可视化、多媒体与虚拟现实仿真
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触觉显示装置 力显示： 位移显示：形变
软件： 触觉交互软件、虚拟物体和环境的物理模型、润色触觉图象
2020/10/16
27
研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.3.7 虚拟场景的生成
虚拟场景静态模型建立
静态模型：几何模型，灰度模型，纹理模型，渲染效果 模型建立：
工具：OpenGL、WTK、VRML 方法：点、线、面、多边形、贴图
则的合成
非语音声音
频谱组合法，结合环境声音模型库 录音，结合物体与环境的交互库
2020/10/16
23
研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.3.5 听觉通道
虚拟声音的定位
混响时间差：声音传递到人的左右耳有时间 差异
混响压力差：声波对人的左右耳的压强差
2020/10/16
24
研究生学位课程－－系统建模与仿真
三维立体图象的生成算法
单点透视投影 双点透视投影 基于相关性的立体图形光线跟踪算法
由左视点投影点可以计算出右视点投影点
2020/10/16
21
研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.3.4 视觉通道
立体视觉设备
种类：头盔显示器，立体眼睛，投影式显示器 头盔显示器
显示部件：液晶显示屏。分辨率：1个微弧度，延时：0.1s， 图象质量：丰富多彩，避免畸变。
发展
立体电影 飞行模拟器 三维立体显示：1965年VR先锋， Sutherland 力反馈装置：1981年，Fredrick Brooks 头盔显示器：1985年，Myron Krueger 数据手套：1985年，Scott Fisher,NASA 虚拟现实概念：1989年，Jaron Lanier提出
2020/10/16
11
研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.3.1 虚拟现实技术的特征及系统的基本构 成
基本特征
沉浸(Immerion)：真实感受 交互(Interaction)：多方位参与 创意(Imagination)：感性与理性的结合
基本技术
计算机图形学、图象处理与模式识别 人工智能、多传感器、多媒体信息处理 网络、并行处理、智能控制 系统建模与仿真、系统集成
的弯曲和相对位置
2020/10/16
19
研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.3.4 视觉通道
视景生成过程
视 景 生
获取图象 生成图形
集合变换 投影变换
声音、图 象与文字 的集成、
左声图通道
成 命 令
生成语音
生成音乐
融合与同 步
右声图通道
2020/10/16
20
研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.3.4 视觉通道
驾驭
实时观察计算结果，实时干预、调整参数
2020/10/16
3
研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.1 科学计算可视化
主要技术问题
可视化映射技术
数据类型：标量、矢量和张量；二维、三维或高 维；静态，动态；结构化数据，非结构化数据
映射：图形元素、颜色、透明度等
数据管理与操纵技术
数据管理：存储、分类 数据操作：过滤、变换
基本概念
虚拟现实（Virtual Reality）：是一种可以创建和体 验虚拟世界的计算机系统。
虚拟环境（Virtual Environment） ：是一种由计算 机和电子技术生成的，通过视、听、触觉等作用于 用户，使之产生身临其境的感觉。
虚拟现实技术与一般交互式仿真技术的区别
信息的多维性 人机交互的自然性 人对虚拟环境感觉的真实性 知识性与智能性
虚拟场景动态模型的建立
内容：
确立场景中对象在运动过程中的坐标 视点变化时场景的更新
方法
坐标变换：本体坐标系、世界坐标系、窗口坐标系、透视投影变 换
2020/10/16
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结束！
2020/10/16
29
树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20.10.1620.10.16F riday, October 16, 2020
8.3.6 触觉/力反馈
触觉/力反馈技术
分类 自由运动：与环境不产生物理接触 由不平衡力形成的接触：指压一个物体 由平衡力形成的接触：抓握、一点一个物体
2020/10/16
26
研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.3.6 触觉/力反馈
触觉/力反馈技术
发展概况
力和力矩显示装置 游戏杆：2、3个自由度 手控器：6个自由度 表面压力反馈装置：直接接触（手有2个自由度）与间接接 触（工具6个自由度）的力 力学反馈手套：压敏元件、压力气囊
三套超声波发送，接收及控制部件 不能遮挡，易受金属干扰
头盔显示器
接收器 (麦克风)
超声波 发送器
控制单元
视景生成器 计算机 输出
头部
检测电路
2020/10/16
18
研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.3.3 位置跟踪通道
数据手套
一种位置跟踪设备，一种数字化输入设备 手的6个自由度 每个手指关节有两个光导纤维传感器，可测量关节
没有统一的技术标准。
2020/10/16
15
研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.3.3 位置跟踪通道
参与者与虚拟环境的互动
直接互动：参与者的操作引起环境的变化 间接互动：参与者位置的变化（头、眼、手、
身），导致环境必须随之变化
位置跟踪技术：
三维位置跟踪器：头的平移和转动、手或关 节的运动，眼球的运动
2020/10/16
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.3.2 虚拟现实发展状况
关键技术
实时图形与图象：15帧/秒，8000万多边形 位置跟踪与映射技术：
手腕:3 m/s;眼睛:600°/s;头部:1000 °/s
触觉/力反馈技术：0－1Khz振动，0.15mm 位移
人的心理因素：人的感知、认知和大脑神经 系统集成技术：各种技术和设备接口不统一，
8.3.6 触觉/力反馈
人体触觉系统
触觉系统不仅可以感知环境，而且可以影响环境 子系统：机械、感觉、运动和认知
机械、运动：人手有19块骨头，20条肌肉，22个自由度的 运动
感觉：接触力：触觉（皮肤接触，刺激神经），运动觉 （肢体与物体相当运动）
认知：探测、操作。
2020/10/16
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
研究生学位课程－－系统建模与仿真
Βιβλιοθήκη Baidu谢谢大家！
基本技术：电磁、超声波
2020/10/16
16
研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.3.3 位置跟踪通道
三维电磁传感器
三套正交线圈：空间坐标、方位
易受环境电磁干扰
发送器
磁场
接收器
2020/10/16
驱动电路
计算机 输出
检测电路
17
研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.3.3 位置跟踪通道
超声波三维传感器
2020/10/16
7
研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.2 多媒体仿真
多媒体仿真的研究方法
面向仿真对象 面向多个媒体 面向交互决策
2020/10/16
8
研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.2 多媒体仿真
多媒体仿真的主要研究内容
多媒体仿真模型和仿真算法 表现方法与表现脚本生成技术 多媒体仿真数据库 地理景物表现技术 人机交互技术
严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020年10月 下午10时27分20.10.1622:27October 16, 2020
作业标准记得牢，驾轻就熟除烦恼。2020年10月16日星期 五10时27分47秒22:27:4716 October 2020
好的事情马上就会到来，一切都是最 好的安 排。下 午10时27分47秒下午10时27分22:27:4720.10.16
光学部件：光学系统使液晶成象于观察者能够看清的距离。 （包括视场：双眼：水平180度，垂直135度）
头盔：定位部件与功能部件的集中：显示、跟踪、定位与 音响集成。尺寸重量。
2020/10/16
22
研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.3.5 听觉通道
虚拟声音的产生
语音声音
语音识别与合成：
声音还原技术：存储、选择、输出 文本－语音转换技术：波形编辑、参数合成、基于规
2020/10/16
12
研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.3.1 虚拟现实技术的特征及系统的基本构 成
虚拟现实系统基本构成
虚拟环境产生器
应用系统：目标生成（三维建模、造型）；用户应用系 统（定义操作内容）和仿真管理器（管理仿真过程）
计算机系统：高速的运算、图形处理、输入输出能力
效果产生器
安全在于心细，事故出在麻痹。20.10.1620.10.1622: 27:4722:27:47October 16, 2020
踏实肯干，努力奋斗。2020年10月16 日下午1 0时27 分20.10. 1620.1 0.16
追求至善凭技术开拓市场，凭管理增 创效益 ，凭服 务树立 形象。2020年10月16日星期 五下午10时27分47秒22:27:4720.10.16
研究生学位课程－－系统建模与仿真
8 可视化、多媒体与虚拟现实仿真
科学计算及仿真可视化 多媒体仿真 虚拟现实仿真
2020/10/16
1
研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.1 科学计算可视化
含义
把计算中所涉及和所产生的数字信息转变为 直观的、以图像或图形信息表示的、随时间 和空间变化的物理现象和物理量呈现在研究 者面前，使他们能够观察到模拟和计算，同 时提供与模拟和计算的视觉交互手段。
人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。22:27:4722:27: 4722:2710/16/2020 10:27:47 PM
安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20.10.1622:27:4722:27O ct-2016-Oct-20
加强交通建设管理，确保工程建设质 量。22: 27:4722:27:4722:27F riday, October 16, 2020
头盔显示器：采用双视原理生成的双屏图象
位置与方位跟踪器：人眼视线、眼球位置变化、手的位 置方位和曲伸
触觉/力反馈装置：测量人对作用对象的作用力，进而生 成反作用力。
接口设备
硬件设备：信号转换与数据输入输出接口
2020/10/16 软件设备：
13
研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.3.2 虚拟现实发展状况
一马当先，全员举绩，梅开二度，业 绩保底 。20.10.1620.10.1622: 2722:27:4722: 27:47Oct-20
牢记安全之责，善谋安全之策，力务 安全之 实。2020年10月16日 星期五10时27分47秒F riday, October 16, 2020
相信相信得力量。20.10.162020年10月 16日星 期五10时27分 47秒20.10.16
通过人的视觉和现象思维，促进对所观察数 据的进一步理解，飞行客观世界隐藏的现象 和规律。
2020/10/16
2
研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.1 科学计算可视化
可视化的三个层次
后处理
将计算与可视化（事后）分开进行。仅可视化可 以交互。
跟踪
边计算，边显示，以监视计算过程，只可中止计 算，但不能。修改参数
2020/10/16
9
研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.3 虚拟现实仿真技术
虚拟现实技术的特征及系统的基本构成 虚拟现实技术的发展概况 位置跟踪通道 视觉通道 听觉通道 触觉/力反馈通道 虚拟场景
2020/10/16
10
研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.3.1 虚拟现实技术的特征及系统的基本构 成
用户 用户界面
可视化过程
图像
2020/10/16
6
研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.2 多媒体仿真
多媒体仿真概念
多媒体：文本、图形、动画、图像和声音 多媒体仿真：使人的感官和思维进入仿真回
路的一种手段。 基本技术
数字化信息处理技术；音频和视频技术；人工智 能和模式识别技术；图形图像技术；通讯技术
2020/10/16
4
研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.1 科学计算可视化
主要技术问题
人机界面技术：图形交互、数据交互 系统实现技术：可视语言和程序可视
2020/10/16
5
研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.1 科学计算可视化
科学计算可视化框架模型
模拟仿真
数据
数据操作 可视化映射
图形绘制
软件： 触觉交互软件、虚拟物体和环境的物理模型、润色触觉图象
2020/10/16
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.3.7 虚拟场景的生成
虚拟场景静态模型建立
静态模型：几何模型，灰度模型，纹理模型，渲染效果 模型建立：
工具：OpenGL、WTK、VRML 方法：点、线、面、多边形、贴图
则的合成
非语音声音
频谱组合法，结合环境声音模型库 录音，结合物体与环境的交互库
2020/10/16
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.3.5 听觉通道
虚拟声音的定位
混响时间差：声音传递到人的左右耳有时间 差异
混响压力差：声波对人的左右耳的压强差
2020/10/16
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
三维立体图象的生成算法
单点透视投影 双点透视投影 基于相关性的立体图形光线跟踪算法
由左视点投影点可以计算出右视点投影点
2020/10/16
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.3.4 视觉通道
立体视觉设备
种类：头盔显示器，立体眼睛，投影式显示器 头盔显示器
显示部件：液晶显示屏。分辨率：1个微弧度，延时：0.1s， 图象质量：丰富多彩，避免畸变。
发展
立体电影 飞行模拟器 三维立体显示：1965年VR先锋， Sutherland 力反馈装置：1981年，Fredrick Brooks 头盔显示器：1985年，Myron Krueger 数据手套：1985年，Scott Fisher,NASA 虚拟现实概念：1989年，Jaron Lanier提出
2020/10/16
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.3.1 虚拟现实技术的特征及系统的基本构 成
基本特征
沉浸(Immerion)：真实感受 交互(Interaction)：多方位参与 创意(Imagination)：感性与理性的结合
基本技术
计算机图形学、图象处理与模式识别 人工智能、多传感器、多媒体信息处理 网络、并行处理、智能控制 系统建模与仿真、系统集成
的弯曲和相对位置
2020/10/16
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8.3.4 视觉通道
视景生成过程
视 景 生
获取图象 生成图形
集合变换 投影变换
声音、图 象与文字 的集成、
左声图通道
成 命 令
生成语音
生成音乐
融合与同 步
右声图通道
2020/10/16
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.3.4 视觉通道
驾驭
实时观察计算结果，实时干预、调整参数
2020/10/16
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.1 科学计算可视化
主要技术问题
可视化映射技术
数据类型：标量、矢量和张量；二维、三维或高 维；静态，动态；结构化数据，非结构化数据
映射：图形元素、颜色、透明度等
数据管理与操纵技术
数据管理：存储、分类 数据操作：过滤、变换
基本概念
虚拟现实（Virtual Reality）：是一种可以创建和体 验虚拟世界的计算机系统。
虚拟环境（Virtual Environment） ：是一种由计算 机和电子技术生成的，通过视、听、触觉等作用于 用户，使之产生身临其境的感觉。
虚拟现实技术与一般交互式仿真技术的区别
信息的多维性 人机交互的自然性 人对虚拟环境感觉的真实性 知识性与智能性
虚拟场景动态模型的建立
内容：
确立场景中对象在运动过程中的坐标 视点变化时场景的更新
方法
坐标变换：本体坐标系、世界坐标系、窗口坐标系、透视投影变 换
2020/10/16
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结束！
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树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20.10.1620.10.16F riday, October 16, 2020
8.3.6 触觉/力反馈
触觉/力反馈技术
分类 自由运动：与环境不产生物理接触 由不平衡力形成的接触：指压一个物体 由平衡力形成的接触：抓握、一点一个物体
2020/10/16
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8.3.6 触觉/力反馈
触觉/力反馈技术
发展概况
力和力矩显示装置 游戏杆：2、3个自由度 手控器：6个自由度 表面压力反馈装置：直接接触（手有2个自由度）与间接接 触（工具6个自由度）的力 力学反馈手套：压敏元件、压力气囊
三套超声波发送，接收及控制部件 不能遮挡，易受金属干扰
头盔显示器
接收器 (麦克风)
超声波 发送器
控制单元
视景生成器 计算机 输出
头部
检测电路
2020/10/16
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.3.3 位置跟踪通道
数据手套
一种位置跟踪设备，一种数字化输入设备 手的6个自由度 每个手指关节有两个光导纤维传感器，可测量关节
没有统一的技术标准。
2020/10/16
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.3.3 位置跟踪通道
参与者与虚拟环境的互动
直接互动：参与者的操作引起环境的变化 间接互动：参与者位置的变化（头、眼、手、
身），导致环境必须随之变化
位置跟踪技术：
三维位置跟踪器：头的平移和转动、手或关 节的运动，眼球的运动
2020/10/16
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8.3.2 虚拟现实发展状况
关键技术
实时图形与图象：15帧/秒，8000万多边形 位置跟踪与映射技术：
手腕:3 m/s;眼睛:600°/s;头部:1000 °/s
触觉/力反馈技术：0－1Khz振动，0.15mm 位移
人的心理因素：人的感知、认知和大脑神经 系统集成技术：各种技术和设备接口不统一，
8.3.6 触觉/力反馈
人体触觉系统
触觉系统不仅可以感知环境，而且可以影响环境 子系统：机械、感觉、运动和认知
机械、运动：人手有19块骨头，20条肌肉，22个自由度的 运动
感觉：接触力：触觉（皮肤接触，刺激神经），运动觉 （肢体与物体相当运动）
认知：探测、操作。
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
Βιβλιοθήκη Baidu谢谢大家！
基本技术：电磁、超声波
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.3.3 位置跟踪通道
三维电磁传感器
三套正交线圈：空间坐标、方位
易受环境电磁干扰
发送器
磁场
接收器
2020/10/16
驱动电路
计算机 输出
检测电路
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.3.3 位置跟踪通道
超声波三维传感器
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.2 多媒体仿真
多媒体仿真的研究方法
面向仿真对象 面向多个媒体 面向交互决策
2020/10/16
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8.2 多媒体仿真
多媒体仿真的主要研究内容
多媒体仿真模型和仿真算法 表现方法与表现脚本生成技术 多媒体仿真数据库 地理景物表现技术 人机交互技术
严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020年10月 下午10时27分20.10.1622:27October 16, 2020
作业标准记得牢，驾轻就熟除烦恼。2020年10月16日星期 五10时27分47秒22:27:4716 October 2020
好的事情马上就会到来，一切都是最 好的安 排。下 午10时27分47秒下午10时27分22:27:4720.10.16
光学部件：光学系统使液晶成象于观察者能够看清的距离。 （包括视场：双眼：水平180度，垂直135度）
头盔：定位部件与功能部件的集中：显示、跟踪、定位与 音响集成。尺寸重量。
2020/10/16
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8.3.5 听觉通道
虚拟声音的产生
语音声音
语音识别与合成：
声音还原技术：存储、选择、输出 文本－语音转换技术：波形编辑、参数合成、基于规
2020/10/16
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.3.1 虚拟现实技术的特征及系统的基本构 成
虚拟现实系统基本构成
虚拟环境产生器
应用系统：目标生成（三维建模、造型）；用户应用系 统（定义操作内容）和仿真管理器（管理仿真过程）
计算机系统：高速的运算、图形处理、输入输出能力
效果产生器
安全在于心细，事故出在麻痹。20.10.1620.10.1622: 27:4722:27:47October 16, 2020
踏实肯干，努力奋斗。2020年10月16 日下午1 0时27 分20.10. 1620.1 0.16
追求至善凭技术开拓市场，凭管理增 创效益 ，凭服 务树立 形象。2020年10月16日星期 五下午10时27分47秒22:27:4720.10.16
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8 可视化、多媒体与虚拟现实仿真
科学计算及仿真可视化 多媒体仿真 虚拟现实仿真
2020/10/16
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.1 科学计算可视化
含义
把计算中所涉及和所产生的数字信息转变为 直观的、以图像或图形信息表示的、随时间 和空间变化的物理现象和物理量呈现在研究 者面前，使他们能够观察到模拟和计算，同 时提供与模拟和计算的视觉交互手段。
人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。22:27:4722:27: 4722:2710/16/2020 10:27:47 PM
安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20.10.1622:27:4722:27O ct-2016-Oct-20
加强交通建设管理，确保工程建设质 量。22: 27:4722:27:4722:27F riday, October 16, 2020
头盔显示器：采用双视原理生成的双屏图象
位置与方位跟踪器：人眼视线、眼球位置变化、手的位 置方位和曲伸
触觉/力反馈装置：测量人对作用对象的作用力，进而生 成反作用力。
接口设备
硬件设备：信号转换与数据输入输出接口
2020/10/16 软件设备：
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8.3.2 虚拟现实发展状况
一马当先，全员举绩，梅开二度，业 绩保底 。20.10.1620.10.1622: 2722:27:4722: 27:47Oct-20
牢记安全之责，善谋安全之策，力务 安全之 实。2020年10月16日 星期五10时27分47秒F riday, October 16, 2020
相信相信得力量。20.10.162020年10月 16日星 期五10时27分 47秒20.10.16
通过人的视觉和现象思维，促进对所观察数 据的进一步理解，飞行客观世界隐藏的现象 和规律。
2020/10/16
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.1 科学计算可视化
可视化的三个层次
后处理
将计算与可视化（事后）分开进行。仅可视化可 以交互。
跟踪
边计算，边显示，以监视计算过程，只可中止计 算，但不能。修改参数
2020/10/16
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.3 虚拟现实仿真技术
虚拟现实技术的特征及系统的基本构成 虚拟现实技术的发展概况 位置跟踪通道 视觉通道 听觉通道 触觉/力反馈通道 虚拟场景
2020/10/16
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.3.1 虚拟现实技术的特征及系统的基本构 成
用户 用户界面
可视化过程
图像
2020/10/16
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.2 多媒体仿真
多媒体仿真概念
多媒体：文本、图形、动画、图像和声音 多媒体仿真：使人的感官和思维进入仿真回
路的一种手段。 基本技术
数字化信息处理技术；音频和视频技术；人工智 能和模式识别技术；图形图像技术；通讯技术
2020/10/16
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.1 科学计算可视化
主要技术问题
人机界面技术：图形交互、数据交互 系统实现技术：可视语言和程序可视
2020/10/16
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研究生学位课程－－系统建模与仿真
8.1 科学计算可视化
科学计算可视化框架模型
模拟仿真
数据
数据操作 可视化映射
图形绘制