虚拟现实技术应用实例研究报告

虚拟现实技术应用实例研究报告

虚拟现实技术应用实例研究报告

1引言

虚拟现实(V irtua l Rea lity. 简称VR)是一种多通道的新型人机交互接口, 人们能够经过视觉、听觉、触觉和加速度感等多种感觉通道感知计算机模拟的虚拟世界, 也能够经过移动、语音、表情、手势及视线等最自然的方式和虚拟世界交互, 从而产生身临其境的体验。虚拟现实技术是计算机技术、传感器技术、人机交互技术、人工智能技术等多种技术的综合发展, 当前已经在军事、医学、教育、娱乐、制造业、工程训练等各个方面得到应用, 它被认为是当前及将来影响人们生活的重要技术之一。

2虚拟现实的应用

虚拟现实技术是帮助人们解决实际问题或给人们提供传递信息、思想和情感的一种有效方法。近年来, 随着计算机技术、交互技术和人工智能等相关技术的快速发展, 虚拟现实技术取得了巨大的进步, 以此为基础的实际应用也得到了很快的发展和提高。虚拟现实技术适合应用于使用计算机仿真技术或计算机模拟技术的场合, 特别是需要在三维空间中表现仿真模拟的过程或结果且需要实时的直接交互时, 虚拟现实技术具有很大的优势。最初, 虚拟技术是美国航空航天局与军事部门为了模拟训练而开发的, 当前虚拟现实技术已经被运用到教育、医疗卫生、工程制造、航空航天、军事仿真、科学研究等各个领域中。

3. 1教育与培训

近年来, 虚拟环境技术的发展吸引了教育界和工业界的目光。虚拟现实能够用来表示深奥的概念、复杂的技术和实验等, 也能够模拟操作环境和工作流程等。

3. 1. 1教育

当前, VR已成为一种大人和小孩都喜欢的一种教学方式, 它的沉浸感和多种方式的交互性让人们觉得十分有趣。经过VR的交互环境、再现能力及一对一的实践, 能够提高学生们的记忆力和学习兴趣;具有真实的可视化能力, 很适于表示难以理解的抽象概念;经过模拟化学、物理等实验, 学生们不需要冒着真实实验中可能存在的安全问题的风险, 就能够很好的学习到相应的知识。比如, 针对在学习微分代数和微分几何时经常遇到的困难, 瑞典皇家理工学院的研究人员开发了共享的虚拟环境CyberM a th, 能够以一种很愉快的方式来表现复杂的数学概念。在实际条件不允许的情况下, 虚拟现实给我们真实地体验某种现实的能力。对于地球科学和环境科学来说, 实验室练习、野外观察和野外旅行是基本课程, 可是由于距离、时间、花费、安全的限制或者真实环境的高度复杂性等原因, 野外练习和旅行可能不能够进行。针对这种情况, 佛罗里达大学的V. Ram asunda ram 等开发了一个环境的虚拟野外实验室, 用来研究野外环境的属性, 并刺激了学生的高层次认知技巧。

3. 1. 2培训

与传统的培训方法相比, 基于VR的培训系统, 在没有真正地安装设备的情况下, 学员能够接受生产过程和方法的培训, 充分的感

觉线索和多通道的反馈方式让学员能够获得真实世界的操作技巧。更重要的是, VR培训系统提供了高度自由的操作性, 不但能够模拟误操作的后果, 而且不会造成人员的伤害和机器设备的损坏。虚拟现实技术在工业培训、航天训练和医生的培训方面得到了广泛的应用。早在1994 年,Adam s开发了一个寻呼机生产线VR仿真器, 作为摩托罗拉公司技术教育中心正规培训自动生产线操作人员的培训设备。复杂产品的维护和操作, 比如工业机器操作, 汽车驾驶等都需要特别的培训, 使用虚拟现实技术能够提高培训的效果并降低培训的费用。在飞机维修工业, 成功地培训对检查的质量和可靠性是极其重要的, 为此, Jeena l Vo ra 等研制了用于飞机检查培训的虚拟现实系统, 能够用作离线培训的工具, 并能够研究在飞机检查中人的行为。南洋科技大学的J. R. Li等研制了用于维修培训的桌面型虚拟显示系统V -REALISM, 在该系统提供的虚拟环境中, 用户能够对某个部件的拆卸进行虚拟的操作, 并能够得到系统提供的智能的协助。

3. 2医疗卫生

医疗卫生是虚拟现实技术应用最早的领域之一, 在医护人员培训、手术方案的验证、心理治疗等方面的应用得到了较大的进展。对于医疗而言, 疾病诊断是关键的第一步。比如, 对于心、肺杂音形成的部位、机理以及在心电图上的表现等内容,教师讲解、描述起来非常困难。利用虚拟现实技术能够模拟心、肺疾病病人的各种体征, 在虚拟人身上的相应部位随意进行触诊、听诊训练,

这种见习过程既有真实感, 又不受时间限制, 学习的效果很好。而Burde a等开发了一套基于虚拟现实的前列腺触诊系统, 用于检查前列腺恶性肿瘤检查的培训, 试验表明, 与传统的在橡皮人和病人身上的有限培训相比, 诊断培训的效果得到了明显的提高而且极大减轻了病人的痛苦。在很多疾病的诊断与治疗中, 内窥镜的检查是十分必要的。但内窥镜检查是侵入性的而且十分不舒服, 如果内窥镜刮破腔壁或者造成腔壁穿孔, 会导致受伤甚至死亡, 因此, 这一过程需要事先进行良好的论证以及高超的技术。当前这类技术一般是在解剖模型、动物或者病人身上进行的, 但效果不理想, 甚至给病人造成了不必要的伤害。若使用虚拟现实技术能够方便有效地提高受训者的医疗技术, 让失误出现在训练的时候而不影响实际的病人。早在1998年, Sy stem s公司就推出了一种支气管镜检仿真器 , 该仿真器提供了一定的触觉反馈, 并模拟了一定的训练想定, 测试表明该系统有助于提高培训人员的技术水平。Lise lo tteM e ttle r等研制了用于妇产科医生的内窥镜培训器VSO ne;该模拟器具有力反馈、活组织检查、吸入式冲洗、缝合、血凝结、夹子的安置等特有的特征, 提供了对多种妇科检查和手术的模拟, 能够对内镜检查进行完善有效的培训。另外, 虚拟现实技术在脑损伤的恢复、痛觉减少、精神病治疗、整形外科和远程医疗等方面都有广泛的应用。

3. 3科学可视化

科学可视化是指运用计算机图形学和图像处理技术, 将科学计

算过程中或者是计算结果的数据转换为图形或图像,在屏幕上显示出来并进行交互式处理的技术或方法。对于很多复杂的分子结构、三维体数据和繁杂的地震数据等, 传统的图像分析技术和二维表现方法很难对其进行识别和度量,而使用虚拟现实技术则能够将计算过程以动态、立体的形式来表现, 结果形象生动, 用户能够沉浸在虚拟环境之中, 使用自然直观的方式与虚拟的科学世界交互, 大大提高了数据解释水平和推测准确性, 加深了对科学数据的理解。东京大学的Ak ira Su zuk i等建立了一个“虚拟材料实验室”用于研究模拟分子的性态。在进行材料测试时, 使用该软件能够实现分子的动力学仿真。原子的动力学性态能够经过力反馈和视觉感受到。

佩鲁贾大学的O. Ge rv asi等开发了用于分子科学的“虚拟实验室原型”[ 11] 。使用该系统能够在虚拟环境中进行火焰光谱、化学动力学(如图2所示)和红外线分光镜等实验。

斯达利普斯学院的La Jo lla使用虚拟现实技术把计算机生成的三维分子模型覆盖到现实中分子的物理模型上面, 用户能够很容易地改变覆盖在模型上面的信息、切换不同的分子的表现、显示分子的属性或者动态信息。物理模型提供了直觉的接口用来操纵计算机模型, 利于贯彻人的意图。现实技术使三维立体数据, 比如电场、电压等得到了很好的表现。

地震数据的可视化与推断有助于发现新的油田。可是这些数据数量惊人且难以理解, 而经过钻探来证实工程师的判断更是花费

巨大财力, 因此对地震数据可视化有助于提高探测的成功率。在钻探过程中也需要仔细地规划, 如避开地底的水窝和坚硬的岩石。可视化软件D rill V iew 能够实时地得到各种钻探数据, 如泵速、扭矩和方位角等, 并提供钻探地的地质情况的有用信息并生成当前工作的三维场景, 利于提高钻探质量。

3. 4在工程制造中的应用

各个公司都在想办法提高生产的柔性、缩短开发时间并节约成本, 虚拟现实的应用能够帮助制造业提升到一个新的高度。虚拟设计在原型设计方面主要应用于人机工程学的评估和虚拟产品的评审。当前, 在虚拟原型、虚拟制造装配、实验验证、工厂设计和员工培训等方面的应用也取得了较大的进展。

3. 4. 1虚拟原型

产品的原型是新产品的首次具体实现。产品越复杂, 实际的物理模型就越昂贵, 特别是需要制作多个版本时特别严重。就新车开发而言, 一般是按各种比例制作油泥模型, 并喷涂上油漆, 使之看起来像一辆真车, 实现整个过程相当费时费钱。西安大略大学的George研究了应用变形网格技术到虚拟雕刻技术的方法。使用这个系统, 在产品概念阶段, 设计师能够直觉地建立和操纵复杂的CAD模型, 从而实现快速地修改模型的形状、风格和功能。香港城市大学的Yongm inZhong 等提出了在VR环境中经过直觉的方式进行精确地实体建模的方法。SensAb le Te chno log ie s开发了一种快速概念设计软件FreeFo rm;使用该软件, 设计者能够经过三维视觉

和力反馈界面, 使用各种工具对“数字粘土”进行雕塑。在完成

虚拟模型后, 还能够输出到铣床上将它真正做出来。

3. 4. 2虚拟装配和虚拟维护

零部件的装配是要确定部件是否能够无偏差地组装在一起, 并确认在产品需要保养时是否能够方便的拆卸。利用基于VR的虚拟装配对装配过程和工艺过程进行仿真, 以便在早期就发现问题, 改

进设计方案, 节约研制成本, 缩短开发周期。早在1999年, 宝马公

司的An tonino等研究了应用VR对原型车进行验证装配和维护过程的方法, 提出了一系列用于虚拟装配的交互范式和功能;工程师

运用该技术能够对原型做装配维护的验证, 从而减少实体模型的个数并能提高产品质量。

史坦福大学的LuisM arce lino等建立了一个约束管理器用来支持对虚拟原型的可维护性进行评估。该管理器使用了直接交互、自动约束识别、约束满意度和约束运动等关键技术, 运用了各种优化技术, 能够对工业上的大模型进行实时的交互。

3. 4. 3人机工程学分析

为了确认一个产品是否简便易用, 一般要进行人机工程学分析。虚拟现实技术能够让技术人员在开始设计时就进行人机工程学研究, 能够以避免样件制造出来后才发现不符合人机工程的要求, 需要重新修改设计而增加成本。

3. 4. 4在制造业的其它应用

VR在制造业的应用还覆盖了工厂设计建设、工艺规划、人员

培训、市场营销等领域。

4 总结

虚拟现实技术是本世纪发展的重要技术之一, 作为一门科学和艺术将会不断走向成熟, 在各行各业中将得到广泛应用,并发挥神

奇的作用, 21 世纪将是虚拟现实技术的时代。

当然, 虚拟现实技术还是一门年轻的科学技术, 尚存在不少有

待解决的问题。例如, 在计算机生成的虚拟环境中, 操作者每次转

动头部, 计算机必须更新三维图像, 由于更新的数据太大, 以致计算机还无法完成实时运算。这就造成了系统滞后。再如, 美空军的虚拟现实模拟器产生的视觉运动信号与人的感觉之间也存在差异, 容易引起头痛、眩晕等。

但不论怎样, 虚拟现实技术毕竟开辟了富有发展潜力的新领域, 它会随着时间的推移日臻完善, 发挥的作用也将会越来越大。