第二章 虚拟现实技术导论

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1、虚拟现实技术导论教材：学生：大一学生学生人数：52 人时间地点：第十周第十一周周日上午 1-4 节，105 教室第二章虚拟现实系统的相关技术教学要点：1. 了解虚拟现实系统的立体显示技术2. 了解虚拟现实系统的环境建模技术3. 了解虚拟现实系统的真实感实时绘制技术4. 了解虚拟现实系统的三维虚拟声音的实现技术5. 了解虚拟现实系统的自然交互与传感技术6. 了解虚拟现实系统的实时碰撞检测技术现阶段计算机的运行速度达不到虚拟现实系统所需要的情况下，相关技术 就显得尤为重要。要生成一个三维场景，并使场景图像能随视角不同实时地显示 变化，只有设备是远远不够的，还必须有相应的技术理论相支持。知识讲解1-

2、1 了解虚拟现实系统的立体显示技术人类从客观世界获得的信息的 80%以上来自视觉。在视觉显示技术中，实现 立体显示技术成为虚拟现实的一种极重要的支撑技术。人的左右眼有大约 6-8cm 的距离，由于这种视差，使得人的大脑能将两眼得到的细微差别图像进行融合而产生有空间感的立体物体。立体图的产生基本过程是对同一场景分别产生两个相应于左右双眼的不同图像，让它们之间具有一定的视差。在观察时借助立体眼镜等设备，使左右双眼 只能看到与之相应的图像，视线相交于三维空间中的一点上，从而恢复出三维深 度信息。常见有彩色眼镜法、偏振光眼镜法、串行立体显示法等。知识讲解1-2 了解虚拟现实系统的环境建模技术 基于目前

3、的技术水平，常见的是三维视觉建模和三维听觉建模。而在当前应 用中，环境建模一般主要是三维视觉建模。三维视觉建模可分为几何建模、物理建模、行为建模。1 几何建模技术 主要研究对象是对物体几何信息的表示与处理。它涉及几何信息数据结构及 相关构造的表示与操纵数据结构的算法建模方法。几何建模通常采用以下两种方法：（1）人工的几何建模方法（2）自动的几何建模方法2 物理建模技术 几何建模的下一步发展是物理建模，也就是在建模时考虑对象的物理属性。虚拟现实系 统的物理建模是基于物理方法的建模，往往采用微分方程来描述。典型的物理建模方法有分形技术和粒子系统。3行为建模技术 行为建模主要研究的是物体运动的处理和

4、对其行为的描述。 行为建模就是在创建模型的同时，不仅赋予模型外形、质感等表现特征，同时也赋予模型物理属性和“与生俱来”的行为与反应能力，并且服从一定的客观规律。知识讲解 1-3了解虚拟现实系统的真实感实时绘制技术要实现虚拟现实系统中的虚拟世界，仅有立体显示技术是远远不够的，虚拟 现实中还有真实感与实时性的要求，也就是说虚拟世界的产生不仅需要真实的立 体感，而且虚拟世界还必须实时生成，这就必须要采用真实感实时绘制技术。真实感绘制：在计算机中重现真实世界场景的过程。其主要任务是要模拟真 实物体的物理属性，即物体的形状、光学性质、表面纹理和粗糙程度，以及物体 间的相对位置、遮挡关系等等。实时绘制：当

5、用户视点发生变化时，他所看到的场景需要及时更新，这就要 保证图形显示更新的速度必须跟上视点的改变速度。有下面几种用来降低场景复杂度的方法：（1）预测计算：根据各种运动的方向、速率和加速度等运动规律，可在下 一帧画面绘制之前用预测、外推法的方法推算出手的跟踪系统及其他设备的输入 从而减少由输入设备所带有的延迟。（2）脱机计算：在实际应用中有必要尽可能将一些可预先计算好的数据进 行预先计算并存储在系统中，这样可加快需要运行时的速度。（3）3D 剪切：将一个复杂的场景划分成若干个子场景，系统针对可视空间 剪切。虚拟环境在可视空间以外的部分被剪掉，这样就能有效地减少在某一时刻 所需要显示的多边形数目，

6、以减少计算工作量，从而有效降低场景的复杂度。（4）可见消隐：系统仅显示用户当前能“看见”的场景，当用户仅能看到 整个场景很小部分时，由于系统仅显示相应场景，可大大减少所需显示的多边形 的数目。（5）细节层次模型（Level of De tail ,L0D）：首先对同一个场景或场景中的 物体，使用具有不同细节的描述方法得到的一组模型。在实时绘制时，对场景中 不同的物体或物体的不同部分，采用不同的细节描述方法，对于虚拟环境中的一 个物体，同时建立几个具有不同细节水平的几何模型。与基于几何的传统绘制技术相比，基于图像的实时绘制技术的优势在于：（1）计算量适中，对计算机的资源要求不高。（2）作为已知的

7、源图像既可以是计算机生成的，也可以是用相机从真实环 境中捕获，甚至是两者混合生成，因此可以反映更加丰富的明暗、颜色、纹理等 信息。（3）图像绘制技术与所绘制的场景复杂性无关，交互显示的开销仅与所要生成画面的分辨率有关，因此能用于表现非常复杂的场景。知识讲解1-4 了解虚拟现实系统的三维虚拟声音的实现技术虚拟现实系统中的三维声音，使听者能感觉到声音是来自围绕听者双耳的一个球形中的 任何地方。因此把在虚拟场景中能使用户准确地判断出声源的精确位置、符合人们在真实境 界中听觉方式的声音系统称为三维虚拟声音。1 三维虚拟声音的作用声音在虚拟现实系统中的作用，主要有以下几点：（1）声音是用户和虚拟环境的另

8、一种交互方法，人们可以通过语音与虚拟世界进行双 向交流。（2）数据驱动的声音能传递对象的属性信息。（3）增强空间信息，尤其是当空间超出了视域范围。2 三维虚拟声音的特征在三维虚拟声音系统最核心的技术是三维虚拟声音定位技术，它的特征主要有：能力。（2）三维实时跟踪特性：在三维虚拟空间中实时跟踪虚拟声源位置变化或景象变化的 能力。（3）沉浸感与交互性：沉浸感是指加入三维虚拟声音后，能使用户产生身临其境的感 觉，有助于增强临场效果。而三维声音的交互特性则是指随用户的运动而产生的临场反应和 实时响应的能力。3 语音识别技术 与虚拟世界进行语音交互是实现虚拟现实系统中一个高级目标，语音技术在虚拟现实技

9、术中的关键技术是语音识别技术和语音合成技术。语音识别技术（ASR, Automatic Speech Recognition）：将人说话的语音信号转换为可被计 算机程序所识别的文字信息，从而识别说话人的语音指令以及文字内容的技术。包括：参数 提取、参考模式建立、模式识别等过程。4 语音合成技术语音合成技术（TTS, Test to Speech ）：用人工的方法生成语音的技术，当计算机合成语 音时，如何能做到听话人能理解其意图并感知其情感，一般对 “语音”的要求是清晰、可 听懂、自然、具有表现力。实现语音输出有两种方法：（ 1）录音/重放：首先要把模拟语音信号转换成数字序列，编码后暂存于存储设

10、备中（录 音），需要时再经解码，重建声音信号（重放）。（2）文-语转换：把计算机内的文本转换成连续自然的语声流。应预先建立语音参数数 据库、发音规则库等。需要输出语音时，系统按需求先合成语音单元，再按语音学规则或语言学规则连接成自然的语流。知识讲解1-5了解虚拟现实系统的自然交互与传感技术 作为新一代的人机交互系统，虚拟现实技术与传统交互技术的区别：（1）自然交互（2）多通道（3）高“带宽”（4）非精确交互技术 在虚拟现实领域中较为常用的交互技术有手势识别、面部表情的识别以及 眼动跟踪等。（1）手势识别 手势识别系统的输入设备与主要分为基于数据手套的识别和基于视觉（图 像）的手语识别系统两种。

11、（2）面部表情识别 人可以通过脸部的表情表达自己的各种情绪，传递必要的信息。人脸图像 的分割、主要特征（如眼睛、鼻子等）定位以及识别是这个技术的主要难点。（3）眼动跟踪 人们可能经常在不转动头部的情况下，仅仅通过移动视线来观察一定范围 内的环境或物体。为了模拟人眼的功能，在虚拟现实系统中引入眼动跟踪技术。（4）触觉（力觉）反馈传感技术 触觉（力觉）是运用先进的技术手段将虚拟物体的空间运动转变成特殊设 备的机械运动，在感觉到物体的表面纹理的同时也使用户能够体验到真实的力度 感和方向感，从而提供一个崭新的人机交互界面。知识讲解 1-6了解虚拟现实系统的实时碰撞检测技术在虚拟现实系统中通常包含有很多

12、静止的环境对象与运动的活动物体，每 一个虚拟物体的几何模型往往都是由成千上万个基本几何元素组成，虚拟环境的 几何复杂度使碰撞检测的计算复杂度大大提高，同时由于虚拟现实系统中有较高 实时性的要求，要求碰撞检测必须在很短的时间（如30-50ms）完成，因而碰撞 检测成了虚拟现实系统与其他实时仿真系统的瓶颈，碰撞检测是虚拟现实系统研 究的一个重要技术。碰撞检测的要求:为了保证虚拟世界的真实性，碰撞检测要有较高的实时性和精确性。 所谓实时性，基于视觉显示的要求，碰撞检测的速度一般至少要达到 24Hz， 而基于触觉要求，速度至少要到到 300Hz 才能维持触觉交互系统的稳定性，只有 达到1000Hz才能获得平滑的效果。精确性的要求取决于虚拟现实系统在实际应用中的要求。碰撞检测的实现方法:最简单的碰撞检测方法是对两个几何模型中的所有几何元素进行两两相交 测试。这种方法可以得到正确的结果，但当模型的复杂度增大时，计算量过大， 十分缓慢。对两物体间的精确碰撞检测的加速实现，现有的碰撞检测算法主要可划分 为两大类：层次包围盒法和空间分解法。作业回顾记忆复习本章所学的虚拟现实系统的相关技术的知识，整理笔记作业课下上网查找相关资料，加深对虚拟现实的理解。