虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)及可視化設(shè)計(jì)

前言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是近年來興起的新技術(shù)。它利用三維真實(shí)感圖形、虛擬立體聲以及力/觸覺反饋系統(tǒng)等人機(jī)交互新技術(shù)增強(qiáng)了身臨其境的感覺。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軍事、航天、醫(yī)學(xué)、設(shè)計(jì)和影視娛樂等方面有著十分廣泛的應(yīng)用。對一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，三維真實(shí)感圖形是增強(qiáng)系統(tǒng)表現(xiàn)力的重要部分。對計(jì)算機(jī)圖形學(xué)來說，實(shí)現(xiàn)三維真實(shí)感圖形的方法很多。目前常用的方法是基于OpenGL（OpenGraphicsLibrary）實(shí)現(xiàn)高性能的三維圖形。OpenGL是一套跨平臺的圖形庫，它源于SGI公司為其圖形工作站開發(fā)的IRISGL，它于1992年7月發(fā)布10版，現(xiàn)已成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。OpenGL適用于各種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)三維圖形制作必須掌握的開發(fā)工具。本書在介紹虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)知識及交互設(shè)備后，重點(diǎn)介紹OpenGL庫函數(shù)。通過學(xué)習(xí)這些庫函數(shù)，讀者可以制作高精度的三維圖形。為方便教學(xué)，本書配套的電子教案可免費(fèi)提供給采用本書作為教材的院校使用。如有需要，請發(fā)電子郵件至haoyinghua@cipcomcn。本書的編寫由秦文虎、狄嵐、姚曉峰和陳偉琦四位老師共同完成，在編寫過程中還得到特聘教授趙正旭和碩士研究生蘇國輝、顧金東、劉曉梅和姚雪峰的幫助，在此向他們表示感謝。由于水平有限，書中難免存在疏漏和錯(cuò)誤之處，希望廣大讀者批評指正。秦文虎2009年5月

內(nèi)容概要

本書是虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)及可視化設(shè)計(jì)的一本實(shí)用教材，首先講述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)知識和相關(guān)交互設(shè)備，然后將VC++語言與OpenGL相結(jié)合，以大量實(shí)例詳細(xì)介紹如何在VC++的基礎(chǔ)上用OpenGL庫函數(shù)建立虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可視化設(shè)計(jì)的編程技術(shù)。全書既注重原理又注重實(shí)踐，配有大量例題，概念講解清楚，具有較好的可讀性及可操作性。每章備有習(xí)題。     本書可作為普通高等院校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、數(shù)字媒體技術(shù)等相關(guān)專業(yè)教材，也可供從事虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研制、開發(fā)及應(yīng)用技術(shù)人員學(xué)習(xí)參考。

書籍目錄

1 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　　1.1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展概述　　1.1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的定義　　1.1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的組成　　1.1.4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本特征　1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的分類　1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域　　1.3.1 軍事應(yīng)用　　1.3.2 城市仿真　　1.3.3 教育與培訓(xùn)　　1.3.4 工業(yè)應(yīng)用　　1.3.5 醫(yī)學(xué)應(yīng)用　　1.3.6 科學(xué)計(jì)算可視化　　1.3.7 藝術(shù)與娛樂　1.4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r　　1.4.1 美國的研究現(xiàn)狀　　1.4.2 歐盟的研究現(xiàn)狀　　1.4.3 日本的研究現(xiàn)狀　　1.4.4 我國的研究現(xiàn)狀　習(xí)題12 虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備　2.1 視覺顯示系統(tǒng)　　2.1.1 立體成像原理　　2.1.2 頭盔顯示器（Head Mounted Display，HMD）　　2.1.3 雙目全方位顯示器(BOOM)　　2.1.4 CRT終端?液晶光閘眼鏡　　2.1.5 大屏幕投影?液晶光閘眼鏡　2.2 三維聲音系統(tǒng)　2.3 虛擬物體操作設(shè)備　　2.3.1 數(shù)據(jù)手套（Data Glove）　　2.3.2 力矩球（Space Ball）　　2.3.3 操縱桿　　2.3.4 觸覺反饋裝置　　2.3.5 力覺反饋裝置　2.4 運(yùn)動捕捉系統(tǒng)　　2.4.1 機(jī)械式運(yùn)動捕捉　　2.4.2 聲學(xué)式運(yùn)動捕捉　　2.4.3 電磁式運(yùn)動捕捉　　2.4.4 光學(xué)式運(yùn)動捕捉　　2.4.5 數(shù)據(jù)衣　2.5 快速建模設(shè)備　2.6 三維跟蹤設(shè)備　　2.6.1 3-D電磁跟蹤器　　2.6.2 超聲波跟蹤器　2.6.3 光學(xué)跟蹤器　習(xí)題23 OpenGL簡介　3.1 OpenGL概述　3.2 OpenGL基本功能　3.3 OpenGL語法規(guī)則　3.4 OpenGL狀態(tài)機(jī)制　3.5 OpenGL相關(guān)函數(shù)庫　3.6 GLUT工具介紹　3.7 創(chuàng)建OpenGL程序　　3.7.1 創(chuàng)建OpenGL控制臺應(yīng)用程序　　3.7.2 創(chuàng)建MFC環(huán)境下OpenGL單文檔應(yīng)用程序　習(xí)題34 繪制幾何物體　4.1 圖形顯示控制命令　　4.1.1 清空窗口　　4.1.2 指定顏色　　4.1.3 強(qiáng)制繪圖完成　　4.1.4 消隱　　4.1.5 構(gòu)造圖形　4.2 繪制點(diǎn)、線和多邊形　　4.2.1 點(diǎn)、線和多邊形的定義　　4.2.2 點(diǎn)的繪制　　4.2.3 線的繪制　　4.2.4 多邊形的繪制　4.3 繪制規(guī)則三維物體函數(shù)　4.4 頂點(diǎn)數(shù)組　4.5 法線向量　習(xí)題5 坐標(biāo)變換6 顏色7 光照與材質(zhì)8 顯示列表9 位圖和圖像10 紋理映射11 外部三維模型的讀取與繪12 OpenGL綜合應(yīng)用實(shí)例——三維場景的建立和漫游參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：于使學(xué)生對這種機(jī)械裝置的運(yùn)行過程、狀態(tài)及內(nèi)部原理有一個(gè)明確的了解。這時(shí)，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就可以充分顯示出其優(yōu)勢：它不僅可以向?qū)W生直觀地展現(xiàn)出計(jì)算機(jī)的復(fù)雜構(gòu)造、工作原理以及工作時(shí)各個(gè)零件的運(yùn)行狀態(tài)，而且還可以模仿出計(jì)算機(jī)各部件在出現(xiàn)故障時(shí)的表現(xiàn)和原因，向?qū)W習(xí)者提供對虛擬物體進(jìn)行全面的考察、操縱乃至維修的模擬訓(xùn)練機(jī)會，從而使教學(xué)與實(shí)驗(yàn)得到事半功倍的效果。（2）教育在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幫助下，殘疾人能夠通過自己的形體動作與他人進(jìn)行交流，甚至可以用腳的動作與他人進(jìn)行交談。在高性能計(jì)算機(jī)和傳感器的支持下，殘疾人帶上數(shù)據(jù)手套后，就能將自己的手勢翻譯成講話的聲音；配上目光跟蹤裝置后，就能將眼睛的動作翻譯成手勢、命令或講話的聲音。而專門教弱智兒童掌握手勢語言的三維虛擬圖像的理解和訓(xùn)練系統(tǒng)，還可以幫助弱智兒童進(jìn)行練習(xí)和訓(xùn)練，從而使他們能很快地熟悉符號、字和手勢語言的意義。（3）多種專業(yè)培訓(xùn)借助于VR技術(shù)的各項(xiàng)成果，人們將能對危險(xiǎn)的、不能失誤的、缺少或難以提供真實(shí)演練的操作反復(fù)地進(jìn)行十分逼真的練習(xí)。例如在醫(yī)學(xué)教育與培訓(xùn)領(lǐng)域，醫(yī)生見習(xí)和實(shí)習(xí)復(fù)雜手術(shù)的機(jī)會是有限的，而在VR系統(tǒng)中卻可以反復(fù)實(shí)踐不同的操作。目前，國外很多醫(yī)院和醫(yī)學(xué)院校已開始用數(shù)字模型訓(xùn)練外科醫(yī)生。其做法是將X光掃描、超聲波探測、核磁共振等手段獲得的人體信息綜合起來，建立起反應(yīng)非常接近真實(shí)人體和器官的仿真模型。醫(yī)生或?qū)W員動手術(shù)前先在虛擬人體上試驗(yàn)，就可以優(yōu)化手術(shù)方案，提高技術(shù)水平，降低失誤率。在我國的教育事業(yè)中，傳統(tǒng)的教學(xué)方法延續(xù)多年，人們已逐漸意識到了它的弊病和不足之處。近幾年引入多媒體教學(xué)方法后，教師不再被局限于黑板，而可以借助于電腦、投影設(shè)備、音像設(shè)備等為學(xué)生展示圖、文、聲、像等多種媒體來輔助教學(xué)，從而取得了很好的效果。從這一例子中，不難推想：如果在不久的將來能更進(jìn)一步，把VR技術(shù)引入教學(xué)領(lǐng)域，則它的效果一定會非同凡響。1.3.4工業(yè)應(yīng)用虛擬技術(shù)已大量應(yīng)用在汽車、煤炭及石油等工業(yè)領(lǐng)域中。對汽車工業(yè)而言.，VR技術(shù)既是一個(gè)最新的技術(shù)開發(fā)方法，更是一個(gè)復(fù)雜的仿真工具，它旨在建立一種人工環(huán)境，人們可以在這中環(huán)境中以一種“自然”的方式從事駕駛、操作和設(shè)計(jì)等實(shí)時(shí)活動。并且虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也可以廣泛用于汽車設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和培訓(xùn)等方面（如圖1-10）。

編輯推薦

《高等學(xué)校規(guī)劃教材?虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)及可視化設(shè)計(jì)》可作為普通高等院校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、數(shù)字媒體技術(shù)等相關(guān)專業(yè)教材，也可供從事虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研制、開發(fā)及應(yīng)用技術(shù)人員學(xué)習(xí)參考。

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