虛擬現實技術及其應用

前言

虛擬現實技術提供給用戶隱藏在數據背后的信息，能夠對客觀世界進行可視化的表達和模擬，能夠實現友好的人機交互。它可以把仿真中的數字變成以圖形圖像形式表示的直觀的仿真過程，并隨時間和空間的變化呈現在研究人員面前，使研究人員能夠知道系統(tǒng)中的變量之間、變量與參數之間、變量與外部環(huán)境之間的關系，從而直接獲得系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性。因此，可以說虛擬現實技術已經成為各領域研究問題、展示和高效使用研究成果的方法、手段和工具。隨著技術的進步，相關硬件產品的性能提高和價格下降，虛擬現實的應用出現了全新的局面。它突破了傳統(tǒng)的軍事和空間開發(fā)等應用，開始在科學計算機可視化、建筑設計漫游、產品設計，以及教育、培訓、工業(yè)、醫(yī)療和娛樂等方面進行廣泛的應用。充分展示了利用虛擬現實技術在物體造形性、現實世界模擬性、系統(tǒng)可操作性、通信性及娛樂性等方面的開發(fā)與使用。那么如何快速地開發(fā)一個完整和操作簡單的虛擬現實應用系統(tǒng)呢？怎樣讓虛擬現實理論與實際應用相結合呢？這是我們必須要面對的兩個關鍵問題。利用虛擬現實技術開發(fā)應用系統(tǒng)的關鍵在于開發(fā)目標的確立、系統(tǒng)軟硬件環(huán)境的選擇、虛擬場景的建立、場景交互功能的設計與實現以及數據庫設計與開發(fā)等。面向不同領域不同對象的虛擬現實系統(tǒng)的開發(fā)在方式、方法上有一定的相似性、重復性和可借鑒性。因此，本書的目的不在于對虛擬現實技術本身進行全面的介紹，而在于突出理論研究與實際應用的結合，將我們在利用虛擬現實技術開發(fā)應用系統(tǒng)中的經驗、方法和成果整理出來，拋磚引玉，以供讀者借鑒和參考。讓讀者能夠學到開發(fā)虛擬現實應用系統(tǒng)的思路、方法和手段，以及領悟到虛擬現實應用的必要性。本書的第1章介紹了虛擬現實系統(tǒng)的基本概念、特征、組成、分類、應用領域及發(fā)展狀況等。第2章介紹與虛擬現實相關的技術，包括虛擬場景建模技術的分類、環(huán)境建模的方法、建模語言等。第3章是目前研究較多的基于圖像的建模技術，包括編著者的一些研究成果。第4章是對主流的虛擬現實應用系統(tǒng)開發(fā)工具的介紹。第5章的內容是虛擬現實人機交互。第6章至結尾部分是編著者在開發(fā)各種虛擬現實系統(tǒng)中比較有代表性和成功的例子，同時將系統(tǒng)開發(fā)程序源碼毫無保留地展現給讀者，使讀者輕松掌握虛擬現實開發(fā)方法。本書的編寫集合了作者及虛擬現實技術界多位理論與實踐工作者的研究成果及大量實踐經驗。同時本書的編寫得到了61081部隊的領導、同志和解放軍測繪學院劉松林老師及電子工業(yè)出版社的大力支持，謹此向他們表示誠摯的謝意。同時感謝李振宇、李清磊、李建、顧冬華、時菁、甄軍濤、萬家歡、邱雪峰、蹇和達等同志，他們的研究工作是本書的重要基礎。

內容概要

　　《虛擬現實技術及其應用》全面地介紹了虛擬現實技術的相關理論和研究成果，包括虛擬場景建模、人機交互、虛擬現實開發(fā)工具等。《虛擬現實技術及其應用》突出理論研究與實際應用的結合，詳細介紹了基于圖像的建模技術和一些研究成果，提供了虛擬現實技術在消防、工業(yè)控制、衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)上的應用開發(fā)實例，包括開發(fā)程序的源代碼，便于讀者對虛擬現實技術的理解和掌握，從而對虛擬現實應用系統(tǒng)的開發(fā)有思路、有方法、有技巧?！　　短摂M現實技術及其應用》可以作為虛擬現實的開發(fā)人員及相關專業(yè)的本科生和研究生的參考用書。

書籍目錄

第1章 虛擬現實技術概論1.1 虛擬現實技術的基本概念1.2 虛擬現實的3I特性1.3 虛擬現實系統(tǒng)的組成1.3.1 輸入部分1.3.2 輸出系統(tǒng)1.3.3 虛擬環(huán)境數據庫1.4 虛擬現實系統(tǒng)的分類1.4.1 桌面虛擬現實系統(tǒng)1.4.2 沉浸式虛擬現實系統(tǒng)1.4.3 分布式虛擬現實系統(tǒng)1.4.4 增強現實（或混合現實）系統(tǒng)1.5 虛擬現實技術與其他計算機相關技術的關系1.6 虛擬現實技術的發(fā)展概況1.7 虛擬現實的應用領域1.8 典型虛擬現實系統(tǒng)第2章 虛擬現實建模2.1 三維場景的計算機圖形學原理2.1.1 三維圖形繪制原理2.1.2 坐標系相關概念2.2 虛擬場景建模技術分類2.3 環(huán)境建模技術2.3.1 基本外觀造形階段2.3.2 行為屬性建模2.3.3 虛擬環(huán)境對象建模2.3.4 用戶對象建模2.4 虛擬現實建模語言（VRML）2.4.1 VRML的基本工作原理及其基本特性2.4.2 VRML文件的組成2.4.3 VRML的節(jié)點和域2.4.4 VRML文件格式及MIME類型2.4.5 VRML中的動畫效果2.4.6 VRML自身的場景交互2.4.7 通過Java實現和VRML場景的交互第3章 基于立體視覺的圖像建模技術3.1 基于立體視覺的圖像建模技術概述3.2 圖像獲取3.3 視覺圖像特征提取3.3.1 點特征提取3.3.2 邊緣檢測原理3.3.3 幾種常見的邊緣檢測算子3.3.4 幾種經典算子的檢測結果對比3.4 拐角檢測3.4.1 基于鄰域錨點的快速圖像拐角檢測3.4.2 算法實現3.4.3 算法分析及實驗結果3.5 立體匹配3.5.1 立體匹配中的約束條件3.5.2 匹配策略的選擇3.6 攝像機標定與三維重建3.6.1 坐標系3.6.2 典型的攝像機模型3.6.3 基于OpenCV的攝像機標定方法3.6.4 基于對極幾何和主動視覺的攝像機標定方法3.6.5 利用VRML實現三維模型的表示和渲染第4章 虛擬現實應用系統(tǒng)開發(fā)工具4.1 虛擬現實軟件開發(fā)包WTK4.1.1 WTK場景運行機制4.1.2 WTK場景圖渲染方式4.1.3 WTK虛擬系統(tǒng)場景圖組織結構實例4.1.4 實體模型文件格式4.1.5 模型初始參數設置4.1.6 動態(tài)模型格式修改4.1.7 對象模型的材質紋理表現4.1.8 場景文件輸出4.1.9 WTK文件格式4.1.10 人機交互模式的實現4.2 虛擬現實仿真系統(tǒng)開發(fā)平臺Vega簡介4.2.1 Vega基本類庫描述4.2.2 Vega仿真程序的建立4.2.3 仿真程序的主循環(huán)4.2.4 基于MFC的Vega應用的程序結構4.3 OpenGL簡介4.3.1 直觀的三維圖形開發(fā)環(huán)境4.3.2 三維圖形開發(fā)標準4.3.3 OpenGL的體系結構4.3.4 OpenGL圖形實現方式4.3.5 創(chuàng)建OpenGL應用程序的步驟第5章 虛擬現實人機交互5.1 雙手操作的理論基礎5.1.1 雙手操作的認知特性5.1.2 雙手操作的行為學特點5.2 雙手非對稱交互的設備組合5.2.1 三維交互設備5.2.2 雙手非對稱交互設備的選取5.2.3 二維鼠標的交互接口設計5.2.4 三維空間球的應用設計5.3 雙手非對稱交互的任務設計5.3.1 交互任務的層次結構5.3.2 交互任務分配的相關實驗研究5.3.3 雙手非對稱交互的時間特征5.3.4 虛擬現實應用系統(tǒng)中的交互任務設計5.4 交互任務實現的關鍵技術5.4.1 三維拾取5.4.2 設備模型對象的操作5.4.3 視點變換與控制5.5 可用性評估5.5.1 評估方法和技術5.5.2 評估實驗的實施方法5.6 虛擬漫游模式設計5.6.1 鍵盤自主漫游模式5.6.2 自動漫游模式5.7 碰撞檢測技術（Collision Detection）5.7.1 虛擬環(huán)境中碰撞檢測的基本原理5.7.2 虛擬漫游中基于視線的碰撞檢測原理5.7.3 虛擬漫游中基于視線的智能碰撞檢測實現方法5.8 三維虛擬界面中導航圖創(chuàng)建方法5.8.1 導航圖人機交互設計的空間認知5.8.2 導航圖開發(fā)目標5.8.3 常見平面導航圖的創(chuàng)建方法第6章 基于VR的消防參謀系統(tǒng)設計6.1 引言6.2 消防參謀系統(tǒng)設計框架6.3 通過二維組態(tài)軟件實現虛擬建筑物的三維建模6.4 消防參謀系統(tǒng)二維圖形組態(tài)軟件設計6.4.1 主界面設計6.4.2 基本元素模塊設計6.4.3 數據IO模塊設計6.4.4 其他模塊設計6.5 基于VRML的三維引擎基本構架6.6 消防參謀系統(tǒng)三維監(jiān)控軟件構架6.7 消防參謀系統(tǒng)三維監(jiān)控軟件功能實現6.7.1 建立三維虛擬建筑6.7.2 與智能傳感器通信估測火災信息6.7.3 智能傳感器的數據記錄6.7.4 三維虛擬建筑的遠程訪問第7章 工控組態(tài)軟件三維監(jiān)控界面的原型系統(tǒng)開發(fā)7.1 引言7.2 傳統(tǒng)監(jiān)控組態(tài)軟件結構分析7.3 新型組態(tài)軟件整體方案論證7.3.1 實時數據庫系統(tǒng)方案7.3.2 虛擬監(jiān)控界面開發(fā)運行系統(tǒng)定位7.3.3 基于用戶的系統(tǒng)功能分析7.3.4 基于人機交互接口的系統(tǒng)分析7.3.5 虛擬場景構造分析7.3.6 基于虛擬場景構造的功能分析7.3.7 基于工藝流程仿真的系統(tǒng)分析7.3.8 本系統(tǒng)軟件框架圖7.4 虛擬監(jiān)控組態(tài)軟件開發(fā)目標7.5 系統(tǒng)功能模塊概述7.6 系統(tǒng)開發(fā)的軟硬件環(huán)境7.6.1 系統(tǒng)的硬件組成7.6.2 虛擬現實系統(tǒng)開發(fā)引擎7.7 基于MFC和WTK驅動內核的平臺框架7.8 組態(tài)平臺設計7.8.1 設備模型庫功能模塊7.8.2 模型預覽功能模塊7.8.3 鼠標交互操作功能模塊7.8.4 三維鼠標交互接口7.8.5 場景模型管理模塊7.8.6 屬性配置功能模塊7.8.7 場景文件及相關配置文件保存功能模塊7.9 監(jiān)控運行平臺設計7.9.1 組態(tài)文件解析功能模塊7.9.2 其他功能模塊7.10 組態(tài)軟件三維監(jiān)控界面在實際工程上的仿真應用7.10.1 評價系統(tǒng)介紹7.10.2 系統(tǒng)設計7.11 評價系統(tǒng)監(jiān)控界面的實現第8章 基于VR技術的GPS仿真系統(tǒng)開發(fā)8.1 引言8.2 GPS系統(tǒng)組成8.2.1 空間部分8.2.2 地面控制部分8.2.3 用戶部分8.3 GPS仿真系統(tǒng)設計背景8.3.1 仿真運行系統(tǒng)開發(fā)定位8.3.2 基于用戶的系統(tǒng)功能分析8.3.3 基于人機交互接口的系統(tǒng)分析8.3.4 虛擬場景構造及功能設計8.3.5 虛擬場景實體對象建模分析8.3.6 實時數據庫系統(tǒng)方案論證8.4 最終目標8.5 系統(tǒng)開發(fā)的軟硬件環(huán)境8.6 整體設計思路8.7 軟件功能設計8.8軟件設計8.9 關鍵技術實現8.9.1 虛擬場景實體對象建模8.9.2 星歷文件讀/寫8.9.3 星歷數據處理及其Matlab仿真8.9.4 利用WTK構建運行場景8.9.5 場景構建中的坐標系轉換8.9.6 停靠式樹形控件的生成8.9.7 可見衛(wèi)星個數8.9.8 星下點軌跡繪制模塊8.9.9 切比雪夫多項式擬合8.9.10 數據庫參考文獻主要參考網站

章節(jié)摘錄

插圖：虛擬環(huán)境對象主要提供對虛擬場景中實體模型的真實感進行渲染的功能，其中主要包括燈光對象、聲音對象和霧效對象.三維場景中的燈光對象是影響實體模型表面顏色顯示的重要因素，同時也是影響模型表面材質表達的重要因素。虛擬聲音不同于普通的立體聲音，立體聲音通常不能夠提供聲音的方位信息，聽者感覺聲音發(fā)自頭的內部，而虛擬聲音則可以提供聲音相對于聽者的空間位置信息，聽者通過聲音可以判斷其來源與方位。虛擬聲音在虛擬監(jiān)控系統(tǒng)中可以增加監(jiān)控人員的沉浸感，同時在漫游過程中可以幫助監(jiān)控操作人員判斷發(fā)聲對象在虛擬場景中的相對位置，從而指導監(jiān)控瀏覽過程。虛擬聲音對象建模可采用面向對象技術，把聲音和聽者作為對象進行管理。聽者類主要用來說明用戶在哪里及如何聽到虛擬聲音，通過設定聽者對象屬性如空間位置、空間方位等來實現。聲音對象類主要實現對聲音文件的管理，如聲音文件的裝載、刪除、聲音播放的方式（循環(huán)與否）等。霧效對象主要提供場景中的霧效，通過加入霧效節(jié)點，使場景中的物體融入背景中，使整個畫面顯得更加自然，特定的虛擬場景通過煙霧效果能夠更加真實地表達現實世界中的實際環(huán)境。從計算機圖形繪制過程來說，霧效的執(zhí)行首先需要對模型進行矩陣變換、光照、紋理映射后才進行，因此它影響的是經過上述變換后的實體對象模型。有時使用霧效可以提高仿真性能，因為系統(tǒng)不必繪制由于霧而看不到的實體對象。

編輯推薦

《虛擬現實技術及其應用》主要特點：算法框圖——以框圖形式給出關鍵算法。方法驗證——提供詳細的新算法分析、驗證和效果圖。實例化——用開發(fā)實例講解虛擬現實理論與實際的結合。源代碼呈現——提供詳細的開發(fā)應用程序的源代碼。

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