【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 (3) 工作場(chǎng)所的人機(jī)界面技術(shù)與隨時(shí)隨地計(jì)算 : 這是針對(duì)辦公自動(dòng)化、車(chē)間自動(dòng)化、銀行自動(dòng)化、公共交通和其他公用設(shè)施自動(dòng)化的人機(jī)界面設(shè)計(jì) . 要求特別易學(xué)易用 , 不出差錯(cuò) . 而且 , 因特網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)以及計(jì)算機(jī)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(jī)交互的時(shí)期 , 需要協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)組支持組成員活動(dòng) . 目前工作場(chǎng)所很廣 , 汽車(chē)上、火車(chē)上都有人在用計(jì)算機(jī)。 蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁(yè) 共 31 頁(yè) 第 3章 虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)的應(yīng)用 第 應(yīng)用領(lǐng)域 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用極為廣泛， Helsel 與 Doherty 在 1993 年對(duì)全世界范圍內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行的 805 項(xiàng)虛擬現(xiàn)實(shí)研究項(xiàng)目作了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：目前在娛樂(lè)、教育及 藝術(shù) 方面的應(yīng)用占據(jù)主流，其次是軍事與航空，醫(yī)學(xué)，商業(yè)，另外在可視化計(jì)算、制造業(yè)等方面也有相當(dāng)?shù)谋戎亍Ｏ旅婧?jiǎn)要介紹其部分應(yīng)用。 （ 1）醫(yī)學(xué) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)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(shù)系統(tǒng)，可用于指導(dǎo)手術(shù)的進(jìn)行。 Pieper及 Satara等研究 者在 90年代初基于兩個(gè) SGI工作站建立了一個(gè)虛擬外科手術(shù)訓(xùn)練器，用于腿部及腹部外科手術(shù)模擬。這個(gè)虛擬的環(huán)境包括虛擬的手術(shù)臺(tái)與手術(shù)燈，虛擬的外科工具（如手術(shù)刀、注射器、手術(shù)鉗等），虛擬的人體模型與器官等。借助于 HMD及感覺(jué)手套，使用者可以對(duì)虛擬的人體模型進(jìn)行手術(shù)。但該系統(tǒng)有待進(jìn)一步改進(jìn)，如需提高環(huán)境的真實(shí)感，增加 網(wǎng)絡(luò) 功能，使其能同時(shí)培訓(xùn)多個(gè)使用者，或可在外地專家的指導(dǎo)下工作等。 （ 2）娛樂(lè)、 藝術(shù) 與 教育 豐富的感覺(jué)能力與 3D 顯示環(huán)境使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成為理想的視頻游戲工具。由于在娛樂(lè)方面對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的真實(shí)感要求不是太高，故近些年來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在該方面 發(fā)展 最為迅猛。如 Chicago（芝加哥）開(kāi)放了世界上第一臺(tái)大型可供多人使用的虛擬現(xiàn)實(shí)娛樂(lè)系統(tǒng)，其主題是關(guān)于 3025 年的一 場(chǎng)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)；英國(guó)開(kāi)發(fā)的稱為“ Vitality” 的虛擬現(xiàn)實(shí)游戲系統(tǒng)，配有 HMD，大大增強(qiáng)了真實(shí)感； 1992 年的一臺(tái)稱為“ Legal Quest” 的系統(tǒng)由于增加了人工智能功能，使 計(jì)算 機(jī)具備了自學(xué)習(xí)功能，大大增強(qiáng)了趣味性及難度，使該系統(tǒng)獲該年度虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品獎(jiǎng)； （ 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(gè)重要課題，這為虛擬現(xiàn)實(shí)技 術(shù)提供了廣闊的應(yīng)用前景。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局 DARPA 自 80 年代起一直致力于研究稱為 SIMNET 的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)系統(tǒng)，以提供坦克協(xié)同訓(xùn) 1 練，該系統(tǒng)可聯(lián)結(jié) 200 多臺(tái)模擬器。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬戰(zhàn)爭(zhēng)過(guò)程已成為最先進(jìn)的多快好省的研究戰(zhàn)爭(zhēng)、培訓(xùn)指揮員的方法。戰(zhàn)爭(zhēng)實(shí)驗(yàn)室在檢驗(yàn)預(yù)定方案用于實(shí)戰(zhàn)方面也能起巨大作用。 1991 年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)開(kāi)始前，美軍便把海灣地區(qū)各種 自然 環(huán)境和伊拉克軍隊(duì)的各種數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)內(nèi)，進(jìn)行各種作戰(zhàn)方案模擬后才定下初步作 戰(zhàn)方案。后來(lái)實(shí)際作戰(zhàn)的發(fā)展和模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)一致。 蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁(yè) 共 31 頁(yè) （ 5）商業(yè) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)常被用于推銷。例如建筑工程投標(biāo)時(shí)，把設(shè)計(jì)的方案用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)表現(xiàn)出來(lái)，便可把業(yè)主帶入未來(lái)的建筑物里參觀，如門(mén)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(diǎn)以及功能眾多、用途多樣的商品推銷。因?yàn)橛锰摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)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(kāi)發(fā) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可縮短開(kāi)發(fā)周期，減少費(fèi)用 。例如克萊斯勒公司 1998年初便利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在設(shè)計(jì)某兩種新型車(chē)上取得突破，首次使設(shè)計(jì)的新車(chē)直接從計(jì)算機(jī)屏幕投入生產(chǎn)線，也就是說(shuō)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(shí)技術(shù)，使克萊斯勒避免了 1500 項(xiàng)設(shè)計(jì)差錯(cuò)，節(jié)約了 8 個(gè)月的開(kāi)發(fā)時(shí)間和 8000 萬(wàn)美元費(fèi)用。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以進(jìn)行汽車(chē)沖撞試驗(yàn)，不必使用真的汽車(chē)便可顯示出不同條件下的沖撞后果。 在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)和理論分析、 科學(xué) 實(shí)驗(yàn)一起，成為人類探索客觀世 界 規(guī)律 的三大手段。用它來(lái)設(shè)計(jì)新材料，可以預(yù)先了解改變成分對(duì)材料性能的影響。在材料還沒(méi)有制造出來(lái)之前便知道用這種材料制造出來(lái)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(shí)技術(shù)的部分應(yīng)用前景，可以預(yù)見(jiàn)，在不久的將來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會(huì)影響甚至改變我們的觀念與習(xí)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(yīng)用的探討 . 意義及研究現(xiàn)狀 具體表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面： 機(jī)界面具有三維立體感，人融于系統(tǒng)，人機(jī)渾然一體。 以座艙 儀表布局為例，原則上應(yīng)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(dòng)次數(shù)，降低負(fù)荷，同時(shí)也讓其注意力落在重要儀表上。但究竟哪塊儀表放在哪個(gè)精確的位置，以及相對(duì)距離是否合適，只有通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。因此利用 VR 作為工具設(shè)計(jì)出相應(yīng)具有立體感、 逼真性高的排列組合方案，再逐個(gè)進(jìn)行試驗(yàn)，使被試處于其中，仿佛置身于真實(shí)的載人航天器座艙儀表板面前，就能達(dá)到理想客觀的實(shí)驗(yàn)效果。 ，具有高度的靈活性。 因?yàn)樗鼉H需通過(guò)修改軟件中視景圖像有關(guān) 參數(shù)的設(shè)置，就可模擬現(xiàn)實(shí)世界中物理參數(shù)的改變，這樣，隨著任務(wù)的變化，已有的軟件再經(jīng)修改即可滿足新任務(wù)的要求，所以十分靈活、方便。 ?，F(xiàn)有航天仿真的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)體現(xiàn)不了空間失重環(huán)境， 而建立虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，通過(guò)虛擬的景象和聲響就可以使被試處于太空飛行中實(shí)際的載人航天器座艙蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁(yè) 共 31 頁(yè) 中，據(jù)此展開(kāi)的相應(yīng)試驗(yàn)研究具有實(shí)際意義。 。改用真實(shí)的航天器進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究是不可能實(shí)現(xiàn)的， 因?yàn)楹馁Y巨大，經(jīng)費(fèi)條件不允許。而采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，由于其研制周期較短，設(shè)計(jì)修改和改型僅通過(guò)軟件修改實(shí)現(xiàn)，可重復(fù)使用，設(shè) 備損耗低，這樣可大大節(jié)省經(jīng)費(fèi)投入。 . 系統(tǒng)構(gòu)成 一般而言，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有兩大特點(diǎn)：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(guò)對(duì)研究對(duì)象的模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，由計(jì)算機(jī)結(jié)果去控制虛擬世界，并顯示給被試，最終實(shí)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(lái)真實(shí)地注視數(shù)據(jù)以進(jìn)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(guò)程，一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)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(guān)的運(yùn)動(dòng)信息（如頭部、眼、手等），分路 / 分時(shí)生成左、右眼視圖，并融合成三維立體圖像，同時(shí)進(jìn)行三維聲音合成和發(fā)出觸覺(jué)、壓力等反饋信號(hào)。 、 聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等方式與虛擬環(huán)境實(shí)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(guān)鍵。 、 輸入輸出設(shè)備以及被試等有機(jī)連接成一體，這不僅包括硬件協(xié)配問(wèn)題，也包括軟 、硬件聯(lián)調(diào)以及人機(jī)界面等技術(shù)內(nèi)容。 . 應(yīng)用趨勢(shì) 縱觀國(guó)外主要航天大國(guó)的研究，歸納起來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在航天仿真研究中應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)是： ， 使其建立失重環(huán)境下空間方位感。其次，通過(guò)構(gòu)造航天器虛擬座艙模型，訓(xùn)練航天員熟悉艙內(nèi)布局、界面和位置關(guān)系，演練飛行程序和操作技能等。還有，在航天器某些關(guān)鍵設(shè)備在軌運(yùn)行期間發(fā)生故障時(shí)，為使航天員能正確進(jìn)行在軌修理，可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在地面或空間站對(duì)其進(jìn)行修理培訓(xùn)。例如， 1993 年，美國(guó)約翰遜航天中心啟用了一套虛擬現(xiàn)實(shí)系 統(tǒng)來(lái)訓(xùn)練航天員熟悉太空環(huán)境，為修復(fù)哈勃望遠(yuǎn)鏡作準(zhǔn)備。航天員通過(guò)操作虛擬設(shè)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(guān)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(jìn)行操作飛行程序和人機(jī)功能分配等合理性評(píng)價(jià)。 蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 14 頁(yè) 共 31 頁(yè) 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。其控制方式分為自動(dòng)和人工控制兩種，根據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，人工控制在交會(huì)對(duì)接的最終逼近與對(duì)接過(guò)程中發(fā)揮非常重要的作用。目前現(xiàn)有的人工控制交會(huì)對(duì)接仿真 系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（包括數(shù)學(xué)模型）、運(yùn)動(dòng)模擬器、座艙（包括控制操作臺(tái)）、視景系統(tǒng)、操作負(fù)載系統(tǒng)等五部分組成，其設(shè)備復(fù)雜、投資巨大。若采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，整個(gè)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)仿真、頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套三部分組成。即將交會(huì)對(duì)接動(dòng)力學(xué)模型存入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，實(shí)時(shí)地解出這兩個(gè)航天器間的相對(duì)距離和姿態(tài)角參量，通過(guò)計(jì)算機(jī)生成圖像，在頭盔顯示器里實(shí)時(shí)地顯示兩個(gè)航天器虛擬環(huán)境，此時(shí)航天員就像真正處在飛行空間進(jìn)行交會(huì)對(duì)接操作一樣。因而，這樣建立的系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)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(huì)對(duì)接仿真器安置在離心機(jī)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(yīng)。這種具有空間環(huán)境效應(yīng)的虛擬仿真器是現(xiàn)有仿真系統(tǒng)所沒(méi)有的。因?yàn)椴捎猛ǔ＜夹g(shù)的仿真器設(shè)備多、重量和體積大，一般是不可能實(shí)現(xiàn)空間環(huán)境效應(yīng)的。 ，可利用 VR 技術(shù)進(jìn)行原理設(shè)計(jì)、邏輯驗(yàn)證及模型的仿真。設(shè)計(jì)者通過(guò)與設(shè)計(jì)的虛擬交互，不僅可及時(shí)觀察到所設(shè)計(jì)部件的整體結(jié)構(gòu)與外形，而且還能夠及時(shí)改進(jìn)設(shè)計(jì)中的原理或功能性缺陷，從而提高設(shè)計(jì)與研制效率。 利用人工智能技術(shù)使計(jì)算機(jī)通過(guò)編程模仿人的思維過(guò)程，將與研究對(duì)象相關(guān)的專家知識(shí)納入知識(shí)庫(kù)，并根據(jù)這些知識(shí)進(jìn)行推理，因而能解釋用戶的請(qǐng)求，確定必要的輸入數(shù)據(jù)，修正或選擇一個(gè)合適的模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這樣具有更強(qiáng)的仿真能力。 ， 讓被試可以打開(kāi)艙門(mén)、用手操縱開(kāi)關(guān)等。而且還帶有聲音識(shí)別合成功能，能發(fā)出相應(yīng)動(dòng)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(yàn)效果。 第 在教育教學(xué)中的應(yīng)用 隨著計(jì)算機(jī)、信息、網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)作為一種高效能的信息傳播工具，在教 育教學(xué)過(guò)程中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，如果將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新興的教學(xué)媒體應(yīng)用到教育教學(xué)中，這種嶄新的技術(shù)會(huì)帶給我們嶄新的教育思維，解決我們以前無(wú)法解決的問(wèn)題。 . 現(xiàn)實(shí)意義 (1).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了嶄新的教學(xué)手段 —— 構(gòu)建實(shí)物虛化、虛物實(shí)化的方法 通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的綜合應(yīng)用，可在課堂和實(shí)驗(yàn)室中展現(xiàn)在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的教學(xué)過(guò)程。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中所提出的各種假設(shè)蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 15 頁(yè) 共 31 頁(yè) 模型進(jìn)行虛擬和虛物實(shí)化，通過(guò)虛擬系統(tǒng)便可直觀地觀察到這一假設(shè)所產(chǎn)生的結(jié)果或效果。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以進(jìn)行實(shí)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(xué)生可以與虛擬的教師、學(xué)生一起交流討論，開(kāi)展啟發(fā)式教學(xué)。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，還可以使學(xué)生通過(guò)在虛擬場(chǎng)景的身臨其境和自主控制的人機(jī)交互，由視、聽(tīng)、觸、覺(jué)獲取外界的反應(yīng)，通過(guò)學(xué)生自我組織，制定并執(zhí)行學(xué)習(xí)計(jì)劃，進(jìn)行自我評(píng)價(jià)，開(kāi)展適應(yīng)式學(xué)習(xí)。還可通過(guò)小組或團(tuán)隊(duì)的形式，組織學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)，成員間共享成果，開(kāi)展協(xié)作式教學(xué)。 (2).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)變革了傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式 —— 營(yíng)造開(kāi)放性的網(wǎng)上探索學(xué)習(xí) 運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，突破傳統(tǒng)教科書(shū)的限制，使每一位學(xué)習(xí)者都可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，在自己方便 的時(shí)間從互聯(lián)網(wǎng)上自由地選擇適合的學(xué)習(xí)資源，按照適合于自己的方式和速度進(jìn)行學(xué)習(xí)，這種探索性的學(xué)習(xí)，有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，使學(xué)習(xí)者在具體情境中通過(guò)主動(dòng)的探索獲得知識(shí)，從而提高學(xué)習(xí)者的動(dòng)力。 (3).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)豐富了課堂教學(xué)內(nèi)容 —— 展示全方位、多角度的教學(xué)內(nèi)容 利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可豐富教學(xué)內(nèi)容，將實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)等技能訓(xùn)練搬到課堂中進(jìn)行，由于這些虛擬的訓(xùn)練系統(tǒng)無(wú)任何危險(xiǎn)，學(xué)生可以反復(fù)練習(xí)，直至掌握操作技能為止。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，還可恰如其分地演示一些復(fù)雜的、抽象的、不宜直接觀察的自然過(guò)程和現(xiàn)象，全方位、多角度地 展示教學(xué)內(nèi)容。利用計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)，制作各種仿真課件，創(chuàng)設(shè)所需要的某種虛擬情景，讓學(xué)生進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，從而極大豐富課堂的教學(xué)內(nèi)容。 (4).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)節(jié)約了有限的教育成本 —— 開(kāi)展虛擬實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行虛擬生產(chǎn) 虛擬各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)訓(xùn)環(huán)境和操作過(guò)程，使大多數(shù)課程可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，大多數(shù)的技能可以在虛擬實(shí)訓(xùn)車(chē)間中進(jìn)行訓(xùn)練，從而不必購(gòu)置昂貴的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備?？梢栽诠?jié)約大量昂貴的儀器設(shè)備費(fèi)用的前提下，解決在教學(xué)中，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、教學(xué)經(jīng)費(fèi)等方面的原因而無(wú)法進(jìn)行的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，虛擬訓(xùn)練又可避免實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的損壞、訓(xùn)練 材料的消耗等問(wèn)題，從而有效節(jié)約教育成本。 . 存在的問(wèn)題及