虚拟现实交互技术的研究和探讨

虚拟现实交互技术的研究和探讨内容摘要：

(3) 工作场所的人机界面技术与随时随地计算 : 这是针对办公自动化、车间自动化、银行自动化、公共交通和其他公用设施自动化的人机界面设计 . 要求特别易学易用 , 不出差错 . 而且 , 因特网、企业网以及计算机支持人协同工作 (CSCW ) 的发展 , 已经结束了仅是单人、单机交互的时期 , 需要协调计算机组支持组成员活动 . 目前工作场所很广 , 汽车上、火车上都有人在用计算机。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 11 页 共 31 页 第 3章 虚拟现实交互技术的应用 第 应用领域 虚拟现实技术的应用极为广泛， Helsel 与 Doherty 在 1993 年对全世界范围内已经进行的 805 项虚拟现实研究项目作了统计，结果表明：目前在娱乐、教育及 艺术 方面的应用占据主流，其次是军事与航空，医学，商业，另外在可视化计算、制造业等方面也有相当的比重。 下面简要介绍其部分应用。 （ 1）医学 虚拟现实技术应用大致上有两类。 一是虚拟人体，也就是数字化人体，这样的人体模型医生更容易了解人体的构造和功能。 另一是虚拟手术系统，可用于指导手术的进行。 Pieper及 Satara等研究 者在 90年代初基于两个 SGI工作站建立了一个虚拟外科手术训练器，用于腿部及腹部外科手术模拟。 这个虚拟的环境包括虚拟的手术台与手术灯，虚拟的外科工具（如手术刀、注射器、手术钳等），虚拟的人体模型与器官等。 借助于 HMD及感觉手套，使用者可以对虚拟的人体模型进行手术。 但该系统有待进一步改进，如需提高环境的真实感，增加 网络 功能，使其能同时培训多个使用者，或可在外地专家的指导下工作等。 （ 2）娱乐、 艺术 与 教育 丰富的感觉能力与 3D 显示环境使得虚拟现实技术成为理想的视频游戏工具。 由于在娱乐方面对虚拟现实的真实感要求不是太高，故近些年来虚拟现实技术在该方面 发展 最为迅猛。 如 Chicago（芝加哥）开放了世界上第一台大型可供多人使用的虚拟现实娱乐系统，其主题是关于 3025 年的一 场未来战争；英国开发的称为“ Vitality” 的虚拟现实游戏系统，配有 HMD，大大增强了真实感； 1992 年的一台称为“ Legal Quest” 的系统由于增加了人工智能功能，使 计算 机具备了自学习功能，大大增强了趣味性及难度，使该系统获该年度虚拟现实产品奖； （ 3）军事与航天 工业 模拟与练一直是军事与航天工业中的一个重要课题，这为虚拟现实技 术提供了广阔的应用前景。 美国国防部高级研究计划局 DARPA 自 80 年代起一直致力于研究称为 SIMNET 的虚拟战场系统，以提供坦克协同训 1 练，该系统可联结 200 多台模拟器。 利用虚拟现实技术模拟战争过程已成为最先进的多快好省的研究战争、培训指挥员的方法。 战争实验室在检验预定方案用于实战方面也能起巨大作用。 1991 年海湾战争开始前，美军便把海湾地区各种 自然 环境和伊拉克军队的各种数据输入计算机内，进行各种作战方案模拟后才定下初步作 战方案。 后来实际作战的发展和模拟实验结果相当一致。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 12 页 共 31 页 （ 5）商业 虚拟现实技术常被用于推销。 例如建筑工程投标时，把设计的方案用虚拟现实技术表现出来，便可把业主带入未来的建筑物里参观，如门的高度、窗户朝向、采光多少、屋内装饰等，都可以感同身受。 它同样可用于 旅游 景点以及功能众多、用途多样的商品推销。 因为用虚拟现实技术展现这类商品的魅力，比单用文字或图片宣传更加有吸引力。 （ 6）科技开发 虚拟现实技术可缩短开发周期，减少费用。 例如克莱斯勒公司 1998年初便利用虚拟现实技术，在设计某两种新型车上取得突破，首次使设计的新车直接从计算机屏幕投入生产线，也就是说完全省略了中间的试生产。 由于利用了卓越的虚拟现实技术，使克莱斯勒避免了 1500 项设计差错，节约了 8 个月的开发时间和 8000 万美元费用。 利用虚拟现实技术还可以进行汽车冲撞试验，不必使用真的汽车便可显示出不同条件下的冲撞后果。 在虚拟现实技术已经和理论分析、 科学 实验一起，成为人类探索客观世 界 规律 的三大手段。 用它来设计新材料，可以预先了解改变成分对材料性能的影响。 在材料还没有制造出来之前便知道用这种材料制造出来的零件在不同受力情况下是如何损坏的。 以上仅列出虚拟现实技术的部分应用前景，可以预见，在不久的将来，虚拟现实技术将会影响甚至改变我们的观念与习惯，并将深入到人们的日常工作与生活。 第 在航天 仿真研究中应用的探讨 . 意义及研究现状 具体表现在如下几个方面： 机界面具有三维立体感，人融于系统，人机浑然一体。 以座舱 仪表布局为例，原则上应把最重要且经常查看的仪表放在仪表板中心区域，次重要的仪表放在中心区域以外的地方。 这样能减少航天员的眼动次数，降低负荷，同时也让其注意力落在重要仪表上。 但究竟哪块仪表放在哪个精确的位置，以及相对距离是否合适，只有通过实验确定。 因此利用 VR 作为工具设计出相应具有立体感、 逼真性高的排列组合方案，再逐个进行试验，使被试处于其中，仿佛置身于真实的载人航天器座舱仪表板面前，就能达到理想客观的实验效果。 ，具有高度的灵活性。 因为它仅需通过修改软件中视景图像有关 参数的设置，就可模拟现实世界中物理参数的改变，这样，随着任务的变化，已有的软件再经修改即可满足新任务的要求，所以十分灵活、方便。 现有航天仿真的计算机系统体现不了空间失重环境， 而建立虚拟现实系统，通过虚拟的景象和声响就可以使被试处于太空飞行中实际的载人航天器座舱苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 13 页 共 31 页 中，据此展开的相应试验研究具有实际意义。 改用真实的航天器进行相应的试验研究是不可能实现的， 因为耗资巨大，经费条件不允许。 而采用虚拟现实技术，由于其研制周期较短，设计修改和改型仅通过软件修改实现，可重复使用，设 备损耗低，这样可大大节省经费投入。 . 系统构成 一般而言，虚拟现实系统具有两大特点：可以从数据空间向外观察和被试可以沉浸到数据空间中。 它是通过对研究对象的模型进行计算机仿真，由计算机结果去控制虚拟世界，并显示给被试，最终实现它们之间的交互作用。 这样，将被试投入到虚拟环境中来真实地注视数据以进行交换，与现有的航天仿真方法相比有质的提高。 基于上述过程，一个完整的虚拟现实航天仿真系统由下面三部分构成。 、硬件环境是 VR 系统的核心部件。 它的主要功能是接收被试相关的运动信息（如头部、眼、手等），分路 / 分时生成左、右眼视图，并融合成三维立体图像，同时进行三维声音合成和发出触觉、压力等反馈信号。 、 听觉和触觉等方式与虚拟环境实现信息的交互作用。 主要包括头盔显示器、操纵杆和数据手套等，它们是被试与虚拟环境建立联系的关键。 、 输入输出设备以及被试等有机连接成一体，这不仅包括硬件协配问题，也包括软 、硬件联调以及人机界面等技术内容。 . 应用趋势 纵观国外主要航天大国的研究，归纳起来，虚拟现实技术在航天仿真研究中应用的发展趋势是： ， 使其建立失重环境下空间方位感。 其次，通过构造航天器虚拟座舱模型，训练航天员熟悉舱内布局、界面和位置关系，演练飞行程序和操作技能等。 还有，在航天器某些关键设备在轨运行期间发生故障时，为使航天员能正确进行在轨修理，可以通过虚拟现实技术，在地面或空间站对其进行修理培训。 例如， 1993 年，美国约翰逊航天中心启用了一套虚拟现实系 统来训练航天员熟悉太空环境，为修复哈勃望远镜作准备。 航天员通过操作虚拟设备，大大提高了操作水平。 ，利用 VR 系统可以更好地研究人与航天器之间的接口关系与功能分配，使舱内结构和布局更适合人的特性。 此外，还可进行操作飞行程序和人机功能分配等合理性评价。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 14 页 共 31 页 项关键技术。 其控制方式分为自动和人工控制两种，根据国外经验，人工控制在交会对接的最终逼近与对接过程中发挥非常重要的作用。 目前现有的人工控制交会对接仿真 系统是由计算机系统（包括数学模型）、运动模拟器、座舱（包括控制操作台）、视景系统、操作负载系统等五部分组成，其设备复杂、投资巨大。 若采用虚拟现实技术，整个系统由计算机仿真、头盔显示器和数据手套三部分组成。 即将交会对接动力学模型存入计算机系统，通过计算机仿真，实时地解出这两个航天器间的相对距离和姿态角参量，通过计算机生成图像，在头盔显示器里实时地显示两个航天器虚拟环境，此时航天员就像真正处在飞行空间进行交会对接操作一样。 因而，这样建立的系统设备简单、投资少。 另外，若需考虑空间环境因素（如失重、加速度等），可以 把虚拟交会对接仿真器安置在离心机上或模拟失重的水池里，直接在航天员身上产生失重或加速度效应。 这种具有空间环境效应的虚拟仿真器是现有仿真系统所没有的。 因为采用通常技术的仿真器设备多、重量和体积大，一般是不可能实现空间环境效应的。 ，可利用 VR 技术进行原理设计、逻辑验证及模型的仿真。 设计者通过与设计的虚拟交互，不仅可及时观察到所设计部件的整体结构与外形，而且还能够及时改进设计中的原理或功能性缺陷，从而提高设计与研制效率。 利用人工智能技术使计算机通过编程模仿人的思维过程，将与研究对象相关的专家知识纳入知识库，并根据这些知识进行推理，因而能解释用户的请求，确定必要的输入数据，修正或选择一个合适的模型进行实验，这样具有更强的仿真能力。 ， 让被试可以打开舱门、用手操纵开关等。 而且还带有声音识别合成功能，能发出相应动作的声音，这样能使被试更加沉浸于虚拟世界中，提高仿真试验效果。 第 在教育教学中的应用 随着计算机、信息、网络等相关技术的发展，计算机作为一种高效能的信息传播工具，在教 育教学过程中得到越来越广泛的应用，如果将虚拟现实技术作为一种新兴的教学媒体应用到教育教学中，这种崭新的技术会带给我们崭新的教育思维，解决我们以前无法解决的问题。 . 现实意义 (1).虚拟现实技术提供了崭新的教学手段 —— 构建实物虚化、虚物实化的方法 通过虚拟现实、多媒体、网络等技术的综合应用，可在课堂和实验室中展现在传统的教学模式中无法实现的教学过程。 虚拟现实技术可以对学生学习过程中所提出的各种假设苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 15 页 共 31 页 模型进行虚拟和虚物实化，通过虚拟系统便可直观地观察到这一假设所产生的结果或效果。 虚拟现实系统可以进行实物虚化，虚拟 各种人物，创建虚拟课堂，在虚拟的课堂气氛中，学生可以与虚拟的教师、学生一起交流讨论，开展启发式教学。 运用虚拟现实技术，还可以使学生通过在虚拟场景的身临其境和自主控制的人机交互，由视、听、触、觉获取外界的反应，通过学生自我组织，制定并执行学习计划，进行自我评价，开展适应式学习。 还可通过小组或团队的形式，组织学生进行学习，成员间共享成果，开展协作式教学。 (2).虚拟现实技术变革了传统学习方式 —— 营造开放性的网上探索学习 运用虚拟现实技术，突破传统教科书的限制，使每一位学习者都可以根据自己的学习特点，在自己方便 的时间从互联网上自由地选择适合的学习资源，按照适合于自己的方式和速度进行学习，这种探索性的学习，有利于激发学生的创造性思维，使学习者在具体情境中通过主动的探索获得知识，从而提高学习者的动力。 (3).虚拟现实技术丰富了课堂教学内容 —— 展示全方位、多角度的教学内容 利用虚拟现实技术，可丰富教学内容，将实验、实训等技能训练搬到课堂中进行，由于这些虚拟的训练系统无任何危险，学生可以反复练习，直至掌握操作技能为止。 应用虚拟现实技术，还可恰如其分地演示一些复杂的、抽象的、不宜直接观察的自然过程和现象，全方位、多角度地 展示教学内容。 利用计算机多媒体技术，制作各种仿真课件，创设所需要的某种虚拟情景，让学生进行模拟实验，从而极大丰富课堂的教学内容。 (4).虚拟现实技术节约了有限的教育成本 —— 开展虚拟实验、进行虚拟生产 虚拟各种实验设备、实训环境和操作过程，使大多数课程可以在虚拟实验室中进行，大多数的技能可以在虚拟实训车间中进行训练，从而不必购置昂贵的实验实训设备。 可以在节约大量昂贵的仪器设备费用的前提下，解决在教学中，因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因而无法进行的教学实验，虚拟训练又可避免实验实训设备的损坏、训练 材料的消耗等问题，从而有效节约教育成本。 . 存在的问题及。