虛擬現實技術（簡體書）

《計算機科學與技術學科前沿叢書．計算機科學與技術學科研究生系列教材：虛擬現實技術（中文版）》重點介紹虛擬現實技術的概念、發展歷程和組成，虛擬現實系統的硬件設備，虛擬現實的相關技術以及虛擬現實技術系統的工具軟件及其應用。
本書彙集一系列的虛擬現實相關技術，包括計算機軟硬件技術、計算機圖形學、人機交互技術、多媒體技術、人體工程學技術、傳感技術等以及它們近年來的發展成果，具有較高的學術水平，可以作為研究人員的參考手冊。
《計算機科學與技術學科前沿叢書．計算機科學與技術學科研究生系列教材：虛擬現實技術（中文版）》內容系統、全面，本著普及、推廣及應用的原則，在介紹虛擬現實技術理論知識的同時，還介紹幾個具有代表性的虛擬現實工具軟件，並採用實例進行講解，使讀者能在較短的時間內對虛擬現實技術有所瞭解，並加以應用。．

《計算機科學與技術學科前沿叢書?計算機科學與技術學科研究生系列教材:虛擬現實技術(中文版)》內容系統、全面，本著普及、推廣及應用的原則，在介紹虛擬現實技術理論知識的同時，還介紹幾個具有代表性的虛擬現實工具軟件，并采用實例進行講解，使讀者能在較短的時間內對虛擬現實技術有所了解，并加以應用。

第1章虛擬現實概述
1.1虛擬現實的產生與發展
1.1.1虛擬現實的概念
1.1.2虛擬現實的發展
1.1.3虛擬現實系統的構成
1.2虛擬現實的應用
1.2.1軍事
1.2.2教育與體育
1.2.3游戲
1.2.4建筑
第2章建模技術
2.1建模技術概述
2.2幾何建模
2.2.1幾何模型的特點
2.2.2線框建模
2.2.3表面建模
2.2.4實體建模
2.3運動建模
2.3.1運動學運動生成技術
2.3.2動力學運動生成技術
2.3.3人體的運動結構分析
2.3.4基于坐標值的關鍵幀方法
2.4軟體建模
2.4.1碰撞檢測
2.4.2粒子建模方法
2.4.3基于物理屬性的虛擬手術建模
2.5數據的存檔與獲取
2.5.1地物建模的數據源
2.5.2虛擬城市建模的數據獲取
2.5.3醫學影像的獲取與存儲
2.5.4運動數據獲取技術
第3章實時繪制技術
3.1消隱技術
3.1.1物體空間法
3.1.2圖像空間法
3.1.3物體空間、圖像空間隱藏面消除綜合法
3.2LOD技術
3.2.1虛擬場景中LOD技術
3.2.2虛擬場景生成中LOD模型關鍵技術
3.2.3虛擬場景生成中LOD模型的生成算法
3.2.4基于三角形折疊的LOD算法
3.2.5動態LOD算法
3.3景深技術
3.3.1景深及影響景深的因素
3.3.2基于可編程GPU的景深算法
3.3.3大景深系統
3.3.4景深的藝術效果分析
3.4紋理映射
3.4.1二維紋理映射
3.4.2三維紋理映射
3.4.3基于0penGL紋理映射
3.4.4基于VTK的三維紋理映射
3.5光照模型
3.5.1光源特性和物體表面特性
3.5.2光照模型及其實現
3.5.3明暗的光滑處理
3.5.4光照模型中的燈光控制及陰影處理
3.5.5基于圖像的光照模型
3.6特效技術
3.6.1過程紋理算法
3.6.2基于分形理論的算法
3.6.3基于動態隨機過程的算法
3.6.4基于物理原理的方法
3.6.5幾種具體特效物體的算法發展現狀
第4章引擎構造及關鍵技術
4.1虛擬現實引擎框架
4.1.1虛擬現實引擎概念
4.1.2虛擬現實引擎的發展歷程
4.1.3虛擬現實引擎架構
4.1.4虛擬現實引擎的功能及工作流程
4.1.5漫游引擎的結構
4.2場景調度技術
4.2.1場景管理的設計思想
4.2.2基于場景圖的管理
4.2.3基于繪制狀態的場景管理
4.2.4基于場景包圍體的場景組織
4.2.5繪制過程的場景管理
4.2.6室內場景的優化調度技術
4.3路徑規劃
4.3.1虛擬場景中的路徑規劃
4.3.2基于體素化的自動入口生成
4.3.3虛擬場景中的路徑規劃
4.4立體顯示技術
4.4.1立體視覺原理及視覺模型
4.4.2立體顯示硬件技術
4.4.3立體顯示軟件算法
4.4.4平行投影法
4.4.5基于PC的兩個立體顯示系統
4.5動畫與聲音調度
4.5.1渲染器
4.5.2模型與動畫、細節級別
4.5.3物理引擎、運動和效果
4.5.4聲音系統與音頻API
第5章碰撞檢測技術
5.1面向凸體的碰撞檢測
5.2基于一般表示的碰撞檢測
5.2.1面向CSG表示模型的碰撞檢測算法
5.2.2面向參數曲面的碰撞檢測算法
5.2.3面向體表示模型的碰撞檢測算法
5.3基于層次包圍體樹的碰撞檢測
5.3.1基于AABB層次包圍盒樹的碰撞檢測算法
5.3.2基于層次包圍球樹的碰撞檢測算法
5.3.3基于OBB層次包圍盒樹的碰撞檢測算法
5.3.4基于k—DOP層次包圍體樹的碰撞檢測算法
5.3.5基于掃成球層次包圍體樹的碰撞檢測算法
5.4基于圖像空間的碰撞檢測
5.5游戲中常用的碰撞檢測技術
第6章幾個典型的虛擬現實系統
6.1虛擬現實的研究方向及發展前景
6.2仿真駕駛系統
6.2.1原理
6.2.2系統構成
6.2.3汽車駕駛仿真器的實現
6.3軍事作戰系統
6.3.1虛擬戰場環境在軍事仿真中的應用
6.3.2虛擬戰場環境系統的基本構成
6.3.3作戰仿真的發展趨勢
6.4醫學
6.4.1虛擬手術概述
6.4.2虛擬手術系統組成及其關鍵技術
6.4.3系統的交互手段及軟硬件平臺
6.5虛擬城市系統
6.5.1系統概述
6.5.2發展現狀
6.5.3“虛擬城市”建設的意義
6.5.4系統的軟件
6.5.5應用實例
6.5.6發展趨勢
參考文獻

2.2幾何建模
幾何建模是開發虛擬現實系統過程中最基本、最重要的工作之一。虛擬環境中的幾何模型描述物體的幾何信息和拓撲信息，幾何信息是指物體在歐氏空間中的形狀、位置和大小，例如頂點的坐標值、曲面數學表達式中的具體系數等；拓撲信息是指物體各分量的數目及其相互間的連接關系，它涉及表示幾何信息的數據結構、相關的構造與操縱該數據結構的算法。虛擬環境中的每個物體包含形狀和外觀兩個方面。物體的形狀由構造物體的各個多邊形、三角形和頂點等來確定，物體的外觀則由表面紋理、顏色和光照系數等來確定。因此，用于存儲虛擬環境中幾何模型的模型文件應該能夠提供上述信息。同時，還要滿足虛擬建模技術的三個常用指標——交互顯示能力、交互式操縱能力和易于構造的能力。
對虛擬對象模型的要求：
對象的幾何建模是生成高質量視景圖像的先決條件。它是用來描述對象內部固有的幾何性質的抽象模型，所表達的內容包括以下幾個方面。
（1）對象中基元的輪廓和形狀，以及反映基元表面特點的屬性，例如顏色。
（2）基元間的連接性，即基元結構或對象的拓撲特性。連接性的描述可以用矩陣、樹和圖等表示。
（3）應用中要求的數值和說明信息。這些信息不一定是與幾何形狀有關的，例如基元的名稱，基元的物理特性等。
從體系和結構的角度看，幾何建模技術分為體素和結構兩個方面。體素用來構造物體的原子單位，體素的選取決定了建模系統所能構造的對象范圍。結構用來決定體素如何組合以構成新的對象。
幾何建模可以進一步劃分為層次建模法和屬主建模法。
（1）層次建模方法。
層次建模方法利用樹形結構來表示物體的各個組成部分，對描述運動繼承關系比較有利。例如：手臂可以描述成由肩關節、大臂、肘關節、小臂、腕關節、手掌和手指構成的層次結構，而手指又可以進一步細分。在層次模型中，較高層次構件的運動勢必改變較低層次構件的空間位置，例如：肘關節轉動勢必改變小臂、手掌的位置，而肩關節的轉動又影響到大臂、小臂等。
（2）屬主建模方法。
屬主建模方法的思想是讓同一種對象擁有同一個屬主，屬主包含了該類對象的詳細結構。當要建立某個屬主的一個實例時，只要復制指向屬主的指針即可。每一個對象實例是一個獨立的節點，擁有自己獨立的方位變換矩陣。以汽車建模為例，汽車的4個輪子有相同的結構，我們可為之建立一個輪子屬主，每次需要輪子實例時，只要創建一個指向輪子屬主的指針即可。通過獨立的方位變換矩陣，便可以得到各個輪子的方位。這樣做的好處是簡單高效、易于修改和一致性好。
2.2.1幾何模型的特點
幾何建模在CAD技術中得到了廣泛的應用，也為虛擬環境建模技術研究奠定了基礎。但是，幾何建模僅僅建立了對象的外觀，而不能反映對象的物理特征，更不能表現對象的行為，幾何建模只能實現虛擬現實“看起來像”的特征，卻無法實現虛擬現實的其他特征。