《虚拟现实概论》教案

XXXXXXXXXX学院教案院（部）XXXXXXX教师姓名XXXXX课程名称虚拟现实概论授课班级XXXXXXXXXX总时数32本学期时数32授课日期授课时数2授课形式讲授授课章节名称第一章虚拟现实技术概论教学目的1.掌握虚拟现实技术定义；2.掌握虚拟现实系统的分类；3.学习和了解虚拟现实的主要研究对象；4.学习和了解虚拟现实技术的应用；5.学习和了解虚拟现实技术的发展和现状。教学重点、难点学习和了解虚拟现实的主要研究对象、学习和了解虚拟现实技术的应用更新、补充、删节内容课外作业课后查找相关资料，完成课程提出的问题。课后体会本章简要介绍了虚拟现实和增强现实的概念和区别和相关知识。同时给出了需要了内容和知识点。授课主要内容或提纲使用教具、挂图或其它教学手段时间分配一、组织教学（教具检查，考勤）二、新课导入：1.什么是VR/AR?掌握虚拟现实的定义和技术特征。2.了解虚拟现实系统的组成。3.了解虚拟现实的关键技术。三、新课讲授：第一章虚拟现实技术概论第一节虚拟现实技术的基本概念一、什么是VR/AR?VR：虚拟现实(VirtualReality)，简称VR技术，也称人工环境。利用电脑或其他智能计算设备模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供用户关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让用户如同身历其境一般。AR：增强现实技术（AugmentedReality，简称AR），是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像、视频、3D模型的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。二、VR/AR的区别?简单来说，VR看到的场景和人物全是假的，是把你的意识带入一个虚拟世界。AR看到的场景和人物一半是真，一半假，是把虚拟的信息带入到现实世界中。一个通俗的解释是VR梦里见鬼，AR是白天见鬼。三、虚拟现实技术的特征虚拟现实系统的3个特征是：沉浸感（Immersion）交互性（Interaction）想象力（Imagination）四、虚拟现实系统的组成系统基本组成主要包括观察者、传感器、效果产生器及实景仿真器。五、虚拟现实的关键技术虚拟现实的核心技术主要包括以下几个方面：（1）环境建模技术。（2）人机交互技术。（3）立体显示和传感器技术。（4）应用系统开发工具。（5）系统集成技术。第二节虚拟现实系统的分类虚拟现实系统按其功能不同，可分成4种类型：沉浸式虚拟现实系统、增强现实型的虚拟现实系统、桌面式虚拟现实系统和分布式虚拟现实系统。多媒体教学5分钟15分钟15分钟第三节虚拟现实技术的主要研究对象虚拟现实的研究都是围绕以下5个基本问题展开：（1）虚拟环境表示的准确性。（2）虚拟环境感知信息合成的真实性。（3）人与虚拟环境交互的自然性。（4）实时显示问题。（5）图形生成问题。第四节虚拟现实技术的应用VR的应用范围很广，诸如国防、建筑设计、工业设计、培训、医学领域等。Helsel与Doherty早在1993年就对全世界范围内已经进行的805项VR研究项目做了统计，结果表明：VR技术在娱乐、教育及艺术方面的应用占据主流，达21.4%，其次是军事与航空方面达12.7%，医学方面达6.13%，机器人方面占6.21%，商业方面占4.96%；另外，在可视化计算、制造业等方面也有相当的比重。第五节虚拟现实技术的发展和现状一、虚拟现实技术发展历程虚拟现实技术的发展和应用基本上可以分为3个阶段：第1阶段：20世纪50年代到70年代，属于准备阶段；第2阶段：20世纪80年代初到80年代，是虚拟现实技术走出实验室，进入实际应用阶段；第3阶段：从20世纪90年代初至今，是虚拟现实技术全面发展时期。二、虚拟现实技术研究现状VR技术领域几乎是所有发达国家都在大力研究的前沿领域，它的发展速度非常迅猛。基于VR技术的研究主要有VR技术与VR应用两大类。在国外，VR技术研究方面发展较好的有美国、德国、英国、日本、韩国等国家；在国内，浙江大学、北京航空航天大学等单位在VR方面的研究工作开展得比较早，成果也较多。三、虚拟现实技术的发展趋势纵观VR的发展历程，未来VR技术的研究仍将延续“低成本、高性能”原则，从软件、硬件两方面展开，发展方向主要归纳如下：（1）动态环境建模技术（2）实时三维图形生成和显示技术（3）新型交互设备的研制（4）智能化语音虚拟现实建模（5）分布式虚拟现实技术的展望（6）“屏幕”时代的终结阅读理解，课堂小结。25分钟15分钟10分钟授课日期授课时数2授课形式讲授授课章节名称第2章虚拟现实系统的输入设备教学目的1.理解维度的概念，掌握六自由度的概念，了解跟踪器的主要性能参数，了解多种跟踪技术。2.理解手势接口的工作原理，掌握数据手套的传感器基本配置情况，了解三维鼠标、数据衣的基本工作方式。教学重点、难点1.重点是跟踪器的概念，主要的跟踪技术及手势接口的工作原理。2.难点是理解六自由度的概念和数据手套传感器的配置情况。更新、补充、删节内容无课外作业课后查找相关资料，完成课程提出的问题。课后体会本章介绍了一些输入设备，包括跟踪器、数据手套、三维鼠标和数据衣。这些设备的目标都是实时捕捉用户的输入，并发送给运行仿真程序的计算机。正是依靠这些特殊设备的支持，使用户在与虚拟世界之间的自然交互中产生一种身临其境的逼真感。授课主要内容或提纲使用教具、挂图或其它教学手段时间分配一、组织教学（考勤）二、旧课复习，作业讲评，新课导入：三、新课讲授：第2章虚拟现实系统的输入设备输入设备是用户与计算机或其他设备通信的桥梁。传统的输入设备：包括键盘，鼠标，摄像头，扫描仪，手写输入板等由于传统的键盘与鼠标已满足不了虚拟现实的输入技术要求，则需要一些新的特殊设备的支持。输入设备（InputDevices）是用来输入用户发出的动作，使用户可以操控一个虚拟境界。包括：跟踪器、数据手套、三维鼠标、数据衣等。第一节三维位置跟踪器跟踪器能够实时地测量用户身体或其局部的位置和方向，并将其作为用户的输入信息传递给虚拟现实系统的主控计算机，从而根据用户当前的视点信息刷新虚拟场景的显示。目前的跟踪器主要包括机械跟踪器、电磁跟踪器、光学跟踪器、超声波跟踪器、惯性跟踪器、GPS跟踪器及混合跟踪器等。维度维度（Dimension），又称维数，指独立的时空坐标的数目。零维让我们从一个点开始，和我们几何意义上的点一样，它没有大小、没有维度。它只是被想象出来的、作为标志一个位置的点。它什么也没有，空间、时间通通不存在，这就是零维度。一维空间一维空间只有长度，没有宽度和深度。二维空间我们拥有了一条线，也就是拥有了一维空间。如何升级到二维呢？很简单，再画一条线，穿过原先的这条线，我么就有了二维空间，二维空间里的物体有宽度和长度，但是没有深度。三维空间三维空间有长度、宽度与高度。六自由度物体在三维空间运动时，其具有6个自由度，三个用于平移运动，三个用于旋转运动。三个平移自由度:用于描述三维对象的X、Y、Z坐标值，三个旋转自由度:俯仰角（Pitch）横滚角（Roll）航向角（Yaw）多媒体教学10分钟20分钟一、跟踪器的性能参数跟踪器的性能指标主要包括：精度、抖动、偏差和延迟。精度（Accuracy）是指对象真实的三维位置与跟踪器测量出的三维位置之间的差值。抖动（Jitter）是指当被跟踪对象固定不变时，跟踪器输出结果的变化。偏差（Drift）是指跟踪器随时间推移而累积的误差。延迟（Latency）是动作与结果之间的时间差。对三维跟踪器来说，延迟是对象的位置或方向的变化与跟踪器检测这种变化之间的时间差。二、机械跟踪器机械跟踪器（MechanicalTrackers）由一个串行或并行的运动结构组成，该运动结构由多个带有传感器的关节连接在一起的连杆构成。三、电磁跟踪器电磁跟踪器（MagneticTrackers）是一种非接触式的位置测量设备，它使用由一个固定发射器产生的电磁场，来确定移动接收单元的实时位置。四、超声波跟踪器超声波跟踪器（UltrasonicTrackers）是声学跟踪技术最常用的一种，是一种非接触式的位置测量设备，使用固定发射器产生的超声信号来确定移动接收单元的实时位置。五、光学跟踪器光学跟踪器（OpticalTrackers）是一种非接触式的位置测量设备，使用光学感知来确定对象的实时位置和方向。六、惯性跟踪器惯性跟踪器通过牛顿运动定律确定方向和位置。陀螺仪和加速度计是惯性跟踪器的两个关键部件。七、GPS跟踪器GPS跟踪器是内置了GPS模块和移动通信模块的终端，用于将GPS模块获得的定位数据通过移动通信模块传至Internet上的一台服务器上，从而可以实现在计算机上查询终端位置。八、混合跟踪器（HybridTrackers）指使用了两种或两种以上位置测量技术来跟踪对象的系统，它能取得比使用任何一种单一技术更好的性能。第二节虚拟现实系统的交互接口虚拟现实系统是一个人机交互系统，而且在虚拟现实系统中要求人与虚拟世界之间是自然交互的。本节中的交互接口包括：手势接口、三维鼠标和数据衣。一、手势接口手势接口（GestureInterface）是测量用户手指（有时也包括手腕）实时位置的设备。20分钟20分钟目的：是为了实现与虚拟环境的基于手势识别的自然交互。1.5DT数据手套5DT数据手套有5节点和14节点之分。5节点：每个手指都配有一个传感器，用于测量指节和第一个关节。14节点：每个手指2个传感器，一个测量指节另一个测量第一个关节，在手指之间有1个传感器，共4个指间的传感器。2.CyberGloveCyberGlove是一种复杂的传感手套，它使用的是线性弯曲传感器，能够准确捕捉用户手指和手的动作。二、三维鼠标三维鼠标是虚拟现实应用中比较重要的交互设备，可以从不同的角度和方位对三维物体进行观察、浏览和操纵。三、数据衣数据衣装备着许多触觉传感器，使用者穿上后，衣服里面的传感器能够根据使用者身体的动作进行探测，并跟踪人体的所有动作。阅读理解，课堂小结。10分钟授课日期授课时数2授课形式讲授授课章节名称第3章虚拟现实系统的输出设备教学目的1.了解图形显示设备的概念；了解人类视觉系统原理；掌握头盔显示器的概念和常用头盔显示器；了解立体眼镜的原理。2.了解声音输出设备的概念；了解人类听觉系统原理；了解基于扬声器的三维声音的原理和应用。3.掌握接触反馈和力反馈的概念与区别；了解触觉鼠标和iMotion触觉反馈手套的原理和应用。教学重点、难点1.重点：图形显示设备、声音输出设备、接触反馈和力反馈的基本概念和区别；常用头盔显示器的概念和常用头盔显示器；触觉鼠标和iMotion触觉反馈手套的原理和应用。2.难点：人类视觉系统原理、立体声音与三维声音的区别。更新、补充、删节内容无课外作业课后查找相关资料，完成课程提出的问题。课后体会通过本章的学习掌握图形显示设备、声音显示设备、触觉反馈设备的基本概念和区别；掌握常用头盔显示器、沉浸式立体投影显示系统、立体眼镜（鹰眼）、基于扬声器的三维声音与的概念和原理；了解人类视觉系统原理、人类听觉系统原理和人类触觉系统的基本原理。授课主要内容或提纲使用教具、挂图或其它教学手段时间分配一、组织教学（考勤）二、旧课复习，作业讲评，新课导入：三、新课讲授：第3章虚拟现实系统的输出设备输出设备：为用户提供仿真过程对输入的反馈，通过输出接口给用户产生反馈的感觉通道。图例：动物会本能地利用影子保护自己；绘画作品经常会大胆地利用影子来作为画面的对比元素，以达到黑白对比的艺术效果；舞台艺术也常常利用舞台灯光、利用逆光来突出主角；皮影戏直接利用光影在白色屏幕上表演，以特殊的艺术效果取信于观众。第一节图形显示设备图形显示设备：一种计算机接口设备，它把计算机合成的场景图像展现给虚拟世界中参与交互的用户。一、人类视觉系统要设计图形显示设备，必须先了解人类的视觉系统。一个有效的图形显示设备需要使它的图像特性与人类观察到的合成场景相匹配人类视觉系统的特性如下：特性一：中央凹与聚焦区特性二：视场与测量深度特性三：会聚角与图像视差二、头盔显示器头盔显示器（HeadMountedDisplay，简称HMD），常见的立体显示设