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1、机械 2007年增刊 总第34卷 43 收稿日期:2006-06-12虚拟现实(VR 技术的发展及其应用杜志俊(十堰职业技术学院,湖北 十堰 442000 随着现代科学技术的飞速发展,特别是计算机技术的进步和广泛应用。出现了许多高新先进技术,虚拟现实技术就是其中之一。1 虚拟现实技术及其特点虚拟现实(Virtual Reality 即VR 技术是一种能模拟人类视觉、听觉、力觉、触觉等感知行为的高度逼真的人机交互技术,是一门涉及多种学科和技术的交叉技术。利用该技术可以使人处于用计算机生成的环境中,通过感官语言、手势可以在其中用自然的方式进行“交互、对话”,并自由的运动,随意观察周围的事物, 观到

2、物,听到声,感到力,使人具有完全身临其境之感。虚拟现实(VR 这个名词是由美国VPL Researeh 公司创始人之一Jaron Lanier 于20世纪80年代初首先提出来的,其真正含义:把客观世界中的某一局部用电子的方式模拟出来,并能够让你进入这个世界,犹如身临其境;而且这种身临其境不是静止的,能随着人在其中的活动而变化。由于虚拟现实VR 技术是由多种学科和先进技术集成而成的,具有非常丰富的内涵和显著的特征,吸引了各领域的科学家和工程技术人员投入到这一领域进行研究 。归纳起来,虚拟现实(VR 技术主要具有如下一些特点:(1虚拟的真实感虚拟技术所产生的局部世界虽然并非真实的,但是对于进入这一

3、局部世界的人来说,通过自身感觉功能,并借助专用设备对虚拟环境中的物体进行操作和观察,就如同进入真实的世界一样 。(2可造型性用虚拟现实技术可对物体的几何形态可进行主体化处理,使计算机显示的物体更逼真,更形象,让人更容易理解和操作。(3可模拟性利用虚拟现实技术可以对物体的运动学和动力学建模,能逼真地模拟物体的运动形态,演示力的作用过程。利用该技术设计虚拟样机,以检验新设计产品的可行性,极易实现设计一制造一体化。(4可操作性利用虚拟现实技术可以对虚拟世界的物体进行遥控,使之按照设计者的意愿进行运动,从而检验设计机构的可行性。(5可通信性通过虚拟现实技术可以克服由于语言、文化上的障碍而产生的交流上的

4、困难。利用网络系统,可以进行远距离的交流,如同面对面交谈,这样非常有利于远距离的人成公司之间的协同设计和制造。2 虚拟现实技术的发展虚拟现实技术的发展不是孤立的,它是伴随着其他科学技术,如计算机技术、计算机图形学,实时显示技术及三维跟踪技术等的发展而发展的,是这些技术在工业、军事领域及大学实验里研究应用的成果。早在20世纪初,Edwin link 发明了LINK 飞行模拟器,它使操作者有一种在飞机中操作飞行的真实感觉,可作为飞行员模拟飞行训练装置,避免对人和设备的潜在风险。1960年电影摄影师Moton Heilig 建立了“供个人使用的电视设备”,并获得了专利。同年Like Lider 教授

5、发表了“人机共存”的文章,提出了交互计算的思想,并得到了应用。接着Ivan E. Sutherland 发表了“一个人机通信的图形系统”的博士论文,成为现代交互图形学的开端,并开始研制头盔式显示器HMD 。随后在1965年他又发表了“终极现实”的文章,首次提出了虚拟现实的思想,并完成第一个功能较齐全的HMD 系统。大约在20世纪70年代威斯康星大学研发了一系列由计算机控制的声光环44机械 2007年增刊总第34卷境系统,利用该系统计算机能分析参与者的运动和响应。Myron Krueger在博士论文“计算机的环境响应”中首次提出了“人工现实”的概念。1970年Nicho Las Negropon

6、te等人组建了“媒体研究室”,研究开发了集计算机、听觉、视觉、广播和网络等于一体,形成了集成的媒体技术,并取得了丰硕成果。到20世纪80年代Michael Me Greevey和Scott Fisher开发研究成功了基于液晶显示技术的虚拟可视环境头盔系统VIVEDHMD;计算机科学家Jargon lanier建立了使用图像和声音的编程语言“Mandala”,使虚拟现实技术得到进一步发展,“虚拟现实”一词也被正式提了出来,一套比较完整的VR系统也呈现在世人面前。1990年在美国首先召开的Siggraph会议上,对VR 技术进行了研讨,明确了虚拟现实技术的主要内容及研究方向;1992年在法国召开的

7、VR的第一次国际会议;1994年3月首届World Wide Web (WWW大会在日内瓦召开,提出了VRML(Virtul Reality Modeling Language;在随后几年相继产生了VRML1.0、VRML2.0标准,进一步明确了VR技术的研究方向和目标VR技术的发展过程虽然不长,仍处于初级阶段,还有很多工作要做,我们相信,随着虚拟现实技术的不断发展和完善,其发展前景是十分诱人的。3 虚拟现实技术的应用虚拟现实技术从诞生时期起就在应用中不断完善和发展着,到目前,它的应用领域越来越广泛。(1在军事、航天、航空领域的应用各种计算机网络最早源于ARPANET网,一直限于军用,其中MI

8、LNET是一个廉价而有使用价值的模拟网络系统,它可以用来训练坦克、直升机以及战斗演习。随着VR技术的不断发展,在军事领域的应用越来越多,它可以用于步兵训练,受训者在此虚拟环境中有如身临实战。坦克装甲人员训练模拟器可以使六个受训者相互联网在一个指挥官的指挥下,协同工作,就像一个排或一个连一样;毒刺导弹训练仿真器可以用于士兵的操作训练,能识别目标,发射导弹;战术训练模拟器能训练士兵如何与敌人周旋;利用模拟网络可以进行军事演练,训练部队之间的协同作战能力。飞行仿真器为飞行员提供了一个飞行训练环境,利用该仿真器,飞行员可以一面进行飞行控制训练,一面可以观察各种仪表的变化状况,它能使飞行员很快掌握多种机

9、型的飞行技术而不冒风险。现代的全封闭仿真器可以通过使用虚拟飞行环境来实现高程度的真实感。利用虚拟现实系统还可以对宇航员进行太空飞行训练。(2在工业设计和制造中的应用利用VR技术可以为制造厂家产品设计以及生产的各个阶段提供支持。虚拟概念设计是将虚拟现实技术与概念设计结合起来,用于在虚拟环境下进行产品的概念设计。由于概念设计阶段决定了产品成本的60%70%,在此阶段产品的质量、性能等指标在很大程度上就被确定下来了,而该阶段的完成按传统设计方法需花费大量的人力物力,且设计周期长。面对日益加剧的市场竞争的挑战,利用虚拟现实技术进行概念设计工作将会有巨大的优越性。国外的研究人员在这方面作了大量的探索性工

10、作,开发研制了一些虚拟设计系统,其中影响较大的系统有:Design Space系统:该系统通过一个网络化的虚拟环境中使用语言和手势,允许进行概念设计和装配;Conceptual Design Space工程:它允许进行三维的建筑空间设计;3-Draw系统:他使用三维的输入装置,让设计者可在三维空间里“草绘”其构思;JDCAD系统:主要用于零件设计。COVIRDS系统:是一个虚拟概念设计系统,设计师可以在一个三维虚拟环境中创造和修改三维形体。虚拟现实制造的目标是利用计算机及相关设备,构造出一个虚拟制造环境,并在此环境中集成制造系统的大部分功能,实现制造全过程的模拟仿真。EMD公司用UGS 软件进

11、行曲轴模具的设计制造,使得曲轴的设计生产周期大大缩短,生产效率和产品质量大大提高。虚拟现实技术已经打开了通往工程空间的大门,在该空间中,产品可以被设计、加工、检验、装配、测试,并可以进行各种模拟仿真。(3在娱乐、教育、艺术方面的应用娱乐、教育、艺术等领域是虚拟现实技术应用最多的领域之一。虚拟教室、虚拟音乐、虚拟博物馆、虚拟电视、虚拟电影、虚拟剧院等都是虚拟技术应用的成功范例。Stray Light公司利用VR技术设计了一种26个座位的浸入式剧院,并给每位观众配备了高分辨率的头盔式显示器,该剧院每小时可以接纳300多人。利用浸入式虚拟机械 2007年增刊总第34卷45现实系统建立运动影院,可以给

12、人们提供一个可供选择的景观。该公司出品的虚拟现实游戏,可以使人与聪明的虚拟对手进行游戏较量,给人以无限乐趣。他们开发的虚拟现实游戏系统,目前在世界上许多地方都可以购买到。在电视方面,人们利用电视摄像机的移动和转移把虚拟物体与实际景物结合在一起可以制作电视节目,也可利用虚拟演播室排演节目,训练演员,而不必依赖真实的演播室和场景,减少节目制作费用,缩短节目制作周期。法国的媒体实验室开发了一项技术,把计算机卡通人物由木偶操纵者驱动能实时生成动画,虚拟现实将对计算机动画的未来将产生巨大的影响。(4在通信领域的应用虚拟现实技术可以为远距离的人们营造一个协同工作的虚拟环境,在这个虚拟环境下,人们可以共同讨

13、论,交流、指挥和决策。例如,用“虚拟会议室”系统,可以为处于不同地点的人们提供一个交流场合,参加者可以自由出入,可以大大提高会议效率。(5在医学方面的应用主要用于医学教学和医疗训练,手术遥控等方面。医学教学和手术培训通常都是利用人、活的或死的动物的尸体、机械仿真模型等来获得实践技能。对于尸体解剖,尸源的寻找和解剖体的保管都存在着困难,又由于尸体组织的变化,也无法显示出鲜活组织的动态性质。利用虚拟现实技术可以训练外科大夫医疗技术而不损伤人或动物,获得犹如活体结构一般的动态真实感觉,医生还能够与表示人体特殊部位的虚拟环境进行交互。利用虚拟现实技术还可以对某些疾病进行治疗,例如英国诺丁汉大学的研究人

14、员用虚拟现实系统治疗不同类型的恐怖症;美国加利福尼亚的一个医疗小组用虚拟现实系统治疗恐高症等。虚拟现实技术的应用领域十分广泛,目前仍在许多领域有待开发。可以相信,随着虚拟现实技术的不断发展和完善,更多的应用系统将会被开发出来,并在未来的社会发展中发挥更大的作用。参考文献:1洪炳熔,蔡则苏,唐好选. 虚拟现实及其应用M. 北京:国防工业出版社,2005.2张世昌. 先进制造技术M. 天津:天津大学出版社,2004,4.3梁艳霞,聂如春. 基于虚拟现实技术的计算机辅助概念设计J. 机械工程师,2005,4.4朱书华,等. 虚拟加工技术及其在曲轴生产中的应用J. 机械工程师,2005,1.(上接第4

15、2页减水防裂剂的混凝土在保持混凝土强度的条件下可减少15%的水泥用量,其体积用增加骨料用量来补充;(4提高水泥浆与骨料的粘结力,提高的混凝土抗裂性能;(5掺外加剂混凝土和易性好,表面易摸平,形成微膜,减少水分蒸发,减少干燥收缩。许多外加剂都有缓凝、增加和易性、改善塑性的功能,我们在工程实践中应多进行这方面的实验对比和研究,比单纯的靠改善外部条件,可能会更加简捷、经济。3 混凝土的早期养护实践证明,混凝土常见的裂缝,大多数是不同深度的表面裂缝,其主要原因是温度梯度造成寒冷地区的温度骤降也容易形成裂缝。因此说混凝土的保温对防止表面早期裂缝尤其重要。从温度应力观点出发,保温应达到下述要求:(1防止混凝土内外温度差及混凝土表面梯度,防止表面裂缝;(2防止混凝土超冷,应该尽量设法使混凝土的施工期最低温度不低于混凝土使用期的稳定温度;(3防止老混凝土过冷,以减少新老混凝土间的约束。混凝土的早期养护,主要目的在于保持适宜