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1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 韓xx 30xxxxxxxx工科試驗(yàn)班 xxxx Absract:闡述了虛擬現(xiàn)實(shí)的定義、重要特征和硬軟件基礎(chǔ) ，研究了虛擬環(huán)境的體系結(jié)構(gòu)、組 成模塊、實(shí)現(xiàn)方法和系統(tǒng)分類方法，探討了其技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域以及該技術(shù)帶來的哲學(xué)思 考. Key words:虛擬現(xiàn)實(shí)體系Z^勾；虛擬制造；哲學(xué)思考。 Introduction:虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality , VR),又稱虛擬環(huán)境(Virtual Environment , VE) 或靈境, 是20世紀(jì)90年代最重要的成就之一，被稱為 放大智慧的工具”也有人認(rèn)為“21世紀(jì)的計(jì)算 機(jī)是虛擬現(xiàn)實(shí)計(jì)算機(jī)”. 1虛擬現(xiàn)實(shí)的定

2、義、重要特征和硬軟件基礎(chǔ) 1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)的定義 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以定義為對現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行五維時(shí)空的仿真 ，即除了對三維空間和 一維時(shí)間仿真外，還包含對自然交互方式的仿真 .它由計(jì)算機(jī)生成，通過視、聽、觸覺等作用 于用戶，使之產(chǎn)生身臨其境的交互式場景仿真，是一種可以創(chuàng)造和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) . 一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)包含一個(gè)逼真的三維虛擬環(huán)境和符合人們自然交互習(xí)慣的人機(jī)交 互界面，分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)還要包含用于共享信息的人機(jī)交互界面 ^ 1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)的重要特征 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、 仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、 人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、 并行處理技術(shù)和多傳感器技術(shù)

3、等技術(shù)綜合發(fā)展的產(chǎn)物 .它具有以下4個(gè)特征： (1)多感知性(Multisensory),所謂多感知性就是除了一般計(jì)算機(jī)技術(shù)所具有的視覺感知之 外，還有聽覺感知、觸覺感知、力覺感知、運(yùn)動(dòng)感知 ，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等 .理想 的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境應(yīng)該包含對人自然交互方式的模擬 ，能提供給用戶以視覺、聽覺、觸覺、嗅 覺甚至味覺等多感通道. (2)存在感(Presence)又稱沉浸感(Immersion),在虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中，用戶能感到自己成為 了一個(gè)發(fā)現(xiàn)者和行動(dòng)者”.例如，視場中的景物隨著人的走動(dòng)或頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)甚至眼球的轉(zhuǎn)動(dòng) 而變動(dòng).理想的虛擬環(huán)境應(yīng)該達(dá)到使用戶難以分辨真假的程度 ^ (

4、3)交互性(Interaction),是指用戶可以對模擬環(huán)境中的物體直接操作 ，并從環(huán)境得到信息或感 受.例如，用戶可以用手去直接抓取模擬環(huán)境中的物體 ，這時(shí)手要有握著東西的感覺，并可以感 覺物體的重量(其實(shí)這時(shí)手里并沒有實(shí)物)，視場中被抓的物體也立刻隨著手的移動(dòng)而移動(dòng) . (4)自主性(Autonomy),是指虛擬環(huán)境中的對象具有依據(jù)物理定律動(dòng)作的能力 .例如,當(dāng)受到 力的推動(dòng)時(shí)，物體會(huì)向力的方向移動(dòng)，或反倒，或從桌面落到地面等[1]. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種為改善人與計(jì)算機(jī)的交互方式 ，提高計(jì)算機(jī)可操作性的人機(jī)界面綜 合技術(shù).與其它計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，虛擬環(huán)境可提供實(shí)時(shí)交互性操作、三維

5、視覺空間和多通道 （視覺、聽覺、觸覺、嗅覺）的人機(jī)界面.虛擬環(huán)境的三維屬性和高保真性 ，使用戶從單純觀 測計(jì)算結(jié)果中解脫出來，沉浸到計(jì)算機(jī)創(chuàng)造的環(huán)境中，通過多種傳感器和多維信息環(huán)境的交互 作用，得到感性和理性的認(rèn)識，從而深化概念并萌生新的創(chuàng)造思維 . 1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)的硬軟件基礎(chǔ) 虛擬現(xiàn)實(shí)的主要硬件設(shè)備包括 ：高性能計(jì)算機(jī)；廣角（寬視野）的立體顯示設(shè)備；觀察者 （頭、眼）的跟蹤設(shè)備；人體姿勢的跟蹤設(shè)備；立體聲設(shè)備；觸覺、力反饋；語言輸入輸出等硬件 設(shè)備[2 ]. 系統(tǒng)交互性是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的首要特性 .為了允許人機(jī)交互，必須使用特殊的人機(jī)接口 與外部設(shè)備，既要允許用戶將信息輸入到計(jì)算

6、機(jī) ，也要使計(jì)算機(jī)能反饋信息給用戶 .今天的外 部設(shè)備在功能和目的上各不相同 .例如，身體運(yùn)動(dòng)由3 - D位置跟蹤器跟蹤，手勢由傳感手套 數(shù)字化，視覺反饋發(fā)送給立體顯示器 ，虛擬聲音由3 - D聲音生成器計(jì)算，觀察方向隨跟蹤球和 操作桿改變等. 虛擬環(huán)境中采用的軟件有四類 ：（1）語言類：如C + +、OpenGL、VRWL等.（2）建模軟 件類：如 AutoCAD、Solid Works、ProPEngineer、I - DEAS、CATIA 等.（3）應(yīng)用軟件類：指用 戶自己的各種需求，選擇或者開發(fā)的自用軟件.（4）通用的商用工具軟件包：幫助用戶建立虛 擬環(huán)境的通用和基本的軟件，

7、可以使用戶顯著地加快虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)程 .可用于建立 虛擬環(huán)境的圖形軟件包有 ：WTK、OpenGL、Java3D、VRML 等. 2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的體系結(jié)構(gòu) 2. 1虛擬環(huán)境的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 虛擬環(huán)境（Virtual Environment , VE） 是體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)所具備的功能的一種計(jì)算機(jī)環(huán) 境.虛擬環(huán)境技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)可以用圖1所示的3-I主角形”來表示，所謂的“-I” 是：Immersion-Interaction-Imagination（沉浸-交互-構(gòu)想）。 典型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)有 VIDEOPLACE 系統(tǒng)、VIEW 系統(tǒng)、Super Vision系統(tǒng)等.VIEW 系統(tǒng)是第一個(gè)走

8、出實(shí)驗(yàn)室進(jìn) 入工業(yè)應(yīng)用的虛擬環(huán)境系統(tǒng)，它允許操作者以自然的交互手段考察全視角的人工世界 ，目前大 多數(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)都是由此發(fā)展而來的 ^ 圖1虛擬現(xiàn)實(shí)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3. 2虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成模塊 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由以下模塊組成 ： （1）輸入模塊：是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的輸入接口 ，其功能是檢測用戶的輸入信號，并通過傳感模塊 作用于虛擬環(huán)境.輸入模塊一般是數(shù)據(jù)手套、頭盔顯示器上的傳感器，用于感應(yīng)手的動(dòng)作、手 和頭部的位置；對于桌面現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)而言，輸入模塊一般是鍵盤、鼠標(biāo)、麥克風(fēng)等 2)傳感器模塊：是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中操作者和虛擬環(huán)境之間的橋梁 .一方面，傳感器模塊接受輸 入模塊

9、產(chǎn)生的信息，并將其作用于虛擬環(huán)境；另一方面將操作后產(chǎn)生的結(jié)果反饋給輸入模塊 (3)響應(yīng)模塊：是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的控制中心.響應(yīng)模塊一般是軟件模塊，其作用是處理來自傳 感器模塊的信息，如根據(jù)用戶視點(diǎn)位置和角度實(shí)時(shí)生成三維模型根據(jù)用戶頭部的位置實(shí)時(shí)生 成聲效. (4)反饋模塊：是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的輸出接口 .其功能是將響應(yīng)模塊生成的信息通過傳感器模塊 傳給輸出設(shè)備，如頭盔顯示器、耳機(jī)等，實(shí)時(shí)渲染視覺效果和聲音效果 . 從系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)來看，虛擬現(xiàn)實(shí)的體系結(jié)構(gòu)如圖 2所示. 幾何內(nèi)諾草鞋 圖2虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu) 2. 3虛擬環(huán)境的實(shí)現(xiàn)方法 產(chǎn)生虛擬環(huán)境的基本方法有兩種 ，即基于圖像的方

10、法(Image - Based Method)和基于模 型的方法(Model -Based Method). 2. 3. 1基于圖像的方法：全景圖生成技術(shù)是基于圖像方法的關(guān)鍵技術(shù) .了解全景圖要先了解 兩個(gè)概念：其一，視點(diǎn) 是指用戶某一時(shí)刻在虛擬實(shí)景空間中的觀察點(diǎn) ，觀測時(shí)所用的焦 距固定.其二，視點(diǎn)空間 是指某一視點(diǎn)處用戶所觀察到的場景 .全景圖實(shí)際上是空間 中一個(gè)視點(diǎn)對周圍環(huán)境的 360度全封閉視圖.根據(jù)視點(diǎn)全景圖允許瀏覽的空間自由度 ，全景圖 可分為柱面全景圖和球面全景圖.全景圖生成涉及圖像無縫連接技術(shù)和紋理映射技術(shù) ，其原始 資料是利用照相機(jī)的平移或旋轉(zhuǎn)得到的部分重疊的序

11、列圖像技術(shù)樣本 .紋理映射技術(shù)用于 形成封閉的紋理映射空間，如柱面紋理映射空間和球面紋理映射空間 .用戶可以在柱面全景 空間進(jìn)行水平360度范圍內(nèi)任意視線切換，在球面全景空間進(jìn)行經(jīng)緯 360度范圍內(nèi)任意視線切 換. 2. 3. 2基于模型的方法：又稱為基于景物幾何的方法 ，是以幾何實(shí)體建立虛擬環(huán)境 .幾何實(shí) 體可采用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)繪制，也可用已有的建模工具如 AutoCAD、3Dstudio等建立模型 然后以統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式輸出，進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染.建立虛擬現(xiàn)實(shí)模型后，通過加入事件響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)移 動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、視點(diǎn)變換等操作，從而實(shí)現(xiàn)交互式虛擬環(huán)境. 基于模型的方法主要涉及以下關(guān)鍵技術(shù) (1

12、)三維實(shí)體幾何建模技術(shù).虛擬環(huán)境的建模是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心內(nèi)容 ，動(dòng)態(tài)建模則是建模 技術(shù)的難點(diǎn).動(dòng)態(tài)建模技術(shù)的目的是獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù) ，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取 的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型 . (2)實(shí)時(shí)渲染技術(shù).如果實(shí)時(shí)性不好，用戶在虛擬環(huán)境中瀏覽或操縱時(shí)，會(huì)出現(xiàn)視覺或聽覺滯 后;如果從一個(gè)視點(diǎn)轉(zhuǎn)向另一個(gè)視點(diǎn)，或操縱虛擬環(huán)境中的物體時(shí)，需要等待很長時(shí)間，用戶很 難在虛擬環(huán)境中獲得參與感和沉浸感 . (3)碰撞檢測、干涉效驗(yàn)及關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng) .在機(jī)械虛擬裝配、機(jī)械設(shè)備虛擬布局等技術(shù)中 ，碰撞檢 測和干涉效驗(yàn)顯得尤為重要.關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)則反映虛擬環(huán)境中物體之間的連動(dòng)關(guān)系 .目前還沒有

13、 很好地解決碰撞檢測的完全性和唯一性問題的高效算法 ，對于虛擬環(huán)境下關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)的研究還 是空白. (4)物理屬性.包括實(shí)體表面光滑程度、光學(xué)效果、軟硬程度、密度、力學(xué)特性等 .軟觸覺與 力反饋是基于模型的虛擬環(huán)境物理屬性的主要實(shí)現(xiàn)方法 .由于軟件瓶頸的限制，虛擬環(huán)境的 物理屬性一直是虛擬技術(shù)的難點(diǎn) . 2. 4虛擬環(huán)境系統(tǒng)的分類方法 根據(jù)顯示方式可分為桌面式、佩帶式和全景式 [3 ]. 桌面式系統(tǒng)場景通過計(jì)算機(jī)屏幕顯示 ，用戶用立體眼鏡觀察，聲音由臺式或室內(nèi)音響系統(tǒng) 提供. 佩帶式是用頭盔將用戶視聽覺與外界隔離 ，使用戶完全沉浸在計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中 計(jì)算機(jī)通過位置跟蹤器、

14、數(shù)據(jù)手套或跟蹤球等感知用戶的運(yùn)動(dòng)、姿態(tài)及行為 ，并反饋到場景 及聲音系統(tǒng)中，產(chǎn)生人在其中的效果. 全景式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是投影系統(tǒng)，生成洞穴式虛擬現(xiàn)實(shí).觀察者佩帶立體眼鏡和頭部跟 蹤器，當(dāng)觀察者移動(dòng)時(shí)，立體投影生成器計(jì)算出各面墻上的圖像 . 根據(jù)與外界真實(shí)世界的關(guān)系可分為封閉式與開放式兩類 ^ 封閉式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)不與真正世界發(fā)生交互 ，任何操作不對外界產(chǎn)生直接影響，例如娛樂 系統(tǒng)或單純的驗(yàn)證預(yù)演、仿真系統(tǒng) . 開放式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)則通過傳感器和控制器與外界構(gòu)成交互作用 ，系統(tǒng)可根據(jù)用戶要求 對外界產(chǎn)生直接作用并彳#到相應(yīng)反饋信息 ，例如遙控機(jī)器人、遙控空間站及遙控手術(shù)系統(tǒng)等 根據(jù)采用

15、的計(jì)算機(jī)不同可以分為基于微機(jī)的系統(tǒng)、基于工作站和分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) . 基于微機(jī)的系統(tǒng)由486以上的計(jì)算機(jī)構(gòu)成，由圖形加速卡將生成的壓縮圖像信息，經(jīng)解 壓縮和制式轉(zhuǎn)換后分別送到左右眼顯示器顯示圖像 ；三維聲效卡產(chǎn)生三維聲音；位置跟蹤器 跟蹤頭部位置的變化. 基于工作站的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)采用若干個(gè) UNIX工作站，通過以太網(wǎng)構(gòu)建服務(wù)器接口 .系 統(tǒng)采用Fastrak低頻磁場方向跟蹤器跟蹤操作手的位置 ，用RM n力反饋手套檢測手指的彎 曲姿態(tài)，服務(wù)器SUN4P380通過數(shù)據(jù)獲取板讀取力反饋手套 RM n的檢測數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測到虛擬 手指與物體接觸時(shí)，根據(jù)物體的物理機(jī)械特性向反饋手套輸出反饋數(shù)

16、據(jù) ，使操作手產(chǎn)生觸覺， 并向圖像處理服務(wù)器 HP715P75輸出物體變形數(shù)據(jù)，產(chǎn)生變形圖像.服務(wù)器SUN ELC運(yùn)行 聲音處理程序，發(fā)出相應(yīng)聲音. 分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以使設(shè)計(jì)者和工程師用三維方式進(jìn)行實(shí)時(shí)交互 ，及時(shí)消除設(shè)計(jì) 上的缺陷，縮短產(chǎn)品投放市場的時(shí)間. 3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域 3. 1在汽車制造業(yè)的應(yīng)用 近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車制造業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用 .例如，美國通用汽車公司利用虛 擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) CAVE(Computer - Assisted Virtual Environment) 來體驗(yàn)置于汽車之中的感受 ，其 目標(biāo)是減少或消除實(shí)體模型，縮短開發(fā)周期.CA

17、VE系統(tǒng)同樣可用來進(jìn)行車型設(shè)計(jì)，可以從不 同的位置觀看車內(nèi)的景像，以確定儀器儀表的視線和外部視線的滿意性和安全性 ^ 1997年5月福特公司宣布，它已成為第一個(gè)著眼于 地球村”概念的采用計(jì)算機(jī)虛擬設(shè) 計(jì)裝配工藝的汽車廠商.使用虛擬工廠”已經(jīng)使得福特公司的產(chǎn)品開發(fā)節(jié)約時(shí)間、降低成 本,并使設(shè)計(jì)的汽車更適合組裝和維修 ，具有很高的質(zhì)量.福特公司使用 虛擬工廠”的戰(zhàn)略 目標(biāo)是減少生產(chǎn)中采用的 90 %的實(shí)體模型，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)將為福特公司每年節(jié)省 2億美元. 據(jù)估計(jì)，使用虛擬工廠”將在推出一輛新車的過程中減少 20 %的因生產(chǎn)原因修改最初設(shè)計(jì)的 事件.同時(shí)，福特公司正在嘗試全新概念的發(fā)動(dòng)

18、機(jī) 虛擬樣機(jī)”設(shè)計(jì). 英國航空實(shí)驗(yàn)室采用一個(gè)高分辨率頭盔顯示器、一個(gè)數(shù)據(jù)手套、一個(gè)三維系統(tǒng)音響 和一臺工作站為用戶提供了一個(gè)由計(jì)算機(jī)生成的虛擬轎車客艙 ，設(shè)計(jì)人員能夠精確研究轎 車內(nèi)部的人體工程學(xué)參數(shù)，并且在需要時(shí)可以修改虛擬部件的位置 ，進(jìn)而可以在仿真系統(tǒng)中重 新設(shè)計(jì)整個(gè)轎車內(nèi)部. 雷諾汽車公司采用了在 現(xiàn)實(shí)生活”的背景下加人虛擬汽車”的方法來評估待開發(fā)的新 車型.“City Flee僦是虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的產(chǎn)物 ，它將計(jì)算機(jī)生成的虛擬汽車和實(shí)際拍攝的城 市場景鏡頭完美地結(jié)合在一起，以得到真實(shí)車的感覺.因此不必制造物理原型就能夠檢測將 要推向市場的汽車檢驗(yàn)造型與環(huán)境的匹配及適應(yīng)性，

19、這對減少汽車新車型開發(fā)周期無疑將起 積極作用. 3. 2在飛行仿真領(lǐng)域的應(yīng)用 飛行仿真系統(tǒng)由四部分組成，即飛行員的操縱艙系統(tǒng)、顯示外部圖像的視覺系統(tǒng)、產(chǎn)生 運(yùn)動(dòng)感的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、計(jì)算和控制飛行運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) ^ 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是飛行仿真系統(tǒng)的中樞 用它來計(jì)算飛行的運(yùn)動(dòng)、控制儀表及指示燈、駕駛 桿等信號.視覺系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實(shí)密切相關(guān) ，其中，視覺系統(tǒng)向飛行員提供外界的視 覺信息.該系統(tǒng)由產(chǎn)生視覺圖像的 圖像產(chǎn)生部”和將產(chǎn)生的信號提供給飛行員的 視覺顯示 部”組成.在圖像產(chǎn)生部，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)在使用稱為CGI(Computer Generated Imagery)的視覺產(chǎn)

20、生裝置.在CGI中利用紋理圖形駕駛可以產(chǎn)生云彩、海面的波浪等效果 . 此外,利用圖像映射駕駛可以從航空照片上將農(nóng)田以及城市分離出來 ，并作為圖像數(shù)據(jù)加以利 用.視覺顯示部向飛行員提供具有真實(shí)感的圖像 ，圖像的顯示有無限遠(yuǎn)顯示方式、廣角方式、 半球方式以及立體眼鏡和頭盔式顯示器等四種方式 .作為飛行仿真系統(tǒng)的構(gòu)成部分，運(yùn)動(dòng)系 統(tǒng)向飛行員提供一種身體感覺，它使得駕駛艙整體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。利用該運(yùn)動(dòng)系統(tǒng) ，飛行員可以感 覺到實(shí)際飛機(jī)一樣的運(yùn)動(dòng)感覺 . 3. 3在虛擬實(shí)驗(yàn)方面的應(yīng)用 虛擬風(fēng)洞：為了設(shè)計(jì)出阻力小的機(jī)翼，人們必須詳細(xì)分析機(jī)翼的空氣動(dòng)力學(xué)特性 .因此，人 們發(fā)明了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方法，通過

21、使用煙霧氣體使得人們可以用肉眼直接觀察到氣體與機(jī)翼的作 用情況，因而大大提高了人們對機(jī)翼的動(dòng)力學(xué)特性的了解 .虛擬風(fēng)洞的目的是讓工程師分析 多旋渦的復(fù)雜三維性質(zhì)和效果、空氣循環(huán)區(qū)域、旋渦被破壞時(shí)的亂流等 ，而這些分析利用通 常的數(shù)據(jù)仿真是很難可視化的 . 虛擬物理實(shí)驗(yàn)室：虛擬物理實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)，使得學(xué)生可以通過親身實(shí)踐 做、看、聽 成為可能.使用該系統(tǒng)，學(xué)生們可以很容易的演示和控制力的大小、物體的形變與非形變碰 撞、摩擦等物理現(xiàn)象.為了顯示物體的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以對不同大小和質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行軌跡 追蹤，還可以停止時(shí)間的推移，以便仔細(xì)觀察隨時(shí)間變化的現(xiàn)象.學(xué)生可以通過使用數(shù)據(jù)手套 與系統(tǒng)進(jìn)行

22、各種交互. 虛擬電力控制室：在現(xiàn)行的電力控制室的設(shè)計(jì)中 ，控制臺以及顯示器的設(shè)計(jì)一般是用與實(shí) 物同等大小的模型[4 ].研究人員使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研制了一個(gè)輔助設(shè)計(jì)控制室的系統(tǒng) .使 用該系統(tǒng)可以自由地改變控制室內(nèi)的配色、照明、報(bào)警、顯示器的畫面構(gòu)成 ，以及各種儀表 的配置等室內(nèi)環(huán)境.此外，用戶還可以在室內(nèi)移動(dòng)，以便從不同方向觀察室內(nèi)情況 . 3. 4在教育培訓(xùn)領(lǐng)域的應(yīng)用 虛擬環(huán)境在呈獻(xiàn)知識信息方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢 ，它可以在廣泛的科目領(lǐng)域提供無限的 VR體3較，從而加速和鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)知識的過程 .例如，核電站或霧中著陸等危險(xiǎn)環(huán)境可在對 受訓(xùn)者毫無威脅的情況下進(jìn)行精確模擬 .模擬器

23、的容錯(cuò)特點(diǎn)使受訓(xùn)者能親身體驗(yàn)到在現(xiàn)實(shí) 生活中體驗(yàn)不到的經(jīng)歷.飛行模擬器、駕駛模擬器是培訓(xùn)飛行員和汽車駕駛員的一種非常有 用的工具.因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用前景 .例如， 在建筑工程學(xué)：交互性地參觀還沒有完工的辦公大摟，尋覓裝飾的構(gòu)思；或者參觀房屋模 型,學(xué)習(xí)建筑原理.參觀世界各地的經(jīng)典建筑，尋找建筑設(shè)計(jì)的靈感. 在考古學(xué)方面：參觀世界上你不可能到達(dá)的博物館，研究從未對公眾開放過的私人收藏的 繪畫或雕塑. 在生物教育方面：操縱分子模型，觀察不同藥物的立體結(jié)構(gòu)圖像；或者沿著叢林小溪來研 究海貍的習(xí)性，等等. 3. 5在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 2001年9月7日，一名美國紐

24、約市的法國醫(yī)生通過遙控機(jī)器人為遠(yuǎn)在大西洋彼岸的一名法 國婦女成功地實(shí)施了腹腔手術(shù).醫(yī)生通過監(jiān)視器，操作兩只裝有內(nèi)窺鏡、手術(shù)刀和鐐子等手術(shù) 器械的機(jī)械臂，成功地切除了病變的膽囊組織 . 科學(xué)家們最近發(fā)明了一種 虛擬現(xiàn)實(shí)”裝置，使原本微小的細(xì)胞看上去有足球場那么大 .這 樣，就可以更微觀地對細(xì)胞進(jìn)行研究 .這種 虛擬現(xiàn)實(shí)”裝置的外形，像一個(gè)頭盔，可以戴在頭上 它利用一個(gè)分辨率極高的顯微鏡獲取數(shù)據(jù) ，然后再對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，傳送到使用者的視野 里,可以十分輕松地觀察到t管里的研究對象 .采用這種技術(shù)，可以更加方便地進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn) ， 甚至能夠感受”到顯微鏡下不同物體的組織結(jié)構(gòu) . 芝加哥的

25、伊利諾斯大學(xué)采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)分析神經(jīng)系統(tǒng)的工作原理 .項(xiàng)目主要包括電 場可視化、大腦皮層仿真及普爾欽神經(jīng)效應(yīng)仿真.該項(xiàng)目推動(dòng)了低成本虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)作為可 視化工具的研究. 3. 6在軍事上的應(yīng)用 虛擬現(xiàn)實(shí)在軍事上有著廣泛的應(yīng)用和特殊的價(jià)值 ，如新式武器的研制和裝備、作戰(zhàn)指揮 模擬、武器的使用培訓(xùn)等都可以應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) .虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已被用于探索、評價(jià)當(dāng)今 的士兵將怎樣在無實(shí)際環(huán)境支持下掌握新武器的使用及其戰(zhàn)術(shù)性能等 .人們希望虛擬域最 終將提供與真實(shí)域相當(dāng)?shù)乃械默F(xiàn)實(shí)性 ，而且沒有費(fèi)用、組織、天氣和時(shí)間等等方面的明顯 缺陷.虛擬域是可重復(fù)的、 交互的、三維的、精確的、 可重配置的

26、和可連網(wǎng)的，它將成為軍事 訓(xùn)練的重要媒體. 近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，使得軍事演習(xí)在概念上和方法上有了一個(gè)新的飛躍 ，即通 過建立虛擬戰(zhàn)場來檢驗(yàn)和評估武器系統(tǒng)的性能 .例如一種虛擬戰(zhàn)場環(huán)境，它能夠包括在地面 行進(jìn)的坦克和裝甲車，在空中飛行的直升機(jī)、殲擊機(jī)、導(dǎo)彈等多種武器平臺 ，并分別屬于紅、 藍(lán)交戰(zhàn)雙方.作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的主要研究目的是對飛機(jī)的飛行、火控、航空電子系統(tǒng)進(jìn)行綜合 研究，同時(shí)研究多機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù) .1998年10月，我國空軍首次在由126臺計(jì)算機(jī)組成的遠(yuǎn) 程分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上，成功地進(jìn)行了一場高技術(shù)條件下的空軍戰(zhàn)役對抗演習(xí) ，從而實(shí)現(xiàn)了從 圖上談兵”到網(wǎng)上演兵”. 4. 虛

27、擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶來的哲學(xué)思考 虛擬現(xiàn)實(shí)的廣泛用途，把計(jì)算機(jī)應(yīng)用提高到一個(gè)嶄新的水平， 其作用和意義顯而易見。此外， 還可從更高的層次上來看待其作用和意義。 一是在觀念上，從“以計(jì)算機(jī)為主體”變 成“以 人為主體”。二是在哲學(xué)上使人進(jìn)一步認(rèn)識“虛”和“實(shí)”之間的關(guān)系。虛和實(shí)的關(guān)系是一 個(gè)古老的哲學(xué)命題。 我們是處于真實(shí)的客觀世界中， 還是只處于自己感覺世界中， 一直是唯 物論和唯心論爭論的焦點(diǎn)。 以視覺為例，我們所看到的一切， 不過是視網(wǎng)膜上的影像。 過去， 視網(wǎng)膜上的影像都是真實(shí)世界的反映， 因此客觀的真實(shí)世界同主觀的感覺世界是一致的。 現(xiàn) 在，虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)致了二重性， 虛擬現(xiàn)實(shí)的景物對人

28、感官來說是實(shí)實(shí)在在的存在， 但它又的的 確確是虛構(gòu)的東西。 可是，按照虛構(gòu)東西行事，往往又會(huì)得出正確的結(jié)果。 因此就引發(fā)了哲 學(xué)上要重新認(rèn)識“虛”和“實(shí)”之間關(guān)系的課題。 參考文獻(xiàn)： [1 ]陳定方，羅亞波，周麗琨，等.《虛擬設(shè)計(jì)》.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002. [2 ]朱名鈴，張樹生，揚(yáng)茂奎，等.《虛擬制造系統(tǒng)與實(shí)現(xiàn)》 .西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社,2001. [3 ]嚴(yán)雋琪，范秀敏，馬登哲，等.《虛擬制造的理論、 技術(shù)基礎(chǔ)與實(shí)踐》.上海:上海交通大學(xué)出 版社,2003. [4 ]袁淵，古軍,習(xí)友寶，等.《虛擬儀器基礎(chǔ)教程》.成都:電子科技大學(xué)出版社,2002. [5]羅批，胡曉峰，司光亞，《虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高層決策訓(xùn)練中的應(yīng)用研究》 ，刊登于《計(jì)算 機(jī)仿真》2009.1 [6]司光亞，胡曉峰，李志強(qiáng)，楊雪生， 《虛擬戰(zhàn)爭空間模型研究》，刊登于《計(jì)算機(jī)仿真》 2009.1