虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其應(yīng)用

前言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供給用戶隱藏在數(shù)據(jù)背后的信息，能夠?qū)陀^世界進(jìn)行可視化的表達(dá)和模擬，能夠?qū)崿F(xiàn)友好的人機(jī)交互。它可以把仿真中的數(shù)字變成以圖形圖像形式表示的直觀的仿真過程，并隨時(shí)間和空間的變化呈現(xiàn)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(shù)之間、變量與外部環(huán)境之間的關(guān)系，從而直接獲得系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。因此，可以說虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)成為各領(lǐng)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(shù)的進(jìn)步，相關(guān)硬件產(chǎn)品的性能提高和價(jià)格下降，虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用出現(xiàn)了全新的局面。它突破了傳統(tǒng)的軍事和空間開發(fā)等應(yīng)用，開始在科學(xué)計(jì)算機(jī)可視化、建筑設(shè)計(jì)漫游、產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以及教育、培訓(xùn)、工業(yè)、醫(yī)療和娛樂等方面進(jìn)行廣泛的應(yīng)用。充分展示了利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在物體造形性、現(xiàn)實(shí)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(gè)完整和操作簡單的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)呢？怎樣讓虛擬現(xiàn)實(shí)理論與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合呢？這是我們必須要面對(duì)的兩個(gè)關(guān)鍵問題。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵在于開發(fā)目標(biāo)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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)以及數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)與開發(fā)等。面向不同領(lǐng)域不同對(duì)象的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開發(fā)在方式、方法上有一定的相似性、重復(fù)性和可借鑒性。因此，本書的目的不在于對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身進(jìn)行全面的介紹，而在于突出理論研究與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合，將我們?cè)诶锰摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)中的經(jīng)驗(yàn)、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?qū)W到開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的思路、方法和手段，以及領(lǐng)悟到虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的必要性。本書的第1章介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本概念、特征、組成、分類、應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展?fàn)顩r等。第2章介紹與虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)的技術(shù)，包括虛擬場景建模技術(shù)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(shù)，包括編著者的一些研究成果。第4章是對(duì)主流的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具的介紹。第5章的內(nèi)容是虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互。第6章至結(jié)尾部分是編著者在開發(fā)各種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中比較有代表性和成功的例子，同時(shí)將系統(tǒng)開發(fā)程序源碼毫無保留地展現(xiàn)給讀者，使讀者輕松掌握虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)方法。本書的編寫集合了作者及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)界多位理論與實(shí)踐工作者的研究成果及大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)本書的編寫得到了61081部隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)、同志和解放軍測繪學(xué)院劉松林老師及電子工業(yè)出版社的大力支持，謹(jǐn)此向他們表示誠摯的謝意。同時(shí)感謝李振宇、李清磊、李建、顧冬華、時(shí)菁、甄軍濤、萬家歡、邱雪峰、蹇和達(dá)等同志，他們的研究工作是本書的重要基礎(chǔ)。

內(nèi)容概要

　　《虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其應(yīng)用》全面地介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的相關(guān)理論和研究成果，包括虛擬場景建模、人機(jī)交互、虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具等。《虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其應(yīng)用》突出理論研究與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合，詳細(xì)介紹了基于圖像的建模技術(shù)和一些研究成果，提供了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在消防、工業(yè)控制、衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)上的應(yīng)用開發(fā)實(shí)例，包括開發(fā)程序的源代碼，便于讀者對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的理解和掌握，從而對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)有思路、有方法、有技巧?！　　短摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其應(yīng)用》可以作為虛擬現(xiàn)實(shí)的開發(fā)人員及相關(guān)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(xiàn)實(shí)技術(shù)概論1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本概念1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)的3I特性1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)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(shù)據(jù)庫1.4 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類1.4.1 桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)1.4.2 沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)1.4.3 分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)1.4.4 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（或混合現(xiàn)實(shí)）系統(tǒng)1.5 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與其他計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)的關(guān)系1.6 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展概況1.7 虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用領(lǐng)域1.8 典型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)第2章 虛擬現(xiàn)實(shí)建模2.1 三維場景的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理2.1.1 三維圖形繪制原理2.1.2 坐標(biāo)系相關(guān)概念2.2 虛擬場景建模技術(shù)分類2.3 環(huán)境建模技術(shù)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(duì)象建模2.3.4 用戶對(duì)象建模2.4 虛擬現(xiàn)實(shí)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(diǎn)和域2.4.4 VRML文件格式及MIME類型2.4.5 VRML中的動(dòng)畫效果2.4.6 VRML自身的場景交互2.4.7 通過Java實(shí)現(xiàn)和VRML場景的交互第3章 基于立體視覺的圖像建模技術(shù)3.1 基于立體視覺的圖像建模技術(shù)概述3.2 圖像獲取3.3 視覺圖像特征提取3.3.1 點(diǎn)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(jīng)典算子的檢測結(jié)果對(duì)比3.4 拐角檢測3.4.1 基于鄰域錨點(diǎn)的快速圖像拐角檢測3.4.2 算法實(shí)現(xiàn)3.4.3 算法分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jī)標(biāo)定與三維重建3.6.1 坐標(biāo)系3.6.2 典型的攝像機(jī)模型3.6.3 基于OpenCV的攝像機(jī)標(biāo)定方法3.6.4 基于對(duì)極幾何和主動(dòng)視覺的攝像機(jī)標(biāo)定方法3.6.5 利用VRML實(shí)現(xiàn)三維模型的表示和渲染第4章 虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具4.1 虛擬現(xiàn)實(shí)軟件開發(fā)包WTK4.1.1 WTK場景運(yùn)行機(jī)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(jié)構(gòu)實(shí)例4.1.4 實(shí)體模型文件格式4.1.5 模型初始參數(shù)設(shè)置4.1.6 動(dòng)態(tài)模型格式修改4.1.7 對(duì)象模型的材質(zhì)紋理表現(xiàn)4.1.8 場景文件輸出4.1.9 WTK文件格式4.1.10 人機(jī)交互模式的實(shí)現(xiàn)4.2 虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)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(yīng)用的程序結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)4.3.3 OpenGL的體系結(jié)構(gòu)4.3.4 OpenGL圖形實(shí)現(xiàn)方式4.3.5 創(chuàng)建OpenGL應(yīng)用程序的步驟第5章 虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互5.1 雙手操作的理論基礎(chǔ)5.1.1 雙手操作的認(rèn)知特性5.1.2 雙手操作的行為學(xué)特點(diǎn)5.2 雙手非對(duì)稱交互的設(shè)備組合5.2.1 三維交互設(shè)備5.2.2 雙手非對(duì)稱交互設(shè)備的選取5.2.3 二維鼠標(biāo)的交互接口設(shè)計(jì)5.2.4 三維空間球的應(yīng)用設(shè)計(jì)5.3 雙手非對(duì)稱交互的任務(wù)設(shè)計(jì)5.3.1 交互任務(wù)的層次結(jié)構(gòu)5.3.2 交互任務(wù)分配的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究5.3.3 雙手非對(duì)稱交互的時(shí)間特征5.3.4 虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)中的交互任務(wù)設(shè)計(jì)5.4 交互任務(wù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)5.4.1 三維拾取5.4.2 設(shè)備模型對(duì)象的操作5.4.3 視點(diǎn)變換與控制5.5 可用性評(píng)估5.5.1 評(píng)估方法和技術(shù)5.5.2 評(píng)估實(shí)驗(yàn)的實(shí)施方法5.6 虛擬漫游模式設(shè)計(jì)5.6.1 鍵盤自主漫游模式5.6.2 自動(dòng)漫游模式5.7 碰撞檢測技術(shù)（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(shí)現(xiàn)方法5.8 三維虛擬界面中導(dǎo)航圖創(chuàng)建方法5.8.1 導(dǎo)航圖人機(jī)交互設(shè)計(jì)的空間認(rèn)知5.8.2 導(dǎo)航圖開發(fā)目標(biāo)5.8.3 常見平面導(dǎo)航圖的創(chuàng)建方法第6章 基于VR的消防參謀系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.1 引言6.2 消防參謀系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架6.3 通過二維組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)6.4.1 主界面設(shè)計(jì)6.4.2 基本元素模塊設(shè)計(jì)6.4.3 數(shù)據(jù)IO模塊設(shè)計(jì)6.4.4 其他模塊設(shè)計(jì)6.5 基于VRML的三維引擎基本構(gòu)架6.6 消防參謀系統(tǒng)三維監(jiān)控軟件構(gòu)架6.7 消防參謀系統(tǒng)三維監(jiān)控軟件功能實(shí)現(xiàn)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(zāi)信息6.7.3 智能傳感器的數(shù)據(jù)記錄6.7.4 三維虛擬建筑的遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)分析7.3 新型組態(tài)軟件整體方案論證7.3.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)方案7.3.2 虛擬監(jiān)控界面開發(fā)運(yùn)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(jī)交互接口的系統(tǒng)分析7.3.5 虛擬場景構(gòu)造分析7.3.6 基于虛擬場景構(gòu)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(biāo)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(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)引擎7.7 基于MFC和WTK驅(qū)動(dòng)內(nèi)核的平臺(tái)框架7.8 組態(tài)平臺(tái)設(shè)計(jì)7.8.1 設(shè)備模型庫功能模塊7.8.2 模型預(yù)覽功能模塊7.8.3 鼠標(biāo)交互操作功能模塊7.8.4 三維鼠標(biāo)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(guān)配置文件保存功能模塊7.9 監(jiān)控運(yùn)行平臺(tái)設(shè)計(jì)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(shí)際工程上的仿真應(yīng)用7.10.1 評(píng)價(jià)系統(tǒng)介紹7.10.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)7.11 評(píng)價(jià)系統(tǒng)監(jiān)控界面的實(shí)現(xiàn)第8章 基于VR技術(shù)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(shè)計(jì)背景8.3.1 仿真運(yùn)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(jī)交互接口的系統(tǒng)分析8.3.4 虛擬場景構(gòu)造及功能設(shè)計(jì)8.3.5 虛擬場景實(shí)體對(duì)象建模分析8.3.6 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)方案論證8.4 最終目標(biāo)8.5 系統(tǒng)開發(fā)的軟硬件環(huán)境8.6 整體設(shè)計(jì)思路8.7 軟件功能設(shè)計(jì)8.8軟件設(shè)計(jì)8.9 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)8.9.1 虛擬場景實(shí)體對(duì)象建模8.9.2 星歷文件讀/寫8.9.3 星歷數(shù)據(jù)處理及其Matlab仿真8.9.4 利用WTK構(gòu)建運(yùn)行場景8.9.5 場景構(gòu)建中的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換8.9.6 ?？渴綐湫慰丶纳?.9.7 可見衛(wèi)星個(gè)數(shù)8.9.8 星下點(diǎn)軌跡繪制模塊8.9.9 切比雪夫多項(xiàng)式擬合8.9.10 數(shù)據(jù)庫參考文獻(xiàn)主要參考網(wǎng)站

章節(jié)摘錄

插圖：虛擬環(huán)境對(duì)象主要提供對(duì)虛擬場景中實(shí)體模型的真實(shí)感進(jìn)行渲染的功能，其中主要包括燈光對(duì)象、聲音對(duì)象和霧效對(duì)象.三維場景中的燈光對(duì)象是影響實(shí)體模型表面顏色顯示的重要因素，同時(shí)也是影響模型表面材質(zhì)表達(dá)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(nèi)部，而虛擬聲音則可以提供聲音相對(duì)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(shí)在漫游過程中可以幫助監(jiān)控操作人員判斷發(fā)聲對(duì)象在虛擬場景中的相對(duì)位置，從而指導(dǎo)監(jiān)控瀏覽過程。虛擬聲音對(duì)象建?？刹捎妹嫦?qū)ο蠹夹g(shù)，把聲音和聽者作為對(duì)象進(jìn)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(shè)定聽者對(duì)象屬性如空間位置、空間方位等來實(shí)現(xiàn)。聲音對(duì)象類主要實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)象主要提供場景中的霧效，通過加入霧效節(jié)點(diǎn)，使場景中的物體融入背景中，使整個(gè)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(shí)地表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)際環(huán)境。從計(jì)算機(jī)圖形繪制過程來說，霧效的執(zhí)行首先需要對(duì)模型進(jìn)行矩陣變換、光照、紋理映射后才進(jìn)行，因此它影響的是經(jīng)過上述變換后的實(shí)體對(duì)象模型。有時(shí)使用霧效可以提高仿真性能，因?yàn)橄到y(tǒng)不必繪制由于霧而看不到的實(shí)體對(duì)象。

編輯推薦

《虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其應(yīng)用》主要特點(diǎn)：算法框圖——以框圖形式給出關(guān)鍵算法。方法驗(yàn)證——提供詳細(xì)的新算法分析、驗(yàn)證和效果圖。實(shí)例化——用開發(fā)實(shí)例講解虛擬現(xiàn)實(shí)理論與實(shí)際的結(jié)合。源代碼呈現(xiàn)——提供詳細(xì)的開發(fā)應(yīng)用程序的源代碼。

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