【正文】 虛擬現(xiàn)實(shí)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(yàn)?zāi)?、?shí)驗(yàn)、優(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(diǎn)。 鑒于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是由多臺(tái)處理機(jī)(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(gè)子仿真任務(wù)協(xié)調(diào)統(tǒng)一執(zhí)行。增強(qiáng)的可視化系統(tǒng)通常采用空間球、飛行鼠標(biāo)等進(jìn)行導(dǎo)航，并采用帶有光閘眼鏡的立體監(jiān)視器來增強(qiáng)產(chǎn)品的真實(shí)感。然而，目前市場(chǎng)上的硬件尚難以滿足這樣的需要。富士通實(shí)驗(yàn)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(shì)識(shí)別，開發(fā)了一套神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)姿勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)４．２國內(nèi)虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的研究現(xiàn)狀北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)系是國內(nèi)最早進(jìn)行VR研究、最有權(quán)威的單位之一，他們首先進(jìn)行了一些基礎(chǔ)知識(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)方法；實(shí)現(xiàn)了分布式虛擬環(huán)境網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，建立了網(wǎng)上虛擬現(xiàn)實(shí)研究論壇，可以提供實(shí)時(shí)三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫，提供用于飛行訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，提供開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)，并將要實(shí)現(xiàn)與有關(guān)單位的遠(yuǎn)程連接。在歐洲，其它一些較發(fā)達(dá)的國家如：荷蘭、德國、瑞典等也積極進(jìn)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(shí)）”一詞。該專利也蘊(yùn)涵了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的思想。降低設(shè)計(jì)成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力在商品競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的今天，對(duì)于任何一個(gè)制造商而言，組合機(jī)床與自動(dòng)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(gè)環(huán)節(jié)的動(dòng)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(jìn)行配置和設(shè)計(jì)，保證工作的協(xié)調(diào)。教室里沒有黑板和講臺(tái)，每個(gè)座位的前方都有特殊的頭盔和操縱桿。那么，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是怎樣起源的呢?它起源于遠(yuǎn)程操作，即在人無法到達(dá)或有危險(xiǎn)的環(huán)境中使用機(jī)器人，而人則在與其類似的虛擬環(huán)境中控制機(jī)器人進(jìn)行操作。手的動(dòng)作啟動(dòng)數(shù)據(jù)手套的傳感器，傳感器將手的動(dòng)作數(shù)據(jù)傳給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)一定的算法來指揮虛擬手的運(yùn)動(dòng)。例如，在一個(gè)虛擬裝配系統(tǒng)中，若在視覺顯示的同時(shí)配合三維聲音提示，那么虛擬裝配會(huì)容易得多。借助虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可以在虛擬環(huán)境中使用各種裝配工具對(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝配檢驗(yàn)。它是設(shè)計(jì)過程的重要階段，因?yàn)楫a(chǎn)品成本的60%~70%是由這個(gè)階段決定的。動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實(shí)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(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)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(qiáng)迫人去”湊合”那些不很親切的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這種試驗(yàn)真實(shí)可靠、效果直觀，但耗費(fèi)大。另一方面, 某些實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域希望從仿真系統(tǒng)中得到在真實(shí)世界中無法親身體驗(yàn)到的感受, 從而能突破物理空間和時(shí)間的限制, 避開危及生命和環(huán)境危險(xiǎn)而又真切地體會(huì)和感受某一過程。通過面向過程的機(jī)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(huì)步入了嶄新的世紀(jì)。這些仿真系統(tǒng)研究開發(fā)的思想和方法，為進(jìn)一步和開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，推動(dòng)了流體機(jī)械、航空、航天、導(dǎo)彈等飛行器的發(fā)展。 VR的特點(diǎn)及類型理想的VR系統(tǒng)應(yīng)具有如下的幾個(gè)特點(diǎn)： (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(duì)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(yùn)動(dòng)。在硬件上，實(shí)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(jì)算機(jī)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(jī)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(jì)階段，人們需要研究大量可行的設(shè)計(jì)方案，從而確定經(jīng)濟(jì)效益最好的設(shè)計(jì)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(dāng)零件進(jìn)行裝配時(shí)，甚至在進(jìn)行維修時(shí)才會(huì)反映出來，這樣會(huì)造成極大的浪費(fèi)，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(jì)算機(jī)對(duì)虛擬手和虛擬物體進(jìn)行碰撞檢測(cè)，而后將位置、力量信號(hào)反饋給數(shù)據(jù)手套，手套根據(jù)這些信息啟動(dòng)觸覺執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)用戶進(jìn)行各種按摩動(dòng)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(shí)技術(shù)并非一門全新的技術(shù)，它是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、機(jī)器人學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、機(jī)械學(xué)、控制理論和認(rèn)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(huì)出現(xiàn)一幅幅栩栩如生的景象，既生動(dòng)又形象，這是虛擬教學(xué)。用虛擬現(xiàn)實(shí)或三維動(dòng)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(jìn)行的產(chǎn)品介紹，生動(dòng)、直觀，廣告效果很好。在以往的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，光是實(shí)物模型和樣機(jī)的制作就花去了很多人力物力財(cái)力，還有對(duì)產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)更是費(fèi)時(shí)費(fèi)力。1965年計(jì)算機(jī)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(shí)、交互真實(shí)的人機(jī)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(gè)基于Unix的、不同節(jié)點(diǎn)上的多個(gè)進(jìn)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(jì)系統(tǒng)在圖形輸出和模型操縱方法上與其他計(jì)算機(jī)輔助應(yīng)用系統(tǒng)如CAD、CAPP(計(jì)算機(jī)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(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信息不能很好地被其它現(xiàn)行的計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)共享?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的CAD系統(tǒng)：利用這樣的設(shè)計(jì)系統(tǒng)用戶可以在虛擬現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行設(shè)計(jì)活動(dòng)。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(shí)表達(dá)及處理技術(shù)以擴(kuò)大仿真模型中知識(shí)描述的能力。正如其它新興科學(xué)技術(shù)一樣，虛擬現(xiàn)實(shí)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(tuán)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(dòng)。并發(fā)仿真技術(shù)的主要目的是將仿真任務(wù)各個(gè)階段的“人”和“工序”有機(jī)及時(shí)地聯(lián)系, 從而將逐步實(shí)現(xiàn)的仿真工程變?yōu)椴l(fā)實(shí)現(xiàn)的工程, 當(dāng)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(jì)算的可視化(VISC) 作為仿真的重要基礎(chǔ)將進(jìn)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(yùn)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(gè)”真實(shí)”的環(huán)境中對(duì)模型進(jìn)行不同角度的觀察。另外虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)的最主要的特色就是它的直觀性，它應(yīng)使設(shè)計(jì)者甚至產(chǎn)品的最終用戶在直觀自然的環(huán)境中對(duì)近乎真實(shí)的模型進(jìn)行設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)，這就要求實(shí)時(shí)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(jìn)的計(jì)算機(jī)界面（》Interfaces for Advanced Computing）一文；美國《Scientific American》雜志還發(fā)表了一篇報(bào)導(dǎo)數(shù)據(jù)手套的文章，這篇文章及其后在各種報(bào)刊上發(fā)表的虛擬現(xiàn)實(shí)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(dòng)、聲的感覺。其中波音公司的777飛機(jī)的設(shè)計(jì)就是采用了虛擬設(shè)計(jì)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(jì)必須解決運(yùn)動(dòng)構(gòu)件工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)關(guān)系、運(yùn)動(dòng)范圍設(shè)計(jì)、可能的運(yùn)動(dòng)干涉檢查、產(chǎn)品動(dòng)力學(xué)性能、強(qiáng)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(jì)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(cè)器發(fā)回的大量數(shù)據(jù)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)合成的。用戶的大腦向手發(fā)出動(dòng)作的命令，手根據(jù)來自大腦的命令做出不同的手勢(shì)動(dòng)作。實(shí)踐證明：聽覺反饋有時(shí)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(jìn)的”非制控點(diǎn)”法進(jìn)行修改。概念設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心內(nèi)容。比如醫(yī)生在做腦外科手術(shù)時(shí)看到的可能是預(yù)先用CT掃描獲得的圖象與實(shí)時(shí)超聲波掃描圖象的疊加圖象；或者戰(zhàn)斗機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的外部去觀測(cè)計(jì)算處理的結(jié)果，發(fā)展到能夠沉浸到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所創(chuàng)建的系統(tǒng)中；從過去人只能通過鍵盤、鼠標(biāo)與計(jì)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(jì)算為主的結(jié)果中得到啟發(fā)從而加深對(duì)事物的認(rèn)識(shí)，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(rèn)識(shí)從而深化概念和萌發(fā)新意。用研究對(duì)象的實(shí)體或?qū)嵨锬Ｐ团湟韵冗M(jìn)的測(cè)量手段和設(shè)備進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)，獲得必要的結(jié)淪。人們?cè)谑褂梅抡嫦到y(tǒng)時(shí)希望在仿真系統(tǒng)中與在真實(shí)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(gè)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(dāng)時(shí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和仿真界”免編程”思想的重新認(rèn)識(shí)，利用Java本身的平臺(tái)無關(guān)性提出了一種通用性網(wǎng)上仿真系統(tǒng)。各種