配电培训仿真系统的场景构建及设备展示研究硕士学位.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流配电培训仿真系统的场景构建及设备展示研究硕士学位密 级 编 号武 汉 大 学硕 士 学 位 论 文配电培训仿真系统的场景构建及设备展示研究研究生姓名：学号：指导教师姓名、职称：学科、专业名称：设计艺术学研究方向：产品设计及设计管理Analysis on the Scene Modeling and Device Display of Power-distribution Training Simulation SystemApril，2009学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中

2、特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权XXXX大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日.精品文

3、档.分类号 摘 要在系统研究虚拟现实技术的基本理论和核心技术的基础上，就虚拟仿真系统中重要而不可或缺的组成部分虚拟环境漫游及产品展示做了深入细致的研究与探讨。以城市配电培训仿真系统设计项目为例，论述了场景建模和设备展示的设计方法及建模所采用的关键技术。并利用多媒体技术作为辅助手段，将培训仿真系统增添真实感和沉浸感，营造出一个富有设计艺术感染力的虚拟交互环境。通过这个系统，有计划，有目的，合逻辑地将展示的内容展现给操作者，达到培训效果。第一部分，本部分论述了虚拟现实技术的理论依据，在现有理论基础上对虚拟现实技术运用到仿真系统中作了进一步阐述，以及虚拟仿真系统的设计方法，包括把工业设计运用到虚拟仿

4、真系统中。第二部分，在第一部分的理论基础上进行整合和深化，分析了虚拟城市配电培训仿真系统的开发方法。以武汉市阅马场的环境概貌和配电设备的地理位置为依据，利用二维Photoshop技术及三维3DStudio MAX技术进行虚拟场景和配电设备的建模及贴图，完成虚拟环境的展示和产品动画的制作。第三部分，根据配电培训仿真系统的特点，针对该系统在应用领域上的限制，在虚拟场景漫游和设备展示过程中，通过视频动画、旁白、音乐对虚拟仿真系统做了补充，并对方案实现过程中的关键技术进行了阐述。两种技术结合的仿真系统在适用领域上具有互补性，实现了让系统更具真实性、交互性、易用性等特点。第四部分，详细论述虚拟展示的艺术

5、表现语言，在阐述过程中结合实际项目，通过分析虚拟场景及产品展示设计的审美体验，试图探询虚拟仿真系统设计是虚拟现实技术与设计艺术相结合的产物。第五部分，结论和展望。对配电培训仿真系统的场景创建及设备展示进行总结，并指出有待深化研究的问题。关键词: 虚拟现实 配电仿真系统 场景建模 设备展示 ABSTRACTThis paper is based on a systematic study of basic theory and core technology concerning virtual reality technology, which shows in-depth and detai

6、led study and discussion to virtual environment roaming and product display, as an indispensable part of virtual simulation system. Taking urban design projects, it discusses design methods of the scene modeling and device display, the key technologies of modeling. And use multimedia technology as a

7、 supplementary means give a sense of realism and immersion into training simulation system, to create virtual interactive environment full of artistic appeal. Through this system, way to it displays the content to the operator to achieve the training effect designedly in a purposefully logical way.P

8、art I is the theory of virtual reality technology. Basing on the existing theory, use of virtual reality technology into the simulation system has been further elaborated, as well as the design method of virtual simulation system, including the use of industrial design to the virtual simulation syst

9、em. Part II analyses the development methodology of virtual training simulation system for urban distribution integrated and deepened under the base of the theory in chapter I. Virtual scene modeling and product display design is processed accordance with environment and geographical location of Wuh

10、an Yuemachang, which uses Photoshop techniques and 3DStudio MAX three-dimension technology to virtual scene modeling and mapping the distribution of equipment. Complete virtual environment display and product animation production.Part III describes the key technologies in the process of programs rea

11、lization, according to the characteristics and constraints of training simulation system. And it does a supplementary by the virtue of video animation, narration, music in the process of virtual situational roaming and device display. Combination of two technologies in the application of simulation

12、system is complementary, which makes sure that the system has more authenticity, interactivity, practicability.Part IIII is the artistic expression language of the virtual display. In the light of the actual course of the project, the author tries to explore the fact that virtual simulation system d

13、esign is product of virtual reality technology and arts, by analyzing the virtual scene and product display design aesthetic experience.Part V is conclusions and outlook, to which sum up the power-Distribution Simulation System, and pointed out that the issues to be deeply studied.Keywords: Virtual

14、Reality, power-Distribution Simulation System, Scene modeling, Equipment display.目 录摘 要IABSTRACTII1.绪论11.1课题研究背景来源及意义11.2国内外的研究现状21.3课题研究的主要内容及创新点41.3.1研究内容41.3.2研究创新点51.4课题研究方法52.配电培训仿真系统开发的理论依据72.1虚拟现实技术概述72.1.1虚拟现实技术的定义72.1.2虚拟现实技术的特征分类72.1.3虚拟现实技术的应用及发展82.2基于虚拟现实的仿真系统设计102.2.1仿真系统理论102.2.2虚拟现实技术

15、在仿真系统中的应用102.2.3虚拟现实在仿真系统开发的先进性分析112.2.4基于虚拟现实技术的仿真系统设计的应用意义132.3虚拟仿真系统技术与工业设计的相互作用142.3.1虚拟现实技术中工业设计的应用142.3.2虚拟仿真系统应用在工业产品中的研究意义152.4基于虚拟现实的仿真系统与设计艺术152.5本章小结163.配电培训仿真系统的场景和设备构建研究173.1城市配电培训仿真系统创建的应用分析173.1.1地理环境和适用人群分析173.1.2需求分析173.1.3功能分析183.2场景和产品创建的资料收集和整理183.2.1场景和设备资料来源183.2.2纹理贴图素材的收集和分析2

16、23.3虚拟场景及设备建模的说明243.3.1基于真实的场景及设备创建过程243.3.2软件工具的选择243.3.33DMAX建模的优越性253.4配电培训方针系统场景和设备的构建原则263.5场景和产品建模中的注意事项273.6本章小结274.配电培训仿真系统场景展示及设备制作的实践294.1配电培训仿真系统场景和设备建模的数据获取294.1.1原始资料294.1.2贴图资料324.23D模型导出规则334.3三维实体建模环节344.3.1地形、地貌的建模344.3.2建筑体和设备的建模354.3.3环境小品的建模404.43ds max UVW贴图的运用404.4.1UVW贴图的注意事项4

17、04.4.2场景及设备模型的UVW贴图制作过程424.4.3材质贴图的完成514.5配电设备的3D动画制作524.5.1设备动画制作流程524.5.23DMAX制作动画的格式输出534.6虚拟场景的合成与展示534.7本章小结575.多媒体技术在配电培训设备展示的设计实践585.1配电培训设备展示的整体把握585.1.1设备展示的制作流程585.1.2制作中所运用的技术软件595.2配电设备展示的设计思路605.2.1设备演示动画的主题分析605.2.2设备展示的轴线分析615.3运用多媒体技术进行配电设备展示615.3.1数字合成技术运用方法615.3.2后期特效的运用方法655.3.3二维

18、动画和三维动画在设备培训展示中的应用665.4配电设备展示培训动画的画面制作分析675.4.1.设备展示动画制作的规范与说明675.4.2.设备展示的画面内容把握675.4.3.设备展示的画面色调分析695.5配电设备展示培训动画的声音制作705.5.1配电设备展示中声音的作用705.5.2配电设备展示中声音的运用715.6设备培训展示制作的注意事项725.6.1视频演示动画制作前期725.6.2视频演示动画制作中期725.6.3视频演示动画制作后期735.7本章小结746.基于项目设计实践的艺术审美及创新分析756.1虚拟现实环境中的审美体验756.1.1.虚拟现实环境中的审美756.1.2

19、.虚拟现实与艺术的共通756.1.3.技术直接介入设计艺术766.2项目实践中的设计艺术分析766.2.1基于项目设计制作过程的分析766.2.2基于配电培训仿真系统特点的分析776.3配电培训方针系统设备动态展示的设计艺术表现786.3.1产品展示的概念及表现语言786.3.2产品的动态虚拟展示的表现语言786.3.3配电仿真系统中设备展示的艺术分析796.4基于项目经验的创新理念分析816.4.1数字化工业设计应用于配电培训方针系统816.4.2产品展示设计在虚拟现实技术中的创新816.5本章小结827.结论与展望837.1本文的主要研究成果837.2本文所涉及的局限性与及延伸的思考837

20、.3本文的发展方向及对虚拟现实设计的一些构想84参考文献86致 谢89附录190附录2911.绪论 虚拟现实是随着科学和技术的进步，军事和经济的发展而兴起的一门由多学科支撑的新技术，它可以很好地面对市场全球化的要求，并且有助于人们更好地去解决资源问题、环境问题与需求多样性问题。虚拟现实技术的模拟在仿真系统中取得了很大的进步。这些图像和计算机辅助设计的画面对获取清晰的视觉效果非常有益，并能帮助对零部件进行快速整合。虚拟仿真系统是基于虚拟现实技术由实体的展览过渡到实体与虚拟共同展示的阶段。在虚拟现实技术开始逐渐发展的背景下，如何将反映现实世界的信息以更加直观形象的方式重现，正是虚拟现实技术和可视化

21、仿真技术研究的目的所在。本文从一个带有创新意识的课题基于虚拟现实技术的城市配电仿真培训系统的设计研究中，抽离出其中最重要的一部分，即虚拟场景漫游及设备的三维展示相结合的设计，研究如何更好的建立一个虚拟的配电培训仿真系统。1.1 课题研究背景来源及意义伴随着科学的不断发展,各种新技术层出不穷,而各个学科相互融合发展，又产生了许多新的学科技术，每一次新科技的出现，都会给产品设计的途径、方式带来新的发展和变化。虚拟现实技术(Virtual Reality, VR)是利用计算机建立的人工媒体空间，它是虚拟的，但是又具有真是感，通过多媒体传感交互设备使人进入一种虚拟环境，产生身临其境的感觉。这种虚拟环境

22、是通过计算机生成的一种环境，它可以使真实世界的模拟体现，也可以是构想中的世界。 周炎勋.虚拟现实技术综述.计算机仿真, COMPUTER SIMULATION, 北京：清华大学. 1996年01期. 它是计算机发展到21世纪技术与艺术的完美结合。 郭根生. 走进虚拟现实J. 多媒体世界, M world,北京:清华大学. 2000年. 第12期.虚拟技术应用到工业设计中，更会体现出它的很多优势，给设计业带来全新的理念和方式。城市配电培训仿真系统的项目来源于导师的研究项目，主要是和电气学院的小组一起为湖北省电力局关于国家电网配电培训教学软件系统的开发。仿真系统开发的场景创建主要以武汉市阅马场周围

23、的环境和建筑为主，介绍和展示了其中的配电设备，希望借助虚拟现实的技术，以场景漫游和产品展示的方式对培训人员进行教学。配电培训仿真系统的设计开发是提高操作人员素质,保证配电仿真系统安全、有效运行的重要手段之一。将虚拟现实技术引入电力系统的培训系统,能给培训系统增添真实感和沉浸感。虚拟现实技术结合了计算机图形学、多媒体技术、人机交互技术等,是仿真技术的高级发展和突破。虚拟现实仿真系统具有更多、更自然的交互方式，从某种意义上说，虚拟现实仿真系统的目标就是把设计人员从键盘和鼠标上解脱下来，使其在多维的信息环境中进行自然的交互，实现从定性和定量综合集成环境中得到感性和理性的认识，从而帮助深化概念和萌发新

24、意。目前对于虚拟现实仿真系统交互技术的研究集中于三个方面:触觉、视觉和听觉。通过研究证明：把虚拟现实技术应用到仿真系统中,可以和设计对象进行更自然、更直观的交互。这样的系统展示更便于操作，也适合于具有不同专业背景的技术人员参与设计。 周洪玉, 王慧君, 周岩. 虚拟现实及应用的研究 J. 哈尔滨:哈尔滨理工大学学报, 2000,(4):49-51.21世纪以来，随着电子、信息等高新技术的不断发展，随着市场需求个性化与多样化，未来先进技术发展的总趋势逐步向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集成化、全球化的方向发展。虚拟现实仿真系统的设计也需要在传统的设计基础上，向多学科融合的方面进

25、行发展。工业设计是制造业的灵魂，统观当前先进制造技术的发展趋势，可以全面预测出，把工业设计应用于虚拟仿真系统是一个具有创新性理念也是未来必经的一个发展方向。 魏国前, 范勤. 虚拟现实及其在机械工程的应用 J .计算机应用, 1999, (8):35-36.1.2 国内外的研究现状虚拟现实仿真系统在现实中的应用有很多的方面,正由于其具有以上的优点而被越来越多的人关注。 曾芬芳主编. 虚拟现实技术. 上海交通大学出版社, 1997年 第一版. 虚拟现实技术近年来在美、英、日等发达国家得到了迅速发展、并已显示出广阔的应用前景。 美国是虚拟现实技术的发源地。美国虚拟现实技术的研究水平基本上代表了国际

26、VR发展的水平。美国在该领域的基础研究主要集中在感知、一用户界面、后台软件和硬件四个方面 陈定方等著, 虚拟设计, 北京, 机械工业出版社, 2002.10.。美国宇航局的Ames实验室完善了HMD，并将VPL的数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品。美国宇航局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已经建立了航空、卫星维护VR训练系统、空间站VR训练系统，并且己经建立了可供全国使用的VR教育系统。麻省理工学院在1985年成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究，此外，还进行“路径规划”和“运动计划”等研究。北卡罗来纳大学的计算机系是进行VR研究最早、最著名的大学。他们研究

27、分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。他们在显示技术上开发了一个帮助用户在复杂视景中建立实时动态显示的并行处理系统，叫做象素飞机(Pixel Planes)。华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面实验室在新概念研究中处于领先地位，同时也在进行感知、知觉、认知和运动控制能力的研究。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。 赵沁平.怀进鹏.李波.沈旭昆. 虚拟现实研究概况.计算机研究与发展, JOURNAL OF COMPUTER RESEARCH AND DEVELOPMENT,北京:清华大学.1996年 07期1990年以后，欧洲关于VR的研究进入了积极而又切实的发

28、展阶段。1993年报导的VR市场排名榜列出了1。个从事VR研究开发的中心，其中英国有5个，苏格兰2个，法国、德国和瑞典各1个，这些中心的VR产品是以商品化娱乐为主。当然，从事VR基础研究的团体远远多于这个数量。VR在英国VR开发的某些方面，特别是在分布并行处理、辅助设备的设计和应用研究方面，英国在欧洲乃至世界上都是领先的，至上世纪末为止，英国己经有从事VR研究的六个主要中心。在东亚地区的虚拟现实技术的研究与开发中日本是居领先的国家之一，她主要致力于建立大规模VR知识库。韩国高级科学与技术研究院和新加坡国立大学也开展了VR研究工作。在我国，对VR技术的研究和发达国家相比，还是有一定的差距的，海尔

29、以完善的电子商务模式极大地促进了产品的销售 海尔商城. ，但它们也都停留在图片浏览的程度上，离完全实现网络三维数字化展示还有一段距离。国内的一些重点院校，紧跟国际新技术，已经积极投入到VR领域的研究中。 张树生 杨茂奎 朱名锉著. 虚拟制造技术, 西安:西北工业大学出版社.2006年版. P529.北京航天航空大学在虚拟现实中的视觉接口方面开发了部分硬件，并提出了相关算法及实现方式，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，他们的管理系统仿真实验室利用虚拟现实建模语言VRML提出了可在PC机上运行虚拟现实仿真系统的构想，并实现单服务台排队系统的虚拟现实仿真。浙江大学的CAD&C

30、G国家重点实验室在基于图像的虚拟现实、分布式虚拟环境的建立、多细节层次模型、真实感三维重建、基于几何和图像的混合式图形实时绘制算法等领域开展了深入的研究，在国内外产生了广泛的影响。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，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。 黄铁军，柳健虚拟现实导引.计算机世界，1997，no.34，P23-26.目前，在一些行业如家电、轻工业产品和医疗设备领域，三维数字化产品虚拟展示已初步得到应用，其中的一个重要特点就是，基于用户需求，以三维

31、实体形式构建产品模型，并将三维的(包括结构和性能特点)设计信息及时展现给客户，让用户尽早了解产品的特点、性能等因素。这里的产品信息主要包括两部分：一是三维模型信息，包括产品的外观、色彩、结构、材质等三维模型信息；二是动态运行信息，包括在运行过程中所传达出来的特征及运行状态等。而虚拟现实技术的发展，使得虚拟三维产品展示必将在更多的工业领域(如汽车)和服务领域(如房地产)得到应用。1.3 课题研究的主要内容及创新点1.3.1 研究内容本课题以城市配电培训仿真系统开发项目为例, 介绍了虚拟环境的创建和配电设备的展示，它们是配电培训仿真系统开发中的核心内容。1.3.1.1 虚拟场景对地理环境的模拟是大

32、部分仿真系统都必须面对的一个难题，地形仿真的特点在于数据量大、构造方法复杂，对大数据量的地形在模型生成、导人和绘制各方面进行有效地管理是减少仿真系统的传输与计算负载的最直接途径。地形实体是三维的，但目前人们对地形的模拟要求仅限于一个二维平面(屏幕)上获得地形的图像，因而目前的数字地形一般都是根据地形表面的特征，从中抽取一些必要数据，构造出一系列的几何图元(如曲面、平面等)来表示地形。环境建模的目的是获取实际三维环境，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立想用的虚拟环境模型。虚拟场景的创建，能生动得展示现实环境中的概况，能让使用者更好的纳入虚拟的世界感受真实的操作效果。1.3.1.2 配电设备

33、展示在虚拟产品展示与实物展示相结合的基础上,构建一个与使用者浏览、咨询、学习的平台，提高对产品结构和功能的认知度，帮助使用者更好的学习和领悟。把产品展示应用到虚拟现实仿真系统中，能使仿真系统更符合人性化，体现产品的展示功能，加强使用者与系统的联系与沟通,充分发挥窗口、桥梁的作用。虚拟仿真系统中的产品展示，对于产品的结构、功能和操作方法除提供图片、文字等传统的展示形式,还提供了更多的媒体形式来表现新产品新技术：视频、声音、动画和360360三维产品(可模拟操作)。使用者可以从上下左右任意不同的角度观看产品的结构和功能，“拉近”、“推远”甚至可以模拟操作产品，了解产品的各项功能和操作使用方法。用于

34、培训和展示城市中的配电设备的结构、功能和操作流程，为城市的配电设施提供了一个实用的性能评价模拟仿真系统。对现实设备的虚拟，能增加观众身临其境的感觉和参与性，使产品展示具有很高的真实性，增强展示的说服力，便于信息的传递。虚拟场景和设备的创建主要采用3DMAX进行视觉建模。所以论文主要涉及到场景和配电设备的建模以及模型数据的读取和优化、贴图。另外还涉及到通过模型与多媒体数字技术的融合进行全新的产品展示，给用户以视觉上的创新感受。它可用于电气设备的再创新设计、运行中的性能分析；在各种气候和运行环境下的详细情况；配电设备所处建筑物的初步设计和可行性分析；分析三维空间里配电设备的动态运行特性和舒适性。提

35、出了把虚拟现实技术、多媒体技术综合运用并引入培训系统，避免采用传统的实物演示或者多媒体展示的半实物虚拟仿真的尝试方案，充分发挥现代信息技术的集成性、控制性交互性的特点。1.3.2 研究创新点国内运用虚拟现实技术在仿真系统设计中的制作有很多，比如现在许多游戏的创建，但是城市配电培训仿真系统的设计还很少，并且对此类系统制作的方法和流程涉及到的研究也不多见，本文首先分析了配电培训系统的场景漫游及设备展示的模型创建原则，收集资料和素材，制定模型创建方案，在突出制作特点的同时，发挥自主性，展示配电培训系统中的环境和电气设备的功能特点。同时，研究了在进行配电设备展示的过程中，运用动画和视频技术，通过镜头的

36、语言来展示产品的结构及功能，通过画面，音乐，旁白，汉字等形象思维来代替传统的硬件展示，并通过研究总结出虚拟现实下配电培训仿真系统设计的整体构架，制作步骤以及制作时注意的几个重要问题，选题比较新颖。对于虚拟现实仿真系统的设计大多重点放在对其软件的编程制作，而对于城市配电培训仿真系统设计中的场景漫游和产品展示也是十分重要的，它关系到整个系统的界面操作的易用性，视觉效果和培训的效率。本文通过侧重于对环境漫游于设备展示的设计，运用多媒体技术，通过动画及视频的表现手法对产品内部的各个结构功能有重点、有针对、有秩序地进行建模，编排，录音，剪辑制作，融入到培训仿真系统里，图形并茂地凸视城市配电设备的所在环境

37、及功能操作，有效地提升培训的效率，彰显城市配电系统的特点，让社会不同层面的人士对此系统产生兴趣，更系统的了解到配电设备，从而更好的达到培训的效果。本文不在从编程的角度，而是从新的角度进行虚拟现实仿真系统设计的研究，把多媒体技术和产品设计等运用到其中，这也有助于与其它相关课题的研究。1.4 课题研究方法设计师总是追求新颖,表面上看似乎新颖就是设计存在的价值,尤其是流行性很强的设计更是如此。把设计重点放在虚拟场景漫游及产品展示的创建中，在虚拟现实仿真系统设计的设计方式中让人一目了然,身临其境,其新颖是在其功能性和形式上，技术与艺术的合理性基础上的。 首先是介绍虚拟现实仿真系统设计的应用现状，提出了

38、虚拟环境漫游与设备展示设计的制作；再次是通过进行创建分析，总结出配电培训仿真系统虚拟场景及设备展示设计的创建方法；然后在理论依据的指导下，介绍如何运用3DMAX和多媒体技术进行三维虚拟现实技术的城市配电仿真培训系统场景及设备展示的设计，并在设计实践中从艺术审美角度进行技术与艺术的结合。在数字化时代,绿色设计被认为是可持续发展的有效途径之一,已成为现代设计研究热点和主要内容。 周箭祥，曲战胜.虚拟现实技术仿真研究中应用的探讨.中国航天.1998，no.12.P11-13.虚拟仿真系统的设计更要强调绿色设计,这就需要在做设计时，要解决好仿真系统操作界面的易用性和间接性，尽量减少使用操作的多余和繁琐

39、,考虑仿真系统的使用人群,考虑环境漫游和设备展示的直观性和独特性。现在我们谈到的虚拟现实仿真设计艺术多停留在技术层面上，对数字化设计艺术美学的探讨，国内外的认识都不够，甚至还没有一套完善的研究系统。在本文中就提出在对虚拟现实仿真技术的技术层面的认识的同时，通过对环境建模及设备展示的设计研究，把传统的理论认识提高到设计艺术美学的审美设计层次。2. 配电培训仿真系统开发的理论依据2.1 虚拟现实技术概述2.1.1 虚拟现实技术的定义虚拟现实是1989年由美国的兰尼尔(J. Anier)最早提出的。所谓虚拟现实(virtual Reality, VR)就是采用以计算机技术为核心的现代高技术生成逼真的

40、三维视觉、听觉、触觉一体化的特定范围的虚拟环境(Virtual Environment，VE)。让用户可以从自己的视点出发,利用自然的技能和某些设备对这一虚拟世界客体进行浏览和交互考察。它依托于计算机科学、数学、力学、声学、光学、机械学、生物学乃至美学和社会科学等多种学科，这个定义注重的是逼真的感觉(视觉、听觉、触觉、嗅觉等)、自然的交互(运动、姿势、语言、身体跟踪等)、个人的视点(用户的眼、耳、身所感受到的信息)和迅速的响应(感受到的信息跟随视点的变化和用户的输入即时更新),用户在其中所体验到的是一种浸入式的、多重感官刺激的经验。 胡圣武,潘正风.虚拟现实技术的应用及其需要解决的问题J.矿山

41、测量,2004(1):13-17.虚拟现实技术在最近十年里获得了极大的发展，这主要归因于计算机软、硬件条件的飞速发展，以及虚拟现实专用设备价格的下降和性能的提高。目前，其应用已涉及科研、教育培训、工程设计、商业、军事、医学、影视、艺术和娱乐等众多领域，被专家学者们公认为是21世纪可能促使社会发生巨大变化的几大技术之一。 张暴暴,陈晓川,刘晓冰,冯辛安.虚拟制造技术研究概况综述.机械制造,1998,vol.36,no.12,PP.8-10.虚拟现实技术的广泛应用，不仅体现在诸如NASA的大型工程得到应用，也出现在一些游戏中，在一些高档的PC机上甚至可以构建自己的个人PCVRS（个人虚拟现实系统）

42、。它利用计算机建立的人工媒体空间，它是虚拟的，但又具有真实感，通过多媒体传感交互设备是人进入一种虚拟的环境，产生身临其境的感觉。这种虚拟环境是通过计算机生成的一种环境，它可以是真实世界的模拟体现，也可以是构想中的世界。2.1.2 虚拟现实技术的特征分类虚拟现实技术是人的想象力和电子学相结合而产生的一项综合技术,是一种高度逼真地模拟人在自然环境中的视听动等行为的人机界面技术,它利用多媒体计算机仿真技术构成一种特殊的环境,用户可以通过各种传感系统与这种环境进行自然交互。利用虚拟现实技术，计算机可以产生一个三维的虚拟环境，通过人的视觉、听觉、触觉等作用于人，使人产生身临其境的感觉。概括而言，虚拟现实

43、技术具有下列4个特征: 邓岳辉,杨以涵,等.虚拟现实技术.电力情报.1997(4):79.(1) 沉浸感。沉浸感是指参与者在虚拟环境中身临其境的真实感觉。以往用户只能在计算机外部去观测计算机处理结果，VR则能使人沉浸到计算机所创建的虚拟环境中。(2) 多感知性。理想的VR技术应具有和人一样的多种感知功能，如视觉、听觉、力觉、触觉、味觉以及冷热感等。目前VR尚未达到完善的程度，只具有视觉和听觉感知功能。(3) 交互性。交互性是指人对虚拟环境内物体的可操作性和从虚拟环境中得到实时反馈的自然程度。例如，当人在虚拟环境中移动一个虚拟物体时，尽管手中并没有实体，但VR能使人立刻感觉到物体的重量，且能使虚

44、拟物体随人手的移动而移动。(4) 自主性。自主性是指虚拟环境中的物体遵循客观规律的性能。例如，当受到力的推动时，物体会朝力的方向移动、翻倒、或从桌面落到地面等。也就是说，VR生成的虚拟环境虽然并不存在，但从VR中获得的知识是有用的。2.1.3 虚拟现实技术的应用及发展虚拟技术产生于20世纪40年代，到90年代才逐步发展完善起来,现在已经应用到了制造、军工、医学、航天、建筑等很多领域,并且都取得了很大的成功。 胡忠东,樊爱华.虚拟现实工具.计算机仿真.1997,14 (3):6164.目前虚拟现实技术在很多领域中的应用己相当成熟。下面，从几个方面略加介绍。2.1.3.1企业生产方面的应用(1)

45、虚拟生产原型。虚拟生产原型法已在国外广泛应用，通过建模和模拟的方法，使方案论证、设计、研制、生产、使用和维护等等，几乎都可以在人工合成的环境中进行模拟。它可以减少样机生产数目，缩短设计周期，获得性能更好的产品，降低成本，提高产品的市场竞争能力。例如，汽车生产采用虚拟生产原型法，可根据计算机辅助工程收集的数据进行仿真零件装配，而不需制造真实的零件进行装配;如果装配有问题，修改零件数据后再进行虚拟装配，可节省财力、物力和时间。(2) 产品设计。为了满足用户多样化的需求，最好的办法是用户参与设计。但许多用户不懂设计，也看不懂图纸，VR则给用户提供了参与设计的机会。以建筑设计为例，采用VR技术预先生产

46、出虚拟建筑原型，再让用户戴上头盔式显示器和指点装置进入虚拟建筑物，便可从不同角度观看室内空间结构、采光状况、室内装饰等等。用户提出意见，经修改后又可得到新的虚拟建筑原型，直到用户满意为止。(3) 培训工作人员。最近，美国Sun微系统公司实现了可以进行车削加工的虚拟车床系统，只须使用三维鼠标、头盔式跟踪器以及液晶立体显示器，就可用来培训车工。 http:/www.sinaeomen2000/11/0516:49新华网(4) 产品促销。VR在商品促销中有很大的应用潜力。IBM公司为福特公司设计了一种“虚拟现实经验系统”，让用户在新型福特汽车中进行虚拟驾驶，对促销车辆、活跃市场起到了很好的作用。 (

47、5) 沉浸式设计环境。虚拟环境与设计互连,通过建立三维数字模型,设计者使用虚拟现实装备在虚拟环境中直接指导操纵模型。在产品开发的各个阶段,对虚拟产品原形的结构、功能、性能、加工工艺、装配、生产组织等各个方面进行虚拟环境下的仿真,从而保证设计的可靠、高效。(6) 虚拟装配。产品往往不是单一的零件,多零件产品的装配干涉是常见错误。传统的设计方法,这一错误要到产品最后装配时才能发现。应用虚拟设计,则可以及早发现干涉甚至完全避免干涉的发生。通过装配模拟软件,设计人员可以对虚拟原型进行试验,分析应力和变形等。若设计不符合标准,可以方便地更改模型,并重新生成模型。2.1.3.2 科研教育等领域的应用VR技术用于科研，其核心是建立数学模型和科学可视化技术。科学可视化技术将来自数据源的大量数据，按照数据模型转换成容易理解的三维图像，