虚拟仿真技术发展

虚拟仿真技术发展（共8篇）

篇1：虚拟仿真技术发展

虚拟现实技术发展的分析论文

论文关键词：虚拟现实技术矿山软件虚拟矿山

论文摘要：随着虚拟现实技术的不断发展，将其应用于矿山建设逐渐成为矿山研究热点之一。应用虚拟现实技术可以生成三维的“虚拟矿山”，直观地显示矿山的地质情况和巷道分布情况，可向设计者、审查者、公众展示…个三维的、动态的矿山。虚拟现实技术在矿山设计、技术改造及生产中具有重要作用。

1虚拟现实技术及软件简介

虚拟现实技术可利用计算机产生一个以自然的视、听、触等功能感受的三维环境，人们可以方便地对生成的“虚拟世界”进行交互式的观察、分析、操作和控制。它以仿真方式给用户创造了一个实时反映实体变化与相互作用的界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，它具有多媒体信息的感知性、沉浸性、交互性和自主性等特点。利用虚拟现实技术创建出逼真的矿山工程环境对优化系统设计具有重要的实用价值。

为了给用户创建一个能使其感到身临其境和沉浸其中的环境，必要的条件就是根据需要能在虚拟现实系统中逼真地显示出客观世界中的一切对象：不仅要求所显示的对象模型在外形上与真实对象酷似，而且要求在形态、光照、质感等方面十分逼真。

目前，相关软件发展迅速、种类较多，其中常用的软件有MultiGenGreator、Vega、OpenGI以及我国图灵公司的VRMAP、适普公司的IMAGIS等。

1．1模型构建软件

MultiGenCreator是美国MultiGenParadigm公司开发的三维建模软件，广泛用于视景仿真、虚拟城市、模拟设计、交互式游戏等。它在满足实时性的前提下可生成逼真的场景，可进行多边形建模、矢量建模和地形生成。它的层次细节、多边形筛选、逻辑筛选、绘图优先级、自由度设置等高级功能使得其数据格式OpenFlight在实时三维领域成为流行的图像生成格式。该软件可接受DXF、DEM和其它矢量格式的数据与AutoCAD和GIS软件结合方便。

1．2支持视景生成的语言——OpenGL

应该使用已有的商品化或标准化的图形库和程序设计语言来设计与实现虚拟环境，其中OpenGI(服务器)及其支持系统就是这样一种可选用的图形生成环境。OpenGI可按函数库的形式被C语言调用，也可以被窗口系统直接调用。OpenGI是使用专用图形处理软件接口，该接口目前由几百个过程函数组成，用以支持用户对高质量三维对象的图形和图像进行操作。

penGI指令的模型是客户／服务器模式，即一个程序(客户)提供指令，该指令由OpenGI解释并处理，它直接执行3D及2D图型的基本操作。这些操作包括转换矩阵、光照模型和光线跟踪、反混淆方法、z～Buf以及像素更新操作等。OpenGI也支持双缓冲技术，该技术提供了生成动画效果图形所需要的机制，使所生成的图形能够像电影一样平滑运动。

1．3视景漫游软件

Vega是MultiGen--Paradigm公司开发的应用于实时视景、声音仿真和虚拟现实等领域的高性能软件环境和开发平台，由Lynx图形化用户接口和Vega库组成。利用Vega库函数可在Lynx中建立漫游所需要的场景、窗口、通道、运动和碰撞方式，可以定义对象的初始化参数并建立对象之间的相互联系。

2地质构造情况的模拟

对于矿山技术人员来说地质构造情况非常重要，如果对煤层、岩层、含水层、流沙层以及断层和褶曲等情况的推断有偏差，或图形表现不直观易懂，则在建井或生产过程中就可能发生塌方、突水等事故，造成人员伤亡和经济损失。应用虚拟现实软件可以根据地质体的三维分布，使矿井的规划设计更加直观方便。

综合国内外现状，三维地质体的绘制有块段、表面、实体和断面建模法等。

MultiGenCreator中需要的曲面数据是ded或。dem格式，使用GIS软件Arolnfo、用插值方法生成不规则三角网(TIN)，然后转成USGSDEM格式，将其导入Creator就可以生成煤层曲面。然后，通过光照、着色、纹理、渲染等处理三维地质体更加逼真。

3地形地貌及地物的模拟

地形地貌和地物的建立需要相应的三维数据。如果有研究区域的纸质地形图，可以用扫描数字化的方法得到平面数据，按照图上的标注得到高程数据；如果已有该区域的电子地图，则可直接使用或通过数据格式转换得到需要的数据；如果没有上述数据源，则需要由野外测量获得。

地形生成与地质曲面生成过程类似，先用ArcInfo将地形图上的等高线和高程点进行数字化，把图上标注的高程值输入到属性表中，生成不规则三角网(TIN)，然后转成USGSDEM格式将其导入Creator生成三维地形。

对于建筑物、道路、围墙、河流、湖泊等的建立，先用Auto—CAD进行数字化，得到其平面位置。将得到的*．def文件导入Creator，并与地形匹配。如果建筑物比较规则，则直接将其底面按照高度拉伸为立体，如果建筑物造型比较复杂，则需要分成规则的几部分进行构建。

4矿山井下巷道建模

目前，矿山信息主要是通过CAD格式的双线采掘工程平面图来表达。首先根据采掘工程平面图上的高程信息，利用CAD中的`三维多线段重新描绘巷道，同时将高程信息赋予每个节点，实现巷道的单线显示，井筒和巷道设计要布置合理，尽量避免穿过断层、褶曲、含水层等不良地质构造，尽量减少矿井建设和生产地面的影响。

使用MultiGenCreator进行设计，用圆柱体表示井简，用半圆型截面的柱体表示岩巷，然后进行模拟生产，以发现生产中可能遇到的问题，对设计方案进行比较和选择。设计方案完成后可模拟不同设备、不同开采方式的生产系统进行生产，从而达到优化矿井设计和生产系统的目的。综合考虑地质和技术条件、经济、环境等各种因素，选择合理的方案。

5虚拟巷道系统的建立

虚拟巷道系统是对矿井真实巷道多分辨率的三维虚拟表示，建立的主要任务之一是实现基于web环境下的可交互的、真实巷道的三维可视化表达，用户可以从各个角度对巷道虚拟环境进行任意的浏览和观察，并可通过网络进行各种交互。

5．1矿井巷道的建模

矿井中各种实体大多是三维实体，其表面为不规则曲面，且内部矿体品位分布不均匀。对于矿体的外形，可用一个不规则的封闭曲面来确定。为确定矿体的范围，要经地表勘查、地下勘探及推估等手段来完成。在浏览器上发布三维实体模型，可通过将现有的三维矿体模型中存储的信息按照一定的规范转换为系统可接受的格式得到。要在MuhiGenCreator中构建三维矿井巷道模型，首先应进行简单的坐标转换，这是因为MuhiGenCreator中采用的坐标系和地学中实际采用的坐标系的含义有所不同。MultiGenCreator中采用的坐标系为符合右手规则的空间坐标系，是以MuhiGenCreator浏览器中用户区的中作为其坐标系的圆心，基底坐标为XOZ面，y表示高程。其坐标长度以米为单位，标准角度以弧度为单位。因此，为使它与人们通常采用的地学坐标系保持一致，应将原来矿井三维实体的(，Y，：)坐标转换为MuhiGenCreator坐标系中的(，Y，Z)。转换后的三维实体坐标应满足虚拟场景中所采用的局部坐标系显示的需要。由于矿井实体坐标的数值一般相当大，而实际显示坐标值的前几位高位数据对图形形状不产生任何影响，因此可将地理坐标数据各分量同时做一预选。

5．2虚拟巷道场景的绘制

对于规则格网构成的矿山地表模型及矿井实体的顶底板数字表面模型，可用ElevationGrid节点构建。该节点能很容易有效地设计创建一个位于局部坐标系X()Z平面上高低起伏的地域造型。该造型用高度值组成的标量阵列描述，阵列指定了表面每个格网点上的高度。和z方向的栅格点数量可以分别用xDimension和zDimension域建立。xSpacing和zSpacing域值指定了栅格行和列之间的空间。Height域的值指定了每一个栅格点的海拔高度，基底上的每一个栅格点都与height矩阵中的一个海拔值相对应；colorPerVertex域指定为TRUE或FAISE，表示color域中指定的颜色是用到ElevationGrid节点的每个顶点上(TRUE)，还是应用到每个四边形上(FAISE)；此外，通过建立solid域值，所有的海拔栅格都可以当作实体。

对于由不同的三角面构成的复杂地表模型，则需要用MUITIGENCREATO提供的万能几何节点IndexedFaceSet来创建，它有coord与coordlndex两个域，与IndexedFaceSet节点中的两个域类似，前者提供了一个节点，列出了构造面几种所有面的坐标。Coordlndex域的值提供了一张描述一张或多张面周界的列表。其中每一个值都是整型索引，并且每个索引都指定了在coord域内的坐标列表中的一个坐标。在实际的创建过程中，要求建立三角网的各个三角面按照法线方向向外的法则。

6结语

应用虚拟现实技术，生成一个逼真的矿山虚拟环境(VirtualEnvironment)。这样在矿山设计或研究阶段，科研人员可以置身于矿山虚拟环境下直观审视矿山，按照设计给定的工艺方法和参数，选择设备及确定生产模式。从基建到闭坑的全过程实时监控，发现问题进行实时修正。设计结束后，设计单位、矿山企业可向审查者、公众展示一个三维和动态的矿山。总之，虚拟现实技术在矿山设计、技术改造、生产中可广泛应用。

参考文献：

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[5]李青等．虚拟现实技术及矿井工业广场的可控可视化研究．《计算机仿真》，1998(2)：19．

篇2：虚拟仿真技术发展

关键词：虚拟现实 虚拟环境 分布式虚拟现实系统

虚拟现实技术简介

虚拟现实技术(Virtual Reality)，又称灵境技术，是90年代为科学界和工程界所关注的技术。它的兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域;为智能工程的应用提供了新的界面工具;为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法。这种技术的特点在于，计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空间，或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”,从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。这种技术的应用，改进了人们利用计算机进行多工程数据处理的方式，尤其在需要对大量抽象数据进行处理时;同时，它在许多不同领域的应用，可以带来巨大的经济效益。

1.虚拟现实技术的发展概述〖1〗

1965年，Sutherland在篇名为《终极的显示》的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，从此，人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。

随后的1966年，美国MIT的林肯实验室正式开始了头盔式显示器的研制工作。在这第一个HMD的样机完成不久，研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。1970年，出现了第一个功能较齐全的HMD系统。基于从60年代以来所取得的一系列成就，美国的Jaron Lanier 在80年代初正式提出了“Virtual Reality”一词。

80年代，美国宇航局(NASA)及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。1984年，NASA Ames研究中心虚拟行星探测实验室的M.McGreevy 和J.Humphries博士组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，将火星探测器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。在随后的虚拟交互环境工作站(VIEW)项目中，他们又开发了通用多传感个人仿真器和遥现设备。

进入90年代，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图象的实时动画制作成为可能;人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地进入市场。而这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。例如1993年的11月，宇航员利用虚拟现实系统成功地完成了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作，而用虚拟现实技术设计波音777获得成功，是近年来引起科技界瞩目的又一件工作。可以看出，正是因为虚拟现实系统极其广泛的应用领域，如娱乐、军事、航天、设计、生产制造、信息管理、商贸、建筑、医疗保险、危险及恶劣环境下的遥操作、教育与培训、信息可视化以及远程通讯等，人们对迅速发展中的虚拟现实系统的广阔应用前景充满了憧憬与兴趣。

2.虚拟现实系统的研究现状

计算机的发展提供了一种计算工具和分析工具，并因此导致了许多解决问题的新方法的产生。虚拟现实技术的产生与发展也同样如此，就虚拟现实本身而言，它主要涉及到三个研究领域：

通过计算机图形方式建立实时的三维视觉效果;

建立对虚拟世界的观察界面;

使用虚拟现实技术加强诸如科学计算技术等方面的应用。

图(1)表示的是虚拟现实系统领域的组成示意图。

图(1)虚拟现实系统领域的组成示意图

虚拟现实的有关技术特征及构成

从本质上说，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如

视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段、最大限度地方便用户的操作，从而减轻用户的负担、提高整个系统的工作效率。

1.虚拟现实技术的重要技术特征〖2〗

虚拟现实的定义可以归纳如下：虚拟现实是利用计算机生成一种模拟环境(如飞机驾驶舱、操作现场等)，通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。虚拟现实技术因此具有以下四个重要特征：

多感知性

所谓多感知性就是说除了一般计算机所具有的视觉感知外，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。理想的虚拟现实就是应该具有人所具有的感知功能。

II.存在感

又称临场感，它是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度。

III交互性

交互性是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(包括实时性)。例如，用户可以用手去直接抓取环境中的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视场中的物体也随着手的移动而移动。

IV.自主性

是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。例如，当受到力的推动时，物体会向力的方向移动、或翻倒、或从桌面落到地面等。

2.虚拟现实系统的构成

虚拟现实系统的模型表示如图(2)。用户通过传感装置直接对虚拟环境进行操作，并得到实时三维显示和其它 反馈信息(如触觉、力觉反馈等)。当系统与外部世界通过传感装置构成反馈闭环时，在用户的控制下，用户与虚拟环境间的交互可以对外部世界产生作用(如遥操作等)。

图(2)虚拟现实系统的模型

虚拟现实系统主要由以下六个模块构成(如图(3))。

图(3)虚拟现实系统的构成

检测模块：检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境。

反馈模块：接受来自传感器模块信息，为用户提供实时反馈。

传感器模块：一方面接受来自用户的操作命令，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。

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。

建模模块：获取现实世界组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。

现有虚拟现实系统的关键技术

虚拟现实的关键技术可以包括以下几个方面：〖3〗

(1)动态环境建模技术

虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术(有规则的环境)，而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。

(2)实时三维图形生成技术

三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15桢/秒，最好是高于30桢/秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。

(3)立体显示和传感器技术

虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的虚拟现实还远远不能满足系统的需要，例如，数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点;虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要开发新的三维显示技术。

(4)应用系统开发工具

虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力。选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。为了达到这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具。例如，虚拟现实系统开发平台、分布式虚拟现实技术等。

系统集成技术

由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的

篇3：虚拟仿真技术发展

虚拟技术是一种基于计算机的创造模拟技术,它以计算机仿真技术为基础,综合了各个领域诞生的新技术,形成了一个综合的系统技术群。它的应用领域非常广泛,涉及产品的设计制造、建筑的设计开发以及医疗、环保、管理、娱乐和教学等方面,对这些领域的发展起到了不可估量的作用。

虚拟仪器技术是基于计算机由用户自己设计、定义组成仪器的技术。运用虚拟仪器技术,用户可以在计算机里设计或定义新的理论和新的算法来适应不同的测量需求。它突破了传统测量仪器的概念,在仪器的设计、制造与使用方法上进行了突破性的创新,不仅保持了传统仪器的功能,而且实现了传统仪器无法实现的许多功能,降低了仪器的维护费用,使仪器的功能和使用效率得到提高。

1虚拟制造技术与应用

虚拟制造(Virtual Manufacturing,VM)是实际制造过程在计算机上的映射, 即采用计算机仿真与虚拟现实技术,在高性能计算机及高速网络的支持下,在计算机上群组协同工作,实时地、并行地模拟产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验以及企业生产的成本管理与控制。

虚拟制造技术的关键就是在计算机中建立起虚拟的生产环境:以产品为核心,并围绕产品进行设计建模、制造加工和生产管理等一系列的生产过程。产品开发的关键技术是在并行工程CE环境及企业范围内实现产品信息管理PM、计算机辅助设计CAD、计算机辅助制造CAM和计算机辅助工程CAE的集成以及快速原型制造RPM、VRT及国际互联网技术等。

虚拟制造技术是对真实加工制造过程的动态模拟仿真,通过对产品外形设计、加工及装配过程的模拟仿真以达到优化产品设计、加工工艺过程、产品制造环境配置和生产供给计划以及优化制造过程并改进生产系统的目的。虚拟制造从根本上改变了设计、试制、质量测试、修改设计、规模生产的传统制造模式。在产品真正制出之前,通过运用建模工具、分析工具等软件工具,在虚拟环境中生成软产品原型以代替传统的硬样品进行产品分析试验,对其性能和可制造性进行预测和评价,从而可以及时地对产品模型进行修改和调整,对加工及装配进行修改,缩短产品的设计与制造周期,降低产品的开发成本,提高系统快速响应和适应市场变化的能力,使企业的生产能够迅速地与市场挂钩。

2虚拟仪器技术

虚拟仪器是美国NI公司在20世纪80年代中期提出来的,是电子测量技术与计算机技术深层次结合、具有很好发展前景的新一类电子仪器。它以计算机作为仪器统一的硬件平台,充分利用计算机的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能,同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化,使之与计算机结合构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同,同时又充分享用了计算机智能资源的全新仪器系统。它是微电子、通信、计算机等现代科学技术高速发展的产物。

虚拟仪器技术实际上就是在测试系统或仪器设计中尽可能地以软件的形式代替硬件。虚拟仪器软件由应用程序和I/O接口仪器驱动程序两大部分构成。其中,应用程序包含实现虚拟面板功能的前面板软件程序和定义测试功能的流程图软件程序;I/O接口仪器驱动程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。NI公司的LabVIEW是一款可视化的图形编程软件,它不仅提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现代的高级信号分析工具, 且还非常容易和各种数据采集硬件集成。它是计算机硬件、仪器测控硬件和用于数据分析及图形用户界面软件之间的有效结合, 具有测量精度高、重复性好、测量速度快及易于扩展等优点。

3虚拟仪器技术在虚拟制造上的应用

虚拟仪器技术可以方便地将硬件系统和软件系统集成在一起,大大地节省测试的时间和空间,提高工作效率,因此在测控系统开发方面具有强大的优势。如果将虚拟仪器技术广泛地应用于虚拟制造中,将对虚拟制造技术的发展提供强有力的支撑。虚拟仪器技术可以运用在以下两个方面:

3.1 测量系统的设计

利用LabVIEW高度可视化的特点可以对测量系统的前台面板进行有效的设计,主要是进行相应功能的编制,以实现对相关数据的采集、分析处理、输出、存储和显示。通过编程在计算机屏幕上生成一个与传统仪器面板相似的图形界面,用于显示测量的数据结果。在测量中用户可以通过鼠标对面板上的开关和按钮进行各种操作,并且可以输入事先计算好的数值进行模拟运算以便验证测量结果的准确性。通过选用LabVIEW的波形显示器控件,实现数值显示,并且加入理论计算功能,使得实际数据可以和理论数据进行对比,方便调整实际测量中的误差,同时加入数据保存控件并将所得的测量数据及时保存。测量系统面板设计见图1。

3.2 测量系统的远程控制

利用强大的网络进行远程控制可以为企业节省大量的空间和时间,虚拟仪器技术提供的远程控制技术可以为虚拟制造技术的发展提供重要的帮助。LabVIEW为方便远程用户的使用提供了相当强大的远程控制功能。利用远程面板(Remote Panels)技术,通过Web发布工具生成网页,并放在发布目录下,供客户端用户通过Web浏览器进行远程访问和控制,利用它可以使远程的用户通过通用的网络实时地掌握测试系统的情况并做出相应的操作。这样即使用户不在操作现场也可以很方便及时地掌握最新情况。测量系统的Web发布面板见图2。

LabVIEW除了上述的Web发布技术,还可以在本地机器上实现程序的远程动态控制。利用LabVIEW中的VI Server进行设置,设置的过程和参数见图3。VI Server的网络通讯使用TCP/IP协议,端口号为3363。

完成了VI Server的设置,利用图4的控制程序可以将远程计算机上的LabVIEW应用程序在本地机器上打开运行。利用Open Application Reference 函数,输入希望连接的远程计算机的地址,并将打开远程计算机上LabVIEW的参考号输入到Open VI Reference函数中。Open VI Reference函数的路径参数连接远程计算机测量系统VI的路径再调用程序,这样就可以在本地实现程序的远程控制。

4结束语

摘要：随着生产的发展,虚拟制造技术由于其能缩短企业产品的生产周期、提高产品质量、降低产品的生产成本、提高产品的市场竞争力而受到越来越多的重视。虚拟仪器技术是一种基于计算机的自动化测试仪器技术,是计算机技术和现代仪器技术相结合的产物,它实现了传统仪器测量理论和测量方法上的革命性突破,同时具有远程的可操控性,为虚拟制造提供了重要的支撑,是虚拟技术的一个重要组成部分。

关键词：虚拟制造,虚拟仪器,测试系统,远程控制

参考文献

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篇4：虚拟仿真技术发展

虚拟现实技术对职业发展具有巨大的促进作用，我们应该如何推动虚拟现实技术在职业教育领域发挥更大作用？我认为，一是要敏锐洞察虚拟现实技术在职业教育的应用前景。虚拟现实技术能够创建与现实社会类似的环境，可以广泛用于学习情景的创设，实现模拟训练，进而实现学习媒体的情景化及自然交互性的要求，因此要从思想上和认识上高度重视其在职业教育领域广阔的应用前景。二是要加强校企合作，积极引进虚拟现实先进技术资源。企业作为职业教育校企合作的主教练，拥有强大的研发团队和先进技术资源，可以广泛地参与办学理念、实训基地、人才培养、师资队伍建设等全过程。加强校企合作，能够充分发挥各自的技术优势和人才优势，进一步增强职业教育适应市场和社会需求。三是要加强虚拟现实技术与课程教学体系的深度融合。一方面积极引进虚拟现实领域应用人才，充实到职业教育师资队伍当中。另一方面选派教师深入企业或研究机构进行虚拟现实技术与职业教育结合的理论与实践研究，吸收企业专家参与教学，通过这些方式进行全面的虚拟现实产品开发、使用、培训，最终实现虚拟现实技术与课程教学体系深度融合。四是要探索建立河南虚拟现实职业教育联盟。整合资源共同开展虚拟现实技术在医疗、工业设计、房地产销售、旅游教学、水利电力、汽车修理等关键领域的开发及应用，凝聚和培养职业技能人才，构建技术创新共享平台，组建虚拟现实职业教育联盟，推动虚拟现实技术在职业教育中的广泛应用。

篇5：虚拟仿真技术发展

1面临的问题

当今汽车设计制造技术飞速发展，焊装工艺技术作为轿车白车身生产的重要技术，其发展同样面临升级换代。以往传统的二维手工进行焊装工艺规划的模式已经无法适应数字化时代汽车白车身生产的需求。同时随着汽车市场竞争的加剧，如何利用构建焊装工艺规划体系实现白车身的高质量、高效率、低成本制造，实现效益最大化，都需要我们开拓思路、寻求有效的方法与手段。而数字化虚拟制造技术的发展，为白车身焊装工艺规划实现跨越式发展提供了全新的解决方案。

2解决方案

基于行业技术发展方向及公司自身发展需求，某企业依托西门子公司的Process De-signer (简称PD) 软件建立了数字化焊装工艺规划平台体系，为白车身焊装工艺规划实现数字化、三维化、标准化、协同化的发展提供了整体解决方案，实现了主机厂和供应商协调利用该平台对白车身的制造过程进行规划设计、模拟仿真，实现信息共享、传递与发布，实现了规划制造过程的可视化、系统化和智能化。

在焊装项目运行过程中通过建立逼真的虚拟现场环境，对整个焊装工厂、焊装生产线和单个生产工位的每个操作、工作内容、工装设备等进行整体工艺规划与协同管理，并综合利用各种管理工具实现焊装工艺过程的优化。

3实施过程

在焊装项目启动前期，主机厂利用Pro-cess Designer软件平台进行焊装项目前期的数字化焊装工艺规划，这个阶段规划内容主要进行整体工艺方案与线体工位布局的分析与验证，确定产品工艺分配、采购设备的数量与种类、焊接工艺、人员、电气控制形式、工艺布局等项内容，实现对项目技术方案、设备构成、成本预算等的综合规划，为项目招标做好技术准备。

主机厂利用PD文件作为招标介质进行焊装项目的公开招标，供应商同样要利用PD软件平台进行设备及项目总体报价，整个过程均实现了统一的全数字化的数据交换。

焊装项目招标完成后，进入焊装项目的设计制造正式启动阶段。根据主机厂的技术任务要求进行焊装项目的`详细工艺规划，这个阶段同样需利用Process Designer数字化工艺规划平台系统来开展工作。进行焊装详细工艺规划的工作目标是要结合开发车型的生产纲领、节拍、自动化程度、投资预算等对白车身的上件工艺顺序、焊点分配、节拍计算、工艺设备布局、物流等方面进行分析和验证，同时利用Process Simu-late、 Robcad、 Plant Simulation 等仿真软件平台对生产线、工装设备、机器人等进行详细的模拟仿真、验证、优化，以满足焊装制造工艺的可行性，优化生产线工艺布局，优化产品物流传递，实现焊装高效率生产及高品质制造。

建立完整的焊装数字化虚拟制造体系要完成以下内容：

(1)软件平台架构的建立

主机厂以及配套供应商首先要完成软件平台架构的建立，按照工艺规划技术人员比例配置相应的工艺规划及仿真软件，组建数字化工艺规划及仿真团队，开展相应的软件技术培训。

(2) 数值化工艺规划标准建立

建立企业数字化工艺规划标准，对数据结构、资源命名规则、图标表示、数据存放层级管理等进行定制，形成企业标准。

(3)建立焊装工艺资源数据库模型

主机厂以及配套供应商根据自身发展的要求，建立了自己的焊装工装资源库和操作资源库，这是完成下一步数字化焊装工艺规划工作的前提和基础。建立完善的焊装资源数据库，才能进行工位与生产线的2D和3D布局，才能进行焊接工艺的模拟与仿真，才能进行焊装投资成本分析。

(4)开展数字化工艺规划软件应用导航项目

利用真实项目进行导航式项目应用实践。体系构建之初需选择技术实力较强的软件供应商进行技术培训与导航陪伴。利用已完成的焊装项目或新的焊装工程项目，对焊装规划及仿真人员进行数字化工艺规划导航培训，辅助规划员一步一步掌握焊装项目工艺规划的操作过程，真正在实践中学会利用数字化手段进行工艺规划的技能。

在导航过程中，利用Process Designer软件体系进行焊装产品的工艺分配，进行焊点的工艺分配、进行焊接设备的选型、进行生产线的形式选择与三维布局、对生产线及操作进行节拍分析，同时配合应用Process Simulate软件模块对焊接工艺及布局进行优化与验证，包括对机器人可达性、干涉碰撞的验证。通过以上的仿真检验，可以对焊装工艺规划方案中的焊接设备的选择、夹具设计、生产线布局、是否合理、生产纲领节拍能否满足要求等进行优化改进。

规划工作后期通过输出机器人的仿真验证结果，利用RCS接口生成离线程序，输入到实际机器人控制器中，现场调试过程中仅需要微调即可实现机器人的示教，可大大缩短了现场安装调试时间。

(5)建立虚拟试生产实验体系

当下汽车企业都面临着:如何降低新车开发成本、提高整车质量，缩短产品推出周期的挑战。数字仿真技术已经在实际工程项目实施中扮演了重要的角色。

通过建立虚拟试生产技术智能实验室，配备相应的软件与硬件设备，即可系统的开展柔性生产线数字化工艺规划、机器人模拟仿真与电气自动化控制编程调试技术的集成应用，实现数字化规划、三维设计、模拟仿真、电气编程调试虚拟化全流程的纵向技术联通。实现工装生产线产品的虚拟试生产技术应用，缩短产品设计到生产的转化的时问，提高产品的可靠性与成功率，缩短制造调试周期，满足多品种、多车型智能化、自动化、高柔性生产的需要。

虚拟制造技术正逐步成为汽车焊装装备企业的核心技术，对提升焊装制造技术水平有重大的推动作用。

(6)进行软件应用二次开发，提高规划仿真效率

企业建立了数字化虚拟制造技术平台后，要积极重视根据企业自身需求进行客制化的二次开发工作。例如一汽大众在新捷达招标过程中率先运用了数字化规划系统，并进行了招投标报价模块的定制化开发，利用该报价模块系统生成工装、工位、生产线投资列表，在工装设备调整过程中，其成本分析系统自动更新，输出与其相对应的数据。对于工位中的每一个部件，都会根据以往的投资数据给出一个准确的数值，系统会自动生成该工位的所有工装投资和所在生产线的所有工装投资。由于投资分析的准确性，对于供应商的报价，起到了极好的监控作用。

每个企业以及不同专业，对虚拟制造技术平台的需求是多样化的，只有配合二次开发才能更好的推进软件体系的应用效果不断提升，提高规划、仿真、报价、评审、输出等项工作的效率。

4对企业专业技术发展带来的益处

Process Designer数字化工艺规划软件体系是按照虚拟制造的原理开发的系统，它为企业规划制造的数字化提供了从设计、工艺、制造、装配、分析等全过程的仿真，是企业实现虚拟制造的强有力的工具。为企业缩短新产品新车型的上市时问、降低开发成本、优化规划设计方案、提高生产效率和产品质量的提高重要支撑。

数字化虚拟制造技术的推广应用，克服了以往白车身焊装生产线工艺规划没有统一的规划平台的弊端，改变了以往依靠人工手段二维规划为主、工艺规划人员之问难以协同工作的局面。现在同一焊装项目所涉及的各条生产线、自动区域，工艺规划、机械设计、电气控制、输送设计、物流规划、机器人仿真等相关技术人员可以依托统一的技术平台，共享规划资源进行工艺规划验证与布局优化，极大地便了项目技术交流与研讨，对项目规划质量和效率提升起到极大的推动作用。

5结束语

篇6：虚拟仿真技术发展

工业设计是一种创造性的活动，以工学、美学、经济学为基础对工业产品进行设计。［3］我国作为农业大国，长期以来的工业设计发展水平并不高，在与国外企业的比较中，过度模仿抄袭、缺乏创新意识、能力不足、设计水平低等仍是我们不得不面临的问题。随着我国经济实力的发展，众多企业将虚拟现实技术引入工业设计领域中，虽然工业发展和进程与发达国家仍存在一定差异，但是我国的工业设计也有了很大的发展。目前，我国许多科研单位已将虚拟现实技术列为攻关项目，不少高校与企业也投入这一技术到开发与研究当中。21世纪将是虚拟现实技术的时代，就工业设计领域而言，其为空客Airbus设计的虚拟座舱，就可以进行虚拟现实的设计；SONY公司TransVision，利用虚拟现实技术可增强现实样机系统等；据悉，谷歌公司刚刚成立了虚拟现实技术部门。从整体来看，虚拟现实技术已不再是遥不可及了。

3虚拟现实技术对工业设计的影响与作用

工业设计具有一定专业性和复杂性，且涉及的领域较为广泛，传统的二维平面设计方式和模式，设计样式单一、老套，已无法满足市场需求。但是，虚拟现实技术却不同，作为运用计算机对复杂数据进行的一种可视化操作，它突破了二维平面设计的束缚，以创新的可视化模式让设计师能够轻松构建互动体验，提供直接的图形程序化接口。虚拟现实技术让产品的功能、性能和质量在三维空间中完美地呈现给用户。它颠覆了以往产品单一的表现形式，使设计者在工业设计过程中可以将灵感发挥得淋漓尽致。工业设计中虚拟现实技术的引入，使设计者在进行工业产品设计时，可以更为直观地观察到产品的效果及表现情况，以便及时发现不足、解决问题，这大大提高了设计者的设计效率；同时，在三维空间中，虚拟现实技术以视觉形式更准确地反映了设计者的思想与理念。总而言之，虚拟现实技术的引用使工业设计在思想上有了质的飞跃，它的.崛起将我国工业设计推向了更远的未来，在工业设计领域具有独特的应用价值。

篇7：虚拟仿真技术发展

方案

虚拟现实实验室是虚拟现实技术应用研究就的重要载体。随着虚拟实验技术的成熟，人们开始认识到虚拟实验室在教育领域的应用价值，它除了可以辅助高校的科研工作,在实验教学方面也具有如利用率高,易维护等诸多优点.近年来,国内的许多高校都根据自身科研和教学的需求建立了一些虚拟实验室。数虎图像拥有多名虚拟现实软硬件工程师，在虚拟现实实验室建设方面有着无与伦比的优越性！

下面请跟随数虎图像一起，让我们从头开始认识虚拟现实实验室。【虚拟现实实验室系统组成】：

建立一个完整的虚拟现实系统是成功进行虚拟现实应用的关键，而要建立一个完整的虚拟现实系统，首先要做的工作是选择确实可行的虚拟现实系统解决方案。

数虎图像根据虚拟现实技术的内在含义和技术特征，并结合多年的虚拟现实实验室建设经验，最新推出的虚拟现实实验室系统提供以下组成：

虚拟现实开发平台：

一个完整的虚拟现实系统都需要有一套功能完备的虚拟现实应用开发平台，一般包括两个部分，一是硬件开发平台，即高性能图像生成及处理系统，通常为高性能的图形计算机或虚拟现实工作站；另一部分为软件开发平台，即面向应用对象的虚拟现实应用软件开发平台。开发平台部分是整个虚拟现实系统的核心部分，负责整个VR场景的开发、运算、生成,是整个虚拟现实系统最基本的物理平台，同时连接和协调整个系统的其它各个子系统的工作和运转，与他们共同组成一个完整的虚拟现实系统。因此，虚拟现实系统开发平台部分在任何一个虚拟现实系统中都不可缺少，而且至关重要。虚拟现实显示系统： 〃高性能图像生成及处理系统 〃具有沉浸感的虚拟三维显示系统

在虚拟现实应用系统中，通常有多种显示系统或设备，比如：大屏幕监视器、头盔显示器、立体显示器和虚拟三维投影显示系统，而虚拟三维投影显示系统则是目前应用最为广泛的系统，因为虚拟现实技术要求应用系统具备沉浸性，而在这些所有的显示系统或设备中，虚拟三维投影显示系统是最能满足这项功能要求的系统，因此，该种系统也最受广大专业仿真用户的欢迎。虚拟三维投影显示系统是目前国际上普遍采用的虚拟现实和视景仿真实现手段和方式，也是一种最典型、最实用、最高级别的投入型虚拟现实显示系统。这些高度逼真三维显示系统的高度临场感和高度参与性最终使参与者真正实现与虚拟空间的信息交流与现实构想。

虚拟现实交互系统

多自由度实时交互是虚拟现实技术最本质的特征和要求之一，也是虚拟现实技术的精髓，离开实时交互，虚拟现实应用将失去其存在的价值和意义，这也是虚拟现实技术与三维动画和多媒体应用的最根本的区别。在虚拟现实交互应用中通常会借助于一些面向特定应用的特殊虚拟外设，它们主要是6自由度虚拟交互系统，比如：力或触觉反馈系统、数据手套、位置跟踪器或6自由度空间鼠标、操纵杆等等。

虚拟现实集成控制

一个大型的虚拟现实系统包括很多组成部分，比如:多台投影机、音响系统以及多路视频的输入和切换,甚至是辅助的灯光和窗帘,这些都需要方便的控制和管理,每个部分又包括很多产品和设备，这些产品设备之间需要相互连接、相互依赖，彼此之间协同工作。然而，这样一个复杂的系统要顺利地运行并能够协同工作，就需要进行管理，集成控制系统便是承担该项工作的载体，有了集成管理控制系统，上述一系列工作通过简单的遥控器就可完成整个操作过程。通常，一部分用户并不重视这个部分，而该部分在虚拟现实系统中恰恰又是非常重要的，一个完善的集成控制手段能使用户很方便的使用虚拟现实系统，并能将虚拟现实系统中各个部分的功能充分地发挥出来，如果没有集成控制系统这部分，往往造成整个虚拟现实系统利用率低、系统管理困难、系统稳定性差、协同工作能力低下等等一系列问题。

在通常的集成控制系统中最典型的设备就是中央控制系统或矩阵系统（如图），这些设备功能强大、操作简单、使用便捷、管理方便，它是整个虚拟现实系统有效管理和运行的基本保障。【虚拟现实实验室设备配备】

虚拟现实实验室主要实验设备包括 ：虚拟现实技术的特征之一就是人机之间的交互性.为了实现人机之间的充分交换信息，必须设计特殊输入和演示设备，以影响各种操作和指令，且提供反馈信息，实现真正生动的交互效果。不同的项目可以根据实际的应用可以有选择的使用这些工具，主要包括：VR系列虚拟现实工作站、立体投影、立体眼镜或头盔显示器、三维空间跟踪定位器、数据手套、3D立体显示器、三维空间交互球、多通道环幕系统、建模软件等。

数据传感手套

观察者还可借助数据手套等设备来操纵虚拟场景中的对象，数据手套中装有许多光纤传感器，能够感知手指关节的弯曲状态，观察者通过手指的活动来实现与虚拟场景交互作用数据手套是一种多模式的虚拟现实硬件，通过软件编程，可进行虚拟场景中物体的抓取,移动,旋转等动作，也可以利用它的多模式性，用作一种控制场景漫游的工具。数据手套的出现，为虚拟现实系统提供了一种全新的交互手段，目前的产品已经能够检测手指的弯曲，并利用磁定位传感器来精确地定位出手在三维空间中的位置。这种结合手指弯曲度测试和空间定位测试的数据手套被称为”真实手套”，可以为用户提供一种非常真实自然的三维交互手段。在虚拟装配和医疗手术模拟中，数据手套是不可缺少的虚拟现实硬件的一个组成部分。

立体眼镜

三维眼镜是用于观看立体游戏场景、立体电影、仿真效果的计算机装置，是基于页交换模式(Pagefilp)的虚拟现实立体眼镜，分有线和无线两种，是目前最为流行和经济适用的VR观察设备。基于页交换模式(Pagefilp)的立体眼镜，分有线和无线两种。均为图形工作站用立体眼镜（Shutterglasses）许多专业软件都支持CrystalEyes，如机械CAD、产品可视化、仿真、分子建模、地理信息系统/测绘和医学成象等。彩色图像真实、高分辨率。

头盔显示器

无论是要求在现实世界的视场上同时看到需要的数据，还是要体验视觉图像变化时全身心投入的临场感，模拟训练、3D游戏、远程医疗和手术，或者是利用红外、显微镜、电子显微镜来扩展人眼的视觉能力，头盔显示器都得到了应用。比如军事上在车辆、飞机驾驶员以及单兵作战时的命令传达、战场观察、地形查看、夜视系统显示、车辆和飞机的炮瞄系统等需要信息显示的，都可以采用头盔显示器。在CAD/CAM操作上，HMD使操作者可以远程查看数据，比如局部数据清单、工程图纸、产品规格等。波音公司在采用虚拟现实硬件技术进行波音777飞机设计时，头盔显示器就得到了应用

三维空间跟踪仪

三维空间跟踪定位器是用于空间跟踪定位的装置，一般与其他VR设备结合使用，如：数据头盔、立体眼镜、数据手套等，使参与者在空间上能够自由移动、旋转，不局限于固定的空间位置，操作更加灵活、自如、随意。产品有六个自由度和三个自由度之分。

3D立体显示器

3D立体显示器是一项新的虚拟现实产品，过去的立体显示和立体观察都是在CRT监视器上戴上液晶光阀的立体眼镜进行观看，并且需要通过高技术编程开发才能实现立体现实和立体观察。而立体显示器则摆脱以往该项技术需求，不需要任何编程开发，只要您有三维模型，就可以实现三维模型的立体显示，只要用肉眼即观察到突出的立体显示效果，不需要带任何立体眼镜设备；同时，它也可以实现视频图像（如立体电影）的立体显示和立体观察，同样也无须戴任何立体眼镜

虚拟现实工作站

立体投影

立体投影仪，其构成中包括壳体、投影仪、偏振镜片、投影屏，投影屏和投影仪分别位于壳体前、后方，偏振镜片位于投影仪的投影镜头前面，投影仪和偏振镜片的数量各为2个，2个投影仪的水平轴线相交、投影图像在投影屏上重合。数虎图像提供了一种结构简单的立体投影设备，可适宜多种场所，具有观看距离远，不易损伤视力，无辐射的安全使用性能，特别适宜作为家用立体投影设备使用。

多通道立体环幕系统

多通道环幕（立体）投影系统是指采用多台投影机组合而成的多通道大屏幕展示系统，它比普通的标准投影系统具备更大的显示尺寸、更宽的视野、更多的显示内容、更高的显示分辨率，以及更具冲击力和沉浸感的视觉效果。该系统可以应用于教学、视频播放、电影播放（现在很多影视院采用这种方式）等。多通道环幕（立体）投影系统由于其技术含量高、价格昂贵，以前一般用于虚拟仿真、系统控制和科学研究，近来开始向科博馆、展览展示、工业设计、教育培训、会议中心等专业领域发展。其中，院校和科博馆是该技术的最大应用场所。这种全新的视觉展示技术更能彰显科博馆的先进性和创新性，在今后若干年内不会被淘汰。

【数虎图像虚拟仿真事业部提供如下实验室解决方案：】 数虎图像是国内最早从事虚拟现实技术研究和制作的高新企业，在深圳、北京、美国、日本都拥有分公司，数虎图像不断吸收和学习国外最先进的虚拟现实技术，在虚拟现实实验室建设方面拥有一整套最优化解决方案。

一、数字城市系统

城市规划演示厅也被称之为数字城市实验室。其主要目标和功能是提供城市规划、城市市政管理、房地产开发与管理、旅游规划以及数字地球（城市）的仿真模拟教学和科研平台。

数虎图像凭借雄厚实力制作了国内最大的数字城市项目，可以为您提供数字内容制作和环幕硬件展示系统整体解决方案。

(数虎图像城市规划演示系统—数字城市实验室截图)

二、旅游导游实验室

导游培训：培养熟练和优秀的导游是旅游专业的教学目标，但是旅游专业学校又面临教学过程中实习资源匮乏、而实地参观成本又高的难题。数虎图像旅游虚拟仿真系统从导游和旅游专业特点出发，按照旅游专业的教学要求和实施特点，设计出适用于导游实训、旅游模拟、旅游规划、信息查询，景区导航，景区切换等功能模块。为旅游专业学校提供一站式解决方案。

（数虎图像制作的旅游仿真实验室）

三、物流仿真实验室

（物流仿真实验室）

学校教育，由于受到诸多条件的限制，大部分内容还停留在以书本为主的教学体系上。部分学校的学生现在能够在大三和大四年级，获得公司实习的机会，但是由于时间和实习单位的工作人员业务繁忙等原因情况，学生了解到的内容比较片面，了解到的业务单证也比较少，实践机会少，学生对业务的认识程度仍然相当低，缺乏感性认识。在走出学校前，为了使学生对整个的口岸物流有全面和相对深入的了解。数虎图像联合业内人士，根据市场需求，可以为物流专业实验室提供：3D仓储模拟实训系统、3D运输模拟实训系统、3D第三方物流模拟实训系统、3D集装箱与堆场模拟实训系统和3D供应链模拟实训系统等一系列解决方案。

四、虚拟维修拆卸实验室

数虎图像虚拟拆卸维修实验室，充分的利用了数虎图像开发的这套虚拟拆装模拟培训系统，可以结合大屏幕提供给更多需要虚拟拆卸和虚拟维修以及虚拟组装的客户，让更多的人一起集中练习，提高培训的效率更加节省成本。

五、虚拟手术实验室

虚拟手术是虚拟现实技术很高端的应用。国外已经可以利用传感设备进行医学学员的培训教学，甚至已经真正的做到了远程虚拟手术的效果。国内目前还没有这样的水平，不过数虎图像和科研机构联合，制作出人体的内部的三维模型和一些互动式的动作，同样能满足培训学员和手术新手的需要。

六、仿真驾驶实验室

虚拟驾驶，也被称为汽车驾驶仿真，或汽车模拟驾驶。数虎图像利用三维图像即时生成技术、汽车动力学仿真物理系统、大视场显示技术（如多通道立体投影系统）、六自由度运动平台（或三自由度运动平台）、用户输入硬件系统、立体声音响、中控系统等，让体验者在一个虚拟的驾驶环境中，感受到接近真实效果的视觉、听觉和体感的汽车驾驶体验。

【数虎图像对于国内教学型虚拟实验室建设的几点建议】 通常，一部分用户并不重视虚拟现实开发平台和虚拟现实控制系统部分，而该部分在虚拟现实系统中恰恰又是非常重要的，一个完善的集成控制手段能使用户很方便的使用虚拟现实系统，并能将虚拟现实系统中各个部分的功能充分地发挥出来，如果没有集成控制系统这部分，往往造成整个虚拟现实系统利用率低、系统管理困难、系统稳定性差、协同工作能力低下等等一系列问题。还有就是虚拟现实开发平台的采用上，最好采用通用性强的能和国际接轨的的虚拟现实开发平台，并注意以下几个方面：

1、用“平民化”的技术实现教学型虚拟实验室的建设和应用

2、更新实验教学观念,重新认识虚拟实验室

篇8：虚拟现实技术的应用与发展

虚拟现实技术可以追溯到40年代。当时为了训练飞行员节约时间和减少费用, 美国专家研究了一台飞行模拟器。以后逐渐发展到计算机控制的大屏幕全景式显示模拟器, 操作者有了直观的感觉。

1965年, 美国ARPA信息处理技术办公室主任Sutherland在篇名为《终极的显示》的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想, 从此, 人们正式开始了对虚拟现实系统的探索历程。1968年, Ivan Sutherland建立了“达摩克利斯之剑”头盔显示器, 它被认为是世界上第一个头盔显示器 (HMD) , 它能显现二维图像, 但是没有沉浸感, 用户只能看到的线框图叠加在真实环境之上。

80年代, 美国宇航局 (NASA) 及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究, 并取得了令人瞩目的研究成果, 从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。

进入90年代, 迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配, 使得基于大型数据集合的声音和图像的实时动画制作成为可能。人机交互系统的设计不断创新, 新颖、实用的输入输出设备不断地进入市场, 而这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。

2 虚拟现实系统研究现状

计算机的发展提供了一种计算工具和分析工具, 并因此导致了许多解决问题的新方法的产生。虚拟现实技术的产生与发展也同样如此, 就虚拟现实本身而言, 它主要涉及到三个研究领域:通过计算机图形方式建立实时的三维视觉效果;建立对虚拟世界的观察界面;使用虚拟现实技术加强诸如科学计算技术等方面的应用。

3 现有虚拟现实系统的关键技术

虚拟现实的关键技术可以包括以下几个方面:

1) 动态环境建模技术

虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据, 并根据应用的需要, 利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。

2) 立体显示和传感器技术

虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的虚拟现实还远远不能满足系统的需要, 因此有必要开发新的三维显示技术。

3) 应用系统开发工具

虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象, 即如何发挥想象力和创造力。选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。为了达到这一目的, 必须研究虚拟现实的开发工具。

4) 系统集成技术

由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型, 因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、识别和合成技术等等。

4 虚拟现实技术的应用

虚拟现实技术的应用范围十分广泛, 它正在逐步地渗入到各个专业领域中去。

虚拟现实技术最早应用于军事模拟。最初的模拟是用来训练飞行员, 飞行模拟器可以让人感到和在真的飞机上一样, 各种仪器设备如同在真实环境下一样地工作, 是一种最理想的训练方式。美国军事部门一直是虚拟现实技术的主要开发者, 他们先后研制出了各种各样的战场模拟现实系统供部队训练, 这种训练方式不仅大大节省了训练费用, 而且提高了训练质量。

虚拟现实技术已开始对医学领域产生重大影响, 目前正处于虚拟现实技术的初级阶段。它可用于各种医学模拟, 例如为医学院的学生提供人体解剖仿真。学生们可以使用一个虚拟病人学习解剖和做手术。外科医生在做一次比较复杂的手术之前, 可以先利用虚拟病人进行练习, 然后将练习的成果应用于实际手术之中。

虚拟现实技术还可用来进行各种虚拟设计, 例如汽车虚拟设计、飞机虚拟设计和建筑虚拟设计等。由于虚拟现实技术的投入性和交互性, 它比传统的CAD技术能更好地满足设计要求。

虚拟现实技术在商业领域的应用, 让原本单调的商业展示方式变得活力十足。通过这种技术, 可以把商业或产业形象逼真地在网络中表现出来, 尊重顾客的浏览习惯, 成功地刺激顾客的购买欲。

虚拟现实技术在娱乐游戏上的应用也十分广泛, 包括家庭中的桌面游戏、公共场所的各种仿真等。基于虚拟现实技术的游戏主要有驾驶型游戏、作战型游戏和智力型游戏三类。很多游戏都是联网的, 因而允许许多玩游戏的人同时进入了一个虚拟境界, 他们相互之间展开竞争, 或者与计算机生成的对手竞争。为了赢得游戏的胜利, 他们必须在投入该虚拟环境的同时, 采用智慧、逻辑、手眼协同等手段。

由于虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境, 学生能够成为虚拟环境的一名参与者, 这对调动学生的学习积极性, 突破教学的重点难点, 培养学生的技能都将起到积极的作用。虚拟现实技术非常适合远程教学中的应用, 主要是在知识学习、探索学习、虚拟实验以及技能训练四个方面。例如在学习地理知识时, 通过虚拟现实系统, 学生可以到北极去领略那里的自然风光;在虚拟的化学系统中, 学生可以按照自己的假设, 将不同的分子组合在一起, 电脑便虚拟出组合的物质。

5 虚拟现实技术的进一步展望

正如其它新兴科学技术一样, 虚拟现实技术也是许多相关学科领域交叉、集成的产物。它的研究内容涉及到人工智能、计算机科学、计算机图形学、智能控制、心理学等。我们必须清醒地认识到, 虽然这个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, 绝大部分还仅仅限于扩展了计算机的接口能力, 仅仅是刚刚开始涉及到人的感知系统和肌肉系统与计算机的结合作用问题。只有当真正开始涉及并找到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了。我们期待有朝一日, 虚拟现实系统成为一种对多维信息处理的强大系统, 成为人进行思维和创造的助手和对人们已有的概念进行深化和获取新概念的有力工具。

参考文献

[1]汪成为, 高文, 王行仁.灵境 (虚拟现实) 技术的理论、实现及应用[M].清华大学出版社, 1996.

[2]Earnshaw R A, et al, Virtual Reality System Academic Press, 1993.