虛擬現實技術
王涌天
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商品描述
本書是一本系統介紹虛擬現實技術基本理論、關鍵技術和應用方法的教材，內容涵蓋虛擬現實技術的基本概念、發展歷史及其應用領域。書中詳細介紹虛擬現實系統中常用的輸入輸出設備及其工作原理和技術特點，深入闡述三維建模的基本方法和關鍵技術，以及虛擬現實系統中常用開發引擎的基本功能和應用方法。此外，本書還介紹了增強現實系統的核心技術及其實現方法，並探討虛擬現實技術應用中的健康和舒適問題，提供了相應的解決方案。
目錄大綱
目錄
第1章 虛擬現實概述 1
1.1 虛擬現實的概念與特徵 1
1.1.1 虛擬現實的概念 1
1.1.2 混合現實連續體 2
1.1.3 虛擬現實的特性 3
1.2 虛擬現實系統構成和技術發展 4
1.2.1 虛擬現實系統構成 4
1.2.2 虛擬現實技術發展 4
1.2.3 元宇宙技術概述 5
1.3 虛擬現實技術應用 7
1.3.1 國內外政策支持 7
1.3.2 虛擬現實應用案例 9
第2章 輸入設備 13
2.1 位姿跟蹤 13
2.1.1 位姿跟蹤的相關概念 13
2.1.2 位姿跟蹤系統的性能指標 14
2.1.3 三維位置跟蹤器 15
2.2 腦機接口 19
2.2.1 腦機接口基本概念 19
2.2.2 腦機接口實現原理 22
2.2.3 腦機接口信號分類算法 23
2.3 手勢接口 27
2.3.1 手勢接口的基礎 27
2.3.2 手勢識別原理與技術 29
2.3.3 基於手勢接口的虛擬現實應用開發 33
2.4 眼動接口 35
2.4.1 眼動追蹤的概念 36
2.4.2 眼動追蹤的分類 36
2.4.3 基於眼動接口的虛擬現實應用開發 40
2.5 漫游與導航接口 41
2.5.1 基本概念 42
2.5.2 漫游與導航參數設計 44
2.5.3 典型的漫游與導航接口 47
第3章 輸出設備 48
3.1 裸眼三維顯示 48
3.1.1 深度暗示 48
3.1.2 助視型三維顯示 51
3.1.3 視差型裸眼三維顯示 54
3.1.4 體三維顯示 55
3.1.5 光場三維顯示 56
3.1.6 全息三維顯示 57
3.2 頭戴式顯示 58
3.2.1 頭戴式顯示原理 58
3.2.2 頭戴式顯示的結構形式 58
3.2.3 真實感頭戴式顯示 61
3.3 沉浸式投影顯示 64
3.3.1 投影顯示的原理和分類 65
3.3.2 投影顯示系統 68
3.3.3 幾何校正和顏色校正 71
3.3.4 沉浸式投影顯示的應用 73
3.4 觸覺反饋設備 75
3.4.1 人體的觸覺感知機制 76
3.4.2 觸覺反饋生成類型及原理 77
3.4.3 觸覺反饋技術的應用 80
3.5 其他感覺輸出設備 82
3.5.1 聽覺輸出設備 82
3.5.2 嗅覺輸出設備 85
3.5.3 味覺輸出設備 88
第4章 三維建模技術 90
4.1 三維物體的幾何表徵方法 90
4.1.1 頂點、邊和麵的基本概念 90
4.1.2 多邊形和曲面建模 91
4.1.3 體素 92
4.1.4 三維物體的隱式表示 92
4.2 常見三維模型文件格式 93
4.2.1 STL文件格式 93
4.2.2 OBJ文件格式 94
4.2.3 FBX文件格式 94
4.3 常見三維建模軟件工具 95
4.3.1 傳統三維建模軟件 95
4.3.2 三維建模的基本流程 96
4.3.3 建模工具的插件和擴展 97
4.3.4 簡單物體的建模示例 98
4.4 基於多幅圖像的三維獲取方法 107
4.4.1 圖像三維重建基本原理 107
4.4.2 特徵點提取與跟蹤 107
4.4.3 常用三維重建軟件 109
4.4.4 簡易物體的三維重建示例 109
4.5 模型的幾何重拓撲 114
4.5.1 幾何數據清理和修復 114
4.5.2 拓撲修復和模型重建 115
4.5.3 基於R3DS Wrap的重拓撲示例 116
4.6 傳統渲染管線、著色與材質原理 123
4.6.1 渲染管線概述 123
4.6.2 光照模型和著色技術 125
4.6.3 材質屬性和紋理映射 127
第5章 Unity 3D開發工具 129
5.1 集成開發環境 129
5.1.1 Unity Hub簡介 129
5.1.2 Unity 3D簡介 130
5.2 編程開發語言 134
5.2.1 數據類型和變量 134
5.2.2 條件語句和循環語句 135
5.2.3 數組和集合 138
5.3 三維交互場景 139
5.3.1 Unity 3D地形創建 139
5.3.2 Unity 3D燈光系統 143
5.3.3 Unity 3D特效系統 144
5.4 二維交互界面 151
5.4.1 UGUI—Canvas（畫布） 151
5.4.2 UGUI—Image（圖像） 152
5.4.3 UGUI—Text（文本） 153
5.4.4 UGUI—InputField（輸入框） 153
5.4.5 UGUI—Button（按鈕） 154
5.5 案例開發 157
5.5.1 案例資源導入與製作 158
5.5.2 坦克拆裝功能開發 159
5.5.3 視角轉換功能開發 164
5.5.4 項目發布 167
第6章 增強現實系統關鍵核心技術 169
6.1 光學透視式AR頭顯標定方法 169
6.1.1 手動標定方法 169
6.1.2 自動標定方法 171
6.1.3 光學透視式AR頭顯標定的評價方法 172
6.2 SPAAM標定方法 173
6.2.1 離軸針孔相機模型 173
6.2.2 眼睛-頭顯內參模型 174
6.2.3 SPAAM的標定步驟 176
6.3 增強現實系統的跟蹤定位算法 177
6.3.1 有標識跟蹤定位技術 177
6.3.2 無標識跟蹤定位技術 178
6.3.3 SLAM跟蹤定位技術 180
6.4 經典的SLAM跟蹤定位技術 182
6.4.1 視覺SLAM系統的框架 182
6.4.2 VINS算法 185
6.5 應用案例：增強現實定點觀景器 190
6.5.1 系統構成 191
6.5.2 子系統功能 191
第7章 虛擬現實的健康與舒適問題 194
7.1 三維顯示視疲勞 194
7.1.1 人的立體視覺和深度感知 194
7.1.2 三維顯示視疲勞成因 196
7.1.3 三維顯示視疲勞評估方法 197
7.1.4 三維顯示視疲勞緩解策略 201
7.2 虛擬現實中的暈動症 203
7.2.1 虛擬現實暈動症成因 203
7.2.2 虛擬現實暈動症評估方法 206
7.2.3 虛擬現實暈動症緩解策略 208
參考文獻 210
第1章 虛擬現實概述 1
1.1 虛擬現實的概念與特徵 1
1.1.1 虛擬現實的概念 1
1.1.2 混合現實連續體 2
1.1.3 虛擬現實的特性 3
1.2 虛擬現實系統構成和技術發展 4
1.2.1 虛擬現實系統構成 4
1.2.2 虛擬現實技術發展 4
1.2.3 元宇宙技術概述 5
1.3 虛擬現實技術應用 7
1.3.1 國內外政策支持 7
1.3.2 虛擬現實應用案例 9
第2章 輸入設備 13
2.1 位姿跟蹤 13
2.1.1 位姿跟蹤的相關概念 13
2.1.2 位姿跟蹤系統的性能指標 14
2.1.3 三維位置跟蹤器 15
2.2 腦機接口 19
2.2.1 腦機接口基本概念 19
2.2.2 腦機接口實現原理 22
2.2.3 腦機接口信號分類算法 23
2.3 手勢接口 27
2.3.1 手勢接口的基礎 27
2.3.2 手勢識別原理與技術 29
2.3.3 基於手勢接口的虛擬現實應用開發 33
2.4 眼動接口 35
2.4.1 眼動追蹤的概念 36
2.4.2 眼動追蹤的分類 36
2.4.3 基於眼動接口的虛擬現實應用開發 40
2.5 漫游與導航接口 41
2.5.1 基本概念 42
2.5.2 漫游與導航參數設計 44
2.5.3 典型的漫游與導航接口 47
第3章 輸出設備 48
3.1 裸眼三維顯示 48
3.1.1 深度暗示 48
3.1.2 助視型三維顯示 51
3.1.3 視差型裸眼三維顯示 54
3.1.4 體三維顯示 55
3.1.5 光場三維顯示 56
3.1.6 全息三維顯示 57
3.2 頭戴式顯示 58
3.2.1 頭戴式顯示原理 58
3.2.2 頭戴式顯示的結構形式 58
3.2.3 真實感頭戴式顯示 61
3.3 沉浸式投影顯示 64
3.3.1 投影顯示的原理和分類 65
3.3.2 投影顯示系統 68
3.3.3 幾何校正和顏色校正 71
3.3.4 沉浸式投影顯示的應用 73
3.4 觸覺反饋設備 75
3.4.1 人體的觸覺感知機制 76
3.4.2 觸覺反饋生成類型及原理 77
3.4.3 觸覺反饋技術的應用 80
3.5 其他感覺輸出設備 82
3.5.1 聽覺輸出設備 82
3.5.2 嗅覺輸出設備 85
3.5.3 味覺輸出設備 88
第4章 三維建模技術 90
4.1 三維物體的幾何表徵方法 90
4.1.1 頂點、邊和麵的基本概念 90
4.1.2 多邊形和曲面建模 91
4.1.3 體素 92
4.1.4 三維物體的隱式表示 92
4.2 常見三維模型文件格式 93
4.2.1 STL文件格式 93
4.2.2 OBJ文件格式 94
4.2.3 FBX文件格式 94
4.3 常見三維建模軟件工具 95
4.3.1 傳統三維建模軟件 95
4.3.2 三維建模的基本流程 96
4.3.3 建模工具的插件和擴展 97
4.3.4 簡單物體的建模示例 98
4.4 基於多幅圖像的三維獲取方法 107
4.4.1 圖像三維重建基本原理 107
4.4.2 特徵點提取與跟蹤 107
4.4.3 常用三維重建軟件 109
4.4.4 簡易物體的三維重建示例 109
4.5 模型的幾何重拓撲 114
4.5.1 幾何數據清理和修復 114
4.5.2 拓撲修復和模型重建 115
4.5.3 基於R3DS Wrap的重拓撲示例 116
4.6 傳統渲染管線、著色與材質原理 123
4.6.1 渲染管線概述 123
4.6.2 光照模型和著色技術 125
4.6.3 材質屬性和紋理映射 127
第5章 Unity 3D開發工具 129
5.1 集成開發環境 129
5.1.1 Unity Hub簡介 129
5.1.2 Unity 3D簡介 130
5.2 編程開發語言 134
5.2.1 數據類型和變量 134
5.2.2 條件語句和循環語句 135
5.2.3 數組和集合 138
5.3 三維交互場景 139
5.3.1 Unity 3D地形創建 139
5.3.2 Unity 3D燈光系統 143
5.3.3 Unity 3D特效系統 144
5.4 二維交互界面 151
5.4.1 UGUI—Canvas（畫布） 151
5.4.2 UGUI—Image（圖像） 152
5.4.3 UGUI—Text（文本） 153
5.4.4 UGUI—InputField（輸入框） 153
5.4.5 UGUI—Button（按鈕） 154
5.5 案例開發 157
5.5.1 案例資源導入與製作 158
5.5.2 坦克拆裝功能開發 159
5.5.3 視角轉換功能開發 164
5.5.4 項目發布 167
第6章 增強現實系統關鍵核心技術 169
6.1 光學透視式AR頭顯標定方法 169
6.1.1 手動標定方法 169
6.1.2 自動標定方法 171
6.1.3 光學透視式AR頭顯標定的評價方法 172
6.2 SPAAM標定方法 173
6.2.1 離軸針孔相機模型 173
6.2.2 眼睛-頭顯內參模型 174
6.2.3 SPAAM的標定步驟 176
6.3 增強現實系統的跟蹤定位算法 177
6.3.1 有標識跟蹤定位技術 177
6.3.2 無標識跟蹤定位技術 178
6.3.3 SLAM跟蹤定位技術 180
6.4 經典的SLAM跟蹤定位技術 182
6.4.1 視覺SLAM系統的框架 182
6.4.2 VINS算法 185
6.5 應用案例：增強現實定點觀景器 190
6.5.1 系統構成 191
6.5.2 子系統功能 191
第7章 虛擬現實的健康與舒適問題 194
7.1 三維顯示視疲勞 194
7.1.1 人的立體視覺和深度感知 194
7.1.2 三維顯示視疲勞成因 196
7.1.3 三維顯示視疲勞評估方法 197
7.1.4 三維顯示視疲勞緩解策略 201
7.2 虛擬現實中的暈動症 203
7.2.1 虛擬現實暈動症成因 203
7.2.2 虛擬現實暈動症評估方法 206
7.2.3 虛擬現實暈動症緩解策略 208
參考文獻 210
