第1章 虚拟现实技术导论 1
1.1 引言 1
1.2 虚拟现实的概念 1
目录 1
1.3 虚拟现实系统的构成及主要研究内容 2
1.4 人类的环境感知与虚拟环境 4
1.4.1 视觉 4
1.4.2 听觉 4
1.4.3 力觉反馈和触觉感知 5
1.5 虚拟现实技术的研究基础 7
1.6 虚拟现实技术的发展 8
1.7 虚拟现实的应用领域 10
2.2 虚拟现实系统的构成 12
第2章 虚拟现实系统的构成原理 12
2.1 引言 12
2.2.1 虚拟环境 13
2.2.2 计算机环境 19
2.2.3 虚拟现实技术 20
2.2.4 交互作用方式 22
2.3 虚拟现实的硬件系统 25
2.3.1 传感器 25
2.3.2 显示设备 28
2.3.3 三维声音设备 30
2.3.4 集成的虚拟现实系统 31
2.4 虚拟现实的软件系统 32
2.4.1 虚拟世界建模 33
2.4.2 虚拟环境物理仿真 34
2.4.3 虚拟现实工具箱 39
第3章 虚拟现实的图形学基础 47
3.1 引言 47
3.2 虚拟环境中视点的定位 48
3.2.1 方向余弦定位法 48
3.2.2 方位角定位法 50
3.2.3 欧拉角定位法 53
3.2.4 元定位法 56
3.3 透视投影 61
3.4 人的视觉 63
3.4.1 空间视觉问题 63
3.3.2 视场 63
3.3.1 透视控制 63
3.4.2 立体观察 64
3.5 立体透视投影 65
3.6 三维裁剪 68
3.7 色彩理论 70
3.7.1 光线与颜色 70
3.7.2 三基色原理 70
3.7.3 色彩模型 70
3.7.4 基于颜色的算法 72
3.8 简单的三维建模 73
3.9 光照模型 76
3.9.1 点光源 76
3.9.2 无限远点光源 77
3.9.3 局部光源 77
3.9.5 阴影 78
3.9.4 环境光 78
3.9.6 透明度 79
3.9.7 增强真实感 79
3.10 反射模型 80
3.10.1 漫反射 80
3.10.2 镜面反射 81
3.10.3 一般的反射表达式 81
3.11 阴影算法 82
3.11.1 帧存储 82
3.11.2 投影到显示设备 82
3.11.3 Gourand阴影算法 82
3.11.4 Phong阴影算法 84
3.12.2 Z缓冲器算法 85
3.12.1 画家算法 85
3.12 三维消隐 85
3.12.3 扫描线算法 86
3.12.4 区域采样法 86
3.13 真实感 87
3.13.1 纹理映射 87
3.13.2 走样 88
3.13.3 反走样 88
3.13.4 凸包映射 88
3.13.5 环境映射 88
第4章 虚拟现实的应用 89
4.1 引言 89
4.2 工程领域的应用 89
4.2.1 航空发动机设计中的应用 90
4.2.3 建筑设计中的应用 91
4.2.2 潜水艇设计中的应用 91
4.2.4 人体建模方面的应用 93
4.2.5 工业概念设计中的应用 94
4.2.6 虚拟空间辅助决策系统中的应用 94
4.3 艺术与娱乐领域的应用 95
4.3.1 计算机动画设计中的应用 96
4.3.2 游戏系统中的应用 97
4.3.3 电视方面的应用 97
4.4 科学领域的应用 98
4.4.1 计算神经科学中的应用 99
4.4.2 分子建模中的应用 100
4.4.3 恐惧表情的表现 100
4.4.4 遥现操作中的应用 101
4.4.5 超声波反馈深度探测仪 101
4.5.2 飞行仿真 102
4.5 虚拟训练 102
4.5.1 虚拟消防学院 102
4.5.3 虚拟手术训练 104
4.5.4 虚拟军事训练 105
4.6 虚拟现实的应用前景 106
第5章 虚拟声音的合成及定位 107
5.1 引言 107
5.2 人类听觉系统结构和听觉特性 107
5.2.1 人类听觉系统结构 108
5.2.2 人类听觉特性 108
5.3 听觉定位机制 109
5.4 虚拟声音技术存在的问题 111
5.5 虚拟环境中虚拟声音技术的研究 112
5.6 基于小波变换结合矢量量化的声音数据压缩 114
5.7.1 小波神经网络 116
5.7 基于小波神经网络的头部相关传递函数逼近 116
5.7.2 基于小波神经网络的HRTF逼近 117
5.8 虚拟声音的合成 119
5.8.1 应用HRTF通过耳机合成虚拟声音 119
5.8.2 通过音箱合成虚拟声音 119
5.9 虚拟声音合成系统及听觉定位 121
第6章 虚拟人的运动控制技术 122
6.1 引言 122
6.2 虚拟人的建模技术 122
6.2.1 人体建模的基础 123
6.2.2 虚拟人的几何模型 125
6.3.1 基于关节连接体的人体模型层次结构 130
6.3 虚拟人的运动建模 130
6.3.2 人体坐标系的设定 131
6.4 基于雅可比矩阵的逆运动学控制算法 133
6.4.1 走步、跑步和踏步的运动学分析 133
6.4.2 雅可比矩阵及其伪逆 135
6.4.3 人体运动的约束关系 136
6.4.4 算法 137
6.4.5 特征参量 138
6.4.6 仿真实验与分析 138
6.5 虚拟人的运动拟合算法 141
6.5.1 算法的基本思想 141
6.5.2 算法的实现 141
6.5.3 仿真实验与分析 143
6.6.1 虚拟环境的表示 144
6.6 虚拟人的路径规划算法 144
6.6.2 路径搜索 146
6.6.3 仿真实验与分析 147
第7章 基于VR的遥控操作的研究 150
7.1 引言 150
7.2 空间机器人几何模型的建立 150
7.3 空间机器人运动建模 152
7.3.1 空间机器人抓取操作的运动合成 152
7.3.2 空间机器人抓取操作的碰撞检测 154
7 .4 基于操纵杆人—机接口的遥控操作 155
7.4.1 操纵杆的功能 155
7.4.2 操纵杆遥控功能的实现 156
7.5.1 空间球的工作原理 158
7.5 基于空间球人—机接口的遥控操作 158
7.5.2 空间球人—机接口的设计 159
7.5.3 基于空间球的遥控操作 160
7.6 基于声控人—机接口的遥控操作 161
7.6.1 概述 161
7.6.2 基于过渡段＋韵母段的识别基元 161
7.6.3 口令识别系统的组成 162
7.6.4 端点检测、音节识别及识别基元定位 162
7.6.5 简介其他各层 163
7.6.6 实验 164
7.7 基于手势人—机接口的遥控操作 164
7.7.1 虚拟手势姿态的确定 165
7.7.2 虚拟手与目标间的坐标变换 166
7.8 基于VR的空间机器人遥控操作仿真系统 168
7.8.1 仿真系统总体设计 168
7.8.2 仿真实验 169
第8章 可变形气流场生成算法及其在虚拟战场中的应用技术 171
8.1 引言 171
8.2 气流场扩散特性的数学描述 171
8.2.1 气流场扩散特性概述 172
8.2.2 气流场的扩散过程 173
8.2.3 气流场的扩散过程的解法 174
8.2.4 气流场对光线的扩散 175
8.3 基于分形迭代的云彩生成算法 176
8.3.1 算法的基本思想 177
8.3.2 云团基元的表示 177
8.3.3 IFS代码的生成 178
8.3.4 随机中点偏移算法 178
8.3.5 云块颜色和透明度的确定 179
8.3.6 云彩仿真结果及分析 180
8.3.7 关于云块运动问题的讨论 181
8.4 基于过程纹理的烟雾生成算法 182
8.4.1 算法的基本思想 182
8.4.2 烟雾的物理模型 183
8.4.3 烟雾模型的随机扰动 185
8.4.4 烟雾颜色和透明度的确定 185
8.4.5 烟雾仿真结果与分析 185
8.5 基于细胞自动机和旋涡场的火焰生成算法 187
8.5.1 细胞自动机的概念及其对气流场扩散特性的描述 188
8.5.2 基于细胞自动机的火焰生成算法 188
8.5.3 粒子系统和旋涡场相结合的火团生成算法 192
8.5.4 两种火焰生成算法的比较 199
8.6 可变形气流场仿真在虚拟战场平台中的应用 199
8.6.1 虚拟战场的整体框架和基本特点 200
8.6.2 地对空导弹视景生成系统的基本组成 202
8.6.3 导弹发射时的火焰及烟雾仿真 202
8.6.4 飞行中导弹的尾焰仿真 203
8.6.5 导弹击中目标时残骸的仿真 203
第9章 基于VR的月球车仿真技术 206
9.1 引言 206
9.2 虚拟月球车仿真系统开发环境简介 206
9.3 虚拟月球车的三维实体模型 207
9.3.1 HIT-1型月球车的三维实体模型 207
9.3.2 HIT-A型月球车的三维实体模型 207
9.4 虚拟月球车的运动学分析 209
9.4.1 正向运动学分析 209
9 .4.2 车轮雅可比矩阵 210
9.4.3 月球车的位置和方向估计 213
9.4.4 反向运动学建模 215
9.4.5 月球车加速度建模 216
9.4.6 月球车的运动学分析仿真结果 221
9.5 虚拟月球车的动力学分析 223
9.5.1 轮—地相互作用机制研究 223
9.5.2 月球车动力学模型 224
9.5.3 仿真分析 226
9.6 虚拟月球的地形、地貌建模 227
9.6.1 地形数据 227
9.6.2 地形合成 227
9.6.3 模型表示 228
9.7 基于物理特征的月球车的运动规划的仿真结果 229
参考文献 233