虚拟现实系统的核心技术课件.pptx

1、虚拟现实系统的核心技术导学一、学习目标1.掌握常用的几种显示技术的实现原理。2.了解真实感实时绘制技术如何实现。3.掌握三种建模技术的建模特点以及区别。4.熟悉虚拟声音的原理，虚拟声音与传统立体声的区别，如何实现三维虚拟声音。5.了解当前人机交互技术的发展现状。6.了解碰撞检测技术的技术要求以及实现方法。 二、重点、难点1、重点是虚拟现实系统的核心技术分类、特点、应用。2、难点是虚拟现实系统相关技术的原理和实现方法。 5.1.1 几何建模技术虚拟环境中的几何模型是物体几何信息的表示，设计表示几何信息的数据结构、相关的构造与操纵该数据结构的算法。虚拟环境中的每个物体包含形状和外观两个方面。几何建

2、模可通过以下两种方式实现：（1）人工的几何建模方法（2）自动的几何建模方法5.1 三维建模技术 奥迪R8 solidworks建模视频展示使用3d Max 软件进行人工建模心脏结构三维动画应用3ds Max制作的游戏人物形象三维立体扫描仪 人体外形建模的大型激光扫描系统如上图所示，应用3ds Max制作的游戏人物形象属于人工几何建模，使用三维扫描仪属于自动几何建模。 5.1.2 物理建模技术物理建模指的是虚拟对象的质量、重量、惯性、表面纹理、硬度、变形模式等特征的建模。分形技术和粒子系统就是典型的物理建模方法。分形技术模拟山体形态粒子系统建模的烟花左上图为利用分形技术模拟的山体形态，右上图为粒

3、子系统建模的暗花形态。5.1.3 行为建模技术 虚拟现实的本质就是客观世界的仿真或折射，虚拟现实的模型则是客观世界中物体或对象的代表。而客观世界中的物体或对象除了具有表观特征如外形、质感以外，还具有一定的行为能力，并且服从一定的客观规律。 如右图，由于人两眼有 4 - 6cm的距离，所以实际上看物体时两只眼睛中的图像是有差别的，如图所示。两幅不同的图像输送到大脑后，看到的是有景深的图像。这就是计算机和投影系统的立体成像原理。显示技术原理 5.2.1 双目视差显示技术5.2 立体显示技术分色技术原理分光技术原理分时技术原理光栅3D显示技术原理如上图所示为目前比较有代表性四种立体显示技术。5.2.

4、2 全息技术计算机全息图（Computer Generated Hologram ，简称CGH）被认为是三维立体显示的最终解决方案。CGH是通过计算机的运算来获得一个计算机图形（虚物）的干涉图样，替代传统全息图物体光波记录的干涉过程。2.5D“全息”投影效果全息眼镜 虚拟现实中还有真实感与实时性的要求，也就是说虚拟世界的产生不仅需要真实的立体感，而且虚拟世界还必须实时生成，这就必须要采用真实感实时绘制技术。5.3.1 真实感绘制技术 真实感绘制是在计算机中重现真实世界场景的过程。主要任务是模拟真实物体的物理属性。当用户视点发生变化时，所看到的场景需要及时更新。5.3 真实感实时绘制技术纹理映射

5、前后对比图 环境映射效果图反走样前后对比图常采用下列方法： （1）纹理映射 （2）环境映射 （3）反走样5.3.2 图形的实时绘制技术 传统的虚拟场景基本上都是基于几何的，就是用数学意义上的曲线、曲面等数学模型预先定义好虚拟场景的几何轮廓，再采用纹理映射、光照等数学模型加以渲染。 除了在硬件方面采用高性能的计算机，提高计算机的运行速度以提高图形显示能力外，还可以降低场景的复杂度。5.4 三维虚拟声音的实现技术 5.4.1三维虚拟声音与立体声音的区别立体声，就是指具有立体感的声音。具有一定程度的方位层次等空间分布特性的重放声，称为音响技术中的立体声。虚拟环绕声技术也称为非标准环绕声技术。三维虚拟

6、声音与人们熟悉的立体声音有所不同，立体声来自听者面前的某个平面，而三维虚拟声音则是来自围绕听者双耳的一个球形中的任何地方。5.4.2虚拟环绕声原理虚拟环绕声的关键是声音的虚拟化处理，依据了人的生理声学和心理声学原理专门处理环绕声道，制造出环绕声源来自听众后方或侧面的幻象感觉。 5.5.1 手势识别手势识别系统的输入设备主要分为基于数据手套的识别和基于视觉（图像）的识别系统两种。基于数据手套和基于视觉（图像）的两种手势识别技术5.5 人机交互技术 人可以通过脸部的表情表达自己的各种情绪，传递必要的信息。人脸图像的分割、主要特征（如眼睛、鼻子等）定位以及识别是这个技术的主要难点。人脸检测方法基于特

7、征的人脸检测基于图像的人脸检测方法5.5.2 面部表情识别5.5.3 眼动跟踪眼动跟踪原理示意图眼动跟踪技术的基本工作原理是利用图像处理技术，使用能锁定眼睛的特殊摄像机。通过摄入从人的眼角膜和瞳孔反射的红外线连续地记录视线变化，从而达到记录、分析视线追踪过程的目的。5.5.4 语音识别技术语音识别技术（Automatic Speech Recognition，简称ASR）是将人说话的语音信号转换为可被计算机程序所识别的文字信息，从而识别说话者的语音指令以及文字内容的技术，包括参数提取、参考模式建立和模式识别等过程。 碰撞检测经常用来检测对象甲是否与对象乙相互作用。为了保证虚拟世界的真实性，就需要虚拟现实系统能够及时检测出这些碰撞，产生相应的碰撞反应，并及时更新场景输出，否则就会发生穿透现象。（如下图为发生碰撞前后的两辆车。） 5.6 碰撞检测技术虚拟现实中的碰撞检测技术 虚拟现实技术是由计算机产生，通过视觉、听觉、触觉等作用，使用户产生身临其境感觉的交互式视景仿真，具有多感知性、存在感、交互性和自主性等特征。本章阐述了虚拟现实系统核心技术的分类、特点及应用。重点介绍了三维建模、立体显示、真实感实时绘制、三维虚拟声音、人机自然交互以及碰撞检测几种技术。本章的学习要点是各种技术的原理和实现方法。