虚拟现实的计算体系结构
虚拟现实的计算机技术(PPT 123页)
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
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。
8-2_虚拟现实
虚拟现实第8章大纲⏹第8章虚虚实实的现代生活⏹沉浸于空间信息工程⏹知识点：空间信息工程的多维交互⏹虚拟现实⏹知识点：虚拟现实的3I特征⏹Web 3D⏹知识点：Web3D可让空间信息工程更具有消费价值⏹增强现实⏹知识点：增强现实技术的研究范围什么是虚拟现实？虚拟现实（简称VR），又称灵境技术，是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。
综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间。
虚拟现实应用的主要特点✓身临其境性✓交互性✓直观性✓虚拟现实性✓协作性1.实物虚化▪（1）基本模型构建技术•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。
▪（2)空间跟踪技术•通过头盔显示器、数据手套，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。
▪（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实物虚化的重要组成部分。
▪（4）视觉跟踪与视点感应技术•使用从视频摄像机到X-Y平面阵列，周围光或者跟踪光在图像投影平面不同时刻和不同位置上的投影，计算被跟踪对象的位置和方向。
2.虚物实化▪（1）视觉感知虚拟环境中大部分具有一定形状的物体或现象，可以通过多种途径使用户产生真实感很强的视觉感知。
▪（2）听觉感知。
虚拟环境的声音效果，可以弥补视觉效果的不足，增强环境逼真度。
有助于在操作中对声音定位。
▪（3）力觉和触觉感知能否让参与者产生“沉浸”感的关键因素之一是用户能否在操纵虚拟物体的同时，感受到虚拟物体的反作用力，从而产生触觉和力觉感知。
0-虚拟现实技术(1)概述
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科学计算可视化的需要
从60 年代末起，在计算机技术的支持下已对科学 计算提出可视化的要求
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示例
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虚拟现实概念
虚拟现实就是采用以计算机技术为核心的现代高技术生成逼 真的视、听、触觉一体化的一定范围的虚拟环境，用户可以 借助必要的装备以自然的方式与虚拟环境中的物体进行交互 作用、相互影响，从而获得亲临等同真实环境的感受和体验。
虚拟现实（Virtual Reality, VR）技术是近年来计算机领域 的又一个研究热点。虚拟现实技术充分利用计算机硬件和软 件的集成技术，提供一种实时、三维的虚拟环境，用户借助 必要的设备（如头盔，手套等）以自然方式与虚拟环境中的 物体进行交互，从而沉浸于虚拟环境中，产生接近真实环境 的感受和体验。虚拟环境是由计算机生成的实时动态的三维 立体逼真图像，它可以是某一现实世界的再现，也可以是虚 拟构想的世界。虚拟现实的发展对科学进步和社会发展产生 了深远的影响。
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虚拟现实系统产生的虚拟世界不同于一般的虚拟世界，虚拟 现实产生的虚拟世界可以称作“三维的、由计算机生成的、 存在于计算机内部的虚拟世界”，这个世界或环境是人工构 造的，是存在于计算机内部的。这种虚拟的世界，通常有两 种情况。
一种情况是真实世界的再现。如文物保护中真实建筑物的虚 拟重建。这种真实建筑物可能是已经建好的，或是已经设计 好但尚未建成的，也可能是原来完好的，现在被破坏了的。
现实”一词榜上有名。” －《数字化生存》 作者尼葛洛庞帝戏言。
VR指标的原理和计算方法
VR指标的原理和计算方法虚拟现实（Virtual Reality, VR）是一种通过电脑技术、传感技术等手段创造出一个虚拟的三维环境，让用户可以身临其境地感受其中的情境。
为了评估和比较各种VR系统的质量，可以使用一些VR指标。
下面将介绍VR指标的原理和计算方法。
一、VR指标的原理虚拟现实系统的质量可以从不同的角度来衡量，包括用户体验、交互性、图形质量、系统鲁棒性等方面。
不同的VR指标可以评价这些方面的性能，帮助开发者和研究人员了解VR系统的优点和缺点。
在选择VR指标时，需要考虑以下几个原则：1.目标导向：VR指标应该与特定的应用场景和目标相关。
不同的VR应用可能对不同的指标有不同的侧重点。
2.可量化：VR指标应该是可以测量和计算的，以便进行比较和评估。
3.客观性：VR指标应该是客观的，不受主观因素的影响。
二、VR指标的计算方法1. 存在感（Presence）指标：存在感是指用户在虚拟环境中是否有身临其境的感觉。
存在感可以通过用户体验调查、生理指标（如心率、皮肤电反应等）以及行为表现来评估。
2. 效果感（Immersion）指标：效果感是指用户对虚拟环境中的视觉、听觉、触觉等感觉的深度和真实程度。
可以通过用户体验调查、虚拟现实设备的参数（如分辨率、刷新率等）以及图形质量来评估。
3. 交互性（Interactivity）指标：交互性是指用户与虚拟环境之间的实时反馈和互动程度。
可以通过用户体验调查、交互延迟（如响应时间、动作追踪精度等）以及用户与虚拟环境之间的交互方式来评估。
4. 视觉质量（Visual Quality）指标：视觉质量是指虚拟环境中图像的清晰度、真实感和逼真程度。
可以通过图像质量评估方法（如SSIM、PSNR等）和用户体验调查来评估。
5. 运行性能（Performance）指标：运行性能是指VR系统在不同硬件平台上的表现和稳定性。
可以通过FPS（每秒帧数）、延迟时间和系统错误率等指标来评估。
虚拟现实技术的复习资料
虚拟现实技术第一章1、虚拟现实的概念：用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界；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。
虚拟现实是计算机与用户之间的一种理想化的人-机界面形式。
通常用户戴一个头盔（用来显示立体图象的头式显示器），手持传感手套，仿佛置身于一个幻觉世界中，在虚拟环境中漫游，并允许操作其中的“物体”。
2、虚拟现实的特征与传统计算机相比，虚拟现实系统具有四个重要特征：临界性，交互性，想象性，多感知性3、虚拟现实系统的构成：a.虚拟世界（包含三维模型或环境定义的数据库） b.虚拟现实软件（提供实现观察和参与虚拟世界的能力） c.计算机 d.输入设别（观察和构造虚拟世界；如三维鼠标，数据手套，定义跟踪器等） e.输出设备（现实虚拟世界；如显示器，头盔等）4、虚拟现实系统的类型桌面虚拟现实系统，沉浸式虚拟现实系统，混合虚拟现实系统5、虚拟现实的硬件设备跟踪系统（把使用者身体位置的变动反馈给主机，以实时改变图像和声音）知觉系统（人及交互的各种界面，包括视觉装置：头盔显示器等；触觉装置:数据手套跟踪球等）音频系统：立体声耳机等图像生成和现实系统：产生视觉图象和立体显示6、虚拟现实有哪些软件VR系统开发工具：能够接受各种高性能传感器的信息，如头盔的跟踪信息；能生成立体显示图行；能把各种数据库，各种CAD软件进行调用和互联3DSMax：三维制作软件Maya：三维动画以及虚拟现实制作软件，实时三维模型创建软件Multigen Creator7、眼睛的作用、视觉暂留和临界融合频率的概念眼睛的作用：调节和聚焦，明暗适应，视觉暂留，立体视觉，视场视觉暂留：视觉暂留是视网膜的电化学县乡造成视觉的反应时间。
当观看很短的光脉冲时，视杆细胞得到越0.25s的峰，视椎细胞快4倍（0.04s）。
这种现象造成视觉暂留。
临界融合频率：临界融合频率（CFF）效果会产生把离散图像序列组合成连续视觉的能力，CFF最低20Hz，冰取决于图像尺寸和亮度。
06第六章_VR的计算体系结构
流水线瓶颈决不仅仅局限于应用程序阶段。对一个给定的CPU和图形加速卡， 如果减少场景中光源的数目，同时增加图像帧的刷新率，则瓶颈会出现在几何 处理阶段。这样的流水线称为变换-限制。最后，如果降低显示窗口的尺寸或 分辨率，同时增加流水线的输出，则瓶颈会出现在光栅化阶段。这种情况下的 流水线称为填充- 限制。 虚拟现实（LNTU） 虚拟现实（LNTU） 第6章 VR的计算体系结构 VR的计算体系结构
6.1 绘制流水线
6.1.1 图形绘制流水线
绘制流水线的 一个例子 HP Visualize fx卡是用硬 件实现几何 处理阶段和 光栅化阶段 的一个典型 例子。
虚拟现实（LNTU） 虚拟现实（LNTU） 第6章 VR的计算体系结构 VR的计算体系结构
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6.1 绘制流水线
6.1.1 图形绘制流水线
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6.1绘制流水线 6.1绘制流水线
6.1.2 触觉绘制流水线
现代VR仿真系统在满足实时约束条件下需要实现另一些感觉模态，如触觉。 这可以通过多阶段的触觉绘制流水线完成。
第一阶段，主要是从数据库中加载三维对象的物理特性，包括表面柔性、光 滑度、重量和表面温度等。流水线的第一阶段还要执行碰撞检测，以确定是否 有虚拟对象发生碰撞。与图形流水线不同，在触觉绘制流水线中，只有在场景 中发生碰撞的结构才被传送到流水线的下一阶段。 虚拟现实（LNTU） 虚拟现实（LNTU） 第6章 VR的计算体系结构 VR的计算体系结构
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6.1 绘制流水线
术语“绘制”通常与图形密切相关。它表示把组成虚拟世界的三维几何 模型转变成展示给用户的二维场景的过程。绘制也包括其他各种感觉模 态，例如触觉。 流水线结构是一种通过并行执行多个任务部件来加速处理过程的方法。 绘制流水线指的是把绘制过程划分成几个阶段，并把它们指派给不同的 硬件资源。
虚拟现实技术介绍
虚拟现实技术介绍虚拟现实（VR-----Virtual Reality），也称灵境，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机技术，它汇集了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术、高度并行的实时计算技术和人的行为学研究等多项关键技术。
它利用计算机技术生成一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的虚拟环境，用户通过使用各种交互设备，同虚拟环境中的实体相互作用，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真和信息交流。
虚拟现实的主要特征是：多感知性（Multi-Sensory）、浸没感（Immersion）、交互性（Interactivity）、构想性（Imagination）。
虚拟现实系统具有融合海量信息、逼真再现实景、表现形式新颖直观、传播范围遍及全球、异地浏览方便快捷、内容更新快速简单、互动参与趣味多多等独特优势和特征。
本公司采用空间信息技术和虚拟现实技术开发的系统具有如下功能特点：（1）、支持虚拟漫游，临场体验实现场景虚拟漫游，用户可以自由的漫步其间，可以快速到达想去的地方，这一切都由用户亲手控制。
本系统可以通过键盘、鼠标或操纵杆实现前、后、左、右、上、下方向的位移，同时可以实现左转、右转、仰视、俯视等功能。
用户观看不受限制时间、空间的限制，能根据他们的意志探索整个环境，选择他们自己想体验的东西。
（2）、支持建筑或设备的信息查询及定位功能我们将在系统中建立建筑或设备的信息数据库，通过输入建筑或设备名称，可快速定位到相应的区域或者对象上，同时可以迅速获得相关的数据信息，包括文字介绍、图像、视频、动画、背景音乐以及配音解说等等。
（3）、支持多媒体资源超链接可以将与该建筑或设备相关的视频、音频、实景图片、动画、电子文档等多媒体资源整合在该系统中，采用超链接形式，只需用鼠标轻轻一点，即可调出所需资料。
（4）、支持导航地图可建立一个平面导航地图，使用户清楚了解自身所处地理位置，并可以利用该地图迅速到达指定地点，该地图可以缩小、放大或隐藏。
虚拟现实简答题答案
虚拟现实简答题答案1、虚拟现实基本概念、基本类型及三个重要特点是什么？虚拟现实（VirtualReality，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，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。
由计算机系统产生的，相对于实环境的，并有人的操作和参与而形成的一种虚构的、视觉上的、听觉上的、感觉上、嗅觉上的存在，是一种物理意义上的人机交互和抽象组合。
虚拟现实系统的四大类：桌面虚拟现实系统、临境虚拟现实系统、增强型的虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统三个基本特征：临境(immerion)；交互性(interactivity)；想象(imagination)。
沉浸感(Iimmerion)是指用户作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。
理想的虚拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度，甚至超越真实，如实现比现实更逼真的照明和音响效果等。
交互性(Iinteraction)是指用户对虚拟环境内的物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。
想象(Imagination)是指用户沉浸在多维信息空间中，依靠自己的感知和认知能力全方位地获取知识，发挥主观能动性，寻求解答，形成新的概念。
2、简述虚拟现实系统的关键技术、主要建模方法关键技术：虚拟现实是多种技术的综合，包括实时三维计算机图形技术，广角（宽视野）立体显示技术，对观察者头、眼和手的跟踪技术（以及触觉/力觉反馈）、立体声及语音输入输出技术、虚拟环境建模技术等。
1.三维真实感图象的实时生成（VR系统要对参与者的行为反应灵敏，并保持内部的一致性和连贯性，保证显示图象的“更新率”能满足目标的要求）2.大视野立体显示技术（通过配戴头盔给人身临其境的感觉，画面围绕着参与者）3.位置跟踪器（检测到参与者的物理位置和取向，以便输入到计算机中去产生虚拟境界中相应的图象和声音）4.立体声的产生（真实而且准确，注意声音的方向感）5、虚拟环境建模（设计出参与者在一种虚拟境界中会遇到的景物，包括物体建立几何模型，附加信息）主要建模方法：基于几何和图像的建模、虚拟对象的物理特性建模与行为建模。
分布式计算技术在虚拟现实中的应用
分布式计算技术在虚拟现实中的应用虚拟现实（VR）技术是一种可以模拟现实环境或创造虚拟世界的技术，通过使用计算机生成的图像、声音和其他感官输入，使用户能够沉浸在一个虚拟的环境中。
随着技术的发展，VR越来越受到人们的关注和重视，并在各个领域得到广泛应用，如教育、医疗、游戏等。
然而，随着VR的不断发展和应用，需要更多的计算和存储资源来支撑这些虚拟环境的构建和运行。
分布式计算技术就是一种可以为VR提供更多计算资源的技术，它可以将多个计算资源连接在一起，从而提供更强大的计算能力和存储能力。
本文将探讨分布式计算技术在虚拟现实中的应用。
一、分布式计算技术的基本原理1.数据分割：将大任务分割成多个小任务，并将这些小任务分发给不同的计算资源进行处理。
2.并行计算：利用多个计算资源同时处理任务，从而提高计算效率。
3.数据传输：在计算资源之间传输数据，确保各计算资源之间的同步和数据一致性。
4.故障处理：在一个计算资源出现故障时，能够自动将任务转移到其他计算资源上进行处理，保证计算任务的顺利完成。
虚拟现实技术需要大量的计算和存储资源来构建和运行虚拟环境，因此，分布式计算技术在VR中的应用具有重要意义。
以下是分布式计算技术在虚拟现实中的应用场景：1.图形渲染：虚拟现实技术需要大量的计算资源来进行图形渲染，以确保画面流畅和逼真。
利用分布式计算技术，可以将图形渲染任务分发给多个计算资源同时进行处理，从而提高图形渲染的速度和质量。
2.声音处理：虚拟现实技术还需要进行声音的采集、处理和合成，以模拟不同环境中的声音效果。
利用分布式计算技术，可以将声音处理任务分发给多个计算资源，并将不同计算资源合作，从而实现更加逼真的声音效果。
3.数据存储：虚拟现实技术需要大量的数据存储来存储虚拟环境中的各种信息，如图像、声音、视频等。
分布式计算技术可以将数据存储任务分发给多个计算资源，以实现高效、可靠的数据存储和管理。
4.交互体验：虚拟现实技术还需要处理用户的交互输入，如手势识别、语音识别等。
CAVE系统简介
CA VE系统简介浙江大学CAD&CG国家重点实验室金小刚杭州310027?1．1．虚拟现实技术虚拟现实（VR-Virtual Reality）技术是当代信息科学的前沿研究领域,它综合运用计算机图形学、计算机视觉、心理学、传感器等多方面技术，在计算机中营造一个虚拟的环境，通过实时的、立体的三维图形显示、声音模拟、自然的人机交互界面来仿真现实世界中早已发生、正在发生或尚未发生的事件，并使用户产生身临其境的真实感觉。
虚拟现实的一个突出特点是其虚拟和现实的二重性。
虚拟现实是高技术的产物，从物理上来说，它是不存在的，但在用户的感官世界里，它是真实存在的，可以通过视觉、听觉、触觉、力觉来感知。
在虚拟环境中，所有的景物都按照现实世界中的客观规律运动和变化。
因此，虚拟现实技术首先被用来模拟那些代价巨大或因种种条件限制在现实世界中难以实现的事件，如航天飞机的风洞试验、大坝的应力试验、核武器试验、大规模战争演习、飞行仿真等，通过虚拟环境来验证原有的设计是否合理，功能是否稳定，指标是否合格，战略战术的运用是否恰当。
虚拟仿真的最大优点是无需建设专用的试验基地和设计专用的仿真设备，因而可以大大节省人力、物力和财力，缩短试验周期，它可以大大减少甚至取代实物试验。
2．2．CAVE虚拟现实系统CAVE(Cave Automatic Virtual Environment)是一种基于投影的虚拟现实系统，它由围绕观察者的四个投影面组成，如图1所示。
四个投影面组成一个立方体结构，其中三个墙面采用背投方式，地面采用正投方式。
若放置CAVE系统的房间大小有限，可通过反射镜把投影图象投影到屏幕上以节省空间。
观察者戴上液晶立体眼镜和一种六个自由度的头部跟踪设备，以便将观察者的视点位置实时反馈到计算机系统和体验身临其境的感觉。
当观察者在CAVE中走动时，系统自动计算每个投影面正确的立体透视图象。
同时，观察者手握一种称为Wand的传感器，与虚拟环境进行交互。
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。
最新版VR虚拟现实技术应用项目解决方案
虚拟现实是由计算机生成的给人以沉浸感的虚拟环境。
（5）虚拟现实的概念模型
感官刺激信号 感知系统
介 入 反者应动作反应系统
虚拟世界 （环境）
（6）虚拟环境系统提供的各种感官刺激
• 视觉 • 听觉 • 嗅觉 • 味觉 • 触觉（触觉，力觉） • 身体感觉
（7）虚拟环境中用户的动作检测和设备
用户反应动作
虚拟课堂 虚拟手术和远程手术 城市规划和建筑设计的虚拟演示 虚拟商店、虚拟旅游、虚拟剧场
虚拟体育仿真 虚拟文化遗产保护（虚拟博物馆）
虚拟手术
虚拟博物馆
虚拟体操训练系统
（Sheffield Hallam University ）
虚拟滑雪训练系统
（Reebok Sports Club in New York City）
（二）VR系统的典型设备和环境
显示和观察设备
沉浸式现实设备 非沉浸式显示设备
交互设备
数据手套 （输入手的各种姿势） 三维鼠标 游戏杆
传感设备
数据手套 数据衣 位置跟踪装置
三维立体声系统 三维数据获取设备
产生沉浸感的方法和装置
1. 头盔式显示器 2. 快速响应的工作平台 3. 大屏幕投影
洞穴状的投影屏幕（CAVE） 圆柱型的投影屏幕 由矩形块拼接构成的投影屏幕 4. 全景图 5. 可支持多用户协作的投影屏幕 6. 具有三维空间感的声音
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。
虚拟现实技术概述
第一章虚拟现实技术概述1．什么是虚拟现实技术虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术是20世纪90年代以来兴起的一种新型信息技术，它与多媒体、网络技术并称为三大前景最好的计算机技术。
它以计算机技术为主，利用并综合三维图形动技术、多媒体技术、仿真技术、传感技术、显示技术、伺服技术等多种高科技的最新发展成果，利用计算机等设备来产生一个逼真的三维视觉、触觉、嗅觉等多种感官体验的虚拟世界，从而使处于虚拟世界中的人产生一种身临其境的感觉。
在这个虚拟世界中，人们可直接观察周围世界及物体的内在变化，与其中的物体之间进行自然的交互，并能实时产生与真实世界相同的感觉，使人与计算机融为一体。
与传统的模拟技术相比，VR技术的主要特征是：用户能够进入到一个由计算机系统生成的交互式的三维虚拟环境中，可以与之进行交互。
通过参与者与仿真环境的相互作用，并利用人类本身对所接触事物的感知和认知能力，帮助启发参与者的思维，全方位地获取事物的各种空间信息和逻辑信息。
2．虚拟现实技术与三维动画技术的异同VR技术和三维动画技术有本质的区别：三维动画技术是依靠计算机预先处理好的路径上所能看见的静止照片连续播放而形成的，不具有任何交互性，即不是用户想看什么地方就能看到什么地方，用户只能按照设计师预先固定好的一条线路去看某些场景，它给用户提供的信息很少或不是所需的，用户是被动的；而VR技术则截然不同，它通过计算机实时计算场景，根据用户的需要把整个空间中所有的信息真实地提供给用户，用户可依自己的路线行走，计算机会产生相应的场景，真正做到“想得到，就看得到”。
所以说交互性是两者最大的不同。
下面来看一个应用的实例。
房地产展示是这两个技术最常用的领域。
在现在的应用中，很多房地产公司采用三维动画技术来展示楼盘，其设计周期长，模式固定，制作费用高；而同时在国内也已经有多家公司采用VR技术来进行设计，其展示效果好，设计周期短，更重要的是，它是基于真实数据的科学仿真，不仅可达到一般展示的功能，而且还可以把业主带入到未来的建筑物里参观，还可展示如门的高度、窗户朝向、某时间的日照、采光的多少、样板房的自我设计、与周围环境的相互影响等。
虚拟现实与增强现实技术概论课件第1章 虚拟现实技术概论
1.1 虚拟现实技术的基本概念
1.1.4 虚拟现实的关键技术
高性能计算处理技术 虚拟现实主要基于以下几种技术实现： （1）基本模型构建技术。 （2）空间跟踪技术。 （3）声音跟踪技术。 （4）视觉跟踪与视点感应技术。 （5）计算处理技术。
1.1 虚拟现实技术的基本概念
1动态环境建模技术2实时三维图形生成和显示技术3新型交互设备的研制4智能化语音虚拟现实建模5分布式虚拟现实技术的展望6屏幕时代的终结本章小结本章简要介绍了虚拟现实和增强现实的概念和区别和相关知识
虚拟现实与增强现实 技术概论
计算机中心
第1章 虚拟现实技术概论
Virtual Reality - A Dream Turned Into Reality
这一目标的基础，三者之间是过程和结果的关系。
只需像在现实中那样伸出手来， 就可以和游戏世界的物体互动。 除了 VR 眼镜外不需要额外配 件，沉浸感更强。
1.1 虚拟现实技术的基本概念
1.1.2 虚拟现实技术的特征
2．交互性(Interaction) 虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，
使用者不仅可以利用计算机键盘、鼠标进行交互，而且能 够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。
1.4 虚拟现实技术的应用
VR的应用范围很广，诸如国防、建筑设计、工业 设计、培训、医学领域等。Helsel与Doherty早在1993 年就对全世界范围内已经进行的805项VR研究项目做了 统计，结果表明：VR技术在娱乐、教育及艺术方面的 应用占据主流，达21.4%，其次是军事与航空方面达 12.7%，医学方面达6.13%，机器人方面占6.21%，商业 方面占4.96%；另外，在可视化计算、制造业等方面也 有相当的比重。
基于虚拟仿真的新型建筑结构设计实验报告
基于虚拟仿真的新型建筑结构设计实验报告一、实验背景随着科技的飞速发展，建筑行业对于创新和高效的设计方法的需求日益增长。
虚拟仿真技术作为一种强大的工具，为建筑结构设计带来了新的可能性。
本实验旨在探索虚拟仿真在新型建筑结构设计中的应用，评估其效果和优势，为未来的建筑设计实践提供参考。
二、实验目的1、研究虚拟仿真技术在建筑结构设计中的可行性和实用性。
2、对比传统设计方法与基于虚拟仿真的设计方法在效率、准确性和创新性方面的差异。
3、分析虚拟仿真技术对建筑结构性能优化和成本控制的影响。
三、实验原理虚拟仿真技术基于计算机图形学、力学分析和数值模拟等原理，通过建立建筑结构的数字化模型，模拟其在各种荷载条件下的力学行为和性能表现。
通过对仿真结果的分析和评估，可以对设计方案进行优化和改进。
四、实验设备与软件1、高性能计算机：用于运行虚拟仿真软件和处理大规模的数据计算。
2、专业建筑设计软件：如 Autodesk Revit、SketchUp 等，用于创建建筑模型。
3、结构分析软件：如 ANSYS、SAP2000 等，用于进行力学分析和仿真计算。
4、虚拟现实设备：如 HTC Vive、Oculus Rift 等，用于沉浸式的设计体验和效果展示。
五、实验步骤1、设计方案确定首先，根据给定的建筑功能和场地条件，确定初步的建筑结构设计方案。
考虑建筑的形式、高度、跨度、材料等因素，绘制草图和简单的二维图纸。
2、模型建立使用专业建筑设计软件，将初步设计方案转化为三维数字模型。
确保模型的几何形状、构件尺寸和连接方式等准确无误。
3、材料属性定义为模型中的各种建筑材料赋予相应的物理和力学属性，如弹性模量、屈服强度、密度等。
4、荷载施加根据建筑规范和实际使用情况，施加各种荷载，包括恒载、活载、风载、地震作用等。
5、仿真计算运行结构分析软件，进行力学仿真计算，获取结构的应力、应变、位移等数据。
6、结果分析对仿真计算结果进行详细分析，评估结构的安全性、稳定性和性能表现。
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2.2 基于工作站的体系结构
2 图形体系结构
工作站使用了超级 （多处理器）体系结构，具 有更强大的计算能力、更大 的磁盘空间和更快的通信形 式。
Infinite Reality是SGI 公司开发的第一个为通用工 作站专门设计，具有4个几 何处理引擎和主板，用于提 供复杂场景下具有稳定的 60HZ刷新率高质量绘制的 图形系统。
模型变换（坐 标变换、平移、 旋转和缩放 等）、光照计 算、场景投影、 剪裁和映射
将几何图形信 息转换成视频 显示器需要的 像素信息，即 几何场景转化 为图像。
通过CPU软件编程实 现
由几何处理引擎硬件实 现
由光栅化单元硬件实 现
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。
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
用户
CUP1
输入
.
.
.
CPUn
几何处理阶段
光栅化阶段
GE1
RU1
FIFO FIFO
图形缓绘制流.. 水线3个缓阶段
. .
冲
.
冲
.
区
区
GEn
RUn
输 出
视频 控制器
缓
冲
区
应用程序阶段
1 绘制流水线
几何处理阶段
光栅化阶段
完成建模完成建 模、加速计算、 动画、人机交互 响应用户输入。 和触觉绘制流水 线一些任务。
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。
图形绘制流水线的实例- HP Visualize fx卡
计 力力 算缓 平 映 力冲 滑 射 区
触觉纹理
触觉接口
碰撞检测阶段
1 绘制流水线
受力计算阶段
触觉计算阶段
确定两个（或多 个）虚拟对象之 间是否有接触。 从数据库中加载 虚拟对象的物理 特性
基于各种物理 仿真模型计算 触点压力。还 包括力平滑和 力映射。
主要绘制仿真 过程的接触反 馈分量（触觉 纹理），增强 了对象表面物 理模型真实感。
VR系统结构的设计中最重要的是绘制技术。
1 绘制流水线
图形绘制流水线：指的是把图形绘制过程划分成几 个阶段，并把它们指派给不同的硬件资源并行处理， 用来提高图形绘制速度。
1.1 图形绘制流水线
多边形（三角形）网格表示法）：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，而物体的边界面 可以用许多单独的多边形表示。是最 常见的虚拟现实三维模型表示法之一。
虚拟现实的计算体系结构
导学
一、学习目标 1.掌握图形绘制流水线和触
觉绘制流水线的原理。 2.熟悉基于PC和基于工作站
的VR的系统结构。 3.理解多流线的同步机制， 掌握分布式VR的网络组成和
应用。
二、重点、难点
1、图形绘制流水线3个阶段
应用程序、几何处理、光栅化。
2、触觉绘制流水线3个阶段
碰撞检测、受力计算、触觉计算。
注意：只有发生了碰撞的对象才会在触觉绘制流水线中处理。
2.1 基于PC的图形体系结构
2 图形体系结构
只有将PC和虚拟现实交互 式设备集成在一起才能构成 VR引擎。
将头部跟踪器连接到PC的 串行端口，操纵杆连接USB 端口，用来接收用户的输入， 操纵杆接收触觉反馈。头戴 式可视设备连接到图形卡输 出端口，接收系统的视频反 馈。而三维声卡插在PCI总 线上，用户通过用带有三维 声卡的耳机接收音频反馈。
3 分布式虚拟现实的体系结构
联合定位绘制流水线的系统由一台带有多流水
线的图绘形制加流速水卡线3的的.2计多联算台合机计；算定或机位者；绘每或制台者流带它水一们线个的不任同意
组合构成。
3 分布式虚拟现实的体系结构
Wildcat II 511Байду номын сангаас能同时在两个显示器上独立地显示，具 有两套几何处理引擎和两套光栅化引擎。
视频芯片把像素颜色映射成真彩色，进行 数/模转换和视频同步处理，输出显示结果
1 绘制流水线
为了提高对象模型的真实感除了视觉效果外，还需要 触觉来感知物体。可以通过多阶段的触觉绘制流水线 描述触觉模型的过程。
碰撞检测阶段 1.2 触受力觉计算绘阶段制流水线触觉计算阶段
用户
CUP1
输入
.
.
.
CPUn
FIFO
体的延迟，图像扭曲。3.1 多流水线同步
特别是用多台CRT显示 器联合仿真显示，不同步会 会导致图像闪烁，使用户产 生视觉不适。
3 分布式虚拟现实的体系结构
1.软件同步法
方法：要求并行流水线的应用程序阶段在 同一时刻开始处理新的一帧。 缺点：某一条流水线处理速度快于其他流 水线，先填充帧缓冲器，图像先显示出来。
2.帧缓冲器同步多法流水线同步解决的方法
方法：流水线绘制3D图像前会等待系统垂 直同步信号，然后开始绘制一帧图像。 缺点：同时绘制，但绘制速度较快的流水 线会先绘制完帧，还存在图像偏差的可能。
3 分布式虚拟现实的体系结构
3.主从显示器同步法
方法：将其中一个显示器成为主显示 器，而其他显示器为从显示器。主从 显示器图形卡之间通过内部视频逻辑 电路连接，可确保从显示器的垂直和 水平扫描线都与主显示器相同，确保 了输出图像的一致性。
3、多用户多用户分布式虚拟现实 网络拓扑结构
单服务器、多服务器环状网、点 到点LAN、通过路由的混合点到 点WAN
4、基于工作站的VR体系结构
1 绘制流水线
VR引擎是从输入设备中读取数据，访问与任务相关的数据库，执行 任务要求的实时计算，从而实时更新虚拟世界的状态，并把结果反馈
给输出显示设备。
大量的数据计算、低延迟和图形、触觉实时显示都要VR引擎具有强健 的计算体系结构。
3 分布式虚拟现实的体系结构
分布式VR引擎：使用两个或多个绘制流水线的 VR引擎。这些流水线可以同时位于一台计算机 中，也可以分别位于多台协作的计算机中，或 者位于集成在一个仿真系统中的多台远程计算 机中。
3 分布式虚拟现实的体系结构
多条流水线输出的图像 都需要同步。
如果不进行同步，帧刷新 率不一致，就会导致系统整
3 分布式虚拟现实的体系结构
视觉和触觉两种感觉模态也需要同步绘制才能提高真实 性，视觉和触觉的同步是在应用程序阶段实现的，需要 通过专门的接口控制器完成。
帧缓冲器 显示设备
视觉与触觉流水线同步 图形绘制流水线 遍历数据库
几何处理阶段
光栅化阶段
触觉绘制流水线
同步命令
碰触检测
受力计算
触觉纹理绘制
触觉反馈设备