【文章內(nèi)容簡介】 中處于領先地位，同時也在進行感知、3 周洪玉, 王慧君, 周巖. 虛擬現(xiàn)實及應用的研究 [J]. 哈爾濱:哈爾濱理工大學學報, 2022,(4):4951.4 魏國前, 范勤. 虛擬現(xiàn)實及其在機械工程的應用 [J] .計算機應用, 1999, (8):3536.5 曾芬芳主編. 虛擬現(xiàn)實技術. 上海交通大學出版社, 1997 年 第一版.6 陳定方等著, 虛擬設計, 北京, 機械工業(yè)出版社, .3知覺、認知和運動控制能力的研究。伊利諾斯州立大學研制出在車輛設計中支持遠程協(xié)作的分布式 VR 系統(tǒng)。 71990 年以后，歐洲關于 VR 的研究進入了積極而又切實的發(fā)展階段。1993年報導的 VR 市場排名榜列出了 1。個從事 VR 研究開發(fā)的中心，其中英國有 5個，蘇格蘭 2 個，法國、德國和瑞典各 1 個，這些中心的 VR 產(chǎn)品是以商品化娛樂為主。當然，從事 VR 基礎研究的團體遠遠多于這個數(shù)量。VR 在英國 VR 開發(fā)的某些方面，特別是在分布并行處理、輔助設備的設計和應用研究方面，英國在歐洲乃至世界上都是領先的，至上世紀末為止，英國己經(jīng)有從事 VR 研究的六個主要中心。在東亞地區(qū)的虛擬現(xiàn)實技術的研究與開發(fā)中日本是居領先的國家之一，她主要致力于建立大規(guī)模 VR 知識庫。韓國高級科學與技術研究院和新加坡國立大學也開展了 VR 研究工作。在我國，對 VR 技術的研究和發(fā)達國家相比，還是有一定的差距的，海爾以完善的電子商務模式極大地促進了產(chǎn)品的銷售 8，但它們也都停留在圖片瀏覽的程度上，離完全實現(xiàn)網(wǎng)絡三維數(shù)字化展示還有一段距離。國內(nèi)的一些重點院校，緊跟國際新技術，已經(jīng)積極投入到 VR 領域的研究中。 9北京航天航空大學在虛擬現(xiàn)實中的視覺接口方面開發(fā)了部分硬件，并提出了相關算法及實現(xiàn)方式，實現(xiàn)了分布式虛擬環(huán)境網(wǎng)絡設計，建立了網(wǎng)上虛擬現(xiàn)實研究論壇，他們的管理系統(tǒng)仿真實驗室利用虛擬現(xiàn)實建模語言 VRML 提出了可在 PC機上運行虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)的構想，并實現(xiàn)單服務臺排隊系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實仿真。浙江大學的 CADamp。CG 國家重點實驗室在基于圖像的虛擬現(xiàn)實、分布式虛擬環(huán)境的建立、多細節(jié)層次模型、真實感三維重建、基于幾何和圖像的混合式圖形實時繪制算法等領域開展了深入的研究，在國內(nèi)外產(chǎn)生了廣泛的影響。清華大學計算機科學和技術系對虛擬現(xiàn)實和臨場感的方面進行了研究，他們還針對室內(nèi)環(huán)境水平特征豐富的特點，提出借助圖像變換，使立體視覺圖像中對應水平特征呈現(xiàn)形狀一致性，以利于實現(xiàn)特征匹配，并獲取物體三維結構的新穎算法。 10目前，在一些行業(yè)如家電、輕工業(yè)產(chǎn)品和醫(yī)療設備領域，三維數(shù)字化產(chǎn)品虛擬展示已初步得到應用，其中的一個重要特點就是，基于用戶需求，以三維實體形式構建產(chǎn)品模型，并將三維的(包括結構和性能特點)設計信息及時展現(xiàn)給客戶，讓用戶盡早了解產(chǎn)品的特點、性能等因素。這里的產(chǎn)品信息主要包括兩部分：一是三維模型信息，包括產(chǎn)品的外觀、色彩、結構、材質等三維模型信息；二是動態(tài)運行信息，包括在運行過程中所傳達出來的特征及運行狀態(tài)等。7 . , JOURNAL OF COMPUTER RESEARCH AND DEVELOPMENT,北京:清華大學. 1996 年 07 期8 海爾商城. 9 張樹生 楊茂奎 朱名銼著. 虛擬制造技術, 西安: 年版. P529.10 黃鐵軍，1997，P2326.4而虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，使得虛擬三維產(chǎn)品展示必將在更多的工業(yè)領域(如汽車)和服務領域(如房地產(chǎn))得到應用。 課題研究的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點 研究內(nèi)容本課題以城市配電培訓仿真系統(tǒng)開發(fā)項目為例, 介紹了虛擬環(huán)境的創(chuàng)建和配電設備的展示，它們是配電培訓仿真系統(tǒng)開發(fā)中的核心內(nèi)容。 虛擬場景對地理環(huán)境的模擬是大部分仿真系統(tǒng)都必須面對的一個難題，地形仿真的特點在于數(shù)據(jù)量大、構造方法復雜，對大數(shù)據(jù)量的地形在模型生成、導人和繪制各方面進行有效地管理是減少仿真系統(tǒng)的傳輸與計算負載的最直接途徑。地形實體是三維的，但目前人們對地形的模擬要求僅限于一個二維平面(屏幕)上獲得地形的圖像，因而目前的數(shù)字地形一般都是根據(jù)地形表面的特征，從中抽取一些必要數(shù)據(jù)，構造出一系列的幾何圖元(如曲面、平面等)來表示地形。環(huán)境建模的目的是獲取實際三維環(huán)境，并根據(jù)應用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立想用的虛擬環(huán)境模型。虛擬場景的創(chuàng)建，能生動得展示現(xiàn)實環(huán)境中的概況，能讓使用者更好的納入虛擬的世界感受真實的操作效果。 配電設備展示在虛擬產(chǎn)品展示與實物展示相結合的基礎上,構建一個與使用者瀏覽、咨詢、學習的平臺，提高對產(chǎn)品結構和功能的認知度，幫助使用者更好的學習和領悟。把產(chǎn)品展示應用到虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)中，能使仿真系統(tǒng)更符合人性化，體現(xiàn)產(chǎn)品的展示功能，加強使用者與系統(tǒng)的聯(lián)系與溝通,充分發(fā)揮窗口、橋梁的作用。虛擬仿真系統(tǒng)中的產(chǎn)品展示，對于產(chǎn)品的結構、功能和操作方法除提供圖片、文字等傳統(tǒng)的展示形式,還提供了更多的媒體形式來表現(xiàn)新產(chǎn)品新技術：視頻、聲音、動畫和 360176。360176。三維產(chǎn)品(可模擬操作)。使用者可以從上下左右任意不同的角度觀看產(chǎn)品的結構和功能， “拉近” 、 “推遠”甚至可以模擬操作產(chǎn)品，了解產(chǎn)品的各項功能和操作使用方法。用于培訓和展示城市中的配電設備的結構、功能和操作流程，為城市的配電設施提供了一個實用的性能評價模擬仿真系統(tǒng)。對現(xiàn)實設備的虛擬，能增加觀眾身臨其境的感覺和參與性，使產(chǎn)品展示具有很高的真實性，增強展示的說服力，便于信息的傳遞。虛擬場景和設備的創(chuàng)建主要采用 3DMAX 進行視覺建模。所以論文主要涉及5到場景和配電設備的建模以及模型數(shù)據(jù)的讀取和優(yōu)化、貼圖。另外還涉及到通過模型與多媒體數(shù)字技術的融合進行全新的產(chǎn)品展示，給用戶以視覺上的創(chuàng)新感受。它可用于電氣設備的再創(chuàng)新設計、運行中的性能分析；在各種氣候和運行環(huán)境下的詳細情況；配電設備所處建筑物的初步設計和可行性分析；分析三維空間里配電設備的動態(tài)運行特性和舒適性。提出了把虛擬現(xiàn)實技術、多媒體技術綜合運用并引入培訓系統(tǒng)，避免采用傳統(tǒng)的實物演示或者多媒體展示的半實物虛擬仿真的嘗試方案，充分發(fā)揮現(xiàn)代信息技術的集成性、控制性交互性的特點。 研究創(chuàng)新點國內(nèi)運用虛擬現(xiàn)實技術在仿真系統(tǒng)設計中的制作有很多，比如現(xiàn)在許多游戲的創(chuàng)建，但是城市配電培訓仿真系統(tǒng)的設計還很少，并且對此類系統(tǒng)制作的方法和流程涉及到的研究也不多見，本文首先分析了配電培訓系統(tǒng)的場景漫游及設備展示的模型創(chuàng)建原則，收集資料和素材，制定模型創(chuàng)建方案，在突出制作特點的同時，發(fā)揮自主性，展示配電培訓系統(tǒng)中的環(huán)境和電氣設備的功能特點。同時，研究了在進行配電設備展示的過程中，運用動畫和視頻技術，通過鏡頭的語言來展示產(chǎn)品的結構及功能，通過畫面，音樂，旁白，漢字等形象思維來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬件展示，并通過研究總結出虛擬現(xiàn)實下配電培訓仿真系統(tǒng)設計的整體構架，制作步驟以及制作時注意的幾個重要問題，選題比較新穎。對于虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)的設計大多重點放在對其軟件的編程制作，而對于城市配電培訓仿真系統(tǒng)設計中的場景漫游和產(chǎn)品展示也是十分重要的，它關系到整個系統(tǒng)的界面操作的易用性，視覺效果和培訓的效率。本文通過側重于對環(huán)境漫游于設備展示的設計，運用多媒體技術，通過動畫及視頻的表現(xiàn)手法對產(chǎn)品內(nèi)部的各個結構功能有重點、有針對、有秩序地進行建模，編排，錄音，剪輯制作，融入到培訓仿真系統(tǒng)里，圖形并茂地凸視城市配電設備的所在環(huán)境及功能操作，有效地提升培訓的效率，彰顯城市配電系統(tǒng)的特點，讓社會不同層面的人士對此系統(tǒng)產(chǎn)生興趣，更系統(tǒng)的了解到配電設備，從而更好的達到培訓的效果。本文不在從編程的角度，而是從新的角度進行虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)設計的研究，把多媒體技術和產(chǎn)品設計等運用到其中，這也有助于與其它相關課題的研究。 課題研究方法設計師總是追求新穎,表面上看似乎新穎就是設計存在的價值,尤其是流行6性很強的設計更是如此。把設計重點放在虛擬場景漫游及產(chǎn)品展示的創(chuàng)建中，在虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)設計的設計方式中讓人一目了然,身臨其境,其新穎是在其功能性和形式上，技術與藝術的合理性基礎上的。 首先是介紹虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)設計的應用現(xiàn)狀，提出了虛擬環(huán)境漫游與設備展示設計的制作；再次是通過進行創(chuàng)建分析，總結出配電培訓仿真系統(tǒng)虛擬場景及設備展示設計的創(chuàng)建方法；然后在理論依據(jù)的指導下，介紹如何運用3DMAX 和多媒體技術進行三維虛擬現(xiàn)實技術的城市配電仿真培訓系統(tǒng)場景及設備展示的設計，并在設計實踐中從藝術審美角度進行技術與藝術的結合。在數(shù)字化時代,綠色設計被認為是可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一,已成為現(xiàn)代設計研究熱點和主要內(nèi)容。 11虛擬仿真系統(tǒng)的設計更要強調(diào)綠色設計,這就需要在做設計時，要解決好仿真系統(tǒng)操作界面的易用性和間接性，盡量減少使用操作的多余和繁瑣,考慮仿真系統(tǒng)的使用人群,考慮環(huán)境漫游和設備展示的直觀性和獨特性?，F(xiàn)在我們談到的虛擬現(xiàn)實仿真設計藝術多停留在技術層面上，對數(shù)字化設計藝術美學的探討，國內(nèi)外的認識都不夠，甚至還沒有一套完善的研究系統(tǒng)。在本文中就提出在對虛擬現(xiàn)實仿真技術的技術層面的認識的同時，通過對環(huán)境建模及設備展示的設計研究，把傳統(tǒng)的理論認識提高到設計藝術美學的審美設計層次。11 周箭祥，.7 虛擬現(xiàn)實技術概述 虛擬現(xiàn)實技術的定義虛擬現(xiàn)實是 1989 年由美國的蘭尼爾(J. Anier)最早提出的。所謂虛擬現(xiàn)實(virtual Reality, VR)就是采用以計算機技術為核心的現(xiàn)代高技術生成逼真的三維視覺、聽覺、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境(Virtual Environment，VE)。讓用戶可以從自己的視點出發(fā),利用自然的技能和某些設備對這一虛擬世界客體進行瀏覽和交互考察。它依托于計算機科學、數(shù)學、力學、聲學、光學、機械學、生物學乃至美學和社會科學等多種學科，這個定義注重的是逼真的感覺(視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等)、自然的交互(運動、姿勢、語言、身體跟蹤等)、個人的視點(用戶的眼、耳、身所感受到的信息)和迅速的響應(感受到的信息跟隨視點的變化和用戶的輸入即時更新),用戶在其中所體驗到的是一種浸入式的、多重感官刺激的經(jīng)驗。 12虛擬現(xiàn)實技術在最近十年里獲得了極大的發(fā)展，這主要歸因于計算機軟、硬件條件的飛速發(fā)展，以及虛擬現(xiàn)實專用設備價格的下降和性能的提高。目前，其應用已涉及科研、教育培訓、工程設計、商業(yè)、軍事、醫(yī)學、影視、藝術和娛樂等眾多領域，被專家學者們公認為是 21 世紀可能促使社會發(fā)生巨大變化的幾大技術之一。 13虛擬現(xiàn)實技術的廣泛應用，不僅體現(xiàn)在諸如 NASA 的大型工程得到應用，也出現(xiàn)在一些游戲中，在一些高檔的 PC 機上甚至可以構建自己的個人 PCVRS（個人虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)）。它利用計算機建立的人工媒體空間，它是虛擬的，但又具有真實感，通過多媒體傳感交互設備是人進入一種虛擬的環(huán)境，產(chǎn)生身臨其境的感覺。這種虛擬環(huán)境是通過計算機生成的一種環(huán)境，它可以是真實世界的模擬體現(xiàn)，也可以是構想中的世界。 虛擬現(xiàn)實技術的特征分類12 胡圣武,[J].礦山測量,2022(1):1317.13 張暴暴,陳曉川,劉曉冰,1998,.8虛擬現(xiàn)實技術是人的想象力和電子學相結合而產(chǎn)生的一項綜合技術,是一種高度逼真地模擬人在自然環(huán)境中的視聽動等行為的人機界面技術,它利用多媒體計算機仿真技術構成一種特殊的環(huán)境,用戶可以通過各種傳感系統(tǒng)與這種環(huán)境進行自然交互。利用虛擬現(xiàn)實技術，計算機可以產(chǎn)生一個三維的虛擬環(huán)境，通過人的視覺、聽覺、觸覺等作用于人，使人產(chǎn)生身臨其境的感覺。概括而言，虛擬現(xiàn)實技術具有下列 4 個特征: 14(1) 沉浸感。沉浸感是指參與者在虛擬環(huán)境中身臨其境的真實感覺。以往用戶只能在計算機外部去觀測計算機處理結果，VR 則能使人沉浸到計算機所創(chuàng)建的虛擬環(huán)境中。(2) 多感知性。理想的 VR 技術應具有和人一樣的多種感知功能，如視覺、聽覺、力覺、觸覺、味覺以及冷熱感等。目前 VR 尚未達到完善的程度，只具有視覺和聽覺感知功能。(3) 交互性。交互性是指人對虛擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作性和從虛擬環(huán)境中得到實時反饋的自然程度。例如，當人在虛擬環(huán)境中移動一個虛擬物體時，盡管手中并沒有實體，但 VR 能使人立刻感覺到物體的重量，且能使虛擬物體隨人手的移動而移動。(4) 自主性。自主性是指虛擬環(huán)境中的物體遵循客觀規(guī)律的性能。例如，當受到力的推動時，物體會朝力的方向移動、翻倒、或從桌面落到地面等。也就是說，VR 生成的虛擬環(huán)境雖然并不存在，但從 VR 中獲得的知識是有用的。 虛擬現(xiàn)實技術的應用及發(fā)展虛擬技術產(chǎn)生于 20 世紀 40 年代，到 90 年代才逐步發(fā)展完善起來,現(xiàn)在已經(jīng)應用到了制造、軍工、醫(yī)學、航天、建筑等很多領域,并且都取得了很大的成功。 15目前虛擬現(xiàn)實技術在很多領域中的應用己相當成熟。下面，從幾個方面略加介紹。 企業(yè)生產(chǎn)方面的應用(1) 虛擬生產(chǎn)原型。虛擬生產(chǎn)原型法已在國外廣泛應用，通過建模和模擬的方法，使方案論證、設計、研制、生產(chǎn)、使用和維護等等，幾乎都可以在人工合成的環(huán)境中進行模擬。它可以減少樣機生產(chǎn)數(shù)目，縮短設計周期，獲得性能更好的產(chǎn)品，降低成本，提高產(chǎn)品的市場競爭能力。例如，汽車生產(chǎn)采用虛擬生產(chǎn)原型法，可根據(jù)計算機輔助工程收集的數(shù)據(jù)進行仿真零件裝配，而不需制造真實的零件進行裝配。如果裝配有問題，修改零件數(shù)據(jù)后再進行虛擬裝配，可節(jié)14 鄧岳輝,楊以涵,(4):79.15 胡忠東,14 (3):6164.9省財力、物力和時間。(2) 產(chǎn)品設計。為了滿足用戶多樣化的需求，最好的辦法是用戶參與設計。但許多用戶不懂設計，也看不懂圖紙，VR 則給用戶提供了參與設計的機會