【正文】 虛擬現(xiàn)實技術(shù)正在迅猛的發(fā)展,它是全球信息化的重要特征,并正在不斷的改變著我們的生活和工作及學(xué)習(xí)。并發(fā)仿真的核心部分是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng), 它既是仿真建模、驗?zāi)！嶒?、?yōu)化、分析與處理的信息源泉, 又是仿真各部分協(xié)調(diào)配合的連接點。 鑒于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是由多臺處理機(異構(gòu)或同構(gòu)) 連接而成的分布仿真系統(tǒng), 將可以支持多個子仿真任務(wù)協(xié)調(diào)統(tǒng)一執(zhí)行。增強的可視化系統(tǒng)通常采用空間球、飛行鼠標等進行導(dǎo)航，并采用帶有光閘眼鏡的立體監(jiān)視器來增強產(chǎn)品的真實感。然而，目前市場上的硬件尚難以滿足這樣的需要。富士通實驗室有限公司通過研究虛擬生物與VR環(huán)境的作用、VR中的手勢識別，開發(fā)了一套神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)姿勢識別系統(tǒng)４．２國內(nèi)虛擬設(shè)計技術(shù)的研究現(xiàn)狀北京航空航天大學(xué)計算機系是國內(nèi)最早進行VR研究、最有權(quán)威的單位之一，他們首先進行了一些基礎(chǔ)知識方面的研究，并著重研究了虛擬環(huán)境中物理特性的表示與處理；在虛擬現(xiàn)實中的視覺接口方面開發(fā)了部分硬件，并提出了有關(guān)算法及實現(xiàn)方法；實現(xiàn)了分布式虛擬環(huán)境網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，建立了網(wǎng)上虛擬現(xiàn)實研究論壇，可以提供實時三維動態(tài)數(shù)據(jù)庫，提供用于飛行訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，提供開發(fā)虛擬現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)平臺，并將要實現(xiàn)與有關(guān)單位的遠程連接。在歐洲，其它一些較發(fā)達的國家如：荷蘭、德國、瑞典等也積極進行了VR的研究與應(yīng)用。1989年，美國Jarn Lanier正式提出“Virtual Reality（虛擬現(xiàn)實）”一詞。該專利也蘊涵了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的思想。降低設(shè)計成本，提高產(chǎn)品競爭力在商品競爭日益激烈的今天，對于任何一個制造商而言，組合機床與自動化加工技術(shù)低產(chǎn)品成本無疑是應(yīng)該首先考慮的問題之一。例如，生產(chǎn)線上各個環(huán)節(jié)的動作協(xié)調(diào)和配合是比較復(fù)雜的，采用仿真技術(shù)，可以直觀地進行配置和設(shè)計，保證工作的協(xié)調(diào)。教室里沒有黑板和講臺，每個座位的前方都有特殊的頭盔和操縱桿。那么，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是怎樣起源的呢?它起源于遠程操作，即在人無法到達或有危險的環(huán)境中使用機器人，而人則在與其類似的虛擬環(huán)境中控制機器人進行操作。手的動作啟動數(shù)據(jù)手套的傳感器，傳感器將手的動作數(shù)據(jù)傳給計算機，計算機根據(jù)一定的算法來指揮虛擬手的運動。例如，在一個虛擬裝配系統(tǒng)中，若在視覺顯示的同時配合三維聲音提示，那么虛擬裝配會容易得多。借助虛擬裝配設(shè)計系統(tǒng)，設(shè)計人員可以在虛擬環(huán)境中使用各種裝配工具對設(shè)計的機構(gòu)進行裝配檢驗。它是設(shè)計過程的重要階段，因為產(chǎn)品成本的60%~70%是由這個階段決定的。動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。從技術(shù)上來看，VR是現(xiàn)代科技的集大成者，它涉及到諸多技術(shù)領(lǐng)域如圖形圖象處理、實時分布系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、立體環(huán)繞音響、跟蹤定位裝置等等。也就是說，在VR系統(tǒng)中，人們的目的是使計算機及其他傳感器組成的信息處理系統(tǒng)去盡量”滿足”人的需要，而不是強迫人去”湊合”那些不很親切的計算機系統(tǒng)。這種試驗真實可靠、效果直觀，但耗費大。另一方面, 某些實際應(yīng)用領(lǐng)域希望從仿真系統(tǒng)中得到在真實世界中無法親身體驗到的感受, 從而能突破物理空間和時間的限制, 避開危及生命和環(huán)境危險而又真切地體會和感受某一過程。通過面向過程的機制，構(gòu)成了可在任何Java開發(fā)環(huán)境中應(yīng)用的仿真支持系統(tǒng)，為用戶提供建模的方便性。第1章 緒論伴隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，人類社會步入了嶄新的世紀。這些仿真系統(tǒng)研究開發(fā)的思想和方法，為進一步和開發(fā)虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)鋪平了道路。即需要仿真系統(tǒng)具有超越現(xiàn)實的虛擬性。如流體力學(xué)等學(xué)科發(fā)展了相似理論，開展了大規(guī)模的模型實驗、風(fēng)洞實驗，推動了流體機械、航空、航天、導(dǎo)彈等飛行器的發(fā)展。 VR的特點及類型理想的VR系統(tǒng)應(yīng)具有如下的幾個特點： (1)多媒體信息感知性：VR系統(tǒng)具有感知視、聽、觸、嗅、味等多種信息的能力； (2)沉浸感(Imersive)：用戶將感覺不到身體所處的外部環(huán)境而”融合”到虛擬世界中去； (3)交互性(Interactive)：用戶可通過三維交互設(shè)備直接控制虛擬世界中的對象； (4)自主性(Autonomy)：VR世界中的物體可按各自的模型和規(guī)則自主運動。在硬件上，實現(xiàn)較理想的VR系統(tǒng)需要有頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套/數(shù)據(jù)服、高性能計算機等。三維數(shù)據(jù)的獲取可以采用CAD技術(shù)(有規(guī)則的環(huán)境)，而更多的環(huán)境則需要采用非接觸式的視覺建模技術(shù)，兩者的有機結(jié)合可以有效地提高數(shù)據(jù)獲取的效率。在概念設(shè)計階段，人們需要研究大量可行的設(shè)計方案，從而確定經(jīng)濟效益最好的設(shè)計。在產(chǎn)品設(shè)計中最常見的也是最難發(fā)現(xiàn)的問題就是裝配和維修方面的問題，這些問題往往當零件進行裝配時，甚至在進行維修時才會反映出來，這樣會造成極大的浪費，甚至?xí){到公司的生存。無疑，用戶在具有視聽配合的虛擬環(huán)境中能獲取更多的信息。計算機對虛擬手和虛擬物體進行碰撞檢測，而后將位置、力量信號反饋給數(shù)據(jù)手套，手套根據(jù)這些信息啟動觸覺執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)對用戶進行各種按摩動作，從而使用戶產(chǎn)生各種觸覺感知。從本質(zhì)上說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)并非一門全新的技術(shù)，它是計算機圖形學(xué)、機器人學(xué)、人機工程學(xué)、機械學(xué)、控制理論和認知科學(xué)的綜合和延伸。孩子們只要帶上頭盔，手握操縱桿，眼前就會出現(xiàn)一幅幅栩栩如生的景象，既生動又形象，這是虛擬教學(xué)。用虛擬現(xiàn)實或三維動畫技術(shù)制作的產(chǎn)品廣告具有逼真的效果，不僅可顯示產(chǎn)品的外形，還可顯示產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、裝配和維修過程、使用方法、工作過程、工作性能等，尤其是利用網(wǎng)絡(luò)進行的產(chǎn)品介紹，生動、直觀，廣告效果很好。在以往的產(chǎn)品設(shè)計中，光是實物模型和樣機的制作就花去了很多人力物力財力，還有對產(chǎn)品的實驗更是費時費力。1965年計算機圖形學(xué)的奠基者Ivan Sutherlan發(fā)表“了終極顯示（”The Ultimate Display）的論文,提出了感覺真實、交互真實的人機協(xié)作新理論。1992年Sense8公司開發(fā)了WTK開發(fā)包，為VR技術(shù)提供更高層次上的應(yīng)用。瑞典的DIVE分布式虛擬交互環(huán)境，是一個基于Unix的、不同節(jié)點上的多個進程可以在同一世界中工作的異質(zhì)分布式系統(tǒng)。浙江大學(xué)CADamp。1．由虛擬環(huán)境到CAD的數(shù)據(jù)交換問題由于虛擬設(shè)計系統(tǒng)在圖形輸出和模型操縱方法上與其他計算機輔助應(yīng)用系統(tǒng)如CAD、CAPP(計算機輔助工藝規(guī)劃)等存在很大的不同，從而導(dǎo)致虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信息不能很好地被其它現(xiàn)行的計算機輔助系統(tǒng)共享。基于虛擬現(xiàn)實的CAD系統(tǒng)：利用這樣的設(shè)計系統(tǒng)用戶可以在虛擬現(xiàn)實中進行設(shè)計活動。分布仿真系統(tǒng)將成為我國電力、郵電、鐵路、金融等行業(yè)的通用技術(shù)。智能仿真技術(shù)中主要研究的是如何引入知識表達及處理技術(shù)以擴大仿真模型中知識描述的能力。正如其它新興科學(xué)技術(shù)一樣，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也是許多相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域交叉、集成的產(chǎn)物。虛擬組織主要有1997年7國集團組建的網(wǎng)上虛擬警察組織,以監(jiān)視和偵破英特網(wǎng)上的犯罪活動。并發(fā)仿真技術(shù)的主要目的是將仿真任務(wù)各個階段的“人”和“工序”有機及時地聯(lián)系, 從而將逐步實現(xiàn)的仿真工程變?yōu)椴l(fā)實現(xiàn)的工程, 當前研制的一體化仿真環(huán)境是邁向并發(fā)仿真環(huán)境的重要一步。科學(xué)計算的可視化(VISC) 作為仿真的重要基礎(chǔ)將進一步發(fā)展, 為了適應(yīng)VD 環(huán)境的要求, 高質(zhì)量的跟蹤和控制仿真模型運行方式將有很大發(fā)展。在虛擬環(huán)境中便可利用三維交互設(shè)備(如數(shù)據(jù)手套，三維顯示監(jiān)視器等)在一個”真實”的環(huán)境中對模型進行不同角度的觀察。另外虛擬設(shè)計系統(tǒng)的最主要的特色就是它的直觀性，它應(yīng)使設(shè)計者甚至產(chǎn)品的最終用戶在直觀自然的環(huán)境中對近乎真實的模型進行設(shè)計和評價，這就要求實時處理大量的數(shù)據(jù)并具有一整套性能優(yōu)良的交互設(shè)備。筑波大學(xué)研究一些力反饋顯示方法，開發(fā)了九自由度的觸覺輸入器，虛擬行走原型系統(tǒng)。（4）Division Ltd公司，它的成就是在開發(fā)Vision、ProVision和Supervision系統(tǒng)/模塊化高速圖形引擎中，率先使用了Transputer和i860技術(shù)。1987年，《Scientific American》上發(fā)表了一篇題為《先進的計算機界面（》Interfaces for Advanced Computing）一文；美國《Scientific American》雜志還發(fā)表了一篇報導(dǎo)數(shù)據(jù)手套的文章，這篇文章及其后在各種報刊上發(fā)表的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的文章引起了人們的極大興趣。1962年，Morton Heilig的?！袄珎鞲蟹抡嫫鳌钡陌l(fā)明，有振動、聲的感覺。其中波音公司的777飛機的設(shè)計就是采用了虛擬設(shè)計技術(shù)，開發(fā)周期從通常的8年減少到了5年。產(chǎn)品設(shè)計必須解決運動構(gòu)件工作時的運動協(xié)調(diào)關(guān)系、運動范圍設(shè)計、可能的運動干涉檢查、產(chǎn)品動力學(xué)性能、強度、剛度等。早在1995年，華盛頓的中小學(xué)校就開始了虛擬教學(xué)。３．３虛擬設(shè)計技術(shù)應(yīng)用1998年，美國航空航天局向新聞界公布了火星表面圖像，這些圖像逼真清晰，給人以身臨其境之感，它們是根據(jù)火星探測器發(fā)回的大量數(shù)據(jù)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)合成的。用戶的大腦向手發(fā)出動作的命令，手根據(jù)來自大腦的命令做出不同的手勢動作。實踐證明：聽覺反饋有時比視覺反饋更容易引起用戶的注意，使用戶更快地做出反映。三維表面的草圖創(chuàng)建以后，便可利用先進的”非制控點”法進行修改。概念設(shè)計是設(shè)計的初步階段，它的目的是獲得足夠多的有關(guān)產(chǎn)品式樣和形狀的信息。：(1)動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的核心內(nèi)容。比如醫(yī)生在做腦外科手術(shù)時看到的可能是預(yù)先用CT掃描獲得的圖象與實時超聲波掃描圖象的疊加圖象；或者戰(zhàn)斗機駕駛員看到的是地圖與數(shù)據(jù)的合成圖象等。它表示VR系統(tǒng)使人從過去的只能從計算機系統(tǒng)的外部去觀測計算處理的結(jié)果，發(fā)展到能夠沉浸到計算機系統(tǒng)所創(chuàng)建的系統(tǒng)中；從過去人只能通過鍵盤、鼠標與計算環(huán)境中的數(shù)字化信息發(fā)生交互作用，到能夠利用多種傳感器與多維化信息的環(huán)境發(fā)生交互作用；從過去的人只能從以定量計算為主的結(jié)果中得到啟發(fā)從而加深對事物的認識，到有可能從定性和定量綜合集成的環(huán)境中得到感性和理性的認識從而深化概念和萌發(fā)新意。用研究對象的實體或?qū)嵨锬Ｐ团湟韵冗M的測量手段和設(shè)備進行實物試驗，獲得必要的結(jié)淪。人們在使用仿真系統(tǒng)時希望在仿真系統(tǒng)中與在真實系統(tǒng)中所得到的感受盡量相同, 需要仿真系統(tǒng)具有身臨其境的逼真感。另一個知名的Java仿真系統(tǒng)是由Thread Tec公司研究開發(fā)的Silk仿真系統(tǒng)，基于當時網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和仿真界”免編程”思想的重新認識，利用Java本身的平臺無關(guān)性提出了一種通用性網(wǎng)上仿真系統(tǒng)。各種