项目3虚拟现实关键技术

虚拟现实关键技术项目3大连理工大学出版社目录项目描述知识拓展我教你学小结01项目描述虚拟现实是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当的装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互。使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，精确地将3D世界影像传回从而产生临场感。虚拟现实集成了计算机图形（CG）技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果。概括地说，虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。项目描述1.了解虚拟现实的技术组成2.了解计算机图形学技术3.了解三维建模技术知识目标4.了解虚拟现实开发引擎1.能够认识虚拟现实的多种技术组成2.能够认识三维建模技术种类3.能够认识到多种人机自然交互技术4.能够认识虚拟现实开发引擎及作品能力目标02我教你学3.2.1计算机图形技术计算机图形学是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是如何在计算机中表示图形以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。虽然通常认为CG是指三维图形的处理，事实上也包括了二维图形及图像的处理。计算机图形学是数字图象处理或计算机视觉的逆过程：计算机图形学是用计算机来画图像的学科，数字图象处理是把外界获得的图像用计算机进行处理的学科，计算机视觉是根据获取的图像来理解和识别其中的物体的三维信息及其他信息。建模(Modeling)渲染(Rendering)动画(Animation)人机交互(Human–computerInteraction,HCI)计算机图形学主要内容

虚拟现实系统要求实时动态逼真地模拟环境,考虑到硬件的限制和虚拟现实系统的实时性要求,虚拟现实系统的建模与以造型为主的静轴,以及动画建模方法有着显著的不同,虚拟现实的建模大都采用多边形网格建模技术，如图所示。3.2.2三维建模技术有多边形（Polygon）建模多边形建模技术是最早采用的一种建模技术，它的思想很简单，就是用小平面模拟曲面，从而制作出各种形状的三维物体，小平面可以是三角形、矩形或其他多边形，但实际中多是三角形或矩形。非均匀样条曲线建模（NURBS）运用红外光学定位技术最具代表性的硬件产品是OptiTrack的光学定位摄像头，这类定位器的基本原理简单的说就是利用多个红外发射摄像头，对室内定位空间进行覆盖，在被追踪物体上放置红外反光点，通过捕捉红外反光点反射回摄像机的图像，确定其在空间中的位置信息。逆向建模三维逆向建模简单来说就是逆向设计。逆向设计过程是指设计师对产品实物样件表面进行数字化处理（数据采集、数据处理），并利用可实现逆向三维造型设计的软件来重新构造实物的三维CAD模型（曲面模型重构），并进一步用CAD/CAE/CAM系统实现分析、再设计、数控编程、数控加工的过程。

三维建模常用方法无论是游戏，还是虚拟现实应用，碰撞检测始终是程序开发的难点，甚至可以用碰撞检测作为衡量虚拟现实引擎是否完善的标准。好的碰撞检测要求人物在场景中可以平滑移动，遇到一定高度的台阶可以自动上去，而过高的台阶则把人物挡住，遇到斜率较小的斜坡可以上去，斜率过大则会把人物挡住，在各种前进方向被挡住的情况下都要尽可能地让人物沿合理的方向滑动而不是被迫停下。在满足这些要求的同时还要做到足够精确和稳定，防止人物在特殊情况下穿墙而掉出场景。做碰撞检测时，该技术的重要性容易被人忽视，因为这符合日常生活中的常识。如果出现Bug，很容易被人发现，例如人物无缘无故被卡住不能前进或者人物穿越了障碍。所以，碰撞检测是让很多程序员头疼的算法，算法复杂，容易出错。3.2.3碰撞检测技术

这些年随着VR被大众所熟知，三维声场重建也成了向用户提供高逼真度浸入式体验的关键技术点之一。听觉是我们对外界的感知当中最快的一种，而且不会像视觉一样被视角所限制。乔治·卢卡斯曾经说过：声音给了人们对世界感知的50%。在VR世界中更是这样，糟糕的声音体验会完全破坏掉VR带给我们的沉浸感，使我们从虚拟现实的世界中抽离出来。而一份高品质的声音体验，不仅仅会让我们拥有这种沉浸感，更可以去引导用户的注意力，调动用户的情绪。3.2.4三维音频技术

人机交互技术（Human-ComputerInteractionTechniques）是指通过计算机输入、输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话的技术。它包括机器通过输出或显示设备给人提供大量有关信息及提示请示等，人通过输入设备给机器输入有关信息及提示请示等，人通过输入设备给机器输入有关信息，回答问题等。人机交互技术是计算机用户界面设计中的重要内容之一。它与认知学、人机工程学、心理学等学科领域有密切的联系。3.2.5人机自然交互技术视觉通道听觉通道触觉和力觉用户的输入人机自然交互系统组成语音识别与合成

游戏引擎（可用于虚拟现实应用开发）是指一些已编写好的可编辑电脑游戏系统或者一些交互式实时图像应用程序的核心组件。这些系统为游戏设计者提供各种编写游戏所需的各种工具，其目的在于让游戏设计者能容易和快速地做出游戏程式而不用由零开始。大部分都支持多种操作平台，如Linux、MacOSX、微软Windows。游戏引擎包含以下系统：渲染引擎（即“渲染器”，含二维图像引擎和三维图像引擎）、物理引擎、碰撞检测系统、音效、脚本引擎、电脑动画、人工智能、网络引擎以及场景管理。3.2.6虚拟现实开发引擎Unity3DUnrealEngine4CryEngineFrostbiteEngineGamebryoUnity3D和UnrealEngine4对比轻量级，安装、调试和打包方便配置VR项目十分简单学习成本低，文档完善插件和相关资源齐全，几乎可以满足任何功能开发开发成本低UI系统调试方便AssetStore提供了一些VR下的Demo作为参考Unity3D画面效果完全达到3A游戏水准光照和物理渲染即便在缩水的状况下也足以秒杀Unity蓝图系统，从此策划不用再写代码强大的材质编辑器各种官方插件齐全提供各种游戏模版，用来做原型配合Blueprint甚至比Unity更快UnrealEngine403知识拓展相关知识拓展———自然人机交互技术（扩展）手势是一种较为简单、方便的交互方式。如果将虚拟世界中常用的指令定义为一系列手势集合,那么虚拟现实系统只需跟踪用户的位置以及手指的角度就有可以判断出用户的输入指令。利用这些手势,参与者可以完成诸如导航、拾取物体、释放物体等操作。目前,根据输入设备的不同,手势识别主要分为基于数据手套的手势识别和基于视觉的手势识别系统。面部表情识别技术是运用机器识别人类面部表情的一种技术。人可以通过脸部的表情表达自己的各种情绪,传递必要的信息。面部表情识别技术包括人脸图像的分割、主要特征(如眼睛、鼻子等)定位及识别。目前,计算机面部表情识别技术通常包括人脸图像的检测与定位、表情特征提取、模板匹配、表情识别等几个步骤。力反馈和力反馈设备是目前的研究热点,由于力反馈设备能够根据细腻实体的定义和用户行为的特殊性进行合理运动限定,最终实现真正的用户感知,而不需要用户进行判断。因此通过它可以较完整地体现人与环境的真实对话。通常力反馈设备的工作流程是:测量用户手指、手或手臂的运动并模拟其实施力细节,计算手等对物体的作用力和物体对手等的反作用力,将反作用力施加到用户手指、手腕等肢体上。04项目小结

虚拟现实是多种技术的综合,包括实时三维计算机图形技术,三维建模技术,碰撞检测技术,对观察者头、眼和手的跟踪技术,以及触觉力觉反馈、立体声