虚拟现实技术及其应用范文

虚拟现实技术及其应用篇1

【关键词】虚拟现实技术 高校教育 应用 局限性

一、虚拟现实技术的发展

虚拟现实技术（Virtual Reality）主要借助计算机技术及其硬件设备，实现一种使用者可以通过多种感官感觉到的虚拟场景或物体，简称VR或灵境技术。

虚拟现实研究的历史可以追溯到上个世纪50年代，有学者在这方面展开探讨。1965年，Sutherland在《Ultimate Display》一文中正式提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想；90年代是虚拟现实技术的大发展阶段，虚拟现实的内涵随着技术设备发展而不断深入，基于图形渲染、基于图像渲染建模技术和基于互联网的分布式虚拟现实技术得到长足发展；应用范围也随着研究的深入而不断扩展，从原来的军事模拟和宇航训练逐步扩展到工业制造、远程医疗、互动娱乐、商业宣传、教育等诸多领域。

二、虚拟现实系统的四个层次

虚拟现实技术的三个基本特征是“Immersion”（沉浸）、“Interaction”（交互）、“Imagination”（构想），其中交互性和沉浸性是虚拟现实的最重要的特征。当前 虚拟现实技术在各个领域都有应用，因为不同的需要，所以成形的虚拟现实系统也各不相同，但根据其虚拟特征倾向，可以划分为四个层次：

1.桌面式虚拟现实系统，又称为简易虚拟现实系统。利用普通计算机便可以实现虚拟环境的输出，在显示上直接利用计算机屏幕或投影来让参与者观察，交互上直接用键盘或鼠标来与系统进行控制。这一类虚拟现实易受周围真实环境的干扰，沉浸感较差，严格来说不能称之为“虚拟现实系统”，但由于结构简单，成本较低，所以比较普及，特别是在建筑和工业设计、游戏开发、教育培训中应用广泛。

2.沉浸式虚拟现实系统。这类系统主要利用各种高档工作站、高性能图形加速卡和交互设备，通过声音设备、力与触觉传感器、头盔式显示器或立面投影器等，以排除外界干扰，将参与者与外界真实环境完全隔离，使其完全沉浸在虚拟世界中。这类系统比较复杂，价格昂贵，难以普及，一般用在航空和军事训练等高端领域。

3.分布式虚拟现实系统。一般是沉浸式虚拟现实系统的发展结果，利用网络将几个不同位置的虚拟现实系统连接起来，充分利用不同区域的各种资源，为某一共同目的协同创造一个虚拟环境，用于更复杂任务的研究。

4.增强式虚拟现实系统，也称为混合虚拟现实系统。允许参与者看见现实环境中的物体，将真实环境和虚拟环境叠加融合在一起，形成对真实物体更多的解读。该类型系统主要借助于位置跟踪技术和穿透型头戴式显示器，将计算机产生的图形和参与者实际的即时环境精确融合，以达到虚拟和现实有机结合的目的，这是今后的主要发展方向。

VR技术的应用范围非常广泛，在国外VR技术的教育应用非常普遍，涉及各个不同的用途和层次，而且也并非只有发达国家应用，发展中国家在教育中应用VR技术也日益增多。在美国，许多大学将虚拟现实技术引入到课程教学中，如美国休斯敦大学建立的“虚拟物理实验室”可让学生通过计算机模拟包括万有引力定律在内的各种力学实验，并且可以让学生控制重力大小、方向等各种参数的变化；北卡罗莱纳大学开发的“化学虚拟实验系统”则可以让学习者手动操控分子运动，使分子结构按照使用者的操作进行组合，并产生相应现象反馈，加深学习者对分子结构的理解。

三、虚拟现实系统在高校教育中的应用

在我国，有许多高校将虚拟现实技术与WEB技术结合起来，展开基于网络的教育应用。如北京航空航天大学开发的虚拟北航和华中师范大学开发的数字校园，都可以使用户通过WEB在计算机生成的虚拟校园中进行漫游和交互操作；而清华大学、山东大学、华南师范大学等学校则将虚拟现实技术与网络课程结合起来，为课程教学提供仿真和模拟操作，加深学习者的感性认识和理解。

纵观国内外虚拟现实与教育的结合实验项目，我们可以总结出其大致的应用形式：其一是实验仿真，利用虚拟现实技术打造实验仿真平台让学习者“亲身体验”实验操作或动手训练，学习者不必真正面对危险的、昂贵的或不可能实地操作的实验项目或环境，这种虚拟现实环境既可满足大部分教学和训练的要求，又可大大减少经费的投入。其二是虚拟现实课件（教学演示），教师直接将仿真平台在课堂上进行教学演示，为课堂教学提供直观生动的内容，加强学习者的感性认识。其三是空间仿真，通过虚拟现实技术还原某一物理空间，并且允许使用者对虚拟空间进行控制。例如数字化校园可以允许使用者按照自己的路线在虚拟校园中进行实时漫游，虚拟图书馆可以允许读者随意地翻阅书本。

四、目前虚拟现实在教育中应用的局限

在这些实验案例中，不难发现，当前教育中应用的虚拟现实系统有以下几个方面的局限：

一是大多为简易型虚拟现实系统。建立在PC机和屏幕显示的基础之上，交互也大多限于鼠标和键盘操作，研发也仅限于软件层面的开发，究其原因，一方面是因为教育应用中经费的限制以及使用者数量巨大，另一方面则是因为PC机的普及和计算性能越来越优越，足以满足当前阶段使用者的需要。

二是大多为单人场景平台。也就是在某一位使用者进入该虚拟环境时，周围看不见协作者或伙伴，是孤独的沉浸，只考虑了虚拟环境中的人机交互，却极少顾及虚拟环境中的人际交互。

三是针对教学活动的虚拟现实系统更多地关注知识内容本身，对虚拟环境和虚拟教学手段较少关注。例如多数虚拟实验系统中，只呈现实验操作对象模型，对实验室的环境少有顾及，系统的真实感大打折扣；且虚拟操作过程正确与否仅限于系统提示，少有外界互动沟通机制。

虚拟现实技术虽然研究已久，技术也相对成熟，但是，目前高校教育中，虚拟现实技术的应用并不普遍。要想把这种技术更好地和教育结合起来，其在教育中的应用形式和应用方法还有很多细节需要进行进一步的研究。

参考文献：

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[5]Teresa Monahan，Gavin McArdle，Michela Bertolotto. Virtual reality for collaborative e-learning[J]. Computers & Education，2008，50（4）：1339-1353.

虚拟现实技术及其应用篇2

【关键词】虚拟现实技术 计算机 应用

我国当今社会的发展进程中，在军事、建筑业、电子信息以及医疗和教育等行业的发展中，都能够见到计算机科学与技术的应用。而随着社会发展进程的不断推进，计算机科学与技术的应用方式和应用水平也被提出了全新的要求，虚拟现实技术应运而生，并且逐渐受到社会各界的广泛重视，改变了人们的生产生活方式，是社会进步的巨大推动力。与微信，Facebook等所做到的相似，但更胜于其的社交体系将诞生。当前的社交软件加强了人们的联系，以至于更多时间放在对智能手机的使用中，但究其根本，仍是在现实社会联系的基础上，而当虚拟现实技术诞生后，应运而生的虚拟世界将会成为第二个社会，令每个人能通过它获得第二次人生。作为计算机科学与技术的新宠，虚拟现实承担着开启智能新时代的重要角色。

1 简析虚拟现实技术

虚拟技术是二十世纪非常伟大的科研突破，其将计算机的仿真技术作为研究前提，融合电子信息的科学技术成果，形成了一个比较完善的电子信息技术群。为人类营造一个能够让其感觉置身其中的虚拟感官环境，虚拟现实技术是客观环境模拟观感制造的一种手段，通过计算机虚拟现实技术对虚拟世界客观发展环境的建设提供更为真实的感官体验，将用户置于三维环境中，进而实现了对客观世界中相关变化规律的感知与研究，是计算机虚拟现实技术最主要的应用和工作方式。

虚拟现实技术中，虚拟感官世界的构建是通过计算机图形整合制作技术，利用三维环境制作手段，最大限度地再F人类日常生活中的现实环境，也可以在超越现实社会生活环境的基础上，实现对虚拟生存世界的创设和构建。技术人员可以通过对人类视觉、听觉以及触觉等多方面观感的综合利用，最大限度的实现在虚拟仿真环境中，人的自然生存技能与其自身逻辑思维方式的相互融合。其中，视觉占人对外界接受信息量的80%，而虚拟现实技术其强大之处正在于可以令体验者拥有真正的三维感官，一个不同于对当前三维空间的工具（智能手机等）进行操作，而是从操纵者成为那个世界里面生活的一份子。

2 计算机虚拟现实技术的应用

2.1 计算机虚拟现实技术应用的领域和内容

虚拟现实技术是在计算机科学与技术水平不断进步和提升的带动下，产生的一种新型计算机技术手段，在当今社会的发展进程中，计算机虚拟现实技术的应用主要涉及到多个不同的技术领域，运用计算机建立三维图形立体效果，建立虚拟世界观察界面，将虚拟现实技术引入到计算机科学计算当中等，都是虚拟现实技术在当今社会的主要应用领域。

2.2 虚拟现实技术计算机应用系统的分类

现如今，虚拟现实技术的计算机应用系统可以根据不同的分类方式而划分为多种类型。将虚拟现实生成器的总体性能以及相应的组成方式作为分类的参考依据时，其维度更加多样化，分成以PC机为运作基础，以工作站为最终运作核心，来平衡相对分散的几种技术类型。现阶段的虚拟现实技术仅具备了视觉、听觉、触觉以及运动感知等几项感知功能。这项技术为游戏行业也带来了巨大的发展空间。东京电玩展上，索尼为旗下的虚拟现实头盔正式更名为PlayStation虚拟现实技术，这将与Facebook开发的Oculus Rift（头带显示器）、HTC和Valve联合开发的Vive（头戴设备）形成鲜明竞争，从而争夺市场份额。

2.3 虚拟现实技术应用的难点和重点

由于虚拟现实技术本身带有灵活性以及交互性高的固有特点，这些特点在有效促进虚拟现实技术产生的同时也在一定程度上阻碍了它的发展。图形的设计和生成一直以来都是计算机虚拟现实技术中的重点和难点。如果在利用虚拟现实技术对虚拟环境的图形进行生成处理时，无法掌握技术动态以及交互时间相对延迟的技术特征，就会直接影响三维仿真环境的感官体验效果。

对仿真图形延迟时间的控制，能在一定程度上降低用户置身模拟仿真环境中的疲劳、烦躁等一系列形式的负面情绪。图像生成以及对模拟感官图像延迟时间的有效控制是虚拟现实技术在计算机应用过程中最为重要的环节，只有技术人员真正掌握好虚拟现实技术的应用方法，才能最终实现虚拟现实技术应用水平的提升。

3 结论

虚拟现实技术中融合了一系列高精尖的科学技术成果，包括了计算机的图形学、人工智能技术、实时计算机技术以及相关多媒体技术等，将计算机科学与技术的各学科进行融合与渗透，是科学技术不断走向成熟的标志，其在各个社会经济领域中的应用，促进了计算机科学与技术的飞速发展，为该行业带来了奇妙的变化，为人类创建了一个全新的未来世界。

参考文献

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作者单位

虚拟现实技术及其应用篇3

【关键词】虚拟现实技术；职业教育

1 引言

随着计算机、信息、网络等相关技术的发展，计算机作为一种高效能的信息传播工具，在教育教学过程中得到越来越广泛的应用，将虚拟现实技术作为一种新兴的教学媒体应用到教育教学中，这种崭新的技术会带给我们崭新的教育思维，解决我们以前无法解决的问题。

2 虚拟现实的概念及特点

虚拟现实是由计算机及其他软、硬件技术生成的，给人多种感官刺激的虚拟境界，是一种高级的自然人机交互系统。虚拟现实概念可概括为3个方面：真实性、沉浸性和交互性。

2.1真实性:是指由计算机生成看起来、听起来、触摸起来都像真的的虚拟境界，还可以向用户提供视觉、听觉、触觉等多种感官刺激。

2.2沉浸性:是指计算机控制下的虚拟境界应给人一种身临其境的沉浸感。

2.3交互性:是指人能以纯自然方式与虚拟境界中的对象进行交互操作，即不使用常规设备，而要求使用手势、体势、人类语言等自然方式进行交互。

目前职业教育限于各种现实条件，某些内容的实验教学环节往往不能得到较好的落实，极大地影响了学生动手能力的培养，抑制了学生的创造能力，以致理论学习和实践相脱节。虚拟现实技术应用职业教育，由传统的“以教促学”的学习方式代之为学习者通过自身与信息和环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。

3 虚拟现实技术在职业教育中应用

职业教育具有实用性、开放性、生产性和时代性等特点。职业教育要完成技能型、技术型人才的培养任务，必须突出职业教育的“实用”、“实训”、“应用”等特点在，这就要求职业教育要给学生充分实践的机会。将虚拟现实技术应用到职业教育，可促进教学观念、教学内容、教学场所的变化，节省教育投资、提高教学效果。虚拟现实技术能够为学生提供一个生动、逼真的学习情景，这对调动学生的学习积极性，突破教学的重点、难点，培养学生的实践技能，有利于学生创新精神、创新能力、协作意识的培养。

3.1 虚拟现实技术在计算机专业教育中的应用

职业教育的计算机专业课程实践性很强，在书本上体现难免会给人们的理解带来困难。利用虚拟现实技术可以将文字、声音、图片、动画等几种媒体表现形式有机地结合，设计出生动活泼的界面。制作出一些三维的、交互式的、具有沉浸感的内容，满足学习者从各个角度观察和学习，仿佛身临其境，更好地理解学习的内容。为了提高实验的教学效果，应该建立一个网上的虚拟实验室系统，把计算机多媒体技术、数据库技术、网络技术和计算机动画技术引入到实验教学中，构造一个虚拟的实验环境，对学习者的不同操作给出与现实实验环境相符合的反馈。

3.2 虚拟现实技术在数控技术的应用

数控技术是现代机械制造业的核心技术，由于数控技术教学和培训都离不开数控机床，而数控机床本身价格比较昂贵，限制了学校的购买能力，所采用计算机建模和仿真技术来模拟实际的数控加工环境，同样可以让学生尽快熟悉数控机床的加工环境与真实的加工过程，从而提高数控技术的教学效果和教学质量。虚拟现实技术可以模拟实际数控机床加工环境及其工作状态的计算机仿真加工系统，这就是某一特定数控系统借助计算机软、硬件的功能，通过实验者的控制在计算机上演示、分析数控加工从零件设计图到动态切削演示的实现的全过程。

3.3 虚拟现实技术在汽车维修与驾驶专业中的应用

在汽车专业的教学中有很多知识所涉及的实物及其内部结构虽客观存在的，但无法一一呈现在学生面前，或者不能很好的展现其内部结构，利用虚拟现实技术可为学生提供生动、逼真的防真，帮助学生理解汽车的构造原理及维修操作，从而掌握实际操作的方法、步骤和要领。并且大大缩短了维修工的培养周期，节省了训练器材和场地等的经费投入，大幅度减少了教师的工作量，具有很高的经济效益和社会效益。利用强大的数据库统计分析能力，可用于对教学效果的检测，或对职业技能鉴定的考核。

3.4 虚拟现实技术在电子设计中的应用

用虚拟现实技术进行电子设计和测试，在教学中，可以很方便、直观地进行虚拟实验与演示各种电子电路的工作原理。这样，理论课教学中难于讲清的重点和难点问题，可以通过的验证性虚拟实验演示等教学手段进行。在实验中，用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以做各种类型实验。方便地对测试结果进行分析，打印输出实验数据、测试曲线和电路原理图。实验不消耗器材，实验所需器材种类和数量不限制，实验成本低。实验速度快，效率高，容易开展各种设计性实验。另外，利用虚拟实验软件可以对学生实验能力进行检查。

3.5 虚拟现实技术在远程教学的应用

虚拟现实技术的远程教育对比传统的远程教育，能够为学生提供生动、逼真的学习环境，学生能够成为虚拟环境的一名参与者，在虚拟环境中扮演一个角色，这对调动学生的学习积极性，突破教学的重点、难点，培养学生的技能都将起到积极的作用。虚拟现实技术可为远程教育教学点提供可移动的电子教学场所，通过交互式远程教学的课程目录和网站，有局域网工具作为校园网站的链接，可对各个终端提供开放性的、远距离的持续教育。

此外，虚拟现实技术在电子商务、财务软件、景点模拟、酒店服务服装设计还有广泛的应用。虚拟现实技术挖掘职教院校的潜能，促进校园信息化的建设，倍增教学资源，充分激发学生的学习自觉性。虚拟现实技术在职业教育中有着独特优势。

4 结束语

尽管目前在职业教育对虚拟现实技术的应用没有得到广泛的应用和开发，但随着信息技术的发展，虚拟现实技术的不断发展和完善，以及硬件设备价格的不断降低，虚拟现实技术凭借自身的教学优势和潜力，将会在职业教育中发挥其重要作用。

参考文献：

[1] 曾建超.虚拟现实的技术及其应用.清华大学出版社，1996

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[5] 宣翠仙．虚拟现实技术及其在教育中的应用[J]．浙江树人学报，2004，(2)

虚拟现实技术及其应用篇4

关键词：计算机；信息技术；虚拟技术；应用

计算机技术中的虚拟技术具体可分为三类：服务器虚拟化、网络虚拟化以及存储虚拟化。利用虚拟化，可以提供更多服务，保证操作系统具有足够的兼容硬件。对于网络虚拟化，可以理解为建立一个虚拟的信息服务机构。虚拟化网络通信促进了网络策略和网络控制的细化工作。存储虚拟化，其主要作用是将不同的存储信息汇总到一个统一的、大的系统中，这种存储的虚拟化保证其在业务发展的同时不断进行自我更新适应，发挥其作用。

一、虚拟计算机的工作原理

对于虚拟化的应用最先需要考虑的就是机器对虚拟化的支持，不同的机器对虚拟化的支持是不完全吻合的，需要通过系统管理程序来对其进行支持，保证机器对虚拟化的支持。对系统管理程序的理解可以是操作系统和平台硬件的抽象化关系，这个系统管理程序可以比喻为操作系统，或者说是主机操作系统。而在此之上的就是客户操作系统，也就是虚拟机。每个虚拟机之间是相互隔离的，并且将下一级的机器作为自己的机器，但是并不是所有的硬件对虚拟化都是支持的，可能产生不同含义的指令，导致其结果不同。系统管理程序的执行需要有一个保护的范围，针对虚拟化所采取的方案，需要进行执行代码的扫描，以保证程序的执行是正确的。

二、虚拟化计算机的工作方式

1.桥接模式

通过对虚拟软件建立一个存在于局域网的虚拟服务器，为存在于局域网中的用户提供不同的网络服务，虚拟系统作为一个主机，通过连接不同的设备，与不同的计算机共同存在于网络中，与此同时，需要对其进行网络地址、子网掩码以及网关的分配，以上分配与现实中所存在的装备相似。

2.网络地址转换模式

利用网络地址转换模式可以对互联网进行相应的访问却不需要手工配置。其主要的优点对于互联网的接入十分简单，并不需要其他配置，只要保证宿主机能够对互联网进行访问就可以。宿主机担当着路由器的作用，利用路由器对网络的连接是简单方便的，虚拟系统正如现实中的计算机一样，利用DHCP来获取网络参数。

3.主机模式

对于一些特殊的环境，由于虚拟和现实环境需要进行划分，主机模式的采取是十分必要的，采取这种模式，能够保证对虚拟系统的互访，虚拟与现实系统的操作是分离的，虚拟系统无法完成对互联网的直接访问，在主机模式下，虚拟系统只能完成与宿主机的互访，可以理解为双绞线的连接。针对不同的需求和环境，所需要的模式也各不相同，针对各种模式所特有的特点，将其作用发挥得淋漓极致。

三、虚拟化技术的应用

计算机网络技术的发展是迅速的，其所具有的优势也是巨大的，在其发展的同时，计算机中虚拟技术的发展也更进一步，在公用的网络通道中，通过打开一个特定的数据通道，以实现其所具有的功能信息资源的配置和分享。如虚拟服务器技术，其作用是通过虚拟化软件来实现不同系统的共同运行，以实现不同系统的共同使用，对于系统的选择，不需要对计算机进行再一次的启动。虚拟技术的应用其优势是巨大的，且维护和修理所需要的费用较低，与此同时，其发展呈现出多元化趋势，使用范围广，包括学校、医院以及企业等。对于一个企业而言，虚拟网络技术的运用，可以实现不同科研室之间信息的分享和交流，更加方便快捷。对于信息的交流和分享，主要将所需数据流量在虚拟广播中进行控制，网络工作站的运行是不需要改变的，只需要在企业计算机虚拟网络中进行相应操作，由此凸显虚拟化的作用，大大提升系统所具有的能力，大大促进企业的管理能力和工作效率。通过对计算机虚拟专用拨号技术的利用，可以实现组网，这种技术的利用在福利中的应用十分广泛，其作用也很强大，可以保证二十四小时售票，其操作也相对较为简单，这种技术的采用，改变并优化了其相应的传统工作方式，避免出现数据传输中的速度缓慢的状况，保证时间准时。

四、现阶段计算机虚拟技术存在的问题

随着社会的进步和发展，计算机网络数据流量不断增加，在现实生活中，需要更多服务器，以参与网络建设，保证其发展适应社会发展需求，在网络虚拟技术利用过程中，存在不同品牌及不同配置，由此导致设备运行过程中出现功率损耗巨大的问题，不断增加其管理成本，无法保证其所具有的可靠性。除此之外，对服务器资料的利用率十分低下，只有百分之二十左右。所以在虚拟化建设过程中，只有保证服务器的利用率，才能增加其所具有的可靠性，保证资源利用率。

五、提高计算机技术中虚拟技术的应用

针对计算机技术中虚拟技术的问题，要提高其应用能力，通过对其进行相应的分析和了解，以采取必要措施。首先是对虚拟技术开发环境的构建，需要充分吸收现如今的先进观念，以构建一个适合于虚拟技术应用的开发环境，保证其具有良好的发展空间。只有良好的发展环境才能更加促进计算机技术中虚拟技术的发展和进步。其次是大大提高系统安全性，只有保证虚拟技术的安全性，才能得到更多人的支持与青睐，综合考虑并及时消除计算机技术中虚拟技术所存在的安全隐患，保证其具有足够的安全性，为大众提供安全保障；最后是对异构资源的整合，由于出现的品牌和配置不同，导致设备损耗提升，只有将其进行完善和统一，才能将成本控制到最低，促进虚拟技术的发展。

六、结语

本文着重分析虚拟技术的工作原理、工作方式、运行形式及其存在的问题，通过不断的更新和发展，努力适应社会发展的脚步，发挥其所具有的价值。随着社会的进步和发展，虚拟技术的发展会带来更加突出的价值，在未来发展中大放光彩，为社会发展和进步提供更多服务。

参考文献：

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虚拟现实技术及其应用篇5

虚拟技术在机械制造业当中的应用就是通过对机械制造过程进行模拟仿真，进而提高产品的生产效率，降低产品生产成本的一种技术。随着科学技术的发展，计算机在多种领域中得到广泛的应用。虚拟技术的出现就是以计算机技术为依托，综合多种科学技术为产品的生产设计提供支持。这种技术已经发展成为现代机械制造企业中的一种核心技术。本文通过对虚拟技术的核心支撑内容进行分析，进而探讨这种技术在当代机械制造业领域中的应用。

【关键词】虚拟技术 机械制造业 应用 思考

虚拟制造技术又被称为“拟实制造”技术，其主要是利用信息技术、仿真技术以及计算机技术的结合来模拟现实制造活动中的人物以及信息，并且对制作的过程进行全面的仿真，通过这种方式能够发现制造中存在的各种问题，并且采取有效的解决措施来预防，实现产品一次性成功制造的目的。不仅可以缩短产品的生产成本，同时还能够增强产品在市场上的竞争力。

1 虚拟制造技术的核心组成部分分析

虚拟制造技术涉及到多个领域，其核心技术主要包括三个方面的内容，分别是建模技术、仿真技术以及虚拟现实技术部分。

1.1 虚拟制造中的建模技术分析

虚拟制造系统中的建模技术主要有生产模型的建立、产品模型的建立以及工艺模型的建立三个部分的内容。其中生产模型有动态描述与静态描述两个部分，前者主要描述系统的生产能力以及生产特性，后者则是预测产品生产的整个过程。产品模型是各种实体模型的集合，目前产品模拟的信息是由众多静态信息构成的，包括产品结构明细表、产品的形状特征等。完整的产品模型是保障产品实施过程中所有活动集成的关键所在。虚拟制造中的产品模型打破了传统的静态模型形式，形成了一种动态模型。工艺模型是通过将工艺参数与产品设计的属性相联系，更好地反映生产模型以及产品模型之间的一种交互作用。工艺模型的功能主要包括计算机工艺仿真模型、统计模型以及数学模型等多种类型。

1.2 虚拟制造中的仿真技术分析

仿真技术就是在计算机的辅助作用下将一些复杂的现实系统经过抽象化以及简化的方式使其形成一种系统化的模型，通过对模型进行分析能够得到一系列统计性能。由于仿真技术方法在研究的过程中是以系统模型为研究对象的，因此，不会对实际的系统造成任何干扰。不仅如此，仿真系统还能够应用计算机的运算功能在较短的时间内模拟出实际生产过程中很长的生产周期。因此，这种技术在机械制造中的应用能够缩短决策时间，减少了资源的浪费，同时还能够对实施方案起到优化的作用。

1.3 虚拟制造中的虚拟现实技术

虚拟现实技术的产生是为了改善人与计算机的交互方式，增强计算机的可操作性而产生的一种技术。这种技术综合利用了计算机的图形系统以及控制设备，能够生成一种三维交互的环境，即虚拟环境。在虚拟技术的技术上用于计算机交互性操作的系统称为虚拟现实系统。该系统不及能够促进人与计算机之间的和谐程度，同时还能够起到修改虚拟环境的作用。

2 机械制造业领域中对虚拟制造技术的应用分析

2.1 虚拟技术在机械产品设计中的应用分析

我国虚拟技术最早应用的领域是军事领域和航空领域当中，在计算机技术不断发展的过程中，虚拟技术的应用领域也逐渐拓展，在机械产品的设计制造中发挥了重要的作用。例如，数控机床的设计中就应用了虚拟技术，通过虚拟技术进行机构的几何造型，运动仿真性能的分析、机械热特性以及热变形的分析等。此外，虚拟技术在造型设计、虚拟装配以及虚拟现实技术培训中也取得了较好的成果。在机车车辆等一些复杂产品的设计研发中应用虚拟技术，通过将传统的研发经验与现代的虚拟技术之间相结合，能够有效的解决动力学知识的计算、结构强度分析以及疲劳可靠性分析等多种问题。为机车车辆的虚拟样机的国产化提供了发展的契机。虚拟技术在机构设计中的应用能够实现机构的动力学仿真，对于机构的精度分析以及可靠性分析的作用较大。

2.2 虚拟技术在机械建模中的应用

传统机械建模之前，我们首先应该对运动进行分析，通过运动分析的结果再进行动力分析，在此过程中需要做大量的图形以及公式，不仅增加了建模的复杂程序，同时还容易出现较多的错误，建模的准确性最终也难以保障。虚拟样机技术在机械建模中的应用，设计人员只需要给出机械的构成以及相应的连接形式，同时给出相关构建的物理参数，通过计算机就能够完成建模以及求解的流程。这样的建模过程不仅能够减轻设计人员的工作量，同时还能够提高建模的效率。虚拟样机在机械建模中的应用还能够发挥其软件的更多功能，传统建模分析中得到的是大量的数据，但是对于数据结果的分析往往是无从下手，需要设计人员具备丰富的理论知识和设计经验，利用虚拟样机技术软件就能够增强各种计算机结果的可视化效果，将数据结果通过图形或者是动画的形式表现出来，设计人员可以直观的看到建模的机械性能以及运动效果，从而确定建模的实效性。

3 结束语

虚拟技术在现代机械制造领域中的应用能够从根本上改变机械制造的设计方式以及规模化生产方式。在机械产品制造出来之前，通过虚拟技术能够生成一种软产品的基础模型，这种模型可以替代传统的样品试验，从而预测产品的性能以及可制造的结果。通过虚拟环境展示软产品不仅可以降低实际产品的开发成本，提高产品在市场上的竞争力，同时还能够缩短产品的生产周期，减少其他资源在产品生产中的浪费。当前机械制造业的虚拟技术的应用应该以企业的需求为动机，综合技术本身的各种核心功能，改变产品生产和开发的复杂性，提高产品的生产效率，从而促进机械制造企业产品生产的全面发展。

参考文献

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作者单位

虚拟现实技术及其应用篇6

关键词:虚拟现实;教学实践;三个基本;点面结合

中图分类号:G642 文献标识码:B

1引言

虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)主要采用以计算机技术为核心的现代高技术生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境(Virtual Environment,简称VE),用户借助必要的设备(如特制的服装、头盔、手套和鞋),以自然的方式与虚拟环境中的实体对象进行交互作用、相互影响,从而产生身临其境的感受和体验。虚拟现实具有3I特性,即交互(Interaction)特性、沉浸(Immersion)特性和构想(Imagination)特性。交互特性强调参与者通过专用设备以人类自然方式与VE中的对象进行相互操作;沉浸特性要求计算机所创建的虚拟环境能使参与者产生置身其中的体验;构想特性是指虚拟环境能够启发参与者发现新问题并辅助产生创新思维。

二十世纪六十年代初,“图灵奖”获得者,被称为计算机图形学之父的美国科学家Ivan Sutherland发表“终极显示”论文提出虚拟现实概念,自此,虚拟现实技术历经一系列里程碑式的理论、方法与技术研究工作,并取得了重大工程应用成果。今天虚拟现实技术的应用领域已经非常广泛,主要包括三大应用方向,即训练演练、规划设计与预测、观赏娱乐等。例如在虚拟战场环境中进行作战指挥模拟,宇宙飞船、飞机、舰船模拟驾驶训练,飞机、导弹、轮船等复杂系统的虚拟设计与制造,城市环境规划及其建筑物的展示,手术培训与导航,游戏动漫与影视制作等。由于虚拟现实技术涉及的学科综合性、交叉性强,是可以拉动多学科发展,不断产生新思想、新技术,具有广泛和重大应用前景的科学技术领域,国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)把虚拟现实技术确定为信息领域优先支持的三大前沿技术之一。

2课程的特点

北京航空航天大学计算机学院从1994年开始从事虚拟现实技术领域的研究,取得许多创新成果,在相关学科领域产生了较大影响,逐步形成了北航计算机学院一个新的优势学科方向。作为计算机应用本科生的专业限选课程,“虚拟现实技术”课程教学已经讲授了5年。本课程的教学目的是通过对有关虚拟现实技术国内外研究热点问题、典型研究工作的介绍,使学生了解当前虚拟现实技术的发展趋势;通过对虚拟现实基本原理、基本算法、开发方法、主流系统的介绍,使学生掌握虚拟现实主要技术、开发环境与平台;以虚拟现实技术与系统国家重点实验室研究工作为主要实践教学支撑,培养学生的创新能力,满足国民经济和国防部门对虚拟现实领域专门人才的需求。虚拟现实课程具有以下特点:

2.1学科交叉性、综合性强

国家中长期科学和技术发展规划纲要指出:“虚拟现实技术重点研究心理学、控制学、计算机图形学、数据库设计、实时分布系统、电子学和多媒体技术等多学科融合的技术,研究医学、娱乐、艺术与教育、军事及工业制造等多个相关领域的虚拟现实技术和系统。”虚拟现实技术主要从计算机科学与技术、控制科学与技术、机械工程科学与先进制造技术等学科中孕育并实现跨越,逐步发展成熟,涉及心理学、认知科学、计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术等,学科交叉性、综合性强,如图1所示。

2.2数理基础要求高

虚拟现实课程的许多理论、方法和技术涉及大量的数学公式和物理定律,例如在基于图形的虚拟现实技术中所涉及的计算机图形学,基于图像的虚拟现实技术中所涉及的图像处理和信号处理技术,在建模技术中涉及的动力学、运动学等,都需要学生具备深厚的数理基础。

2.3创新思维丰富

虚拟现实被众多学者认为是科学研究与工程实践中理论和实验方法之外的第三种方法,可以虚拟和仿真人类难以到达的宏观或微观环境,进行研究和体验;在虚拟环境下进行逼真的规划、设计、训练演练,作出评价和决策,其与生俱来的构想特性能够启发参与者发现新问题并产生创新思维。虚拟现实技术由于多学科交叉性,在不同学科交叉融合中源源不断地产生新思想、新方法。

2.4工程应用突出

虚拟现实技术既有坚实的理论基础和方法,也有大量的典型算法,同时又是一门应用牵引强,各种开发平台和应用工具丰富,人机交互设备多,软硬件结合与系统集成占相当比重的课程。

2.5课程内容多课时紧

本课程是本科生计算机应用方向的限选课程,在本科四年级上学期开设,其间正值学生考研复习准备阶段,课时总计36学时,课内教学18学时、课外实践18学时,授课时间十分紧张。

3教学内容安排

我们经过多年的教学实践,在不断与学生教与学交互的活动中,结合自身学科研究特色,总结、完善主要教学内容,形成了如下的教学大纲:

第一章:概论(2h)

问题的提出、名词术语、虚拟现实特征、里程碑工作和研究现状、国内外典型应用实例。

第二章:虚拟现实硬件与系统(2h)

虚拟现实输入设备、虚拟现实输出设备、高端图形工作站、图形处理单元(Graphic Processing Unit简称GPU)、典型沉浸式交互系统的构建实例。

第三章:基于图形的虚拟现实建模与开发技术(6h)

视觉感知相关基本概念、场景表示与数据库结构设计、CREATOR建模软件与合成自然环实例、场景图组织与基本绘制流程、OpenGVS与WTK开发软件、虚拟场景漫游应用程序开发实例。

第四章:基于图像的虚拟现实建模与绘制技术(2h)

IBMR技术与全光函数、全景图像与柱面全景图像实例、同心拼图方法。

第五章:人工生命-人工鱼实例(2h)

人工鱼的总体方案、人工鱼的生物力学分析、感知与行为建模、几何建模与外观属性、虚拟海洋环境建模、运动系统、逼真性与效率权衡。

第六章:虚拟人技术(2h)

人体抽象模型与国际标准、逼真运动获取与表示、运动约束与重用、虚拟人技术应用实例。

第七章:分布式虚拟现实技术(2h)

DIS技术与IEEE1278、HLA技术与IEEE1516、分布交互仿真程序开发与应用实例。

教学实践与课外教学安排:(18h)

课外研读学习OpenGL、构建虚拟现实漫游程序;参观虚拟现实技术与系统国家重点实验室,观看演示、操作实验室研究设备,了解当前主要研究方向和趋势。

4教学实践与思考

针对虚拟现实课程的上述特点,我们在课程的教学活动中形成了“突出三个基本,注重融会贯通;点面结合,各有侧重;结合实例,促进创新思维”的教学思路。

4.1突出三个基本,注重融会贯通

在教学中突出三个基本,即突出基本原理、基本方法、基本算法的讲授。虚拟现实课程的诸多内容来自不同的研究和应用领域,貌似差之千里,但是其核心思想常常殊途同归。对于这部分内容在教学活动中应有意识进行联系,分析讲解,努力让学生融会贯通。以细节层次概念(LOD)为例,细节层次概念是图形建模中的基本概念,是指用一组复杂程度(常常以多边形数来衡量)各不相同的实体细节层次模型来描述对象,在运行时根据一些主客观标准在这些LOD模型间进行切换,实时改变场景的复杂度,从而能够绘制效率与效果的平衡,该方法需要解决模型间切换时产生的视景跳跃问题。在GPU的基本贴图处理(MIP MAPPING )、复杂光照模型实时绘制等研究工作中也引入和应用了同样的原理,因此在讲解细节层次概念时进行举一反三,加深学生对这一满足逼真性和绘制实时性普适基本方法的理解,进一步可以引伸出连续细节层次方法以及与视点相关的递进传输技术如何满足基于网络的虚拟现实应用问题。这样教学思路始终贯彻在七维全光函数降维、八叉树的数据组织方法等诸多教学内容中,以达到融会贯通的目的。

4.2点面结合,各有侧重

虚拟现实课程涉及学科众多,内容十分丰富,有限的课时内做到面面俱到几乎不可能。我们的教学大纲基本覆盖虚拟现实的主要研究分支,重点是基于图形和基于图像的虚拟现实技术,由于增强现实在其他课程有重点讲授,不过多涉及。其次注重对当前国内外的研究重点、热点问题,以及当前的主流设备、开发工具与平台介绍。通过发挥授课教师的计算机科学与技术专业背景,结合实验室多年的研究工作进行知识点的深入讲解。例如在分布式虚拟现实技术教学中,实验室在该方向上开展了长达十年的研究工作,研究成果既体现了该内容的基本方法、国际标准,又体现了当前的最新研究成果。该内容的教学从早期的DIS入手,通过与HLA核心技术的对比,重点讲解分布式虚拟现实技术如何应用数据抽象与封装、与订购、基于值的信息过滤 (DDM)等核心技术解决大规模交互仿真问题,进一步引伸介绍目前该方向的研究进展,让同学了解当前研究热点问题。

4.3结合实例,促进创新思维

虚拟现实是一门多学科交叉的科学技术,不同学科理论与方法的互相借鉴、启迪、创新尤为明显。因此在讲授具体内容的同时,应介绍该研究工作和成果产生的背景,体现交叉创新、集成创新思路,启迪同学的创造性思维是本课程不断追求“授之与渔”的目标。在课程综述中重点介绍信息资源环境的智能化、普适化、协同化、沉浸化发展的各个不同历史时期代表性工作,以及仿真技术、先进制造技术等学科对虚拟现实的重要贡献,突出虚拟现实技术交叉融合的特性。将具体的课程知识点讲授融入到典型实例中,人工生命课程教学中以ACM优秀博士论文工作为基础,讲述了人工鱼的感知与行为建模、几何与外观属性建模、虚拟海洋环境建模等,目的在于突出建模内涵的宽泛性和在虚拟现实技术中的重要地位,通过详述人工鱼的生物力学分析、总体方案设计,行为与运动系统实现,归纳总结出多学科交叉、逼真性与效率的完美平衡是其创新所在。在讲授虚拟人技术时,首先提出逼真人体运动复杂性和实时性这一矛盾,引入机器人技术领域的逆向运动学以及信号与系统中的信号处理方法,重点介绍借鉴其他学科方法解决虚拟人运动重用和大规模人群等关键问题,强调借鉴启迪是创新的源泉。在诸如同心拼图、分布式虚拟环境中同样贯彻了结合实例,促进创新思维这一教学思路。

5结论与展望

“虚拟现实技术”涉及面宽、内容十分丰富,同时发展迅速,应用越来越广泛,如何讲授好该课程是一个需要不断探讨、研究总结的教学课题。笔者在多年的教学活动中,通过教与学的交流,不断总结形成了一些教学思路和方法,取得了良好的效果,但是仍然需要不断完善充实,主要包括两个方面内容:(1)如何做好虚拟现实技术课程与计算机图形学、多媒体技术、图像处理技术的衔接;(2)如何利用好虚拟现实技术与系统国家重点实验室的研究环境、软硬件资源以进一步加强虚拟现实课程的实践环节。我们将在今后继续研究探索,以解决这些重要问题。

参考文献:

[1] 赵沁平. DVENET分布式虚拟现实应用系统运行平台与开发工具[M]. 北京:科学出版社,2004.

[2] 石教英. 虚拟现实基础及实用算法[M]. 北京:科学出版社,2002.

虚拟现实技术及其应用篇7

关键词：虚拟现实技术；工业；设计；应用

在计算机技术模拟的三维立体空间之中，用户可以强烈地感受到视觉、听觉、触觉的模拟，在将虚拟现实技术应用于工业设计领域时，突显出虚拟现实技术不可比拟的应用优势和性能，它可以无障碍、无阻滞地实现对三维立体空间的事物的观察和操作，生动地模拟出实际的工业生产场景，可以良好地应用于制造、装配、安全监测、建筑、室内设计等领域，具有极其重要的现实功能和意义.

1虚拟现实技术的工业设计综述

虚拟现实技术以计算机网络技术、现代信息技术为依托，实现虚拟现实技术与现代先进制造技术的整合，是一种基于高度逼真的模拟化人机界面技术，可以达到基于自然技能和真实体验的人机交互系统.虚拟现实技术的工业设计具有其特殊的性能和特征，具体表现为：（1）网络化.在网络技术为支撑的、并行式的设计结构系统之中，实现了对设计、工程分析、生产制造三者的统一和集成.它可以快速地响应市场需求，在虚拟的制造环境中生成数字样机，并对其进行预测和评估.（2）交互性.在虚拟现实技术的工业设计之中，建构三维立体的虚拟数字模型，给人以真实的体验，在身临其境的感觉中对其加以修改和操作，较好地实现了人机的交互.（3）高效性.在虚拟现实技术的工业设计之中，可以较好地减少对设计的修改，节约了设计成本，也提升了设计精度，由此可见，虚拟现实技术的工业设计可以极大地提升资金使用效能.虚拟现实技术对于工业设计的影响是多方面的，我们可以从不同的角度看待虚拟现实技术在工业设计中的应用优势：（1）变革了工业设计理念.在虚拟现实技术应用于工业设计领域时，工业设计师不仅参与工业的设计阶段，还渗透到企业的生产和销售阶段，需要全程对自己的设计负责，这种理念的转变是前所未有的，虚拟现实技术在工业设计中的应用不仅体现于工业产品的外形设计，还体现于工程设计，这就需要设计师立于更高的、更为全面的角度，生成优良的新产品设计，并使之涵括除了工业设计专业之外更为广泛的领域，更好地实现与其他经营、销售等团队的精诚合作和交流.（2）创新了工业设计方法.传统的二维式的平面图设计方法已经被替代，在虚拟现实技术的应用之下，可以使工业设计方法更为立体化和三维化，可以使人们体验和感受到不同视角的立体效果图，在用户任意旋转、放大、收缩的模型修改过程中，充分体现工业设计方法的多维化转变.

2虚拟现实技术的分类及应用领域

2.1虚拟现实技术的分类

虚拟现实技术又被称为“虚拟生产”、“虚拟贸易”、“虚拟网络”，它基于“人是信息环境的主体”的理念和意识，强调人在虚拟现实系统中的主导作用，它的分类，具体包括以下几种：（1）分布式虚拟现实技术.不同的用户基于计算机网络实现链接，共同参与和体验虚拟经历，这些不同的用户可以对同一个虚拟世界进行互动、操作和交流，以更好地实现网络协同，达到共同体验的工作目标.（2）增强现实性的虚拟现实技术.它是实现对真实世界的模拟和高度仿真，可以极为有效地增强用户在真实场景下所无法感知或不便于感知的体验，如：战斗机飞行员的平视显示器，可以更好地引领飞行员将武器瞄准数据投射到穿透式的屏幕之上，获悉敌机的导航偏差.（3）沉浸式的虚拟现实技术.运用特定的设备隔离用户的视觉和听觉，使用户可以全身心地投入和沉浸于系统之中，利用位置跟踪器、数据手套、手控设备等，实现沉浸式的虚拟现实技术的体验.（4）桌面虚拟现实技术.运用个人计算机和低端工作站，实现对现实世界的高度仿真和模拟，并以计算机屏幕为观察窗口，借助于各种输入设备，全方位、多角度地实现与虚拟仿真世界的交互、操作和修改，在这个系统之中，个体没有与外界相隔离，会受到外界的干扰和影响，因而缺乏真切的现实体验和感受.

2.2虚拟现实技术的应用领域

（1）虚拟设计.虚拟现实技术可以应用于虚拟设计领域，如：虚拟现实汽车设计.（2）教育和娱乐领域.虚拟现实技术可以使用户体验到真切的感官刺激，在三维立体的逼真视景之中，实现用户自主的、个性化的体验.（3）安全训练.在一些高难度和危险的情境之下，可以运用虚拟现实技术进行训练.如：应用于医疗手术训练的虚拟现实技术系统.（4）先进制造领域.在工业设计中的先进制造领域，可以运用虚拟现实技术，完善产品的设计，优化产品的性能，更好地提升设计效能.（5）建筑与艺术设计领域.在工业建筑及艺术设计领域之中，可以运用虚拟现实技术，将抽象思维转化为实体场景，极为有效地增强用户的真实体验.

3虚拟现实技术在不同工业设计中的应用实践分析

3.1虚拟现实技术在灌装制造生产线的应用

3.1.1虚拟灌装生产制造线的框架设计

在将虚拟现实技术应用于制造生产线的架构之中，可以将虚拟生产线建构为以下几大模块内容：（1）仿真管理模块.实现虚拟现实接口的指令数据接收与传递，更好地实现对虚拟环境的协调与维护.（2）工艺布局模块.设计人员基于生产制造线的约束性条件和前提，实现虚拟环境中的布局整体设计.（3）设备模型库模块.在这个模块之中，可以充分体现出虚拟设备的控制属性和几何属性，使用户沉浸于虚拟场景和立体模型之中，实现对物理制造生产线的观察和评价.（4）任务管理模块.通过虚拟制造生产线的任务调度，实现对工件的传送、加工、测量、运输、灌装等操作.（5）分析引擎模块.测定设备及工件的运行状态，并实施虚拟生产线上的系统故障检测.（6）报价模块.这是对虚拟制造生产线的设计的价格评估.（7）虚拟现实接口.借助于虚拟外部设备，可以实现虚拟仿真，建构人与虚拟系统的接口.

3.1.2虚拟灌装生产制造线的可视化设计

依照整体的生产能力和要求，在虚拟制造生产线的可视化设计中，要使输送系统具有充分的存储量和缓冲时间，能够集成工艺流程和调度过程.同时，还要利用对象的继承和封装机制，生成虚拟的制造生产线环境，在三维的模型之下可以极其逼真地反映出制造生产线中的设备及工件.

3.2虚拟现实技术在航空智能制造中的应用

虚拟现实技术与航空智能制造相融合，充分展示出虚拟现实技术的“智能之窗”的地位和功效，基于我国航空制造的实际需求，可以将虚拟现实技术应用于航空制造中的工艺设计、车间执行、管理等方面，具有极其重要的现实意义.航空飞机制造的核心是工艺设计，在这个“看不见的手”之中，可以实现制造工艺的标准化、可控化、可拓展应用.具体应用项目和内容包括有：（1）沉浸式工艺审核.在航空飞机的制造虚拟现实技术应用之中，首先即要实施对航空飞机装配工艺的审核，以飞机设计图样、数据模型、文件等为审核内容，协调各方面的意见和建议，全面做好工艺设计的审核和评定，工艺设计人员可以完全沉浸于虚拟、高度仿真的环境之中，不受任何干扰和影响，实现与虚拟对象的交互.（2）沉浸式工艺仿真.在虚拟现实技术的应用之下，航空飞机制造实现了“基于建模和仿真的科学设计模式”的突破，在多源信息融合的仿真虚拟环境系统之中，实现对航空制造的工艺设计仿真分析，如：航空飞机工艺数字样机模拟、空间分析与漫游、虚拟装配、交互虚拟实验等.

3.3虚拟现实技术在建筑及艺术设计中的应用

在建筑设计领域之中，虚拟现实技术极大地拓展了图形艺术设计创作方式，通过虚拟漫游技术在建筑设计中的应用，可以三维、立体地呈现城市景观、小区景观、室内设计、历史性建筑的仿真模拟，它可以使设计者从多角度、自如地审视和欣赏，极大地拓展了建筑展示空间虚拟现实的漫游技术较好地解决了设计过程中的枯燥而繁琐的沟通性缺陷，可以利用其三维建模的虚拟现实设计和全景虚拟现实展示设计，充分展示出设计者的设计创新思维，灵活地运用于不同的建筑设计项目之中.在室内设计中采用虚拟现实技术，可以虚拟出一个建筑室内空间，直观而形象地表达和传递设计者的设计意图和设计思维，它比传统的沙盘模型具有更大的优势性能，可以实现对设计空间的全尺寸模型设计，用户可以任意在虚拟空间中漫游、修改和调整，使之更具有人性化和逼真化，极大地增强和提升了建筑室内空间的整体操控和设计水平.

3.4虚拟现实技术在汽车制造中的应用

虚拟现实技术可以应用于汽车制造系统之中，预先发现并解决汽车整体或零部件的问题，通过汽车三维立体模型的建构，可以使设计人员更好地体验汽车内部的舒适度、驾驶模拟程度、故障模拟等，提升设计指标的合理性和科学性.并且，在对汽车进行虚拟开发设计的过程中，还可以实现对汽车造型、制模、冲压、焊接、总装等流程的三维化和虚拟化，通过网络数据为支撑和依托，实现虚拟协通实时设计，并实施虚拟实验检测，预测汽车的整体安全性能和动力性能.

4结束语

综上所述，虚拟现实技术以计算机技术和网络信息技术为支撑，通过立体的、三维建模方式，实现对现实世界的虚拟和高度仿真，在将这种全新的技术与工业设计相嫁接时，我们可以看到这个“智能窗口”的现实功能和意义，在网络、信息、数据等方面的集成之下，可以清晰地呈现产品的全方位细节，实现工业设计的网络化、系统化和智能化，增强工业设计的交互性和科学性，充分利用工业设计资源库，更好地缩短工业设计周期，提升工业设计的效能.

参考文献：

〔1〕王佳.基于虚拟现实技术VR-Platform平台的产品展示研究[D].太原理工大学,2013.

〔2〕贺春光.虚拟现实技术在保护蒙古马鞍制作工艺中的探索与研究[D].内蒙古农业大学,2012.

〔3〕全宁.虚拟现实技术在喀什传统民居中的应用研究[D].新疆师范大学,2014.

〔4〕王宣淋.在建筑领域中虚拟现实技术的应用分析[J].电脑迷,2016(07).

〔5〕林凤屏,陈必链,张彦定.虚拟现实技术在医学教学中的应用探析[J].实验室科学,2016(06).

〔6〕孙超.浅谈虚拟现实技术在智慧城市领域的应用[J].中国公共安全,2017(01).

虚拟现实技术及其应用篇8

[关键词]虚拟仿真技术；治安教学训练

应用型人才是公安院校人才培养工作的目标，而实践能力是人才培养工作的重要内容，治安课程是建立在治安专业理论基础上的应用性课程，具有较强的实践性，治安专业在实践能力训练中却大量存在实战训练中的高度危险性以及不可及、不可逆的训练环境条件和内容（比如处置、事故现场处置和暴力犯罪的处置、巡逻盘查等），这为发展治安学虚拟仿真实验教学提供了需求和空间。虚拟仿真技术是计算机、智能、传感、图像处理与模式识别、音响与语音处理、网络等多个领域技术的综合性技术。迅速发展的现代教育训练技术把虚拟仿真技术引入到了实践性的教育训练中，使传统的教育模式进一步得到改变，也使得教与学的方式发生了革命性的变化。治安管理虚拟训练系统主要用于公安院校治安专业学员和公安干警岗位能力训练，为公安院校创新开展实训教学提供有效支持。基于虚拟仿真技术内涵分析，探讨治安课程虚拟仿真训练环境设计以及在治安教学领域中的应用前景。

一、虚拟现实及相关技术

（一）虚拟现实概念及特点解析

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR，又称灵境），是指以计算机技术为核心的现代高技术生成融视觉、听觉、触觉等多位一体的虚拟环境，使用者利用匹配的设备以现实的方式与虚拟环境中的对象进行自然交互，从而让使用者会形成亲临真实环境的体验。虚拟环境指利用计算机建构的有逼真色彩的立体几何图像，它既可以是某特定的真实环境，也可以是能够满足使用者需求的虚构虚拟环境。匹配的设备指穿戴于使用者身上或置于使用环境中的传感装置。比如：头盔式显示器、数据手套等设备。自然交互是指用现实活动方式对虚拟环境内的对象进行互动并得到实时反馈，如使用者运动等。虚拟现实具有的三个特点。

一是沉浸性。虚拟仿真技术的沉浸性是其在训练领域的应用技术最突出的特点，运用该技术使受训者能全身心进入到建构的虚拟环境中，调动其感觉器官达到同真实环境相似或相同的逼真程度，成为知识掌握、能力训练直接w验化的工具。这种逼真体验不是获得的间接经验，而是受训者在逼真模拟情境中通过自身的体验获得的直接经验，因此，利用虚拟仿真技术使受训者获得的知识和能力效果最好的。

二是交互性。交互性是虚拟现实技术不同于其它媒体技术的重要特征，体现虚拟现实技术创设的是一个开放的互动性人机环境，利用先进的人机接口，通过多样受训者感觉通道的实时模拟交互，当使用者做出如手控、语言命令等相应的操作时，创设的情景里能具有相应的回应。因此，交互性是指使用者对创设的情景的可操作度和从情景里获得到回应的实时性。

三是构想性。构想性特征反映了虚拟现实技术运用具有无限宽广的想象范围，可拓展人的认知广度与深度，可任意构想现实不存在或是发生可能性小的情景。

随着虚拟仿真技术的在教育训练中的运用，虚拟仿真技术的沉浸感、交互性、构想性三属性，提高了受训者的综合能力培养效率。

（二）虚拟现实技术

1.利用三维建模技术，构建虚拟训练环境。三维建模技术需要CAD和视觉建模等技术的结合，以此提高数据获取的效率，当然在构建虚拟环境中更多需要采用视觉建模技术。而对象物体的三维模型是三维模型建构的基础。在治安学针对治安管理中的虚拟三维训练环境建构，通过建构相应的管理、处置环境图库，包括处置背景、场景、各种警用装备和处置人员等，为使用者创造一种变化多样、逼近真实的立体环境，使用者能够有置身其中的临场感觉。在训练中，可以采用综合了照片、影像和现实街区数字地形数据等生成处置区域三维立体环境，以几乎一致的三维环境来训练执行处置任务的学员，可以提高执行任务的效率。

2.交互技术。虚拟现实系统运用的交互技术主要功能是对物体和各种输入的处理。用户要完成的任务通过仿真引擎输送到虚拟空间，并计算完成动作并呈现在虚拟环境中。虚拟现实中的人机交互方式多样，可以通过计算输入设备，也可利用数据手套、跟踪器、三维探针、操作杆等交互技术等。比如：数据衣、手套可计算出身体、手的空间位置和状态，关节的位置和方向可通过手指动作以及各个部位传感器来确定，为使用者提供真实的三维交互方式，从而实现对虚拟环境中物体的操作，数据手套是VR系统常用的交互设备。

3.传感技术。传感技术包括定位、跟踪、感知反馈等技术。虚拟环境用户的定位和跟踪主要是通过空间传感器来确定。跟踪系统由发射和接收器、电子部件等构成。比如，声音跟踪可以包括多个发射、接受和控制单元，它可以与其它设备相连，如，数据衣和手套等。视觉跟踪技术是跟踪投影在图像投影平面不同时刻和不同位置上的光，确定跟踪对象的空间动静状态。感知反馈是使用者感知图像、声音、作用力等的过程。视觉反馈包括实体造型、光照模型、消影、纹理影射等内容。立体视觉反馈显示器可以使用者两眼呈现视差的平面图像合成并呈现立体视觉反馈。

4.计算处理技术。计算处理技术具有快计算、大储存能力、强处理能力属性，主要包括数据转换与预处理、实时仿真图像生成与显示、声音合成、多维信息数据融合、转换、压缩以及数据库的生成、模式识别以及信息检测、合成和识别、分布式与并行计算等综合性计算技术。可以说虚拟现实系统是以高性能计算技术为核心的创新科技，是系统性能强弱的根本。

二、虚拟治安管理训练模块及环境设计

（一）虚拟治安管理主要训练模块

虚拟治安管理训练模块，采用虚拟现实三维仿真引擎进行开发，主要模拟接处警、公共安全危机处置和消防仿真演练的各类场景、人物角色、工具设备和工作流程。以工作流程为主线，以交互的方式进行教学实训。主要开发以下实训模块：一是接处警教学实训模块。包括接警、处警、现场控制和现场制止违法犯罪行为等三维交互教学实训子系统。二是公共安全危机管理教学实训模块。包括了群体性危机事件处置、恐怖袭击危机事件处置、公共事故灾难危机事件处理等三维交互教学实训子系统。三是消防仿真应急演练模块。包括演练培训与考核、消防监督检查、消防装备与灭火技术、火灾救援指挥等三维交互教学实训子系统、应急疏散等三维交互教学实训子系统以及通过动作捕捉系统进行交互演练的半实物实训系统。

（二）虚拟治安管理训练环境设计

虚拟现实技术与治安管理实训相结合，可以产生虚拟治安管理及相关问题处理环境，这样的仿真世界如同身临其境，操作者能够进入该环境，直接参与该环境中事物的变化过程并能互动。虚拟治安问题处理环境设计这是基于治安问题分析模型、治安问题处理等虚拟现实，是呈现治安管理及问题处理系统的三维空间和处理过程的虚拟仿真环境，训练者可以根据构想和意愿去构建完善治安管理及问题处理时空关系、分析和处置模型等，并能实时检测交互结果，通过循环性反馈结果获取规律性认识。

一个高效虚拟现实系统，都需要设计模型、处理数据、分析评估等程序。当然，治安管理及相关问题处理虚拟现实系统也需要。根据虚拟现实系统的三属性及其之间关系，可以将治安管理及相关问题处理虚拟现实系统训练看着为一个空间系统，由治安管理相关载体和物理条件所构成。

通过虚拟现实系统实现环境逼真模拟，首先要进行治安管理及相关问题处理环境设计，即将治安管理及相关问题处理环境进行数字处理，这种把环境建构处理成符合治安管理及相关问题处理模拟训练要求的设计过程，就是治安管理环境的仿真设计。为了能够真实模拟治安管理及相关问题处理过程，就需要经过设计使用和验证过程，以保证模拟效果和质量。

治安管理虚拟训练系统涉及数据处理和感知虚拟现实。通过治安管理及相关问题处理数据来识别虚拟环境，并将其模型化，也就是将虚拟环境数据转变为计算机认知虚拟环境模型。虚拟环境感知是以运用虚拟环境影像、声音等内容呈现治安管理环境，训练者运用操作系统体验感觉管理环境，实现现场情况观察、态势走向把握以及决策辅助的目的，并评估和接受感知结果。治安管理虚拟训练系统是以数据处理虚拟仿真为核心，由于模型驱动导致数据信息变化可通过虚拟环境感知转递到训练者，同时，人机交互也可改变数据处理的结果。

建立虚拟治安管理环境需要现实调研获得特征数据。特征数据拥有精确坐标和特征编码，用于表现虚拟现实环境，比如建筑、道路、广场等。对于虚拟三维环境设计，要根据标准数据生成街区等公共场所中的静态以及运动物体，然后覆盖纹理，生成虚拟场景。对于治安管理环境，可以用航拍照片和特征纹理的方法建模，纹理可以通过扫描用数字相机拍摄场景照片和手工绘制图片生成，三维模型建立完成后，可以进行特殊效果处理。

三、虚拟现实在治安学中的应用前景

高速发展的信息技术，虚拟现实与GIS技术的有效结合实现了虚拟仿真，治安管理及问题处理训练仿真系统就是利用虚拟现实和GIS技术的仿真系统。近年来，公安院校大力加强校内外实践教学，虚拟仿真实验教学是公安院校实践教学建设的重要内容，是公安实战能力的重要基础。虚拟现实技术创造了一个新的训练环境，将训练领域和结果接近真实的展示，使其沉浸于其中，激发训练创造性思维，这将学生技能提高到一个前所未有的水平，通过虚拟仿真实验教学，也促进治安学实践教学的整体素质和教育水平。

（一）学生的教育训练

虚拟现实技术运用于教育训练，将更能引起受教育者的兴趣，提高教学训练效果。对治安学有关的教育训练，传统的治安专业知识大都以教科书来呈现，通过讲授以及借助于文字案例、有关的视频等教学工具来实现，但如能借助于虚拟现实技术，就可以将直观的综合性治安信息搭建模型，利用虚拟现实系统的功能系统，让受训者通过一次次足不出户的虚拟经历就能置身于治安问题处理和能力训练。治安学虚拟仿真训练主要结合接处警、公共安全危机处置、公共场所治安防控、治安事故现场处置等，包括的内容涵盖人群管控、违法犯罪的现场制止、公共安全危机管理、治安秩序管控、应急救援等教学训练模块，每个模块根据实际工作内容的复杂程度和工作量的大小不同定制开发一个或多个虚拟三维仿真模拟场景，旨在尽可能真实的还原公共安全工作的真实环境和人物行为，让参训者沉浸在高仿真的环境中，产生身临其境的感观体验，从而达到最佳的教学实训效果。目前，公安院校在处置训练上存在较多问题，由于受现实训练条件限制，实训展开次数少，如果训练操作不当还可能出现危险，如果运用仿真系统实现模拟发生及处置全过程，可以实现训练者在场景中沉浸，并能运用多种方法控制现场、处置事态，观察处置中的变化过程，可以让处置训练者体验并学习到如何对各种处置环节和情形做出反应，并且对处置结果进行直观评价。

（二）研究者理论研究

虚拟现实技术为治安学理论研究提供了特殊手段和方法，利用它可以为治安学理论进行全过程研究，让学者完全沉浸于计算机环境中的三维场景，充分表达学者构想，并得到构想形成的结果，获得规律性的认识。特别是一些难以记忆、掌握的统计数据可以转换成直观性强三维图形图像，寻找各种治安现象之间的关系，更能理解和把握，达到研究目的。比如警察巡逻规划和治安防控制w系建设研究。

（三）课程虚拟实验

利用虚拟现实技术可创建一个基于计算机为核心的虚拟实验平台，利用虚拟仿真技术进行技能训练、虚拟实验，创设的虚拟环境的演示物可摆脱实验室所需昂贵的器材，降低实验成本，而实验效果基本接近现实技能训练的教学效果。对于不具备现实条件开展训练的项目，也能在此环境实现。比如：对公共场所危爆物品处置，传统的教学训练主要依靠讲授和视频展开，而虚拟现实技术提供体验公共场所危爆物品的处置现实环境，并将结果呈现以此检验科学性、合理性。

（四）治安实践应用

虚拟现实技术在治安训练中也有广阔的应用前景。近些年，治安教学中都十分注重模拟训练，并力求在训练中实现基于VR技术的模拟训练，实现从组织指挥到单兵训练的可视化和人机交互。在模拟训练过程中可直接观测和体验各种构想生成的结果，它不仅形象直观，也让受训者更能理解学习的知识，在互动技能训练里，直接积累经验，提升能力。特别是针对投资巨大或有危险的训练器械和物品，实践训练环境危险的项目，能保障训练过程更安全、更节省。因此在研发虚拟模拟训练系统时应注重呈现逼真的实训练情景，以便跟踪训练者的训练过程。比如火灾等灾害事故处理，在实训中不可能去做事故重现实验。因此，通过虚拟现实技术建立火灾发展过程演示系统、疏散指挥演示系统、各种类型火灾模拟仿真系统，训练者直观了解火势发展的过程，对火灾预防规划以及组织指挥疏散、抢险救援等具有很好的指导作用。