虚拟现实技术的体系结构和关键技术
虚拟现实与增强现实技术导论虚拟现实的计算体系结构
虚拟现实与增强现实技术导论虚拟现实的计算体系结构虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是一种通过计算机生成的虚拟环境模拟现实世界或者创造一个全新的虚拟世界的技术。
虚拟现实技术的计算体系结构是指支持虚拟现实应用的硬件、软件及其相互之间的组织和关系。
虚拟现实技术的计算体系结构包括以下几个关键要素：1.输入设备：虚拟现实的输入设备通常包括头戴式显示器、追踪器、手柄等。
头戴式显示器可以通过分辨率高的屏幕和镜片进行像素展示和聚焦，使用户可以获得更真实的视觉体验。
追踪器可以追踪用户的头部和手部运动，实现对用户动作的反馈。
手柄可以提供更多的交互方式，以增强虚拟现实的沉浸感。
2.计算设备：虚拟现实技术对计算能力的要求很高，需要能够实时处理大量图形数据的计算设备。
目前常用的计算设备包括个人电脑、游戏主机、智能手机等。
这些设备通常需要具备强大的图形处理能力，并且能够实时生成和渲染虚拟环境中的图像。
3.虚拟环境建模和内容生成：虚拟现实应用需要构建一个真实或虚构的场景，以实现用户的沉浸式体验。
虚拟环境建模和内容生成是通过计算机图形学、物理建模、虚拟现实引擎等技术来实现的。
这些技术可以生成逼真的场景图像、人物模型和物体模型，并提供物理引擎来模拟真实世界的物理特性。
4.虚拟现实引擎：虚拟现实引擎是指一种软件平台，它可以提供基于计算机图形学的场景渲染、用户输入处理、物理模拟等功能，以支持虚拟现实应用的开发。
常见的虚拟现实引擎包括Unity、Unreal等。
虚拟现实引擎可以提供各种接口和工具，帮助开发者实现虚拟现实应用的各种功能，例如用户交互、虚拟物体的碰撞检测等。
5.输出设备：输出设备用于向用户提供虚拟现实体验的结果。
常见的输出设备包括头戴式显示器、扬声器、振动器等。
头戴式显示器用于向用户展示虚拟环境的图像，扬声器用于提供音频效果，振动器用于模拟触觉反馈。
总体来说，虚拟现实技术的计算体系结构由输入设备、计算设备、虚拟环境建模和内容生成、虚拟现实引擎以及输出设备等组成。
虚拟现实系统的体系及其关键技术
虚拟现实系统的体系及其关键技术
黄之初;谭穗宁
【期刊名称】《陕西建材》
【年(卷),期】2001(000)004
【摘要】论述了有关虚拟现实的基本概念及其与一些相关的概念的关系，虚拟现实体系结构的现状及我们的策略，分析了虚拟现实研究的关键技术。
【总页数】3页(P39-41)
【作者】黄之初;谭穗宁
【作者单位】武汉理工大学，武汉430070;武汉理工大学，武汉430070
【正文语种】中文
【中图分类】TP311
【相关文献】
1.虚拟现实系统的体系及其关键技术 [J], 黄之初;谭穗宁;闻剑
2.刍议综采工作面安全生产虚拟现实系统关键技术 [J], 王利辉
3.叉车操作训练环绕式虚拟现实系统关键技术研究 [J], 岑志波;丁高耀;林龙;周强
4.虚拟现实系统及其关键技术的研究进展 [J], 车敏;拓明福;柳泉
5.叉车操作训练环绕式虚拟现实系统关键技术研究 [J], 岑志波;丁高耀;林龙;周强因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
虚拟现实技术在起重机钢结构设计与制造课程教学中的实践应用
Ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｉ ｒ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｎｏ ． ７， ２ ０ １ ３
体 实际行 为 。
总而言之 ， 几何建模描述模型节点位置 、 节点的 空间结构 以及物体的材质等方面的内容 ， 可以采用渲 染算 法将 该模 型在 计算机 屏 幕上进 行显 示 ； 物理建 模 则描 述 了模 型的质 量 、 速 度 以及在外 力 作用下 的 动力 学特性 ， 而行为建模则描述了模型在一定的场景中如 何对 外界 作用 自然 而然地 做 出正确 的反映 。 （ ２ ） 人机 交互 与虚 拟 现实 作为一种新型人机交互形式 ，虚拟现实技术与 以前任何人机交互形式相 比， 有希望彻底实现“ 和谐 的、 拟人 化 ” 的人 机界 面 。
《 装备制造技术） ２ ｏ １ ３ 年第 ７ 期
虚 拟现 实技术在起重机钢结构 设计 与制造课程教学 中的实践应 用
余 震’ ， 沈琛林
（ １ ． 武汉科技大学 机械 自动化学院 ， 湖北 武汉 ４ ３ ０ ０ ８ １ ； ２ ． 武汉理工大学智能制造与控制研究所 ， 湖北 武汉 ４ ３ ０ ０ ６ ３ ）
图 ２ 虚 拟 现 实特 点
１ ． ２ 虚 拟现 实技术 的关 键 技术
虚拟现实技术 的关键技术包括 ： 基本建模技术 、 人机交互与虚拟现实仿真技术等。 （ １ ） 基本建模技术 基本建模技术是应用计算机技术生成起重机虚 拟模 型，它将真实的起重机在相应的三维虚拟世界 中重 构 ， 主要 包括 以下 几个 部分 ： 是， 几何 建模 ： 构 件起重 机 的三维立体 几何 模型 ； 二是 ， 运动建模 ： 运动建模使对象在虚拟环境 中 遵循一定的运动和动力学规律 ； １ 虚 拟现 实技 术的特点及 其关键技术 三是 ， 物理建模 ： 根据物理模型本身的 自然规律 来制作动画及场景 ， 表现 自然场景 ， 如烟雾１ ３ ］ 、 火焰【 ４ 】 、 １ ． １ 虚 拟现 实 技术 的 特点 织物、 植物 等 ； 虚拟现实可以定义为对现实世界进行五维时空 四是 ， 对象行为建模 ： 行为建模是 描述 和处理物
什么是虚拟现实技术
●什么是虚拟现实技术?它具有那些特征?1)虚拟现实技术是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术以及仿真技术等多种科学及时而发展起来的计算机领域的新技术。
2)沉浸、交互和构想三大基本特征。
沉浸:指用户进入虚拟环境之后,由于他所接触到的一切都非常逼真,他相信这一切都“真实”存在,而且相信自己正处在所感受到的环境当中。
交互:指用户进入虚拟环境后,不仅可以通过各种先进的传感器获得逼真的感受,而且可以用自然的方式对虚拟环境中的物体进行操作。
构想:由虚拟环境的逼真性与实时交互性而使用户产生更丰富的联想,是获得沉浸感的一个必要条件。
●虚拟现实技术的关键技术:1)动态环境建模技术2)立体显示和传感器技术3)系统开发工具应用技术4)实时三维图形生成技术5)系统集成技术●虚拟现实技术在安全中的主要应用1)对出现的危险情况进行模拟,现实中引发事故的原因多种多样,事故具有很强的不可预知性,利用VR技术可以事先模拟事件发生过程及可能造成的严重后果。
2)通过虚拟现实针对模拟的情况进行必要改进,可以对现场更多地了解,采用措施改进。
3)通过VR重现事故现场,分析事故原因,对已发生的事故进行现场模拟,再现事故现场,了解事故原因,杜绝同类事故发生。
4)用VR技术进行现场模拟进行安全教育,直观生动,效果好。
●什么是射频识别?基本FRID系统由那几部分组成,各有什么功能?射频识别又称电子标签,是一种利用射频信号自动识别目标对象并获取相关信息的技术。
由FRID标签、FPID阅读器及应用支撑软件等几部分组成。
FRID标签:有芯片和天线组成,每个标签具有唯一的电子编码,标签附着在物体上识别目标对象。
FRID阅读器:主要任务是控制射频模块向标签发射读取信号,并接受标签的应答,对标签的对象标识相关进行解码,将对象标识信息连带标签上其他相关信息传输到主机以共处理。
FRID应用支撑软件:除了标签和阅读器上运行的软件外,介于阅读器与应用之间的中间件是其中的一个重要组成部分,主要任务是对阅读器读取的标签数据进行过滤、汇集和计算,减少从阅读器传往企业应用的数据量。
虚拟现实技术65课件.pptx
虚拟现实硬件基础
立体显示器不需借助外部设备和编程开发技术，只要有三维模型，就可以实现三维模型的立体显示。
虚拟现实硬件基础
虚拟环境的听觉通道听觉环境系统的组成语音与音响合成设备 识别设备 声源定位设备 人类进行声音的定位依据两个要素：两耳时间差(Interaural Time Differences，简称ITD)两耳强度差(Interaural Intensity Differences，简称IID)。
虚拟现实系统的分类
虚拟现实系统的分类叠加式：叠加式虚拟现实系统允许用户对现实世界进行观察的同时，虚拟图像叠加在被观察点(即现实世界)之上。叠加式虚拟现实系统又称为“补充现实系统”或者“扩大的现实系统”(Augmented Reality，A11)。
虚拟现实系统的分类
虚拟现实系统的分类分布式虚拟现实系统(DVR)是一种基于网络的虚拟现实系统，它可使一组虚拟环境连成网络，使其能在虚拟域内交互，同时在交互过程中意识到彼此的存在，每个用户是虚拟环境中的一个化身(Avatar)。它的基础是网络技术、实时图像压缩技术等，它的关键是分布交互仿真协议，必须保证各个用户在任意时刻的虚拟环境视图是一致的，而且协议还必须支持用户规模的可伸缩性，常用的分布式协议是DIS和HLA。分布式VR技术主要运用于远程虚拟会议，虚拟医院，虚实(Artificial Reality，简称AR) ：与VR相类似的一个概念，它是可以更方便地与用可视化技术建立的三维空间中的物体进行交互的技术。这个空间是人造的，但是物体的控制方法就像物体在现实空间中一样，所以就称为人工现实。例如，可用AR技术来漫游用可视化技术建立的大脑结构。遥现技术(Telepresence)，它是一种基于VR的遥控制、遥操作或遥显示技术。
虚拟现实的研究现状
毕业设计（论文）虚拟现实引擎技术研究
毕业论文题目：虚拟现实引擎技术研究学生姓名：张玉伟学生学号：059080143系别：计算机与信息工程系专业：计算机科学与技术届别：2009届指导教师：杨星虚拟现实引擎技术研究 2目录前言 (3)1 概述 (4)1.1 虚拟现实技术的概述 (4)1.2 虚拟现实发展概况 (7)1.3 各国虚拟现实技术的研究及应用情况 (8)1.4 虚拟现实的技术的主要研究内容 (9)1.5 虚拟现实技术的意义 (9)2 虚拟现实引擎的结构及其关键技术 (9)2.1 虚拟现实系统的组成 (9)2.2 虚拟现实技术中引擎的构成 (11)2.3 虚拟现实引擎中的几个关键技术 (11)3 常用的可见性裁减算法 (16)3.1 遮挡裁减算法的分类 (16)3.2 物体空间的遮挡裁减算法 (17)3.3 图像空间的遮挡裁减算法 (21)4 可见性裁减的改进算法 (24)4.1 组织场景 (24)4.2 划分视点单元 (24)4.3 计算视点单元的可见性保守集PVS (26)4.4 改进遮挡算法的评价 (29)5 总结与展望 (29)5.1 总结 (29)5.2 展望 (30)致谢 (30)参考文献 (31)淮南师范学院2009届本科毕业论文 3虚拟现实引擎技术研究学生：张玉伟指导老师：杨星淮南师范学院计算机与信息工程系摘要：虚拟现实技术又称灵境技术，它是二十世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术。
本文首先对虚拟现实（Virtual Reality）技术进行了概括性介绍，阐述了虚拟现实技术的基本概念、特征、发展、应用领域以及国内外的研究现状。
虚拟现实中的引擎是虚拟现实技术的核心之一，文中阐述了虚拟现实引擎的体系结构，及其相关的技术，如碰撞检测、可见性裁减、LOD 技术和光照模型。
本文对虚拟现实引擎的关键技术之一——可见性裁减问题做了研究，并提出了一种改进的遮挡裁减算法，此改进算法是将Durand 提出的扩展投影作为保守可见性预处理的算法与Greene 等人提出层次遮挡图和层次深度图的算法相结合，将遮挡板的扩展投影生成层次遮挡图来判断被遮挡物是否可见，同时保持了扩展算法的基本特性。
智能制造关键技术(虚拟现实与人工智能技术)
（3）工艺模型。将工艺参数与影响制造功能的产品设计属性联系起来，以 反应生产模型与产品模型之间的交互作用。工艺模型必须具备以下功能：计算 机工艺仿真、制造数据表、制造规划、统计模型以及物理和数学模型。
三维软件绘制的产品模型
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虚拟现实技术制作的模型
2．仿真技术 仿真就是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型，然后在分 析的基础上运行此模型，从而得到系统一系列的统计性能。由于仿真是以系统模型为 对象的研究方法，不会干扰实际生产系统，同时利用计算机的快速运算能力，仿真可 以用很短时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期，因而可以缩短决策时间，避 免资金、人力和时间的浪费，并可重复仿真，优化实施方案。 仿真的基本步骤为：研究系统——收集数据、建立系统模型——确定仿真算法、 建立仿真模型、运行仿真模型——输出结果并分析。
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二、 虚拟现实在智能制造中的应用 （一）虚拟制造定义及关键技术
虚拟制造技术涉及面很广，如环境构成技术、过程特征抽取、元模型、 集成基础结构的体系结构、制造特征数据集成、多学科交叉功能、决策支持 工具、接口技术、虚拟现实技术、建模与仿真技术等。其中后3项是虚拟制 造的核心技术。
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1．建模技术 虚拟制造系统VMS是现实制造系统RMS在虚拟环境下的映射，是RMS的模型 化、形式化和计算机化的抽象描述和表示。VMS的建模包括生产模型、产品模型和 工艺模型。 （1）生产模型。可归纳为静态描述和动态描述两个方面。静态描述是指系统生 产能力和生产特性的描述。动态描述是指在已知系统状态和需求特性的基础上预测 产品生产的全过程。 （2）产品模型。产品模型是制造过程中，各类实体对象模型的集合。目前产品 模型描述的信息有产品结构、产品形状特征等静态信息。虚拟制造下的产品模型不 再是单一的静态特征模型，它能通过映射、抽象等方法提取产品实施中各活动所需 的模型，包括三维动态模型，干涉检查，应力分析等。
2虚拟现实技术的体系结构和关键技术
3. 确定场景中的所有可见面
– 这需要使用隐藏面消除算法将视域之外的或被其他物体遮挡 的不可见面消去。
4. 计算场景中可见面的光强与颜色
– 严格地说，就是根据基于光学物理的光照模型计算可见面投 射到观察者眼中的光亮度大小和色彩，并将它转换成合适图 形设备的颜色值，从而确定投影画面上每一个象素的颜色， 最终生成视景。
凝视、扫 光
大小、形
描等活动
状、纹理及
运动等
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J.J.Gibson总结的感知系统
人类的行为系统
系统
目的
应用
相关系统
调整姿势 适应重力及加速度
维持身体平衡
前庭器官
定向
通过部分身体运动获得 考察或感觉各种信息 所有相关感觉
外部剌激
走动
通过身体运动进入其它 从一个位置走到另一个 定向及调整姿势
• 虚拟现实建模语言(VRML) Virtual Reality Modeling Language
– VRML 是在因特网上建立虚拟现实的开 放标准
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• A VRML cylinder
#VRML V2.0 utf8 # A Cylinder Shape { appearance Appearance { material Material { } } geometry Cylinder { height 2.0 radius 1.5 } }
Cylinder.wrl
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2.2 虚拟现实的多感知系统体系 和技术
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人类的感知系统
系统 方向 感 听觉
触觉
味觉
嗅觉 视觉
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2.3 几种典型的虚拟现实系统及其应用
人类的感知系统
J.J.Gibson总结的感知系统
人类的行为系统
行为系统
人与环境的关系
虚拟现实的概念模型
王兆其，《虚拟环境中物体运动逼真性的研究》，博士学位论文，北京航空航天大学，1999.6.
(1) Augmented Reality
应用领域：维修，医学检查，培训等 主要问题：虚实一致性
这可通过对场景的透视变换来完成。
确定场景中的所有可见面
这需要使用隐藏面消除算法将视域之外的或被其他物体遮挡 的不可见面消去。
计算场景中可见面的光强与颜色
严格地说，就是根据基于光学物理的光照模型计算可见面投 射到观察者眼中的光亮度大小和色彩，并将它转换成合适图 形设备的颜色值，从而确定投影画面上每一个象素的颜色， 最终生成视景。
原因：与耳朵形状有关 解决：Convolvotron($15,000)
耳内录音 + 计算
3 触觉与力觉生成技术
3.1 触觉与力觉反馈设备
There are two main types of haptic devices:
devices that allow users to "feel" textures of 2-dementional objects with a pen or mouse-type interface
/sphere1.htm
ImmersaDesk
/pape/CAVE/idesk/paper/
/technology/idesk/
Infinity Wall
屏幕 厚度2 cm，重量70 g 支持连接DVD播放器、桌面电脑等 电源使用3节AA电池，可以连续播放5小时
左右。
BOOM
Binocular Omni-Orientation Monitor
BOOM
FS2
/tools.htm
Binocular Omni Orientation Monitor (BOOM)
(2) 多用户虚拟现实系统
一次允许多个用户参与。 典型的系统有：mWorld, CAVE，DIVE等 主要应用：虚拟研讨环境(聊天室), 虚拟社区 主要问题：保证多个用户对虚拟环境有一致的感受
王兆其《虚拟环境中物体运动逼真性的研究》博士论文，北京航空航天大学，1999.6.
glove or pen-type devices that allow the user to "touch" and manipulate 3dementional virtual objects
触觉（Haptic)
Haptic: 机械感受器（压力与纹理 ）与本体感受器(proprioceptor)（ 重量、形状、大小）
/pape/CAVE/idesk/paper/
/staff/lp22/CS133/vrslides/sld009.htm
2、声音生成技术
听觉 3D &Stereo
声源定位：强度（高频）和时差（ 低频）
问题：声音从头里发出，随强度差 而偏左或偏右
力反馈手套RMⅡ
RMⅡ像一付手套似的戴 在用户的手上。主要结 构包括一个小平台，上 面架着四个特制的汽缸 。每个汽缸轴的顶端都 和相应的指尖相连接， 轴和指尖的连接通过“Y” 形的连接物。一个简单 的细皮手套被作为传感 器/反馈系统的支持结构 。
CyberGrasp
By Immersion Corporation
人类的感知系统
J.J.Gibson总结的感知系统
人类的行为系统
行为系统
人与环境的关系
虚拟现实系统
http://www.reflex.lth.se/reflex/whatisVR/
多感知系统技术框图
主计算机
数据手套
（传感器） （信号源）
BOOM
双筒全方 位监视器
1992年 Bryson
一个示例：virtual cockpit
CyberSphere
Fully Immersive Spherical Projection Systemction System
Illustration of the Spherical Projection System
Mounted
头盔显示器
Head Mounted Display, HMD
HMD 实物与原理图
HMD 的实现方法
头盔实现方法1
带有光导纤维的HMD的原理
Video Eyewear 眼镜式显示器
美国icuiti公司 分辨率：VGA（640 X 480） 价格69800日圆（约合人民币5235元） 距离眼睛1 cm，画面相当于2 米外42 英寸
Volume-based methods
表示单元为体素(voxel) 每个体素表示了所在位置的颜色、密度
等相关信息。
其他建模与表示技术(VR相关)
细节层次(Levels of Detail: LOD)技术 纹理映射(texture map)技术
纹理映射技术(texture mapping)
虚拟世界数据库
设计的主体部分 隶属虚拟世界的对象信息 描述动作的脚本 用户信息 灯光效果 程序控制 硬件设备支持 OOD技术
虚拟现实建模语言(VRML)
Virtual Reality Modeling Language
VRML 是在因特网上建立虚拟现实的 开放标准
A VRML cylinder
王兆其《虚拟环境中物体运动逼真性的研究》博士论文， 北京航空航天大学，1999.6.
R. T. Azuma,A Survey of Augmented Reality, Presence: Teleoperators and Virtual Environments, 1997, 6(4):355~385
基于运动跟踪的方法
基于运动跟踪的方法
记录点 的坐标
转换成 旋转角
运动重 定向
驱动虚 拟角色
基于运动跟踪的方法
虚拟现实系统
http://www.reflex.lth.se/reflex/whatisVR/
一个示例：virtual cockpit
http://www.ipo.tue.nl/homepages/mrauterb/presentations/HCI-history/sld068.htm
e
每一点的光亮度求法
I = Ic + ts Is + tt It
其中： I ： 可见点 P 处的光亮度。 Ic： 局部光照亮度 ts Is：环境镜面反射光亮度 tt It： 规则透射光亮度
光线跟踪技术(ray tracing)
视觉生成的基本内容
在图形设备上生成逼真视景必须完成四个基本任务： 用数学方法建立所需要三维场景的几何描述 将三维几何描述转换为二维视图
1.2 视景的几何建模与表示方法
要实现虚拟现实，首先要尽可能详细地表示虚 拟现实的场景几何信息。
例如：表示虚拟环境中的山川河谷、鱼虫鸟兽，花 草树木、五官躯体、车船路桥等。
实现虚拟现实视景的表示方法有：
多边形(三角形)网格表示方法 结构立体几何表示方法 体数据表示方法(volume-based method)
/3d/products/cyber_grasp.php
数据手套
DHM手势传感装置原理图
4、身体位置跟踪
身体跟踪
位置的跟踪（位置+方向） 及角 度的度量（指关节、光纤）
眼动跟踪
位置跟踪技术：
正交电磁场
Polhemus
trackers
超声波信号
多边形(三角形)表示方法
这种方法又称为表面或边界表示方法，即物体 的立体几何信息是通过它们的边界面或包围面 来表示的。而物体的边界面或包围面（即物体 的表面）可以用多边形表示。
结构立体几何表示方法
这种方法又称为体积表示方法。这种表示方 法中，物体被表示为一个三维体积基元的集 合及它们之们的布尔运算：并、交及差。
虚拟现实技术的体系结构和 关键技术
第二章
虚拟现实技术的技术体系结构
2.1 虚拟现实技术的体系结构
体系结构
用户
输入处理器
模拟处理器
渲染处理器
虚拟世界 数据库
模拟处理器
VR的核心程序 处理:
控制交互、对象动作和决定虚拟世界的 状态。
渲染处理
感觉传输到用户 视觉 听觉 触觉（触摸/力） 实时图像生成 SGI 图形工作站
在视景表示时，对于有些细节，不需要建立 相应的多边形表示，为了达到很好的视觉效 果，只需要建立简单的几何模型，然后在几 何模型的面上贴上对应的逼真图片就可以了 。这种方法称为纹理映射方法。
这不仅增加了场景的逼真度，而且减少了表 示场景的多边形数目。
纹理映射技术(示例)
映射纹理前的场景
映射纹理后的场景
1.3 立体显示技术
基本原理：人的视觉系统可以通过四种线索得到深度知觉:
侧视网膜图象差(lateral retinal image disparity); 运动视差(motion parallax); 图象大小差异(differential image size); 纹理梯度(texture gradient)。
目前的立体显示技术基本上是基于双目视差原理实现的。
影响（沉浸感）立体 视觉因素
• 宽视野（１８０Ｘ１５０）
• 立体显示
• 彩色
• 高分辨率
•
头部跟踪
主要视觉设备：
红蓝滤色眼镜
液晶开关的立体视眼镜
三维头盔显示器（HMD）
双筒全方位监视器（BOOM）
墙式显示屏自动声象虚拟环境（CAVE）
头盔式显示器（Head Display ，HMD)