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1、虚拟现实 VRML 技术的发展及在先进制造业中的应用（文献综述）题目：数字石油固井 LADS 装置设计研究方向：虚拟现实自控导航技术硕士生导师：王展旭硕士生：仝兆景单位：虚拟现实自控导航技术研究室青岛科技大学机电工程学院2003 年 12 月 23 日1目录1 概述2 国内外近期研究状况2.1 国外研究现状2.2 国内研究状况3 VRML 的特点、关键技术及实现过程3.1 VRML 技术特点3.2 关键技术3.2 实现过程4 虚拟现实技术在先进制造业中的应用5 实现数字机械的关键技术及存在的问题5.1 VRML 文件与 HTML 文件的通信5.2 系统交互5.3 系统导航与建模5.4 模型建立
2、5.5 获取数据后的机构性能分析与优化6 数字石油固井 LADS 装置的框架设计6.1 问题提出6.2 石油固井 LADS 装置的工作原理6.3 数字石油固井 LADS 装置设计目标6.4 数字石油固井 LADS 装置设计注意事项2虚拟现实 VRML 技术的发展及在先进制造业中的应用（文献综述）1 概述虚拟现实 VRML 技术（简称 VR 技术）是在 Internet、Intranet 或本地构造3D 对象的语言，提供了完整的 3D 图形和多媒体的交互功能。它采用SGI（silicon graphyicsinc）公司的 OPen Inventer ASCll 文件格式作为语言的基础。1994
3、年 2 月设计完成了 VRML 初始例程，1995 年 5 月发布了VRMLI.0 规程说明，在 VRML1.0 的基础上加入了大量的交互特性。VRML2.0 第一版于 1996 年 8 月在新奥尔良举行的 SIGGRAPH96 会议上颁布。1997 年 12 月，将 VRML97，即 VRML2.0 经编辑性修订和少量功能性调整后的结果作为国际标准正式公布，并于 1998 年 1 月正式获得 ISO 批准（国际标准号 ISO/IEC 14772-l:1997） ，创立了标准化进程仅 18 个月的 ISO/IEC 纪录，同时它还是第一个用HTML 发布的国际标准。VRML 的主要目的是为了在计
4、算机网络中建造一个虚拟的三维世界，使信息的表现形式更加生动，给人以身临其境的感觉。其最新版本 VRML 2.0 增加了支持动画虚拟世界的功能，其结构与 1.0 版本有较大区别，现在使用的都是 VRML 2.0 版本。以下综述 VR 技术的发展及在先进制造业中的应用。2 国内外近期研究状况2.1 国外研究现状美国是虚拟现实(VR)技术的发源地，美国的研究技术的水平实际上代表着国际 VR 发展的水平。目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。日本也是居于领先位置的国家之一，主要致力于建立大规模 VR 知识库的研究，另外在虚拟现实的游戏方面的研究也做了很多工作。3下
5、面就这些方面的发展情况做一综述。美国宇航局（NASA）的 Ames 实验室完善了头盔显示器，并将数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品。NASA 研究的重点是对空间站操纵的实时仿真，大多数研究是在 NASA 的约翰逊空间中心完成的，大量运用了面向座舱的飞行模拟技术。NASA 完成的一项著名的工作是对哈勃太空望远镜的仿真。现在 NASA己经建立了航空、卫星维护 VR 训练系统，空间站 VR 议练系统，并且已经建立了可供全国使用的 VR 教育系统。北卡罗来纳大学（UNC）的计算机系是进行 VR 研究最早最著名的大学。他们主要研究：分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。麻省理工学院（MIT
6、）是一直走在最新技术前沿的科学研究机构。MIT 原来就是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋，这些技术都是 VR 技术的基础。1985 年 MIT 建设了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。这个媒体实验室建立了一个名叫 BOLIO 的测试环境，用于进行不同图形仿真技术的实验，利用这一环境，MIT 建立了一个虚拟环境下的对象运动跟踪动态系统。另外，MIT 还在进行“路径计划”与“运动计划”等研究华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室（HITLab）在新概念的研究中起着领先作用，同对也在进行感觉、知觉、认知和运动控制能力的研究。HIT 将 VR 研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域
7、，例如波音公司的 V22 运输机，就是先在实验室中造出虚拟机后再投入生产的。伊利诺斯州立大学研制出在车辆设计中支持远程协作的分布式 VR 系统，不同国家、不同地区的工程师们可以通过计算机网络实时协作进行设计。设计车辆的过程中，各种部件都可以共享一个虚拟环境，并且可以查看对方任何一个位置的视频传递和相应的定位方向。在系统中采用了虚拟原型，从而减少了设计图像和新产品进入市场的时间。这样，产品在生产之前就可以估算和测试，并且大大地提高了产品质量。NEC 公司计算机和通信分部中的系统研究实验室开发了一种虚拟现实系统，它能让操作者都使用“代用手”去处理三维 CAD 中的形体模型，该系统通过VPL 公司的
8、数据手套把对模型的处理与操作者手的运动联系起来。东京大学的高级科学研究中心将他们的研究重点放在远程控制方面，最近4的研究项目是主从系统，该系统可以使用户控制远程摄像系统和一个模拟人手的随动机械人手臂。富士通实验室有限公司正在研究的一个项目是虚拟主物与 VR 环境的相互作用。他们还在研究虚拟现实中的手势识别，已经开发了一套神经网络姿势识别系统，该系统可以识别姿势，也可以识别表示词的信号语言。2.2 国内研究状况与一些发达国家相比，我国 VR 技术尚存在一定的差距。近年来，国家有关部门和科学家高度重视该项技术，根据我国国情，制定了开展 VR 技术的研究。例如：“九五”规划、国家自然科学基金会、国家
9、高技术研究发展计划等都把VR 列入了研究项目，紧跟国际新技术的潮流，使国内一些重点院校（如下） ，积极投入到了这一领域的研究工作中。北京航空航天大学计算机系是国内最早进行 VR 研究、最有权威的单位之一，他们首先进行了一些基础知识方面的研究，着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发出了部分硬件，并提出了有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上虚拟现实研究论坛，可以提供实时三维动态数据库，虚拟现实演示环境，用于飞行员训练的虚拟现实系统，开发虚拟现实应用系统的开发平台，并实现与有关单位的远程连接；在利用虚拟现实技术进行装备的维修训练中进行了研
10、究，在这方面河北石家庄军械学院、武汉大学也进行了研究。浙江大学 CAD/CG 国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，该系统采用了层面迭加的绘制技求和预消隐技术，实现了立体视觉，同时还提供了方便的交互工具，使整个系统的实时性和画面的真实感都达到了较高的水平。另外，他们还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。哈尔滨工业大学计算机系已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成，表情的合成和唇动的合成等技术问题，并正在研究人说话时头势和手势的动作，话音和语调的向步等。清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究，例5如球面屏幕显
11、示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感实验等方面都具有不少独特的方法。他们还针对室内环境水平特征丰富的特点，提出借助图像变换，使立体视觉图像中对应水平特征呈现形状一致性，以利于实现特征匹配，并获取物体三维结构的新颖算法。并在产品设计和制造过程的计算机仿真方面做了进一步研究。西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术立体显示技术进行了研究。他们在借鉴人类视觉特性的基础上提出了一种基于 JPEG 标准压缩编码新方案，并获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度，并且己经通过实验结果证明了这种方案的优越性。北方工业大学 CAD 研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一，中国第一部完全用计
12、算机动画技术制作的科教片相似就出自该中心。关于虚拟现实的研究已经完成了 2 个“863”项目，完成了体视动画的自动生成部分算法与合成软件处埋，完成了 VR 图像处理与演示系统的多媒体平台及相关的音频资料库。中科院地理所对三维动态交互地图可视化进行了深入实践，河海大学探讨了利用 VRML 技术从数字等高线生成三维地貌的一种格网方法。从数字等高线中按格网提取高程点信息，并使用 VRMI 生成三维地貌，并编写了 MIF MID 文件格式的数字等高线生成三维地貌的程序。国防科技大学、郑州信息工程大学在这方面研究也取得了进展。研究将虚拟现实技术应用于各类学科的教学实验中的有：西安电子科技大学、厦门大学固
13、体表面物理化学国家重点实验室、河北师范大学、首都医科大学、西安外国语学院、湖南农业大学、研究将虚拟现实技术应用于工程模型设计、虚拟装配、虚拟制造、运动仿真中的有：清华大学、浙江大学、山东大学、深圳大学、大连铁道学院、温州大学、南京理工大学、成都电子科技大学、吉林工学院、西南科技大学等。3 VRML 的特点、关键技术及实现过程3.1 VRML 技术特点6VRML 具有以下特点，使其在需要进行实时三维交互的领域有广阔的用途。（1）平台独立性。当今的 Internet 是异构型网络，各个厂家的各个机器都连在上面，因此，如果一种语言对各种机器没有统一的运行机制，显然是不适合 Internet 的。VR
14、ML 成功地解决了这个问题，它提出了一种新思路，即基于文件的运行机制。用该语言编制的程序不必经过任何的编译、连接等处理，当要显示虚拟场景时，文件从网络实时传输过来，由浏览器对该文件进行分析显示。也就是说只要机器配备了 VRML 浏览器，就可以浏览从网络上传输过来的虚拟场景。（2）低带宽要求。由于 Internet 的负荷很重，因此如何在低带宽情况下很好地工作，成为一个突出的问题。VRML 充分考虑了网络的优化问题：首先在文件格式的设计上，VRML 文件本身是 ASCll 码格式的文本文件，产生的文件只占很小的存储空间，同样一个场景文件的长度远远小于其它格式的文件（如使用 3DMAX 构造的三维
15、场景） ，所以在网络带宽有限的条件下，它更加适合于在计算机网络上进行传播，最后的场景由浏览器来产生，从而把网络的负担转移到机器的本地处理上。其次，一个大的场景被分解为许多文件（可以细到一个物体用一个文件） ，因此，一般来说文件较小，并且可以时实时去取，免去了不必要的网络传输，也使访问的时间减到最少。（3）灵活高效地创建三维场景。VRML 由各种不同类型的节点组成，采用符合规范 VRML 的字符对节点的功能进行描述，然后将这些节点按照特定的场景图层次进行组合，形成 ASCll 文本格式的源文件。因为 VRML 是 WWW 上的模拟，所以 VRML 源文件能被 VRML 浏览器解释执行，从而在浏览
16、器中显示所构造的 3D场景，而用典型的程序语言设计的方法（如 OpenGL）来建立空间则要复杂许多。因此，利用 VRML 的节点描述场景图层次的方法来构造 3D 虚拟空间具有灵活高效的特性。（4）基于事件的交互。VRML 允许用户的行为能够实时作用于场景，用户不仅可以在场景中随意漫步，还可以随时启动一个事件，比如：碰到一个物体，发出巨大的碰撞声；遇到一个门，亲自把它打开；旋转灯钮来控制灯光的亮度等等。这种人机交互是建立在事件的基础上的。它还支持多媒体，包括 3D 声音和各种格式的音频、视频以及动画等。7（5）结构化。VRML 的元素具有良好的界面和描述简单的语法。（6）可重组。用 VRML 生成的图形元素可被重复使用。（7）易扩展。VRML 不仅为 JavaScript、Java 等语言提供了调用的接口，还可以让开发者定义自已的节点类型，为实现复杂多交互性的虚拟现实系统奠定了基础。3.2 关键技术应用虚拟现实技术关键在于软硬件开发工具的选取；实体建模；
