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类型虚拟现实知识224.docx

  • 上传人:拉拉链
  • 文档编号:13599538
  • 上传时间:2022-09-20
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    1、虚拟现实在旅游景区中的运用虚拟现实是由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的三维信息的人工环境虚拟环境,可以真实地模拟现实世界可以实现的(甚至是不可实现的)物理上的、功能上的事物和环境。用户投入到这种环境中,立即有“亲临其境”的感觉,并可亲自操作、实践,与虚拟的环境交互作用。 传统的景区提供给旅游者的只能是实在的地理位置或活动范围,而虚拟现实系统通过想象还能够提供给旅游者一个实际生活中不存在的环境,也就是只要是想到的都可能实现,扩大了旅游产品的内涵和开发范围。 虚拟现实技术在近几年发展迅速,并且逐步走向成熟,开发成本也不断下降,这为景区运用虚拟现实提供了技术上和成本上的保证。就拿虚拟海洋水族馆来

    2、说,基本装置的开发成本已从以往约500万元减至30万元人民币,在效果方面也可以得到保证,甚至更好。结合近年来我国旅游业利用外资和社会资金的热点向景区建设过渡,说明将虚拟现实引入到景区的建设中来是可能的。 产品创新 使用虚拟现实的“虚拟主题公园”正在不断发展。这种新型的虚拟主题公园不但占地面积小,建设成本低,而且可以建在人口密集区域,并可立即吸引新的市场。有关专家预测,下个10年虚拟主题公园的扩张不可避免。我国在这方面已有所尝试。世界上第一个以宇航探索为主题的“太空游”主题乐园于2004年4月12日亮相北京。该“太空游”主题乐园利用当今最先进的科技和仿真手段,将宇航知识与太空真实体验融为一体展现

    3、给人们,它是虚拟主题乐园的典型代表。可以预见这种新的虚拟现实景区将成为旅游业新的兴奋点和助推器。 景区规划 将虚拟现实引入到景区规划中来,起源于虚拟现实在建筑设计中的应用。建筑设计者用CAD(计算机辅助设计)工具对建筑物进行设计和建模,然后将产生的数据库变换成一个虚拟现实系统。客户可以通过虚拟现实系统的人机对话工具进入该建筑物的虚拟模型,在虚拟漫游的过程中针对不足之处提出修改意见。 在这种思路的启发下,景区规划也可以应用虚拟现实系统。规划可以通过虚拟现实创造出所开发景区的真实“三维画面”,以便从游客的角度审视未来的景区,确保景区美学意义上的和谐和运营运作上的顺利。如拟建中的景区如何吸引人们的视

    4、线、商业网点布置在哪里最佳、污染企业置于何处对景区影响最小等等。借助虚拟现实技术无需规划方案的真正实施,就能先期检验该规划方案的实施效果,并可以反复修改以确定最终方案的制定和施行。 网络营销 真正的虚拟旅游网站要达到销售的目的,必须尽可能地为旅游者提供精确、详细、真实的信息,吸引潜在旅游者的注意力。首先是空间信息的提供。电子地图是景区规划的必须,而电子地图的核心技术就是虚拟现实(还有地理信息系统、多媒体技术等)。其次是解决实际景观向虚拟空间移植和再现。可以充分利用数字地球和数字城市的成果,通过特定的计算机语言程序就可完成全景图像的网络漫游,使用户能以真实的感觉“进入”地图观赏美景,“沉浸”于美

    5、景之中。例如故宫虚拟旅游。从市场营销的角度来看,这使景区相关信息的受众大大扩展了,同时也革新了景区的促销和销售手段。 从原先的静态信息提供发展到动态的“沉浸式”漫游的提供,这种优势是旅游小册子或VCD光盘所力所不能及的。通过这种交互式的体验还可以加深旅游者对于景区的印象,消除旅游消费中可能存在的不确定性因素,使游览者在游览之前对于景区的质量和花费有明确的价值认知。 景区保护 将虚拟现实技术引入到景区保护领域中来,首先是着眼于一些经典热门的景区的保护。虚拟现实可以缓解这些景区经济效益与遗产保护的矛盾。 目前,敦煌研究院已决定使用虚拟现实系统,通过对莫高窟历史和现状的介绍以及虚拟漫游莫高窟的手段,

    6、将“虚拟敦煌”呈现给游客,让游客在进洞前对其有个全方位的了解,巧妙地避免了游客在洞中逗留时间过长的问题。 另外,虚拟现实系统还涉及对于已经消失或者即将出现的旅游资源进行保护和开发。例如在三峡工程竣工之后,通过虚拟现实技术使得原有雄壮美丽的三峡自然、人文景观得以再现,使后人能够重新游览这一奇异的旅游景观。 对于帝王陵寝保护和开发一直存在争论,但作为一种神秘的旅游资源自然会激起人们旅游的欲望。可以考虑通过虚拟现实将该类资源的探测结果,如整个葬墓的布局、结构等虚拟下来,经过虚拟开发(景点作为开发蓝本),将该类型潜在的景区转变为现实的旅游景区。而开发后所获取的经济利益又可以用于支持保护,从而争取开发和

    7、保护双赢的效果。虚拟现实技术在城市设计中的应用计算机信息技术的发展在城市规划、建筑设计、空间环境设计领域带来了不断深入的技术革命。首先是CAD技术使绘图自动化得以普及,随后,三维效果图与动画在详细规划和建筑设计中得到推广应用。最近几年,地理信息系统(GIS)与虚拟现实(VR)技术在城市规划和城市设计中发展起来。 1 城市设计的主要内容及其对计算机图形图像技术的要求 城市设计简要地说就是为人们设计聚居地的一种艺术,它是城市规划的重要组成部分。城市设计所关心的是建筑实体的视觉效果;人与场所的连接性;活动空间与舒适环境的创造;整个城市景观改善的进程。城市设计要为建筑物实体及其空间布局,为建筑形式构图

    8、及其与周围空间的三维关系,为获得美学与社会质量成就进行视景布置建立整体框架。 1.1城市设计内容的层次性。城市设计的基本内容分为宏观、中观、微观三个层次。 宏观层次:城镇分布与城市形象。城市设计的宏观层次包括在一定区域内的城镇分布;城乡一体化规划与景观设计;城市的格局与形态、功能组团、环境保护、基础设施、分区特色与舒适的环境、城市出入口、土地利用与活动场所等。城市设计的宏观层次内容与城镇体系规划相辅相成,不过城市设计更注重于城市的关键性特征与自然景观的构成;注重城市开发建设对自然景观、文化或社会经济资源的物质的和视觉质量的直接和间接影响。在对宏观层次的城市设计进行评价时,创造高质量的城市环境和

    9、优美的城乡视野成为重要准则。包括对自然山水景观的组织与利用,视觉特征物的适宜性和可视性,整体高度轮廓和体量的协调性,与传统景观的协调性等等。为应用ArcGIS对炎陵县的自然地理、人口分布、交通条件等进行综合分析作出的城镇布局。为应用ArcGIS对炎陵县重点发展地区的用地空间发展所作的规划。规划在宏观上充分考虑了炎陵县作为人文与生态旅游县的自然环境特色。 中观层次:建筑物与空间。中观层次城市设计内容包括用地布局、建筑设计、交叉口与广场、街道和路网格局、视线走廊、连接度与整体性、体量与高度、地标物、开敞空间和公园、人行道与步行系统的连接等等内容。中观层次城市设计内容与城市总体或分区规划相辅相成,不

    10、过城市设计主要关注开发建设对自然景观的物质和视觉质量的直接和间接影响;人工建造物的适宜性和视角的关系;对光和空气的穿透性影响;与步行道格局的协调性;与城市整体立面轮廓和体量的协调性;与地方传统的协调和对周围环境的影响等等。图3为应用ArcGIS对炎陵县城现状所作的全景鸟瞰。 微观层次:使用者环境。微观层次的城市设计内容包括建筑物的人的尺度、街道陈设、材质颜色和纹理、过渡的处理、广告和标志、街道景观等。微观层次的城市设计与详细规划设计相辅相成。在对微观层次城市设计进行评价时,自然方面主要关注功能上的适宜性。人造方面关注街道结构和功能的适宜性,创造好的步行环境,人的尺度和生活质量的提高,空间的创造

    11、等。图4为某中学新校园的大门,通过三维建模贴图生成。 1.2城市设计对信息技术的要求 从城市设计各层次的内容及评价原则来看,人与自然环境的协调,恰当的空间组织,悦目的视觉效果均是共同的追求。以往城市规划和建筑设计由于受到技术手段的限制,规划师和建筑师主要是通过二维图形加空间想象来构思和评价设计方案,仅在进行建筑单体设计或很小的群体设计中才应用三维效果图,或固定路径的动画来模拟建成后的空间关系和视觉效果。众所周知,传统的效果渲染需要耗费大量时间和占用大量计算机内存。因此多方案的交互式设计和实时动画根本不可能进行。 城市设计计算机视景仿真需要解决几个方面的问题。其一,处理数字高程模型,生成并修改三

    12、维地形,进行坡度、坡向、高程、填挖、淹没、视线视域分析。其二,进行建筑密度、容积率、可达性、缓冲、选址可行性分析,用以评价社会经济与环境效果。以上两项是GIS的典型功能。其三,大面积多单体的快速三维建模,包括建筑物、构筑物、城市家俱、广告牌、树木、车辆、人物等。一般GIS只有二维拉伸功能,称为2.5维,不是真三维。而流行的3Dmax三维建模不胜任大量对象建模与实时浏览任务。其四,实时虚拟。要能快速地重绘画面,包括对场景对象、天光背景、动画路径、视点视角等的改变均能立即作出反应。从理论上说,以上四大问题可以在一个GIS平台或统一的VR系统中得到解决,不过目前这种平台还处在研发之中,但是我们可以借

    13、助GIS与VR综合集成来解决问题。2一种基于GIS与VR的城市设计技术方案2.1虚拟现实系统集成。无论是GIS还是VR,当前国内外均有多种商业软件可供选用。美国ESRI的ArcGIS是世界上最先进的地理信息系统,不过它的三维建模功能不强,且没有实时虚拟动画的功能。美国Multigen-Paradigm公司的Multigen-Vega是当前虚拟现实的旗舰软件,其强大的三维建模工具Creator和虚拟仿真引擎Vega有机结合能很好地满足虚拟城市实时动画要求,不过它不具备空间分析的功能。其它的GIS与VR软件大体也是如此。所幸的是,我们已经有了一个综合两个方面的优势来解决城市设计技术问题的方案。这就

    14、是ESRI公司委托Multigen-Paradigm公司开发了一个ArcGIS扩展模块SiteBiulder,该模块使得ArcGIS具备了实时动画功能并且能接受Multigen的三维模型。于是我们就有了一个基于GIS与VR的应用于城市设计的虚拟现实系统.2.2系统应用步骤。该系统的完整的应用包括场景的规划设计、单体的建筑设计、三维建模并贴图、实时虚拟动画几部分内容2.2.1城市规划设计。无论是新城区的开发还是老城区的改建均要先确定规划设计目标,提出社会、经济、环境方面的要求。根据要求,进行自然条件、建设条件等一系列的基础分析。在分析基础上完成土地利用、道路交通、建筑布局、竖向规划、工程设施等规

    15、划设计方案。值得注意的是,以往规划设计仅用CAD进行辅助设计。本系统强调应用ArcGIS技术辅助规划设计,原因有两个方面。其一,CAD不具备所要求的空间分析功能;其二,只有ArcGIS主题及主题中的特征(对象)才能被引入到SiteBiulder中进行实时动画。图5为应用ArcGIS制作的湖南城市学院新校区地势图,图6为新校园的一个规划模型。2.2.2建筑设计。在规划布局的基础上,进行建筑设计方案。各单体设计成果仍以平、立、剖面图为主。为配合下阶段的Creator三维建模和纹理贴图,建筑师绘制的单体立面效果图很有用处。整幅有阴影的彩色立面图可以代替多块片的烦琐贴图,在三维场景中具有相当的立体效果

    16、。如有必要,某些单体可设计出多个,供虚拟替代方案优化所用。2.2.3组织ArcGIS主题。在SiteBiulder三维场景中,各虚拟对象是以ArcGIS主题来组织并引入的。进入三维场景的主要是三维地形、道路、建筑、树木、铺地和草地。主题中的特征并不要表现对象的具体几何形状,而只要确定各对象的具体位置。例如用点主题表示建筑布局,每栋建筑物仅需要一个点来表示,每个点代表的建筑物的模型被存放在数据库中,完全相同的建筑物如住宅只须保存一个实例就行了。只要建立起点对象与建筑实例的关联,则不同的建筑物模型都会被引入场景中。2.2.4创建三维模型。本虚拟系统采用MultiGen公司的Creator作为三维场

    17、景建模工具,它的Open-Flight采用树状层次结构来组织管理场景数据。城市设计所涉及的场地中的模型包括天空、地面、单体建筑、构造物、树木、街道陈设物、广告牌等等,建模工作量巨大。因此在建立模型之前,应根据场景中每个实体的几何空间位置以及模型内部与模型之间的相互关系,确定虚拟场景中所有单体模型的层次归属,以有利于模型的修改、调用。三维模型并非越细越好。我们要在几何真实与纹理真实之间取得某种协调。适当地划分几何面和准备适当分辨率的图片是建筑虚拟的关键。2.3.5创建虚拟动画场景。起动ArcGIS及其扩展模块SiteBiulder,将模型库中的各模型实例与主题中的各特征建立起联系,各虚拟对象将依

    18、各自的空间位置呈现在三维场景中。SiteBiul-der有一套自己的菜单和工具,完成实时动画。3新建校园虚拟现实应用实例某中学新建校园临城市主次干道之一角,虚拟现实系统是在规划方案和单体设计基础上进行的。首先,应用ArcGIS根据等高线建立原始地形的数字高程模型(DEM)在充分结合地形、减少填挖量的原则下进行多方案的竖向规划设计,为建筑基地和运动场地准备合适高程的台地。随后,应用Creator建立各虚拟对象的三维模型,从而建立起模型库,层次结构.校园设计虚拟动画场景由SiteBiulder实现。由于在模型库中储存有多种建筑单体,树木模型等等,在ArcGIS视图中准备了多种布局方案的主题,因此虚

    19、拟校园场景有多种方案,更换一种方案仅几分钟时间,其交互性远非传统三维动画效果可比。校园虚拟现实系统为确定最终的设计方案和施工设计提供了从定性到定量的可视化依据。虚拟现实技术在远程教学中的应用教育应用 与传统的远程教育相比虚拟现实技术虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境,学生能够成为虚拟环境的一名参与者,在虚拟环境中扮演一个角色,这对调动学生的学习积极性,突破教学的重点、难点,培养学生的技能都将起到积极的作用。 虚拟现实应用于教育是教育技术发展的一个飞跃。它营造了“自主学习”的环境。它主要具体应用在以下几个方面: 一、科技研究 当前许多高校都在积极研究虚拟现实技术及其应用,并相继建起了

    20、虚拟现实与系统仿真的研究室,将科研成果迅速转化实用技术,有的研究室甚至已经具备独立承接大型虚拟现实项目的实力。 二、虚拟学习环境 虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境,在广泛的科目领域提供无限的虚拟体验,从而加速和巩固学生学习知识的过程。亲身去经历、亲身去感受比空洞抽象的说教更具说服力。 三、虚拟实验 利用虚拟现实技术,可以建立各种虚拟实验室,如地理、物理、化学、生物实验室等等,拥有传统实验室难以比拟的优势。这非常有利于学生的技能训练。包括军事作战技能、外科手术技能、教学技能、体育技能、汽车驾驶技能、果树栽培技能、电器维修技能等各种职业技能的训练。 四、虚拟仿真校园 教育部在一系列相

    21、关的文件中,多次涉及到了虚拟校园,阐明了虚拟校园的地位和作用。虚拟校园也是虚拟现实技术在教育培训中最早的具体应用,它由浅至深有三个应用层面,分别适应学校不同程度的需求: 1、简单的虚拟我们的校园环境供游客浏览。 2、基于教学、教务、校园生活,功能相对完整的三维可视化虚拟校园。 3、以学员为中心,加入一系列人性化的功能,以虚拟现实技术作为远程教育基础平台。 五、虚拟远程教育 虚拟现实可为高校扩大招生后设置的分校和远程教育教学点提供可移动的电子教学场所,通过交互式远程教学的课程目录和网站,由局域网工具作校园网站的链接,可对各个终端提供开放性的、远距离的持续教育,还可为社会提供新技术和高等职业培训的

    22、机会,创造更大的经济效益与社会效益。 随着虚拟现实技术的不断发展和完善,以及硬件设备价格的不断降低,我们相信,虚拟现实技术以其自身强大的教学优势和潜力,将会逐渐受到教育工作者的重视和青睐,最终在教育培训领域广泛应用并发挥其重要作用。 虚拟现实技术在远程教学中的应用的优点: 1、沉浸性。 虚拟现实技术是根据人类的视觉、听觉的生理心理特点,由计算机产生逼真的三维立体图像使用者戴上头盔显示器和数据手套等交互设备,便可将自己置身于虚拟环境中,成为虚拟环境中的一员。使用者与虚拟环境中的各种对象的相互作用,就如同在现实世界中的一样。当使用者移动头部时,虚拟环境中的图像也实时地跟随变化,拿起物体可使物体随着

    23、手的移动而运动,而且还可以听到三维仿真声音。使用者在虚拟环境中,一切感觉都是那么逼真,有一种身临其境的感觉。 2、交互性。 虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互,使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互,而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。计算机能根据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动,来调整系统呈现的图像及声音。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能,就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。 3、多感知性。 由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置,因此,使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知,从而达到身临其境的感受。-虚拟现实环

    24、境下的产品设计和制造技术关键字: 本文论述了虚拟制造技术与虚拟现实技术的关系、虚拟现实技术的研究现状以及在虚拟现实环境下产品设计和制造的应用,并开发了一套虚拟现实环境下的停车库参数设计系统。 引言 虚拟制造技术是利用计算机技术对所要进行的生产和制造活动进行全面的建模和仿真,包括产品的设计、加工、装配、物流、资源计划和调配、组织和管理等。在产品的设计阶段就实时地模拟出产品的形状和工作状况、制造过程、检查产品的可制造性和设计合理性、预测其制造周期和使用性能,以便及时修改设计,更有效地灵活组织生产,缩短产品研制周期,获得最佳的产品质量和效益。 按虚拟制造技术的功能可分为:面向产品的虚拟制造技术和面向

    25、生产过程组织管理的虚拟制造技术。前者着重于产品的设计、制造、使用、检验及评价的建模与仿真,后者则着重于生产过程的计划、组织管理、资源调度、物流、信息流等的建模与仿真。 虚拟现实技术是利用计算机技术建立一种逼真的虚拟环境,在这个环境中,人们的视觉、听觉和触觉等的感受象是在真实的环境中一样,即有“身临其境”的感觉,人们可以沉浸在这个环境中与环境进行实时交互。这就是它的所谓“沉浸性”、“实时性”和“主动的交互性”。在这个环境中,设计、制造和使用的产品,并不是实物,不消耗实际材料,也不需要机床等设备,他只是一种图象和声音的所谓“数字产品”而已。利用这种数字产品,我们可以进行产品的外观审查和修改、装配模

    26、拟和干涉检查、机械的运动仿真、零件的加工模拟,乃至产品的工作性能模拟与评价,以便在产品的生命周期的上游设计阶段就可以消除设计的缺陷、评价加工的可行性和合理性,预测产品的成本和使用性能,提出修改的措施和方法。虚拟现实技术为我们实施并行工程、敏捷制造,减少失误和返工、缩短研制周期和提高产品质量提供了一个最佳的环境。可见,虚拟现实技术与面向产品的虚拟制造技术的关系最为密切。 虚拟现实技术是80年代才刚刚提出来的,随着计算机技术的迅速发展,是在90年代得到人们的极大重视而获得迅速发展、很快进入实用阶段,尤其在军事、娱乐方面首先获得的成功应用是令人振奋的。现在的情况是,一方面,其软、硬件技术的发展日新月

    27、异;另一方面,其软、硬件的价格惊人地高,而价格下跌之快也十分惊人,还有些技术尚处于初级阶段,并不能令人满意,软件功能也不能满足需要。 在现有的条件和技术的基础上,如何充分地发挥虚拟现实技术的作用,为我们的制造业作出有益的贡献,是我们的责任。 1、虚拟现实技术的基本要求 从人类获取信息的方式看,视觉是最主要的,它占人们获取的信息量的70%,其次是听觉、触觉和味觉。为了实现逼真的效果,满足人的视觉和听觉习惯,虚拟环境的图象和声响应是三维立体的;为了达到实时性,图象至少应有60 120Hz的帧频,还要随时响应人们的操纵信号,延迟不能超过0.1秒。因此,虚拟现实技术对计算机的计算处理速度和显示器的要求

    28、很高,多数系统和高质量的系统都是在工作站上开发的,并要配备高级图形加速卡。但这两年,微机性能大幅度提高,已经在微机上实现了较高质量的虚拟现实技术。成本降低和微机的普及性,将大大推动该技术的应用与发展。 人们通过视觉获得外界物体的形状、空间位置和速度,要通过人的静态、动态和生理的立体深度线索来获取。静态深度线索主要是空间内物体的位置、遮挡关系、大小和清晰度等,这在我们的三维造型的投影关系中已经考虑进去了。物体运动产生的动感和位置变化,就要求计算机必须实时地计算和处理图象,只有超出人的视觉暂留时间,一般不少于30帧/秒,才能获得平滑稳定的图象,而不会出现闪烁。这就是我们目前的一般三维动画所要求和应

    29、达到的。但这样的三维图形和动画在屏幕上是二维显示的,就象我们用一只眼睛看物体,缺乏物体的深度感和立体感。实践表明,人的双目视差对物体的深度感起决定的作用。要达到自然的物体立体效果,就必须用“两只眼睛”看物体。 在计算机虚拟环境中的图象,就必须将人的两只眼睛的图象分开计算和处理,相应地要求有分开的图象显示。目前常用的是头盔式显示器,但较高高分辨率的头盔式显示器价格超过$50000。在桌面虚拟环境中,是在普通显示器上显示双图象或交替显示双目图象,再通过光阀眼镜分离两眼看到的图象。因此,采用双目图象交替显示时,显示器的帧频必须是普通显示方式的两倍以上。再考虑到光阀眼镜的延迟,帧频不少于80Hz才不出

    30、现闪烁现象。 双目分开的图象就要求计算机必须实时计算和处理80帧/秒以上的图象。这个实时性要求是很高的,故多采用工作站作为主机。在微机上的游戏软件中,以前的方法是采用很低的分辨率和二维图象。随着微机速度的提高,目前可以采用三维图象,但分辨率仍很低。采用高档图形加速卡,可以大大加快计算速度,可以达到 32bit彩色、1600*1200分辨率、4M Triangles/s和100M pixel/s纹理,已经使得微机平台上的虚拟现实技术进入了实用阶段。 在制造技术上,一般对声响的要求较低。而在军事实时对抗训练等虚拟现实系统中,空间立体声效果是必须的了。 在桌面虚拟环境中,人机交互的操纵器主要是普通鼠

    31、标、6自由度鼠标、数据手套、操纵杆。数据服、大型投影球幕等使用于更完善的虚拟现实系统中。 虚拟现实系统的软硬件价格是较高的。为此,根据不同的用途和需要,可配置不同的系统,适当的沉浸深度的虚拟环境才不会使系统过于复杂及成本、维护的负担过重。例如,用于汽车外形造型设计的系统,重点在显示高质量的立体图象,而听觉和触觉的要求很低,用普通鼠标进行操纵即可,实时性也要求不高。再如,零件装配模拟中,除了图象外,可操纵性要求较高,可配备6自由度鼠标和数据手套等。在车辆、飞机模拟训练等虚拟现实系统中,要求有宽阔的视野、实时的操纵系统、逼真的声响效果。不仅要快速响应人们的操纵信号,还要实现人们对力、位移等的触觉反

    32、馈的仿真。 2、虚拟现实系统的应用 虚拟现实系统首先在军事、航天等高科技领域以及娱乐与漫游等方面获得成功的应用。例如:用于宇航员、飞行员训练的座舱系统、战场实时演练系统(虚拟战场)等。虚拟现实系统在产品设计、制造过程中同样具有重要的应用,可大大提高产品的技术水平,例如:波音公司777飞机的设计、福特汽车外形设计与碰撞实验、工厂和建筑物的漫游等。目前应用效果最好是下面几个方面: (1) 产品的外形设计 例如:汽车外形造型设计是汽车的一个极为重要的方面,以前多采用泡沫塑料制作外形模型,要通过多次的评测和修改,费工费时。而采用虚拟现实建模的外形设计,可随时修改、评测,方案确定后的建模数据可直接用于冲

    33、压模具设计、仿真和加工,甚至用于广告和宣传。在其它产品(如:飞机、建筑和装修、家用电器、化妆品包装等)外形设计中,均有极大的优势。 (2) 产品的布局设计 在复杂产品的布局设计中,通过虚拟现实技术可以直观地进行设计,避免可能出现的干涉和其它不合理问题。例如,工厂和车间设计中的机器布置、管道铺设、物流系统等,都需要该技术的支持。在复杂的管道系统、液压集流块设计中,设计者可以“进入”其中进行管道布置,检查可能的干涉等错误。在汽车、飞机的内部设计中,“直观”是最有效的工具,虚拟现实技术可发挥不可替代的积极的作用。 (3) 机械产品的运动仿真 在产品设计阶段中必须解决运动构件在运动过程中的运动协调关系

    34、、运动范围设计、可能的运动干涉检查等。 (4) 产品装配仿真 机械产品中有成千上万的零件要装配再一起,其配合设计、可装配性是设计人员常常出现的错误,往往要到产品最后装配时才能发现,造成零件的报废和工期的延误,不能及时交货造成巨大的经济损失和信誉损失。采用虚拟现实技术可以在设计阶段就进行验证,保证设计的正确。 (5) 产品加工过程仿真 产品加工是个复杂的过程。产品设计的合理性、可加工性、加工方法和机床的选用、加工过程中可能出现的加工缺陷等,有时在设计时是不容易发现和确定的,必须经过仿真和分析。例如,冲压件的形状或冲压模具设计不合理,可能造成冲压件的翘曲和破裂,造成废品。铸造件的形状或模具、浇口设

    35、计不合理,容易产生铸造缺陷,甚至报废。机加工件的结构设计不合理,可能产生无法加工、或者加工精度无法保证、或者必须采用特种加工,增加了加工成本和加工周期。通过仿真,可以预先发现问题,采取修改设计或其他措施,保证工期和产品质量。 (6) 虚拟样机与产品工作性能评测 设计、重新制造等一系列的反复试制过程,许多不合理设计和错误设计只能等到制造、装配过程中,甚至到样机试验时才能发现。产品的质量和工作性能也只能当产品生产出来后,通过试运转才能判定。这时,多数问题是无法更改的,修改设计就意味着部分或全部的报废和重新试制。因此常常要进行多次试制才能达到要求,试制周期长,费用高。而采用虚拟制造技术,可以在设计阶

    36、段就对设计的方案、结构等进行仿真,解决大多数问题,提高一次试制成功率。采用虚拟现实技术,可以方便、直观地进行工作性能检查。例如,美国的John Deere公司,采用该技术,对新产品反铲装载机的三个技术方案进行建模仿真,结果否定了其中的两个方案,节约了大量的研制经费。如图1所示是利用dVISE制作的虚拟装载机模型。 (7) 产品广告与漫游 用虚拟现实或三维动画技术制作的产品广告具有逼真的效果,不仅可显示产品的外形,还可显示产品的内部结构、装配和维修过程、使用方法、工作过程、工作性能等,尤其是利用网络进行的产品介绍,广告效果很好。例如,在internet网络上某复印机的产品介绍和用户使用说明,可在

    37、网上进行操作:复印、打开复印机侧板显示内部结构,更换墨盒,清洁磁鼓,去除卡着的纸,关上侧板等,生动、直观。 漫游技术使人们能在城市、工厂、车间、机器内部乃至图纸和零部件之间进行漫游,直观方便地获取信息。 3、虚拟现实环境下的产品制造技术 虚拟现实环境下的产品设计、制造和评价,首先是进行产品的立体建模,然后将这个模型置于虚拟环境中实施控制和分析。由于虚拟现实技术正在发展中,虚拟现实的环境软件相对较成熟,如WTK、dVISE、VRT等,而用于机械设计、制造的仿真和控制的软件功能比较分散,两者之间的连接尚不成熟,是研究和开发的热点。如机械运动仿真、薄板冲压成型分析与仿真、零件加工和装配仿真等。目前,

    38、基于特征的3D建模技术正逐渐进入实用并开始推广应用,为我们提供了坚实的基础。但这些建模软件不支持虚拟现实环境,必须进行转换和数据处理。 我们根据本单位的产品立体停车库,建立了一套虚拟现实环境下的参数设计系统,其中包括:车库布局设计、车库类型选择、车库设计和车库工作演示系统,初步实现了参数化虚拟设计。该系统采用VC和 OpenGL进行编程,其中的复杂模型采用AUTOCAD和3DS MAX进行建模。在这个虚拟设计软件中,采用参数化建模,可以直观地进行车库的布局、设计、分析和运动模拟,效果较好。 机械产品有着自己的统一特征, 基于这些特征建立一套连接3D建模与虚拟环境的软件,有利于该技术在制造领域内

    39、的应用。 4、结论 面向产品的虚拟制造技术是以三维建模和仿真技术为基础,以虚拟现实技术为支撑的全新的技术,是CAD/CAM/CAE技术的更高级阶段,近几年发展迅速。应用虚拟现实技术,工程师可以利用实时的视觉图象,更直观、更方便地进行产品的设计、布局、仿真、分析、可制造性检查、性能评价,快速、可靠地设计、制造出高质量的产品,满足市场竞争的需要。-虚拟现实技术虚拟现实, 技术虚拟现实(简称VR),又称灵境技术,是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。他综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术,模拟人的视觉、听觉、触觉等

    40、感觉器官功能,使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中,并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互,创建了一种适人化的多维信息空间。使用者不仅能够通过虚拟现实系统感受到在客观物理世界中所经历的“身临其境”的逼真性,而且能够突破空间、时间以及其他客观限制,感受到真实世界中无法亲身经历的体验。 VR技术具有超越现实的虚拟性。虚拟现实系统的核心设备仍然是计算机。它的一个主要功能是生成虚拟境界的图形,故此又称为图形工作站。图像显示设备是用于产生立体视觉效果的关键外设,目前常见的产品包括光阀眼镜、三维投影仪和头盔显示器等。其中高档的头盔显示器在屏蔽现实世界的同时,提供高分辨率、大视场角的虚拟场景,并带

    41、有立体声耳机,可以使人产生强烈的浸没感。其他外设主要用于实现与虚拟现实的交互功能,包括数据手套、三维鼠标、运动跟踪器、力反馈装置、语音识别与合成系统等等。虚拟现实技术的应用前景十分广阔。它始于军事和航空航天领域的需求,但近年来,虚拟现实技术的应用已大步走进工业、建筑设计、教育培训、文化娱乐等方面。它正在改变着我们的生活。虚拟与现实两词具有相互矛盾的含义,把这两个词放在一起,似乎没有意义,但是科学技术的发展却赋予了它新的含义。虚拟现实的明确定义不太好说,按最早提出虚拟现实概念的学者J.Laniar的说法,虚拟现实,又称假想现实,意味着“用电子计算机合成的人工世界”。从此可以清楚地看到,这个领域与

    42、计算机有着不可分离的密切关系,信息科学是合成虚拟现实的基本前提。生成虚拟现实需要解决以下三个主要问题:以假乱真的存在技术。即,怎样合成对观察者的感官器官来说与实际存在相一致的输入信息,也就是如何可以产生与现实环境一样的视觉,触觉,嗅觉等。相互作用。观察者怎样积极和能动地操作虚拟现实,以实现不同的视点景象和更高层次的感觉信息。实际上也就是怎么可以看得更像,听得更真等等。自律性现实。感觉者如何在不意识到自己动作、行为的条件下得到栩栩如生的现实感。在这里,观察者、传感器、计算机仿真系统与显示系统构成了一个相互作用的闭环流程。虚拟现实技术主要应用于:医疗上,虚拟现实应用大致上有两类。一是虚拟人体,也就

    43、是数字化人体,这样的人体模型医生更容易了解人体的构造和功能。另一是虚拟手术系统,可用于指导手术的进行。军事上,利用虚拟现实技术模拟战争过程已成为最先进的多快好省的研究战争、培训指挥员的方法。也是由于虚拟现实技术达到很高水平,所以尽管不进行核试验,也能不断改进核武器。战争实验室在检验预定方案用于实战方面也能起巨大作用。1991年海湾战争开始前,美军便把海湾地区各种自然环境和伊拉克军队的各种数据输入计算机内,进行各种作战方案模拟后才定下初步作战方案。后来实际作战的发展和模拟实验结果相当一致。娱乐上,应用是虚拟现实最广阔的用途。英国出售的一种滑雪模拟器。使用者身穿滑雪服、脚踩滑雪板、手拄滑雪棍、头上

    44、载着头盔显示器,手脚上都装着传感器。虽然在斗室里,只要做着各种各样的滑雪动作,便可通过头盔式显示器,看到堆满皑皑白雪的高山、峡谷、悬崖陡壁,一一从身边掠过,其情景就和在滑雪场里进行真的滑雪所感觉的一样。虚拟现实技术已经和理论分析、科学实验一起,成为人类探索客观世界规律三大手段。虚拟现实技术与未来教育培训虚拟现实, 培训, 技术, 教育一、虚拟现实技术的概念所谓“虚拟现实”(Virtual Reality,英文缩写VR)技术,就是充分利用高性能的计算机硬件与软件资源及各类先进的传感器的一种集成技术,其主要技术构成为实时三维图形生成的技术、仿真技术、多传感交互技术以及高分辨率显示技术等。所以,它实

    45、际上是计算机科学与技术的延伸。虚拟现实技术能够生成实时的、具有三维信息的人工虚拟环境,演练者(操作人员)可以通过运用某些设备接受和响应该环境的各种感官刺激而进入其中,并可根据需要通过多种交互设备(如头盔、数据手套和刚性外骨架衣服等)来驾驭该环境,以及用于操纵环境中的物体;演练者像在真实世界中一样地与该环境中的人和事物进行行为和思想等的实时交流,并产生逼真的身临其境感。虚拟现实技术在我国又被称为“灵境技术”。虚拟现实技术虽然是在众多的相关技术基础上发展起来,但它又不是相关技术的简单组合,而是一种创新性的综合,并且在思想方式上有质的飞跃。二、虚拟现实技术创建全新的培训环境人们普遍认为,虚拟现实技术

    46、将使21世纪的教育培训发生质的变化。虚假现实技术支持下的教育培训之所以会发生质的变化,是因为虚拟教育培训环境拥有现实教育培训环境无可比拟的优势。所谓虚拟教育培训环境,是指由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟教育培训的人工环境,它可以是某一现实世界培训基础或设施的真实实现,也可以是虚拟构想成的世界。在21世纪,可能兴办起依托虚拟现实技术的各种新型的军事学校、驾驶学校、医务学校、体育学校等,许多学员在虚拟环境中接受各种训练。由虚拟现实技术所支撑的培训系统将使得军事人员、飞行器驾驶员、空中交通管制人员、体育运动员等都可以在安全的虚拟环境中方便地取得感性知识和实际经验。与现实教育培训基地或设施相比,在虚拟现实技术支持下的虚拟教育培训环境大致有如下特征和优势:1.仿真性在虚拟现实技术支持下,虚拟培训设施与真正的培训设施功能相同,操作方法也一样,学员通过虚拟培训设施训练技能,与在现实培训基地里同样方便。这是因为虚拟培训环境无论对于现实的环境或是对于想象的环境,都是虚拟的但又是逼真的。理想的虚拟环境应该达到使受训者难以分辩真假的

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