虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù).doc

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)韓xx 30xxxxxxxx 工科試驗(yàn)班xxxx Absract:闡述了虛擬現(xiàn)實(shí)的定義、重要特征和硬軟件基礎(chǔ),研究了虛擬環(huán)境的體系結(jié)構(gòu)、組 成模塊、實(shí)現(xiàn)方法和系統(tǒng)分類方法,探討了其技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域以及該技術(shù)帶來的哲學(xué)思考. Key words:虛擬現(xiàn)實(shí);體系結(jié)構(gòu);虛擬制造；哲學(xué)思考。 Introduction:虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality , VR) ,又稱虛擬環(huán)境(Virtual Environment , VE) 或靈境,是20 世紀(jì)90 年代最重要的成就之一,被稱為“放大智慧的工具”,也有人認(rèn)為“21 世紀(jì)的計(jì)算機(jī)是虛擬現(xiàn)實(shí)計(jì)算機(jī)”. 1 虛擬現(xiàn)實(shí)的定義、重要特征和硬軟件基礎(chǔ) 1. 1 虛擬現(xiàn)實(shí)的定義 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以定義為對現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行五維時(shí)空的仿真,即除了對三維空間和 一維時(shí)間仿真外,還包含對自然交互方式的仿真. 它由計(jì)算機(jī)生成,通過視、聽、觸覺等作用于用戶,使之產(chǎn)生身臨其境的交互式場景仿真,是一種可以創(chuàng)造和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng). 一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)包含一個(gè)逼真的三維虛擬環(huán)境和符合人們自然交互習(xí)慣的人機(jī)交互界面,分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)還要包含用于共享信息的人機(jī)交互界面. 1. 2 虛擬現(xiàn)實(shí)的重要特征 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感器技術(shù)等技術(shù)綜合發(fā)展的產(chǎn)物. 它具有以下4個(gè)特征: (1) 多感知性(Multisensory) ,所謂多感知性就是除了一般計(jì)算機(jī)技術(shù)所具有的視覺感知之外,還有聽覺感知、觸覺感知、力覺感知、運(yùn)動(dòng)感知,甚至包括味覺感知、嗅覺感知等. 理想的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境應(yīng)該包含對人自然交互方式的模擬,能提供給用戶以視覺、聽覺、觸覺、嗅覺甚至味覺等多感通道. (2) 存在感(Presence) ,又稱沉浸感( Immersion) ,在虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中,用戶能感到自己成為了一個(gè)“發(fā)現(xiàn)者和行動(dòng)者”. 例如,視場中的景物隨著人的走動(dòng)或頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)甚至眼球的轉(zhuǎn)動(dòng)而變動(dòng). 理想的虛擬環(huán)境應(yīng)該達(dá)到使用戶難以分辨真假的程度. (3) 交互性( Interaction) ,是指用戶可以對模擬環(huán)境中的物體直接操作,并從環(huán)境得到信息或感受. 例如,用戶可以用手去直接抓取模擬環(huán)境中的物體,這時(shí)手要有握著東西的感覺,并可以感覺物體的重量(其實(shí)這時(shí)手里并沒有實(shí)物) ,視場中被抓的物體也立刻隨著手的移動(dòng)而移動(dòng).(4) 自主性(Autonomy) ,是指虛擬環(huán)境中的對象具有依據(jù)物理定律動(dòng)作的能力. 例如,當(dāng)受到力的推動(dòng)時(shí),物體會(huì)向力的方向移動(dòng),或反倒,或從桌面落到地面等1 . 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種為改善人與計(jì)算機(jī)的交互方式,提高計(jì)算機(jī)可操作性的人機(jī)界面綜合技術(shù). 與其它計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比,虛擬環(huán)境可提供實(shí)時(shí)交互性操作、三維視覺空間和多通道(視覺、聽覺、觸覺、嗅覺) 的人機(jī)界面. 虛擬環(huán)境的三維屬性和高保真性,使用戶從單純觀測計(jì)算結(jié)果中解脫出來,沉浸到計(jì)算機(jī)創(chuàng)造的環(huán)境中,通過多種傳感器和多維信息環(huán)境的交互作用,得到感性和理性的認(rèn)識,從而深化概念并萌生新的創(chuàng)造思維. 1. 3 虛擬現(xiàn)實(shí)的硬軟件基礎(chǔ) 虛擬現(xiàn)實(shí)的主要硬件設(shè)備包括:高性能計(jì)算機(jī);廣角(寬視野) 的立體顯示設(shè)備;觀察者(頭、眼) 的跟蹤設(shè)備;人體姿勢的跟蹤設(shè)備;立體聲設(shè)備;觸覺、力反饋;語言輸入輸出等硬件設(shè)備2 . 系統(tǒng)交互性是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的首要特性. 為了允許人機(jī)交互,必須使用特殊的人機(jī)接口與外部設(shè)備,既要允許用戶將信息輸入到計(jì)算機(jī),也要使計(jì)算機(jī)能反饋信息給用戶. 今天的外部設(shè)備在功能和目的上各不相同. 例如,身體運(yùn)動(dòng)由3 - D 位置跟蹤器跟蹤,手勢由傳感手套數(shù)字化,視覺反饋發(fā)送給立體顯示器,虛擬聲音由3 - D 聲音生成器計(jì)算,觀察方向隨跟蹤球和操作桿改變等. 虛擬環(huán)境中采用的軟件有四類: (1) 語言類:如C + + 、OpenGL 、VRWL 等. (2) 建模軟件類:如AutoCAD、Solid Works、ProPEngineer、I - DEAS、CATIA 等. (3) 應(yīng)用軟件類:指用戶自己的各種需求,選擇或者開發(fā)的自用軟件. (4) 通用的商用工具軟件包:幫助用戶建立虛擬環(huán)境的通用和基本的軟件,可以使用戶顯著地加快虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)程. 可用于建立虛擬環(huán)境的圖形軟件包有:WTK、OpenGL 、Java3D、VRML 等. 2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的體系結(jié)構(gòu) 2. 1 虛擬環(huán)境的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 虛擬環(huán)境(Virtual Environment , VE) 是體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)所具備的功能的一種計(jì)算機(jī)環(huán)境. 虛擬環(huán)境技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)可以用圖1所示的3-I“三角形”來表示，所謂的“3-I”是：Immersion-Interaction-Imagination(沉浸-交互-構(gòu)想)。 典型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)有VIDEOPLACE 系統(tǒng)、VIEW系統(tǒng)、Super Vision 系統(tǒng)等.VIEW系統(tǒng)是第一個(gè)走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用的虛擬環(huán)境系統(tǒng),它允許操作者以自然的交互手段考察全視角的人工世界,目前大多數(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)都是由此發(fā)展而來的. 圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2. 2 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成模塊 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由以下模塊組成: (1) 輸入模塊:是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的輸入接口,其功能是檢測用戶的輸入信號,并通過傳感模塊作用于虛擬環(huán)境. 輸入模塊一般是數(shù)據(jù)手套、頭盔顯示器上的傳感器,用于感應(yīng)手的動(dòng)作、手和頭部的位置;對于桌面現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)而言,輸入模塊一般是鍵盤、鼠標(biāo)、麥克風(fēng)等. 2) 傳感器模塊:是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中操作者和虛擬環(huán)境之間的橋梁. 一方面,傳感器模塊接受輸入模塊產(chǎn)生的信息,并將其作用于虛擬環(huán)境;另一方面將操作后產(chǎn)生的結(jié)果反饋給輸入模塊. (3) 響應(yīng)模塊:是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的控制中心. 響應(yīng)模塊一般是軟件模塊,其作用是處理來自傳感器模塊的信息,如根據(jù)用戶視點(diǎn)位置和角度實(shí)時(shí)生成三維模型根據(jù)用戶頭部的位置實(shí)時(shí)生成聲效.(4) 反饋模塊:是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的輸出接口. 其功能是將響應(yīng)模塊生成的信息通過傳感器模塊傳給輸出設(shè)備,如頭盔顯示器、耳機(jī)等,實(shí)時(shí)渲染視覺效果和聲音效果. 從系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)來看,虛擬現(xiàn)實(shí)的體系結(jié)構(gòu)如圖2 所示. 圖2 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu) 2. 3 虛擬環(huán)境的實(shí)現(xiàn)方法 產(chǎn)生虛擬環(huán)境的基本方法有兩種,即基于圖像的方法( Image - Based Method) 和基于模型的方法(Model -Based Method) . 2. 3. 1 基于圖像的方法:全景圖生成技術(shù)是基于圖像方法的關(guān)鍵技術(shù). 了解全景圖要先了解兩個(gè)概念:其一,視點(diǎn)是指用戶某一時(shí)刻在虛擬實(shí)景空間中的觀察點(diǎn),觀測時(shí)所用的焦距固定. 其二,視點(diǎn)空間是指某一視點(diǎn)處用戶所觀察到的場景. 全景圖實(shí)際上是空間中一個(gè)視點(diǎn)對周圍環(huán)境的360度全封閉視圖. 根據(jù)視點(diǎn)全景圖允許瀏覽的空間自由度,全景圖可分為柱面全景圖和球面全景圖.全景圖生成涉及圖像無縫連接技術(shù)和紋理映射技術(shù),其原始資料是利用照相機(jī)的平移或旋轉(zhuǎn)得到的部分重疊的序列圖像技術(shù)樣本. 紋理映射技術(shù)用于形成封閉的紋理映射空間,如柱面紋理映射空間和球面紋理映射空間. 用戶可以在柱面全景空間進(jìn)行水平360度范圍內(nèi)任意視線切換,在球面全景空間進(jìn)行經(jīng)緯360度范圍內(nèi)任意視線切換. 2. 3. 2 基于模型的方法:又稱為基于景物幾何的方法,是以幾何實(shí)體建立虛擬環(huán)境. 幾何實(shí)體可采用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)繪制,也可用已有的建模工具如AutoCAD、3Dstudio 等建立模型,然后以統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式輸出,進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染. 建立虛擬現(xiàn)實(shí)模型后,通過加入事件響應(yīng),實(shí)現(xiàn)移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、視點(diǎn)變換等操作,從而實(shí)現(xiàn)交互式虛擬環(huán)境. 基于模型的方法主要涉及以下關(guān)鍵技術(shù): (1) 三維實(shí)體幾何建模技術(shù). 虛擬環(huán)境的建模是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心內(nèi)容,動(dòng)態(tài)建模則是建模技術(shù)的難點(diǎn). 動(dòng)態(tài)建模技術(shù)的目的是獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù),并根據(jù)應(yīng)用的需要,利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型. (2) 實(shí)時(shí)渲染技術(shù). 如果實(shí)時(shí)性不好,用戶在虛擬環(huán)境中瀏覽或操縱時(shí),會(huì)出現(xiàn)視覺或聽覺滯后;如果從一個(gè)視點(diǎn)轉(zhuǎn)向另一個(gè)視點(diǎn),或操縱虛擬環(huán)境中的物體時(shí),需要等待很長時(shí)間,用戶很難在虛擬環(huán)境中獲得參與感和沉浸感. (3) 碰撞檢測、干涉效驗(yàn)及關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng). 在機(jī)械虛擬裝配、機(jī)械設(shè)備虛擬布局等技術(shù)中,碰撞檢測和干涉效驗(yàn)顯得尤為重要. 關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)則反映虛擬環(huán)境中物體之間的連動(dòng)關(guān)系. 目前還沒有很好地解決碰撞檢測的完全性和唯一性問題的高效算法,對于虛擬環(huán)境下關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)的研究還是空白. (4) 物理屬性. 包括實(shí)體表面光滑程度、光學(xué)效果、軟硬程度、密度、力學(xué)特性等. 軟觸覺與力反饋是基于模型的虛擬環(huán)境物理屬性的主要實(shí)現(xiàn)方法. 由于軟件瓶頸的限制,虛擬環(huán)境的物理屬性一直是虛擬技術(shù)的難點(diǎn). 2. 4 虛擬環(huán)境系統(tǒng)的分類方法 根據(jù)顯示方式可分為桌面式、佩帶式和全景式3 . 桌面式系統(tǒng)場景通過計(jì)算機(jī)屏幕顯示,用戶用立體眼鏡觀察,聲音由臺式或室內(nèi)音響系統(tǒng)提供. 佩帶式是用頭盔將用戶視聽覺與外界隔離,使用戶完全沉浸在計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中,計(jì)算機(jī)通過位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套或跟蹤球等感知用戶的運(yùn)動(dòng)、姿態(tài)及行為,并反饋到場景及聲音系統(tǒng)中,產(chǎn)生人在其中的效果. 全景式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是投影系統(tǒng),生成洞穴式虛擬現(xiàn)實(shí). 觀察者佩帶立體眼鏡和頭部跟蹤器,當(dāng)觀察者移動(dòng)時(shí),立體投影生成器計(jì)算出各面墻上的圖像. 根據(jù)與外界真實(shí)世界的關(guān)系可分為封閉式與開放式兩類. 封閉式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)不與真正世界發(fā)生交互,任何操作不對外界產(chǎn)生直接影響,例如娛樂系統(tǒng)或單純的驗(yàn)證預(yù)演、仿真系統(tǒng). 開放式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)則通過傳感器和控制器與外界構(gòu)成交互作用,系統(tǒng)可根據(jù)用戶要求對外界產(chǎn)生直接作用并得到相應(yīng)反饋信息,例如遙控機(jī)器人、遙控空間站及遙控手術(shù)系統(tǒng)等. 根據(jù)采用的計(jì)算機(jī)不同可以分為基于微機(jī)的系統(tǒng)、基于工作站和分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng). 基于微機(jī)的系統(tǒng)由486 以上的計(jì)算機(jī)構(gòu)成,由圖形加速卡將生成的壓縮圖像信息,經(jīng)解壓縮和制式轉(zhuǎn)換后分別送到左右眼顯示器顯示圖像;三維聲效卡產(chǎn)生三維聲音;位置跟蹤器跟蹤頭部位置的變化. 基于工作站的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)采用若干個(gè)UNIX 工作站,通過以太網(wǎng)構(gòu)建服務(wù)器接口. 系統(tǒng)采用Fastrak 低頻磁場方向跟蹤器跟蹤操作手的位置,用RM 力反饋手套檢測手指的彎曲姿態(tài),服務(wù)器SUN4P380 通過數(shù)據(jù)獲取板讀取力反饋手套RM的檢測數(shù)據(jù),當(dāng)檢測到虛擬手指與物體接觸時(shí),根據(jù)物體的物理機(jī)械特性向反饋手套輸出反饋數(shù)據(jù),使操作手產(chǎn)生觸覺,并向圖像處理服務(wù)器HP715P75 輸出物體變形數(shù)據(jù),產(chǎn)生變形圖像. 服務(wù)器SUN ELC 運(yùn)行聲音處理程序,發(fā)出相應(yīng)聲音. 分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以使設(shè)計(jì)者和工程師用三維方式進(jìn)行實(shí)時(shí)交互,及時(shí)消除設(shè)計(jì)上的缺陷,縮短產(chǎn)品投放市場的時(shí)間. 3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域 3. 1 在汽車制造業(yè)的應(yīng)用 近年來,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車制造業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用. 例如,美國通用汽車公司利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)CAVE(Computer - Assisted Virtual Environment) 來體驗(yàn)置于汽車之中的感受,其目標(biāo)是減少或消除實(shí)體模型,縮短開發(fā)周期. CAVE 系統(tǒng)同樣可用來進(jìn)行車型設(shè)計(jì),可以從不同的位置觀看車內(nèi)的景像,以確定儀器儀表的視線和外部視線的滿意性和安全性. 1997 年5 月福特公司宣布,它已成為第一個(gè)著眼于“地球村”概念的采用計(jì)算機(jī)虛擬設(shè)計(jì)裝配工藝的汽車廠商. 使用“虛擬工廠”已經(jīng)使得福特公司的產(chǎn)品開發(fā)節(jié)約時(shí)間、降低成 本,并使設(shè)計(jì)的汽車更適合組裝和維修,具有很高的質(zhì)量. 福特公司使用“虛擬工廠”的戰(zhàn)略目標(biāo)是減少生產(chǎn)中采用的90 %的實(shí)體模型,這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)將為福特公司每年節(jié)省2 億美元.據(jù)估計(jì),使用“虛擬工廠”將在推出一輛新車的過程中減少20 %的因生產(chǎn)原因修改最初設(shè)計(jì)的事件. 同時(shí),福特公司正在嘗試全新概念的發(fā)動(dòng)機(jī)“虛擬樣機(jī)”設(shè)計(jì). 英國航空實(shí)驗(yàn)室采用一個(gè)高分辨率頭盔顯示器、一個(gè)數(shù)據(jù)手套、一個(gè)三維系統(tǒng)音響 和一臺工作站為用戶提供了一個(gè)由計(jì)算機(jī)生成的虛擬轎車客艙,設(shè)計(jì)人員能夠精確研究轎車內(nèi)部的人體工程學(xué)參數(shù),并且在需要時(shí)可以修改虛擬部件的位置,進(jìn)而可以在仿真系統(tǒng)中重新設(shè)計(jì)整個(gè)轎車內(nèi)部. 雷諾汽車公司采用了在“現(xiàn)實(shí)生活”的背景下加人“虛擬汽車”的方法來評估待開發(fā)的新車型.“City Fleet”就是虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的產(chǎn)物,它將計(jì)算機(jī)生成的虛擬汽車和實(shí)際拍攝的城市場景鏡頭完美地結(jié)合在一起,以得到真實(shí)車的感覺. 因此不必制造物理原型就能夠檢測將要推向市場的汽車,檢驗(yàn)造型與環(huán)境的匹配及適應(yīng)性,這對減少汽車新車型開發(fā)周期無疑將起積極作用. 3. 2 在飛行仿真領(lǐng)域的應(yīng)用 飛行仿真系統(tǒng)由四部分組成,即飛行員的操縱艙系統(tǒng)、顯示外部圖像的視覺系統(tǒng)、產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)感的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、計(jì)算和控制飛行運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng). 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是飛行仿真系統(tǒng)的中樞,用它來計(jì)算飛行的運(yùn)動(dòng)、控制儀表及指示燈、駕駛桿等信號. 視覺系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實(shí)密切相關(guān),其中,視覺系統(tǒng)向飛行員提供外界的視覺信息. 該系統(tǒng)由產(chǎn)生視覺圖像的“圖像產(chǎn)生部”和將產(chǎn)生的信號提供給飛行員的“視覺顯示部”組成. 在圖像產(chǎn)生部,隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展,現(xiàn)在使用稱為CGI(Computer Generated Imagery) 的視覺產(chǎn)生裝置. 在CGI 中利用紋理圖形駕駛可以產(chǎn)生云彩、海面的波浪等效果. 此外,利用圖像映射駕駛可以從航空照片上將農(nóng)田以及城市分離出來,并作為圖像數(shù)據(jù)加以利用. 視覺顯示部向飛行員提供具有真實(shí)感的圖像,圖像的顯示有無限遠(yuǎn)顯示方式、廣角方式、半球方式以及立體眼鏡和頭盔式顯示器等四種方式. 作為飛行仿真系統(tǒng)的構(gòu)成部分,運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)向飛行員提供一種身體感覺,它使得駕駛艙整體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。利用該運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),飛行員可以感覺到實(shí)際飛機(jī)一樣的運(yùn)動(dòng)感覺. 3. 3 在虛擬實(shí)驗(yàn)方面的應(yīng)用 虛擬風(fēng)洞:為了設(shè)計(jì)出阻力小的機(jī)翼,人們必須詳細(xì)分析機(jī)翼的空氣動(dòng)力學(xué)特性. 因此,人們發(fā)明了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方法,通過使用煙霧氣體使得人們可以用肉眼直接觀察到氣體與機(jī)翼的作用情況,因而大大提高了人們對機(jī)翼的動(dòng)力學(xué)特性的了解. 虛擬風(fēng)洞的目的是讓工程師分析多旋渦的復(fù)雜三維性質(zhì)和效果、空氣循環(huán)區(qū)域、旋渦被破壞時(shí)的亂流等,而這些分析利用通常的數(shù)據(jù)仿真是很難可視化的. 虛擬物理實(shí)驗(yàn)室:虛擬物理實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì),使得學(xué)生可以通過親身實(shí)踐做、看、聽成為可能. 使用該系統(tǒng),學(xué)生們可以很容易的演示和控制力的大小、物體的形變與非形變碰撞、摩擦等物理現(xiàn)象. 為了顯示物體的運(yùn)動(dòng)軌跡,可以對不同大小和質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行軌跡追蹤,還可以停止時(shí)間的推移,以便仔細(xì)觀察隨時(shí)間變化的現(xiàn)象. 學(xué)生可以通過使用數(shù)據(jù)手套與系統(tǒng)進(jìn)行各種交互. 虛擬電力控制室:在現(xiàn)行的電力控制室的設(shè)計(jì)中,控制臺以及顯示器的設(shè)計(jì)一般是用與實(shí)物同等大小的模型4 . 研究人員使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研制了一個(gè)輔助設(shè)計(jì)控制室的系統(tǒng). 使用該系統(tǒng)可以自由地改變控制室內(nèi)的配色、照明、報(bào)警、顯示器的畫面構(gòu)成,以及各種儀表的配置等室內(nèi)環(huán)境. 此外,用戶還可以在室內(nèi)移動(dòng),以便從不同方向觀察室內(nèi)情況. 3. 4 在教育培訓(xùn)領(lǐng)域的應(yīng)用 虛擬環(huán)境在呈獻(xiàn)知識信息方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢,它可以在廣泛的科目領(lǐng)域提供無限的VR 體驗(yàn),從而加速和鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)知識的過程. 例如,核電站或霧中著陸等危險(xiǎn)環(huán)境可在對受訓(xùn)者毫無威脅的情況下進(jìn)行精確模擬. 模擬器的容錯(cuò)特點(diǎn)使受訓(xùn)者能親身體驗(yàn)到在現(xiàn)實(shí)生活中體驗(yàn)不到的經(jīng)歷. 飛行模擬器、駕駛模擬器是培訓(xùn)飛行員和汽車駕駛員的一種非常有用的工具. 因此,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用前景.例如,在建筑工程學(xué):交互性地參觀還沒有完工的辦公大摟,尋覓裝飾的構(gòu)思;或者參觀房屋模型,學(xué)習(xí)建筑原理. 參觀世界各地的經(jīng)典建筑,尋找建筑設(shè)計(jì)的靈感. 在考古學(xué)方面:參觀世界上你不可能到達(dá)的博物館,研究從未對公眾開放過的私人收藏的繪畫或雕塑. 在生物教育方面:操縱分子模型,觀察不同藥物的立體結(jié)構(gòu)圖像;或者沿著叢林小溪來研究海貍的習(xí)性,等等. 3. 5 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 2001 年9 月7 日,一名美國紐約市的法國醫(yī)生通過遙控機(jī)器人為遠(yuǎn)在大西洋彼岸的一名法國婦女成功地實(shí)施了腹腔手術(shù). 醫(yī)生通過監(jiān)視器,操作兩只裝有內(nèi)窺鏡、手術(shù)刀和鑷子等手術(shù)器械的機(jī)械臂,成功地切除了病變的膽囊組織. 科學(xué)家們最近發(fā)明了一種“虛擬現(xiàn)實(shí)”裝置,使原本微小的細(xì)胞看上去有足球場那么大.這樣,就可以更微觀地對細(xì)胞進(jìn)行研究. 這種“虛擬現(xiàn)實(shí)”裝置的外形,像一個(gè)頭盔,可以戴在頭上,它利用一個(gè)分辨率極高的顯微鏡獲取數(shù)據(jù),然后再對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行加工,傳送到使用者的視野里,可以十分輕松地觀察到試管里的研究對象. 采用這種技術(shù),可以更加方便地進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn),甚至能夠“感受”到顯微鏡下不同物體的組織結(jié)構(gòu). 芝加哥的伊利諾斯大學(xué)采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)分析神經(jīng)系統(tǒng)的工作原理. 項(xiàng)目主要包括電場可視化、大腦皮層仿真及普爾欽神經(jīng)效應(yīng)仿真. 該項(xiàng)目推動(dòng)了低成本虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)作為可視化工具的研究. 3. 6 在軍事上的應(yīng)用 虛擬現(xiàn)實(shí)在軍事上有著廣泛的應(yīng)用和特殊的價(jià)值,如新式武器的研制和裝備、作戰(zhàn)指揮模擬、武器的使用培訓(xùn)等都可以應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù). 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已被用于探索、評價(jià)當(dāng)今的士兵將怎樣在無實(shí)際環(huán)境支持下掌握新武器的使用及其戰(zhàn)術(shù)性能等. 人們希望虛擬域最終將提供與真實(shí)域相當(dāng)?shù)乃械默F(xiàn)實(shí)性,而且沒有費(fèi)用、組織、天氣和時(shí)間等等方面的明顯缺陷. 虛擬域是可重復(fù)的、交互的、三維的、精確的、可重配置的和可連網(wǎng)的,它將成為軍事訓(xùn)練的重要媒體. 近年來,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用,使得軍事演習(xí)在概念上和方法上有了一個(gè)新的飛躍,即通過建立虛擬戰(zhàn)場來檢驗(yàn)和評估武器系統(tǒng)的性能. 例如一種虛擬戰(zhàn)場環(huán)境,它能夠包括在地面行進(jìn)的坦克和裝