虛擬現(xiàn)實技術

第一章引言#虛擬現(xiàn)實定義：虛擬現(xiàn)實是一種高端人機接口，包括通過視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺等多種感覺通道的實時模擬和實時交互。#三個特點：沉浸感(Immersion)用戶產(chǎn)生一種沉浸于虛擬環(huán)境的感覺(視覺、聽覺等)交互性(Interaction)虛擬現(xiàn)實環(huán)境可以通過輸入與輸出裝置影響或被使用者影響想象性(Imagination)可感知形式反映了設計者的思想以及感知不存在信息的能力供感知系統(tǒng)十供感知系統(tǒng)十廠期.外界環(huán)境#感知系統(tǒng)：聽、觸覺、味覺、嗅覺、視覺、方向感；#行為系統(tǒng)：調整姿勢、定向、走動、飲食、行動、表達、語義#概念模型：#虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的三個基本組成部分：1、用戶接口用戶與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)信息交流的通道，通常分為兩個部分：硬件接口和軟件接口。2、虛擬世界真實對象的計算機表示，虛擬世界則是虛擬對象及其相關事件的全體。虛擬世界產(chǎn)生的基礎是實物虛化和虛物實化。?實物虛化(RealObjectsVirtualizing)是指將現(xiàn)實世界中的真實事件、對象轉換成虛擬世界中的事件和對象，將真實世界的多維信息映射到計算機數(shù)字空間的過程。?虛物實化(VirtualObjectsRealizing)則是給虛擬世界中的物體賦予一定的真實特性，并將虛擬世界中的事件和作用轉換成真實世界中的事件，從而反作用于真實世界的過程。3、現(xiàn)實經(jīng)驗現(xiàn)實經(jīng)驗主要包括現(xiàn)實生活中的記憶、能力、以往經(jīng)歷、感情和文化背景等，是整個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的精髓因此，無論用戶接口還是虛擬世界的設計和建立都離不開現(xiàn)實經(jīng)驗?，F(xiàn)實經(jīng)驗增加了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的真實性、實用性，同時它也是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)與其它計算機應用系統(tǒng)的重要區(qū)別之一。#虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流l/aTOOLS糕口工具VFlEHGINE虛孫現(xiàn)Ki+StftSaTTWARE用戶l/aTOOLS糕口工具VFlEHGINE虛孫現(xiàn)Ki+StftSaTTWARE用戶DAIA.BASE

軟件和剋按庫#典型硬件組成1、顯示和觀察設備沉浸式顯示設備非沉浸式顯示設備2、交互設備數(shù)據(jù)手套（輸入手的各種姿勢）三維鼠標游戲桿3、傳感設備數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)衣位置跟蹤裝置4、三維立體聲系統(tǒng)5、三維數(shù)據(jù)獲取設備1、顯示和觀察設備.頭盔式顯示器.快速響應的工作平臺.大屏幕投影洞穴狀的投影屏幕（CAVE）圓柱型的投影屏幕由矩形塊拼接構成的投影屏幕.可支持多用戶協(xié)作的投影屏幕.具有三維空間感的聲音4、 聲音在虛擬現(xiàn)實中的作用：1）增強空間信息，尤其是當空間超出了視域范圍。2） 數(shù)據(jù)驅動的聲音能傳遞對象的屬性信息。3） 聲音是用戶和虛擬環(huán)境的另一種交互方法。5、 三維數(shù)據(jù)獲取設備靜態(tài)數(shù)據(jù)的獲?。喝S掃描儀動態(tài)數(shù)據(jù)的獲?。哼\動捕捉設備用多攝像機實時重構三維數(shù)據(jù)#多種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。單用戶VR系統(tǒng)：系統(tǒng)允許單個用戶參與。多用戶VR系統(tǒng)：一次允許多個用戶參與主要問題：保證多個用戶對虛擬環(huán)境有一致的感受。分布式VR系統(tǒng)：分布于不同地理位置的多臺計算機通過網(wǎng)絡互聯(lián)主要問題：系統(tǒng)的一致性（由數(shù)據(jù)分布與網(wǎng)絡延遲引起）#存在的主要問題?虛物實化-如何根據(jù)虛擬環(huán)境生成人可直接感受到的真實信號（聲、光、電），是一個顯示（輸出）問題。?實物虛化-如何將真實世界中的物（特別是人）與事件（特別是人的動作）傳入虛擬環(huán)境中，是一個感知的問題。?多用戶參與-如何讓多個用戶（特別是不在同一地理位置的多個用戶）參與到同一個虛擬環(huán)境中。

#研究內容的多種分類?技術/應用:層面*虛擬現(xiàn)實技術本身*虛擬現(xiàn)實應用技術?軟硬件層面*虛擬現(xiàn)實硬件技術*虛擬現(xiàn)實軟件技術?技術層面*建模（場景（基于：幾何/圖象），聽覺，行為等）*繪制（圖形，聲音，力覺）*交互（人-機交互；人-人交互）#主要研究方向?感知技術的研究-研究如何感知真實世界中人和物的存在及相關事件的發(fā)生?合成顯示技術的研究-研究虛擬環(huán)境的合成顯示，包括圖像、聲音、觸覺和力覺的輸出。?建模技術的研究-研究虛擬環(huán)境的表示技術?分布式虛擬現(xiàn)實技術的研究-研究多用戶共享虛擬現(xiàn)實實現(xiàn)技術。?支撐軟件與開發(fā)工具的研究?其他相關問題的研究：運動病、人的因素#虛擬現(xiàn)實的應用1.系統(tǒng)仿真2.城市規(guī)劃3.房地產(chǎn)4.文物保護5.展覽館6.軍事7.教育8.醫(yī)療9.游戲10.培訓11.產(chǎn)品展示12.勘探測繪第二章、輸入設備：跟蹤器、漫游和手勢接口I：丨I：丨iI蘇器n手鮭口ir9辛跟蹤器：VR中用于測量三維對象位置和方向實時變化的專門硬件設備三維空間中的活動對象的位置和方向通常由6個自由度（DegreeofFreedom,DOF）表示，即沿x，y，z坐標軸的平動與繞x，y，z坐標軸的轉動，分別稱為位置坐標x，y，z和角度坐標偏航（yaw）、俯仰（pitch）、滾動（roll）。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)對跟蹤器的要求?三維空間中的運動的剛體具有三個平移（沿著X、Y、Z軸）和三個轉動（偏航、俯仰、滾動）自由度。?在物體高速運動時，應該足夠快的準確測出這六個數(shù)值。?三維測量不應妨礙物體運動。盡量用非接觸式測量（低頻磁場、超聲、雷達、紅外攝像頭和LED等）代替機械臂等接觸式測量。跟蹤器的性能參數(shù)：1、精度/分辨率?定義：對象真實的三維位置與跟蹤器測量出的三維位置之間的差值。?定義：跟蹤器能夠檢測出的被跟蹤對象的最小三維位置變化。2、抖動：當跟蹤對象固定不變時，跟蹤器的輸出結果的變化。3、 偏差：隨時間推移而累積的誤差。需要使用一個沒有偏差的間接跟蹤器周期性地進行零位調整。4、 延遲：動作與結果之間的時間差。對三維跟蹤器來說，延遲是對象的位置/方向的變化與跟蹤器檢測這種變化之間的時間差。5、 更新率：跟蹤器每秒報告測量數(shù)據(jù)的次數(shù)。6、抗干擾性：抗干擾性是指一個系統(tǒng)在相對惡劣的條件下避免測量錯誤的能力。干擾的分類：遮擋，即其他的物體擋在目標物和探測器之間所造成的跟蹤困難；畸變，即由于一些物體的存在而使探測器所探測的目標定位發(fā)生畸變。7、合群性：合群性指的是對多用戶系統(tǒng)的支持能力，包括操作空間范圍和多目標跟蹤能力。【1】機械跟蹤器：機械跟蹤器由一個串行或并行的運動結構組成，該運動結構由多個帶有傳感器的關節(jié)連接在一起的連桿構成。優(yōu)點：(1)簡單且易于使用(2)精度穩(wěn)定，取決于關節(jié)傳感器的分辨率(3)性能可靠，潛在的干擾源較少(4)抖動較小，延遲較低(5)沒有遮擋問題缺點：(1)由于機械臂的尺寸限制，工作范圍有限。(2)連桿過長時重量和慣性會隨之增加，對機械振動的敏感性增加。(3)由于跟蹤器機械臂自身運動的妨礙，用戶運動的自由度被減小了。(4)當跟蹤器必須由用戶支撐時會導致用戶疲勞，降低在虛擬環(huán)境中的沉浸感。【2】電磁跟蹤器：：一種非接觸式的位置測量設備，使用由一個固定發(fā)射器產(chǎn)生的電磁場來確定移動接收單元的實時位置。#工作原理：發(fā)射器由纏繞在立方體磁芯上的三個互相垂直的線圈組成，被依次激勵后在空間產(chǎn)生按一定時空規(guī)律分布的電磁場(交流電磁場和直流電磁場)。?使用交流電磁場時接收器由三個正交的線圈組成，當使用直流電磁場時接收器由三個磁力計或霍爾效應傳感器組成。#優(yōu)點：(1)成本低，體積小，質量輕(2)速度快，實時性好(3)裝置的定標較簡單，技術較成熟，魯棒性好。缺點：(1)對環(huán)境要求嚴格，抗干擾性差(2)工作范圍因耦合信號隨距離增大迅速衰減而受到了限制，這同時也影響了磁跟蹤器的精度和分辨率。(3)由于電磁場對人體的重要影響，電磁場強度不可能無限制地增長，需要在系統(tǒng)工作范圍、精度、分辨率以及刷新率之間做出綜合選擇。#交流電磁場的缺點：交流跟蹤器的問題是發(fā)射器的時變磁場在周圍的金屬物質上產(chǎn)生渦流，這些渦流會產(chǎn)生一個附加磁場，從而造成接收器接收的是一個扭曲了的電磁場，因此導致跟蹤精度降低。?當金屬距離磁場發(fā)射源和接收線圈都較遠時，利用耦合信號強度隨距離成立方衰減的特性可以有效地減輕干擾。#直流/交流比較：1、都是測量發(fā)射器磁場中的局部值測量接收器與發(fā)射器之間的距離，其強度以與發(fā)射器之間距離的三次方的速度下降，而干擾磁場卻相對地增加。2、直流跟蹤器可以很好地避免黃銅、鋁和不銹鋼等金屬物質的渦流造成的扭曲效應，但易受周圍低碳鋼和鐵氧體等鐵磁物質磁化后產(chǎn)生的磁場干擾，且很難消除，只能通過初始化時預先測得磁場偏置來優(yōu)化性能。和直流跟蹤器相比，由于交流跟蹤器去除了測量環(huán)境測場的時間，因此可以獲得更高的刷新速率。3、由于信號衰減，跟蹤器的跟蹤范圍受限。對于直流系統(tǒng)，為保證測量精度，要保證在跟蹤范圍內發(fā)射磁場強度大于地磁等環(huán)境磁場的磁場強度。對于交流磁場而言，由于帶有頻率、相位等附加信息，即使當磁場信號強度小于地磁時，也可以很容易區(qū)分出來相對來說交流系統(tǒng)應具有更大的跟蹤范圍?！?】超聲波跟蹤器：是一種非接觸式的位置測量設備，使用由固定發(fā)射器發(fā)射產(chǎn)生的超聲信號來確定移動接收單元的實時位置。原理：飛行時間跟蹤、連續(xù)波相干測量優(yōu)點(1)不受外部磁場和鐵磁性物質的影響，易于實現(xiàn)較大的測量范圍(2)成本低，體積小缺點(1)延遲和滯后較大，實時性較差，精度不高(2)聲源和接收器間不能有遮擋物體(3)受噪聲和多次反射等干擾較大。(4)由于空氣中聲波的速度與氣壓、濕度、溫度有關，所以必須在算法中做出相應的補償?！?】光學跟蹤器：是一種非接觸式的位置測量設備，使用光學感知來確定對象的實時位置和方向分類：1、從外向里看的跟蹤器：跟蹤器的感知部件，如CCD相機、光敏二極管或其他光傳感器是固定的，用戶身上裝有一些能發(fā)光或反光的標志。(1)位置測量可以直接進行，方向可以從位置數(shù)據(jù)中推導出來。(2)靈敏度隨用戶身上的燈標之間距離的增加和用戶與照相機之間距離的增加而降低。2、從里向外看的跟蹤器：在被跟蹤對象或用戶身上安置照相機，在環(huán)境中安放反光或發(fā)光的標志。(1)對于方向上的變化是最敏感的，因此在HMD跟蹤中非常有用(2)工作范圍在理論上是無限的，因此對墻式和房間式圖形顯示設備來說非常有用【5】慣性傳感器主要指陀螺和加速度計。這是由于陀螺所感測的角速度，加速度計所感測的加速度都是相對慣性空間的。慣性跟蹤器：通過自約束的慣性傳感器測量一個對象的方向變化速率或平移速度變化率混合跟蹤器：指使用了兩種或兩種以上位置測量技術來跟蹤對象的系統(tǒng)，能取得比使用任何一種單一技術更好的性能。慣性跟蹤器優(yōu)點：(1)具有無源操作的優(yōu)點，理論上的操作范圍可以無限大，沒有暢通無阻的要求。(2)數(shù)據(jù)刷新率很高，對減少延遲有很好的效果。缺點：快速積累偏差.解決偏差的方法：使用來自其他類型跟蹤器的數(shù)據(jù)，周期性重新設置慣性跟蹤器的輸出?！?】地磁定姿系統(tǒng)：地球自身固有的可做方位基準的矢量除了地球自轉角速度矢量以外，只有地磁場強度。采用加速度計、磁阻傳感器和單片機的地磁定姿系統(tǒng)通過測量地球的重力場及磁場來計算運動物體的三自由度姿態(tài)數(shù)據(jù)。具有精度高、性能穩(wěn)定、體積小、價格低廉、功耗低的特點。磁傳感器概述：磁傳感器是一種將磁場或磁感應強度等物理量轉換成電信號的磁電轉換元器件或裝置，大部分磁傳感器是基于固體材料的磁電效應的傳感器，其中主要是半導體材料。加速度傳感器1、壓電式加速度傳感器：具有很寬的頻率響應范圍，適用于高頻范圍的振動測量和沖擊測量。2、壓阻式加速度傳感器：能測量頻率低到零的加速度信號，輸出阻抗很低，內在噪聲小，但響應速度較慢。3、變電容式加速度傳感器：具有穩(wěn)態(tài)響應、高靈敏度、低輸出阻抗、高線性度、抗過載能力高、體積小、重量輕、響應快等優(yōu)點。精度刷新率范圍無很曲較面畫誼今很,Kra擬Ka較土單汴爾扌君傳感審士A時■間法低相位法高很値肘間法低栢位包咼小段小光II有較好昂矣高?屮丈無好較任碾鬲#漫游和操縱接口是一種設備，允許通過選擇和操縱感興趣的虛擬對象，交互式地改變虛擬環(huán)境和探索過程中的視圖。#手勢接口：是測量用戶手指(手腕)的實時位置的設備，其目的是為了實現(xiàn)與虛擬環(huán)境的基于手勢識別的自然交互。1、光纖彎曲傳感器具有體積小和重量輕的優(yōu)點。而且用戶戴上這種手套感覺舒適，不會限制用戶手部的運動。2、變電阻式線性傳感器由于是松耦合的，因此輸出不互相依賴，但價格十分昂貴。3、金屬外骨架裝置由于在手上的位置會滑動，所以在每次模擬開始時都要進行校準。另外該類手套較重易使手感到疲勞。4、基于圖像處理的手指彎曲傳感技術對硬件系統(tǒng)要求高，計算量大。第三章輸出設備：圖形、聲音和觸覺顯示設備：輸出設備用來完成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)對用戶輸入的反饋。為用戶提供反饋的感覺通道：視覺(三維圖形顯示設備)聽覺(三維聲音顯示設備)觸覺(觸覺顯示設備)圖形顯示設備是一種計算機接口設備，把合成的虛擬世界圖像展現(xiàn)給與虛擬世界進行交互的一個或多個用戶。#人類視覺系統(tǒng)一個有效的圖形顯示設備要求圖像特性與人眼觀察到的合成場景相匹配=2arctanL/2D=2arctanL/2D人體對深度感知的生理機能： 焦點調節(jié)□輻輳□雙眼視差□運動視差立體視覺深度暗示：心理暗示、生理暗示#個人圖形顯示設備：為單個用戶輸出虛擬場景的圖形顯示設備，這類圖像可以是單視場的，也可以是立體的；可以是單目的(為一只眼睛提供顯示)，也可以是雙目的(為兩只眼睛提供顯示)1、頭盔顯示器HUD顯示參數(shù)：-分辨率Resolution:顯示元件所能顯示的像素的數(shù)量-刷新速度RefreshRate:顯示元件更新圖像的快慢?光學參數(shù)-視場FieldOfView:觀測范圍的大小-出瞳直徑Exitpupil:光線經(jīng)過目鏡匯聚后，在目鏡后形成的亮斑的直徑-出瞳距離exitpupildiameter:能夠看清整個視場時眼睛與目鏡的最后一片鏡片間的距離-瞳距IPD:雙眼瞳孔間距離顯示元件:CRT(CathodeRayTube):陰極射線管LCD(LiquidCrystalDisplay):液晶顯示器LCos(LiquidCrystalonSilicon):硅基液晶OLED(OrganicLight-EmittingDiode):有機發(fā)光二極管常見的用于頭盔顯示器的光學系統(tǒng)包括:-旋轉對稱結構-自由曲面棱鏡結構VRD(virtualrealitydisplay)直接把調制的光線投射在人眼的視網(wǎng)膜上，產(chǎn)生光柵化的圖像，圖像質量高、有立體感、全彩色、寬視場無閃爍。2、 手持式顯示器HSD3、 地面固定顯示器4、 桌面立體顯示器主動立體顯示器被動立體顯示器:色差立體、偏振立體自由立體顯示器:光屏障、柱狀透鏡#CAVE?CAVEAutomaticVirtualEnvironment:洞穴式自動虛擬環(huán)境；系統(tǒng)結構及典型設備圖形繪制系統(tǒng):立體投影系統(tǒng)用戶交互系統(tǒng)聲音系統(tǒng)#聲音顯示設備:是一類計算機接口，能給與虛擬世界交互的用戶提供合成的聲音反饋。-單聲道-雙聲道高沉浸感的虛擬現(xiàn)實仿真除了圖形反饋之外還應該有三維聲音，即由計算機生成的、能由人工設定聲源在空間中三維位置的一種聲音。-立體聲音，不隨用戶位置的改變而改變-虛擬聲音，對應用戶的位置信息人腦識別聲源位置是利用兩耳收到聲音的時間差(ITD,InteraualTimeDifference)和聲音強度差(IID,InterauralIntensityDifference)頭部有關的傳遞函數(shù)HRTF?由聲源到耳內的傳遞函數(shù)，Head-RelatedTransferFunction#觸覺反饋：觸覺反饋可以分為接觸反饋和力反饋兩種模態(tài)。接觸反饋(touchfeedback):傳送接觸表面的幾何結構、虛擬對象的表面硬度、滑動和溫度等實時信息。接觸反饋不能主動抵抗用戶的觸摸運動，不能阻止用戶穿過虛擬表面。力反饋(forcefeedback)：提供虛擬對象表面柔順性、對象的重量和慣性等實時信息。力反饋主動抵抗用戶的觸摸運動，并能阻止該運動(如果反饋力比較大)。PHANToM臂個人觸覺接口裝置(PersonalHapticInterfaceMechanism，簡稱PHANToM),提供六個觸覺自由度，增加了仿真的靈活性.PHANToM接口的主部件是一個末端帶有鐵筆的力反饋臂。它有六個自由度，其中三個可提供平移力反饋。鐵筆的朝向是被動的，因此不會有轉矩作用在用戶的手上。在這種力反饋臂的三個力反饋激勵器中，有兩個激勵器起到平衡機械臂重量的作用。力反饋臂的工作空間接近用戶的手腕活動空間，用戶的前臂放在一個支撐物上。第四章、繪制、建模及軟件工具#圖形、觸覺繪制流水線VR引擎是VR系統(tǒng)的關鍵部分，從輸入設備中讀取數(shù)據(jù)、訪問與任務相關的數(shù)據(jù)庫、執(zhí)行任務要求的實時計算、實時更新虛擬世界的狀態(tài)、把結果反饋給輸出顯示設備VR系統(tǒng)的延遲是傳感器延遲、傳送延遲和計算顯示新的世界狀態(tài)的時間之和。VR系統(tǒng)結構的設計通常圍繞繪制流水線進行#圖形繪制流水線：根據(jù)給定的虛擬攝像機、三維物體、光源、光照模型、紋理等繪制一幅二維圖像。圖形繪制流水線的各階段使用并行體系結構-應用程序階段：多個CPU并行處理-幾何階段：采用一組幾何處理引擎GE分別處理場景的一部分-光柵化階段：采用雙緩沖減少由于顯示硬件刷新引起的閃爍#圖形流水線瓶頸?當流水線每一階段的輸出與下一階段的輸入速度不匹配時，會造成系統(tǒng)瓶頸?理想情況，刷新頻率與場景復雜度成反比?場景復雜度較低時瓶頸出現(xiàn)在應用程序階段?減少場景中光源的數(shù)目并增加圖像幀的刷新率，瓶頸出現(xiàn)在幾何處理階段?降低顯示窗口的尺寸或分辨率增加流水線的輸出，瓶頸出現(xiàn)在光柵化階段#圖形流水線優(yōu)化-采用高速CPU-增加CPU數(shù)量-減少三維模型的復雜度-優(yōu)化仿真軟件-使用低精度的算術運算-減少顯示的像素數(shù)觸覺繪制流水線：碰撞檢測——力計算——力平滑——力映射——觸覺紋理#幾何、運動、物理、行為建模VR建模建立I/O設備到仿真場景的映射一＞開發(fā)虛擬世界的對象數(shù)據(jù)庫(對象的形狀、外觀、運動學約束、智能行為、物理特性的建模)幾何建模：描述了虛擬對象的形狀(多邊形、三角形、頂點和樣條)及外觀(表面紋理、表面光強度和顏色)

1、虛擬對象的形狀：由三維表面確定，大多數(shù)對象表面由三角形網(wǎng)格組成-所需存儲空間?。ü蚕眄旤c）-繪制速度優(yōu)于獨立的多邊形-適合幾何變換和細節(jié)等級優(yōu)化（LOD）工具包編額莊一定的瞬OpenGL程療交廿式，F(xiàn)?右的技術Anicr'ATJ^DMAK一堆裁字化儀交互式.允許定制模型Antoilesy.fi, imi^inmging.polhemns三維掃帛儀快速卿多沖點，適合大型對象polkemn為cyrntecknolo^傭業(yè)三堆頃點別展、也通件、靜態(tài)模型、細*等級vip呵miiM-不適合于非常彎曲和凹凸不平的表面2、 參數(shù)表面：由高階函數(shù)表示-存儲空間小-能提供較好的表面光滑度-只能通過改變控制點改變其形狀（B樣條）3、 使用工具包編輯器-過程復雜-需要大量的人年4、導入CAD文件-可重用已存在的模型-用戶可交互式的創(chuàng)建對象的模型-需轉換成與VR工具包兼容的格式#對象的視覺外觀?建模后需要照亮場景，使得對象能夠被看到?對象的視覺外觀取決于虛擬光源的位置和對象的表面反射系數(shù)?表面紋理：決定場景的復雜度和真實感場景光照：決定對象表面的光強度，分為局部光照和整體光照#紋理映射：在圖形流水線的光柵化階段執(zhí)行的一種技術，其目的是更改對象模型的表面屬性，如顏色、漫反射率和像素法向量等。在不增加表面多邊形數(shù)目的情況下提高圖像真實感的一種有效方法。?刨光的木材表面上有木紋等通過顏色色彩或明暗度變化體現(xiàn)出來的表面細節(jié)稱為顏色紋理。桔子皮表面的皺紋等由于不規(guī)則的細小凹凸造成的稱為幾何紋理?？梢杂眉y理映射的方法給計算機生成的圖象加上紋理。?紋理的創(chuàng)建：畫圖程序、掃描所需紋理圖案的照片、專用工具、商業(yè)紋理數(shù)據(jù)庫?優(yōu)點-增加了場景的細節(jié)等級和真實感-基于透視變換提供較好的三維空間線索-減少多邊形數(shù)量，提高刷新率#運動建模?確定三維對象在世界坐標系中的位置及在虛擬世界中的運動?運動受父子層次關系的制約?設置觀察世界的方式（虛擬相機）?相機圖像經(jīng)變換投影到二維顯示窗口，提供視覺反饋#物理建模?綜合體現(xiàn)對象的物理特性，包括重量、慣性、表面硬度、柔軟度和變形模式等?與行為建模共同為虛擬世界的模型帶來更大的真實感?包括碰撞檢測、受力計算、力平滑、力映射和觸覺紋理碰撞檢測?確定兩個或多個對象是否互相接觸?分為近似檢測和精確檢測兩類?近似檢測又稱為包圍盒碰撞檢測，使用三維區(qū)域進行檢測?精確碰撞檢測準確知道兩個對象在何處發(fā)生接觸#行為建模?虛擬對象在一定程度上與用戶的動作無關，具有一定的智能。一組agent(虛擬人)形成了群體；口群體可以是被指導的、程序控制的或自主的；口群體的自主級別不一定與群體中的agent一致；口群體具有一個共同目標，每個agent能夠通過某些方法感知周圍的環(huán)境并作出反應#模型管理：用于幫助VR引擎以交互速度繪制復雜虛擬環(huán)境，對仿真質量不會產(chǎn)生重大影響的技術，。對象細節(jié)等級選取細節(jié)等級管理(detailsarenotperceived)通過選擇對象相應的細節(jié)等級來提高圖形流水線吞吐量的技術。單元劃分較大的模型需要采用某種繪制方法，使得存儲器交換對仿真幀速的影響最小。?如將大模型劃分為較小的模型，通過靜態(tài)或自適應LOD管理進行繪制。將虛擬世界劃分成較小的空間和單元，只有當前空間中的對象才被繪制，降低了繪制復雜度。。離線預計算。數(shù)據(jù)庫管理#VR工具包為VR設計的可擴展的面向對象的函數(shù)庫。被仿真的對象是類的一部分，能繼承這些類的默認屬性，因而可以簡化編程任務?函數(shù)庫可擴展，因此可使用相同的仿真內核編寫應用程序專用的模塊?可用于各種硬件平臺工具包作用：幾何建模、將對象與輸入設備連接起來、定義智能行為、提供網(wǎng)絡連接。常用工具包：WTK、JavaandJava3D、peopleshop、3Dgamestudio、creator/vega應用：地形/地貌數(shù)據(jù)庫生成、實時三維模型、儀表盤自動創(chuàng)建、道路模塊、Lod(levelofdetail)、特殊效果模塊、海洋模塊、仿真人物模塊、云景、導航和信號燈、光束模塊第五章VR中的“人的因素#研究方法和專業(yè)術語“人的因素”研究的重點?可用性研究?用戶表現(xiàn)研究?用戶安全性研究?VR的社會學研究研究的幾個階段決定研究方向-開發(fā)實驗規(guī)程-召集受試者-進行研究-分析數(shù)據(jù)-決定研究方向實驗規(guī)程包含一系列在非常嚴格的條件下進行的實驗，以測定用戶對VR技術的反應、VR技術的可用性、VR用戶的安全性以及VR相關社會影響。受試者較少的研究稱為事例研究(casestudy)。受試者較多的研究稱為對照研究(controlstudy)使用方差分析(analysisofvariation)來判斷不同實驗與條件下的數(shù)據(jù)是否存在顯著的統(tǒng)計差異?？捎眯怨こ谭椒▽W“人的因素”研究的一個方面，用于判斷使用者操作一個給定產(chǎn)品的難易程度。?包括用戶任務分析、專家指導評估、格式化可用性評估和累積性評定四個階段。用戶任務分析(usertaskanalysis)是可用性研究的第一個階段。用于確定并描述任務，整理并列出用戶的動作以及完成任務所需的系統(tǒng)資源。專家指導評估(expertguideline-basedevaluation)或啟發(fā)式評估是可用性研究的第二個階段。用于在設計階段的初期發(fā)現(xiàn)潛在的可用性問題，說明為什么該技術或者部件存在問題。格式化可用性評估(formativeusabilityevaluation)是一種觀察觀察評估方法，通過反復評估提高產(chǎn)品的可用性。?累積性評定(summativeevaluation)在產(chǎn)品開發(fā)周期的末尾進行的。將新產(chǎn)品與類似的系統(tǒng)進行統(tǒng)計比較來確定哪個更好。通過現(xiàn)場試驗和專家檢測，累積性評定能夠在幾個候選中選出最好的產(chǎn)品。使用者表現(xiàn)研究1、 通用VR任務的試驗臺評估?VR試驗臺由通用的VR任務組成。包括在一個環(huán)境中漫游、對象的選擇以及操縱等。2、 系統(tǒng)響應度對用戶工作表現(xiàn)的影響?影響用戶工作表現(xiàn)的一個重要因素是系統(tǒng)響應度SR(SystemResponsiveness)。VR系統(tǒng)的響應度與從用戶輸入到仿真對此輸出做出響應的時間成反比。?系統(tǒng)響應度是由于硬件延遲加上使用者的認知理解時間產(chǎn)生的延遲。?任務越困難對系統(tǒng)響應度的要求越高。3、 多種形式的反饋所帶來的影響在執(zhí)行任務過程中，有某種反饋形式或者沒有某種反饋形式對使用者帶來的影響，尤其