虚拟样机技术的发展及应用_席俊杰

虚拟样机技术的发展及应用_席俊杰
虚拟样机技术的发展及应用_席俊杰

虚拟样机技术的发展及应用

席俊杰1,2

(1.郑州航空工业管理学院, 郑州 450015; 2.中国矿业大学, 北京 100083)

要:虚拟样机技术是一项复杂的系统工程。讨论了虚拟样机技术的内涵,分析了其对制造业的影

响,研究了虚拟样机的关键技术:系统总体技术、建模技术、协同仿真技术及支撑环境技术,介绍了虚拟样机技术在国内外的发展和应用状况。

关键词:虚拟样机技术;建模技术;协同仿真技术;支撑环境中图分类号:TP391.9

文献标识码:A 文章编号:1009-0134(2006)11-0019-03

Development and application of virtual prototyping technology

XI Jun-jie 1,2

(1. Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management, Zhengzhou 450015, China;

2. China University of Mining & Technology, Beijing 100083, China)

Abstract: Virtual prototyping technology is a complex system engineering. This paper discusses the

meaning of virtual prototyping technology, analyses its influence to manufacturingindustry and researches its key technology: system overall technology, modeling technology,

collaborative simulation technology and supporting environment. It also introduces thedevelopment and application of virtual prototyping technology at home and abroad.

Key words: virtual prototyping technology; modeling technology; collaborative simulation technology;

supporting environment

收稿日期:2006-01-16

基金项目:河南省教育厅自然科学研究项目(2006460020)作者简介:席俊杰(1966-),男,河南巩义人,郑州航空工业管理学院副教授,中国矿业大学(北京)博士研究生,主

要从事制造业信息化,制造技术研究。

0 引言

随着经济全球化的发展,产品的市场竞争日趋激烈,客户对产品多样化和个性化的要求愈加迫切。市场竞争的核心是产品创新,产品创新主要体现在对客户的响应速度和响应品质上。传统的物理样机设计流程在产品研发中已经越来越无法满足多变的、持续发展的市场需求,要想在市场竞争中获胜,缩短产品开发周期、快速响应市场,降低产品的生命周期成本,提高产品质量成为企业追求的目标。在持续性发展战略下,为提高核心竞争力,制造企业必须解决其新产品的“T(上市时间)”、“Q(质量)”、“C(成本)”、“S(服务)”、“E(环境)”、“F(柔性)”等难题。虚拟样机技术(Virtual PrototypingTechnology,简称VPT)正是在这种市场背景下产生的。

本文研究了虚拟样机技术的内涵及其对制造业的影响、虚拟样机的关键技术及其工业应用。

1 虚拟样机技术的内涵

虚拟样机技术是1990年代随着计算机技术的发展而兴起的一项计算机辅助工程技术。虚拟样机技术是一种崭新的产品设计研发方法,是一种用来代替真实的物理样机设计的基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。虚拟样机技术涉及机械、电子、计算机图形学、协同仿真技术、系统建模技术、虚拟现实技术等多个领域、多项技术,其本质是以计算机支持的仿真技术和生命周期建模技术为前提,以多体系统运动学、动力学和控制理论为核心,借助计算机图形技术、交互式用户界面技术、并行工程技术、信息技术和集成技术等,从外观、功能和空间关系上模拟真实产品,模拟在真实环境下系统的运动学和动力学特性并根据仿真结构优化系统,为物理样机的设计和制造提供参数依据。

2 虚拟样机技术对制造业的影响

虚拟样机技术较之传统的物理样机技术是一种先进的制造技术,改变了传统的设计理念,对制造业正产生着广泛深远的影响。

图1和图2分别给出了传统的物理样机设计流

程和虚拟样机技术设计流程。

1 物理样机设计流程

图2 虚拟样机技术设计流程

由图1知,在传统的物理样机设计中,首先要进行用户需求和市场分析,制定产品计划,编制设计任务书。然后提出原理性的设计方案,绘制原理图或机构运动简图。在技术设计阶段,绘制总体设计草图、零部件图和总装图。设计完成后,制造物理样机并进行运行试验,有时试验是破坏性的,如压力容器的水压试验。当通过试验发现缺陷时,需要修改设计并再制样机验证,直至达到设计要求。最后,完成详细设计,投入批量生产。

由图2知,在虚拟样机技术设计中,在制造第一台物理样机之前,先建立虚拟样机模型,并在虚拟环境下进行系统仿真测试、分析和评估。以并行设计取代串行设计,即进行面向产品全生命周期的一体化设计,在设计阶段就从整体上并行地考虑产品全生命周

期的功能结构、工艺规划、可制造性、可装配性、可测试性、可维修性以及可靠性等各方面的要求及相互关系,并不断优化设计方案,避免了串行设计中可能出现的干涉和反复,因为传统的串行设计不考虑各个子系统之间的动态交互与协同关系。

传统的物理样机设计由于要考虑研制成本、周期等因素,只能进行有限范围、有限次数的试验,而虚拟样机技术则可实现对虚拟样机无数次的仿真测试,便于及时发现产品在设计、制造和使用中的各种缺陷并采取措施修正之。用虚拟样机技术取代传统的物理样机设计有利于降低生产成本,提高设计质量,缩短研发周期,快速响应市场,有利于节约型社会的建设。

虚拟样机技术是实现动态企业联盟的重要技术。联盟企业为达共同目标形成一种战略合作伙伴关系,组成基于Internet的虚拟企业。由于虚拟样机是一种数字化模型,便于企业联盟实现基于Internet/Intranet网络协同设计与制造、信息集成与共享,共同开发新的技术、产品和市场,协同工作、风险共担、资源优势互补和利益共享,并使得动态企业联盟具有高度的并行性。

3 虚拟样机技术的关键技术

虚拟样机技术是一项复杂的系统工程,它涉及到许多关键技术及研究领域,如系统总体技术、建模技术、协同仿真技术、虚拟样机的支撑环境等。3.1 系统总体技术

虚拟样机系统总体技术要从整体出发,规定和

协调构成虚拟样机各子系统的运行和相互之间的关系,实现信息和资源共享,实现系统总体目标。系统总体技术涉及规范化的体系结构、系统采用的标准与协议、网络技术、数据库技术、系统集成技术以及系统运行模式等。其中,系统集成技术的核心是工程设计技术、建模/仿真技术和虚拟现实/可视化技术这3类技术的集成与优化。3.2 建模技术

建模是虚拟样机技术中重要的一个环节。虚拟样机模型是对实体的数学表示,它给出对象结构和性能的描述,并能产生相应的图形,如功能视图、结构视图和行为视图。随着仿真技术的发展,虚拟样

经从对实体的建模,发展到对环境的建模和人体行为的建模。

实体建模技术涉及工程和

非工程领域的各种实体的建模技术;环境建模技术主要解决环境仿真模型(如地形、地貌、海洋、大气、空间环境等)的建立;人体行建模技术主要涉及模拟人体器官组织和人体在外界物理刺激下的人体外表、功能、性能和行为等的建模技术。目前,主要的建模技术有几何建模、机理建模技术、面向对象建模技术、面向组件/服务的建模技术、辨识建模技术、基于知识的建模、多模式建模技术、可视化建模技术及多媒体建模技术等。随着被建模系统的日益复杂化,单一模式建模仅能描述对象的某一特征,在工程应用中,常常是多种建模技术的集成。

3.3 协同仿真技术

系统建模是系统仿真的基础。如航天器、铁路机车、汽车等系统组成复杂的虚拟样机系统通常涉及机械、电子、软件、控制等多种技术领域,其系统组成呈现出分布、交互的特点,因此,依靠单一仿真工具无法解决这一涉及多领域的复杂设计问题。对于复杂的虚拟样机系统,可通过构建复杂系统的混合模型,对混合模型的分布/协同仿真来实现模拟仿真复杂系统之目的。协同仿真技术日益成为了解复杂产品行为、进行优化设计、提高整体性能和质量的有力工具和重要手段。协同仿真技术具有结构仿真、性能仿真、控制仿真、多体动力学仿真之功能。

复杂的虚拟样机系统的协同仿真技术包括协同建模技术、协同仿真技术和协同仿真运行管理技术3个方面。协同仿真技术主要解决由不同工具、不同算法实现的分布、异构模型之间的互操作与分布式仿真问题。基于HLA标准的分布交互仿真技术是实现虚拟样机协同仿真技术的重要技术基础。

3.4 虚拟样机的支撑环境

虚拟样机的支撑环境应具备以下特点:

(1)采用开放性的、模块化的系统体系结构,最大限度地采用目前流行的产品和标准,减少新的工具和支撑系统的开发。

(2)采用支持未来软件概念的可扩展性架构。

(3)提供支持多领域的协同建模/仿真环境和虚拟现实/可视化显示环境。

(4)集成各类已有的建模和仿真工具,实现模型和工具的即插即用,支持并行工程方法学。

(5)采用分布式数据库,实现各种数据的统一存储和管理。

(6)实现分布、异构的不同软硬件平台、不同网络及不同操作系统之间的互操作。

4 虚拟样机技术的工业应用

作为一项先进制造技术,虚拟样机技术还处于不断发展阶段,虚拟样机技术在国外的汽车制造、航空航天、铁路机车、通讯、工程机械等诸多领域已经获得一些成功的应用,对产业界产生了强大的冲击作用。

美国戴姆勒-克莱斯勒(DAIMLERCHRYSLER)汽车公司开发的93LH系列汽车,采用虚拟样机技术后,开发周期由48个月缩短到39个月。

美国波音(BOEING)公司设计的VS-X虚拟飞机,可用头盔显示器和数据手套进行观察与控制,使飞机设计人员身临其境地观察飞机设计的结果,并对其外观、内部结构及使用性能进行考察;波音777型客机的设计,从整机设计、部件测试到整机装配以及各环境下的试飞,均采用了虚拟样机技术,该机型的开发周期由8年缩短为5年。

美国航空航天局(NASA)的喷气推进实验室(JPL)由于采用了虚拟样机技术,成功实现了火星探测器“探路号”在火星上的软着陆。

世界最大的工程机械和建筑设备制造商—美国卡特彼勒(CATERPILLAR)公司将虚拟样机技术用于反铲装载机优化设计、内部可视性评价。

日本Matsushita公司开发的虚拟厨房设备系统,允许消费者在购买商品前,在虚拟的厨房环境中体验不同设备的功能,按自己的喜好评价、选择和重组这些设备,选择结果将被存储,并通过网络发送至生产部门进行生产。

国外虚拟样机技术相关软件已经实现了商业化生产,占市场份额一半以上的是美国机械动力学公司(Mechanical Dynamics Inc.)的机械系统自动动力学分析软件(Automatic Dynamic Analysis ofMechanical system)。

在国内,虚拟样机技术的研究和应用还处于起步阶段,尚未开展全面系统的研究。清华大学国家CIMS工程技术研究中心和山西经纬纺机股份有限公司合作,对高速剑杆织机产品开展了虚拟样机技术的研究工作,进行了产品关键件的虚拟设计、虚拟加工,整机的虚拟装配等,大大缩短了产品开发周期。航天机电集团第二研究院、清华大学和北京航空航天大学合作开展了复杂系统虚拟样机技术的

研究、应用与实践。

就总体而言,我国虚拟样机技术的研究尚停留在系统框架和总体技术方面,实质性的面向应用的关键技术的研究还有待进一步拓展,今后应着力于以下几个方面的研究:

(1)基于真实动画感的虚拟样机的装配仿真、生产制造过程及生产调度仿真、数控加工过程仿真等技术与系统。(2)应用虚拟现实技术实现虚拟环境及虚拟制造过程中的人机协同求解。(3)虚拟环境下分布式并行处理的智能协同求解技术与系统。

5 结语

虚拟样机技术作为一种全新的设计制造概念和一种方兴未艾的先进制造技术,有着广阔的发展和应用前景,它的研究和实践必将深刻地改变我国制造业的面貌。深入研究虚拟样机的关键技术并不断拓展其工业应用领域对于我国实现从制造大国向制造强国的转变具有重要意义。为适应快速变化的市

场和顾客化的产品需求,虚拟样机技术必将在复杂产品、复杂系统的研发中发挥越来越重要的作用。参考文献:

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浅谈虚拟现实技术在教育领域的应用 东北师范大学计算机学院 2014级教育技术系王鹏 2014012016【摘要】本文旨在简要介绍虚拟现实技术(含增强现实等分支技术)的定义及其发展现状,通过理论陈述、历史发展及部分实例进行分析,着手于软硬件两方面,结合其他领域中已有的优秀实例,对虚拟现实技术在教育领域的应用提出部分建议。 【关键词】虚拟现实增强现实三维技术教育软件开发 现代社会的电子信息技术自从计算机诞生以来就得到了飞速发展,人们不满足于二维平面等级的人机交互界面,开发了一系列帮助人们进行多元化人机交互的辅助工具。输入设备从最传统的键盘、鼠标,发展到今天的触摸板、眼球测位仪、语音识别,输出设备也从简单的显示屏、扬声器发展出各种形态。在硬件设备进化的同时,人机交互的“内容”即软件与信息层面也发生着急速变化。从最初的二进制数字到后来的命令提示符字符串,再到后来的桌面化操作系统及多媒体声像,时至今日人们已经掌握了足够顶层的技术以使用计算机来模拟日常所见的真实场景,而这种技术的代表作之一、同样也是未来信息技术领域最有发展前景的技术之一,就是虚拟现实技术。 一虚拟现实综述 虚拟现实(Virtual Reality,后文或简称VR)的定义目前为止依然众说纷纭,笔者较为认可的定义如下:一种可供创建并体验高度拟真的虚拟世界的计算机仿真系统。用来实现VR系统的技术被称为VR技术。何谓高度仿真呢?目前为止在技术层面能达到的、符合人们日常生活中实际体验的标准包括如下几个方面: 1 真实性 真实性是VR技术的主要目标。VR旨在用计算机构建真实世界以让用户获得拟真体验,生成的虚拟物件一般要高度仿照真实世界的尺寸、材质等,能够做到静物的“以假乱真”,相应的运动规律也要按照真实世界设置参数,如重力加速度或化学反应速率等,使得它们在变化时看起来仍不失真。 2 交互性 一般来说,交互性是指用户对虚拟世界中物体的可操作程度,和从自然环境中得到信息反馈的程度。计算机系统中生成的虚拟世界不可能仅接受工作人员输入的基本建模参数,也应当接受来自用户的实时输入信息,并给出相应的反馈。例如,用户可以通过特殊的控制器(如摇杆、特制键盘)、体感装置(如传感服、眼球测位仪)以及语音等向系统发送指令,相应地也就要求系统为用户提供多元化的输入接口,输入模式也应当尽可能贴近人类的自然活动。 3 沉浸性 沉浸性是指,用户在体验虚拟世界的时候,不光要体验到场景及运动规律的真实感,也应当同时意识到自己能够沉浸到虚拟世界中,而非一个世界之外的控制者、操作者。理想的VR系统应当以用户为第一视角构建,并能让用户产生真假难辨的感觉。

多年来,演播室的节目录制经常使用色键抠像技术,将在蓝背景前录制的前景画面(如播音员、主持人)与事先制作好的背景画面经色键器合成,产生所需的节目画面供播出或录制。使用这种传统的抠像技术最大的缺点是在前景和背景合成时,前景和背景的图像没?quot;锁定",也就是说摄像机运动时(变焦、移动、转动),背景无法随之变化。这样就造成前景与背景的相对位置关系不正确,合成的图像生硬,播音员好像在背景上漂浮,不符合人们的视觉习惯。为了避免这种情况,就需要对前景与背景在空间上"锁定",即调整或移动背景使之与摄像机的运动同步。虚拟演播室(V irtual Studio)可以说是应运而生,成为节目制作人员关注的焦点。 一、虚拟演播室系统构成 典型的虚拟演播室系统是由摄像设备、摄像机位置参数分析和控制、图形计算机、背景材料库和图像合成等设备组成。虚拟演播室节目制作系统构成的简单框图如图1所示。 在蓝背景中的演员由前景摄像机(真实摄像机)拍摄,而如图1所示的背景图像记录及生成系统称为虚拟摄像机。真实的和虚拟的摄像机始终是锁定的。因此,需要确定真实摄像机的位置参数,包括摄像机在演播室中的空间位置,摄像机的运动参数(倾斜、转动、翻转),摄像机镜头设置参数(变焦、聚焦、光圈)。所有这些数据都被送入计算机中进行分析,实时生成与前景图像保持正确透视关系的背景图像。然后,前景图像(包括演员和真实场景、道具)与计算机生成的背景图像通过色键控制 器进行天衣无缝的合成。输出的图像可以直接播出或记录在存储媒介上。 图1虚拟演播室节目制作系统构成

二、虚拟演播室关键技术 虚拟演播室技术包括摄像机跟踪技术、计算机虚拟场景设计和蓝背景技术、灯光 技术和色键技术等。 1.摄像机跟踪技术 摄像机跟踪技术是虚拟演播室中一项关键技术,它可以获取摄像机在演播室中的实际位置参数和动作参数,从而判断摄像机、演员或主持人、计算机虚拟场景之间的 相对位置关系,帮助系统实现真实摄像机与虚拟摄像机的锁定。 摄像机跟踪要求有足够的精度。以变焦比为20倍、60万像素的2/3英寸CCD摄像机为例,假定水平有效像素数为850,最小水平视角3°~5°,为保持±1/2像素的图像精确度并考虑镜头特性,要求角度定位精度和分辨率达到0.001°数量级。目前, 摄像机跟踪技术主要有图形识别和机械传感两种方式。 (1)图形识别法 图形识别实际上是一种"运动估测算法",它可以对运动画面进行精确的计算,获得摄像机的各项运动参数。实际应用一般采用有浅蓝色网格图案的深蓝色背景板,拍摄时,系统会对网格进行定位追踪,通过对每一幅画面中许多像素点亮度信号进行计算,可以得出画面的移动和比例的变化,用这个测量值和运动参数建立一个关于像素子集的联立方程。为了减少计算误差,可以选择一个基准帧,以之为基准对每幅画面进行计算。同时为了达到实时处理,要求计算机的图像处理速度达到50帧/秒。 为了避免摄像机快速进行左右、俯仰摇动时,画面中网格图案变得模糊而影响跟踪效果,摄像机应使用电子快门。电子快门的速度越快,允许摄像机运动的速度就越快。同时,演播室整个蓝色幕布(蓝箱)的布光要尽量均匀。当摄像机的光圈为5.6,电子快门速度为1/120时,网格图案的信号电平应达到70%左右,这样可获得最稳定的跟踪效果。 (2)机械传感法

X-VS高清虚拟演播室系统介绍 X-VS高清三维虚拟场景解决方案使虚拟演播室系统去除了烦琐的硬件配置和大规模的数据运算,凭借简单的设置和直观的用户界面,使之成为一套功能强大的广播电视节目制作工具。只要利用摄影棚中的一小部分空间搭配绿色或蓝色背景,加上摄影灯光,把人物拍下,通过系统集成的色键器,对摄像机获得的信号与虚拟演播室系统信号进行处理,即可实现演播主体与虚拟场景的合成。从此,不再受狭小空间和景物的限制,使用X-VS高清无轨虚拟演播室系统,充分发挥您的想象力和创造力,便可满足任何电视节目现场直播、后期制作及应用的需要。 随着计算机网络、通讯技术的极速发展,虚拟演播室的更新步伐不断迈进,节目的制作水平和信号质量不断提高,X-VS高清虚拟演播室系统本着"简捷至上"的设计宗旨,充分体现系统的技术先进性、功能完整性、经济实用性、运行可靠性、操作灵活性及系统扩展性,不仅能满足现阶段的需要,同时确保系统在今后相当长一段时间内具有先进性并留有扩展余地。在设计方案的过程中,首先考虑到系统要满足演播室现行技术要求,及其应用领域,同时又符合当今虚拟化的趋势,我们遵循以下几个原则: X-VS高清虚拟演播室系统在国外虚拟软件的基础上开发而来的操作系统,公司对国内市场进行长时间的调研,针对国内用户的操作使用习惯,市场行情和各地的经济条件,专为国内广大广电用户的应用而设计。能在满足大家的要求的同时,不改变用户的操作使用习惯,不影响用户现有的演播室系统,就能简单实现三维虚拟演播室的功能。系统能自动识别前端设备的格式,无需进行单独设置即可完成对高清标清,NTSC制,PAL制的区别,并进行采集,制作,播出。 X-VS高清虚拟演播室系统,是真三维虚拟演播室,采用革命性的独特设计,

《虚拟样机技术》课程教学大纲 课程代码:020232030 课程英文名称:Virtual Prototyping Technology 课程总学时:32 讲课:32 实验:0 上机:0 适用专业:车辆工程能源与动力工程 大纲编写(修订)时间:2017.5 一、大纲使用说明 (一)课程的地位及教学目标 本课程为车辆工程、能源与动力工程专业学生的一门专业基础选修课,ADAMS作为机械系统动力学分析软件,在汽车等领域有着广泛的应用,它改变了传统产品设计开发过程,可以大大缩短产品开发周期,降低开发费用和成本,提高产品性能,获得最优化和创新的设计产品。通过本课程的学习,使学生掌握ADAMS软件中虚拟样机的仿真建模工具及汽车模块的应用,培养学生应用大型工程软件解决问题的能力,为毕业设计进行知识储备并奠定基础,使学生毕业后能够适应社会的发展。 本课程将系统地介绍机械系统动态仿真技术,从设计和创新设计的角度出发,结合大量的实例,介绍ADAMS入门的基础知识、虚拟样机的基本概念及ADAMS软件的主要功能和操作技巧。通过学习这门课程,培养学生解决实际问题的能力,使学生能够较全面地了解掌握ADAMS软件的使用方法,了解在ADAMS软件环境下进行产品虚拟样机的开发过程。 (二)知识、能力及技能方面的基本要求 通过学习和练习使学生了解ADAMS虚拟样机技术的基本知识;掌握ADAMS软件的基本操作,熟悉软件的特性和使用方法;掌握基本的实际工作流程和处理方法。培养学生分析和处理实际问题的能力,能够独立面对问题、分析问题、解决问题。具体要求: 1、掌握ADAMS软件的使用。 2、能使用ADAMS软件,使学生具备在ADAMS软件环境下开发产品虚拟样机的能力,能完成一些简单机械系统的动力学分析。 (三)实施说明 教师在授课过程中可以根据实际情况酌情安排各部分的学时,课时分配表仅供参考。根据各专业特点,教师应结合本专业的实际问题,在教学过程中注意理论与实际结合,突出实际应用。 课程的教学目标通过教师演示讲授,学生课堂练习相结合来实现。采用现场教学模式,即在教师讲授演示的同时,学生同步在计算机上操作演练,强化教师与学生的互动。教师要注重对基本概念、基本方法和解题思路的讲解,以便学生在实际应用中能举一反三,灵活运用。 (四)对先修课的要求 要求学生先修:《机械制图》、《三维建模技术》、《汽车构造》等课程,并达到这些课程的基本要求,同时要求对三维CAD技术有一定的掌握。 (五)对习题课、实验环节的要求 根据课程的要求,结合专业特点安排一定的实例,如汽车悬模型及整车模型等,通过课堂练、讲相结合完成。 本门课程是上机操作的课程,实践性很强。为了增强学生的动手能力,要求多媒体教学,并做到学生每人一台计算机并配备相应软件。

虚拟样机技术及应用 (课程考试) 题目: 浅谈虚拟样机和虚拟样机技术学生: 陈川 班级: 机制1001班 学号: 2010200626 指导教师: 王春光

浅谈虚拟样机和虚拟样机技术 一虚拟样机产生的背景 进入21 世纪, 科学技术突飞猛进, 社会发展日新月异。人们对个性化产品的需求越来越迫切, 对产品性能的要求也越来越高, 全球化经济已明显地呈现出买方市场的特点。由于这一变化, 导致市场竞争日趋激烈, 而竞争的核心则主要体现在产品创新上, 体现在对客户的响应速度和响应品质上。传统的物理样机在产品的创新开发中, 在开发周期、开发成本、产品品质等方面已越来越不能满足市场需求, 虚拟样机技术正是在这一市场需求的驱动下产生的。 传统的产品设计模式通常采取的是一种设计→制造→试验→改进→设计的串行设计模式,尽管在结构设计方面采用CAD、CAE等软件,但由于不同学科软件相对独立性,产品的性能指标往往是通过大量的试验来确定特征参数。而且降低了产品的总体性能,使产品研发周期长、效率低。 如在传统的印刷机械设计工作过程中,都是由工程师先根据机器功能改进的需要,进行理论选型,然后计算结果,画出机械零件图、部件图和装配图,再交给车间进行试制。待样品出来以后,对样品进行运转测试,把测试到的实际结果与设计前的理论构想进行比对,寻找差异产生的原因,再重新进行设计上的修改,直到样品满足改进的需要。这种设计过程,需要的周期长,样品试制费用高,往往不能满足市场对新机器换代及时性的要求,带来了人力物力的巨大浪费。为了改变这些现象,提高产品的性能,缩短生产周期,降低生产成本,各行各业都在不断地创新,开发新的技术。这样通过不断地创新、改进,近年来终于找到了解决这些缺点的方法,并提出了虚拟样机技术。 二什么是虚拟样机 虚拟样机是建立在计算机上的原型系统或子系统模型,它在一定程度上具有与物理样机相当的功能真实度。 虚拟样机是一种计算机模型,它能够反映实际产品的特性,包括外观、空间关系以及运动学和动力学特性。利用这项技术,设计师可以在计算机上建立机械系统模型,然后以三维可视化处理,模拟在真实环境下系统的运动和动力特性并根据仿真结果精简和优化系统。 虚拟样机被美国国防部建模和仿真办公室(DMSO)定义为对一个与物理原型具有功能相似性的系统或者子系统模型进行的基于计算机的仿真;而虚拟样机则是使用虚拟样机来代替物理样机,对候选设计方案的某一方面的特性进行仿真测试和评估的过程。 虚拟样机的概念与集成化产品和加工过程开发 (Integrated Product and Process Development,简称IPPD)是分不开的。IPPD是一个管理过程,这个过程将产品概念开发到生产支持的所有活动集成在一起,对产品及其制造和支持过程

论文虚拟现实技术

浅谈虚拟现实技术 摘要虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术是近年来新兴的借助计算机及最新传感器技术创造的一种崭新的人机交互手段,其核心是建模与仿真。概括介绍了虚拟现实技术的概念、特征及应用领域,涉及的关键技术,最新研究进展,应用与前景展望。 关键词虚拟现实技术,研究现状,相关应用,信息安全 一.虚拟现实的概念、特征及应用领域 虚拟现实是一种由计算机和电子技术创造的新世界,是一个看似真实的模拟环境,通过多种传感设备,用户可根据自身的感觉,使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察和操作,参与其中的事件,同时提供视、听、触等直观而自然的实时感知,并使参与者“沉浸”于模拟环境中。虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术是指借助计算机及最新传感器技术创造的一种崭新的人机交互手段,其核心是建模与仿真。 虚拟现实技术主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设各等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外,还有听觉、触觉、力觉、运动等感知,甚至还包括嗅觉和味觉等,也称为多感知。自然技能是指人的头部转动,眼睛、手势、或其他人体行为动作,由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据,并对用户的输入作出实时响应,并分别反馈到用户的五官。传感设备是指三维交互设备。常用的有立体头盔、数据于套、三维鼠标、数据衣等穿戴于用户身上的装置和设置于现实环境中的传感装置,如摄像机、地板压力传感器等。 (虚拟现实技术穿戴的装备)

GrigoreBurdea和Philippe Coiffet在著作“Virtual Reality Technology”一书中指出,虚拟现实具有三个最突出的特征,即人们称道的“3I”特性:交互性(interactivity) 、沉浸感(Illusion of Immersion) 和构想性(imagination)。交互性主要是指参与者通过使用专门输入和输出设备,用人类的自然技能实现对模拟环境的考察与操作的程度。沉浸感是虚拟现实最主要的技术特征,它是指参与者在纯自然的状态下,借助交互设备和自身的感知觉系统,对虚拟环境的投入程度。构想性是指借助虚拟现实技术,使抽象概念具像化的程度。另外还有多感知性(Multi-Sensory)。所谓多感知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。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能,由于相关技术,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限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。 所以,“3I+M”就是虚拟现实系统的基本特征。 自1968年Ivan Sutherland发表一篇名为“The Ultimate Display”的论文至今,虚拟现实技术已经伴随着计算机技术的进步得到长足的发展。如今,众多的设备可被用于虚拟现实,包括头戴式显示器、数据手套、动作捕捉系统等[1]。虚拟现实技术已经在诸如建筑设计、军事仿真、虚拟制造、游戏娱乐、医学等领域得到广泛的应用。在教育、心理学、环保、文化艺术领域,虚拟现实技术也得到越来越多的关注[2]。 二.虚拟现实涉及的关键技术[3] 虚拟现实的关键技术主要包括:动态环境建模技术,实时三维图形生成技术,立体显示和传感器技术,应用系统开发工具,系统集成技术,实时三维计算机图形技术,广角立体显示技术,对观察者头、眼和手的跟踪技术,触觉、力觉反馈技术,立体声、语音输入输出技术。 动态环境建模技术:虚拟环境的建立是VR系统的核心内容,目的就是获取实际环境的三维数据,并根据应用的需要建立相应的虚拟环境模型。 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,那么关键就是“实时”生成。为了达到实时的目的,至少保证图形的刷新频率不低于15帧/秒,最好高于30帧/秒。

虚拟演播室是视频技术于计算机技术结合的产物,把计算机图形图像处理技术与传统的色键技术集合起来形成的。是一种新颖的独特的电视节目制作技术。 虚拟演播室技术原理:虚拟演播室技术与色键技术十分相像,他是由前景主持人为主的画面和背景画面,采用色键的方法构成一个整体,产生人物置身于背景中的组合画面。 虚拟演播室工作原理 虚拟演播室装修的总体要求: 建立一个功能完善的虚拟演播室,需要做到如下基本要求: 1、要求演播室的拾音空间首先具有较好的语言清晰度、可懂度,其次是要有良好的声音丰满度, 2、要求演播室内各处要有合适的响度和均匀度,具有相应的满足拾音要求的混响频率特性。 3、抑制影响听、拾音音质的声缺陷,防止出现声聚焦、驻波、颤动回声、低频嗡声等。 4、演播室内墙面的声学装饰考虑在装饰大方美观、造型新颖的基础上对于高中低各频段的声学处理方式,特别是低频段的声学处理方式方法。 演播室的建声指标:混响时间≤0.6S±0.05S;噪声评价曲线NR-30---NR-35。 设计的隔声门隔声量大于35dB并具有好的密封性。 5、演播室声学建声装饰所选用的材料符合国家相应的强制消防要求,要求采用达到B1、B2级标准的材料。 6、演播室声学建声装饰所选用的材料符合国家相应的强制环保要求,特别是要求甲醛的释放量为<0。1mg/m3。墙面装饰层内禁止使用不安全和危害性较高的吸声材料。 7、装饰踢脚线兼做视音频线槽并做屏蔽处理。 8、演播室配置录制指示灯和紧急逃生指示灯。 9、装饰层内的综合布线按要求做穿管处理。 10、演播室现有的位置南边部分为玻璃幕墙,不利于演播室的隔声,所以要对原幕墙部分进行隔断,制作隔声封闭处理,在保证整体装饰的美观性和隔声性的同时,还应保证演播室正常的通风换气。 11、导控室地面用防静电地板,装修过程中做好设备布线(强电,弱电),做好防雷,接地各类设施的设计施工。 12、装修预留好空调位置,并配合本台做好空调,配电等设备的安装施工。

VS-VSCENE 虚拟演播室系统方案建议书北京华视恒通系统技术有限公司

北京华视恒通系统技术有限公司 目栩 公司简介................................................................................................................................................................... 3.. . 惊)前悅........................................................................................................................................................................................ 4.. . . 二)系统方案设计.................................................................................................................................................. 4.. . 1、设计原则........................................................................................................................................... 4.. . 2、设计方案........................................................................................................................................... 5.. . 3、系统结构原枞图............................................................................................................................. 7.. . 4、系统功能特点 ................................................................................................................................ 1..0. 5、TOPACK-C抠K 像卡................................................................................................................ 1..2 6、TOPACK-CG/AUD旓IO幕混愃卡 ................................................................................ 1..3 三)软件系统功能................................................................................................................................................. 1..5. 1、系统参数设敢 ................................................................................................................................ 1..5. 2、抠像参数设敢 ................................................................................................................................ 1..7. 3、场景编排.......................................................................................................................................... 1..8. 4、实时控敥.......................................................................................................................................... 2..0. 5、远程旓幕客户端............................................................................................................................ 2..2. 四)设备悪本及效果图........................................................................................................................................ 2..3. 五)系统配敢........................................................................................................................................................................................ 2..4 . 售后服务措施及承诺 ............................................................................................................................................. 2..6.

虚拟样机技术概述 1.1.行业背景 多年来,制造业完全依赖于物理样机来解决和交流设计过程中的问题,这就使得制造成本增加和产品设计时间的延长(见表1)。然而,近年来,制造业者已经认识到物理样机在快速抢占市场上已严重阻碍了其发展,成为发展过程中的一个重要障碍。 为了突破这个障碍,很多制造业者(如Boeing ,GM, Caterpillar ,Ford等)开始研究使用虚拟样机,而减少对物理样机的依赖。他们并不完全排除物理样机,只是减少物理样机的数量,用虚拟样机的灵活性去完成物理样机不能完成的功能。例如,90年代Boeing公司用虚拟样机技术用在波音777上取得了极大的成功,他们仅用一个较小的物理机头模型就在四年内把这种飞机推向市场(Boswell, 1998)。Caterpillar公司也同样利用这个技术应用于他们的履带机设计,他们发现这种技术在解决设计评审阶段节省了9个月时间(Ellis, 1996)。 表1 物理样机成本 虚拟样机的成功有两项关键技术,第一,实时的3D图形特性和位图质量要达到一定的标准,要求硬件产生的高质量位图包括150,000到250,000个三角形的数据。另外,这些位图刷新速度要达到交互速度的要求。第二,投影和其它显示技术的发展使得高清晰度的立体图像能被建立。结合这两项技术,虚拟样机赢得了一些评论家的关注。现在,这种技术也面临着有激烈地争议,但虚拟样机的高成长性和广泛应用已成为事实。 物理样机被用于解决贯穿整个生产过程的问题。通常情况下,一些独特的模型对解决某些关键的问题是必须的。表2列出一些通过样机解决的问题和关心

的主要问题。 下面给出虚拟样机技术在工业中的三个具体应用层面: 1.建立可信的图像 2.产品设计与制造过程的集成(DFM) 3.虚拟样机和现有测量工具的结合 表2 原型问题 1.2.虚拟样机的关键技术 1.2.1.建立可信赖的1:1产品虚拟原型 建立可信的图像是一个核心要求。目前,绘图师和设计师都用不同的射线跟踪包(沿物理样机)去形成高真实的图像或动画电影。这些工具对于交流是非常有用的,他们也能描述必需的经验上的碰撞。当你在墙上看到这些图像时,你就会想象你正经历着这个产品,或正在看它漂亮的图片。这种预先渲染的技术限制了通常物理样机所提供的探测和交互的种类。例如,你不能进入图像的内部和感受到聚集在你周围的场景。这种情况下,具有现实性的图像并没有充分的理由代替物理样机。既然这样,使用这种技术生成的虚拟样机的应用的可信度就会大打折扣,因为它们限制了探测场景的比例和现场的沉浸感。 当计算机可视化的价值得到工业界的普遍认可时,具有“沉浸感”的虚拟样机还是被许多专家持怀疑和观望态度。但当它呈现出高可信度的图像和虚拟样机时,这种怀疑的态度就会消失。虚拟样机的展示,的确给观察者一种与物理样机同处一室的感觉,这时,观察者就会认为他看到的虚拟样机是真实的。

浅谈虚拟现实技术特 点

浅谈虚拟现实技术特点,组成和分类。常用的虚拟现实软件,硬件和优缺点。 经过3节课的老师的讲解和上网资料的查看,我对虚拟现实技术有了浅显的了解。 一:虚拟现实技术特点: 虚拟现实(VirtualReality)又称灵境技术是利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术,生成三维逼真的虚拟环境,使用者戴上特殊的头盔、数据手套等传感设备,或利用键盘、鼠标等输入设备,便可以进入虚拟空间,成为虚拟环境的一员,进行实时交互,感知和操作虚拟世界中的各种对象,从而获得身临其境的感受和体会。 虚拟现实技术具有以下五个主要特征: (1)沉浸性使之所创造的虚拟环境能使学生产生“身临其境”感觉,使其相信在虚拟环境中人也是确实存在的,而且在操作过程中它可以自始至终的发挥作用,就像真正的客观世界一样。 (2)交互性是在虚拟环境中,学生如同在真实的环境中一样与虚拟环境中的任务、事物发生交互关系,其中学生是交互的主体,虚拟对象是交互的客体,主体和客体之间的交互是全方位的。 (3)构想性是虚拟现实是要能启发人的创造性的活动,不仅要能使沉浸于此环境中的学生获取新的指示,提高感性和理性认识,而且要能使学生产生新的构思。

(4)动作性是指学生能以客观世界的实际动作或以人类实际的方式来操作虚拟系统,让学生感觉到他面对的是一个真实的环境。 (5)自主性是虚拟世界中物体可按各自的模型和规则自主运动。 二:虚拟现实技术组成和分类: 1 :虚拟现实系统的组成 用户通过头盔、手套和话筒等输入设备为计算机提供输入信号,虚拟现实软件收到输入信号后加以解释,然后对虚拟环境数据库进行必要更新,调整当前虚拟环境视图,并将这一新视图及其它信息如声音立即传送给输出设备,以便用户及时看到效果。 系统由输入部分、输出部分、虚拟环境数据库、虚拟现实软件组成。 2:虚拟现实系统的分类 虚拟现实系统按照不同的标准有不同的分类,通常分为以下四类:(1)桌面虚拟现实系统(Desktop VR) (2)沉浸式虚拟现实系统(Immersive VR) (3)分布式虚拟现实系统(Distributed VR) (4)增强式虚拟现实系统(Augmented Reality AR) 2.1桌面虚拟现实系统(简称PCVR) 桌面虚拟现实系统是一套基于普通PC平台的小型虚拟现实系统。利用中低端图形工作站及立体显示器,产生虚拟场景,参与者使用位置跟踪器、数据手套、力反馈器、三维鼠标、或其它手控输入设备,实现虚拟现实技术的重要技术特征:多感知性、沉浸感、交互性、真实性。

虚拟演播室系统为电视制作开辟了一个崭新的空间,它将摄像机拍摄的图像实时地与计算机三维图形进行合成,从而形成一种新的电视节目制作系统。它具有一些传统演播室无法达到的功能和优点,可以更有效地利用演播室资源,节省大量的制景费用,还可以使制作人员摆脱时间、空间的限制,充分发挥其想象力进行自由创造,并能完成一些其它技术做不到的特技效果。 一虚拟演播室系统的分类 由于专业电视设备制造领域的激烈竞争,各种新型的虚拟演播室系统在最近几年层出不穷,根据不同的方式,我们一般对常见的系统有着如下的分类: 1. 根据硬件平台可划分为基于PC平台和基于UNIX平台的系统 早期基于UNIX平台的系统应用得比较广泛,如今随着PC技术的迅速发展,其CPU 的运算速度以及基于其3D图形加速处理卡的处理能力越来越强大,因此基于PC的虚 拟演播室系统的先进程度已经与基于UNIX平台的系统相当,并获得大量的软件的支 持,其未来的发展空间广阔。而基于UNIX平台的虚拟演播室系统,在一定程度上受 到单一的UNIX平台的兼容性的制约,其发展速度相对较为缓慢,同时由于价格昂贵,其市场空间相对较窄。 1. 根据硬件平台可划分为基于PC平台和基于UNIX平台的系统 早期基于UNIX平台的系统应用得比较广泛,如今随着PC技术的迅速发展,其CPU 的运算速度以及基于其3D图形加速处理卡的处理能力越来越强大,因此基于PC的虚 拟演播室系统的先进程度已经与基于UNIX平台的系统相当,并获得大量的软件的支 持,其未来的发展空间广阔。而基于UNIX平台的虚拟演播室系统,在一定程度上受 到单一的UNIX平台的兼容性的制约,其发展速度相对较为缓慢,同时由于价格昂贵,其市场空间相对较窄。 而三维系统可创建真三维的虚拟场景。其调用的背景是用传统的3D建模工具(如3DMAX、MAYA 等)建立的标准虚拟场景模型序列文件*.WRL,在专业图形加速平台上根据摄像机的参数变化进行实时的三维填充和渲染,因此实时渲染是三维虚拟演播室的重要特征。由于三维场景的实时渲染需要非常大的计算量,所以,这类系统必须采用功能强大的图形工作站或专用的高速图形处理器作为背景生成装置。由于三维场景是建立在实时生成的图形平台上,场景的大小不受限制,摄像机可以在360°空间任意旋转运动,配合无限蓝箱技术可实现全场景360°空间显示。在三维场景中,虚拟景物既能作为真实人物的背景出现,也能作为前景出现,并且真实人物还能围绕虚拟场景运动,因而在视觉效果上更具纵深感,更加真实。这类系统再配合虚拟阴影及反射、像素级深度键等新技术后,可达到非常逼真的真三维虚拟场景效果,是节目制作的最佳选择。

虚拟样机技术 1、虚拟样机概念 1.1 产生背景 传统的设计方式要经过图纸设计、样机制造,测试改进、定型生产等步骤,为了使产品满足设计要求,往往要多次制造样机,反复测试,费时费力、成本高昂。虚拟样机技术的出现,改变了传统的设计方式,采用数字技术进行设计。它能够在计算机上实现设计——试验——设计的反复过程,大大降低了研发周期和研发资本,能够快速响应市场,适应现代制造业对产品 T(time )、Q(quality )、 C( cost )、S(services )、E(environment )的要求,极大地促进了敏捷制造的发展,推动了制造业的数字化、网络化、智能化。 1.2 虚拟样机技术定义 虚拟样机技术(Virtual Prototyping, VP)是指在产品设计开发过程中 ,将分散的零部件设计和分析技术(指在某一系统中零部件的 CAD 和 FEA 技术)揉合在一起 ,在计算机上建造出产品的整体模型 ,并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析 ,预测产品的整体性能 ,进而改进产品设计 ,提高产品性能的一种新技术。 虚拟样机技术是一门综合多学科的技术 , 它的核心部分是多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现。 CAD/ FEA 技术的发展为虚拟样机技术的应用提供了技术环境和技术支撑。虚拟样机技术改变了传统的设计思想,将分散的零 部件设计和分析技术集成于一体 ,提供了一个全新的研发机械产品的设计方法。虚拟样机技术设计流程见图 1 。

图1虚拟样机技术设计流程 1.3虚拟样机分类 虚拟样机按照实现功能的不同可分为结构虚拟样机、功能虚拟样机和结构与功能虚拟样机。 结构虚拟样机主要用来评价产品的外观、形状和装配。新产品设计首先表现出来的就是产品的外观形状是否满意,其次,零部件能否按要求顺利安装,能否满足配合要求,这些都是在产品的虚拟样机中得到检验和评价的。 功能虚拟样机主要用于验证产品的工作原理,如机构运动学仿真和动力学仿真。新产品在满足了外观形状的要求以后,就要检验产品整体上是否符合基于物理学的功能原理。这一过程往往要求能实时仿真,但基于物理学功能分析,计算量很大,与实时性要求经常冲突。 结构与功能虚拟样机主要用来综合检查新产品试制或生产过程中潜在的各种问题。这是将结构虚拟样机和功能虚拟样机结合在一起的一种完备型的虚拟样机。它将结构检验目标和功能检验目标有机结合在一起,提供全方位的产品组装测试和检验评价,实现真正意义上的虚拟样机系统。这种完备型虚拟样机是目前虚拟样机领域研究的主要方向。 1.4虚拟样机技术特点

浅析虚拟现实技术应用与未来发展 摘要虚拟现实技术(Virtual Reality,简称VR)是近年来出现的高新技术,也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界,提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟,让使用者如同身历其境一般,可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。本文主要探讨了虚拟现实技术发展历史、当下应用及未来发展展望。 关键字虚拟现实技术历史发展未来趋势应用局限性 虚拟现实技术(Virtual Reality,简称VR)是近年来出现的高新技术,也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界,提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟,让使用者如同身历其境一般,可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物【1】。近几年,虚拟现实技术发展迅速,在航空航天、船舶建造与设计、军事模拟、机械工程、先进制造、城市规划、地理信息系统、医学生物等领域中发挥了巨大作用,与网络、多媒体技术并称为2l世纪最具应用前景的三大技术。 一、虚拟现实技术特点简析。 虚拟现实技术涉及计算机图形学、数字图像处理技术、多媒体技术、网络技术、人工智能等等,主要是实时三维计算机图形技术,广角(宽视野)立体显示技术,对观察者头、眼和手的跟踪技术,以及触觉/力觉反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等的综合。 而虚拟现实技术的三大主要特点则分别是由上述技术组合实现的。 1、沉浸性。 沉浸性是指虚拟现实技术所创造的虚拟环境能使体验者产生“身临其境”感觉,使其相信在虚拟环境中人也是确实存在的,而且在操作过程中体验者可以自始至终的发挥作用,就像真正的客观世界一样。 根据人类视觉、听觉的生理心理特点,由计算机产生逼真的三维立体图像.使用者戴上头盔显示器和数据手套交互设备,便可将自己置身于虚拟环境中,成为虚拟环境中的一员。 2、交互性。 交互性指在虚拟环境中体验者不是被动地感受,而是可以自行改变感受的内容。?体验者是交互的主体,虚拟对象是交互的客体,主体和客体之间的交互是全方位的。 虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互,可通过键盘、鼠标、头盔、数据手套等设备进行交互。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能,对虚拟环境中的对象进行触摸或操作。 3、多感知性。 多感知性是指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。 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多种感知,亲身体验交互操作的反应与感受。 二、虚拟现实技术发展历史

浅谈虚拟现实技术 发表时间:2018-10-09T11:25:10.320Z 来源:《防护工程》2018年第12期作者:袁野帅明方高子昂刘晓宇指导老师 [导读] 它和其它很多信息技术一样,当专家还未把它的理论和技术探讨得十分清楚时,它已渗透到科学、技术、工程、医学、文化、娱乐的各个领域,并受到极大的关注。鉴于此,本文就虚拟现实技术展开探讨,以期为相关工作起到参考作用。 袁野帅明方高子昂刘晓宇指导老师 沈阳城市学院大学生创新创业训练项目辽宁沈阳 110000 摘要:作为尖端科技,虚拟现实集成计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果,是一种由计算机生成的高技术模拟系统。因为虚拟现实技术的特点,它可以渗透到我们工作和生活的每个角落,所以虚拟现实技术对人类社会意义是非常大的。正因如此,它和其它很多信息技术一样,当专家还未把它的理论和技术探讨得十分清楚时,它已渗透到科学、技术、工程、医学、文化、娱乐的各个领域,并受到极大的关注。鉴于此,本文就虚拟现实技术展开探讨,以期为相关工作起到参考作用。 关键词:虚拟现实技术;特征;类型 1、虚拟现实的基本特征及类型 1.1、基本特征 虚拟现实的模拟具有“交互”和“沉浸”两种基本特征,它把视觉、听觉、动作等多维信息技术进行合成,是一种可以创建和体验虚拟环境的计算机系统技术.具体来说,虚拟现实有四种基本特征: (1)多感知性 多感知性是指虚拟现实系统应该具有人所具有的多种感知功能,如视觉、听觉、力觉、触觉、味觉、运动感知等。 (2)临境或沉浸感. 临境是一种用户存在于虚拟环境中的临场感,是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度.理想的虚拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度。 (3)自主性 自主性是指虚拟环境中某些对象依据物理定律运动的程度.例如当物体受到外力的作用时,物体的运动状态会发生改变等。 (4)实时交互性 实时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中得到反馈的自然程度及实时性。 2、虚拟现实系统的基本类型 按照所使用的软硬件设备,可以把虚拟现实的应用系统分为以下几类。 (1)最简单的是把个人计算机上的屏幕作为视窗的虚拟现实世界系统,这些系统都是用个人计算机的终端显示器来显示虚拟世界的,所以有时也称为桌上虚拟现实系统。用户可佩戴立体眼镜观看立体图像,也可不佩戴立体眼镜而直接观看全景图像,或者是观看一种虽然不是标准的三维图像,但也有一定的层次效果的“准三维”的图像。 (2)具有沉浸感的沉浸系统。在这些系统中,除了计算机外,还为用户配备了头盔显示器,或做成一个各个方向都安装有显示屏幕的虚拟空间显示器,当用户站在中间时就感受到置身以一个虚拟的空间了。 (3)遥视系统。遥视系统也是一种由计算机生成的可视化世界,但这个可视化世界的图像是根据许多远程传感器所采集到的信息而形成的。例如消防遥视系统就是利用安装在防火区内的各类传感器所采集和传送回来的信息,生成火区的图像和情景。外科医生则是根据安装在探测器上的窥视镜所采集的信息进行手术。 3、虚拟现实技术的应用 3.1、跟踪头部运动的虚拟现实头套 在传统的计算机图形技术中,视场的改变是通过鼠标或键盘来实现的,用户的视觉系统和运动感知系统是分离的,而利用头部跟踪来改变图像的视角,用户的视觉系统和运动感知系统之间就可以联系起来,感觉更逼真。另一个优点是,用户不仅可以通过双目立体视觉去认识环境,而且可以通过头部的运动去观察环境。 在用户与计算机的交互中,键盘和鼠标是目前最常用的工具,但对于三维空间来说,它们都不太适合。在三维空间中因为有六个自由度,我们很难找出比较直观的办法把鼠标的平面运动映射成三维空间的任意运动。现在,已经有一些设备可以提供六个自由度,如3Space 数字化仪和SpaceBall空间球等。另外一些性能比较优异的设备是数据手套和数据衣。 3.2、艺术教育中的应用 作为显示传输信息的媒体,虚拟现实在未来艺术领域所具有的潜在应用能力也是不可低估的。VR所具有的临场参与感与交互能力可以将静态的艺术(如油画、雕刻等)转化为动态的,可以使观赏者更好地欣赏作者的思想艺术。另外,VR提高了艺术表现能力,通过动作捕捉系统采集演员的舞蹈动作和表情,在电脑辅助编排下可以预演演出效果,提高编排效率。 对艺术的潜在应用价值同样适用于教育行业,如在解释一些复杂的系统抽象的概念如量子物理等方面,VR是非常有力的工具,如“虚拟的物理实验室”,用于解释某些物理概念,如位置与速度,力量与位移等。 3.3、生物力学方面的应用 生物力学仿真就是应用力学原理和方法并结合虚拟现实技术,实现对生物体中的力学原理进行虚拟分析与仿真研究。利用虚拟仿真技术研究和表现生物力学,不但可以提高运动物体的真实感,满足运动生物力学专家的计算要求,还可以大大节约研发成本,降低数据分析难度,提高研发效率。这一技术现已广泛应用于外科医学、运动医学、康复医学、人体工学、创伤与防护学等领域。 3.4、工业仿真中的应用 当今世界工业的发展非常迅速,已经发生了翻天覆地的变化,现阶段的工业发展不再是大规模的人海战术,需要的是先进的科学技

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