虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用實(shí)例研究報(bào)告

1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用實(shí)例研究報(bào)告1. 引言虛擬現(xiàn)實(shí)（v irtua l rea lity. 簡(jiǎn)稱vr）是一種多通道的新型人機(jī)交互接口 , 人們可以通過視覺、 聽覺、 觸覺和加速度感等多種感覺通道感知計(jì)算機(jī)模擬的虛擬世界, 也可以通過移動(dòng)、 語音、 表情、 手勢(shì)及視線等最自然的方式和虛擬世界交互 , 從而產(chǎn)生身臨其境的體驗(yàn)。 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、 傳感器技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、人工智能技術(shù)等多種技術(shù)的綜合發(fā)展, 目前已經(jīng)在軍事、醫(yī)學(xué)、教育、 娛樂、 制造業(yè)、 工程訓(xùn)練等各個(gè)方面得到應(yīng)用 , 它被認(rèn)為是當(dāng)前及將來影響人們生活的重要技術(shù)之一。2. 虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是幫助人們解決實(shí)際問題或給人

2、們提供傳遞信息、 思想和情感的一種有效方法。 近年來 , 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、 交互技術(shù)和人工智能等相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展 , 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步 , 以此為基礎(chǔ)的實(shí)際應(yīng)用也得到了很快的發(fā)展和提高。 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)適合應(yīng)用于使用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)或計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的場(chǎng)合, 特別是需要在三維空間中表現(xiàn)仿真模擬的過程或結(jié)果且需要實(shí)時(shí)的直接交互時(shí), 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有很大的優(yōu)勢(shì)。 最初 , 虛擬技術(shù)是美國(guó)航空航天局與軍事部門為了模擬訓(xùn)練而開發(fā)的 , 目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)被運(yùn)用到教育、 醫(yī)療衛(wèi)生、工程制造、航空航天、軍事仿真、科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域中。3. 1 教育與培訓(xùn)近年來 , 虛擬環(huán)境技術(shù)的發(fā)展吸引了教育界

3、和工業(yè)界的目光。 虛擬現(xiàn)實(shí)可以用來表達(dá)深?yuàn)W的概念、復(fù)雜的技術(shù)和實(shí)驗(yàn)等, 也可以模擬操作環(huán)境和工作流程等。4. 1. 1 教育目前 , vr 已成為一種大人和小孩都喜歡的一種教學(xué)方式, 它的沉浸感和多種方式的交互性讓人們覺得十分有趣。通過vr的交互環(huán)境、再現(xiàn)能力及一對(duì)一的實(shí)踐 , 可以提高學(xué)生們的記憶力和學(xué)習(xí)興趣; 具有真實(shí)的可視化能力 , 很適于表達(dá)難以理解的抽象概念; 通過模擬化學(xué)、物理等實(shí)驗(yàn), 學(xué)生們不需要冒著真實(shí)實(shí)驗(yàn)中可能存在的安全問題的風(fēng)險(xiǎn), 就可以很好的學(xué)習(xí)到相應(yīng)的知識(shí)。 比如 , 針對(duì)在學(xué)習(xí)微分代數(shù)和微分幾何時(shí)經(jīng)常遇到的困難 , 瑞典皇家理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了共享的虛擬環(huán)境cyb

4、erm a th, 能夠以一種很愉快的方式來表現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)概念。 在實(shí)際條件不允許的情況下 , 虛擬現(xiàn)實(shí)給我們真實(shí)地體驗(yàn)?zāi)撤N現(xiàn)實(shí)的能力。 對(duì)于地球科學(xué)和環(huán)境科學(xué)來說, 實(shí)驗(yàn)室練習(xí)、 野外觀察和野外旅行是基本課程 , 但是由于距離、 時(shí)間、 花費(fèi)、 安全的限制或者真實(shí)環(huán)境的高度復(fù)雜性等原因 , 野外練習(xí)和旅行可能不能夠進(jìn)行。針對(duì)這種情況, 佛羅里達(dá)大學(xué)的 v. ramasunda ram 等開發(fā)了一個(gè)環(huán)境的虛擬野外實(shí)驗(yàn)室 , 用來研究野外環(huán)境的屬性,并刺激了學(xué)生的高層次認(rèn)知技巧。5. 1. 2 培訓(xùn)與傳統(tǒng)的培訓(xùn)方法相比，基于vr的培訓(xùn)系統(tǒng)，在沒有真正地安裝設(shè)備的情況下 , 學(xué)員可以接受生產(chǎn)過程和

5、方法的培訓(xùn) , 充分的感覺線索和多通道的反饋方式讓學(xué)員可以獲得真實(shí)世界的操作技巧。更重要的是, vr 培訓(xùn)系統(tǒng)提供了高度自由的操作性, 不但可以模擬誤操作的后果, 而且不會(huì)造成人員的傷害和機(jī)器設(shè)備的損壞。 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)培訓(xùn)、 航天訓(xùn)練和醫(yī)生的培訓(xùn)方面得到了廣泛的應(yīng)用。早在1994年,adams開發(fā)了一個(gè)尋呼機(jī)生產(chǎn)線 vr仿真器，作為摩托羅拉公司技術(shù)教育中心正規(guī)培訓(xùn)自動(dòng)生產(chǎn)線操作人員的培訓(xùn)設(shè)備。 復(fù)雜產(chǎn)品的維護(hù)和操作 , 比如工業(yè)機(jī)器操作, 汽車駕駛等都需要特別的培訓(xùn) , 使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以提高培訓(xùn)的效果并降低培訓(xùn)的費(fèi)用。 在飛機(jī)維修工業(yè), 成功地培訓(xùn)對(duì)檢查的質(zhì)量和可靠性是極其重要的 ,

6、 為此 , jeena l vo ra 等研制了用于飛機(jī)檢查培訓(xùn)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng), 可以用作離線培訓(xùn)的工具, 并可以研究在飛機(jī)檢查中人的行為。南洋科技大學(xué)的 j. r. li 等研制了用于維修培訓(xùn)的桌面型虛擬顯示系統(tǒng) v -realism, 在該系統(tǒng)提供的虛擬環(huán)境中 , 用戶可以對(duì)某個(gè)部件的拆卸進(jìn)行虛擬的操作, 并可以得到系統(tǒng)提供的智能的協(xié)助。3. 2 醫(yī)療衛(wèi)生醫(yī)療衛(wèi)生是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用最早的領(lǐng)域之一, 在醫(yī)護(hù)人員培訓(xùn)、 手術(shù)方案的驗(yàn)證、 心理治療等方面的應(yīng)用得到了較大的進(jìn)展。 對(duì)于醫(yī)療而言 , 疾病診斷是關(guān)鍵的第一步。 比如 , 對(duì)于心、 肺雜音形成的部位、 機(jī)理以及在心電圖上的表現(xiàn)等內(nèi)容 ,

7、 教師講解、描述起來非常困難。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以模擬心、肺疾病病人的各種體征, 在虛擬人身上的相應(yīng)部位隨意進(jìn)行觸診、 聽診訓(xùn)練 , 這種見習(xí)過程既有真實(shí)感, 又不受時(shí)間限制 , 學(xué)習(xí)的效果很好。 而 burde a 等開發(fā)了一套基于虛擬現(xiàn)實(shí)的前列腺觸診系統(tǒng), 用于檢查前列腺惡性腫瘤檢查的培訓(xùn) , 試驗(yàn)表明 , 與傳統(tǒng)的在橡皮人和病人身上的有限培訓(xùn)相比 , 診斷培訓(xùn)的效果得到了明顯的提高而且極大減輕了病人的痛苦。 在很多疾病的診斷與治療中 , 內(nèi)窺鏡的檢查是十分必要的。 但內(nèi)窺鏡檢查是侵入性的而且十分不舒服, 如果內(nèi)窺鏡刮破腔壁或者造成腔壁穿孔, 會(huì)導(dǎo)致受傷甚至死亡, 因此 , 這一過程需要事

8、先進(jìn)行良好的論證以及高超的技術(shù)。 目前這類技術(shù)通常是在解剖模型、 動(dòng)物或者病人身上進(jìn)行的 , 但效果不理想 , 甚至給病人造成了不必要的傷害。 若使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以方便有效地提高受訓(xùn)者的醫(yī)療技術(shù), 讓失誤出現(xiàn)在訓(xùn)練的時(shí)候而不影響實(shí)際的病人。 早在 1998年, sy stem s 公司就推出了一種支氣管鏡檢仿真器, 該仿真器提供了一定的觸覺反饋, 并模擬了一定的訓(xùn)練想定, 測(cè)試表明該系統(tǒng)有助于提高培訓(xùn)人員的技術(shù)水平。 lise lo ttem e ttle r 等研制了用于婦產(chǎn)科醫(yī)生的內(nèi)窺鏡培訓(xùn)器vsone; 該模擬器具有力反饋、活組織檢查、吸入式?jīng)_洗、縫合、血凝結(jié)、夾子的安置等特有的特征,

9、 提供了對(duì)多種婦科檢查和手術(shù)的模擬 ,可以對(duì)內(nèi)鏡檢查進(jìn)行完善有效的培訓(xùn)。 另外 , 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在腦損傷的恢復(fù)、 痛 覺減少、精神病治療、整形外科和遠(yuǎn)程醫(yī)療等方面都有廣泛的應(yīng)用。3. 3 科學(xué)可視化科學(xué)可視化是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù), 將科學(xué)計(jì)算過程中或者是計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形或圖像, 在屏幕上顯示出來并進(jìn)行交互式處理的技術(shù)或方法。 對(duì)于很多復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)、 三維體數(shù)據(jù)和繁雜的地震數(shù)據(jù)等, 傳統(tǒng)的圖像分析技術(shù)和二維表現(xiàn)方法很難對(duì)其進(jìn)行識(shí)別和度量, 而使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則可以將計(jì)算過程以動(dòng)態(tài)、 立體的形式來表現(xiàn), 結(jié)果形象生動(dòng), 用戶可以沉浸在虛擬環(huán)境之中 , 使用自然直觀的方式與虛

10、擬的科學(xué)世界交互, 大大提高了數(shù)據(jù)解釋水平和推測(cè)準(zhǔn)確性, 加深了對(duì)科學(xué)數(shù)據(jù)的理解 。東京大學(xué)的 ak ira su zuki 等建立了一個(gè)“虛擬材料實(shí)驗(yàn)室”用于研究模擬分子的性態(tài)。在進(jìn)行材料測(cè)試時(shí) , 使用該軟件可以實(shí)現(xiàn)分子的動(dòng)力學(xué)仿真。 原子的動(dòng)力學(xué)性態(tài)可以通過力反饋和視覺感受到。佩魯賈大學(xué)的 o. ge rv asi 等開發(fā)了用于分子科學(xué)的“虛擬實(shí)驗(yàn)室原型” 11 。使用該系統(tǒng)可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行火焰光譜、化學(xué)動(dòng)力學(xué) （ 如圖 2 所示 ）和紅外線分光鏡等實(shí)驗(yàn)。斯達(dá)利普斯學(xué)院的 la jo lla 使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)把計(jì)算機(jī)生成的三維分子模型覆蓋到現(xiàn)實(shí)中分子的物理模型上面, 用戶可以很容易地

11、改變覆蓋在模型上面的信息、 切換不同的分子的表現(xiàn)、 顯示分子的屬性或者動(dòng)態(tài)信息。 物理模型提供了直覺的接口用來操縱計(jì)算機(jī)模型, 利于貫徹人的意圖。 現(xiàn)實(shí)技術(shù)使三維立體數(shù)據(jù) , 比如電場(chǎng)、電壓等得到了很好的表現(xiàn)。地震數(shù)據(jù)的可視化與推斷有助于發(fā)現(xiàn)新的油田。 但是這些數(shù)據(jù)數(shù)量驚人且難以理解 , 而通過鉆探來證實(shí)工程師的判斷更是花費(fèi)巨大財(cái)力 , 因此對(duì)地震數(shù)據(jù)可視化有助于提高探測(cè)的成功率。 在鉆探過程中也需要仔細(xì)地規(guī)劃 , 如避開地底的水窩和堅(jiān)硬的巖石?？梢暬浖 rill v iew 可以實(shí)時(shí)地得到各種鉆探數(shù)據(jù),如泵速、 扭矩和方位角等, 并提供鉆探地的地質(zhì)情況的有用信息并生成當(dāng)前工作的三維場(chǎng)景,

12、 利于提高鉆探質(zhì)量。3. 4 在工程制造中的應(yīng)用各個(gè)公司都在想辦法提高生產(chǎn)的柔性、 縮短開發(fā)時(shí)間并節(jié)約成本, 虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用可以幫助制造業(yè)提升到一個(gè)新的高度。 虛擬設(shè)計(jì)在原型設(shè)計(jì)方面主要應(yīng)用于人機(jī)工程學(xué)的評(píng)估和虛擬產(chǎn)品的評(píng)審。 目前 , 在虛擬原型、 虛擬制造裝配、 實(shí) 驗(yàn)驗(yàn)證、工廠設(shè)計(jì)和員工培訓(xùn)等方面的應(yīng)用也取得了較大的進(jìn)展。3. 4. 1 虛擬原型產(chǎn)品的原型是新產(chǎn)品的首次具體實(shí)現(xiàn)。 產(chǎn)品越復(fù)雜, 實(shí)際的物理模型就越昂貴 , 特別是需要制作多個(gè)版本時(shí)尤其嚴(yán)重。 就新車開發(fā)而言 , 通常是按各種比例制作油泥模型, 并噴涂上油漆, 使之看起來像一輛真車, 實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程相當(dāng)費(fèi)時(shí)費(fèi)錢。西安大略大學(xué)的

13、george研究了應(yīng)用變形網(wǎng)格技術(shù)到虛擬雕刻技術(shù)的方法 。使用這個(gè)系統(tǒng), 在產(chǎn)品概念階段, 設(shè)計(jì)師可以直覺地建立和操縱復(fù)雜的cam型，從而實(shí)現(xiàn)快速地修改模型的形狀、風(fēng)格和功能。香港城市大學(xué)的yongm inzhong等提出了在vr環(huán)境中通過直覺的方式進(jìn)行精確地實(shí)體建模的方法。sensab le te chno log ie s 開發(fā)了一種快速概念設(shè)計(jì)軟件 freefo rm; 使用該 軟件 , 設(shè)計(jì)者可以通過三維視覺和力反饋界面, 使用各種工具對(duì) “數(shù)字粘土” 進(jìn)虛擬裝配和虛擬維護(hù)行雕塑。在完成虛擬模型后 , 還可以輸出到銑床上將它真正做出來。3. 4. 2零部件的裝配是要確定部件是否可以無偏

14、差地組裝在一起, 并確認(rèn)在產(chǎn)品需要保養(yǎng)時(shí)是否可以方便的拆卸。利用基于vr的虛擬裝配對(duì)裝配過程和工藝過程進(jìn)行仿真, 以便在早期就發(fā)現(xiàn)問題 , 改進(jìn)設(shè)計(jì)方案, 節(jié)約研制成本, 縮短開發(fā)周期。早在1999年，寶馬公司的antonino等研究了應(yīng)用vr對(duì)原型車進(jìn)行驗(yàn)證裝配和維護(hù)過程的方法, 提出了一系列用于虛擬裝配的交互范式和功能; 工程師運(yùn)用該技術(shù)可以對(duì)原型做裝配維護(hù)的驗(yàn)證, 從而減少實(shí)體模型的個(gè)數(shù)并能提高產(chǎn)品質(zhì)量。史坦福大學(xué)的 luism arce lino 等建立了一個(gè)約束管理器用來支持對(duì)虛擬原型的可維護(hù)性進(jìn)行評(píng)估。 該管理器使用了直接交互、 自動(dòng)約束識(shí)別、 約束滿意度和約束運(yùn)動(dòng)等關(guān)鍵技術(shù), 運(yùn)用了各種優(yōu)化技術(shù), 可以對(duì)工業(yè)上的大模型進(jìn)行實(shí)時(shí)的交互。3. 4. 3 人機(jī)工程學(xué)分析為了確認(rèn)一個(gè)產(chǎn)品是否簡(jiǎn)便易用 , 通常要進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)分析。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以讓技術(shù)人員在開始設(shè)計(jì)時(shí)就進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)研究, 可以以避免樣件制造出來后才發(fā)現(xiàn)不符合人機(jī)工程的要求, 需要重新修改設(shè)計(jì)而增加成本。3. 4. 4 在制造業(yè)的其他應(yīng)用vr在制造業(yè)的應(yīng)用還覆蓋了工廠設(shè)計(jì)建設(shè)、工藝規(guī)劃、人員培訓(xùn)、市場(chǎng)營(yíng)銷等領(lǐng)域。4 總結(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是本世紀(jì)發(fā)展的重要技術(shù)之一, 作為一門科學(xué)和藝術(shù)將會(huì)不斷走向成熟, 在各行各業(yè)中將得到廣泛應(yīng)用 , 并發(fā)揮神奇的作用 , 21 世紀(jì)將是虛擬現(xiàn)實(shí)技