虚拟现实报告

定义

硬件要求

特点

相关概念

关键技术

应用领域

实例

虚拟现实 (VirtualReality,VR) 技术的出现是计算机图形学、人机接口技术、传感器技术以及人智能技术等交叉与综合的结果。

虚拟现实技术是一种综合应用各种技术制造逼真的人工模拟环境,并能有效地模拟人在自然环境中的各种感知系统行为的高级的人机交互技术。虚拟现实利用计算机技术生成一个逼真的、具备视、听、触、嗅、味等多种感知的虚拟环境。它借助于计算机生成一个三维空间,通过将用户置身于该环境中,借助轻便的多维输入输出设备(如跟踪器、头盔显示器、眼跟踪器、三维输入设备和传感器等)和高速图形计算机,并根据由此而产生的一种身临其境的感觉,去感知和研究客观世界的变化规律。用户在虚拟的环境中可以“自由”运动,随意地观察周围的景物,进而感知和研究客观世界的变化规律。

虚拟现实技术是把抽象、复杂的计算机数据空间转化为直观的、用户熟悉的事物,人脑理解视觉数据比理解数字或文本更方便,而虚拟现实可以交互地显示多维信息。它的技术实质在于提供一种高级的人机接口。虚拟现实技术改变了人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状,给用户提供了一个趋于人性化的虚拟信息空间。(感知)

虚拟现实的出现,使人们从纷繁复杂的数据中解放出来,这种形式是传统表现方式所无法比拟的,它给人们提供了一个崭新的信息交流平台。虚拟现实技术给我们的创造性思维造就了和谐的氛围,让我们可以在虚拟的场景中不断的提出新的设计思路和大胆的实施自己的想法,而不为其带来的后果而担忧。它能够在体现用户创意的同时而不打断他们的设计灵感,降低了操作负荷。(创造)

2虚拟现实系统的组成

构造一个虚拟环境,在硬件方面需要有以下几类设备的支持:

1)跟踪系统:用以确定参与者的头、手和身躯的位置;

2)触觉系统:提供参与者感知力与压力的反馈;

3)音频系统:提供立体声源和判定空间位置;

4)图像生成和显示系统:产生视觉图像和立体显示;

5)高性能计算机处理系统:具有高处理速度、大存储量、强联网特性。

2.2主要特点:是沉浸感(Immersion):又称临场感,指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度、交互性(Interaction)指参与者对虚拟环境内物体的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度、构想性(Imagination)指用户沉浸在多维信息空间中,依靠自己的感知和认知能力全方位地获取知识,发挥主观能动性,寻求解答,形成新的概念。简称为3I。虚拟现实技术具有实物虚化、虚物实化和高效的计算机信息处理能力。

2.3基本要素:虚拟世界的多感知性、存在感(临场感)、交互性和自主性构成了虚拟现实的

4个基本要素。虚拟现实的现实表现能力是多方面的,可以满足显示现实、模拟现实、创造现实(创造在现实世界里并不存在,而且今后也不会存在的全新世界)等要求。

相关概念

3.6计算机图形学

虚拟现实技术依靠计算机图形学来建立计算机内的数字模型,这种模型可以表达三维的立体数据,还可以像真实物品一样可视和可运动。

3.5建模、仿真

传统意义上的建模与仿真一般不强调实时性,生成的可视化场景不会随用户的视点而变化,因此,在逼真性和虚拟性这两个方面不能很好的满足人们的要求。

3.2多媒体技术

多媒体技术是以计算机为核心的集图、文、声、像处理技术于一体的综合性处理技术。可见,多媒体技术虽然强调了多种信息“通道”,但主要还是提供视觉与听觉,其感知范围没有虚拟原型技术广,后者还包括了触觉、力觉等感知。此外,一般来说,多媒体技术不强调人机交互性。虚拟现实是多媒体技术发展的更高境界,是这些技术高层次的继承和渗透;它给用户以逼真的体验,它为人们探索宏观世界和微观世界中由于种种原因不便于直接观察事物的运动变化规律,提供了极大的便利。

3.7可视化

可视化是利用计算机图形学和图像处理技术,将信号、信息、数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来,并进行交互处理的理论、方法和技术。它使研究者能观察它们的模拟与计算,以丰富科学发现的过程。

3.2增强现实(AR)

通过电脑技术,将虚拟的信息应用到真实世界,真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。它不仅展现了真实世界的信息,而且将虚拟的信息同时显示出来,两种信息相互补充、叠加。在视觉化的增强现实中,用户利用头盔显示器,把真实世界与电脑图形多重合成在一起,便可以看到真实的世界围绕着它。

3.2虚拟原型技术

虚拟原型技术可以看作是利用虚拟现实技术实现研究对象在计算机中的生成和交互,使人从主观上产生研究对象的存在感。

3.2虚拟设计

虚拟设计是指设计者在虚拟环境中进行设计。设计者可以在虚拟环境中用交互手段在计算机内建立的计算机模型并对其进行修改。它支持协同工作和异地设计,利用资源共享和优势互补,从而缩短产品开发周期。

3.1虚拟产品开发

通过计算机的“虚拟”环境去建模、分析和修改设计,建立产品的数字模型,在数字状态下进行静态和动态的性能分析,然后再对原设计重新进行组合或改进。

3.4虚拟装配

在计算机上建立起如同真实样机的直观的立体可视化数字模型,使得在设计产品时就可以确定产品的所有物理性能。通过模拟装配软件,在虚拟装配线环境下自动地对零件装配情况进行干涉检查。设计人员可以检查部件的间隙和相互之间的干扰,并在实际加工之前建立整个产品的虚拟工作原型,以对此虚拟原型进行试验,分析应力和变形等,从而可以迅速地发现设计上的错误,以便更改模型,并重新生成模型。

3.3虚拟制造

虚拟制造又称数字化制造,其构思是在计算机上验证产品的制造过程,在产品设计或制造系

统的物理实现之前,就能预测或感受到未来产品的形态、行为和性能或者制造系统的状态,从而可以做出前瞻性的决策与优化实施方案。工程师在计算机上建立设备和过程的数字模型,再与产品的数字原型相结合,对制造过程进行全面仿真分析,优化产品的制造过程、工艺参数、设备性能、车间布局等。虚拟制造对现实制造活动中的人流、物流、信息流、能量流及制造过程进行全面的仿真,以发现制造中可能出现的问题,在产品设计或制造系统的物理模型实现之前,就采取预防措施,做出前瞻性的决策,优化实施方案,使产品制造一次成功。

3.7虚拟建造

虚拟建造,是从虚拟制造概念基础上发展而来的,它实际是建筑产品的建造过程在计算机上的本质实现。它对建造活动中的人、材、物、信息流动过程进行全面的仿真再现,发现建造中可能出现的问题,在实际投资、设计或施工活动之前即可采取预防措施,从而达到项目的可控性,并降低成本、缩短开发周期,在增强建筑产品竞争力的同时,增强各企业在各级建造过程中的决策、优化与控制能力。

2.1虚拟现实的关键技术

虚拟现实软件应具备以下功能:复杂的逻辑控制;模拟实时的相互作用;模拟人脑所有的智能行为;模拟复杂的时空关系,主要涉及时间与空间的同步等问题;感觉的表达,包括人的听觉、视觉、触觉、味觉和嗅觉的计算机表达;实时的数据采集、压缩、分析、解压缩;支持与虚拟环境交互的定位、操纵、导航等。

3虚拟现实的关键技术

a)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。

b)实时三维图形生成技术。

c)立体显示和传感器技术。

d)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大幅度地提高效率,减轻劳动强度,提高产品品质。为了达到这一目的,必须研究虚拟现实的开发工具。

e)多种系统集成技术。

f)用户的适用性。

g)智能技术(ArtificialIntelligence,简称AI)。

h)实时生成一定详细程度的三维场景的LOD(LevelofDetail)技术。即细节层次模型。 i)对部分模型采用DOF(DegreeofFreedom)技术。即自由度。

四虚拟现实的建模技术

虚拟现实的建模过程包括几何建模、运动建模、物理建模、行为建模、音频建模、模型分割、交互映射等。

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虚拟现实涉及的其他前沿学科:人工智能、人工神经网络、模糊集、遗传算法、分形(分形几何能较好的解决不规则形态物体中的仿真建模问题。)

4虚拟现实技术的主要应用领域

虚拟现实是关于人与计算机通信的技术,目前已经可以满足部分应用的要求。国内外已出现了一些较为成功的应用系统,如日本松下公司的“虚拟厨房设计系统”VIVA、美国NASA的“虚拟风洞系统”、美军的SIMNET训练系统以及英国的Virtuality游戏系统等。它已扩展到科研、教育培训、工程设计、商业、军事、航天、医学、影视、艺术和娱乐等众多领域。随着软件、硬件价格的下降及技术的进步,虚拟现实的应用将会更加普遍。下面列出一些虚拟现实技术的应用领域。

a)飞行模拟。它是虚拟现实技术应用的先驱。通过模拟器训练飞行员是一条有效的途径,同时,飞行模拟器可以作为一种试验床,对飞机的操纵性、稳定性和机动性进行测试和评定,较容易分析飞机气动参数的修改对飞行品质的影响。

b)空间技术。最为成功的例子就是“哈勃望远镜的修复和维护”。在训练中,宇航员坐在一个模拟“载人操纵飞行器”功能并带有传感器的椅子上。椅子上有用于虚拟空间中作直线运动的位移控制器和绕宇航员重力中心调节宇航员朝向的旋转控制器。宇航员头戴立体头盔显示器,用于显示望远镜、航天飞机以及太空的模型,并用数据手套作为与系统进行交互的手段。这样,训练时,宇航员就可以在望远镜周围进行操作,并且可以通过虚拟手接触黄色的操纵杆来抓住需要更换的“模拟更换仪MRI”。抓住MRI之后,宇航员可以利用座椅的控制器在空中飞行。座椅上还有三个按钮,分别用于望远镜外盖的开/闭、望远镜天线的开/闭以及望远镜太阳能面板朝向的调节。经过这个虚拟系统的训练,宇航员于19xx年12月,成功地完成了从航天飞机上取出备件更换哈勃太空望远镜上损坏的MRI这一复杂而又费时的任务。

c)科学计算可视化。引起科技界注目的是设计波音747获得成功。波音747飞机有300多万

个零件组成,这些零件以及飞机的整体设计是在一个由数百台工作站的虚拟现实环境系统上进行的。当设计师戴上头盔显示器后,就能穿行于这个虚拟的“飞机”中,去审视“飞机”的各项设计。过去为设计一架新型的飞机必须先建造两个实体模型,每个造价约为60万美元。应用虚拟现实技术后,不仅节约了研制经费,也缩短了研制时间,且保证了机翼和机身结合的一次成功。

d)医学方面。虚拟现实可以用于教学、复杂手术过程的规划、在手术过程中提供操作和信息上的辅助、预测手术结果等。此外,远程医疗服务也是一个很有潜力的应用领域,例如,在偏远山区,通过远程医疗虚拟现实系统,人们可以不用进城就能够接受名医的治疗,对于危急病人还可以实施远程手术;在战场上,可以通过虚拟现实系统对前线的危急伤员进行远程手术,使他们得到及时的抢救;也可以用于医学心理学,尤其是在与心理失调有关的恐惧和忧虑疾病方面。

e)虚拟战场(作战仿真系统)。既通过建立虚拟战场环境来训练军事人员,同时又可以通过虚拟战场来检查和评估武器系统的性能。在虚拟战场中,参与者可以看到在地面行进的坦克和装甲车,在空中飞行的直升机、歼击机和导弹,在水下的舰艇,可以看到坦克行进时扬起的尘土和被击中坦克的燃烧浓烟,可以听到坦克或飞机的隆隆声由远而近,从声音来辨别目标的来向与速度。参与者可以瞄准、射击上述目标,也可以驾驶坦克、飞机等武器平台仿真器。这样,不仅可以节省大量的资金、军用物资,而且还可以通过改变不同状态来反复进行各种战场态势下的战术和决策研究。

f)娱乐游戏。如家庭中的桌面游戏,公共场所的各种仿真等。目前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。

值得注意的是目前,虚拟现实应用均属于微观决策问题,一般认为它不太适合宏观决策问题。主要原因是宏观问题不易于建立三维模型,而且宏观决策关注的不是细节问题,即使能建立抽象化的三维模型,对解决问题也没有很大意义,或许只是增加一些趣味性,倒不如二维模型直观快捷。很多问题之所以采用仿真技术来解决,是因为仿真可以人为地加快时间进度,从而在较短的时间内得到系统状态供决策参考,因此将虚拟现实技术用于仿真并不是完全替代仿真,两种技术的混合使用将会产生更为理想的仿真效果。

虚拟现实在管理方向的应用实例

1.营销:淘宝试衣间、室内设计展示、楼盘景观

2.管理数据可视化:可视化使科学计算结果的输入过程和计算过程拟人化和形象化,而后采用计算机图形和图像处理技术将计算结果直观形象地显示出来并进行交互处理,使研究人员能以更直观和客观的方式发现隐藏在数据中的科学规律。可视化映射的目的在于以最有效的图形表示形式来揭示各种类型的数据中所隐含的物理现象。纽约的一家投资公司MaxusSystemsInternational设计了一套叫作“MetaphorMixer”的系统,以三维的形式来模拟全球股票市场。在这套系统中,不同的国家在其中的一轴上占有不同的位置,而不同的工业领域处于另一轴上,代表不同股票的符号则沉浮于这种座标系的网格之间,以反映这些股票当日的起落。据说,该系统使用馈入的实时数据,能在市场宏观趋向明显之前几分钟预示股市的涨落。

个案:

一种石化企业虚拟现实仿真系统的设计与实现:信息呈现(1)全局生产流程(2)厂区模型(空间数据)和生产数据(包括全厂或单装置的统计信息、生产报表以及装置的静态属性和动态数据等非空间数据。对这些数据进行可视化的方法可分为两类,即采用虚拟现实技术在场景中呈现(如油罐液位动画)以及脱离场景的信息可视化方法(如对话框中的饼图、直方图等)。)

(3)生产统计信息。(目前采用了二维和三维的饼图及直方图予以呈现。)(4)生产过程信息。

(文本与动画相结合的呈现方式)

3.产品设计:

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4.数字地球:数字城市(e都市)、数字校园

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5.工程项目管理:

1)GIS在工程项目管理中的应用主要表现在两方面:一是在工程进度控制中可视化数据管理方面的应用,二是迅速发展起来的技术对项目一体化的贡献上。

基于GIS的施工进度三维可视化模拟:

用文字及二维图纸的形式来描述一个施工方案,很难让人有直观的了解。建立一个能科学、直观、逼真的表现全程动态施工情况的可视化系统,显得尤为必要。建立施工过程的三维可视化数字模型不但可以很好的表现出建筑物的外形,将施工系统各部分及其在进度计划中的相互关系通过形象直观的图形表现出来,而且在三维模型的基础上可以实现工程信息的三维可视化查询,为工程设计和施工管理提供有力的支持。

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基于GIS的施工管理系统:

以地理地图为背景,实现施工沿线的可视化计算机管理。它克服了历年来一般信息系统在处理图形数据和属性数据的分离,将施工主体以图形和属性表格相结合的形式表现出来,能合理地安排空间布置和时间排列,科学地组织物资的供应和消耗,把施工中的各单位、各部门及各施工阶段之间的关系更好地协调起来。

由于施工阶段具有明显的动态变化特征,经常需要对其进行修订和更新,利用计算机技术与地理信息系统相结合,在有效地存贮管理信息的基础上,对动态更新的数据有更强的图形表现能力,使变化的过程更直观全面,有利于施工成果的动态管理和应用,确保施工信息的现势性。

GIS与城市生命线工程防灾减灾:

GIS在输配水管网的日常管理中应用

GIS工为决策者提供决策服务

GIS在专家系统中的应用

2)虚拟建造在钢结构工程施工中的研究与应用

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3)基于4D技术和过程模拟的建筑施工优化及管理

目前传统的施工管理方法主要是用横道图、网络图表示施工进度计划,用直方图表示资源的计划。它难以准确地表达工程施工这个具有高度关联性的动态变化过程,也很难以形象地表达施工的进度和进度之间相互关联的一些复杂的关系。同时,也无法解决施工过程中的一些随机的问题,更难以处理施工过程中的一些突发事件。第三方面,他也不能动态地优化分配所需要的各种资源,尤其是工作空间,也不能描述施工场地的使用和布置。

针对上述情况开发一个集成的4D技术和过程模拟面向工程的施工管理系统。能够对整个形象的进度可以进行优化和控制。在这个系统中我们除了常规的一些用户的管理,还有模型的建立,WBS和进度计划的创建,以及自动创建4D模型,关键是为我们的施工管理提供了4D的进度管理、4D过程模拟和4D动态管理和4D的施工场地管理等功能。

4)工程招投标

6.故障判断及演示:基于VR和HLA的电厂事故分析决策支持系统

7.模拟与预测:基于虚拟现实技术的可控可视化矿井通风研究

8.企业培训:虚拟现实技术在煤炭企业培训中的应用

据不完全统计,目前全国已有34家科研机构、高等院校和企业正在开展虚拟制造技术的研究、开发及初步的示范应用工作,此外还有4家企业参与了这种新的探索,其研究的内容包括:(1)产品的虚拟设计;(2)热加工工艺模拟;(3)加工过程、装配过程的仿真;(4)虚拟轴机床和虚拟量仪的研制和开发(5)虚拟企业

我的观点:

三维沙盘软件:包括各种活动的三维动画展示。

可视化的应用:数据-----算法对应--------图像不同颜色代表不同警戒程度,色块间可渐变也可突变。对个别特殊小色块(点),可能是突发事件、例外事件。据例外原则,应对其给予关注。若不考虑小区域问题,可同时另设一种算法,将其“模糊”掉。

按使用目的分类:

展示:包括直接展示和间接展示,其中间接展示如科学计算可视化。

预测:如产品设计,项目管理。

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体验:主要在市场营销的销售环节。

训练:目的是与现实世界接轨,或使受训者更容易适应真实环境。

能不能在物流领域应用

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