可视化、多媒体与虚拟现实仿真课件

1、2020/9/22,飞行器工程系 单家元博士,1,8 可视化、多媒体与虚拟现实仿真,科学计算及仿真可视化 多媒体仿真 虚拟现实仿真,2020/9/22,飞行器工程系 单家元博士,2,8.1 科学计算可视化,含义 把计算中所涉及和所产生的数字信息转变为直观的、以图像或图形信息表示的、随时间和空间变化的物理现象和物理量呈现在研究者面前，使他们能够观察到模拟和计算，同时提供与模拟和计算的视觉交互手段。 通过人的视觉和现象思维，促进对所观察数据的进一步理解，飞行客观世界隐藏的现象和规律。,2020/9/22,飞行器工程系 单家元博士,3,8.1 科学计算可视化,可视化的三个层次 后处理 将计算与可视化（事后）分开进行。仅可视化可以交互。 跟踪 边计算，边显示，以监视计算过程，只可中止计算，但不能。修改参数 驾驭 实时观察计算结果，实时干预、调整参数,2020/9/22,飞行器工程系 单家元博士,4,8.1 科学计算可视化,主要技术问题 可视化映射技术 数据类型：标量、矢量和张量；二维、三维或高维；静态，动态；结构化数据，非结构化数据 映射：图形元素、颜色、透明度等 数据管理与操纵技术 数据管理

2、：存储、分类 数据操作：过滤、变换,2020/9/22,飞行器工程系 单家元博士,5,8.1 科学计算可视化,主要技术问题 人机界面技术：图形交互、数据交互 系统实现技术：可视语言和程序可视,2020/9/22,飞行器工程系 单家元博士,6,8.1 科学计算可视化,科学计算可视化框架模型,模拟仿真,数据操作,可视化映射,图形绘制,用户界面,用户,数据,图像,可视化过程,2020/9/22,飞行器工程系 单家元博士,7,8.2 多媒体仿真,多媒体仿真概念 多媒体：文本、图形、动画、图像和声音 多媒体仿真：使人的感官和思维进入仿真回路的一种手段。 基本技术 数字化信息处理技术；音频和视频技术；人工智能和模式识别技术；图形图像技术；通讯技术,2020/9/22,飞行器工程系 单家元博士,8,8.2 多媒体仿真,多媒体仿真的研究方法 面向仿真对象 面向多个媒体 面向交互决策,2020/9/22,飞行器工程系 单家元博士,9,8.2 多媒体仿真,多媒体仿真的主要研究内容 多媒体仿真模型和仿真算法 表现方法与表现脚本生成技术 多媒体仿真数据库 地理景物表现技术 人机交互技术,2020/9/22,飞

3、行器工程系 单家元博士,10,8.3 虚拟现实仿真技术,虚拟现实技术的特征及系统的基本构成 虚拟现实技术的发展概况 位置跟踪通道 视觉通道 听觉通道 触觉/力反馈通道 虚拟场景,2020/9/22,飞行器工程系 单家元博士,11,8.3.1 虚拟现实技术的特征及系统的基本构成,基本概念 虚拟现实（Virtual Reality）：是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。 虚拟环境（Virtual Environment） ：是一种由计算机和电子技术生成的，通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境的感觉。 虚拟现实技术与一般交互式仿真技术的区别 信息的多维性 人机交互的自然性 人对虚拟环境感觉的真实性 知识性与智能性,2020/9/22,飞行器工程系 单家元博士,12,8.3.1 虚拟现实技术的特征及系统的基本构成,基本特征 沉浸(Immerion)：真实感受 交互(Interaction)：多方位参与 创意(Imagination)：感性与理性的结合 基本技术 计算机图形学、图象处理与模式识别 人工智能、多传感器、多媒体信息处理 网络、并行处理、智能控制 系统建模与仿真、系统集

4、成,2020/9/22,飞行器工程系 单家元博士,13,8.3.1 虚拟现实技术的特征及系统的基本构成,虚拟现实系统基本构成 虚拟环境产生器 应用系统：目标生成（三维建模、造型）；用户应用系统（定义操作内容）和仿真管理器（管理仿真过程） 计算机系统：高速的运算、图形处理、输入输出能力 效果产生器 头盔显示器：采用双视原理生成的双屏图象 位置与方位跟踪器：人眼视线、眼球位置变化、手的位置方位和曲伸 触觉/力反馈装置：测量人对作用对象的作用力，进而生成反作用力。 接口设备 硬件设备：信号转换与数据输入输出接口 软件设备：,2020/9/22,飞行器工程系 单家元博士,14,8.3.2 虚拟现实发展状况,发展 立体电影 飞行模拟器 三维立体显示：1965年VR先锋， Sutherland 力反馈装置：1981年，Fredrick Brooks 头盔显示器：1985年，Myron Krueger 数据手套：1985年，Scott Fisher,NASA 虚拟现实概念：1989年，Jaron Lanier提出,2020/9/22,飞行器工程系 单家元博士,15,8.3.2 虚拟现实发展状况,关键

5、技术 实时图形与图象：15帧/秒，8000万多边形 位置跟踪与映射技术： 手腕:3 m/s;眼睛:600/s;头部:1000 /s 触觉/力反馈技术：01Khz振动，0.15mm位移 人的心理因素：人的感知、认知和大脑神经 系统集成技术：各种技术和设备接口不统一，没有统一的技术标准。,2020/9/22,飞行器工程系 单家元博士,16,8.3.3 位置跟踪通道,参与者与虚拟环境的互动 直接互动：参与者的操作引起环境的变化 间接互动：参与者位置的变化（头、眼、手、身），导致环境必须随之变化 位置跟踪技术： 三维位置跟踪器：头的平移和转动、手或关节的运动，眼球的运动 基本技术：电磁、超声波,2020/9/22,飞行器工程系 单家元博士,17,8.3.3 位置跟踪通道,三维电磁传感器 三套正交线圈：空间坐标、方位 易受环境电磁干扰,驱动电路,计算机,检测电路,磁场,发送器,接收器,输出,2020/9/22,飞行器工程系 单家元博士,18,8.3.3 位置跟踪通道,超声波三维传感器 三套超声波发送，接收及控制部件 不能遮挡，易受金属干扰,视景生成器,计算机,检测电路,超声波 发送器,接收器 (

6、麦克风),头部,输出,头盔显示器,控制单元,2020/9/22,飞行器工程系 单家元博士,19,8.3.3 位置跟踪通道,数据手套 一种位置跟踪设备，一种数字化输入设备 手的6个自由度 每个手指关节有两个光导纤维传感器，可测量关节的弯曲和相对位置,2020/9/22,飞行器工程系 单家元博士,20,8.3.4 视觉通道,视景生成过程,获取图象,生成图形,生成语音,集合变换,投影变换,生成音乐,声音、图象与文字的集成、融合与同步,左声图通道,右声图通道,视景生成命令,2020/9/22,飞行器工程系 单家元博士,21,8.3.4 视觉通道,三维立体图象的生成算法 单点透视投影 双点透视投影 基于相关性的立体图形光线跟踪算法 由左视点投影点可以计算出右视点投影点,2020/9/22,飞行器工程系 单家元博士,22,8.3.4 视觉通道,立体视觉设备 种类：头盔显示器，立体眼睛，投影式显示器 头盔显示器 显示部件：液晶显示屏。分辨率：1个微弧度，延时：0.1s，图象质量：丰富多彩，避免畸变。 光学部件：光学系统使液晶成象于观察者能够看清的距离。（包括视场：双眼：水平180度，垂直135度）

7、头盔：定位部件与功能部件的集中：显示、跟踪、定位与音响集成。尺寸重量。,2020/9/22,飞行器工程系 单家元博士,23,8.3.5 听觉通道,虚拟声音的产生 语音声音 语音识别与合成： 声音还原技术：存储、选择、输出 文本语音转换技术：波形编辑、参数合成、基于规则的合成 非语音声音 频谱组合法，结合环境声音模型库 录音，结合物体与环境的交互库,2020/9/22,飞行器工程系 单家元博士,24,8.3.5 听觉通道,虚拟声音的定位 混响时间差：声音传递到人的左右耳有时间差异 混响压力差：声波对人的左右耳的压强差,2020/9/22,飞行器工程系 单家元博士,25,8.3.6 触觉/力反馈,人体触觉系统 触觉系统不仅可以感知环境，而且可以影响环境 子系统：机械、感觉、运动和认知 机械、运动：人手有19块骨头，20条肌肉，22个自由度的运动 感觉：接触力：触觉（皮肤接触，刺激神经），运动觉（肢体与物体相当运动） 认知：探测、操作。,2020/9/22,飞行器工程系 单家元博士,26,8.3.6 触觉/力反馈,触觉/力反馈技术 分类 自由运动：与环境不产生物理接触 由不平衡力形成的接触：指压一个物体 由平衡力形成的接触：抓握、一点一个物体,2020/9/22,飞行器工程系 单家元博士,27,8.3.6 触觉/力反馈,触觉/力反馈技术 发展概况 力和力矩显示装置 游戏杆：2、3个自由度 手控器：6个自由度 表面压力反馈装置：直接接触（手有2个自由度）与间接接触（工具6个自由度）的力 力学反馈手套：压敏元件、压力气囊 触觉显示装置 力显示： 位移显示：形变 软件： 触觉交互软件、虚拟物体和环境的物理模型、润色触觉图象,2020/9/22,飞行器工程系 单家元博士,28,8.3.7 虚拟场景的生成,虚拟场景静态模型建立 静态模型：几何模型，灰度模型，纹理模型，渲染效果 模型建立： 工具：OpenGL、WTK、VRML 方法：点、线、面、多边形、贴图 虚拟场景动态模型的建立 内容： 确立场景中对象在运动过程中的坐标 视点变化时场景的更新 方法 坐标变换：本体坐标系、世界坐标系、窗口坐标系、透视投影变换,2020/9/22,飞行器工程系 单家元博士,29,结束！,

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