虛擬現實理論與技術

1、虛擬現實理論與技術 【摘要】 ：21世紀的人類社會是信息化社會，以信息技術為主要標志的高新技術產業(yè)在整個經濟中的比重不斷增加，多媒體技術及產品是計算機產業(yè)發(fā)展的活躍領域。虛擬現實理論與技術的應用，使設計思路和設計表達如虎添翼。它是隨著科學和技術的進步、軍事和經濟的發(fā)展而興起的一門由多學科支撐的新理論技術，可以很好地面對市場全球化的要求，并且有助于人們更好地去解決資源問題、環(huán)境問題與需求多樣性問題。與傳統(tǒng)開發(fā)設計的產品相比，大大減少了投放市場的風險性，也為企業(yè)決策人尋找商機、判斷概念產品能否進一步開發(fā)生產，提供更好的依據，也為人類的生活和工作提供全新的信息服務。本文將從虛擬現實定義及原理、特征、

2、應用、未來發(fā)展方向及研究重點方面介紹虛擬現實理論與技術?！娟P鍵詞】 ：虛擬現實 理論 技術 研究狀況 發(fā)展方向【Abstract】 ：Modular fixture configuration design is a complicated task requiring strong professional background and practical experience. However, automated or semi-automated computer aided modular fixture systems based on CAD packages still are

3、 not well accepted by the manufacturing industry due to the lack of intuitive interaction and immediate feedback compared with traditional models such as paper and physical models. In this paper, a novel Virtual Reality-based system for interactive modular fixture configuration design is presented.

4、We use a multi-view based modular fixture assembly model to assist information representation and management. In addition, the suggested strategy is compatible with the principles of virtual environment and it is easy to reutilize the element model. Based on geometric constraints, we propose a preci

5、se 3Dmanipulation approach to improve intuitive interaction and accurate 3Dpositioning of fixture components in virtual space. Thus, the modular fixture configuration design task can precisely be performed in virtual space.【1】【Key words】 ：virtual reality, theory, technology, research status，developm

6、ent direction.目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc8583 第一章 ：虛擬現實理論與技術 PAGEREF _Toc8583 3 HYPERLINK l _Toc21246 1.1、虛擬現實的定義及原理 PAGEREF _Toc21246 3 HYPERLINK l _Toc11520 1.2、虛擬現實特征 PAGEREF _Toc11520 4 HYPERLINK l _Toc18232 1.2.1、多感知性(Multi-Sensory) PAGEREF _Toc18232 4 HYPERLINK l _Toc25990 1.2.2、浸沒感(Immer

7、sion) PAGEREF _Toc25990 4 HYPERLINK l _Toc21160 1.2.3、交互性(Interactivity) PAGEREF _Toc21160 4 HYPERLINK l _Toc18000 1.2.4、構想性(Imagination) PAGEREF _Toc18000 4 HYPERLINK l _Toc16540 1.3、虛擬現實的發(fā)展歷程 PAGEREF _Toc16540 5 HYPERLINK l _Toc32413 1.4、國內外虛擬現實的研究現狀 PAGEREF _Toc32413 7 HYPERLINK l _Toc30680 1.4.1

8、、虛擬現實技術在美國的研究現狀 PAGEREF _Toc30680 7 HYPERLINK l _Toc1179 1.4.2、虛擬現實技術在歐洲的研究現狀 PAGEREF _Toc1179 8 HYPERLINK l _Toc32360 1.4.3、虛擬現實技術在日本的研究現狀 PAGEREF _Toc32360 9 HYPERLINK l _Toc21618 1.4.4、國內虛擬現實技術研究現狀 PAGEREF _Toc21618 9 HYPERLINK l _Toc23794 第二章：虛擬現實理論與技術應用舉例 PAGEREF _Toc23794 10 HYPERLINK l _Toc25

9、798 2.1、虛擬現實技術在美軍模擬訓練中的應用現狀及發(fā)展 PAGEREF _Toc25798 10 HYPERLINK l _Toc26046 2.1.1、構建虛擬戰(zhàn)場環(huán)境 PAGEREF _Toc26046 10 HYPERLINK l _Toc25646 2.1.2、進行單兵模擬訓練 PAGEREF _Toc25646 10 HYPERLINK l _Toc17607 2.1.3、通過網絡進行異地同環(huán)境作戰(zhàn)訓練 PAGEREF _Toc17607 11 HYPERLINK l _Toc12142 2.1.4、進行軍事指揮人員訓練 PAGEREF _Toc12142 12 HYPERLI

10、NK l _Toc10646 2.1.5、提高指揮決策能力 PAGEREF _Toc10646 13 HYPERLINK l _Toc11894 2.1.6、縮短武器裝備的研制周期 PAGEREF _Toc11894 13 HYPERLINK l _Toc8377 2.1.7、信息網絡虛擬戰(zhàn) PAGEREF _Toc8377 14 HYPERLINK l _Toc30331 2.2、虛擬現實技術在化學教學中的應用現狀分析 PAGEREF _Toc30331 14 HYPERLINK l _Toc8710 2.2.1、ChemLab PAGEREF _Toc8710 14 HYPERLINK l

11、 _Toc16797 2.2.2、IrYdium Chemistry Lab PAGEREF _Toc16797 15 HYPERLINK l _Toc16927 2.2.3、浙江大學有機化學虛擬實驗室 PAGEREF _Toc16927 16 HYPERLINK l _Toc4344 2.2.4、金華科仿真化學實驗室 PAGEREF _Toc4344 17 HYPERLINK l _Toc10434 2.2.5、東師理想初中化學虛擬仿真實驗室軟件 PAGEREF _Toc10434 17 HYPERLINK l _Toc13336 2.3、虛擬現實技術在機械設計與制造中應用 PAGEREF

12、_Toc13336 18 HYPERLINK l _Toc15083 2.3.1、虛擬產品概念設計 PAGEREF _Toc15083 18 HYPERLINK l _Toc2338 2.3.2、虛擬設計 PAGEREF _Toc2338 19 HYPERLINK l _Toc7903 2.3.3、虛擬制造19 HYPERLINK l _Toc9010 第三章 ：虛擬現實理論與技術的發(fā)展方向及研究重點 PAGEREF _Toc9010 20 HYPERLINK l _Toc12682 3.1、虛擬現實技術的幾個瓶頸問題 PAGEREF _Toc12682 20 HYPERLINK l _Toc

13、12478 3.1.1、虛擬環(huán)境表示的準確性 PAGEREF _Toc12478 20 HYPERLINK l _Toc32732 3.1.2、虛擬環(huán)境感知信息合成的真實性 PAGEREF _Toc32732 20 HYPERLINK l _Toc2561 3.1.3、人與虛擬環(huán)境交互的自然性 PAGEREF _Toc2561 20 HYPERLINK l _Toc11275 3.1.4、實時顯示問題 PAGEREF _Toc11275 20 HYPERLINK l _Toc20400 3.1.5、圖形生成 PAGEREF _Toc20400 20 HYPERLINK l _Toc9698 3

14、.1.6、智能技術(Artificial Intelligence，簡稱AI) PAGEREF _Toc9698 21 HYPERLINK l _Toc1176 3.2、虛擬現實技術的未來發(fā)展趨勢 PAGEREF _Toc1176 21 HYPERLINK l _Toc5764 3.2.1、動態(tài)環(huán)境建模技術 PAGEREF _Toc5764 22 HYPERLINK l _Toc8394 3.2.2、實時三維圖形生成和顯示技術 PAGEREF _Toc8394 22 HYPERLINK l _Toc9035 3.2.3、新型交互設備的研制 PAGEREF _Toc9035 22 HYPERLI

15、NK l _Toc21374 3.2.4、智能化語音虛擬現實建模 PAGEREF _Toc21374 22 HYPERLINK l _Toc2225 3.2.5、分布式虛擬現實技術的展望 PAGEREF _Toc2225 22 HYPERLINK l _Toc9010 第四章 ：個人感想及總結23 HYPERLINK l _Toc4322 4.1、個人感想 PAGEREF _Toc4322 23 HYPERLINK l _Toc21858 4.2、整體總結 PAGEREF _Toc21858 24 HYPERLINK l _Toc13151 附錄一：分工說明 PAGEREF _Toc13151

16、 25 HYPERLINK l _Toc29735 附錄二：參考文獻 PAGEREF _Toc29735 25：虛擬現實理論與技術1.1、虛擬現實的定義及原理虛擬現實，(Virtual Reality，簡稱HYPERLINK /view/41628.htm t _blank VR;又譯作靈境、幻真)是近年來出現的HYPERLINK /view/215191.htm t _blank 高新技術，也稱靈境技術或人工環(huán)境，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)，它利用計算機技術生成一個逼真的、具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環(huán)境，用戶通過使用各種交互設備，同虛擬環(huán)境中的實體相互作用，使之產生身臨其境

17、感覺的交互式視景仿真和信息交流，是一種先進的數字化人機接口技術。虛擬現實是利用電腦模擬產生一個三度空間的虛擬世界，提供使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內的事物。VR是一項綜合集成技術，涉及HYPERLINK /view/13769.htm t _blank 計算機圖形學、HYPERLINK /view/600151.htm t _blank 人機交互技術、HYPERLINK /view/1292579.htm t _blank 傳感技術、HYPERLINK /view/2949.htm t _blank 人工智能等領域，它用計算

18、機生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人作為參與者通過適當裝置，自然地對HYPERLINK /view/47107.htm t _blank 虛擬世界進行體驗和交互作用。使用者進行位置移動時，電腦可以立即進行復雜的運算，將精確的3D世界影像傳回產生臨場感。該技術集成了計算機圖形(CG)技術、HYPERLINK /view/300793.htm t _blank 計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、HYPERLINK /view/322821.htm t _blank 顯示技術、網絡并行處理等技術的最新發(fā)展成果，是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統(tǒng)【2】。概括地說，虛擬現實是人們通過計算機

19、對復雜數據進行可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統(tǒng)的人機界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現實在技術思想上有了質的飛躍。1.2、虛擬現實特征1.2.1、多感知性(Multi-Sensory)所謂多感知是指除了一般計算機技術所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等【3】。理想的虛擬現實技術應該具有一切人所具有的感知功能。由于相關技術，特別是傳感技術的限制，目前虛擬現實技術所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、力覺、觸覺、運動等幾種。 1.2.2、浸沒感(Immersion)又稱臨場感或存在感，指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程度。理想的模

20、擬環(huán)境應該使用戶難以分辨真假，使用戶全身心地投入到計算機創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，該環(huán)境中的一切看上去是真的，聽上去是真的，動起來是真的，甚至聞起來、嘗起來等一切感覺都是真的，如同在現實世界中的感覺一樣。 1.2.3、交互性(Interactivity)指用戶對模擬環(huán)境內物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度(包括實時性)。例如，用戶可以用手去直接抓取模擬環(huán)境中虛擬的物體，這時手有握著東西的感覺，并可以感覺物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨著手的移動而移動。 1.2.4、構想性(Imagination)又稱為自主性強調虛擬現實技術應具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類認知范圍，不僅可再現真實存

21、在的環(huán)境，也可以隨意構想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。 一般來說，一個完整的虛擬現實系統(tǒng)由虛擬環(huán)境、以高性能計算機為核心的虛擬環(huán)境處理器、以頭盔顯示器為核心的視覺系統(tǒng)、以語音識別、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺系統(tǒng)、以方位跟蹤器、數據手套和數據衣為主體的身體方位姿態(tài)跟蹤設備，以及味覺、嗅覺、觸覺與力覺反饋系統(tǒng)等功能單元構成。1.3、虛擬現實的發(fā)展歷程虛擬技術（以下簡稱VR技術）的發(fā)展大致可分為三個階段：20世紀50年代至70年代，是VR技術的準備階段；80年代初至80年代中期，是VR技術系統(tǒng)化、開始走出實驗室進入實際應用的階段；80年代末至90年代初，是VR技術迅猛發(fā)展的階段。第一階段，

22、5070年代，為虛擬現實的探索階段【4】。1965年，由美國的MortonHeileg開發(fā)了一個稱做Sensorama的摩托車仿真器，不僅具有三維視頻及立體聲效果，還能產生風吹的感覺和街道氣味。1968年，美國計算機科學家I1E1Sutherland在哈佛大學組織開發(fā)了第一個計算機圖形驅動的頭盔顯示器HMD及頭部位跟蹤系統(tǒng)（如圖1.3a），成為VR技術發(fā)展史上的一個重要里程碑，為虛擬現實的發(fā)展奠定了基礎。圖1.3a：頭部位跟蹤系統(tǒng)第二階段，80年代初至80年代中期，開始形成VR技術的基本概念，開始由實驗進入實用階段，其重要標志是：1985年在MichaelMcGreevy領導下完成的VIEW虛

23、擬現實系統(tǒng)（如圖1.3b），裝備了數據手套和頭部跟蹤器，提供了手勢、語言等交互手段，使VIEW成為名副其實的虛擬現實系統(tǒng)，成為后來開發(fā)虛擬現實的體系結構。其他如VPL公司開發(fā)了用于生成虛擬現實的RB2軟件和DataGlove數據手套，為虛擬現實提供了開發(fā)工具。圖1.3b：VIEW虛擬現實系統(tǒng)第三階段，80年代末至90年代初，為虛擬現實全面發(fā)展階段。虛擬現實技術已經從實驗室的試驗階段走向了市場的實用階段，對虛擬現實技術的研究也從基本理論和系統(tǒng)構成的研究轉向應用中所遇到的具體問題的探討。在虛擬現實系統(tǒng)中只有各種交互設備還不夠，還必須提供基本的軟件支撐環(huán)境，用戶能方便地構造虛擬環(huán)境并與虛擬環(huán)境進行高

24、級交互。為了使VR技術得到廣泛應用，很有必要分析虛擬現實系統(tǒng)軟件支撐環(huán)境體系結構，例如Dialogue系統(tǒng)，提出了一種通過基于事件驅動的中驅用戶接口管理系統(tǒng)（UMIS），能進行多進程通訊的軟件體系結構，解決了虛擬現實的動態(tài)靈活性問題，推進了軟件支撐環(huán)境的發(fā)展。為了滿足虛擬現實對計算復雜性的幾乎是無限的要求，虛擬現實系統(tǒng)必須提供足夠強的靈活性及可擴充性。要做到這一點，可以從軟件與硬件來考慮，在硬件體系結構方面，DIVISON公司在SuperVision系統(tǒng)（如圖1.3c）中提出了一種基本的并行模型，開發(fā)了并行處理器件和DVS操作系統(tǒng)，使虛擬現實得以全面發(fā)展。圖1.3c：SuperVision系統(tǒng)

25、1.4、國內外虛擬現實的研究現狀1.4.1、虛擬現實技術在美國的研究現狀美國是虛擬現實技術研究的發(fā)源地，美國VR技術的研究水平基本上代表了國際VR發(fā)展的水平。最初的研究應用主要集中在美國軍方對飛行駕駛員與宇航員的模擬訓練。然而,隨著冷戰(zhàn)后美國軍費的削減,這些技術逐步轉為民用。目前美國在該領域的基礎研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面【5】。 上世紀80年代，美國宇航局(NASA)及美國國防部組織了一系列有關虛擬現實技術的研究，并取得了令人矚目的研究成果，美國宇航局Ames實驗室致力于一個叫“虛擬行星探索”(VPE)的實驗計劃。現NASA已經建立了航空、衛(wèi)星維護VR訓練系統(tǒng),空間

26、站VR訓練系統(tǒng)，并已經建立了可供全國使用的VR教育系統(tǒng)。北卡羅來納大學的計算機系是進行VR研究最早最著名的大學，他們主要研究分子建模、航空駕駛、外科手術仿真、建筑仿真等。喬治梅森大學研制出一套在動態(tài)虛擬環(huán)境中的流體實時仿真系統(tǒng)（如圖1.4.1）。施樂公司研究中心在VR領域主要從事利用VRT建立未來辦公室的研究，并努力設計一項基于VR使得數據存取更容易的窗口系統(tǒng)。波音公司的波音777運輸機采用全無紙化設計，利用所開發(fā)的虛擬現實系統(tǒng)將虛擬環(huán)境疊加于真實環(huán)境之上，把虛擬的模板顯示在正在加工的工件上，工人根據此模板控制待加工尺寸，從而簡化加工過程。圖1.4.1：流體實時仿真系統(tǒng)1.4.2、虛擬現實技術

27、在歐洲的研究現狀在歐洲，英國在VR開發(fā)的某些方面，特別是在分布并行處理、輔助設備(包括觸覺反饋)設計和應用研究方面【6】，在歐洲來說是領先的。英國Bristol公司發(fā)現，VR應用的交點應集中在整體綜合技術上，他們在軟件和硬件的某些領域處于領先地位。英國ARRL公司關于遠地呈現的研究實驗，主要包括VR重構問題。他們的產品還包括建筑和科學可視化計算。歐洲其它一些較發(fā)達的國家如：瑞典、荷蘭、德國等也積極進行了VR的研究與應用。瑞典的DIVE分布式虛擬交互環(huán)境，是一個基于Unix的，不同節(jié)點上的多個進程可以在同一世界中工作的異質分布式系統(tǒng)。荷蘭海牙TNO研究所的物理電子實驗室(TNO-PEL)開發(fā)的訓

28、練和模擬系統(tǒng)，通過改進人機界面來改善現有模擬系統(tǒng)，以使用戶完全介入模擬環(huán)境。德國在VR的應用方面取得了出乎意料的成果。在改造傳統(tǒng)產業(yè)方面，一是用于產品設計、降低成本，避免新產品開發(fā)的風險；二是產品演示，吸引客戶爭取定單；三是用于培訓，在新生產設備投入使用前用虛擬工廠來提高工人的操作水平。1.4.3、虛擬現實技術在日本的研究現狀日本的虛擬現實技術【7】的發(fā)展在世界相關領域的研究中同樣具有舉足輕重的地位，它在建立大規(guī)模VR知識庫和虛擬現實的游戲方面作出了很大的成就。在東京技術學院精密和智能實驗室研究了一個用于建立三維模型的人性化界面，稱為SpmAR（如圖1.4.3）；NEC公司開發(fā)了一種虛擬現實系

29、統(tǒng)，用代用手來處理CAD中的三維形體模型，通過數據手套把對模型的處理與操作者的手聯系起來；日本國際工業(yè)和商業(yè)部產品科學研究院開發(fā)了一種采用X、Y記錄器的受力反饋裝置；東京大學的高級科學研究中心的研究重點主要集中在遠程控制方面，他們最近的研究項目是可以使用戶控制遠程攝像系統(tǒng)和一個模擬人手的隨動機械人手臂的主從系統(tǒng)；東京大學廣瀨研究室重點研究虛擬現實的可視化問題。他們正在開發(fā)一種虛擬全息系統(tǒng)，用于克服當前顯示和交互作用技術的局限性。圖1.4.3：SpmAR搜索界面1.4.4、國內虛擬現實技術研究現狀在我國虛擬現實技術的研究和一些發(fā)達國家相比還有很大的一段距離，隨著計算機圖形學、計算機系統(tǒng)工程等技術

30、的高速發(fā)展，虛擬現實技術已經得到了相當的重視，研究與應用VR、建立虛擬環(huán)境、虛擬場景模型分布式VR系統(tǒng)的開發(fā)正朝著深度和廣度發(fā)展。國家科委國防科工委部已將虛擬現實技術的研究列為重點攻關項目，國內許多研究機構和高校也都在進行虛擬現實的研究和應用并取得了一些不錯的研究成果【8】。浙江大學CAD&CG國家重點實驗室在基于圖像的虛擬實現、分布式虛擬環(huán)境的建立、多細節(jié)層次模型、真實感三維重建、基于幾何和圖像的混合式圖形實時繪制算法（如圖1.4.4）等領域開展了深入的研究，在國內外產生了廣泛的影響。圖1.4.4：虛擬現實技術制作的國內最大的數字城市仿真項目數字興義第二章：虛擬現實理論與技術應用舉例2.1、

31、虛擬現實技術在美軍模擬訓練中的應用現狀及發(fā)展2.1.1、構建虛擬戰(zhàn)場環(huán)境通過相應的三維戰(zhàn)場環(huán)境圖形圖像庫，包括作戰(zhàn)背景、戰(zhàn)地場景、各種武器裝備和作戰(zhàn)人員等，為使用者創(chuàng)造一種險象環(huán)生、逼近真實的立體戰(zhàn)場環(huán)境，以增強其臨場感覺，提高訓練質量。在阿富汗和伊拉克戰(zhàn)爭中【9】，美軍采用綜合了航空照片、衛(wèi)星影像和數字高層地形數據來生成高分辨率的作戰(zhàn)區(qū)域三維地形環(huán)境，以幾乎一致的三維環(huán)境來訓練執(zhí)行任務的戰(zhàn)斗機飛行員。很多飛行員都感慨在執(zhí)行任務的過程中，見到的環(huán)境都在模擬器中見到過，因此大大減少了執(zhí)行任務的難度和傷亡率。2.1.2、進行單兵模擬訓練 基于VR 的軍事模擬訓練最初就是針對單兵操作武器裝備的，因此

32、在單兵訓練系統(tǒng)中的應用也最為廣泛和成熟。美國的“F 16”【10】戰(zhàn)斗機虛擬訓練模擬器采用了三維圖形可視化生成系統(tǒng)、全封閉立體頭盔顯示器、三維交互式聲音合成技術、Provision 高性能圖形工作站、六自由度的運動平臺等先進的技術手段，并制造了與實物同樣大小的戰(zhàn)斗座艙。其三維圖形生成系統(tǒng)不僅能夠生成逼真的大范圍虛擬地形環(huán)境，模擬不同自然環(huán)境下如霧天、雨天、暴風雪等各種飛行條件，而且其三維的聲音合成系統(tǒng)還能夠合成出逼真的三維空間聲音的效果，能處理虛擬現實中飛機以外的各種情況，如氣球的威脅、導彈的發(fā)射軌跡等。據調查，從未參加過實戰(zhàn)的飛行員在首次執(zhí)行任務時的生存概率只有60%，而經過模擬對抗訓練后，

33、此概率可以提高到90%。 來自佛羅里達州Raydon 公司的虛擬勇士互動( VWI) 訓練機能夠幫助步兵師在虛擬的戰(zhàn)場進行訓練，與仿真的坦克、裝甲車和直升機進行互動。自伊拉克戰(zhàn)爭爆發(fā)至今，美國已動員近20 萬人次的軍人前往當地作戰(zhàn)，其中接受過模擬訓練系統(tǒng)培訓的達八成以上。圖2.1.2 The F 16 virtual training simulator2.1.3、通過網絡進行異地同環(huán)境作戰(zhàn)訓練運用虛擬現實技術分布式交互仿真并結合現代網絡通信技術，通過作戰(zhàn)模擬訓練中心控制設置在不同地域的作戰(zhàn)單位及各級指揮官處的模擬系統(tǒng)終端來實現不同地域、相同環(huán)境的模擬作戰(zhàn)訓練。美陸軍的“近戰(zhàn)戰(zhàn)術訓練系統(tǒng)” 【

34、11】( Close CombatTactical Trainer，CCTT) 采用先進的主干光纖系統(tǒng)網絡并結合分布式交互仿真，建立一個虛擬作戰(zhàn)環(huán)境，能夠仿真包括“艾布拉莫斯”坦克、“布雷德利”戰(zhàn)車、HUMVEES武器系統(tǒng)在內的多種武器裝備，供作戰(zhàn)人員在人工合成環(huán)境中完成作戰(zhàn)訓練任務。該系統(tǒng)通過局域網和廣域網聯結著從韓國到歐洲的大約65 個工作站，各站之間可迅速傳遞裝備模型和訓練數據，使參演人員能在虛擬環(huán)境的動態(tài)形式中進行近戰(zhàn)戰(zhàn)術訓練。在美國肯塔基州克斯堡的乘車作戰(zhàn)實驗室里，坦克駕駛員不必離開房間，就可操縱“艾布拉莫斯”坦克模擬器穿森林，過雪地。使用這種模擬器，可使受訓者在1 h 內獲得比6

35、個月實車駕駛還要多的經驗。該系統(tǒng)被美國國會列為“絕對禁止出口”的項目。2.1.4、進行軍事指揮人員訓練 利用VR 技術，根據偵察情況資料合成出戰(zhàn)場全景圖，讓受訓指揮員通過傳感器裝置觀察雙方兵力部署和戰(zhàn)場情況，以便判斷敵情，定下正確決心。美軍曾經使用過許多作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)來培訓軍事人員，并取得了顯著的效果。如美國海軍開發(fā)的“虛擬艦艇作戰(zhàn)指揮中心”【12】就能逼真地模擬與真實的艦艇作戰(zhàn)指揮中心幾乎完全相似的環(huán)境，生動的視覺、聽覺和觸覺效果，使受訓軍官沉浸在“真實的”戰(zhàn)場之中。目前，美軍更進一步采取措施，通過設置“軍官虛擬現實教程”來強化人員培訓。這種“軍官虛擬現實教程”的訓練效果大大超過以往陸軍聯合訓

36、練中心所實施的作戰(zhàn)模擬訓練和實戰(zhàn)演習的方法，僅需5 個月左右時間就能培訓出既具備戰(zhàn)術專家素質，又能指揮與控制所屬部隊進行作戰(zhàn)的軍官。為了統(tǒng)一建模方法和數據格式，美陸軍部推行了“作戰(zhàn)模型改進計劃”，設想在一個統(tǒng)一的管理機構下建立一個具有層次結構的陸軍作戰(zhàn)模擬系列，將陸軍各兵種的作戰(zhàn)模型全部納入這個體系中，以培養(yǎng)適應未來戰(zhàn)爭需要的陸軍軍官。圖2.1.4 “Virtual warship command center in battle”of U S Navy2.1.5、提高指揮決策能力在作戰(zhàn)指揮決策領域，VR 技術的應用主要包括兩個方面: 1) 通過對獲取的情報數據在三維戰(zhàn)場環(huán)境上合成逼真的三維戰(zhàn)

37、場態(tài)勢場景，有利于指揮人員更加形象直觀地把握整個戰(zhàn)場態(tài)勢，輔助指揮人員進行決策; 2) 采用基于VR 技術的作戰(zhàn)方案分析系統(tǒng)對指揮決策人員提出的決策方案進行仿真分析，以便更好地為決策人員服務。美國海軍實驗室( NRL) 自主開發(fā)的Dragon 系統(tǒng)可以提供72 h 內90 km 90 km 范圍內的DTED( 數字地形數據) 5 級( 1 m 分辨率) 特征數據和圖像特征，在作戰(zhàn)之前就能夠快速將復雜戰(zhàn)場態(tài)勢可視化，使指揮員及其參謀人員能靈活使用二維或三維動態(tài)顯示系統(tǒng)，更有效地制定任務計劃和演練，評估行動路線，保持對戰(zhàn)場態(tài)勢的認知。2.1.6、縮短武器裝備的研制周期 眾所周知，在高新技術武器開發(fā)

38、的過程中大量地采用VR 技術，設計者可方便自如地介入系統(tǒng)建模和仿真實驗全過程，讓研制者和用戶同時進入虛擬的作戰(zhàn)環(huán)境中操作武器系統(tǒng)，充分利用分布交互式網絡提供的各種虛擬環(huán)境，檢驗武器系統(tǒng)的設計方案和戰(zhàn)技術性能指標及其操作的合理性，縮短了武器系統(tǒng)的研制周期，并能對武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能進行合理評估，從而使武器的性能指標更接近實戰(zhàn)要求。美國第四代戰(zhàn)斗機F 22 和JSF 在研制的全過程中由于采用了VR 技術，實現了三維數字化設計和制造一體化，使研制周期縮短50%，節(jié)省的研制費用超過93%。由于采用VR 技術，在系統(tǒng)設計的初期，就能夠向飛行員提供直接體驗新設計優(yōu)點的“虛擬”系統(tǒng)，并能隨時按照訂貨方要求現場

39、修改設計，美軍利用這一技術成功設計了“阿帕奇”和“科曼奇”武裝直升機的電子座艙等【13】。 最近，美國諾斯羅普格魯曼造船公司正在使用VR 技術設計下一代航空母艦“吉拉德R福特”號。這是美國海軍40 多年以來第一次全程采用基于VR技術的計算機軟件而非圖紙進行設計的航空母艦。圖2.1.6 The simulation training system for product design2.1.7、信息網絡虛擬戰(zhàn) 信息網絡虛擬戰(zhàn)是以計算機成像、電子顯示、話音識別和合成、傳感等技術為基礎實施的信息欺騙。它通過信息網絡某一節(jié)點，把己方計算機與對方聯網，或戰(zhàn)前通過各種途徑將VR 技術植入敵方的指揮控制信息

40、系統(tǒng)中，把己方的虛擬信息即假情報、假決心、假部署傳輸給敵方，迷惑敵人，誘敵判斷失誤; 向敵指揮官和士兵發(fā)布敵方軍官假命令，使敵軍事行動陷入混亂。這種戰(zhàn)法，能使敵方在三維聲像環(huán)境中，看到酷似實物的立體交戰(zhàn)圖像，使敵方不會產生錯覺，增大了欺騙的真實性。由于VR 技術在軍事上能把接受者投放到一種逼真的、為作戰(zhàn)而設置的現實中，可以模擬未來戰(zhàn)場各種復雜情況，從而使敵改變決心和部署。1994 年4月，隨著美軍第一支數字化部隊的建立，美軍就開始著手運用VR 技術進行模擬對抗性演習，并專門成立了“VR 技術欺騙戰(zhàn)”研究小組，由其具體負責技術研制和實驗。 美國國防科技委員會認為: 美國在沙漠風暴、巴爾干半島、阿

41、富汗和伊拉克戰(zhàn)爭的低傷亡率，很大程度上是源于平時的作戰(zhàn)模擬訓練，在這種模擬訓練系統(tǒng)中充分運用了VR 等一系列技術，全方位、多層次、多角度實現戰(zhàn)場態(tài)勢的綜合表現。在美國國防科技委員會2000 年度的報告“Training Superiority and Training Surprise”中總結到“這個20 年前的新發(fā)明不用流一滴血就把我們的單兵和團隊訓練成了戰(zhàn)場上的王牌”【14】。2.2、虛擬現實技術在化學教學中的應用現狀分析2.2.1、ChemLab ChemLab 由美國Corel 公司于1996 年推出。它是一個交互式的化學實驗模擬工具， 通用的實驗裝置和步驟用于模擬一步一步執(zhí)行化學實驗

42、，如圖3.2.1 所示。該軟件以任務為主線，首先，由教師制定一系列學習任務和學習目標，學生在領會學習任務和目標的前提下，通過引導而最大程度地獨立完成實驗。ChemLab 的功能比較突出，但實驗器具和試劑偏少， 實驗模塊之間的自由構建功能體現不足，擴展功能也很有限并且不具備味覺和觸覺功能【15】。圖2.2.1酸堿中和2.2.2、IrYdium Chemistry Lab IrYdium Chemistry Lab 軟件由美國Carnegie Mellon大學基于Java 開發(fā)，有很好的跨平臺性，但運行速度不是很快。它的優(yōu)點在于學生通過網絡來查看學習進度，充分利用空閑時間進行自主學習；將化學藥品的

43、屬性直接展現在屏幕上，方便學生直接使用，如圖3.2.2 所示。但是該軟件只設置了部分實驗，實驗藥品和裝置都不是很充足，在實驗范圍的廣度上有待提升；針對學習者在實驗中可能產生的錯誤沒有做出預測，缺乏錯誤的提示和糾正功能。圖2.2.2 lrydium chemistry lad 的試驗界面2.2.3、浙江大學有機化學虛擬實驗室 浙江大學有機化學虛擬實驗室，是基于Web 的虛擬實驗，如圖3 .2.3所示，該系統(tǒng)的實驗內容主要從基本操作、制備實驗和分離實驗三個方面， 實現對有機化學實驗的虛擬操作。整個實驗系統(tǒng)內容全面、界面清晰、操作步驟明晰并伴有操作提示， 能夠讓學習者在提示作用下快速完成實驗內容。但

44、對于錯誤的實驗完全屏蔽并且每一步都有提示，缺乏對學習者能力的檢測與監(jiān)測。圖2.2.3 減壓蒸餾試驗2.2.4、金華科仿真化學實驗室 金華科仿真化學實驗室，軟件界面設計靈活，實驗內容較豐富，實驗過程具有嚴謹的科學性和開放的交互性，既是化學課堂中的教學平臺，也是化學教師的課件制作平臺和學生的交互式學習平臺。該虛擬實驗系統(tǒng)由仿真化學實驗室、三維分子展示（如圖3.2.4所示）、中學化學小百科三部分組成。仿真化學實驗室的設計界面是二維結構，用戶可以按照自己的需要搭建實驗器材，獨自進行實驗。在實驗整體性上有自己的優(yōu)勢， 并且能夠清晰地看到發(fā)光、氣泡等現象，不足之處在于它沒有對實驗過程中可能存在的錯誤進行分

45、析，并給出錯誤提示和更正處理。圖2.2.4三維分子展示2.2.5、東師理想初中化學虛擬仿真實驗室軟件 東師理想初中化學虛擬仿真實驗室軟件， 囊括了整個初中化學實驗內容， 對全部實驗儀器做了總結并給出了圖形介紹，每個實驗內容實驗儀器展示、實驗介紹四個部分。該軟件通過實驗介紹闡述實驗的教學目標以及實驗的實用性和重要性， 用語音和圖形把實驗操作和注意事項展現給學生，最后通過學生自己的虛擬操作達到理解實驗的目的。整個教學過程思路清晰、目標明確，學生按照既定的操作步驟在操作提示的引導下自主搭建實驗器材， 獨立完成實驗，這既鍛煉了學生的動手能力，又能夠避免真實實驗的危險。此系統(tǒng)在實驗流程上還屬于線性的，缺

46、乏發(fā)散思維和創(chuàng)新思維的引導， 通過既定的儀器完成既定的實驗任務是該系統(tǒng)的不足之處。從技術領域來說， 目前應用于化學學科教學中的虛擬現實系統(tǒng)大部分都是二維的結構， 金華科仿真化學實驗室以及東師理想初中化學虛擬仿真實驗室中涉及的分子結構模型是三維呈現。虛擬現實技術目前主要采用建模工具軟件，如3DS MAX、Multigen Creator、Maya、Solid-Works 等，進行環(huán)境建模；再利用虛擬現實技術開發(fā)工具和平臺提供的強大引擎和SDK 工具包實現場景的實時繪制、仿真和交互操作等功能；最后優(yōu)化并生成特定文件格式的虛擬現實產品并發(fā)布。目前使用的虛擬現實技術的開發(fā)工具和平臺有Java3D、Op

47、en GVS、VRML、Cult3D、EON、Quest3D、Virtools 等，不同的技術各有其特點。虛擬實驗系統(tǒng)在技術上已經很容易實現， 但在教與學的方式還需要進一步改善。以上系統(tǒng)都只是采用傳統(tǒng)的以教為中心的教學模式，整個學習過程只是按照既定的教學步驟而進行，不能對學生的思維進行引導；實驗過程中不能突出對學生技能的訓練，缺乏對學生的智慧技能以及協作學習能力的考察；對學生在實驗中所出現的錯誤沒有作出預測并及時更正也是以上系統(tǒng)所缺乏的功能?！?6】2.3、虛擬現實技術在機械設計與制造中應用2.3.1、虛擬產品概念設計 概念設計(Conceptual Design) 是創(chuàng)造性思維的一種體現,概

48、念產品是一種理想化的物質形式. 概念設計是指對產品起始的設計構思,目的是為了捕捉產品的基本形態(tài). 概念設計是產品設計過程中的重要階段,因為產品成本的60 %70 %【9】是概念設計決定的,虛擬概念設計使用虛擬現實技術,為設計者提供基于語言識別和手勢跟蹤的輸入方式,設計者可隨時、方便地在三維虛擬環(huán)境中操縱產品及零件并改變或修改產品的各種形態(tài)建模,并可以在三維空間中對設計對象進行觀察和操作,其目的是獲得足夠多的有關產品式樣和形狀的信息,從而達到滿意的效果.目前國際上流行的一種故事版情景預言法的概念設計,就是將要開發(fā)的產品置于一定的人、時、地、事和物中進行觀察、預測、想象和情景分析,故事版的平面設計

49、使產品在設計的開始便多了一份生命和靈氣。虛擬現實技術在產品概念設計中的應用,使設計師的設計思路和設計表達更加清晰、形象、逼真,讓人更多了一種直觀的、親切的交互的感受. 這樣的開發(fā)設計大大減少了投放市場的風險性,保證產品開發(fā)一次性成功. 在概念設計中,采用頭腦風暴法進行方案創(chuàng)意,可以將體驗設計思想更好地融于其中,也就是更多關注產品使用者的感受,而非產品本身. 設計時可以針對不同用戶及愛好者的需求,在不同的虛擬環(huán)境中,讓他們親自體驗修改模型的感受;利用觸摸屏來選擇產品的造型、色彩、裝飾風格等許多可選部件,在渲染和生成十分逼真的三維模型時,充分感受了自己所喜愛的產品在虛擬環(huán)境中的“真實”情況. 甚至

50、還可根據用戶的建議,邀請專家和部分用戶一起對模型提出修改意見,觀察設計和修改過程,直至大多數人滿意為止. 比如在開發(fā)設計健身器械時【1718】,可以允許消費者在購買商品前在虛擬的健身器械環(huán)境體驗不同設備的功能,并按照具體用戶高低胖瘦及本人的喜好評價,選擇和重組這些設備,且可以自己提出修改意見,所有反饋結果將被存儲并通過網絡傳到生產部門進行實際生產。2.3.2、虛擬設計虛擬設計(Virtual Design)【1920】就是設計人員設計一個虛擬的產品,來分析、研究、檢查所設計的產品是否滿意設計要求,有問題及時修改,使產品設計更為完善. 或者說虛擬現實技術用于產品的開發(fā)設計. 虛擬系統(tǒng)的構成原理大

51、同小異.一般虛擬設計系統(tǒng)都包括兩部分,一是虛擬環(huán)境生成器,這是虛擬設計系統(tǒng)的主體,另一個是外圍設備(人機交互工具以及數據傳輸、信號控制裝置) ,虛擬環(huán)境生成器可以根據任務的性能和用戶要求,在工具軟件和數據庫的支持下產生任務所需的、多維的、適人化的情景和實例. 它由計算機基本軟硬件、軟件開發(fā)工具和其他設備組成,實際上就是一個包括各種數據庫的高性能圖形工作站. 虛擬設計系統(tǒng)的交互技術是虛擬設計優(yōu)勢的體現,目前虛擬設計系統(tǒng)的交互技術主要集中于視覺、聽覺、觸覺三個方面,這三個方面的輸入和輸出設備是虛擬交互的主要方式. 例如:頭盔式顯示器、數據手套、三維聲音處理器、視點跟蹤、數據衣、語音輸入等等. 虛擬

52、設計涉及到許多的學科和專業(yè)技術,屬于多學科交互技術,在工程設計上,目前提出兩種基于虛擬現實的工程設計方法. 一種是利用現有的CAD 系統(tǒng)產生模型,再將其轉換成虛擬現實軟件支持的格式,然后將模型輸入到虛擬現實軟件的環(huán)境中,完成虛擬產品的設計,用戶充分利用各種增強的效果設備,如頭盔顯示器等產生臨境感。另一種是VR - CAD 系統(tǒng),將虛擬現實技術引入CAD 環(huán)境,這種設計環(huán)境中的對象不僅具有外形,而且還有重量、材料特性、表面硬度以及一些內在的物理性能、功能作用等信息、對象之間相互作用時能反映出對象內部結構狀態(tài)等隨外部輸入的實時改變。 設計者直接在虛擬環(huán)境中參與設計,采用虛擬設計可以對產品的外形設計

53、、產品的布局設計、產品的運動和動力仿真設計,例如:在減速器的設計中可以隨時對其殼體修改、評測,方案確定后的建模數據可直接用于成型模具設計、仿真加工；可以通過虛擬現實技術直觀進行布局設計,避免出現的干涉和其它不合理問題。2.3.3、虛擬制造 虛擬制造(Virtual Manufacturing)【2122】是實際制造過程在計算機上的映射,即采用計算機仿真與虛擬現實技術,在高性能計算機及高速網絡的支持下,在計算機上群組協同工作,實現產品設計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質量檢驗以及企業(yè)各級過程的管理與控制等產品制造的本質過程,以增強制造過程各級的決策與控制能力. 由于應用的不同要求而存在的不同的

54、側重點,因此出現三種流派,即以設計為中心的虛擬制造,以生產為中心的虛擬制造和以控制為中心的虛擬制造. 如減速器設計殼體成型中,利用數值模擬和物理模擬方法,對金屬材料熱成形過程進行動態(tài)仿真,預測不同條件下成形材料的組織、性能及質量,進而實現熱成形件的質量與性能的優(yōu)化設計;對于軸、齒輪等零件加工過程仿真,通過虛擬加工(Virtual Machining) ,選擇最佳的機床刀具路徑和加工參數,分析和評定產品設計的合理性、可加工性、加工方法以及加工過程中可能出現的加工缺陷等。用虛擬樣機代替具體減速器(或其物理模型) ,對產品的全壽命周期進行展示、分析和測試,對存在問題的地方進行修改,提高產品一次試驗成

55、功率,減少設計制造費用，縮短設計開發(fā)周期,優(yōu)化設計,保證產品質量。：虛擬現實理論與技術的發(fā)展方向及研究重點3.1、虛擬現實技術的幾個瓶頸問題3.1.1、虛擬環(huán)境表示的準確性為使虛擬環(huán)境與客觀世界相一致，需要對其中種類繁多、構形復雜的信息做出準確、完備的描述。同時，需要研究高效的建模方法，重建其演化規(guī)律以及虛擬對象之間的各種相互關系與相互作用【23】。3.1.2、虛擬環(huán)境感知信息合成的真實性 抽象的信息模型并不能直接為人類所直接感知，這就需要研究虛擬環(huán)境的視覺、聽覺、力覺和觸覺等感知信息的合成方法，重點解決合成信息的高保真性和實時性問題，以提高沉浸感。3.1.3、人與虛擬環(huán)境交互的自然性 合成的

56、感知信息實時地通過界面?zhèn)鬟f給用戶，用戶根據感知到的信息對虛擬環(huán)境中事件和態(tài)勢做出分析和判斷，并以自然方式實現與虛擬環(huán)境的交互。這就需要研究基于非精確信息的多通道人機交互模式和個性化的自然交互技術等，以提高人機交互效率。3.1.4、實時顯示問題 盡管理論上講能夠建立起高度逼真的，實時漫游的VR，但至少現在來講還達不到這樣的水平。這種技術需要強有力的硬件條件的支撐，例如速度極快的圖形工作站和三維圖形加速卡，但目前即使是最快的圖形工作站也不能產生十分逼真，同時又是實時交互的VR。其根本原因是因為引入了用戶交互，需要動態(tài)生成新的圖形時，就不能達到實時要求，從而不得不降低圖形的逼真度以減少處理時間，這就

57、是所謂的景物復雜度問題。3.1.5、圖形生成 圖形生成是虛擬現實的重要瓶頸，虛擬現實最重要的特性是人可以在隨意變化的交互控制下感受到場景的動態(tài)特性，換句話說，虛擬現實系統(tǒng)要求隨著人的活動(位置、方向的變化)即時生成相應的圖形畫面。3.1.6、智能技術(Artificial Intelligence，簡稱AI) 在VR中，計算機是從人的各種動作，語言等變化中獲得信息，要正確理解這些信息，需要借助于AI技術來解決，如語音識別、圖像識別、自然語言理解等，這些智能接口領域的研究課題是VR技術的基礎，同時也是VR技術的難點。本質上，上述6個問題的解決使得用戶能夠身臨其境地感知虛擬環(huán)境【24】，從而達到探

58、索、認識客觀事物的目的。概括地說，圍繞著虛擬現實展開的研究都是圍繞著這6個基本問題的。 3.2、虛擬現實技術的未來發(fā)展趨勢 VR技術的實質是構建一種人為的能與之進行自由交互的“世界”，在這個“世界”中參與者可以實時地探索或移動其中的對象。沉浸式虛擬現實是最理想的追求目標，實現的方式主要是戴上特制的頭盔顯示器、數據手套以及身體部位跟器，通過聽覺、觸覺和視覺在虛擬場景中進行體驗?？梢灶A測短期內游戲玩家可以戴上頭盔身著游戲專用衣服及手套真正體驗身臨其境的“虛擬現實”游戲空間，它的出現將淘汰現有的各種大型游戲，推動科技的發(fā)展【25】?？v觀VR的發(fā)展歷程，未來VR技術的研究仍將延續(xù)“低成本、高性能”原則

59、，從軟件、硬件兩方面展開，發(fā)展方向主要歸納如下：3.2.1、動態(tài)環(huán)境建模技術 虛擬環(huán)境的建立是VR技術的核心內容，動態(tài)環(huán)境建模技術的目的是獲取實際環(huán)境的三維數據，并根據需要建立相應的虛擬環(huán)境模型。3.2.2、實時三維圖形生成和顯示技術 三維圖形的生成技術已比較成熟，而關鍵是怎樣“實時生成”，在不降低圖形的質量和復雜程度的基礎上，如何提高刷新頻率將是今后重要的研究內容。此外，VR還依賴于立體顯示和傳感器技術的發(fā)展，現有的虛擬設備還不能滿足系統(tǒng)的需要，有必要開發(fā)新的三維圖形生成和顯示技術。3.2.3、新型交互設備的研制虛擬現實技術實現人能夠自由與虛擬世界對象進行交互，猶如身臨其境，借助的輸入輸出設

60、備主要有頭盔顯示器、數據手套、數據衣服、三維位置傳感器和三維聲音產生器等【26】。因此，新型、便宜、魯棒性優(yōu)良的數據手套和數據服將成為未來研究的重要方向。3.2.4、智能化語音虛擬現實建模虛擬現實建模是一個比較繁復的過程，需要大量的時間和精力。如果將VR技術與智能技術、語音識別技術結合起來，可以很好地解決這個問題。我們對模型的屬性、方法和一般特點的描述通過語音識別技術轉化成建模所需的數據，然后利用計算機的圖形處理技術和人工智能技術進行設計、導航以及評價，將模型用對象表示出來，并且將各種基本模型靜態(tài)或動態(tài)地連接起來，最終形成系統(tǒng)模型。人工智能一直是業(yè)界的難題，人工智能在各個領域十分有用，在虛擬世