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文檔簡(jiǎn)介
虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)本章介紹虛擬現(xiàn)實(shí)的各種應(yīng)用,包括軍事應(yīng)用、航空航天應(yīng)用、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、外科手術(shù)和人體器官的模擬、科學(xué)研究和計(jì)算的可視化、教育、游戲和其它方面的應(yīng)用等。通過(guò)本章讀者可以對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的各種應(yīng)用有所了解,為今后開(kāi)發(fā)和使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)起到很大的作用。
本章介紹虛擬現(xiàn)實(shí)的各種應(yīng)用,包括軍事應(yīng)用、航空航天應(yīng)8.1軍事應(yīng)用8.2航空航天應(yīng)用8.3計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)8.4外科手術(shù)和人體器官的模擬8.5科學(xué)研究和計(jì)算的可視化8.6教育游戲和其他8.1軍事應(yīng)用8.2航空航天應(yīng)用8.3計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)8.4外8.1軍事應(yīng)用8.1.1軍事應(yīng)用的目的8.1.2軍事應(yīng)用的領(lǐng)域8.1.3軍事應(yīng)用的實(shí)例8.1軍事應(yīng)用8.1.1軍事應(yīng)用的目的8.1.1軍事應(yīng)用的目的當(dāng)前趨勢(shì)是增加技術(shù)復(fù)雜性和縮短軍用硬件的生命周期,這要求仿真器是靈活的、可升級(jí)的和可聯(lián)網(wǎng)的,并允許遠(yuǎn)地仿真,不需要訓(xùn)練者去到仿真器地方。在隊(duì)伍仿真中也需要網(wǎng)絡(luò),它比單用戶(hù)仿真要真實(shí),要求虛擬現(xiàn)實(shí)是可聯(lián)網(wǎng)的、靈活的和可升級(jí)的,由此理想地滿(mǎn)足軍事的需要。在軍事應(yīng)用中,采用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)不僅提高了作戰(zhàn)能力和指揮效能,而且提高了訓(xùn)練水平,大大減少了軍事開(kāi)支,節(jié)省了大量人力、物力,同時(shí)可以保證安全。8.1.1軍事應(yīng)用的目的8.1.2軍事應(yīng)用的領(lǐng)域1.訓(xùn)練方面(1)模擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境(2)設(shè)計(jì)單兵訓(xùn)練器(3)團(tuán)隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練8.1.2軍事應(yīng)用的領(lǐng)域1.訓(xùn)練方面2.武器裝備的研究
在武器裝備研究與新武器展示中主要有以下應(yīng)用:(1)在武器設(shè)計(jì)研制過(guò)程中,采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供先期演示,檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,把先進(jìn)設(shè)計(jì)思想融入武器裝備研制的全過(guò)程,從而保證總體質(zhì)量和效能,實(shí)現(xiàn)武器裝備投資的最佳選擇,對(duì)于有些無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)成本太高的武器研制工作,也可由虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)來(lái)完成。所以盡管不進(jìn)行武器試驗(yàn),也能不斷改進(jìn)武器性能。
2.武器裝備的研究(2)研制者和用戶(hù)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),可以很方便地介入系統(tǒng)建模和仿真試驗(yàn)的全過(guò)程,既能加快武器系統(tǒng)的研制周期,又能合理評(píng)估其作戰(zhàn)效能及其操作的合理性,使之更接近實(shí)戰(zhàn)的要求。(3)采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)未來(lái)高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、武器裝備的技術(shù)性能和使用效率等方面進(jìn)行仿真,有利于選擇重點(diǎn)發(fā)展的武器裝備體系,改善其整體質(zhì)量和作戰(zhàn)效果。(4)很多武器供應(yīng)商借助于網(wǎng)絡(luò),采用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)來(lái)展示武器的各種性能。
(2)研制者和用戶(hù)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),可以很方便地介(1)在美國(guó)陸軍中,他們利用虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真器實(shí)現(xiàn)各種層次的軍事訓(xùn)練,如單兵訓(xùn)練、排級(jí)指揮員的訓(xùn)練、連和營(yíng)一級(jí)的訓(xùn)練等。(2)在美國(guó)海軍中,開(kāi)發(fā)了一種VESUB(VirtualEnvironmentforSubmarineShipHandlingTraining)仿真器。它主要用于甲板上的訓(xùn)練。(3)在美國(guó)空軍中,開(kāi)發(fā)出了更多的仿真器。如單元教練機(jī)和虛擬座艙。8.1.3軍事應(yīng)用的實(shí)例(1)在美國(guó)陸軍中,他們利用虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真器實(shí)現(xiàn)各種層次的軍在航空航天方面,美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)于20世紀(jì)80年代初就開(kāi)始研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),并于1984年研制出新型的頭盔顯示器。90年代以來(lái),虛擬現(xiàn)實(shí)的研究與應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。宇航員利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行了各種訓(xùn)練。美國(guó)國(guó)家航空航天局計(jì)劃將虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)用于國(guó)際空間站組裝、訓(xùn)練等工作。另外,近些年來(lái),歐洲、俄羅斯、日本等都開(kāi)展虛擬現(xiàn)實(shí)在航空航天系統(tǒng)的研制及人員訓(xùn)練中的應(yīng)用。我國(guó)也在這一領(lǐng)域進(jìn)行著大量的研究工作。
8.2航空航天應(yīng)用在航空航天方面,美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)于20世紀(jì)80
虛擬現(xiàn)實(shí)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的目的主要有兩點(diǎn):一是幫助設(shè)計(jì)復(fù)雜的航空航天系統(tǒng)。航空系統(tǒng)包括各類(lèi)飛行器,如直升機(jī)、大型飛機(jī)、超音速戰(zhàn)斗機(jī)、導(dǎo)彈、飛艇等。航天系統(tǒng)則包括各類(lèi)衛(wèi)星、太空火箭、航天飛機(jī)、空間站等。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以很好地模擬高空及太空環(huán)境,幫助了解和掌握各類(lèi)系統(tǒng)在一定環(huán)境下的工作情況。同時(shí)降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的費(fèi)用,縮短設(shè)計(jì)周期等。另一目的是訓(xùn)練各類(lèi)人員,包括航空飛行器駕駛員以及宇航員等??傊?,通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),近些年來(lái)大大推動(dòng)了航空航天領(lǐng)域的發(fā)展,使人類(lèi)在這一領(lǐng)域有了極大的進(jìn)步。8.2.1航空航天應(yīng)用的目的虛擬現(xiàn)實(shí)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的目的主要有兩點(diǎn):一是幫助下面著重介紹幾個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)例。NASA的虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練EVA的虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練美國(guó)空軍的虛擬座艙虛擬風(fēng)洞8.2.2航空航天應(yīng)用的實(shí)例下面著重介紹幾個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)例。8.2.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)離不開(kāi)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。那么虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)必然會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用,其中之一就是用于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)幾乎覆蓋各個(gè)方面。如果在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中采用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),就只需在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的對(duì)象前加入“虛擬”二字,就可以體現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。當(dāng)然,它們?cè)O(shè)計(jì)的基本原理是一致的。下面以?xún)蓚€(gè)完全不同的兩個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn):虛擬樣機(jī)以及虛擬建筑設(shè)計(jì)和城市規(guī)劃。8.3計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)離不開(kāi)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。那么虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在制造業(yè),一個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期包括:設(shè)計(jì)階段、表現(xiàn)階段(購(gòu)買(mǎi)原材料和安裝設(shè)備)、員工培訓(xùn)和實(shí)際生產(chǎn)階段。虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)對(duì)每一階段都能發(fā)揮重要的作用采用虛擬制造技術(shù),可以在設(shè)計(jì)階段就對(duì)設(shè)計(jì)的方案、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行仿真,解決大多數(shù)問(wèn)題,提高一次試制成功率。用虛擬原型樣機(jī)技術(shù)取代傳統(tǒng)的硬件樣機(jī),可以大大節(jié)約新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期和費(fèi)用,很容易地發(fā)現(xiàn)許多以前難以發(fā)現(xiàn)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。同時(shí),還可以明顯地改善開(kāi)發(fā)團(tuán)體成員之間的意見(jiàn)交流方式。8.3.1虛擬原型設(shè)計(jì)在制造業(yè),一個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期包括:設(shè)計(jì)階段、表現(xiàn)階段(在城市規(guī)劃、工程建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被作為輔助開(kāi)發(fā)工具。規(guī)劃決策者、規(guī)劃設(shè)計(jì)者、城市建設(shè)管理者以及公眾在城市規(guī)劃中扮演不同的角色,有效的合作是保證城市規(guī)劃最終成功的前提。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為這種合作提供了理想的溝通橋梁,打破了專(zhuān)業(yè)人士和非專(zhuān)業(yè)人士之間的溝通障礙它支持多方案比較,不同的方案、不同的規(guī)劃設(shè)計(jì)意圖通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)時(shí)地反映出來(lái),用戶(hù)可以做出很全面的對(duì)比,另外虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以快捷、方便的隨著方案的變化而進(jìn)行調(diào)整,輔助用戶(hù)做出決定。從而大大加快了方案設(shè)計(jì)的速度和質(zhì)量,也節(jié)省了大量的資金虛擬現(xiàn)實(shí)在重大工程項(xiàng)目論證中的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)一個(gè)極好的展示大型規(guī)劃項(xiàng)目的工具8.3.2虛擬建筑設(shè)計(jì)與城市規(guī)劃在城市規(guī)劃、工程建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被作為輔助開(kāi)發(fā)工具在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的飛速發(fā)展以及兩者之間的融合使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已開(kāi)始對(duì)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。目前正處于應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的初級(jí)階段,其應(yīng)用范圍包括從建立合成藥物的分子結(jié)構(gòu)模型到各種醫(yī)學(xué)模型,以及進(jìn)行解剖和外科手術(shù)教育。在此領(lǐng)域,虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用大致上有兩類(lèi):一是虛擬手術(shù)系統(tǒng),可用于指導(dǎo)手術(shù)的進(jìn)行。另一類(lèi)是虛擬人體器官,它使醫(yī)生更容易了解人體的構(gòu)造和功能。8.4外科手術(shù)和人體器官的模擬在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的飛速發(fā)展以及兩者之虛擬手術(shù)系統(tǒng)可以實(shí)施遠(yuǎn)程手術(shù)。醫(yī)生對(duì)病人模型進(jìn)行手術(shù),他的動(dòng)作通過(guò)傳輸通道傳到遠(yuǎn)處的手術(shù)機(jī)器人。手術(shù)的實(shí)際圖像通過(guò)機(jī)器人上的攝像機(jī)傳回醫(yī)生的頭盔立體顯示器,并將其和虛擬病人模型進(jìn)行疊加,即采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),可為醫(yī)生提供有用的信息。另外,虛擬手術(shù)系統(tǒng)對(duì)于復(fù)雜手術(shù)的計(jì)劃安排、手術(shù)過(guò)程的信息指導(dǎo)、手術(shù)后果預(yù)測(cè)及改善殘疾人生活狀況等都有十分重要的意義。例如,在外科手術(shù)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以進(jìn)行麻醉醫(yī)師和靜脈注射護(hù)士的培訓(xùn)、為把對(duì)病人造成外科損傷降低至最小的實(shí)習(xí)醫(yī)生開(kāi)刀培訓(xùn)、復(fù)雜外科手術(shù)的設(shè)計(jì)、手術(shù)過(guò)程中的指引和幫助信息的提供、手術(shù)結(jié)果的預(yù)測(cè)等。這樣,通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),外科醫(yī)生可以重復(fù)練習(xí),從而降低病人的風(fēng)險(xiǎn)。
8.4.1虛擬手術(shù)系統(tǒng)虛擬手術(shù)系統(tǒng)可以實(shí)施遠(yuǎn)程手術(shù)。醫(yī)生對(duì)病人模型進(jìn)行手術(shù),虛擬人體器官在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義,主要可用于教學(xué)與科研,在基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的解剖室環(huán)境中,學(xué)生和教師可以直接與三維模型交互。借助于跟蹤球、頭盔顯示器、感覺(jué)手套等虛擬的探索工具,可以達(dá)到常規(guī)方法(用真實(shí)標(biāo)本)不可能達(dá)到的效果,學(xué)生可以很容易了解人體內(nèi)部各器官結(jié)構(gòu),這比現(xiàn)有的采用教科書(shū)的方式要有效得多。又如虛擬模型的鏈接和拆分、透明度或大小的變化、產(chǎn)生任意的橫切面視圖、測(cè)量大小和距離(用虛擬尺)、結(jié)構(gòu)的標(biāo)記和標(biāo)識(shí)、繪制線條和對(duì)象(用空間繪圖工具)等。
8.4.2虛擬人體器官虛擬人體器官在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義,在其它醫(yī)學(xué)教學(xué)中利用可視化人體數(shù)據(jù)集的全部或部分?jǐn)?shù)據(jù),經(jīng)過(guò)3D可視化,為學(xué)生展現(xiàn)人體器官和組織。另外,還可以進(jìn)行功能化的演示,例如心臟的電生理學(xué)的多媒體教學(xué),它基于可視人體數(shù)據(jù)集的解剖模型,通過(guò)電激勵(lì)傳播仿真的方法,計(jì)算出不同的時(shí)間和空間物理場(chǎng)的分布,并采用動(dòng)畫(huà)的形式進(jìn)行可視化,用戶(hù)可以與模型交互,觀看不同的變換效果。在虛擬的人體器官中,較為成功的是“可視人”的產(chǎn)生。它是在20世紀(jì)90年代中期,由美國(guó)國(guó)家醫(yī)學(xué)圖書(shū)館和科羅拉多大學(xué)聯(lián)合制作的這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的解剖模型。該模型無(wú)需任何費(fèi)用就可以在互聯(lián)網(wǎng)上得到。其制作過(guò)程是將一個(gè)男性和女性尸體拍照(利用CT和核磁共振成像MRI),在冷凍,在拍照,并從頭部到腳趾進(jìn)行切片,對(duì)每個(gè)切片依次進(jìn)行拍照及數(shù)字化,最后得到一個(gè)千兆位級(jí)的二維圖像數(shù)據(jù)庫(kù)。該模型為解剖課程提供了一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù),使研究和教學(xué)人員能夠在這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)上進(jìn)行必要的三維形狀抽取和動(dòng)畫(huà)算法的測(cè)試。
在其它醫(yī)學(xué)教學(xué)中利用可視化人體數(shù)據(jù)集的全部或部分?jǐn)?shù)據(jù),8.5.1信息可視化的概念8.5.2虛擬分子結(jié)構(gòu)模型8.5.3地震石油勘探數(shù)據(jù)處理8.5.4體數(shù)據(jù)的可視化8.5科學(xué)研究和計(jì)算的可視化8.5.1信息可視化的概念8.5科學(xué)研究和計(jì)算的可視化科學(xué)可視化是用計(jì)算機(jī)圖形產(chǎn)生視覺(jué)圖像,幫助理解科學(xué)概念或結(jié)果復(fù)雜的數(shù)值表示。這種數(shù)的表示或數(shù)據(jù)集,可能是數(shù)值仿真的結(jié)果(如計(jì)算流體力學(xué)或分子模型)、記錄的數(shù)據(jù)(如在地質(zhì)和航天應(yīng)用中),或構(gòu)造的形狀。這些仿真可能包括三維體積中的高維數(shù)據(jù),并往往隨時(shí)間而變化。由于數(shù)據(jù)集中不同的位置可能顯示出不同的特性,因此在定位上的困難將妨礙科學(xué)探索。在某種意義上,復(fù)雜現(xiàn)象的科學(xué)考察,部分取決于我們開(kāi)發(fā)三維顯示的能力。8.5.1信息可視化的概念科學(xué)可視化是用計(jì)算機(jī)圖形產(chǎn)生視覺(jué)圖像,幫助理解科學(xué)概信息可視化要求抽象數(shù)量和概念的信息顯示,不是真實(shí)世界中物體的真實(shí)表示。于是,信息可視化的要求是精確表示,而不是逼真表示(實(shí)際上并無(wú)真實(shí)世界可比)。下圖是虛擬現(xiàn)實(shí)科學(xué)可視化的流程圖。
信息可視化要求抽象數(shù)量和概念的信息顯示,不是真實(shí)世界中物虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用較多,從建立合成藥物的分子到各種醫(yī)學(xué)模型等。北卡來(lái)羅大學(xué)大學(xué)采用了GROPE虛擬仿真器,它可以讓研究人員看到一種藥物分子是如何與其它生物化學(xué)物質(zhì)相互作用的。這些技術(shù)大大加速了藥物的開(kāi)發(fā)過(guò)程。8.5.2虛擬分子結(jié)構(gòu)模型虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用較多,從建立合成藥物的石油與天然氣工業(yè)是積極從事信息可視化的經(jīng)濟(jì)部門(mén)之一。其原因是由于油氣勘探及其良好的管理模式所帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)利益。對(duì)地震數(shù)據(jù)的可視化與推動(dòng)有助于發(fā)現(xiàn)新的油田。它可以幫助地質(zhì)學(xué)家、地球物理學(xué)家、工程師團(tuán)隊(duì)在幾十兆字節(jié)的數(shù)據(jù)中尋找那些表示地下可能有油田的數(shù)據(jù)變化。地震數(shù)據(jù)是三維數(shù)據(jù),因而很適合在虛擬現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行可視化。以虛擬環(huán)境為中介的可視化能夠使用比桌面CRT顯示器更大的顯示設(shè)備,從而可以更好地對(duì)大容量的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化。另外,可視化軟件的研制幫助人們可以實(shí)時(shí)得到鉆探數(shù)據(jù),如泵速、扭矩、方位角和轉(zhuǎn)速等,提供有關(guān)鉆探的地質(zhì)情況的有用信息。這些信息存入保存有地震信息的數(shù)據(jù)庫(kù),這樣可以生成一個(gè)三維模型,并根據(jù)鉆探數(shù)據(jù)來(lái)確定或者修改數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息。
8.5.3地震石油勘探數(shù)據(jù)處理石油與天然氣工業(yè)是積極從事信息可視化的經(jīng)濟(jì)部門(mén)之一。所謂體數(shù)據(jù)的可視化是指體圖形、體可視化硬件加速、以立體的方式為用戶(hù)表現(xiàn)這些數(shù)據(jù)所需的專(zhuān)用顯示設(shè)備以及新的人機(jī)接口技術(shù)等。體圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個(gè)分支,主要研究合成、繪制和操縱用體表示的場(chǎng)景。體圖形的研究是從真實(shí)對(duì)象的幾何模型或者采樣數(shù)據(jù)開(kāi)始的。例如身體的二維CT切片數(shù)據(jù)。無(wú)論數(shù)據(jù)是采樣得到的,還是計(jì)算出來(lái)的,都首先進(jìn)行體素化,以體素格式存儲(chǔ)對(duì)象的相應(yīng)信息。從而能夠看得見(jiàn)該對(duì)象。此外,還需要繪制體結(jié)構(gòu),加入光照效果和明暗處理。體圖形除了可以表現(xiàn)對(duì)象內(nèi)部細(xì)節(jié)和提高更多的視覺(jué)信息之外,還具有其它一些優(yōu)點(diǎn)。首先,由于體素化的過(guò)程是離線進(jìn)行的,它與光柵圖形不同,不受場(chǎng)景復(fù)雜度的影響。其次,掃描轉(zhuǎn)換與場(chǎng)景刷新是分離的。所以,體圖形是與視角無(wú)關(guān)的,體素可以更容易地表現(xiàn)對(duì)象的體積、范圍和距離等。體圖形也存在缺陷,如需要大量的存儲(chǔ)空間和專(zhuān)門(mén)的處理硬件,存在空間走樣現(xiàn)象等。8.5.4體數(shù)據(jù)的可視化所謂體數(shù)據(jù)的可視化是指體圖形、體可視化硬件加速、以立體8.6.1虛擬校園8.6.2虛擬教學(xué)與實(shí)驗(yàn)8.6.3虛擬博物館8.6.4虛擬現(xiàn)實(shí)游戲8.6教育、游戲和其他8.6.1虛擬校園8.6教育、游戲和其他虛擬校園是指從因特網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、網(wǎng)上虛擬社區(qū)和3S技術(shù)的發(fā)展角度,對(duì)現(xiàn)實(shí)校園三維景觀和教學(xué)環(huán)境的數(shù)字化和虛擬化,是基于現(xiàn)實(shí)校園的一個(gè)三維虛擬環(huán)境,用于支持對(duì)現(xiàn)實(shí)校園的資源管理、環(huán)境規(guī)劃和學(xué)校發(fā)展。虛擬校園在現(xiàn)在很多高校都有成功的例子。我們知道,大學(xué)對(duì)每個(gè)人來(lái)說(shuō)有特殊的感情,大學(xué)校園的學(xué)習(xí)氛圍、校園文化對(duì)我們具有巨大影響,教師、同學(xué)、教室、實(shí)驗(yàn)室等,校園的一草一木無(wú)不潛移默化地影響著我們每一個(gè)人,我們從中得到的教育從某種程度來(lái)說(shuō),可能超出書(shū)本所給與我們的。網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用,使我們可以仿真校園環(huán)境。因此虛擬校園成了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)、教育最早的具體應(yīng)用。目前虛擬校園主要以實(shí)現(xiàn)瀏覽功能為主。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用普及,虛擬校園的發(fā)展將走向一個(gè)新的更高階段。8.6.1虛擬校園虛擬校園是指從因特網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、網(wǎng)上虛擬社區(qū)和3S 在學(xué)校教育中,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用較多,特別是對(duì)于理工科類(lèi)課程的教學(xué),尤其在建筑、機(jī)械、生物、化學(xué)等學(xué)科教學(xué)中有著質(zhì)的突破。它不僅適用于課堂教學(xué),使之更形象生動(dòng),也適用于互動(dòng)性實(shí)驗(yàn)中。很多大學(xué)都有虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究中心或?qū)嶒?yàn)室。研究人員把虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于教學(xué),開(kāi)發(fā)了虛擬教育環(huán)境。8.6.2虛擬教學(xué)與實(shí)驗(yàn) 在學(xué)校教育中,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用較多,特別是對(duì)于理工藝術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)將起重要作用的另一個(gè)領(lǐng)域。為了更好地傳達(dá)作者的信息,采用新的表達(dá)媒介—虛擬現(xiàn)實(shí),已漸漸成為一種時(shí)尚。虛擬博物館是一個(gè)典型的實(shí)例。人們?cè)谧约杭依锞涂赏ㄟ^(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入電子博物館。參觀者可以瀏覽“故宮”,欣賞不列顛博物館、盧浮宮或大都市博物館,不必去倫敦、巴黎或紐約?,F(xiàn)在有很多的博物館建立了自己的網(wǎng)站,允許人們虛擬漫游。
8.6.3虛擬博物館藝術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)將起重要作用的另一個(gè)領(lǐng)域。為了更好地傳達(dá)虛擬現(xiàn)實(shí)游戲是是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用最廣闊的領(lǐng)域。豐富的感覺(jué)能力與3D顯示世界使得虛擬現(xiàn)實(shí)成為理想的視頻游戲工具。由于虛擬現(xiàn)實(shí)游戲?qū)μ摂M現(xiàn)實(shí)的真實(shí)感要求不是太高,所以近幾年來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)在這方面發(fā)展的較為迅猛。世界上第一個(gè)較大的虛擬現(xiàn)實(shí)游戲系統(tǒng)是“BattleTechCenter”,是1990年8月在芝加哥開(kāi)放的。主題是3025年的未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng),由稱(chēng)為“BattleMech”的人控制的強(qiáng)大的機(jī)器人作戰(zhàn)。這是成隊(duì)作戰(zhàn)的游戲,在“BattleMech”游戲中,四個(gè)游戲者組成一隊(duì),與其他隊(duì)競(jìng)賽。各隊(duì)的交互是由每個(gè)“座艙”仿真器的聯(lián)網(wǎng)。由放大的級(jí)別增加交互性。得到的仿真是統(tǒng)一的,因?yàn)殡S著改變隊(duì)伍隊(duì)員的技巧,場(chǎng)景也改變。系統(tǒng)有16個(gè)座艙,允許四隊(duì)同時(shí)玩。1992年在日本橫濱開(kāi)放了第二個(gè),它增加到32個(gè)座艙,并升級(jí)為第二代BattleMech座艙。提高了圖像的分辨力并增加了Machitosh觸摸屏顯示,顯示游戲現(xiàn)場(chǎng)的虛擬攝像機(jī)和用于任務(wù)匯報(bào)的加速圖形重放。
8.6.4虛擬現(xiàn)實(shí)游戲虛擬現(xiàn)實(shí)游戲是是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用最廣闊的領(lǐng)域。豐富的感世界上第一個(gè)基于頭盔顯示器的游戲系統(tǒng)是1991年英國(guó)W-IndustriesLtd.開(kāi)發(fā)的。這個(gè)沉浸的虛像現(xiàn)實(shí)電子游戲系統(tǒng)稱(chēng)為“Virtuality”,以后在美國(guó)有HorizonEntertainment銷(xiāo)售。專(zhuān)門(mén)的“ergolock(人機(jī)工程鎖)”配合系統(tǒng)改進(jìn)用戶(hù)佩戴眼鏡時(shí)的舒適程度。交互是通過(guò)3-D操縱或傳感駕駛盤(pán)和腳踏板來(lái)實(shí)現(xiàn)的。世界上第一個(gè)基于頭盔顯示器的游戲系統(tǒng)是1991年英國(guó)W本章總結(jié)
本章介紹虛擬現(xiàn)實(shí)的各種應(yīng)用,包括軍事應(yīng)用、航空航天應(yīng)用、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、外科手術(shù)和人體器官的模擬、科學(xué)研究和計(jì)算的可視化、教育、游戲和其它方面的應(yīng)用等。在軍事應(yīng)用中主要介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)在訓(xùn)練方面和武器裝備的研制的等方面的應(yīng)用。在航空航天領(lǐng)域重點(diǎn)列舉了一些實(shí)例,如NASA的虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練、EVA的虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練、美國(guó)空軍的虛擬座艙和虛擬風(fēng)洞等。在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中,介紹了虛擬原型設(shè)計(jì)和虛擬建筑設(shè)計(jì)與城市規(guī)劃等。在外科手術(shù)和人體器官的模擬中,介紹了虛擬手術(shù)系統(tǒng)和虛擬的人體器官等。在科學(xué)研究和計(jì)算的可視化中介紹了虛擬分子結(jié)構(gòu)模型、地震石油勘探數(shù)據(jù)處理和體數(shù)據(jù)的可視化等。最后,在教育、游戲和其它方面的應(yīng)用中,介紹了虛擬校園、虛擬教學(xué)與實(shí)驗(yàn)、虛擬博物館和虛擬現(xiàn)實(shí)游戲等。本章總結(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)本章介紹虛擬現(xiàn)實(shí)的各種應(yīng)用,包括軍事應(yīng)用、航空航天應(yīng)用、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、外科手術(shù)和人體器官的模擬、科學(xué)研究和計(jì)算的可視化、教育、游戲和其它方面的應(yīng)用等。通過(guò)本章讀者可以對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的各種應(yīng)用有所了解,為今后開(kāi)發(fā)和使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)起到很大的作用。
本章介紹虛擬現(xiàn)實(shí)的各種應(yīng)用,包括軍事應(yīng)用、航空航天應(yīng)8.1軍事應(yīng)用8.2航空航天應(yīng)用8.3計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)8.4外科手術(shù)和人體器官的模擬8.5科學(xué)研究和計(jì)算的可視化8.6教育游戲和其他8.1軍事應(yīng)用8.2航空航天應(yīng)用8.3計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)8.4外8.1軍事應(yīng)用8.1.1軍事應(yīng)用的目的8.1.2軍事應(yīng)用的領(lǐng)域8.1.3軍事應(yīng)用的實(shí)例8.1軍事應(yīng)用8.1.1軍事應(yīng)用的目的8.1.1軍事應(yīng)用的目的當(dāng)前趨勢(shì)是增加技術(shù)復(fù)雜性和縮短軍用硬件的生命周期,這要求仿真器是靈活的、可升級(jí)的和可聯(lián)網(wǎng)的,并允許遠(yuǎn)地仿真,不需要訓(xùn)練者去到仿真器地方。在隊(duì)伍仿真中也需要網(wǎng)絡(luò),它比單用戶(hù)仿真要真實(shí),要求虛擬現(xiàn)實(shí)是可聯(lián)網(wǎng)的、靈活的和可升級(jí)的,由此理想地滿(mǎn)足軍事的需要。在軍事應(yīng)用中,采用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)不僅提高了作戰(zhàn)能力和指揮效能,而且提高了訓(xùn)練水平,大大減少了軍事開(kāi)支,節(jié)省了大量人力、物力,同時(shí)可以保證安全。8.1.1軍事應(yīng)用的目的8.1.2軍事應(yīng)用的領(lǐng)域1.訓(xùn)練方面(1)模擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境(2)設(shè)計(jì)單兵訓(xùn)練器(3)團(tuán)隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練8.1.2軍事應(yīng)用的領(lǐng)域1.訓(xùn)練方面2.武器裝備的研究
在武器裝備研究與新武器展示中主要有以下應(yīng)用:(1)在武器設(shè)計(jì)研制過(guò)程中,采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供先期演示,檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,把先進(jìn)設(shè)計(jì)思想融入武器裝備研制的全過(guò)程,從而保證總體質(zhì)量和效能,實(shí)現(xiàn)武器裝備投資的最佳選擇,對(duì)于有些無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)成本太高的武器研制工作,也可由虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)來(lái)完成。所以盡管不進(jìn)行武器試驗(yàn),也能不斷改進(jìn)武器性能。
2.武器裝備的研究(2)研制者和用戶(hù)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),可以很方便地介入系統(tǒng)建模和仿真試驗(yàn)的全過(guò)程,既能加快武器系統(tǒng)的研制周期,又能合理評(píng)估其作戰(zhàn)效能及其操作的合理性,使之更接近實(shí)戰(zhàn)的要求。(3)采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)未來(lái)高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、武器裝備的技術(shù)性能和使用效率等方面進(jìn)行仿真,有利于選擇重點(diǎn)發(fā)展的武器裝備體系,改善其整體質(zhì)量和作戰(zhàn)效果。(4)很多武器供應(yīng)商借助于網(wǎng)絡(luò),采用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)來(lái)展示武器的各種性能。
(2)研制者和用戶(hù)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),可以很方便地介(1)在美國(guó)陸軍中,他們利用虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真器實(shí)現(xiàn)各種層次的軍事訓(xùn)練,如單兵訓(xùn)練、排級(jí)指揮員的訓(xùn)練、連和營(yíng)一級(jí)的訓(xùn)練等。(2)在美國(guó)海軍中,開(kāi)發(fā)了一種VESUB(VirtualEnvironmentforSubmarineShipHandlingTraining)仿真器。它主要用于甲板上的訓(xùn)練。(3)在美國(guó)空軍中,開(kāi)發(fā)出了更多的仿真器。如單元教練機(jī)和虛擬座艙。8.1.3軍事應(yīng)用的實(shí)例(1)在美國(guó)陸軍中,他們利用虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真器實(shí)現(xiàn)各種層次的軍在航空航天方面,美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)于20世紀(jì)80年代初就開(kāi)始研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),并于1984年研制出新型的頭盔顯示器。90年代以來(lái),虛擬現(xiàn)實(shí)的研究與應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。宇航員利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行了各種訓(xùn)練。美國(guó)國(guó)家航空航天局計(jì)劃將虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)用于國(guó)際空間站組裝、訓(xùn)練等工作。另外,近些年來(lái),歐洲、俄羅斯、日本等都開(kāi)展虛擬現(xiàn)實(shí)在航空航天系統(tǒng)的研制及人員訓(xùn)練中的應(yīng)用。我國(guó)也在這一領(lǐng)域進(jìn)行著大量的研究工作。
8.2航空航天應(yīng)用在航空航天方面,美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)于20世紀(jì)80
虛擬現(xiàn)實(shí)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的目的主要有兩點(diǎn):一是幫助設(shè)計(jì)復(fù)雜的航空航天系統(tǒng)。航空系統(tǒng)包括各類(lèi)飛行器,如直升機(jī)、大型飛機(jī)、超音速戰(zhàn)斗機(jī)、導(dǎo)彈、飛艇等。航天系統(tǒng)則包括各類(lèi)衛(wèi)星、太空火箭、航天飛機(jī)、空間站等。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以很好地模擬高空及太空環(huán)境,幫助了解和掌握各類(lèi)系統(tǒng)在一定環(huán)境下的工作情況。同時(shí)降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的費(fèi)用,縮短設(shè)計(jì)周期等。另一目的是訓(xùn)練各類(lèi)人員,包括航空飛行器駕駛員以及宇航員等??傊ㄟ^(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),近些年來(lái)大大推動(dòng)了航空航天領(lǐng)域的發(fā)展,使人類(lèi)在這一領(lǐng)域有了極大的進(jìn)步。8.2.1航空航天應(yīng)用的目的虛擬現(xiàn)實(shí)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的目的主要有兩點(diǎn):一是幫助下面著重介紹幾個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)例。NASA的虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練EVA的虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練美國(guó)空軍的虛擬座艙虛擬風(fēng)洞8.2.2航空航天應(yīng)用的實(shí)例下面著重介紹幾個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)例。8.2.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)離不開(kāi)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。那么虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)必然會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用,其中之一就是用于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)幾乎覆蓋各個(gè)方面。如果在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中采用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),就只需在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的對(duì)象前加入“虛擬”二字,就可以體現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。當(dāng)然,它們?cè)O(shè)計(jì)的基本原理是一致的。下面以?xún)蓚€(gè)完全不同的兩個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn):虛擬樣機(jī)以及虛擬建筑設(shè)計(jì)和城市規(guī)劃。8.3計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)離不開(kāi)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。那么虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在制造業(yè),一個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期包括:設(shè)計(jì)階段、表現(xiàn)階段(購(gòu)買(mǎi)原材料和安裝設(shè)備)、員工培訓(xùn)和實(shí)際生產(chǎn)階段。虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)對(duì)每一階段都能發(fā)揮重要的作用采用虛擬制造技術(shù),可以在設(shè)計(jì)階段就對(duì)設(shè)計(jì)的方案、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行仿真,解決大多數(shù)問(wèn)題,提高一次試制成功率。用虛擬原型樣機(jī)技術(shù)取代傳統(tǒng)的硬件樣機(jī),可以大大節(jié)約新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期和費(fèi)用,很容易地發(fā)現(xiàn)許多以前難以發(fā)現(xiàn)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。同時(shí),還可以明顯地改善開(kāi)發(fā)團(tuán)體成員之間的意見(jiàn)交流方式。8.3.1虛擬原型設(shè)計(jì)在制造業(yè),一個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期包括:設(shè)計(jì)階段、表現(xiàn)階段(在城市規(guī)劃、工程建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被作為輔助開(kāi)發(fā)工具。規(guī)劃決策者、規(guī)劃設(shè)計(jì)者、城市建設(shè)管理者以及公眾在城市規(guī)劃中扮演不同的角色,有效的合作是保證城市規(guī)劃最終成功的前提。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為這種合作提供了理想的溝通橋梁,打破了專(zhuān)業(yè)人士和非專(zhuān)業(yè)人士之間的溝通障礙它支持多方案比較,不同的方案、不同的規(guī)劃設(shè)計(jì)意圖通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)時(shí)地反映出來(lái),用戶(hù)可以做出很全面的對(duì)比,另外虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以快捷、方便的隨著方案的變化而進(jìn)行調(diào)整,輔助用戶(hù)做出決定。從而大大加快了方案設(shè)計(jì)的速度和質(zhì)量,也節(jié)省了大量的資金虛擬現(xiàn)實(shí)在重大工程項(xiàng)目論證中的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)一個(gè)極好的展示大型規(guī)劃項(xiàng)目的工具8.3.2虛擬建筑設(shè)計(jì)與城市規(guī)劃在城市規(guī)劃、工程建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被作為輔助開(kāi)發(fā)工具在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的飛速發(fā)展以及兩者之間的融合使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已開(kāi)始對(duì)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。目前正處于應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的初級(jí)階段,其應(yīng)用范圍包括從建立合成藥物的分子結(jié)構(gòu)模型到各種醫(yī)學(xué)模型,以及進(jìn)行解剖和外科手術(shù)教育。在此領(lǐng)域,虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用大致上有兩類(lèi):一是虛擬手術(shù)系統(tǒng),可用于指導(dǎo)手術(shù)的進(jìn)行。另一類(lèi)是虛擬人體器官,它使醫(yī)生更容易了解人體的構(gòu)造和功能。8.4外科手術(shù)和人體器官的模擬在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的飛速發(fā)展以及兩者之虛擬手術(shù)系統(tǒng)可以實(shí)施遠(yuǎn)程手術(shù)。醫(yī)生對(duì)病人模型進(jìn)行手術(shù),他的動(dòng)作通過(guò)傳輸通道傳到遠(yuǎn)處的手術(shù)機(jī)器人。手術(shù)的實(shí)際圖像通過(guò)機(jī)器人上的攝像機(jī)傳回醫(yī)生的頭盔立體顯示器,并將其和虛擬病人模型進(jìn)行疊加,即采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),可為醫(yī)生提供有用的信息。另外,虛擬手術(shù)系統(tǒng)對(duì)于復(fù)雜手術(shù)的計(jì)劃安排、手術(shù)過(guò)程的信息指導(dǎo)、手術(shù)后果預(yù)測(cè)及改善殘疾人生活狀況等都有十分重要的意義。例如,在外科手術(shù)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以進(jìn)行麻醉醫(yī)師和靜脈注射護(hù)士的培訓(xùn)、為把對(duì)病人造成外科損傷降低至最小的實(shí)習(xí)醫(yī)生開(kāi)刀培訓(xùn)、復(fù)雜外科手術(shù)的設(shè)計(jì)、手術(shù)過(guò)程中的指引和幫助信息的提供、手術(shù)結(jié)果的預(yù)測(cè)等。這樣,通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),外科醫(yī)生可以重復(fù)練習(xí),從而降低病人的風(fēng)險(xiǎn)。
8.4.1虛擬手術(shù)系統(tǒng)虛擬手術(shù)系統(tǒng)可以實(shí)施遠(yuǎn)程手術(shù)。醫(yī)生對(duì)病人模型進(jìn)行手術(shù),虛擬人體器官在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義,主要可用于教學(xué)與科研,在基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的解剖室環(huán)境中,學(xué)生和教師可以直接與三維模型交互。借助于跟蹤球、頭盔顯示器、感覺(jué)手套等虛擬的探索工具,可以達(dá)到常規(guī)方法(用真實(shí)標(biāo)本)不可能達(dá)到的效果,學(xué)生可以很容易了解人體內(nèi)部各器官結(jié)構(gòu),這比現(xiàn)有的采用教科書(shū)的方式要有效得多。又如虛擬模型的鏈接和拆分、透明度或大小的變化、產(chǎn)生任意的橫切面視圖、測(cè)量大小和距離(用虛擬尺)、結(jié)構(gòu)的標(biāo)記和標(biāo)識(shí)、繪制線條和對(duì)象(用空間繪圖工具)等。
8.4.2虛擬人體器官虛擬人體器官在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義,在其它醫(yī)學(xué)教學(xué)中利用可視化人體數(shù)據(jù)集的全部或部分?jǐn)?shù)據(jù),經(jīng)過(guò)3D可視化,為學(xué)生展現(xiàn)人體器官和組織。另外,還可以進(jìn)行功能化的演示,例如心臟的電生理學(xué)的多媒體教學(xué),它基于可視人體數(shù)據(jù)集的解剖模型,通過(guò)電激勵(lì)傳播仿真的方法,計(jì)算出不同的時(shí)間和空間物理場(chǎng)的分布,并采用動(dòng)畫(huà)的形式進(jìn)行可視化,用戶(hù)可以與模型交互,觀看不同的變換效果。在虛擬的人體器官中,較為成功的是“可視人”的產(chǎn)生。它是在20世紀(jì)90年代中期,由美國(guó)國(guó)家醫(yī)學(xué)圖書(shū)館和科羅拉多大學(xué)聯(lián)合制作的這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的解剖模型。該模型無(wú)需任何費(fèi)用就可以在互聯(lián)網(wǎng)上得到。其制作過(guò)程是將一個(gè)男性和女性尸體拍照(利用CT和核磁共振成像MRI),在冷凍,在拍照,并從頭部到腳趾進(jìn)行切片,對(duì)每個(gè)切片依次進(jìn)行拍照及數(shù)字化,最后得到一個(gè)千兆位級(jí)的二維圖像數(shù)據(jù)庫(kù)。該模型為解剖課程提供了一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù),使研究和教學(xué)人員能夠在這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)上進(jìn)行必要的三維形狀抽取和動(dòng)畫(huà)算法的測(cè)試。
在其它醫(yī)學(xué)教學(xué)中利用可視化人體數(shù)據(jù)集的全部或部分?jǐn)?shù)據(jù),8.5.1信息可視化的概念8.5.2虛擬分子結(jié)構(gòu)模型8.5.3地震石油勘探數(shù)據(jù)處理8.5.4體數(shù)據(jù)的可視化8.5科學(xué)研究和計(jì)算的可視化8.5.1信息可視化的概念8.5科學(xué)研究和計(jì)算的可視化科學(xué)可視化是用計(jì)算機(jī)圖形產(chǎn)生視覺(jué)圖像,幫助理解科學(xué)概念或結(jié)果復(fù)雜的數(shù)值表示。這種數(shù)的表示或數(shù)據(jù)集,可能是數(shù)值仿真的結(jié)果(如計(jì)算流體力學(xué)或分子模型)、記錄的數(shù)據(jù)(如在地質(zhì)和航天應(yīng)用中),或構(gòu)造的形狀。這些仿真可能包括三維體積中的高維數(shù)據(jù),并往往隨時(shí)間而變化。由于數(shù)據(jù)集中不同的位置可能顯示出不同的特性,因此在定位上的困難將妨礙科學(xué)探索。在某種意義上,復(fù)雜現(xiàn)象的科學(xué)考察,部分取決于我們開(kāi)發(fā)三維顯示的能力。8.5.1信息可視化的概念科學(xué)可視化是用計(jì)算機(jī)圖形產(chǎn)生視覺(jué)圖像,幫助理解科學(xué)概信息可視化要求抽象數(shù)量和概念的信息顯示,不是真實(shí)世界中物體的真實(shí)表示。于是,信息可視化的要求是精確表示,而不是逼真表示(實(shí)際上并無(wú)真實(shí)世界可比)。下圖是虛擬現(xiàn)實(shí)科學(xué)可視化的流程圖。
信息可視化要求抽象數(shù)量和概念的信息顯示,不是真實(shí)世界中物虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用較多,從建立合成藥物的分子到各種醫(yī)學(xué)模型等。北卡來(lái)羅大學(xué)大學(xué)采用了GROPE虛擬仿真器,它可以讓研究人員看到一種藥物分子是如何與其它生物化學(xué)物質(zhì)相互作用的。這些技術(shù)大大加速了藥物的開(kāi)發(fā)過(guò)程。8.5.2虛擬分子結(jié)構(gòu)模型虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用較多,從建立合成藥物的石油與天然氣工業(yè)是積極從事信息可視化的經(jīng)濟(jì)部門(mén)之一。其原因是由于油氣勘探及其良好的管理模式所帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)利益。對(duì)地震數(shù)據(jù)的可視化與推動(dòng)有助于發(fā)現(xiàn)新的油田。它可以幫助地質(zhì)學(xué)家、地球物理學(xué)家、工程師團(tuán)隊(duì)在幾十兆字節(jié)的數(shù)據(jù)中尋找那些表示地下可能有油田的數(shù)據(jù)變化。地震數(shù)據(jù)是三維數(shù)據(jù),因而很適合在虛擬現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行可視化。以虛擬環(huán)境為中介的可視化能夠使用比桌面CRT顯示器更大的顯示設(shè)備,從而可以更好地對(duì)大容量的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化。另外,可視化軟件的研制幫助人們可以實(shí)時(shí)得到鉆探數(shù)據(jù),如泵速、扭矩、方位角和轉(zhuǎn)速等,提供有關(guān)鉆探的地質(zhì)情況的有用信息。這些信息存入保存有地震信息的數(shù)據(jù)庫(kù),這樣可以生成一個(gè)三維模型,并根據(jù)鉆探數(shù)據(jù)來(lái)確定或者修改數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息。
8.5.3地震石油勘探數(shù)據(jù)處理石油與天然氣工業(yè)是積極從事信息可視化的經(jīng)濟(jì)部門(mén)之一。所謂體數(shù)據(jù)的可視化是指體圖形、體可視化硬件加速、以立體的方式為用戶(hù)表現(xiàn)這些數(shù)據(jù)所需的專(zhuān)用顯示設(shè)備以及新的人機(jī)接口技術(shù)等。體圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個(gè)分支,主要研究合成、繪制和操縱用體表示的場(chǎng)景。體圖形的研究是從真實(shí)對(duì)象的幾何模型或者采樣數(shù)據(jù)開(kāi)始的。例如身體的二維CT切片數(shù)據(jù)。無(wú)論數(shù)據(jù)是采樣得到的,還是計(jì)算出來(lái)的,都首先進(jìn)行體素化,以體素格式存儲(chǔ)對(duì)象的相應(yīng)信息。從而能夠看得見(jiàn)該對(duì)象。此外,還需要繪制體結(jié)構(gòu),加入光照效果和明暗處理。體圖形除了可以表現(xiàn)對(duì)象內(nèi)部細(xì)節(jié)和提高更多的視覺(jué)信息之外,還具有其它一些優(yōu)點(diǎn)。首先,由于體素化的過(guò)程是離線進(jìn)行的,它與光柵圖形不同,不受場(chǎng)景復(fù)雜度的影響。其次,掃描轉(zhuǎn)換與場(chǎng)景刷新是分離的。所以,體圖形是與視角無(wú)關(guān)的,體素可以更容易地表現(xiàn)對(duì)象的體積、范圍和距離等。體圖形也存在缺陷,如需要大量的存儲(chǔ)空間和專(zhuān)門(mén)的處理硬件,存在空間走樣現(xiàn)象等。8.5.4體數(shù)據(jù)的可視化所謂體數(shù)據(jù)的可視化是指體圖形、體可視化硬件加速、以立體8.6.1虛擬校園8.6.2虛擬教學(xué)與實(shí)驗(yàn)8.6.3虛擬博物館8.6.4虛擬現(xiàn)實(shí)游戲8.6教育、游戲和其他8.6.1虛擬校園8.6教育、游戲和其他虛擬校園是指從因特網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、網(wǎng)上虛擬社區(qū)和3S技術(shù)的發(fā)展角度,對(duì)現(xiàn)實(shí)校園三維景觀和教學(xué)環(huán)境的數(shù)字化和虛擬化,是基于現(xiàn)實(shí)校園的一個(gè)三維虛擬環(huán)境,用于支持對(duì)現(xiàn)實(shí)校園的資源管理、環(huán)境規(guī)劃和學(xué)校發(fā)展。虛擬校園在現(xiàn)在很多高校都有成功的例子。我們知道,大學(xué)對(duì)每個(gè)人來(lái)說(shuō)有特殊的感情,大學(xué)校園的學(xué)習(xí)氛圍、校園文化對(duì)我們具有巨大影響,教師、同學(xué)、教室、實(shí)驗(yàn)室等,校園的一草一木無(wú)不潛移默化地影響著我們每一個(gè)人,我們從中得到的教育從某種程度來(lái)說(shuō),可能超出書(shū)本所給與我們的。網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用,使我們可以仿真校園環(huán)境。因此虛擬校園成了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)、教育最早的具體應(yīng)用。目前虛擬校園主要以實(shí)現(xiàn)瀏覽功能為主。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用普及,虛擬校園的發(fā)展將走向一個(gè)新的更高階段。8.6.1
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