現代仿真技術與應用教師：陸艷洪聯系方式：

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yanhonglu@ 辦公室：實驗大樓A9131現代仿真技術與應用教師：陸艷洪1現代仿真技術與應用

章節安排第一章概述第二章系統的數學模型第三章連續系統的數字仿真第四章離散事件系統仿真第六章分布式交互仿真第七章可視化、多媒體、虛擬現實仿真2現代仿真技術與應用章節背景知識包括：

計算機原理與系統結構，操作系統，計算機網絡，軟件工程，程序設計，數據結構，電子學，圖形學與CAD，系統分析，人工智能等。內容包括虛擬現實與系統仿真的基本概念和術語，虛擬現實與系統仿真的基礎方法，虛擬現實有關的人的因素，虛擬現實的接口設備和計算機設備，虛擬現實的世界建模技術，虛擬現實的應用。

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實3背景知識包括：現代仿真技術與應用

知識結構

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實4知識結構現代仿真技術與應用重點難點虛擬現實的基本概念人的視覺系統和虛擬現實的視覺顯示技術各類位姿跟蹤系統的技術力覺和觸覺反饋技術虛擬現實用計算機系統虛擬現實的工具軟件系統分布式虛擬現實系統。

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實5重點難點虛擬現實的基本概念現代仿真技術與應用要求首先要求掌握虛擬現實與系統仿真的基本概念和術語，以及虛擬現實有關的人的因素，明確虛擬對現實要求。其次要求掌握虛擬現實與系統仿真的基礎方法，虛擬現實的接口設備和計算機設備，虛擬現實的世界建模技術，了解實現要求的技術。最后要求掌握虛擬現實的應用。

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實6要求首先要求掌握虛擬現實與系統仿真的基本概念和術語，以及虛擬參考資料1.《虛擬現實與系統仿真》韋有雙；國防工業出版社；2004年2.《虛擬現實的技術及其應用》

曾建超，俞志和；清華大學出版社；19963.《靈境（虛擬現實）技術的理論，實現及應用》

汪成為，高文，王行仁；清華大學出版社，廣西科學技術出版社；19964.《VirtualRealityTechnology》GrigoreBurdea，PhillippeCoiffet；

JohnWiley&Sons,INC.；19945.《VirtualRealitySystems》JohnVince；

Addison-WesleyPnblishingCompany；1995

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實7參考資料1.《虛擬現實與系統仿真》現代仿真技術與應用虛擬現實概述虛擬現實的接口技術虛擬現實的計算機技術虛擬現實的建模和仿真技術分布式虛擬現實技術系統仿真與虛擬現實的結合機制虛擬現實的應用

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實內容8虛擬現實概述現代仿真技術與應用〖課前思考〗

〖學習目標〗

〖難重點〗

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述1．什么是虛擬現實？2．虛擬現實與人有什麼關系？1．注意理解幾個概念。2．注意理解幾個特點。3．注意理解VR設計中考慮的視覺問題。1．了解VR的概念和特點。2．了解VR有關的人的因素。9〖課前思考〗

現代仿真技術與應用

1、虛擬現實系統的三個部分是

。

2、遙操作系統的三個部分是

。

3、增強顯示系統是

。

4、合成顯示系統是

。

5、虛擬現實系統的三個特點是

。

6、虛擬現實系統的三個I是

。7、虛擬現實系統的三個主要技術領域

。8、確定電影和電視的幀頻應該考慮人眼的

現象。9、人耳的HRTF的中文名稱是

。

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述10

1、虛擬現實系統的三個部分是主要內容本章主要介紹虛擬現實的基本概念和有關人的概念。虛擬現實或虛擬環境是人工構造的存在于計算機系統內部而非現實世界中的一種環境。該環境包括：環境的人類操作者、人機接口和計算機，人的視覺和聽覺問題，都是和虛擬現實有關的人的因素。本章內容包括：1虛擬現實的基本概念2虛擬現實的特點3虛擬現實的應用領域4虛擬現實技術簡介5虛擬現實中有關人的因素

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述11主要內容現代仿真技術與應用第一章的知識點

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述12第一章的知識點現代仿真技術與應用虛擬現實的發展史1)1965年，Sutherland在篇名為<<終極的顯示>>的論文中首次提出了包括具有交互圖形顯示、力反饋設備以及聲音提示的虛擬現實系統的基本思想，從此，人們正式開始了對虛擬現實系統的研究探索歷程。2)1966年，美國MIT的林肯實驗室正式開始了頭盔式顯示器的研制工作。3)1989年，美國VPLResearch公司創始人JaronLanier提出了“VirtualReality”（虛擬現實）的概念。4)1994年，美國SGI公司和比利時的BARCO投影機制造公司，在英國建設了世界上第一個虛擬現實系統。

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述13虛擬現實的發展史1)1965年，Sutherland在篇名基本概念

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述“Reality”的含義是現實的世界或現實的環境。所以，“VirtualReality”（虛擬現實）的另一個名稱是“VirtualEnvironment”（虛擬環境）。“Virtual”說明這個世界或環境是虛擬的，不是真實的，是人工構造的，存在于計算機內部的，用戶應該能夠“進入”這個虛擬的環境中。所謂“進入”這個虛擬的環境中，是指用戶以自然的方式與這個環境交互（包括感知環境并干預環境），從而產生置身于相應的真實環境中的虛幻感，沉浸感，身臨其境的感覺。14基本概念現代仿真技術與應用“VirtualReality”(虛擬現實）或“VirtualEnvironment”（虛擬環境）是人工構造的，存在于計算機內部的環境。用戶應該能夠以自然的方式與這個環境交互（包括感知環境并干預環境），從而產生置身于相應的真實環境中的虛幻感，沉浸感受，身臨其境的感覺。虛擬環境（VirtualEnvironment,VE）系統或虛擬現實（VirtualReality,VR）系統包括人類操作者、人機接口和計算機。

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述基本概念

15“VirtualReality”(虛擬現實）或“Virtu1）虛擬現實系統應用最多的專用設備是頭盔式立體顯示器和數據手套。于是，有人以使用這些專用設備為虛擬現實系統的標志，這種觀點是不準確的，它們只是當前已經實現的一部分虛擬現實接口設備。

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述基本概念

161）虛擬現實系統應用最多的專用設備是頭盔式立體顯示器和數據手

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述基本概念

2）虛擬現實技術，是在計算機應用和人機交互方面開創的全新的學科領域。這個新領域的發展，還有很多困難，有很多技術難點有待解決，當前，這一領域還只是走出了第一步。

3）以接口設備為例，頭盔式立體顯示器和數據手套等設備很不完善。例如，頭盔的視場，分辨率，造成眩暈等問題還有待解決。聽覺接口和力覺接口等設備還在研究，應用還不多。味覺，嗅覺，運動覺等技術，還缺乏研究。17現代仿真技術與應用第七章虛虛擬現實系統構成

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述檢測模塊：檢測用戶的操作命令，并通過傳感器模塊作用于虛擬環境。反饋模塊：接受來自傳感器模塊信息，為用戶提供實時反饋。傳感器模塊：一方面接受來自用戶的操作命令，并將其作用于虛擬環境；另一方面將操作后產生的結果以各種反饋的形式提供給用戶。控制模塊：對傳感器進行控制，使其對用戶、虛擬環境和現實世界產生作用。建模模塊：獲取現實世界組成部分的三維表示，并由此構成對應的虛擬環境。構成虛擬現實系統的五大模塊18虛擬現實系統構成現代仿真技術與應用一、模仿真實世界中的環境：建筑物，武器系統，或戰場環境特點與功能：這種真實環境，可能是已經存在的，也可能是已經設計好但還沒有建成的，這一類虛擬現實系統的功能實際上是系統仿真。要求：為了逼真地模仿真實世界中的環境，逼真地建立幾何模型和物理模型，環境的動態應符合物理規律。二、人類主觀構造的環境：用于影視制作或電子游戲的三維動畫。特點：環境是虛構的，幾何模型和物理模型就可以完全虛構。實現：常用插值方法來實現系統的動畫技術三、模仿真實世界中的人類不可見的環境：分子的結構，空氣中的速度、溫度、壓力的分布等。特點與功能：這種真實環境，是客觀存在的，但是人類的視覺和聽覺不能感覺到。其功能，實際是科學可視化。實現：對于分子結構這類微觀環境，進行放大尺度的模仿，使人能看到。對于空氣中的速度這類不可見的物理量，可以用流線顯示速度（流線方向表示速度方向，流線密度表示速度大小）。虛擬現實的虛擬環境分類

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述電影動畫的例子居室環境的仿真和漫游例子由此可見，虛擬現實技術可以用于系統仿真、科學可視化、三維動畫等領域。19一、模仿真實世界中的環境：建筑物，武器系統，或戰場環境虛擬現與虛擬現實系統有關的幾個系統是遙操作系統，增強現實系統以及合成現實系統。遙操作(Teleoperator)系統由人類操作者、人機接口和遙機器人組成。增強現實（AugmentedReality）系統是將虛擬環境和真實環境組合在一起。合成環境（SyntheticEnvironment,SE）系統，是遙操作系統，虛擬環境系統，增強現實系統等的總稱。其他相關系統概念

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述虛擬環境(VirtualEnvironment，VE)系統或虛擬現實(VirtualReality，VR)系統由人類操作者、人機接口和計算機組成。

20與虛擬現實系統有關的幾個系統是遙操作系統，增強現實系統以及合對于虛擬現實系統，與用戶交互的環境實際是人工構造的，存在于計算機內部的環境。對于遙操作系統，與用戶交互的環境實際是在遠地的一個真實的機器人工作環境。增強現實系統，是虛擬環境(VE)與真實環境(RE)的組合，與人類交互的既有VE也有RE。如虛擬演播室，背景是VE，前景是真實的人其他相關系統概念

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述虛擬現實系統、遙操作系統、增強現實系統之間的區別在于與用戶交互的環境不同。遙控機器人代替了計算機，環境實際上是遠離操作者或操作者無法到達的遠程真實環境（如深海、深空、核爆環境等），用戶通過類似虛擬現實系統的人機接口，操作或感受遠處的真實環境。也就是看到真實環境的場景，聽到真實環境的聲音，感到與環境中物體的接觸。21對于虛擬現實系統，與用戶交互的環境實際是人工構造的，存在于計1）全景（Panorama）2）物體（Object）3）場景（Scenes）虛擬現實的三種表現方式

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述在全景（Panorama）模式下，物體是相對固定而鏡頭位置是相對移動（原地360度轉動）的，例如在建筑的頂樓平臺環顧四周360度的景觀。在場景（Scenes）模式下，物體和鏡頭都可以運動，比如客戶在看房時，從一個房間走到另外一個房間。這時，鏡頭（眼睛）在運動，從一個節點（房間一）移動到另外一個節點（房間二）。簡單的說，這是全景和物體模式的綜合。在物體（Object）模式下，物體運動而鏡頭相對固定，比如玩手機時，物體（手機）運動，而鏡頭（眼睛）固定。221）全景（Panorama）虛擬現實的三種表現虛擬現實的特點計算機提供“環境”，不是“數據，信息”

操作者由視覺、聽覺、力覺感知環境，由自然的動作操作環境，不是由屏幕、鍵盤、鼠標和計算機交互;逼真的感知和自然的動作，使人產生身臨其境的感覺;

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述該特點改變了人機接口的內容，體現了計算機應用的新方向。以環境為計算機處理的對象和人機交互的內容。

該特點改變了人機接口的形式，體現了計算機人機接口的新方向。一般計算機系統的人機接口都是面向機器的，終端，鍵盤，鼠標，打印機等接口設備。它們能很好地完成了各類數據和多媒體信息的交互。虛擬現實中的人機接口，則是面向用戶的。虛擬現實系統中，用戶以自然的方式與虛擬環境交互。該特點改變了人機接口的效果，體現了計算機人機接口的新要求。用戶通過人機接口與虛擬環境交互的結果，是使用戶產生身臨其境的虛幻感，沉浸感。虛擬現實的概念中有三個I：

（1）Immersion(沉浸)，是指逼真的，身臨其境的感覺。

（2）Interaction(交互)，是指用戶感知與操作環境。

（3）Imagination(想象)，是指創造性。23虛擬現實的特點計算機提供“環境”，不是“數據，信息”現代虛擬現實的應用領域娛樂國防設計、制造和銷售醫療和健康危險操作訓練教育信息可視化遠程交往與遠程游歷

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述24虛擬現實的應用領域娛樂教育現代仿真技術與應用

把分布式虛擬現實系統用于建造人體模型、電腦太空旅游、化合物分子結構顯示等領域，由于數據更加逼真，大大提高了人們的想象力、激發了受教育者的學習興趣，學習效果十分顯著。同時，隨著計算機技術、心理學、教育學等多種學科的相互結合、促進和發展，系統因此能夠提供更加協調的人機對話方式，

虛擬現實的應用領域

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述教育應用

工程應用

當前的工程很大程度上要依賴于圖形工具，以便直觀地顯示各種產品，目前，CAD/CAM已經成為機械、建筑等領域必不可少的軟件工具。分布式虛擬現實系統的應用將使工程人員能通過全球網或局域網按協作方式進行三維模型的設計、交流和發布，從而進一步提高生產效率并削減成本。

25

把分布式虛擬現實系統用于建造人體模型、電腦太空旅

對于那些期望與顧客建立直接聯系的公司，尤其是那些在他們的主頁上向客戶發送電子廣告的公司，Internet具有特別的吸引力。分布式虛擬系統的應用有可能大幅度改善顧客購買商品的經歷。例如，顧客可以訪問虛擬世界中的商店，在那里挑選商品，然后通過Internet辦理付款手續，商店則及時把商品送到顧客手中。

虛擬現實的應用領域

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述商業應用

娛樂應用

娛樂領域是分布式虛擬現實系統的一個重要應用領域。它能夠提供更為逼真的虛擬環境，從而使人們能夠享受其中的樂趣，帶來更好的娛樂感覺。

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對于那些期望與顧客建立直接聯系的公司，尤其是那些在他虛擬現實技術簡介1．VR的人機接口

2．VR的計算機系統3．VR的建模和仿真

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述給人類操作者提供環境信息；包括位置跟蹤和反饋、視覺通道、聽覺通道、觸覺通道、運動接口和其他接口。感覺人類操作者的動作和響應；包括位置跟蹤和映射，語音識別等。現有的虛擬系統主要考慮視覺通道。聽覺通道和觸覺通道還處于研究階段。所以，VR的計算機系統主要考慮視覺通道的要求。建模包括幾何建模和物理建模。仿真包括圖形繪制、三維動畫27虛擬現實技術簡介1．VR的人機接口現代仿真技術與應用虛擬現實的接口設備

位姿傳感器視覺通道聽覺通道觸覺通道運動接口其他類型接口VR的人機接口

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述28虛擬現實的接口設備

位姿傳感器位姿傳感器VR的人機接口

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述位置跟蹤和映射：用于測量人體各部位的位置和姿態，分析判斷人面部的表情。它的目的是了解人的身體行為。這是為了實現人機交互所必需的系統功能，VR系統由此了解人的行為，然后做出適當的響應，實現交互。常用技術：機械鏈接、磁傳感器、聲傳感器、光傳感器和慣性傳感器。

基本目標：精確完成位置和姿態的測量。

三個主要的要求：大范圍的線性響應，高帶寬（1kHz），以及允許頭和身體的運動。29位姿傳感器VR的人機接口現代仿真技術與應用各種位姿跟蹤器的比較發射源便攜精度價格刷新率延遲范圍干擾源機械式無差很高較高高很小很小無磁場式有好較高較低較高較大單傳感器小

多傳感器大金屬及磁場超聲式有較好時間法低

相位法高很低時間法低

相位法高小較大空氣流動，

超聲噪聲光學式有較好較高昂貴高小大光反射，

紅外光源慣性式無好較低昂貴很高隨時間和

溫度漂移

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述30各種位姿跟蹤器的比較發射源便攜精度價格刷新率延遲給人的視覺系統提供圖形顯示。要求：a)顯示的像素應該足夠小，使人不至感覺到像素的不連續；b)顯示的頻率應該足夠高，使人不至感覺到畫面的不連續；c)給兩眼提供具有雙目視差的圖形，形成立體視覺；d)應該具有足夠大的視場，理想情況是顯示畫面充滿整個視場。VR的人機接口

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述視覺接口通道31給人的視覺系統提供圖形顯示。VR的人機接口現代仿真技術與給人的聽覺系統提供聲音顯示。要求：能識別聲音的類型和強度，能判定聲源的位置。關鍵技術：由接口提供的虛擬聲音信號合成，聲音在虛擬空間定位問題，以及發聲設備VR的人機接口

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述聽覺通道觸覺通道觸覺通道：給人體表面提供觸覺和力覺。當人體在虛擬空間中運動時，如果接觸到虛擬物體，虛擬顯示系統應該給人提供這種觸覺和力覺。內容：涉及操作以及感覺，包括觸覺反饋和力覺反饋。結構：包括安在身體上的和安在地面上的設備。人體在環境中的運動包括：身體的被動運動（被動移動，如在車上的運動），身體主動運動（漫游，如散步）。人體內部的運動感覺器官可以感知運動信息。感知運動信息的器官包含：前庭系統、運動系統、視覺聽覺系統、本體感受、動覺和觸覺。運動接口的作用即為這些器官提供運動信息。運動接口32給人的聽覺系統提供聲音顯示。VR的人機接口現代仿真技術與現有的虛擬系統主要考慮視覺通道。聽覺通道和觸覺通道還處于研究階段。所以，VR的計算機系統主要考慮視覺通道的要求。VR的計算機系統

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述

一、硬件

視覺通道對計算機系統的要求：首先是要求維持足夠的圖形幀速率其次要求在指定的時間內（約為0.1秒）計算出兩眼的兩幅圖像同時要求提供足夠好質量的圖像，體現在圖像中顯示的多邊形或三角形的數量上。要滿足以上要求，往往需要專用硬件。圖形硬件能提供快速幾何變換、截取、消隱、多邊形填充和表面紋理。二、軟件VR系統中的軟件主要包括：交互軟件----利用人機控制設備的輸出去修改VE；視覺漫游軟件---控制用戶在VE中運動時看到的場景。建模軟件---定義虛擬物體形狀、外觀和屬性的模型。操作系統--支持VE的實時多模態要求。

三、網絡分布式交互仿真已經成為現代仿真技術，特別是軍事仿真的潮流。通訊網絡可以把VE轉換成共享的分布式計算環境。33現有的虛擬系統主要考慮視覺通道。聽覺通道和觸覺通道還處一、建模

包括：幾何建模和物理建模。

幾何建模方法：a)一般的VR工具軟件；b)利用現有的CAD建模工具；c)對實際物體的建模，采用激光掃描等專用設備；d)購買市場上已有的商業模型庫。幾何建模技術在圖形學和CAD領域，已有成熟的成果。

物理建模：基于物理方程的建模---剛體建模、鏈接物體的建模及非剛體建模。VR的建模和仿真

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述34一、建模VR的建模和仿真現代仿真技術與應用VR的建模和仿真

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述二、仿真

包括：圖形繪制、三維動畫。

圖形繪制：把三維環境，相對于虛擬攝像機（虛擬視點）投影，形成圖像的過程。

要求：1）為了提供連續運動的錯覺，幀速率須大于每秒8到10幀；2）為保持瞬間交互控制的錯覺，響應時間的延遲須小于0.1秒；3）為繪制可分辨的所有細節，要求有至少8千萬個多邊形。

然而，用今天的硬件，每個畫面8千萬多邊形的系統對真正的實時交互是太慢了，于是存在真實圖像與實時交互間的折衷。某些應用（如建筑和藝術）可能要求照片一樣真實的繪制。制造和醫療應用要求更高層次的實時交互。三維動畫的實現途徑：1）基于物理模型的數值計算----軍事和工業等應用，往往要求這種滿足物理規律的仿真技術；2）數學插值----三維動畫電影等。35VR的建模和仿真現代仿真技術與應用虛擬現實開發系統的框圖

用戶通過輸入輸出設備與輸入輸出軟件交互。輸入軟件通過形狀編輯器完成幾何建模，通過聲音編輯器完成虛擬聲音系統建模。在世界編輯器完成虛擬環境的建模。其中的虛擬剪切器，用于模型的剪切。建立的模型，保存在虛擬世界中。整個工作在計算機系統中完成。

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述36虛擬現實開發系統的框圖用戶通過輸入輸出設備與輸入輸出軟件交小結

虛擬現實或虛擬環境是人工構造的，存在于計算機內部的環境。用戶應該能夠以自然的方式與這個環境交互（包括感知環境并干預環境），從而產生置身于相應的真實環境中的虛幻感，沉浸感，身臨其境的感覺。虛擬現實系統包括人類操作者、人機接口和計算機。

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述1．計算機提供“環境”,不是“數據,信息”。2．操作者由視覺,聽覺,力覺感知環境,由自然的動作操作環境。3．逼真的感知和自然的動作，使人產生身臨其境的感覺。虛擬現實有下列三個特點：37小結虛擬現實或虛擬環境是人工構造的，存在于計算機內部的環境虛擬現實中有關人的因素計算機，接口和用戶是VR系統中的三個組成部分。接口設計必須考慮人的因素，人的因素與VR系統性能直接相關。下面介紹與VR系統直接相關的人的因素問題，包括：人眼人耳身體感覺

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述38虛擬現實中有關人的因素計算機，接口和用戶是VR系統中視覺生理結構立體視覺屈光度瞳孔分辨力明暗適應周圍視覺和中央視覺視覺暫留視場

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述虛擬現實中有關人的因素—人眼現有的VR系統中，已經考慮的因素包括：立體視覺，分辨力，視覺暫留，以及視場。其他因素還沒有充分考慮到。視網膜解剖圖

光感受器解剖圖

39視覺生理結構現代仿真技術與應用圖中鉛筆的反射光線通過眼睛晶狀體的透鏡。于是，鉛筆的倒置圖像直接投影在視網膜上。視網膜的桿狀細胞和錐狀細胞負責通過視神經把信號傳給大腦。視覺系統的生理結構圖

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述虛擬現實中有關人的因素—人眼40圖中鉛筆的反射光線通過眼睛晶狀體的透鏡。于是，鉛筆的倒置圖像立體視覺人類立體視覺的原理圖

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述虛擬現實中有關人的因素—人眼視覺的另一個重要因素是立體視覺能力。提供給人類視覺的圖像，必須使人感覺是立體的，能使觀看者的視覺系統計算出被看物體的遠近。對同一個場景，兩眼得到稍有差別的視圖。左視區的信息，送到兩眼視網膜的右側。在視交叉處，左眼的一半神經纖維交叉到大腦的右半球，左眼的另一半神經纖維不交叉，直接到大腦的左半球。這樣，兩眼得到的左視區的所有信息，都送到右半球。41立體視覺人類立體視覺的原理圖現代仿真技術與應用分辨力是人眼區分兩個點的能力，限于10m距離上約1.5-2mm。人眼區分兩個點的能力，在2m距離上約0.4mm。則寬度400mm上應該由1000個0.4mm大小的像素。計算機監視器和高清晰度電視機，都達到了這樣的分辨率。分辨力

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述虛擬現實中有關人的因素—人眼42分辨力是人眼區分兩個點的能力，限于10m距離上約1.5-2m視覺暫留是視網膜的電化學現象造成視覺的反應時間。當觀看很短的光脈沖時，視桿細胞得到約0.25s的峰，視錐細胞快4倍，得到約0.04s的峰。這種現象造成視覺暫留。臨界熔合頻率（CriticalFusionFrequency,CFF）效果會產生把離散圖像序列組合成連續視覺的能力，CFF最低20Hz，并取決于圖像尺寸和亮度。英國電視幀頻25Hz，美國電視幀頻30Hz。電影幀頻24Hz。眼對閃爍的敏感正比于亮度，所以若白天的圖像更新率為60Hz，則夜間只要30Hz。視覺暫留

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述虛擬現實中有關人的因素—人眼視場雙目的視場約為水平±1000，垂直±600，而水平的雙目重疊視場1200。實際的全景顯示可能產生水平±1000，垂直±300視場，這已經有強的沉浸感。43視覺暫留是視網膜的電化學現象造成視覺的反應時間。當觀看很短的聲音聲音感覺頻率范圍聲強聲音方向聲音舞臺頭部有關的傳遞函數

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述虛擬現實中有關人的因素—人耳

現有的VR系統中，已經考慮的因素包括：聲音方向，聲音舞臺，以及頭部有關的傳遞函數。其他因素還沒有充分考慮到。

44聲音現代仿真技術與應用第七音速在空氣中，0℃時331m/s，20℃時344m/s。在海水中，1℃時音速1453m/s。在鑄鐵棒中，音速3500m/s。

耳聽到的頻率范圍約20Hz到20kHz。隨年歲增加，頻率范圍縮小，特別是高頻段。

考慮音速344m/s。20Hz的波長17.2m,1kHz的波長34.4cm,10kHz的波長3.44cm。人耳的尺寸約7cm，這是5kHz的波長。這說明耳會影響這種頻率聲音的收集。人的身體也會與聲波交互，這也會影響聲音的質量。這類似音樂廳中的音響效果。聲音

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述虛擬現實中有關人的因素—人耳45音速在空氣中，0℃時331m/s，20℃時344m/s。在海耳分為外耳、中耳、內耳。外耳把聲音引導進內耳，它也作為濾波器而改變聲音。把手放在耳前面，就會感到聲音變化。聲音最終沖擊耳膜，使之振動。耳膜振動再傳到耳蝸，并且振動加大20倍。聲音感覺

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述虛擬現實中有關人的因素—人耳頻率范圍耳蝸有3個螺旋管，被2個膜片（Reissner膜和耳底膜）分開。振動會刺激耳底膜上的2萬到3萬個硬毛，并產生電信號傳給大腦。耳底膜有識別頻率的機制。高頻振動刺激膜的開始部分，中頻振動刺激膜的中間部分，低頻振動刺激膜的遠端部分。46耳分為外耳、中耳、內耳。聲音感覺現代仿真技術與應用聲強影響到耳底膜的振幅，直接轉成毛細胞的刺激。聲強

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述虛擬現實中有關人的因素—人耳人腦識別聲源位置，是利用兩耳收到的聲音的時間差和聲音幅度差。當人面對聲源時，兩耳的聲強和路徑相等。當人向左轉以后，右耳聲音比左耳強，且更早聽到。若兩耳路徑之差為20cm，則時間差0.6ms。聲音方向如果用一對麥克風記錄立體聲音，就可以重現聲音舞臺，它有寬度和深度。

聲音舞臺由聲源到耳內部的傳遞函數稱為“頭部有關的傳遞函數”(Head-relatedtransferfunctions,HRTF)，它反映頭和耳對傳聲的影響，不同的人有不同的HRTF。

HRTF的測量方法：

對空間每個位置的聲源，安放在耳中接近耳膜的小麥克風測量收到的信號。信號經過處理，補償非線性頻率響應。頭部有關的傳遞函數47聲強影響到耳底膜的振幅，直接轉成毛細胞的刺激。聲強現代涉及到感覺表面粗糙、振動、運動、位置、壓力、疼痛和溫度。按身體不同部位，可分四類。

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述虛擬現實中有關人的因素—身體感覺深部感覺:提供關節、骨、腱、肌肉和其它組織的信息，涉及壓力、疼痛和振動。內臟感覺:提供胸腹腔中的內臟的狀況，主要是疼痛本體感覺:提供身體的位置，平衡和肌肉感覺；也涉及與其它物體的接觸。本體感覺接受器位于關節、肌肉和深部組織。外感受感覺:是身體表面的接觸感覺。現有的VR系統中，已經考慮了觸覺和力覺顯示。但是有關的技術細節還沒有充分考慮到。48涉及到感覺表面粗糙、振動、運動、位置、壓力、疼痛和溫度。本節介紹了VR中與人有關的因素：人的視覺問題，人的聽覺問題和身體感受問題。在VR中，某些人的因素明顯被考慮，如HMD中考慮瞳距。另外一些人的因素未明顯考慮，如運動眩暈。有些人認為用HMD看不同遠處物體時，不能會聚和調節，使人不適應。有人認為HMD與內瞳距不匹配也使眼疲勞。有人認為眼不是會聚，而是在發散。有些人運動刺激很敏感。在VR中，具有圖像生成的延遲，視覺和前庭器官信息的時間不同步也造成感覺（視覺與本體感覺）的沖突。快速處理和予測算法有可能緩解這種不同步。

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述本節小結49本節介紹了VR中與人有關的因素：人的視覺問題，人的聽覺問題和虛擬現實的基本概念，特點，虛擬現實的應用領域，技術簡介，并詳細介紹了虛擬現實的人機接口。最后介紹了與虛擬現實有關的人的因素。虛擬現實或虛擬環境是人工構造的，存在于計算機內部的環境，包括人類操作者、人機接口和計算機。虛擬現實具有三個特點。人的視覺問題和聽覺問題，都是和虛擬現實有關的人的因素。

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述本章小結50虛擬現實的基本概念，特點，虛擬現實的應用領域，技術簡介，并詳

1、虛擬現實系統的三個部分是

。

2、遙操作系統的三個部分是

。

3、增強顯示系統是

。

4、合成顯示系統是

。

5、虛擬現實系統的三個特點是

。

6、虛擬現實系統的三個I是

。7、虛擬現實系統的三個主要技術領域

。8、確定電影和電視的幀頻應該考慮人眼的

現象。9、人耳的HRTF的中文名稱是

。

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述51

1、虛擬現實系統的三個部分是

1、虛擬現實系統的三個部分是

人類操作者、人機接口、計算機。

2、遙操作系統的三個部分是人類操作者、人機接口、遙測機器人。

3、增強顯示系統是

將虛擬環境和真實環境和組合在一起

。

4、合成顯示系統是遙操作系統，虛擬環境系統，增強現實系統等的總稱。

5、虛擬現實系統的三個特點是1）計算機提供“環境”，不是“數據，信息”2）操作者由視覺、聽覺、力覺感知環境，由自然的動作操作環境，不是由屏幕、鍵盤、鼠標和計算機交互;3）逼真的感知和自然的動作，使人產生身臨其境的感覺;。

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述52

1、虛擬現實系統的三個部分是人類操作者、人機接口、計算6、虛擬現實系統的三個I是

Immersion(沉浸)、Interaction(交互)、Imagination(想象)。7、虛擬現實系統的三個主要技術領域是

VR人機接口、VR計算機系統、VR建模和仿真。8、確定電影和電視的幀頻應該考慮人眼的

視覺暫留現象

現象。9、人耳的HRTF的中文名稱是頭部有關的傳遞函數

。

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述536、虛擬現實系統的三個I是Immersion(沉浸)、現代仿真技術與應用教師：陸艷洪聯系方式：

TEL:

88493458轉921

EMAIL:

yanhonglu@ 辦公室：實驗大樓A91354現代仿真技術與應用教師：陸艷洪1現代仿真技術與應用

章節安排第一章概述第二章系統的數學模型第三章連續系統的數字仿真第四章離散事件系統仿真第六章分布式交互仿真第七章可視化、多媒體、虛擬現實仿真55現代仿真技術與應用章節背景知識包括：

計算機原理與系統結構，操作系統，計算機網絡，軟件工程，程序設計，數據結構，電子學，圖形學與CAD，系統分析，人工智能等。內容包括虛擬現實與系統仿真的基本概念和術語，虛擬現實與系統仿真的基礎方法，虛擬現實有關的人的因素，虛擬現實的接口設備和計算機設備，虛擬現實的世界建模技術，虛擬現實的應用。

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實56背景知識包括：現代仿真技術與應用

知識結構

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實57知識結構現代仿真技術與應用重點難點虛擬現實的基本概念人的視覺系統和虛擬現實的視覺顯示技術各類位姿跟蹤系統的技術力覺和觸覺反饋技術虛擬現實用計算機系統虛擬現實的工具軟件系統分布式虛擬現實系統。

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實58重點難點虛擬現實的基本概念現代仿真技術與應用要求首先要求掌握虛擬現實與系統仿真的基本概念和術語，以及虛擬現實有關的人的因素，明確虛擬對現實要求。其次要求掌握虛擬現實與系統仿真的基礎方法，虛擬現實的接口設備和計算機設備，虛擬現實的世界建模技術，了解實現要求的技術。最后要求掌握虛擬現實的應用。

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實59要求首先要求掌握虛擬現實與系統仿真的基本概念和術語，以及虛擬參考資料1.《虛擬現實與系統仿真》韋有雙；國防工業出版社；2004年2.《虛擬現實的技術及其應用》

曾建超，俞志和；清華大學出版社；19963.《靈境（虛擬現實）技術的理論，實現及應用》

汪成為，高文，王行仁；清華大學出版社，廣西科學技術出版社；19964.《VirtualRealityTechnology》GrigoreBurdea，PhillippeCoiffet；

JohnWiley&Sons,INC.；19945.《VirtualRealitySystems》JohnVince；

Addison-WesleyPnblishingCompany；1995

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實60參考資料1.《虛擬現實與系統仿真》現代仿真技術與應用虛擬現實概述虛擬現實的接口技術虛擬現實的計算機技術虛擬現實的建模和仿真技術分布式虛擬現實技術系統仿真與虛擬現實的結合機制虛擬現實的應用

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實內容61虛擬現實概述現代仿真技術與應用〖課前思考〗

〖學習目標〗

〖難重點〗

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述1．什么是虛擬現實？2．虛擬現實與人有什麼關系？1．注意理解幾個概念。2．注意理解幾個特點。3．注意理解VR設計中考慮的視覺問題。1．了解VR的概念和特點。2．了解VR有關的人的因素。62〖課前思考〗

現代仿真技術與應用

1、虛擬現實系統的三個部分是

。

2、遙操作系統的三個部分是

。

3、增強顯示系統是

。

4、合成顯示系統是

。

5、虛擬現實系統的三個特點是

。

6、虛擬現實系統的三個I是

。7、虛擬現實系統的三個主要技術領域

。8、確定電影和電視的幀頻應該考慮人眼的

現象。9、人耳的HRTF的中文名稱是

。

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述63

1、虛擬現實系統的三個部分是主要內容本章主要介紹虛擬現實的基本概念和有關人的概念。虛擬現實或虛擬環境是人工構造的存在于計算機系統內部而非現實世界中的一種環境。該環境包括：環境的人類操作者、人機接口和計算機，人的視覺和聽覺問題，都是和虛擬現實有關的人的因素。本章內容包括：1虛擬現實的基本概念2虛擬現實的特點3虛擬現實的應用領域4虛擬現實技術簡介5虛擬現實中有關人的因素

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述64主要內容現代仿真技術與應用第一章的知識點

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述65第一章的知識點現代仿真技術與應用虛擬現實的發展史1)1965年，Sutherland在篇名為<<終極的顯示>>的論文中首次提出了包括具有交互圖形顯示、力反饋設備以及聲音提示的虛擬現實系統的基本思想，從此，人們正式開始了對虛擬現實系統的研究探索歷程。2)1966年，美國MIT的林肯實驗室正式開始了頭盔式顯示器的研制工作。3)1989年，美國VPLResearch公司創始人JaronLanier提出了“VirtualReality”（虛擬現實）的概念。4)1994年，美國SGI公司和比利時的BARCO投影機制造公司，在英國建設了世界上第一個虛擬現實系統。

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述66虛擬現實的發展史1)1965年，Sutherland在篇名基本概念

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述“Reality”的含義是現實的世界或現實的環境。所以，“VirtualReality”（虛擬現實）的另一個名稱是“VirtualEnvironment”（虛擬環境）。“Virtual”說明這個世界或環境是虛擬的，不是真實的，是人工構造的，存在于計算機內部的，用戶應該能夠“進入”這個虛擬的環境中。所謂“進入”這個虛擬的環境中，是指用戶以自然的方式與這個環境交互（包括感知環境并干預環境），從而產生置身于相應的真實環境中的虛幻感，沉浸感，身臨其境的感覺。67基本概念現代仿真技術與應用“VirtualReality”(虛擬現實）或“VirtualEnvironment”（虛擬環境）是人工構造的，存在于計算機內部的環境。用戶應該能夠以自然的方式與這個環境交互（包括感知環境并干預環境），從而產生置身于相應的真實環境中的虛幻感，沉浸感受，身臨其境的感覺。虛擬環境（VirtualEnvironment,VE）系統或虛擬現實（VirtualReality,VR）系統包括人類操作者、人機接口和計算機。

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述基本概念

68“VirtualReality”(虛擬現實）或“Virtu1）虛擬現實系統應用最多的專用設備是頭盔式立體顯示器和數據手套。于是，有人以使用這些專用設備為虛擬現實系統的標志，這種觀點是不準確的，它們只是當前已經實現的一部分虛擬現實接口設備。

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述基本概念

691）虛擬現實系統應用最多的專用設備是頭盔式立體顯示器和數據手

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述基本概念

2）虛擬現實技術，是在計算機應用和人機交互方面開創的全新的學科領域。這個新領域的發展，還有很多困難，有很多技術難點有待解決，當前，這一領域還只是走出了第一步。

3）以接口設備為例，頭盔式立體顯示器和數據手套等設備很不完善。例如，頭盔的視場，分辨率，造成眩暈等問題還有待解決。聽覺接口和力覺接口等設備還在研究，應用還不多。味覺，嗅覺，運動覺等技術，還缺乏研究。70現代仿真技術與應用第七章虛虛擬現實系統構成

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述檢測模塊：檢測用戶的操作命令，并通過傳感器模塊作用于虛擬環境。反饋模塊：接受來自傳感器模塊信息，為用戶提供實時反饋。傳感器模塊：一方面接受來自用戶的操作命令，并將其作用于虛擬環境；另一方面將操作后產生的結果以各種反饋的形式提供給用戶。控制模塊：對傳感器進行控制，使其對用戶、虛擬環境和現實世界產生作用。建模模塊：獲取現實世界組成部分的三維表示，并由此構成對應的虛擬環境。構成虛擬現實系統的五大模塊71虛擬現實系統構成現代仿真技術與應用一、模仿真實世界中的環境：建筑物，武器系統，或戰場環境特點與功能：這種真實環境，可能是已經存在的，也可能是已經設計好但還沒有建成的，這一類虛擬現實系統的功能實際上是系統仿真。要求：為了逼真地模仿真實世界中的環境，逼真地建立幾何模型和物理模型，環境的動態應符合物理規律。二、人類主觀構造的環境：用于影視制作或電子游戲的三維動畫。特點：環境是虛構的，幾何模型和物理模型就可以完全虛構。實現：常用插值方法來實現系統的動畫技術三、模仿真實世界中的人類不可見的環境：分子的結構，空氣中的速度、溫度、壓力的分布等。特點與功能：這種真實環境，是客觀存在的，但是人類的視覺和聽覺不能感覺到。其功能，實際是科學可視化。實現：對于分子結構這類微觀環境，進行放大尺度的模仿，使人能看到。對于空氣中的速度這類不可見的物理量，可以用流線顯示速度（流線方向表示速度方向，流線密度表示速度大小）。虛擬現實的虛擬環境分類

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述電影動畫的例子居室環境的仿真和漫游例子由此可見，虛擬現實技術可以用于系統仿真、科學可視化、三維動畫等領域。72一、模仿真實世界中的環境：建筑物，武器系統，或戰場環境虛擬現與虛擬現實系統有關的幾個系統是遙操作系統，增強現實系統以及合成現實系統。遙操作(Teleoperator)系統由人類操作者、人機接口和遙機器人組成。增強現實（AugmentedReality）系統是將虛擬環境和真實環境組合在一起。合成環境（SyntheticEnvironment,SE）系統，是遙操作系統，虛擬環境系統，增強現實系統等的總稱。其他相關系統概念

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述虛擬環境(VirtualEnvironment，VE)系統或虛擬現實(VirtualReality，VR)系統由人類操作者、人機接口和計算機組成。

73與虛擬現實系統有關的幾個系統是遙操作系統，增強現實系統以及合對于虛擬現實系統，與用戶交互的環境實際是人工構造的，存在于計算機內部的環境。對于遙操作系統，與用戶交互的環境實際是在遠地的一個真實的機器人工作環境。增強現實系統，是虛擬環境(VE)與真實環境(RE)的組合，與人類交互的既有VE也有RE。如虛擬演播室，背景是VE，前景是真實的人其他相關系統概念

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述虛擬現實系統、遙操作系統、增強現實系統之間的區別在于與用戶交互的環境不同。遙控機器人代替了計算機，環境實際上是遠離操作者或操作者無法到達的遠程真實環境（如深海、深空、核爆環境等），用戶通過類似虛擬現實系統的人機接口，操作或感受遠處的真實環境。也就是看到真實環境的場景，聽到真實環境的聲音，感到與環境中物體的接觸。74對于虛擬現實系統，與用戶交互的環境實際是人工構造的，存在于計1）全景（Panorama）2）物體（Object）3）場景（Scenes）虛擬現實的三種表現方式

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述在全景（Panorama）模式下，物體是相對固定而鏡頭位置是相對移動（原地360度轉動）的，例如在建筑的頂樓平臺環顧四周360度的景觀。在場景（Scenes）模式下，物體和鏡頭都可以運動，比如客戶在看房時，從一個房間走到另外一個房間。這時，鏡頭（眼睛）在運動，從一個節點（房間一）移動到另外一個節點（房間二）。簡單的說，這是全景和物體模式的綜合。在物體（Object）模式下，物體運動而鏡頭相對固定，比如玩手機時，物體（手機）運動，而鏡頭（眼睛）固定。751）全景（Panorama）虛擬現實的三種表現虛擬現實的特點計算機提供“環境”，不是“數據，信息”

操作者由視覺、聽覺、力覺感知環境，由自然的動作操作環境，不是由屏幕、鍵盤、鼠標和計算機交互;逼真的感知和自然的動作，使人產生身臨其境的感覺;

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述該特點改變了人機接口的內容，體現了計算機應用的新方向。以環境為計算機處理的對象和人機交互的內容。

該特點改變了人機接口的形式，體現了計算機人機接口的新方向。一般計算機系統的人機接口都是面向機器的，終端，鍵盤，鼠標，打印機等接口設備。它們能很好地完成了各類數據和多媒體信息的交互。虛擬現實中的人機接口，則是面向用戶的。虛擬現實系統中，用戶以自然的方式與虛擬環境交互。該特點改變了人機接口的效果，體現了計算機人機接口的新要求。用戶通過人機接口與虛擬環境交互的結果，是使用戶產生身臨其境的虛幻感，沉浸感。虛擬現實的概念中有三個I：

（1）Immersion(沉浸)，是指逼真的，身臨其境的感覺。

（2）Interaction(交互)，是指用戶感知與操作環境。

（3）Imagination(想象)，是指創造性。76虛擬現實的特點計算機提供“環境”，不是“數據，信息”現代虛擬現實的應用領域娛樂國防設計、制造和銷售醫療和健康危險操作訓練教育信息可視化遠程交往與遠程游歷

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述77虛擬現實的應用領域娛樂教育現代仿真技術與應用

把分布式虛擬現實系統用于建造人體模型、電腦太空旅游、化合物分子結構顯示等領域，由于數據更加逼真，大大提高了人們的想象力、激發了受教育者的學習興趣，學習效果十分顯著。同時，隨著計算機技術、心理學、教育學等多種學科的相互結合、促進和發展，系統因此能夠提供更加協調的人機對話方式，

虛擬現實的應用領域

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述教育應用

工程應用

當前的工程很大程度上要依賴于圖形工具，以便直觀地顯示各種產品，目前，CAD/CAM已經成為機械、建筑等領域必不可少的軟件工具。分布式虛擬現實系統的應用將使工程人員能通過全球網或局域網按協作方式進行三維模型的設計、交流和發布，從而進一步提高生產效率并削減成本。

78

把分布式虛擬現實系統用于建造人體模型、電腦太空旅

對于那些期望與顧客建立直接聯系的公司，尤其是那些在他們的主頁上向客戶發送電子廣告的公司，Internet具有特別的吸引力。分布式虛擬系統的應用有可能大幅度改善顧客購買商品的經歷。例如，顧客可以訪問虛擬世界中的商店，在那里挑選商品，然后通過Internet辦理付款手續，商店則及時把商品送到顧客手中。

虛擬現實的應用領域

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述商業應用

娛樂應用

娛樂領域是分布式虛擬現實系統的一個重要應用領域。它能夠提供更為逼真的虛擬環境，從而使人們能夠享受其中的樂趣，帶來更好的娛樂感覺。

79

對于那些期望與顧客建立直接聯系的公司，尤其是那些在他虛擬現實技術簡介1．VR的人機接口

2．VR的計算機系統3．VR的建模和仿真

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述給人類操作者提供環境信息；包括位置跟蹤和反饋、視覺通道、聽覺通道、觸覺通道、運動接口和其他接口。感覺人類操作者的動作和響應；包括位置跟蹤和映射，語音識別等。現有的虛擬系統主要考慮視覺通道。聽覺通道和觸覺通道還處于研究階段。所以，VR的計算機系統主要考慮視覺通道的要求。建模包括幾何建模和物理建模。仿真包括圖形繪制、三維動畫80虛擬現實技術簡介1．VR的人機接口現代仿真技術與應用虛擬現實的接口設備

位姿傳感器視覺通道聽覺通道觸覺通道運動接口其他類型接口VR的人機接口

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述81虛擬現實的接口設備

位姿傳感器位姿傳感器VR的人機接口

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述位置跟蹤和映射：用于測量人體各部位的位置和姿態，分析判斷人面部的表情。它的目的是了解人的身體行為。這是為了實現人機交互所必需的系統功能，VR系統由此了解人的行為，然后做出適當的響應，實現交互。常用技術：機械鏈接、磁傳感器、聲傳感器、光傳感器和慣性傳感器。

基本目標：精確完成位置和姿態的測量。

三個主要的要求：大范圍的線性響應，高帶寬（1kHz），以及允許頭和身體的運動。82位姿傳感器VR的人機接口現代仿真技術與應用各種位姿跟蹤器的比較發射源便攜精度價格刷新率延遲范圍干擾源機械式無差很高較高高很小很小無磁場式有好較高較低較高較大單傳感器小

多傳感器大金屬及磁場超聲式有較好時間法低

相位法高很低時間法低

相位法高小較大空氣流動，

超聲噪聲光學式有較好較高昂貴高小大光反射，

紅外光源慣性式無好較低昂貴很高隨時間和

溫度漂移

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述83各種位姿跟蹤器的比較發射源便攜精度價格刷新率延遲給人的視覺系統提供圖形顯示。要求：a)顯示的像素應該足夠小，使人不至感覺到像素的不連續；b)顯示的頻率應該足夠高，使人不至感覺到畫面的不連續；c)給兩眼提供具有雙目視差的圖形，形成立體視覺；d)應該具有足夠大的視場，理想情況是顯示畫面充滿整個視場。VR的人機接口

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述視覺接口通道84給人的視覺系統提供圖形顯示。VR的人機接口現代仿真技術與給人的聽覺系統提供聲音顯示。要求：能識別聲音的類型和強度，能判定聲源的位置。關鍵技術：由接口提供的虛擬聲音信號合成，聲音在虛擬空間定位問題，以及發聲設備VR的人機接口

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述聽覺通道觸覺通道觸覺通道：給人體表面提供觸覺和力覺。當人體在虛擬空間中運動時，如果接觸到虛擬物體，虛擬顯示系統應該給人提供這種觸覺和力覺。內容：涉及操作以及感覺，包括觸覺反饋和力覺反饋。結構：包括安在身體上的和安在地面上的設備。人體在環境中的運動包括：身體的被動運動（被動移動，如在車上的運動），身體主動運動（漫游，如散步）。人體內部的運動感覺器官可以感知運動信息。感知運動信息的器官包含：前庭系統、運動系統、視覺聽覺系統、本體感受、動覺和觸覺。運動接口的作用即為這些器官提供運動信息。運動接口85給人的聽覺系統提供聲音顯示。VR的人機接口現代仿真技術與現有的虛擬系統主要考慮視覺通道。聽覺通道和觸覺通道還處于研究階段。所以，VR的計算機系統主要考慮視覺通道的要求。VR的計算機系統

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述

一、硬件

視覺通道對計算機系統的要求：首先是要求維持足夠的圖形幀速率其次要求在指定的時間內（約為0.1秒）計算出兩眼的兩幅圖像同時要求提供足夠好質量的圖像，體現在圖像中顯示的多邊形或三角形的數量上。要滿足以上要求，往往需要專用硬件。圖形硬件能提供快速幾何變換、截取、消隱、多邊形填充和表面紋理。二、軟件VR系統中的軟件主要包括：交互軟件----利用人機控制設備的輸出去修改VE；視覺漫游軟件---控制用戶在VE中運動時看到的場景。建模軟件---定義虛擬物體形狀、外觀和屬性的模型。操作系統--支持VE的實時多模態要求。

三、網絡分布式交互仿真已經成為現代仿真技術，特別是軍事仿真的潮流。通訊網絡可以把VE轉換成共享的分布式計算環境。86現有的虛擬系統主要考慮視覺通道。聽覺通道和觸覺通道還處一、建模

包括：幾何建模和物理建模。

幾何建模方法：a)一般的VR工具軟件；b)利用現有的CAD建模工具；c)對實際物體的建模，采用激光掃描等專用設備；d)購買市場上已有的商業模型庫。幾何建模技術在圖形學和CAD領域，已有成熟的成果。

物理建模：基于物理方程的建模---剛體建模、鏈接物體的建模及非剛體建模。VR的建模和仿真

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述87一、建模VR的建模和仿真現代仿真技術與應用VR的建模和仿真

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述二、仿真

包括：圖形繪制、三維動畫。

圖形繪制：把三維環境，相對于虛擬攝像機（虛擬視點）投影，形成圖像的過程。

要求：1）為了提供連續運動的錯覺，幀速率須大于每秒8到10幀；2）為保持瞬間交互控制的錯覺，響應時間的延遲須小于0.1秒；3）為繪制可分辨的所有細節，要求有至少8千萬個多邊形。

然而，用今天的硬件，每個畫面8千萬多邊形的系統對真正的實時交互是太慢了，于是存在真實圖像與實時交互間的折衷。某些應用（如建筑和藝術）可能要求照片一樣真實的繪制。制造和醫療應用要求更高層次的實時交互。三維動畫的實現途徑：1）基于物理模型的數值計算----軍事和工業等應用，往往要求這種滿足物理規律的仿真技術；2）數學插值----三維動畫電影等。88VR的建模和仿真現代仿真技術與應用虛擬現實開發系統的框圖

用戶通過輸入輸出設備與輸入輸出軟件交互。輸入軟件通過形狀編輯器完成幾何建模，通過聲音編輯器完成虛擬聲音系統建模。在世界編輯器完成虛擬環境的建模。其中的虛擬剪切器，用于模型的剪切。建立的模型，保存在虛擬世界中。整個工作在計算機系統中完成。

現代仿真技術與應用第七章虛擬現實第一部分概述89虛擬現實開發系統的框圖用戶通過輸入輸出設備與輸入輸出軟件交小結

虛擬現實或虛擬環境是人工構造的，存在于計算機內部的環境。用戶應該能夠以自然的方式與這個環境交互（包括感知環境并干預環境），從而產生置身于相應的真實環境中的虛幻感，沉浸感，身臨其境的感覺。虛擬現實系統包括人