虚拟现实技术的体系结构和关键技术
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虚拟现实技术的体系结构和关键技术
结构立体几何表示方法
q 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。
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
Volume-based methods
q 表示单元为体素(voxel) q 每个体素表示了所在位置的颜色、密度
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
•Video Eyewear 眼镜式显示器
美国icuiti公司
分辨率：VGA（640 X 480）
价格69800日圆（约合人民币5235元）
距离眼睛1 cm，画面相当于2 米外42 英寸 屏幕
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
CyberGrasp
•By Immersion Corporation
•http://www.immersion.com/3d/products/cyber_grasp.php
„ 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。
• 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
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
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。
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
Binocular Omni Orientation Monitor (BOOM)
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
CAVE
q Cave Automatic Virtual Environment
•http://www.evl.uic.edu/pape/CAVE/
•http://www.ipo.tue.nl/homepages/mrauterb/prese ntations/HCI-history/sld076.htm
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
影响（沉浸感）立体 视觉因素
• 宽视野（１８０Ｘ１５０） • 立体显示 • 彩色 • 高分辨率 • 头部跟踪
主要视觉设备：
红蓝滤色眼镜
液晶开关的立体视眼镜
三维头盔显示器（HMD）
双筒全方位监视器（BOOM）
墙式显示屏自动声象虚拟环境（CAVE）
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
虚拟现实技术的体系结 构和关键技术
2020/12/5
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
第二章
虚拟现实技术的技术体系结构
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
2.1 虚拟现实技术的体系结构
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
体系结构
•用户
•输入处理器
•模拟处理器
•渲染处理器
•虚拟世界 •数据库
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
•e
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
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
•光线跟踪技术(ray tracing)
• tt It： 规则透射光亮度
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
q 这不仅增加了场景的逼真度，而且减少了表示 场景的多边形数目。
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
纹理映射技术(示例)
•映射纹理前的场景
•映射纹理后的场景
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
1.3 立体显示技术
•基本原理：人的视觉系统可以通过四种线索得到深度知觉:
侧视网膜图象差(lateral retinal image disparity); 运动视差(motion parallax); 图象大小差异(differential image size); 纹理梯度(texture gradient)。 •目前的立体显示技术基本上是基于双目视差原理实现的。
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
Infinity Wall
•http://www.evl.uic.edu/pape/CAVE/idesk/paper/
•http://www.it.bton.ac.uk/staff/lp22/CS133/vrslides/sld009.htm
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
机械臂，空气囊，记忆金属，小马 达，小探针
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
ARRC力学反馈手套
•第二代TeletactII装有更高分辨 率的指尖空气室，其余部分的 空气室更大，并提供手掌反馈 系统。很大的手掌空气室允许 用户使劲握物体，然后接收刺 激。TeletactII与TeletactI使用 相似，只是空气室由20增加到 30个。
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
人类的感知系统
•J.J.Gibson总结的感知系统
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
人类的行为系统
•行为系统
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
人与环境的关系
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
虚拟现实系统
•http://www.reflex.lth.se/reflex/whatisVR/
•在中指尖、食指尖和拇指区 域空气室密度较大，空气室也 被放在手的背部，以产生手接 触物体的感觉。
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
笔式力量感知器
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
PHANTOM® Omni™ Haptic Device
•By SensAble Technologies
•http://www.sensable.com/products/phantom_ghost/phantom-omni.asp
„ 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。
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
1.2 视景的几何建模与表示方法
q 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。
左右。
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
BOOM
q Binocular Omni-Orientation Monitor
•BOOM
•FS2
•http://www.fakespacelabs.com/too虚ls拟.h现tm实技术的体系结构和关键技术
2、声音生成技术
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
听觉 3D &Stereo
声 源 定 位 ： 强 度 （ 高 频 ） 和 时 差 （低频）
问题：声音从头里发出，随强度差 而偏左或偏右
原因：与耳朵形状有关 解决：Convolvotron($15,000)
耳内录音 + 计算
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
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
•主计算机
•数据手套
•（传感器） •（信号源）
•BOOM
•双筒全方 •位监视器
•1992年 •Bryson
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
一个示例：virtual cockpit
•http://www.ipo.tue.nl/homepages/mrauterb/presentations/HCI-history/sld068.htm 虚拟现实技术的体系结构和关键技术
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
„ 这可通过对场景的透视变换来完成。
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
等相关信息。
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
其他建模与表示技术(VR相关)
q 细节层次(Levels of Detail: LOD)技术 q 纹理映射(texture map)技术
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
纹理映射技术(texture mapping)
q 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。
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
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
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
A VRML cylinder
•#VRML V2.0 utf8
• # A Cylinder
•http://www.vr-systems.ndtilda.co.uk/sphere1.htm
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
ImmersaDesk
•http://www.evl.uic.edu/pape/CAVE/idesk/paper/
•http://avl.iu.edu/technology/idesk/
„glove or pen-type devices that allow the user to "touch" and manipulate 3dementional virtual objects
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
触觉（Haptic)
Haptic: 机械感受器（压力与纹理） 与 本 体 感 受 器 (proprioceptor) （ 重 量、形状、大小）
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
CyberSphere
q Fully Immersive SБайду номын сангаасherical Projection System
•the Fully Immersive Spherical Projection System
•Illustration of the Spherical Projection System
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。
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
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
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
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
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。
头 盔 式 显 示 器 （ Head Mounted Display ，HMD)
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
头盔显示器
q Head Mounted Display, HMD
•HMD 实物与原理图
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
HMD 的实现方法
•头盔实现方法1
•带有光导纤维的HMD的原理
结构立体几何表示方法
q 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。
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
Volume-based methods
q 表示单元为体素(voxel) q 每个体素表示了所在位置的颜色、密度
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
•Video Eyewear 眼镜式显示器
美国icuiti公司
分辨率：VGA（640 X 480）
价格69800日圆（约合人民币5235元）
距离眼睛1 cm，画面相当于2 米外42 英寸 屏幕
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
CyberGrasp
•By Immersion Corporation
•http://www.immersion.com/3d/products/cyber_grasp.php
„ 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。
• 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
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
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。
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
Binocular Omni Orientation Monitor (BOOM)
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
CAVE
q Cave Automatic Virtual Environment
•http://www.evl.uic.edu/pape/CAVE/
•http://www.ipo.tue.nl/homepages/mrauterb/prese ntations/HCI-history/sld076.htm
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
影响（沉浸感）立体 视觉因素
• 宽视野（１８０Ｘ１５０） • 立体显示 • 彩色 • 高分辨率 • 头部跟踪
主要视觉设备：
红蓝滤色眼镜
液晶开关的立体视眼镜
三维头盔显示器（HMD）
双筒全方位监视器（BOOM）
墙式显示屏自动声象虚拟环境（CAVE）
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
虚拟现实技术的体系结 构和关键技术
2020/12/5
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
第二章
虚拟现实技术的技术体系结构
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
2.1 虚拟现实技术的体系结构
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
体系结构
•用户
•输入处理器
•模拟处理器
•渲染处理器
•虚拟世界 •数据库
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
•e
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
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
•光线跟踪技术(ray tracing)
• tt It： 规则透射光亮度
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
q 这不仅增加了场景的逼真度，而且减少了表示 场景的多边形数目。
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
纹理映射技术(示例)
•映射纹理前的场景
•映射纹理后的场景
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
1.3 立体显示技术
•基本原理：人的视觉系统可以通过四种线索得到深度知觉:
侧视网膜图象差(lateral retinal image disparity); 运动视差(motion parallax); 图象大小差异(differential image size); 纹理梯度(texture gradient)。 •目前的立体显示技术基本上是基于双目视差原理实现的。
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
Infinity Wall
•http://www.evl.uic.edu/pape/CAVE/idesk/paper/
•http://www.it.bton.ac.uk/staff/lp22/CS133/vrslides/sld009.htm
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
机械臂，空气囊，记忆金属，小马 达，小探针
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
ARRC力学反馈手套
•第二代TeletactII装有更高分辨 率的指尖空气室，其余部分的 空气室更大，并提供手掌反馈 系统。很大的手掌空气室允许 用户使劲握物体，然后接收刺 激。TeletactII与TeletactI使用 相似，只是空气室由20增加到 30个。
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
人类的感知系统
•J.J.Gibson总结的感知系统
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
人类的行为系统
•行为系统
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
人与环境的关系
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
虚拟现实系统
•http://www.reflex.lth.se/reflex/whatisVR/
•在中指尖、食指尖和拇指区 域空气室密度较大，空气室也 被放在手的背部，以产生手接 触物体的感觉。
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
笔式力量感知器
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
PHANTOM® Omni™ Haptic Device
•By SensAble Technologies
•http://www.sensable.com/products/phantom_ghost/phantom-omni.asp
„ 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。
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
1.2 视景的几何建模与表示方法
q 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。
左右。
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
BOOM
q Binocular Omni-Orientation Monitor
•BOOM
•FS2
•http://www.fakespacelabs.com/too虚ls拟.h现tm实技术的体系结构和关键技术
2、声音生成技术
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
听觉 3D &Stereo
声 源 定 位 ： 强 度 （ 高 频 ） 和 时 差 （低频）
问题：声音从头里发出，随强度差 而偏左或偏右
原因：与耳朵形状有关 解决：Convolvotron($15,000)
耳内录音 + 计算
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
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
•主计算机
•数据手套
•（传感器） •（信号源）
•BOOM
•双筒全方 •位监视器
•1992年 •Bryson
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
一个示例：virtual cockpit
•http://www.ipo.tue.nl/homepages/mrauterb/presentations/HCI-history/sld068.htm 虚拟现实技术的体系结构和关键技术
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
„ 这可通过对场景的透视变换来完成。
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
等相关信息。
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
其他建模与表示技术(VR相关)
q 细节层次(Levels of Detail: LOD)技术 q 纹理映射(texture map)技术
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
纹理映射技术(texture mapping)
q 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。
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
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
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
A VRML cylinder
•#VRML V2.0 utf8
• # A Cylinder
•http://www.vr-systems.ndtilda.co.uk/sphere1.htm
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
ImmersaDesk
•http://www.evl.uic.edu/pape/CAVE/idesk/paper/
•http://avl.iu.edu/technology/idesk/
„glove or pen-type devices that allow the user to "touch" and manipulate 3dementional virtual objects
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
触觉（Haptic)
Haptic: 机械感受器（压力与纹理） 与 本 体 感 受 器 (proprioceptor) （ 重 量、形状、大小）
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
CyberSphere
q Fully Immersive SБайду номын сангаасherical Projection System
•the Fully Immersive Spherical Projection System
•Illustration of the Spherical Projection System
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。
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
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
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
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
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。
头 盔 式 显 示 器 （ Head Mounted Display ，HMD)
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
头盔显示器
q Head Mounted Display, HMD
•HMD 实物与原理图
虚拟现实技术的体系结构和关键技术
HMD 的实现方法
•头盔实现方法1
•带有光导纤维的HMD的原理