虚拟现实技术的工业设计应用.docVIP

虚拟现实技术概述及其工业设计应用 摘 要 虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术与多媒体、网络技术并称为三大前景最好的计算机技术，是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术以及仿真技术等多种技术而发展起来的综合性技术。VR技术是经济和社会生产力发展需求的产物，有着广阔的应用前景。为了把握VR技术优势，美、英、日等国政府及大公司不惜巨资在该领域进行研发，并显示出良好的应用前景。 虚拟现实的概念、特征及应用领域 概念 虚拟现实这一名词是由美国 VPL Research 公司创始人之一 Jaron Lanier 于20世纪80年代提出来的，这是他在计算机上建造这类环境时领悟并创造出的一个名词。这一名词日渐流行并被学术界所接受，现已代替其他名词。如人工现实（Artificial Reality）等。 Virtual Reality 直译为虚拟现实，其真实含义是：把客观世界中的某一局部用电子的方式模拟出来，并且能够让你进入这个局部世界，犹如身临其境；而且这种身临其境不是静态的， 当你在该局部世界活动时，你会感到“境”的相应变化。例如：进入一个模拟的机场时，你会看到一排排停着的飞机和正在准备起飞的飞机；走近这些飞机时，你会看到这些飞机的体形会变大，甚至看出准备起飞的飞机机舱内驾驶员的面容，同时听到正要起飞的飞机发动机的声音，如同真实情况一样。 虚拟现实（Virtual Reality）一词中同时包含“虚拟（Virtual）”和“现实（Reality）”两个相反的部分，“虚拟（Virtual）”两字说明利用VR技术所产生的局部世界并不是真实的，而是人造的、虚构的。“现实（Reality）”两字说明这一局部世界虽然是人造的，但对于进入这一局部世界的人来说在感觉上如同进入真实世界一样，这种感觉可以包括视觉、听觉和触觉等。 虚拟现实技术是一种模拟人在自然环境中的视觉、听觉和触觉等行为的高度逼真的人机交互技术，是利用人类感知能力和操作能力的新方法。它是计算机从一种只用键盘、鼠标进行操作的设备变成了人处于计算机生成的环境中，通过感官、语言、手势等比较“自然”的方式进行“交互、对话”的系统和环境、即虚拟现实环境。操作者可以在其中“自由地”运动，随意观察周围的景物，并可与虚拟物体进行交互操作，操作者看到的是逼真的三维立体景象，听到的是虚拟环境中的音响，手（或脚）可以感受到的是虚拟环境反馈给他的作用力，这是一种“完全的”身临其境的感觉。 基本特征 VR有两个主要特征：“沉浸感（Immersion）”和“交互性（Interaction）”。VR的“沉浸感”是指计算机所建立的三维虚拟环境能使操作者得到关于该环境的全身心的体验；VR的“交互性”是指操作者能通过其自身的自然技能通过专用的传感设备实现对虚拟环境中实体的考察并实施相应的操作。 应用领域及前景 虚拟现实技术在当今社会生活及科学研究的各个方面都有着广泛的应用，在以下几个方面尤为突出：工程领域、艺术与娱乐领域、科学领域、虚拟训练方面等等。目前仍有许多领域有待或正在开发，如造型术、神经病学、教学、戏曲、人工智能、机器人学、仿真模拟、艺术设计、时装、信息检索、博物馆及销售。 在短短的时间内，虚拟现实已经失去了面向问题的技术形象，正在应用于人类探索的各个领域，虚拟现实技术的成功与否除临场感、浸入、空间感和交互方式外，与系统的可靠性、易使用性、费用、实际的副作用以及效率有重大关系，这些方面的改进都将促进虚拟现实技术的进一步发展。 虚拟现实涉及的关键技术总结 动态环境建模技术 虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术（有规则的环境），而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。 实时三维图形生成技术 三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15桢/秒，最好是高于30桢/秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。 立体显示和传感器技术 虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的虚拟现实还远远不能满足系统的需要，例如，数据手套有延迟大分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点；虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要开发新的三维显示技术。 触觉反馈技术 在虚拟现实系统中让用户能够直接操作虚拟物体并感觉到虚拟物体的反作用力，从而产生身临其境的感觉。 交互技术 虚拟现实中的人机交互远远超出了键盘和鼠标的传统模式，利用数字头盔、数字手套等复杂的传感器设备，