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第1章　虚拟现实技术概论1

1.1　虚拟现实技术的基本概念1

1.2　虚拟现实的3I特性1

1.3　虚拟现实系统的组成2

1.3.1　输入部分2

1.3.2　输出系统3

1.3.3　虚拟环境数据库3

1.4　虚拟现实系统的分类4

1.4.1　桌面虚拟现实系统4

1.4.2　沉浸式虚拟现实系统5

1.4.3　分布式虚拟现实系统7

1.4.4　增强现实（或混合现实）系统7

1.5　虚拟现实技术与其他计算机相关技术的关系8

1.6　虚拟现实技术的发展概况9

1.7　虚拟现实的应用领域10

1.8　典型虚拟现实系统11

第2章　虚拟现实建模13

2.1　三维场景的计算机图形学原理13

2.1.1　三维图形绘制原理13

2.1.2　坐标系相关概念14

2.2　虚拟场景建模技术分类15

2.3　环境建模技术15

2.3.1 基本外观造形阶段15

2.3.2　行为属性建模18

2.3.3　虚拟环境对象建模19

2.3.4　用户对象建模19

2.4　虚拟现实建模语言（VRML）20

2.4.1 VRML的基本工作原理及其基本特性21

2.4.2　VRML文件的组成22

2.4.3　VRML的节点和域23

2.4.4　VRML文件格式及MIME类型24

2.4.5　VRML中的动画效果26

2.4.6　VRML自身的场景交互27

2.4.7　通过Java实现和VRML场景的交互28

第3章　基于立体视觉的图像建模技术29

3.1 基于立体视觉的图像建模技术概述29

3.2　图像获取29

3.3　视觉图像特征提取30

3.3.1　点特征提取31

3.3.2　边缘检测原理32

3.3.3　几种常见的边缘检测算子33

3.3.4　几种经典算子的检测结果对比34

3.4　拐角检测36

3.4.1　基于邻域锚点的快速图像拐角检测36

3.4.2　算法实现37

3.4.3　算法分析及实验结果39

3.5　立体匹配39

3.5.1　立体匹配中的约束条件40

3.5.2　匹配策略的选择41

3.6　摄像机标定与三维重建44

3.6.1　坐标系44

3.6.2　典型的摄像机模型45

3.6.3　基于OpenCV的摄像机标定方法46

3.6.4　基于对极几何和主动视觉的摄像机标定方法48

3.6.5　利用VRML实现三维模型的表示和渲染53

第4章　虚拟现实应用系统开发工具55

4.1 虚拟现实软件开发包WTK55

4.1.1　WTK场景运行机制55

4.1.2　WTK场景图渲染方式56

4.1.3　WTK虚拟系统场景图组织结构实例58

4.1.4　实体模型文件格式60

4.1.5　模型初始参数设置61

4.1.6　动态模型格式修改62

4.1.7　对象模型的材质纹理表现63

4.1.8　场景文件输出64

4.1.9　WTK文件格式64

4.1.10　人机交互模式的实现65

4.2　虚拟现实仿真系统开发平台Vega简介66

4.2.1　Vega基本类库描述67

4.2.2　Vega仿真程序的建立69

4.2.3　仿真程序的主循环70

4.2.4　基于MFC的Vega应用的程序结构70

4.3 OpenGL简介71

4.3.1 直观的三维图形开发环境71

4.3.2　三维图形开发标准72

4.3.3　OpenGL的体系结构72

4.3.4　OpenGL图形实现方式73

4.3.5 创建OpenGL应用程序的步骤75

第5章　虚拟现实人机交互76

5.1 双手操作的理论基础78

5.1.1　双手操作的认知特性78

5.1.2　双手操作的行为学特点79

5.2　双手非对称交互的设备组合82

5.2.1　三维交互设备82

5.2.2　双手非对称交互设备的选取83

5.2.3 二维鼠标的交互接口设计84

5.2.4　三维空间球的应用设计84

5.3　双手非对称交互的任务设计86

5.3.1 交互任务的层次结构86

5.3.2　交互任务分配的相关实验研究87

5.3.3　双手非对称交互的时间特征88

5.3.4　虚拟现实应用系统中的交互任务设计89

5.4　交互任务实现的关键技术91

5.4.1 三维拾取91

5.4.2　设备模型对象的操作92

5.4.3　视点变换与控制94

5.5　可用性评估95

5.5.1　评估方法和技术95

5.5.2　评估实验的实施方法96

5.6　虚拟漫游模式设计98

5.6.1　键盘自主漫游模式98

5.6.2 自动漫游模式99

5.7　碰撞检测技术（Collision Detection）100

5.7.1　虚拟环境中碰撞检测的基本原理100

5.7.2　虚拟漫游中基于视线的碰撞检测原理102

5.7.3　虚拟漫游中基于视线的智能碰撞检测实现方法103

5.8　三维虚拟界面中导航图创建方法106

5.8.1　导航图人机交互设计的空间认知106

5.8.2　导航图开发目标107

5.8.3　常见平面导航图的创建方法108

第6章　基于VR的消防参谋系统设计109

6.1 引言109

6.2　消防参谋系统设计框架109

6.3　通过二维组态软件实现虚拟建筑物的三维建模110

6.4　消防参谋系统二维图形组态软件设计111

6.4.1 主界面设计111

6.4.2　基本元素模块设计111

6.4.3　数据IO模块设计112

6.4.4　其他模块设计113

6.5　基于VRML的三维引擎基本架构114

6.6　消防参谋系统三维监控软件架构115

6.7　消防参谋系统三维监控软件功能实现116

6.7.1　建立三维虚拟建筑116

6.7.2　与智能传感器通信估测火灾信息122

6.7.3　智能传感器的数据记录123

6.7.4　三维虚拟建筑的远程访问124

第7章　工控组态软件三维监控界面的原型系统开发127

7.1 引言127

7.2　传统监控组态软件结构分析127

7.3　新型组态软件整体方案论证129

7.3.1　实时数据库系统方案129

7.3.2　虚拟监控界面开发运行系统定位130

7.3.3　基于用户的系统功能分析130

7.3.4　基于人机交互接口的系统分析131

7.3.5　虚拟场景构造分析131

7.3.6　基于虚拟场景构造的功能分析133

7.3.7　基于工艺流程仿真的系统分析133

7.3.8　本系统软件框架图134

7.4　虚拟监控组态软件开发目标134

7.5　系统功能模块概述136

7.6　系统开发的软硬件环境138

7.6.1　系统的硬件组成138

7.6.2　虚拟现实系统开发引擎138

7.7　基于MFC和WTK驱动内核的平台框架138

7.8　组态平台设计141

7.8.1　设备模型库功能模块141

7.8.2　模型预览功能模块142

7.8.3 鼠标交互操作功能模块143

7.8.4　三维鼠标交互接口144

7.8.5　场景模型管理模块144

7.8.6　属性配置功能模块145

7.8.7　场景文件及相关配置文件保存功能模块146

7.9 监控运行平台设计146

7.9.1　组态文件解析功能模块146

7.9.2　其他功能模块147

7.10　组态软件三维监控界面在实际工程上的仿真应用148

7.10.1　评价系统介绍148

7.10.2　系统设计148

7.11　评价系统监控界面的实现149

第8章　基于VR技术的GPS仿真系统开发151

8.1 引言151

8.2　GPS系统组成152

8.2.1 空间部分152

8.2.2　地面控制部分153

8.2.3 用户部分153

8.3　GPS仿真系统设计背景153

8.3.1　仿真运行系统开发定位153

8.3.2　基于用户的系统功能分析154

8.3.3　基于人机交互接口的系统分析154

8.3.4　虚拟场景构造及功能设计155

8.3.5　虚拟场景实体对象建模分析155

8.3.6　实时数据库系统方案论证156

8.4　最终目标157

8.5　系统开发的软硬件环境157

8.6　整体设计思路158

8.7　软件功能设计162

8.8　软件设计163

8.9　关键技术实现164

8.9.1　虚拟场景实体对象建模164

8.9.2　星历文件读／写165

8.9.3　星历数据处理及其Matlab仿真166

8.9.4　利用WTK构建运行场景168

8.9.5　场景构建中的坐标系转换169

8.9.6　停靠式树形控件的生成170

8.9.7　可见卫星个数171

8.9.8　星下点轨迹绘制模块172

8.9.9　切比雪夫多项式拟合174

8.9.10　数据库176

参考文献180

主要参考网站185