第3章虚拟现实系统的相关技术

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1、第第3 3章章 虚拟现实系统的相关技术虚拟现实系统的相关技术3.13.23.33.43.5 立体显示技术立体显示技术 三维建模技术三维建模技术 真实感实时绘制技术真实感实时绘制技术 三维虚拟声音的实现技术三维虚拟声音的实现技术 人机自然交互技术人机自然交互技术3.6碰撞检测技术碰撞检测技术3.1 3.1 立体显示技术立体显示技术 立体显示是虚拟现实的关键技术之一，它立体显示是虚拟现实的关键技术之一，它使人在虚拟世界里具有更强的沉浸感，立体显使人在虚拟世界里具有更强的沉浸感，立体显示的引入可以使各种模拟器的仿真更加逼真。示的引入可以使各种模拟器的仿真更加逼真。因此，有必要研究立体成像技术并利用现

2、有的因此，有必要研究立体成像技术并利用现有的计算机平台，结合相应的软硬件系统在平面显计算机平台，结合相应的软硬件系统在平面显示器上显示立体视景。示器上显示立体视景。3.1.13.1.1立体显示原理立体显示原理 由于人两眼有由于人两眼有 4 - 6cm 4 - 6cm的距离，所以实际上看物体的距离，所以实际上看物体时两只眼睛中的图像是有差时两只眼睛中的图像是有差别的，如图所示。两幅不同别的，如图所示。两幅不同的图像输送到大脑后，看到的图像输送到大脑后，看到的是有景深的图像。这就是的是有景深的图像。这就是计算机和投影系统的立体成计算机和投影系统的立体成像原理。像原理。立体显示技术原理立体显示技术原

3、理 3.1.2 3.1.2 四种立体显示技术四种立体显示技术 立体显示技术主要有分色技术、分光技术立体显示技术主要有分色技术、分光技术、分时技术，以及光栅技术。其中前三种，分、分时技术，以及光栅技术。其中前三种，分色、分光、分时技术的流程很相似，都是需要色、分光、分时技术的流程很相似，都是需要经过两次过滤，第一次是在显示器端，第二次经过两次过滤，第一次是在显示器端，第二次是在眼睛端。是在眼睛端。1.1.分色技术分色技术 分色技术的基本原理是让某些颜色的光只进分色技术的基本原理是让某些颜色的光只进入左眼，另一部分只进入右眼。入左眼，另一部分只进入右眼。分色技术原理分色技术原理2.2.分光技术分光

4、技术 常见的光源都会随机发出自然光和偏常见的光源都会随机发出自然光和偏振光，分光技术是用偏光滤镜或偏光片滤除振光，分光技术是用偏光滤镜或偏光片滤除特定角度偏振光以外的所有光，让特定角度偏振光以外的所有光，让0 0度的偏度的偏振光只进入右眼，振光只进入右眼，9090度的偏振光只进入左眼度的偏振光只进入左眼（也可用（也可用4545度和度和135135度的偏振光搭配）。度的偏振光搭配）。3.3.分时技术分时技术 分时技术是将两套画面在不同的时间播放，显分时技术是将两套画面在不同的时间播放，显示器在第一次刷新时播放左眼画面，同时用专用的示器在第一次刷新时播放左眼画面，同时用专用的眼镜遮住观看者的右眼，

5、下一次刷新时播放右眼画眼镜遮住观看者的右眼，下一次刷新时播放右眼画面，并遮住观看者的左眼。按照上述方法将两套画面，并遮住观看者的左眼。按照上述方法将两套画面以极快的速度切换，在人眼视觉暂留特性的作用面以极快的速度切换，在人眼视觉暂留特性的作用下就合成了连续的画面。下就合成了连续的画面。4.4.光栅技术光栅技术 若在显示器前端加上光栅，光栅的功能是要挡光若在显示器前端加上光栅，光栅的功能是要挡光，让左眼透过光栅时只能看到部分的画面；右眼也只，让左眼透过光栅时只能看到部分的画面；右眼也只能看到另外一半的画面，于是就能让左右眼看到能看到另外一半的画面，于是就能让左右眼看到不同不同影像影像并并形成立体

6、，此时无需佩戴眼镜。而光栅本身亦形成立体，此时无需佩戴眼镜。而光栅本身亦可由显示器所形成，也就是将两片液晶画板重叠组合可由显示器所形成，也就是将两片液晶画板重叠组合而成，当位于前端的液晶面板显示条纹状黑白画面时而成，当位于前端的液晶面板显示条纹状黑白画面时，即可变成立体显示器；而当前端的液晶面板显示全，即可变成立体显示器；而当前端的液晶面板显示全白的画面时，不但可以显示白的画面时，不但可以显示3D3D的的影像影像，亦可同时相容亦可同时相容于现有于现有2D2D的显示器。的显示器。光栅光栅3D3D显示技术原理显示技术原理3.2 3.2 三维建模技术三维建模技术 虚拟环境建模的目的在于获取实际三维环

7、境的三虚拟环境建模的目的在于获取实际三维环境的三维数据，并根据其应用的需要，利用获取的三维数据维数据，并根据其应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。只有设计出反映研究对象建立相应的虚拟环境模型。只有设计出反映研究对象的真实有效的模型，虚拟现实系统才有可信度。的真实有效的模型，虚拟现实系统才有可信度。 基于目前的技术水平，常见的是三维视觉建模和基于目前的技术水平，常见的是三维视觉建模和三维听觉建模。而在当前应用中，三维建模一般主要三维听觉建模。而在当前应用中，三维建模一般主要是三维视觉建模。三维视觉建模可分为几何建模、物是三维视觉建模。三维视觉建模可分为几何建模、物理建模、行为建

8、模。理建模、行为建模。3.2.13.2.1几何建模技术几何建模技术 几何建模是开发虚拟现实系统过程中最基几何建模是开发虚拟现实系统过程中最基本、最重要的工作之一。虚拟环境中的几何模本、最重要的工作之一。虚拟环境中的几何模型是物体几何信息的表示，设计表示几何信息型是物体几何信息的表示，设计表示几何信息的数据结构、相关的构造与操纵该数据结构的的数据结构、相关的构造与操纵该数据结构的算法。虚拟环境中的每个物体包含形状和外观算法。虚拟环境中的每个物体包含形状和外观两个方面。两个方面。几何建模通常可分为层次建模法和属主建模法：几何建模通常可分为层次建模法和属主建模法： （1)1)层次建模法层次建模法 （

9、2)2)属主建模法属主建模法几何建模可通过以下两种方式实现：几何建模可通过以下两种方式实现： （1)1)人工的几何建模方法人工的几何建模方法 （2)2)自动的几何建模方法自动的几何建模方法三维立体扫描仪三维立体扫描仪 3.2.2 3.2.2 物理建模技术物理建模技术 物理建模指的是虚拟对象的质量、重量、惯性物理建模指的是虚拟对象的质量、重量、惯性、表面纹理（光滑或粗糙）、硬度、变形模式（、表面纹理（光滑或粗糙）、硬度、变形模式（弹性或可塑性）等特征的建模。物理建模是虚拟弹性或可塑性）等特征的建模。物理建模是虚拟现实系统中比较高层次的建模，它需要物理学与现实系统中比较高层次的建模，它需要物理学与

10、计算机图形学配合，涉及到力的反馈问题，主要计算机图形学配合，涉及到力的反馈问题，主要是重量建模、表面变形和软硬度等物理属性的体是重量建模、表面变形和软硬度等物理属性的体现。现。1.1.分形技术分形技术分形技术是指可以描述具有自相似特征的数据集。分形技术是指可以描述具有自相似特征的数据集。该技术首先被用于河流和山体的地理特征建模。该技术首先被用于河流和山体的地理特征建模。在虚拟现实系统中一般仅用于静态远景的建模。在虚拟现实系统中一般仅用于静态远景的建模。2.2.粒子系统粒子系统粒子系统是一种典型的物理建模系统，粒子系统是粒子系统是一种典型的物理建模系统，粒子系统是用简单的体素完成复杂的运动建模。

11、在虚拟现实用简单的体素完成复杂的运动建模。在虚拟现实系统中，粒子系统常用于描述火焰、水流、雨雪、系统中，粒子系统常用于描述火焰、水流、雨雪、旋风、喷泉等现象及动态运动的物体建模。旋风、喷泉等现象及动态运动的物体建模。 3.2.33.2.3行为建模技术行为建模技术 虚拟现实的本质就是客观世界的仿真或折射虚拟现实的本质就是客观世界的仿真或折射，虚拟现实的模型则是客观世界中物体或对象的，虚拟现实的模型则是客观世界中物体或对象的代表。而客观世界中的物体或对象除了具有表观代表。而客观世界中的物体或对象除了具有表观特征如外形、质感以外，还具有一定的行为能力特征如外形、质感以外，还具有一定的行为能力，并且服