的计算机及虚拟现实设备输出信息
▪ 实时的三维计算机图形图像； ▪ 实时的三维虚拟声； ▪ 触觉、力觉反馈； ▪ 参与者感受的动感； ▪ 其它感知（如嗅觉等）。
虚拟现实系统的硬件组成
❖ 视觉子系统：视觉子系统利用双眼视觉的微小视差，获得深度感知，它的典型传感器是立体显示器，如现在市面上流行的头盔显示器（HMD）和支架式显示器（BOOM）。立体显示器是虚拟现实系统的重要组成部分，是使参与者沉浸于虚拟世界的主要的交互手段。
虚拟现实系统的硬件组成
❖ 感知与行为系统概念模型 ❖ 人类是通过视觉/听觉/触觉/嗅觉等感官来感知外
界环境及变化的，他们用眼看/用耳听/用手模/用嘴尝等方式与环境交互。因此，在感知系统的概念模型中，Gibson把感知系统划分成方向/听觉/ 触觉/嗅觉及视觉等6个子系统，并分别列出了这些子系统的行为方式/接受单元/器官模拟/器官行为/刺激元及外部信息。
虚拟现实系统的硬件组成
触觉/力感反馈系统
❖ Pairick在进行人类因素实验来检测它的反馈系统时发现，在简单的双指活动场景中，将触觉反馈和视频显示综合起来，其感知性能比仅使用视频显示要提高10%；当视频失效时（模拟低能见度），附加触觉反馈则会使感知性能提高30%。

3D新知：虚拟现实仿真技术

3D新知：虚拟现实仿真技术虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)，是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，具体地说，就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境， VR带来了人机交互的新概念、新内容、新方式和新方法，使得人机交互的内容更加丰富、形象，方式更加自然、和谐。

深度创艺虚拟现实仿真的技术目前主要有实物虚化、虚物实化、高性能计算处理技术和分布式虚拟显示四种。

1、实物虚化实物虚化主要包括基本模型构建、空间跟踪、声音定位、视觉跟踪和视点感应等关键技术，这些技术使得真实感虚拟世界的生成、虚拟环境对用户操作的检测和操作数据的获取成为可能。

基本模型构建技术基本模型的构建是应用计算机技术生成虚拟世界的基础，它将真实世界的对象物体在相应的三维虚拟世界中重构，并根据系统需求保存部分物理属性。

深度创艺的模型构建首先是要建立对象物体的几何模型，确定其空间位置和几何元素的属性并通过GIS数据或者遥感来增强虚拟环境的真实感，并在虚拟环境中遵循一定的运动和动力学规律。

当几何模型和物理模型很难准确地刻画出真实世界中存在的某些特别对象或现象时，可根据具体的需要采用一些特别的模型构建方法。

(2)空间跟踪技术虚拟环境的空间跟踪主要是通过头盔显示器、数据手套(DATAGLOVE)，立体眼镜，数据衣等交互设备上的空间传感器，确定用户的头、手、躯体或其他操作物在三维虚拟环境中的位置和方向。

跟踪系统一般由发射器、接收器和电子部件组成。

目前,深度创艺的跟踪系统有电磁、机械、光学、超声等几类。

数据手套是VR系统常用的人机交互设备，它可测量出手的位置和形状从而实现环境中的虚拟手及其对虚拟物体的操纵。

Cyber Glove通过手指上的弯曲、扭曲传感器和手掌上的弯度、弧度传感器，确定手及关节的位置和方向。

(3)声音跟踪技术利用不同声源的声音到达某一特定地点的时间差、相位差、声压差等进行虚拟环境的声音跟踪是深度创艺为客户打造实物虚化的重要组成部分。

虚拟现实技术课程教学大纲

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——揭秘VR世界的技术原理

虚拟现实——揭秘VR世界的技术原理一、虚拟现实技术概览虚拟现实（VR）是一门前沿技术，它借助计算机的力量创造出一个可供用户互动的立体世界。

自20世纪60年代起，科学家们就开始尝试用电子设备来复制现实世界的经验。

随着时间的推移，虚拟现实已从理论构想演变为具有深远影响力的实用技术。

1.1 三维渲染与视觉呈现虚拟现实的基石在于构建栩栩如生的三维景象。

这依赖于复杂的计算算法和强大的图形处理单元，它们共同创造出包括静态对象、动态元素如光线、阴影和纹理在内的多层次场景。

这种三维渲染允许用户从各个角度探索虚拟世界，带来身临其境的感觉。

1.2 空间感知与动态追踪为了使用户能够在虚拟环境中自由移动并自然互动，空间跟踪与定位技术扮演了关键角色。

这项技术实时追踪用户的头部、手部甚至是全身动作，确保虚拟环境的响应与用户的实际动作保持同步。

例如，头戴式显示器会依据用户的头部转动改变视角，而手持控制器能捕捉手势，使用户能够轻松地在虚拟空间中抓取物体或执行复杂操作。

这种精确的动态追踪技术显著提升了沉浸感，让用户几乎忘记自己正身处一个非真实的环境中。

二、图像生成与显示计算机图形学的精粹在于图像生成，它利用精密的算法和数学模型创造并操控虚拟世界的视觉表现。

在2.1.1 三维建模与光影效果中我们将深入研究如何构筑精细的3D模型，无论是建筑、人物还是任何创新的构想。

建模不仅要求对形状的精确重现，还涉及对材质和纹理的细腻模拟，从而使模型在视觉上更具真实感。

光影效果在提升图像逼真度方面起着决定性作用，通过对光源、物体表面和周围环境之间相互作用的计算，可以营造出阴影、反射和折射等效果，进一步强化图像的立体感和深度层次。

2.2 头戴式显示器技术（HMD）与图像显示在现代图像显示领域，尤其是虚拟现实和增强现实应用中，2.2.1 显示性能优化至关重要它致力于提升HMD的刷新率、分辨率和色彩准确性，以提供流畅且鲜明的视觉享受。

这需要硬件的不断升级，比如采用更快速的处理器和高质量的显示屏，以及软件的优化，例如减少延迟，提高图像渲染效率。

虚拟现实的技术架构

01 技术不断演进，硬件设备更新换代
不同类型的虚拟现实技术的崛起
02 VR、AR、MR等技术逐渐成熟
03
虚拟现实技术对人类生活的影响
改变人们的生活方式虚拟旅游、远程协作等
提升用户体验互动体验更加真实、沉浸
结尾
虚拟现实技术的不断创新与发展将持续影响人类生活的方方面面，让我们共同期待未来科技的进步与突破。
分辨率
高分辨率显示需求清晰度至关重要
提升用户体验细节展现更加真实
人机交互
提升交互的自然性
通过各种输入设备实现更加自然的交互方式借助手势识别技术提升用户体验
对用户动作的识别准确捕捉用户动作，实现更加精准的互动效果结合人工智能技术提升动作识别准确度
感知技术
仿真真实感的需求
01 提升用户沉浸感
第1章虚拟现实技术的发展历史
介绍虚拟现实技术的起源
虚拟现实技术首次出现于1960年代，起源于军事和航空领域，被用于模拟复杂环境。
虚拟现实技术在不同领域的应用
医疗领域医学模拟、手术训练等
建筑设计虚拟建模、实时可视化
游戏产业
沉浸式游戏体验、虚拟现实游戏
虚拟现实技术的发展历程
从头戴式显示器到全息投影技术
虚拟现实的技术架构
汇报人：时间：2024年X月
目录
第1章虚拟现实技术的发展历史第2章虚拟现实技术的基本原理第3章虚拟现实技术的关键技术挑战第4章虚拟现实技术在教育领域的应用第5章虚拟现实技术在医疗领域的应用第6章虚拟现实技术的未来发展趋势第7章虚拟现实技术的发展
● 01
● 02
第2章虚拟现实技术的基本原理
虚拟现实技术的技术架构简介

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。
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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。

虚拟现实的计算体系结构

用户2视图
（1）两用户共享的虚拟环境
两用户可单独使用交互设备与同一VR系统交互，通过LAN通触觉显示信网络互联，使用 TCP/IP协议发送单播数据包来传消息，用户之间通设备信要顺畅、状态要一致。
用户1 单播 TCP/IP LAN 用户2
3 分布式虚拟现实的体系结构
单服务器模式
服务器
…
客户机1 客户机2 客户机n
使用多边形网格法建模的三维图像
1 绘制流水线
应用程序阶段
几何处理阶段
光栅化阶段
用户输入
CUP1
. . .
图形绘制流水线 3个阶段缓缓
FIFO FIFO
GE1
. . .
RU1
. . .
冲区
冲区
CPUn
GEn
RUn
输出缓冲区
视频控制器
1 绘制流水线
应用程序阶段几何处理阶段光栅化阶段
客户机1,n
客户机n,1
客户机n,n
本章小结
虚拟现实的计算体系结构的学习，是虚拟现实开发的框架和基础。要求掌握VR引擎中图形绘制流水线和触觉绘制流水线的基本工作原理；了解基于PC和工作站的VR图形体系结构；理解分布式虚拟环境的网络拓扑结构及其应用。能够运用所学的内容分析VR引擎上虚
拟现实功能的开发和实现，为以后章节的学习打下基础。
1 绘制流水线
接口芯片接收系统总线传送的3D数据，发送到几何处理主板。由几何处理主板上最空闲的几何处理引擎执行相关操作，处理相应的三维数据，并返回结果到接口芯片。接口芯片将经过几何处理的数据发送给纹理芯片，纹理芯片负责纹理映射。
光栅化单元从纹理芯片中读取数据，把它们转换成像素信息，然后发送到帧缓冲区。

VR的计算机体系结构

10
》
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/computer
1.图形绘制流水线
（3）图形流水线优化
流水线的优化关键是对于瓶颈的解决！
提高CPU速度
《
高速代替低速或增加CPU数量
》
优化应用程序阶段瓶颈
降低场景的复杂度优化仿真软件
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如尽量减少三维模型的多边形数目由编译器完成或通过编程技巧来实现
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》
3. 分布式虚拟环境
基本概念
《
重要问题
是指它驻留在两台或两台以上的网络计算机上，这些计算机共享整个仿真的计算负载。
虚拟环境在网上分布的两个重要问题是网络类型和带宽。 1.两用户共享的虚拟环境。 2.多用户共享虚拟环境的网络拓扑。
《应用程序阶段
几何处理阶段光栅化阶段
》
通过软件和硬件一同实现。包括模型变换（平移、旋转和缩放等）、光照计算、场景投影、剪裁和映射。
通过硬件实现，目的是提高处理速度。它把几何处理阶段输出的颜色和纹理等信息转换成视频显示器需要的像素信息。
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1. 多流水线同步
第三种方法,增加两个（或多个）监视器的视频同步。
《
》
通过同步主、从显示器的内部视频逻辑电路确保从显示器的垂直线和水平线与主显示器保持一致。
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1. 多流水线同步
图形和触觉流水线的同步
绘制包括视觉和触觉两种感觉模态，VR需要对这两条异构的流水线进行同步。
》
本节参考文献
[1]娄岩.医学虚拟现实技术与应用[M].科学出版社,2015.
/computer
1.图形绘制流水线