（机械制造及其自动化专业论文）虚拟现实视景生成技术的研究及其在金工mcai中的应用.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 虚拟现实( v r ：v i r t u a lr e a l i t y ) 技术是二十世纪末发展起来的一种高新技 术。它的应用前景非常广阔，目前已在包括多媒体计算机辅助教学 ( m c a i ：m u l t i m e d i ac o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c t i o n ) 在内的许多领域得到了 应用。v r 技术的研究日益受到重视，并且发展迅速。v r 技术涉及众多学科， 本文根据v r 技术在m c a i 领域的应用特性及课题情况，着重研究v r 中真实感 图像和动画生成原理及其实现与立体图像和立体动画生成原理。 一f 第一章，阐述了v r 技术的主要特征、v r 的研究目标、发展过程及研究现 状和m c a i 的发展情况及其原理：简要介绍了v r 的系统组成。 第二章，阐述了选题背景，并简要介绍了两种生成视景的软件。 第三章，接着结合实际课题，着重论述在v r 技术中占有重要地位的具有真 实感的图像的生成原理及实现方法。 第四章，论述了动画生成的原理，描述了动画制作流程，给出了动唾实现 技术及相关算法。 第五章，论述了立体图像的形成原理、观察原理，并给出了相关算法及其改 进算法。研究立体图像和立体动画的生成原理及其实现技术。 第六章，探讨了实用v r 技术在m c a i 动态模拟中的应用、模拟过程；论 述了金属工艺学m c a i 的制作方法及其功能。 第七章，对本论文的工作进行了总结，指出了不足之处，并对基于虚拟现 实技术的m c a i 进行了展望。1 。， 关镅i 词虚拟现实多媒体计算机辅助教学真实感图像 立体图像动画立体动画动态模拟 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t v i r t u a lr e a l i t yt e c h n i q u e sd e v e l o p e df r o mt h ee n do ft w e n t yc e n t u r yi s o n eo f a d v a n c e dt e c h n i q u e s i ti sn o ww i d e l yu s e di nm a n yf i e l d si n c l u d i n gm u l t i m e d i a c o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c t i o n t h er e s e a r c h e so f v ra r ep a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n v r t e c h n i q u e si n c l u d e sl o t so fs u b j e c t a c c o r d i n gt h ea p p l i c a t i o n o fv ri nm c a ia n d m y r e s e a r c ha b o u tm e t a lt e c h n i c sm c a i ，t h er e s e a r c h e so ft h i sd i s s e r t a t i o na r et h e t h e o r ya n dr e a l i z a t i o no fr e a l i s t i ci m a g e ，r e a l i s t i ca n i m a t i o n ，s t e r e oi r a a g ea n ds t e r e o a n i m a t i o n ， i nc h a p t e rl ，t h ec h a r a c t e r s ，a i mo fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fv ra r e e x p a t i a t e d t h ed e v e l o p m e n ta n dt h e o r yo fm c a i a r ei n t r o d u c e d t h ec o n s t i t u t i o no f v r s y s t e mi ss i m p l yi n t r o d u c e d i nc h a p t e r2 ，t h eb a c k g r o u n do f s e l e c t i n gs u b j e c ti sp r e s e n t e d o p e n g la n d3 d s m a xu s e dt od e s i g nv i e w i n ga r ei n t r o d u c e d i nc h a p t e r3 ，t h et h e o r y ，m e t h o do fr e a l i z a t i o n ，a r i t h m e t i co fr e a l i s t i c i m a g e ， w h i c hi si m p o r t a n ti nv r , a r ed i s c u s s e d i nc h a p t e r4 ，t h et h e o r y , m e t h o do fr e a l i z a t i o n ，a r i t h m e t i co fr e a l i s t i ci m a g ea l e p r e s e n t e d t h ep r o c e s so f d e s i g ni sd e s c r i b e d i nc h a p t e r5 ，t h et h e o r y ，m e t h o do f r e a l i z a t i o n ，a r i t h m e t i ca n do b s e r v i n gt h e o r yo f s t e r e oi m a g ea n ds t e r e oa n i m a t i o na r e p r e s e n t e d i nc h a p t e r6 is t u d yt h ea p p l i c a t i o no fv ri nd y n a m i cs i m u l a t i o na n dt h ep r o c e s s o fd y n a m i cs i m u l a t i o n t h ed e s i g nm e t h o da n df u n c t i o no fm e t a lt e c h n i c sm c a i s y s t e ma t ei n t r o d u c e d i nc h a p t e r7 ，s u m m a r i z e so f t h ew o r ko f t h i sd i s s e r t a t i o n s o m es h o r t c o m i n g sa n d f u t u r eo f m c a ib a s e do nv ra r ea l s os k e t c h e d0 u t k e yw o r d s ：v r , m c a i ， r e a l i s t i ci m a g e ，s t e r e oi m a g e ， a n i m a t i o n ， s t e r e oa n i m a t i o n ，d y n a m i cs i m u l a t i o n 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 虚拟现实技术概况 1 1 1 引言 虚拟现实v r ( v i r t u a lr e n i t y ) 技术就是利用计算机技术生成逼真的立体虚拟 环境( 包括三维视觉、听觉、触觉等) ，借助适当的专门设备使用户“沉浸”于 该环境之中，并可以用人的自然技能对虚拟环境进行考察和控制的技术【1 】。虚拟 现实的概念包括三层含义：( 1 ) 虚拟实体是用计算机产生的逼真实体，“逼真” 就是要达到三维视觉，甚至包括三维的听觉、触觉、嗅觉等；( 2 ) 用户可通过 人的自然技能与这个环境交互，自然技能可以是人的头部转动、眼动、手势或 其它身体动作；( 3 ) 往往需要借助一些三维传感设备来完成交互动作，常用的 设备有：立体头盔显示器( h m d ：h e a d - m o u n t e dd i s p l a y ) 、数据手套( d g ：d a t a g i o v e ) 、数据衣( d s ：d a t as u k ) 、三维鼠标、立体声耳机等【2 1 1 1 2 ”。 虚拟现实技术是二十世纪末发展起来的由应用驱动的涉及众多学科的高新 实用技术，是集先进的计算机软硬件技术、传感技术、仿真技术、微电子技术、 机器人、人工智能( a i ) 与模式识别、视觉模拟、人机工程学( e r g o n o m i c s ) 、 计算机图形学、多媒体技术和人的行为学研究等为一体的综合集成技术。它主 要依靠于三维实时图形显示、三维定位跟踪、触觉及嗅觉传感技术、a j 技术、 高速和并行实时计算技术及人的行为学研究等多项关键技术的进展。这种综合 性极强的技术在研究、实验及工程上都很难实现，现在采用较多的方法是相关 研究只对系统的某一方面展开。有的专家认为v r 技术是多媒体技术的发展趋 势，是多媒体技术发展的最高境界1 。也有人认为，v r 技术称为新一代仿真技 术更为合适。 末来的世界将是个信息非常发达的社会，这就需要提高人们对信息的获取 和理解能力。计算机无疑是人们获取、理解信息的绝佳途径之一。借助计算机 技术，人们不仅要求在外部观察信息处理的结果，还希望能通过人的视觉、听 觉、触觉、以及形体、手势或口令，“进入”到信息处理的环境中去，获得身临 其境的体验。显然建立在一个单维的数字化的信息空间的信息处理方法是不行 的，它需要建立一个多维化的信息空间，建立一个定性和定量相结合，感性认 识和理性认识相结合的综合集成环境，而支撑这个多维信息空间的关键技术就 是虚拟现实技术。鉴于此，有人认为虚拟现实技术就是要把计算机从善于处理 数字化的单维信息改变为善于处理人所能感受到的、在思维过程中所接触到的、 浙江大学硕士学位论文 除了数字化信息之外的其他各种表现形式的多维信息口4 】【2 ”。 虚拟现实的视觉显示系统一般分为3 类叫【2 7 心】_ 头盔式显示屏、高分辨率c rt 系统和与传统显示器连用的三维立体眼镜。头盔式显示屏价格比后两种显 示系统要贵得多，但视屏效果比后两种好。无论使用哪种系统，都必须解决立 体显示和立体图像资源问题。立体显示技术相对传统技术而言，主要借鉴人类 的视觉原理，使平面图像能产生出真正的立体效果。 使用虚拟现实技术生成的虚拟环境( v i r t u a le n v i r o n m e n t ) 是一种逼真的视、 听、触觉一体化的计算机生成环境，用户可以借助必要的装备以自然的方式与 虚拟环境中的物体进行交互作用、相互影响，从而获得等同真实环境的感受和 体验。它给用户以更逼真的体验，它为人们探索宏观和微观世界中由于种种原 因不便于直接观察事物的运动变化规律，提供了极大的便利。由于它的诱人前 景，一经问世就立即受到人们的高度重视。 虚拟现实技术所涉及的领域十分广泛，这个领域的技术潜力巨大，应用前 景也很广阔，但目前其研究尚处在起步阶段，存在很多尚未解决的理论问题和 尚未克服的技术障碍【3 】。 1 1 2 虚拟现实的主要特征及研究目标 虚拟现实具有以下五个基本特征瞳：沉浸( i m m e r s i o n ) 、交互 ( i n t e r a c t i o n ) 、构想( i m a g i n a t i o n ) 、多感知性( m u l t i s e n s o r y ) 和自主性 ( a u t o n o m y ) 。 沉浸，是指用户作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。用户借助各类先 进的传感器进入虚拟环境之后，将感觉不到身体所处的外部环境而“进入”到 虚拟环境中去，相信周围的一切都是真的。 交互，是指用户对虚拟环境内的物体的可操作程度和从环境中得到反馈的 自然程度。用户进入虚拟环境后，不仅可以通过各类先进的传感器获得逼真的 感受，而且可以用自然的方式对虚拟环境中的物体进行操作。 构想，是指用户沉浸在多维信息空间( c y b e r s p a c e ) 中。凭借自身的感知和 认知能力全方位地获取知识，发挥主观能动性，寻求解答，形成新的概念。是 由虚拟环境的逼真性与实时交互性而使用户产生的更丰富的联想，是获取沉浸 感的一个必要条件。 多感知性：是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知外，还有听觉感知、 力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知和嗅觉感知。 自主性：指虚拟环境中的物体依据物体定律动作的程度。 由此可以看出，研究虚拟现实有两个重要目标口9 1 ：虚拟性和逼真性。 使用虚拟环境时，有时我们希望自己只有分子那么小，可以“走进”分子 内部，查看分子的内部结构。有时我们又希望自己与宇宙一样大，可以像上帝 一样去审视整个宇宙的运动规律。所有这一切都需要虚拟现实具有足够的虚拟 性，让我们可以突破物理时空的约束能够做到“超越现实”。 4 浙江大学硕士学位论文 另一方面，虚拟环境中的物体必须具有一定程度的逼真性。同时，当虚拟 环境中的物体运动时，物体之间不能相互穿透，当两个物体相互碰撞时，根据 物体的材质不同，或相互弹开，或相互粘在一起，或有一定程度的损坏。另外， 环境中的物体应具有重力特性等其他物理特性。总之，在建造虚拟环境时，应 该尽可能使其中的虚拟物体表现出多维逼真感。 1 1 3 虚拟现实的体系结构m ， 虚拟现实系统的基本组成如图卜1 示，它主要有检测、反馈、传感器、控 制、3 d 模型和建模六个模块组成。 图卜lv r 系统的基本组成 ( 1 ) 检测模块：检测用户的操作指令，并通过传感器模块作用于虚拟环境： ( 2 ) 反馈模块：接受来自传感器模块的信息，为用户提供实时反馈： ( 3 ) 传感器模块：既接受来自用户的操作指令，并将其作用于虚拟环境，又 将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户： ( 4 ) 控制模块：控制传感器，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用： ( 5 ) 3 d 模型块：现实世界组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境； ( 6 ) 建模模块：获取现实世界各组成部分的三维数据，并建立它们的三维模 型。 虚拟现实系统的类型有很多，根据v r 的构成特点，一般可分为三大类。 ( 1 ) 桌面虚拟现实( d e s k t o pv r ) 系统( 如图i - 2 示) ：使用普通的计算机监 视器来显示虚拟环境，用户可通过窗口、鼠标、图标等来在仿真过程中设 计各种虚拟环境，并控制在虚拟环境中的运动。这是当今最普及、使用最 方便、最经济的一种v r 系统。使用时，设定一个虚拟观察者的位置。由 于用户受周围现实世界的影响，并未完全投入。 ( 2 ) 沉浸式虚拟( i m m e r s i v ev r ) 系统( 如图1 - 3 示) ：利用使用户完全投入 的各种设备，将用户的视觉、听觉及其它感觉封闭在虚拟环境中。用户所 看到、听到、接触到甚至闻到和嗅到的都是虚拟环境中的物体，达到全身 心投入的效果。这是最理想的v r 系统。 浙江大学硕士学位论文 ( 3 ) 分布式虚拟现实( d i s t r i b u t e dv r ) 系统：它是在沉浸式虚拟现实系统的 基础上将不同的用户联结在一起 图卜2 桌面v r 系统组成 图i - 3 沉浸式v r 系统组成 1 虚拟环境产生器 虚拟环境产生器实质上是一个包括虚拟世界数据库的高性能计算机系统， 是v r 系统的核心。它包括造型、视觉仿真、对象控制、真实感生成等程序及几 何图形数据库。生成的图象必须在最短时间内考虑用户头部的位置和方向。虚 拟环境产生器内的任何通讯延迟都必将表现为视觉的滞后。如果这种滞后是可 以感知的，就有可能使用户产生眩晕的感觉，因此要使系统的视觉滞后达到可 接受的范围。 2 声音合成器 声音是虚拟现实系统必不可少的，它可为实时生成的视景伴音，从而产生 视觉和听觉的叠加效果，达到声象融合。同时，三维声音还可补充由于视野所 限、视景未显示到的信息。 3 3 d 声音定域器 声音定域系统采集自然或合成声音信号并利用其发生源、头部位置及“双 耳音响差再生”技术的头部音响传递函数，进行实时计算，并将结果输出到受 浙江大学硕士学位论文 话器里。当用户头部位置、方向改变时，声音也会随之而变。 4 语音识别器 虚拟环境系统中的语音识别装置用于合并用户的其他感觉通道( 听觉通道、 视觉通道等) 。 5 头眼手跟踪装置 为了与虚拟环境交互操作，必须感知用户的视线，也就是必须跟踪用户头 部的位置和方向。为了在虚拟环境中移动物体或甚至移动用户的身体，需要跟 踪用户各肢体的位置。这种跟踪可以从手的位置跟踪乃至对全身各肢体位置的 跟踪。 6 触觉动感系统 通过给用户提供一些诸如触觉反馈等的生理反馈，可以增强虚拟环境中用 户身临其境的感觉。触觉反馈是指虚拟现实系统能提供所能接触到的物体的触 觉刺激，如表面纹理或甚至包括触摸一个开关的感觉等。当我们感觉到物体的 表面纹理时，我们同时也感觉到了运动阻力。 7 头盔式显示器 头盔式显示器是用来观察虚拟环境的设备，并通过在人眼睛前方产生一幅 图像而使人产生沉浸感。它将图象以预先确定的距离投影到用户面前，并将图 形放大以加宽视域。通常它还用于安装头部跟踪传感器和虚拟现实听觉系统。 由于人的视觉系统对于左右两眼图象的调准误差非常敏感，故在安装时注意消 除调准误差。 1 1 4 虚拟现实的发展过程n m 2 l2 5 s 。 1 9 2 1 年，e d w i nl i n k 设计了一种竞赛乘坐器，它使得乘坐者有一种在飞机 中飞行的感觉。l i n k 飞行模拟器是虚拟现实几个先驱中的一个。4 0 年代初，在 美国以e d w i nl i n k 命名的公司与a d m i r a ld e f l o r e z 公司一起，正式开始了飞行 模拟器的设计和研制工作。 1 9 6 1 年美国p h i l e o 公司首创了立体头盔样机( 一种遥控摄像机) ，1 9 6 2 年 美国研制出了第一套多感知仿真体验系统s e n s o r a m as i m u l a t o r , 这是第一套v r 视 频系统。它具有图像、声音、振动、风、气味等感知性能( 非交互式) 。1 9 6 5 年， 计算机图形学的创始人i v a ns u t h e d a n d 发表了题为( t h eu d h n a t ed i s p l a y ) ) 的文 章，提出了虚拟现实概念的雏形。1 9 6 8 年，i v a ns u t h e r l a n d 研制出了第一台头盔 式立体显示器( m ) ，它具有定位功能，并发表了题为“ah e a d - m o u n t e d3 d d i s p l a y ”的论文。1 9 7 0 年，i v a ns u t h c r l a n d 研制成功第一个h m d 原型。签于i v a n s u t h c d a n d 的贡献，有人认为他也是“虚拟现实技术创始人”。1 9 7 2 年，n o l a n b u s h n e l l 开发了第一个称为p o n g 交互式电子游戏。1 9 7 5 年，m w k r u e g e r 提 出“人工现实”( a r ：a r t i f i c i a lr e a l i t y ) 的概念，以说明自s u t h e d a n d 开创h m d 技术以来的许多人工仿真。 进入8 0 年代后期，图形显示技术已经能够满足视觉耦合系统的性能要求， 液晶显示( l c d ) 技术的发展使得生产廉价的头盔式显示器成为可能，并出现 了d g 、d s 等传感设备，使得v r 技术加速发展。 浙江大学硕士学位论文 1 9 8 1 年，m i c h a e lm c g r e e v e y 开始进行一个叫做“空间理解和高级显示”的 项目研究，后来他和s c o t tf i s h e r 建立了基于液晶显示( l c d ) 技术的虚拟可视 环境头盔系统v e dh m d ( v i r t u a li n t e r a c t i v ee n v i r o n m e n tw o r k s m t i o n ) o 1 9 8 4 年，美国科幻家w g i b s o n 创造的“c y b e r s p a c e ”一词，指出可在世界范围内几 千人同时体验的人工现实。1 9 8 5 年，s c o t tf i s h e r 等研制了著名的称之为v i e w 的一种“数据手套”( d a t as t o v e ) ，这种柔性、轻质的手套可以测量手指关节动 作、手掌的弯曲以及手指间分合，从而可编程实现各种“手语”。 1 9 8 5 年，研制成功第一套商用虚拟现实硬件i n t e l3 8 6 ，第一套商用虚拟 现实软件美国空军的s u p e r c o c k p i t 飞行模拟器。1 9 8 6 年，研制成功了第一 套基于h m d 及数据手套的v r 系统v i e w 。这是世界上第一个多用途、多感知 的v r 系统，它使用了头盔式显示器、数据手套、语言识别与跟踪技术，并应用 于空间技术、科学数据可视化、远程操作等领域，被公认为当前v r 技术的发源 地。1 9 8 7 年，美国“v p l 研究公司”发明了数据服。1 9 8 8 年，v p l 建立了一套 完整的v r 系统。1 9 8 9 年，v p l 的创始人j a r o nl a n i e r 提出了“v i r t u a lr e a l i t y ” ( 虚拟现实) 一词，并对v r 的内容进行了研究。1 9 9 0 年，在美国d m l a s 召开 的s i g g r a p h 会议对v r 技术进行了讨论，明确了v r 技术的主要技术构成为实时 3 d 图形生成技术、多传感器交互技术及高分辨显示技术，为v r 技术的研究奠 定了基础。1 9 9 2 年3 月，在美国国家基金会召开的一次研讨会上，正式提出了 虚拟环境( v i r t u a le n v i r o n m e n t ) 一词。同年在法国召开了v r 的第一次国际会 议，会议的名称是“真实世界和虚拟世界的接口”。1 9 9 3 年，匝e e 举办了“虚 拟环境研究前沿”的学术会议。1 9 9 4 年的a c ms i g g r a p h 年会上，进行了“虚 拟环境研究前沿”的专题讨论。随着计算机网络技术的发展，现在v r 研究中一 个最热门的主题是网络化( n e t w o r k e d ) 的v r ( 2 “。 1 1 5 虚拟现实技术的研究现状 虚拟现实技术的研究虽然起步较晚， 目前，世界各国对v r 的研究方兴未艾， 的研究所投入的关注已是越来越大。 1 1 5 1 国外研究现状1 “”】 但至今已经取得了很多重要的成果。 世界上许多国家特别是发达国家对v r 在国外，v r 技术研究较好的国家主要是美国、欧洲和日本。 v r 技术发源于美国。现在，美国v r 研究技术的水平在世界上是最高的。目 前，美国在该领域的基础研究主要为：感知、用户界面、后台软件和硬件四个 方面。 l o m al i n d a 大学医学中心成功地将计算机图形及v r 的设备用于探讨与神经 疾病相关的问题，并首创了v r 儿科治疗法。s r i 研究中心的“视觉感知计划” 研究如何提高现有的v r 技术。1 9 9 1 年后，利用v r 技术，s r i 对军用飞机或车 浙江大学硕士学位论文 辆驾驶的训练进行了研究，主要是想通过仿真来减少飞行、行车事故。同时， 利用遥控技术，s r i 还进行外科手术仿真的研究。北卡罗来纳大学( u n c ) 的计 算机系主要对分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等方面进行研究。 u n c 还开发了一个名为像素飞机( p i x e lp l a n e s ) 的并行处理系统，用以帮助用 户在复杂视景中建立实时动态显示。s o f t i m a g e 公司提出v r 未来的一个发展 方向：“渗透”将有助于提高虚拟现实的美学感。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v r 系统，世界各地的工程师们可以通过计算 机网络实时协作进行设计。借用虚拟原型，它可以减少设计图像和新产品进入 市场的时间，使产品在生产之前就可以估算和测试，并能大大提高产品质量。 华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室( h i tl a b ) 进行感觉、 知觉、认知和运动控制能力的研究，并将v r 研究结合到教育、设计与制造、娱 乐等领域中。美国宇航局( n a s a ) 的a m e s 实验室完善了h m d ，并将v p l 的数据 手套工程化。n a s a 主要研究对空间站操纵的实时仿真。n a s a 完成了对哈勃太空 望远镜的仿真。n a s a 的a m e s 现在正致力于一个叫“虚拟行星探索”( v p e ) 的 试验计划，试图让“虚拟探索者”( v i r t u a le x p l o r e r ) 利用虚拟环境来考察遥 远的行星。现在n a s a 已建立了航空、卫星维护v r 训练系统，空间站v r 训练系 统，并已建立了可使用的v r 教育系统。1 9 8 5 年，麻省理工学院( m i t ) 建立了 媒体实验室，用来进行虚拟环境的研究。利用一个用来进行图形仿真技术的实 验的名叫b o l l 0 的测试环境，m i t 建立了一个虚拟环境下的对象运动跟踪系统。 同时，m i t 还在进行“路径计划”与“运动计划”等研究。d a v es i m s 等利用研 制出的虚拟现实撤退模型来考察系统如何工作。 日本富士通实验室有限公司现正研究虚拟生物与v r 环境的相互作用、虚拟 现实中的手势识别，并开发了一套既可识别姿势，又可识别表示词的信号语言 的神经网络姿势识别系统。 德国国家数学与计算机研究中心( g m d ) 专门成立了一个研究科学视算与 v r 技术的部门。主要研究冲突检测、v r 表演、高速变换、运动控制等。同时， 还进行利用二维卫星云图，对地球进行多维演示模型的虚拟重构的研究。 荷兰主要研究v r 的一般性的硬件软件结构及其在工业和培训中的应用等。 英国的a r i u ，有限公司主要研究v r 技术重构问题。 1 1 5 2 国内研究现状 我国目前对v r 技术的研究还较落后，但开展情况较好。我国已经根据国情 对v r 技术的研究进行了规划，如：九五规划、国家自然科学基金会、国家高技 术研究发展计划等都把v r 列入了研究项目。一些高校已在开展v r 技术的研究， 并取得了许多重大成果。 北京航空航天大学计算机系重点研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与 处理，并开发出了部分v r 视觉接口方面的硬件及其有关算法与实现方法。开发 出了分布式虚拟环境网络设计，它能提供实时三维动态数据库，提供虚拟现实 浙江大学硕士学位论文 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 3 3 - 3 5 l 。 浙江大学c a d & c g 国家重点实验室开发出一套桌面型虚拟建筑环境实时漫 游系统，该系统具有良好的实时性、真实感强的画面和友好的交互工具。该实 验室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 3 2 - 3 4 】。 国防科技大学电子工程学院对图像漫游进行了研究，并研制出了一种新的 实现实时远景图象漫游算法口9 i 。西安交通大学信息工程研究所研究了立体显示 技术，并提出了一种基于j p e g 标准压缩编码新方案 4 0 1 “l 。中国科技开发院威海 分院研制出了v r 中的立体图像对算法回显及软件接口和l c d 红外立体眼镜【4 2 】。 哈尔滨工业大学计算机系已经研制出了人脸图像、表情和唇动的合成1 4 3 i 。 另外，还有一些国内高校也在从事v r 技术的研究。 1 1 6v r 的研究内容和实现关键技术 一研究内容4 5 i 虚拟现实技术的研究内容主要有：基于视觉、听觉、触觉和嗅觉的逼真模 型世界生成技术；人与技术融为一体的临场感技术；虚拟现实的控制系统；针 对虚拟现实技术特点开发新的非应用虚拟现实技术不可的领域；运动病；人的 因素。 二关键技术 a n ”1 v r 实现的关键技术主要分为：实时、限时三维动画技术；临场感技术；快 速高精度三维跟踪技术；辨识技术；传感技术；面向对象技术的应用等。 1 2 多媒体计算机辅助教学( m c a i ) 概况州 1 2 1 多媒体计算机辅助教学介绍 多媒体是指能够同时采集、处理、编辑、存储和展示两个以上不同类型信 息媒体的技术。这些媒体信息包括：文字、声音、图像、动画、视频等。多媒 体系统是把声音、图形、图像系统和计算机集成在一起的一个整体，并通过计 算机对多媒体进行数字化处理。其特点有两个方面：其一，多媒体不是简单地 把多种媒体混合叠加起来，而是有机地结合，加工和处理，改善了信息的表示 方法，增强了理解能力，把人们的各种感官有机地组合起来获得相关的信息， 从而大大地改善了人机界面。其二，是交互式的实时性，可以使信息发送和信 息接收两者之间进行实时的通迅和交换，而不象电视、广播系统那样，人们只 是被动地接收节目的内容。 浙江大学硕士学位论文 c a i 是计算机辅助教学( c o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c t i o n ) 的简称，是一种用 计算机进行辅助教学的崭新教学方式。它以计算机为媒介，通过计算机学 生之间的交互作用达到教学的目的。c a i 可以用来代替教师进行整门课程的教 学，也可以作为常规课堂教学的补充手段。c a i 与传统的以教师为中心的单向 交流式教学相比，最显著的区别在于它的交互性、集成性和自适应性。它的交 互性使教学变成了学生和计算机的双向交流，学生能够自己控制教学进度，参 与教学活动。从而极大地提高学习兴趣。它的自适应性是指计算机能根据学生 对问题的回答情况来决定教学的内容或进度，以适应各个学生的不同需要。它 的集成性使学生充分利用多种教学媒体进行学习，并使教学中的几个过程( 讲 课、听课、自检和考试) 融为一体。 多媒体环境下的c a d 课件，是功能更强，适用于个别教学的教学环境。它 不仅具有计算机交互性的特点，还具有视听设备在图像和声音呈现上的优势， 它所提供的教学环境更能激发学生学习的主动性和积极性，提高教学效率，改 善教学效果。其最显著的特点在于它的集成性和交互性。把计算机作为教学媒 体，不仅可以完成教学过程中对教学信息的传递和加工，而且具有很多独特的 优越性。；计算机可以表达静态的课本不能表达的动态现象：课本不可能允许读 者对一个参数化的作用进行实验，教材的单向性限制了教学的效果，学生可能 翻过了许多页却不能理解，而由于计算机的交互性，这些问题得以解决，换句 话说，计算机辅助教学可以由学生自已控制进行，并且是可以重复和非线性的。 而更为理想的是计算机本身是一个双向媒体，它既可以呈现教学信息，又可以 用来收集反馈信息，并且可以实现很好的个别化教学。 1 2 2c a i 的发展概况【4 9 一 c a i 技术的发展以七十年代微机的出现为分水岭，可分为研究试验和开发应 用两个阶段。 1 9 5 8 年美国i b m 沃斯顿研究所设计出了第一个计算机教学系统，标志着c a i 的产生为始点，到七十年代末，属于计算机辅助教学的研究试验阶段。这一时 期，主要进行各种类型的c a i 系统原型的研究和试验。5 0 年代的经典模式，以 程序教学和视听教学为理论基础，从认识论角度出发，研究一种程序式计算机 辅助教学系统，能循序渐进、直观、形象和生动地进行教学，便于从感性认识 上升到理性认识。6 0 年代的系统研究模式，以系统论与信息控制论为理论基础， 从方法论的角度来研究教育，寻求一种以计算机为核心的多媒体教学系统，使 学生获得最优化的学习效果。7 0 年代开始的智能化研究模式，以人工智能科学、 认知科学和思维科学为理论基础，研究人类学习思维的过程和特征，以寻求学 习认知模型，达到个别化的自适应学习，这是现阶段最受重视的c a i 理论研究。 同时，出现了一些较为知名的c a i 系统，如1 9 6 0 年美国依利诺斯大学研制的p l a t o 教学系统，1 9 6 3 年斯坦福大学和i b m 公司研制的i b m l 5 0 0 教学系统。加拿大从 1 9 6 8 年开始，研制出了用于实现个别教育和测验的c a l 工程。英国在1 9 7 7 年开 浙江大学硕士学位论文 始筹建国家计算机辅助学习发展计划( n d p x a l ) 。日本从1 9 6 3 年开始研究c a i 系统，“电研总”研制出了日本最初的c a i 系统。联合国教科文组织也十分重视 计算机辅助教学，并多次召开相关的讨论和学术会议。随着人工智能的发展， 它在c a i 领域也得到了应用。这主要体现在智能专家系统( i t s ) 的开发上。i t s 既是一个科学领域知识的专家系统，又是个具有教学能力的教学专家系统， 它能够在一定程度上表现出专家系统的某些智能特征。目前，国内外有关的i t s 的研究仍处于探索阶段，尚没有形成完整的理论和设计原理。1 9 7 8 年美国开发 了一个称为s o p h i e ( s o p h i s t i c a t e c li n s t r u c t i o ne n v i r o m e n t ) 的i t s 系统， 它是一个典型的将人工智能技术应用于c a i 的例子。 从七十年代后期开始，计算机辅助教学的发展进入了开发与应用阶段。随 着计算机技术的发展及其成本的大幅下降，使微机迅速得到了普及，从而促进 了c a i 的飞速发展。美国、日本、西欧等国的c a i 已从大、中、小学逐渐普及 到成人教育，甚至进入了家庭。一些c a i 教学系统也大大得到改善，如i b m l 5 0 0 教学系统目前已能开设多种课程，还为小学生和有困难的学生准备了课程，成 为全国性服务的中心系统。9 0 年，美国还建立了一套分布于3 0 多个国家和地区 的苹果计算机全球教育网。与此同时，c a i 中不停地应用新技术和新概念。如只 读存储光盘( c 卜r o m ) 和交互式视盘( i d v ) 等已广泛应用于c a i ，以便存储大 量的信息。在研究c a i 过程中采用了许多新概念，如综合文本和综合媒质。现 在，在c a i 研究中的热门主题是智能计算机辅助教学( i c a i ) ，i c a i 是由专家系 统和人工智能技术支持的c a i 深入发展的高级阶段，是当前c a i 的主要发展趋 势。在日本，现在从事c a i 研究、开发的大学，社会教育团体已达1 0 0 多家。 英国继n d p c a 计划之后，于1 9 8 0 年提出了“微电子教育计划”( m e p ) 。在许多 发展中国家，对c a i 技术的研究也越来越重视，且发展速度迅速。 我国c a i 开展于6 0 年代，近十年得到迅速发展。主要经历了四个阶段：( i ) 自发的探索阶段；( 2 ) 开发课件著作阶段：( 3 ) 以计算机网络和多媒体支持的 阶段；( 4 ) 以专家系统和人工智能支持的阶段。1 9 8 2 年，我国已研制出了一批 计算机辅助教学系统，如华东师范大学的“微机辅助b a s i c 语言教学系统”、西 北工业大学的“排课表”等。1 9 8 5 年和1 9 8 7 年先后在上海华东师范大学召开了 第一、二届全国计算机辅助教学学术交流会；1 9 8 7 年，成立了计算机教育学会。 1 9 9 0 年，在西安交通大学举办了两次c a i 研讨班。当前，全国高校正在积极推 广c a i ，重点大学都建立了“c a i 实验中心”。国家教委于1 9 9 3 年1 2 月组织成 立了“全国高等工业学校c a i 研究协作组”，这必将促进我国c a i 的大力发展。 1 9 9 4 年5 月和1 2 月分别成立了“理科协作组”和“文科协作组”。 随着虚拟现实技术的发展，其在c a i 领域的应用前景已被越来越看好。虚 拟现实技术与传统的用于辅助教育的计算机仿真系统不同，它能让学习者产生 一种犹如身i 临其境的“沉浸感”，如化学专业的学生，不必冒着爆炸的危险，却 可以做试验，这显然是以前那些c a i 教学系统所不能做到的。虽然目前把虚拟 现实技术应用于c a i 还处于起步阶段，但其无疑为c a i 的发展指明了一个绝佳 的方向。 浙江大学硕士学位论文 1 2 3c a i 的基本原理与模式 l _ 基本原理 以计算机为教学媒体，可以完成教学过程中对教学信息的处理和传递。由 于计算机在程序的控制下可以通过输出设备向学生呈现各种信息，通过输入设 备接收学生输入的各种信息，并对输入信息进行判断，根据判断结果进行转移 并提供有争对性的提示信息，因此，把具有教学功能的软件配置到计算机之后， 计算机就象教师一样，与学生构成教学系统，完成一定的教学任务。学生通过 与计算机的交互作用进行学习，其基本过程如图1 4 所示： 计算机 学生 图l - 4 c a i 教学过程 2 基本模式 ( 1 ) 训练；( 2 ) 对话；( 3 ) 模拟；( 4 ) 游戏；( 5 ) 计算机辅助测验；( 6 ) 问题解答；( 7 ) 发现学习。 1 3 本文主要研究内容 虚拟现实技术涉及众多的学科，其研究内容非常广泛。但总的来说，可把 它的研究分为如下两个方面：一是硬件的研制与开发：另一是软件的研制与开 发。 结合本人课题情况，本论文主要研究内容为： 1 论述了选题背景，简要介绍了两种生成虚拟现实视景的软件。 2 在虚拟现实视景生成技术中占据重要地位的真实感图像的生成原理及其 在计算机上的实现：给出了复杂曲面生成的算法及其在计算机上的实现和图形 浙江大学硕士学位论文 变换算法；提出了生成真实感图像所必须对图像进行的处理方法；对处理方法 中的消隐、光照、色彩、纹理等技术，提出了相应的算法，并根据课题研究所 得，给出了在计算机上实现它们的方法； 3 立体图像和立体动画的生成原理：提出了生成立体感图像的原理和算 法、在o p e n g l 编程语言和3 d sm a x 环境下立体感图像实现的方法与算法：阐述 了动画的生成原理，结合课题研制，给出了生成动画的流程及实现方法和在 v i s u a lc + + ( v 5 0 ) 上利用o r e n g l 所必须做的工作。 4 虚拟现实技术在c a i 中的应用：给出了动态模拟的流程，举例论述利用 已有的计算机软件实现动态模拟的方法。 5 金属工艺学m c a i 的研制：结合课题，给出了制作m c a i 课件的流程及方 法，并论述了该课件的功能。 浙江大学硕士学位论文 第二章选题背景和视景生成软件 2 1 选题背景 多媒体c a i ( 或称m c a i ) 是基于多媒体技术的计算机辅助教学系统，它能 把文字、声音、图像、动画和视频信息集于一体，向学生提供个丰富多彩、 生动友好、方便灵活的交互式人机界面，使学生的各个感官能够同时接受到教 学信息。金属工艺学是门具有悠久历史且内容复杂的基础课程，它在高等院 校的教学、技术培训中占有重要地位。但传统的金属工艺学教学方式，使 学生在抽象难懂的理论、缺泛真实感的图形、图像面前，感到枯燥无味，难以 发挥学生的创造性和想象力，因而对实际教学内容缺泛感性认识，严重影响了 学习效果。此外教学时数的减少和教学内容的增加，也使得教学双方面临比以 往任何时期都大得多的压力。而要改变这种状况，采用计算机辅助教学无疑是 个很好的方法。 但传统的计算机仿真系统辅助教学存在以下之不足：它将被教育的人作为 系统的封闭环，组合成仿真系统。这种仿真系统中，虽然采用了一些真实的设 备，但整个环境不是真实的。另外，仿真系统目前对人实现的虚拟，一般仅能 作用于眼、耳和身体。 而以虚拟现实技术为基础的m c a i 能够克服传统计算机辅助教学的缺点。它 是利用计算机产生一种三维的模拟环境，通过各种传感设备让使用者“进入” 到此环境中。它实际上是一种高级的人机接口，给使用者同时提供如视、听、 触等各种直观而又自然的实时感知交互手段，最大限度地方便使用者的操作。 与传统的人机界面相比，虚拟现实技术在思想上有了质的飞跃。传统的人机界 面将使用者和计算机视为两个独立的实体，将界面视为信息交换的媒介，使用 者将要求或指令输入到计算机内，计算机将信息或动作反馈出来，而虚拟现实 则将使用者和计算机视为一个整体，通过各种直观的工具将信息进行可视化， 使用者直接置身于这种三维信息空间中自由地操作各种信息，以控制计算机。 、随着虚拟现实技术的发展，它在c a i 中的应用已越来越广泛。真实世界的 计算机造型可以由虚拟现实来表现。假定可以提供适当的逼真度，用户可以象 在真实环境中一样操作虚拟现实中的对象。这样，教育从虚拟现实技术中的获 益是显而易见的。除了简单地描绘真实世界之外，支配虚拟现实的规则可以改 变，以允许用户在不同的“环境”中体验和学习。用这种方法可以了解各种物 理参数的作用和重要性，而且教育的重点可放在认知的技能上而不是给定环境 的细节上。 利用虚拟技术，在虚拟直观教学中加入触觉功能，可使学员对虚无的东西 产生真实感，从而可强烈地加深学员对所学知识的印象。利用高灵敏度的具有 浙江大学硕士学位论文 触觉反馈功能的传感手套，并把它通过专用的虚拟技术系统与高倍的立体电子 显微镜相联接，即能实现微观世界物体的可触模功能。如，数年前，我们已能 从放大倍率为纳米级换隧道扫描电子显微镜所拍摄的照片上，观察到了物质原 子整齐排列的彩色图像，人类第一次通过直观的视觉，验证了科学家们从理论 上推导出的物质原子结构形态，那些具有高度图案艺术美感的动人形象，曾在 人们眼前展现出了一幅幅神奇的绚丽