虚拟现实技术综述范文

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第1篇

关键词：虚拟现实；技术；商业产品；研究

中图分类号： G434 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）01（c）-0000-00

虚拟现实技术是美国等发达国家在八十年代末期发展起来的一门新技术，到九十年代初期，人们才开始关注虚拟现实技术，虚拟现实技术早期主要运用于电视、游戏等娱乐项目中。目前正在向工业、商业、教育和医学行业等扩展应用，在当前属于一项非常活跃的研究领域。

1虚拟现实技术的特点

通常情况下，虚拟现实技术有以下三个特点[1-2]：①沉浸性：虚拟现实技术是结合人类的感官特点和心理特点通过计算机生成三维立体图像，体验着可以戴上具有显示器的头盔和能显示数据的手套等设备，通过这些交互设备亲身体验虚拟环境，将自己融入到虚拟环境中，体验一种身临其境的感觉。②交互性：即人机交换，体验者可以通过操作电脑键盘和鼠标进行交互，也能通过传感设备进行交互，如头盔显示器、数据手套。计算机能感应到体验者的手、眼、语言的运动，来调整系统屏幕上的声音和图像。在这里，体验者同样具有高度的自主性。③多感知性：因为计算机的虚拟现实系统中具有多种感官设备和反应装置，所以，体验者通过计算机在虚拟的环境中可以感受视觉、听觉、触觉等多种感知来达到一种身临其境的逼真效果。

2国内外对虚拟现实技术的研究现况

2.1美国主要在用户界面、感知、后台软件和硬件等四个方面进行虚拟现实技术的研究。美国宇航局有一项著名的创作就是对哈勃太空望远镜的仿真，还通过虚拟现实技术建立了训练系统和空间站VR维护。2010年墨西哥和海底发生了大地震，美国科学家们利用虚拟现实分析系统，时刻关注受灾地区的情况，同时预报该地是否有断层移动的现象。美国在建筑虚拟动画方面也做了深入研究，目前已经建立了不少虚拟建筑场景。

2.2在欧洲，英国在触觉设计和应用研究方面领先于其他很多国家。2011年4月，英国威廉王子大婚。英国一家公司通过虚拟现实技术模拟了大教堂和周围建筑群，使用户仿佛身临其境。

2.3日本对虚拟现实技术的研究处于领先地位，特别是对虚拟现实游戏的研究。日本东京大学科研院主要研究远程控制方面；东京大学广濑研究室主要研究虚拟现实的可视化问题；筑波大学开发了虚拟行走原型系统。

我国对虚拟现实技术的研究相对发达国家起步晚、有一定差距。不过近几年来，在我国一些科研机构和高校中，北京航空航天大学计算机系是我国最早研究VR的单位之一，该校在2000年8月成立了实验室专门研究虚拟现实技术；浙大CAD&CG国家重点实验室研发了虚拟建筑环境的漫画系统；哈尔滨工业大学对人类的表情做出了重点研究。目前，国内很多大学生都在研究虚拟现实实景漫游，并且有些研究成果已经被应用到城市建设和规划中。

3虚拟现实技术在产品设计中的应用

3.1产品外形的设定

产品设计人员可以通过虚拟现实技术模拟出来图像确定产品的外形，并且还能从各个角度观察产品，帮助设计人员改进产品中的不足之处，从而可以进一步优化产品。

3.2产品布局检测

一些结构复杂的产品需要合理、科学的布局，设计者可以通过虚拟现实技术很直观的看到整个产品的结构，设计人员可以参照计算机上的数据选择最科学、合理的产品布局方式。同时，虚拟现实技术对设计产品整个具象进行再现[3-4]，包括外形设计到内部结构都能呈现出来，通过人机交互的方式让设计人员更为直观的感受产品，方便找出设计不当的地方，从而进一步完善产品，这样一来，就能科学、高效的规划产品的布局。

3.3产品的宣传

宣传产品是销售产品的一个重要环节。虚拟现实技术能够帮人们将虚拟的事物“真实化”，为观众提供更多的感知能力，更为生动、直观的将产品展示给观众。虚拟现实技术极大的吸引了观众的眼球。

4虚拟现实技术与上海世博会

2010年5月到10月，第41界世博会在我国上海举行。虚拟现实技术在这次世博会上得到多方面的应用，主要体现在世博馆规划设计、馆内虚拟展示和网上世博会三个方面。

1.世博会虚拟规划设计

针对世博会场地和场馆的规划，设计者利用虚拟现实设计大大提高了场地规划的科学性的效率。设计中，世博局引入CityMaker系统对用地范围的实际建筑进行三维建模，将得到的现状图片、AutoCAD图纸等数据资料进行叠加。对于改造方案，也利用虚拟现实技术比较选出最为合理的设计方案。

2.世博场馆内虚拟展示

上海世博会全面采用了虚拟展示系统。例如沙特360度环幕的珍宝剧院，在播放深海奇景、星级穿越等情景时，让观众身临其境、心潮澎湃，虚拟现场为观众带来了非常强烈的视觉体验。世博会石油馆也利用虚拟现实技术，石油馆的影院中播放的4D电影《石油梦想》，为观众展示了石油演变的整个过程，结合4D影片的效果和情节，设计放映厅的座椅可以前倾后仰，为观众带来动感体验，同时还能听到风声、闻到石油的气味等，使观众对影片印象深刻。

3.网上世博会

网上世博会是实体世博会的扩展和补充。网上世博会是中视典数字科技有限公司的VRP-museum系统和水晶石公司的N-city系统等共同制作完成。网上世博会通过交互的方式为场外人员介绍了世博会的大量背景，包括游线预览、场馆介绍等。

虚拟现实技术成为各个领域发展的突破手段，通过它向人们展示未来生活的片段。虚拟现实技术不仅在商业展示中给人们带来惊奇的体验，在其他建筑设计、数字化酒店、大型工程漫游和医学研究等各方面都有广泛应用。由此可见，科学技术的应用对我们生活的影响越来越大。

结束语：

作为一项新兴技术，虚拟现实技术带给人们大量的视觉体验，拉近了观者与展示产品的距离，有效节约了设计成本，其应用前景十分广阔，但仍有许多问题有待研究，只有真正找到这些问题的技术实现途径时，信息处理系统和人之间的隔阂才能完全被克服。

参考文献：

[1]赵沁平.虚拟现实中的科学技术问题[J].中国计算机学会通讯.2013，（1）：12-14.

第2篇

关键词：GPIB总线虚拟仪器；GPIB技术；工作原理；案例设计

中图分类号：TP39 文献标识码：A

1. GPIB技术及GPIB总线虚拟仪器概述

总而言之，GPIB技术是IEEE488标准虚拟仪器较为早期的一个发展阶段。随着它的出现，促使着电子CAN总线控制器测量独立的单台手工操作逐步向大规模自动测试系统的方向发展。目前典型的GPIB系统它是由一台PC机、一个GPIB接口卡和若干台GPIB形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下，一块GPIB接口可带多达14台仪器，电缆长度可达40米。

就目前来说，我国的GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以方便地把多台仪器组合起来，形成一个自动测量系统。GPIB测量系统的结构和命令实际上很简单，这主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。

而GPIB总线的虚拟仪器系统说白了就是以GPIB总线仪器与计算机为硬件平台组成的虚拟仪器测试系统，GHB卡将可编程仪器与计算机联系起来，通过计算机的控制去执行各项任务操作。它的硬件配置包括PC机，PCI-GPIB接口模块 EP-H6280，频谱仪：AV4032，数字多用表：34401A，微波功率计：ML2430A和任意波形发生器：33250A等等。它的测试要求是要有频谱仪，33250A，微波功率计和微波信号源等。其测试框构图如下图1所示。

图1测试框构图

2.GPIB总线虚拟仪器工作原理

单就GPIB总线虚拟仪器的工作原理来说，该系统在软件的大力控制下不仅实现了以往单台虚拟仪器的测控功能，更重要的是它实现了测控系统的整个组态功能。在实际工作运行中，根据测控对象的实际需要可以进行组态选择合适的自动测控系统功能。但是需要特别说明的是，在实际中应该对不同物理量应选配相应的传感器。我们知道，系统的控者它是由PXI-8156零槽控制器和PC机担任，PXI-8156通过内置PXI总线与PXI-L6071E Multifunction I/O相连，实施对象的模拟量或数字量采集。而实际中PXI-8156通过密封机箱内置的AT-GPIB/TNT接口连接VXI仪器的GPIB VXI/O转换口，使其间接控制VXI-4101A的多用表、计数器和I/O以及6071E等等仪器，组成高速集成虚拟仪器测控系统环境，能够对接入对象实施远程测控。PXI控制器与PC机以及与远程用户均通过Internet连接，能够实现对任意组态系统的远程操作。

3.基于LABVIEW的GPIB虚拟仪器案例设计

根据笔者的实际工作和工作经验，结合理论和实际，本文设计一种基于LABVIEW的GPIB虚拟仪器。

3.1设计案例所需组件

3.1.1 GPIB总线虚拟仪器所需要的软件。用LABVIEW开发基于GPIB总线的虚拟仪器的软件包括：LABVIEW开发平台、GPIB接口卡驱动程序和仪器的LABVIEW驱动程序。在这里需要加以说明的是如果有仪器的LABVIEW驱动程序，创建虚拟仪器就更方便了。仪器的LABVIEW驱动程序负责仪器通信和控制的具体过程，系统里包含仪器编程细节。

3.1.2 GPIB总线虚拟仪器所需要的硬件。GPIB接口是由8位数字并行通讯接口而组成，其数据传输速度为1mbyte/s。GPIB设备分为三部分，这三部分分别是听者、说者和控制器。在实际工作中，说者负责发出消息、数据或命令，听者负责接收消息、数据或命令，而控制器负责管理总线上的消息，并指定通讯连接和发送GPIB命令到指定的设备上。在目前使用时，有些GPIB设备在不同的时候它可以扮演不同角色，有时充当说者，有时充当听者，有时又可以作为控制器。

使用过的人都知道，GPIB接口它有一个特点，就是可以通过一个接口将多个GPIB设备连接在一起，同时完成多种不同物理量的测量。除此之外，GPIB的基地址一共有31个，在工作中我们为了获得较高的数据传输速度，连接设备一般都会超过15个，对于普通的测量这就已经足够了。

而开发基于GPIB总线的虚拟仪器，一般需要有计算机、GPIB接口卡、GPIB连接电缆和带有GPIB接口的测试仪器。测试仪器的类型及数量取决于实际的测试要求，仪器本身还要有与之配套的传感器。GPIB接口卡主要用于将仪器与计算机相连，各GPIB接口之间用GPIB连接电缆连接。

3.2 实验软件编程

当下，一个完整的Labview程序由三部分组成，即前面板、代码窗口及程序图标和接口板。其中前面板主要实现程序的输入输出功能，由控制件元素和显示件元素组成；代码窗口则是用来编辑图形代码以实现对控件行为和属性的控制；图标和接口板则是用来实现子程序的调用。其中该程序最为基本的部分就是锁相放大器收发信息VI的程序代码，程序的其它部分都是建立在这两个VI的基础上的，通过编程把适当的GPIB命令通过两个VI发送给仪器或者接收仪器返回的信息。

而虚拟仪器实验程序框包括两大模块，分别为仪器设置模块和数据处理模块，仪器设置模块主要负责仪器测量时各种参数的设定，同时也具有显示测量当前值的功能；数据处理模块主要负责测量数据的实时显示、测量数据以文本文件形式存储到指定的文件中。

3.3 得出结论和总结

根据理论和实际，文章设计了一种基于GPIB总线的虚拟仪器的软硬件及软件编程。在设计开发过程中，采用了模块化设计，通过编程把适当的GPIB命令通过两个VI发送给仪器或者接收仪器返回信息。从这个案例实践中我们可以看出，GPIB总线的虚拟仪器在使用中比较方便。

参考文献

[1]缪为国.可组态的虚拟仪器系统的研究与设计[D].南京林业大学.2007.

[2]王可宁.电力远程监测管理系统及虚拟仪器在其中的应用[D].湖南大学.2002.

第3篇

关键词：虚拟现实；特点；虚拟实验室；综合布线

中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 15-0000-01

Virtual Reality Technology Application in Vocational Courses of Integrated Wiring

Sun Qian,Huang Shuiping

(Zhejiang University of Technology,Hangzhou310014,China)

Abstract:This year,as China's emphasis on vocational education,more students studying in vocational schools,training conditions led to a serious shortage of schools,mainly in the lack of hardware facilities,teaching time,space is limited and other issues.This paper discusses the use of virtual reality technology,virtual laboratory to build vocational training system to solve the problem.

Keywords:Virtual reality;Characteristics;Virtual laboratory;Cabling

一、虚拟现实的概念

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)，是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境，而“虚拟”是指用计算机生成的意思。因此，虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射"到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的，即人是这种环境的主宰。虚拟现实技术具有以下三个基本特征：

1.沉浸感(Immersion)―又称浸没感或临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。

2.交互性(Interactivity)―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、鼠标对虚拟环境中的对象进行考察或操作，虚拟世界中的对象也能够实时的做出相应的反映。

3.构想性(Imagination)―虚拟现实不仅仅是一种媒体或用户的高速接口，而且还是针对某一特定领域、解决某些问题的应用，为了解决这些问题，不仅需要了解应用的需求，了解技术的能力，而且还需要有丰富的想象力。

二、虚拟实验室的概念

虚拟实验室(Virtual Laboratory)概念，是由美国的William Wolf教授1989年提出的，用来描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境。美国国家研究委员会的定义为：虚拟实验室是一个无墙的中心。研究人员能在其中从事科学研究和工程设计，不必顾及地理位置的限制，实现同行间、同事间的互动；共享仪器、设备、数据、计算资源以及数字图书馆的信息。虚拟实验室的特点

1.透明性：分布式虚拟实验室的所有数据库、硬软件集成于一个系统，使用标准的统一命令来实现功能服务。这种透明的结构决定了分布式虚拟实验室的透明特征。

2.资源共享性。

3.智能化：虚拟仪器技术与认知模拟方法的结合赋予虚拟实验室智能化的特性。

4.互操作性：虚拟实验一旦开放，即具有互动性，远程用户同样可以操作中心实验环境，同时用户之间也可以交流相关信息。互动性需要有一系列软硬件的支持，它们都是虚拟实验的组成部分。

5.客户定制性：允许用户定制自己的使用方式，允许用户通过设置限制来保护数据。

三、综合布线虚拟实验室的设计

（一）虚拟实验室体系结构的设计。整个系统采用C／S体系结构，以TCP／IP作为网络通信协议，构建了一个虚拟实验室系统。利用MAYA搭建场景，模拟现实环境，制作工具栏中的虚拟器件。利用C++语言设计前端的实验操作平台，主题框架界面采用SDI 单文档结构视图。实验者可选择虚实验场景，并在场景中对虚拟器件进行动态地拖拽、旋转、属性编辑等动作，随时随地进行综合布线的相关实验。它营造了一个逼真的实验环境和强大的交互功能，使实验可以取得真实的结果，并以电子实验报告的形式提交。

（二）虚拟实验室场景的设计。该实验室系统模拟现实中一幢正在建筑的6层楼房的场景，每层楼走廊左右各有3个房间，共6个房间。在走廊的尽头有个小储藏室，作为楼层配线设备（FD）工作室。一楼的一个房间作为建筑物配线设备(BD)工作室。该场景按照比例还原现实规模，使实验者有身临其境的感觉。

综合布线的器件将已工具栏的形式出现在系统中，包括线槽，线管，网线、电脑、电视、电话模块及面板，管卡，集线器，配线架。使用者可以点击工具栏中的器件在场景中施工。

（三）虚拟实验室功能的设计。在现实综合布线实验中，实验效果情况只能利用AUTOCAD软件制作平面图，无法看到真实线路的走向，信息点的摆放，耗材的使用，布线是否规范等情况。而常规的实验设备不能体现真实建筑物的特点，导致学生在布线中目的性不是很明确。

虚拟实验室模拟了现实场景，只要有布线要求，不论是文字说明的还是平面设计图，实验者都可以模拟布线。线路的走向，信息点的摆放一目了然，系统还封装了多个公式，有关布线器件的使用数量在实验最终的报告里都以电子表格的形式显示。最关键的是学生知道自己在做什么，知道线路为什么这么布，在以后工作中，就不会出现没学过这个知识的想法。系统还封装了多个综合布线工程施工中的规范，实验者在操作中，如果不符合规范，系统也会提示。

四、结束语

由于虚拟现实技术处于起步阶段，虚拟现实技术尚未能普及。随着虚拟现实技术的不断发展和完善，虚拟现实技术作为一个新型的媒体，以其自身强大的教学优势和潜力，将会在教学中得到广泛的应用。

参考文献：

[1]褚志涛.虚拟现实技术略论[J].南京广播电视大学学报,2007,4

[2]王树君.虚拟现实技术及其应用现状研究[J].黑龙江科技信息,2008,26

第4篇

关键词：大学生 虚拟现实 技术应用

1、虚拟现实的现状

虚拟现实（VR）技术是20世纪90年代以来兴起的一种新型信息技术，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，被公认为是21 世纪重要的发展学科以及影响人们生活的重要技术之一。目前在国际范围内，VR技术普遍应用在医疗、工程、军事、航海、娱乐、游戏、教育领域，并且在电子商务方面存在巨大的潜力。2016年被业内人士称之为VR元年，从年初VR概念爆发，各种VR头显蜂拥出现，层出不穷的创业团队投身其中，各界品牌进军VR产业，资本不断注入。国内更是把虚拟现实产业纳入“十三五”规划，大力推进虚拟现实与互动影视等新兴前沿领域创新和产业化，形成一批新增长点。如果说2016是VR元年，那么2017年则是VR内容爆发年，也是VR相关技术相关知识实现普及的关键。

2、虚拟现实的技术应用

目前VR涉及的主要领域有娱乐：在2015年，Oculus Rift推出了一个Netflix应用，用户可以在虚拟影院中观看电影。虚拟现实不仅可以让看电影和看电视变得更加有趣，还可以提供一个新的观看场景。想象一下，你可以足不出户就可以去到虚拟影院，你甚至可以与其他粉丝参加歌迷见面会；游戏：VR游戏的关键在于沉浸感和临在感。随着Oculus Rift和HTC Vive的发货，VR游戏开发者们普遍认为未来1-2年会出现一个或数个“爆款”；教育：虚拟现实可以用于教室，作为教学的工具。早在2009年的时候，老师们就在猜想虚拟现实能否作为一对一教学的工具；医疗：路易斯维尔大学的调查人员在尝试利用虚拟现实来治疗焦虑症和恐惧症。斯坦福大学的一些研究人员也把虚拟现实应用在外科手术训练中。随着医疗行业正在变得网络化，虚拟现实的应用只会不断的增加。拓宽VR应用范围如虚拟现实探险，相信没有比虚拟现实更好的方式，让你在旅行前去体验目的地的魅力。通过一款VR的应用则能够据自己喜好让你在家中就可以实现荒野生存的体验；显然，通过VR科技可以借助虚拟现实实现预览、规划、演示的目的，有助于我们更轻松制定行程和计划，同时能够让我们探索一些无法企及的目的地。心理治疗：可发挥模拟现实技术，运用于空巢老人人群，模拟现实场景，治愈或减轻老人心理孤独的感受；或运用于心灵遭受创伤，精神几近奔溃的人群，通过VR技术模拟环境，抚平痛苦与恐惧，达到治疗心理疾病的效果从而替代药物治疗，避免药物副作用对人体的二次伤害。

3、问卷分析

为了更好的了解大学生对于当下虚拟现实产业的了解程度及看法，设计问卷，并通过线上问卷的方式进行问卷收集。本次问卷以江西省内大学生为主，共收到231份问卷，其中有效问卷数229份。女性118份，男性111份。

通过问卷的数据，表现如下几个方面：

大学生对于VR虚拟技术应用了解不深

根据调查问卷显示78.5%大学生的对于虚拟实现有了解，但比较了解的只占7%，完全不了解占13.5%。其中对于虚拟现实已存在的设备重要在于VR眼镜和头显而对于其他VR设备如：建模设备3D呙枰恰⑸音设备、交互设备数据手套等关联产品了解甚少。就现今市场而言VR产业产品并不多（以VR眼镜、头显为主），主要还只在于娱乐设备方面的推广，而其他领域并未涉广太深，对于虚拟现实应用广度还在拓展阶段。

3.1 大学生对于VR产品的看法

调查问卷显示，89%的大学生愿意去尝试VR产品，仅有11%不愿尝试。数据显示就VR产品自身主要反映出以下几大缺陷。体验感、功能的增强、防止晕眩、轻巧方便等方面。例如在早期的VR产品中，就已经发现了晕动症的存在，虚拟现实晕眩症用于描述用户在使用头部控制的虚拟现实系统后产生的晕动病。。VR设备的重量过大一直是优秀VR研究的一个点，臃肿的VR设备对用户来说就是一个负担，戴久了就会很累。画面不足包括清晰度低，强颗粒感和画面畸变。糟糕的硬件和体验，导致用户无法完全沉浸到虚拟世界中，也无法体会到更具有魅力的虚拟现实等。VR设备关于产品性能方面存在较多不足，这正好佐证了现今VR设备仍未能深度融入社会生活的现状，反映出VR就产品本身仍有较大的提升空间。

关于涉及VR现存产品该作何改进时，绝大多数认为在技术上，要增强视觉享受，希望产品功能能够更加齐全，在使用操作上更加的舒适，产品质量更加优质，更加的物美价廉（68%的大学生希望在100-1000范围内）并不注重品牌。根据数据说明，当下大学生对于VR这个新领域还是愿意尝试，但是现存虚拟显示设备无论在功能上、价格上、外观操作上仍存在诸多问题，但是市场上对于品牌并不过多关注，因此谁能更好的掌握技术创新谁就能抢占市场！

3.2 大学生对于VR前景的看法

问卷显示，37.5% 的大学生认为将会是一场全世界范围内的技术狂欢，会极大地改变我们的生活。58.5%认为还有很多的问题为解决，但前景仍是一片光明。仅有4%的大学生认为只是昙花一现。关于VR方向应用的调查，其中前三的领域为影视、游戏、教育。大学生对于虚拟现实的前景还是很憧憬的，只要能够将推广、功能技术上运用方面的问题解决好，将是个巨大的市场，其中娱乐方面前景巨大。当然就现在VR技术在影视上面的应用相对比较成熟，我们并不一定非得将VR技术与影视功能联系起来进行推广，我们可以将VR技术与更多的功能相结合，从而形成产业圈来发展VR产业，技术共享，推动VR技术的前景通过调查问卷反馈的信息，就VR技术显现的主要不足告诉我们不仅及时进行解决完善并进行创新发展，同时也体现出关于大学生用户下VR研究的必要性。不过，从优势方向反映出关于VR产品的发展前景还是十分可观的，依托现今信息技术高速发展的背景下，VR技术的不断发展更新定能创造一个VR时代的来临。

4、建议与趋势

4.1 产品本身角度： 拓宽VR横向广度，即拓宽VR产品涉及加深VR纵向深度

即就虚拟现实本身性能，开发新技能，延长VR功能项目。VR技术应用广度上主要集中于影视、游戏方面，只是作为一种娱乐工具。若想真正融入人们的日常生活，必须能为用户创造显著的价值，使应用更加大众化，在医疗、教育、购物等方面更多应用的拓展。性能上主要为模拟现实，使用户充分体验沉感和临在感。但今后VR发展可以从拓宽其纵向深度为出发点，使虚拟现实不仅局限于视觉体验，就感知设备还可以应用到嗅觉、味觉、触觉等多 方位。从社交方向看，可以利用虚拟现实技术综合利用视觉听觉触觉多方位功能，打开设备即可亲临交流，真正实现突破时空的局限。

4.2 从用户角度出发

4.2.1 增进用户体验

目前VR产品现状为一般VR头显和VR一体机，价格相对较高，很多尝鲜的用户望而却步。基于现有技术、消费场景和价格敏感度，手机VR盒子是最易普及的产品。但目前市场上流通的大部分VR盒子并未解决光学、输入体验、视野和外设环境等沉浸式体验方面的问题。其虽价格低廉，但使用户体验大打折扣。由此，须要求在VR技术完善的条件下，增进用户体验，比如在销售环节采取亲身使用或对产品进行细致说明，使用户充分了解VR产品。

4.2.2 准确市场定位，确认需求，挖掘VR被动型问题

l展方向可利用VR技术进行预先规划。就女性梳妆打扮为例，通过虚拟现实技术，预先进行妆容效果展示、对服装搭配效果是否合身得体、是否凸显本人气质、是否适合当前天气进行预测，通过对效果评估用户即可快速做出决定，仅仅利用VR效果预览的功能即可使女性妆容更得体，生活节奏更高效，并且使人更加自信。因此，开发者必须进行准确市场定位，通过一定方式提醒用户VR潜在的效能，让用户意识到被动型问题的存在。

4.2.3 让VR充分融入生活，拉近用户之间的距离

手机市场的快速发展，除了手机核心价值与附加功能的完备之外，还在于使消费者充分意识到手机存在的必要性，甚至少数人群已经达到没有手机就缺失安全感的地步。因此，使VR融入生活各方面，拉近虚拟现实技术与人类生活的距离，可以在保持核心价值的基础上，开发更多VR附属产品，达到便民利民，让用户体验到VR的存在感；还可以与其他产业联系合作，实现优势互补。

5、结论

尽管现在VR技术存在很多的问题，阻碍了VR技术的发展，而这些问题更多的是技术性的问题所导致的，相信在大多数人的心中VR技术的发展和应用还是有着很大的发展空间，随着时间的推移，科技水平的不断提高，许多技术上的问题得到解决，VR技术将会有着广阔的前景而不只是在影视这一单一功能上有所建树，甚至会覆盖人们的衣食住行各个方面，当发展到一定程度时，改变人们的生活方式也不无可能。

参考文献：

[1]赵沁平.虚拟现实综述中国科学F 辑： 信息科学2009年第39卷第1 期

[2]牟长军，童志伟.综述虚拟现实技术及其应用Equipment Manufactring Technology NO.1， 2007

[3]卞锋，江漫清，桑永英.虚拟现实及其应用进展 计算机仿真 2007年6月第24卷第6期

第5篇

摘 要 虚拟现实技术对于提高军人体能训练水平，改进训练方法有较大的研究潜力。针对当前院校400米障碍训练存在的若干问题，从理论上和实际应用上基于虚拟现实技术的400米障碍训练仿真模拟的设计做出论述。提出了模拟设计的相关问题。

关键词 虚拟现实 400米障碍建模 训练仿真

虚拟现实技术是一种新兴的人机交互形式，可以创建虚拟世界，仿造自然世界，用户可以从各种感官上产生亲临真实情况的体验。上世纪90年代初期，虚拟现实技术已大量应用于作战指挥、训练模拟、武器试验等。400米障碍训练是军人常态化基础体能训练的科目，但是训练过程中往往出现的伤病情况较多。基于虚拟现实技术仿真模拟障碍训练，可以对训练进行科学的指导和教学，在系统中实现模拟人类专家的决策，让参训学员在虚拟环境中身临其境的训练，有效地避免无谓的伤病，提高训练效果。

一、系统组成

虚拟现实系统，需要满足用户与虚拟世界的自然交互，仅靠一台计算机是无法完成的，对于虚拟世界的身体感觉也不是仅仅靠键盘和鼠标就能够达到的。参训人员在虚拟训练场上运动时，需要三维的训练环境、虚拟的声音以及抓、拉、爬、攀等动作的触感和力感的体验，还需要智能化仪器的支撑，可以说各种硬件设备是实现虚拟现实系统的基础。

整个仿真模拟系统由两种生成模式去实现，一种是由参训人员配备一系列数字化装备采集数据，计算机建模，经由高性能计算机处理输出到视觉通道、听觉通道、力觉通道反馈给训练人员，体验如真实般的训练场景。另一种，则是由建模技术，对训练环境、个人训练情况和预演的训练技术动作建模，生成虚拟的训练画面，从而帮助参训人员全面了解自身训练情况和需要改进的技术动作，以及改进方案。

二、系统功能

（一）训练情况再现。动作重现是仿真系统中的重要功能，以其三维式可以让用户观看到模拟人能够在虚拟训练场上逼真的、较精确再现自身的训练动作。是对自身的一种直观认识，同时也可以形象化地帮助参训人员掌握动作要领和技术动作，同时减少了训练伤病。

（二）训练技术动作预演。创新技术动作和预演未知情况在提高训练效果上有很大的作用。通过障碍物的技术动作的改进和创新是提高训练成绩的一大重要途径，但是创新的动作的实际应用可能会导致运动员出现伤病，通过虚拟现实技术仿真模拟可以避免这样的伤病出现。

（三）训练教学。教员可以利用模拟仿真训练对新学员进行教学，录入教员对于障碍训练的语音和文字讲解，配合虚拟训练画面，可以使新学员直观的印象，掌握技术动作要领，达到了训练前“热身”的作用。

（四）训练效果图示分析。形象直观的虚拟画面可以给参训人员直观的映像，分析对比参训人员的训练动作和标准的模拟动作，给予相同的视点，同步对比每一个通过障碍物的动作，让参训人员更快捷的找出自身痼癖动作和缺陷动作。量化分析速度、位移等数据，并使其与“标准”数据进行对比，找出差异，对于改进参训人员的技术动作会有较好的指导意义。

三、基于虚拟现实技术的仿真模型建立

（一）虚拟障碍训练可视化建模。模型是对现实世界或虚拟世界中各种事物或现象的一种抽象化的表现方法。400米障碍训练环境的建立是虚拟训练仿真的基础。障碍训练环境模型是对障碍训练环境采用物理、数学等表示方法进行表示的模型，提供训练环境的基础数据和动态数据。包括障碍训练场地貌几何建模，障碍训练场地物几何建模，参训人员行为建模等。

（二）听觉建模技术。整个虚拟训练环境的逼真性，还需要加入三维模拟声音，这是增强用户在虚拟环境中沉浸感和交互性的必要手段。声音的来源可以是计算机合成的声音信号也可以是采样的真实声音信号。目前的研究中，由于触觉（力觉）反馈实现难度大，迄今为止还没有能够令用户满意的触觉（力觉）反馈系统，所以虚拟声音对于提高虚拟环境的逼真感就有很大的作用，增强临场效果。

四、训练分析图示

（一）数据图示分析。数据的分析是一个重要的环节，是对于训练人员训练效果的直接反馈，可以采用柱状坐标图来很好地完成。主要从模拟训练与模拟标准训练作对比，让训练人员找到差异，改进自身训练动作。举出一个简单例子，通过录入标准的数据对虚拟训练数据的对比分析，可以得出误差，集合虚拟训练画面和标准训练画面，让参训人员直观找到自己技术动作存在问题，然后解决技术动作缺陷，提高训练成绩。

（二）重心轨迹分析。人体重心对于研究运动起着很重要的作用，尤其是跳跃动作，故在400米障碍中正确分析重心轨迹误差可以帮助提高训练成绩。400米障碍训练中起跳点的正确选择是决定成功通过障碍物的关键因素，也是提高成绩的重要途径，重心轨迹的分析可以帮助学员判断自己的起跳点是否正确。同时重心轨迹分析也可以帮助学员准确发力，在合理支配体能上也起到了很大的作用。身体平衡也是保证训练成绩的一个重要因素，重心轨迹误差分析可以推断出学员的平衡能力，从而教员可以根据情况制定出相应的平衡训练手段方法。

参考文献：

[1] 游熊等.战场环境仿真[M].北京：出版社.2012.

[2] 张菁，张天驰，陈怀友.虚拟现实技术及应用[M].北京：清华大学出版社.2011.

[3] 孙柏林.外军建模与仿真综述[J].计算机仿真.2002（1）.

第6篇

【关键词】 虚拟现实 3I 应用

虚拟现实即Virtual Reality ,简称VR,这个名词始创于上个世纪八十年代,由美国发明家Jaron Lanier提出,是一门崭新的综合性信息技术,而且已经成为当今计算机科学界最振奋人心的研究课题之一。

一、什么是虚拟现实

VR是指利用多媒体计算机技术生成一个具有逼真的视觉、听觉、触觉及嗅觉等的模拟现实环境,利用人的自然技能对这一虚拟出来的现实环境进行交互体验,体验的结果(即该虚拟的现实反应)与在相应的真实现实中的体验结果相似或完全相同。

二、虚拟现实技术的系统构成

如图所示,VR的系统由以下模块构成:

1.检测模块:检测用户的操作指令,并通过传感器模块作用于虚拟环境。

2. 反馈模块:接受来自传感器模块的信息,为用户提供动感、触觉、力觉等多方面感受的实时反馈。

3. 传感器模块:一方面接受来自用户的操作指令,并将其作用于虚拟环境;另一方面将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。

4. 控制模块:对传感器进行控制,使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。

5. 建模模块:运用知识库、模式识别、人工智能等技术,获取现实世界组成部分的三维表示,通过音响制作实现对现实世界的声音模拟,并由此构成对应的虚拟环境。

6. 三维模块:通过三维技术实现对虚拟环境的视觉模拟。

此外,在开放式的虚拟现实系统中,还可以通过传感装置与现实世界构成反馈闭环,在用户控制下,利用虚拟环境对现实世界进行直接操作或遥控操作。

三、虚拟现实技术的特征

虚拟现实技术具有如下四个特征,即:多感知性、沉浸感、交互性、想象性。

1. 多感知性(Multi-Sensory)――所谓多感知性,是指通过多种媒体,产生视觉、听觉、触觉、力觉、和运动等的感知。理想的虚拟现实技术应该实现人所具有的一切感知功能。由于科技发展的局限性和不成熟,目前的虚拟现实技术所开发的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。

2. 沉浸感(Immersion)――又称临场感,指用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。理想的虚拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度。当用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中时,眼睛看到的、耳朵听到的、鼻子闻到的、嘴巴尝到的、还有身体触摸到的等等,都跟在现实世界里体会到的感觉是一样的。

3. 交互性(Interactivity)――指用户对虚拟环境内的物体进行操作时,对象将给用户以感觉上的反馈。例如,在虚拟环境中参加足球比赛,当用户用脚去踢虚拟环境中的足球时,会产生触觉和力的反馈。

4. 构想性(Imagination)――强调虚拟现实技术应具有广阔的可想象空间,可拓宽人类认知范围,不仅可再现真实存在的环境,也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。

一般来说,“身临其境”般的沉浸感,友好亲切的人机交互性,和发人深思的构想性是虚拟现实的三大主要特征,亦即我们常说的“3I”特性。

四、虚拟现实技术的应用

虚拟现实技术创建伊始,就承载着巨大的应用价值,它涉及科研、军事、航天、医学、教育、工程技术、影视娱乐等众多领域。典型的应用领域有:

1. 医学方面

虚拟现实技术在医学上的应用大致分为两类,一类是虚拟人体,也就是数字化人体,可用于构造人体模型,便于医生对人体构造和功能的辨识;另一类是虚拟手术系统,可用于指导高难度手术的进行。

2. 教育方面

在教育领域,虚拟现实技术具有广泛的作用和影响。基于虚拟现实技术带来的崭新的教育模式,使我们的教育理念和教育方法也在随之变革,授课内容以大量详实、生动、直观的虚拟情节出现,寓教于乐。

3. 娱乐方面

娱乐领域是虚拟现实技术的一个重要应用领域。它能够提供更为逼真的虚拟环境,借助于头盔显示器、数据服、立体声耳机、数据手套等传感装置,使人们能够享受到强烈的感官刺激,带来更好的娱乐感觉。

4.军事科研领域方面

军事和科研都是需要巨额资金投入的领域,而且难度大、危险系数高,在某种情况下,利用虚拟现实技术进行虚拟实验,既可以节省人力物力资源,打破时间和空间的限制,又可以缩短开发周期、提高生产效率、削减项目经费。

五、虚拟现实技术的发展前景

虚拟现实技术是许多相关学科领域集成、交叉的产物,它融合了人工智能、电子学、数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术、心理学等多个技术分支,大大推进了计算机科学软硬件技术的全面发展。虚拟现实技术的发展,从根本上改变了人们的工作方式和生活方式,将劳逸真正结合了起来,而且虚拟现实技术与美术、音乐等文化艺术的结合,将诞生出人类的第九大艺术,前景一片光明。而且虚拟现实技术继理论分析、科学实验之后,成为人类探索客观世界规律的又一手段和方式。

虽然虚拟现实领域的技术潜力是巨大的,应用前景也是很广阔的,但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。客观而论,目前虚拟现实技术所取得的成就,绝大部分来说,还只是扩展了计算机的接口能力,刚刚开始涉及到人的感知系统、肌肉系统与计算机的集合作用问题。只有当真正开始涉及并找到针对这些问题的技术实现途径时,人和信息处理系统间的隔阂才有可能被彻底地克服。

六、小结

综上所述,无论是现在还是将来,虚拟现实技术在各行各业都将得到不同程度的发展,并且越来越显示出广阔的应用前景。虚拟城市、虚拟战场、虚拟校园、甚至“数字地球”都会不断涌现,带给我们一种全新的视觉、身心体验。虚拟现实技术将使众多传统行业和产业发生颠覆性的变革,给我们的生产和生活带来巨大的经济效益。

参考文献

[1] 刘锦德,敬万钧. 关于虚拟现实 ― 核心概念与工作定义. 计 算机应用,1997.5

[2] 刘惠芬. 什么是虚拟现实. 父母必读

[3] 周炎勋. 虚拟现实技术综述. 计算机仿真,1996.1

[4] 曾建超,俞志和. 虚拟现实的技术及其应用. 清华大学出版 社,1996

第7篇

关键词 虚拟现实 仿真 培训系统

一、虚拟现实仿真平台概述

虚拟现实仿真系统最为重要的是保证各子系统之间能够自由地进行数据交换以实现平台协作。系统的组成包括数据库平台、仿真平台、虚拟现实平台以及虚拟现实场景维护平台。仿真平台以实际工业生产过程的工艺机理为原型，可以完成化工生产过程的仿真任务。仿真过程中从数据库平台获取基础数据并将仿真产生的动态数据写入数据库。虚拟现实平台需要从数据库平台获取生产数据以实现对生产仿真过程的呈现，同时也可以在该平台中对数据库的基础数据进行维护。场景维护平台则负责虚拟现实场景的维护工作。虚拟现实平台可以通过数据库向仿真平台生产控制指令，仿真平台则通过数据库将生产过程的状态信息反馈虚拟现实平台。

（1）虚拟现实仿真技术特点。虚拟现实仿真系统是能在虚拟场景中漫游，并能对场景中对象做交互操作。该仿真系统的构成有：1）场景的三维模拟。对实际场景和环境采用虚拟现实仿真技术。用软件绘制图形模块，再转换成编程语言支持的形式。三维图形的好处在于视觉上能带给人身临其境的感觉，不同于普通的平面图形呆板的特点，利用三维虚拟和仿真技术相结合，不仅可以对现场环境进行再现，还可以通过搭建数学模型，通过连接仿真平台和虚拟现实平台，形成一套交互式的仿真系统。2）成员仿真。应急预案演练过程中，有各种职能的“角色”参与其中。一是总指挥：判断事故状态，调度各种资源，指挥职能部门。二是现场指挥：根据现场状态，调度本部门人员和资源。例如，车间、消防队、环保监测等，指挥操作人员。三是操作员：按照职能要求和指令，进行具体操作，如现场巡视、堵漏、关阀、消防队员浇水降温、灭火等。3）内容仿真。对场景内可支配物体、活动规律等的仿真。一是工艺模型：描述工艺过程变化，参数调节对过程的影响，控制系统动作等。二是工具和资源的模型：如水枪、消防炮、设备等。三是三维互动模型：仪器、仪表、阀门、开关等。

（2）虚拟现实平台。虚拟现实平台由主体程序和三维场景两部分组成。首先三维软件对装置主体及周边环境进行模拟，然后将其装换成编程语言后导入到仿真主体程序中去，和主体程序实现交互。同时利用VB的图形化界面设计功能和数据库读写控制功能，对数据进行编辑和访问，这样，用户在使用系统时，既可以浏览装置场景又可以修改各类装置的属性并读取生产数据，也可以命令实现与仿真模型的交互。

二、仿真培训系统开发总体设计

（1）动态仿真培训系统开发综述。仿真平台开发化生产过程仿真系统重点工作包括三个部分：第一要建立系统模型，首先确定仿真范围，然后根据工艺设计数据计算各管线和设备物流数据。例如，流量、温度、压力等。然后再用这些数据辨识具体设备模型。最后搭接设备模型，即系统建模。第二要建立仿DCS系统，即完成各种组态工作以及模型与操作界面（包括仿真DCS/现场画面）的变量通讯（数据交换）组态。最后是系统调试，目的是使系统运行稳定且协调。化工装置仿真培训系统的开发包括DCS功能开发、模型开发和现场站功能开发等。1）DCS功能开发。DCS功能开发包括以下几个方面：第一是图形显示系统，包括总貌图、流程画面、组显示图、历史趋势图、报警画面、软开关图、状态显示等开发。第二是DCS功能开发，包括DCS键盘功能、DCS使用功能等。第三是报警和连锁系统开发。2）现场站功能开发。现场站功能开发有现场站图形显示系统，包括总貌图、流程画面和现场站阀，上泵，开关，搅拌器等可操作设备功能的开发。3）模型开发。模型开发采用GPRES软件平台，其建模过程是模块化的，具体来说就是：模型由参数固定的模块搭接而成。每一个模块都包含输入、输出和系数三种参数，都实现一种算法功能。算法是特定的数学模型，用来模拟相应的化工设备或单元操作。

（2）模拟范围及条件。1）资料准备。开发中涉及的资料包括：工艺原则流程图（PFD图）、工艺自控仪表流程图（P&ID图）、物料/热量平衡数据表、工艺原理说明、操作规程、事故仿真技术、评分标准、设备资料、仪表资料等。2）初始条件。仿真模拟的初始条件为：每个模型将提供两个初始条件：稳态和冷态。稳态条件是用来培训学员的正常操作或用来进行故障处理和停车训练，它代表装置平稳运行时的状态，以PFD图和物料平衡数据为基础，进行开发模拟。冷态条件也称作开车态，用来培训学员进行装置开车，代表装置停车时的状态，某些基础开车步骤如管线吹扫，仪表阀调准等假设已经完成，装置已具备投料条件。3）装置故障模拟。仿真平台可以提供的故障类型：影响范围广的全装置故障、局部关键设备故障、局部转动设备故障、变送器漂移、静止设备故障、装置特有故障。

三、虚拟现实仿真系统架构

（1）系统功能。把VR技术与仿真技术有机地结合起来，就构成了加氢裂化装置虚拟现实仿真系统。它应具备以下功能：1）虚拟现实仿真培训系统能够模拟装置现场的场景，实现各个设备的建模和虚拟场景的三维建模，并且体现出材质和变化，附加贴图，使用户能够在与现实非常相似的三维虚拟环境中自由交互、随意漫游，并且随时接收到场景反馈回来的信息，信息内容包括使用者在当前所处的场景位置和视野方向，装置的场景中实物的概况和使用者在操作过程中的注意事项、提示信息等。2）根据用户的需求，系统可以暂停或恢复正在运行的仿真过程，能根据不同用户有差异的操作秩序和参与程度给出智能评价，同时能够记录使用者的操作步骤信息和保存相关的系统数据、资料结果等。3）虚拟现实仿真培训系统会提供良好的人机互动界面，包括场景浏览模式的选择、相关浏览器信息、虚拟场景的描述及反馈信息、曲线面版，可以快捷简易地创建和修改虚拟环境，数据输入手段非常友好，可以进行优化控制参数的操作，亦可存储和公布数据结果。4）通用性、扩展性和维护性的功能强大，可以对多种编译平台、硬件的加入提供支持，可以满足不同装置的差异性需求。

（2）效果评价。虚拟现实仿真培训系统界面友好，设计简洁、有效、界面清晰、易懂，只需简单培训就能很快掌握其操作步骤和方法。培训系统功能齐全，包括冷态开停车、单项操作、事故状态、评分，实现了DCS控制系统的高级控制、连锁控制、紧急停车等功能，同时开发了具有三维真实感的现场环境，实现了3D巡检培训功能，提高了仿真培训系统的真实感。培训系统逼真度高，仿真效果与实际装置运行的现象基本吻合。动态变化趋势与实际装置运行的现象吻合，现场三维环境与生产现场几乎一致。培训系统硬件和网络结构简单，易于维护和扩充，能够扩大同时参加培训的员工人数。

（作者单位为中国石油辽阳机电仪研修中心）

参考文献

[1] 郭艳军.化工仿真系统的研究与开发[J].计算机应用技术，2007（5）.

第8篇

[关键词]虚拟现实；原型；人机交互；虚拟产品设计

一、前言

虚拟现实技术是当今的热门话题，它集合了多种先进技术要素，虚拟现实：是作为一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术以及仿真技术等多种科学技术而发展起来的计算机领域的新技术。它掀起了一场认识世界和体验世界方式的革命。虚拟现实技术在产品设计中的应用日渐广泛，涵盖了产品设计流程中的每一个步骤，包括虚拟样机、体验评价、设计方法流程、过程管理和网络环境下的设计研究等多个方面。

二、虚拟产品设计的研究现状

1.以虚拟原型为中心的研究

虚拟原型是产品设计的一个重要方面，将产品概念形象化和具象化，是一个或多个维度上对产品的一种近似的和有限的表现形式。一个维度的原型侧重于表达产品的某一个属性，如产品外观的外观造型原型等。多个维度上的原型用于表达产品的多个属性，如材料、内部功能和结构等。

目前虚拟样机技术在我国刚处于发展期，还不成熟，需要建立一个完备的虚拟样机评价体系以评估产品全生命周期中的各项指标和综合管理。既然虚拟样机用于引导产品从思想到样机的设计，那么这其中肯定有设计师不断更新的想法和用户及时的反馈所造成的各种设计变量因素，如何使这个过程可逆化就成为了好设计的实现和良好互动的关键。虚拟样机的制作将和反求工程完美的结合，创造更灵活的平台。

2.以虚拟评价体验、人机交互为中心的研究

用户体验与评价是产品设计重要的一环，虚拟现实技术也将视角移向这个新领域。以虚拟评价体验、人机交互为中心的研究将产品设计与用户体验有机的结合起来，两者之间有效的互动。主要通过人机交互界面实现这一理念。

基于各种评价体系研究发现，缺乏将用户信息合理量化的内容，这是用户体验的重要核心，同时还要兼顾其中感性因素。人机工程仿真系统的人性化合理化是用户信息提取的重点。

3.以虚拟产品设计方法流程、开发体系为中心的研究

传统设计方法的各种弊病亟待解决，设计周期长、设计部和工程部缺乏交流、不能满足消费者真实需求等。基于虚拟技术的产品设计方法流程有效地解决了这些问题，缩短产品全生命周期，减少产品开发时间，提高企业的竞争力。使设计师的设计思路得到了全面解放，是整个数字化设计流程顺利进行的关键。

整个虚拟产品设计流程还有待智能化，仿真技术的深化成熟也是贯穿始终的一个问题，能让设计师和用户更投入地沉浸是关键。高额的技术成本也是一个短板。目前的虚拟现实技术仍然是面向某种特定领域，缺乏全面的系统的理论架构。

4.以过程管理为中心的研究

将虚拟现实技术应用于产品设计中的过程管理和展示环节，是一个全新的体系架构，突破了传统的设计思路。使得设计师和企业管理者更全面更灵活的掌握设计过程。为产品宣传与营销提供了逼真的虚拟现实展示方式。

综合过程管理体系的研究发现，此类系统缺乏针对设计师的设计思路的方面，由于管理功能的全新虚拟化，就造成与其他方面的脱节。因此需要将其与产品设计流程更好的衔接。目前的建模和虚拟展示软件之间存在一定差异，一般虚拟软件不具有复杂建模的功能，数据转化也面临一些问题，两者之间不能快速有效地同步。要想实现复杂产品的完整真实的展示，必须有一个系统平台，可以包括建模和展示两种功能的集成，使资源共享。

5.以基于网络环境为中心的设计研究

建立基于网络的数字化虚拟平台有利于提高企业在产品开发中的竞争力，帮助企业节约时间。在当代，网络协同化已是产品设计的大趋势，也是解决传统设计流程弊病的关键所在。它实现了设计师，用户和企业管理者的异地协同操作。使用网络虚拟技术平台可以更系统地支配整个设计过程。

同样，对于以基于网络环境为中心的虚拟设计缺乏完整系统的理论依据指导。需要更规范地完善此类平台，使异构数据传输无障碍化、异地设计师沟通灵活化、企业管理系统化。

三、虚拟产品设计的发展新趋势

1.产品设计方法的转变与改善

通过对虚拟产品设计相关的文献研究发现，虚拟现实及其相关技术对产品设计的最大的改变就是使其设计方法与流程更加合理、有效及节约成本。针对设计师和开发方的角度所提出的一些设计方法流程系统与框架以便其能够发挥最大的能力，使其在更有利的环境下操作。

2.设计成本与开发周期的节约

通过研究表明，基于虚拟现实技术的新产品开发与设计有效地节约了成本缩短了周期，为企业的新产品推广和市场扩张策略等提供了可靠地保障。直接或间接的促进了工业产品的淘汰更新速度，适应了工业社会的发展趋势。

3.用户体验与销售模式的转变

虚拟现实技术的研究还将用户作为一个重要的元素融入设计流程中，基于此项技术，设计师可以与使用者达到前所未有的互动，为用户提供多方位的使用感受。也同时将销售模式带入了一个崭新的时代。

4.展望与总结

由于我国虚拟现实技术与同时期发达国家相比还有一定差距，不免存在以下问题，也是今后开展研究需要努力解决的：首先是虚拟现实技术的成本过高，其在产品设计中的应用受到质疑与限制；其次是如何能够在新技术引入的前期做到传统模式与新模式之间的沟通与磨合；最后，当虚拟现实技术成熟到一定程度之后，我们将面临怎样一个高效、虚拟的设计模式，从设计师的设计方式到用户的体验方式甚至人们的生活方式都会发生颠覆性的改变，到时会出现新的一系列问题，比如已经露出端倪的，人们之间的沟通日渐冷漠，过于迅速的产品换代等。

参考文献

[1]傅源，变电站三维虚拟现实系统的研究及应用，[D].电子科技大学，2008

[2]李世国，体验与挑战――产品交互设计[M].江苏：江苏美术出版社，2008.56

[3]杨萍，基于虚拟现实技术的产品设计评价系统研究[D].湖南：中南大学，2008

[4]RothKoch S， Westkaemper E.The implementation of a sketch-based virtual product development[J].Production Engineering，2010（2-3）.

第9篇

关键词：虚拟现实；头戴式虚拟系统；汽车设计；应用

中图分类号：TP391.44 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）06-0022-02

Abstract：This paper introduces the composition， classification and characteristics of virtual reality technology and head mounted virtual reality system， described the application of head mounted virtual reality system in automobile design， compared with the traditional virtual reality techniques in the area of automotive design， the head-mounted virtual reality system has both advantages and disadvantages. According to the corresponding problems， the corresponding solutions are put forward.

Key words：Virtual Reality； head-mounted virtual reality system； automotive design； adhibition

随着汽车产业的快速发展，各个汽车制造公司的竞争也日趋激烈，这就要求在汽车研发及生产的各个环节都能够保持高效快速应变，以适应市场环境的快速变化。汽车造型设计作为汽车研发的重要一环，面对外部市场环境快速变化的严峻挑战，对新科学技术的应用就更为迫切。

虚拟现实技术作为近年来发展最为迅猛的技术手段，将可能成为改变人类生活方式的一种新技术，而作为虚拟现实技术最重要的其中一种形式存在的头戴式虚拟现实技术自然是重中之重。

1 概述

虚拟现实的实质是“造个世界任我行”，它是以现代科学计算机技术为发展核心，融合相关学科技术，生成在视觉、听觉、触觉等方面逼近人类在真实世界中的感官感触的数字化虚拟世界，使用者借助相应设备，可以走进生成的数字化虚拟世界，并且可以与虚拟世界中的对象进行交互作用，产生身临其境的真实体验和感受。

（1）桌面式虚拟现实，这类型的虚拟技术要求相对较低，他只需要利用工作站作为运行设备，将计算机显示器作为用户观看虚拟数字世界的一个窗口，再通过鼠标等输入设备实现与虚拟数字世界的交互，用户可以通过输入设备对虚拟世界进行指令操作，通过显示设备进行对虚拟世界的观察。

（2）沉浸式虚拟现实，这一类型虚拟现实技术对虚拟现实硬件设备的要求较高，他是利用一种中间设备，例如头戴显示器，触觉手套等，将用户的视觉、听觉、触觉等感官感觉封锁起来，并通过中间传输设备，给用户提供一种全新的虚拟感觉，让用户沉浸其中。

（3）增强现实型虚拟现实，这一类型的虚拟现实能给用户提供平时或者是正常情况下难以观察到难以感受到的状态给呈现出来，是真实世界和虚拟世界的叠加，即“实中有虚”。

（4）分布式虚拟现实，他需要通过多个计算机设备连接在一起，共同建立一个虚拟世界，这时候的虚拟现实世界是一个真正意义上的多元世界，多个使用者可以对同一个虚拟世界进行操作。

1.1 什么是头戴式虚拟现实

头戴式虚拟现实是将数字化虚拟世界呈现给用户的一个窗口，用户可以通过头戴式虚拟现实设备将其对现实世界的视觉、听觉隔离起来，这时候就完全置身于虚拟世界了。头戴式虚拟现实显示根据人眼视觉原理左右眼成像不同，分别显示相应的左右眼图像，能让人感觉到虚拟世界的物体时有立体有深度信息的，从而传递给大脑一个真实的信息，在视觉层面上达到以假乱真的目的。

1.2 构成

一套完整的头戴式虚拟现实系统通常由以下几方面组成[1～2]：

（1）计算机硬件设备，它必须能承载庞大的数据量运转，快速生成图形图像并且能支持实时高速处理，高性能计算机设备是头戴式虚拟现实系统构成的基础也是关键。

（2）头戴式虚拟现实设备，它是人机交互的接口，使用者通过它可以对虚拟世界进行操作，虚拟世界也可以根据使用者的各项指令进行反馈，借助头戴式虚拟显示器，使用者可以看得见虚拟世界，并且^戴虚拟显示器中安装有定位器，当使用者行走的位置或者方向进行改变的时候，虚拟世界会相应变化。

（3）虚拟现实生成软件，它是虚拟世界得以实现的基础，你可以利用它构建真实世界场景的再现或是你所构想的虚拟世界，现阶段相关的虚拟现实生成软件游戏领域运用的比较多的是Virtools、Quest 3D等，在汽车设计领域用的比较多的有Alias、RTT等。

（4）虚拟现实三维数字模型。它是虚拟现实的内容也是载体，他可以是现实世界的再造，也可以是人们虚构的世界，它的状态决定是使用者所看到的内容。

1.3 成像原理

人们在观察周边世界的时候，能感受到物体的立体、远近、景深等效果主要是依靠于人眼强大的成像原理，人们由于两只眼睛的不同位置而产生眼距，在看同一件物体的时候得到两幅略微不同的图像，这两幅图像经过人的大脑的融合，形成一幅带有空间立体、距离远近等信息的景象，而头戴式虚拟现实显示器正是模仿人眼双目立体成像原理进行设计，头戴显示器有两个显示镜分别用来模拟人的左右眼，工作站根据后台数据输入指令，分别将左右眼画面输送给左右眼显示器，用户佩戴上头戴式虚拟显示器，就可以体验到虚拟的真实。

2 头戴式虚拟现实技术在汽车设计领域的影响

虚拟现实技术作为能够准确体现汽车造型设计、加快汽车研发进程的一种有效手段，自诞生以来就受到了各大主流汽车公司的广泛关注与应用，并且其带来的巨大效益也得到了行业内的广泛认可[3]。放眼国外主流的汽车厂商像奔驰、保时捷等，都建立有自己的虚拟现实实验室。在近两年头戴式虚拟现实技术风潮疯狂席卷全球态势下，很多汽车公司都纷纷加入了头戴式虚拟现实技术的研究，在美国通用公司的虚拟现实中心的虚拟现实设计实验室里，当用户进入该实验室，佩戴上头戴式虚拟现实显示器，预先设置好的虚拟现实世界就会呈现在用户身边，用户可以看到和真实汽车一样的包括尺寸大小、颜色、纹理一样的虚拟汽车，用户可以像实际观察汽车一样前后来回观察，可以查看车体的造型轮廓及线条流畅性，也可以坐到汽车座椅上观察仪表、方向盘、娱乐面板等细节的效果，以及模拟驾驶员视野的观察。

3 头戴式虚拟现实系统在汽车设计中的应用探索

头戴式虚拟现实技术的出现，对汽车设计领域的原有设计流程及验证方法有了很大改进，在汽车研发过程中，汽车造型设计是很重要一环，汽车设计师的造型构想如何快速的让用户看得见并且喜爱是决定造型设计成败的关键。一个产品的设计流程往往需要经过几轮甚至十几轮反复推敲，时间成本比较高，难以跟上快速变化的市场环境，因此在设计过程中如何简化设计流程并且客观真实的反应汽车造型状态尤为重要，而头戴式虚拟现实系统能够在造型效果图之后就迅速加入设计流程，并且用虚拟的环境客观真实的还原实际状态，让用户所看即所得，而完成一套虚拟现实系统不仅需要硬件系统的支持，也需要软件的配合，而所观察到的内容则需要设计师前期虚拟现实数据的制作。

4 面临的问题与发展方向

头戴式虚拟现实技术在汽车设计领域中的运用，让使用者能够以比较真实自然的方式与虚拟世界进行交互，提高了人机交互的真实性，但受限于当下科技水平、计算机仿真技术、人机交互技术等各方面的影响，仍存在一定程度上的虚拟世界不真实、人机交互程度不够以及用户共享性不足等题[4]。目前来看，一套头戴式虚拟现实设备同时只能支持一位用户观察使用，因此在用户共享体验上不够。

在将来科学技术水平、计算机仿真技术等各方面技术发展越来越成熟的时候，头戴式虚拟现实技术可以朝分布式虚拟现实技术发展，通过多个计算机设备共同建立一个虚拟现实世界，多个使用者可以对同一个虚拟世界进行操作，这时候的虚拟现实世界是一个真正意义上的多元世界。

5 结语

随着科技水平的发展，虚拟现实技术的发展也随之日渐成熟，并且由于其为人类生活生产方面带来的巨大效益越来越被接受，头戴式虚拟现实技术在汽车设计领域的运用作为即Powerwall桌面式虚拟现实之后的另一先进技术，能极大的优化汽车设计流程、缩短研发时间、有效提高汽车设计水平 ，给使用者提供真实的用户反馈，也越来越被汽车设计公司所青睐，虽然受限于当下科技发展水平等各方面因素的影响，头戴式虚拟现实技术在使用体验上仍有些不足，但随着科技的进步以及巨大市场资金的投入必定能推动这一技术的长足发展。

参考文献

[1]周忠，周颐，肖江剑.虚拟现实增强技术综述[J].信息科学，2015，45（2）：157～180.

[2]孟俊焕，王卫东.基于虚拟现实技术的汽车开发应用研究[J].农业装备与车辆工程，2006，2：11～14.

第10篇

关键词：虚拟现实技术；体育；应用；新元素；多元化；娱乐化

1.虚拟现实技术的概念

虚拟现实（ Virtual reality， VR ）技术是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术以及仿真技术等多种科学技术综合发展起来的计算机领域的最新技术， 也是力学、数学、光学、机构运动学等各种学科的综合应用。虚拟环境通常是由计算机生成并控制的， 使用户身临其境地感知虚拟环境中的物体， 通过虚拟现实的三维设备与物体接触，从而真正地实现人机交互，可以说人处在虚拟环境之跟现实环境是没有差别的。

2.虚拟现实技术的分类

现阶段虚拟现实技术主要分为桌面虚拟现实、沉浸的虚拟现实、增强现实性的虚拟现实、分布式虚拟现实。

桌面虚拟现实利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口。常见桌面虚拟现实技术有：基于静态图像的虚拟现实QuickTime VR、虚拟现实造型语言VRML、桌面三维虚拟现实、MUD等。

沉浸的虚拟现实提供完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。它利用头盔式显示器或其它设备，把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟器、数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。常见的沉浸式系统有：基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统、远程存在系统。常见的沉浸式系统有：基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统、远程存在系统。增强现实性的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。

增强现实性的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。典型的实例是战机飞行员的平视显示器，它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，它可以使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，从而可集中精力盯着敌人的飞机或导航偏差。

分布式虚拟现实是指多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，那虚拟现实则提升到了一个更高的境界，这就是分布式虚拟现实系统。在分布式虚拟现实系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。目前最典型的分布式虚拟现实系统是SIMNET，SIMNET由坦克仿真器通过网络连接而成，用于部队的联合训练。通过SIMNET，位于德国的仿真器可以和位于美国的仿真器一样运行在同一个虚拟世界，参与同一场作战演习。

3.虚拟现实技术的特征

虚拟现实技术三大特征：1） 沉浸感（ Immersion） ： 计算机生成的虚拟世界给人一种身临其境的感觉。2） 交互性（ Interaction） ： 人能够以很自然的方式跟虚拟世界中的对象进行交互操作或者交流， 着重强调使用手势、体势等身体动作（ 主要是通过头盔、数据手套 、数据衣等来采集信号） 和自然语言等自然方式的交流。3） 构想（ Imagination）： 虚拟环境可使用户沉浸其中并且获取新的知识， 提高感性和理性认识， 从而使用户深化概念和萌发新意。因而可以说 ， 虚拟现实可以启发人的创造性思维 。

4.现阶段中国体育领域大环境

4.1政策红利覆盖全国

2015年，在利好政策不断出台的情况下，体育产业进入高速发展时期。据国家体育总局统计，《意见》一年来，包括体育总局在内的有关部门已经出台了15份配套文件，另有 8套文件已经形成初稿。文件制定涉及发改委、公安部、新闻出版广电总局、旅游局等多个部门。这些文件的制定和出台，使广受社会关注的赛事审批、赛事转播、安保服务和大型体育场馆等问题取得了阶段性的进展。

在地方贯彻方面，截至目前，已有31个省区市出台了本地区的实施意见。2015年10月，国家体育总局局长刘鹏在全国体育产业工作会上透露，据不完全统计，各省（市、区）上报的2025年体育产业总规模总和已经达到7亿。

4.2资本抢夺核心资源

2015年8月27日，万达集团王健林以6.5亿美元收购了美国世界铁人公司100%的股权。阿里巴巴获得世俱杯冠名权的消息在2015年12月引起各方关注，而相同级别的爆炸性消息在年内频繁出现。过去一年，体育产业投资大幅增加，国内、国际体育赛事核心资源成为哄抢的对象。

4.3体育方式多元化，娱乐化

随着全民体育概念的提出，体育逐渐走向民间，体育的多元化，娱乐化也因此而加深。提高国民身体素质是当前的中国体育的根本目标，为了使体育更加亲民，越来越多的科技元素，娱乐元素加入原本一板一眼，枯燥无味的体育运动中。近年来，越来越多的体感设备与体育相结合，受到了广大体育爱好者额欢迎，特别是一些由于场地限制的体育运动项目，如高尔夫，网球，在体感虚拟的环境中，都可以尽情的体验体育带来的快乐。

5.虚拟现实技术应用于体育增加其娱乐性

5.1为体育观赛带来娱乐体验

体育赛事最需要的莫过于身临其境的现场感，通过自由切换，实时流畅的虚拟现实动态直播，观众可以排除周边的干扰，全身心、近距离地感受到图像带来的震撼感和冲击力，观赛体验比之收看传统转播大为提升。大大增加了观赛的娱乐体验感。

5.2为体育训练娱乐训练方法

根据虚拟现实技术， 通过相应的三维图形图像库构架模拟训练环境， 包括训练场背景、比赛的场景、各种赛场装置和相关人员等， 为受训者营造一种逼真、生动的立体训练环境。利用虚拟系统设计出“有生命”的草坪，以增强临场感觉， 达到模拟训练的效果， 提高训练质量。于此同时，因为虚拟现实技术有沉浸感这一特性，运动员可以完全进去虚拟现实设定的环境中，在这种环境可以增加体育训练的娱乐性，使原本枯燥的体育训练变得有趣起来，以此来提升运动员的练积极性。

很多国家训练队都已经在教学、训练中采用虚拟现实技术，如用Be-yondSport的VR技术对足球训练进行实时的沙盘演练、视频分析、战术复盘以帮助足球队提升教学水平，且以后还计划在更多球队、赛事中推进。通过大数据整合等为体育活动提供战术辅助训练，VR目前已经在棒球、赛马、橄榄球等多个项目得到广泛应用。由此可见，在不久的将来，VR设备有望成为各赛事职业俱乐部和球队的刚需产品。

5.3为全民健身带来新的娱乐方式

全民健康是国家综合实力的重要体现，是经济社会发展进步的重要标志。全民健身是实现全民健康的重要途径和手段，是全体人民增强体魄、幸福生活的基础保障。实施全民健身计划是国家的重要发展战略。运用虚拟现实技术构想性这一特点，可以为参加大众健身的用户营造一个有趣，娱乐的虚拟健身场景，在愉快的心情下完成健身。

目前基于虚拟现实技术的健身应用层出不穷，Sanzaru开发的《VR体育挑战》是这类体育游戏的一大代表。在该游戏中，借助Oculus Rift的动作感应手柄，玩家可以以第一人称视角畅玩橄榄球、篮球、曲棍球和棒球等美国四大主流运动，游戏气氛不亚于风靡全球的《NBA嘉年华》。无独有偶，美国公司Vir Zoom也推出了一套将健身单车、VR设备与小游戏结合起来的健身设备，创造出戴着VR眼镜骑着单车开F1的奇效

6.总结

随着虚拟现实产业的发展，技术将不断渗入体育产业链条的各个环节，越来越多的公司开始渗入虚拟现实产业链各个环节，体育产业与虚拟现实的结合会越来越密切，特别是虚拟现实的三大特性会完全颠覆传统体育产业，为体育产业增加更多的娱乐性，推动体育产业的发展。目前虚拟现实技术还处于技术红利阶段，只有未来过渡到内容红利阶段，才算真正的站稳了脚跟。希望虚拟现实能够为体育产业创造更大的商业娱乐价值和社会价值。

参考文献

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[2]Pan Zhigeng ， XuWeiwei ， Huang Jin ， et al.EasyBow ling ：Asmall bow ling machine based on vi rtualsimulat ion [J].Computers&Graphics ， 2003 ， 27（2）：231 ～ 238.

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[4]陈健，姚颂平.虚拟现实技术在体育运动技术仿真中的应用[J]，体育科学，2006（9）：34-40.

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[6]李艳波，张菁.网球比赛仿真系统的研究与实现.[D]：2008.

第11篇

关键词：虚拟现实技术；特征；虚拟现实的分类；关键技术；室内设计

虚拟现实技术是多种技术的共同运用，借助了网络技术、多媒体技术、模拟现实、多感知和自然技能；使用计算机图形学与仿真技术结合模拟真实的环境；使用传感器技术将模拟的环境与人的感知相连接，实现包括视觉感知还有触觉、听觉、力觉、味觉和嗅觉等感知的模拟。使用户能够使用自然技能包括用户自身的眼睛转动、手部动作或者其他的行为动作，通过计算机识别这些动作并实时地反馈到人的五官，完成用户与虚拟空间的互动。[1]虚拟现实技术中所需要研究的是利用计算机图形学技术来建立实时的三维视觉效果，运用虚拟现实来增强科学技术领域的研究和开发，建立对虚拟世界的观察界面。

一虚拟现实技术

1什么是虚拟现实技术

虚拟现实（VirtualReality，VR）1989年由美国的JarnLanier正式提出。最初运用在20世纪60年代的美国，主要集中在美国军方对宇航员和飞机驾驶员的模拟训练。后来美国军队费用减少，这个技术逐渐在民间传开。虚拟现实发展到现在为人熟知，受很多体验者的喜爱，很大一部分原因是由于它可以运用计算机技术创造出一个与现实环境相仿的模拟环境，并且用户可以亲身体验。比如美国开发了一个虚拟现实的游戏系统，这个游戏系统利用了人工智能技术，有效地增加了娱乐性、挑战性和真实性。VR技术运用非常广泛，其发挥的作用也不容忽视。比如虚拟现实技术在医疗方面的教学上可以建立虚拟的人体模型，这有利于学生了解学习人体的结构，从而提高今后的实践能力。虚拟现实在娱乐方面的运用也很广泛，芝加哥开放了世界上第一台大型的，可以供多人使用的VR娱乐系统。虚拟现实技术在室内设计领域的作用也很大，虚拟现实有利于提高设计和规划的效率和质量，因为利用虚拟现实技术，设计师可以把自己的设计变成看得见的虚拟物体和环境，设计师还可以任意变换自己在房间的位置来全方位观察设计的效果，这不仅为设计师节约了时间还节省了做模型的费用。

2虚拟现实技术的特征

虚拟现实技术按其特点可以概括地分为多感知性、沉浸性、交互性和构想性。虚拟现实模拟了人的听觉、视觉、触觉等感官器官，用户沉浸在虚拟环境中，并且运用这些感官在虚拟的环境中进行沟通和交流。虚拟现实技术创造了一个虚拟的、真实的环境。（1）虚拟现实的首要特性是多感知性，虚拟现实技术的成长最终应到达一切人类所拥有的感知功能；这种多感知性包含了计算机自己的视觉感觉属性之外，还有人在现实生活中所具有的听觉、味觉和嗅觉等。（2）虚拟现实的主要特征是沉浸性。是指用户存在于计算机生成的虚拟环境中的真实程度，它致力于在三维的虚拟环境中创造出一种身临其境的感觉，使人难以分辨真假。这可以通过逼真的照明、变换场景中的视点以及虚拟环境中的音响效果来达到。使用户在虚拟环境中触摸到的、看到的、听到的、感觉到的与真实环境感知到的完全一样。（3）虚拟现实所具有的特征其次是交互性。是指用户能与虚拟环境中的物体相互作用，用户可以操作这些物体。比如当用户操作环境中的任何物体时，用户会直接感受到触摸感，能够感受到物体的大小、重量、体积，这种“互动”与真实世界的交户一模一样。（4）虚拟现实技术还具有构想性。构想性是指用户融入到虚拟环境并依靠自己的认知和感知能力来获取新的知识，虚拟技术具有广阔的想象空间，可以构想不存在的环境，能够提高感性和理性的思维。用户在虚拟环境中可以根据自己的认知发挥人本身的想象力和创造力，学会新的理论和知识。所以说虚拟现实具有启示和再创造的作用，是一个学习——创造——再学习——再创造的过程。

3虚拟技术的分类

由于VR所倾向的特征的存在差别，虚拟现实技术又细分为桌面虚拟现实系统、沉浸的虚拟现实、增强现实性的虚拟现实和分布式虚拟现实系统。(1)桌面虚拟现实系统成本相对较低，但是也有其缺点，因受到身边真实环境的影响，它的沉浸性比较差，但是在这几个系统中是普及最广的。它需要一个虚拟环境产生器，用户通过计算机的屏幕或者投影器来观察。我们常见的桌面虚拟现实有：桌面游戏、虚拟现实造型语言VRML等。(2)沉浸式虚拟现实需要用到高技术的设备，包括数据手套、跟踪器、头盔等。这些设备有利于用户完全沉浸在虚拟的世界。沉浸式虚拟现实系统所运用的软件、硬件体系结构也比桌面级虚拟现实系统更加灵活。我们常见的沉浸式虚拟现实有：远程存在系统、基于头盔显示器的系统。(3)增强现实性的虚拟现实系统还有另外一个称呼，叫作混合虚拟现实系统，用户体验的时候呈现在眼前的是现实中的物体与虚拟环境中的物体的叠加和重合，在技术上为了达到精准的重叠需要利用虚拟现实位置跟踪技术。(4)分布式虚拟现实系统提升到了一个更高的境界，它是由以上几种类型结合而成的大型网络系统，用于更复杂任务的研究。它的基础是分布交互模拟。由坦克仿真器通过网络连接而成的SIMNET系统是目前最典型的例子。

4关键技术

虚拟现实技术是由多领域多方面技术综合而成的一项高科技领域技术，其关键技术主要分为以下几个：(1)系统开发工具应用技术，技术的开发和利用需要发挥人的主观能动性；如：分布式虚拟现实技术、VR开发平台。(2)动态环境建模技术，是利用软件建立模型来建造虚拟环境，并对实际环境获取三维的数据。需要研究在真实的环境中获取三维数据的方法和虚拟的视觉建模技术等。(3)系统集成技术是由语音识别、数据转换技术与合成技术组合而成。它在虚拟现实系统里面发挥着不可替代的作用。(4)快速、高精度的三维跟踪技术，其主要是在不影响图形的质量和复杂的前提下实现实时的三维效果。(5)立体显示和传感技术，致力于提供给用户沉浸感、真实感和清晰感，如精确的跟踪技术、数据手套、头盔式三维立体显示器、力觉以及触觉传感器技术。[2]5虚拟现实技术的运用有什么作用与意义虚拟现实技术为人类的文明与发展带来了一个新的时代，VR通过一种先进的技术实现逼真的遥控现场效果，利用用户的身体感知进行实时交互，便于用户操作和感受。虚拟现实的具体意义和作用表现在教育领域、医学领域、娱乐领域、军事领域。虚拟现实在教育上为增强人的认识本领和学习能力提供了新的工具，虚拟现实可以建立一个大型的模拟图书馆，这个模拟的图书馆可以对之前消失的知识进行复原，可以提供更加丰富的教学资源。医学上的运用包括解剖教学、模拟复杂的手术，VR在手术过程中提供了预测结果和相关信息；VR在远程医疗上也很有潜力，比如在偏远山区，医生可以对患者进行远程治疗。娱乐方面虚拟现实提供了显示环境和多感知功能，是理想的视频游戏工具；军事上提供了模拟训练，模拟战场；模拟真实的作战环境对军队进行训练，有利于提高士兵的战斗能力。正如其他的新兴技术一样，虚拟现实也是许多相关领域的综合运用和相互交叉的产物。虚拟现实技术运用的对象不一，它所发挥的作用也不一样。比如将概念或者构思变得可以操作和直视，或者在各种复杂的虚拟环境中用户可以自我感受各种各样的环境和效果；所以我们可以了解到虚拟现实的运用能够为人们的生活带来便利，它的作用是不可替代的。

二虚拟现实在室内设计的运用

（1）虚拟现实技术和室内设计的关系随着近年来虚拟现实技术的快速发展，这项技术已经逐渐运用在各个领域，包括室内虚拟设计的运用。室内设计以创造功能合理、舒适优美、满足人们物质精神的室内环境为目的，能反映项目所承载的历史文脉、建筑风格、环境气氛。室内设计的过程包括前期的设计制图、设计效果图、设计模型、电脑三维设计，[3]主要是为了给委托方展现设计师的设计方案。虚拟现实技术在室内设计中的运用集中体现在其浸入感和交互性的特点，有利于将室内设计的潜能充分发挥出来。现在，很多设计师尝试将虚拟现实技术作为一种表现手法纳入室内设计，这一趋势反过来也有利于促进虚拟现实技术的发展。（2）在室内设计中运用虚拟现实技术是有其必要性的A传统的室内设计有其不足和弊端传统的室内设计中，设计师按照委托方的意愿设计出个人喜爱的风格特点，室内设计的过程中设计师通过在纸上展示自己的构思和设计风格和详细的装饰风格，再根据委托方的要求进行改进和修改设计，最终是在纸上实现的设计方案。这种方式也有其优势的，可以培养和提高设计师的思维逻辑性、手绘能力。但是也是有其局限性的，由于空间的限制，设计师并不能全面的细微的对每个地方进行创意设计，纸上表现的意图和风格也不能完全地传达给委托方，这就形成了委托方对设计师设计能力的落差，设计师不能全面直观的向委托方传达自己的想法和创新。这种修改再修改的循环也增长了设计的成本和周期时长。B虚拟现实技术在室内设计中的运用有很大的优势虚拟现实技术通过展示一个三维的、互动的、沉浸的、虚拟的室内空间，传达自己的创意设计。设计师在这个虚拟的空间里面可以和委托方全面的介绍所有的设计意图和设计构思，委托方通过设计师展现的这个虚拟室内空间，可以跟设计师交流，进行各方面的修改。这有利于提高设计师的设计本领，有利于委托方直观的了解设计师的想法和设计，能更好地与设计师进行设计上的交流和沟通。虚拟现实技术在室内设计中的运用已经成为时代的趋势，如今三维立体互动的室内虚拟空间和传统的室内设计图纸相比较，其主要优势在于虚拟室内是实际设计空间的全尺寸三维模型，它可以运用鼠标和其他交互设备进行室内的漫游，通过直观的视觉力对设计提出修改建议。这个室内虚拟空间具有人性化，有直观视觉效果，能提高设计的效率，降低成本。设计师通过虚拟现实技术能更好地展示一个直观的、逼真的、美观的室内空间。（3）虚拟现实技术在室内设计中的作用室内设计的设计要素主要包括空间要素、色彩要求、光影要求、千变万化要素、绿化要素，室内设计还需要考虑装修的风格设计、室内装饰设计、室内家具的摆放和搭配。室内装饰设计是设计师按照委托方的要求对室内的各种装饰进行前期的设计，再通过把二维的装饰设计用三维立体的模型展示出来。室内家具的摆放和搭配主要考虑人性化、空间感、色彩感。底特律的设计师Ignatius就尝试将虚拟现实技术融入到他的设计流程中。他表示，在设计前期，使用Google公司开发的产品，在虚拟现实中进行创作，除了更易于修改和尝试自己的创意以外，还能借助虚拟现实无法比拟的临场感，调动自己的创作灵感。并且，在向客户展示他创作构想以及进行沟通时，虚拟现实技术使客户能够更直观地感受到设计师的创作想法，沟通的难度大大降低了。虚拟现实技术在室内设计的运用可以很直观地向委托方反映这些要素，虚拟现实技术的作用主要有以下几点：a虚拟现实技术的运用弥补了室内设计中的不足，有利于增强设计双方的互动，能与客户全方位地进行交流有利于促进方案的实施。b打破了时间和空间的限制，能够使客户直观地贴近设计方案，相对于平面的设计方案来说有很大的优势，同时设计师身临其境，极大地提高了设计师的创新能力，能够完整的表达设计的意图。c提高了项目成本预算的精确度，避免了在设计过程中的不必要损失。由于虚拟现实系统具有真实性，和实施后的真实效果几乎没有偏差，因此几乎能保证客户的满意，从而解决传统设计中出现的不全面不准确的问题。在一个地中海风格的室内设计案例中，设计师向客户介绍了经典地中海风格的配色特点。客户通过效果图大致了解了蓝白色调的配色方案，但是还是无法想象施工后的居住感受。此时，虚拟现实技术的介入就很好的填补了这个缺口。Ignatius使用虚拟现实技术，让客户在项目尚未动工前，就在虚拟三维空间中体验了他的设计意图。最后项目施工一步到位，客户没有提出任何修改（图1－5）。

三总结

综上所述，虚拟现实技术各个方面的研究还有很大的空间。比如我们提到的室内设计上的运用，有其显著的优势。虚拟现实所具有的特征决定了它本身独特的作用，它在技术上的运用包括医学技术、房产开发项目、娱乐游戏、军事航天演习、建筑规划等。但是虚拟现实技术还是一项新兴产业，它对软件、硬件的要求比较高，需要专业的技术人员对其开发和开拓。[4]坚信虚拟现实技术在未来的很多领域上都会有技术上的重大突破。并在我们的生活和学习中能发挥重要的作用。

作者:蒋小汀 吴美玲 单位:沈阳建筑大学

参考文献:

[1]李敏.韩丰.虚拟现实技术综述[TP].软件导刊；2010.(6):142-144

[2]王芳.虚拟现实技术的运用及其发展[TP].科技信息[TP];2010.(11):795-796.

第12篇

[关键词]虚拟现实设备教学

中图分类号:TP-9文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1210106-02

随着科学技术的迅猛发展,特别是计算机科学技术的飞速发展,带动了各领域科研方式的全面革新。各种计算机辅助设计系统相继出现,给科研工作带来了极大便利。而其中的虚拟现实技术成为近几年来国内外科技界关注的一个热点。目前,虚拟现实技术已广泛应用于航空航天、医学实习、军事训练、建筑设计、教育培训等众多领域。

一、虚拟现实的概念以及特点

(一)基本概念

虚拟现实技术是一种真实模拟人在自然环境中视觉,听觉以及行为举止的一种人机交互界面。它运用计算机图形学,人工智能,计算机仿真技术,传感技术,显示技术,网络技术以及心理学等各种学科知识在计算机中构成与外在自然环境相同的虚拟环境。它使得用户可以用自然方式与虚拟环境进行交互操作。

(二)特点

1.沉浸性:指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。虚拟现实技术根据人类各种感觉器官以及心理特点,经由计算机模拟还原出逼真的三维立体图像,让使用者在与虚拟环境进行交互行为时有一种身临其境的感受。

2.交互性:指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。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。

多感知性――是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外,还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知,甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。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、触觉等多种感知,从而达到身临其境的感。

3.构想性:传统的计算机图形学中是将三维场景在显示器上进行二维环境显示处理。但是虚拟环境则是真实模拟还原现实客观世界环境,强调三维显示立体环境,更贴近于现实真实环境。

4.多感知性:是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外,还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知,甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。但是由于传感技术的限制,我们无法达到理论上的对人类感官的全面模拟,现今的虚拟现实技术的感知功能仅限于通过视觉,听觉,触觉等。

二、虚拟现实分类

根据用户参与的形式的不同,通常把虚拟现实分成四大类。桌面虚拟现实,沉浸的虚拟现实,增强现实性的虚拟现实,分布式虚拟现实。

(一)桌面虚拟现实

桌面虚拟现实(PCVR)系统,基本上是一套基于普通PC平台的小型桌面虚拟现实系统。其实就是使用个人计算机即PC机或PC工作站去产生仿真,桌面虚拟现实的参与者是不完全沉浸的,他要求参与者使用标准的CRT显示器和立体显示技CJFD2000以及位置跟踪器和另外一个手控输入设备,如数据手套和六个自由度的三维空间鼠标器,戴上立体眼镜坐在监视器前,在一些专业软件的帮助下,但可以通过计算机屏幕观察360度范围内的虚拟境界。

(二)沉浸式虚拟现实

沉浸式虚拟现实系统是一种高级的虚拟现实系统,它提供一个完全沉浸的体验,使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。它利用头盔式显示器或其它设备,把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来,并提供一个新的、虚拟的感觉空间,并利用位置跟踪器、数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。沉浸式虚拟系统是一套比较复杂的系统,它的优点是使用户全身心地沉浸到虚拟世界中去,缺点是系统设备价格昂贵,难以普及推广。

(三)增强现实性的虚拟现实

增强式虚拟现实系统是把真实环境和虚拟环境组合在一起的一种系统,它既允许用户看到真实世界,同时也可以看到叠加在真实世界的虚拟对象,这种系统既可减少对构成复杂真实环境的计算,又可对实际物体进行操作,真正达到亦真亦幻的境界。

(四)分布式虚拟现实

分布式虚拟现实系统是利用远程网络,将异地的不同用户联结起来,多个用户通过网络同时参加一个虚拟空间,共同体验虚拟经历,对同一虚拟世界进行观察和操作,达到协同工作的目的,从而将虚拟现实的应用提升到了一个更高的境界。

三、虚拟现实技术在教学中的实现意义

将虚拟现实技术引入学校教学是教育方法上的一次革命性的创新实践。相对于传统的教学模式中理论教学方面对知识的传授仅限于口述以及静态图像展示的教学方法而言,虚拟现实技术可以全方位的让学生主动获取知识,对知识体系有全方位的理解。而在实验教学方面虚拟现实技术可以模拟出逼真的学习环境,并且提供多种学习交互活动,让学习者通过实际操作或亲身体验来接受相关知识内容。例如在飞行员的培训中就可以引入虚拟现实技术进行培训,从而降低了风险以及教学成本。因此虚拟现实技术在理论与实验教学环节中有以下优势及特征:

(一)理论教学方面

1.模拟实物立体模型:在教学中经常要利用一些实物展示,以帮助学生形象的认识知识对象。传统的展示手段有:

(1)利用图像与投影仪等设备。但是这种静止图像在传递知识时信息较为匮乏,学生无法获取画面之外的知识信息。

(2)利用实物展示。这种方法的缺点是学生全面观察较为困难,在不同角度获得的信息各不相同。且展示物品无法制作较大使得后排学生难以看清楚。

(3)通过三维模型动画软件制作模型展示。虽然这种方法可以较为完整的还原物体,且各方面信息也都可以获得,但是使用此类模型进行教学无法实现动态交互,学生只能被动接受事先安排好的内容顺序,最多进行暂停与播放操作。无法自己主动获取所希望了解的相关方面知识。

但是通过虚拟现实技术我们可以构建与实物相同的三维物体。利用三维制作软件制作模型,最后存储为VRML格式,在VRML播放器中使用可以全面的认识展示对象。如计算机教学中硬件部分教学中就可以制作出相关硬件部分的桌面虚拟现实。让学生近距离全方位的观察。

2.立体空间的展示:立体空间是指现实中存在的或根据历史资料在历史中层真实存在的空间。在教学中由于受到条件的限制,学生无法亲历这些空间,只能靠老师语言描述或绘画描绘等方法来激发学生想象,让学生在自己的脑海中抽象的构建相关的空间。但是依靠虚拟现实技术我们可以不仅仅让学生在脑海中想象,还可以让学生听的到,看的到,甚至摸的到。例如在地理课程中描述火山地形,传统教学手法无法让学生亲临火山去观察,但是结合虚拟显示技术就可以全方位的观察火山地形以及火山喷发过程。同事结合虚拟向导的语音描述,学生在学习过程中可以结合向导所讲的知识亲自观察。这种教学方法无疑是对传统书本授课教学的革新与挑战。

3.展品介绍:人类发展经历了数千年,在这数千年里有无数人类知识的结晶与艺术的瑰宝。但是大多数时候我们都无法亲眼目睹这些宝贵的文化遗产,往往是通过图片或者视频来了解认识它们。比如巴黎的埃菲尔铁塔,我们又有多少人能去法国,亲自站在埃菲尔铁塔下面去从下而上的观赏它。大多数人都是通过照片来观看埃菲尔铁塔的正面。但是利用虚拟现实技术我们可以真实的模拟出埃菲尔铁塔来,从而全方位的观察它,不仅仅是我们正常的视点。我们甚至可以从人们无法获得视点来观察。

(二)实验教学方面

虚拟实验是采用虚拟现实等技术,模拟传统实验操作环节的软硬件实验环境,包括虚拟的实验设备、实验工具、实验对象等。实验过程主要是对虚拟对象的操作,实验结果可以被处理、存储,实验过程可以不断重复进行,虚拟实验注重的是实验操作的交互性和实验结果的仿真性。

虚拟实验室是虚拟现实技术应用研究的重要载体,是以计算机软硬件技术为基础,使用软件开发工具实现的一种虚拟实验环境,通过开发一系列虚拟实验模块来模拟真实的实验环境、实验设备和实验过程,实验者能够进行友好人机交互,真实感受互动的实验过程,身临其境地进行实验操作。虚拟实验室与传统实验室相比有以下优点:

1.打破了传统实验对地点和时间的限制:很多实验都需要大量的时间来进行操作,而且很多实验对实验地点的要求也很严格。但是结合虚拟现实技术,我们可以突破时间的限制而在较短的时间内获得实验结果,同时对一些特殊实验环境也可以进行模拟,打破了实验的地点限制。

2.降低了实验器械的损耗以及充分发挥学生创造力:在虚拟现实环境中进行实验,学生无需对损坏实验器械而担心。可以放心大胆的使用一些可能十分昂贵的实验器材。同时在虚拟的实验环境中,学生也可以自由发挥自己的想象力,创造力。

3.节省成本,突破设备、场地、经费等硬件的限制。

4.降低操作风险:在一些高危险性的实验中运用虚拟现实技术可以避免因操作失误而带来的人身事故。而且也可以进行一些学校无法提供的高危险性的实验:如核反应实验等涉及放射性元素的实验课题。虚拟实验教学应用于实验教学是教育技术发展的一个飞跃,它营造了“自主学习”的环境,由传统的“以教促学”的学习模式变为学生与虚拟环境的交互,从而得到新知识的学习模式。

四、结语

虚拟现实技术伴随着计算机图像技术和计算机网络技术的不断发展,从开始产生到现在经历了一段相当长的时间。但是随着科技的日新月异的变革,我们的虚拟现实技术也将迎来一个快速发展的阶段,使我们的虚拟现实中的场景更加真实,人物也更加生动形象,使之带动教育教学手段上的革新。

参考文献:

[1]胡小强,虚拟现实技术[M].北京:机械工业出版社,2005.

[2]韩强,虚拟实验室在高校实践教学中的应用与研究[J].吉林工程技术师范学院学报,2007(6).

[3]蒋庆全,国外VR技术发展综述[J].飞航导弹,2002(1).

第13篇

【关键词】船舶工程；虚拟现实；应用平台；研究

【中图分类号】U664【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）02-0034-01

虚拟现实技术作为一种高新技术，可以通过计算机将复杂的数据进行可视化，比传统的人机界面有着质的飞跃。在船舶工程中有很多方面都使用了虚拟现实技术，包括系统仿真、虚拟模拟器等，在教学和设计工作中十分受欢迎。通过虚拟现实的应用平台模拟复杂的海洋航行环境和仪器设备操作效果，实现崭新的人机交互，使用户更加直观、准确的实现操作者的意图。

一、虚拟现实系统在船舶工程中的应用现状

虚拟现实系统的主要特征包括交互性、构想性、感知性以及浸没感，通过在计算机的作用下生成三维的虚拟环境，使参与者能够感受到仿真的模拟环境，增强对事物的认识能力。

在船舶的机舱内有各种复杂的设备，所以制作出来的图像比较繁琐，使用轮机模拟器不能将机舱的整体设备结构图制作出来，只能实现对推进装置的运转工况参数仪表指示的仿真。在教学的过程中由于看不到机舱的实物，只能够通过按钮或者手柄实现相应的运转情况，在故障的判断方面还是存在一定的技术误差。随着计算机技术的不断发展，在船舶工程中使用多媒体、虚拟现实以及三维动态仿真等技术在机舱动感视景方面已经小有成就，但是从国内外的船舶工程虚拟现实的应用研究方面，都没有形成完整的体系，处于将半物理的仿真平台转向虚拟化的阶段，所以还存在很大的进步空间。

二、船舶工程虚拟现实系统的构成

1、系统构成

1）系统结构

船舶工程虚拟现实应用平台，是基于计算机模拟仿真技术的基础上实现对船舶的虚拟操作、拆装等过程。所以计算机虚拟现实系统给参与者提供了虚拟环境，整个系统包括三个方面：虚拟元器件库、设备库、实验单元和管理维护模块。虚拟现实应用平台主要为用户提供一个网络访问的服务器，在进行虚拟硬件实验的时候可以通过虚拟现实应用平台来实现程序的编辑、设计等。在虚拟仿真模块主要进行虚拟程序的编译、运行以及信号的检测等。

2）虚拟现实应用平台设计

主要有以下几种类别：①虚拟器件类。可以通过虚拟器件对IC元件的功能进行模拟。②虚拟仪表类。主要模拟对虚拟试验中的仪器仪表进行仿真的模拟，比如探测器、信号发生器、LED等。③虚拟面包板类。可以对面包板的功能进行模拟，通过虚拟引脚可以实现器件在面包板上的连接、信号传播等。④虚拟实验台类。可以对虚拟的实验平台进行模拟，主要负责各类仪表以及虚拟系统的管理。

2、功能的实现

1）元器件之间的连接

在虚拟元器件中主要通过引脚来实现不同器件之间的连接，虚拟现实系统中连线工作是信号传递的介质，是独立的一个整体，主要以Active控件的形式存在，在外观上由连线的点与线共同控制，实现了连线的工作运行。对于一对一的连线形式，在Sender函数的作用下，能够控制信号的接收和发送，整个过程中不会产生信号的冲突。但是在多种对接的连线类型中，会发送很多的信号，由于系统的抗干扰能力有限，所以会产生一定的冲突。由于虚拟现实系统有自身的特征，不同的信号在发送时，可以进行相应的逻辑处理，在信号源之间能够将它们的不同关系分析出来，然后在逻辑处理的过程中将多种对接类型的连线转化为一一对接的类型。具体的方法为：先分析各端点之间的关系，确定属于哪种类型的连线，如果只有一个信号的发送，不同点的接收，就可以判断为一对多的接收关系；有多个信号发送，不同点的接收，属于多对多的类型的连线，判断完之后在电路中安装一个逻辑门电路，可以作为信号发送的输入端，在门电路的作用下就能够实现一对一的连接关系。

2）虚拟现实系统对信号的控制

虚拟现实应用平台要对船舶进行设计，所以要对计算机传输的信号进行有效的控制。在计算机虚拟硬件电路中，经常把数字信号作为数据处理的对象，分析虚拟元件与电路的关系。在虚拟机实验系统中，虚拟连线作为主要的信号介质，如果在虚拟元器件的内部关系发生变化时，引脚值也会相应的改变，导致信号连接的连线值发生变化，这种情况叫做电路的触发，是通过Sender的方式来完成的。

3）多缓冲区多线程技术

在虚拟机中主要通过多个线程来完成不同的系统操作，提高了线程间通信的效率，使操作变得简单便捷。虚拟机通过数据缓冲的方式，可以将不同的模块同步的运行，占用系统最长时间的是虚拟机仿真运行模块，所以为了实现不同模块的同步要求，对多终端及网络系统进行了系统设计，同时虚拟机实验系统采用了缓存机制，将四个模块设置相应的缓存区，实现了线程的同步控制。

三、船舶工程虚拟现实应用平台系统模块及功能

1、主要的系统模块

1）CHSVL仿真运行模块

CHSBL作为虚拟机的现实应用平台，可以将其分为四个模块，包括虚拟机仿真运行模块、引脚模块、编译模块以及信号输出模块。在这四个模块相互作用之后实现了虚拟机系统的仿真运行。在整个系统的运行中必须要实现数据检测、编译、输出的并行操作，这样才能保证虚拟实验环境不受影响。

2）软件模型及数据库的建设

建立完相关的功能模块后，船舶工程虚拟现实应用平台能够模拟出整条船的工作状况，在实际的应用中要对各种设备模型和数据库进行研究，在建设软件模型及数据库的过程中要避免使用市场上的封闭式的应用系统，比如虚拟轮机模拟器器模型、机舱设备模型等，同时还要保证数据模型具备二次开发功能，给用户提供接口功能，而且对于不同低端的应用软件要组成将开放性的协同设计体系，设计结果可相互或转换，这样就能够在最大程度上扩展虚拟现实系统的应用。数据库的建设要独立于硬件平台，抢占式多任务管理，系统功能完善，而且容易维护。利用S Q L Server2000管理数据很容易就能够实现C/S模式数据管理，使用该系统能够对数据的访问进行修改，实现了产品的协同设计。

2、虚拟现实应用平台的主要功能

船舶工程虚拟现实系统的建设功能主要是从以下三个方面体现出来：第一，在教学的过程中系统可以将整条船进行虚拟的漫游，然后再交互设备的基础上实现对船舶设备的虚拟操作，进行动态的模拟，同时还可以对设备和机器进行虚拟的拆卸和装配，满足实验教学的需求；第二，在科研方面，虚拟现实应用平台能够对设备进行虚拟的设计、演示，在设备的使用前可以预演运作的过程，如果运行有问题，可以进行及时的修改；第三，在生产应用方面，可以提供船舶的设计、运行等虚拟的环境，并对船舶设备的运作进行虚拟的演示，实现产品设计的零投入。

总而言之，船舶工程虚拟现实应用平台通过在不断的研究下已经形成了特定的体系，实现了对船舶设备的三维空间模拟操作，但是在它的开发和使用中还存在一些问题，比如在虚拟机的使用中互动性差、连贯性不高，而且在软件的使用上比较复杂，功能太多不容易操作，所以在实践中要不断的完善虚拟现实应用平台，提高工作效率，让用户更加直观的了解操作者的意图。

参考文献

[1] 蒋革，宗晓晓；船舶虚拟设计技术综述[J]；江苏船舶；2004年01期

第14篇

关键词:虚拟现实;教学实践;三个基本;点面结合

中图分类号:G642 文献标识码:B

1引言

虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)主要采用以计算机技术为核心的现代高技术生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境(Virtual Environment,简称VE),用户借助必要的设备(如特制的服装、头盔、手套和鞋),以自然的方式与虚拟环境中的实体对象进行交互作用、相互影响,从而产生身临其境的感受和体验。虚拟现实具有3I特性,即交互(Interaction)特性、沉浸(Immersion)特性和构想(Imagination)特性。交互特性强调参与者通过专用设备以人类自然方式与VE中的对象进行相互操作;沉浸特性要求计算机所创建的虚拟环境能使参与者产生置身其中的体验;构想特性是指虚拟环境能够启发参与者发现新问题并辅助产生创新思维。

二十世纪六十年代初,“图灵奖”获得者,被称为计算机图形学之父的美国科学家Ivan Sutherland发表“终极显示”论文提出虚拟现实概念,自此,虚拟现实技术历经一系列里程碑式的理论、方法与技术研究工作,并取得了重大工程应用成果。今天虚拟现实技术的应用领域已经非常广泛,主要包括三大应用方向,即训练演练、规划设计与预测、观赏娱乐等。例如在虚拟战场环境中进行作战指挥模拟,宇宙飞船、飞机、舰船模拟驾驶训练,飞机、导弹、轮船等复杂系统的虚拟设计与制造,城市环境规划及其建筑物的展示,手术培训与导航,游戏动漫与影视制作等。由于虚拟现实技术涉及的学科综合性、交叉性强,是可以拉动多学科发展,不断产生新思想、新技术,具有广泛和重大应用前景的科学技术领域,国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)把虚拟现实技术确定为信息领域优先支持的三大前沿技术之一。

2课程的特点

北京航空航天大学计算机学院从1994年开始从事虚拟现实技术领域的研究,取得许多创新成果,在相关学科领域产生了较大影响,逐步形成了北航计算机学院一个新的优势学科方向。作为计算机应用本科生的专业限选课程,“虚拟现实技术”课程教学已经讲授了5年。本课程的教学目的是通过对有关虚拟现实技术国内外研究热点问题、典型研究工作的介绍,使学生了解当前虚拟现实技术的发展趋势;通过对虚拟现实基本原理、基本算法、开发方法、主流系统的介绍,使学生掌握虚拟现实主要技术、开发环境与平台;以虚拟现实技术与系统国家重点实验室研究工作为主要实践教学支撑,培养学生的创新能力,满足国民经济和国防部门对虚拟现实领域专门人才的需求。虚拟现实课程具有以下特点:

2.1学科交叉性、综合性强

国家中长期科学和技术发展规划纲要指出:“虚拟现实技术重点研究心理学、控制学、计算机图形学、数据库设计、实时分布系统、电子学和多媒体技术等多学科融合的技术,研究医学、娱乐、艺术与教育、军事及工业制造等多个相关领域的虚拟现实技术和系统。”虚拟现实技术主要从计算机科学与技术、控制科学与技术、机械工程科学与先进制造技术等学科中孕育并实现跨越,逐步发展成熟,涉及心理学、认知科学、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等,学科交叉性、综合性强,如图1所示。

2.2数理基础要求高

虚拟现实课程的许多理论、方法和技术涉及大量的数学公式和物理定律,例如在基于图形的虚拟现实技术中所涉及的计算机图形学,基于图像的虚拟现实技术中所涉及的图像处理和信号处理技术,在建模技术中涉及的动力学、运动学等,都需要学生具备深厚的数理基础。

2.3创新思维丰富

虚拟现实被众多学者认为是科学研究与工程实践中理论和实验方法之外的第三种方法,可以虚拟和仿真人类难以到达的宏观或微观环境,进行研究和体验;在虚拟环境下进行逼真的规划、设计、训练演练,作出评价和决策,其与生俱来的构想特性能够启发参与者发现新问题并产生创新思维。虚拟现实技术由于多学科交叉性,在不同学科交叉融合中源源不断地产生新思想、新方法。

2.4工程应用突出

虚拟现实技术既有坚实的理论基础和方法,也有大量的典型算法,同时又是一门应用牵引强,各种开发平台和应用工具丰富,人机交互设备多,软硬件结合与系统集成占相当比重的课程。

2.5课程内容多课时紧

本课程是本科生计算机应用方向的限选课程,在本科四年级上学期开设,其间正值学生考研复习准备阶段,课时总计36学时,课内教学18学时、课外实践18学时,授课时间十分紧张。

3教学内容安排

我们经过多年的教学实践,在不断与学生教与学交互的活动中,结合自身学科研究特色,总结、完善主要教学内容,形成了如下的教学大纲:

第一章:概论(2h)

问题的提出、名词术语、虚拟现实特征、里程碑工作和研究现状、国内外典型应用实例。

第二章:虚拟现实硬件与系统(2h)

虚拟现实输入设备、虚拟现实输出设备、高端图形工作站、图形处理单元(Graphic Processing Unit简称GPU)、典型沉浸式交互系统的构建实例。

第三章:基于图形的虚拟现实建模与开发技术(6h)

视觉感知相关基本概念、场景表示与数据库结构设计、CREATOR建模软件与合成自然环实例、场景图组织与基本绘制流程、OpenGVS与WTK开发软件、虚拟场景漫游应用程序开发实例。

第四章:基于图像的虚拟现实建模与绘制技术(2h)

IBMR技术与全光函数、全景图像与柱面全景图像实例、同心拼图方法。

第五章:人工生命-人工鱼实例(2h)

人工鱼的总体方案、人工鱼的生物力学分析、感知与行为建模、几何建模与外观属性、虚拟海洋环境建模、运动系统、逼真性与效率权衡。

第六章:虚拟人技术(2h)

人体抽象模型与国际标准、逼真运动获取与表示、运动约束与重用、虚拟人技术应用实例。

第七章:分布式虚拟现实技术(2h)

DIS技术与IEEE1278、HLA技术与IEEE1516、分布交互仿真程序开发与应用实例。

教学实践与课外教学安排:(18h)

课外研读学习OpenGL、构建虚拟现实漫游程序;参观虚拟现实技术与系统国家重点实验室,观看演示、操作实验室研究设备,了解当前主要研究方向和趋势。

4教学实践与思考

针对虚拟现实课程的上述特点,我们在课程的教学活动中形成了“突出三个基本,注重融会贯通;点面结合,各有侧重;结合实例,促进创新思维”的教学思路。

4.1突出三个基本,注重融会贯通

在教学中突出三个基本,即突出基本原理、基本方法、基本算法的讲授。虚拟现实课程的诸多内容来自不同的研究和应用领域,貌似差之千里,但是其核心思想常常殊途同归。对于这部分内容在教学活动中应有意识进行联系,分析讲解,努力让学生融会贯通。以细节层次概念(LOD)为例,细节层次概念是图形建模中的基本概念,是指用一组复杂程度(常常以多边形数来衡量)各不相同的实体细节层次模型来描述对象,在运行时根据一些主客观标准在这些LOD模型间进行切换,实时改变场景的复杂度,从而能够绘制效率与效果的平衡,该方法需要解决模型间切换时产生的视景跳跃问题。在GPU的基本贴图处理(MIP MAPPING )、复杂光照模型实时绘制等研究工作中也引入和应用了同样的原理,因此在讲解细节层次概念时进行举一反三,加深学生对这一满足逼真性和绘制实时性普适基本方法的理解,进一步可以引伸出连续细节层次方法以及与视点相关的递进传输技术如何满足基于网络的虚拟现实应用问题。这样教学思路始终贯彻在七维全光函数降维、八叉树的数据组织方法等诸多教学内容中,以达到融会贯通的目的。

4.2点面结合,各有侧重

虚拟现实课程涉及学科众多,内容十分丰富,有限的课时内做到面面俱到几乎不可能。我们的教学大纲基本覆盖虚拟现实的主要研究分支,重点是基于图形和基于图像的虚拟现实技术,由于增强现实在其他课程有重点讲授,不过多涉及。其次注重对当前国内外的研究重点、热点问题,以及当前的主流设备、开发工具与平台介绍。通过发挥授课教师的计算机科学与技术专业背景,结合实验室多年的研究工作进行知识点的深入讲解。例如在分布式虚拟现实技术教学中,实验室在该方向上开展了长达十年的研究工作,研究成果既体现了该内容的基本方法、国际标准,又体现了当前的最新研究成果。该内容的教学从早期的DIS入手,通过与HLA核心技术的对比,重点讲解分布式虚拟现实技术如何应用数据抽象与封装、与订购、基于值的信息过滤 (DDM)等核心技术解决大规模交互仿真问题,进一步引伸介绍目前该方向的研究进展,让同学了解当前研究热点问题。

4.3结合实例,促进创新思维

虚拟现实是一门多学科交叉的科学技术,不同学科理论与方法的互相借鉴、启迪、创新尤为明显。因此在讲授具体内容的同时,应介绍该研究工作和成果产生的背景,体现交叉创新、集成创新思路,启迪同学的创造性思维是本课程不断追求“授之与渔”的目标。在课程综述中重点介绍信息资源环境的智能化、普适化、协同化、沉浸化发展的各个不同历史时期代表性工作,以及仿真技术、先进制造技术等学科对虚拟现实的重要贡献,突出虚拟现实技术交叉融合的特性。将具体的课程知识点讲授融入到典型实例中,人工生命课程教学中以ACM优秀博士论文工作为基础,讲述了人工鱼的感知与行为建模、几何与外观属性建模、虚拟海洋环境建模等,目的在于突出建模内涵的宽泛性和在虚拟现实技术中的重要地位,通过详述人工鱼的生物力学分析、总体方案设计,行为与运动系统实现,归纳总结出多学科交叉、逼真性与效率的完美平衡是其创新所在。在讲授虚拟人技术时,首先提出逼真人体运动复杂性和实时性这一矛盾,引入机器人技术领域的逆向运动学以及信号与系统中的信号处理方法,重点介绍借鉴其他学科方法解决虚拟人运动重用和大规模人群等关键问题,强调借鉴启迪是创新的源泉。在诸如同心拼图、分布式虚拟环境中同样贯彻了结合实例,促进创新思维这一教学思路。

5结论与展望

“虚拟现实技术”涉及面宽、内容十分丰富,同时发展迅速,应用越来越广泛,如何讲授好该课程是一个需要不断探讨、研究总结的教学课题。笔者在多年的教学活动中,通过教与学的交流,不断总结形成了一些教学思路和方法,取得了良好的效果,但是仍然需要不断完善充实,主要包括两个方面内容:(1)如何做好虚拟现实技术课程与计算机图形学、多媒体技术、图像处理技术的衔接;(2)如何利用好虚拟现实技术与系统国家重点实验室的研究环境、软硬件资源以进一步加强虚拟现实课程的实践环节。我们将在今后继续研究探索,以解决这些重要问题。

参考文献:

[1] 赵沁平. DVENET分布式虚拟现实应用系统运行平台与开发工具[M]. 北京:科学出版社,2004.

第15篇

关键词：虚拟现实、景观设计、计算机辅助设计

Abstract: virtual reality technology is a comprehensive integration technology, involving computer graphics, man-machine interactive technology, sensing technology, artificial intelligence, etc. It use computer to generate lifelike 3 d visual and listening, smell and feel, make the person as the participant through the appropriate device, naturally on the virtual world and interactive experience, make the final participants produces experiences personally feel, and can directly involved in this environment changes of things and interaction. The technical performance and landscape design, combining to bring a new landscape design form, to the user and participate in landscape with a whole new experience. At the same time, it brings considerable interest and, in the future urban and rural landscape planning and design of virtual reality technology will play a more important role.

Keywords: virtual reality, the landscape design, computer aided design

中图分类号：U412.31+2文献标识码：A文章编号：

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR；又译作灵境）。是由美国 VPLResearch公司的奠基人Jaron Lanier于1989年提出了Virtual Reality一词，使用统一表述当前纷纷涌现的各种借助计算机技术及最新研制的传感装置所创建的一种崭新的模拟环境[1]。

没有驾驶过飞机的人，不知道驾机飞行的感觉；未当过宇航员的人，体会不到太空飞行中失重的滋味；若不是潜水员，也很难想象人在深沉大海中那神奇眩目的景观。那么，没有亲身实践，能否获得真实感觉呢？能，这就得靠当前正在迅速发展的虚拟现实技术，它能创造出这样一种景观：让没有经历过某环境的人，能完全获得进入这种环境的逼真感受。

一、虚拟现实仿真技术的基本特征

1、多感知性

多感知指的是除了的计算机技术所具备的视觉感知之外，还有力觉感知、触觉感知、听觉感知、运动感知等等，甚至包含了嗅觉感知、味觉感知等等。对于理想的虚拟现实技术应该具有所有人都具有的感知功能。由于相关的技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅仅限于力觉、触觉、视觉、听觉、运动等几种。

2、浸没感

浸没感又被称为临场感，意思是让用户感到作为场景中的主角，存在于计算机模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该很逼真，让用户难以分辨真假，使用户身临其境的投入到计算机创建的三维虚拟环境中，在虚拟环境中的一切看上去都像是真的一样，听上去是真实的环境声音，动起来是真实的模拟动作，甚至闻起来和尝起来等一切感觉都是逼真的，如同在现实环境中的感觉一模一样。

3、交互性

对于互交性的概念意为用户对模拟现实环境内物体的可操作性以及从虚拟环境中得到反馈的真实程度和实时性。比如，用户可以用手去操作，直接抓取计算机模拟环境中的虚拟物体，同时手还有拿着东西的感觉，并可以感觉出物体的重量，视图中被抓的物体也能马上随着手的控制而移动。

4、构想性

构想性是强调虚拟现实景观技术应该具有扩展性强的可想像空间，而且能够拓展人类对周围事物、生存环境以、整个世界甚至整个宇宙的认知范围，它可以触及人类无法到达的距离、位置和空间，可以重现真实存在的环境，也可以任意构想客观不存在的，甚至是无法存在的环境。经常说，一个完整的虚拟现实系统是由虚拟环境、以高性能的计算机为核心的虚拟环境处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备，以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成[2]。

二、虚拟现实仿真技术与景观设计表现

园林景观设计一直是对全新的可视化技术需求最为迫切的领域之一，虚拟现实技术可以广泛的应用在景观设计的各个方面，并带来切实且可观的利益：

1、展现设计规划方案，虚拟现实系统的沉浸感和互动性不但能够给用户带来强烈的、逼真的感官冲击，取得身临其境的体验，还可以通过其数据连接口在实时的虚拟环境中随时获取项目的数据资料，方便大型复杂工程项目的规划、设计、投标、报批、管理，有利于设计与管理人员对各种规划设计方案进行辅助设计与方案评审。

2、规避设计风险，虚拟现实所建立的虚拟环境是由基于真实数据建立的数字化模型组合而成，严格遵守景观工程项目设计的标准，并要求建立模拟现实的三维场景，对景观设计项目进行真实的“再现”。用户可以在三维场景中任意漫游，人机交互，这样很多不易被发现的设计缺陷能够轻易地暴露出来，或来减少由于规划设计不全面等造成的不可挽回的损失与遗憾，大大提高了项目的评估质量。

3、加快设计速度，运用虚拟现实的系统，我们可以很方便的进行编辑和修改，改变建筑等物体的高度，修改建筑外立面的材质、颜色和改变绿化密度，只要修改系统中的参数设置即可。从而大大的加快了方案设计的速度和质量，提高了方案设计和修正的效率，也节省了大量的资金，提供合作平台。

虚拟现实技术能够使政府得规划设计部门、项目开发商、工程人员及公众等可从任意角度，实时互动真实地看到规划设计效果，更好地掌握物体的形态和了解景观设计师的设计意图。有效的合作是保证景观规划设计最终成功的前提，虚拟现实技术为这种合作提供了理想的桥梁，这是传统手段如平面图、效果图、沙盘乃至动画等所不能达到的。

4、加强宣传效果，对于公众关心的大型景观规划设计项目，在项目方案设计过程中，虚拟现实系统可以将现有的方案导出为视频文件用来制作多媒体资料予以一定程度的公示，让公众真正的参与到项目中来。当项目方案最终确定后，也可以通过视频输出制作多媒体宣传片，进一步提高项目的宣传展示效果[1]。

三、虚拟现实仿真技术在景观设计表现中的应用

以谷歌地球和2010年上海世博会网上世博为例，简要列举虚拟现实仿真技术在景观设计中的应用。

1、在浏览观看过程中，用户可任意通过鼠标操作或键盘操作即可在虚拟场景中个个动作的随心所欲。用户也可以根据自己的喜好对整个环境设置进行自由探索（图3-1、2、3）。[3]

2、现场的真实感受，虚拟现实的展示方法可以是普通的电脑显示器、也可以是平面或环幕投影；借助立体眼镜，用户还可以观看到立体感极强的画面效果。试想，身临在这样一个场景中，可以按照自己的意愿来游走或是驻足观看，这样的体验是效果图、动画和沙盘都无法达到的。

图3-1 Google earth中可以任意观看的城市景观

图3-2 上海世博会网上世博官方网站主页

图3-3 上海世博会网上世博官方网站中国馆展馆内部任意浏览

3、实时交互：在某些时候，用户可能需要对场景中的物体进行实时编辑，以对比不同的设计所反映的效果，如方案对比、建筑高度调整、光影分析等。

4、属性查询：对场景内的物体进行属性获取，也是用户希望的交互之一，如查询某个建筑、企业的所处位置或是水电、通讯设备的位置和状态信息管理和查询。

四、小结

随着现代科技的快速的发展，虚拟现实技术也逐步进入到人们的现实生活中，这对景观设计者带说在景观设计学领域中能得以体现与发展应用。它不仅解决了人类与计算机在感知系统方面的交互作用，而且也真正体现了虚拟现实技术已经达到了计算机领域的高级境界和改造客观世界与造福人类的高级工具。

虚拟现实技术实质上是让人处于身临其中的感觉中，但它是虚拟的世界并非在实中。虚拟现实把幻想的世界将一一形象的展现出来，这种技术对于一位景观设计者来说，掌握它就能像用铅笔或钢笔一样，运用技术和艺术手段画出来的图，活灵活现的展现在你的眼前，从而使景观设计表现步入新的一片天地。

在设计专业中，也随之出现了“虚拟现实仿真景观”的概念，但是VR技术还不够完善，还需有待改善。在我国景观设计的领域中还处于初级起步阶段，其运用手法也尚未完善。由于软件和硬件设施条件的限制，本文只能对虚拟现实技术的作一个探讨性的综述论文[4]。

虚拟现实技术表现的是一种全方位的立体设计，在景观设计表达运用中已突破了传统的思维表达方式。景观设计者掌握虚拟现实技术将带给他更广阔的自由发挥应用的平台，因而也逐渐被更多的景观设计者所关注。但作为景观设计者不仅要学会应用，更要不断探索与挖掘，扩大其应用范围。

参考文献

[1]郭蕊，等.虚拟现实技术在园林设计中的应用研究[J].沈阳农业大学学报（社会科学版），2009（11）（6）：738-741.

[2]JOSHUA EDDINGS．How Virtual Reality Works[M]．Hightstown：Zif-Davis Publishing Co．，1994：6．

[3] ditu.省略/