灵境 虚拟现实 技术的理论、实现及应用PDF电子书下载

目录 1

1 概论 1

1.1 信息技术的发展及面临的挑战 1

1.2 灵境系统的特征及基本构成 5

1.2.1 灵境系统的特征 5

1.2.2 灵境系统的构成 6

1.2.3 构建灵境系统所需的部分软、硬件设备 7

2.1 适人化的多维信息空间的基本概念及构成 17

2 适人化的多维信息空间 17

2.2 简单的历史回顾 20

2.2.1 灵境技术的发展过程 20

2.2.2 灵境系统的几个应用实例 25

2.2.3 VR欧洲的研究开发 26

2.3 多维化信息空间的发展前景 34

3 人的环境感知与虚拟环境 35

3.1 视觉感知生理 35

3.1.1 眼睛 36

3.1.3 可视区域 38

3.1.2 视觉神经系统 38

3.1.4 视敏度和视觉感受性 41

3.1.5 立体与深度感知 42

3.1.6 色彩感知 45

3.1.7 分辨率 45

3.2 听觉感知 46

3.2.1 耳朵 46

3.2.2 声音知觉机理 47

3.2.4 听觉定位 48

3.2.3 听觉的预处理 48

3.2.5 声音的解释 49

3.3 人类感知的极限 50

3.4 人的感知和认知信息处理模型 53

3.4.1 短期记忆 54

3.4.2 长期记忆 55

3.4.3 记忆机制 56

3.4.4 记忆组织 57

3.5 虚拟环境对人类感知的影响 58

3.6 小结 60

4.1 基本设计准则 61

4 人机交互系统的设计准备 61

4.2 虚拟环境系统分类 62

4.3 虚拟环境中人机接口系统的构成 62

4.4 硬件系统 63

4.5 软件系统 67

4.6 用户界面系统 70

4.6.1 用户界面系统的研究问题 70

4.6.3 虚拟环境界面设计准则 72

4.6.2 一般用户界面的设计原则 72

4.7 系统集成 73

4.7.1 多信息流同步与集成 73

4.8 小结 79

5 视景的内部表示 80

5.1 生成视景的内部条件 80

5.1.1 视景生成过程 80

5.1.2 对象的几何建模 81

5.2.1 图形学表示 85

5.2 视景的基本内部表示 85

5.2.2 图象表示 89

5.2.3 运动图象的表示 93

5.3 视景的高层内部表达 95

5.3.1 三维物体的几何模型 96

5.3.2 物体的结构表示 97

5.3.3 物体的多视特征表示 105

5.4 小结 112

6.1 生成真实感图形的基本理论与算法 114

6 视景的生成 114

6.1.1 真实感三维表面的构造生成方法 115

6.1.2 曲面表示 116

6.1.3 光照模型与算法 121

6.1.4 自然景象的模拟 136

6.2 动画生成［金95］ 137

6.2.1 关键帧动画 137

6.2.2 变形物体的动画 139

6.2.3 人体动画 143

6.3.1 数据压缩算法 146

6.3 复杂背景图象存储与处理 146

6.3.2 图象变形与生成 159

6.4 复杂图象实时生成与显示：CIG对通用图形工作站 160

6.5 小结 161

7 支持视景生成的程序设计语言 163

7.1 OpenGL的目的与特点 163

7.1.1 OpenGL的目的 163

7.1.2 OpenGL的特点 163

7.2 二维与三维图形的生成 164

7.2.1 OpenGL基本原理 164

7.2.2 OpenGL基本操作 165

7.2.3 OpenGL图形的描绘 169

7.2.4 网栅化 174

7.2.5 OpenGL中几种特殊的函数 176

7.2.6 有关OpenGL图形库的补充 176

7.3 利用OpenGL的三维计算机动画生成 179

7.3.1 OpenGL动画工作原理 179

7.3.2 生成动画 180

7.3.3 动画性能最佳化 187

7.4 图形开发环境 187

7.5 小结 188

8 虚拟环境中常用的视听设备原理与系统 189

8.1 头盔式显示器 189

8.1.1 显示技术 189

8.1.2 CRT显示设备 189

8.1.3 直视式显示设备 192

8.1.4 液晶开关显示设备 198

8.1.5 投影式设备 200

8.1.6 微机械硅（micromechanical silicon）显示设备 202

8.1.7 头盔式显示器HMD光学系统 204

8.1.8 头盔式显示器系统 211

8.1.9 基于CRT的头盔式显示器 215

8.1.10 带有光导纤维的头盔式显示器 216

8.1.11 其他头盔式显示设备 220

8.2.1 3D声音定位系统 224

8.2.2 Convolvotron 224

8.2 听觉环境系统 224

8.3 小结 227

9 虚拟环境中操作者的检测与操作数据获取 229

9.1 电磁跟踪系统 229

9.1.1 交流电磁跟踪系统 229

9.1.2 直流电磁跟踪系统 234

9.2 声音定位与跟踪系统 238

9.2.3 Piltdown三维罗盘 239

9.2.2 Lincoln Wand 239

9.2.1 声波飞行时间位置跟踪器 239

9.2.4 Mattel Power手套 241

9.2.5 Space Pen 241

9.2.6 相位相干位置跟踪器 241

9.2.7 Seitz-Pezaris的HMD位置跟踪器 241

9.2.8 声音位置跟踪器的评价 242

9.3 视觉跟踪系统 242

9.3.1 固定传感器 242

9.3.3 遥现光学追踪系统 243

9.3.2 SELSPOT 243

9.3.4 GEC-Marconi视觉跟踪系统 245

9.3.5 Honeywell旋转射线 248

9.3.6 图象处理光学系统 248

9.3.7 HoneywellLED阵列 249

9.3.8 对光学位置跟踪器的评价 249

9.3.9 其他空间跟踪系统 249

9.4 视点感应系统 250

9.5.2 VPL数据手套的工作原理 251

9.5.1 VPL数据手套 251

9.5 数据手套 251

9.5.3 EXOS的精巧手控设备 253

9.5.4 计算精巧手控设备输出角度 254

9.5.5 PowerGlove 255

9.5.6 CyberGlove 255

9.6 数据衣 256

9.7 小结 257

10 触觉与力学反馈装置 259

10.1 力学反馈手套 259

10.1.1 ARRC遥控力学反馈手套 260

10.1.2 力反馈手套RM Ⅱ 261

10 2 压力反馈系统 266

10.2.1 压力反馈操纵杆 266

10 2.2 笔式力量感知装置 267

10.3 表面压力反馈装置 272

10 3.1 点阵式表面压力反馈装置 272

10 3.2 触觉接口SPICE 278

10.4 小结 284

11.1.1 分析与合成 285

11 人脸图象的认知 285

11.1 面部图象的合成 285

11.1.2 一般二维模型的建立 286

11.1.3 从普通模型到特定模型的映射与参数修正 287

11.1.4 基于特定图象合成时图象特征点的提取 288

11.2 面部动作（表情）的合成 289

11.2.1 唇动合成 290

11.3 面部图象的检测、跟踪与识别 291

11.3 1 面部图象检测 292

11.3.2 人脸跟踪 297

11.4 面部表情及唇动的识别 298

11.4.1 面部表情的识别 298

11.4.2 面部表情的分析与分类 299

11.4.3 面部表情的功能模型 299

11.4.4 面部表情的特点与特征 300

11.4.5 特征提取 301

11.4 6 面部表情的分析与识别 307

11.4.7 表情识别实验结果 309

11.4.8 口型识别 310

11.5 小结 311

12 手势的合成与识别 312

12.1 手势合成 312

12.1.1 CAD手势模型 312

12.2 手势的检测与识别 314

12.2.1 手势识别的特点 314

12.2.2 手势识别方法的发展 315

12.2.3 手势识别的技术难点 315

12.3.1 静态复杂背景中手势目标的捕获与特征提取 316

12.3 手势识别方法 316

12.3.2 目标识别 320

12.3.3 动态复杂背景的手势识别 323

13 自然语言认知接口 331

13.1 语音识别与合成 331

13.1.1 语音识别的回顾 331

13.1.2 动态时间规整DTW 332

13.1.3 隐Markov模型HMM 334

13.1.4 连续语音识别 338

13.1.5 电话语音识别 339

13.1.6 语音合成技术 343

13.2 汉字与字符识别 348

13.2.1 汉字与字符识别的一般过程 348

13.2.2 印刷体汉字识别 349

13.2.3 联机手写体汉字识别 352

13.2.4 笔式计算机和PDA 355

13.2.5 脱机手写体汉字识别 358

13.3.1 自然语言理解的过程和目标 361

13.3 自然语言理解与机器翻译 361

13.3.2 自然语言理解的发展 362

13.3.3 自然语言理解的主要技术 364

13.3.4 汉语的计算机理解 371

13.3.5 机器翻译 375

14 虚拟环境的系统设计方法论 385

14.1 面象对象技术 385

14.1.1 面向对象技术是灵境系统设计基本方法学 385

14.1.2 面向对象软件技术的基本特点 388

14.1.3 面向对象方法所提供的统一的表示范式 389

14.2 面向智能体技术是面向对象技术的改进 390

14.2.1 从多维信息表示的需求出发所提出的改进 391

14.2.2 从实时处理需求出发所提出的改进 392

14.2.3 从并发处理需求出发所提出的改进 393

14.2.4 从人工智能技术出发所提出的改进 394

14.2.5 从软件开发模式出发所提出的改进 394

14.3 面向智能体程序设计方法学 395

14.3.1 AOP的构成 395

14.3.2 Agent合作关系表示与应用 398

14.4 虚拟环境管理器的概念模型设计方法 399

14.5 小结 401

15 虚拟环境的开发环境与平台 403

15.1 桌面虚拟环境系统VRT 403

15.2 分布式虚拟环境系统dVS 403

15.3 VPL的RB2系统 405

15.3.1 RB2硬件结构 405

15.3.2 三维造型软件Swivel 3-D Professional 406

15.3.3 Body Electric 407

15.4 虚拟环境操作外壳VEOS 413

15.4.1 VEOS环境 413

15.4.2 VEOS内核 414

15.4.3 从LISP使用VEOS 415

15.5 虚拟环境应用工具MR 415

15.5.1 概要 415

15.5.2 MR原理 416

15.5.3 MR工具包 417

15.5.4 MR程序包 419

15.6.1 虚拟环境的合成 422

15.6 世界工具包WTK 422

15.6.2 仿真管理程序 423

15.6.3 宇宙中的对象 424

15.7 MultiGen 426

15.7.1 数字地形海拔数据（DTED）选项 427

15.7.3 纹理选项 428

15.8 通用可视化系统GVS 428

15.7.2 数字特征分析数据（DFAD）转换选项 428

15.9 SGI的灵境开发平台 432

15.9.1 SkyWriter 432

15.9.2 现实引擎 434

15.9.3 现实引擎结构概述 434

15.9.4 系统性能概述 435

15.9.5 现实引擎纹理 436

15.9.6 构件 436

15.9.7 纹理存储器结构 436

15.9.8 纹理类型和方法 437

15.9.9 SGI实时操作系统REACT 442

15.9.10 确定的系统响应 443

15.10 Division ProVision 443

15.10.1 SuperVision 443

15.10.2 系统简介 444

15.10.3 独特的立体视觉系统结构 445

15.10.4 PAZ着色器 445

15.11 小结 446

16.1.1 立体视觉 447

16.1 视觉计算 447

16 高级虚拟环境中的几种计算模型 447

16.1.2 光流计算 458

16.2 神经元计算 459

16.2.1 BP算法 460

16.2.2 Hopfield网 462

16.2.3 自组织神经网 463

16.3 演化计算 464

16.3.1 发展与建立 464

16.3.2 遗传算法 465

16.3.3 遗传规划 468

16.3.4 进化策略 470

16.3.5 演化计算在虚拟环境中的应用 470

16.3.6 未来的发展 471

17 应用系统 472

17.1 人在回路中的仿真（Man-In-the-Loop Simulation） 472

17.2 飞行模拟器（Flight Simulator） 476

17.2.1 视景系统 478

17.2.2 运动系统 482

17.2.3 操纵负荷系统 483

17.2.4 音响系统 484

17.3 虚拟战场（作战仿真系统） 486

17.3.1 分布交互仿真 488

17.3.2 DIS的网络结构 489

17.3.3 仿真实体的表现形式和数据传输 490

17.3.4 网络接口NIU（Network Interface Unit） 493

17.3.5 计算机生成兵力 493

参考文献与相关文献 494

附录1：VR技术词汇表 566