【文章內(nèi)容簡介】 中處于領(lǐng)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(yīng)用的研究 [J]. 哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報, 2022,(4):4951.4 魏國前, 范勤. 虛擬現(xiàn)實及其在機械工程的應(yīng)用 [J] .計算機應(yīng)用, 1999, (8):3536.5 曾芬芳主編. 虛擬現(xiàn)實技術(shù). 上海交通大學(xué)出版社, 1997 年 第一版.6 陳定方等著, 虛擬設(shè)計, 北京, 機械工業(yè)出版社, .3知覺、認(rèn)知和運動控制能力的研究。伊利諾斯州立大學(xué)研制出在車輛設(shè)計中支持遠(yuǎn)程協(xié)作的分布式 VR 系統(tǒng)。 71990 年以后，歐洲關(guān)于 VR 的研究進入了積極而又切實的發(fā)展階段。1993年報導(dǎo)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(dāng)然，從事 VR 基礎(chǔ)研究的團體遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shè)備的設(shè)計和應(yīng)用研究方面，英國在歐洲乃至世界上都是領(lǐng)先的，至上世紀(jì)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(shù)的研究與開發(fā)中日本是居領(lǐng)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(xué)與技術(shù)研究院和新加坡國立大學(xué)也開展了 VR 研究工作。在我國，對 VR 技術(shù)的研究和發(fā)達(dá)國家相比，還是有一定的差距的，海爾以完善的電子商務(wù)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(luò)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(shù)，已經(jīng)積極投入到 VR 領(lǐng)域的研究中。 9北京航天航空大學(xué)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(guān)算法及實現(xiàn)方式，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，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(gòu)想，并實現(xiàn)單服務(wù)臺排隊系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實仿真。浙江大學(xué)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(xì)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(lǐng)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(xué)計算機科學(xué)和技術(shù)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(shè)備領(lǐng)域，三維數(shù)字化產(chǎn)品虛擬展示已初步得到應(yīng)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(gòu)建產(chǎn)品模型，并將三維的(包括結(jié)構(gòu)和性能特點)設(shè)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(jié)構(gòu)、材質(zhì)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(dá)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(xué). 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(shù), 西安: 年版. P529.10 黃鐵軍，1997，P2326.4而虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(lǐng)域(如汽車)和服務(wù)領(lǐng)域(如房地產(chǎn))得到應(yīng)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(xùn)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(shè)備的展示，它們是配電培訓(xùn)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(gòu)造方法復(fù)雜，對大數(shù)據(jù)量的地形在模型生成、導(dǎo)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(fù)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(gòu)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(yīng)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(shè)備展示在虛擬產(chǎn)品展示與實物展示相結(jié)合的基礎(chǔ)上,構(gòu)建一個與使用者瀏覽、咨詢、學(xué)習(xí)的平臺，提高對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)知度，幫助使用者更好的學(xué)習(xí)和領(lǐng)悟。把產(chǎn)品展示應(yīng)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(jié)構(gòu)、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(shù)：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(jié)構(gòu)和功能， “拉近” 、 “推遠(yuǎn)”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(xùn)和展示城市中的配電設(shè)備的結(jié)構(gòu)、功能和操作流程，為城市的配電設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shù)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(shè)備的再創(chuàng)新設(shè)計、運行中的性能分析；在各種氣候和運行環(huán)境下的詳細(xì)情況；配電設(shè)備所處建筑物的初步設(shè)計和可行性分析；分析三維空間里配電設(shè)備的動態(tài)運行特性和舒適性。提出了把虛擬現(xiàn)實技術(shù)、多媒體技術(shù)綜合運用并引入培訓(xùn)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(shù)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(shù)在仿真系統(tǒng)設(shè)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(xùn)仿真系統(tǒng)的設(shè)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(xùn)系統(tǒng)的場景漫游及設(shè)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(xùn)系統(tǒng)中的環(huán)境和電氣設(shè)備的功能特點。同時，研究了在進行配電設(shè)備展示的過程中，運用動畫和視頻技術(shù)，通過鏡頭的語言來展示產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)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(jié)出虛擬現(xiàn)實下配電培訓(xùn)仿真系統(tǒng)設(shè)計的整體構(gòu)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(shè)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(xùn)仿真系統(tǒng)設(shè)計中的場景漫游和產(chǎn)品展示也是十分重要的，它關(guān)系到整個系統(tǒng)的界面操作的易用性，視覺效果和培訓(xùn)的效率。本文通過側(cè)重于對環(huán)境漫游于設(shè)備展示的設(shè)計，運用多媒體技術(shù)，通過動畫及視頻的表現(xiàn)手法對產(chǎn)品內(nèi)部的各個結(jié)構(gòu)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(xùn)仿真系統(tǒng)里，圖形并茂地凸視城市配電設(shè)備的所在環(huán)境及功能操作，有效地提升培訓(xùn)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(shè)備，從而更好的達(dá)到培訓(xùn)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(shè)計的研究，把多媒體技術(shù)和產(chǎn)品設(shè)計等運用到其中，這也有助于與其它相關(guān)課題的研究。 課題研究方法設(shè)計師總是追求新穎,表面上看似乎新穎就是設(shè)計存在的價值,尤其是流行6性很強的設(shè)計更是如此。把設(shè)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(shè)計的設(shè)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(shù)與藝術(shù)的合理性基礎(chǔ)上的。 首先是介紹虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)設(shè)計的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了虛擬環(huán)境漫游與設(shè)備展示設(shè)計的制作；再次是通過進行創(chuàng)建分析，總結(jié)出配電培訓(xùn)仿真系統(tǒng)虛擬場景及設(shè)備展示設(shè)計的創(chuàng)建方法；然后在理論依據(jù)的指導(dǎo)下，介紹如何運用3DMAX 和多媒體技術(shù)進行三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)的城市配電仿真培訓(xùn)系統(tǒng)場景及設(shè)備展示的設(shè)計，并在設(shè)計實踐中從藝術(shù)審美角度進行技術(shù)與藝術(shù)的結(jié)合。在數(shù)字化時代,綠色設(shè)計被認(rèn)為是可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一,已成為現(xiàn)代設(shè)計研究熱點和主要內(nèi)容。 11虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計更要強調(diào)綠色設(shè)計,這就需要在做設(shè)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(shè)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(shè)計藝術(shù)多停留在技術(shù)層面上，對數(shù)字化設(shè)計藝術(shù)美學(xué)的探討，國內(nèi)外的認(rèn)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(shù)的技術(shù)層面的認(rèn)識的同時，通過對環(huán)境建模及設(shè)備展示的設(shè)計研究，把傳統(tǒng)的理論認(rèn)識提高到設(shè)計藝術(shù)美學(xué)的審美設(shè)計層次。11 周箭祥，.7 虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述 虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(shù)為核心的現(xiàn)代高技術(shù)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(shè)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(xué)、數(shù)學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、機械學(xué)、生物學(xué)乃至美學(xué)和社會科學(xué)等多種學(xué)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(yīng)(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(shù)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(shè)備價格的下降和性能的提高。目前，其應(yīng)用已涉及科研、教育培訓(xùn)、工程設(shè)計、商業(yè)、軍事、醫(yī)學(xué)、影視、藝術(shù)和娛樂等眾多領(lǐng)域，被專家學(xué)者們公認(rèn)為是 21 世紀(jì)可能促使社會發(fā)生巨大變化的幾大技術(shù)之一。 13虛擬現(xiàn)實技術(shù)的廣泛應(yīng)用，不僅體現(xiàn)在諸如 NASA 的大型工程得到應(yīng)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(gòu)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(shè)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(gòu)想中的世界。 虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(shù)是人的想象力和電子學(xué)相結(jié)合而產(chǎn)生的一項綜合技術(shù),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(shù),它利用多媒體計算機仿真技術(shù)構(gòu)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(shù)，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(shù)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(jié)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(shù)應(yīng)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(dá)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(dāng)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(dāng)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(shù)的應(yīng)用及發(fā)展虛擬技術(shù)產(chǎn)生于 20 世紀(jì) 40 年代，到 90 年代才逐步發(fā)展完善起來,現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用到了制造、軍工、醫(yī)學(xué)、航天、建筑等很多領(lǐng)域,并且都取得了很大的成功。 15目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)在很多領(lǐng)域中的應(yīng)用己相當(dāng)成熟。下面，從幾個方面略加介紹。 企業(yè)生產(chǎn)方面的應(yīng)用(1) 虛擬生產(chǎn)原型。虛擬生產(chǎn)原型法已在國外廣泛應(yīng)用，通過建模和模擬的方法，使方案論證、設(shè)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(shè)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(shè)計。為了滿足用戶多樣化的需求，最好的辦法是用戶參與設(shè)計。但許多用戶不懂設(shè)計，也看不懂圖紙，VR 則給用戶提供了參與設(shè)計的機會