2虚拟现实技术的体系结构和关键技术
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。
虚拟现实系统的体系及其关键技术
虚拟现实系统的体系及其关键技术
黄之初;谭穗宁
【期刊名称】《陕西建材》
【年(卷),期】2001(000)004
【摘要】论述了有关虚拟现实的基本概念及其与一些相关的概念的关系，虚拟现实体系结构的现状及我们的策略，分析了虚拟现实研究的关键技术。
【总页数】3页(P39-41)
【作者】黄之初;谭穗宁
【作者单位】武汉理工大学，武汉430070;武汉理工大学，武汉430070
【正文语种】中文
【中图分类】TP311
【相关文献】
1.虚拟现实系统的体系及其关键技术 [J], 黄之初;谭穗宁;闻剑
2.刍议综采工作面安全生产虚拟现实系统关键技术 [J], 王利辉
3.叉车操作训练环绕式虚拟现实系统关键技术研究 [J], 岑志波;丁高耀;林龙;周强
4.虚拟现实系统及其关键技术的研究进展 [J], 车敏;拓明福;柳泉
5.叉车操作训练环绕式虚拟现实系统关键技术研究 [J], 岑志波;丁高耀;林龙;周强因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
虚拟现实技术在起重机钢结构设计与制造课程教学中的实践应用
Ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｉ ｒ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｎｏ ． ７， ２ ０ １ ３
体 实际行 为 。
总而言之 ， 几何建模描述模型节点位置 、 节点的 空间结构 以及物体的材质等方面的内容 ， 可以采用渲 染算 法将 该模 型在 计算机 屏 幕上进 行显 示 ； 物理建 模 则描 述 了模 型的质 量 、 速 度 以及在外 力 作用下 的 动力 学特性 ， 而行为建模则描述了模型在一定的场景中如 何对 外界 作用 自然 而然地 做 出正确 的反映 。 （ ２ ） 人机 交互 与虚 拟 现实 作为一种新型人机交互形式 ，虚拟现实技术与 以前任何人机交互形式相 比， 有希望彻底实现“ 和谐 的、 拟人 化 ” 的人 机界 面 。
《 装备制造技术） ２ ｏ １ ３ 年第 ７ 期
虚 拟现 实技术在起重机钢结构 设计 与制造课程教学 中的实践应 用
余 震’ ， 沈琛林
（ １ ． 武汉科技大学 机械 自动化学院 ， 湖北 武汉 ４ ３ ０ ０ ８ １ ； ２ ． 武汉理工大学智能制造与控制研究所 ， 湖北 武汉 ４ ３ ０ ０ ６ ３ ）
图 ２ 虚 拟 现 实特 点
１ ． ２ 虚 拟现 实技术 的关 键 技术
虚拟现实技术 的关键技术包括 ： 基本建模技术 、 人机交互与虚拟现实仿真技术等。 （ １ ） 基本建模技术 基本建模技术是应用计算机技术生成起重机虚 拟模 型，它将真实的起重机在相应的三维虚拟世界 中重 构 ， 主要 包括 以下 几个 部分 ： 是， 几何 建模 ： 构 件起重 机 的三维立体 几何 模型 ； 二是 ， 运动建模 ： 运动建模使对象在虚拟环境 中 遵循一定的运动和动力学规律 ； １ 虚 拟现 实技 术的特点及 其关键技术 三是 ， 物理建模 ： 根据物理模型本身的 自然规律 来制作动画及场景 ， 表现 自然场景 ， 如烟雾１ ３ ］ 、 火焰【 ４ 】 、 １ ． １ 虚 拟现 实 技术 的 特点 织物、 植物 等 ； 虚拟现实可以定义为对现实世界进行五维时空 四是 ， 对象行为建模 ： 行为建模是 描述 和处理物
什么是虚拟现实技术
●什么是虚拟现实技术?它具有那些特征?1)虚拟现实技术是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术以及仿真技术等多种科学及时而发展起来的计算机领域的新技术。
2)沉浸、交互和构想三大基本特征。
沉浸:指用户进入虚拟环境之后,由于他所接触到的一切都非常逼真,他相信这一切都“真实”存在,而且相信自己正处在所感受到的环境当中。
交互:指用户进入虚拟环境后,不仅可以通过各种先进的传感器获得逼真的感受,而且可以用自然的方式对虚拟环境中的物体进行操作。
构想:由虚拟环境的逼真性与实时交互性而使用户产生更丰富的联想,是获得沉浸感的一个必要条件。
●虚拟现实技术的关键技术:1)动态环境建模技术2)立体显示和传感器技术3)系统开发工具应用技术4)实时三维图形生成技术5)系统集成技术●虚拟现实技术在安全中的主要应用1)对出现的危险情况进行模拟,现实中引发事故的原因多种多样,事故具有很强的不可预知性,利用VR技术可以事先模拟事件发生过程及可能造成的严重后果。
2)通过虚拟现实针对模拟的情况进行必要改进,可以对现场更多地了解,采用措施改进。
3)通过VR重现事故现场,分析事故原因,对已发生的事故进行现场模拟,再现事故现场,了解事故原因,杜绝同类事故发生。
4)用VR技术进行现场模拟进行安全教育,直观生动,效果好。
●什么是射频识别?基本FRID系统由那几部分组成,各有什么功能?射频识别又称电子标签,是一种利用射频信号自动识别目标对象并获取相关信息的技术。
由FRID标签、FPID阅读器及应用支撑软件等几部分组成。
FRID标签:有芯片和天线组成,每个标签具有唯一的电子编码,标签附着在物体上识别目标对象。
FRID阅读器:主要任务是控制射频模块向标签发射读取信号,并接受标签的应答,对标签的对象标识相关进行解码,将对象标识信息连带标签上其他相关信息传输到主机以共处理。
FRID应用支撑软件:除了标签和阅读器上运行的软件外,介于阅读器与应用之间的中间件是其中的一个重要组成部分,主要任务是对阅读器读取的标签数据进行过滤、汇集和计算,减少从阅读器传往企业应用的数据量。
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
毕业设计（论文）虚拟现实引擎技术研究
毕业论文题目：虚拟现实引擎技术研究学生姓名：张玉伟学生学号：059080143系别：计算机与信息工程系专业：计算机科学与技术届别：2009届指导教师：杨星虚拟现实引擎技术研究 2目录前言 (3)1 概述 (4)1.1 虚拟现实技术的概述 (4)1.2 虚拟现实发展概况 (7)1.3 各国虚拟现实技术的研究及应用情况 (8)1.4 虚拟现实的技术的主要研究内容 (9)1.5 虚拟现实技术的意义 (9)2 虚拟现实引擎的结构及其关键技术 (9)2.1 虚拟现实系统的组成 (9)2.2 虚拟现实技术中引擎的构成 (11)2.3 虚拟现实引擎中的几个关键技术 (11)3 常用的可见性裁减算法 (16)3.1 遮挡裁减算法的分类 (16)3.2 物体空间的遮挡裁减算法 (17)3.3 图像空间的遮挡裁减算法 (21)4 可见性裁减的改进算法 (24)4.1 组织场景 (24)4.2 划分视点单元 (24)4.3 计算视点单元的可见性保守集PVS (26)4.4 改进遮挡算法的评价 (29)5 总结与展望 (29)5.1 总结 (29)5.2 展望 (30)致谢 (30)参考文献 (31)淮南师范学院2009届本科毕业论文 3虚拟现实引擎技术研究学生：张玉伟指导老师：杨星淮南师范学院计算机与信息工程系摘要：虚拟现实技术又称灵境技术，它是二十世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术。
本文首先对虚拟现实（Virtual Reality）技术进行了概括性介绍，阐述了虚拟现实技术的基本概念、特征、发展、应用领域以及国内外的研究现状。
虚拟现实中的引擎是虚拟现实技术的核心之一，文中阐述了虚拟现实引擎的体系结构，及其相关的技术，如碰撞检测、可见性裁减、LOD 技术和光照模型。
本文对虚拟现实引擎的关键技术之一——可见性裁减问题做了研究，并提出了一种改进的遮挡裁减算法，此改进算法是将Durand 提出的扩展投影作为保守可见性预处理的算法与Greene 等人提出层次遮挡图和层次深度图的算法相结合，将遮挡板的扩展投影生成层次遮挡图来判断被遮挡物是否可见，同时保持了扩展算法的基本特性。
智能制造关键技术(虚拟现实与人工智能技术)
（3）工艺模型。将工艺参数与影响制造功能的产品设计属性联系起来，以 反应生产模型与产品模型之间的交互作用。工艺模型必须具备以下功能：计算 机工艺仿真、制造数据表、制造规划、统计模型以及物理和数学模型。
三维软件绘制的产品模型
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虚拟现实技术制作的模型
2．仿真技术 仿真就是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型，然后在分 析的基础上运行此模型，从而得到系统一系列的统计性能。由于仿真是以系统模型为 对象的研究方法，不会干扰实际生产系统，同时利用计算机的快速运算能力，仿真可 以用很短时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期，因而可以缩短决策时间，避 免资金、人力和时间的浪费，并可重复仿真，优化实施方案。 仿真的基本步骤为：研究系统——收集数据、建立系统模型——确定仿真算法、 建立仿真模型、运行仿真模型——输出结果并分析。
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二、 虚拟现实在智能制造中的应用 （一）虚拟制造定义及关键技术
虚拟制造技术涉及面很广，如环境构成技术、过程特征抽取、元模型、 集成基础结构的体系结构、制造特征数据集成、多学科交叉功能、决策支持 工具、接口技术、虚拟现实技术、建模与仿真技术等。其中后3项是虚拟制 造的核心技术。
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1．建模技术 虚拟制造系统VMS是现实制造系统RMS在虚拟环境下的映射，是RMS的模型 化、形式化和计算机化的抽象描述和表示。VMS的建模包括生产模型、产品模型和 工艺模型。 （1）生产模型。可归纳为静态描述和动态描述两个方面。静态描述是指系统生 产能力和生产特性的描述。动态描述是指在已知系统状态和需求特性的基础上预测 产品生产的全过程。 （2）产品模型。产品模型是制造过程中，各类实体对象模型的集合。目前产品 模型描述的信息有产品结构、产品形状特征等静态信息。虚拟制造下的产品模型不 再是单一的静态特征模型，它能通过映射、抽象等方法提取产品实施中各活动所需 的模型，包括三维动态模型，干涉检查，应力分析等。
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。
虚拟现实技术在农业职业教育中的应用
其次 ，模拟生产管理 ，使学生 陕速 高效地掌握植物管理技术和现代农业知
目前 ，该 应 用 已涉 及 教 育 培训 、
科研 、军事 、工程设计 、影视 、医学 、
和想象力是Ｖ 应 用的关键 ，它与 多媒 Ｒ
识。 “ 虚拟果树修剪系统”是虚拟果树
可 以清 楚地 辨别 各种 修剪方 法 的对 与
可 南农业 ２１ 年第 ７ 下 ） ０２ 期（
教 学 研 究
Ｊ ＡＤ ｚ Ｅ Ｖ。 ， 刀
错 ，从 而 在 短 时 间 里 掌 握 果 树 修 剪 方
迫 条 件 下 的 反 应 和 生 长 全 过 程 ，不 但 可 以 了 解 它 们 生 长 过 程 中 各 种 物 质 积 累 的 形 状 ， 还 可 以 从 多 角 度 了解 动 物
三维 图形 生成 ：提 高刷新 频 率实
现 “ 实时生成 ”技术是Ｖ 的重要瓶颈 。 Ｒ
作物和智能化作物 的种植试验提
率。
传感 器技 术 ：传感 器是 高 级人机 交互技术 的关 键 ，例如 ，人取物 体时 ，
机器应对虚拟环境作相应 的变化 。
容 是虚 拟环境 的建 立 ， 目的是 获取 真 实环境 的三维 数据 ，并建 立虚 拟环 境
模 型。
果 实成长等整个生长周期 ，不 必长 时间
实地种植 即可观察分析 ，还可从 中获取
托于 数学 、计算 机科 学 、机 械学 、声
学 、力学 、生 物学 、光学 乃至社会 科
各参数 动态数据 ，一改传统农业职业教
究 ，从 而 探索科 学 规律 和奥 秘 。在教 学 实验 中 ，运用 虚 拟模 型可 以解 决部 分 实验 设备 不 足 、型号落 后 、耗 费时 间长等 问题 ，从 而提 高教 学效 率 和质
虚拟现实系统的人机交互体系结构
虚拟现实系统的人机交互体系结构一、虚拟现实系统概述虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是一种先进的计算机技术，通过模拟用户的视觉、听觉、触觉等感官体验，创造出一种沉浸式的虚拟环境。
这种技术能够让用户仿佛置身于一个全新的世界中，体验到与现实世界完全不同的情境。
随着计算机图形学、传感器技术、人机交互技术的发展，VR 技术已经从最初的事训练、航天模拟等领域，逐渐扩展到游戏、教育、医疗、旅游等多个行业。
1.1 虚拟现实系统的核心特性虚拟现实系统的核心特性主要体现在以下几个方面：- 沉浸感：通过高质量的视觉和听觉体验，使用户感觉自己真正处于虚拟环境中。
- 交互性：用户可以通过各种输入设备与虚拟环境进行互动，如手势、语音、眼球追踪等。
- 多感知性：除了视觉和听觉，VR系统还可以模拟触觉、嗅觉等其他感官体验，提高沉浸感。
- 自由度：用户在虚拟环境中可以自由移动和观察，体验到与现实世界相似的空间感。
1.2 虚拟现实系统的应用场景虚拟现实系统的应用场景非常广泛，包括但不限于以下几个方面：- 游戏娱乐：提供沉浸式的游戏环境，增强玩家的游戏体验。
- 教育培训：模拟真实场景进行教学，提高学习效率和兴趣。
- 医疗健康：用于手术模拟、疼痛管理等医疗领域。
- 建筑设计：在建筑和室内设计领域，提前预览设计效果。
- 事训练：模拟战场环境，进行战术训练和模拟演习。
二、虚拟现实系统的人机交互体系结构人机交互是虚拟现实系统的重要组成部分，它决定了用户与虚拟环境的互动方式和体验质量。
一个高效的人机交互体系结构对于提升VR系统的可用性和吸引力至关重要。
2.1 人机交互体系结构的组成一个完整的虚拟现实人机交互体系结构通常包括以下几个部分：- 输入设备：包括头戴式显示器（HMD）、手柄、手套、运动捕捉设备等，用于捕捉用户的输入动作。
- 交互接口：负责处理输入设备的信号，并将其转化为虚拟环境中的相应动作或命令。
- 感知反馈：包括视觉、听觉、触觉等多种反馈方式，增强用户的沉浸感。
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。
虚拟现实技术在3D游戏中的应用
2020年第9期信息与电脑China Computer & Communication计算机工程应用技术虚拟现实技术在3D游戏中的应用牟堂娟（山东工艺美术学院，山东 济南 250001）摘 要：在3D游戏中，有效地加入虚拟现实技术能够丰富游戏的内容与形式，并且在多元化的同时，能够使得游戏用户在使用游戏的过程中获得更加真实的情感心理体验。
基于此，笔者简单分析了虚拟现实技术在3D游戏中的应用情况，希望能够为广大游戏开发者以及游戏用户提供一定的参考。
关键词：虚拟现实技术；3D游戏；应用中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1003-9767（2020）09-015-03Application of Virtual Reality Technology in 3D GamesMou Tangjuan(Shandong University of Art & Design, Jinan Shandong 250001, China)Abstract: In 3D games, effectively adding virtual reality technology can enrich the content and form of the game, and at the same time, it can make the game users get more real emotional and psychological experience in the process of using the game. Based on this, the author simply analyzes the application of virtual reality technology in 3D games, hoping to provide some effective reference for the majority of game developers and game users.Key words: virtual reality technology; 3D game; application０ 引言虚拟现实技术是当今十分重要的、应用领域范围广的技术之一，从目前而言，促使3D游戏的出现与流行，是当今虚拟现实技术应用到数字娱乐游戏的成功表现。
虚拟制造体系及其关键技术
虚拟制造体系及其关键技术引言当今的制造业基本技术日臻成熟，其市场处于以消费者为导向的市场环境下，产品品种、上市时间和用户满意度成为企业取得竞争优势的主要因素。
制造业这种全球化的激烈竞争不断催生了各种先进制造技术和新的制造哲理，虚拟制造技术将会在下一世纪涌向潮头，其朴素的思想和高新的技术手段都为研究领域和业界所推崇。
虚拟制造技术虚拟制造的基本思想是在产品制造过程的上游－设计阶段就进行对产品制造全过程的虚拟集成，将全阶段可能出现的问题解决在这一阶段，通过设计的最优化达到产品的一次性制造成功。
虚拟现实技术是使用感官组织仿真设备和真实或虚幻环境的动态模型生成或创造出人能够感知的环境或现实，使人能够凭借直觉作用于计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境。
基于虚拟现实技术的虚拟制造技术在一个统一模型之下对设计和制造等等过程集成，它将与产品制造相关的各种过程与技术集成在三维的、动态的仿真真实过程的实体数字模型之上。
其目的是在产品设计阶段，借助建模与仿真技术及时地、并行地、模拟出产品未来制造过程乃至产品全生命周期的各种活动对产品设计的影响，预测、检测、评价产品性能和产品的可制造性等等。
从而更加有效的、经济的、柔性的组织生产，增强决策与控制水平，有力地降低由于前期设计给后期制造带来的回溯更改，达到产品的开发周期和成本最小化、产品设计质量的最优化、生产效率的最大化。
虚拟制造系统是各制造功能的虚拟集成，它的可视化集成范围包括与设计相关的各项子系统的功能，如用户支持、工程分析、材料选用、工艺计划、工装分析、快速原型，甚至包括制造企业全部功能（如计划、操作、控制）的集成。
虚拟制造系统拥有产品和相关制造过程的全部信息，包括虚拟设计、制造和控制产生的数据、知识和模型信息。
虚拟控制制造系统按照功能归集为三种不同类型的子环境，共同构成中心三元耦合的系统模式：（1）虚拟制造设计中心：给设计者提供各种工具以便虚拟设虚拟制设计出符合设计准则（如DFX）的产品模型；计中心造中心（2）虚拟制造加工中心：研究开发产品制造过程模型和环境模型及其分析各种可行的生产计划和工艺规划；（3）虚拟制造控制中心：评价产品设计、产品原型、生产计划、制造模拟和控制策略等等。
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。
2.虚拟现实技术的体系结构和关键技术
多感知系统技术框图
BOOM 主计算机
双筒全方 位监视器
数据手套
（传感器） （信号源）
1992年 Bryson
一个示例：virtual cockpit
http://www.ipo.tue.nl/homepages/mrauterb/presentations/HCI-history/sld068.htm
/pape/CAVE/idesk/paper/
/staff/lp22/CS133/vrslides/sld009.htm
2、声音生成技术
听觉 3D &Stereo
声 源 定 位 ： 强 度 （ 高 频 ） 和 时 差
数据手套
DHM手势传感装置原理图
厚度2 cm，重量70 g
支持连接DVD播放器、桌面电脑等
电源使用 3 节 AA 电池，可以连续播放 5 小时
左右。
BOOM
Binocular
Omni-Orientation Monitor
BOOM
/tools.htm
FS2
Binocular
Cylinder.wrl
2.2 虚拟现实的多感知系统体系 和技术
人类的感知系统
系统 方向 感 听觉 触觉 活动形式 感受单元 器官模拟 器官行为 剌激物 外部信息 姿势及方 机械及重力 前庭器官 身体平衡 重力及加速度 重力或加速 向调整 感受器 度方向 听 机械感受器 耳蜗器官 声音定位 空气振动 振动方向及 性质 触摸 机械、热量 皮肤、关 各种探查 组织变形、关 物体表面粘 及动觉感受 节、肌肉 活动 节配合及肌肉 性及冷热等 器 及腱 纤维紧张 各种状态 尝 化学及机械 嘴 品尝 物体化学性质 营养及生化 感受器 价值 嗅 化学感受器 鼻 以鼻吸气 气体化学性质 气味性质 看 光学感受器 眼睛 凝视、扫 光 大小、形 描等活动 状、纹理及 运动等
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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
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ຫໍສະໝຸດ 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
2020/8/13
1.2 视景的几何建模与表示方 法
• 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)
行 为 系 统
感 知 行 为
外 界 环 境
2020/8/13
虚拟现实系统
2020/8/13
www.reflex.lth.se/reflex/whatisVR//
多感知系统技术框图
主计算机
数据手套
（传感器） （信号源）
2020/8/13
BOOM
双筒全方 位监视器
1992年 Bryson
一个示例：virtual cockpit
e
2020/8/13
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)
2020/8/13
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
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
• 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
2020/8/13
• 虚拟世界数据库
– 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
2020/8/13
2020/8/13
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。
2020/8/13
ipo.tue.nl/homepages/mrauterb/presentations/HCI-history/sld068.htm
2020/8/13
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 的面向个景在象P1物象素V方于素的向P点光1辐,亮eP射度处2, 的，…的光则可,P亮可见m度生点, 那决成，么定一象离。幅素视如完e点此整的求最的光出近真亮视的实度域P感应1内图由就每象是P一。1画点
\ U
2020/8/13
Volume-based methods
• 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。
2020/8/13
其他建模与表示技术(VR相关)
• 细节层次(Levels of Detail: LOD)技术 • 纹理映射(texture map)技术
2020/8/13
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。
2020/8/13
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。
2020/8/13
第二章
虚拟现实技术的技术体系结构
2020/8/13
2.1 虚拟现实技术的体系结构
2020/8/13
• 体系结构
用户
输入处理器
模拟处理器
渲染处理器
2020/8/13
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。
2020/8/13
环境
位置
饮食
通过部分身体运动获取 吸收或排除
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
2020/8/13
行为系统
人与环境的关系
参 与 者
感 知 系 统