虚拟现实技术及其应用PDF电子书下载

第1章　虚拟现实技术概论 1

1.1　虚拟现实技术的基本概念 1

1.2　虚拟现实的3I特性 1

1.3　虚拟现实系统的组成 2

1.3.1　输入部分 2

1.3.2　输出系统 3

1.3.3　虚拟环境数据库 3

1.4　虚拟现实系统的分类 4

1.4.1　桌面虚拟现实系统 4

1.4.2　沉浸式虚拟现实系统 5

1.4.3　分布式虚拟现实系统 7

1.4.4　增强现实（或混合现实）系统 7

1.5　虚拟现实技术与其他计算机相关技术的关系 8

1.6　虚拟现实技术的发展概况 9

1.7　虚拟现实的应用领域 10

1.8　典型虚拟现实系统 11

第2章　虚拟现实建模 13

2.1　三维场景的计算机图形学原理 13

2.1.1　三维图形绘制原理 13

2.1.2　坐标系相关概念 14

2.2　虚拟场景建模技术分类 15

2.3　环境建模技术 15

2.3.1 基本外观造形阶段 15

2.3.2　行为属性建模 18

2.3.3　虚拟环境对象建模 19

2.3.4　用户对象建模 19

2.4　虚拟现实建模语言（VRML） 20

2.4.1 VRML的基本工作原理及其基本特性 21

2.4.2　VRML文件的组成 22

2.4.3　VRML的节点和域 23

2.4.4　VRML文件格式及MIME类型 24

2.4.5　VRML中的动画效果 26

2.4.6　VRML自身的场景交互 27

2.4.7　通过Java实现和VRML场景的交互 28

第3章　基于立体视觉的图像建模技术 29

3.1 基于立体视觉的图像建模技术概述 29

3.2　图像获取 29

3.3　视觉图像特征提取 30

3.3.1　点特征提取 31

3.3.2　边缘检测原理 32

3.3.3　几种常见的边缘检测算子 33

3.3.4　几种经典算子的检测结果对比 34

3.4　拐角检测 36

3.4.1　基于邻域锚点的快速图像拐角检测 36

3.4.2　算法实现 37

3.4.3　算法分析及实验结果 39

3.5　立体匹配 39

3.5.1　立体匹配中的约束条件 40

3.5.2　匹配策略的选择 41

3.6　摄像机标定与三维重建 44

3.6.1　坐标系 44

3.6.2　典型的摄像机模型 45

3.6.3　基于OpenCV的摄像机标定方法 46

3.6.4　基于对极几何和主动视觉的摄像机标定方法 48

3.6.5　利用VRML实现三维模型的表示和渲染 53

第4章　虚拟现实应用系统开发工具 55

4.1 虚拟现实软件开发包WTK 55

4.1.1　WTK场景运行机制 55

4.1.2　WTK场景图渲染方式 56

4.1.3　WTK虚拟系统场景图组织结构实例 58

4.1.4　实体模型文件格式 60

4.1.5　模型初始参数设置 61

4.1.6　动态模型格式修改 62

4.1.7　对象模型的材质纹理表现 63

4.1.8　场景文件输出 64

4.1.9　WTK文件格式 64

4.1.10　人机交互模式的实现 65

4.2　虚拟现实仿真系统开发平台Vega简介 66

4.2.1　Vega基本类库描述 67

4.2.2　Vega仿真程序的建立 69

4.2.3　仿真程序的主循环 70

4.2.4　基于MFC的Vega应用的程序结构 70

4.3 OpenGL简介 71

4.3.1 直观的三维图形开发环境 71

4.3.2　三维图形开发标准 72

4.3.3　OpenGL的体系结构 72

4.3.4　OpenGL图形实现方式 73

4.3.5 创建OpenGL应用程序的步骤 75

第5章　虚拟现实人机交互 76

5.1 双手操作的理论基础 78

5.1.1　双手操作的认知特性 78

5.1.2　双手操作的行为学特点 79

5.2　双手非对称交互的设备组合 82

5.2.1　三维交互设备 82

5.2.2　双手非对称交互设备的选取 83

5.2.3 二维鼠标的交互接口设计 84

5.2.4　三维空间球的应用设计 84

5.3　双手非对称交互的任务设计 86

5.3.1 交互任务的层次结构 86

5.3.2　交互任务分配的相关实验研究 87

5.3.3　双手非对称交互的时间特征 88

5.3.4　虚拟现实应用系统中的交互任务设计 89

5.4　交互任务实现的关键技术 91

5.4.1 三维拾取 91

5.4.2　设备模型对象的操作 92

5.4.3　视点变换与控制 94

5.5　可用性评估 95

5.5.1　评估方法和技术 95

5.5.2　评估实验的实施方法 96

5.6　虚拟漫游模式设计 98

5.6.1　键盘自主漫游模式 98

5.6.2 自动漫游模式 99

5.7　碰撞检测技术（Collision Detection） 100

5.7.1　虚拟环境中碰撞检测的基本原理 100

5.7.2　虚拟漫游中基于视线的碰撞检测原理 102

5.7.3　虚拟漫游中基于视线的智能碰撞检测实现方法 103

5.8　三维虚拟界面中导航图创建方法 106

5.8.1　导航图人机交互设计的空间认知 106

5.8.2　导航图开发目标 107

5.8.3　常见平面导航图的创建方法 108

第6章　基于VR的消防参谋系统设计 109

6.1 引言 109

6.2　消防参谋系统设计框架 109

6.3　通过二维组态软件实现虚拟建筑物的三维建模 110

6.4　消防参谋系统二维图形组态软件设计 111

6.4.1 主界面设计 111

6.4.2　基本元素模块设计 111

6.4.3　数据IO模块设计 112

6.4.4　其他模块设计 113

6.5　基于VRML的三维引擎基本架构 114

6.6　消防参谋系统三维监控软件架构 115

6.7　消防参谋系统三维监控软件功能实现 116

6.7.1　建立三维虚拟建筑 116

6.7.2　与智能传感器通信估测火灾信息 122

6.7.3　智能传感器的数据记录 123

6.7.4　三维虚拟建筑的远程访问 124

第7章　工控组态软件三维监控界面的原型系统开发 127

7.1 引言 127

7.2　传统监控组态软件结构分析 127

7.3　新型组态软件整体方案论证 129

7.3.1　实时数据库系统方案 129

7.3.2　虚拟监控界面开发运行系统定位 130

7.3.3　基于用户的系统功能分析 130

7.3.4　基于人机交互接口的系统分析 131

7.3.5　虚拟场景构造分析 131

7.3.6　基于虚拟场景构造的功能分析 133

7.3.7　基于工艺流程仿真的系统分析 133

7.3.8　本系统软件框架图 134

7.4　虚拟监控组态软件开发目标 134

7.5　系统功能模块概述 136

7.6　系统开发的软硬件环境 138

7.6.1　系统的硬件组成 138

7.6.2　虚拟现实系统开发引擎 138

7.7　基于MFC和WTK驱动内核的平台框架 138

7.8　组态平台设计 141

7.8.1　设备模型库功能模块 141

7.8.2　模型预览功能模块 142

7.8.3 鼠标交互操作功能模块 143

7.8.4　三维鼠标交互接口 144

7.8.5　场景模型管理模块 144

7.8.6　属性配置功能模块 145

7.8.7　场景文件及相关配置文件保存功能模块 146

7.9 监控运行平台设计 146

7.9.1　组态文件解析功能模块 146

7.9.2　其他功能模块 147

7.10　组态软件三维监控界面在实际工程上的仿真应用 148

7.10.1　评价系统介绍 148

7.10.2　系统设计 148

7.11　评价系统监控界面的实现 149

第8章　基于VR技术的GPS仿真系统开发 151

8.1 引言 151

8.2　GPS系统组成 152

8.2.1 空间部分 152

8.2.2　地面控制部分 153

8.2.3 用户部分 153

8.3　GPS仿真系统设计背景 153

8.3.1　仿真运行系统开发定位 153

8.3.2　基于用户的系统功能分析 154

8.3.3　基于人机交互接口的系统分析 154

8.3.4　虚拟场景构造及功能设计 155

8.3.5　虚拟场景实体对象建模分析 155

8.3.6　实时数据库系统方案论证 156

8.4　最终目标 157

8.5　系统开发的软硬件环境 157

8.6　整体设计思路 158

8.7　软件功能设计 162

8.8　软件设计 163

8.9　关键技术实现 164

8.9.1　虚拟场景实体对象建模 164

8.9.2　星历文件读／写 165

8.9.3　星历数据处理及其Matlab仿真 166

8.9.4　利用WTK构建运行场景 168

8.9.5　场景构建中的坐标系转换 169

8.9.6　停靠式树形控件的生成 170

8.9.7　可见卫星个数 171

8.9.8　星下点轨迹绘制模块 172

8.9.9　切比雪夫多项式拟合 174

8.9.10　数据库 176

参考文献 180

主要参考网站 185