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第一部分 虚拟现实技术基础知识1

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2

1.1.1 狭义的定义3

1.1.2 广义的定义3

1.1.3 虚拟现实技术的特性3

1.1.4 虚拟现实系统组成4

1.1.5 虚拟现实的关键技术5

1.2 虚拟现实系统的分类6

1.2.1 沉浸型虚拟现实系统6

1.2.2 增强现实性虚拟现实系统7

1.2.3 桌面型虚拟现实系统7

1.2.4 分布式虚拟现实系统9

1.3 虚拟现实技术的主要研究对象9

1.4 虚拟现实技术的主要应用领域10

1.4.1 医学领域10

1.4.2 娱乐和艺术领域12

1.4.3 军事与航天工业领域12

1.4.4 管理工程领域12

1.4.5 室内设计领域13

1.4.6 房产开发领域13

1.4.7 工业仿真领域14

1.4.8 文物古迹领域15

1.4.9 娱乐游戏领域16

1.4.10 道路桥梁领域16

1.4.11 地理领域17

1.4.12 教育领域17

1.5 虚拟现实的发展和现状18

1.5.1 虚拟现实技术发展历程18

1.5.2 虚拟现实系统研究现状19

1.5.3 虚拟现实技术的发展趋势20

本章小结21

习题21

第2章 虚拟现实系统的三维交互工具22

2.1 跟踪定位设备22

2.1.1 机械跟踪器23

2.1.2 电磁波跟踪器24

2.1.3 光学式跟踪器27

2.1.4 超声波跟踪器28

2.1.5 惯性位置跟踪器29

2.1.6 图像提取跟踪器29

2.2 手数字化设备30

2.2.1 数据手套30

2.2.2 三维鼠标32

2.3 立体视觉设备33

2.3.1 头盔显示器33

2.3.2 沉浸式立体投影系统35

本章小结38

习题38

第3章 虚拟现实系统的相关技术40

3.1 立体显示技术40

3.1.1 立体显示原理40

3.1.2 4种立体显示技术40

3.2 三维建模技术42

3.2.1 几何建模技术43

3.2.2 物理建模技术44

3.2.3 行为建模技术45

3.3 真实感实时绘制技术45

3.3.1 真实感绘制技术46

3.3.2 基于图形的实时绘制技术46

3.3.3 基于图像的实时绘制技术47

3.4 三维虚拟声音的实现技术48

3.4.1 三维虚拟声音的作用48

3.4.2 三维虚拟声音的特征48

3.4.3 语音识别技术48

3.4.4 语音合成技术48

3.5 人机自然交互技术48

3.5.1 手势识别49

3.5.2 面部表情识别49

3.5.3 眼动跟踪49

3.6 碰撞检测技术50

本章小结50

习题50

第4章 虚拟现实的计算体系结构52

4.1 绘制流水线52

4.1.1 图形绘制流水线52

4.1.2 触觉绘制流水线54

4.2 基于PC的图形体系结构55

4.3 基于工作站的图形体系结构56

4.3.1 Sun Blade 1000的体系结构57

4.3.2 SGI Infinite Reality体系结构57

4.4 分布式VR体系结构58

4.4.1 多流水线同步59

4.4.2 联合定位绘制流水线60

4.4.3 分布式虚拟环境61

本章小结62

习题63

第5章 三维全景技术64

5.1 三维全景技术概述64

5.1.1 三维全景技术的特点64

5.1.2 全景技术的应用65

5.1.3 全景技术的分类67

5.1.4 全景技术常用设备68

5.2 全景图生成技术69

5.2.1 全景图像采集70

5.2.2 图像预处理70

5.2.3 像素坐标及相机焦距的估计71

5.2.4 全景图投影模型72

5.3 全景图制作实例74

5.3.1 拍摄照片75

5.3.2 用Photoshop拼接静态全景图76

5.3.3 用Ulead COOL 360制作动态全景图78

本章小结81

习题81

第二部分 虚拟现实技术编程和建模方法83

第6章 三维建模工具3ds Max83

6.1 3ds Max概述83

6.1.1 3ds Max 2010的硬件要求83

6.1.2 3ds Max的启动与退出84

6.1.3 3ds Max文件的打开与保存84

6.1.4 3ds Max界面分布85

6.1.5 3ds Max视图区常用操作86

6.1.6 3ds Max主工具栏常用工具87

6.2 3ds Max基础建模90

6.2.1 3ds Max内置几何体建模90

6.2.2 3ds Max二维图形对象生成三维模型92

6.2.3 3ds Max常用复合建模93

6.3 3ds Max材质与贴图95

6.3.1 3ds Max精简材质编辑器95

6.3.2 3ds Max贴图的类型97

6.3.3 3ds Max贴图的坐标97

6.4 3ds Max灯光与摄影机98

6.4.1 3ds Max摄影机简介98

6.4.2 3ds Max灯光简介98

6.5 3ds Max生成动画的基本流程99

6.6 综合实例100

6.6.1 制作“安卓机器人”公仔模型100

6.6.2 制作眼球模型103

6.7 生成动画105

本章小结106

习题106

第7章 Maya、Cult3D和Web3D介绍108

7.1 Maya 2013应用基础108

7.1.1 Maya概述108

7.1.2 Polygon建模117

7.1.3 Nurbs建模121

7.1.4 Maya动画基本操作125

7.2 Cult3D技术131

7.2.1 Cult3D概述131

7.2.2 Cult3D的模块132

7.2.3 Cult3D的工作流程132

7.2.4 Cult3D的窗口简介133

7.2.5 Cult3D模型的导出136

7.2.6 Cult3D应用实例136

7.3 Web3D140

7.3.1 Web3D简介140

7.3.2 Web3D的实现技术143

本章小结146

习题146

第8章 虚拟现实建模语言VRML148

8.1 VRML虚拟现实建模语言148

8.1.1 VRML基本概念148

8.1.2 VRML文件的基本特点150

8.1.3 VRML场景的编辑与浏览153

8.2 在场景中建造基本几何模型156

8.2.1 外形节点Shape的使用156

8.2.2 构建虚拟场景的几何造型geometry域158

8.2.3 创建基本几何造型158

8.2.4 在虚拟场景中添加文本造型162

8.2.5 在场景中构建复杂造型163

8.3 虚拟造型群节点的使用169

8.3.1 编组节点的使用170

8.3.2 空间坐标变换节点的使用171

8.4 虚拟对象交互功能的实现173

8.4.1 检测器的基本功能173

8.4.2 各类检测器的基本作用与使用173

8.4.3 程序脚本的使用181

8.5 3ds Max与VRML的转换183

8.5.1 3ds Max的场景导出183

8.5.2 在3ds Max中插入VRML节点184

8.5.3 VRML文件的压缩187

本章小结187

习题187

第三部分 虚拟现实在医学领域的应用和教学平台建设191

第9章 虚拟现实在医学方面的应用191

9.1 虚拟人体191

9.1.1 虚拟人体技术191

9.1.2 虚拟人体的应用领域193

9.2 医生虚拟操作与虚拟手术195

9.2.1 虚拟内窥镜195

9.2.2 虚拟外科手术197

9.2.3 虚拟静脉注射197

9.3 虚拟康复训练198

9.3.1 肢体运动训练应用198

9.3.2 心理及认知功能训练应用200

9.4 虚拟现实技术与现代高等医学教育200

9.4.1 虚拟现实技术在基础医学教育中的应用201

9.4.2 虚拟现实技术在临床医学教育中的应用201

9.4.3 虚拟现实技术在远程医学教育中的应用201

9.5 医学虚拟现实软件的应用现状202

本章小结203

习题203

第10章 虚拟现实开发平台VRP204

10.1 VRP简介204

10.1.1 VRP软件的下载与安装204

10.1.2 VRP工具栏205

10.1.3 VRP项目的制作技巧205

10.2 VRP入门207

10.2.1 3ds Max的前期准备207

10.2.2 3ds Max建模的要求208

10.2.3 VRP文件的保存209

10.2.4 打开VRP文件209

10.2.5 编辑独立EXE文件210

10.3 VRP交互应用211

10.3.1 创建动画相机211

10.3.2 创建角色控制相机212

10.3.3 创建交互按钮215

本章小结217

习题217

第11章 虚拟现实实验室218

11.1 虚拟实验室概述218

11.1.1 虚拟实验室定义218

11.1.2 虚拟实验室的组成结构218

11.1.3 虚拟实验室的功能219

11.1.4 虚拟实验室的主要特点220

11.1.5 虚拟实验室的类型222

11.2 虚拟实验室国内外发展状况222

11.2.1 国外虚拟实验室发展状况223

11.2.2 国内虚拟实验室发展状况223

11.2.3 虚拟实验室在医学领域的应用224

11.3 虚拟现实实验室建设方案设计226

11.3.1 大屏幕三维立体显示应用介绍226

11.3.2 沉浸式虚拟现实显示应用介绍227

11.3.3 医学虚拟现实实验室系统建设方案案例228

本章小结232

习题233

主要参考文献234