虚拟现实技术及应用

第1章 虚拟现实1

1.1 虚拟现实概述1

1.1.1 虚拟现实1

1.1.2 虚拟现实的概念2

1.1.3 虚拟现实的特征3

1.1.4 虚拟现实系统的构成4

1.1.5 虚拟现实的特点6

1.2 虚拟现实的发展历史7

1.2.1 虚拟现实在美国的发展8

1.2.2 VR技术在美国的研究发展9

1.2.3 VR技术在欧洲的研究发展10

1.2.4 虚拟现实在日本的发展11

1.2.5 虚拟现实在国内的发展11

1.3 虚拟现实系统软、硬件结构13

1.3.1 开发平台13

1.3.2 虚拟现实显示系统14

1.3.3 虚拟现实交互系统14

1.4 虚拟现实系统的分类17

1.4.1 桌面型虚拟现实系统17

1.4.2 投入型虚拟现实系统19

1.4.3 增强现实型虚拟现实系统21

1.4.4 分布式虚拟现实系统22

1.5 虚拟现实技术的具体应用23

1.5.1 军事24

1.5.2 航空航天24

1.5.3 医学25

1.5.4 教育游戏艺术26

1.5.5 工业27

1.5.6 商业27

1.5.7 建筑设计与规划27

1.6 虚拟现实技术的研究方向28

1.7 本章小结29

第2章 虚拟现实的关键技术30

2.1 建模技术30

2.1.1 几何建模30

2.1.2 运动建模32

2.1.3 物理建模32

2.1.4 对象行为建模33

2.1.5 3ds max中的建模技术34

2.2 场景调度技术36

2.2.1 基于场景图的管理36

2.2.2 基于绘制状态的场景管理41

2.2.3 基于场景包围体的场景组织42

2.2.4 场景绘制的几何剖分技术43

2.3 碰撞检测技术47

2.3.1 面向凸体的碰撞检测48

2.3.2 基于一般表示的碰撞检测50

2.3.3 基于层次包围体树的碰撞检测52

2.3.4 基于图像空间的碰撞检测56

2.4 特效技术58

2.4.1 过程纹理算法58

2.4.2 基于分形理论的算法60

2.4.3 基于动态随机过程的算法60

2.4.4 基于物理原理的方法62

2.4.5 几种具体特效物体的算法发展62

2.5 交互技术64

2.5.1 视觉通道64

2.5.2 听觉通道64

2.5.3 触觉与力反馈65

2.5.4 用户的输入65

2.5.5 语音识别与合成66

2.6 本章小结66

第3章 虚拟城市系统67

3.1 系统概述67

3.1.1 系统的软件技术和硬件平台70

3.1.2 软件的选择城市三维实体的划分72

3.1.3 框架结构72

3.2 虚拟城市建设的关键技术72

3.2.1 虚拟城市三维建模的数据源73

3.2.2 虚拟城市三维建模的数据获取途径78

3.2.3 虚拟城市的建模技术80

3.3 漫游引擎子系统86

3.3.1 漫游引擎的功能86

3.3.2 漫游引擎的结构89

3.4 虚拟现实引擎的优化方法92

3.4.1 消隐技术93

3.4.2 LOD技术97

3.4.3 景深技术99

3.5 虚拟城市系统应用与发展趋势100

3.5.1 虚拟城市系统的应用100

3.5.2 虚拟城市技术存在的问题101

3.5.3 GIS在虚拟城市系统中的应用102

3.5.4 虚拟城市技术的发展趋势103

3.6 本章小结104

第4章 汽车驾驶仿真器105

4.1 概况105

4.1.1 国外研究动态106

4.1.2 国内研究现状107

4.1.3 存在问题107

4.2 汽车驾驶仿真器的原理108

4.2.1 仿真驾驶器原理109

4.2.2 硬件平台110

4.2.3 软件平台111

4.3 汽车驾驶仿真器的关键技术113

4.3.1 网络通信113

4.3.2 人工智能115

4.3.3 人工智能研究领域117

4.3.4 人机交互技术119

4.3.5 模型生成技术120

4.3.6 模型优化的关键技术126

4.3.7 汽车运动仿真技术129

4.3.8 汽车运动管理技术131

4.4 汽车驾驶仿真器的开发与发展趋势135

4.4.1 汽车驾驶仿真器的设计135

4.4.2 汽车驾驶仿真器的实现136

4.4.3 汽车驾驶仿真器的发展趋势141

4.5 本章小结142

第5章 作战仿真系统143

5.1 作战仿真的必要性143

5.1.1 现场演练的局限性143

5.1.2 仿真系统的运用促进军事训练水平的提高144

5.1.3 现代联合作战的需要145

5.2 作战仿真的现状145

5.3 战场仿真与作战仿真概述148

5.3.1 战场环境仿真概述149

5.3.2 虚拟现实与战场环境感知仿真150

5.3.3 作战仿真的发展趋势152

5.3.4 作战仿真的分类153

5.4 系统总体设计154

5.4.1 系统功能154

5.4.2 系统软硬件155

5.4.3 模块设计157

5.4.4 工作过程157

5.5 建构虚拟战场环境的若干关键技术159

5.5.1 虚拟现实技术159

5.5.2 分布交互式仿真技术162

5.5.3 软件的设计思想163

5.6 海洋战场环境仿真案例164

5.6.1 建模技术164

5.6.2 三维地形模型建模技术165

5.6.3 模型优化技术167

5.6.4 海洋战场环境实时驱动技术170

5.6.5 基于MFC导弹打击目标的实现182

5.6.6 海洋战场环境仿真系统186

5.7 本章小结191

第6章 3D游戏制作192

6.1 3D游戏概述192

6.1.1 3D游戏概述192

6.1.2 3D游戏制作的起源、意义和发展193

6.2 3D游戏制作的主要技术194

6.2.1 游戏中存档和读取技术194

6.2.2 游戏中的人工智能技术197

6.2.3 碰撞检测技术201

6.2.4 测试技术204

6.3 主流制作工具208

6.3.1 当前主流制作工具208

6.3.2 引擎框架209

6.4 单机3D游戏的制作211

6.4.1 3ds max212

6.4.2 Maya214

6.4.3 Softimage 3D215

6.4.4 Alias Studio217

6.4.5 Houdini218

6.4.6 TrueSpace219

6.4.7 Poser219

6.5 网络3D游戏的制作220

6.5.1 网络3D游戏的制作概述220

6.5.2 网络3D游戏的制作软件222

6.6 本章小结225

第7章 虚拟手术226

7.1 系统概述226

7.1.1 国内外研究现状227

7.1.2 虚拟手术的用途228

7.1.3 虚拟手术系统组成及其关键技术229

7.2 主要技术手段232

7.2.1 虚拟手术的建模技术232

7.2.2 碰撞检测和模型切割技术241

7.2.3 真实感图形绘制技术242

7.3 系统的软、硬件平台243

7.4 本章小结244

参考文献245

本书共分为两大部分，第一部分介绍虚拟现实的基础知识与关键技术，第二部分研究虚拟现实技术在各个领域应用的主要方法、手段及实现过程。全书共分为7章：第1章介绍虚拟现实的基本概念和相关知识；第2章阐述虚拟现实的关键技术；第3章描述虚拟城市系统和实现过程；第4章介绍汽车驾驶仿真器系统与实现；第5章介绍作战仿真系统与实现；第6章阐述3D游戏制作技术；第7章讨论虚拟手术技术。本书通过对虚拟现实技术原理和案例的介绍，帮助广大读者快速、深入地学习和掌握虚拟现实技术，为推动该领域科学技术的发展和应用作出贡献。本书适合作为各类普通高等学校的专业教材，也可作为各类研究人员、公司技术人员以及本领域的工作人员的参考书。