虚拟现实实验报告.docx

1.基本概念：虚拟现实（Virtual Reality，简称VR），是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，具体地说，就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。由计算机系统产生的，相对于实环境的，并有人的操作和参与而形成的一种虚构的、视觉上的、听觉上的、感觉上、嗅觉上的存在，是一种物理意义上的人机交互和抽象组合。 基本类型：1.桌面虚拟现实系统（实利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口。）2.临境虚拟现实系统（提供完全沉浸的体验）3.增强型的虚拟现实系统（增强现实中无法感知或不方便的感受）4.分布式虚拟现实系统（多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的）重要特点：临境(immersion)；交互性(interactivity)；想象(imagination)。1.沉浸感：用户作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。2.交互性：用户对虚拟环境内的物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。3.想象：用户沉浸在多维信息空间中，依靠自己的感知和认知能力全方位地获取知识，发挥主观能动性，寻求解答，形成新的概念。2，关键技术1.三维真实感图象的实时生成（VR系统要对参与者的行为反应灵敏，并保持内部的一致性和连贯性，保证显示图象的“更新率”能满足目标的要求）2.大视野立体显示技术（通过配戴头盔给人身临其境的感觉，画面围绕着参与者）3.位置跟踪器（检测到参与者的物理位置和取向，以便输入到计算机中去产生虚拟境界中相应的图象和声音）4.立体声的产生（真实而且准确，注意声音的方向感）5、虚拟环境建模（设计出参与者在一种虚拟境界中会遇到的景物，包括物体建立几何模型，附加信息）主要建模方法：基于几何和图像的建模、虚拟对象的物理特性建模与行为建模。3，增加模型的逼真度：（1）纹理映射贴图：将纹理图像贴在简单物体的几何表面，以近似描述物体表面的纹理细节，加强真实性，实际上是利用二维平面图代替三维模型的局部。（2）环境映射：采用纹理图像来表示物体表面的镜面反射和规则透视效果。（3）反走样：提高像素的密度。最直接的方法：使用实际的航拍卫星图作为地形的纹理。纹理拟合是一个有效的手段。提高系统实时性关键技术：实时环境建模技术，实时显示技术，实时交互技术，实时场景数据传翰技术提高实时性技术：分布式VR的虚拟场景数据压缩，全景图实时生成技术，分布式虚拟场景的实时浏览和交互观察技术。4，虚拟现实技术的体系结构分为分布式虚拟现实和非分布式虚拟现实两种体系结构。分布式虚拟现实系统是一个支持多人实时通过网络进行交互的虚拟现实系统，每个用户在一个VR环境中通过联网的计算机与其他用户进行交互。非分布式虚拟现实系统结构是一个事件驱动、按照一组规则来处理并发事件的虚拟现实系统。将单个的虚拟世界分解成多个可以在不同的处理器上执行，并通过消息传递相互通信的Client/Server 进程。系统包含3个VR 部件：设备服务器、应用进程和会话管理DM。虚拟现实系统的硬件配置以及各硬件作用：1.虚拟现实生成设备：一台或多台有图形加速器和多条图形输出流水线的高性能图形计算机。2.感知设备：将虚拟世界各类感知模型转变为人能接受的多通道刺激信号的设备。相对成熟的感知信息和生产和检测技术仅有视觉、听觉和力觉三种通道3.跟踪设备：用于跟踪并检测位置和方位，实现虚拟现实系统中人机交互操作。4.基于自然方式的人机交互设备：应用手势、体势、眼神以及自然语言的人机交互设备常见的有数据手套、数据衣服、眼球跟踪器及语音综合识别装置应用： （1）用于遥控机器人的遥现技术（2）仿真技术（3）对象可视化技术：（4）虚拟实验室：（5）虚拟电力控制室：（6）分布式虚拟现实系统：（7）扩增实境：5， 纹理映射基本原理：纹理生成过程实质上是将所定义的纹理映射为反映某种三维景物表面的属性，并参与后续的光照明计算。纹理的分类：根据纹理定义域的不同，纹理可分为二维纹理和三维纹理。基于纹理的表现形式, 纹理又可分为颜色纹理、几何纹理和过程纹理三大类。关键问题：建立映射；减少形变、走样；合成纹理；剔除纹理图象中的光照效果。6， 3D动画的制作过程：1.故事设计，收集资料，形象设计2.模型的创建(Modeling) 3.材质、贴图的创建4.灯光的创建，动画前准备，如皮肤骨骼系统设定5.动画设置、调节6.渲染7.后期合成，结果人体动画设计的特点人体动画：通过计算机实现人体造型和模拟人体行为的计算机动画技术。先后经历了三个模型设计阶段：棍棒图模型、曲面模型、体模型。采用直接产生肌肉外部皮肤表面模型来模拟肌肉变形的方法，以及直接对肌肉和骨骼进行造型的方法，实现人类运动相关性和肌肉效果的模拟。人体动画的研究涉及人体的构造、基于运动的人体形状变形、面部动画、人体运动模拟等领域。随着技术的进步，逐渐走向实用性阶段，如影视特技、体育训练和医疗卫生领域等。方法：计算机动画，关键桢技术，具有关节形状，运动学仿真，动力学仿真，空间与时间约束。7， 常用的表情动画的技术方法（1）伪肌肉变形（2）关键帧插值（最早的最简单常用脸部动画控制方法，源于传统卡通片制作）（3）参数法（通过改变一组参数的值来产生人脸表情）（4）基于肌肉的物理方法（脸部肌肉的运动则是引起表情产生的主要动力）（5）表演驱动（实际运动数据控制计算机生成的动画人物）（6）Morphing（变形）方法（把已有的影像转换成另一种影像）8， 非真实感图形渲染的分类按绘制风格：1.科学可视化2.技术绘图3.铅笔、钢笔画插图和线条画4.艺术绘图5.卡通渲染9， 公告板（Bill Boarding）技术及实现的关键（google）公告牌技术，即billboard技术，在3D游戏中有着广泛的应用。它的本质就是用预先做好的几幅位图来代替3D物体，极大地节省资源和提高速度。具体来说，该技术使用两个三角形组成的矩形来显示一个位图，在显示过程中这个矩形面板根据摄像机的观察角度和位置而变化。当采用正交投影时，显示出来的图形将不具有纵深感，不会随着距离的远近而产生缩放。实现关键：1，在合适的地方，朝合适的方向放位置一面“公告牌”。这个公告牌，其实是一个共面四边形，一般使用矩形；2，把位图贴到矩形上。10.运动捕捉系统原理：运动捕捉系统是一种用于准确测量运动物体在三维空间运动状况的高技术设备。基于计算机图形学原理，通过排布在空间中的数个视频捕捉设备将运动物体（跟踪器）的运动状况以图象的形式记录下来，然后使用计算机对该图象数据进行处理，得到不同时间计量单位上不同物体（跟踪器）的空间坐标（X，Y，Z）。分类：从应用角度来看，表演动画系统主要有表情捕捉和身体运动捕捉两类；从实时性来看，可分为实时捕捉系统和非实时捕捉系统两种。组成：传感器，信号捕捉设备，数据传输设备，数据处理设备。常用技术：机械式运动捕捉，声学式，电磁式，光学式。11， 增强现实技术（AR）增强现实（AR）技术，也被称之为扩增现实技术。它通过电脑技术，将虚拟的信息应用到真实世界，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。即把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息,声音,味道,触觉等),通过科学技术模拟仿真后再叠加到现实世界被人类感官所感知,从而达到超越现实的感官体验。增强现实系统具有虚实结合、实时交互、三维注册的新特点。12， 多通道环幕（立体）投影系统多通道环幕（立体）投影系统是指采用多台投影机组合而成的多通道大屏幕展示系统，它比普通的标准投影系统具备更大的显示尺寸、更宽的视野、更多的显示内容、更高的显示分辨率，