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1、機(jī)械 2007年增刊 總第34卷 43 收稿日期:2006-06-12虛擬現(xiàn)實(shí)(VR 技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用杜志俊(十堰職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北 十堰 442000 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和廣泛應(yīng)用。出現(xiàn)了許多高新先進(jìn)技術(shù),虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是其中之一。1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其特點(diǎn)虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality 即VR 技術(shù)是一種能模擬人類(lèi)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等感知行為的高度逼真的人機(jī)交互技術(shù),是一門(mén)涉及多種學(xué)科和技術(shù)的交叉技術(shù)。利用該技術(shù)可以使人處于用計(jì)算機(jī)生成的環(huán)境中,通過(guò)感官語(yǔ)言、手勢(shì)可以在其中用自然的方式進(jìn)行“交互、對(duì)話”,并自由的運(yùn)動(dòng),隨意觀察周?chē)氖挛? 觀到

2、物,聽(tīng)到聲,感到力,使人具有完全身臨其境之感。虛擬現(xiàn)實(shí)(VR 這個(gè)名詞是由美國(guó)VPL Researeh 公司創(chuàng)始人之一Jaron Lanier 于20世紀(jì)80年代初首先提出來(lái)的,其真正含義:把客觀世界中的某一局部用電子的方式模擬出來(lái),并能夠讓你進(jìn)入這個(gè)世界,猶如身臨其境;而且這種身臨其境不是靜止的,能隨著人在其中的活動(dòng)而變化。由于虛擬現(xiàn)實(shí)VR 技術(shù)是由多種學(xué)科和先進(jìn)技術(shù)集成而成的,具有非常豐富的內(nèi)涵和顯著的特征,吸引了各領(lǐng)域的科學(xué)家和工程技術(shù)人員投入到這一領(lǐng)域進(jìn)行研究 。歸納起來(lái),虛擬現(xiàn)實(shí)(VR 技術(shù)主要具有如下一些特點(diǎn):(1虛擬的真實(shí)感虛擬技術(shù)所產(chǎn)生的局部世界雖然并非真實(shí)的,但是對(duì)于進(jìn)入這一

3、局部世界的人來(lái)說(shuō),通過(guò)自身感覺(jué)功能,并借助專(zhuān)用設(shè)備對(duì)虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行操作和觀察,就如同進(jìn)入真實(shí)的世界一樣 。(2可造型性用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可對(duì)物體的幾何形態(tài)可進(jìn)行主體化處理,使計(jì)算機(jī)顯示的物體更逼真,更形象,讓人更容易理解和操作。(3可模擬性利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模,能逼真地模擬物體的運(yùn)動(dòng)形態(tài),演示力的作用過(guò)程。利用該技術(shù)設(shè)計(jì)虛擬樣機(jī),以檢驗(yàn)新設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可行性,極易實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)一制造一體化。(4可操作性利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以對(duì)虛擬世界的物體進(jìn)行遙控,使之按照設(shè)計(jì)者的意愿進(jìn)行運(yùn)動(dòng),從而檢驗(yàn)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的可行性。(5可通信性通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以克服由于語(yǔ)言、文化上的障礙而產(chǎn)生的交流上的

4、困難。利用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離的交流,如同面對(duì)面交談,這樣非常有利于遠(yuǎn)距離的人成公司之間的協(xié)同設(shè)計(jì)和制造。2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展不是孤立的,它是伴隨著其他科學(xué)技術(shù),如計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué),實(shí)時(shí)顯示技術(shù)及三維跟蹤技術(shù)等的發(fā)展而發(fā)展的,是這些技術(shù)在工業(yè)、軍事領(lǐng)域及大學(xué)實(shí)驗(yàn)里研究應(yīng)用的成果。早在20世紀(jì)初,Edwin link 發(fā)明了LINK 飛行模擬器,它使操作者有一種在飛機(jī)中操作飛行的真實(shí)感覺(jué),可作為飛行員模擬飛行訓(xùn)練裝置,避免對(duì)人和設(shè)備的潛在風(fēng)險(xiǎn)。1960年電影攝影師Moton Heilig 建立了“供個(gè)人使用的電視設(shè)備”,并獲得了專(zhuān)利。同年Like Lider 教授

5、發(fā)表了“人機(jī)共存”的文章,提出了交互計(jì)算的思想,并得到了應(yīng)用。接著Ivan E. Sutherland 發(fā)表了“一個(gè)人機(jī)通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文,成為現(xiàn)代交互圖形學(xué)的開(kāi)端,并開(kāi)始研制頭盔式顯示器HMD 。隨后在1965年他又發(fā)表了“終極現(xiàn)實(shí)”的文章,首次提出了虛擬現(xiàn)實(shí)的思想,并完成第一個(gè)功能較齊全的HMD 系統(tǒng)。大約在20世紀(jì)70年代威斯康星大學(xué)研發(fā)了一系列由計(jì)算機(jī)控制的聲光環(huán)44機(jī)械 2007年增刊總第34卷境系統(tǒng),利用該系統(tǒng)計(jì)算機(jī)能分析參與者的運(yùn)動(dòng)和響應(yīng)。Myron Krueger在博士論文“計(jì)算機(jī)的環(huán)境響應(yīng)”中首次提出了“人工現(xiàn)實(shí)”的概念。1970年Nicho Las Negropon

6、te等人組建了“媒體研究室”,研究開(kāi)發(fā)了集計(jì)算機(jī)、聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、廣播和網(wǎng)絡(luò)等于一體,形成了集成的媒體技術(shù),并取得了豐碩成果。到20世紀(jì)80年代Michael Me Greevey和Scott Fisher開(kāi)發(fā)研究成功了基于液晶顯示技術(shù)的虛擬可視環(huán)境頭盔系統(tǒng)VIVEDHMD;計(jì)算機(jī)科學(xué)家Jargon lanier建立了使用圖像和聲音的編程語(yǔ)言“Mandala”,使虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展,“虛擬現(xiàn)實(shí)”一詞也被正式提了出來(lái),一套比較完整的VR系統(tǒng)也呈現(xiàn)在世人面前。1990年在美國(guó)首先召開(kāi)的Siggraph會(huì)議上,對(duì)VR 技術(shù)進(jìn)行了研討,明確了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要內(nèi)容及研究方向;1992年在法國(guó)召開(kāi)的

7、VR的第一次國(guó)際會(huì)議;1994年3月首屆World Wide Web (WWW大會(huì)在日內(nèi)瓦召開(kāi),提出了VRML(Virtul Reality Modeling Language;在隨后幾年相繼產(chǎn)生了VRML1.0、VRML2.0標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)一步明確了VR技術(shù)的研究方向和目標(biāo)VR技術(shù)的發(fā)展過(guò)程雖然不長(zhǎng),仍處于初級(jí)階段,還有很多工作要做,我們相信,隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,其發(fā)展前景是十分誘人的。3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)從誕生時(shí)期起就在應(yīng)用中不斷完善和發(fā)展著,到目前,它的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。(1在軍事、航天、航空領(lǐng)域的應(yīng)用各種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)最早源于ARPANET網(wǎng),一直限于軍用,其中MI

8、LNET是一個(gè)廉價(jià)而有使用價(jià)值的模擬網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),它可以用來(lái)訓(xùn)練坦克、直升機(jī)以及戰(zhàn)斗演習(xí)。隨著VR技術(shù)的不斷發(fā)展,在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多,它可以用于步兵訓(xùn)練,受訓(xùn)者在此虛擬環(huán)境中有如身臨實(shí)戰(zhàn)。坦克裝甲人員訓(xùn)練模擬器可以使六個(gè)受訓(xùn)者相互聯(lián)網(wǎng)在一個(gè)指揮官的指揮下,協(xié)同工作,就像一個(gè)排或一個(gè)連一樣;毒刺導(dǎo)彈訓(xùn)練仿真器可以用于士兵的操作訓(xùn)練,能識(shí)別目標(biāo),發(fā)射導(dǎo)彈;戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練模擬器能訓(xùn)練士兵如何與敵人周旋;利用模擬網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行軍事演練,訓(xùn)練部隊(duì)之間的協(xié)同作戰(zhàn)能力。飛行仿真器為飛行員提供了一個(gè)飛行訓(xùn)練環(huán)境,利用該仿真器,飛行員可以一面進(jìn)行飛行控制訓(xùn)練,一面可以觀察各種儀表的變化狀況,它能使飛行員很快掌握多種機(jī)

9、型的飛行技術(shù)而不冒風(fēng)險(xiǎn)。現(xiàn)代的全封閉仿真器可以通過(guò)使用虛擬飛行環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)高程度的真實(shí)感。利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)還可以對(duì)宇航員進(jìn)行太空飛行訓(xùn)練。(2在工業(yè)設(shè)計(jì)和制造中的應(yīng)用利用VR技術(shù)可以為制造廠家產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)的各個(gè)階段提供支持。虛擬概念設(shè)計(jì)是將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與概念設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái),用于在虛擬環(huán)境下進(jìn)行產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)。由于概念設(shè)計(jì)階段決定了產(chǎn)品成本的60%70%,在此階段產(chǎn)品的質(zhì)量、性能等指標(biāo)在很大程度上就被確定下來(lái)了,而該階段的完成按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法需花費(fèi)大量的人力物力,且設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)。面對(duì)日益加劇的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的挑戰(zhàn),利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)工作將會(huì)有巨大的優(yōu)越性。國(guó)外的研究人員在這方面作了大量的探索性工

10、作,開(kāi)發(fā)研制了一些虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng),其中影響較大的系統(tǒng)有:Design Space系統(tǒng):該系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬環(huán)境中使用語(yǔ)言和手勢(shì),允許進(jìn)行概念設(shè)計(jì)和裝配;Conceptual Design Space工程:它允許進(jìn)行三維的建筑空間設(shè)計(jì);3-Draw系統(tǒng):他使用三維的輸入裝置,讓設(shè)計(jì)者可在三維空間里“草繪”其構(gòu)思;JDCAD系統(tǒng):主要用于零件設(shè)計(jì)。COVIRDS系統(tǒng):是一個(gè)虛擬概念設(shè)計(jì)系統(tǒng),設(shè)計(jì)師可以在一個(gè)三維虛擬環(huán)境中創(chuàng)造和修改三維形體。虛擬現(xiàn)實(shí)制造的目標(biāo)是利用計(jì)算機(jī)及相關(guān)設(shè)備,構(gòu)造出一個(gè)虛擬制造環(huán)境,并在此環(huán)境中集成制造系統(tǒng)的大部分功能,實(shí)現(xiàn)制造全過(guò)程的模擬仿真。EMD公司用UGS 軟件進(jìn)

11、行曲軸模具的設(shè)計(jì)制造,使得曲軸的設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期大大縮短,生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量大大提高。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)打開(kāi)了通往工程空間的大門(mén),在該空間中,產(chǎn)品可以被設(shè)計(jì)、加工、檢驗(yàn)、裝配、測(cè)試,并可以進(jìn)行各種模擬仿真。(3在娛樂(lè)、教育、藝術(shù)方面的應(yīng)用娛樂(lè)、教育、藝術(shù)等領(lǐng)域是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用最多的領(lǐng)域之一。虛擬教室、虛擬音樂(lè)、虛擬博物館、虛擬電視、虛擬電影、虛擬劇院等都是虛擬技術(shù)應(yīng)用的成功范例。Stray Light公司利用VR技術(shù)設(shè)計(jì)了一種26個(gè)座位的浸入式劇院,并給每位觀眾配備了高分辨率的頭盔式顯示器,該劇院每小時(shí)可以接納300多人。利用浸入式虛擬機(jī)械 2007年增刊總第34卷45現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)建立運(yùn)動(dòng)影院,可以給

12、人們提供一個(gè)可供選擇的景觀。該公司出品的虛擬現(xiàn)實(shí)游戲,可以使人與聰明的虛擬對(duì)手進(jìn)行游戲較量,給人以無(wú)限樂(lè)趣。他們開(kāi)發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)游戲系統(tǒng),目前在世界上許多地方都可以購(gòu)買(mǎi)到。在電視方面,人們利用電視攝像機(jī)的移動(dòng)和轉(zhuǎn)移把虛擬物體與實(shí)際景物結(jié)合在一起可以制作電視節(jié)目,也可利用虛擬演播室排演節(jié)目,訓(xùn)練演員,而不必依賴真實(shí)的演播室和場(chǎng)景,減少節(jié)目制作費(fèi)用,縮短節(jié)目制作周期。法國(guó)的媒體實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)技術(shù),把計(jì)算機(jī)卡通人物由木偶操縱者驅(qū)動(dòng)能實(shí)時(shí)生成動(dòng)畫(huà),虛擬現(xiàn)實(shí)將對(duì)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)的未來(lái)將產(chǎn)生巨大的影響。(4在通信領(lǐng)域的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以為遠(yuǎn)距離的人們營(yíng)造一個(gè)協(xié)同工作的虛擬環(huán)境,在這個(gè)虛擬環(huán)境下,人們可以共同討

13、論,交流、指揮和決策。例如,用“虛擬會(huì)議室”系統(tǒng),可以為處于不同地點(diǎn)的人們提供一個(gè)交流場(chǎng)合,參加者可以自由出入,可以大大提高會(huì)議效率。(5在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用主要用于醫(yī)學(xué)教學(xué)和醫(yī)療訓(xùn)練,手術(shù)遙控等方面。醫(yī)學(xué)教學(xué)和手術(shù)培訓(xùn)通常都是利用人、活的或死的動(dòng)物的尸體、機(jī)械仿真模型等來(lái)獲得實(shí)踐技能。對(duì)于尸體解剖,尸源的尋找和解剖體的保管都存在著困難,又由于尸體組織的變化,也無(wú)法顯示出鮮活組織的動(dòng)態(tài)性質(zhì)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以訓(xùn)練外科大夫醫(yī)療技術(shù)而不損傷人或動(dòng)物,獲得猶如活體結(jié)構(gòu)一般的動(dòng)態(tài)真實(shí)感覺(jué),醫(yī)生還能夠與表示人體特殊部位的虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以對(duì)某些疾病進(jìn)行治療,例如英國(guó)諾丁漢大學(xué)的研究人

14、員用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)治療不同類(lèi)型的恐怖癥;美國(guó)加利福尼亞的一個(gè)醫(yī)療小組用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)治療恐高癥等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛,目前仍在許多領(lǐng)域有待開(kāi)發(fā)?？梢韵嘈?隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,更多的應(yīng)用系統(tǒng)將會(huì)被開(kāi)發(fā)出來(lái),并在未來(lái)的社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮更大的作用。參考文獻(xiàn):1洪炳熔,蔡則蘇,唐好選. 虛擬現(xiàn)實(shí)及其應(yīng)用M. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2005.2張世昌. 先進(jìn)制造技術(shù)M. 天津:天津大學(xué)出版社,2004,4.3梁艷霞,聶如春. 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)J. 機(jī)械工程師,2005,4.4朱書(shū)華,等. 虛擬加工技術(shù)及其在曲軸生產(chǎn)中的應(yīng)用J. 機(jī)械工程師,2005,1.(上接第4

15、2頁(yè)減水防裂劑的混凝土在保持混凝土強(qiáng)度的條件下可減少15%的水泥用量,其體積用增加骨料用量來(lái)補(bǔ)充;(4提高水泥漿與骨料的粘結(jié)力,提高的混凝土抗裂性能;(5摻外加劑混凝土和易性好,表面易摸平,形成微膜,減少水分蒸發(fā),減少干燥收縮。許多外加劑都有緩凝、增加和易性、改善塑性的功能,我們?cè)诠こ虒?shí)踐中應(yīng)多進(jìn)行這方面的實(shí)驗(yàn)對(duì)比和研究,比單純的靠改善外部條件,可能會(huì)更加簡(jiǎn)捷、經(jīng)濟(jì)。3 混凝土的早期養(yǎng)護(hù)實(shí)踐證明,混凝土常見(jiàn)的裂縫,大多數(shù)是不同深度的表面裂縫,其主要原因是溫度梯度造成寒冷地區(qū)的溫度驟降也容易形成裂縫。因此說(shuō)混凝土的保溫對(duì)防止表面早期裂縫尤其重要。從溫度應(yīng)力觀點(diǎn)出發(fā),保溫應(yīng)達(dá)到下述要求:(1防止混凝土內(nèi)外溫度差及混凝土表面梯度,防止表面裂縫;(2防止混凝土超冷,應(yīng)該盡量設(shè)法使混凝土的施工期最低溫度不低于混凝土使用期的穩(wěn)定溫度;(3防止老混凝土過(guò)冷,以減少新老混凝土間的約束。混凝土的早期養(yǎng)護(hù),主要目的在于保持適宜