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数字仿真与虚拟现实技术概述

来源:16 发布时间:2021-03-26 05:30:50 点击数:
  数字仿真与虚拟现实技术概述   面对当前知识经济、信息产业和国防现代化迅速发展的形势,我国政府、军队和企业十分重视信息技术的创新研究和长远发展,正制定和实施包括基础研究、高技术 开发和产业攻关在内的各类国家规划,并已经或准备给予大量投入。作为技术发展重要驱动力的“虚拟现实”,又一次成为人们关注的热点之一。   虚拟现实英文为(Virtual Reality)简称VR技术,这一名词是由美国VPL公司创建人拉尼尔(Jaron Lanier)在80年代初提出的,也称灵境技术或人工环境。作为一项尖端科技,虚拟现实集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显 示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果,是一种由计算机生成的高技术模拟系统,它最早源自于美国军方的作战模拟系统,九十年代初逐渐为各界所关注并且 在商业领域得到了进一步的发展。这种技术的特点在于计算机产生一种人为虚拟的环境,这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三维数字模型,并编制到计算机中 去生成一个以视觉感受为主,也包括听觉、触觉的综合可感知的人工环境,从而使得在视觉上产生一种沉浸于这个环境的感觉,可以直接观察、操作、触摸、检测周 围环境及事物的内在变化,并能与之发生“交互”作用,使人和计算机很好地“融为一体”,给人一种“身临其境”的感觉。   虚拟现实的特点与重要意义   虚拟现实是发展到一定水平上的计算机技术与思维科学相结合的产物,它的出现为人类认识世界开辟了一条新途径。虚拟现实的最大特点是:用户可以用自然方式与 虚拟环境进行交互操作,改变了过去人类除了亲身经历, 就只能间接了解环境的模式,从而有效的扩展了自己的认知手段和领域。另外,虚拟现实不仅仅是一个演示媒体,而且还是一个设计工具,它以视觉形式产生一个适 人化的多维信息空间,为我们创建和体验虚拟世界提供了有力的支持。   由于虚拟现实技术的实时三维空间表现能力、人机交互式的操作环境以及给人带来的身临其境感受,它在军事和航天领域的模拟和训练中起到了举足轻重的作用。近 年来,随着计算机硬件软件技术的发展以及人们越来越认识到它的重要作用,虚拟技术在各行各业都得到了不同程度的发展,并且越来越显示出广阔的应用前景。虚 拟战场、虚拟城市、甚至“数字地球”无一不是虚拟现实技术的应用。虚拟现实技术将使众多传统行业和产业发生革命性的转变。   虚拟现实系统的组成   一般的虚拟现实系统主要由专业图形处理计算机、应用软件系统、输入设备和演示设备等组成。   硬件平台   由于虚拟现实本身的复杂性,产生虚拟环境所需的计算量极为巨大,这对中心计算机的配置提出了极高的要求。目前,国外的VR系统一般配备有SGI或SUN工 作站;大型的虚拟现实系统,采用的是计算机并行处理系统。这些超级计算机虽然性能超群,但是价格非常昂贵,入门级的系统往往也要数十万美金以上。   软件系统   虚拟现实的软件系统是实现虚拟技术应用的关键。虚拟技术在国外的应用比国内早,培育出一些大型的VR开发及演示软件,但他们在建筑、城市规划领域应用有较大的先天不足。主要问题包括:软件应用需要二次开发、与行业特点结合不够紧密以及价格比较昂贵等。   输入工具和演示设备   虚拟现实技术的特征之一就是人机之间的交互性(interaction)。为了实现人机之间充分交换信息,必须设计特殊输入工具和演示设备,以识别人的各 种输入命令,且提供相应反馈信息,实现真正的仿真效果。不同的项目可以根据实际的应用可以有选择的使用这些工具,主要包括:   头盔式显示器 、 跟踪器 、 传感手套 、 屏幕式、房式立体显示系统   三维立体声音生成装置   最具吸引力的领域   虚拟现实是一项难度很大的综合技术,要达到逼真的多种感觉和实时的自然交互是非常不容易的。例如:逼真的立体视感(沉浸感)需要宽视野和高分辨率的显 示设备,而现有的头盔显示器不仅分辨率低、价格贵,而且带在头上更是不方便;又如,要对大型地理数据(如地形图)进行三维浏览和交互处理,往往响应时间很 慢;至于触觉反馈或嗅觉设备离实用更有很大距离,等等。   虚拟现实涉及的关键技术主要有:大规模数据的场景建模技术;动态实时的立体视觉、听觉等生成技术;三维定位、方向跟踪、触觉反馈等传感技术和设备;符合人类认知心理的三维自然交互技术;三维交互软件及系统集成技术等。   由于虚拟现实具有极其重要的应用前景,因而促使人们不断去创新、克服困难!哪些方面是最有吸引力的虚拟现实应用领域呢?   军事:美国国防部和军方认为:虚拟现实将在武器系统性能评价、武器操纵训练及指挥大规模军事演习三方面发挥重大作用。他们制定了战争综合演示厅计划、防务仿真交互网络计划、综合战役桥计划及虚拟座舱等应用环境,并在核武器试验及许多局部战争中进行了应用。   航天航空:美国宇航局是虚拟现实最早的研究单位和应用者。宇宙飞船及各类航空器是需耗费巨资的现代化工具,而进入宇宙有大量未知、危险的因素,因而模拟各种航空器可能遇到的环境,不仅可节省大量费用,而且是十分必要的。虚拟风洞就是一例。   计算机辅助设计:各种工业产品、建筑物均需反复构思和设计,但往往用户仍不满意。美国波音公司Butler设计了一架称为VS-X的虚拟飞机,它可使 设计人员有身临其境观察飞机外形、内部结构及布局的效果。建筑设计师可在盖楼前通过虚拟建筑物,让用户自己来观察外形和内部房间部位,也便于设计师修改设 计。   外科手术和人体器官的模拟:外科医生的培训是一项投资大、时间长的工作,这是因为不能随便让实习医生在病人身上动手术,可是不亲自动手,又如何学会手 术呢?虚拟手术台已能部分模仿外科手术的现场。同样,提供模拟的人体器官,可让学生逼真地观察器官内部的构造和病灶,具有极高的实验价值。   科学研究和计算的可视化:各种分子结构模型、大坝应力计算的结果、地震石油勘探数据处理等,均十分需要三维(甚至多维)图形可视化的显示和交互浏览,虚拟现实技术为科学研究、探索微观形态等提供了形象直观的工具。   远程控制:虚拟现实可采用遥控手段,通过机械手、机器人对危险或有毒环境进行操作。   教育、游戏与其他:这是向人们,尤其是青少年提供生动的课堂和娱乐手段的好机遇,它具有三维声像效果,能进行交互操作的功能,因而已被商家们看好,竞相开发低档虚拟现实产品。   数码技术在建筑工程中的应用   一、历史   1963年电脑具备了绘图能力,将电脑绘图(computer graphics)的功能运用到建筑设计,便是建筑中第一代CAD—电脑辅助绘图(computer—aided drafting)。   自20世纪60年代起,将电脑在人工智能上的发展应用到建筑设计思考过程中,以及用电脑绘图功能来记录大量“建筑图文资料”,这一过程称为电脑辅助设计CAD——(computer—aided design)。这一直到今天仍是重要的发展方向。   1990年起,电脑的数码影像处理与合成技术日渐成熟,再加上电脑模拟与动画发展也趋健全,此时电脑在许多设计学科中不再只是被视为“工具”,而是进一步 成为思考与表现设计理念与操作方式的“媒体”(media)。因此出现了电脑媒体化设计(computer—mediated design)—CAD。甚至被直呼为电脑设计(design with computer)——DWC。这一阶段著名的代表是美国设计大师Frank gehrg 和Peter Eisenman。他们在世界各地的设计作品,完全称得上是一次革命。   自1993年互联网浪潮带给建筑业更大的冲击。一方面,将全球的距离完全拉近以及将全球的建筑资源完全整合,形成所谓“网络辅助设计”(internet —aided design)——IAD或“网际设计”(web—based design)——WBD。另一方面,网络能形成的网际空间(cyberspace networked space),更是从根本上打破了建筑向来以点、线、面等几何关系所构建的空间概念。大约至1995年起,电脑在自由形体(free forms)的塑造支持上日益成熟,再加上能呈现更逼真设计的虚拟实境技术也更成熟,越来越多以前想像的到的建筑和空间可被建构、甚至某些已付诸实施,形 成所谓“虚拟建筑(Virtual architecfure)与虚拟空间(Virtual space)”。   二、数码建筑的意义   2、1 数码建筑是一种新工具。   如果数码技术仅仅代表着“电脑绘图”或“电脑辅助绘图”不具备任何设计思考过程,则电脑真的只是种工具。而且,作为工具的数码技术是第一个新的突破,影响力将大大胜于罗马时期的平面或绘图与文艺复兴的建模法。   2、2 数码建筑是一种新理论。   如果目前的数码技术具备了辅助设计思考的能力,同时又能利用网络来辅助设计方法与设计过程,那么建筑设计自20世纪30年代包豪期的设计方法理论应会大量 改写。另一方面,若电脑可作为重要的设计思考媒体,进而透过数码媒体的特质,产生前所未有的设计思考模式与在此新模式下的建筑物,则我们将会【关键词58】见到自16世 纪文艺复兴早期的早期思考理论,在停滞了500年后有了重大发展。最近,如果网际空间的经验可能影响到对实质空间的经验,而且自由形体和虚拟现实可以营造 出以前无法想像的建筑空间“virtual space”,则建筑赖以维生的空间理论,将继埃及的量体空间、希腊罗马的几何空间、哥特式的神秘空间、文艺复兴后期到巴洛克的动态空间、现代与后现代空 间之后,一种新的建筑和城市空间。   2、3 数码建筑是一个新时代。   如果把所有的数码技术整合起来,视为对建筑设计具备全面性的影响因素,并且接受现今人类历史发展的新时代便是数码电子时代这样的观念,则数码建筑是继史前 时代、埃及、希腊与罗马、早期基督教、拜台庭、哥特、文艺复兴、巴洛克与洛可可、新古典、现代与后现代之后的一个新的时代。如果是这样的话,数码建筑将会 全面改写建筑在产业、社会、文化方面的影响力,以及引发一种基于数码性的价值体系,和美学体系(什么是好的,什么是美的)。   三、建筑设计界的动向   3、1 自1990年代以来,几乎所有的“解构建筑大师”都或多或少地采用了数码技术进行设计,而且已在世界各地建成了不少实物。   F·盖里所设计的西班牙古__海姆美术馆已成为城市的新的标志。在此前后,他还设计了类似自由形体的博物馆、办公楼和美术馆,在设计过程中,他的团队有一位来自法国的软件工程师,他长期从事航天软件的开发和研究,正是在他的参与和帮助下,盖里的作品才得以完成。   另外一位解构大师P . 艾森曼也以同样的方式进行建筑构思和设计。例如他在哈佛大学建工学院所做的课题《M—Emeny Games》就是借助量拟技术完成构思。   其它著名设计师还有D.Libeskind,Tom Mayne,Greg Lynn,Eric Dwen Moss 等人以及OCEAN,VN Studio,Nox等新生代建筑事务所。   在他们的努力下,我们所熟悉的建筑基本要素—功能、形式、体【关键词64】量、空间,均已被重新定义。因此国际上已接受一种新的建筑—数码建筑(digital Arditecture)。在建筑中,电脑的工具性已被提升为建筑的数码性(digitality of Arditecture)。   3、2 近10年来,世界上著名的大学都对建筑系学生的教育形式,教育内容进行了根本性的修正,这些大学为:哈佛大学、MIT、哥伦比亚大学、瑞士联邦工业大学(ETH)。这些大学的建筑系的课程都进行了调整。   3、3 世界各地正进行着数码建筑的国际性大赛,台湾举行的2000年远东国际数码建筑设计大赛,来自43个国家的244件作品参加了竞赛,获前5名的设计被邀请 到美国俄勤冈大学建筑学院任教,成为UN Studia知名事务所担任设计师。前100名的作品已纷纷被各校建筑系选为辅助性教材。   四、3DVRI在房地产行业和政府决策中的作用   3DVRI房地产开发设计辅助系统简介   作为一种高技术模拟系统和可视化工具,虚拟现实技术在工程性仿真领域有无可比拟的功能和优势。虚拟现实不仅仅是一个演示媒体,而且还是一个设计工具,它以视觉形式反映了设计者的思想。   软件定位:以3DVRI虚拟现实技术平台功能结合房地产项目全程开发各项标准和要求的项目开发设计辅助系统。   软件目的:3DVRI房地产开发设计辅助系统可创建一个一体化平台,不仅能使开发商与建筑师、规划师、景观设计师排除由于技术语言而造成的交流障碍。使交 流更加直观化、客观化。而且能让公司各部门排除由工种不同而造成的沟通障碍,使各部门的工作衔接更紧密,极大地促进了工作效率。系统对项目的每一个阶段性 方案都实行动态模拟,互动对比和最佳优化,降低或避免开发风险,减短项目开发周期,降低开发成本从而提高房地产项目全面决策的科学性和整体开发管理的有效 性。   2002年7月2日,全国房产开发用地实行招标制度,随着几年来的市场成熟度提高,房地产界的竞争会进一步的回归到产品上来。【关键词63】在杭州,不少著名房地产企业 已意识到这一问题,并且以不同的方式作出响应,这集中表现在:①越来越多的开发商注重产品定位和设计,聘请国外二流或一流的设计师等主持产品设计。②某些 企业正在筹建房产品研究机构,研究范围包括:行业预测、边缘产品开发(如景观房产、教育房产等)。集团远程操作规范化中国人的居住行为和心理、甚至建筑材 料和技术,先进的景观、建筑设计理念等等。③某些以实行进的房产企业已开始从实质上认识产品本身的质量。④越来越多的企业在建设成本的上,对外表和内部的 比例有所变化。   以上迹象和理论充分说明,杭州乃至中国的房地产已进入一个“产品本位”的时代。作为数码技术中的领先层面,3DVRI恰恰在产品决策设计过程中可以发挥巨大的作用。   4、1 借助于3DVRI系统可使房地产项目开发整合决策过程理性化、直观化、可试性。   常规而言,房产品定位过程的5个步骤,它们分别是:①基地评估和项目定位。②规划设计(总图),③单体设计,④景观设计,⑤室内设计。其中尤为重要的是基 地评估和项目定位,通常做法是实地勘察加以图面方案。这一过程由于信息获取的缺失而不断反复,最终的鸟瞰总图(概括性)也不能解决以下问题。   这一方案是否最适合这块基地?   这一方案中单位之间相互关系如何?   同一基地究竟有几个可行方案?(在规划条件范围内)   发展商为了解决这一问题,通常的应付策略是:①邀请3-5家设计单位做出3-5个方案。②条件允许的话做出基地模型(沙盘)。③利用三维图面进行方案论证。   引进3DVRI系统可以做到:   ① 基地模拟。   ② 基地上方案模拟(虚拟)。   ③ 基地上诸方案替代。   ④ 单体关系模拟。   使项目定位阶段能非常直观地进行论证。   4、2 3DVRI能构筑开发商与建筑师、规划师、景观设计师之间的交流平台,排除由于技术语言而造成的交流障碍。使交流更加直观化、客观化。   4、3 【关键词57】 3DVRI使房产品设计一体化。由于目前的设计相互脱节,各专业为了表达自己的设计理念总是简化其它专业,更重要的是各专业由于服务一个共同的平台而不能 真正的在设计理念上统一和相互理解。3DVRI系统可以在一个系统中使以上几个专业设计同时展现,也就是说可以同时评估和决策。   4、4 由于产品设计的脱节,由于产品设计与实际产品之间的不对应性,使得很多发展商造成产品建造过程中的返工和修改,甚至造成产品完成后的隐患。3DVRI可以有效地克服这一问题。三维虚拟便使得开发商在建造之前就可以逼真的观看到实现后的真正效果。   4、5 3DVRI还能够直观地,最电子化地展示房产品   现有的展示方法无非是:效果图、模型和文字。效果图的失真已经成了共识,致购房者不相信这一表现手段。模型(严格的)虽然较为准确,但它的问题是使人永远 是鸟瞰(附瞰)的角度来看产品。而实际性情况,人们没有机会鸟瞰真实的房产品。因此也不能真正地从人的尺度去把握单体与前体、单体与总体、单体与环境、单 体与人的关系,可以相信,随着3DVRI系统的推广,以后的房交会将会进入一个虚拟世界,每个展位将会大大缩小,甚至一台笔记本电脑就会解决所有问题。   近年来,虚拟现实技术又有了很大的发展,主要是:1)使用基于图像的绘制技术(或与图形绘制相结合),以提高图形生成的速度;2)各种新的交互设备,譬 如双手输入技术,三维力反馈设备,美国Sensable Tech.公司的PHAN?ToM系统等;3)增强现实(Augmented Reality),也称混合现实,它是将真实环境和虚拟现实的景象结合起来的一种技术,既可减少生成复杂环境的开销,又便于对实际物体的操作;4)分布式 虚拟现实环境,在因特网(包括高速Inter?net)环境下,充分利用各地资源的优势,协同开发虚拟现实的应用,如美国大型军用交互仿真系统 NPSNet及因特网上多人游戏MUD等;5)多通道人机交互技术,即采用人体多种自然交互手段向系统输入,如手势、语音、头部或身体动作等。   实际应用的虚拟现实系统大体可分为四类:1)桌面虚拟现实系统,也称窗口中的VR,它成本低,主要用于CAD/CAM、建筑设计等领域;2)沉浸虚拟 现实系统,使用头盔显示器把用户的视觉、听觉及其他感觉封闭起来,产生一种身临其境的错觉;3)分布式虚拟现实系统,它建立在沉浸虚拟现实系统和分布式交 互仿真(Distributed Interaction Simulation)的基础上;4)增强现实。   关于未来的思考   虚拟现实是技术,还是媒体的欺骗?虚拟现实为何可能?这是一个古老的哲学问题。我们是处在现实中,还是在我们自己的感觉世界中?对于个人来说,更直接的是 感觉世界。以视觉为例,我们看到的一切,不过是视网膜上的影像。从这一角度出发,我们应和心理学家、生理学家一起,认真研究人类的感知问题。虚拟现实有其 二重性:对于人的感官来说,它是真实存在的;对于所构造的物体来说,它又是不存在的。因此,能利用这一技术模仿许多高成本的、对人有危险的、或目前尚未出 现的真实环境,人们可对它进行分析研究、仿真操作及改进设计等。   技术现状:虚拟现实目前在技术上仍处于探索中,90年代初有了较大的发展,如CAVE及分布式VR,但后来有一段时间发展相当缓慢,由于响应慢、真实感 差,人们只是把它当作“玩具”或“演示”而已。近来,随着因特网技术、基于图像绘制技术、增强现实等的进展,虚拟现实又有不少新的成果。   重视人机交互的研究:说到底,虚拟现实是一种新的人机交互范式。与以前任何人机交互形式相比,它有希望彻底实现“和谐的、拟人化的”人机界面。虚拟现实 系统有三个重要特点:沉浸感(Immersion)、交互性(Interaction)和构想性(Imagination),这决定了它与以往人机交互技 术的不同,反映了人机关系的演化过程。在复杂系统中,可能有许多参与者共同在网络虚拟环境中协同工作,各领域专家需联合起来开展研究,协同攻关。   关于信息可视化:信息可视化是科学计算可视化的扩展,通常是指不包括科学计算可视化的其他领域可视化技术,如商业、金融可视化、软件可视化等。多数情况 下,信息可视化及科学计算可视化并不需要采用昂贵的虚拟现实技术,而用普通二维、三维图形技术即可达到要求,这样更便于推广和普及。   关于投入:现在各个部门均逐渐重视虚拟现实的研究与开发,并在规划中给予了较大的投入,这是十分必要的。但我们国家财力有限,应集中各个渠道的经费,开 发一些重点应用,投入使用,以产生效益,而不应该分散财力,只做几个“原型”。国家在安排主要财力开发大型“沉浸式虚拟现实系统”的同时,应给予一定的投 入,支持各种小型桌面虚拟现实系统的研究开发。目前,因特网的应用是一个大好机遇,国外游戏及教育类的系统已占据了大块市场,我们应以应用为目标,大力开 发各类桌面虚拟现实的系统。

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