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1、研究生学位课程系统建模与仿真8 可视化、多媒体与虚拟现实仿真n科学计算及仿真可视化n多媒体仿真n虚拟现实仿真7/27/20241研究生学位课程系统建模与仿真8.1 科学计算可视化n含义n把计算中所涉及和所产生的数字信息转变为直观的、以图像或图形信息表示的、随时间和空间变化的物理现象和物理量呈现在研究者面前，使他们能够观察到模拟和计算，同时提供与模拟和计算的视觉交互手段。n通过人的视觉和现象思维，促进对所观察数据的进一步理解，飞行客观世界隐藏的现象和规律。7/27/20242飞行器工程系 单家元博士研究生学位课程系统建模与仿真8.1 科学计算可视化n可视化的三个层次n后处理n将计算与可视化（事后
2、）分开进行。仅可视化可以交互。n跟踪n边计算，边显示，以监视计算过程，只可中止计算，但不能。修改参数n驾驭n实时观察计算结果，实时干预、调整参数7/27/20243飞行器工程系 单家元博士研究生学位课程系统建模与仿真8.1 科学计算可视化n主要技术问题n可视化映射技术n数据类型：标量、矢量和张量；二维、三维或高维；静态，动态；结构化数据，非结构化数据n映射：图形元素、颜色、透明度等n数据管理与操纵技术n数据管理：存储、分类n数据操作：过滤、变换7/27/20244飞行器工程系 单家元博士研究生学位课程系统建模与仿真8.1 科学计算可视化n主要技术问题n人机界面技术：图形交互、数据交互n系统实现
3、技术：可视语言和程序可视7/27/20245飞行器工程系 单家元博士研究生学位课程系统建模与仿真8.1 科学计算可视化n科学计算可视化框架模型模拟仿真数据操作可视化映射图形绘制用户界面用户数据图像可视化过程7/27/20246飞行器工程系 单家元博士研究生学位课程系统建模与仿真8.2 多媒体仿真n多媒体仿真概念n多媒体：文本、图形、动画、图像和声音n多媒体仿真：使人的感官和思维进入仿真回路的一种手段。n基本技术n数字化信息处理技术；音频和视频技术；人工智能和模式识别技术；图形图像技术；通讯技术7/27/20247飞行器工程系 单家元博士研究生学位课程系统建模与仿真8.2 多媒体仿真n多媒体仿真
4、的研究方法n面向仿真对象n面向多个媒体n面向交互决策7/27/20248飞行器工程系 单家元博士研究生学位课程系统建模与仿真8.2 多媒体仿真n多媒体仿真的主要研究内容n多媒体仿真模型和仿真算法n表现方法与表现脚本生成技术n多媒体仿真数据库n地理景物表现技术n人机交互技术7/27/20249飞行器工程系 单家元博士研究生学位课程系统建模与仿真8.3 虚拟现实仿真技术n虚拟现实技术的特征及系统的基本构成n虚拟现实技术的发展概况n位置跟踪通道n视觉通道n听觉通道n触觉/力反馈通道n虚拟场景7/27/202410飞行器工程系 单家元博士研究生学位课程系统建模与仿真8.3.1 虚拟现实技术的特征及系统
5、的基本构成n基本概念n虚拟现实（Virtual Reality）：是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。n虚拟环境（Virtual Environment） ：是一种由计算机和电子技术生成的，通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境的感觉。n虚拟现实技术与一般交互式仿真技术的区别n信息的多维性n人机交互的自然性n人对虚拟环境感觉的真实性n知识性与智能性7/27/202411飞行器工程系 单家元博士研究生学位课程系统建模与仿真8.3.1 虚拟现实技术的特征及系统的基本构成n基本特征n沉浸(Immerion)：真实感受n交互(Interaction)：多方位参与n创意(Imaginati
6、on)：感性与理性的结合n基本技术n计算机图形学、图象处理与模式识别n人工智能、多传感器、多媒体信息处理n网络、并行处理、智能控制n系统建模与仿真、系统集成7/27/202412飞行器工程系 单家元博士研究生学位课程系统建模与仿真8.3.1 虚拟现实技术的特征及系统的基本构成n虚拟现实系统基本构成n虚拟环境产生器n应用系统：目标生成（三维建模、造型）；用户应用系统（定义操作内容）和仿真管理器（管理仿真过程）n计算机系统：高速的运算、图形处理、输入输出能力n效果产生器n头盔显示器：采用双视原理生成的双屏图象n位置与方位跟踪器：人眼视线、眼球位置变化、手的位置方位和曲伸n触觉/力反馈装置：测量人对
7、作用对象的作用力，进而生成反作用力。n接口设备n硬件设备：信号转换与数据输入输出接口n软件设备：7/27/202413飞行器工程系 单家元博士研究生学位课程系统建模与仿真8.3.2 虚拟现实发展状况n发展n立体电影n飞行模拟器n三维立体显示：1965年VR先锋， Sutherlandn力反馈装置：1981年，Fredrick Brooksn头盔显示器：1985年，Myron Kruegern数据手套：1985年，Scott Fisher,NASAn虚拟现实概念：1989年，Jaron Lanier提出7/27/202414飞行器工程系 单家元博士研究生学位课程系统建模与仿真8.3.2 虚拟现实
8、发展状况n关键技术n实时图形与图象：15帧/秒，8000万多边形n位置跟踪与映射技术：n手腕:3 m/s;眼睛:600/s;头部:1000 /sn触觉/力反馈技术：01Khz振动，0.15mm位移n人的心理因素：人的感知、认知和大脑神经n系统集成技术：各种技术和设备接口不统一，没有统一的技术标准。7/27/202415飞行器工程系 单家元博士研究生学位课程系统建模与仿真8.3.3 位置跟踪通道n参与者与虚拟环境的互动n直接互动：参与者的操作引起环境的变化n间接互动：参与者位置的变化（头、眼、手、身），导致环境必须随之变化n位置跟踪技术：n三维位置跟踪器：头的平移和转动、手或关节的运动，眼球的运
9、动n基本技术：电磁、超声波7/27/202416飞行器工程系 单家元博士研究生学位课程系统建模与仿真8.3.3 位置跟踪通道n三维电磁传感器n三套正交线圈：空间坐标、方位n易受环境电磁干扰驱动电路计算机检测电路磁场发送器接收器输出7/27/202417飞行器工程系 单家元博士研究生学位课程系统建模与仿真8.3.3 位置跟踪通道n超声波三维传感器n三套超声波发送，接收及控制部件n不能遮挡，易受金属干扰视景生成器计算机检测电路超声波发送器接收器(麦克风)头部输出头盔显示器控制单元7/27/202418飞行器工程系 单家元博士研究生学位课程系统建模与仿真8.3.3 位置跟踪通道n数据手套n一种位置跟
10、踪设备，一种数字化输入设备n手的6个自由度n每个手指关节有两个光导纤维传感器，可测量关节的弯曲和相对位置7/27/202419飞行器工程系 单家元博士研究生学位课程系统建模与仿真8.3.4 视觉通道n视景生成过程获取图象生成图形生成语音集合变换投影变换生成音乐声音、图象与文字的集成、融合与同步左声图通道右声图通道视景生成命令7/27/202420飞行器工程系 单家元博士研究生学位课程系统建模与仿真8.3.4 视觉通道n三维立体图象的生成算法n单点透视投影n双点透视投影n基于相关性的立体图形光线跟踪算法n由左视点投影点可以计算出右视点投影点7/27/202421飞行器工程系 单家元博士研究生学位
11、课程系统建模与仿真8.3.4 视觉通道n立体视觉设备n种类：头盔显示器，立体眼睛，投影式显示器n头盔显示器n显示部件：液晶显示屏。分辨率：1个微弧度，延时：0.1s，图象质量：丰富多彩，避免畸变。n光学部件：光学系统使液晶成象于观察者能够看清的距离。（包括视场：双眼：水平180度，垂直135度）n头盔：定位部件与功能部件的集中：显示、跟踪、定位与音响集成。尺寸重量。7/27/202422飞行器工程系 单家元博士研究生学位课程系统建模与仿真8.3.5 听觉通道n虚拟声音的产生n语音声音n语音识别与合成：n声音还原技术：存储、选择、输出n文本语音转换技术：波形编辑、参数合成、基于规则的合成n非语音
12、声音n频谱组合法，结合环境声音模型库n录音，结合物体与环境的交互库7/27/202423飞行器工程系 单家元博士研究生学位课程系统建模与仿真8.3.5 听觉通道n虚拟声音的定位n混响时间差：声音传递到人的左右耳有时间差异n混响压力差：声波对人的左右耳的压强差7/27/202424飞行器工程系 单家元博士研究生学位课程系统建模与仿真8.3.6 触觉/力反馈n人体触觉系统n触觉系统不仅可以感知环境，而且可以影响环境n子系统：机械、感觉、运动和认知n机械、运动：人手有19块骨头，20条肌肉，22个自由度的运动n感觉：接触力：触觉（皮肤接触，刺激神经），运动觉（肢体与物体相当运动）n认知：探测、操作。
13、7/27/202425飞行器工程系 单家元博士研究生学位课程系统建模与仿真8.3.6 触觉/力反馈n触觉/力反馈技术n分类n自由运动：与环境不产生物理接触n由不平衡力形成的接触：指压一个物体n由平衡力形成的接触：抓握、一点一个物体7/27/202426飞行器工程系 单家元博士研究生学位课程系统建模与仿真8.3.6 触觉/力反馈n触觉/力反馈技术n发展概况n力和力矩显示装置n游戏杆：2、3个自由度n手控器：6个自由度n表面压力反馈装置：直接接触（手有2个自由度）与间接接触（工具6个自由度）的力n力学反馈手套：压敏元件、压力气囊n触觉显示装置n力显示：n位移显示：形变n软件：n触觉交互软件、虚拟物体和环境的物理模型、润色触觉图象7/27/202427飞行器工程系 单家元博士研究生学位课程系统建模与仿真8.3.7 虚拟场景的生成n虚拟场景静态模型建立n静态模型：几何模型，灰度模型，纹理模型，渲染效果n模型建立：n工具：OpenGL、WTK、VRMLn方法：点、线、面、多边形、贴图n虚拟场景动态模型的建立n内容：n确立场景中对象在运动过程中的坐标n视点变化时场景的更新n方法n坐标变换：本体坐标系、世界坐标系、窗口坐标系、透视投影变换7/27/202428飞行器工程系 单家元博士结束！7/27/202429飞行器工程系 单家元博士
