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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