先进制造技术——虚拟现实

虚拟现实(VirtualRealit苏VR)是以计算机技术为核心,结合相关科学技术,生成与一定范围真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字化环境,用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响,可以产生亲临对应真实环境的感受和体验.虚拟现实是人类在探索自然、认识自然过程中创造产生,逐步形成的一种用于认识自然、模拟自然,进而更好地适应和利用自然的科学方法和科学技术.

虚拟现实思想和研究目标的形成

VR概念、思想和研究目标的形成与相关科学技术,特别是计算机科学技术的发展密切相关,

主要经过了 模拟仿真物理现实 计算机仿真科学技术 算机显示和人机交互的角度）这三个阶段。

虚拟现实的科学技术问题类

VR的目的是利用计算机技术及其他相关技术复制、仿真现实世界(假想世界),构造近似现实世界的虚拟世界,用户通过与虚拟世界的交互,体验相对应的现实世界,甚至影响现实世界.这一过程可以形式化地表述为：

设W为现实世界(假想世界)所有状态的集合,将W划分为不交子集的集合T,以使不同的vR建模方法可以模型化对应划分中的现实世界状态;C是计算机状态序列的集合;E是人机交互设备的集合,S(e)为e的状态序列的集合.我们首先定义一个选择操作see,它把W中的状态映射到它所选择的划分:

模拟现实世界（计

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see:W*T.

in,show,do三个函数就是虚拟现实的三大科学技术间题类.in是VR中的建模,可以是一个算法、公理系统,也可以是一个有结构的人工计算机输入过程;show是vR对象的表现,可以是一个算法、数据变换,也可以是有结构的数据输出流;do是人或外部世界对虚拟环境的控制,是有结构的数据输入流,与交互设备密切相关.

没看懂吧，没关系，我们从下面来慢慢解释这些函数。

虚拟现实系统的分类

VR的研究对象、研究目标和应用需求都决定了这是一个学科综合交叉、应用领域广泛、系统种类繁多的科学技术领域.VR系统从不同的角度出发可以有不同的分类.

从系统功能角度的分类

从系统的功能和作用,实际上也就是从应用的角度来看,VR系统可分为训练演练、规划设计和展示娱乐等几类。

从沉浸式体验角度的分类

从沉浸式体验角度,VR系统有非交互式体验、人一虚拟环境交互式体验和群体-虚拟环境交互式体验等几类.

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这种角度强调用户与虚拟环境的交互.

在人一虚拟环境交互式体验系统中,用户可以通过交互设备(如数据手套、数字兵器、数字手术刀等)与虚拟环境进行交互,虚拟环境中的景物对交互行为做出实时响应,使用户能感受到虚拟环境的变化,从而产生对相应现实世界的体验,如飞行模拟器、单兵训练环境等;群体-虚拟环境交互式体验系统是人一虚拟环境交互式体验系统的多机化、网络化.多个或群体用户可以共享一个虚拟环境,同时与包括用户化身在内的虚拟环境进行交互,感受到和虚拟环境及其他用户相互作用的体验,如军事仿真演练、网上交互游戏等.

虚拟现实系统中的数据流

VR系统是一种拥有多种类型数据的复杂信息系统,可以由运行期间不同类型数据流动的方式和走向来描述.按照这种观点,VR系统就是一个在n个阶段,有二种数据根据一定规则,与有关环境相互作用,不断进行转换、积累、流动的信息系统.

VR系统中的数据根据其来源和所起的作用可分为4类:平台数据(platform data,记为PD),这类数据包括支撑具体虚拟现实系统运行的计算机系统、网络系统、公共平台所生成的元数据,也包括具体VR系统通用部分生成的管理数据:模型数据(modeldata,记为MD),VR系统中的主体数据,是现实世界事物在数字空间中的映像;感知数据(sensedata,记为SD),或称渲染数据,作用于各种输出设备使用户产生视、听、力等感觉;控制数据(eontroldata,记为CD),指用户通过输入设备所生成的数据,用于对虚拟环境进行控制和影响.四类数据及对应的生成器,如表1所示.

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几种vR系统中的数据流.

图1给出了场景漫游VR系统的数据流.虚拟场景由开发人员通过视频、图像、光谱、扫描仪等数据采集设备和建模软件建立,漫游时可通过鼠标、操纵杆等输入控制数据来调度场景的模型数据,从而选择漫游的视点.

图2是单兵VR训练系统的数据流.用户通过数字化武器产生控制数据，与VR场景对象发生作用，结合系统规则形成的平台数据生成新的模型数据，再 经过渲染算法生成新的感知数据.多人对抗演练VR系统可以在单兵VR训练系统基础上开发建立，并在DIS, RTI等分布式VR系统运行支撑环境支持下运行.

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虚拟现实中的建模方法

要在数字空间中模拟现实世界中的对象和状态,就需要将现实世界中的对象、对象之间的关系、对象之间相互作用及发展变化所遵循的规律映射为数字空间中的各种数据表示,这一过程称为建模,也就是上面说的VRS元组中的函数in.下面介绍主要建模方法及发展方向.

建模首先涉及模型数据.由于现实世界的对象、状态千变万化,因此模型数据也种类繁多.但从数据来源说,模型数据则主要有实际测量、数学生成和人工构造三大类.

实际测量:通过二维或三维扫描仪、摄像机、运动捕获设备、数据衣、数据手套、以及各类专业数据采集设备(如CT、B超、核磁共振、卫星遥感等)或人工测量所获得的数据.数学生成:通过实验分析、物理仿真、归纳抽象等形成数学模型,如物理公式、模拟算法、公理系统等.数学模型的计算可以生成模型数据,例如根据物体运动方程获得物体的位置数据.

人工构造:人工或人工借助建模软件(如CRE-ator,3Dstudio,AutoCAD)通过假设、想象生成模型数据,如物体的3D模型、动漫、影视制作等.

实际建模过程中,通常根据被模拟的现实世界对象的复杂性以及模型逼真期望程度,采用多种方式相结合形成模型数据.

VR建模方法与所要模拟的对象类有关,也与应用领域密切相关,针对所要模拟对象的不同方面,可将建模方法分为景物外观建模、基于物理的建模、行为建模和虚实融合建模等.景物外观建模针对景物的外观,主要包括基于几何、图像和材质光照信息的建模方法;物理建模在于体现对象的物理特性,使得虚拟环境中的动、静态景物更加逼真,主要涉及物体的动力学、碰撞、变形等物理过程的模拟;目前VR中的行为建模主要指自治实体的建模,涉及人工智能等学科领域,计算机生成兵力CGF(oomputergener-atedforces)是行为建模在VR中的一个典型应用;虚 实融合建模是一类重要的建模方法,可以使计算机生成的虚拟景物与现实世界的真实环境自然地融为一体.从而有效地提高VR建模的效率、灵活性和逼真性.虚实融合建模是目前增强现实的主要研究内容.

景物外观建模方法

景物外观模型用干表现虚拟对象的空间结构和外观,包括点云模型、网格模

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