虚拟制造技术多媒体课件制作毕业论文

1、 1 绪论PPT，就是Power Point简称。PowerPoint 2010是美国微软公司出品的办公软件系列重要组件之一(还有Excel,Word等)。Microsoft Office PowerPoint 是一种演示文稿图形程序，Power Point是功能强大的演示文稿制作软件。可协助用户独自或联机创建永恒的视觉效果。它增强了多媒体支持功能，利用Power Point制作的文稿，可以通过不同的方式播放，也可将演示文稿打印成一页一页的幻灯片，使用幻灯片机或投影仪播放，可以将演示文稿保存到光盘中以进行分发，并可在幻灯片放映过程中播放音频流或视频流。对用户界面进行了改进并增强了对智能标记的支

2、持，可以更加便捷地查看和创建高品质的演示文稿。多媒体课件，简单来说就是老师用来辅助教学的工具，创作人员根据自己的创意，先从总体上对信息进行分类组织，然后把文字、图形、图象、声音、动画、影像等多种媒体素材在时间和空间两方面进行集成，使他们融为一体并赋予它们以交互特性，从而制作出各种精彩纷呈的多媒体应用软件产品。1.1多媒体课件特点多媒体课件需具备以下特点：（1）丰富的表现力多媒体课件不仅可以更加自然、逼真地表现多姿多彩的视听世界；还可以对宏观和微观事物进行模拟，对抽象、无形事物进行生动、直观的表现；对复杂过程进行简化再现等等。这样，就使原本艰难的教学活动充满了魅力。（2）良好的交互性多媒体课件不

3、仅可以在容的学习使用上提供良好的交互控制，而且可以运用适当的教学策略，指导学生学习、更好地体现出“因材施教的个别化数学”（3）极大的共享性网络技术的发展，多媒体信息的自由传输，使得教育在全世界交换、共享成为可能。以网络为载体的多媒体课件，提供了教学资源的共享。多媒体课件在教学中的使用，改善了教学媒体的表现力和交互性、促进了课堂教学容、教学方法、教学过程的全面优化，提高了教学效果。1.2常用多媒体课件制作工具1.2.1 PowerPoint微软公司出品的制作幻灯片的软件，此软件制作的电子文稿广泛地应用于学术报告，会议等场所，用本软件制作课件也是目前中学老师最常用的手段，就此软件来说，他的优点是做

4、课件比较方便，不用多学，很容易上手，制作的课件可以在网上通过IE来进行演示文稿的播放；但就其功能来说就相对差了一点，图片、视频、文字资料的展示制作较为方便，很容易起到资料展示的作用，但是如果要达到交互方面较好的效果那就比较繁琐，完全可以做到按钮、区域交互。由于Office软件具有一定的普遍性，所以PowerPoint课件的使用一般也不需要进行打包等处理，只是需要注意易机使用时的音、视频文件的路径。1.2.2 AuthorwareAuthorware是Macromedia公司推出的多媒体开发工具，由于它们具有强大的创作能力、简便的用户界面与良好的可扩展性，所以深为广大用户的欢迎，成为应用最广泛的

5、多媒体开发工具，一度被誉为多媒体大师，现在的版本已经发展到7.0，用户比较多，广泛用于多媒体光盘制作等领域，教师用些软件来进行课件制作的人数也比较多。此软件的主要特点是：Authorware是基于图标（Icon）和流线（Line）的多媒体创作工具，具有丰富的交互方式与大量的系统变量的函数、跨平台的体系结构、高效的多媒体集成环境和标准的应用程序接口等。可用于制作网页和在线学习应用软件。如果变量函数用得好的话，可以用他来开发一些小的应用软件。我用过一段时间，他的交互比较强大，就是不会编程也可以做出一些交互好的课件。唯一让我感到不好的地方就是做起动画来比较困难，如果不借助其他的软件，做一些好的动画来

6、说是根本不可能的（毕竟不是专业的动画制作软件），虽然有很多插件，但打包以后还要带着走，所以对于制作一些生活有趣的课件有一些困难。另一个就是打包后的文件比较大，不利用传播。1.2.3 DirectorDirector是Macromedia公司推出的多媒体开发工具，是全球多媒体开发市场的重量级工具，据统计，它在美国专业CDROM开发市场占据85%以上的份额。它不仅具备直观易用的用户界面，而且拥有很强的编程能力（它本身集成了自己Lingo语言），全称是：Macromedia Director Shockwave Studio，目前最高的版本为Directo MX（也就是9.0）。主要定位于CDROM

7、/DVDROM（多媒体光盘）的开发。用Director制作多媒体动画，无论是演示性质的还是交互性质的，都显出其专业级的制作能力和高效的多媒体处理技术。图象，文本，声音，动画等等这些多媒体元素，在Director中都可以非常方便而有机的结合起来，创造出精美的动画。因为非常专业，所以教师用此软件制作课件的不多，我也见过几个，非常漂亮，交互也比较好。特点：帧动画与编程相结合的多媒体编制软件，用帧可以做出很多漂亮的动画，有Lingo语言可以编出你想要的交互，引入的外部的多媒体元素非常丰富。可是生成的文件比较大，在网络传输方面做得还不是很理想。对于初学者来说，用他来做课件比较困难。1.2.4 FLASH

8、FLASH是Macromedia公司出品的，用在互联网上动态的、可互动的shockwave。它的优点是体积小，可边下载边播放，这样就避免了用户长时间的等待。FLASH可以用其生成动画，还可在网页中加入声音。这样你就能生成多媒体的图形和界面，而使文件的体积却很小。FLASH虽然不可以象一门语言一样进行编程，但用其置的语句并结合JAVASCRIPE，您也可作出互动性很强的主页来。FLASH另外一个特点就是必须安装插件PLUG-IN，才能被浏览器所接受！当然这也避免了浏览器之间的差异，使之一视！有人曾经说过：下个世纪的网络设计人不会用FLASH，必将被淘汰出局！我相信这句话没错！FLASH的特点1）

9、使用矢量图形和流式播放技术。与位图图形不同的是，矢量图形可以任意缩放尺寸而不影响图形的质量；流式播放技术使得动画可以边播放边下载，从而缓解了网页浏览者焦急等待的情绪。2）通过使用关键帧和图符使得所生成的动画文件非常小，几K字节的动画文件已经可以实现许多令人心动的动画效果，用在网页设计上不仅可以使网页更加生动，而且小巧玲珑下载迅速，使得动画可以在打开网页很短的时间里就得以播放。3）把音乐，动画，声效，交互方式融合在一起，越来越多的人已经把Flash作为网页动画设计的首选工具，并且创作出了许多令人叹为观止的动画(电影)效果。而且在Flash4.0的版本中已经可以支持MP3的音乐格式，这使得加入音乐

10、的动画文件也能保持小巧的身材。4）强大的动画编辑功能使得设计者可以随心所欲地设计出高品质的动画，通过ACTION和FS COMMAND可以实现交互性，使Flash具有更大的设计自由度，另外，它与当今最流行的网页设计工具Dreamweaver配合默契，可以直接嵌入网页的任一位置，非常方便。总之：做动画非常漂亮，你是知道的，也看过的，做交互非常多，你用过的，也玩过的（FLASH游戏等），做网页非常酷，现在你感觉得到，将来你会看到很多，做课件非常小，而且生动、交互好、文件小、利于网络传播等。1.3 多媒体在教育中的应用虚拟现实应用于教育是教育技术发展的一个飞跃。它营造了“自主学习”的环境，由传统的“

11、以教促学”的学习方式代之为学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。它主要具体应用在以下几个方面：（1）科技研究当前许多高校都在积极研究虚拟现实技术与其应用，并相继建起了虚拟现实与系统仿真的研究室，将科研成果迅速转化实用技术，如航天航空大学在分布式飞行模拟方面的应用；大学在建筑方面进行虚拟规划、虚拟设计的应用；工业大学在人机交互方面的应用；清华大学对临场感的研究等都颇具特色。有的研究室甚至已经具备独立承接大型虚拟现实项目的实力。 虚拟学习环境虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境，如建造人体模型、电脑太空旅行、化合物分子结构显示等，在广泛的科目领域提供无限的虚拟

12、体验，从而加速和巩固学生学习知识的过程。亲身去经历、亲身去感受比空洞抽象的说教更具说服力，主动地去交互与被动的灌输，有本质的差别。 虚拟实验利用虚拟现实技术，可以建立各种虚拟实验室，如地理、物理、化学、生物实验室等等，拥有传统实验室难以比拟的优势： 1）节省成本通常我们由于设备、场地、经费等硬件的限制。许多实验都无法进行。而利用虚拟现实系统，学生足不出户便可以做各种实验，获得与真实实验一样的体会。在保证教学效果的前提下，极大的节省了成本。2）规避风险真实实验或操作往往会带来各种危险，利用虚拟现实技术进行虚拟实验，学生在虚拟实验环境中，可以放心地去做各种危险的实验。例如：虚拟的飞机驾驶教学系统，

13、可免除学员操作失误而造成飞机坠毁的严重事故。3）打破空间、时间的限制利用虚拟现实技术，可以彻底打破时间与空间的限制。大到宇宙天体，小至原子粒子，学生都可以进入这些物体的部进行观察。一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间呈现给学生观察。例如，生物中的孟德尔遗传定律，用果蝇做实验往往要几个月的时间，而虚拟技术在一堂课就可以实现。（2）虚拟实训基地利用虚拟现实技术建立起来的虚拟实训基地，其“设备”与“部件”多是虚拟的，可以根据随时生成新的设备。教学容可以不断更新，使实践训练与时跟上技术的发展。同时，虚拟现实的沉浸性和交互性，使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个

14、角色，全身心地投入到学习环境中去，这非常有利于学生的技能训练。包括军事作战技能、外科手术技能、教学技能、体育技能、汽车驾驶技能、果树栽培技、电器维修技能等各种职业技能的训练，由于虚拟的训练系统无任何危险，学生可以不厌其烦地反复练习，直至掌握操作技能为止。例如：在虚拟的飞机驾驶训练系统中，学员可以反复操作控制设备，学习在各种天气情况下驾驶飞机起飞、降落，通过反复训练，达到熟练掌握驾驶技术的目的。（3）虚拟校园教育部在一系列相关的文件中，多次涉与到了虚拟校园，阐明了虚拟校园的地位和作用。虚拟校园也是虚拟现实技术在教育培训中最早的具体应用，它由浅至深有三个应用层面，分别适应学校不同程度的需求：简单的

15、虚拟我们的校园环境供游客浏览 基于教学、教务、校园生活，功能相对完整的三维可视化虚拟校园 以学员为中心，加入一系列人性化的功能，以虚拟现实技术作为远程教育基础平台 虚拟远程教育虚拟现实可为高校扩大招生后设置的分校和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，由局域网工具作校园的，可对各个终端提供开放性的、远距离的持续教育，还可为社会提供新技术和高等职业培训的机会，创造更大的经济效益与社会效益。随着虚拟现实技术的不断发展和完善，以与硬件设备价格的不断降低，我们相信，虚拟现实技术以其自身强大的教学优势和潜力，将会逐渐受到教育工作者的重视和青睐，最终在教育培训领域广泛应用

16、并发挥其重要作用。2 虚拟制造技术虚拟制造技术是20世纪90年代初提出的新概念，它是制造科学自身矛盾发展的必然，也是在激烈的市场竞争环境下产生的应对措施之一，同事虚拟制造技术也是信息技术与制造科学相结合的产物。本章主要探讨虚拟制造技术产生的时代背景，虚拟制造的定义、主要特点与其他先进制造技术的关系，提出和总结了当前虚拟制造研究中存在的问题与发展方向。2.1 虚拟制造产生的时代背景 在世纪之交，随着国际关系多极化、消费多样化、经济全球化和贸易自由化趋势的不断发展，以与对资源和环境的高度重视，世界各国重新审视制造业的生产方式，对制造业的发展提出了更高的要求和新的制约条件。21世纪的制造业面临着新的

17、历史性发展机遇和严峻的挑战。2.1.1 制造业经营策略的变迁 随着经济发展和市场日趋饱和，制造业实现了从卖方市场到买方市场的转变，远离物质匮乏的人们也对产品提出了更高的要求。 20世纪60年代制造企业追求的是扩大生产规模；20世纪70年代是降低生产成本；20世纪80年代是提高产品质量；20世纪90年代则进一步加快市场响应速度列入企业追求的目标；而21世纪随着知识经济的到来，技术创新成为企业发展的灵魂。企业必须同时具备时间竞争能力、质量竞争能力、价格竞争能力和创新竞争能力才能赢得市场，从而使改进产品功能、提高产品质量、缩短开发时间、降低生产成本、完善售后服务都成为 制造业面临的共同任务。2.1.

18、2信息科学推动了制造业的变革 近20年来，计算机科学和信息科学的迅速发展已经和正在促使人类生活、生产方式发生革命性的变化，全球正经历着由传统经济向知识经济、网络经济的转变。利用信息技术改造传统制造业已成为现代制造业发展的必由之路，信息技术也已成为现代制造业的技术基础。2.2 虚拟制造的概念 虚拟制造又称拟实制造，一些外国文献上也称为像素制造或屏幕制造。目前人们对虚拟制造还没有广泛认同的定义，不同学着对虚拟制造概念的理解还有某些差异。Onosato和Iwata是日本大阪大学最早研究虚拟制造系统的学者，他们认为“虚拟制造是用模型的仿真代替真实世界中的实体与其操作的计算机化的制造活动的综合概念”。他

19、们把真实制造系统分解为真实物理系统(RPS)和真实信息系统(RIS)两部分。在1994年，Hitchcock指出：虚拟制造是一个集成的、综合的制造环境，通过运行该制造环境可以改善制造企业中各个层次的决策和控制。这是目前引用较多的一个关于虚拟制造的定义。虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质体现，即采用计算机建模与仿真技术、虚拟现实或(与)可视化技术，在计算机网络环境下群组协同工作，模拟产品的整个制造过程，对产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、生产调度和管理、销售与售后服务等作出综合评价，以增强制造过程各个层次或环节的正确决策与控制能力。虚拟制造技术（Virtual Manufacturin

20、g Technology，VMT）是以虚拟现实和仿真技术为基础，对产品的设计、生产过程统模，在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、使用整个生命周期的模拟和仿真。这样，可以在产品的设计阶段就模拟出产品与其性能和制造过程，以此来优化产品的设计质量和制造过程，优化生产管理和资源规划，以达到产品开发周期和成本的最小化，产品设计质量的最优化和生产效率最高化，从而形成企业的市场竞争优势。如波音777，其整机设计、部件测试、整机装配以与各种环境下的试飞均是在计算机上完成的，其开发周期从过去的8年缩短到5年；Chrycler公司与IBM合作开发在虚拟制造环境用于其新型车的研制，在样车生产之前，即发现其定

21、位系统与其他许多设计有缺陷，从而缩短了研制周期。尽管虚拟制造技术的出现只有短短的几年时间，虚拟制造的应用将会对未来制造业的发展产生深远的影响。2.3 虚拟制造的特点（1）虚拟性：在一个虚拟的制造环境里，虚拟制造可进行产品的设计、制造和测试。（2）集成性：虚拟制造系统实际上是一个各种产品仿真软件的公共通信平台，也是各种相互独立的制造技术（如CAD，CAE，CAPP，CAM等）的数字化集成环境，可实现各种相关技术的无缝连接。（3）分布性：可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同一个产品模型上协同工作、相互交流，实现信息共享，减小大量的文档生成与其传递时间，也减少了由此产生的相应误差，从而加快

22、了产品开发过程。（4）依赖性：虚拟制造系统的运行以与对制造过程的描述和评论是基于人们对实际物理过程的理解和认识，因此，它只是人类对制造过程认识的综合演练，并不能产生关于实际物理过程的新知识，其仿真精度也受限于仿真模型与真实模型的近似程度。与传统的制造方法和手段相比，虚拟制造具有以下方面的突出优势：（1） 缩短产品研制周期；（2） 降低产品研制成本；（3） 提供了一个先进的制造系统仿真平台。2.4 虚拟制造与实际制造的关系虚拟制造不是无水之源，无本之木，而是现实制造过程在计算机上的映射，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机与高速网络的支持下，在计算机上群组协同工作，实现产品设计、工艺规

23、划、加工制造、性能分析、质量检验，以与企业各级管理与控制等产品的制造过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。实际制造系统是物质流、信息流在控制流的协调和控制下，在各个层次上进行相应的决策，实现从投入到产出的有效转变，其中物质流和信息流的协调工作是主体。虚拟制造系统是通过对实际制造系统进行抽象、分析、综合，得到实际生产的全部数字化模型。虚拟制造的最终目标是指导实际生产。因此，虚拟制造是实际制造的抽象，实际制造是虚拟制造的实例。虚拟制造系统实际制造系统计算机仿真虚拟现实基于网络的VPS虚拟信息系统确认和验证技术人员客户抽象与综合虚拟产品实际信息系统样机需求工人工厂RPS实际产品图2-1 虚拟制造

24、与实际制造的关系Fig.2-1 Virtual manufacturing and the relationship between the actual manufacturing2.5 虚拟制造技术的分类根据所涉与的围不同，可将虚拟制造分成三类：以设计为核心的虚拟制造（design-centered VM）以生产为核心的虚拟制造（production-centered VM）以控制为核心的虚拟制造（control-centered VM）2.5.1 以设计为中心特点：在设计阶段为设计人员提供制造信息，使用基于制造的仿真以优化产品和工艺的设计，通过“在计算机上制造”产生多个“软”样机。主要目

25、标：评价可制造性。主要技术支持：特征造型、 面向数学模型设计、加工过程仿真技术。应用领域：造型设计 、热力学分析 、运动学分析 、动力学分析、容差分析 、加工过程仿真。2.5.2 以生产为中心特点：将仿真能力用于制造过程模型，以便低费用、快速地评价不同的工艺方案。用于资源需求规划、生产计划的产生与评价的环境。主要目标：评价可生产性。主要技术支持：虚拟现实、嵌入式仿真。应用领域：工厂或产品的物理布局， 传统制造：主要考虑空间， 虚拟制造：总体协调、优化动态过程, 人、环境、效率。生产计划的编排。传统制造：静态、确定型。虚拟制造：动态、随机型。2.5.3 以控制为中心特点：将仿

26、真加到控制模型和实际处理中；可“无缝”地仿真使得实际生产周期期间不间断地优化。主要技术支持：对离散制造-基于仿真的实时动态调度。对连续制造-基于仿真的最优控制。3 虚拟现实技术3.1 概述虚拟现实技术具有超越现实的虚拟性。虚拟现实系统的核心设备仍然是计算机。它的一个主要功能是生成虚拟境界的图形，故此又称为图形工作站。目前在此领域应用最广泛的是SGI、SUN等生产厂商生产的专用工作站，但近来基于Intel奔腾（代）代芯片的和图形加速卡的微机图形工作站性能价格比优异，有可能异军突起。图像显示设备是用于产生立体视觉效果的关键外设，目前常见的产品包括光阀眼镜、三维投影仪和头盔显示器等。其中高档的头盔显

27、示器在屏蔽现实世界的同时，提供高分辨率、大视场角的虚拟场景，并带有立体声耳机，可以使人产生强烈的浸没感。其他外设主要用于实现与虚拟现实的交互功能，包括数据手套、三维鼠标、运动跟踪器、力反馈装置、语音识别与合成系统等等。虚拟现实技术的应用前景十分广阔。它始于军事和航空航天领域的需求，但近年来，虚拟现实技术的应用已大步走进工业、建筑设计、教育培训、文化娱乐等方面。它正在改变着我们的生活。虚拟与现实两词具有相互矛盾的含义，把这两个词放在一起，似乎没有意义，但是科学技术的发展却赋予了它新的含义。虚拟现实的明确定义不太好说，按最早提出虚拟现实概念的学者J.Laniar的说法，虚拟现实，又称假想现实，意味

28、着“用电子计算机合成的人工世界”。从此可以清楚地看到，这个领域与计算机有着不可分离的密切关系，信息科学是合成虚拟现实的基本前提。虚拟现实（VR，Virtual Reality）又称虚拟环境（VE，Virtual Environment）或灵境。虚拟现实是由计算机生成的，通过视、听、触觉、嗅觉等多通道作用于用户，使之产生身临其境感得交互式计算机仿真，是一种可以创造和体验虚拟世界的计算机系统。虚拟现实技术提高了人与计算机之间的和谐程度，可以对真实世界的行为活动进行仿真，并对用户的位置、姿态、语言等做出实时响应，使用户和虚拟环境之间建立起实时的交互关系，产生与在真实环境中相似的感觉体验。3.2 虚拟

29、现实系统的特征虚拟现实具有以下四个特征：（1）多感知性(Multi-Sensory)：所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，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、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。（2）沉浸感或存在感(Immersion)：又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真

30、的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。（3）交互性(Interactivity)：指用户对模拟环境物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。（4）构想性(Imagination)：强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。 一般来说，一个完整的虚拟现实系统由虚拟环境、以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、

31、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备，以与味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成3.3 虚拟现实系统的分类虚拟现实系统可以根据显示方式分为桌面式，佩带式和全景式三种。桌面式VR系统的场景通过计算机屏幕显示，用户用立体眼镜观察，声音由台式或室音响系统提供。佩带式是用头盔将用户的视、听觉与外界隔离，使用户完全沉浸在计算机生成的虚拟环境中。全景式虚拟现实系统是投影式系统。观察者佩带立体眼镜和头部跟踪器，当观察者移动时，立体投影生成器计算出各面墙上的图像。VR系统也可以根据系统与外界真实世界的交互

32、关系分类，可分为以下三类：（1）封闭式虚拟现实，即与外部现实世界不产生直接交互。特点：虚拟环境可以是任意虚构的。实际上不存在的世界。目的是：娱乐、或验证某一猜想假设。训练、模拟、预演、检验、体验等。任何操作不对外界产生直接作用。（2）开放式虚拟现实，即通过各种传感装置与外界构成反馈闭环。特点：虚拟环境是某一现实世界的真实模型。目的是：通过利用虚拟环境对现实世界进行直接操作或遥操作，以达到克服现实环境的限制林遮挡、遥远、危险、不便到达、不能到达等或使操作方便。可靠的目的。例如：提供碰撞报警（利用虚拟环境计算相撞距离，减轻操作员的心理负担，减少操作失误。操作按用户的需要对现实世界进行直接作用或得到

33、各种反馈。（3）把封闭式虚拟现实与开放是虚拟现实结合，即兼备虚拟是虚拟现实和开放是虚拟现实的特点；这是一种较为实用的虚拟现实系统。VR的系统模型表示见图3-1。用户通过传感装置直接对虚拟环境进行操作，并得到实时三维显示和其它反馈信息（如触觉、力觉反馈等），当系统与外部世界通过传感装置构成反馈闭环时，在用户由控制下，用户与虚拟环境间的交互可以对外部世界产生作用（如遥控操作等）。图3-1 VR系统模型Fig.3-1 VR system modelVR系统主要由以下6个模块构成（1）检测模块：检测用户的操作命令。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

34、反馈。（3）传感器模块：一方面接受来自用户的操作命令，并将其作用于虚拟环境；另一方面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：对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。（5）3D模型库：现实世界各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。VR传感装置的类型分类如下。图3-2 VR系统的构成Fig.3-2 VR system structure（1）视觉：头盔式立体显示器HMD（HeadMounted Display）。例如VPL公司的Eyephone，它可以分为透过型和非透过型两种。

35、（2）听觉：三维音响输出装置、定位装置。（3）检测手动（包括位置）：数据手套（Data Glove），如DHM、（DeXterous Handmaster）(精密型DG）、Cyberglove（手指露出型数据手套等。（4）力反馈，触觉传感器；Grope系列手爪等.（5）身体运动：数据衣（Data Suit）等。（6）语音识别、合成，眼球运动检测等。根据VR技术的特征，可以用系统的存在感P（Presence）、交互性I（Interaction）和自主性 A（Autonomy）来评价VR系统的性能（见图 3-3），其中P、I和A的值越大，表示 VR系统的性能越好。显然，P、I和A的值均取最大时，V

36、R系统的性能达到极限，即理想的。图3-3 VR系统的性能评价Fig.3-3 VR system performance evaluation3.4 虚拟现实系统的组成VR系统的组成如下：（1） 检测输入装置；（2） 图像生成和显示系统；（3） 音频系统；（4） 力、触觉系统；3.4.1构建虚拟现实系统的目的使参与者沉浸于多维信息空间中，进行仿真、建模，获取知识和形成新概念。目标：利用并集成高性能的计算机软硬件与各类先进的传感器，去构建一个使参与者处于身临其境的沉浸感、具有完善的交互作用、能帮助和启发构思的信息环境。技术支持：各种传感器技术、三维显示和音响器、虚拟环境产生器、程序设计工具集、计算

37、机高速网络和高性能计算机平台。3.4.2 虚拟现实系统的组成用户通过头盔、手套和话筒等输入设备为计算机提供输入信号，虚拟现实软件收到输入信号后加以解释，然后对虚拟环境数据库进行必要更新，调整当前虚拟环境视图，并将这一新视图与其它信息如声音立即传送给输出设备，以便用户与时看到效果。系统由输入部分、输出部分、虚拟环境数据库、虚拟现实软件组成。（一）输入部分虚拟现实系统通过输入部分接收来自用户的信息。用户基本输入信号包括用户的头、手位置与方向、声音等。其输入设备主要有：（1）数据手套用来监测手的姿态，将人手的自然动作数字化。用户手的位置与方向用来与虚拟环境进行交互。如在使用交互手套时，手势可用来启动

38、或终止系统。类似地，手套可用来拾起虚拟物体，并将物体移到别的位置。（2）三维球用于物体操作和飞行控制。（3）自由度鼠标用于导航、选择与与物体交互。（4）生物传感器用来跟踪眼球运动。（5）头部跟踪器通常装在HMD头盔上跟踪头部位置，以便使HMD显示的图像随头部运动而变化。用户头的位置与方向是系统重要的输入信号，因为它决定了从哪个视角对虚拟世界进行渲染。（6）语音输入设备通过话筒等声音输入设备将语音信息输入，并利用语音识别系统将语音信号变成数字化信号。（二）输出系统虚拟现实系统根据人的感觉器官的工作原理，通过虚拟现实系统的输出设备，使人对虚拟现实系统的虚拟环境得到虽假犹真、身临其境的感觉。主要是由

39、三维图像视觉效果、三维声音效果和触觉 (力觉)效果来实现的。（1）三维图像生成与显示利用图形处理器、立体图象显示设备、高性能计算机系统将计算机数字信号变成三维图像。最简单的一种是计算机监视器加上一副眼镜，另一种就是头盔显示器。（2）三维声音处理虚拟现实系统声音效果包括音响和语音效果。通过有关的声音设备使电子信号变成立体声，并提供识别立体声声源和判定其空间方位的功能。（3）触觉、力觉反馈触觉提供手握物体时获得的丰富感觉信息，包括分辨表面材质与温度、湿度、厚度、力等。用户的手是与虚拟环境进行自然交互时的重要途径。当手与虚拟物体发生碰撞时，我们自然希望有接触感和压力感。（三）虚拟环境数据库作用：存放

40、整个虚拟环境中所有物体的各方面信息（包括物体与其属性如约束、物理性质、行为、几何、材质等）。虚拟环境数据库由实时系统软件管理。虚拟环境数据库中的数据只加载用户可见部分，其余留在磁盘上，需要时导入存。（四）虚拟现实软件任务：设计用户在虚拟环境中遇到的景和物。构建虚拟环境的过程：（1）三维物体的建模。典型的建模软件：AutoCAD、Multigen、VRML等。（2）虚拟场景的建立与三维物体与虚拟场景的集成。典型的虚拟现实软件：Vega、OpenGVS、VRT、Vtree等。3.4.3虚拟现实系统的分类虚拟现实系统按照不同的标准有不同的分类，通常分为以下三类：（1）桌面虚拟现实系统(Desktop

41、 VR)桌面虚拟现实系统是一套基于普通PC平台的小型虚拟现实系统。利用中低端图形工作站与立体显示器，产生虚拟场景，参与者使用位置跟踪器、数据手套、力反馈器、三维鼠标、或其它手控输入设备，实现虚拟现实技术的重要技术特征：多感知性、沉浸感、交互性、真实性。在桌面虚拟现实系统中，计算机的屏幕是参观者观察虚拟境界的一个窗口，在一些专业软件的帮助下，参与者可以在仿真过程中设计各种环境。立体显示器用来观看计虚拟三维场景的立体效果，它所带来的立体视觉能使参与着产生一定程度的投入感。交互设备用来驾驭虚拟境界。有时为了增强桌面虚拟现实系统的投入效果，如果需要，那么在桌面虚拟现实系统中还会借助于专业单通道立体投影

42、显示系统，达到增大屏幕围和团体观看的目的。桌面虚拟现实系统虽然缺乏完全沉浸式效果，但是其应用仍然比较普遍，因为它的成本相对要低得多，而且它也具备了投入型虚拟现实系统的技术要求。作为开发者来说，从经费使用谨慎性的角度考虑，桌面虚拟现实往往被认为是初级的、刚刚从事虚拟现实研究工作的必经阶段。所以桌面虚拟现实系统比较适合于刚刚介入虚拟现实研究的单位和个人。统主要包括VR软硬件两部分。其中硬件部分可分为VR立体图形显示、效果观察、人机交互等几部分；软件部分可分为VR环境开发平台(Virtools）、建模平台（3D MAX等）和行业应用程序实例（源代码与SDK开发包）。主要特点为全面、小型、经济、适用，

43、非常适合于VR工作者的教学、研发和实际应用。（2）沉浸式虚拟现实系统利用头盔显示器把用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，产生一种身在虚拟环境中的错觉。主要特点：虚拟环境可以是任意虚构的、实际上不存在的世界。任何操作不对外界产生直接作用。一般用于娱乐或验证某一猜想假设、训练、模拟、预演、检验、体验等。桌面虚拟现实系统和沉浸式虚拟现实系统比较：1）沉浸度差异桌面虚拟现实系统采用CRT彩色显示器和三维立体眼镜增加身临其境感觉，而沉浸式虚拟现实系统则采用头盔显示器（HMD）增强身临其境感觉2）交互装置差异桌面虚拟现实系统采用的交互装置是六自由度鼠标器或三维操纵杆，而沉浸式虚拟现实系统采用的是数据手套和

44、头盔。由多通道投影组合成的虚拟仿真系统广泛应用于训练、制造、娱乐等行业。通过将传统的播放方式改变为有沉浸感的交互方式，提供大规模具有沉浸虚拟和增强现实的手段，为复杂数据可视化的协同工作起到重要作用。（3）分布式虚拟现实系统（简称DVR）分布式虚拟现实系统是一个基于网络的可供异地多用户同时参与的分布式虚拟环境。在这个环境中，位于不同物理环境位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相连接，或者多个用户同时参加一个虚拟现实环境，通过计算机与其他用户进行交互，并共享信息。在分布式虚拟现实系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。1）分布式虚拟现实系统的特征： 共享的虚拟

45、工作空间； 伪实体的行为真实感； 支持实时交互，共享时钟； 多个用户以多种方式相互通信； 资源信息共享以与允许用户自然操作环境中对象。 2）分布式虚拟现实系统的组成： 分布式虚拟现实系统有4个基本组成部件：图形显示器、通信和控制设备、处理系统和数据网络。3）分布式虚拟现实系统的模型结构： 根据分布式系统环境下所运行的共享应用系统的个数，可把DVR系统分为集中式结构和复制式结构。集中式结构是只在中心服务器上运行一份共享应用系统。该系统可以是会议代理或对话管理进程。中心服务器的作用是对多个参加者的输入/输出操纵进行管理，允许多个参加者信息共享。它的特点是结构简单，容易实现，但对网络通信带宽有较高的

46、要求，并且高度依赖于中心服务器。复制式结构是在每个参加者所在的机器上复制中心服务器，这样每个参加者进程都有一份共享应用系统。服务器接收来自于其它工作站的输入信息，并把信息传送到运行在本地机上的应用系统中，由应用系统进行所需的计算并产生必要的输出。它的优点是所需网络带宽较小。另外，由于每个参加者只与应用系统的局部备份进行交互，所以，交互式响应效果好。但它比集中式结构复杂，在维护共享应用系统中的多个备份的信息或状态一致性方面比较困难。4）分布式虚拟现实系统的应用： 分布式虚拟现实系统在远程教育、工程技术、建筑、电子商务、交互式娱乐、远程医疗、大规模军事训练等领域都有着极其广泛的应用前景。利用它可以

47、创建多媒体通信、设计协作系统、实境式电子商务、网络游戏、虚拟社区全新的应用系统。典型的应用领域有：1）教育应用：把分布式虚拟现实系统用于建造人体模型、电脑太空旅游、化合物分子结构显示等领域，由于数据更加逼真，大大提高了人们的想象力、激发了受教育者的学习兴趣，学习效果十分显著。同时，随着计算机技术、心理学、教育学等多种学科的相互结合、促进和发展，系统因此能够提供更加协调的人机对话方式。2）工程应用：当前的工程很大程度上要依赖于图形工具，以便直观地显示各种产品，目前，CAD/CAM已经成为机械、建筑等领域必不可少的软件工具。分布式虚拟现实系统的应用将使工程人员能通过全球网或局域网按协作方式进行三维

48、模型的设计、交流和发布，从而进一步提高生产效率并削减成本。3）商业应用：对于那些期望与顾客建立直接联系的公司，尤其是那些在他们的主页上向客户发送电子广告的公司，Internet具有特别的吸引力。分布式虚拟系统的应用有可能大幅度改善顾客购买商品的经历。例如，顾客可以访问虚拟世界中的商店，在那里挑选商品，然后通过Internet办理付款手续，商店则与时把商品送到顾客手中。3）娱乐应用：娱乐领域是分布式虚拟现实系统的一个重要应用领域。它能够提供更为逼真的虚拟环境，从而使人们能够享受其中的乐趣，带来更好的娱乐感觉。（5）典型虚拟现实系统虚拟现实系统走向应用的时间还比较短，但与虚拟现实技术有关的研究已经

49、历了数十年。在虚拟现实技术发展过程中，产生了许多虚拟现实原形系统与应用系统。下面简要地介绍几个经典的虚拟现实系统。1）VIDEOPLACE系统VIDEOPLACE是Myron Krueger领导的Artificial Reality研究小组20年的研究成果。其实它是一个反应环境(Responsive Environment)，综合地运用了计算机图形学和手势识别技术。以VIDEOPLACE为原型的VIDEO-DESK是一个桌面VR系统。用户坐在桌边并将手放在上面，旁边有一架摄像机摄下用户手的轮廓并传送给不同地点的另一个用户，两个人可以相互用自然的手势进行信息交流。同样，用户也可与计算机系统用手势

50、进行交互，计算机系统从用户手的轮廓图形中识别手势的含义并加以解释，以便进一步地控制。诸如打字、画图、菜单选择等操作，均可以用手势完成。VIDEOPLACE对于远程通讯和远程控制很有价值，如用手势控制远处的机器人等等。2）VIEW系统VIEW是虚拟交互环境工作站(Virtual Interactive Environment Workstation)的缩写，是NASA下属的Ames研究中心(Ames Research Center)1985年研制开发的。其目的是为NASA的其他有关研究项目提供一个通用、强大的VR系统平台。VIEW可以说是集VR技术之大成。它以HP公司的HP900/835为主计算

51、机，图形处理采用ISG公司的图形计算机或HP SRX图形系统；配备了Polhemus空间跟踪系统来跟踪使用者手和头的位置；配备了LEEP广角立体视景头戴显示器和单色液晶显示器；Convolvotron三维音频输出设备；VPL数据手套(DataGlove)用于识别使用者手势；同时还配备了BOOM CRT显示器与Fakd Space远程摄像系统。VIEW是一个非常复杂的系统，它由一组由计算机控制的I/O子系统组成。这些子系统分别提供虚拟环境所需的各种感觉通道的识别和控制功能。使用者“置身”于这样的VR环境，周围是预先定义的虚拟物体与三维空间的声响效果。系统跟踪使用者头的位置和方向以达到变换视点的效

52、果。同时,系统还跟踪并识别使用者手与手指的空间移动所形成的手势，来控制系统的行为。VIEW的声音识别系统可让使用者用语言或声音向系统下达命令。3）SIMNET系统1983年美国国防部高级研究计划局和美国陆军共同制定SIMNET （SIMulator NETworking）研究计划。该计划将分散在不同地点的地面坦克、车辆仿真器通过计算机网络联合在一起，进行各种复杂任务的坦克训练和作战演练。研究动因：为了坦克训练过程中减少训练费用、提高安全性、减轻对环境的影响(爆炸和坦克履带破坏训练场地)等 。每个SIMNET模拟器是一个独立的装置，可以复现M1主战坦克的部，包括导航设备、武器、传感器和显示器等。

53、车载武器、传感器和发动机由车载计算机动态模拟，该计算机还包含整个虚拟战场(最初模拟的是德国和中欧的50km×75km的战场，以后增加了科威特战区)的数据库拷贝。所有这些数据库都准确地复现了当地的地形特点，包括植被、道路、建筑物、桥梁等等。坦克乘员之间通信借助车通信系统实现，而与其它模拟器之间通信通过远程网络由话音和电子报文实现。实时分布仿真具有广泛的应用，SIMNET就是一个典型的例子。早先由于没有仿真系统，军队需要通过军事演习重现战场情景，使指挥人员和战斗人员在训练中学会生存和赢得战斗的技能。因为军事训练所需坦克和飞机等武器造价昂贵，而且造成了农田、道路等的极大损失，这就需要有一种

54、能模拟战斗的系统。SIMNET就是在这个背景下逐步形成的。SIMNET采用了仿真网络，可以使多个操作者异地共同参与同一场景的战斗，操作人员可以在不同的地方操作不同的武器。SIMNET还可以仿真更多的变化条件，如天气、阻碍物和其他不利因素。海湾战争中的部分战斗就是先通过SIMNET仿真后再运用到战场上的。实践证明，SIMNET取得了良好的效果。图 3-4 虚拟现实系统Fig.3-4 Virtual Realitu System3.5虚拟制造系统的体系结构虚拟制造系统的体系结构根据不同应用目标和应用环境而各有不同。其中具有代表性的体系结构有Mediator体系、Iwate体系、分布式体系、虚拟开发

55、平台体系等。（1）虚拟设计：产品建模 产品异地设计 产品优化设计 产品性能评价 零部件分析优化 可制造性评价 快速原型（2）虚拟制造：生产工艺优化 工具设计优化 刀位控制参数优化 刀位轨迹参数优化 加工方案评估 虚拟实验 虚拟检测 工艺模型验证、产品模型实验：虚拟机床（3）虚拟生产：生产计划仿真优化 虚拟生产布局 虚拟设备集成 虚拟装配 虚拟生产平台服务器（4）虚拟企业：虚拟企业平台服务器 企业协同工作环境 企业虚拟运行企业运行仿真3.6 虚拟制造的关键技术虚拟现实是多种技术的综合，其关键技术和研究容包括以下几个方面：（1）环境建模技术即虚拟环境的建立，目的是获取实际三维环境的三维数据，并根据

56、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。（2）立体声合成和立体显示技术在虚拟现实系统中消除声音的方向与用户头部运动的相关性，同时在复杂的场景中实时生成立体图形。（3）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。（4）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，三维交互技术与语音识别、语音输入技术成为重要的人机交互手段。（5）系统集成技术由于虚拟现实系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术为重中之重：包括信息同步技术、模型标定技术、数据转换技术、识别和合

57、成技术等等虚拟现实是在计算机中构造出一个形象逼真的模型。人与该模型可以进行交互，并产生与真实世界中一样的反馈信息，使人们获得和真实世界中一样的感受。当人们需要构造当前不存在的环境（合理虚拟现实）、人类不可能达到的环境（夸虚拟现实）或构造纯粹虚构的环境（虚幻虚拟现实）以取代需要耗资巨大的真实环境时，就可以利用虚拟现实技术。为了实现和在真实世界中一样的感觉，就需要有能实现各种感觉的技术。人在真实世界中是通过眼睛、耳朵、手指、鼻子等器官来实现视觉、触觉（力觉）、嗅觉等功能的。人们通过视觉观看到色彩斑斓的外部环境，通过听觉感知丰富多彩的音响世界，通过触觉了解物体的形状和特性，通过嗅觉知道周围的气味。总之，通过各种各样的感觉，使我们能够同客观真实世界交互（交流），使我们浸沉于和真实世界一样的环境中。在这里，实现听觉最为容易；实现视觉是最基本的也是必不可少的和最常用的；实现触觉只有在某些情况下需要，现在正在完善；实现嗅觉还刚刚开始。 人从外界获得的信息，有80%90%来自视觉。因此在虚拟环境中，实现和真实环境中一样的视觉感受，对于获得逼真感、浸沉感至为重要。在虚拟现实中和通常图像显示不同的是，要求显示的图像要随观察者眼睛位置的变化而变化。此外，要求能快速生成图像以获和实时感。例如，制作动画时不要时，为了保证质量每幅画面需要多长时间生成不受限制。而虚拟现实时生成的画面通常为30帧/秒。