虚拟现实系统 (2010 年度畅销榜NO.23306 )

本书对虚拟现实系统的基础理论、开发环境、最新发展动向等作了较为系统的论述。书中的内容包括虚拟现实系统的外设、基于图形渲染的算法基础、基于图像渲染的理论与系统、虚拟现实引擎、虚拟现实建模方法、虚拟现实开发工具、分布式与协同虚拟现实系统、虚拟现实系统设计与评价方法以及虚拟现实发展趋势展望等。书中介绍的不少算法与验证系统凝聚了作者多年的研究成果。全书共12章，各章之后附有思考题。\r\n\r\n 本书适合研究生、高年级本科生教育中对虚拟现实教学的需要，也可供对虚拟现实系统感兴趣的大学教师、研究人员及工程技术人员参考。\r\n
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第一章 引 言 \r\n\r\n 1. 1 虚拟现实的基本概念 \r\n\r\n 1. 2 虚拟现实系统的特性 \r\n\r\n 1. 3 虚拟现实发展简史 \r\n\r\n 1. 4 虚拟现实应用 \r\n\r\n 1. 5 本书的组织 \r\n\r\n \r\n\r\n 第二章 虚拟现实外设 \r\n\r\n 2. 1 3-D位置跟踪器 \r\n\r\n 2. 1. 1 3-D电磁跟踪器 \r\n\r\n 2. 1. 2 超声波跟踪器 \r\n\r\n 2. 2 传感手套 \r\n\r\n 2. 2. 1 VPL数据手套 \r\n\r\n 2. 2. 2 PowerGlove \r\n\r\n 2. 2. 3 CyberGlove \r\n\r\n 2. 3 立体鼠标 \r\n\r\n 2. 4 数据衣 \r\n\r\n 2. 5 触觉和力反馈的装置 \r\n\r\n 2. 6 立体显示设备 \r\n\r\n 2. 6. 1 HMD \r\n\r\n 2. 6. 2 BOOM \r\n\r\n 2. 6. 3 立体眼镜 \r\n\r\n 2. 6. 4 立体投影显示 \r\n\r\n 2. 6. 5 3D显示器 \r\n\r\n 2. 7 3-D声音生成器 \r\n\r\n \r\n\r\n 第三章 基于图形渲染的算法基础 \r\n\r\n 3. 1 几何造型 \r\n\r\n 3. 1. 1 多面体造型 \r\n\r\n 3. 1. 2 曲面造型 \r\n\r\n 3. 1. 3 曲线. 曲面表示的基础知识 \r\n\r\n 3. 1. 4 二次曲面 \r\n\r\n 3. 1. 5 超二次曲面 \r\n\r\n 3. 1. 6 Bezier曲线与Bezier曲面 \r\n\r\n 3. 1. 7 B-样条曲线和曲面 \r\n\r\n 3. 1. 8 有理样条与NURBs曲面 \r\n\r\n 3. 2 光照模型 \r\n\r\n 3. 2. 1 Lambert漫反射模型 \r\n\r\n 3. 2. 2 Phong模型 \r\n\r\n 3. 3 三维观察 \r\n\r\n 3, 3. 1 观察坐标 \r\n\r\n 3. 3. 2 投影 \r\n\r\n 3. 3. 3 观察体 \r\n\r\n 3. 3. 4 Z缓存器算法 \r\n\r\n 3. 4 纹理映射 \r\n\r\n 3. 4. 1 二维纹理映射的基本原理 \r\n\r\n 3. 4. 2 建立纹理映射 \r\n\r\n 3. 4. 3 Catmull算法 \r\n\r\n 3. 4. 4 Blinn方法 \r\n\r\n 3. 4. 5 两步法纹理映射 \r\n\r\n 3. 4. 6 环境映射 \r\n\r\n 3. 4. 7 三维纹理映射技术 \r\n\r\n 3. 4. 8 MIPmap技术 \r\n\r\n \r\n\r\n 第四章 基于图像渲染的理论基础 \r\n\r\n 4. 1 什么是基于图像渲染 \r\n\r\n 4. 2 全光模型 \r\n\r\n 4. 3 光图函数 \r\n\r\n 4. 3. 1 四维光图函数的定义 \r\n\r\n 4. 3. 2 四维参数的离散化 \r\n\r\n 4. 3. 3 光图系统 \r\n\r\n 4. 3. 4 关于光图函数的讨论 \r\n\r\n 4. 4 同心圆拼图 \r\n\r\n 4. 4. 1 概述 \r\n\r\n 4. 4. 2 同心圆拼图 \r\n\r\n 4. 5 同心球拼图的构造 \r\n\r\n 4. 5. 1 拍摄方法 \r\n\r\n 4. 5. 2 同心球拼图的构造方法 \r\n\r\n 4. 5. 3 自由漫游 \r\n\r\n 4. 5. 4 压缩 \r\n\r\n 4. 6 基于部分几何信息的IBR技术 \r\n\r\n 4. 6. 1 视图插值技术 \r\n\r\n 4. 6. 2 图像变形技术 \r\n\r\n 4. 6. 3 基于外极几何的方法(Epipolar Geometry) \r\n\r\n 4. 6. 4 3D折叠(3D warp)方法 \r\n\r\n 4. 6. 5 层次深度图像(LDI) \r\n\r\n 4. 7 讨 论 \r\n\r\n \r\n\r\n 第五章 虚拟全景空间的模型与算法 \r\n\r\n 5. 1 VPS空间模型 \r\n\r\n 5. 1. 1 视点空间 \r\n\r\n 5. 1. 2 虚拟全景空间 \r\n\r\n 5. 1. 3 空间操纵 \r\n\r\n 5. 2 VPS系统的一般组成 \r\n\r\n 5. 2. 1 全景图像生成器 \r\n\r\n 5. 2. 2 空间编辑器 \r\n\r\n 5. 2. 3 VPS浏览器 \r\n\r\n 5. 3 全景图像生成的基本思想 \r\n\r\n 5. 3. 1 柱面全景图像的拍摄方法 \r\n\r\n 5. 3. 2 球面全景图像的拍摄方法 \r\n\r\n 5. 3. 3 成像模型与象素坐标 \r\n\r\n 5. 3. 4 估计象素焦距 \r\n\r\n 5. 4 柱面全景图像生成技术 \r\n\r\n 5. 4. 1 柱面正投影算法 \r\n\r\n 5. 4. 2 柱面全景图像的拼接算法 \r\n\r\n 5. 4. 3 枝面全景图像的反投影算法 \r\n\r\n 5. 4. 4 柱面全景图像的漫游 \r\n\r\n 5. 5 球面全景图像生成技术 \r\n\r\n 5. 5. 1 球面正投影算法 \r\n\r\n 5. 5. 2 鱼眼图像的校正算法 \r\n\r\n 5. 5. 3 球面全景图像反投影算法 \r\n\r\n 5. 6 全景视频技术 \r\n\r\n 5. 6. 1 摄像机运动简化模型 \r\n\r\n 5. 6. 2 摄像机运动参数估计公式 \r\n\r\n 5. 6. 3 实现中的一些问题 \r\n\r\n 5. 6. 4 测试与评价 \r\n\r\n 5. 7 视点空间之间的操纵算法 \r\n\r\n 5. 7. 1 简单的缩放实现 \r\n\r\n 5. 7. 2 一种图像变形算法 \r\n\r\n \r\n\r\n 第六章 虚拟现实引擎 \r\n\r\n 6. 1 帧速率与计算负载 \r\n\r\n 6. 1. 1 图形性能与阴影模式 \r\n\r\n 6. 1. 2 图形性能与场景复杂度 \r\n\r\n 6. 2 基于PC机的VR引擎 \r\n\r\n 6. 3 基于SGI工作站的VR引擎 \r\n\r\n 6. 3. 1 InfiniteReality2概述 \r\n\r\n 6. 3. 2 分辨率与显示模式 \r\n\r\n 6. 3. 3 颜色 \r\n\r\n 6. 3. 4 纹理映射 \r\n\r\n 6. 4 高度并行的VR引擎 \r\n\r\n 6. 5 分布化VR引擎 \r\n\r\n 6. 5. 1 基于超级服务器的系统 \r\n\r\n 6. 5. 2 IBM分布系统 \r\n\r\n \r\n\r\n 第七章 虚拟现实建模 \r\n\r\n 7. 1 几何建模 \r\n\r\n 7. 1. 1 造型工具 \r\n\r\n 7. 1. 2 环境外观 \r\n\r\n 7. 2 运动建模 \r\n\r\n 7. 2. 1 对象位置 \r\n\r\n 7. 2. 2 碰撞检测 \r\n\r\n 7. 2. 3 交互映射 \r\n\r\n 7. 2. 4 对象层次 \r\n\r\n 7. 3 物理建模 \r\n\r\n 7. 3. 1 表面变形 \r\n\r\n 7. 3. 2 表面光滑程度 \r\n\r\n 7. 4 对象行为 \r\n\r\n 7. 5 模型分割 \r\n\r\n 7. 5. 1 模型分割 \r\n\r\n 7. 5. 2 LoD分割 \r\n\r\n 7. 6 虚拟现实建模语言VRML \r\n\r\n 7. 6. 1 VRML简介 \r\n\r\n 7. 6. 2 VRML的特性 \r\n\r\n 7. 6. 3 节点 \r\n\r\n 7. 6. 4 场景图 \r\n\r\n 7. 6. 5 漫游与用户交互 \r\n\r\n 7. 6. 6 VRML创作实例 \r\n\r\n \r\n\r\n 第八章 虚拟现实开发工具 \r\n\r\n 8. 1 虚拟世界工具箱WTK \r\n\r\n 8. 1. 1 WTK概述 \r\n\r\n 8. 1. 2 WTK的结构和对象机制 \r\n\r\n 8. 1. 3 WTK的仿真流程管理 \r\n\r\n 8. 1. 4 WTK的窗口和视区 \r\n\r\n 8. 1. 5 WTK的视点 \r\n\r\n 8. 1. 6 WTK的场景结构 \r\n\r\n 8. 1. 7 WTK的几何场景构造 \r\n\r\n 8. 1. 8 WTK的光照处理 \r\n\r\n 8. 1. 9 WTK的材质 \r\n\r\n 8. 1. 10 WTK的纹理 \r\n\r\n 8. 1. 11 传感器 \r\n\r\n 8. 1. 12 三维立体声 \r\n\r\n 8. 2 Vega \r\n\r\n 8. 2. 1 什么是Vega \r\n\r\n 8. 2. 2 场景图管理 \r\n\r\n 8. 3 MR：VR应用工具箱 \r\n\r\n \r\n\r\n 第九章 分布式虚拟现实系统 \r\n\r\n 9. 1 概念与特性 \r\n\r\n 9. 1. 1 什么是DVR \r\n\r\n 9. 1. 2 DVR的特性 \r\n\r\n 9. 1. 3 几个典型DVR系统与工具 \r\n\r\n 9. 2 DVR的系统结构 \r\n\r\n 9. 2. 1 集中式／复制式结构 \r\n\r\n 9. 2. 2 统一的局部数据库／不同的局部数据库 \r\n\r\n 9. 3 DVR模型 \r\n\r\n 9. 3. 1 DS模型 \r\n\r\n 9. 3. 2 MPSC模型 \r\n\r\n 9. 4 DVR中的优先调度算法 \r\n\r\n 9. 4. 1 概述 \r\n\r\n 9. 4. 2 PRR算法 \r\n\r\n 9. 4. 3 结合可见性信息 \r\n\r\n 9. 5 分布交互仿真DIS \r\n\r\n 9. 5. 1 概述 \r\n\r\n 9. 5. 2 仿真实体 \r\n\r\n 9. 5. 3 网络接口NIU(network interface unit) \r\n\r\n 9. 5. 4 计算机生成兵力 \r\n\r\n 9. 6 高层体系结构HLA \r\n\r\n 9. 6. 1 HLA概述 \r\n\r\n 9. 6. 2 HLA框架 \r\n\r\n 9. 6. 3 对象模型OM对互操作和可重用的支持 \r\n\r\n 9. 6. 4 基于HLA／RTI的分布交互仿真体系结构 \r\n\r\n \r\n\r\n 第十章 协同虚拟现实系统 \r\n\r\n 10. 1 CVR的概念与特性 \r\n\r\n 10. 2 CVR涉及的关键技术 \r\n\r\n 10. 3 虚拟空间会议系统 \r\n\r\n 10. 3. 1 引言 \r\n\r\n 10. 3. 2 VST的概念 \r\n\r\n 10. 3. 3 VST需研究解决的问题 \r\n\r\n 10. 3. 4 虚拟会议空间的结构与构造 \r\n\r\n 10. 3. 5 虚拟空间会议合成计算模型 \r\n\r\n 10. 4 VST-1原型系统介绍 \r\n\r\n 10. 4. 1 系统运行环境 \r\n\r\n 10. 4. 2 系统体系结构 \r\n\r\n 10. 4. 3 MCS设计与实现 \r\n\r\n 10. 4. 4 会议管理子系统 \r\n\r\n 10. 4. 5 虚拟对象管理子系统 \r\n\r\n 10. 4. 6 数据分发管理子系统 \r\n\r\n 10. 4. 7 基于DirectPlay的网络通信接口 \r\n\r\n lo. 4. 8 虚拟会议环境构造 \r\n\r\n lo. 4. 9 视音频采集与处理子系统 \r\n\r\n 10. 4. 10 交互代理子系统 \r\n\r\n 10. 4. 11 虚拟会场显示子系统 \r\n\r\n 10. 4. 12 虚拟会场合成 \r\n\r\n \r\n\r\n 第十一章 虚拟现实系统设计和评价方法 \r\n\r\n 11. 1 引 言 \r\n\r\n 11. 2 两种开发领域 \r\n\r\n 11. 3 我们的方法 \r\n\r\n 11. 4 有效迭代 \r\n\r\n 11. 5 一个实例：Dragon战场可视化虚拟环境 \r\n\r\n 11. 6 Dragon VE的设计与评价方法 \r\n\r\n 11. 7 总 结 \r\n\r\n \r\n\r\n 第十二章 虚拟现实发展趋势展望 \r\n\r\n 12. 1 虚拟现实发展面临的三大障碍 \r\n\r\n 12. 2 '虚实结合'是虚拟现实技术发展的必然 \r\n\r\n 12. 2. 1 概述 \r\n\r\n 12. 2. 2 什么是'虚实结合' \r\n\r\n 12. 2. 3 为什么需要'虚实结合' \r\n\r\n 12. 3 增强现实简介 \r\n\r\n 12. 3. 1 基本概念 \r\n\r\n 12. 3. 2 增强现实的应用 \r\n\r\n 12. 3. 3 增强现实的特征 \r\n\r\n 12. 4 一个典型的AR系统：虚拟演播室 \r\n\r\n 12. 4. 1 概述 \r\n\r\n 12. 4. 2 数字视频技术 \r\n\r\n 12. 4. 3 蓝室设计和光照 \r\n\r\n 12. 4. 4 摄像机跟踪 \r\n\r\n 12. 4. 5 绘制 \r\n\r\n 12. 4. 6 合成 \r\n\r\n 参考文献 \r\n
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张茂军, 1997年于国防科技大学系统工程与数学系获博士学位, 现为国防科技大学多媒体研究开发中心副教授. 硕士生导师. IEEE会员, ACM会员. 长期从事虚拟现实系统与多媒体信息系统方面的研究工作. 主持或

参与国家自然科学基金项目. 国家863项目. 国防预研重点项目等10余项. 先后获部委级科技进步一等奖2项, 二等奖2项. 有著作4本. 发表论文60余篇. 目前的研究方向为：基于图像渲染

“虚拟现实(Virtual Reality)”一词始创于20世纪80年代. 关于它的研究可以追溯到60年代, 最初的研究主要集中在美国的军方与NASA(国家航空和宇宙航行局), 用于各种武器系统操纵人员特别是飞机驾驶员与宇航员的模拟训练. 随着冷战后美国军费的削减, 这些技术逐步转为民用. 由于虚拟现实技术能够借助计算机构建出一个与现实环境十分逼真的虚拟环境, 且支持用户使用自然的技能亲身感受它, 因而引起了人们的极大兴趣, 曾经被誉为“梦幻般的技术”. “人机接口的最后一道障碍”.

当前, 虚拟现实已远远超越了早期“训练模拟器”的范畴, 也已不仅仅是用作改进现有信息系统中的人机交互方式的手段, 它已影响到信息系统中信息的表现形态. 信息的组织与管理方法, 甚至改变着信息系统的设计原则, 使之更能适应以用户为中心的应用需求. 而且虚拟现实也只有突破航空航天. 军事. 娱乐等几个特定应用领域的局限, 渗透到整个信息系统中去, 才能发挥出其应有的作用, 才能得到更健康更快速的发展. 但要实现这一目标, 还有大量的问题需要研究解决. 首先是硬件上的支持, 如不需要戴在头上的立体显示器, 如果我们要求每一个使用计算机的人都戴上一个头盔式显示器工作, 这几乎是不可能的事, 再比如廉价的图形加速器, 如果要求每个信息系统的用户都配上昂贵的图形工作站, 也是难以想象的事. 其次是软件上的支持, 如能否不需要硬件加速便能实现虚拟环境的实时渲染?能否不需要手工绘制虚拟环境的三维几何模型而直接由图像生成虚拟环境呢?

为解决这些问题, 人们发明了一些新设备(如3D显示器等), 提出了一些新技术与方法(如基于图像渲染技术). 为此, 我们急需总结现有的技术与应用状况, 并对未来发展趋势作一些探讨. 由于虚拟现实发展较快, 而最新的研究成果又分散发表在多种外文期刊中, 难以查找, 广大初学者. 工程技术人员. 研究开发人员不得不费尽心思, 从零星资料中寻找虚拟现实的最新研究成果.

国防科技大学多媒体实验室是国内最早开展基于图像的虚拟现实研究的单位之一. 从1994年开始, 我们研制第一个基于图像的虚拟信息空间生成平台HVS, 该系统已在几十家部队与地方单位得到成功的应用. 1999年, 我们又成功地研制出一个协同虚拟现实系统——虚拟空间会议系统VST, 关于VST的论文发表在1999年度的国际ACM多媒体年会上, 引起国内外专家的广泛关注. 从1998年起, 我们给博士生开设“虚拟现实技术”课程, 主要讲述虚拟现实技术现有的理论基础, 并贯穿虚拟现实最前沿的一些研究成果与研究思路, 颇受学生欢迎. 我们便产生了把这些教学内容整理成一本虚拟现实教材的想法, 经过近3年的积累与反复试用. 修改, 最终撰写成稿.

本书系统地介绍了虚拟现实系统的理论基础. 开发环境. 最新发展方向. 在第二章, 我们介绍了早期的虚拟现实设备与工具, 以及虚拟现实在硬件上的最新进展与发明. 第三章专门介绍基于图形渲染算法, 是虚拟现实研究的基础之一, 这部分是在参阅了一些国内外专著与论文的基础上提炼而成的. 第四章论述了前沿性研究课题——基于图像渲染的理论基础, 以我们自己的研究成果为主要内容, 已毕业的博士研究生钟力博士. 齐越博士参加了这二研究工作. 第五章介绍了一种实用的基于图像的虚拟现实系统——虚拟全景空间的模型与算法, 这章的大部分算法是我们自己提出并得到应用验证的, 这里引用了我的同事或学生钟力博士. 李云浩博士以及李梦君博士等人工作. 第八章. 第九章是分布式与协同虚拟现实系统, 这部分内容也是对我们自己研究成果的总结, 李云浩博士与孙立峰博士在这一研究工作中付出了大量的心血.

还有我的同事武德峰. 王炜. 杨冰. 徐玮, 我的研究生段晓鹃. 胡少林. 高宇. 邓宝松等, 他们为虚拟现实研究方向做了大量的工作, 这些研究是本书的重要基础. 在此, 感谢他们的大力支持与协作. 感谢一贯关心. 支持我们工作的领导. 专家张维明教授. 吴玲达教授. 李国辉教授. 王浑副教授等. 我还要特别感谢一直关心. 培养我的恩师胡晓峰教授.

由于作者水平所限, 书中的错漏在所难免, 恳请读者批评指正, 并可以通过电子邮件zhangmaojun＠yahoo. com. cn与作者联络.

张茂军