本書是一本系統(tǒng)介紹虛擬現(xiàn)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(xiàn)實技術的基本概念、發(fā)展歷史及其應用領域。書中詳細介紹虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)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(xiàn)實系統(tǒng)中常用開發(fā)引擎的基本功能和應用方法。此外，本書還介紹了增強現(xiàn)實系統(tǒng)的核心技術及其實現(xiàn)方法，并探討虛擬現(xiàn)實技術應用中的健康和舒適問題，提供了相應的解決方案。
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1978.01-1982.01 天津大學 精密儀器 學士
1982.01-1982.10 清華大學 精密儀器 無
1982.10-1986.04 雷丁(Reading)大學 應用光學 博士北京理工大學杰出教授，長江、杰青，光電學院和計算機學院博導，北京市混合現(xiàn)實與新型顯示工程技術研究中心主任。光學系統(tǒng)設計和CAD、新型三維顯示、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實、醫(yī)學圖像處理等方面發(fā)表專著4部、SCI論文320余篇，授權國內外發(fā)明專利200余項，主持制定虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實領域首批國家標準6項。有關成果得到廣泛應用，獲得國家技術發(fā)明獎和國家科技進步獎各1項，省部級和國家一級學會/協(xié)會科技獎勵10余項。兼任科技部有關國家重點研發(fā)專項總體專家組成員，全國信息技術標準化技術委員會委員，中國圖象圖形學學會副理事長，中國光學工程學會常務理事，中國計算機學會理事，中國光學學會監(jiān)事，國際標準組織（ISO）有關標準制定專家組成員，國際工程光學學會（SPIE）、美國光學學會（OSA）和英國工程技術學會（IET）Fellow等職。
目錄
第1章 虛擬現(xiàn)實概述 1
1.1 虛擬現(xiàn)實的概念與特征 1
1.1.1 虛擬現(xiàn)實的概念 1
1.1.2 混合現(xiàn)實連續(xù)體 2
1.1.3 虛擬現(xiàn)實的特性 3
1.2 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)構成和技術發(fā)展 4
1.2.1 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)構成 4
1.2.2 虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展 4
1.2.3 元宇宙技術概述 5
1.3 虛擬現(xiàn)實技術應用 7
1.3.1 國內外政策支持 7
1.3.2 虛擬現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)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 基于手勢接口的虛擬現(xiàn)實應用開發(fā) 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 基于眼動接口的虛擬現(xiàn)實應用開發(fā) 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(shù)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(tǒng) 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 三維物體的幾何表征方法 90
4.1.1 頂點、邊和面的基本概念 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(tǒng)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 基于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 特征點提取與跟蹤 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(shù)據(jù)清理和修復 114
4.5.2 拓撲修復和模型重建 115
4.5.3 基于R3DS Wrap的重拓撲示例 116
4.6 傳統(tǒng)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(fā)工具 129
5.1 集成開發(fā)環(huán)境 129
5.1.1 Unity Hub簡介 129
5.1.2 Unity 3D簡介 130
5.2 編程開發(fā)語言 134
5.2.1 數(shù)據(jù)類型和變量 134
5.2.2 條件語句和循環(huán)語句 135
5.2.3 數(shù)組和集合 138
5.3 三維交互場景 139
5.3.1 Unity 3D地形創(chuàng)建 139
5.3.2 Unity 3D燈光系統(tǒng) 143
5.3.3 Unity 3D特效系統(tǒng) 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(fā) 157
5.5.1 案例資源導入與制作 158
5.5.2 坦克拆裝功能開發(fā) 159
5.5.3 視角轉換功能開發(fā) 164
5.5.4 項目發(fā)布 167
第6章 增強現(xiàn)實系統(tǒng)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(xiàn)實系統(tǒng)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(jīng)典的SLAM跟蹤定位技術 182
6.4.1 視覺SLAM系統(tǒng)的框架 182
6.4.2 VINS算法 185
6.5 應用案例：增強現(xiàn)實定點觀景器 190
6.5.1 系統(tǒng)構成 191
6.5.2 子系統(tǒng)功能 191
第7章 虛擬現(xiàn)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(xiàn)實中的暈動癥 203
7.2.1 虛擬現(xiàn)實暈動癥成因 203
7.2.2 虛擬現(xiàn)實暈動癥評估方法 206
7.2.3 虛擬現(xiàn)實暈動癥緩解策略 208
參考文獻 210
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