虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)第一章

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主講：楊文暉課程的主要內(nèi)容虛擬現(xiàn)實(shí)與系統(tǒng)仿真的根本概念和術(shù)語虛擬現(xiàn)實(shí)與系統(tǒng)仿真的根底方法虛擬現(xiàn)實(shí)有關(guān)的人的要素，虛擬現(xiàn)實(shí)的接口設(shè)備和計(jì)算機(jī)設(shè)備虛擬現(xiàn)實(shí)的建模技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)的運(yùn)用相關(guān)知識背景虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)學(xué)習(xí)的知識背景是什么樣的？虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是針對計(jì)算機(jī)專業(yè)的本科生開設(shè)的課程，學(xué)生需求有計(jì)算機(jī)原理，體系構(gòu)造，操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)，軟件工程，程序設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)構(gòu)造，電子學(xué)，圖形學(xué)與CAD，系統(tǒng)分析，人工智能的知識背景。虛擬現(xiàn)實(shí)概述虛擬現(xiàn)實(shí)的接口設(shè)備虛擬現(xiàn)實(shí)的計(jì)算機(jī)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)的建模和仿真技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)的運(yùn)用課程目錄學(xué)習(xí)重點(diǎn)和難點(diǎn)虛擬現(xiàn)實(shí)的根本概念；人的視覺系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實(shí)的視覺顯示技術(shù)；各類位姿跟蹤系統(tǒng)的技術(shù)；力覺和觸覺反響技術(shù)；虛擬現(xiàn)實(shí)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；虛擬現(xiàn)實(shí)的工具軟件系統(tǒng)；分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。第一章虛擬現(xiàn)實(shí)概述

課前索引

第一節(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)的根本概念

第二節(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)有關(guān)的人的要素

章節(jié)小結(jié)

課后習(xí)題課前索引兩個(gè)問題1．什么是虛擬現(xiàn)實(shí)？2．虛擬現(xiàn)實(shí)與人有什么關(guān)系？點(diǎn)擊觀看VRML演示第一節(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)的根本概念虛擬現(xiàn)實(shí)的概念有關(guān)的其它概念虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)虛擬現(xiàn)實(shí)的運(yùn)用領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)1虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)這個(gè)概念最早是由誰在什么時(shí)間提出的？1989年，美國VPLResearch公司開創(chuàng)人JaronLanier提出了“VirtualReality〞〔虛擬現(xiàn)實(shí)〕的概念。如何了解“虛擬〞這個(gè)詞？“Virtual〞闡明，這個(gè)世界或環(huán)境是虛擬的，不是真實(shí)的。這個(gè)世界或環(huán)境是人工構(gòu)造的，是存在于計(jì)算機(jī)內(nèi)部的。用戶應(yīng)該可以“進(jìn)入〞這個(gè)虛擬的環(huán)境中。所謂“進(jìn)入〞這個(gè)虛擬的環(huán)境中，是指用戶以自然的方式與這個(gè)環(huán)境交互如何了解“交互〞這個(gè)詞？包括感知環(huán)境并干涉環(huán)境，從而產(chǎn)生置身于相應(yīng)的真實(shí)環(huán)境中的虛幻感，沉浸感，身臨其境的覺得。虛擬現(xiàn)實(shí)或虛擬環(huán)境系統(tǒng)包括哪些？包括人類操作者、人機(jī)接口和計(jì)算機(jī)問題請給出正確與錯(cuò)誤的判別運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的標(biāo)志就是運(yùn)用頭盔式立體顯示器和數(shù)據(jù)手套。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)運(yùn)用最多的公用設(shè)備是頭盔式立體顯示器和數(shù)據(jù)手套。于是，有人以運(yùn)用這些公用設(shè)備為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的標(biāo)志。這種觀念是不準(zhǔn)確的。頭盔式立體顯示器和數(shù)據(jù)手套等設(shè)備，只是當(dāng)前曾經(jīng)實(shí)現(xiàn)的一部分虛擬顯示設(shè)備。它們還很不完善。例如，頭盔的視場，分辨率，呵斥眩暈等問題還有待處理。聽覺接口和力覺接口等設(shè)備還在研討，運(yùn)用還不多。味覺，嗅覺，運(yùn)動覺等技術(shù)，還缺乏研討。關(guān)于虛擬仿真虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的虛擬環(huán)境，能夠有以下幾種情況第一種情況是模擬真實(shí)世界中的環(huán)境。例如，建筑物，武器系統(tǒng)，或戰(zhàn)場環(huán)境。這種真實(shí)環(huán)境，能夠是曾經(jīng)存在的，也能夠是曾經(jīng)設(shè)計(jì)好但還沒有建成的。為了逼真地模擬真實(shí)世界中的環(huán)境，要求逼真地建立幾何模型和物理模型。環(huán)境的動態(tài)應(yīng)符合物理規(guī)律。這一類虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的功能，實(shí)踐是系統(tǒng)仿真。點(diǎn)擊觀看居室環(huán)境的仿真和遨游例子2和虛擬現(xiàn)實(shí)有關(guān)的幾個(gè)概念虛擬環(huán)境(VirtualEnvironment)系統(tǒng)或虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality)系統(tǒng)包括人類操作者、人機(jī)接口和計(jì)算機(jī)遙操作(Teleoperator)系統(tǒng)包括人類操作者、人機(jī)接口和遙機(jī)器人加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AugmentedReality)系統(tǒng)組合了虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境合成環(huán)境(SyntheticEnvironment)系統(tǒng)是遙操作系統(tǒng)、虛擬環(huán)境系統(tǒng)、加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)等的總稱。關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，與用戶交互的環(huán)境實(shí)踐是人工構(gòu)造的，存在于計(jì)算機(jī)內(nèi)部的環(huán)境。這種虛擬的環(huán)境，能夠是不同的環(huán)境。一種情況是真實(shí)環(huán)境的仿真。例如，仿真真實(shí)建筑物的虛擬建筑物。這種真實(shí)建筑物能夠是曾經(jīng)建成的，也能夠是曾經(jīng)設(shè)計(jì)好但尚未建成的。一種情況是完全虛擬的人造環(huán)境。例如在虛擬風(fēng)洞中，借助可視化技術(shù)構(gòu)造的虛擬風(fēng)洞環(huán)境。又如在三維動畫中，人工構(gòu)造的虛擬環(huán)境。關(guān)于遙操作系統(tǒng)為什么要針對虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提出這么多概念？概念之間的區(qū)別？這些概念之間的區(qū)別在于與用戶交互的環(huán)境不同。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的環(huán)境是怎樣的？真實(shí)環(huán)境的仿真完全虛擬的人造環(huán)境遙操作系統(tǒng)的環(huán)境是怎樣的？對于遙操作系統(tǒng)，與用戶交互的環(huán)境實(shí)踐是在遠(yuǎn)地的一個(gè)真實(shí)的環(huán)境。用戶經(jīng)過類似虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的人機(jī)接口，與遠(yuǎn)處的真實(shí)環(huán)境交互。也就是看到真實(shí)環(huán)境的場景，聽到真實(shí)環(huán)境的聲音，感到與環(huán)境中物體的接觸。遙操作系統(tǒng)實(shí)踐上是高級的遙控系統(tǒng)，是采用了先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的遙控系統(tǒng)。3虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的根本概念，可以得到虛擬現(xiàn)實(shí)的以下三個(gè)特點(diǎn)。1．人機(jī)接口的內(nèi)容計(jì)算機(jī)提供“環(huán)境〞,不是“數(shù)據(jù),信息〞。這改動了人機(jī)接口的內(nèi)容。2．人機(jī)接口的方式操作者由視覺,聽覺,力覺感知環(huán)境,由自然的動作操作環(huán)境,不是由屏幕,鍵盤,鼠標(biāo)和計(jì)算機(jī)交互。這改動了人機(jī)接口的方式。3．人機(jī)接口的效果逼真的感知和自然的動作，使人產(chǎn)生身臨其境的覺得。這改動了人機(jī)接口的效果。

人機(jī)接口內(nèi)容的改動計(jì)算機(jī)提供“環(huán)境〞,不是“數(shù)據(jù),信息〞。這改動了人機(jī)接口的內(nèi)容。虛擬現(xiàn)實(shí)的這個(gè)特點(diǎn)表達(dá)了計(jì)算機(jī)運(yùn)用的新方向。計(jì)算機(jī)的稱號表達(dá)了它的最早運(yùn)用是計(jì)算。當(dāng)時(shí)，計(jì)算機(jī)和用戶交互的是計(jì)算有關(guān)的數(shù)值。以后，計(jì)算機(jī)擴(kuò)展四處置數(shù)值，字符串，文本等各類數(shù)據(jù)。以后，計(jì)算機(jī)更擴(kuò)展四處置圖像，圖形，聲音，言語等多種媒體的信息。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)那么以環(huán)境為計(jì)算機(jī)處置的對象和人機(jī)交互的內(nèi)容。這開辟了計(jì)算機(jī)運(yùn)用的新思緒。

數(shù)值--------各類數(shù)據(jù)---------多媒體信息---------環(huán)境人機(jī)接口的內(nèi)容的變化：人機(jī)接口的方式的改動操作者由視覺,聽覺,力覺感知環(huán)境,由自然的動作操作環(huán)境,不是由屏幕,鍵盤,鼠標(biāo)和計(jì)算機(jī)交互。這改動了人機(jī)接口的方式這個(gè)特點(diǎn)表達(dá)了計(jì)算機(jī)人機(jī)接口的新方向。至今為止的計(jì)算機(jī)人機(jī)接口都是面向機(jī)器的。人機(jī)接口有哪些？終端，鍵盤，鼠標(biāo)，打印機(jī)等接口設(shè)備，都是順應(yīng)計(jì)算機(jī)的公用設(shè)備。這些設(shè)備很好地完成了各類數(shù)據(jù)和多媒體信息的交互。

虛擬現(xiàn)實(shí)中的人機(jī)接口，那么是面向用戶的。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，用戶以自然的方式與虛擬環(huán)境交互。如何了解自然的方式呢？所謂自然的方式，是指用戶經(jīng)過視覺，聽覺，觸覺等覺得虛擬環(huán)境，運(yùn)用戶產(chǎn)生在真實(shí)環(huán)境中的幻覺。同時(shí)，用戶經(jīng)過在真實(shí)環(huán)境中的行為，去干涉虛擬環(huán)境。于是，虛擬現(xiàn)實(shí)的人機(jī)接口設(shè)備，完全不同于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的人機(jī)接口設(shè)備。這也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中最有特征的內(nèi)容。人機(jī)接口的效果的改動逼真的感知和自然的動作，使人產(chǎn)生身臨其境的覺得。這改動了人機(jī)接口的效果這個(gè)特點(diǎn)表達(dá)了計(jì)算機(jī)人機(jī)接口的新要求。用戶經(jīng)過人機(jī)接口與虛擬環(huán)境交互的結(jié)果，是運(yùn)用戶產(chǎn)生身臨其境的虛幻感，沉浸感。虛擬現(xiàn)實(shí)的概念中有三個(gè)I：〔1〕Immersion(沉浸)，是指逼真的，身臨其境的覺得?！?〕Interaction(交互)，是指用戶感知與操作環(huán)境〔3〕Imagination(想象)，是指發(fā)明性。4虛擬現(xiàn)實(shí)的運(yùn)用領(lǐng)域1．文娛2．國防3．設(shè)計(jì)、制造和銷售4．醫(yī)療和安康5．危險(xiǎn)操作6．訓(xùn)練7．教育8．信息可視化9．遠(yuǎn)程交往與遠(yuǎn)程游歷

關(guān)于“超越時(shí)空的紫禁城〞5虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)1．VR的人機(jī)接口2．VR的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3．VR的建模和仿真

VR的人機(jī)接口VR的人機(jī)接口的作用是什么？其一是給人類操作者提供環(huán)境信息經(jīng)過什么方式提供環(huán)境信息？視覺、聽覺和觸覺包括：視覺通道、聽覺通道、觸覺通道、運(yùn)動接口和其他接口其二是覺得人類操作者的動作和呼應(yīng)包括：位置跟蹤和映射，語音識別等。〔1〕位置跟蹤和映射位置跟蹤和映射用于丈量人體各部位的位置和姿態(tài)分析判他人面部的表情它的目的是：了解人的身體行為這是為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互所必需的系統(tǒng)功能。VR系統(tǒng)由此了解人的行為，然后做出適當(dāng)?shù)暮魬?yīng)，實(shí)現(xiàn)交互。常用的技術(shù)包括：機(jī)械鏈接、磁傳感器、聲傳感器、光傳感器和慣性傳感器根本目的是準(zhǔn)確完成位置和姿態(tài)的丈量。三個(gè)主要的要求：大范圍的線性呼應(yīng)，高帶寬〔1kHz〕，以及允許頭和身體的運(yùn)動。

〔2〕視覺通道視覺通道的作用：給人的視覺系統(tǒng)提供圖形顯示。為了提供身臨其境的逼真覺得視覺通道應(yīng)該滿足的要求：顯示的像素應(yīng)該足夠小，使人不至于覺得到像素的不延續(xù)顯示的頻率應(yīng)該足夠高，使人不至于覺得到畫面的不延續(xù)給兩眼提供具有雙目視差的圖形，構(gòu)成立體視覺。應(yīng)該具有足夠大的視場，理想情況是顯示畫面充溢整個(gè)視場。視覺通道的顯示外表分為：基于CRT和基于LCD。視覺通道的光學(xué)系統(tǒng)分為：頭盔顯示(HMD)和非頭盔顯示(OHD)公用頭盔圖〔3〕聽覺通道聽覺通道的作用：給人的聽覺系統(tǒng)提供聲音顯示。為了提供身臨其境的逼真覺得，聽覺通道應(yīng)該滿足一些要求使人覺得置身于立體的聲場之中能識別聲音的類型和強(qiáng)度能斷定聲源的位置。聽覺通道的關(guān)鍵技術(shù)包括：合成由接口提供的虛擬聲音信號聲音在虛擬空間定位問題發(fā)聲設(shè)備。

〔4〕觸覺通道觸覺通道的作用給人體外表提供觸覺和力覺。當(dāng)人體在虛擬空間中運(yùn)動時(shí)，假設(shè)接觸到虛擬物體，虛擬顯示系統(tǒng)應(yīng)該給人提供這種觸覺和力覺。觸覺通道涉及操作以及覺得包括觸覺反響力覺反響。觸覺通道的構(gòu)造分為：安裝在身體上的設(shè)備安裝在地面的設(shè)備?！?〕運(yùn)動接口人體在環(huán)境中的運(yùn)動包括：身體的被動運(yùn)動如在車上的運(yùn)動身體自動運(yùn)動遨游，如散步。人在運(yùn)動中，人體內(nèi)部的運(yùn)動覺得器官可以感知運(yùn)動信息。感知運(yùn)動信息的器官包含：前庭系統(tǒng)運(yùn)動系統(tǒng)視覺聽覺系統(tǒng)本體感受，動覺和觸覺運(yùn)動接口應(yīng)該給這些器官提供運(yùn)動信息。

〔6〕其它類型接口其它類型接口包括：嗅覺、味覺通道覺得熱、風(fēng)及濕度的接口還包括語音通訊〔語音識別與合成〕以及直接心思覺得和控制。這些接口，目前還缺乏研討2．VR的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，主要的通道是什么？現(xiàn)有的虛擬顯示系統(tǒng)主要思索視覺通道。聽覺通道和觸覺通道還處于研討階段。VR的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要思索的通道是什么？所以，VR的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要思索視覺通道的要求。

VR的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的視覺通道〔1〕視覺通道對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件的要求首先是要求維持足夠的圖形幀速率這要求在指定的時(shí)間內(nèi)〔約為0.1秒〕計(jì)算出兩眼的兩幅圖像。同時(shí)要求提供足夠好質(zhì)量的圖像這普通表達(dá)在圖像中顯示的多邊形或三角形的樹木。因此，往往需求公用硬件。圖形硬件應(yīng)提供快速幾何變換、截取、消隱、多邊形填充和外表紋理。〔2〕視覺通道對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件的要求VR系統(tǒng)中的軟件主要包括以下幾種：交互軟件：利用人機(jī)控制設(shè)備的輸出去修正VE。視覺遨游軟件：控制用戶在VE中運(yùn)動時(shí)看到的場景。建模軟件：定義虛擬物體外形、外觀和屬性的模型。操作系統(tǒng)支持VE的實(shí)時(shí)多模態(tài)要求?！?〕視覺通道對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的要求分布式交互仿真分布式交互仿真曾經(jīng)成為現(xiàn)代仿真技術(shù)，特別是軍事仿真的潮流。通訊網(wǎng)絡(luò)可以把VE轉(zhuǎn)換成共享的分布式計(jì)算環(huán)境。3．VR的建模和仿真〔1〕VR的建模包括：幾何建模和物理建模VR的幾何建模普通的VR工具軟件都具有幾何建模功能。利用現(xiàn)有的CAD建模工具也是常用的方法。市場上已有商業(yè)模型庫出賣。對實(shí)踐物體的建模，那么采用激光掃描等公用設(shè)備。VR的物理建模物理建模是基于物理方程的建模。普通思索剛體建模，鏈接物體的建模，以及非剛體的建模。智能體建模不是基于物理方程，而是基于人為的物體智能思索題什么是剛體？什么是智能體？3．VR的建模和仿真〔2〕仿真仿真包括：圖形繪制和三維動畫。圖形繪制是把三維環(huán)境，相對于虛擬攝像機(jī)〔虛擬視點(diǎn)〕投影，構(gòu)成圖像的過程。圖形繪制要求為了提供延續(xù)運(yùn)動的錯(cuò)覺，幀速率必需大于每秒8到10幀。為了堅(jiān)持瞬間交互控制的錯(cuò)覺，呼應(yīng)時(shí)間的延遲必需小于0.1秒。為了繪制人眼可分辨的一切細(xì)節(jié)，這要求有8千萬個(gè)多邊形。然而，用今天的硬件，每個(gè)畫面8千萬多邊形的系統(tǒng)對真正的實(shí)時(shí)交互是太慢了，于是存在真實(shí)圖像與實(shí)時(shí)交互間的折衷。某些運(yùn)用〔如建筑和藝術(shù)〕能夠要求照片一樣真實(shí)的繪制。制造和醫(yī)療運(yùn)用要求更高層次的實(shí)時(shí)交互?！?〕仿真仿真包括：圖形繪制和三維動畫。三維動畫可以用兩種途徑實(shí)現(xiàn):1：基于物理模型的數(shù)值計(jì)算。屬于滿足物理規(guī)律的仿真技術(shù)，用于軍事和工業(yè)等方面。2：數(shù)學(xué)插值。這種技術(shù)在三維動畫電影中獲得了宏大的勝利。

虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)系統(tǒng)的方塊圖用戶經(jīng)過輸入輸出設(shè)備與輸入輸出軟件交互。輸入軟件經(jīng)過外形編輯器完成幾何建模，經(jīng)過聲音編輯器完成虛擬聲音系統(tǒng)建模。然后，在世界編輯器完成虛擬環(huán)境的建模。其中的虛擬剪切器，用于模型的剪切。建立的模型，保管在虛擬世界中。整個(gè)任務(wù)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中完成第二節(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)有關(guān)的人的要素為什么要討論人的要素？計(jì)算機(jī)，接口和用戶是VR系統(tǒng)中的三個(gè)組成部分。接口設(shè)計(jì)必需思索人的要素，人的要素與VR系統(tǒng)性能直接相關(guān)。虛擬現(xiàn)實(shí)中有關(guān)的人的要素詳細(xì)有哪些方面？人眼人耳身體覺得虛擬現(xiàn)實(shí)有關(guān)的人的要素----人眼1．視覺生理構(gòu)造2．立體視覺3．屈光度4．瞳孔5．分辨力6．明暗順應(yīng)7．周圍視覺和中央視覺8．視覺暫留9．視場1．視覺生理構(gòu)造

大腦皮層〔CerebralCortex〕是大腦半球的最外層，它擔(dān)任各種方式的覺得。視網(wǎng)膜〔Retina〕是在每只眼背部的神經(jīng)細(xì)胞的多層膜，它把光轉(zhuǎn)成電信號，并經(jīng)過視神經(jīng)和管道傳給大腦。

以下圖表示，視網(wǎng)膜的解剖圖。圖中顯示了層，管道和神經(jīng)。

光感受器〔Photoreceptor〕是每只眼睛視網(wǎng)膜中1.25億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞中的一部分，它在遭到特定波長的光的刺激時(shí)，會發(fā)出電信號。視網(wǎng)膜是眼的光敏層，幾百微米厚，有10層。光線經(jīng)過其中8層，被另外兩層的視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞的光接納器〔Photoreceptor〕吸收。每只眼的視網(wǎng)膜上有1.25億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞。脊椎動物有兩種光感受器，：視桿細(xì)胞〔rods〕擔(dān)任低分辨率的、單色的、夜間的視覺。視錐細(xì)胞〔cones〕擔(dān)任高分辨率的、彩色的、白天的視覺。它破費(fèi)25ms把光轉(zhuǎn)成電信號，再送給大腦。右圖表示，視網(wǎng)膜內(nèi)光感受器的解剖圖。圖中桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞在上部，通向大腦的視神經(jīng)纖維在下部。2．立體視覺視覺的另一個(gè)重要要素是立體視覺才干。提供應(yīng)人類視覺的圖像，必需使人覺得是立體的。這樣，觀看者的視覺系統(tǒng)就可以計(jì)算出被看物體的遠(yuǎn)近。對同一個(gè)場景，兩眼得到稍有差別的視圖。左視區(qū)的信息，送到兩眼視網(wǎng)膜的右側(cè)。在視交叉處，左眼的一半神經(jīng)纖維交叉到大腦的右半球，左眼的另一半神經(jīng)纖維不交叉，直接到大腦的左半球。這樣，兩眼得到的左視區(qū)的一切信息，都送到右半球。右圖表示，人類立體視覺的原理圖。HMD〔頭盔顯示器〕提供兩個(gè)顯示，不但應(yīng)堅(jiān)持雙目視差，而且應(yīng)該重疊。實(shí)踐上,由于兩眼有6.5cm的瞳距，所以兩者視場總有些差別,有不重疊的區(qū)域。對中央凹區(qū)域，深度感在150m時(shí)減弱。對周圍視覺，深度感在100m減弱。而在這個(gè)間隔上，雙目視差不是最有用的，運(yùn)動視差和透視能夠更有用。3．屈光度與眼的光學(xué)部分有關(guān)的一個(gè)度量是"屈光度"〔dioptre〕。有1個(gè)屈光度的鏡頭，可以聚焦平行光線在1米間隔。人眼的聚焦才干約60屈光度，這闡明聚焦平行光在17mm間隔，這就是眼球尺寸，是晶狀體和視網(wǎng)膜的間隔。年青人可以延續(xù)改動14個(gè)屈光度，這稱為調(diào)理或聚焦。這保證對遠(yuǎn)近物體都能看到明晰的圖像。年長后調(diào)理才干減弱，50歲時(shí)調(diào)理才干2個(gè)屈光度，70歲時(shí)調(diào)理才干0個(gè)屈光度。在凝視運(yùn)動物體時(shí)，自動調(diào)理屈光度。調(diào)理作用保證某個(gè)間隔的物體明晰，而其它間隔物體模糊。這起了濾波器的作用，使人集中關(guān)凝視場中部分區(qū)域。在HMD中沒有調(diào)理，2個(gè)圖像都是聚焦在2到3米間隔。4．瞳孔瞳孔是晶狀體前的孔，直徑可變化，由1.5mm到8mm。面積之比1:30。瞳孔作用有三個(gè)：(a)放大時(shí)可添加眼的敏感；(b)減少時(shí)可添加近視覺的視距；(c)減少時(shí)可限制入射光在光學(xué)效果最好的中心區(qū)。5．分辨力分辨力是人眼區(qū)分兩個(gè)點(diǎn)的才干，限于10m間隔上約1.5-2mm。例如在2m的間隔觀看寬度400mm的電視。人眼區(qū)分兩個(gè)點(diǎn)的才干，在2m間隔上約0.4mm。那么寬度400mm上應(yīng)該由1000個(gè)0.4mm大小的像素。計(jì)算機(jī)監(jiān)視器和高明晰度電視機(jī)，都到達(dá)了這樣的分辨率。6．明暗順應(yīng)眼對亮度的覺得可以自動調(diào)理，這是經(jīng)過改動在視桿和視錐細(xì)胞中光敏化合物的濃度。例如從亮處進(jìn)入暗室時(shí)的景象，稱為暗順應(yīng)，破費(fèi)約40分。亮順應(yīng)是從暗室進(jìn)入陽光下時(shí)的景象，這種順應(yīng)的強(qiáng)度變化在25000倍。視桿細(xì)胞順應(yīng)時(shí)間約1小時(shí)，視錐細(xì)胞順應(yīng)時(shí)間約幾分鐘。7．周圍視覺和中央視覺視網(wǎng)膜不僅是被動的光敏外表。經(jīng)過視桿和視錐細(xì)胞與神經(jīng)細(xì)胞的銜接，它還有一定的圖像處置。中央凹是視網(wǎng)膜中央部分，在光軸與視網(wǎng)膜焦點(diǎn)附近，直徑約1mm，有高密度視錐細(xì)胞。中央凹區(qū)域的視覺稱為中央視覺。中央視覺是高分辨率部分，有彩色的、白天的視覺。視網(wǎng)膜周圍區(qū)域包含視桿和視錐細(xì)胞。視網(wǎng)膜周圍區(qū)域的視覺稱為周圍視覺。這些神經(jīng)細(xì)胞對光強(qiáng)的變化敏感，它協(xié)助我們留意運(yùn)動物體。周圍視覺雖然分辨率低，是單色的、夜間的視覺，但敏感運(yùn)動物體。8．視覺暫留視覺暫留是視網(wǎng)膜的電化學(xué)景象呵斥視覺的反響時(shí)間。當(dāng)觀看很短的光脈沖時(shí)，視桿細(xì)胞得到約0.25s的峰，視錐細(xì)胞快4倍，得到約0.04s的峰。這種景象呵斥視覺暫留現(xiàn)有的VR技術(shù)，能否對以上8個(gè)人眼的要素都思索到了？人眼的八個(gè)要素：視覺生理構(gòu)造、立體視覺、屈光度、瞳孔、分辨力、明暗順應(yīng)、周圍視覺和中央視覺、視覺暫留、視場現(xiàn)有的VR系統(tǒng)中，曾經(jīng)思索的要素包括：立體視覺，分辨力，視覺暫留，以及視場。其他要素還沒有充分思索到。虛擬現(xiàn)實(shí)有關(guān)的人的要素----人耳1．聲音2．聲音覺得3．頻率范圍4．聲強(qiáng)5．聲音方向6．聲音舞臺7．頭部有關(guān)的傳送函數(shù)

1．聲音

音速在空氣中，0℃時(shí)331m/s，20℃時(shí)344m/s。在海水中，1℃時(shí)音速1453m/s。在鑄鐵棒中，音速3500m/s。

耳聽到的頻率范圍約20Hz到20kHz。隨年歲添加，頻率范圍減少，特別是高頻段。

思索音速344m/s。20Hz的波長17.2m,1kHz的波長34.4cm,10kHz的波長3.44cm。人耳的尺寸約7cm，這是5kHz的波長。這闡明耳會影響這種頻率聲音的搜集。人的身體也會與聲波交互，這也會影響聲音的質(zhì)量。這類似音樂廳中的音響效果。

2．聲音覺得

耳分為外耳、中耳、內(nèi)耳。外耳把聲音引導(dǎo)進(jìn)內(nèi)耳，它也作為濾波器而改動聲音。把手放在耳前面，就會感到聲音變化。聲音最終沖擊耳膜，使之振動。耳膜振動再傳到耳蝸，并且振動加大20倍。3．頻率范圍

耳蝸有3個(gè)螺旋管，被2個(gè)膜片分開，Reissner膜和耳底膜。振動會刺激耳底膜上的2萬到3萬個(gè)硬毛，并產(chǎn)生電信號傳給大腦。耳底膜有識別頻率的機(jī)制。高頻振動刺激膜的開場部分，中頻振動刺激膜的中間部分，低頻振動刺激膜的遠(yuǎn)端部分。

4．聲強(qiáng)聲強(qiáng)影響到耳底膜的振幅，直接轉(zhuǎn)成毛細(xì)胞的刺激。5．聲音方向普通以為，人腦識別聲源位置，是利用兩耳收到的聲音的時(shí)間差和聲音幅度差。當(dāng)人面對聲源時(shí)，兩耳的聲強(qiáng)和途徑相等。當(dāng)人向左轉(zhuǎn)以后，右耳聲音比左耳強(qiáng)，且更早聽到。假設(shè)兩耳途徑之差為20cm，那么時(shí)間差0.6ms。6．聲音舞臺假設(shè)用一對麥克風(fēng)記錄立體聲音，就可以重現(xiàn)聲音舞臺，它有寬度和深度。7．頭部有關(guān)的傳送函數(shù)

在聽耳機(jī)時(shí)，每個(gè)耳只聽一個(gè)發(fā)聲器的聲音。當(dāng)然一個(gè)耳中的聲音，也會經(jīng)頭部傳給另一耳。在聽揚(yáng)聲器時(shí)，每個(gè)耳都分別聽到兩個(gè)揚(yáng)聲器的聲音。

1974年P(guān)lenge以為，進(jìn)入耳的聲音的方式，會產(chǎn)生外部的聲音舞臺的覺得。對于耳機(jī)〔特別是插入式耳塞〕，覺得的聲音舞臺是內(nèi)部的。假設(shè)驅(qū)動耳機(jī)的左右通道可以由電子設(shè)備構(gòu)成聲音，那么人會覺得聲音有外部的真實(shí)性。為此要求知道聲音的外形，或由聲源到耳內(nèi)部的傳送函數(shù)。這個(gè)由聲源到耳內(nèi)部的傳送函數(shù)稱為"頭部有關(guān)的傳送函數(shù)"(Head-relatedtransferfunctions,HRTF)，它反映頭和耳對傳聲的影響，不同的人有不同的HRTF。

HRTF的丈量方法如下。對空間每個(gè)位置的聲源，安放在耳中接近耳膜的小麥克風(fēng)丈量收到的信號。信號經(jīng)過處置，補(bǔ)償非線性頻率呼應(yīng)。由此得到HRTF。現(xiàn)有的VR系統(tǒng)中，曾經(jīng)思索的人耳的要素有哪些？現(xiàn)有的VR系統(tǒng)中，曾經(jīng)思索的要素包括：聲音方向，聲音舞臺，以及頭部有關(guān)的傳送函數(shù)。其他要素還沒有充分思索到。虛擬現(xiàn)實(shí)有關(guān)的人的要素----身體覺得在VR環(huán)境中，我們說的身體覺得，主要是對哪些事物的覺得？覺得外表粗糙、振動、運(yùn)動、位置、壓力、疼痛和溫度。現(xiàn)有的VR系統(tǒng)中，曾經(jīng)思索了觸覺和力覺顯示。但是有關(guān)的技術(shù)細(xì)節(jié)還沒有充分思索到。按身體不同部位，身體覺得可分四類。(a)深部覺得它提供關(guān)節(jié)、骨、腱、肌肉和其它組織的信息，涉及壓力、疼痛和振動。(b)內(nèi)臟覺得它提供胸腹腔中的內(nèi)臟的情況，主要是疼痛(c)本體覺得它提供身體的位置，平衡和肌肉覺得。也涉及與其它物體的接觸，如站在地上、躺在床上。本體覺得接受器位于關(guān)節(jié)、肌肉和深部組織。(d)外感受覺得它是身體外表的接觸覺得VR系統(tǒng)中，對眾多的人的要素是如何思索的？在VR中，某些人的要素明顯被思索，如HMD中思索瞳距。另外一些人的要素未明顯思索，如運(yùn)動眩暈。

DefenceResearchAgency研討了沉浸感顯示的副作用。有些人以為用HMD看不同遠(yuǎn)處物體時(shí)，不能用會聚和調(diào)理，使人不順應(yīng)。有人以為HMD與內(nèi)瞳距不匹配也使眼疲勞。有人以為眼不是會聚，而是在發(fā)散。有些用戶很敏感運(yùn)動刺激，如汽車、船、飛機(jī)、火車等。

有人實(shí)驗(yàn)研討了VR引起運(yùn)動眩暈問題。在150個(gè)實(shí)驗(yàn)者中，有8人產(chǎn)生劇烈眩暈。其它實(shí)驗(yàn)者閱歷了20分鐘沉浸環(huán)境。5分后有22%的人眩暈，10分后有32%人眩暈，15分后有40%人眩暈，20分后有45%人眩暈。在沉浸閱歷以后5分鐘，還有36%的人眩暈，10分鐘后還有27%的人眩暈。

在VR中，具有圖像生成的延遲，視覺和前庭器官信息的時(shí)間不同步也呵斥覺得〔視覺與本體覺得〕的沖突?？焖偬幹煤陀铚y算法有能夠緩解這種不同步。章內(nèi)小節(jié)引見了虛擬現(xiàn)實(shí)的概念和有關(guān)的人的要素。

虛擬現(xiàn)實(shí)或虛擬環(huán)境是人工構(gòu)造的，存在于計(jì)算機(jī)內(nèi)部的環(huán)境，包括人類操作者、人機(jī)接口和計(jì)算機(jī)。虛擬現(xiàn)實(shí)具有三個(gè)特點(diǎn)。

人的視覺問題和聽覺問題，都是和虛擬現(xiàn)實(shí)有關(guān)的人的要素。習(xí)題一、填空題

1、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的三個(gè)部分是——————2、遙操作系統(tǒng)的三個(gè)部分是——————

3、加強(qiáng)顯示系統(tǒng)是——————

4、合成顯示系統(tǒng)是——————

5、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的三個(gè)特點(diǎn)是——————

6、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的三個(gè)I是——————

7、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的主要運(yùn)用領(lǐng)域是——————

8、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的三個(gè)主要技術(shù)領(lǐng)域是——————。

9、視覺交叉的結(jié)果是，腦左半球處置——————

10、人眼的屈光度是。眼球的焦距是——————

11、人眼的分辨率在10m間隔上為——————

12、中央視覺特點(diǎn)是。主要利用的細(xì)胞是——————

13、周圍視覺特點(diǎn)是。主要利用的細(xì)胞是——————

14、確定電影和電視的幀頻應(yīng)該思索人眼的景象——————

15、人耳的HRTF的中文稱號是。其含義是。其丈量方法是————