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1、- 1 -虚拟现实技术概述及其工业设计应用摘 要 虚拟现实(Virtual Reality，简称 VR)技术与多媒体、网络技术并称为三大前景最好的计算机技术，是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术以及仿真技术等多种技术而发展起来的综合性技术。VR 技术是经济和社会生产力发展需求的产物，有着广阔的应用前景。为了把握 VR 技术优势，美、英、日等国政府及大公司不惜巨资在该领域进行研发，并显示出良好的应用前景。关键词 虚拟现实 关键技术 最新进展 工业设计应用一、 虚拟现实的概念、特征及应用领域概念虚拟现实这一名词是由美国 VPL Research 公
2、司创始人之一 Jaron Lanier 于 20 世纪 80 年代提出来的，这是他在计算机上建造这类环境时领悟并创造出的一个名词。这一名词日渐流行并被学术界所接受，现已代替其他名词。如人工现实（Artificial Reality）等。Virtual Reality 直译为虚拟现实，其真实含义是：把客观世界中的某一局部用电子的方式模拟出来，并且能够让你进入这个局部世界，犹如身临其境；而且这种身临其境不是静态的，当你在该局部世界活动时，你会感到“境”的相应变化。例如：进入一个模拟的机场时，你会看到一排排停着的飞机和正在准备起飞的飞机；走近这些飞机时，你会看到这些飞机的体形会变大，甚至看出准备起飞
3、的飞机机舱内驾驶员的面容，同时听到正要起飞的飞机发动机的声音，如同真实情况一样。虚拟现实（Virtual Reality）一词中同时包含“虚拟（Virtual） ”和“现实（Reality） ”两个相反的部分， “虚拟（Virtual ） ”两字说明利用 VR 技术所产生的局部世界并不是真实的，而是人造的、虚构的。 “现实（Reality） ”两字说明这一局部世界虽然是人造的，但对于进入这一局部世界的人来说在感觉上如同进入真实世界图 1 虚拟现实技术- 2 -一样，这种感觉可以包括视觉、听觉和触觉等。虚拟现实技术是一种模拟人在自然环境中的视觉、听觉和触觉等行为的高度逼真的人机交互技术，是利用人
4、类感知能力和操作能力的新方法。它是计算机从一种只用键盘、鼠标进行操作的设备变成了人处于计算机生成的环境中，通过感官、语言、手势等比较“自然”的方式进行“交互、对话”的系统和环境、即虚拟现实环境。操作者可以在其中“自由地”运动，随意观察周围的景物，并可与虚拟物体进行交互操作，操作者看到的是逼真的三维立体景象，听到的是虚拟环境中的音响，手（或脚）可以感受到的是虚拟环境反馈给他的作用力，这是一种“完全的”身临其境的感觉。基本特征VR 有两个主要特征：“沉浸感（Immersion） ”和“交互性（Interaction） ”。VR 的“ 沉浸感”是指计算机所建立的三维虚拟环境能使操作者得到关于该环境的
5、全身心的体验；VR 的“ 交互性”是指操作者能通过其自身的自然技能通过专用的传感设备实现对虚拟环境中实体的考察并实施相应的操作。应用领域及前景虚拟现实技术在当今社会生活及科学研究的各个方面都有着广泛的应用，在以下几个方面尤为突出：工程领域、艺术与娱乐领域、科学领域、虚拟训练方面等等。目前仍有许多领域有待或正在开发，如造型术、神经病学、教学、戏曲、人工智能、机器人学、仿真模拟、艺术设计、时装、信息检索、博物馆及销售。在短短的时间内，虚拟现实已经失去了面向问题的技术形象，正在应用于人类探索的各个领域，虚拟现实技术的成功与否除临场感、浸入、空间感和交互方式外，与系统的可靠性、易使用性、费用、实际的副
6、作用以及效率有重大关系，这些方面的改进都将促进虚拟现实技术的进一步发展。图 2 虚拟现实技术交互性- 3 -二、 虚拟现实涉及的关键技术总结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。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
7、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。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。触觉反馈技术在虚拟现实系统中让用户能够直接操作虚拟物体并感觉到虚拟物体的反作用力，从而产生身临其境的感觉。图 3 “阿凡达”中的立体显示- 4 -交互技术虚拟现实中的人机交互远远超出了键盘和鼠标的传统模式，利用数字头盔、数字手套等复杂的传感器设备，三维交互技
8、术与语音识别、语音输入技术成为重要的人机交互手段。系统集成技术由于虚拟现实系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术为重中之重：包括信息同步技术、模型标定技术、数据转换技术、识别和合成技术等等。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。三、 国内外虚拟现实研究的最新进展我国的虚拟现实技术发展状况及最新进展我国 VR 技术研究起步较晚,与国外发达国家还有一定的差距,但现在已引起国家有关部门和科
9、学家们的高度重视,并根据我国的国情,制定了开展 VR 技术的研究计划。九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把 VR 列入了研究项目。国内一些重点院校,已积极投入到了这一领域的研究工作。北京航空航天大学计算机系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部分硬件,并提出有关算法及实现方法，实现了分布式虚拟环境网络设计,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、虚拟现实应用系统的开发平台等。浙江大学图 4 纪录片-圆明园- 5 -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,还研制出了
10、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。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。西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术 mm立体显示技术进行了研究,提出了一种基于 JPEG 标准压缩编码新方案,获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度。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算机动画技术制作的科教片相似就出自该中心。我们有理由相信，在国家的重视和大力支持下，在科技工作者及众多科研团体的努力下，我国
11、的虚拟现实技术将在不远的将来取得重大突破。美国的虚拟现实技术发展状况及最新进展美国作为 VR 技术的发源地,其研究水平基本上就代表国际 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。美国宇航局(NASA)的 Ames 实验室研究主要集中在以下方面:将数据手套工程化,使其成为可用性较高的产品。在约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真。大量运用了面向座舱的飞行模拟技术。对哈勃太空望远镜的仿真。现在正致力于一个叫“虚拟行星探索”(VPE)的试验计划。现在 NASA己经建立了航空、卫星维护 VR 训练系统,空间站 VR 训练系统,并且已经建立了可供全国使
12、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。Loma lAnda 大学医学中心的 David Warner 博士和他的研究小组成功地将计算机图形及VR 的设备用于探讨与神经疾病相关的问题,首创了 VR 儿科治疗法。麻省理工学院(MIT )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 M1T 成立了媒体实验室, 进行虚拟环境的正规研究。华盛图 5 军事训练- 6 -顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室(1ilT lab),将 VR 研究引入了教
13、育、设计、娱乐和制造领域。英国的虚拟现实技术发展状况及最新进展在 VR 开发的某些方面,特别是在分布并行处理、辅助设备 (包括触觉反馈)设计和应用研究方面,英国是领先的,尤其是在欧洲。英国主要有四个从事 VR 技术研究的中心:Windustries (工业集团公司),是国际 VR 界的著名开发机构,在工业设计和可视化等重要领域占有一席之地。British Aerospace 正在利用 VR 技术设计高级战斗机座舱。Dimension International ，是桌面 VR 的先驱，该公司生产了一系列的商业 VR 软件包,都命名为 Superscape Divison LTD 公司在开发 V
14、ISION、Pro Vision 和 sumpervision 系统/模块化高速图形引擎中,率先使用了 Tmnsputer 和 i860技术。日本的虚拟现实技术发展状况及最新进展日本主要致力于建立大规模 VR 知识库的研究,在虚拟现实的游戏方面的研究也处于领先地位。京都的先进电子通信研究所(ATR)正在开发一套系统,它能用图像处理来识别手势和面部表情,并把它们作为系统输入。富士通实验室有限公司正在研究虚拟生物与 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。日本奈良尖端技术研究生院大学教授千原国宏领
15、导的研究小组于 2004年开发出一种嗅觉模拟器,只要把虚拟空间里的水果拉到鼻尖上一闻,装置就会在鼻尖处放出水果的香味,这是虚拟现实技术在嗅觉研究领域的一项突破。四、 工业设计专业中虚拟现实技术的应用及发展前景进入新世纪以来，随着计算机图像学，人工智能、计算机网络、信息处理、机械设计和制造等技术的高速发展，虚拟现实技术在工业实际中的应用越来越多，已经成为工业设计各个阶段不可缺少的工具。虚拟现实技术的广范应用是现代工业设计走向更全面的数字化，是设计部门与企业管理、工程设计市场营销等产品开发的主要部门之间的交流变得更加容易，不仅大大缩短了企业产品开发的时间，而且也为其产品的宣传、销售赢得了先机，为企
16、业在竞争中取胜添加了筹码，加快了企业发展的步伐。- 7 -虚拟现实技术在使用者需求分析中的应用在工业设计领域，设计的本质是要满足用户的根本需求。德国著名工业设计师 Joh Rame 说设计者应该静下心来去除心中的满足感，去探寻使用者的最基本需求是什么。通过结合虚拟现实技术的Web 页面进行市场调查，可以激发被访问者的兴趣，所得到的信息更丰富、更准确，并且有针对性，这样在产品设计之前可以真正了解市场的需求情况。同时，可以利用给予Web 的虚拟设计环境把产品的特点和功能尽可能展示给用户，并通过用户的反馈信息获得的个性化需求信息，这有助于设计出符合大批量定制原则的合理的产品结构。也有助于用于能够根据自身需求对产品的发展方向作以指导。虚拟现实技术在工业概念设计中的应用工业设计者在设计过程中很重要的一个过程就是要把自己的想法付诸实际，通过手绘、三维建模等手段来表现出产品的实际形态及效果，而平面的手绘设计再精细突出也改变不了平面的局限，三维模型也难以与使用者有互动，虚拟现实技术的突出优势便显现出来。概念设计中运用虚拟现实技术，可以
