虚拟现实技术的论文

虚拟现实技术的论文（精选8篇）

虚拟现实技术的论文 篇1

纪实

(东北石油大学计算机与信息技术学院,黑龙江,大庆163318)

【摘 要】虚拟现实技术是由计算机产生，通过视、听、触觉等作用，使用户产生身临其境感觉的交互式视景仿真，具有多感知性、存在感、交互性和自主性等特征，文章介绍了动态环境建模技术，实时三维图形生成技术，立体显示和传感器技术，应用系统开发工具，系统集成技术。目前已在军事、医学、设计和娱乐等领域得到了广泛应用。美日等发达国家对其进行了广泛的研究，取得了重大成果。国内的研究也取得了一定的成果。

【关键词】虚拟现实技术 虚拟环境 研究现状

引言

随着计算机网络技术的飞速发展，监控技术已经成为当代发展迅速、应用广泛的技术之一，操作人员可以通过互联网直接监控现场设备的数据。但传统的远程监控界面主要是二维或是伪三维的界面，其真实感和交互感都比较差。针对这种情况，对虚拟现实远程监控技术进行了研究，从而创建了三维场景的远程监控界面。

一、虚拟现实技术及其特征

虚拟现实是一种由计算机和电子技术创造的新世界，是一个看似真实的模拟环境，通过多种传感设备，用户可根据自身的感觉，使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察和操作，参与其中的事件，同时提供视、听、触等直观而又自然的实时感知，并使参与者 “沉浸”于模拟环境中。[1]

虚拟现实技术(VR)主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知。自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入做出实时响应，并分别反馈到用户的五官。传感设备是指三维交互设备。常用的有立体头盔、数据手套、三维鼠标、数据衣等穿戴于用户身上的装置和设置于现实环境中的传感装置，如摄像机、地板压力传感器等。

VR具有以下四个重要特征：多感知性。指除一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知，甚至还包括味觉、嗅觉、感知等。理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知功能。存在感。指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难辨真假的程度。交互性。指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。自主性。指虚拟环境中的物体依据现实世界物理运动定律动作的程度。

虚拟现实的关键技术主要包括：动态环境建模技术，实时三维图形生成技术，立体显示和传感器技术，应用系统开发工具，系统集成技术。[2]

二、国外虚拟现实技术的研究现状

虚拟现实技术一经应用，就向人们展示了诱人的前景。因此世界各国特别是发达国家进行了广泛的研究。这里主要介绍美国和日本研究现状。

1、美国的研究现状

美国是VR技术的发源地。美国VR研究技术的水平基本上就代表国际VR发展的水平。目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件

和硬件四个方面。

美国宇航局的Ames实验室：将数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品。在约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真。大量运用了面向座舱的飞行模拟技术。对哈勃太空望远镜的仿真。现在正致力于一个叫 “虚拟行星探索”(VPE)的试验计划。[3]现在 NASA 己经建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并且已经建立了可供全国使用的VR教育系统。[4]

北卡罗来纳大学(UNC)的计算机系是进行VR研究最早最著名的大学。他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。

Loma Linda大学医学中心的David Warner博士和他的研究小组成功地将计算机图形及VR的设备用于探讨与神经疾病相关的问题，首创了VR儿科治疗法。

麻省理工学院(MIT)是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋，这些技术都是VR技术的基础，1985年MIT成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。

华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室(HITLab)将VR研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。[5]

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。乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统。

从 9O年代初起，美国率先将虚拟现实技术用于军事领域，主要用于以下四个方面：一是虚拟战场环境。二是进行单兵模拟训练。三是实施诸军兵种联合演习。四是进行指挥员训练。

2、日本的研究现状

在当前实用虚拟现实技术的研究与开发中日本是居于领先地位的国家之一，主要致力于建立大规模VR知识库的研究。另外在虚拟现实的游戏方面的研究也做了很多工作。

东京技术学院精密和智能实验室研究了一个用于建立三维模型的人性化界面。

NEC公司开发了一种虚拟现实系统，它能让操作者都使用 “代用手”去处理三维CAD中的形体模型，该系统通过数据手套把对模型的处理与操作者手的运动联系起来。

京都的先进电子通信研究所(ATR)正在开发一套系统，它能用图像处理来识别手势和面部表情，并把它们作为系统输入。

日本国际工业和商业部产品科学研究院开发了一种采用X、Y记录器的受力反馈装置。

东京大学的高级科学研究中心将他们的研究重点放在远程控制方面，最近的研究项目是主从系统。该系统可以使用户控制远程摄像系统和一个模拟人手的随动机械人手臂。[6]

东京大学原岛研究室开展了3项研究：人类面都表情特征的提取、三维结构的判定和三维形状的表示、动态图像的提取。

东京大学广濑研究室重点研究虚拟现实的可视化问题。为了克服当前显示和交互作用技术的局限性，他们正在开发一种虚拟全息系统。

筑波大学研究一些力反馈显示方法，开发了九自由度的触觉输入器，虚拟行走原型系统。[7]

富士通实验室有限公司正在研究虚拟生物与VR环境的相互作用。他们还在研究虚拟现实中的手势识别，已经开发了一套神经网络姿势识别系统，该系统可

以识别姿势，也可以识别表示词的信号语言。

三、我国虚拟现实技术的研究现状

和一些发达国家相比，我国VR技术还有一定的差距，但已引起政府有关部门和科学家们的高度重视。根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究。九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把VR列入了研究项目。在紧跟国际新技术的同时，国内一些重点院校，已积极投入到了这一领域的研究工作。国内最早开展此项技术试验的是挂靠在西北工业大学电子工程系的西安虚拟现实工程技术研究中心。[8]该中心的成立，对发挥学校电子信息工程学院等其他院系和研究所在虚拟现实、虚拟仿真与虚拟制造等方面的研究优势将具有积极作用。

北京航空航天大学计算机系也是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，他们首先进行了一些基础知识方面的研究，并着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发出部分硬件，并提出有关算法及实现方法；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，可以提供实时三维动态数据库，提供虚拟现实演示环境．提供用于飞行员训练的虚拟现实系统，提供开发虚拟现实应用系统的开发平台，并将要实现与有关单位的远程连接。[9]

浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，采用了层面迭加绘制技术和预消隐技术，实现了立体视觉，同时还提供了方便的交互工具，使整个系统的实时性和画面的真实感都达到了较高的水平。另外，他们还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。

哈尔滨工业大学已轻成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成，表情的合成和唇动的合成等技术问题，并正在研究人说话时头势和手势动作，话音和语调的同步等。

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，例如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感实验等方面都具有不少独特的方法。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，并获取物体三堆结构的新颖算法。

西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术～立体显示技术进行了研究。他们在借鉴人类视觉特性的基础上提出了一种基于JPEG标准压缩编码新方案，并获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度，并且己经通过实验结果证明了这种方案的优越性。另外，西北工业大学CAD ／CAM研究中心、上海交通大学图像处理模式识别研究所，长沙国防科技大学计算机研究所、华东船舶工业学院计算机系、安徽大学电子工程与住处科学系等单位也进行了一些研究工作和尝试。

四、虚拟现实技术的进一步展望

虚拟现实技术是许多相关学科领域交叉、集成的产物。它的研究内容涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制、心理学等。虽然这个领域的技术潜刀是巨大的，应用前景也是很广阔的，但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。客观而论，目前虚拟现实技术所取得的成就，绝大部分还仅仅限于扩展了计算机的接口能力，仅仅是刚刚开始涉及到人的感知系统和肌肉系统与计算机结合作用问题，还根本未涉及 “人在实践中

得到的感觉信息是怎样在人的大脑中存储加工处理成为人对客观世界的认识”这一重要过程。[10]只有当真正开始涉及并找到对这些问题的技术实现途径时，人和信息处理系统间的隔阂才有可能被彻底的克服。我们期待着有朝一日，虚拟现实系统成为一种对多维信息处理的强大系统，成为人进行思维和创造的助手和对人们已有的概念进行深化和获取新概念的有力工具。

参考文献：

[1] 巫 影.虚拟现实技术综述[J].计算机与数字工程,2002,30(1): 41-44.[2] 吴 迪,黄文骞．虚拟现实技术的发展过程及研究现状[J].海洋测绘,2002,22(6): 15-17.[3] 蒋庆全.国外VR技术发展综述[J].飞航导弹,1998,2002,(1): 27—34.[4] 周前祥.航天虚拟现实仿真技术的研究发展[J].科技导报,1998,(10): 35-38.[5] 李珍香.虚拟现实技术在煤矿安全中的应用研究[J].煤炭技术,2000,19(6): 27-28.[6] 赵春霞.虚拟现实的发展及在机器人系统中的应用与研究[J].机器人, 1999,21(5): 39-400.[7] 约 翰•布里格斯.虚拟现实(VR)技术[J].现代技能开发,1997,(8): 41.[8] 梅中义.虚拟现实(VR)技术及其应用前景[J].航空工业技术,1996,(3): 3-6.[9] 王国庆.虚拟现实(VR)技术及其应用[J].航空计算技术,1994,(2):1-2.[10] 李 忠.虚拟现实技术综述与基于Internet的虚拟培训系统设计[J].计算机工程与应用,2002,(15): 127-149.作者简介：纪实（1990—），男，辽宁省铁岭人，东北石油大学计算机与信息技术学院学生。

工作单位：东北石油大学计算机与信息技术学院

通讯地址：东北石油大学启智4B414，邮编：163318

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虚拟现实技术的论文 篇2

虚拟现实技术 (VR) , 它集成了计算机图形学、多媒体、人工智能、多传感器、网络并相互作用于三维图形世界, 它具有多感知性、沉浸性、交互性、自主性和思维构想性等特点, 使用者通过输入设备, 便可以进入虚拟空间成为虚拟环境中的一员, 进行实时交互, 感知和操作虚拟世界的各种对象, 从而获得身临其境的感受。

2. 虚拟现实技术的发展现状

虚拟现实技术是20世纪90年代为科学界和工程界所关注的技术, 通过多年的发展与改进, 正在逐步趋于完善。美国作为VR技术的发源地, 其研究水平代表了国际VR发展的水平。目前, 美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。英国在VR开发的某些方面, 特别是在分布并行处理、辅助设备 (包括触觉反馈) 设计和应用研究方面是领先的, 尤其是在欧洲。我国VR技术研究起步较晚, 与国外发达国家还有一定的差距, 但现在已引起国家有关部门和科学家们的高度重视, 并根据我国的国情, 制定了开展VR技术的研究计划。

3. 虚拟现实技术在职业教育中的应用

3.1 知识学习

虚拟现实技术使学生在虚拟现实系统中学习各种知识, 再现生活中无法观察到的自然现象和事物的变化过程, 并且使抽象的概念、理论直观化、形象化。

3.2 道德教育

由于信息技术的发展, 网络已经成为学生们了解世界的一个平台, 开发较好的虚拟现实系统, 从正面引导学生, 对学生的道德素质教育起着非常重要的作用。

3.3 实践教学

实践教学的特性是目标明确、专业针对性强, 在虚拟教学系统中, 可以及时的淘汰落后的教学设备, 使新的技术、知识融入到实践过程中, 真正做到理论联系实际。更重要的是虚拟现实的沉浸性和交互性, 使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色, 全身心地投入到各种各样的技能训练中去, 这非常有利于对学生实践能力的培养。

3.4 顶岗实训

现在职业教学面临的最大困难是如何使学生毕业之后就能够立刻顶岗工作, 这就要求学校为学生创造真实的工作机会及工作环境, 但是, 在实际情况中由于各方面的条件限制, 学校很难做到这一点。比如建筑行业, 要做到学生毕业后就能顶岗工作, 则要求学生在校期间就参与到项目工程建设的各个方面中, 由于建筑行业项目开发周期的漫长和数量的相对稀少, 使得这种顶岗实训的过程不全面且机会稀少。利用虚拟现实系统, 可以缩短建筑周期, 为学生提供无限量的顶岗实训机会, 并且能减少危险和提高学生的兴趣。

3.5 创新培训

学生在学习过程中经常会提出各种新设想, 但由于现实条件的限制, 如资金的缺乏、设备的缺乏等, 很多学生就放弃了实践验证的机会。虚拟系统能够为学生提供一个安全的平台来做各种创新实践, 验证自己的新设想, 这样就会大大提高学生的创新能力, 从而加速我国科技水平的发展。

3.6 提升综合素质

在虚拟系统中, 可以综合各种资源, 使学生能够得到广泛的知识教育。由于各个领域的相互渗透, 使得社会需求综合性人才, 现实中各种条件的限制, 学生不太容易系统的学习多个专业的知识, 但在虚拟现实系统中, 可以打破专业学科的限制, 使学生能够多方面的获得知识, 做到博而又专, 提高其自身的综合素质, 扩大毕业后的就业面。

4. 开发我国虚拟现实系统的建议

4.1 将虚拟现实技术的应用性与游戏性相结合

游戏与学习融为一体, 更容易使职业学院学生所接受, 游戏可以使学生掌握分析技术, 学习如何进行团队建设, 以及在作业的同时解决问题。比如国外的“二度人生 (Second Life) ”游戏中的教学平台, 由于它的娱乐性和对现实条件的真实模拟, 在其间的学习成为一项有趣的挑战并在团队的背景下给人以享受, 因此, 它能大大的提高学习者兴趣, 使学习变成娱乐。

4.2 学校与企业合作开发

由于虚拟现实技术是多种科学技术的集成。学校中除了专门的三维教师外, 其他的专业教师对三维技术的制作水平远远落后于当前世界的水平, 而很多网络游戏企业对于三维游戏的开发已经达到很高的水平, 但对职业教育并不熟悉, 这就需要学校和企业合作, 达到资源共享, 才能更好、更快地开发虚拟现实系统。

摘要：本文简介了虚拟现实技术在国内外的发展现状, 分析了虚拟现实技术在职业教育中的应用, 并对我国虚拟教学在职业技术教育领域的发展提出了建议。

关键词：虚拟现实技术,虚拟教学系统,职业技术教育

参考文献

[1]翟卫青, 孙小军.虚拟现实技术在职业教育实践教学中的应用[J].内江科技, 2006, (2) .

[2]刘耀林, 孔建益, 蒋国璋, 孙亮波.虚拟现实技术的发展[J].湖北工业大学学报, 2005, (3) .

[3]郑彦平, 贺钧.虚拟现实技术的应用现状及发展[J].信息技术, 2005, (12) .

虚拟现实技术的论文 篇3

关键词：虚拟现实技术基于DirectX骨骼蒙皮

1虚拟现实基本概念：

虚拟现实(Virtual Reality，简称V R)，是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境。具体地说，就是利用三维图形的生成技术、多传感的交互技术以及高分辨率的显示技术，生成三维逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境。使用者通过特殊的头盔、数据手套等传感设备，或利用键盘、鼠标等输入设施，便可以进入虚拟空间，成为虚拟环境中的一员，与虚拟环境进行实时交互、感知和操作虚拟世界中的各种对象。从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。

一个完整的虚拟现实系统由下面三部分构成。

1.1虚拟环境产生器。一个能产生三维世界的软、硬件环境是VR系统的核心部件。它的主要功能是接收被试相关的运动信息(如头部、眼、手等)，并融合成三维立体图像，同时进行三维声音合成和发出触觉、压力等反馈信号。

1.2输入输出设备。其目的是使被试能通过视觉、听觉和触觉等方式与虚拟环境实现信息的交互作用。主要包括头盔显示器、操纵杆和数据手套等，它们是被试与虚拟环境建立联系的关键。

1.3数据接口。其作用是将虚拟环境产生器、输入输出设备以及被试等有机连接成一体，这不仅包括硬件协配问题，也包括软、硬件联调以及人机界面等技术内容。

2虚拟现实的基本特征：

VR技术的发展始终围绕它的三个特征而前进，即沉浸感、交互性和构想。

2.1沉浸感。是指计算机生成的虚拟世界能给人一种身临其境的感觉，如同进入了一个真实的客观世界。

2.2交互性。是指人能够很自然地跟虚拟世界中的对象进行交互操作或者交流。计算机能根据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动，来调整系统呈现的图像及声音。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。

2.3构想。由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动的传感及反映装置。因此可使人沉浸其中并且获取新的知识，提高感性和理性认识.从而深化概念并萌发新意，启发人的创造性思维。

3骨骼蒙皮技术

3.1理解骨骼和骨骼层次结构首先要明确一个观念：骨骼决定了模型整体在世界坐标系中的位置和朝向。模型又有静态模型和动画两种。静态模型没有骨骼，在世界坐标系中放置静态模型时，只要指定模型自身坐标系在世界坐标系中的位置和朝向即可。在骨骼动画中。不是把Mesh直接放到世界坐标系中，Mesh只是作为Skin使用的，是依附于骨骼的，真正决定模型在世界坐标系中的位置和朝向的是骨骼。在渲染静态模型时，由于模型的顶点都是定义在模型坐标系中的，所以各顶点只要经过模型坐标系到世界坐标系的变换后就可进行渲染。而对于骨骼动画，我们设置模型的位置和朝向，实际是在设置与骨骼的位置和朝向，然后根据骨骼层次结构中父子骨骼之间的变换关系计算出各个骨骼的位置和朝向，然后根据骨骼对Mesh中顶点的绑定计算出顶点在世界坐标系中的坐标，从而对顶点进行渲染。在骨骼动画中，骨骼才是模型主体，Mesh不过是一层皮，一件衣服。

蒙皮(skinning)就是给物体附上皮肤。三维网络构成物体，如人形时，在关节与关节之间会出现断裂的现象，与真人有很大的差别。消除这种断裂现象的技巧就是蒙皮技巧。就像人的骨架一样，一旦有了蒙皮就将看不到关节了。蒙皮是一种高级编程技巧，没有蒙皮就会严重影响视觉效果。对于三维人物动画而言，首先是使用建模工具创建模型，然后创建人物模型的骨骼，接下来便是将模型与骨骼绑定在一起，绑定的过程称为“蒙皮”。骨骼被蒙皮后，可以使人物的模型随骨骼一起运动，并在骨骼运动时产生相应的变形。

在关节动画的基础上，利用顶点混合(Vertex BIend)技术，对于关节附近的顶点，由影响这些顶点的两段{或多段)骨骼运动，分别赋以权值，共同决定顶点位置。相当于在骨骼关节上动态蒙皮，有效解决了裂缝问题。

3.2骨骼蒙皮动画原理和结构分析骨骼蒙皮动画(SkinnedMesh)包含骨骼(Bone)和蒙皮(Skinned Mesh)两个部分。Bone的层次结构和关节动画类似，Mesh则和关节动画不同：关节动画中是使用多个分散的Mesh，而Skinned Mesh中Mesh是一个整体，也就是说只有一个Mesh.实际上如果没有骨骼让Mesh运动变形，Mesh就和静态模型一样了。骨骼蒙皮动画技术的精华在于蒙皮。所谓的皮并不是模型的贴图，而是Mesh本身，蒙皮是指将Mesh中的顶点附着(绑定)在骨骼之上，而且每个顶点可以被多个骨骼所控制，这样在关节处的顶点由于同时受到父子骨骼的拉扯而改变位置就消除了裂缝。

为了有皮肤功能，Mesh还需要蒙皮信息，即Skin数据，没有SkIn数据就是一个普通的静态Mesh了。Skin数据决定顶点如何绑定到骨骼上。顶点的Skin数据包括顶点受哪些骨骼影响以及这些骨骼影响该顶点时的权重(weight)，另外对于每块骨骼还需要骨骼偏移矩阵(BoneOffsetMatrix)用来将顶点从Mesh空间变换到骨骼空间。骨骼动画中的Mesh特指这个皮肤Mesh，模型是指骨骼动画模型整体。骨骼控制蒙皮运动，而骨骼本身的运动当然就是动画数据了。每个关键帧中包含时间和骨骼运动信息，运动信息可以用一个矩阵直接表示骨骼新的变换，也可用四元数表示骨骼的旋转。也可以随便自己定义，只要能让骨骼动就行。除了使用编辑设定好的动画帧数据，也可以使用物理计算对骨骼进行实时控制。

4结束语

虚拟现实技术在船舶制造中的应用 篇4

曼恒数字为南通航运职业学院建设了一套船舶建造仿真实训系统，通过动画、声音以及特有的三维模拟方式，为用户营造一个真实的环境，把船舶建造的场景和工艺流程等逼真地呈现出来。

船舶工业是一项劳动密集型、技术密集型和资金密集型的产业。船舶产品是一个巨大的复杂系统，而且大多是少量或单件生产的产品，每艘船舶都由数以千计甚至上万件的零部件和中间产品。

怎样将这些复杂的船舶建造过程通过形象而逼真的方式表现出来，让学生能轻而易举的掌握船舶知识，并印象深刻呢？

虚拟现实船舶建造仿真实训系统通过对船厂厂区及设施、船舶内部结构和布置、船体建造常规工艺流程进行逼真的3D可视化虚拟展示。通过人机互动形式，与虚拟环境中的船体模型进行交互操作，完成钢材预处理、钢材切割、钢材弯曲成型等。同时，该系统还提供了船体装配功能，通过模拟真实的装配方式，帮助学生了解船体装配流程船体构造。

虚拟现实技术的论文 篇5

虚拟现实技术在煤矿安全中的应用研究

李珍香1, 杜红兵1,2, 夏征义2(11山西阳泉煤炭专科学校,山西阳泉045001;21中国矿业大学北京校区,北京100083)摘 要:介绍了虚拟现实技术及该技术在煤矿安全中应用的必要性和可行性,并提供了该应用领域中编制虚拟现实软件的工具。关键词:虚拟现实;煤矿安全;应用

中图分类号:TD7

文献标识码:A

文章编号:1008-8725(2000)06-0027-02 0 引言

多年以来,煤炭科技的发展,使得煤矿安全技术水平有了很大的提高,但是由于本身所处的自然条件,煤炭行业仍然被认为是比较危险的行业,各种事故(如顶板冒落、火灾、瓦斯煤尘爆炸等)的发生严重威胁着矿工的生命安全和煤炭生产的正常进行。在各种灾害事故中,矿井火灾是煤矿主要灾害之一,据统计,在全国统配煤矿和重点煤矿中,有自燃发火危险的矿井约占47%。当矿井火灾发生后,火势发展迅猛,变化复杂,影响范围广,往往造成人员伤亡和财产的损失,极易酿成重大灾害事故[1]。在救灾时,救灾行动的成功与否取决于救灾人员能否迅速、正确地决策并实施,而这些又取决于救灾人员的素质和他们平时训练水平。然而在矿山救护队的平时训练中,传统的训练方法很难给他们提供一个与真正的矿井灾害相近的训练环境,这样他们在救灾时,由于缺乏亲身的感受和实践经验,面对井下灾害时期极其危险复杂的场面,就很可能不知所措,而不能正确运用平时训练中学来的理论和技术[2]。虚拟现实技术完全可以模拟一个真正的矿井灾害和在火灾时期矿井的风流和烟流流动情况,并实时采取一些救灾措施,把救灾措施的效果逼真地反映给参与者。救护人员可以通过进入这个虚拟的环境,尝试采取各种各样的救灾措施,从而获得训练[3~4]。虚拟现实还可以模拟一个已发生 的事故,便于调查事故原因,吸取事故教训。1 虚拟现实技术[5]

虚拟现实,作为一门新兴的交叉学科,是当今计算机界广泛关注的一个热点。特别是VRML这一基于WWW上虚拟现实建模语言的出现和发展更推动了虚拟现实技术的发展。

虚拟现实来自于英文/Virtual Reality0(VR),它是利用计算机生成一种模拟环境(如飞机驾驶舱,分子结构世界等),通过多种传感设备使用户/沉浸0到该环境中,实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。实际上它就是一种先进的人机接口,通过给用户同时提供诸如视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段,最大限度地方便用户的操作,从而减轻用户的负担,提高整个系统的工作效率。它是多年以来在实时图像显示技术、控制理论、数据库设计、机器人技术、多媒体技术、立体声、跟踪定位技术、计算机辅助设计和影视技术基础上发展的结果。它可以完全彻底地转化人们的想象力,可以在计算机中产生另一种境界,然后将境界的有关信息传给人的感觉器官,使人们获得一种全新的感受,让人觉得他的确是在另外一个三维世界中。

VR技术具有以下四个重要特征:(1)多感知性(Multi-Sensory)。所谓多感知,就是说除一般计算机技术所具有视觉感知外,还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知,甚至还应该包括味觉感知、嗅觉感知。(2)存在感(Presence)。又称为临场感(Immer-sion),是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的 真实程度。

(3)交互性(Interaction)。指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度(包括实时性)。

(4)自主性(Autonomy)。指虚拟环境中的物体依据物理定律动作的程度。2 国内外研究现状

随着虚拟现实技术的兴起和发展,有关它的应用也得到了很大的发展,目前在军事、航空航天、医学、建筑工程、娱乐方面的应用研究比较多。比如,医学上的虚拟解剖,建筑上的辅助设计,军事上的虚拟现实飞行模拟训练及联网战场模拟,以及各种各样精彩的虚拟现实游戏等等。虚拟现实已经形成了一个很大的潜在市场。

但是在煤炭行业,虚拟现实的应用研究还不是很多。英国的诺丁汉大学矿产资源工程系的AIMS研究小组利用虚拟现实技术模拟了一个井下房柱式开采系统。人们可以随时从真三维的各个方位观察这个开采系统中各个设备的运转情况及整个系统的运行状况,还可以实时的改变开采系统的配置,系统自动给出各种情况下的效率参数,通过对比来获得最佳的开采效率下的设备和人员配置。他们还模拟了露天矿的交通安全训练与教育系统,井下矿车出轨撞人的场景[3,4]。现有国内的安全技术及工程的各种理论技术已经相当丰富并且还在不断发展,但虚拟现实技术作为一门新技术在煤炭行业的安全技术中的应用研究可以说还是一个空白。3 矿井灾害的虚拟现实技术模拟及意义

用虚拟现实技术来模拟一个真正的矿井灾害,使人们更彻底更直观地了解矿井灾害的各方面因素,从而更有效地采取防灾和救灾措施。用Visual C++程序设计语言、Open GL程序设计语言、虚拟现实建模语言VRML、Visual J++程序设计语言、计算机图形学等知识编制虚拟现实软件,主要模拟采区的通风系统,当运输巷皮带跑偏与机架磨擦引起火灾时,先是自动喷淋系统喷水灭火;如果火灾发生蔓延,就模拟火的蔓延过程;工程人员关闭风门的过程;矿工撤退的过程;人员的巷道中行走时,烟流对人员造成的影响等。以及救护人员采用水龙头喷水灭水时,如果在上风侧灭火,发生的烟流滚退现象等。

为此,该虚拟过程的实现有着重要的意义:它可以减少矿山救护时的实际训练费用,并大大减少训练时的危险性,而且还可以不受时间、地点、天气的影响,任意设置实际灾害中可能出现的一些特殊情况。它也可以提高煤矿安全及生产管理人员的安全意识,提高管理水平,预防重大灾害的发生,提高矿井救灾人员处理灾害的决策应变水平,并把矿井灾害的伤亡和损失降到最低。同时可以协助调查事故原因。另外,通过软件演示可以实现矿井安全救灾防灾的实际培训。4 结束语

虚拟现实技术的应用具有巨大实用性、真实性和灵活性。随着这种技术研究工作的不断深入和相关技术的发展(I/O设备的普遍使用、视频显示质量的提高以及功能很强且易于使用的软件的实用化),它在煤矿安全中的应用一定会有更广阔的前景。参考文献: [1] 周心权,吴兵1矿井火灾救灾理论与实践[M]1北京:煤炭工业出版社,19961 [2] 戚宜欣,秦跃平1矿井通风安全技术与管理[M]1北京:煤炭工业出版社,19981 [3] Aims ResearchUnit.Board and Pillar SystemUserManual.Department of Mineral Resources Engineering University of Nottingham.[4] Aims Research Unit.VR System General User Manual.Department of Mineral Resorurce Engineering University of Nottingham1 [5] 俞志和,曾建超1虚拟现实技术[M]1大连:大连理工大学出版社,19961 Application of VR technology in mining safety

LI Zhen xiang1DUHong-bing1、2XIA Zheng-yi2(1.Yangquan Training Iustitute of Coal,Yangquan 045001 China;2.China Univ.of Mining&Tech.,Beijing Campus,Beijing 100083,China)Abstract:This paper introduces VR technology and its application in minning safety and presentes the programming tools of VR technology in this field.Key words:VR;minning safety;application

煤 炭 技 术

虚拟现实技术的论文 篇6

关键词：风景园林；设计；虚拟现实技术；研究

1风景园林设计中，虚拟现实技术的运用特征

第一，全方位展现风景园林的设计空间。现存的二维空间和三维空间的表现方式，只能够向人们传达出风景园林空间要素中的部分讯息。而虚拟现实技术则可以将风景园林的整体空间精准地展现出来，即使是极小的部分和微小的要素，也绝不会被遗漏。第二，利用网络技术，进行远程浏览。通过虚拟现实技术，风景园林设计师可以先在自身的计算机设备上创建出设计作品，然后通过vrml的方式发送给建筑施工单位，施工单位接收以后便可在网络上进行远程作品浏览。第三，极大地方便了风景园林设计师的作品设计。利用虚拟现实技术，设计师能够在每一设计阶段，创建虚构的风景园林环境。并且通过漫游观察的方式，体验自身的作品，预先感受空间要素、尺度要素、材料要素，有利于风景园林设计师及时发现作品中存在的问题和不足，并实时修改和调整。第四，方便公众参与，实施辅助性决策。要想风景园林的设计和建设能够顺利完成，需要设计、建设、管理及决策部门与公众有效合作，虚拟现实技术就为其提供了一个极佳的合作平台。

2风景园林设计中，虚拟现实技术的具体应用

2.1开始阶段的可操作性分析

首先，明确设计条件，实地勘察现场情况。了解现场的基地情况、气候情况、环境情况、业主造价情况等。通过收集资料、分析资料，列出设计中可能遭遇的困难和难题。其次，将收集到的文字信息输入到虚拟现实系统中进行初步的模拟和探索，让设计师在思维上对该场地形成总体认识。最后，利用gis技术，根据现实环境进行模拟，分析场地中的各个道路情况、树木情况、河流情况等，为形成设计概念提供科学的判断。在这一过程中主要利用虚拟现实技术中的模型建构技术，对现场情况进行综合分析和整体规划。

例如，在建造园林水景时，首先，设计师就必须调查选址地的水文情况，做出相关的水文调查表。其次，设计师结合其它重要因素信息，利用虚拟现实技术对其进行综合分析，将选址区域划分成不同的属性。再次，根据区域本身的特性，利用auto技术完成园林水景的平面图设计，接着再将其导入到3dmax技术中，针对弯曲起伏的地形，可以对其进行线形弯曲的水体模型。

2.2概念设计阶段中的概念设计分析

设计师在通过现实虚拟技术建构模型以后，就可摆脱二维图纸的制约性。设计师可以沉浸和漫游在自身构建的虚拟环境中，从而全方位地研究和分析相关情况，获得感官信息。在多重感官信息的刺激性，设计师的思维处于活动状态，就能够不断地对场地形成设计概念。如果此时设计师的思维形成的是不稳定的图形信息，那么将其输入到虚拟现实系统中，就可以实时地修改和调整相关设计元素，让设计师抓住一瞬即逝的设计灵感，有利于设计师筛选和深化各种设计概念。对于计算机三维造型经验丰富的设计师来说，利用虚拟现实技术，还有利于通过计算机的视觉体验，产生新的设计思想，形成新的图像情景。

2.3设计发展阶段的主体构思工作

一方面，通过虚拟现实技术，设计师可以准确地刻画场景，实时成为三维图像。通过改变场景中的各项特征、造型，刺激设计师的感官和创作思维。另一方面。风景园林设计内容具有复杂性和多维复合性。设计师在进行方案设计时，不仅要考虑物体造型本身，还要对周围的文化因素、社会因素、自然因素、空间因素等紧密结合，从空间环境和社会环境的大背景下，进行风景园林的设计。利用虚拟现实技术中的交互功能，有利于设计师实时控制场景，为其提供更有效的交互平台，方便设计师及时调整和更换园林中的要素模型，通过比较与审查，使设计出来的方案更加合理。

例如，在建设某城市展览馆时，将选址定于体育场北边，紧靠繁华路口的坡地边，并且市政府要求展览馆的高度不得高于20m。在设计方案时，设计师首先摘选出来模拟该区域的重要建筑物。其次，将设计好的方案置入到虚构场景中进行模拟。再次，根据建设进度，将设计师设计好的2个方案再次置入虚拟场景中进行模拟和调整。最后，把多个设计方案整合在一个场景中进行比较。最终经过方案比较，确定采用方案二进行展览馆的建设。

3结语

虚拟现实技术的历史及发展 篇7

一、虚拟现实技术的概念

虚拟现实技术,又称灵境技术,是一门融合了多种科学技术而发展起来的计算机领域的最新技术,它被应用到军事、医学、教育、科研等多个生活领域,被公认为是21世纪重要的发展学科及影响人们生活的重要技术之一。

虚拟现实技术具有三个主要特征:1.沉浸感,是指当实验者处于虚拟现实技术产生的三维环境中,有着在真实世界一样的身临其境的感觉。如航天飞行员在虚拟现实技术产生的虚拟太空环境中进行模拟训练,以便到真实太空环境中能够完成所需的科研活动;在海湾战争中,虚拟现实技术使美国士兵提前感触到了沙漠气候的特点,不至于在战争中被动。2.交互性,是指实验者即使处在虚拟现实技术所产生的虚拟环境中,也能像在真实客观世界中一样,进行多感知的交互。如实验者在虚拟现实技术产生的三维虚拟环境中打乒乓球,手上不仅有握拍的感觉,还能感触到球拍击球的感觉。3.构想,虚拟现实技术可以使实验者通过沉浸在虚拟环境中进行的交互活动,获取新的知识,并且通过深化概念和产生联想,使实验者得到感性和理性认识,从而得到启发人的创造性思维。

二、虚拟现实技术的发展历程

虚拟现实技术演变发展史大体上可以分为四个阶段:1963年以前,蕴涵虚拟现实技术思想的第一阶段;1963年~1972年,虚拟现实技术的萌芽阶段;1973年~1989年,虚拟现实技术概念和理论产生的初步阶段;1990年至今,虚拟现实技术理论的完善和应用阶段。

第一阶段:虚拟现实技术的前身。虚拟现实技术是对生物在自然环境中的感官和动作等行为的一种模拟交互技术,它与仿真技术的发展是息息相关的。中国古代战国时期的“风筝”,就是模拟飞行动物和人之间互动的大自然场景,风筝的拟声、拟真、互动的行为是仿真技术在中国的早期应用,它也是中国古代人试验飞行器模型的最早发明。西方人利用中国古代风筝原理发明了飞机,发明家Edwin A.Link发明了飞行模拟器,是操作者能有乘坐真正飞机的感觉。1962年,Morton Heilig的“全传感仿真器”发明,蕴涵了虚拟现实技术的思想理论。这三个较典型的发明,都蕴涵了虚拟现实技术的思想,是虚拟现实技术的前身。

第二阶段:虚拟现实技术的萌芽阶段。1968年美国计算机图形学之父Ivan Sutherlan开发了第一个计算机图形驱动的头盔显示器HMD及头部位置跟踪系统,是虚拟现实技术发展史上一个重要的里程碑。此阶段也是虚拟现实技术的探索阶段,为虚拟现实技术的基本思想产生和理论发展奠定了基础。

第三阶段:虚拟现实技术概念和理论产生的初步阶段。这一时期出现了VIDEOPLACE与VIEW两个比较典型的虚拟现实系统。由M.W.Krueger设计的VIDEOPLACE系统,将产生一个虚拟图形环境,使参与者的图像投影能实时地响应参与者的活动。由M.M Greevy领导完成的VIEW系统,在装备了数据手套和头部跟踪器后,通过语言、手势等交互方式,形成虚拟现实系统。

第四阶段:虚拟现实技术理论的完善和应用阶段。在这一阶段虚拟现实技术从研究型阶段转向为应用型阶段,广泛运用到了科研、航空、医学、军事等人类生活的各个领域中。如美军开发的空军任务支援系统和海军特种作战部队计划和演习系统,对虚拟的军事演习也能达到真实军事演习的效果。浙江大学开发的虚拟故宫虚拟建筑环境系统和CAD&CG国家重点实验室开发出桌面虚拟建筑环境实时漫游系统。北京航空航天大学开发的虚拟现实与可视化新技术研究室的虚拟环境系统。

三、虚拟现实技术的应用

虚拟现实技术包含了动态环境建模技术、立体显示和传感技术、三维图像生成技术、虚拟现实系统的开发工具和虚拟现实系统集成技术等关键技术。随着虚拟现实技术研究的发展和完善,它在人们的生活应用越来越广泛。

在军事上,美国开发研制的VR应用系统、CCTT模拟仿真器、AFMSS任务支援系统、虚拟军事地图等虚拟现实技术在军事战争中发挥着重要的作用,中国也从1996年开始研究开发了如DVENET分布式虚拟环境系统等这一类军事产品。在医学上,虚拟现实技术可以用于人体解剖仿真、外科手术仿真等应用,如我国研制开发的女虚拟人的数据系统等。在文化教育上,虚拟现实技术可以用于各种专业的教学和培训上,如开发的机械制造工程学多媒体软件。在影视娱乐业上虚拟现实技术也有着广泛的应用,如“星球大战”等虚拟趣味游戏等。虚拟现实技术在工程和城市建设上也有着广泛的应用,如美国研发的“虚拟装备设计环境”虚拟系统,王先逵教授开发的“面向虚拟产品开发的机床动态设计系统研究”虚拟系统等。

四、结束语

虚拟现实技术的应用与展望 篇8

关键词：虚拟现实；工业设计；文化教育

前言：虚拟现实技术已经逐步走进了我们的生活，我们在更多时候是将虚拟现实技术带给我们的感觉当作了一种预知、或者是预先的一个概念认识。虚拟现实技术帮助我们由想到做的之间架起了一座可靠的桥梁，帮助我们尽可能的实现我们的想法，在最大限度内发现设计与现实的差距、误差甚至是错误，避免了一些由于没有前期经验而导致的错误的出现。虚拟现实技术的应用前景是很广阔的。它可用于教学仿真，也可应用于产品设计领域，也可应用于机械加工等领域。利用它可以创建多媒体通信、设计协作系统、实境式电子商务、网络游戏、虚拟社区全新的应用系统。

一、虚拟现实技术

（一）虚拟现实技术。虚拟现实（Virtual Reality），又称灵境、拟实，是近20年发展起来的一门新技术。它采用计算机技术和多媒体技术，营造一个逼真的具有视、听、触等多种感知的人工虚拟环境，使置身于该环境中的人通过各种多媒体传感交互设备与这一虚拟的环境进行实时交互作用，它集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，并随着这些信息技术的突破而迅速发展起来。目前已经广泛应用于军事、科学计算可视化、教育与培训、设计与规划、虚拟测试、虚拟游览、购物、交互式娱乐、工程技术、科技探索等多方面领域。[1]

（二）虚拟现实系统的类型。虚拟现实系统根据用户参与形式的不同一般分为4种模式：桌面式、沉浸式、增强式和分布式。桌面式使用普通显示器或立体显示器作为用户观察虚拟境界的一个窗口；沉浸式可以利用头盔式显示器、位置跟踪器、数据手套和其他设备，使得参与者获得置身真实情景的感觉；增强式是把真实环境和虚拟环境组合在一起，使用户既可以看到真实世界，又可以看到叠加在真实世界的虚拟对象；分布式是将异地不同用户联结起来，对同一虚拟世界进行观察和操作，共同体验虚拟经历。

二、虚拟现实系统的应用

（一）虚拟现实技术在教育教学上的应用。虚拟现实技术在教育教学上能实现课程的数字化学习， 可将课程学习内容作为学习者的学习资源， 并将其他的相关资源一并提供给学习者， 实现资源共享；能按照超文本、超链接的方式组织管理学科知识和各种教学信息， 有利于学习者主动发现、主动探索知识， 发展联想思维和建立新旧知识之间的联系； 能提供界面友好、形象直观的交互式学习环境， 不受时空和距离的限制， 可让各地的师生共处于一个虚拟空间中， 有利于激发学习者的学习兴趣和进行协商会话， 实现合作学习；能提供图文声像并茂的多种感官综合刺激， 提供生动活泼的直观形象思维材料， 使学生从思维、情感和行为三个方面参与教学活动， 有利于学习情境创设和大量知识的获取与保持；可以弥补实验教学条件的不足。

（二）在工业设计仿真方面的应用。产品是人类设计思想付之于实施的产物，产品设计所着重考虑的是产品的造型、结构和功能等方面， 目的是生产制造出符合人们需要的实用、经济、美观的物品。将VR 技术应用于工业产品设计， 是目前VR在工业设计领域应用的主要方式。运用虚拟现实技术， 美国波音公司无图纸化设计波音77 获得成功， 是近年来引起科技界瞩目的一件里程碑式的应用。如果把VR 技术与不同的产品设计领域结合， 随之会诞生许多新颖的概念： 如虚拟产品设计、虚拟环境设计、虚拟建筑设计、虚拟园林设计、虚拟装饰设计、虚拟人机工程学设计等等。

虚拟产品设计（VPD ） 就是借助于虚拟现实系统， 是将产品开发全过程数字化， 用集成的功能强大的VR 工具， 模拟整个产品的开发过程，在计算机的虚拟空间中进行产品的设计、分析、优化、加工、装配、测试、工艺、质量控制、人机工程学验证等过程。这种从设计到分析再到设计的循环， 反复多次直到满足设计要求， 全部是在虚拟空间中完成的。

（三）虚拟现实技术在制造业中的应用。目前，在这一领域，美国处于国际研究的前沿，许多大学和科研机构都在从事虚拟制造的研究工作。美国Boeing飞机公司设计的一架VS—X虚拟飞机，它可用头盔式显示器和数据手套来进行模具技术

2004.No.5 5 7观察与控制，当手指指向飞机时就可以看到跑道上的飞机起飞；手指向下，飞机便停下来。通过其它手势，还可以进入座舱，起动发动机，进行飞行试验或者打开应急门。这种虚拟飞机可以让设计人员身临其境地观察飞机设计的结果，并对其外形、内部结构及使用性能进行考察。Michigan大学的VR实验室采用沉浸式虚拟现实对一艘PD337 海军运输船的生产过程进行了模拟。船的双层底模型是用AutoCad 生成，然后转换成虚拟原型。利用沉浸式虚拟现实可以步入实物大小的船体模型中观察其特性，发现在开始的CAD/CAM 模型中存在很多问题。比如： 有些间隔无法进行焊接，以及很多的刚性衍架放到船的另一侧去了。研究的第二阶段是船的装配。通过模拟一个真实的造船厂的标准装配过程研究了装配的不同阶段的焊接操作和起吊机的运动以及其他的步骤。

三、虚拟现实发展趋势与展望

（一）虚拟现实发展趋势。虚拟现实将应用于更多的领域之中，深入到人们生活的各部分，细化各项工作的可实现程度，尽最大的努力将可能发生的错误减小到最低，甚至是没有错，我们在真正实施某项工作之前会将其可实施性做一个虚拟现实的实现，将各种可能发生的情况加入其中，通过数据反馈得到结果，帮助我们判定此方案的可实施性。

虚拟现实技术也在帮助我们学习，学校的孩子能够通过虚拟现实技术重新看到白垩纪的恐龙，看到物种的演化和发展，帮助孩子们更真实的感受到学习带来的快乐。同样，老师在虚拟现实技术的帮助下，用更生动的形式讲述那些无法只用文字就能表述的清楚地课题。这种交互的反馈信息，能积极地将人们的学习动力提升。

在成人的学习中，很多无法通过实际操作的实验，虚拟现实技术帮助我们实现了，基于一定的数据基础的实验结果，帮助我们理解其中的各个操作过程。

（二）虚拟现实的展望。在符号化的虚拟世界里，实践主体、实践客体、实践中介都较以往固定的对实践三要素的认识所不同；虚拟现实技术深刻的改变了人类主客体相互作用的方式。人类的实践方式决定了人类的思维方式，虚拟实践在虚拟世界里建构了新的思维方式。因为本文是从广义的角度来理解虚拟现实技术的，即虚拟现实技术与网络技术的联姻，互联网代表了资源共享的含义，这种结合使得虚拟现实技术从“精英技术”转交为“平民技术”，也使得虚拟现实技术在社会上逐渐普及。

参考文献：

[1] 陈浩磊，邹汀军等.虚拟现实技术的最新发展与展望[J].中国科技论文在线，2011，1，Vol.6，No.1：1-5.