虚拟现实理论与技术2849391.docx

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1、【摘要】 ：21世纪的人类社会是信息化社会，以信息技术为主要标志的高新技术产业在整个经济中的比重不断增加，多媒体技术及产品是计算机产业发展的活跃领域。虚拟现实理论与技术的应用，使设计思路和设计表达如虎添翼。它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理论技术，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。与传统开发设计的产品相比，大大减少了投放市场的风险性，也为企业决策人寻找商机、判断概念产品能否进一步开发生产，提供更好的依据，也为人类的生活和工作提供全新的信息服务。本文将从虚拟现实定义及原理、特征、应用、未来发展方向及

2、研究重点方面介绍虚拟现实理论与技术。【关键词】 ：虚拟现实 理论 技术 研究状况 发展方向【Abstraact】 ：Moduular fixtuure confiigurattion desiggn is a compllicateed task requiiring stronng profeessionnal backggroundd and practtical experriencee. Howevver, autommated or semi-autommated compuuter aidedd modullar fixtuure systeems basedd on CAD pa

3、ckaages stilll are not well acceppted by the manuffacturring indusstry due to the lack of intuiitive interractioon and immeddiate feedbback compaared with tradiitionaal modells such as paperr and physiical modells. In this paperr, a novell Virtuual Realiity-baased systeem for interractivve modullar

4、fixtuure confiigurattion desiggn is preseented. We use a multii-vieww basedd modullar fixtuure assemmbly modell to assisst inforrmatioon repreesentaation and managgementt. In addittion, the suggeested strattegy is compaatiblee with the princcipless of virtuual envirronmennt and it is easy to reutiil

5、ize the elemeent modell. Basedd on geomeetric consttraintts, we propoose a preciise 3Dmannipulaation approoach to improove intuiitive interractioon and accurrate 3Dpossitionning of fixtuure compoonentss in virtuual spacee. Thus, the modullar fixtuure confiigurattion desiggn task can preciisely be pe

6、rfoormed in virtuual spacee.【1】【Key woords】 ：virtuual reealityy, thheory, tecchnoloogy, reseaarch sstatuss，deveelopmeent diirectiion.目录第一章 ：虚拟拟现实理论与与技术31.1、虚拟现现实的定义及及原理31.2、虚拟现现实特征41.2.1、多多感知性(MMulti-Sensoory)41.2.2、浸浸没感(Immmersiion)41.2.3、交交互性(Innteracctivitty)41.2.4、构构想性(Immaginaation)41.3、虚拟现现实的发

7、展历历程51.4、国内外外虚拟现实的的研究现状71.4.1、虚虚拟现实技术术在美国的研研究现状71.4.2、虚虚拟现实技术术在欧洲的研研究现状81.4.3、虚虚拟现实技术术在日本的研研究现状91.4.4、国国内虚拟现实实技术研究现现状9第二章：虚拟现现实理论与技技术应用举例例102.1、虚拟现现实技术在美美军模拟训练练中的应用现现状及发展102.1.1、构构建虚拟战场场环境102.1.2、进进行单兵模拟拟训练102.1.3、通通过网络进行行异地同环境境作战训练112.1.4、进进行军事指挥挥人员训练122.1.5、提提高指挥决策策能力132.1.6、缩缩短武器装备备的研制周期期132.1.7、

8、信信息网络虚拟拟战142.2、虚拟现现实技术在化化学教学中的的应用现状分分析142.2.1、CChemLaab142.2.2、IIrYdiuum Cheemistrry Labb152.2.3、浙浙江大学有机机化学虚拟实实验室162.2.4、金金华科仿真化化学实验室172.2.5、东东师理想初中中化学虚拟仿仿真实验室软软件172.3、虚拟现现实技术在机机械设计与制制造中应用182.3.1、虚虚拟产品概念念设计182.3.2、虚虚拟设计192.3.3、虚虚拟制造19第三章 ：虚拟拟现实理论与与技术的发展展方向及研究究重点203.1、虚拟现现实技术的几几个瓶颈问题题203.1.1、虚虚拟环境表示示

9、的准确性203.1.2、虚虚拟环境感知知信息合成的的真实性203.1.3、人人与虚拟环境境交互的自然然性203.1.4、实实时显示问题题203.1.5、图图形生成203.1.6、智智能技术(AArtifiicial Intellligennce，简称称AI)213.2、虚拟现现实技术的未未来发展趋势势213.2.1、动动态环境建模模技术223.2.2、实实时三维图形形生成和显示示技术223.2.3、新新型交互设备备的研制223.2.4、智智能化语音虚虚拟现实建模模223.2.5、分分布式虚拟现现实技术的展展望22第四章 ：个人人感想及总结结234.1、个人感感想234.2、整体总总结24附录一

10、：分工说说明25附录二：参考文文献25第一章 ：虚拟现实理论论与技术1.1、虚拟现现实的定义及及原理虚拟现实，(VVirtuaal Reaality，简简称VR;又译作作灵境、幻真真)是近年来来出现的高新新技术，也称称灵境技术或或人工环境，是是一种可以创创建和体验虚虚拟世界的计计算机系统，它它利用计算机机技术生成一一个逼真的、具具有视、听、触触等多种感知知的虚拟环境境，用户通过过使用各种交交互设备，同同虚拟环境中中的实体相互互作用，使之之产生身临其其境感觉的交交互式视景仿仿真和信息交交流，是一种种先进的数字字化人机接口口技术。虚拟现实是利用用电脑模拟产产生一个三度度空间的虚拟拟世界，提供供使用

11、者关于于视觉、听觉觉、触觉等感感官的模拟，让让使用者如同同身历其境一一般，可以及及时、没有限限制地观察三三度空间内的的事物。VRR是一项综合合集成技术，涉涉及计算机图图形学、人机交互技技术、传感技术、人工智能等领领域，它用计计算机生成逼逼真的三维视视、听、嗅觉觉等感觉，使使人作为参与与者通过适当当装置，自然然地对虚拟世世界进行体验验和交互作用用。使用者进进行位置移动动时，电脑可可以立即进行行复杂的运算算，将精确的的3D世界影影像传回产生生临场感。该该技术集成了了计算机图形形(CG)技技术、计算机机仿真技术、人人工智能、传传感技术、显显示技术、网网络并行处理理等技术的最最新发展成果果，是一种由由

12、计算机技术术辅助生成的的高技术模拟拟系统【2】。概括地说，虚拟拟现实是人们们通过计算机机对复杂数据据进行可视化化操作与交互互的一种全新新方式，与传传统的人机界界面以及流行行的视窗操作作相比，虚拟拟现实在技术术思想上有了了质的飞跃。1.2、虚拟现现实特征1.2.1、多多感知性(MMulti-Sensoory)所谓多感知是指指除了一般计计算机技术所所具有的视觉觉感知之外，还还有听觉感知知、力觉感知知、触觉感知知、运动感知知，甚至包括括味觉感知、嗅嗅觉感知等【33】。理想的的虚拟现实技技术应该具有有一切人所具具有的感知功功能。由于相相关技术，特特别是传感技技术的限制，目目前虚拟现实实技术所具有有的感

13、知功能能仅限于视觉觉、听觉、力力觉、触觉、运运动等几种。 1.2.2、浸浸没感(Immmersiion)又称临场感或存存在感，指用用户感到作为为主角存在于于模拟环境中中的真实程度度。理想的模模拟环境应该该使用户难以以分辨真假，使使用户全身心心地投入到计计算机创建的的三维虚拟环环境中，该环环境中的一切切看上去是真真的，听上去去是真的，动动起来是真的的，甚至闻起起来、尝起来来等一切感觉觉都是真的，如如同在现实世世界中的感觉觉一样。 1.2.3、交交互性(Innteracctivitty)指用户对模拟环环境内物体的的可操作程度度和从环境得得到反馈的自自然程度(包包括实时性)。例如，用用户可以用手手去

14、直接抓取取模拟环境中中虚拟的物体体，这时手有有握着东西的的感觉，并可可以感觉物体体的重量，视视野中被抓的的物体也能立立刻随着手的的移动而移动动。 1.2.4、构构想性(Immaginaation)又称为自主性强调虚拟拟现实技术应应具有广阔的的可想像空间间，可拓宽人人类认知范围围，不仅可再再现真实存在在的环境，也也可以随意构构想客观不存存在的甚至是是不可能发生生的环境。 一般来说，一一个完整的虚虚拟现实系统统由虚拟环境境、以高性能能计算机为核核心的虚拟环环境处理器、以以头盔显示器器为核心的视视觉系统、以以语音识别、声声音合成与声声音定位为核核心的听觉系系统、以方位位跟踪器、数数据手套和数数据衣为

15、主体体的身体方位位姿态跟踪设设备，以及味味觉、嗅觉、触触觉与力觉反反馈系统等功功能单元构成成。1.3、虚拟现现实的发展历历程虚拟技术（以下下简称VR技技术）的发展展大致可分为为三个阶段：20世纪550年代至770年代，是是VR技术的的准备阶段；80年代初初至80年代代中期，是VVR技术系统统化、开始走走出实验室进进入实际应用用的阶段；880年代末至至90年代初初，是VR技技术迅猛发展展的阶段。第一阶段，50070年代代，为虚拟现现实的探索阶阶段【4】。11965年，由由美国的MoortonHHeilegg开发了一个个称做Sennsoramma的摩托车车仿真器，不不仅具有三维维视频及立体体声效果

16、，还还能产生风吹吹的感觉和街街道气味。11968年，美美国计算机科科学家I1EE1Suthherlannd在哈佛大大学组织开发发了第一个计计算机图形驱驱动的头盔显显示器HMDD及头部位跟跟踪系统（如如图1.3aa），成为VVR技术发展展史上的一个个重要里程碑碑，为虚拟现现实的发展奠奠定了基础。图1.3a：头头部位跟踪系系统第二阶段，800年代初至880年代中期期，开始形成成VR技术的的基本概念，开开始由实验进进入实用阶段段，其重要标标志是：19985年在MMichaeelMcGrreevy领领导下完成的的VIEW虚虚拟现实系统统（如图1.3b），装装备了数据手手套和头部跟跟踪器，提供供了手势、

17、语语言等交互手手段，使VIIEW成为名名副其实的虚虚拟现实系统统，成为后来来开发虚拟现现实的体系结结构。其他如如VPL公司司开发了用于于生成虚拟现现实的RB22软件和DaataGloove数据手手套，为虚拟拟现实提供了了开发工具。图1.3b：VVIEW虚拟拟现实系统第三阶段，800年代末至990年代初，为为虚拟现实全全面发展阶段段。虚拟现实实技术已经从从实验室的试试验阶段走向向了市场的实实用阶段，对对虚拟现实技技术的研究也也从基本理论论和系统构成成的研究转向向应用中所遇遇到的具体问问题的探讨。在在虚拟现实系系统中只有各各种交互设备备还不够，还还必须提供基基本的软件支支撑环境，用用户能方便地地构

18、造虚拟环环境并与虚拟拟环境进行高高级交互。为为了使VR技技术得到广泛泛应用，很有有必要分析虚虚拟现实系统统软件支撑环环境体系结构构，例如Diialoguue系统，提提出了一种通通过基于事件件驱动的中驱驱用户接口管管理系统（UUMIS），能能进行多进程程通讯的软件件体系结构，解解决了虚拟现现实的动态灵灵活性问题，推推进了软件支支撑环境的发发展。为了满满足虚拟现实实对计算复杂杂性的几乎是是无限的要求求，虚拟现实实系统必须提提供足够强的的灵活性及可可扩充性。要要做到这一点点，可以从软软件与硬件来来考虑，在硬硬件体系结构构方面，DIIVISONN公司在SuuperViision系系统（如图11.3c）

19、中中提出了一种种基本的并行行模型，开发发了并行处理理器件和DVVS操作系统统，使虚拟现现实得以全面面发展。图1.3c：SSuperVVisionn系统1.4、国内外外虚拟现实的的研究现状1.4.1、虚虚拟现实技术术在美国的研研究现状美国是虚拟现实实技术研究的的发源地，美美国VR技术术的研究水平平基本上代表表了国际VRR发展的水平平。最初的研研究应用主要要集中在美国国军方对飞行行驾驶员与宇宇航员的模拟拟训练。然而而,随着冷战战后美国军费费的削减,这这些技术逐步步转为民用。目目前美国在该该领域的基础础研究主要集集中在感知、用用户界面、后后台软件和硬硬件四个方面面【5】。 上世纪80年代代，美国宇航

20、航局(NASSA)及美国国国防部组织织了一系列有有关虚拟现实实技术的研究究，并取得了了令人瞩目的的研究成果，美美国宇航局AAmes实验验室致力于一一个叫“虚拟行星探探索”(VPE)的实验计划划。现NASSA已经建立立了航空、卫卫星维护VRR训练系统,空间站VRR训练系统，并并已经建立了了可供全国使使用的VR教教育系统。北北卡罗来纳大大学的计算机机系是进行VVR研究最早早最著名的大大学，他们主主要研究分子子建模、航空空驾驶、外科科手术仿真、建建筑仿真等。乔乔治梅森大学学研制出一套套在动态虚拟拟环境中的流流体实时仿真真系统（如图图1.4.11）。施乐公公司研究中心心在VR领域域主要从事利利用VRT

21、建建立未来办公公室的研究，并并努力设计一一项基于VRR使得数据存存取更容易的的窗口系统。波波音公司的波波音777运运输机采用全全无纸化设计计，利用所开开发的虚拟现现实系统将虚虚拟环境叠加加于真实环境境之上，把虚虚拟的模板显显示在正在加加工的工件上上，工人根据据此模板控制制待加工尺寸寸，从而简化化加工过程。图1.4.1：流体实时仿仿真系统1.4.2、虚虚拟现实技术术在欧洲的研研究现状在欧洲，英国在在VR开发的的某些方面，特特别是在分布布并行处理、辅辅助设备(包包括触觉反馈馈)设计和应应用研究方面面【6】，在在欧洲来说是是领先的。英英国Brisstol公司司发现，VRR应用的交点点应集中在整整体综

22、合技术术上，他们在在软件和硬件件的某些领域域处于领先地地位。英国AARRL公司司关于远地呈呈现的研究实实验，主要包包括VR重构构问题。他们们的产品还包包括建筑和科科学可视化计计算。欧洲其它一些较较发达的国家家如：瑞典、荷荷兰、德国等等也积极进行行了VR的研研究与应用。瑞瑞典的DIVVE分布式虚虚拟交互环境境，是一个基基于Unixx的，不同节节点上的多个个进程可以在在同一世界中中工作的异质质分布式系统统。荷兰海牙牙TNO研究究所的物理电电子实验室(TNO-PPEL)开发发的训练和模模拟系统，通通过改进人机机界面来改善善现有模拟系系统，以使用用户完全介入入模拟环境。德德国在VR的的应用方面取取得了

23、出乎意意料的成果。在在改造传统产产业方面，一一是用于产品品设计、降低低成本，避免免新产品开发发的风险；二二是产品演示示，吸引客户户争取定单；三是用于培培训，在新生生产设备投入入使用前用虚虚拟工厂来提提高工人的操操作水平。1.4.3、虚虚拟现实技术术在日本的研研究现状日本的虚拟现实实技术【7】的的发展在世界界相关领域的的研究中同样样具有举足轻轻重的地位，它它在建立大规规模VR知识识库和虚拟现现实的游戏方方面作出了很很大的成就。在在东京技术学学院精密和智智能实验室研研究了一个用用于建立三维维模型的人性性化界面，称称为SpmAAR（如图11.4.3）；NEC公司司开发了一种种虚拟现实系系统，用代用用

24、手来处理CCAD中的三三维形体模型型，通过数据据手套把对模模型的处理与与操作者的手手联系起来；日本国际工工业和商业部部产品科学研研究院开发了了一种采用XX、Y记录器器的受力反馈馈装置；东京京大学的高级级科学研究中中心的研究重重点主要集中中在远程控制制方面，他们们最近的研究究项目是可以以使用户控制制远程摄像系系统和一个模模拟人手的随随动机械人手手臂的主从系系统；东京大大学广濑研究究室重点研究究虚拟现实的的可视化问题题。他们正在在开发一种虚虚拟全息系统统，用于克服服当前显示和和交互作用技技术的局限性性。图1.4.3：SpmARR搜索界面1.4.4、国国内虚拟现实实技术研究现现状在我国虚拟现实实技术

25、的研究究和一些发达达国家相比还还有很大的一一段距离，随随着计算机图图形学、计算算机系统工程程等技术的高高速发展，虚虚拟现实技术术已经得到了了相当的重视视，研究与应应用VR、建建立虚拟环境境、虚拟场景景模型分布式式VR系统的的开发正朝着着深度和广度度发展。国家家科委国防科科工委部已将将虚拟现实技技术的研究列列为重点攻关关项目，国内内许多研究机机构和高校也也都在进行虚虚拟现实的研研究和应用并并取得了一些些不错的研究究成果【8】。浙江大学CADD&CG国家家重点实验室室在基于图像像的虚拟实现现、分布式虚虚拟环境的建建立、多细节节层次模型、真真实感三维重重建、基于几几何和图像的的混合式图形形实时绘制算

26、算法（如图11.4.4）等等领域开展了了深入的研究究，在国内外外产生了广泛泛的影响。图1.4.4：虚拟现实技技术制作的国国内最大的数数字城市仿真真项目数字兴义义第二章：虚拟现现实理论与技技术应用举例例2.1、虚拟现现实技术在美美军模拟训练练中的应用现现状及发展2.1.1、构构建虚拟战场场环境通过相应的三维维战场环境图图形图像库，包包括作战背景景、战地场景景、各种武器器装备和作战战人员等，为为使用者创造造一种险象环环生、逼近真真实的立体战战场环境，以以增强其临场场感觉，提高高训练质量。在在阿富汗和伊伊拉克战争中中【9】，美军采采用综合了航航空照片、卫卫星影像和数数字高层地形形数据来生成成高分辨率

27、的的作战区域三三维地形环境境，以几乎一一致的三维环环境来训练执执行任务的战战斗机飞行员员。很多飞行行员都感慨在在执行任务的的过程中，见见到的环境都都在模拟器中中见到过，因因此大大减少少了执行任务务的难度和伤伤亡率。2.1.2、进进行单兵模拟拟训练 基于VVR 的军事事模拟训练最最初就是针对对单兵操作武武器装备的，因因此在单兵训训练系统中的的应用也最为为广泛和成熟熟。美国的“F 116”【10】战斗机机虚拟训练模模拟器采用了了三维图形可可视化生成系系统、全封闭闭立体头盔显显示器、三维维交互式声音音合成技术、PProvission 高高性能图形工工作站、六自自由度的运动动平台等先进进的技术手段段，

28、并制造了了与实物同样样大小的战斗斗座舱。其三三维图形生成成系统不仅能能够生成逼真真的大范围虚虚拟地形环境境，模拟不同同自然环境下下如雾天、雨雨天、暴风雪雪等各种飞行行条件，而且且其三维的声声音合成系统统还能够合成成出逼真的三三维空间声音音的效果，能能处理虚拟现现实中飞机以以外的各种情情况，如气球球的威胁、导导弹的发射轨轨迹等。据调调查，从未参参加过实战的的飞行员在首首次执行任务务时的生存概概率只有600%，而经过过模拟对抗训训练后，此概概率可以提高高到90%。 来自佛佛罗里达州RRaydonn 公司的虚虚拟勇士互动动( VWII) 训练机机能够帮助步步兵师在虚拟拟的战场进行行训练，与仿仿真的坦

29、克、装装甲车和直升升机进行互动动。自伊拉克克战争爆发至至今，美国已已动员近200 万人次的的军人前往当当地作战，其其中接受过模模拟训练系统统培训的达八八成以上。图2.1.2 The FF 166 virttual ttrainiing siimulattor2.1.3、通通过网络进行行异地同环境境作战训练运用虚拟现实技技术分布式交交互仿真并结结合现代网络络通信技术，通通过作战模拟拟训练中心控控制设置在不不同地域的作作战单位及各各级指挥官处处的模拟系统统终端来实现现不同地域、相相同环境的模模拟作战训练练。美陆军的的“近战战术训训练系统” 【11】( CClose CombaatTacttical

30、 Trainner，CCCTT) 采采用先进的主主干光纤系统统网络并结合合分布式交互互仿真，建立立一个虚拟作作战环境，能能够仿真包括括“艾布拉莫斯斯”坦克、“布雷德利”战车、HUUMVEESS武器系统在在内的多种武武器装备，供供作战人员在在人工合成环环境中完成作作战训练任务务。该系统通通过局域网和和广域网联结结着从韩国到到欧洲的大约约65 个工工作站，各站站之间可迅速速传递装备模模型和训练数数据，使参演演人员能在虚虚拟环境的动动态形式中进进行近战战术术训练。在美美国肯塔基州州克斯堡的乘乘车作战实验验室里，坦克克驾驶员不必必离开房间，就就可操纵“艾布拉莫斯斯”坦克模拟器器穿森林，过过雪地。使用用

31、这种模拟器器，可使受训训者在1 hh 内获得比比6 个月实实车驾驶还要要多的经验。该该系统被美国国国会列为“绝对禁止出出口”的项目。2.1.4、进进行军事指挥挥人员训练 利用VVR 技术，根根据侦察情况况资料合成出出战场全景图图，让受训指指挥员通过传传感器装置观观察双方兵力力部署和战场场情况，以便便判断敌情，定定下正确决心心。美军曾经经使用过许多多作战模拟系系统来培训军军事人员，并并取得了显著著的效果。如如美国海军开开发的“虚拟舰艇作作战指挥中心心”【12】就能逼逼真地模拟与与真实的舰艇艇作战指挥中中心几乎完全全相似的环境境，生动的视视觉、听觉和和触觉效果，使使受训军官沉沉浸在“真实的”战场之

32、中。目目前，美军更更进一步采取取措施，通过过设置“军官虚拟现现实教程”来强化人员员培训。这种种“军官虚拟现现实教程”的训练效果果大大超过以以往陆军联合合训练中心所所实施的作战战模拟训练和和实战演习的的方法，仅需需5 个月左左右时间就能能培训出既具具备战术专家家素质，又能能指挥与控制制所属部队进进行作战的军军官。为了统统一建模方法法和数据格式式，美陆军部部推行了“作战模型改改进计划”，设想在一一个统一的管管理机构下建建立一个具有有层次结构的的陆军作战模模拟系列，将将陆军各兵种种的作战模型型全部纳入这这个体系中，以以培养适应未未来战争需要要的陆军军官官。图2.1.4 “Virtuual waars

33、hipp commmand ccenterr in bbattlee”of U S NNavy2.1.5、提提高指挥决策策能力在作战指挥决策策领域，VRR 技术的应应用主要包括括两个方面: 1) 通通过对获取的的情报数据在在三维战场环环境上合成逼逼真的三维战战场态势场景景，有利于指指挥人员更加加形象直观地地把握整个战战场态势，辅辅助指挥人员员进行决策; 2) 采采用基于VRR 技术的作作战方案分析析系统对指挥挥决策人员提提出的决策方方案进行仿真真分析，以便便更好地为决决策人员服务务。美国海军军实验室( NRL) 自主开发的的Dragoon 系统可可以提供722 h 内990 km 90 kkm

34、 范围内内的DTEDD( 数字地地形数据) 5 级( 1 m 分分辨率) 特特征数据和图图像特征，在在作战之前就就能够快速将将复杂战场态态势可视化，使使指挥员及其其参谋人员能能灵活使用二二维或三维动动态显示系统统，更有效地地制定任务计计划和演练，评评估行动路线线，保持对战战场态势的认认知。2.1.6、缩缩短武器装备备的研制周期期 众所周周知，在高新新技术武器开开发的过程中中大量地采用用VR 技术术，设计者可可方便自如地地介入系统建建模和仿真实实验全过程，让让研制者和用用户同时进入入虚拟的作战战环境中操作作武器系统，充充分利用分布布交互式网络络提供的各种种虚拟环境，检检验武器系统统的设计方案案和

35、战技术性性能指标及其其操作的合理理性，缩短了了武器系统的的研制周期，并并能对武器系系统的作战效效能进行合理理评估，从而而使武器的性性能指标更接接近实战要求求。美国第四四代战斗机FF 222 和JSFF 在研制的的全过程中由由于采用了VVR 技术，实实现了三维数数字化设计和和制造一体化化，使研制周周期缩短500%，节省的的研制费用超超过93%。由由于采用VRR 技术，在在系统设计的的初期，就能能够向飞行员员提供直接体体验新设计优优点的“虚拟”系统，并能能随时按照订订货方要求现现场修改设计计，美军利用用这一技术成成功设计了“阿帕奇”和“科曼奇”武装直升机机的电子座舱舱等【13】。 最近，美美国诺斯

36、罗普普格鲁曼造船船公司正在使使用VR 技技术设计下一一代航空母舰舰“吉拉德R福特”号。这是美美国海军400 多年以来来第一次全程程采用基于VVR技术的计计算机软件而而非图纸进行行设计的航空空母舰。图2.1.6 The ssimulaation trainning ssystemm for produuct deesign2.1.7、信信息网络虚拟拟战 信息网网络虚拟战是是以计算机成成像、电子显显示、话音识识别和合成、传传感等技术为为基础实施的的信息欺骗。它它通过信息网网络某一节点点，把己方计计算机与对方方联网，或战战前通过各种种途径将VRR 技术植入入敌方的指挥挥控制信息系系统中，把己己方的虚

37、拟信信息即假情报报、假决心、假假部署传输给给敌方，迷惑惑敌人，诱敌敌判断失误; 向敌指挥挥官和士兵发发布敌方军官官假命令，使使敌军事行动动陷入混乱。这这种战法，能能使敌方在三三维声像环境境中，看到酷酷似实物的立立体交战图像像，使敌方不不会产生错觉觉，增大了欺欺骗的真实性性。由于VRR 技术在军军事上能把接接受者投放到到一种逼真的的、为作战而而设置的现实实中，可以模模拟未来战场场各种复杂情情况，从而使使敌改变决心心和部署。11994 年年4月，随着着美军第一支支数字化部队队的建立，美美军就开始着着手运用VRR 技术进行行模拟对抗性性演习，并专专门成立了“VR 技术术欺骗战”研究小组，由由其具体负

38、责责技术研制和和实验。 美国国国防科技委员员会认为: 美国在沙漠漠风暴、巴尔尔干半岛、阿阿富汗和伊拉拉克战争的低低伤亡率，很很大程度上是是源于平时的的作战模拟训训练，在这种种模拟训练系系统中充分运运用了VR 等一系列技技术，全方位位、多层次、多多角度实现战战场态势的综综合表现。在在美国国防科科技委员会22000 年年度的报告“Trainning SSuperiiorityy and Trainning SSurpriise”中总结到“这个20 年前的新发发明不用流一一滴血就把我我们的单兵和和团队训练成成了战场上的的王牌”【14】。2.2、虚拟现现实技术在化化学教学中的的应用现状分分析2.2.1

39、、CChemLaab CheemLab 由美国Coorel 公公司于19996 年推出出。它是一个个交互式的化化学实验模拟拟工具， 通通用的实验装装置和步骤用用于模拟一步步一步执行化化学实验，如如图3.2.1 所示。该该软件以任务务为主线，首首先，由教师师制定一系列列学习任务和和学习目标，学学生在领会学学习任务和目目标的前提下下，通过引导导而最大程度度地独立完成成实验。ChhemLabb 的功能比比较突出，但但实验器具和和试剂偏少， 实验模块之之间的自由构构建功能体现现不足，扩展展功能也很有有限并且不具具备味觉和触触觉功能【115】。图2.2.1酸酸碱中和2.2.2、IIrYdiuum Che

40、emistrry Labb IrYYdium Chemiistry Lab 软软件由美国CCarneggie Meellon大大学基于Jaava 开发发，有很好的的跨平台性，但但运行速度不不是很快。它它的优点在于于学生通过网网络来查看学学习进度，充充分利用空闲闲时间进行自自主学习；将将化学药品的的属性直接展展现在屏幕上上，方便学生生直接使用，如如图3.2.2 所示。但但是该软件只只设置了部分分实验，实验验药品和装置置都不是很充充足，在实验验范围的广度度上有待提升升；针对学习习者在实验中中可能产生的的错误没有做做出预测，缺缺乏错误的提提示和纠正功功能。图2.2.2 lrydiium chhemi

41、sttry laad 的试验验界面2.2.3、浙浙江大学有机机化学虚拟实实验室 浙江大大学有机化学学虚拟实验室室，是基于WWeb 的虚虚拟实验，如如图3 .22.3所示，该该系统的实验验内容主要从从基本操作、制制备实验和分分离实验三个个方面， 实实现对有机化化学实验的虚虚拟操作。整整个实验系统统内容全面、界界面清晰、操操作步骤明晰晰并伴有操作作提示， 能能够让学习者者在提示作用用下快速完成成实验内容。但但对于错误的的实验完全屏屏蔽并且每一一步都有提示示，缺乏对学学习者能力的的检测与监测测。图2.2.3 减压蒸馏试试验2.2.4、金金华科仿真化化学实验室 金华科科仿真化学实实验室，软件件界面设计

42、灵灵活，实验内内容较丰富，实实验过程具有有严谨的科学学性和开放的的交互性，既既是化学课堂堂中的教学平平台，也是化化学教师的课课件制作平台台和学生的交交互式学习平平台。该虚拟拟实验系统由由仿真化学实实验室、三维维分子展示（如如图3.2.4所示）、中中学化学小百百科三部分组组成。仿真化化学实验室的的设计界面是是二维结构，用用户可以按照照自己的需要要搭建实验器器材，独自进进行实验。在在实验整体性性上有自己的的优势， 并并且能够清晰晰地看到发光光、气泡等现现象，不足之之处在于它没没有对实验过过程中可能存存在的错误进进行分析，并并给出错误提提示和更正处处理。图2.2.4三三维分子展示示2.2.5、东东师

43、理想初中中化学虚拟仿仿真实验室软软件 东师理理想初中化学学虚拟仿真实实验室软件， 囊括了整个个初中化学实实验内容， 对全部实验验仪器做了总总结并给出了了图形介绍，每每个实验内容容实验仪器展展示、实验介介绍四个部分分。该软件通通过实验介绍绍阐述实验的的教学目标以以及实验的实实用性和重要要性， 用语语音和图形把把实验操作和和注意事项展展现给学生，最最后通过学生生自己的虚拟拟操作达到理理解实验的目目的。整个教教学过程思路路清晰、目标标明确，学生生按照既定的的操作步骤在在操作提示的的引导下自主主搭建实验器器材， 独立立完成实验，这这既锻炼了学学生的动手能能力，又能够够避免真实实实验的危险。此此系统在实

44、验验流程上还属属于线性的，缺缺乏发散思维维和创新思维维的引导， 通过既定的的仪器完成既既定的实验任任务是该系统统的不足之处处。从技术领域来说说， 目前应应用于化学学学科教学中的的虚拟现实系系统大部分都都是二维的结结构， 金华华科仿真化学学实验室以及及东师理想初初中化学虚拟拟仿真实验室室中涉及的分分子结构模型型是三维呈现现。虚拟现实实技术目前主主要采用建模模工具软件，如如3DS MMAX、Muultigeen Creeator、MMaya、SSolid-Workss 等，进行行环境建模；再利用虚拟拟现实技术开开发工具和平平台提供的强强大引擎和SSDK 工具具包实现场景景的实时绘制制、仿真和交交互

45、操作等功功能；最后优优化并生成特特定文件格式式的虚拟现实实产品并发布布。目前使用用的虚拟现实实技术的开发发工具和平台台有Javaa3D、Oppen GVVS、VRMML、Cullt3D、EEON、Quuest3DD、Virttools 等，不同的的技术各有其其特点。虚拟拟实验系统在在技术上已经经很容易实现现， 但在教教与学的方式式还需要进一一步改善。以以上系统都只只是采用传统统的以教为中中心的教学模模式，整个学学习过程只是是按照既定的的教学步骤而而进行，不能能对学生的思思维进行引导导；实验过程程中不能突出出对学生技能能的训练，缺缺乏对学生的的智慧技能以以及协作学习习能力的考察察；对学生在在实验

46、中所出出现的错误没没有作出预测测并及时更正正也是以上系系统所缺乏的的功能。【116】2.3、虚拟现现实技术在机机械设计与制制造中应用2.3.1、虚虚拟产品概念念设计 概念设设计(Connceptuual Deesign) 是创造性性思维的一种种体现,概念念产品是一种种理想化的物物质形式. 概念设计是是指对产品起起始的设计构构思,目的是是为了捕捉产产品的基本形形态. 概念念设计是产品品设计过程中中的重要阶段段,因为产品品成本的600 %700 %【9】是是概念设计决决定的,虚拟拟概念设计使使用虚拟现实实技术,为设设计者提供基基于语言识别别和手势跟踪踪的输入方式式,设计者可可随时、方便便地在三维虚

47、虚拟环境中操操纵产品及零零件并改变或或修改产品的的各种形态建建模,并可以以在三维空间间中对设计对对象进行观察察和操作,其其目的是获得得足够多的有有关产品式样样和形状的信信息,从而达达到满意的效效果.目前国国际上流行的的一种故事版版情景预言法法的概念设计计,就是将要要开发的产品品置于一定的的人、时、地地、事和物中中进行观察、预预测、想象和和情景分析,故事版的平平面设计使产产品在设计的的开始便多了了一份生命和和灵气。虚拟现实技术在在产品概念设设计中的应用用,使设计师师的设计思路路和设计表达达更加清晰、形形象、逼真,让人更多了了一种直观的的、亲切的交交互的感受. 这样的开开发设计大大大减少了投放放市

48、场的风险险性,保证产产品开发一次次性成功. 在概念设计计中,采用头头脑风暴法进进行方案创意意,可以将体体验设计思想想更好地融于于其中,也就就是更多关注注产品使用者者的感受,而而非产品本身身. 设计时时可以针对不不同用户及爱爱好者的需求求,在不同的的虚拟环境中中,让他们亲亲自体验修改改模型的感受受;利用触摸摸屏来选择产产品的造型、色色彩、装饰风风格等许多可可选部件,在在渲染和生成成十分逼真的的三维模型时时,充分感受受了自己所喜喜爱的产品在在虚拟环境中中的“真实”情况. 甚甚至还可根据据用户的建议议,邀请专家家和部分用户户一起对模型型提出修改意意见,观察设设计和修改过过程,直至大大多数人满意意为止. 比比如在开发设设计健身器械械时【1718】,可以允允许消费者在在购买商品