虚拟现实系统

关键词： 触感 实境 虚拟现实 数字化

虚拟现实系统（精选十篇）

虚拟现实系统 篇1

虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术融合多种科技,被认为是21世纪最具潜力的发展学科。虚拟现实技术以计算机技术为核心,结合相关科学技术,生成与真实视、听、触感等高度近似的数字化环境,用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互,产生亲临实境的感觉和体验[1]。虚拟现实是真实世界的一种表现形式,是仿真技术的重要方向,是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术和网络技术等多种技术的融合,是一门富有挑战性的交叉技术[2]。

近年来,虚拟现实技术研究取得了很大进展,虚拟现实技术不仅应用于航空航天计划等国家级计划,还深入到我们生活的各个方面,如旅游、校园、电影等,虚拟现实系统正一步一步走进我们的生活。本文阐述了虚拟现实系统及各组成部分,介绍了虚拟现实系统开发平台,指出了虚拟现实系统发展的缺陷和问题。

1 虚拟现实系统

虚拟现实系统主要由5个部分组成:(1)专业图形处理计算机;(2)输入输出设备;(3)应用软件系统;(4)数据库;(5)虚拟现实开发平台。虚拟现实系统架构如图1所示。虚拟现实引擎和输入输出设备是系统的硬件保障,应用软件系统建立输入输出设备到仿真场景的映射,数据库完成对场景中数据的管理与保存[3]。

1.1 硬件

1.1.1 输入设备

虚拟现实系统要求用户采用自然的方式与计算机进行交互,传统的鼠标和键盘等交互设备无法实现,需要采用特殊的设备。这些特殊设备需要使用专门设计的接口把用户命令输入计算机,同时把模拟过程中的反馈信息提供给用户。基于不同的功能和目的,有很多种虚拟现实接口用于解决多个感觉通道的交互。主要的输入设备有三维跟踪定位设备、人体运动捕捉设备、手部姿态输入设备及其它手控输入设备。

(1)三维定位跟踪设备。三维跟踪定位设备是虚拟现实系统中用于测量三维对象位置和方向实时变化的硬件设备。通常需要测量用户头部、手和四肢的运动,以便控制方向、运动和操作对象。三维空间中的活动对象有6个自由度,其中3个用于平移,3个用于旋转。当对象高速运动时,需要迅速测量由这些参数定义的六维数据集。

(2)人体运动捕捉设备。人体运动捕捉技术[4]出现在20世纪70年代,迪斯尼公司曾试图通过捕捉演员的动作以改进动画制作效果。目前,捕捉技术已进入实用阶段,成功应用于虚拟现实、游戏等领域。人体运动捕捉的目的是把真实的人体动作完全附加到一个虚拟角色上,表现出真实人物的动作效果。此设备由4个部分组成:传感器、信号捕捉设备、数据传输设备和数据处理设备。目前常用的人体运动捕捉设备是数据衣。它将大量光纤、电极等传感器安装在一个紧身服上,可以根据需要检测出人的四肢、腰部活动以及各关节(如腕关节、肘关节)的弯曲角度,用计算机重建出人体姿态。

(3)手部姿态输入设备。手部姿态输入设备用于测量用户手指(有时也包括手腕)的实时位置,其目的是实现基于手势识别的自然交互。手是人类与外界进行物理接触和意识表达的最主要媒介。在人机交互中,基于手的自然交互形式最为常见,相应的数字化设备也很多,这类产品中最为常见的就是数据手套[6,7]。数据手套是一种穿戴在用户手上可以实时获取用户手掌、手指姿态的设备,可将手掌和手指伸屈时的各种姿势转换成数字信号传送给计算机。目前市面上有多种数据手套,区别在于采用的传感器不同,如美国VPL公司的数据手套采用的是光纤传感器,Vertex公司的赛伯手套采用的是应变电阻片组成的传感器,Exos公司的灵巧手套采用的是金属支架传感装置。

(4)其它手控输入设备。通过对传统的鼠标、键盘等交互设备改进,人们还设计出一些手控输入设备,如三维鼠标、力矩球等。三维鼠标可以完成在虚拟空间中6个自由度的操作,其工作原理是:在鼠标内部装有超声波或电磁探测器,利用这个接收器和具有发射器的固定基座,就可以测量出鼠标离开桌面后的位置和方向。力矩球是一种可以提供六个自由度的桌面设备,它被安装在一个小型的固定平台上,通过测量手所施加的外力,将测量值转化为3个平移运动和3个旋转运动的值。

1.1.2 输出设备

输出设备为用户提供输入信息的反馈,即将各种感知信号转变为人所能接收的多通道刺激信号。主要针对视觉感知的立体显示设备、听觉感知的声音输出设备以及人体表面感知的触觉力觉反馈设备。

(1)立体显示设备。虚拟现实系统的沉浸感主要来源于人类的视觉感知。三维立体视觉是虚拟现实系统的第一反馈通道。由于人类双眼的视差,为了让用户观察到立体的虚拟世界,就需要为用户的左右眼分别绘制出具有视差效果的场景画面,并且将画面单独传送给相应的眼睛。基于这种思路,设计了多种立体显示设备,如台式立体显示系统、头盔显示器、吊杆显示器等。台式立体显示系统由立体显示器和立体眼镜组成,如我们平时看到的3D电影。头盔显示器通常固定在用户头部,头与头盔之间不能有相对运动。头盔上配有三维定位跟踪设备,用于实时探测头部的位置和朝向。头部运动被一个电子单元采样并发送给计算机。计算机利用跟踪设备的反馈数据计算新的观察方向和视点位置,绘制更新后的虚拟场景图像并显示在头盔显示器的屏幕上。

(2)声音输出设备。声音输出设备是对立体显示设备提供的视觉反馈的补充。在虚拟现实系统中,主要使用耳机和喇叭这两类声音输出设备。喇叭允许多个用户同时听到声音,一般用于投影式虚拟现实系统,其位置远离头部。一般来说,耳机比喇叭具有更好的声音控制能力,所以在虚拟现实领域,耳机的应用较为普遍。

(3)触觉、力觉反馈设备。触觉、力觉反馈帮助用户在探索虚拟环境时,利用接触感来识别虚拟对象位置和方向,并操作和移动虚拟物体以完成某项任务。触觉反馈是指来自皮肤表面敏感神经传感器的触感,传送接触表面的几何结构、表面硬度、滑动和温度等实时信息。目前触觉反馈设备主要局限于手指接触感的反馈,种类有:充气式触觉反馈设备,如英国先进机器人研究中心研制的Tele tact充气式触觉手套;振动式触觉反馈设备,如形状记忆合金反馈设备;温度式触觉反馈设备,如日本Hokkaido大学开发的温度反馈设备。力觉反馈指身体的肌肉、肌腱和关节运动所能感受到的力量感和方向感,主要有虚拟对象表面柔顺性、重量和惯性等实时信息。

1.1.3 专业图形处理计算机

专业图形处理计算机是虚拟现实系统的关键部分,它从输入设备中读取数据,访问与任务相关的数据库,执行任务要求的实时计算,从而实时更新虚拟世界状态,并把结果反馈给输出显示设备。由于虚拟世界是一个复杂的场景,系统很难预测所有用户的动作,也很难在内存中存储所有状态,因此虚拟世界需要实时绘制和删除,这就大大地增加了计算量,对计算机的配置提出了极高的要求。

1.2 软件

1.2.1 数据库

在虚拟现实系统中,数据库用来存放虚拟世界中所有对象模型的相关信息和系统需要的各种数据,例如地形数据、场景模型、各种建筑模型等。在虚拟世界中,场景需要实时绘制,大量的虚拟对象需要保存、调用和更新,所以需要数据库对对象模型进行分类管理。

1.2.2 应用软件系统

应用软件系统是实现虚拟现实技术应用的关键,提供了工具包和场景图,以降低编程任务的复杂性。虚拟现实系统使用的工具包分为3类[5]:

(1)三维动画类。这类工具包用于构建三维场景以及场景中的对象,其效果逼真、制作简单,但不能精确控制。主要有3DS Max、Maya、AutoCAD等。

(2)网络场景类。这类工具包在服务器上实现,网络传输信息量少、控制灵活性不足,适用于开发在因特网上的应用。主要有World Toolkit(WTK)、VRML、Java3D等。

(3)直接控制类。这类工具包适用于场景建立时,对涉及的对象进行灵活、精确的控制,其编程要求较高。主要有OpenGL、Direct3D等。

用户根据现场要求选取合适的工具包。应用软件系统应用这些工具包和场景图来完成几何建模、运动建模、物理建模、行为建模和声音建模[8,9]。

(1)几何建模。几何建模描述了虚拟对象的形状(多边形、三角形、顶点和样条)以及外观(表面纹理、表面光强度和颜色)。可以使用以下方法创建虚拟对象:使用工具包编辑、导入CAD文件、使用三维数字化仪、使用三维扫描仪以及从现有数据库中购买模型等。

(2)运动建模。虚拟世界建模过程中,当设置完对象的形状和外观后,接下来要做的就是运动建模。运动建模主要用于确定三维对象在坐标系中的位置,以及它们在虚拟世界中的运动。设置观察世界的方式,即虚拟相机的运动。照相机图形需要经过投影到二维显示窗口中,为用户提供视觉反馈。

(3)物理建模。在几何建模和运动建模之后,下一步是综合体现对象的物理特性,包括重量、惯性、表面硬度、柔软度和变形模式(弹性或塑料)等。这些特性与对象的行为一起,给虚拟世界的模型带来更大的真实感。物理建模主要包括:碰撞检测、受力计算、力平滑、力映射和触觉纹理。

(4)行为建模。有些虚拟对象在一定程度上与用户的动作无关,即对不依赖于用户动作的对象行为建模。

(5)声音建模。声音建模主要是对虚拟场景中三维立体声音的定位与跟踪,让置身于虚拟世界的人能实时识别声音的类型和强度,判定声源的位置。声音建模的过程主要有:产生声音原型;引用原型声音并与移动的三维物体相连;将物体发出的声音变换到接收器上,计算三维环境的调节效果;对声音进行描述说明,在重新取样过程中完成声音再现。

1.2.3 虚拟现实开发平台

虚拟现实开发平台用于三维图形驱动的建立和应用功能的二次开发,同时是连接虚拟现实外设、建立数学模型和应用数据库的基础平台,是整个虚拟现实系统的核心,负责整个虚拟现实场景的开发、运算、生成,连接和协调各子系统的工作和运转。目前主流的虚拟现实开发平台有以下几种[10]。

(1)Vizard软件。Vizard虚拟现实开发平台至今已有10余年的历史。该平台容易上手,不需要丰富的编程经验,即使没有受过专业编程训练的人也能快速实现各种简单的三维交互场景。Vizard软件的图形渲染引擎基于C/C++实现,运用了最新的OpenGL扩展模块,将复杂的三维图形功能进行抽象化封装,并通过Python脚本语言提供编程接口。Vizard支持众多外部输入输出设备,是通用性最好的虚拟现实开发平台。公司主页:http://www.worldviz.com。

(2)Virtools软件。Virtools是一套实时3D环境虚拟实镜编辑软件,特点是易学易用、能用浏览器再现运行,没有程序基础的人员可利用内置的行为模块,快速制作出3D产品,适用于开发Web3D游戏。 公司主页:http://www.virtools.com。

(3)EON软件。EON是一款能将生产研发与行销整合的专业虚拟现实软件,目前,EON被世界公认为是整合性、延展性最好的虚拟现实开发展示系统。它可以读取55种CAD格式,支持99%以上的外设而无需编程,同时支持多种立体显示方式,适用于工商业、学术界和军事单位使用。公司主页:http://www.eonreality.com。

(4)Quest3D。Quest3D分为3个版本:Quest3DCreative是目前最适合个人开发者使用的开发软件。Quest3DPower Edition是完美的三维实时系统开发套件。Quest3DVR Edition使得开发者可以与外部硬件相连并对外部设备进行控制。公司主页:http://quest3d.com。

此外,还有很多用于虚拟现实系统开发的平台,如中视典数字科技有限公司独立开发的VR-Platform(VRP)三维虚拟现实平台软件、国内免费的专业虚拟现实仿真软件VEStudio、实景虚拟现实技术开发平台FlyVR、Unity3D等。

2 结语

虚拟现实技术发展迅猛,但有很多亟待解决的问题和缺陷:

(1)硬件设备难以满足虚拟现实系统需求。计算机的处理速度还不能满足虚拟世界中实时处理巨大数据量需要。硬件设备品种单一,在改进现有设备的同时应加快开发新的设备,以满足不同领域的应用。硬件设备造价过高,一个头盔显示器一般高达数万元。

(2)虚拟现实软件语言专业性强、通用性差。由于硬件设备的诸多限制,使得软件开发费用十分巨大,而软件所能实现的效果受时间和空间的影响较大。很多算法及相关理论也不成熟,如新型传感和感知机理、几何与物理建模新方法、基于嗅觉、味觉的相关理论与技术、高性能计算特别是高速图形图像处理,以及人工智能、心理学、社会学等方面,都有许多挑战性的问题有待解决。

(3)应用局限性。虚拟现实技术应用在军事领域、高校科研方面较多,在教育领域、工业领域应用远远不够,有待进一步加强。未来将向民用发展,并在不同行业发挥作用。

(4)3D眩晕症。3D眩晕症指用户处于虚拟环境中,由于运动频率超过适当的值所产生的类似头晕、恶心、呕吐等不适的感觉,这一症状目前还没有任何科学的解决方法。

作者简介:舒万能(1981-),男,湖北武汉人,博士,中南民族大学计算机科学学院讲师,研究方向为绿色云计算、智能计算。

摘要：随着计算机技术的快速发展,虚拟现实技术及虚拟现实系统需求日益剧增,对虚拟现实技术的研究和虚拟现实系统的开发也倍受重视。分析了虚拟现实系统的架构组成,对每个组成部分的功能和特点进行了分析;对主流的虚拟现实开发平台特性和适用场合进行了分析比较,指出了虚拟现实系统存在的问题。旨在帮助虚拟现实系统开发者对系统架构和组成有详细认识,为其提供研究方向。

关键词：虚拟现实,系统架构,硬件,软件,开发平台

参考文献

[1]赵沁平.虚拟现实综述[J].中国科学:信息科学,2009,39(1):2-46.

[2]邹湘军,孙建,何汉武.虚拟现实技术的演变发展与展望[J].系统仿真学报,2004,16(9):1905-1909.

[3]安维华.虚拟现实技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,2014.

[4]MIDORI KITAGAWA BRIAN WINDSOR.An overview and history of motion capture[EB/OL].http://fanyi.baidu.com/?aldtype=23#en/zh/%5B4%5D%09MIDORI%20KITAGAWA%2C%20BRIAN%20WINDSOR.An%20Overview%20and%20History%20of%20Motion%20Capture.

[5]The software and hardware of virtual reality[EB/OL].[2011-04-02].http://www.docin.com/p-167672398.html.

[6]王海涛,度红望,熊伟,等.气动式反馈数据手套设计与验证[J].计算机辅助设计与图形学学报,2012,24(11):1493-1499.

[7]安明,陈善广,刘玉庆.基于数据手套的虚拟手精确建模的研究与实现[J].计算机仿真,2010,27(1):241-244.

[8]刘光然.虚拟现实技术[M].北京:清华大学出版社,2014.

[9]GRIGORE C.BURDEA,PHILIPPE COIFFET.虚拟现实技术[M].魏迎梅,栾悉道,译.第2版.北京:电子工业出版社,2005.

虚拟现实系统 篇2

】

目的 应用手术规划系统，探索虚拟现实技术在神经外科的应用价值和方法。方法 术前采集10例颅内深部病变患者的CT、MRI、CTA、MRA、DSA影像资料输入Dextroscope工作站进行图像融合处理和三维重建，在虚拟影像上观察病变与周围组织的空间关系，设计手术入路、模拟手术过程进行骨窗开颅、颅骨磨除及肿瘤切除，并与实际术中所见进行比较。结果 术中所见病变与周边重神经血管结构的空间关系和病变解剖细节与术前模拟完全吻合，减少了手术时间。通过手术模拟，术者得以提前预演手术经过，为优化治疗方案创造了条件。结论 虚拟现实手术规划系统有助于术前诊断、制定详细的手术计划、预先评价手术难度，提高手术安全性。是医疗教学和训练的得力工具。

计算机图像处理技术的飞越，提供了日益清晰细致的医学影像，但不同成像技术在成像能力上对不同组织各具优势。虚拟现实（virtual reality, VR）的出现，为不同模式的影像资料融合成同一图像提供了平台，使各种成像技术取长补短，并通过后处理，在虚拟三维空间上呈现给人们一个可以交互互动的全息立体仿真环境。我科自2006年10月至12月间，运用Dextroscope 手术规划系统，对10例神经外科手术病例进行术前手术规划和模拟操作，体会如下。

资料与方法

1.1 临床资料 本组共进行了10例术前手术规划和模拟，其中蝶骨嵴内侧型脑膜瘤、听神经瘤各2例，巨大嗅沟脑膜瘤、垂体瘤、眼动脉瘤、前交通动脉瘤、岩斜脑膜瘤、松果体区肿瘤各1例。

1.2 Dextroscope工作站(Dextroscope MK 10，新加坡Volume Interactions公司)，包括主服务器和虚拟操作平台，软件版本RadioDexter 1.0。(1)术前完成患者各类影像资料的采集，可用DICOM3、TIFF和SGI Classic、Raw volume chunk或slices、Analyze AVW Volume或7.5 Image等多种格式的CT、MRI、MRA、CTA、DSA资料，数据都将会被转换为RadioDexter原始格式(mk)。扫描求为无间隔、薄层、无重叠、不间断连续扫描。(2)加载数据到Radiodexter，通过预处理排除图像干扰，将各类图像的优势细节调试出来，导入Dextroscope VR环境，通过图像配准和融合，获得一个细节丰富、易于区分的三维立体图形。通过分割工具，可以将不同结构单独挑选出来全方位仔细观察，还可以调整透明度和分别着色后重新放回原位，使不同结构的分界更加直观。(3)通过佩戴立体眼镜和将双手伸入反射镜面背后操纵电磁示踪设备，术者有机会体验显微镜下真实操作环境，模拟手术入路和操作，直接切除病变并空间测量。所有操作动作均可被记录和反复回放，进行事后评估和演示教学。

1.3 实施手术 依据手术模拟确定的体表标志开颅，对照比较术前虚拟环境与真实手术入路中所见解剖标志和空间关系。

结 果

虚拟显示大脑皮层血管和引流静脉与术中所见完全吻合。虚拟眼动脉段动脉瘤朝向及瘤颈与前床突及视神经关系与实际相同，简化了术中周边探查步骤，从而顺利实施前床突磨除和动脉瘤夹闭(图1)。通过手术模拟，事先获知蝶骨嵴内侧型脑膜瘤对同侧颈内动脉和大脑中动脉的包裹情况，手术开始早期肿瘤得以迅速内减压缩小体积，然后动脉主干得以安全游离，肿瘤全切(图2)。其他病例术前手术模拟也为手术骨窗调整和病变周边细节解析提供了常规影像无法获得的信息，手术时间大为缩短。

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作者：陈永严 刘宏毅 邹元杰 常义

【论文关键词】 颅底外科 虚拟现实 神经外科 手术计划

【论文摘】 目的 应用手术规划系统，探索虚拟现实技术在神经外科的应...本篇论文由网友投稿，3COME文档只给大家提供一个交流平台，请大家参考，如有版权问题请联系我们尽快处理。

虚拟现实技术已经面世多年，但由于早年硬件庞大昂贵，最初仅应用于军事及航天飞行训练领域。该技术使代价高昂的操作得以低成本的无限重复，特别为初级医务人员无法触及的领域提供了实践机会。医用Dextroscope系统运用VR技术实现了手术操作的真实模拟。最主的特点是：(1)交互性：按操作者意图去执行并即刻反馈，尽量接近临床的真实过程。(2)虚拟性：通过计算机技术将不同影像技术进行整合，在一个数字模型中同时展示各自的优势，并根据需在任意角度和平面分别或综合提供全息化的解剖信息。(3)可复性：由于不接触病人，虚拟手术操作可多次重复、修改和扩展［1～3］。

讨 论

本组病例的实际应用显示，VR系统构建的相关结构三维可视化模型，使操作者可以透过立体眼镜观察到三维立体图像，并且在近似日常操作环境的眼前30～40 cm处观察和直接操作3D虚拟对象，不仅真实模拟手眼协调操作，而且同步体验操作空间的透视纵深感。通过模拟，术者可以更为有效地利用各类影像信息，加深影像理解，更为直观地了解解剖关系，在手术进行前制定最优的手术计划，充分估计手术难点、制定对策并反复推演［4］。

我们同时也发现：首先图像导入后的处理过程需熟悉，特别是三维数字模型中各个结构的分割处理，调试不当可能损失许多解剖细节。其次，影像解读仍然需基于良好的生理和病理解剖知识的判断，比如嗅沟脑膜瘤病例，模拟显示肿瘤表面丰富的血管网，却无法区分实际伴行其间的大脑前动脉主干，需临床医生根据解剖常识去判断。另外，软件对高亮信号结构的数据提取良好，对低暗信号病变，比如囊性变部分，图像分割时很难建立满意的三维模型。因此，融合较多不同成像方式影像建立的三维模型在结构区分上会更加清晰。

我们认为，Dextroscope VR系统的模拟影像与真实情况吻合度高，充分显示解剖细节和变异，操作界面友好。对于初学者，有助于无创诊断、模拟外科操作、教学和训练。对于有经验的临床医生，可以更好解读患者的解剖信息，预知解剖变异，使手术目标更加清晰，手术操作更加安全。

【参考文献】

虚拟现实系统 篇3

关键词：虚拟现实；实验教学系统；构建

中图分类号：TP37 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 03-0000-01

Constructing of Network Virtual Experiment Teaching System on Virtual Reality Technology

Li Xiuluan

(Marine Department of 91,040 Troops North China Sea Navy,Qingdao 266231,Chian)

Abstract:The current problems in the experiment teaching were analyzed,and presented the major advantages for the applicatin of network virtual experiment teaching system.The paper conducted a study to construct network virtual experiment teaching system based on virtual reality technology,and specifically analyzed the functional models and the system framework,etc.

Keywords:Virtual reality;Experiment teaching system;Construction

传统的实验教学模式常常以教师为中心，学生要按照教师的布置来完成实验操作。实验中缺少交互的情况广泛存在，使学生常处于被动状态，对于学生主动性学习和创造能力的培养不利。虚拟实验的概念是随着计算机和网络技术的发展而发展起来的，能够使实验者像在真实环境中一样完成预定的实验项目。本文重点结合虚拟现实技术和网络技术来设计一个网络虚拟实验教学系统，并给出系统模型和功能的设计。

一、网络虚拟实验教学系统开发的需求分析

随着素质教育的逐步推进，教育领域对于实验教学的要求也越来越高。传统的实验教学受到实验器材、场地以及其它环境条件的限制，存在许多问题，主要包括以下几个方面：第一，实验中演示性和验证性内容多，实验步骤和方法固定，过程单调，学生在实验中往往忽视对实验现象和实验过程的观察和思考，不利于学生主动性、创造性思维的培养。第二，实验运行效率低、成本高的问题严重。传统实验器材购置和运行成本高，功能有限，支持的实验内容少，容易造成实验设备闲置和实验室空间浪费。第三，实验手段落后，教学效果有限。随着教育改革的不断深入，对教学实验设备的要求也越来越高，但实验设备的更新却很难同步进行，实验手段落后的问题大量存在。

随着计算机技术和网络技术的发展，虚拟实验教学发展很快。网络虚拟实验教学系统是一个基于网络环境的实验教学系统，系统中大量采用数据库、网络、虚拟现实、计算机仿真等技术，能够为学习者提供虚拟的实验环境。与传统实验相比，网络虚拟实验教学系统突破了实验设备硬件的限制，可以根据不同的实验内容调用不同的虚拟实验单元，并将其组合成不同的实验，能够节省实验资源，学生可以通过自主或者在教师指导下方便的进行实验项目的选择，能够有力的提高学生学习的主动性和激发学生的学习兴趣。

二、基于虚拟现实技术的网络虚拟实验教学系统的构建

从教学和管理的角度看，网络虚拟实验教学系统主要包括三类用户：系统管理员、教师和学生。从逻辑结构上看，网络虚拟实验教学系统可分为教师平台、学生平台和系统管理员平台。这三类用户均运行于基于Web的浏览器/服务器（B/S）模式的系统平台之上，网络虚拟实验教学系统的模型结构如图1所示。

系统各个组成部分的主要功能如下：

学生平台：学生在系统中占据中心地位。学生可以经过授权进入虚拟实验教学系统，进行实验项目的选择和实验的相关操作。包括学习实验教学课件、掌握实验原理、观看实验演示过程、了解实验仪器和设备等。之后，学生即可通过设定的实验项目来选择实验仪器和设备，进行仿真实验操作，并对实验结果和实验数据进行分析。实验过程中，学生可以通过系统提交实验报告，随时提出问题并与教师交互学习。教师平台：教师主要是对实验教学的资源进行制作和管理，包括制作实验教学课件，更新和补充实验资料，对虚拟实验对象的数据库进行管理和维护，生成实验项目，监控实验过程，评价实验结果，解答疑难问题等。管理员平台：负责对系统用户进行管理，进行系统安全策略管理和管理与系统配置。虚拟实验仿真系统：虚拟实验仿真系统作为整个系统的控制中心和最关键的构件，用来将各种实验资源、仪器、实验条件、结果和策略等组合在一起呈现给用户，学生通过虚拟实验仿真系统生成的实验对象和仪器进行实验。虚拟实验仪器设备及对象库：用来存放虚拟实验设备和仪器。实验条件和结果库：用来贮存实验条件和实验结果。

三、结束语

实验教学是配合理论教学的关键教学环节，是实践教学的重要组成部分，对于培养学生分析和解决问题的能力以及学生的实践能力都具有重要作用。文中结合虚拟现实技术，对网络虚拟实验教学系统的基本构建进行研究，给出了网络虚拟实验教学系统的模型结构，致力构建实践性强、仿真性好的虚拟实验教学系统。

参考文献：

[1]王国权等.虚拟试验技术[M].电子工业出版社,2004,05

[2]徐紅,刘羽,王林.网络虚拟实验室建设的研究[J].实验科学与技术,2007,5(4):132-134,147

车联网虚拟现实系统 篇4

国内:车联网是自2010年起新兴的一项技术, 陕汽重卡等企业先后推出车联网解决方案:G-BOS智慧运营系统。清华大学、同济大学等高校先后引入车联网领域的基础理论、关键技术与应用技术等, 搭建车载宽带无线接入系统仿真平台、硬件测试平台、无人驾驶汽车信息采集处理平台以及交通监控视频采集和处理平台等。

国外:陆续出现欧洲CVIS、美国IVHS、日本Smart Way等系统, 通过车辆和道路之间建立有效的信息通信, 实现智能交通的管理和信息服务。

研究目的:将电子标签装载在车辆上, 通过无线射频等识别技术, 利用云计算处理法实现在信息网络平台上对车辆的属性信息和静、动态信息的提取和有效利用, 并以此构建可交互式虚拟现实系统, 根据不同的功能需求对车辆的运行状态进行有效的监管和提供综合服务主要研究内容:1.电子标签的装载;2.无线射频技术的信息采集;3.云计算终端处理;4.虚拟现实系统架构。

研究思路和方法:基本思路为:装载电子标签, 运用无线射频技术采集车辆运动信息, 采用云计算法处理信息, 架构虚拟现实系统, 实现信息交互与显示。故在初期研究电子标签与射频技术, 力图得到完善正确的信息;然后在可以得到正确信息的基础上学习云计算处理法, 对信息进行解析与识别, 实现信息的及时处理;最后根据处理得到的信息架构虚拟现实系统, 反复调试程序, 保证现实与虚拟的无缝结合, 便于车辆的管理与调控。

重点:1.电子标签的装载位置的正确选择;2.利用无线射频技术对电子标签识别到的信息进行采集;3.解析通信协议, 在云计算的基础上处理采集到的信息;4.利用Java架构虚拟现实系统, 实现车辆的监管与操控。

难点:1.正确选择电子标签位置需要大量的尝试与经验;2.信息的采集与处理并非一件容易的事情, 无线射频技术作为近年来发展的前沿技术, 虽然日渐完善, 但想必也会存在一些缺陷, 应用中如何妥善学习与应用射频采集技术将是一个技术挑战;3.云计算可以及时处理信息, 但云计算的理论并不是浅显的, 从大量通信信息中处理并归类, 乃至抛弃错误的信息, 需要对车辆运动的反复实验与信息校正;4.Java用来开发一些软件, 架构虚拟现实, 实现人机交互功能。但如何实。

现软件功能与车辆运动的完美接口, 仍需要对程序的不断调试科学性:电子标签作为信息反馈系统广泛用于各行各业, 通过它可以实时得到车辆的运动信息, 云计算在网络上可用于信息的传递与处理, 虚拟现实系统便于车辆的管理。

创新点:1.采用电子标签而非普通的传感器, 节约成本;2.利用射频技术采集信息, 相比一般的信息采集方法更精确、快速;3.采用云计算法处理信息, 实现信息网络的及时刷新, 保证及时性;4.架构虚拟现实系统, 直观显示路径及车辆运动信息, 方便人对车辆的调控与管理。

应用价值及实际意义:汽车移动物联网 (车联网) 项目将列为我国重大专项第三专项的重要项目。车联网发展的最终目的就是优化交通, 把延误程度降到最低, 让市民可以用最少的时间到达目的地, 通过改善交通运输的安全、环保和效率, 最终为市民的出行提供了更多的便利。

摘要：本文在系统分析了国内外车联网发展的情况下, 提出了一种新型的基于无线射频信息采集和云计算终端处理的车联网虚拟现实系统。并对其在未来汽车上的应用进行了展望。

关键词：无线射频,云计算,车联网

参考文献

[1]诸彤宇, 王家川, 陈智宏.车联网技术初探[J].交通工程, 2011, 05.

虚拟现实系统 篇5

虚拟企业的系统论诠释--从组织结构与运行机制看虚拟企业的系统性

从系统论的视角来分析和研究虚拟企业,指出虚拟企业是一个复杂巨系统.从组织结构看虚拟企业具有有机整体性、结构功能性、层次序列性、分形结构性等系统特性;从运行机制看虚拟企业具有动态开放性、非线性、协同合作性等自组织特性.

作 者：蒋山花 何跃 JIANG Shan-hua HE Yue 作者单位：重庆大学,贸易与行政学院,重庆,400044刊 名：系统科学学报 PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF SYSTEMS SCIENCE年，卷(期)：200614(3)分类号：N941 B02关键词：虚拟企业 系统论 组织结构 运行机制

虚拟现实系统 篇6

关键词：综采；工作面；安全生产；虚拟现实系统；关键技术

引言

严格意义上来讲，虚拟现实技术属于一门新兴的科学技术，目前已经被广泛应用于航空、航天以及船舶等多方领域之中。虚拟现实技术不仅在一定程度上具备多媒体信息的特点，也能够通过对虚拟现实技术的应用来为矿井生产提供应急救援提供新的途径。其主要原理在于能够利用计算机营造出一种人为的虚拟环境，这种环境的具有较高的仿真性，能够使用户完全沉浸入这种虚拟环境之中，对于煤炭行业的发展来说具有重要的现实意义。

一.综采工作面安全生产虚拟现实系统的重要作用

随着我国煤炭行业中科学技术应用水平的不断提高，我国煤炭工业的面貌发生了极大地改变，不仅工人们的劳动强度得到了较大的降低，煤炭生产的产量也得到了很大的提升，为社会经济建设贡献了巨大的力量。但是煤炭生产事故的发生率却一直都居高不下，在一定程度上加大了广大煤矿工作人员的心理负担。导致安全事故频频发生的原因除了自然条件因素之外，更多的是来自于安全管理模式的欠缺。而综采工作面安全生产虚拟现实系统则能够使人通过个人的视觉、听觉、触觉以及形体和手势参与进信息处理的环境之中，进而得到身临其境的感觉体验。过去传统的综采工作面仿真主要偏重于数字仿真，也就是编制程序采用随机方式仿真生产过程，并由此得出工作面产量以及其他的结果的研究。但是当前虚拟现实技术在综采工作面生产过程中的运用则相对具有更高的性能性，将其应用于矿工培训中不仅能够减少投资、安全可靠，还在很大程度上具有可重复操作的优越性能，对于煤炭行业来说具有十分深远的影响，在有效降低事故发生率的前提下去提升煤炭生产效率。

二.虚拟现实系统的主要构成

对于总裁工作面安全生产虚拟现实系统来说，无论外部条件发生怎样的变化，其主要的构成是不变的。通常情况下，虚拟现实系统都是由虚拟环境、传感器件、作用器件、人以及虚拟环境发生器等几部分组成。其中虚拟环境主要是由虚拟环境发生器所产生，进而使人能够借助于传感器件以及作用器件等媒介进行交往，使人们造成一种身入其境的感觉体验。传感器件主要是将虚拟环境中的形象、动作以及声音等各项因素进行转换，使人们将这种感觉理解成正常情况下的经历。而作用器件则是用来将人的一些约定动作变成作用信息，使人们对虚拟环境有所察觉。人是整个虚拟现实环境系统中的重要主体，去感受到虚拟环境的存在并且通过对虚拟环境的体验做出相应的反应。这些构件都是组成虚拟现实系统不可或缺的重要部分。对于从事煤矿的安全生产来说，虚拟现实系统的很大一部分作用都来自于此方面的影响。

三.综采工作面安全生产虚拟现实系统中的关键技术

（一）实物虚化与虚物实化

一般来说，实物虚化主要就是指现实世界空间向多维信息化空间的一种映射，其中包含了基本模型构建、空间跟踪以及声音定位和视觉跟踪等多项关键技术。在这些相关技术的共同作用下促成了虚拟世界的形成。在这些技术之中，基本模型构建技术是形成虚拟世界的重要基础和前提，它能够将现实世界中的对象物体在相应的3D虚拟世界中进行重新构造，依照系统的相关需要进行部分物理属性的保存。就像车辆在不同的道路上行驶，其行车效果也不尽相同。而空间跟踪技术则是指通过头盔显示器以及数据手套等相关交互工具上的传感器来确定用户各身体部位在虚拟环境中的位置和方向。声音跟踪技术则是根据对不同生源声音的利用来进行到达某一地点的时间差、相位差以及声压差等進行虚拟环境的声音跟踪。视觉跟踪则是通过对摄像机到X-Y平面阵列以及跟踪光在图像摄影平面不同时刻和不同位置上的投影来进行被跟踪对象位置和方向的计算。

相对于实物虚化来讲，虚物实化则是指确保用户能够从虚拟环境中获得到与现实世界中一样的视觉、听觉以及触觉等方面体验的关键技术。通常情况下，能否使参与者形成沉浸感的主要原因除了使其具备相应的知觉体验外，还在于其是否能够感受到虚拟物体的反作用力。

（二）高性能计算机处理技术

最后，作为一种现代化的高新技术虚拟现实系统要想充分发挥其应有的作用就不能缺少高性能的计算机处理技术。高性能计算机处理技术主要包含了数据转换以及数据预处理技术、能够生成并显示出逼真图像的技术、各类声音合成以及声音空间化技术、多维信息数据融合以及相关的命令识别和语音识别等各类技术。对于虚拟现实系统来说，计算机技术是能够使其作用得以发挥的重要保障，在很大程度上左右着安全生产目标的实现。

结束语：对于煤炭行业未来的发展来说，引入虚拟现实技术已经成为了一种时代发展的趋势。然而就我国目前的状况来说，虚拟现实技术的发展应用仍然处于初级阶段，所以对其进行深入探析和研究具有重要的现实意义。我们应当抓住虚拟现实系统的重点部位，通过对其核心技术的发展来为综采工作面的安全生产提供重要支撑。

参考文献：

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[3]韩可琦，苌道方. 虚拟现实技术在综采工作面仿真中的应用[J]. 计算机仿真，2006，06：229-232.

基于全景视图的虚拟现实系统研究 篇7

全景视图是近年来出现在Internet网络上的另一种虚拟场景绘制的表现形式。是通过相机360度拍照, 然后通过相应的专业软件拼接而成的全景视图形表现形式。它是基于图形绘制的IBR (Image-Based Render) 的关键性技术。全景技术作为目前迅猛发展的新一门视觉新技术, 它能够使得图片的分辨率得以拓展, 同时亦能实现信息的压缩。

现今, 业界对于全景视图的制作方法就是通过360环绕采图形式, 制作的方式也很简单, 在固定的点上, 通过照相/摄像机按一定比例、均匀的角度以中心点为轴心, 进行360度的环绕拍摄采集图像, 采集后的图像在通过计算机的进行图像拼接与处理, 从而生成了我们现在所见的全景图像, 之后再通过计算机展现出来, 并在局部位置提供有限的漫游功能, 让使用着有着如临其境的感觉。全景视图的发展也有着它本身的局限性, 例如视点单一化, 只能在场景内局部漫游等等。但因它的技术不断的成熟, 较为强大的可操作性, 使之成为了虚拟现实应用中最为普遍的IBR技术之一。现今全景视图主要应用在:游戏的设计、电影的特技、虚拟博物馆、虚拟场景等等之上。得到社会各界的一致接纳与欢迎, 其发展前进显而易见。

2 如何制作全景视图, 其流程情况是怎样的

全景视图的制作囊括内容可分为两大模式, 其一为图像方面, 其二为计算机方面。其中包含了全景模拟的选择、采图、拼图、图像缝合以及展示。首先, 在图像方面有三个步骤, 第一为图像的采集, 第二为图像的拼接与处理, 第三为图像柱面的投影, 三个步骤的展开从而使得图像方面得以发挥。其次, 在计算机方面有两个步骤, 第一为计算机的绘制, 第二为运动物体的生成。通过图像方面与计算机方面五个步骤的有效结合, 全景视图的虚拟现实系统方才得以体现出来。

其中每个步骤的具体表现形式我们归为五点来介绍:

1) 全景视图模拟的选择。根据其展示方式的不同, 我们将它很为三个有效模式, 即立方体、球体、圆柱体模式。分别将已经拼接好的全景图像通过投影方式投影到模式体的内表面, 使得全景图像巧妙的展示出来;

2) 采集图像。我们将其方法归纳为两种, 第一种, 用全景拍摄或者用普通相机取材, 之后进行图像拼接。全景拍摄虽然效率高, 但是成本高, 并不是很通用, 而普通相机取材成本低, 相对来说使用拼接技术一样可以达到预期目标, 所以全景图像拼接算法正是研究全景图像生成核心技术的重点所在了;

3) 图像的拼接技术与缝合技术。全景图像的拼接生成算法我们归纳为三种, 第一为特征方法, 第二为流的方法, 第三为相关于相位的方法。在拼接过程中, 抽取出合适的图像特征, 使得拼接得以定位, 检测算法我们可以通过Laplace算子边缘得到, 它是数字图像处理算法的其中一个方法。在将图像运用二值化处理和噪音消除方法取出特征图像。图像在经过了变换后, 两幅具有重叠相似区域的图像变产生了。得到图像之后的拼接过程不是随随便便将图像拼接在一起, 还需要对图像进行修剪缝合, 使得图像重叠的部分被剔除, 达到图像无缝拼接的要求。因图像在拼接之后, 拼接处会有明显的缝隙, 要使得合成的图像是无缝效果, 可以利用颜色拟合法和调和相邻图像亮度调节法进行处理。图像缝合也分了两种方法, 首先是通过两性插值法处理图像在经过矩阵投影产生的新投影图像, 其次是线性插值法处理图像的重叠区域。有了这些方法的运用无痕合成图像便巧妙的产生了;

4) 全景图像的展现与表达。在得到了处理好之后的全景图像之后, 就需要将其表现出来, 那么就需要将得到的360度全景图像投影到所选择的模型内表面上, 从而达到表达效果, 以提供简单的浏览条件;

5) 生成运动物体。其实生成运动物体, 达到运动效果, 可以和全景图像的生成方式一样, 同样可以通过以上方式生产图像。在照相机取材的时候, 将水平与垂直方向各按一定比例拍摄一圈, 那么对物体的二维交互控制就得到了体现。

3 虚拟实景空间的探索分析

虚拟实景顾名思义就是将我们现有的虚拟技术将现实生活中的场景展现出来的方法。因该技术复杂度高的原因, 该技术的实现得到了限制, 从而提出通过IBR全景技术, 将图像数据通过虚拟环境的全景图方式体现出来, 其原因在于它较高的可靠性以及真实度。虚拟实景的图像数据来源都是以真实场景的照片为主, 围绕人机操作核心, 相比于传统的虚拟实景技术, 在真实性之上、人机互交等都有相对的优势。我们可以通过几个方面去分析它的特点:

1) 拥有真实性较强的原始数据。基于建模的虚拟空间主要利用3D技术将实景实现几何模型。相应的, 虚拟实景空间则是将真实的场景图像展现出来;

2) 空间关系。虚拟的场景和视点的关系是虚拟空间的表现形式, 虚拟实景空间则是以图像的采集点为视点, 观察者可以通过这个视点观察空间场景中360°×180°的基本元素, 它所表达的场景信息都是真实、有效的数据;

3) 虚拟的理解。虚拟场景空间中的虚拟它所表达的是在图片采集的基础上, 通过利用计算机的技术, 将真实有效的原始场景信息通过虚拟的渠道展现为直观的、易于操作管理的虚拟信息, 让我们可以能够无需身临其境即可了解到现实场景信息;

4) 交互关系。虚拟实景技术的逐渐发展起来是基于它易于交互和操作, 也是交互性的一大关键条件。如今的虚拟实景技术发展由于其复杂性高的原因导致, 交互的控制自由度也是有限的, 而这种空间可操纵的自由度仍旧还是有着可提升的空间的, 但是前提还是需要虚拟实景技术的不断的发展和成熟。

4 结论

随着现今基于图像绘制这种技术的不断发展深入, 全景图像已经在军事技术、科学研究、商业文化、影视娱乐、工程教育等等都得到了广泛的应用, 同时也伴随着JAVA技术和Internet技术的不断发展, 虚拟现实系统技术也将会发展成为一种快捷、便利、实用等不错效果的虚拟现实系统。

参考文献

[1]杨崴.基于全景视图的虚拟现实系统研究[D].贵州大学, 2007, 4.

虚拟现实系统 篇8

随着近年来计算机硬件技术和虚拟设备的飞速发展, 采用虚拟现实技术模拟真实的应用环境的条件已经变得越来越成熟。虚拟现实实验技术在医学领域的应用, 也变得越来越重要。本文讨论的虚拟手术实验系统正是基于虚拟现实技术在医学手术领域中的一种应用。虚拟手术实验系统可以真实的模拟手术过程, 相比于真实的手术, 它具有操作过程的可逆性、实时性、可间断性和单一步骤的重复性, 更加利于新医生的实习、培养、教学和手术的研究等。

二、虚拟现实技术

虚拟现实 (Virtual Reality) , 简称VR或称灵境技术, 实际上是一种可创建和体验虚拟世界 (Virtual World) 的计算机系统。此种虚拟世界由计算机生成, 可以是现实世界的再现, 亦可以是构想中的世界, 用户可借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互。它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界, 并通过头盔显示器 (HMD) 、数据手套等辅助传感设备, 提供用户一个观测与该虚拟世界交互的三维界面, 使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化, 产生沉浸感。VR技术是计算机技术、计算机图形学、计算机视觉、视觉生理学、视觉心理学、仿真技术、微电子技术、多媒体技术、信息技术、立体显示技术、传感与测量技术、软件工程、语音识别与合成技术、人机接口技术、网络技术及人工智能技术等多种高新技术集成之结晶。其逼真性和实时交互性为系统仿真技术提供有力的支撑。它同时具有沉浸性 (immersion) 、交互性 (interaction) 和构想性 (imagination) , 使人们能沉浸其中, 超越其上, 出入自然, 形成具有交互效能多维化的信息环境。

三、VR系统的构成

1、高性能计算机系统、计算机图像的特征采样与图形交互作用技术。

2、虚拟环境生成器, 军事训练模拟中的视景生成技术是当前研究的一个重要内容。智能虚拟环境 (IVE) 是VR、人工智能及人工生命技术的有机结合, 目前, 有关IVE的研究工作在国外亦刚刚起步, 有众多关键技术仍需作进一步的研究。现从事IVE研究的人员大多来自人工智能和知识工程领域, 随着对IVE技术研究的深入, 该领域必将会得到重大的突破, 具有高度行为真实感的、支持多个参与者的、具有生命特征的智能虚拟世界将会日趋涌现。当前VR研究中的一个热门课题是分布式虚拟环境 (DVE) 。

3、计算机网络。

4、三维视景图像生成及立体显示系统, 基于图像的视景生成技术需解决的问题是显示的模型及如何在模型上产生出图像。这主要有柱面模型和球面模型两种, 战场环境仿真是作战仿真的重要内容, 逼真的战场环境实时仿真是作战仿真之基础, 因此充分利用VR及计算机图形学最新研究成果的战场可视化系统便应运而生。

5、立体音响生成与扬声系统, 它是虚拟环境多维信息中的一个重要组成部分。听觉是仅次于视觉的感知途径, 它向用户提供的辅助信息, 可增强视觉的感知, 弥补视觉效果之不足, 增强环境的逼真性。利用不同声源到达某一特定位置的时间差、相位差及声压差等进行虚拟环境的声音跟踪是实物虚化的重要组成部分;声波传播时间测定法和相位相干测定法属于实现声音定位跟踪的两种基本方法。

6、力反馈触觉系统, 参与者在虚拟环境中产生沉浸感的重要因素之一是用户在用手或身体操纵虚拟物体时, 能感受到虚拟物体与虚拟物体之间的作用力与反作用力, 从而产生出触觉和力觉的感知。

7、人体的姿势、头、眼、手位置的跟踪测量系统, 运动跟踪作为人与虚拟环境之间信息交互的一个重要因素, 是近年来VR技术发展的一个重要领域。人体行为交互是人际之间除语音外的一种重要交互方法, 行为表现模型的建立是一个技术关键。信息社会的显著特点与基础是数字化技术, 人类自身的数字化便显得颇为重要, 需进行深入的研究, 这便是虚拟人合成的研究目的及其意义所在, 最终使得计算机与人之间可实现自然化的交互。

8、人机接口界面及多维的通信方式, 这些技术目前主要集中反映在头盔显示器和数据手套这两类交互设备中。

9、各种数据库 (地形地貌、地理信息、图像纹理、气动数据、武器性能参数、导航数据、气象数据、背景干扰及通用模型等) 。

10、软件支撑环境, 需建立并开发出虚拟世界数据库;在底层支撑软件及三维造型软件的支撑下, 建立起VR系统的开发工具软件;在输入输出传感器等硬件支撑下, 建立起人机交互图形的界面。

四、虚拟手术实验系统体系构架

虚拟手术是集医学、生物力学、机械学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析等诸多学科为一体的新型交叉研究领域。它在时间段上包括术前、术中、术后, 在实现的目的上有手术计划制定、手术演习、手术教学、手术技能训练, 术中引导手术、术后康复等。

虚拟手术实验系统一般采用分布式网络结构, 将CT, MR, 3D超声及其它医疗设备获得的DICOM3.0文件或影像重建为多种影像格式。支持3D医学模型的创建、存储、编辑、手术计划、手术模拟功能, 并可方便的为网络中的医生提供观摩和实验操作。

五、虚拟手术实验系统的系统功能

1、表面重建:依据不同的数据建立模型。建立的模型可以进行组合、旋转、平移、切割等操作。

2、内组织模型构建:使用医学影像数据, 生成器官的3D内表面模型, 构建内组织模型。

3、密度投影:可以任意的选择角度进行观看, 模拟出三维效果。

4、模拟手术:手术模拟可以让医生方便的对各种组织进行切割和组合, 完整的实现手术过程的展示, 过程中会给出精准的手术数据以便于医生术后进行总结。

六、总结

虚拟手术实验系统的研究具有非常重大的现实意义。由于传统手术的创伤大、风险高, 在手术时, 术前精确的测量和手术计划的准确制定仍然是临床治疗过程中的一个难题。目前, 国内外学者已经建立了一些虚拟手术系统。

虚拟手术实验系统具有精确的术前测量, 真实的术中模拟和良好的术后指导功能, 可以极大的提高医生的手术水平。此外, 利用三维手术规划和模拟功能, 还可以让患者比较形象直观地了解损伤的程度、手术过程和术后效果, 使其更好的配合医生的手术和治疗, 从而能够加强医患之间的交流与合作, 最终达到提高临床治疗效果的目的。

参考文献

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[2]Archip N, Rohling R.Volumetric anatomical modeling from medical images[J].Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc, 2004, 3:1838-1841.

虚拟现实系统 篇9

苯抽提装置仿真培训系统的组成包括后台工艺模型、仿真DCS系统、2D现场站以及三维虚拟现实现场站。开发人员将不同装置的模型分别部署在各个车间的学员基站上, 学员基站通过公司网络向GPRES服务器发送运行请求。GPRES服务器通过识别学员基站的静态IP地址发放不同的运行开发权限。

工艺模型是整套仿真培训系统的数据源, 是采用北京华康达计算机应用技术有限公司开发的过程动态仿真软件GPRES开发的化工过程模拟模型。该模型是以化工原理、化工热力学、物理化学、反应动力学等机理为基础的机理模型。设备数据来源于装置实际数据和设计数据。稳态以稳态计算软件ASPENPLUS计算的稳态数据为基础, 同时拟合了冷态、稳态等多套装置设计数据和现场实际数据, 与实际拟合度高, 其稳态数据与现场数据误差不超过1%, 操作动态响应趋势、连锁响应及事故现象与实际工厂一致, 动态响应过程中数据误差不超过3% (主要变量误差不超过1%) 。通过对模型运行倍率进行调节可以缩短培训过程中的无效等待时间, 例如, 仿真系统按照实际开工方案1倍速度运行, 从气密到完全开工正常需要7天时间, 与装置实际生产基本一致, 如果将运行倍率改为150倍, 可在1小时内完成该系列操作。

仿真DCS系统是采用Eml Base软件开发的高度仿真DCS操作系统。仿真DCS系统各界面和操作面板采用真实DCS操作系统截图为底图开发, 与实际DCS操作系统完全一致。控制系统采用与实际DCS系统一致的算法, 其控制系统操作与响应、联锁操作均参照真实DCS系统的操作过程开发, 符合操作员操作习惯, 提高主操仿真操作的逼真度。仿真DCS系统还具备实时数据显示、历史趋势查询、实时报警提示、历史报警查询等功能, 使操作员进行事故演练时可以自主分析判断事故原因, 从而指定事故处理方案。

2D现场站是传统仿真培训系统经常采用的现场站形式, 一般以工艺原则流程图 (PFD图) 和工艺自控仪表流程图 (P&ID图) 为基础开发, 能够清晰地展示现场工艺流程, 主要用于工艺流程培训和辅助DCS控制操作培训。

三维虚拟现实现场站的开发采用北京华康达计算机应用技术有限公司开发的过程动态仿真软件平台VRS, 是以在大庆炼化公司苯抽提装置现场采集的影像资料和设计图纸等为基础数据实现各个设备的建模和虚拟场景的三维建模。三维虚拟现实现场站能够模拟装置现场的场景, 并且体现出材质和变化, 附加贴图, 使用户能够在与现实非常相似的三维虚拟环境中自由交互、随意漫游, 并且随时接收到场景反馈回来的信息, 信息内容包括使用者在当前所处的场景位置和视野方向, 装置的场景中实物的概况和使用者在操作过程中的注意事项、提示信息、操作内容等。根据用户的需求, 系统可以暂停或恢复正在运行的仿真过程, 能根据不同用户有差异的操作秩序和参与程度给出智能评价, 同时能够记录使用者的操作步骤信息和保存相关的系统数据、资料结果等。三维虚拟现实现场站会提供良好的人机互动界面, 包括场景浏览模式的选择、相关浏览器信息、虚拟场景的描述及反馈信息、曲线面板, 可以快捷简易地创建和修改虚拟环境, 数据输入手段非常友好, 可以进行优化控制参数的操作, 亦可存储和公布数据结果。为了满足应急演练和各种预案落实和考核的需要, 三维虚拟现场站对灾害现场和灾害过程进行了模拟仿真, 由工艺模型传出的事故故障信号触发各种事故现场特效场景, 为参训者在计算机系统上提供判断故障原因、处理事故的虚拟环境。参训者在此环境中可以按照职能和任务的不同, 模拟不同的角色, 各角色相互合作, 协同训练, 完成所设定的训练内容。

苯抽提装置仿真培训系统界面简洁、有效、清晰、易懂, 只需简单培训就能熟练掌握其操作步骤和方法。培训系统功能齐全, 包括冷态开停车、单项操作、事故状态、评分, 实现了DCS控制系统的高级控制、连锁控制、紧急停车等功能, 同时开发了具有三维真实感的现场环境, 实现了3D巡检培训功能, 提高了仿真培训系统的真实感。培训系统逼真度和应用性高, 仿真效果与实际装置运行的现象基本吻合。动态变化趋势与实际装置运行的现象吻合, 现场三维环境与生产现场几乎一致, 使应急预案的演练过程和真实的演练接近。该培训系统硬件和网络结构简单, 易于维护和扩充, 能够扩大同时参加培训的员工人数。

摘要：本文简要介绍了大庆炼化公司信息中心开发的应用三维虚拟现实技术的仿真培训系统的网络架构、组成及应用。

关键词：三维虚拟现实,仿真培训系统,网络架构

参考文献

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[2]易涛, 杨义.化工安全虚拟现实仿真系统的设计与实现[J].计算机与应用化学, 2006, 23 (1) :49-54.

[3]朱玉韬, 金星, 荣冈.一种石化企业虚拟现实仿真系统的设计与实现[J].化工自动化及仪表, 2007, 34 (5) :40-44.

虚拟现实系统 篇10

基于虚拟实现技术的配电线路巡检仿真培训系统具有很多优势, 比如它拥有较大的信息容量、能够进行多项演示、可以模拟出很多实际动作、模拟实际工作环境等, 这些优势都是过去的培训方法不能比拟的。利用虚拟实现技术所创造出的培训环境能够极高的还原电力作业现场, 被培训对象可以在不存在任何危险的状态下完成不同业务的培训工作, 从而在很大程度上避免电力事故的产生, 这样就能够极大的降低培训时间, 节约培训成本。

1 三维建模

三维建模可以说是整个虚拟仿真培训系统的基本要素, 三维建模通常有几何建模以及物理建模这两种形式。换句话说, 虚拟仿真培训系统中需要几何模型必须与实际相符合, 同时也必须要具有与实际物体相同的运动特征, 构建出的模型必须要真实, 这样才能够更好的达到培训的目的。在三维建模的过程中必须要充分利用各种先进技术, 将实际物体的具体尺寸、纹理细节等作为最原始的数据, 使用Multi Gen Creator[1]这种建模软件来构建数据库。在这一过程进行中, 必须要结合虚拟仿真培训系统的实际要求以及对实际物体的等级需求来进行, 如此才能够更好的构建模型, 从而增强培训系统的真实性[2]。

2 碰撞检测

本文主要结合仿真培训系统的具体需求以及工作人员在进行实际的业务操作过程中的特征, 通过对引擎源码进行修改, 利用AABB轴向算法来对模拟工作场景与其他物理存在的碰撞进行检测, 这种方法的编程过程中相对简单, 而且容易实现。

3 交互行为控制

配电线路巡检虚拟仿真培训系统的组建, 不仅仅需要依靠真实的三维场景, 同时必须要具备一个相对简易的人机操作界面, 这样一来才能够让培训的效果得到更好的提升。在本文所论述的这一系统之中, 进行人机操作界面的设计时充分考虑到了人机的交互, 在人机界面清晰的让用户了解能够使用三维模型进行哪些操作。如对物体进行平移或者旋转、拉伸物理、浏览三维场景、电力元件的工作原理展示、故障的模拟抢修等。如此一来, 即便是使用该系统的用户不具备非常高的计算机知识也能够非常轻易的使用该系统来进行电路巡检工作流程的模拟操作, 从而让培训的效果更好。

4 仿真培训系统

4.1 系统介绍

模拟仿真培训系统主要采用计算机技术、网络技术、虚拟现实技术等现代化技术, 给电力人员的业务培训提供了一个非常简易并且高效的网络平台。在虚拟仿真培训系统中, 它运用3D动画、图形以及声音等不同的多媒体对电力操作流程进行了逼真的演示。系统中也有非常之多的案例让电力工作人员进行参考实践, 能够极大的满足电力企业技术人员的培训需求。

4.2 系统功能

4.2.1 现场漫游功能, 现场漫游功能能够从不同的方面对电力

作业现场进行了解, 主要有变电站和电力线路的结构、电力设备的运行状况、电力线路的接线情况等。

4.2.2 规范电力人员的工具操作流程, 对于电力技术工作人员

而言, 必须要对各种安全工具有充分的了解和认识, 能够完全掌握它们的具体操作方法, 这对于电力作业时确保相关人员安全具有非常重要的意义。虚拟仿真培训系统结合电力生产的实际特点, 根据相关的规范要求, 利用各种图形动画演示, 为电力操作人员展示出了各种安全工具的使用、存放方法以及注意问题。

4.2.3 实际操作培训功能, 该系统能够对配电线路巡检人员进

行线路设备、运行规程、操作规范等方面的培训。能够在很大程度上还原实际操作现场环境, 让培训对象能够获得一种亲临其境的感受, 从而更加牢固的掌握配电线路作业基本技能。

4.2.4 维护检修培训功能, 虚拟仿真培训系统能够利用其培训

平台, 极大的增加配电线路检修工作人员的技术水平, 同时也可以让新的技术人员对电力专业设备有一个详细的认识。利用这一系统能够在很多方面处理好过去电力培训中一些不可视、不可进入的危险场所的培训难题。

4.2.5 案例模拟功能, 通过对一些典型案例的实际模拟来进行

培训。模拟的案例通常是随机的故障, 或者是在电力系统运行过程中由于人为失误而导致的故障等。被培训的对象通过这一系统进行案例模拟练习, 能够在较短的时间内对配电线路经常产生的一些鼓掌事故以及其基本处理方法有充分的了解和掌握, 让被培训人员在实际工作中遇到这些问题时的应变能力和处理能力得到很大的提升。

4.2.6 培训者和被培训者的互动交流功能。培训者对该系统模

拟的培训过程中进行实时的监控和管理, 培训者可以利用不同的方法来对培训流程进行更改或者删除。培训者能够使用随机触发模式、定时触发模式或者其他模式, 对培训场景进行及时的切换和改变。培训者对被培训者的实际操作流程进行及时的记录, 以便于培训结束后展开考评。

4.2.7 被培训者和被培训者之间的互动交流功能, 在虚拟仿真

培训系统内部, 不同的受训者可以扮演成不同的角色来组建班组。例如某一被培训对象的角色是工作票签发者。另一学员的角色是工作票的负责人员、其他几名学员的角色是工作组成员, 几名被培训者被要求在同一个工作环境下共同来完成某一工作任务, 从而让多个学员获得了培训经验, 更增加了学员之间的互动。

4.2.8 考核评价功能, 该系统能够在受训对象经过培训之后科

学的对学员的培训情况进行分析考核, 受训者也可以利用系统提供的功能开展自我评价。

5 结束语

基于虚拟现实技术的仿真培训系统其灵活性非常强, 能够在很大程度上满足电力作业人员的培训需求。该系统可以实时检测培训对象的受训过程, 在模拟培训的过程中第一时间作出信息的反馈。虚拟仿真培训系统能够让培训对象在任何地点进行培训, 打破了过去培训时对空间时间的限制。虚拟仿真培训系统的利用能够极大的提升电力人员业务培训效果, 从而在很大程度上提升电力作业质量。

摘要：本文介绍了基于虚拟现实技术开发的配电线路巡检仿真培训系统中的三维建模、碰撞检测和交互行为控制等关键技术, 并详细叙述了系统的架构和各模块的功能。系统的开发应用为电力作业人员的培训带来方便, 有效提高了电力安全作业水平。

关键词：配电线路,虚拟现实,仿真培训,碰撞检测

参考文献

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