虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)-2nd40

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

VirtualRealityTechnology汪日偉craftcub@163.com天津理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院題綱第一講虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)概述述第二講虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)顯示示技術(shù)計(jì)算機(jī)三三維圖形形技術(shù)立體圖形形顯示技技術(shù)聲音、力力覺顯示示第三講虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)跟蹤蹤技術(shù)位置跟蹤蹤器數(shù)據(jù)手套套人體運(yùn)動(dòng)動(dòng)跟蹤第四講人人體動(dòng)動(dòng)畫技術(shù)術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)的概念念模型王兆其，，《虛擬環(huán)境境中物體體運(yùn)動(dòng)逼逼真性的的研究》，博士學(xué)學(xué)位論文文，北京京航空航航天大學(xué)學(xué)，1999.6..第二講虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)顯示示技術(shù)本講題綱綱視覺生成成技術(shù)視景生成成原理視景的幾幾何建模模與表示示方法紋紋理技術(shù)術(shù)立體顯示示技術(shù)與與設(shè)備聲音生成成技術(shù)聲音計(jì)算算觸覺與力力覺生成成技術(shù)觸覺與力力覺設(shè)備備觸覺與力力覺計(jì)算算1、視覺覺生成技技術(shù)1.1視覺生成成基本原原理：光線跟蹤蹤的方法法假設(shè)從視視點(diǎn)V通過屏幕幕象素e向場(chǎng)景投投射光線線交場(chǎng)景景中的景景物于P1,P2,…,,Pm,那么離視視點(diǎn)最最近的P1就是畫面面在象素素點(diǎn)e處的可見見點(diǎn)，象象素e的光亮度度應(yīng)由P1點(diǎn)向P1V方向輻射射的光亮亮度決定定。如此此求出視視域內(nèi)每每一個(gè)象象素的光光亮度，，則可生生成一幅幅完整的的真實(shí)感感圖象。。e光線跟蹤蹤技術(shù)(raytracing))I=Ic+tsIs+ttIt其中：I：可可見點(diǎn)P處的光亮亮度。Ic：局局部光照照亮度tsIs：環(huán)境鏡鏡面反射射光亮度度ttIt：規(guī)則則透射光光亮度每一點(diǎn)的的光亮度度求法視覺生成成的基本本內(nèi)容在圖形設(shè)設(shè)備上生生成逼真真視景必必須完成成四個(gè)基基本任務(wù)務(wù)：用數(shù)學(xué)方方法建立立所需要要三維場(chǎng)場(chǎng)景的幾幾何描述述將三維幾幾何描述述轉(zhuǎn)換為為二維視視圖這可通過過對(duì)場(chǎng)景景的透視視變換來(lái)來(lái)完成。。確定場(chǎng)景景中的所所有可見見面這需要使使用隱藏藏面消除除算法將將視域之之外的或或被其他他物體遮遮擋的不不可見面面消去。。計(jì)算場(chǎng)景景中可見見面的光光強(qiáng)與顏顏色嚴(yán)格地說(shuō)說(shuō)，就是是根據(jù)基基于光學(xué)學(xué)物理的的光照模模型計(jì)算算可見面面投射到到觀察者者眼中的的光亮度度大小和和色彩，，并將它它轉(zhuǎn)換成成合適圖圖形設(shè)備備的顏色色值，從從而確定定投影畫畫面上每每一個(gè)象象素的顏顏色，最最終生成成視景。。1.2視視景的的幾何建建模與表表示方法法要實(shí)現(xiàn)虛虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)，首先先要盡可可能詳細(xì)細(xì)地表示示虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)場(chǎng)景幾何何信息。。例如：表表示虛擬擬環(huán)境中中的山川川河谷、、魚蟲鳥鳥獸，花花草樹木木、五官官軀體、、車船路路橋等。。實(shí)現(xiàn)虛擬擬現(xiàn)實(shí)視視景的表表示方法法有：多邊形(三角形)網(wǎng)格表示示方法結(jié)構(gòu)立體體幾何表表示方法法體數(shù)據(jù)表表示方法法(volume-basedmethod)多邊形((三角形形)表示示方法這種方法法又稱為為表面或或邊界表表示方法法，即物物體的立立體幾何何信息是是通過它它們的邊邊界面或或包圍面面來(lái)表示示的。而而物體的的邊界面面或包圍圍面（即即物體的的表面））可以用用多邊形形表示。。結(jié)構(gòu)立體體幾何表表示方法法這種方法法又稱為為體積表表示方法法。這種種表示方方法中，，物體被被表示為為一個(gè)三三維體積積基元的的集合及及它們之之們的布布爾運(yùn)算算：并、、交及差差。Volume--basedmethods表示單元元為體素素(voxel)每個(gè)體素素表示了了所在位位置的顏顏色、密密度等相相關(guān)信息息。Image-BasedModeling其他建模模與表示示技術(shù)((VR相相關(guān))細(xì)節(jié)層次次(LevelsofDetail::LOD)技技術(shù)紋理映射射(texturemap)技術(shù)術(shù)細(xì)節(jié)層次次技術(shù)(LevelofDetail:LOD))CourtesyStanford3DScanningRepository69,451polys2,502polys251polys76polysLevelofDetail::TraditionalLODInANutshellDistantobjectsusecoarserLODs:LevelofDetail::TraditionalLODInANutshell紋理映射射技術(shù)((texturemapping)在視景表表示時(shí)，，對(duì)于有有些細(xì)節(jié)節(jié)，不需需要建立立相應(yīng)的的多邊形形表示，，為了達(dá)達(dá)到很好好的視覺覺效果，，只需要要建立簡(jiǎn)簡(jiǎn)單的幾幾何模型型，然后后在幾何何模型的的面上貼貼上對(duì)應(yīng)應(yīng)的逼真真圖片就就可以了了。這種種方法稱稱為紋理理映射方方法。這不僅增增加了場(chǎng)場(chǎng)景的逼逼真度，，而且減減少了表表示場(chǎng)景景的多邊邊形數(shù)目目。映射紋理理前的場(chǎng)場(chǎng)景映射紋理理后的場(chǎng)場(chǎng)景紋理映射射技術(shù)((示例))1.3立立體顯顯示技術(shù)術(shù)基本原理理：人的視覺覺系統(tǒng)可可以通過過四種線線索得到到深度知知覺:側(cè)視網(wǎng)膜膜圖象差差(lateralretinalimagedisparity);;運(yùn)動(dòng)視差差(motionparallax);圖象大小小差異(differentialimagesize));紋理梯度度(texturegradient)。目前的立立體顯示示技術(shù)基基本上是是基于雙雙目視差差原理實(shí)實(shí)現(xiàn)的。。HMD實(shí)物與原原理圖頭盔顯示示器HeadMountedDisplay,HMD頭盔實(shí)現(xiàn)現(xiàn)方法1帶有光導(dǎo)導(dǎo)纖維的的HMD的原理HMD的的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)方法BOOMBinocularOmni-OrientationMonitorBOOMFS2CAVECaveAutomaticVirtualEnvironmentCyberSphereFullyImmersiveSphericalProjectionSystemIllustrationoftheSphericalProjectionSystemtheFullyImmersiveSphericalProjectionSystemImmersaDeskhttp:////technology/idesk/InfinityWall2、聲音音生成技技術(shù)3觸覺覺與力覺覺生成技技術(shù)3.1觸觸覺與與力覺反反饋設(shè)備備Therearetwomaintypesofhapticdevices::devicesthatallowusersto""feel""texturesof2--dementionalobjectswithapenormouse-typeinterfacegloveorpen--typedevicesthatallowtheuserto""touch"andmanipulate3-dementionalvirtualobjects第二代TeletactII裝有更高高分辨率率的指尖尖空氣室室，其余余部分的的空氣室室更大，，并提供供手掌反反饋系統(tǒng)統(tǒng)。很大大的手掌掌空氣室室允許用用戶使勁勁握物體體，然后后接收刺刺激。TeletactII與TeletactI使用相似似，只是是空氣室室由20增加到到30個(gè)個(gè)。在中指尖尖、食指指尖和拇拇指區(qū)域域空氣室室密度較較大，空空氣室也也被放在在手的背背部，以以產(chǎn)生手手接觸物物體的感感覺。ARRC力學(xué)反反饋手套套數(shù)據(jù)手套套數(shù)據(jù)手套套構(gòu)成：輸輸入傳感感設(shè)備，，空間位位置跟蹤蹤器作用：抓抓取、、移動(dòng)、、裝配、、操縱、、控制虛虛擬物體體VPL公公司DataGloveVertex公公司CyberGloveExos公司DHMGlove精精度度高M(jìn)attel公公司PowerGlove價(jià)價(jià)廉5DT公公司Glove5/16筆式力量量感知器器PHANTOM?Omni?HapticDeviceBySensAbleTechnologies力反饋手手套R(shí)MⅡRMⅡ像一付手手套似的的戴在用用戶的手手上。主主要結(jié)構(gòu)構(gòu)包括一