本书是一本系统介绍虚拟现实技术基本理论、关键技术和应用方法的教材，内容涵盖虚拟现实技术的基本概念、发展历史及其应用领域。书中详细介绍虚拟现实系统中常用的输入输出设备及其工作原理和技术特点，深入阐述三维建模的基本方法和关键技术，以及虚拟现实系统中常用开发引擎的基本功能和应用方法。此外，本书还介绍了增强现实系统的核心技术及其实现方法，并探讨虚拟现实技术应用中的健康和舒适问题，提供了相应的解决方案。
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1978.01-1982.01 天津大学 精密仪器 学士
1982.01-1982.10 清华大学 精密仪器 无
1982.10-1986.04 雷丁(Reading)大学 应用光学 博士北京理工大学杰出教授，长江、杰青，光电学院和计算机学院博导，北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心主任。光学系统设计和CAD、新型三维显示、虚拟现实和增强现实、医学图像处理等方面发表专著4部、SCI论文320余篇，授权国内外发明专利200余项，主持制定虚拟现实和增强现实领域首批国家标准6项。有关成果得到广泛应用，获得国家技术发明奖和国家科技进步奖各1项，省部级和国家一级学会/协会科技奖励10余项。兼任科技部有关国家重点研发专项总体专家组成员，全国信息技术标准化技术委员会委员，中国图象图形学学会副理事长，中国光学工程学会常务理事，中国计算机学会理事，中国光学学会监事，国际标准组织（ISO）有关标准制定专家组成员，国际工程光学学会（SPIE）、美国光学学会（OSA）和英国工程技术学会（IET）Fellow等职。
目录
第1章 虚拟现实概述 1
1.1 虚拟现实的概念与特征 1
1.1.1 虚拟现实的概念 1
1.1.2 混合现实连续体 2
1.1.3 虚拟现实的特性 3
1.2 虚拟现实系统构成和技术发展 4
1.2.1 虚拟现实系统构成 4
1.2.2 虚拟现实技术发展 4
1.2.3 元宇宙技术概述 5
1.3 虚拟现实技术应用 7
1.3.1 国内外政策支持 7
1.3.2 虚拟现实应用案例 9
第2章 输入设备 13
2.1 位姿跟踪 13
2.1.1 位姿跟踪的相关概念 13
2.1.2 位姿跟踪系统的性能指标 14
2.1.3 三维位置跟踪器 15
2.2 脑机接口 19
2.2.1 脑机接口基本概念 19
2.2.2 脑机接口实现原理 22
2.2.3 脑机接口信号分类算法 23
2.3 手势接口 27
2.3.1 手势接口的基础 27
2.3.2 手势识别原理与技术 29
2.3.3 基于手势接口的虚拟现实应用开发 33
2.4 眼动接口 35
2.4.1 眼动追踪的概念 36
2.4.2 眼动追踪的分类 36
2.4.3 基于眼动接口的虚拟现实应用开发 40
2.5 漫游与导航接口 41
2.5.1 基本概念 42
2.5.2 漫游与导航参数设计 44
2.5.3 典型的漫游与导航接口 47
第3章 输出设备 48
3.1 裸眼三维显示 48
3.1.1 深度暗示 48
3.1.2 助视型三维显示 51
3.1.3 视差型裸眼三维显示 54
3.1.4 体三维显示 55
3.1.5 光场三维显示 56
3.1.6 全息三维显示 57
3.2 头戴式显示 58
3.2.1 头戴式显示原理 58
3.2.2 头戴式显示的结构形式 58
3.2.3 真实感头戴式显示 61
3.3 沉浸式投影显示 64
3.3.1 投影显示的原理和分类 65
3.3.2 投影显示系统 68
3.3.3 几何校正和颜色校正 71
3.3.4 沉浸式投影显示的应用 73
3.4 触觉反馈设备 75
3.4.1 人体的触觉感知机制 76
3.4.2 触觉反馈生成类型及原理 77
3.4.3 触觉反馈技术的应用 80
3.5 其他感觉输出设备 82
3.5.1 听觉输出设备 82
3.5.2 嗅觉输出设备 85
3.5.3 味觉输出设备 88
第4章 三维建模技术 90
4.1 三维物体的几何表征方法 90
4.1.1 顶点、边和面的基本概念 90
4.1.2 多边形和曲面建模 91
4.1.3 体素 92
4.1.4 三维物体的隐式表示 92
4.2 常见三维模型文件格式 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 常见三维建模软件工具 95
4.3.1 传统三维建模软件 95
4.3.2 三维建模的基本流程 96
4.3.3 建模工具的插件和扩展 97
4.3.4 简单物体的建模示例 98
4.4 基于多幅图像的三维获取方法 107
4.4.1 图像三维重建基本原理 107
4.4.2 特征点提取与跟踪 107
4.4.3 常用三维重建软件 109
4.4.4 简易物体的三维重建示例 109
4.5 模型的几何重拓扑 114
4.5.1 几何数据清理和修复 114
4.5.2 拓扑修复和模型重建 115
4.5.3 基于R3DS Wrap的重拓扑示例 116
4.6 传统渲染管线、着色与材质原理 123
4.6.1 渲染管线概述 123
4.6.2 光照模型和着色技术 125
4.6.3 材质属性和纹理映射 127
第5章 Unity 3D开发工具 129
5.1 集成开发环境 129
5.1.1 Unity Hub简介 129
5.1.2 Unity 3D简介 130
5.2 编程开发语言 134
5.2.1 数据类型和变量 134
5.2.2 条件语句和循环语句 135
5.2.3 数组和集合 138
5.3 三维交互场景 139
5.3.1 Unity 3D地形创建 139
5.3.2 Unity 3D灯光系统 143
5.3.3 Unity 3D特效系统 144
5.4 二维交互界面 151
5.4.1 UGUI—Canvas（画布） 151
5.4.2 UGUI—Image（图像） 152
5.4.3 UGUI—Text（文本） 153
5.4.4 UGUI—InputField（输入框） 153
5.4.5 UGUI—Button（按钮） 154
5.5 案例开发 157
5.5.1 案例资源导入与制作 158
5.5.2 坦克拆装功能开发 159
5.5.3 视角转换功能开发 164
5.5.4 项目发布 167
第6章 增强现实系统关键核心技术 169
6.1 光学透视式AR头显标定方法 169
6.1.1 手动标定方法 169
6.1.2 自动标定方法 171
6.1.3 光学透视式AR头显标定的评价方法 172
6.2 SPAAM标定方法 173
6.2.1 离轴针孔相机模型 173
6.2.2 眼睛-头显内参模型 174
6.2.3 SPAAM的标定步骤 176
6.3 增强现实系统的跟踪定位算法 177
6.3.1 有标识跟踪定位技术 177
6.3.2 无标识跟踪定位技术 178
6.3.3 SLAM跟踪定位技术 180
6.4 经典的SLAM跟踪定位技术 182
6.4.1 视觉SLAM系统的框架 182
6.4.2 VINS算法 185
6.5 应用案例：增强现实定点观景器 190
6.5.1 系统构成 191
6.5.2 子系统功能 191
第7章 虚拟现实的健康与舒适问题 194
7.1 三维显示视疲劳 194
7.1.1 人的立体视觉和深度感知 194
7.1.2 三维显示视疲劳成因 196
7.1.3 三维显示视疲劳评估方法 197
7.1.4 三维显示视疲劳缓解策略 201
7.2 虚拟现实中的晕动症 203
7.2.1 虚拟现实晕动症成因 203
7.2.2 虚拟现实晕动症评估方法 206
7.2.3 虚拟现实晕动症缓解策略 208
参考文献 210
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