虛擬現(xiàn)實技術應用實例研究報告1引言虛擬現(xiàn)實(VirtualReality.簡稱VR)是一種多通道的新型人機交互接口,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算機模擬的虛擬世界,也可以通過移動、語音、表情、手勢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。虛擬現(xiàn)實技術是計算機技術、傳感器技術、人機交互技術、人工智能技術等多種技術的綜合發(fā)展,目前已經(jīng)在軍事、醫(yī)學、教育、娛樂、制造業(yè)、工程訓練等各個方面得到應用,它被認為是當前及將來影響人們生活的重要技術之一。2虛擬現(xiàn)實的應用虛擬現(xiàn)實技術是幫助人們解決實際問題或給人們提供傳遞信息、思想和情感的一種有效方法。近年來,隨著計算機技術、交互技術和人工智能等相關技術的快速發(fā)展,虛擬現(xiàn)實技術取得了巨大的進步,以此為基礎的實際應用也得到了很快的發(fā)展和提高。虛擬現(xiàn)實技術適合應用于使用計算機仿真技術或計算機模擬技術的場合,特別是需要在三維空間中表現(xiàn)仿真模擬的過程或結果且需要實時的直接交互時,虛擬現(xiàn)實技術具有很大的優(yōu)勢。最初,虛擬技術是美國航空航天局與軍事部門為了模擬訓練而開發(fā)的,目前虛擬現(xiàn)實技術已經(jīng)被運用到教育、醫(yī)療衛(wèi)生、工程制造、航空航天、軍事仿真、科學研究等各個領域中。3.1教育與培訓近年來,虛擬環(huán)境技術的發(fā)展吸引了教育界和工業(yè)界的目光。虛擬現(xiàn)實可以用來表達深奧的概念、復雜的技術和實驗等,也可以模擬操作環(huán)境和工作流程等。3.1.1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)能力及一對一的實踐,可以提高學生們的記憶力和學習興趣;具有真實的可視化能力,很適于表達難以理解的抽象概念;通過模擬化學、物理等實驗,學生們不需要冒著真實實驗中可能存在的安全問題的風險,就可以很好的學習到相應的知識。比如,針對在學習微分代數(shù)和微分幾何時經(jīng)常遇到的困難,瑞典皇家理工學院的研究人員開發(fā)了共享的虛擬環(huán)境CyberMath,能夠以一種很愉快的方式來表現(xiàn)復雜的數(shù)學概念。在實際條件不允許的情況下,虛擬現(xiàn)實給我們真實地體驗某種現(xiàn)實的能力。對于地球科學和環(huán)境科學來說,實驗室練習、野外觀察和野外旅行是基本課程,但是由于距離、時間、花費、安全的限制或者真實環(huán)境的高度復雜性等原因,野外練習和旅行可能不能夠進行。針對這種情況,佛羅里達大學的V.Ramasundaram等開發(fā)了一個環(huán)境的虛擬野外實驗室,用來研究野外環(huán)境的屬性,并刺激了學生的高層次認知技巧。3.1.2培訓與傳統(tǒng)的培訓方法相比,基于VR的培訓系統(tǒng),在沒有真正地安裝設備的情況下,學員可以接受生產(chǎn)過程和方法的培訓,充分的感覺線索和多通道的反饋方式讓學員可以獲得真實世界的操作技巧。更重要的是,VR培訓系統(tǒng)提供了高度自由的操作性,不但可以模擬誤操作的后果,而且不會造成人員的傷害和機器設備的損壞。虛擬現(xiàn)實技術在工業(yè)培訓、航天訓練和醫(yī)生的培訓方面得到了廣泛的應用。早在1994年,Adams開發(fā)了一個尋呼機生產(chǎn)線VR仿真器,作為摩托羅拉公司技術教育中心正規(guī)培訓自動生產(chǎn)線操作人員的培訓設備。復雜產(chǎn)品的維護和操作,比如工業(yè)機器操作,汽車駕駛等都需要特別的培訓,使用虛擬現(xiàn)實技術可以提高培訓的效果并降低培訓的費用。在飛機維修工業(yè),成功地培訓對檢查的質量和可靠性是極其重要的,為此,JeenalVora等研制了用于飛機檢查培訓的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),可以用作離線培訓的工具,并可以研究在飛機檢查中人的行為。南洋科技大學的J.R.Li等研制了用于維修培訓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,用戶可以對某個部件的拆卸進行虛擬的操作,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)實技術應用最早的領域之一,在醫(yī)護人員培訓、手術方案的驗證、心理治療等方面的應用得到了較大的進展。對于醫(yī)療而言,疾病診斷是關鍵的第一步。比如,對于心、肺雜音形成的部位、機理以及在心電圖上的表現(xiàn)等內容,教師講解、描述起來非常困難。利用虛擬現(xiàn)實技術可以模擬心、肺疾病病人的各種體征,在虛擬人身上的相應部位隨意進行觸診、聽診訓練,這種見習零部件的裝配是要確定部件是否可以無偏差地組裝在一起,并確認在產(chǎn)品需要保養(yǎng)時是否可以方便的拆卸。利用基于VR的虛擬裝配對裝配過程和工藝過程進行仿真,以便在早期就發(fā)現(xiàn)問題,改進設計方案,節(jié)約研制成本,縮短開發(fā)周期。早在1999年,寶馬公司的Antonino等研究了應用VR對原型車進行驗證裝配和維護過程的方法,提出了一系列用于虛擬裝配的交互范式和功能;工程師運用該技術可以對原型做裝配維護的驗證,從而減少實體模型的個數(shù)并能提高產(chǎn)品質量。史坦福大學的LuisMarcelino等建立了一個約束管理器用來支持對虛擬原型的可維護性進行評估。該管理器使用了直接交互、自動約束識別、約束滿意度和約束運動等關鍵技術,運用了各種優(yōu)化技術,可以對工業(yè)上的大模型進行實時的交互。3.4.3人機工程學分析為了確認一個產(chǎn)品是否簡便易用,通常要進行人機工程學分析。虛擬現(xiàn)實技術可以讓技術人員在開始設計時就進行人機工程學研究,可以以避免樣件制造出來后才發(fā)現(xiàn)不符合人機工程的要求,需要重新修改設計而增加成本。3.4.4在制造業(yè)的其他應用VR在制造業(yè)的應用還覆蓋了工廠設計建設、工藝規(guī)劃、人員培訓、市場營銷等領域。4總結虛擬現(xiàn)實技術是本世紀發(fā)展的重要技術之一,作為一門科學和藝術將會不斷走向成熟,在各行各業(yè)中將得到廣泛應用,并發(fā)揮神奇的作用,21世紀將是虛擬現(xiàn)實技術的時代。當然,虛擬現(xiàn)實技術還是一門年輕的科學技術,尚存在不少有待解決的問題。例如,在計算機生成的虛擬環(huán)境中,操作者每次轉動頭部,計算機必須更新三維圖像,由于更新的數(shù)據(jù)太大,以