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(VirtualReality.简称VR)是一种多通道的新型人机交互接口,人们可以通过视觉、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,也可以通过移动、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,目前已经在军事、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,目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。虚拟现实可以用来表达深奥的概念、复杂的技术和实验等,也可以模拟操作环境和工作流程等。3.1.1教育目前,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。通过VR的交互环境、再现能力及一对一的实践,可以提高学生们的记忆力和学习兴趣;具有真实的可视化能力,很适于表达难以理解的抽象概念;通过模拟化学、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,就可以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CyberMath,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,但是由于距离、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.Ramasundaram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,学员可以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可以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,不但可以模拟误操作的后果,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,Adams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,使用虚拟现实技术可以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,JeenalVora等研制了用于飞机检查培训的虚拟现实系统,可以用作离线培训的工具,并可以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,用户可以对某个部件的拆卸进行虚拟的操作,并可以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。利用虚拟现实技术可以模拟心、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,这种见习零部件的装配是要确定部件是否可以无偏差地组装在一起,并确认在产品需要保养时是否可以方便的拆卸。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Antonino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;工程师运用该技术可以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LuisMarcelino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,可以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,通常要进行人机工程学分析。虚拟现实技术可以让技术人员在开始设计时就进行人机工程学研究,可以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在制造业的其他应用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