【文章內(nèi)容簡介】 (3) 工作場所的人機界面技術與隨時隨地計算 : 這是針對辦公自動化、車間自動化、銀行自動化、公共交通和其他公用設施自動化的人機界面設計 . 要求特別易學易用 , 不出差錯 . 而且 , 因特網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)以及計算機支持人協(xié)同工作 (CSCW ) 的發(fā)展 , 已經(jīng)結(jié)束了僅是單人、單機交互的時期 , 需要協(xié)調(diào)計算機組支持組成員活動 . 目前工作場所很廣 , 汽車上、火車上都有人在用計算機。 蘇州大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 11 頁 共 31 頁 第 3章 虛擬現(xiàn)實交互技術的應用 第 應用領域 虛擬現(xiàn)實技術的應用極為廣泛， Helsel 與 Doherty 在 1993 年對全世界范圍內(nèi)已經(jīng)進行的 805 項虛擬現(xiàn)實研究項目作了統(tǒng)計，結(jié)果表明：目前在娛樂、教育及 藝術 方面的應用占據(jù)主流，其次是軍事與航空，醫(yī)學，商業(yè)，另外在可視化計算、制造業(yè)等方面也有相當?shù)谋戎?。下面簡要介紹其部分應用。 （ 1）醫(yī)學 虛擬現(xiàn)實技術應用大致上有兩類。一是虛擬人體，也就是數(shù)字化人體，這樣的人體模型醫(yī)生更容易了解人體的構(gòu)造和功能。另一是虛擬手術系統(tǒng)，可用于指導手術的進行。 Pieper及 Satara等研究 者在 90年代初基于兩個 SGI工作站建立了一個虛擬外科手術訓練器，用于腿部及腹部外科手術模擬。這個虛擬的環(huán)境包括虛擬的手術臺與手術燈，虛擬的外科工具（如手術刀、注射器、手術鉗等），虛擬的人體模型與器官等。借助于 HMD及感覺手套，使用者可以對虛擬的人體模型進行手術。但該系統(tǒng)有待進一步改進，如需提高環(huán)境的真實感，增加 網(wǎng)絡 功能，使其能同時培訓多個使用者，或可在外地專家的指導下工作等。 （ 2）娛樂、 藝術 與 教育 豐富的感覺能力與 3D 顯示環(huán)境使得虛擬現(xiàn)實技術成為理想的視頻游戲工具。由于在娛樂方面對虛擬現(xiàn)實的真實感要求不是太高，故近些年來虛擬現(xiàn)實技術在該方面 發(fā)展 最為迅猛。如 Chicago（芝加哥）開放了世界上第一臺大型可供多人使用的虛擬現(xiàn)實娛樂系統(tǒng)，其主題是關于 3025 年的一 場未來戰(zhàn)爭；英國開發(fā)的稱為“ Vitality” 的虛擬現(xiàn)實游戲系統(tǒng)，配有 HMD，大大增強了真實感； 1992 年的一臺稱為“ Legal Quest” 的系統(tǒng)由于增加了人工智能功能，使 計算 機具備了自學習功能，大大增強了趣味性及難度，使該系統(tǒng)獲該年度虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品獎； （ 3）軍事與航天 工業(yè) 模擬與練一直是軍事與航天工業(yè)中的一個重要課題，這為虛擬現(xiàn)實技 術提供了廣闊的應用前景。美國國防部高級研究計劃局 DARPA 自 80 年代起一直致力于研究稱為 SIMNET 的虛擬戰(zhàn)場系統(tǒng)，以提供坦克協(xié)同訓 1 練，該系統(tǒng)可聯(lián)結(jié) 200 多臺模擬器。利用虛擬現(xiàn)實技術模擬戰(zhàn)爭過程已成為最先進的多快好省的研究戰(zhàn)爭、培訓指揮員的方法。戰(zhàn)爭實驗室在檢驗預定方案用于實戰(zhàn)方面也能起巨大作用。 1991 年海灣戰(zhàn)爭開始前，美軍便把海灣地區(qū)各種 自然 環(huán)境和伊拉克軍隊的各種數(shù)據(jù)輸入計算機內(nèi)，進行各種作戰(zhàn)方案模擬后才定下初步作 戰(zhàn)方案。后來實際作戰(zhàn)的發(fā)展和模擬實驗結(jié)果相當一致。 蘇州大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 12 頁 共 31 頁 （ 5）商業(yè) 虛擬現(xiàn)實技術常被用于推銷。例如建筑工程投標時，把設計的方案用虛擬現(xiàn)實技術表現(xiàn)出來，便可把業(yè)主帶入未來的建筑物里參觀，如門的高度、窗戶朝向、采光多少、屋內(nèi)裝飾等，都可以感同身受。它同樣可用于 旅游 景點以及功能眾多、用途多樣的商品推銷。因為用虛擬現(xiàn)實技術展現(xiàn)這類商品的魅力，比單用文字或圖片宣傳更加有吸引力。 （ 6）科技開發(fā) 虛擬現(xiàn)實技術可縮短開發(fā)周期，減少費用 。例如克萊斯勒公司 1998年初便利用虛擬現(xiàn)實技術，在設計某兩種新型車上取得突破，首次使設計的新車直接從計算機屏幕投入生產(chǎn)線，也就是說完全省略了中間的試生產(chǎn)。 由于利用了卓越的虛擬現(xiàn)實技術，使克萊斯勒避免了 1500 項設計差錯，節(jié)約了 8 個月的開發(fā)時間和 8000 萬美元費用。利用虛擬現(xiàn)實技術還可以進行汽車沖撞試驗，不必使用真的汽車便可顯示出不同條件下的沖撞后果。 在虛擬現(xiàn)實技術已經(jīng)和理論分析、 科學 實驗一起，成為人類探索客觀世 界 規(guī)律 的三大手段。用它來設計新材料，可以預先了解改變成分對材料性能的影響。在材料還沒有制造出來之前便知道用這種材料制造出來的零件在不同受力情況下是如何損壞的。 以上僅列出虛擬現(xiàn)實技術的部分應用前景，可以預見，在不久的將來，虛擬現(xiàn)實技術將會影響甚至改變我們的觀念與習慣，并將深入到人們的日常工作與生活。 第 在航天 仿真研究中應用的探討 . 意義及研究現(xiàn)狀 具體表現(xiàn)在如下幾個方面： 機界面具有三維立體感，人融于系統(tǒng)，人機渾然一體。 以座艙 儀表布局為例，原則上應把最重要且經(jīng)常查看的儀表放在儀表板中心區(qū)域，次重要的儀表放在中心區(qū)域以外的地方。這樣能減少航天員的眼動次數(shù)，降低負荷，同時也讓其注意力落在重要儀表上。但究竟哪塊儀表放在哪個精確的位置，以及相對距離是否合適，只有通過實驗確定。因此利用 VR 作為工具設計出相應具有立體感、 逼真性高的排列組合方案，再逐個進行試驗，使被試處于其中，仿佛置身于真實的載人航天器座艙儀表板面前，就能達到理想客觀的實驗效果。 ，具有高度的靈活性。 因為它僅需通過修改軟件中視景圖像有關 參數(shù)的設置，就可模擬現(xiàn)實世界中物理參數(shù)的改變，這樣，隨著任務的變化，已有的軟件再經(jīng)修改即可滿足新任務的要求，所以十分靈活、方便。 ?，F(xiàn)有航天仿真的計算機系統(tǒng)體現(xiàn)不了空間失重環(huán)境， 而建立虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，通過虛擬的景象和聲響就可以使被試處于太空飛行中實際的載人航天器座艙蘇州大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 13 頁 共 31 頁 中，據(jù)此展開的相應試驗研究具有實際意義。 。改用真實的航天器進行相應的試驗研究是不可能實現(xiàn)的， 因為耗資巨大，經(jīng)費條件不允許。而采用虛擬現(xiàn)實技術，由于其研制周期較短，設計修改和改型僅通過軟件修改實現(xiàn)，可重復使用，設 備損耗低，這樣可大大節(jié)省經(jīng)費投入。 . 系統(tǒng)構(gòu)成 一般而言，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)具有兩大特點：可以從數(shù)據(jù)空間向外觀察和被試可以沉浸到數(shù)據(jù)空間中。它是通過對研究對象的模型進行計算機仿真，由計算機結(jié)果去控制虛擬世界，并顯示給被試，最終實現(xiàn)它們之間的交互作用。這樣，將被試投入到虛擬環(huán)境中來真實地注視數(shù)據(jù)以進行交換，與現(xiàn)有的航天仿真方法相比有質(zhì)的提高。 基于上述過程，一個完整的虛擬現(xiàn)實航天仿真系統(tǒng)由下面三部分構(gòu)成。 、硬件環(huán)境是 VR 系統(tǒng)的核心部件。它的主要功能是接收被試相關的運動信息（如頭部、眼、手等），分路 / 分時生成左、右眼視圖，并融合成三維立體圖像，同時進行三維聲音合成和發(fā)出觸覺、壓力等反饋信號。 、 聽覺和觸覺等方式與虛擬環(huán)境實現(xiàn)信息的交互作用。主要包括頭盔顯示器、操縱桿和數(shù)據(jù)手套等，它們是被試與虛擬環(huán)境建立聯(lián)系的關鍵。 、 輸入輸出設備以及被試等有機連接成一體，這不僅包括硬件協(xié)配問題，也包括軟 、硬件聯(lián)調(diào)以及人機界面等技術內(nèi)容。 . 應用趨勢 縱觀國外主要航天大國的研究，歸納起來，虛擬現(xiàn)實技術在航天仿真研究中應用的發(fā)展趨勢是： ， 使其建立失重環(huán)境下空間方位感。其次，通過構(gòu)造航天器虛擬座艙模型，訓練航天員熟悉艙內(nèi)布局、界面和位置關系，演練飛行程序和操作技能等。還有，在航天器某些關鍵設備在軌運行期間發(fā)生故障時，為使航天員能正確進行在軌修理，可以通過虛擬現(xiàn)實技術，在地面或空間站對其進行修理培訓。例如， 1993 年，美國約翰遜航天中心啟用了一套虛擬現(xiàn)實系 統(tǒng)來訓練航天員熟悉太空環(huán)境，為修復哈勃望遠鏡作準備。航天員通過操作虛擬設備，大大提高了操作水平。 ，利用 VR 系統(tǒng)可以更好地研究人與航天器之間的接口關系與功能分配，使艙內(nèi)結(jié)構(gòu)和布局更適合人的特性。此外，還可進行操作飛行程序和人機功能分配等合理性評價。 蘇州大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 14 頁 共 31 頁 項關鍵技術。其控制方式分為自動和人工控制兩種，根據(jù)國外經(jīng)驗，人工控制在交會對接的最終逼近與對接過程中發(fā)揮非常重要的作用。目前現(xiàn)有的人工控制交會對接仿真 系統(tǒng)是由計算機系統(tǒng)（包括數(shù)學模型）、運動模擬器、座艙（包括控制操作臺）、視景系統(tǒng)、操作負載系統(tǒng)等五部分組成，其設備復雜、投資巨大。若采用虛擬現(xiàn)實技術，整個系統(tǒng)由計算機仿真、頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套三部分組成。即將交會對接動力學模型存入計算機系統(tǒng)，通過計算機仿真，實時地解出這兩個航天器間的相對距離和姿態(tài)角參量，通過計算機生成圖像，在頭盔顯示器里實時地顯示兩個航天器虛擬環(huán)境，此時航天員就像真正處在飛行空間進行交會對接操作一樣。因而，這樣建立的系統(tǒng)設備簡單、投資少。另外，若需考慮空間環(huán)境因素（如失重、加速度等），可以 把虛擬交會對接仿真器安置在離心機上或模擬失重的水池里，直接在航天員身上產(chǎn)生失重或加速度效應。這種具有空間環(huán)境效應的虛擬仿真器是現(xiàn)有仿真系統(tǒng)所沒有的。因為采用通常技術的仿真器設備多、重量和體積大，一般是不可能實現(xiàn)空間環(huán)境效應的。 ，可利用 VR 技術進行原理設計、邏輯驗證及模型的仿真。設計者通過與設計的虛擬交互，不僅可及時觀察到所設計部件的整體結(jié)構(gòu)與外形，而且還能夠及時改進設計中的原理或功能性缺陷，從而提高設計與研制效率。 利用人工智能技術使計算機通過編程模仿人的思維過程，將與研究對象相關的專家知識納入知識庫，并根據(jù)這些知識進行推理，因而能解釋用戶的請求，確定必要的輸入數(shù)據(jù)，修正或選擇一個合適的模型進行實驗，這樣具有更強的仿真能力。 ， 讓被試可以打開艙門、用手操縱開關等。而且還帶有聲音識別合成功能，能發(fā)出相應動作的聲音，這樣能使被試更加沉浸于虛擬世界中，提高仿真試驗效果。 第 在教育教學中的應用 隨著計算機、信息、網(wǎng)絡等相關技術的發(fā)展，計算機作為一種高效能的信息傳播工具，在教 育教學過程中得到越來越廣泛的應用，如果將虛擬現(xiàn)實技術作為一種新興的教學媒體應用到教育教學中，這種嶄新的技術會帶給我們嶄新的教育思維，解決我們以前無法解決的問題。 . 現(xiàn)實意義 (1).虛擬現(xiàn)實技術提供了嶄新的教學手段 —— 構(gòu)建實物虛化、虛物實化的方法 通過虛擬現(xiàn)實、多媒體、網(wǎng)絡等技術的綜合應用，可在課堂和實驗室中展現(xiàn)在傳統(tǒng)的教學模式中無法實現(xiàn)的教學過程。虛擬現(xiàn)實技術可以對學生學習過程中所提出的各種假設蘇州大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 15 頁 共 31 頁 模型進行虛擬和虛物實化，通過虛擬系統(tǒng)便可直觀地觀察到這一假設所產(chǎn)生的結(jié)果或效果。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以進行實物虛化，虛擬 各種人物，創(chuàng)建虛擬課堂，在虛擬的課堂氣氛中，學生可以與虛擬的教師、學生一起交流討論，開展啟發(fā)式教學。運用虛擬現(xiàn)實技術，還可以使學生通過在虛擬場景的身臨其境和自主控制的人機交互，由視、聽、觸、覺獲取外界的反應，通過學生自我組織，制定并執(zhí)行學習計劃，進行自我評價，開展適應式學習。還可通過小組或團隊的形式，組織學生進行學習，成員間共享成果，開展協(xié)作式教學。 (2).虛擬現(xiàn)實技術變革了傳統(tǒng)學習方式 —— 營造開放性的網(wǎng)上探索學習 運用虛擬現(xiàn)實技術，突破傳統(tǒng)教科書的限制，使每一位學習者都可以根據(jù)自己的學習特點，在自己方便 的時間從互聯(lián)網(wǎng)上自由地選擇適合的學習資源，按照適合于自己的方式和速度進行學習，這種探索性的學習，有利于激發(fā)學生的創(chuàng)造性思維，使學習者在具體情境中通過主動的探索獲得知識，從而提高學習者的動力。 (3).虛擬現(xiàn)實技術豐富了課堂教學內(nèi)容 —— 展示全方位、多角度的教學內(nèi)容 利用虛擬現(xiàn)實技術，可豐富教學內(nèi)容，將實驗、實訓等技能訓練搬到課堂中進行，由于這些虛擬的訓練系統(tǒng)無任何危險，學生可以反復練習，直至掌握操作技能為止。應用虛擬現(xiàn)實技術，還可恰如其分地演示一些復雜的、抽象的、不宜直接觀察的自然過程和現(xiàn)象，全方位、多角度地 展示教學內(nèi)容。利用計算機多媒體技術，制作各種仿真課件，創(chuàng)設所需要的某種虛擬情景，讓學生進行模擬實驗，從而極大豐富課堂的教學內(nèi)容。 (4).虛擬現(xiàn)實技術節(jié)約了有限的教育成本 —— 開展虛擬實驗、進行虛擬生產(chǎn) 虛擬各種實驗設備、實訓環(huán)境和操作過程，使大多數(shù)課程可以在虛擬實驗室中進行，大多數(shù)的技能可以在虛擬實訓車間中進行訓練，從而不必購置昂貴的實驗實訓設備?？梢栽诠?jié)約大量昂貴的儀器設備費用的前提下，解決在教學中，因為實驗設備、實驗場地、教學經(jīng)費等方面的原因而無法進行的教學實驗，虛擬訓練又可避免實驗實訓設備的損壞、訓練 材料的消耗等問題，從而有效節(jié)約教育成本。 . 存在的問題及