虚拟现实软件系统

虚拟现实软件系统（共12篇）

虚拟现实软件系统 篇1

虚拟现实新闻系统相关技术概述

虚拟现实新闻系统是基于现有的虚拟现实和云计算等技术提出的一个综合新闻系统,本节将对虚拟现实和云计算技术进行阐述。

虚拟现实技术

“超越时空的紫禁城”、南京城市旅游和上海世博会将会使用虚拟现实技术进行展现等等表明了虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术正在逐渐受到人们的重视,预示着虚拟现实技术在未来将有很大的发展空间。

虚拟现实技术(Virtual Reality Technology,VRT)以计算机仿真技术为前提,是计算机图形学、人机接口技术、传感器技术和人工智能技术等交叉与综合的结果,具有十分重要的应用价值,为人们提供了一种全新的认识世界和改造世界的手段,对信息技术和人们生活将产生难以估量的影响。

虚拟现实技术的概念

概括来说,虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式,与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比,虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境,它可以是实际上能实现的,也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。“虚拟”是用计算机生成的意思。虚拟现实就是用计算机生成的一种特殊环境,人们可以采用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中,并通过操作、控制环境,实现特殊的目的,即人是这种环境的主宰。

从本质上来说,虚拟现实是一种先进的计算机用户接口,通过为用户同时提供视觉、听觉、触觉等各种直观而又自然的实时感知交互手段,最大限度地方便用户的操作。

虚拟现实技术的特征

虚拟现实技术的主要特征有以下四个方面:

(1)多感知性(Multi-Sensory):所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外,还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知,甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术特别是传感技术的限制,目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉和运动等几种。

(2)浸没感(Immersion):又称临场感,是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境,应该使用户难以分辨真假,使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中,该环境中的一切看上去是真的、听上去是真的、动起来是真的,甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的,如同在现实世界中的感觉一样。典型的系统为虚拟现实大屏幕立体投影系统。

(3)交互性(Interactivity):是用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。例如,用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体,这时手有握着东西的感觉,并可以感觉物体的重量,视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。

(4)构想性(Imagination):强调虚拟现实技术应具有广阔的可想象空间,可拓宽人们认知范围,不仅可再现真实存在的环境,也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。

虚拟现实技术的系统构成

一个完备的虚拟现实系统由计算机硬件、计算机软件和各种传感器设备组成。

计算机硬件既可以是一台大型计算机,也可以是微型计算机,还可以是工作站。计算机软件主要由检测模块、反馈模块、传感器模块、控制模块和建模模块组成,其中,检测模块检测用户的操作指令,并通过传感器模块作用于虚拟环境;反馈模块接受来自传感器模块的信息,为用户提供实时反馈传感器设备包括三维显示头盔、数据手套、全方位监视器以及大屏幕显示屏等位置跟踪设备和交互设备,它们产生信号与计算机实现交互功能;控制模块对传感器进行控制,使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用;建模模块用于获取现实世界组成部分的三维表示,并由此构成对应的虚拟环境。

虚拟现实技术的挑战

虚拟现实无论是其技术本身的发展,还是它在其他专业领域的应用,其未来的挑战主要体现在其硬件、软件、人的因素和基于高速网络的研究上。

在硬件方面主要包括:①力、触觉反馈设备;②高质量、宜人的显示;③快速和精确3D跟踪器。

在软件方面主要包括:①虚拟现实的计算机图形程序;②3D交互;③语言模型(语音识别);④操作系统设计;⑤实时计算和描述平台;⑥开发系统设计。

在人的因素方面主要包括:①决定怎样有效地使用3D输入和输出;②用户界面合成;③认知研究,以解决人与虚拟环境的交互问题。

在基于高速网络的研究方面主要包括:①网络的分配;②实时性;③大规模并行处理器中的异质计算问题。

虚拟现实技术的发展现状

(1)国外研究现状。当前,西方的发达国家在虚拟现实技术的基础研究和实际应用方面都居于领先地位。美国作为虚拟现实技术的发源地,其研究水平基本上代表了目前国际上虚拟现实技术的发展水平。目前美国在该领域的研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。美国宇航局(NASA)的研究工作主要集中在约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真和对哈勃太空望远镜的仿真等方面。现在NASA已经建立了航空、卫星维护虚拟现实训练系统和空间站虚拟现实训练系统。并且已经建立了可供全国使用的虚拟现实教育系统。除了国家科研机构外,美国的一些高校也积极投入虚拟现实技术的研究当中。北卡罗来纳大学的计算机系是进行虚拟现实技术研究最早的大学,主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。麻省理工学院(MIT)是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋。这些技术都是虚拟现实技术的基础。

日本的一些高校、企业和科研机构,在机械手、数据手套、实时三维成像等领域也取得了一些令人瞩目的成果。筑波大学根据自己研究的一些力反馈显示方法,开发了九自由度的触觉输入器和虚拟行走原型系统。东京大学的高级科学研究中心开发的一套系统可以使用户控制远程摄像系统和一个模拟人手的随动机械人手臂。京都的先进电子通信研究所开发的一套系统可以识别手势和面部表情,并把它们作为系统输入。

(2)国内研究现状。我国的虚拟现实技术研究起步较晚,与发达国家相比还有一定的差距,但现在已引起国家有关部门和科学家们的高度重视。“九五”规划以后,国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把虚拟现实技术列入了重点研究项目,国内一些重点院校和科研机构已积极投入到了这一领域的研究工作。

北京航空航天大学计算机系是国内最早进行虚拟现实技术研究的单位之一。在虚拟环境中物体物理特性的表示与处理、视觉接口部分软硬件的研制、分布式虚拟环境网络设计、实时三维动态数据库开发等方面都取得了很多有意义的成果。此外,他们还成功研制了虚拟现实演示环境、基于虚拟现实的飞行员训练系统、虚拟现实应用系统开发平台等实用系统。

清华大学计算机科学和技术系主要对虚拟现实的沉浸感进行了研究,例如对球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感实验等方面都提出了不少独特的方法。他们还针对室内环境水平特征丰富的特点,提出借助图像变换,使立体视觉图像中对应水平特征呈现形状一致性,以利于实现特征匹配。

浙江大学国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统,采用了层面迭加绘制技术和预消隐技术实现了立体视觉,同时还提供了方便的交互工具,使整个系统的实时性和画面的真实感都达到了较高的水平。另外,他们还提出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。

此外,西北工业大学CAD/CAM研究中心、上海交通大学图像处理模式识别研究所、国防科技大学计算机研究所以及中国科技开发院等单位也进行了一些研究工作和尝试。

云计算

在IBM、Google和Amazon等公司提出云计算的概念之后,其他一些公司也开始跟进,云计算的概念越来越流行,已经成为一种潮流。

云计算的兴起

“云计算”的概念出现之后,各大公司对于云计算的定义不尽相同,很难用一句话概括云计算,本文对云计算只做一个综合性的描述。

“云计算”(Cloud Computing)是分布式处理(Distributed Computing)、并行处理(Parallel Computing)和网格计算(Grid Computing)的发展,或者说是这些计算机科学概念的商业实现。云计算强调说明计算的弥漫性、无所不在的分布性和社会性特征。

云计算的基本原理是以公开的标准和服务为基础,以互联网为中心,提供安全、快速、便捷的数据存储和网络计算服务,让互联网这片“云”成为每一个网民的数据中心和计算中心,通过使计算分布在大量的分布式计算机上,而非本地计算机或远程服务器中,从而大大提高信息的访问速度。

云计算是一种全新的商业模式,其核心部分依然是数据中心,它使用的硬件设备主要是成千上万的工业标准服务器,企业和个人用户通过高速互联网得到计算能力,从而避免了大量的硬件投资。

云计算的蓝图已经呼之欲出,在未来,只需要一台笔记本或者一个PDA,就可以通过网络服务来实现我们需要的一切,甚至包括超级计算这样的任务。

云计算的七大形式

(1) SAAS (Software as a Service,软件即服务)。这种类型的云计算通过浏览器把程序传给成千上万的用户。在用户眼中看来,这样会省去在服务器和软件授权上的开支;从供应商角度来看,这样只需要维持一个程序就够了,能够大幅减少成本。Salesforce.com是迄今为止这类服务最为出名的公司。SAAS在人力资源管理程序和ERP中比较常用。Google Apps和Zoho Office也是类似的服务。

(2)实用计算(Utility Computing)。最近在Amazon.com、Sun、IBM和其它提供存储服务和虚拟服务器的公司提供此项服务。这种云计算是为IT行业创造虚拟的数据中心使得其能够把内存、I/O设备、存储和计算能力集中起来成为一个虚拟的资源池来为整个网络提供服务。

(3)网络服务。同SAAS关系密切,网络服务提供者们能够提供API让开发者能够开发更多基于互联网的应用,而不是提供单机程序。

(4)平台即服务。另一种SAAS,这种形式的云计算把开发环境作为一种服务来提供。你可以使用中间商的设备来开发自己的程序并通过互联网和其服务器传到用户手中。

(5) MSP (Management Service Provider,管理服务提供商)。最古老的云计算运用之一。这种应用更多的是面向IT行业而不是终端用户,常用于邮件病毒扫描、程序监控等等。

(6)商业服务平台。SAAS和MSP的混合应用,该类云计算为用户和提供商之间的互动提供了一个平台。比如用户个人开支管理系统,能够根据用户的设置来管理其开支并协调其订购的各种服务。

(7)互联网整合。将互联网上提供类似服务的公司整合起来,以便用户能够更方便的比较和选择自己的服务供应商。

云计算的三大影响

首先,云计算将赋予互联网更大的内涵并改变互联网企业的运营模式。过去几乎所有应用都是装在用户端或者局端数据库上运行,但今后通过云计算,更多地应用能够以互联网服务的方式进行,云计算作为一种应用的模式将成为更多企业和个人的选择。

其次,云计算将扩大软硬件应用的外延并改变软硬件产品的应用模式。通过云计算,用户可以不必购买新的服务器和部署软件,就可以得到应用环境或者应用本身。对于用户来说,软硬件不必是部署在自己身边的、专属于自己的产品,而是可以变身为可利用的、虚拟的一种资源。而且,可以利用的软硬件资源也不仅限于自己企业内部的设备和软件,而是可以通过网络得到扩展的软硬件资源。

最后,IT产品的开发方向也将发生变化以适应上述两种情况。一段时间以来,我们可以看到业界巨头们纷纷发布自己的云计算战略以配合这种发展趋势。

云计算的主宰者

云计算已经成为一个热门技术,众多巨头公司都在争先恐后的投入到云计算之中,那么,究竟谁能够在这场围绕云计算的竞争中获胜呢?

Sun公司推出了基于云计算理论的“黑盒子”计划。按照它的规划,将来的数据中心将不会局限于拥挤、闷热的机房中,而是一个个可移动的集装箱一它装载的是10吨经过合理安置的服务器,作为一个可移动的数据中心。它既可以为拥有上万名雇员的大型公司服务,也能为中小企业提供支持。

微软的优势显而易见,全世界有数以亿计的Windows用户,微软所要做的就是将这些用户通过互联网更紧密地连接起来,并通过Windows Live向他们提供云计算服务。微软正在创造这样一种用户体验,即从一般的设备存储转移到任何时间都可以存储的模式。

蓝色巨人IBM对此也投下了重注,并为此命名为“蓝云”计划。IBM具有发展云计算业务的一切有利因素,例如:应用服务器、存储、管理软件、中间件等等,因此IBM自然不会放过这样一个机会,云计算将是IBM接下来的一个重点业务。

Google在云计算中的地位在短时间内依然不可撼动,其开放式的平台体现了云计算模式的精髓。Google的云计算服务所需要的绝大部分基础软件都是开源的,这意味着用户可以自由的得到那些代码并修改。

Google和IBM的合作则颇具互补效应,值得期待。两家公司正试图将各自的技术进行融合,IBM熟谙企业级计算机的运行之道,而Google悉知大流量数据传输和高速网路链接的不二法门,两家公司的联手有望创造出重大成就。

有一种说法,世界上将会只有五台计算机,一台是Google的,一台是IBM的,一台是Yahoo的,一台是Amazon的,一台是微软的,因为这五家公司率先在分布式处理的商业应用上捷足先登、引领潮流。IBM、Yahoo和Google等已经正在使用云计算的概念兜售自己的产品和服务。

其实谁能真正成为云计算的主宰者并不重要,重要的是,有了这一系列IT业的巨头作为后盾,毫无疑问,云计算已经拥有了一个非常光明的前景。

虚拟现实新闻系统

前一节概述了虚拟现实和云计算技术,这一节将阐述基于上述技术提出的虚拟现实新闻系统(Virtual Reality News System,VRNS)。虚拟现实新闻系统以云计算为平台,根据用户需求提供文字、图片、音视频和虚拟现实等多种形式的新闻,为新闻报道提供了新的模式。在虚拟现实新闻系统中将包括现有的中央宣传部门、媒体单位和新闻网站,整合各家媒体单位的新闻业务,是一个为用户提供最真实感受、最容易发布、最快速度搜索、最大程度参与、最大覆盖面、最易于共享和最优秀服务的新闻系统。

VRNS系统概述

在这一小节将对虚拟现实新闻系统(Virtual Reality News System,VRNS)进行概述,主要是以下几个方面:VRNS的概念、VRNS系统的空间、VRNS系统新闻发布、VRNS系统的虚拟现实新闻、VRNS系统的搜索、VRNS系统的主体和VRNS系统的移动报道。

VRNS系统的概念

虚拟现实新闻系统(Virtual Reality News System,VRNS)是指以云计算为平台、应用虚拟现实技术的新闻报道系统,将整个宇宙现有的已知区域全部虚拟到系统中,在宇宙中已知区域发生的任何新闻事件都将在VRNS系统中发布,全世界各大通讯社、各大媒体单位和各种媒介都在VRNS系统中出现,向人们提供文字、图片、音视频和虚拟现实等形式新闻稿件,在VRNS系统中新闻将与实时、实地和实际人物紧密的有机联系起来,将宇宙中的时间、地点、人物和事件形成一个整体,而不再只是一条孤立的新闻稿件,人们将在VRNS系统中以语义搜索的方式、最快的速度和最真实的感受获取到需要查找的不同形式的新闻。

VRNS系统的空间

在VRNS系统中的虚拟现实空间将以宇宙现有已知区域为地理空间,将包括银河系、太阳系、各大恒星、地球和月亮等等星系和天体,在虚拟现实空间中地球上的每一个地点都将以虚拟现实形式出现,在空间中各个地点的逻辑位置与实际的地理位置是一一对应的,所有的关于某个地点的某个时间的新闻信息将以文字、图片、音视频和虚拟现实形式新闻与发生地点结合起来展现,从而将现有的宇宙空间中发生的所有新闻都将在VRNS系统中更新,用户可以根据需要选择查看某种形式的新闻信息。在VRNS系统中你将能获取到在宇宙中任何已发生的、正在发生的和将要发生的新闻信息。

VRNS系统新闻发布

在宇宙中发生的任何新闻信息都会通过媒体单位、记者或者普通大众,在VRNS系统中发布出来,VRNS系统对发布的新闻稿件将根据事件发生的时间、地点、人物和行业等新闻信息分类标准进行归类,这样人们就可以根据新闻信息的时间、地点、人物和行业等进行查阅。

例如:发射神七成功的新闻信息,VRNS系统将其新闻信息的地点定为“银河系一太阳系一地球一中国一甘肃一酒泉”,时间为公元2008年9月25日,人物为翟志刚、刘伯明和景海鹏等,那么人们就可以在VRNS系统空间中直接点击或者其它虚拟现实系统中的控制方法(例如:使用声控或者肢体运动形式)去往“银河系一太阳系一地球一中国一甘肃一酒泉”,在到达酒泉之后,在酒泉提示的新闻信息将按时间顺序显示在酒泉发生的最近的新闻信息,那么就可以找到神七发射成功这条新闻,如果查找的是过去时间的新闻,那么在最新的新闻信息中不包含这条新闻,可以在VRNS系统中点击回到公元2008年9月25日,则会回到公元2008年9月25日的酒泉,包括天气、事件和环境等都回到那时那地那人那物,也可以根据在VRNS系统中的翟志刚、刘伯明和景海鹏等的个人新闻信息平台,查看他们每个人向外公开的新闻信息,VRNS系统将媒体单位、记者和普通大众对他们每个人的相关新闻信息整合到他们每个人的新闻信息平台。

VRNS系统的新闻信息每时每刻都在更新,只要VRNS系统中的主体在系统中发布新闻信息,VRNS系统中的其它主体就可以查阅到这条新闻信息。查阅出的新闻信息将以文字、图片、音频、视频和虚拟现实等方式显示,人们可以选择任何方式查阅新闻。

在VRNS系统中每个人物都将具有一个个人信息平台,可以选择和人物的实际家庭住址联系起来,包括自己的出生日期、性别和工作等所有相关的个人信息,而这些信息个人可以选择是否向外公布;具有商业价值的信息,个人也可以向需要查阅者收取一定的费用,这些费用将是和现实中的消费一样的。只要找到某个人物的家庭住址、单位地址,或者根据姓名等信息搜索到人物,就可以查看这个人物向外发布的新闻信息和关于这个人物的相关新闻信息。

VRNS系统的虚拟现实新闻

VRNS系统是一个沉浸型虚拟现实系统,在VR N S系统中将出现虚拟现实形式的新闻信息,如果选择虚拟现实方式查看新闻信息,意味着用户将不仅仅是以双眼和大脑介入环境,而是以完整的人物个体融人到虚拟现实新闻系统,使用户能够全身心地投入到虚拟环境之中,用户通过头盔显示器、数据手套、数据衣服等传感器设备与虚拟环境进行交互,VRNS系统将为用户创造一个完备的虚拟世界。人们可以通过VRNS系统中人物切身的完全感受到当时发生的新闻事件的所有环境信息,可以通过传感器技术满足人们的视觉、听觉、感觉、知觉和味觉,人们将可以真实的感受到新闻现场的每一个部分和环节,让人们可以真正的达到身临其境的感受。

VRNS系统是通过云计算生成一个非常逼真的足以“迷惑”我们人类视觉的虚幻的新闻报道世界,这种“迷惑”是多方面的,我们不仅可以看到而且可以听到、触到及嗅到在系统中虚拟的真实世界中所发生的一切。这种感觉是如此的真实,以至于我们能全方位地浸没在这个虚幻的世界中。人能以自然的方式(自然技能,人的头部转动、眼球转动、手势等其它人体的动作)与VRNS系统中的虚拟现实环境进行交互操作,达到感觉的现实、操作的现实和运动的现实。

VRNS将使人们与新闻信息的关系变得比以往更为密切与和谐,有了一个自然的、充分的和真实硬件很好关联的新闻信息系统,新闻信息的发布和获取都会变得方便得多,因为虚拟现实技术的特点,VRNS可以渗透到我们工作和生活的每个角落,对人类社会的意义是非常大的。

VRNS系统的搜索

随着Internet网络的爆炸性增长,WWW已经发展成为包含多种信息资源、站点遍布全球的巨大动态信息服务网络,为人们提供了一个极具价值的信息源。搜索引擎技术能帮助人们从浩瀚的数据中抽取出对自己有用的信息,能极大地节省用户的查询时间。WEB上的搜索引擎部分地解决了资源发现问题,并取得了较大发展,例如Google,百度等,但由于精确度不够高等原因,其效果远不能使人满意。

VRNS系统是一个语义系统,赋予系统中所有资源唯一的标识,并在资源之间建立起机器可处理的各类语义联系。以一种明确的、形式化的方式来表示信息资源,提高异构系统之间的互操作性,促进知识共享。使用语义搜索技术,提高搜索性能,高效地发现信息资源,可改善当前搜索引擎的搜索效果,包括查全率和查准率。

VRNS系统语义搜索在系统空间中搜索资源间的复杂关系,并对之进行结构信息排序。对象属性用来定义资源间的关联关系,资源间的链接路径在某些特定领域比资源本身更具价值,比如在国家安全领域通常需要搜索资源之间的链接关系,这些关系可能意味着某些潜在的安全威胁。方法不仅能够消除用户不感兴趣的关联关系,而且可以搜索到数据之间复杂的、隐藏的关联关系。尝试发现资源间有价值的关联关系。

人们可以根据新闻的地点、时间、行业、兴趣爱好、人物、单位等等进行搜索,可以查看某地的政治、经济、文化等各个方面的内容。VRNS提供智能输入搜索内容,例如:语音方式,只要用户向系统说出需要搜索的内容,系统就会将语音传入的内容作为语义搜索的内容,实现完全人性化的搜索。

普通大众在系统中可以根据时间、地点等分类进行信息获取,比如说这个人物比较关注某一个地方的新闻,可以直接到达某地查看新闻即可;可以根据新闻媒体单位获取信息,人物经常查看某个新闻媒体,则可以直接到达这个新闻媒体查看新闻;可以根据记者或编辑获取信息,人物对某个记者或编辑的稿件感兴趣,可以直接访问记者或编辑的发布页面就可以;在系统中普通大众可以使用RSS进行订购新闻信息,但是在这其中,所有的媒体信息的收费均根据各个媒体单位的实际情况设定,并且记者或编辑的稿件可以有针对性开放访问权限,也可以进行收费,也就是普通大众只有通过网络交费之后才可以查看记者或编辑的新闻信息。

VRNS系统的主体

Web2.0中对于网络的一个重要改变就是广大网民对于网络的互动参与,由被动的接受信息,变为可以主动的发布信息,使得广大网民确实的成为网络的一部分。VRNS系统是一个达到更高的互动性系统,用户可以在系统中根据虚拟的现实环境创造网站、同学圈、朋友圈等各种形式的属于自己的内容,在VRNS系统中将分为三类主体:媒体单位、记者和普通大众。

(1)媒体单位。在VRNS系统中注册的媒体单位,可以在VRNS系统中启用单位的新闻报道功能,没有在VRNS系统中注册的媒体单位,虽然在VRNS系统中虚拟现实的环境中包含这家媒体单位,但是这家媒体单位的新闻信息是不能在VRNS系统中发布的。而进行注册的媒体单位将可以根据自己的需要将哪些新闻信息在VRNS系统中发布,也可以决定哪些分支机构的新闻信息可以在VRNS系统中发布。一般情况下,各媒体单位会将所有的新闻信息和各个分支机构的新闻信息发布到VRNS系统中,因为VRNS系统是最大的新闻信息平台,也是用户查阅新闻信息首选的新闻系统。

不只是媒体单位的网站会在VRNS系统中出现,而是媒体单位在世界中的所有现实实体都会在VRNS系统中展现,这样在VRNS系统中就会具有文字、图片、音视频和虚拟现实各种形式新闻报道最为优秀的各个媒体单位,为人们提供综合各种形式的新闻信息,并会在VRNS系统中对新闻报道进行综合分析和对比评级。在VRNS系统中的各媒体单位样会受到上级管理部门、媒体单位、记者和普通大众的评定,每年会评出十佳媒体单位。

同时媒体单位可以在VRNS系统中创建在现实世界中没有的分支机构等,这样可以大大的节约媒体单位的运营成本,在今后媒体单位只需要在VRNS系统中增加虚拟的分支机构就可以,而不需要在真实的现实世界中去建设分支机构,而在相应的虚拟分支机构派驻的记者只需要在VRNS系统中参加到相应分支机构的工作就可以了。

(2)记者。在VRNS系统中,记者将拥有自己的新闻信息发布平台,普通大众、其它记者和媒体单位可以通过这个新闻信息发布平台查阅记者的新闻稿件,只要是在现实世界中记者发布的稿件,在VRNS系统中就会发布出来,当然是记者本人在VRNS系统中,而其他主体对于每一新闻稿件的引用、分析和评论都会在记者本人的信息平台上显示。记者在参加每一次直播报道任务的时候,在新闻信息发布平台都会出现直播报道的主题,将会把记者报道的新闻稿件实时在VRNS系统中发布,这样人们就会第一时间查阅到某一新闻报道中记者发布的所有新闻稿件。

在VRNS系统中记者将进行分级,根据记者发布的新闻信息的数量和质量定级,具有较多经验和发布了较好新闻稿件的级别就会高一些,这些都是由VRNS系统中的媒体单位、记者和普通大众进行评定的。这样当一名普通记者成为名记之后,对于人们的影响力就会变大,新闻报道的稿件也将得到人们的更多关注,对VRNS系统的新闻报道贡献也越大。VRNS系统将评定系统中每月、每季度和每年十佳记者,在系统中给予标记,也可以通过公司赞助等方式对十佳记者给予物质奖励。

记者在向新闻媒体单位和其它主体传送新闻稿件时,只需要在系统中点击相应的媒体单位和其它主体对象,执行传送稿件的操作就可以实现相应的功能,可以使记者方便、快速的向媒体单位传送稿件。

(3)普通大众。在VRNS系统中,普通大众和各种人物完全可以实现互动,普通大众作为新闻受众的同时,同样具有向VRNS系统发布新闻信息的权利。普通大众可以在自己的个人信息平台发布新闻,个人网站和个人小屋等形式都可以,还可以向媒体单位投递新闻稿件以达到新闻稿件发布,需要媒体单位对新闻稿件进行审核合格之后才能发布,如果被实际采用后,将可以得到稿费,这样大大的简化了现在普通大众需要向媒体单位投稿的流程,能够使得个人新闻稿件更快发布。同时普通大众具有新闻发布的权限则将新闻采集覆盖范围扩散到了世界的每一个角落,可以使新闻报道工作无所不在,例如在发生突发事件的情况下,作为最直接接触事件的普通大众,只需要登录到VRNS系统就可以对突发事件进行第一时间的报道。

并且普通大众可以在VRNS系统中创建自己的新闻报道机构,只要在新闻发生现场能够报道,那么普通大众就可以联合组织起来在VRNS系统中架设机构,形成普通大众自己的新闻报道机构。在VRNS系统中将根据普通大众的新闻信息的发布确定不同的级别,当普通大众的级别达到足够高的时候,在VRNS系统中普通大众将成为业余记者,同时业余记者也分为不同级别,当达到业余记者最高级别的时候,在VRNS系统中可以应聘各媒体单位的记者,从而成为正式记者。

在VRNS系统中,各个主体具有RSS功能,这样可以实现媒体单位、记者和普通大众的快速的新闻信息的交换。普通大众根据自己的需求在VRNS系统中向各大媒体、报业、杂志等订阅免费或者收费的新闻业务,而记者也可以向媒体单位订阅相关的新闻稿件,媒体单位也对以通过订阅功能向记者和普通大众订阅新闻信息,真正的达到系统中的新闻信息的高度、快速地互动和分享。

VRNS系统的移动报道

当前,在重大新闻报道的任务中,都需要记者集中到新闻发生地进行新闻采集和编辑工作,这样造成了诸多的不便。在VRNS系统中,虚拟新闻现场,普通大众、记者可以随时观看新闻现场发生的事件,需要参加新闻发布的记者只需要在VRNS系统中通过虚拟新闻现场参加即可,虚拟新闻现场是一个完全的虚拟现实系统,现实中发生的每一事件都将在虚拟会议系统中展现,让你在身体感受上完全达到就是在现场一样,这样记者不需要赶赴新闻现场就可以达到实时、准确的新闻报道工作。

而对于普通大众可以通过另一个虚拟场景即观看虚拟会议系统的系统,切实感受新闻发布会现场的气氛,也可以查看各个单位参与报道的记者和编辑的个人网站获取新闻信息。当然在VRNS系统中这一部分可以根据需要收取费用,普通大众只有被收取费用之后,才可以进入虚拟场景感受新闻现场。例如,国务院的新闻发布会,在VRNS系统中会创建此次发布会的虚拟新闻现场,记者可以通过登录VRNS系统,成为其中的虚拟人物,凭着虚拟人物的有效证件,可以进入虚拟新闻现场,这样记者就可以在任何地点参加相应的新闻发布会,而不需要不远千里赶赴新闻现场,这样也减轻了新闻现场的负担。这将是未来新闻发布的一个通用模式。这样大大方便了负责报道的媒体单位、记者,而普通大众也能够切身的感受到新闻现场。

VRNS系统平台一云新闻

虚拟现实计算平台是指在虚拟现实系统中处理各种输入信息并产生作用于用户的交互性输出结果的计算机系统。虚拟现实系统的信息加工是实时的。虚拟环境的建模、设备的开销、三维真实感图形的实时生成都需要进行大量的计算。正是因为虚拟现实具有巨大的计算量,所以云计算是VRNS系统的理想平台。

在VRNS系统中,将搭建云计算环境,在全球范围内布置数据中心节点实现分布式处理环境,在未来可能的条件下,还可以再增设云计算的节点,以达到计算的处理能力足够强大,以能够支持对海量的新闻报道,这个用于新闻报道的云计算平台称之为云新闻。

在云新闻中汇聚了全宇宙的所有各家媒体、记者和普通大众的所有的新闻信息,VRNS系统的管理部门可以对新闻实现智能的管理和维护,对数据进行严格保密和备份,从这个角度看,云新闻增强了新闻信息的监督和管理。

在这一小节我们将介绍云新闻面向服务、定制开发、共享资源、整合业务和经济性报道等方面。

云新闻一面向服务

在VRNS系统中,云新闻可以向所有编辑记者提供新闻稿件等新闻信息编签发程序,只要是注册成为VRNS系统的用户都可以通过VRNS提供的新闻稿件编签发系统编辑和发布新闻信息,即提供SaaS服务。

在VRNS系统中,云新闻提供了最可靠、最安全的数据存储中心,用户所需的编签发稿件的应用程序并不运行在用户的个人电脑、手机和PDA等终端设备上,而是运行在互联网上大规模的服务器集群中,用户可以在任何时间、任何地点,用任何可以连接至互联网的PC、PDA等终端设备访问互联网,在WEB中输入VRNS系统的URL登陆进入系统,选择使用稿件的编签发服务就可以了,用户所处理的数据默认情况下也并不存储在本地,而是保存在互联网上的数据中心里,也就是VRNS系统的云新闻中,也可以根据用户的需求,在用户的权限范围内将用户自己的数据存储到PC、PDA等相关的终端设备中。

提供云新闻服务的企业将有全世界最先进的数据中心来保存数据,有全世界最专业的团队来帮你管理信息,负责管理和维护这些数据中心的正常运转,保证足够强的计算能力和足够大的存储空间可供用户使用,并且负责对用户数据进行备份和安全,用户不用再担心数据丢失、病毒入侵等麻烦。保证用户在需要使用VRNS系统进行新闻信息的编签发等工作的时候,可以提供用户完整的数据,并且需要保证用户数据不被窃取。

云新闻一定制开发

用户在VRNS系统中,可以根据系统提供的新闻应用开发环境和新闻应用程序接口定制开发适合用户自己业务的新闻信息编签发系统和新闻网络应用服务,这样VRNS系统可以使得具有不同业务流程的用户能够拥有属于自己的高效的新闻编签发系统。

在每次报道中各媒体单位都在使用自己的新闻编签发系统,经常出现因为不同的报道业务需要开发不同的报道程序,因为在云新闻中新闻报道是在一个统一的平台,这些都将变得如此的方便、快捷和简单,不论你在任何地方进行报道,只需要在云新闻中更新相应的程序就可以,而不会需要为每次的报道增加设备和服务器进行开发。

云新闻一共享资源

云新闻可以非常方便、快捷的实现数据和应用的共享。在云计算的网络应用模式中,数据只有一份,保存在“云”的另一端,你的PC和PDA等所有电子设备只需要连接互联网,就可以同时访问和使用同一份数据。以编辑新闻稿件为例,当你使用云新闻服务来管理新闻稿件后,你可以在世界上任何地方用任何一台电脑管理你的新闻稿件内容和其他人分享你的新闻稿件内容,你再也不需要为随身携带重要的数据而担忧,当然,这一切都是在严格的安全管理机制下进行的,只有对数据拥有访问权限的人,才可以使用或与他人分享这份数据。

云新闻一整合业务

云新闻系统将提供对文字、图片、音视频和虚拟现实的新闻稿件的编签发功能,而不需要对每一种形式的新闻稿件类别进行单独的系统搭建、维护等工作,这样大大的浪费了人力、物力和财力,每一次报道都需要拿着一批编辑文字稿件的设备、一批编辑图片稿件的设备和一批编辑音视频稿件的设备,这严重的加大了不必要的工作量,并且开发系统、维护系统和系统保障的工作都变得非常庞大、复杂,每一类型新闻稿件系统都需要专业的工作人员参与。在云新闻中,记者只要登陆VRNS系统就将可以发布任何形式的新闻稿件,这也满足了将来记者需要发布多种形式新闻稿件的需求。

云新闻一经济性报道

使用云新闻的各媒体单位,不需要拥有自己的硬件设备,不需要系统开发、和系统维护,可以大大降低新闻媒体报道的费用。

在日常新闻系统的维护中,各家媒体单位都需要采购大量的设备和各种软件支持相应的业务和应用,建设系统设备机房,还需要雇佣技术人员进行设备维护、系统建设和应用开发等工作,购买设备、软件和雇佣人员的开支是巨大的,对于每一个媒体单位来说,这笔开支都是单位日常支出中比例较大的一部分。并且在每次重大新闻报道的时候,各个媒体单位都需要运输大量各种报道设备到报道前方进行新闻报道,紧跟着也需要技术人员到报道前方进行临时系统搭建、测试和技术保障等工作,这些都增加了新闻报道的开支。

随着各项技术的不断发展和创新、应用的不断深入,虚拟现实新闻系统离我们将会越来越近,将给人们的生活带来巨大的改变,为人们提供更为快速、真实、准确的新闻信息。总之,虚拟现实新闻系统是一个充满活力、值得期待、具有巨大前景的系统,对社会的影响将是广泛而深刻的。

虚拟现实软件系统 篇2

北京中天灏景网络科技有限公司专门致力于三维网络游戏和虚拟现实软件的研发，公司自主研发了Converse3D虚拟现实引擎系统，同时获得了Converse3D虚拟现实引擎著作权登记证书，并将其应用于多款三维游戏和虚拟现实系列软件，均取得了很好的经济效益和社会效益。

Converse3D虚拟现实引擎的问世打破了国外同类软件独霸市场的格局，给中国的虚拟现实技术领域注入了强大的生命力。产品一经推出即被业界给与很高的评价，对游戏和虚拟现实展示良好的兼容是其他单纯的游戏引擎或虚拟现实引擎所做不到的，二者在功能上互为补充，相得益彰。

目前公司以软件开发、软件销售、项目制作、技术输出、虚拟现实内容提供为主营业务，迅速构建起了庞大的全国代理分销网络渠道和服务体系，使我们的产品和服务能最快速最优质的到达终端消费者。

我们为不同需求的用户提供了各种解决方案。既满足了一般客户的需求，又适应了特殊化需求。我们提供软件定制化定向开发，这是其他公司所不能提供的服务，在多变的市场环境下，这些都构成了我们的核心竞争力。

公司依附于强大的技术实力和完善的研发、销售、客服体系，在三维游戏和虚拟现实领域确立了其不可动摇的地位。我们在上海等各城市都有分支机构，依赖于我们强大的机构体系，相信我们的服务将做的更好。

Converse意为“颠覆”，我们是充满激情和创意的年轻人，相信我们能不断的颠覆传统，改革创新，时刻走在时代的最前列。产品体系

产品体系

Converse3D核心引擎

核心引擎是整个虚拟现实系统的核心部分，采用DirectX9.0 和C++编写，强大而稳定。包括场景管理、资源管理、角色动画、Mesh物体生成、3dmax数据导出模块、粒子系统、LOD地形、UI、服务器模块等。采用多叉树结构组织各种资源节点、动态载入、卸载资源、视见体裁切技术，这为渲染海量三角面而性能不减提供了支持；支持3dsmax Mesh物体、角色动画、相机动画、烘焙贴图等各种数据的导出与引用；使用脚本配置粒子系统和UI，功能强大而灵活；支持顶点渲染和像素渲染。

C3D-Creator 三维场景编辑器

构建三维场景，是C3D虚拟现实系列产品所共同依赖的场景编辑器，在其中创建模型、界面、调整材质、设置交互及各种特殊效果。C3D-SDK 二次开发工具包

用于虚拟现实项目的二次开发，可构建系统级大型项目，广泛应用于工业、农业、石油、电力、虚拟会展、虚拟商城等行业。C3D-Web3D 三维网络展示平台 实现三维场景的网络展示，用户通过IE等主流浏览器便可浏览三维场景。广泛应用于电子产品、工业 产品、数字城市等的分布式网络展示。C3D-Community 虚拟社区

可实现基于网页的多人在线角色扮演互动交流系统，用于虚拟会展、虚拟商城等。C3D-Industry 工业仿真

可实现工业领域中诸如虚拟培训、虚拟装配、虚拟生产线等功能。C3D-DigitalCity 数字城市

用于数字城市的三维图形图像展示，同时具备城市资讯查询、三维测量、光照分析、控高分析、方案对比、应急演练、多人在线互动等功能。C3D-Traveller 旅游实训系统

实现多通道环幕立体显示软硬件系统，具有景点切换、导游回放、试题汇编、方向盘接入等功能。广泛应用于大中专院校的导游专业。C3D-PhycX 物理引擎

用于模拟物理现象，可模拟刚体运动、流体运动、布料等物理效果，物体之间的相互作用精准而高效。涵盖了现实世界中几乎所有的物理运动。Converse3D 多通道环幕立体投影系统

用于多通道环幕立体展示，软件弧形矫正、边缘融合，被动式立体投影，高速帧同步。

三维场景编辑器

C3D-Creator用于可视化三维场景的编辑，简单易用，面向美工，两天学会一周精通。完全可视化的材质编辑和交互设置，简单易学，节省了时间、提高了效率。可广泛应用于旅游景点、文物古建、工业产品、工厂校园、房产旅游等行业场景的制作。特点：

支持千万面超大场景渲染 支持大批量复制

高质量画面效果 可用于虚拟社区客户端创建

操作简便 内嵌物理引擎

拟真水面效果 支持一键式Exe/网页发布

自动镜面反 内嵌脚本系统

可视化编辑功能 支持角色扮演模式

支持骨骼动画 可视化材质编辑器

支持粒子系统 可视化交互编辑器

支持LOD地形系统 内嵌三维测量工具

支持网络三维浏览 高精度抓图

支持资源复用 可嵌入flash、网页等多媒体资源

支持各种三维模型的导入，如3dsMax、AutoCAD、Pro/e、UG、Maya

二次开发工具包

定制属于您自己的VR系统

C3D-SDK是基于Converse3D引擎的二次开发包，本SDK开放了所有模块的接口，包括：场景载入、模型操作、动画、相机、UI、角色系统、虚拟社区。使用本SDK可用于各行业开发出集VR场景、数据库、业务系统等多种资源与一体的大型系统。

根据客户的需要,我们可以提供三种形式的SDK：静态库(LIB)、动态链接库（DLL）、Converse3D ActiveX控件等，可嵌入语言包括VC++、JavaScript、VB、Delphi等。成功客户

我们的SDK应用遍布各行业，其中不乏大型企事业单位项目，如中海油三维生产辅助决策系统、富士康厂房规划辅助系统、克拉玛依油田消防演练系统、解放军总后勤部虚拟档案馆系统等。应用范围 数字城市行业：城市规划、城市资讯系统

规划：厂房规划平台、资产管理平台

工业：电力仿真系统、工控仿真系统、虚拟装配平台、设备管理系统 石油：辅助生产决策系统、设备管理系统、应急救援演练

交通行业：道路桥梁规划设计系统、城市交通仿真系统、铁道仿真系统 文博行业：虚拟博物馆系统、虚拟美术馆系统 家具设计：家具设计平台、室内装修平台 军事：电子沙盘系统、虚拟战场 地理：气候、植被、水利模拟 教育：各学科课件管理平台

工业仿真平台

生产辅助决策

同时采用B/S和C/S两种系统架构，集三维模型、二维网页信息、数据库数据于一体，实现三部分数据的互相连接与查询，给设备管理、安全生产、应急演练等提供了很大的便利性。

* 二维网页数据和三维模型数据的动态链接与查询

* 三维场景的交互式漫游

* 实现可视化的交互控制

* 运行期动态追加设备，并可任意调整设备位置

* 实现三维空间测量功能，可以测量设备的距离、面积、体积

* 人性化的场景浏览参数设置

多人在线应急演练实训

使用Converse3D虚拟社区系统实现应急推演，以低成本、跨地域的方式进行各种救援演练，人物以化身登陆社区行使救援演练规则规定的行为，如同亲临救援现场一般。可进行应急知识考核，促进人员应急救援水平的提高。生产技能培训 * 机械组装与拆分

* 设备操作实训

传感器实时数据采集与模拟

通过引入实时更新的数据信息到系统中，能准确地预测和分析对生产的影响。生产线流程模拟

模拟生产线场景并与实体生产线对接，可以互相操控和实时状态交互。虚拟装配

机械的组装与拆分，使用数据手套及键盘、鼠标等外设对虚拟设备进行类似于现实操作方式的模拟，实现了虚拟和真实的完美结合。采用数据手套和位置跟踪器结合来完成移位和抓取动作，可以实现5指10个关节的弯曲动作的数据采集，并使用Converse3D引擎的骨骼动画系统对数据进行即时再现。

同时开启顶点捕捉来对零部件的中心点、最近点、圆心、1/4圆周等关键点进行捕捉和自动对齐。

数字城市平台

C3D-DigitalCity数字城市平台适应当今数字城市领域对数字城市三维化、功能化、信息化的要求，不仅提供了全三维的逼真的数字城市场景，而且集合城市资讯及各种功能于一体，是目前城市规划部门、建筑设计领域、城市管理部门理想的数字化平台。系统功能：

自主浏览和自动漫游 用户可以自己控制在场景中游走的路线，方式可以是步行、飞行、鸟瞰，毫无拘束.热点规划

根据建筑的名字将重点规划中的建筑标识出来，用户可以根据自已的要求点击标识，并且可以快速到达该建筑.光照分析

可以对各个地区、各个时间段不同建筑实时阴影的模拟，很清晰的观察各个建筑之间阴影的关系，并快速的调整建筑高低，避免建筑建成后各建筑间阴影遮挡.三维测量

测量工具主要进行场景中任意点的坐标、点间的水平距离、直线距离、面积以及体积的测算 方案分析与调整，该工具可以对指定的建筑进行高低调整，可以观察该建筑阴影对其它建筑的遮挡程度，很方便的对建筑移动、缩放、旋转等操作。属性查询

不同建筑都有不同的属性，该功能可以显示各个建筑的用途，使整个规划更一目了然.分区规划

可以将整个城市分成几个区域，每个区域用不同的颜色表示，代替不同的划分，如老城区、新城区、正在建设区等，也可以按不同功能进行分类，如住宅区、商品区、规划区等.管道模拟

可以真实的模拟整个城市管网，可以看到管道的走向、分布与它们各自的功能.消防演练

三维仿真系统可以真实的模拟消防灭火与逃生的实战演练。同时可以模拟当某一地点着火时，消防车从城市哪条路线过来抢救及人群疏散情况，让更多人知道发生火灾后,要懂得如何自救和逃生.多通道立体显示

采用多通道立体显示系统将数字城市场景进行大屏幕广角显示，使成果展示更加具有形象化和震撼效果.旅游实训系统

C3D-Traveller虚拟旅游实训教学系统利用大屏幕拼接系统、虚拟外设系统，学校结合教学要求和内容，制作出各种虚拟场景直观地展现在学生面前，使更多的学生有机会近距离、多角度学习教师的教学演示，有利于学生的正确理解和掌握。学生独自练习时可以进行反复的实景模拟训练，可大大提高教学的效率。采用Converse3D虚拟现实系统，学生完全是在一个新奇的虚拟环境下学习，不再是传统的书本教育和普通的多媒体教学，从而极大地提高了学生的学习热情和兴趣。

虚拟社区系统

■多通道立体显示

■环幕无缝边缘融合

■高速帧同步

■极高沉浸感

■导游路线录制与回放

■实景视频录制与回放

■嵌入考试系统

■接入方向盘等外设

国内首创三维网络多人在线角色扮演虚拟社区系统

C3D-Community三维虚拟社区系统实现角色在虚拟世界的互动与交流，角色以化身形式登录三维仿真场景，角色彼此可以相见，可以通过文字、语音、视频进行聊天，亦可进行肢体互动。它的出现使三维场景不再是孤立的单体场景，而是一个生机勃勃的社会系统，是未来人们网上生活的重要组成部分。特色

使用IE等主流浏览器操作 实现虚拟试衣功能

动态加载、无需等待 实现意见反馈板功能

支持角色换装功能 商家信息布告板功能

角色形体手动调整 可融合B2C商业系统

角色之间可文字、语音、视频聊天 与JSP、PHP无缝融合

实现角色动作互动 实现商品后台更换

支持角色组队 支持商家推荐商品、发布广告

支持加为好友、好友分类 与业务办理系统无缝融合

支持自动、人工导游 实现NPC业务自动处理

支持快速商铺定位 聊天记录存储与分析

角色多场景之间任意跳转 单台服务器支持5000人同时在线

实现二维视频的三维展现 支持服务器集群

实现单品详情查询 服务器自动平衡荷载 应用领域

虚拟商城、虚拟会展、虚拟博物馆、虚拟美术馆、城市生活、虚拟旅游景点、应急推演

多通道立体投影

Converse3D多通道环幕立体投影系统采用N+1(一台主控机和N台客户机)台主机和若干台投影仪及环形屏幕组建而成，由中天灏景自主研发的边缘融合模块和立体显示模块产生边缘融合及立体效果。多通道立体显示系统扩展了视野，使得进入视野的信息更多了，给观众以极强的沉浸感和真实感。是虚拟旅游实训、科博馆、展览馆等场所进行三维展示的最佳选择。Converse3D多通道环幕融合模块

实现软件边缘融合、软件弧形校正，消除通道间的硬边、使画面过度自然无接缝。同时实现动画、角色、特效等动态物体在通道之间无缝穿越。Converse3D立体投影模块

采用偏振被动式立体，可将三维场景进行视觉分离，输出为左眼、右眼两个通道，以实现立体影像，景深和立体效果可实时调整。特色

软件边缘融合、弧形矫正，成本低

动态物体在通道边缘无缝跨越

立体深度动态调整

采用网格进行弧形矫正

通过分解色彩通道进行色差矫正

帧同步速度高

可实现任意通道环幕系统 应用范围 旅游实训

工业产品展示

虚拟会展

心理学实验室

工业仿真实验室

城市规划馆

物流实验室

粒子特效编辑器 Converse3D粒子特效编辑器支持特效的脚本配置功能，可以模拟雾、雪、雨、烟火、山崩地裂等各种特殊效果，使得制作粒子特效简单而灵活。

物理引擎系统

物理引擎通过为刚性物体赋予真实的物理属性的方式来计算它们的运动、旋转和碰撞反映。为每个游戏使用物理引擎并不是完全必要的——简单的“牛顿”物理（比如加速和减速）也可以在一定程度上通过编程或编写脚本来实现。然而，当游戏需要比较复杂的物体碰撞、滚动、滑动或者弹跳的时候（比如赛车类游戏或者保龄球游戏），通过编程的方法就比较困难了。物理引擎使用对象属性（动量、扭矩或者弹性）来模拟刚体行为，这不仅可以得到更加真实的结果，对于开发人员来说也比编写行为脚本要更加容易掌握。

Converse3D虚拟现实引起嵌入世界著名的物理引擎，可模拟刚体运动、流体运动、布料等物理效果，物体之间的相互作用精准而高效。

虚拟现实软件系统 篇3

关键词：虚拟现实；虚拟现实建模语言；协同工作；分布式虚拟环境；关键技术

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2012) 10-0000-02

一、网络虚拟现实系统

（一）系统结构

在研究网络虚拟现实基本特征和功能要求基础上,构建了如图1所示的体系结构,系统分为功能层、交互层和数据层。其中功能层位于客户端,提供分布式用户工作空间、用户替身和交流白板,实现客户端用户工作的可视化。交互层位于应用服务器端,主要生成多用户工作空间、控制各类信息传递,并实现多用户的协同交互。数据层位于信息服务器端,由用户数据库和模型数据库构成。分层结构使系统具有良好的灵活性、扩展性和可维护性。

（二）工作流程

客户端不断监听与接收应用服务器端的信息,支持用户在工作空间中进行各种操作,并及时将用户信息提交到服务器进行处理。用户登录时,执行Script类的initialize方法,建立与服务器端的连接,创建监听服务器以及用户操作线程,并加载用户工作空间到客户端。客户端与服务器端的通讯通过Java通讯软件层实现,后面将对这个关键技术进行详细阐述。用户注销时,调用shutdown方法删除监听服务器和用户操作线程,撤销与服务器端的连接。

应用服务器根据用户需求,生成用户工作空间,并根据用户的请求类型,对虚拟环境中的物体或物体的属性进行查询和修改,实现共享空间的一致性维护。用户在空间工作时,若改变了场景内容、属性,甚至需要刷新其他用户的工作空间,并不急于呈现交互的结果,而是交由服务器处理。服务器首先比较用户的操作权限、实体的属性、处理的优先级等策略,并将这个事件插入相应的处理队列中。服务器不断处理队列中的事件,当事件成功处理后再更新VRML模型数据库,并将更新信息分发给其他用户。若事件处理失败,服务器将向提交该事件的用户发送出错提示信息。

二、关键技术

（一）生成用户工作空间

在网络虚拟现实中,整个虚拟空间的数据量非常庞大。在现有网络条件下,若要每个用户下载整个虚拟空间到客户端,是没有必要和不现实的。本系统利用细节层次模型LOD和按需传输方法,实现了用户虚拟空间的快速生成,具体实现步骤如下：

step1 用户登录应用服务器后,立即向应用服务器发送请求,通知其所需文件的URL；

step2 应用服务器接到请求后,与信息服务器交互,下载对应的VRML文件；

step3 应用服务器随后以VRML文件的语法结构为依据,按照结点的嵌套层次逐步读取和分析文件,并以前序遍历、深度优先的方式为文件建立语法树,构造场景描述图,并将该场景描述图传给客户端；

step4 客户端提供操作VRML 层次结构的交互界面,用户选择所需要的那部分场景；

step5 用户选择后,客户端将选择结果作为服务请求发送到应用服务器,应用服务器利用先前对VRML文件的分析,分离出用户所需的场景单元,生成”子VRML”{sub-VRML}文件,并根据需要将生成的“子VRML”文件加入LOD控制；

step6 應用服务器将这些带功能扩展的“子VRML”文件传送给客户端,并在客户端显示出来。

用户在虚拟空间中用替身(Avatar)表示,系统用VRML原型(PROTO)定义客户对象,通过传感器ProximitySensor跟踪替身的方位。同时,替身之间通过文本和动画进行交流,用文本框控件输入文本,通过Script节点控制TimeSensor传感器,进而控制OfientadonInterpolator传感器和PositionInterpolator传感器动态改变替身的方位[4],实现点头、微笑等动画效果。

（二）建立多用户通讯环境

系统中,多用户虚拟环境之间的通讯由Java通讯软件层实现。由于VRML不是一种编程语言,不支持多用户环境所必须的共享行为和环境状态的连续性,其网络通讯和分布式控制能力需要借助与Java语言的结合来实现。有2种结合方式,即通过内部Script节点(Script Authoring Interface,SAI)和外部编程接口(External Authoring Interface,EAI)。使用EAI可以在JavaApplet中输入各种参数以改变场景的内容,控制灵活,但它不是真正意义上的分布式控制；SAI方式不需要有JavaApplet的存在,只要为场景中的物体写相应的脚本代码即可。利用Script节点的这一特点,可用Java编写成脚本语言,将Java的网络功能和文件访问功能引入到虚拟场景中,使其引用的Java语言通过TCP/IP协议接收网络数据,并用网络数据控制虚拟环境中对象的属性,从而建立起多用户通讯环境。

在此模型下,Java通讯软件层的实现首先进行2个预处理,即在Script的事件入口处理函数processEvent()中,增加起动一条新线程的语句；在线程执行函数run()中,加入提供socket服务器服务的语句。这样,当VRML分场景接收到事件入口socketPort时,Script节点通过事件处理函数起动一个新的线程。在该线程中,程序运行了socket服务器。socket服务器循环感应网络连接请求,当有请求到来时,socket服务器进行连接,这样在VRML场景与外界间就形成一条通路,VRML场景就可以通过这条路经与外界进行通讯。同样,外界来的数据也通过这条通路送到VRML场景中,在Script节点处产生新的事件,经过路由又送回VRML场景中的其它节点中。为了实现客户端的主动请求连接功能,可在Script的事件入口处理函数processEvent()中加入提供socket客户服务的语句“Socket client=new Socket(Host,Port)；”,主动与外界服务器建立连接。至此,多用户环境的底层通讯就畅通了。

（三）构建通信数据包

在网络虚拟现实中,为了实现WYSIWIS效果,必需构建高效的通信数据包并有效传输,才能使所有用户获得的信息保持一致。系统主要构建了2种通信数据包满足这个要求。

一种是操作数据包,即用户在虚拟空间工作时产生的数据信息(用户操作的对象,操作的类型,操作的结果),如用户的加入或退出,替身移动或转向,替身自身动作,创建或删除一个物体,对物体进行移动(旋转、缩放、改变颜色)变换处理,对物体进行锁定或解锁等,形成一个请求数据包VPacket(操作对象类型VKIND、操作对象序号VID、操作类型VIP、操作的数据类型Vfiled、操作的数据值value),这个数据包传送到服务器进行处理后,服务器会产生一个结构相同的响应数据包,并传回给该用户。

三、应用实例

我们在校园网分布式虚拟环境下,实现了一个多用户协同组装电脑的原型系统。用户登录实验系统后,系统为每个用户生成自己的工作空间,用户在工作空间中搬动电脑配件并安装到主板的相应位置。在搬动配件之前,用户需要申请自己的工作任务以确定安装哪个设备,当每个用户成功安装设备后,即时发送信息提示其他用户。系统检测所有配件的安装情况,以决定是否完成协同工作的任务。实验场景与电脑配件用3DS MAX创建,用户替身采用Poser绘制,导出的VRML文件在CosmoWorlds中修改并添加交互。系統采用集中式数据库方式,主要存储电脑配件设备的参数信息和用户信息,与数据库的连接采用JDBC实现。

四、结束语

本文以实现CSCW为目标,在不改变现有网络带宽和网络协议的前提下,解决了VRML网络虚拟现实系统中用户虚拟空间的快速生成、VRML场景的实时通讯、多用户操作的协同控制等问题,深入研究了关键技术,并以网络环境中协同组装电脑为例进行了实现。为了实现真正高效、大规模的分布式虚拟现实,还需要在模型的优化、多用户业务规则的协同策略、协同工作过程的触发策略、突发事件的处理等方面作进一步研究,这也是我们今后研究工作的重点。

参考文献：

[1]许爱军,张文金,易丹.基于虚拟现实技术的远程教育平台研究与实现[J].计算机系统应用,2007,8:23-26

三维虚拟现实仿真模拟系统的应用 篇4

化工过程的模型技术是以化学工程、自动控制、反应动力学、化工热力学等机理为基础的机理模型技术。过程动态仿真模拟系统(OTS)实质上是借助于计算机的计算能力，用数学模型代替实际生产装置，并高度仿真实际DCS操作系统。其工艺过程操作与响应、控制系统操作与响应、操作员界面、工艺流程画面、键盘、联锁响应、操作方式、整个过程变量的动态响应趋势均与实际过程一致，实际工厂操作系统示意图如图1所示。仿真系统示意图如图2所示。

2 三维仿真的定义

三维虚拟现实仿真，就是利用计算机技术和科学计算模型，模拟实际过程的各种现象、操作行为和各种响应。随着计算机技术的不断进步，仿真技术已经深入到了国民生产的各行各业之中。仿真系统按行业分类：在军事上有作战仿真和军事武器仿真;航空航天有飞行器模拟仿真;船舶和交通运输行业有驾驶模拟器仿真;电力系统有电厂、电站和输变电设备等的仿真;建筑行业有建筑仿真;石化、钢铁、煤炭行业有过程工业的工艺模拟仿真;城市公共系统和社会事件仿真。

3 过程仿真和三维仿真的实现

过程工艺模型的开发采用北京华康达计算机应用技术有限公司(HKD)开发的过程动态仿真软件平台GPRES。三维虚拟现实模型的开发采用HKD开发的过程动态仿真软件平台VESSA，以在辽化加氢裂化装置现场采集的影像资料和设计图纸等为基础。控制系统模型采用与该装置实际DCS系统一致的算法。

模型的开发以化学工程机理为基础，以辽化加氢裂化装置的设计数据和生产数据为依据。主要建模措施：过程单元设备模型，以化学工程原理和设备设计数据为基础建模;过程热力学模型，依托ASPEN PLUS软件的热力学方法和数据库建模;反应器模型，借鉴专利商技术和辽化提供的相关资料和数据。

以加氢裂化反应器为例，措施为：

⑴考虑多种加氢反应：

加氢脱硫反应、加氢脱氮反应、加氢脱氧反应、烷烃加氢裂化反应、烯烃加氢裂化反应、二烯烃加氢裂化反应、芳烃加氢裂化反应。

⑵基于反应动力学方程：

式中，PFi为指前因子;CAi为催化活性因子;FR为进料影响;Ei为反应活化能;PPH2为氢气分压;Ci为反应物浓度因子。

⑶考虑多种反应影响因素：

原料组成、催化剂活性、反应温度、反应压力、空速、氢油比、反应热等。

上述措施保证工艺模型具有较高精度(与设计数据对比在仪表量程范围±3%内)。

建立三维模型主要工作有：开发3D引擎(采用VC++，OpenGL等底层开发工具和开发环境);第三方建模工具和自己研发的建模工具相结合(3Dmax,Multigen Creator,AutoCAD,PhotoShop等);模块式设计(使系统易于扩充和维护管理);面向对象建模(增强系统的可修改性和可维护性);与工艺过程模型的接口等。

4 三维虚拟现实仿真的技术创新点

本项目为辽化与HKD合作开发，首次在辽化将虚拟现实技术用于仿真培训系统，在OTS中增加了对生产巡检的培训功能。

传统的OTS技术路线：工艺模型+DCS仿真操作界面+平面的仿现场操作界面。这个路线主要用于对工艺设备、DCS控制等操作的培训。应用虚拟现实的技术路线：工艺模型+DCS仿真操作界面+三维虚拟现实的仿现场操作界面。这个路线除了能用于对工艺设备、DCS控制等操作的培训外，还侧重装置现场操作的培训，如巡检、对动设备的现场操作等，在企业实际生产中尤其重要。

本项目将新兴的三维场景模拟技术与成熟的过程动态模型技术相结合，通过构建高精度、大范围、多层次、多职能的模型，形成一体化、逼真度、可以人机互动的大型仿真软件系统。该系统相对于传统OTS的特点是增加“3D场景+人机互动”功能，是对加氢裂化装置动态仿真的最新研究成果。

5 实现三维虚拟现实仿真的基本步骤

(1）技术准备阶段：

了解熟悉工艺流程，完成和确定仿真系统的总体设计。

(2）模型开发阶段：

根据技术资料，完成工艺模型开发、三维虚拟现实现场仿真、模型集成和测试、建立评分系统等工作。

(3）预验收（PRE FAT）阶段：

做仿真系统性能测试、ATP模型测试程序编写、技术文件编写等。

(4）出厂验收（FAT）阶段：

辽化人员在HKD对整个仿真系统验收测试，包括硬件、系统配置和功能、模型稳定性、模型开/停操作、事故功能、评分功能等。

(5）现场验收和交货（SAT）阶段：

HKD派人员在辽化安装本项目OTS系统;辽化人员对整个仿真系统现场验收，测试主要内容有硬件和FAT中要求修改的内容是否已修改正确、系统的配置和功能、模型稳定性、模型开/停操作、事故功能、评分功能等;之后系统交付使用，开始培训。

6 三维虚拟现实仿真的功能

三维虚拟现实仿真具有以下特性：

(1）实时性：

加载了三维模型以后，整个仿真系统能达到流畅，帧速率不低于24;在预案演练操作过程中，对场景中的设备的干预，应该达到实时性。

(2）可靠性：

系统运行过程中，没有出现非硬件问题的异常退出。

(3）逼真性：

事故模拟基于装置提供的事故处理资料，提高了逼真度和应用性，使应急预案的演练过程和真实的演练接近。

三维虚拟现实仿真功能包括：三维图形显示(装置区总貌、三维人物、三维特效、预案步骤显示);实时和可交互;网络演练;生产巡检功能;预案演练逻辑控制等。

三维虚拟现实仿真和实际生产情况的对比如图3所示。

7 三维虚拟现实仿真的实际效果

辽化公司在系统投运后安排了5次、近40名相关人员在仿真系统上做演练和培训。普遍认为这种虚拟现实的仿真形式很新颖，仿真的逼真度高，实效性较好。主要体现在：

⑴准确性：

过程工艺模型的精度较高，主要变量值与稳态值在仪表量程±3%的误差范围内;动态变化的趋势与实际过程相符合。

⑵逼真性：

对生产实际场景的虚拟现实模拟与实际比较相一致，声响效果的模拟也接近实际。例如，仿真系统按照实际开工方案一倍速度运行，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。

⑶多样性：

增加了装置生产巡检的培训和事故预案的考核功能，满足装置全员的培训需求。

⑷实施性：

仿真的对象是厂区的装置、现场阀门和现场仪表，系统的交互功能让使用者能够对装置进行操作，有同于实际操作一样的感觉，人机互动良好。

⑸趣味性：

采用三维立体化的界面，结合演练的脚本，使操作演练如同做计算机“游戏”，增强了安全操作培训的趣味，有较强的吸引力。

⑹知识性：

仿真系统内容丰富，包涵了多领域的知识。

⑺方便性：

人机界面接近实际，学习人员很容易上手。系统有视频演播、指导练习、操作考评等多种使用方式，方便不同层次的人员使用。

8 结语

经过一年多的使用，该三维虚拟现实仿真模拟系统虚拟现实的仿真效果较好，满足装置全员的培训需求，特别有利于实际操作的培训。

参考文献

[1]吴重光.仿真技术[M].北京:化学工业出版社,2000

[2]申蔚,曾文琪.虚拟现实技术(21世纪计算机科学与技术实践型教程)[M].北京:清华大学出版社,2009

[3]易涛,等.基于HLA架构下的化工安全虚拟现实仿真演练系统[J].计算机与应用化学,2007,4

[4]易涛,等.基于虚拟现实技术的灾难事故仿真系统[J].计算机与应用化学,2009,26(08)

虚拟现实软件系统 篇5

2.1 激光定位技术

HTC Vive虚拟现实设备中自带有激光定位器，通过定位器我们可以直接实现场景内外漫游的同步，用户可以很容易实现两种漫游模式，站立式与房间模式，但 HTC Vive激光定位器的内部设计较为复杂，在-间，加利福尼亚大学戴维斯分校的一名虚拟现实研究人员Oliver Kreylos详细的分析了HTC Vive的激光定位器，这篇分析涉及了定位器的更新频率与延迟、跟踪抖动、惯性定位推算、漂移校正以及准确度等几个方面，这对于Vive开发人员可以说是非常好的一件事，尽量降低不必要的误差，提高准确率，实现高效率、高精确度、高仿真的交互。这种室内动作和定位的技术对于虚拟实验室这类区域性教学软件的.开发有着突破性的价值。

实验室教学活动的重要组成部分，亲身实验的效果远比单纯的理论教学更有说服力，并且能够产生更好的学习效果。但是教学实验的时间、空间问题矛盾较为突出。昂贵的设备和实验材料经费是主要矛盾，而基于HTC Vive的虚拟现实实验很好地避免了这个问题，时间不限，足不出户便可实验。同时生物和化学方面的实验危险性也是极其突出的矛盾，而交互技术支持下的虚拟现实实验将没有任何危险性，但是又与现实实验有接近同样的体验。

2.2 手柄交互技术

在教学手段方面，相对传统基于移动和PC端的教学软件开发而言，交互技术的加入使得互动式的启发教学尤为明显，尤其体现在对手柄的操作。身临其境、自主控制的人机交互，视觉、听觉、触觉的生动展示提供了生动活泼的直观形象思维材料，形成知识点，将原本平面化的事物展示在眼前。

手柄是教学中实现交互的最重要设备，如通过菜单按钮、touchPad、系统按钮、扳机键和侧面的手柄按钮等。首先通过手柄实现交互的最简单方式就是触碰，不需要任何按键，如在一些虚拟世界中，我们需要将手柄做成教学软件中需要的模型，那么触碰就是必不可少的交互方式，以Unity游戏引擎开发为例，这种交互技术的实现与传统的教学软件开发中Trigger（触发器）的实现原理一致，在手柄模型接触到物体、停留在物体中和离开物体时，分别调用Unity内置的OnTriggerEnter、OnTriggerStay和OnTriggerExit函数并在函数内实现相应的功能即可，这种交互技术在由电脑屏幕操作到虚拟现实操作转变过程中其本质原理是不变的，只是在展示给用户的使用形式上发生了改变，所以相对于开发人员来说，由普通的2D和3D电脑手机游戏转向虚拟头显游戏开发过程中，这种交互技术是最容易理解和掌握的。

再者就是HTC Vive虚拟现实教学软件开发不同于传统教学软件开发的交互技术，总体来说可以归结为一种UI的交互，在Stream平台中，成型的基于HTC Vive的教學软件已经越来越多，但是交互技术可以说是万变不离其宗，其中一部分是通过手柄下方的Trigger扳机键来实现虚拟环境中按钮的打开与关闭，这方面与传统的Unity开发按钮的使用原理也不尽相同，但是大部分项目使用的是最为常用的交互技术——射线交互，用户在使用手柄过程中可在虚拟环境中的手柄上端发射出一条激光指针，通过指针与另一端的UI进行交互，这种交互技术主要是通过引用VRTK中的SimplePointer来实现，通过动态的设置射线接触UI的过程中UI产生的颜色和形式的变化来实现交互，这种交互技术脱离了传统媒介的交互模式，充分地展现了虚拟学习场景中独具时代感的交互模式，在虚拟学习场景中实现了未来康宁玻璃式的交互方式，并且充分展示了手柄的独特与灵活之处，所以这种射线交互技术得到了最为广泛的使用。同时另一种射线交互Bezzier Pointer，也就是我们常说的贝塞尔曲线，通过简单的接触TouchPad就可以在虚拟学习场景中实现瞬移，TouchPad就相当于整个虚拟学习场景地面，通过手在TouchPad上滑动取点，就可在虚拟学习场景中选择对应的瞬移终点，这种交互技术将虚拟世界复杂的不规则曲线运动变得规则，同时又解决了虚拟现实项目运行所需的空间限制问题，仅需站立模式就可实现房间模式所能实现的效果，将Bezzier曲线巧妙地应用于虚拟教学中，可以说这种交互技术实现了一举多得的效果。

最后一种利用手柄实现的交互技术我们称之为手柄菜单，简单的手柄菜单就是在虚拟手柄上方添加一个UI，可通过编写手柄按键来实现UI的隐藏与显示；稍微复杂的手柄菜单也就是RadiaMenu（环形菜单），通过将RadiaMenu 预制体绑定到对应的控制器下，并设计环形菜单的图案与点击事件来完成编写，用户可通过滑动触摸TouchPad来选择对应的环形菜单按钮从而实现交互。这种手柄菜单也是目前Vive开发中较为常用的一种交互技术。

2.3 头显凝视技术

学习者在学习过程中，交互形式多种多样，而最为简单的一种方式就是用眼睛观看，这种技术在以往任何形式的教学软件中都未曾实现，但是基于HTC Vive的虚拟现实教学软件却可以实现，这种交互技术叫做凝视，凝视反映出头显在作为一种输出设备的同时，也可作为一种输入设备。

SteamVR_GazeTracker（凝视）是一种在没有手柄等输入设备的情况下，可以通过眼睛盯着某个物体看来实现的一种视点交互。我们只需要将辅组类添加到我们想要凝视的物体上，比如菜单等，就可以实现凝视的功能，这是不依靠其他设备，直接通过头显实现的一种交互技术。

凝视的原理实际上是从头盔的位置发出一条射线判断是否与物体相交来做选中或者交互的。而且因为凝视的精确度不高，所以没有做直接与物体相交，而是在物体的位置创建了一个平面，通过射线与平面相交的交点的位置与物体的距离来大概判断的。这个距离值是可以调的，主要是对Gaze In Cutoff和Gaze Out Cutoff两个参数设置来调整是否选中的距离。

头戴显示器交互的实现直接决定虚拟教学的沉浸程度。就角色层面而言，交互技术支持下的操作具备很强的沉浸性和交互性，比如虚拟驾校学习软件出现使得学生在虚拟环境中完全扮演一个学徒的角色，全身心的投入环境中，体验着只有真实驾校才可能有的体验，这对后面真实的学习起着一种过渡作用，角色化的学习更有利于对技能的掌握。

3 结束语

随着虚拟现实技术和开发引擎的不断发展，目前尚未成熟的基于HTC Vive虚拟现实设备的交互技术的开发也会逐步完善。这使得虚拟现实新领域的探索成为了未来教育发展的一种必然趋势，HTC Vive这类沉浸式头戴显示器的开发程度也会逐渐提升，更多的基于HTC Vive的交互技术将被开发出来，更多种的交互方式将被应用在教育教学之中，跟随时代的步伐，掌握最前沿的开发技术，已成为信息时代的需要，更是未来教育发展的需要。

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虚拟现实软件系统 篇6

[关键词] 虚拟现实； 虚拟实验； 学科领域知识

[中图分类号] G434 [文献标志码] A

[作者简介] 孙江山（1978—），男，山东东营人。讲师，硕士，主要从事新技术教育应用研究。E-mail：jssun@deit.ecnu.edu.cn。

一、引 言

当前，有关教与学的理论与技术的不少有价值的研究成果未能有效地向教学迁移，未能产生教育教学改革的预期效益，方兴未艾的虚拟实验系统的开发与应用也面临同样的困境。在现实的实验教学过程中，由于教师考虑实验安全隐患、需要花费时间和精力甚至教师信心不足等问题的存在，实验教学的效果一直未曾充分显现(Walton，2002)，虚拟实验系统应用在课程学习中的重要性也没有得到足够的重视(Saka，2002)，教学效果不尽如人意，达不到教学目标规定的要求。[1]英国“学习与绩效技术中心”统计，由教学专家们评选出的前100名最优秀的E-learning 工具排名中，截至2011年6月，虚拟实验系统难觅其踪。

随着具有视觉输入反馈功效的触控设备等虚拟现实建模技术和传感技术的日趋成熟，虚拟实验系统的诸多问题得到了进一步的改进和革新，如增强现实技术的教学实验应用等。[2]虚拟实验系统也越来越突现出了虚拟现实的特性，[3]如图1所示为虚拟微观化学分子结构及实验现象科学假设仿真。国内外的相关研究在涉及科学、技术和教育领域中的概念改变、抽象思维的发展和促进认知发展都给出了很高的认可，如基于三维世界的空间学习。[4][5][6]它在熟悉真实实验环境、消减实验焦虑、提高实验操作信心方面效果显著，[7]并且在当下实验教育资源匮乏和分配不平衡的情况下，虚拟实验教学突现利用率高、易维护和低成本等诸多优点，更体现了虚拟实验在实验教学实践中的应用价值。

以往研究主要侧重描述如何应用虚拟现实软件开发具体的实验项目、介绍新兴和常用实现技术，以及从计算机图形学的角度优化三维建模算法。笔者将从学科领域知识的角度研究如何设计有效的虚拟现实实验系统，以达到预期的教育目标。在整个虚拟现实实验系统设计过程中，不仅要考虑虚拟现实系统的软件功能模块、兼容性、可扩展性和使用成本等技术特征，更要从学科内容的特点（知识属性）和知识学习的心理规律（认知特性）两个方面审视虚拟实验设计的理论探索和开发实践。

二、基于学科领域知识的虚

拟现实实验系统的设计

学科学习可以看作是一个引导学生从新手认知向专家认知发展的过程。本文旨在通过对结构良好和功能完善的学科领域知识进行重新表征，构建基于学科领域知识的虚拟现实实验系统，以提高学科教学的有效性和学生学习的效率。学科领域知识是指学生所拥有的关于某个特定学科范围内的所有知识，是关于某一学科中的那些具有一定相关性、逻辑性、操作性的知识，按其知识属性、认知特性而加以组织形成的知识组块和认知操作图式。[9]从其结构上看，学科领域知识的三维结构包括了学理内容、认知过程和问题条件三类知识。其三维结构不仅涵盖了陈述性知识和程序技能，也包括了在认知操作中具有核心作用的元认知策略成分。它将原来教学实验中只考虑知识本身、内在关系的知识系统转变为将知识和认知相结合的领域知识。每一个学习者所获得的所有知识都可包含在这三类知识中，并且学科领域知识的三个组成部分是截然不同的。例如，学习者掌握化学制取二氧化碳气体的实验知识，就不仅要求具有制取二氧化碳气体需要准备什么和注意什么事项的学理知识，还要掌握实验仪器组装、药品添加及实验观察分析等认知过程知识，同时还要知道在什么条件下执行什么实验程序的限制性条件（即条件性知识）。这样，才能置换出二氧化碳，只有掌握了这三类知识，学习者才真正掌握了制取二氧化碳的完整知识。

（一） 学理知识的表征

虚拟现实实验系统按照学科领域知识的具体与抽象的逻辑关系，透过具体的实验现象的展示，揭示出具体的科学原理，帮助学习者突破思维上的难点和疑点。如“化学实验制取气体”，虚拟试验装置可逼真地模拟实验的仪器组装过程，演示实验的现象，如加热、生成气泡。突破了真实实验的某些局限，如实验时间跨度太长或太短不利于现象观察，实验过程变化的细节不便直观感受，科学假设受限于实验条件和设备的高要求无法验证。这样的虚拟现实建模虽然一般能帮助学习者清晰地了解具体的实验场景与现象，但是学习者观察过后未必能把握具体现象与抽象科学规律间的关系，也就难以达到运用规律解决新问题的有意义学习目标。如制取气体的虚拟实验现象要揭示的科学规律是化学制取气体的原理，为什么特定化学药品被混合时会产生气体？气体生成的化学反应过程的规律是什么？现实生活中的应用又如何？这些都是构建基于学科领域知识的三维虚拟实验知识单元模型要考虑的关键因素。

一个实验任务的成功完成是在考虑学生已有知识水平与学生在学习活动中的认知特点的基础上，同时考虑一系列相互关联的实验知识单元，组建实验知识单元学习序列。而虚拟现实三维建模能够全息表征实验知识单元内容，它借助几何建模、运动建模、物理建模等，构建可视化虚拟学习对象外观、运动和物理特性的数据模型。作为虚拟实验活动过程中传递学科知识信息的基本单元，具体包括概念、原理、关系、规则等反映事物的知识内容。

实验知识单元是学科实验知识学习的基本内容。本文根据SCORM内容聚合模型的设计思想，结合学科领域知识相关理论，引入一种基于学科知识库的三维虚拟实验知识单元模型。[10]在该实验知识单元模型中，描述学科知识库的核心元素Organization不是单纯地用于聚合实验内容或实验活动，还要用于描述学科知识体系、实验知识单元及其逻辑结构关系；元素Item用于描述实验知识单元，允许嵌套子元素Item；子元素Metadata用于描述有关实验知识单元的元数据，包括实验知识单元之间的组织结构关系。该模型中包含的数据，不单是特定实验项目中可视化场景所需的具体实验数据，而是要包括可视化3D模型及相关描述信息。在虚拟现实实验系统中，基于该知识单元模型的结构化数据可以实现直接扩展和迁移，实现在学科知识体系中的查询和获取，从而得到重复使用。如图2所示为基于该知识单元模型的中学化学虚拟实验实例的内容组织结构图。

1. 实验项目描述

包含三项内容：实验项目名称、项目设计者、项目概述。这些简短说明文字用于标识和命名虚拟模型数据库中的实验项目。

2. 属性栏

设置特定实验项目所需观察实验数据的属性呈现，如试剂、温度计、PH计等属性栏，化学反应过程动态属性值变化显示等。

3. 化学药剂

药剂的化学分子式、化学结构式表征和化学属性设置。状态选择分为气体、固体、稀溶液、液体等。化学属性如摩尔质量、量浓度和质量分数，以及药剂的颜色和温度设置等。

4. 化学反应方程式

指定特定实验项目的化学反应方程式，并标识出反应物和生成物。

5. 实验项目配置

定制实验项目的方案，包括配置实验所需的仪器装置（烧瓶、烧杯及铁架台等），指定所需的实验化学药剂和用量等详细的数据。

（二）认知过程知识与虚拟现实人机交互

认知过程知识是指在学习过程中，关于认知活动过程性和操作性的知识。它是学科领域内的一套关于知识获取、认知操作和问题解决的规则或程序，调节和控制着学生在实验教学中对已有知识的使用和新知识的构建。好的虚拟现实交互设计应该遵循认知活动规律，根据学科实验教育的目标和学习者的认知水平，分析学习者的需求，然后根据具体学科实验任务及步骤，结合实验操作的特点，在知识获取的相关交互活动中，提升实验学习效果。

认知过程的关键是知识重构，即知识的重组和加工。人类信息加工容量有限性的观点认为人类只能同时对有限数量的信息加以接受并保持其活跃，即认知加工容量是有限的，可同时利用的心理资源是有限的。[11]据此，三维空间交互界面设计应围绕该有限性的两个主要方面展开：

1. 学习者注意的选择性

人类通过视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉、前庭系统和本体觉七大感觉系统来获取信息。自然的感官体验减少了不必要的信息加工过程，有助于避免可能加重认知负荷的情况发生。三维虚拟实验场景通过多视角的观察，及一系列的仿自然感官体验的用户操作和反馈，达到掌握实验装置构造、原理、步骤、方法等认知目标。

虚拟实验系统设计要发挥计算机交互方面的优势，使学习者有更多精力去完成无可取代的复杂认知活动。人机交互界面的基本功能包含漫游和自由度（DOFs）操控。它们的实现通过使用专用感知设备，像ImmersaDesk和PHANTOM，也有PC支持的周边设备，常见的有三维鼠标、摄像头、数据手套、头戴式显示器和体三维显示器等。它们可以实现3D对象选择和3D对象方位变换，让学习者及时地、没有限制地观察三维空间内的全息事物，以利于培养学习者的空间想象能力以及理解抽象的知识和技能的实践运用。另外，通过镜头控制实现多角度观察，用户可以调整视角的方位，实现全局或局部场景的漫游，延伸用户感知信息的能力。

3D应用程序(如3D游戏)利用富有特色的物理建模和行为建模，在虚拟实验的特定任务情境中，如装置组装的碰撞测试、虚拟环境的自适应行为等，实现了更具真实感的人机交互，即对虚拟物体产生的感觉和真实世界一样，像在真实世界中一样对待虚拟世界中的物体。

减少实验问题解决和学理知识学习中的认知负荷，让学习者不必同时注意太多冗余信息，也是学习注意选择性的考虑因素。比如，可视化3D模型与其文本标签等实验数据同时提供，把它们布局整合在一起，场景模型应该把那些不重要的信息，或可有可无的信息从全息景像中清除掉，以免影响学习速度。

2. 工作记忆信息容量的有限性

实验过程要求严格遵循实验工作流程，实验内容单元呈现序列可按照实验步骤提供清晰的信息路径图。该一维实验序列是在时间轴上的学习路径，考虑各知识单元的层级关系和相关度，并以学习者的已有知识水平和行为作为起点，根据实验项目内容的逻辑结构，或者通过解释结构模型法，借助计算机程序生成各个实验知识单元间的教学序列。

实验内容属于操作性较强的学习内容，每一个学习者在实验学习过程中的问题或多或少都存在着差异。在这样的情景下，个别辅导对学习者的管理、引导和启发会发挥不可替代的作用。智能向导作为学习伙伴的化身，通过会话的方式与学生交流，提示操作步骤，检验操作的正确性，在很大程度上会促进学习者的知识获取和意义建构。比如化学实验需要加热药品时，也有严格规范要求，不但对药品的用量、火焰的部位、倾斜的角度有着明确的要求，更不容忽视安全操作，像液体物质加热时一定要做到“先均匀、后集中、管口万勿对着人”。在出现操作失误时，会禁止下一步骤的执行，并给出错误提示信息。[12]再者，在实验教学序列中引入探究问题，以引导学习者思维的方向。如用锌粒和盐酸制取的气体中含有杂质吗？若有，会是什么？如何除去这些杂质？通过引入净化装置知识单元，使得学习者深入理解净化实验环节相关知识和操作方法。

（三）问题条件知识的虚拟演示

问题条件知识是指在特定的学科问题情境中，进行问题解决时使用已有知识的限制条件。对于专家与新手在解决问题上的差异的研究表明，新手会汇集大量的加工信息用于缩小当前认知状态和目标认知状态之间的差异，但问题解决的重要部分（如实验内容中的问题结构、方程及定理等）的表征就会被延缓，不利于知识的获得与专长的发展。基于样例教学模式的实验演示是一种不错的模式，与从做中学相比，探究所需的时间少，有较好的迁移效果，让学习者更多地注意实验问题的特征，以及在什么情境下使用哪些原理、规则等。这种模式强调的是专家知识的构建，通过利用与展现专家专长与认知优势让学生在实验教学中受益，实现从新手向专家的认知转变。

三、中学化学虚拟现实实验

“二氧化碳制取”实例

本文以义务教育化学新课程标准规定的中学化学实验制取气体中的“二氧化碳制取”专题为例，分析虚拟实验教学内容的三类知识在其中的相互联结，以及基于学科领域知识的虚拟现实实验系统的构建策略。实验要求知道制取二氧化碳的化学原理，解释确定气体发生装置和收集装置时应考虑的因素，然后通过药品的选择、装置的设计等体验科学探究的方法，使学生初步学会组装实验室中制取二氧化碳的装置，培养实验设计、观察和评价能力。

（一）实验笔记

基于学科领域知识的虚拟现实实验系统的一个基本的问题就是如何可视化表征学理知识。因为在学科学习中，学生依赖领域知识的引导与学习环境中的各种信息发生交互作用。如果缺乏学科领域知识或者对特定领域的概念结构理解不足，学习者将无法在学习过程中获得足够的引导，很难对学习环境中的各种信息进行分辨和有效组织。在虚拟实验“二氧化碳制取”中以三维虚拟实验知识单元模型表征的学理知识可以形象地称之为实验笔记，包括实验项目相关学理知识的表征以及实验报告的展示。如图3所示，实验笔记不仅便于检索查阅，还能够直观地描述在模拟实验过程中可视化模型和场景所需的实验数据的呈现。

（二）三维实验场景的人机交互

三维空间交互设计的最大挑战是能否支持快速有效的用户操作和反馈控制，保证动作任务的顺利完成。虚拟现实关键特点就是为用户提供自然的交互，在虚拟现实实验中就是给学习者完成虚拟实验任务提供便利的交互空间和操作方式。

在交互式的三维空间场景中，会提供一系列的用户操作和反馈工具。平移、旋转、缩放等漫游和自由度（DOFs）操作等工具，一般都加有限制性控制，目的是防止出现漫游过程中穿越实体对象如实验台，或者游离出实验场景以外。[13]前置的二维悬浮操作提示，如工具图标上的文本标签,使得三维虚拟实验系统的新用户可以及时找到所需的操作控制方式，有效地完成交互操作。

实验过程导航设计贯穿于整个虚拟实验组织架构，呈现各个实验知识单元的学习序列。问题导入式的导航设计按照实验步骤顺序步步深入，“可以通过哪些方法来获取二氧化碳”引入实验项目文本描述；“实验室制取二氧化碳的理想药品是什么”提醒进入到实验药剂部分；“能设计或组装一套制取二氧化碳的装置吗”链接到了实验项目配置方案；“应该怎样把二氧化碳收集起来，如何检验所收集的气体是二氧化碳，如何检验二氧化碳是否充满集气瓶”又将注意力转移到观察实验演示样例中。

提供已组装成的实验仪器的线框图，标注组装步骤及各个实验仪器的方位信息。另外，第二辅助视角可以帮助学习者准确把握各个实验仪器的方位，在装置组装过程中，使学习者不至于迷失方位。

（三）实验演示样例设计

虚拟实验“二氧化碳制取”采用了基于样例教学模式的实验演示，包括三部分：问题、解决问题的方法、评论。特定实验场景设置的实验演示可将解决来自不同感觉通道的实验问题所需信息聚集在一起，同时对其表征加工，使得学习者加快认知过程知识的重建。具体实验任务和实验步骤通过可视化三维交互场景、动画和文本符号等形式呈现。比如，虚拟实验中导入样例问题 “你觉得下一步骤应该是怎么做”，或者 “这样解决实验问题的根据是什么”，同时解决相应问题方案的三维实验场景凸现显示。评论则是以智能向导通过讲解的方式与学习者交流，提示操作的关键步骤。如此一来，实验演示样例与技能训练搭配，加强了学习者的学习迁移。

四、总 结

结构良好的、丰富的学科领域知识是创建有效虚拟实验系统的基础，这既要求系统科学地反映学科知识体系，还要为学习过程的开展和认知策略的应用提供充足的学习资源。基于三维虚拟实验知识单元模型，根据学科领域知识的属性和学习者在认知学习中的心理特征，对实验内容单元进行表征。这充分考虑了不同知识在特定问题情境中的作用，还体现了知识结构的动态性特点。

Mayer认为有意义的学习取决于认知活动而不是物理行为，如实验操作。而有意义学习强调学习过程的实质是新旧知识结构的重组，是对所学知识的同化与吸收。基于学科领域知识的虚拟现实实验系统实现了有意义的感知，进而理解、领悟实验内容。

针对本文的研究，须强调两点，一是样例学习方式让学习者通过研习样例而习得专家的问题解决方法，但要充分发挥其对学习的促进作用，除了要有设计良好的样例这一首要外部条件外，还需要学生的内部条件，即学生对样例的自我解释，[14]但这需要进一步完善实验系统的共享和交流功能；二是虚拟现实实验相比于真实实验，缺乏某些感官的充分体验，比如嗅觉和触觉，接下来的研究工作将会针对如何增强现实感知来丰富交互体验，强化学习者的参与程度。

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虚拟现实软件系统 篇7

实施有效、系统的安全培训, 提高煤矿工作人员安全技术水平和预防、处理事故的能力, 对于煤矿的安全生产至关重要。传统煤矿安全培训教育方式以学习规章制度为主, 大部分都是文字资料, 培训时枯燥无味。多媒体课件以及煤矿拍摄的生产过程和事故案例再现的视频, 由于很多事故无法真正再现给培训人员, 不能充分展现声音、图像、动画和人机交互相结合的特点。因此, 传统的培训手段过于单一, 培训效果很不理想。

针对目前传统煤矿安全培训中存在的问题和局限, 本文采用现代化煤矿安全培训方法, 将虚拟现实技术[1-2]应用于煤矿安全培训, 运用3D仿真技术, 汇集采矿工程、安全科学与技术、计算机科学、三维造型技术、可视化技术及视频合成技术等, 结合机械、电、光、磁、声等综合技术将煤矿风险预控、事故案例再现和事故应急救援以三维仿真和人机交互的方式展现在培训者眼前, 实现三维的高度仿真效果, 使培训者如亲临煤矿生产或事故现场。

基于虚拟现实技术的煤矿安全培训系统在安全生产教育方面发挥独特的作用, 适合煤矿安全培训部门集中学习和生产部门每天的班前会学习, 并通过三维仿真和交互形式使煤矿员工有如沉浸于真实的现场, 达到良好的学习效果。

1 系统设计

煤矿安全培训系统主要利用虚拟现实技术, 以实现不安全行为及其可能造成的后果、典型安全生产事故案例和煤矿安全事故应急预案的高度仿真和人机交互为目的, 使学习者近于亲身体验不可再现的虚拟环境, 从而产生良好的教育效果。煤矿安全培训系统主要应用3DS MAX进行建模、贴图和渲染, 利用Virtools DEV工具实现人机交互。针对煤矿三维动画仿真度不高的缺点, 本系统设计原理如图1所示。

基于虚拟现实技术的煤矿安全培训系统由煤矿风险预控、事故案例再现、事故应急救援3部分组成, 如图2所示。煤矿风险预控主要实现煤矿地面环境和井下环境 (包含地面、机电设备、巷道、采煤工作面等) 的三维仿真, 同时可以自由漫游于井下, 并且模拟一些基本的井下操作;事故案例再现主要通过三维再现煤矿近些年发生的典型安全事故案例, 并且分析事故原因;事故应急救援主要针对煤矿易发生的水灾、火灾、机电、瓦斯和顶板5类灾害事故制作完整的灾害事故应急救援三维仿真。

2 系统实现

首先进行前期调研。根据具体要求, 选择相关危险行为、事故案例和实际应急预案, 详细搜集其资料, 积极联系、询问煤矿技术人员, 了解事故发生前员工进行的操作, 调查、分析事故发生的原因, 制定安全事故应急预案。将所得资料去粗取精, 由表及里地分析研究, 找出原因, 为不安全行为事故的虚拟仿真提供数据依据, 对煤矿安全事故进行准确的分析与定位。咨询相关专家、工程技术人员, 以实现高度仿真为目的, 构思出三维仿真手法。

本系统采用3DS MAX软件来完成煤矿设备模型和场景仿真, 利用Virtools DEV工具实现人机交互。

2.1 基本模型构建

2.1.1 井下设备建模

系统的设备建模主要采用多边形建模技术。简单的小型设备模型只需构建简模, 贴图则利用图片处理软件生成。复杂的大型设备如综采机、液压支架、连采机等, 为达到对其高度仿真的效果, 首先需要收集相关大型设备的技术资料 (图片、外形尺寸、机构运动参数等) , 构建大型设备模型采用先精模后简模[3]的设计方法。井下煤炭的机械化开采是一个相当复杂的生产线。例如上百台液压支架, 再加上刮板输送机、综采机、连采机等复杂的设备模型, 势必会造成场景的数据量膨胀, 导致工作软件的崩溃。目前的模型设计大多采用构建简模和减少模型面数的方法来解决此类问题, 但会使模型的仿真度降低, 达不到真实的效果。因此, 本系统从硬件和制作技术上解决这一问题。硬件上, 需要购置图形工作站级别的高档计算机;制作技术上, 应先做井下设备的精模, 然后在精模的基础上再派生出简模, 在构建大场景中远景采用简模, 近景则使用精模, 以此来解决大场面制作的数据瓶颈问题, 避免了以往三维仿真动画中大型机械模型仿真度不高的缺点。

不一样的设备结构导致所发生的案例也不一样, 大多数煤矿经过整合, 不同种类的机械设备所存在的差异会更多。因此, 设备装置的原始修改堆栈的数据必须保存, 以利于数据资源的再利用, 提高项目完成质量和加快项目完成进度。

采用纹理贴图的制作和处理方法制作逼真度高的贴图, 不仅可以减少模型的面数, 同时可以达到很好的仿真效果。综采机模型如图3所示。

2.1.2 地面和井下巷道建模

地面环境模型主要展现煤矿的外部地貌以及地面各单位和设施的布置情况。井下巷道环境属于有尺度的空间, 所以应依据尺寸参数来构建巷道的三维模型[4]。为使模型更加逼真, 首先通过煤矿地图和实地拍摄实物收集煤矿地面地形的相关数据, 通过巷道和工作面设计图纸来获取井下巷道布置的数据, 然后建立模型。巷道模型如图4所示。

2.1.3 人物仿真

三维仿真动画的主体是人, 人物模型和动作制作是否逼真, 直接反映了整个培训系统的仿真质量。首先对系统中人物的运动特性进行分析来构建基于曲面细分[5]的人体外形建模。曲面细分的建模技术可以使人物运动时产生的效果更加逼真, 在表现人体运动产生的皮肤拉伸和挤压时不会出现失真效果。人体骨骼则采用正向运动和反向运动学技术来进行运动模拟, 使人物模型在模拟动画时更加合理。最后使用蒙皮技术使人物外形模型和骨骼模型进行连接, 形成完整的人物模型。人物仿真的工作量主要集中于模型的动作表现, 应将人物动作分类, 建立人物动作库。为了避免出现人物动作仿真不真实的效果, 首先需要现场请井下工作人员表演容易引起安全事故的动作, 用摄像机拍摄, 然后将动作采集下来作为模型动作表现的分析资料。人物动作可以脱离大场景而单独制作, 但需要一些道具, 如拧螺丝时手中需拿有扳手, 同时还有被操作的对象, 如挡板等, 这些必要的条件应在制作过程中予以满足。因此, 人物动画制作时应该采用“大兵团作战”的方式, 多个人员可以同时完成各种人物动作, 实行程式化制作, 当人物动作完成之后由专门负责的人员来调整人的面部表情、身上配件等。这样就能保证方便快捷、高质量地完成人物动画的制作。人物仿真如图5所示。

2.2 场景构建

基本模型完成后, 需要合成综合的静态场景。把设备和人物模型按照规定的尺寸分别布置在地面场景和井下巷道场景中。布置模型时需要注意模型的大小和距离的比例, 否则会出现不协调现象。合并入支护、电缆、水沟、机电设备及各种管道等设备模型, 使井下环境更加真实。静态场景仿真如图6所示。

由于静态场景仿真无法模仿瓦斯、水灾、火灾等安全事故的场景, 所以采用动态仿真技术十分必要, 本系统采用环境特效编辑器制作爆炸、烟雾等特效。煤矿生产过程中物体下落伤人的事故较多, 如煤块下落、片帮、冒顶等。目前, 大多使用传统的手工方式来描述这类问题, 但感觉不真实, 且费工费时, 在本系统中采用物理模块及反应堆动力学技术, 更真实、自然地反映事故案例的过程。

最后进行灯光的设置, 由于井下环境中物体属性的差异, 使得对井下环境中照明效果的表现难度加大。以往采用普通的标准光照明方法, 其表现力往往不能令人满意。本系统中采用全局光照明, 并使用光线跟踪和光能传递技术, 在后期的特效合成中采用光斑特效和体积光技术。瓦斯爆炸场景仿真如图7所示。

2.3 系统后期合成

前期制作完成后, 要使用Adobe Premiere Pro将前期完成的动画片段和配音等内容进行后期合成, 以形成最终的三维动画[6]。后期将各个片段形成案例素材, 并将生成好的案例素材连接在一起, 同时有一些重要工作需要注意, 例如, 在编辑的同时可能有新的创意产生, 或者需要一些特殊的转场效果和连接技巧, 这时特效的制作就需要与编辑进行协调。最后, 将编成的片段添加背景音效, 采用音效仿真技术将现场中真实的音响效果与画面结合在一起, 给人以身临其境的感觉。

系统的交互式部分使用Virtools DEV[7]进行整合。Virtools DEV可以有效地将3D模型、2D图形和音效等整合在一起, 是具备丰富的互动行为模块的实时3D环境虚拟实境编辑软件, 可以制作出许多不同用途的3D产品。将前期完成的模型导入Virtools DEV进行组合, 以形成完整的场景模型并进行交互式系统的制作。虚拟交互场景如图8所示。

3 关键技术

粒子系统是模拟不规则物体较成熟的一种方法, 该方法充分体现不规则模糊物体的动态性和随机性, 主要用来实现基本模型结构无法实现的运动、形状和动力学效果。粒子系统可以很好地模拟火、水、气体等许多自然景象。本系统使用粒子系统来实现煤流动的动态效果, 把每个煤块都定义为一个有生命周期的、随机运动的、改变运动状态的粒子, 最后动态地控制粒子系统的运动轨迹来实现煤壁片帮、冒顶和煤块沿胶带运动的效果。

碰撞检测是虚拟现实交互的关键技术。碰撞检测问题[8]基于现实世界中一个普遍存在的事实:2个不可穿透的对象不可能在同一时间共享相同的空间区域。为了防止系统中运动的物体发生彼此穿透的现象, 本系统中碰撞、挤压等事故再现和漫游系统均采用碰撞检测技术。由于系统有很强的实时性要求, 同时碰撞检测必须高效、精确, 基于以上要求采用实时碰撞检测技术。

4 系统应用

煤矿安全培训系统由煤矿风险预控、事故案例再现、事故应急救援3个模块组成, 煤矿工作人员可以根据工种的需要选择相关的学习内容。例如, 液压支架工进入煤矿风险预控模块后可以了解到综采工作面中相关的危险源、后果及相关责任。当液压支架工推移、动作支架, 有行人通过或者架前有人作业时, 容易发生顶板垮落、单体支柱倾倒、巷道片帮伤人;支架移动过程中, 支架和溜槽之间容易挤到人。液压支架工还可以控制虚拟矿工模拟操纵综采工作面的液压支架完成降架、移架、升架和推溜的整个操作过程。事故案例再现模块通过三维动画再现国内一些典型的煤矿安全事故案例, 使煤矿工作人员了解到当时事故发生环境、过程及原因。事故应急救援模块模拟几种常见煤矿安全事故和相关人员根据职位的不同做出相应的应急工作, 使煤矿工作人员针对可能发生的事故迅速和有序地开展应急行动, 并实施有效的应急救援工作, 最大程度地减少人员伤亡和财产损失。

5 结语

煤矿安全培训系统从虚拟现实技术出发, 通过煤矿风险预控、事故案例再现和事故应急救援3个方面对煤矿工作人员进行安全培训, 通过高度仿真的三维动画展示和虚拟交互操作使培训人员在学习时有置身于真实环境的感觉, 有效地增强了学习效果, 从而达到提高安全意识、减少安全事故的目的。该系统已经在神东煤炭集团安全监察局得到应用, 取得良好的教育效果。

参考文献

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虚拟现实艺术的软件界面设计研究 篇8

1 虚拟现实艺术软件界面的设计原则

对虚拟现实艺术中的软件界面进行设计时, 必须遵循两个原则, 即效率性原则及有效性原则。软件系统的功能性直接决定软件界面设计有效性, 软件设计的效率性应用在设计层的表面。在软件界面的设计中, 其效用性的原则主要是对用户使用软件系统可以做什么进行确定, 只要是比较容易被利用、访问的界面设计都是有用的、高效的软件设计, 且在相应程度上能够证明所设计的软件是成功软件。另外, 虚拟现实软件界面的效率性比较便于用户进行便捷、快速的操作, 其比较重视用户检索时间及检索效率, 对用户能够在最短的时间内获得较多所需的内容要求进行满足, 且其主要是对虚拟现实艺术中可用性的软件界面进行检验。

2 虚拟现实艺术的软件界面设计的流程

2.1 对定义阶段进行研究

分析软件界面的设计需求、可行性属于定义阶段的关键任务, 而可行性的分析内容主要就是对用户在软件界面的使用要求及期望的环境进行详细的调查, 且最大程度的在潜在用户及具体用户中展开相应的调查。同时, 需求分析是调查用户定量及类型, 对用户使用经验及技能进行多角度的调查分析, 进而对任务划分进行合理、有效的落实。

2.2 对构造阶段进行研究

从构造方式看虚拟现实作品构, 其具有一定的技术性, 但是从可视化表现形式方面看, 属于艺术性的。软件构造阶段的内容主要包括概念设计、界面设计、详细设计、检测及评估设计内容。对软件构造进行设计时, 首先应根据构造域及行为域的具体概述对初步的构造设计模型进行建立。其次, 对实际的环境及任务进行详细的分析, 对艺术设计的原理进行综合, 设计出错信息栏。最后是评估及检测开发之后的软件系统界面, 及时发现问题及修改, 对软件界面的设计进行完善。

2.3 对维护阶段进行研究

如果想要对用户持久的需求进行满足, 应该尽量开发多种的维护活动。一般的维护活动共有四种, 即适应性的维护、改正性的维护、预防性的维护、完善性的维护。只有是人机关系达到一定的交互关系, 使设计人员、使用人员、开发系统之间是实现合作交流的模式, 对用户的各种需求进行满足, 才是做好的软件界面设计。

3 虚拟现实软件界面的视觉元素设计方法

3.1 软件界面设计的色彩特性及色彩的感应效应

在软件界面的设计中, 颜色是比较重要的一项内容, 只有在色调搭配得当的情况下才可以使用户方便、舒适的对想要的信息进行捕捉, 进而进行提取及分类。人们对色彩进行了理性的分类, 主要是分为暖、冷, 将黄、橙、红色光有机结合到各种色光中都会有热感产生。反之, 绿色、蓝色、紫色光则会让人有一种寒冷的感觉。这些颜色让人有一种热、冷的错觉是人们的习惯及联想, 而不是正真意义的物理温度。

3.2 虚拟现实软件界面设计的自然配色方法

将两种或更多的颜色搭配、组合在一起成为配色, 而在艺术中比较多见的配色是色调配色及色相配色。美感较强及品位较高的设计师往往会利用灵感创作出更好的作品, 而在这些作品中一定要重视基本的配色。

3.3 虚拟现实软件中界面设计的图像及图形及文字设计研究

人的脑海中主要是利用事物画面及图形、文字记忆对知识进行表达。因为人对各种画面记忆的能力比较强, 其在一定的程度上超过了文字记忆, 所以对软件界面进行设计时应该重视图形图像的设计。图像可以使需要表达的各种文字内容表达的更加逼真、具体、直接、真实, 使人比较容易接受。想要对软件中的各种文字内容进行理解、吸收, 就必须确定人们理解文字时的影响因素及阻碍, 才可提出有效的处理对策, 使人们对软件文字的理解能力得到提升。

4 结语

在现实的世界中, 对于各种信息的获取、学习、感知, 人们都是依靠其身体感觉器官进行体会, 对虚拟现实艺术奥秘进行掌握, 必须利用科技构建三维的、感动的、立体的虚拟画面, 才可以满足人们对各种新鲜事物的视觉需求。

参考文献

[1]张萍.基于虚拟现实艺术的软件界面设计研究[D].长沙:湖南师范大学, 2010, 65 (67) :465-470.

虚拟现实软件系统 篇9

虚拟现实技术利用软件技术通过三维影像、三维动画、声音等多媒体表现形式[1,2],来对现实世界进行重现。将虚拟现实技术应用到变电站仿真培训系统中,对变电站场景和电气设备进行三维建模,并构建虚拟的变电站运行环境。培训人员在虚拟的变电站环境下可以模拟在运行条件下的安全巡视、倒闸操作和事故处理等变电站运行人员的日常工作,让学员有身临其境的感觉,从而提高学员的操作技能和事故处理能力[3,4]。三维虚拟现实仿真培训系统弥补了二维仿真培训系统不真实、不直观的缺点,也避免了利用真实电气设备进行培训的高投入和危险性[5]。

传统变电站三维仿真培训系统一般以室外高型架构的变电站作为原型,对典型的变电站地理环境和电气设备进行虚拟仿真。随着国家电网改造的进行,在经济发达的地区,由于土地资源紧张,新建变电站一般采用室内全封闭式组合电气设备,并且出现了220 k V和500 k V电压等级的超高压地下变电站,这也将成为以后变电站发展的大势所趋。此类新型变电站与传统的室外高型架构变电站相比,在电气设备的巡视、操作和故障处理方面有着很大的区别。特别对于地下变电站来说,由于其特殊的建筑结构和安装布局,需要大量的工业辅助设备来保障变电站的安全运行。考虑到这些工业辅助设备的重要性,对其进行操作和巡视的仿真培训也是非常必要的。

1 系统功能介绍

本仿真培训系统主要包括变电站编辑、设备异常设置、变电站巡视、设备操作和技能培训评估五个基本功能。培训教员首先根据变电站的运行现状,在培训系统的编辑模式下对变电站的三维虚拟场景进行组态,内容包括:变电站的场景、变电设备和其它辅助工业设备。接下来,根据培训需要,培训教员在教员平台对虚拟变电站中的电气设备进行异常设置。

在整个初始化工作完成后,进入培训系统的运行模式。这时,学员就可以在搭建好的虚拟变电站环境下模拟日常的巡视工作,对变电站的各个巡视点进行巡视。在巡视过程中,学员可以根据虚拟设备各组件的外观以及声音等信号来判断设备是否发生异常,并进行记录。同样,学员也可以模拟日常变电站运行人员的典型操作,对虚拟的变电站设备进行操作,例如变压器档位调整、倒闸操作等。在培训完成后,由培训教练根据学员的巡视以及操作记录,对学员的各项技能进行评估,从而完成整个培训过程。

2 方案设计

2.1 系统结构

根据系统功能的需要,整个培训系统分为教员平台和学员培训平台,对两个平台设置不同的管理权限,在教员平台除了具备学员平台的基本功能外还可以进行电气设备的接入、退出、故障设置。

教员平台和学员平台之间通过数据库进行信息传递和数据交互,以实现培训项目的设置和培训结果的反馈。在具体的硬件实现中,采用教员机和学员机的配置,之间通过以太网来实现数据共享和交互。每个平台又分别由二维仿真部分和三维仿真部分组成。其中,二维仿真监控部分模拟变电站的后台监控系统,包括对虚拟变电站的遥测、遥信、遥调、遥控的四遥操作以及五防操作闭锁的学习;三维仿真对变电站的电气设备和运行环境进行虚拟再现,学员在此平台下对虚拟的电气设备进行日常巡视、操作和故障处理。

2.2 建模分析

变电站仿真培训系统一般以具体的变电站为原型,当变电站由于容量不足、设备老化等问题需要进行设备的更换或扩容时,培训系统必须根据变电站现状同步地进行虚拟设备的更换或扩容,从而实现对变电站运行环境完全真实的再现。传统三维仿真培训系统一般采用对系统进行升级或者维护的方法来解决变电站电气设备的修改或增删,这大大降低了培训系统的扩展性和适用性。本文提出一种对电气设备完全对象化的建模方法。根据建模对象的外部形状、物理特性和电气特性的不同特点,对变电站场景和各类电气设备分别进行三维建模和物理、电气行为的设计。根据不同的建模要求,将虚拟变电站的建模对象进行分类,如图1所示。

由于地下变电站工业辅助设备相对于常规变电站的特殊性和重要性,重点对其进行建模分析。地下变电站的工业辅助设备由制冷和通风系统、补给水处理系统、循环冷却水系统和排水系统四个工业系统组成,与其他建模对象相比,它有以下特点:

(1)各类工业辅助设备间电气行为和三维模型差异较大,不能使用统一的建模方法且模型难以复用。

(2)工业辅助设备多为管状和网状分布,对于地理位置信息的处理较为困难。

(3)工业辅助设备的操作和巡视部分多为仪表和阀门,且各类仪表和阀门可复用。

(4)辅助设备的主体部分多为建筑结构的一部分,且设备更换的几率小。

因此,针对工业辅助设备以上的特点,采用了一种特殊的方式来对其进行建模。即各类工业辅助设备的仪表和阀门部分采用和电气设备一样的建模方法,进行电气行为特性的建模并配置数据接口,而设备的其他部分作为变电站场景的一部分只进行外型、材质、碰撞检测等三维形状和物理特性的建模。

3 场景建模

地下变电站采用地下多层的桶体建筑结构,与传统的地上变电站相比,空间更为紧凑,结构更为复杂。因此,在三维虚拟变电站的开发过程中,对地下变电站场景的建模是很重要的一个开发环节。为了使构建的虚拟变电站更加真实,增加学员培训过程中的沉浸感。变电站场景的建模以某500 k V地下变电站的建筑CAD模型为原型,在建筑结构和布局上力求和真实的地下变电站保持一致。事实证明,这种建模方法可以大大缩短系统的开发周期。

由于CAD模型注重模型的几何准确性,采用精确的数学形式来表达模型的几何信息,并且其模型中还包含大量工程设计信息,造成其模型复杂程度远大于3D模型。而对于3D模型的要求是在保证建筑模型的真实性的前提下,尽量减少模型的复杂性,降低计算机的计算量,以满足对于虚拟场景实时交互的要求。因此,采用将CAD模型导入3ds Max编辑环境下的方法,对模型的冗余信息进行过滤。

经3ds Max软件修改过后的3D模型,只保留了模型的空间几何信息。要使得创建的三维模型更加逼真,需要利用3d Max进行材质的渲染,包括模型表面的色彩、纹理、光滑度、透明度、反射率、折射率、发光度等。在具体开发过程中,采用基本材质编辑和表面贴图结合的方法,来再现建模对象真实的材质细节。

这时的变电站场景模型已经具备了真实变电站建筑的外型特征,接下来需要将三维模型由3d Max软件导入到Virtools中。在Virtools的编译环境下,对三维模型赋予物理特性和灯光等外部环境因素,例如对地板和墙体进行碰撞检测的设定,防止在虚拟巡视过程中发生穿越建筑物的情况。

图2表示对建筑结构进行建模的过程。

图3为对某500 k V地下变电站筒体结构其中一层场景建模的俯瞰图。

4 组态功能的实现

传统的三维虚拟变电站仿真系统一般只由驱动程序来组成[6],主要包括场景显示、场景漫游和设备状态变化的功能。如果需要对虚拟变电站的场景或者设备进行修改或者增删的时候,就必须对整个驱动程序进行修改,因此对传统的仿真培训系统进行维护是非常不便的。本文介绍的三维虚拟变电站仿真培训系统增加了系统组态功能的开发,在组态工具下可以实现对虚拟变电站设备的在线编辑。

4.1 虚拟电气设备的封装

首先,将在3d Max下编辑好的三维模型以角色(character)的格式导入Virtools软件,对其进行物理行为和电气行为的脚本设计,并设计数据接口。以变压器模型为例,其物理行为主要包括碰撞检测和各种异常的表现,例如瓷瓶开裂、冷却风扇停转等行为。

然后,对虚拟变压器配置数据接口,以实现设备与外部的电气联系和数据交互,主要包括设备的基本信息、电气量、物理状态标志以及和虚拟监控系统进行交互的一些数据标志。在Virtools中这些信息都是以数组(array)的形式来存储的,表1所示为存储变压器操作信息的数组。

最后,将编辑好的三维模型、行为脚本以及数据在Virtools下保存为.nmo格式的文件,这即可以作为一个封装好的虚拟设备。封装好的虚拟电气设备,具备与真实电气设备相同的物理和电气逻辑行为,将其放入设备库中,作为独立的行为对象进行调用。

封装好的虚拟变压器设备如图4所示。

图5为虚拟变压器中封装的故障表现脚本,以冷却系统故障为例,当Test Cell脚本检测到数据库中表示冷却系统故障的标志位为1时,触发动作脚本,虚拟变压器作出对应的物理行为,即风扇停止转动。

4.2 在线编辑功能

本系统在教员机上开发了在线编辑功能,提供虚拟变电站设备的组态工具。将封装好的虚拟电气设备作为元件存放于设备库,在编辑模式下通过读取设备库实现对虚拟设备的调用。

以载入新设备为例,在Virtools下可以通过object load脚本来实现。新载入的设备作为一个独立的角色来进行处理,可以对它的位置和角度进行变换。固定好位置的设备,对其地理坐标信息进行保存,并对设备进行命名,坐标信息和设备名称将通过Server模块存入数据库中。

虚拟变电站的电气设备状况以及具体每个虚拟电气设备的地理位置、电气连接、运行状态和巡检记录等内容,都以表的形式在数据库中进行存储。因此,当对三维虚拟变电站的电气设备进行编辑时,数据中存储电气设备信息的表格也应当进行相应的增删操作。为增加系统的运行效率,本仿真平台只与数据库中的设备总表进行读写操作。具体实现方法是以设备名称作为主键当作设备的唯一标识,通过外挂程序来实现设备总表与设备故障信息表、巡视信息表等的同步。同时,向二维监控系统发送信息,以激活监控系统中对于此电气设备的各项操作和功能模块。

5 结论

地下变电站封闭的运行环境和GIS电气设备与常规变电站相比在巡视、操作、故障处理等方面都有不同,对运行人员的专业知识和操作技能提出了更高的要求。本文介绍的三维虚拟地下变电站仿真培训系统采用模块化的方法完成系统主要结构的开发,真实、直观地表现了地下变电站的值班环境和工作内容。变电站的组态编辑功能,方便对已构建的虚拟变电站进行修改,提高了培训系统的灵活性。并且,本系统采用完全对象化的方法进行开发,开发周期短,可复用性强,是一种比较理想的三维仿真系统开发方式。

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虚拟现实软件系统 篇10

虚拟现实 (Virtual Reality, 简称VR, 又译作灵境、幻真) 是近年来出现的高新技术, 也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界, 提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟, 让使用者如同身历其境一般, 可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。

VR是一项综合集成技术, 涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域, 它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉, 使人作为参与者通过适当装置, 自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时, 电脑可以立即进行复杂的运算, 将精确的3D世界影像传回产生临场感。该技术集成了计算机图形 (CG) 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, 是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。

概括地说, 虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式, 与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比, 虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。

虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境, 它可以是实际上可实现的, 也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。而“虚拟”是指用计算机生成的意思。因此, 虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境, 人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中, 并操作、控制环境, 实现特殊的目的, 即人是这种环境的主宰。

二、3DMAX简介

在应用范围方面, 广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域, 另外杭州清风室内设计培训机构开发的“云计算三维核心技术”3dmax高端插件也被市场广泛推崇使用。

3d max (简称max) 软件, 由国际著名的Auto desk公司的子公司Discreet公司制作开发的, 它是集造型、渲染和制作动画于一身的三维制作软件。从它出现的那一天起, 即受到了全世界无数三维动画制作爱好者的热情赞誉, max也不负众望, 屡屡在国际上获得大奖。当前, 它已逐步成为在个人PC机上最优秀的三维动画制作软件。所谓三维动画, 就是利用计算机进行动画的设计与创作, 产生真实的立体场景与动画。

三、3DMAX实践应用

游戏动画:主要客户有EA、Epic、SEGA等, 大量应用于游戏的场景、角色建模和游戏动画制作。3ds max参与了大量的游戏制作, 其他的不用多说, 即使是个人爱好者利用3ds max, 也能够轻松地制作一些动画角色。对于3ds max的应用范围, 只要充分发挥想象力, 就可以将其运用在许多设计领域。

建筑动画:绘制建筑效果图和室内装修是3ds max系列产品最早的应用之一。先前的版本由于技术不完善, 制作完成后, 经常需要用位图软件加以处理, 而现在的3ds max直接渲染输出的效果就能够达到实际应用水平, 更由于动画技术和后期处理技术的提高, 这方面最新的应用是制作大型社区的电视动画广告。

室内设计:在3DMAX等软件中, 可以制作出3D模型, 可用于室内设计、例如室内设计效果图模型。

影视动画:《阿凡达》《诸神之战》《2012》等热门电影都引进了先进的3D技术。前面已经说过3ds max在这方面的应用。最早3ds max系列还仅仅之是用于制作精度要求不高的电视广告, 现在随着HD (高清晰度电视) 的兴起, 3ds max毫不犹豫的进入这一领域, 而Discreet公司显然有更高的追求, 制作电影级的动画一直是奋斗目标。现在, 好莱坞大片中常常需要3ds max参与制作。

虚拟的运用:建三维模型, 设置场景, 建筑材质设计, 场景动画设置, 运动路径设置, 计算动画长度, 创建摄像机并调节动画。3ds max模拟的自然界, 可以做到真实、自然。比如用细胞材质和光线追踪制作的水面, 整体效果没有生硬、呆板的感觉。

3DMAX是一个强大的软件, 它能够清晰的表现出人们的各种设计方案, 不仅节约了成本而且在虚拟的世界把设计方案体现了出来, 还能暴露设计方案的缺陷和漏洞, 避免了在实际操作中的损失。就建造建筑来说, 3DMAX能够精确的表现建筑的尺寸、形状、内部结构等。当然不是靠3DMAX这一个软件完成了的, 也需要其他软件的配合才能完成。

四、建模方法

在3DMAX软件中可运用多种方法来建模, 一种是直接运用系统提供的简单三维模型或平面模型, 然后对其修改而成, 即为简单建模方法, 但这在实际运用中并不满足建模需求, 使用更多的为高级建模, 即复合对象建模, 网格建模, NURBS建模。在虚拟校园的设计过程中主要使用了高级建模中的复合对象建模和网格建模。复合对象由两个或两个以上的对象通过一定的组合方式所产生新的几何模型。复合对象在原对象的基础上进行各种合成运算, 如布尔运算, 放样运算等。

五、材质和灯光设计

在现实生活中的任何实体都是由一定的材料构成, 不同的质地将体现出不同的外在属性, 因而能给人以不同的感受。编辑或生成材质就是让对象表面展现出所需材质的光学特性。材质在三维模型创建过程中是至关重要的一环, 通常要通过它来增加材质的细节, 体现出模型的质感。材质对如何建立对象模型有着直接的影响。任何物体都有其自身的质感, 颜色和属性, 在3DMAX中, 材质就是指定给对象表面的一种信息, 即对现象由什么样的物质构造而成。这不仅包含表面的纹理, 还包含了对象对光的属性, 如颜色、反光强度、反光方式、反光区域、透明度、折射率及表面凹凸情况等。由于通过数码相机采集的来的实景图片会存在扭曲, 所以要将实体图通过PHOTOSHOP中进行镜头校正。

3DMAX里的灯光是模拟实际灯光 (例如家庭或办公室的灯、舞台和电影工作中的照明设备以及太阳本身) 的对象。不同种类的灯光对象用不同的方法投射灯光, 模拟真实世界中不同种类的光源。在3DMAX中, 灯光的设置可以说是至关重要, 它直接关系到最后作品的效果, 同时也是一个难点。主灯光可以放置在场景中的任何地方, 但实际应用中有几个经常放置主灯光的位置, 而且每个位置都有其渲染物体的独特方式。

六、总结

在这个高科技信息的时代虚拟现实技术不仅改变了人们的生活而且也融入到人们的中去了。以后虚拟现实将会应用到更多的领域中去, 其中3DMAX软件也必将会成为虚拟现实中不可缺少的一部分。

摘要：本文介绍了虚拟现实技术的相关概念与3DMAX软件的简介, 探讨在实践设计表现中运用3DMAX软件制作虚拟现实场景的方法和步骤。

虚拟现实软件系统 篇11

关键词：虚拟现实；仿真系统；HLA技术

1 引言

分布式交互系统仿真可以利用计算机网络将多个武器平台仿真系统连接构成一个整体的虚拟现实战场环境，通过仿真系统可以进行装备论证、作战指挥训练、对抗演习和作战决策的实时对抗仿真，对于国防装备现代化有着重要的意义。高层体系结构HLA（High Level Architecture）是一个新的仿真技术框架，其显著的特点是通过运行支撑环境RTI提供通用的、相对独立的支撑服务程序，将仿真应用层同底层支撑环境功能分离开，即将具体的仿真功能实现、仿真运行管理和底层传输三者分离，隐蔽了各自的实现细节，从而使各个部分可以相对独立地开发。

本文研究了基于HLA的火炮虚拟现实仿真系统的设计与实现方法，系统通过虚拟现实的人机交互设备来跟踪用户的动作，为用户提供一个逼真的虚拟环境，并且通过HLA分布式交互系统实现与其他武器仿真平台的交互。

2 系统设计

(1) 火炮虚拟现实仿真平台

火炮虚拟现实仿真平台是一个虚拟现实的仿真应用，该平台采用先进的三维图像和多路传感输入等技术手段高度逼真地模拟人在自然环境中视觉、听觉、动感等行为，进行模拟仿真，利用虚拟现实技术生成新概念火炮装备，通过火炮装备体系研究平台级站点的专用接口投入作战对抗，依次来评价新概念火炮装备自身的效能，为火炮装备的论证、研制、生产、使用及维护保养提供理论依据及定性、定量分析。通过该系统，使用者佩带的头盔式显示器将根据其头部空间位置的不同分别显示炮内或炮外的虚拟视景，操作者的不同操作动作由六自由度跟踪器和数据手套捕捉后作为与系统交互的工具，在这种情况下使用者所操作的对象均是由系统产生的虚拟物体，因此该系统可以适用于各种装甲车辆、各种武器和各种战场环境下的仿真。

(2) 基于HLA的交互仿真接口

HLA主要由三部分组成：规则（rules）、对象模型模板OMT（objectmodeltemplate）和接口规范（interfacespecification）。

HLA接口规范以服务的方式定义了联邦中联邦成员进行信息交互的方式，包括可调用的服务和应提供的回调服务，分为联邦管理、声明管理、对象管理、所有权管理、时间管理和数据分布管理等。通过定义HLA的接口规范，就可以通过HLA体系结构实现与联邦中其他联邦成员的交互。

3 系统实现

(1) 系统的硬件实现

虚拟现实系统硬件模块包括对新概念火炮装备中乘员身体感觉的仿真，火炮装备每个战斗乘员所需的操纵设备如下：驾驶员需要观瞄设备、手控转向设备（转向操纵杆或方向盘）、换档设备、启动设备、开关、脚控离合器、制动踏板和油门踏板等；炮长观瞄设备、瞄准手操纵台和火控计算机等；炮长观瞄设备、瞄准手操纵台、火控计算机等及电台通信设备，除脚控离合器、制动踏板、油门踏板和座椅外的其他操纵设备均由虚拟现实系统生成，火炮装备的每个战斗乘员通过操作虚拟场景中的虚拟操纵设备来控制虚拟场景，这些动作通过数据手套和六自由度跟踪器来进行跟踪，通过触觉反馈和头盔式显示器实现战斗乘员和虚拟环境之间的交互。视觉系统向操作者提供外界的视觉信息，该系统由产生视觉图像的计算机系统和将信号提供给操作者的头盔显示器组成。为了逼真地模拟真实的炮内和战场环境，虚拟现实系统还将提供和虚拟场景匹配的三维声音以加强乘员的浸没感和交互性。

(2) 分布式网络环境的实现

为实现分布式交互，火炮装备虚拟现实仿真系统的运行需要依靠分布式网络环境，在本系统中依靠的是HLA体系结构。

在火炮装备虚拟现实仿真系统所在的网络环境中，应该至少包含一台RTI服务器和一台数据中心服务器，其中RTI服务器的功能是提供本系统与其他仿真应用系统进行基于HLA的信息交互服务。由于本系统是一个完全支持HLA的分布式仿真应用，所以在仿真应用运行时，本系统是作为特定的联邦成员与其他仿真应用进行交互的。数据中心为本系统提供数据更新服务。为了使系统的维护更加便捷、安全，本系统同时提供了自动功能。

4 系统运行流程

用户启动本系统后首先需要设置一些仿真相关的参数，例如：车辆类型、HLA服务器等，之后便可以开始连接服务器运行仿真应用。连接服务器的过程包含：连接到HLA服务器，更新本地数据，加入联邦三个部分。

首先，本地系统访问仿真服务器（HLA服务器），察看是否需要更新本地数据。如果需要更新本地数据，则启动数据更新进程，否则直接初始化成员数据。本地系统根据预先制定的FOM表和SOM表将对应RTI所需的信息操作的各种类进行实例化，成功之后就得到了一系列用于与联邦进行数据交互的数据对象和交互对象，之后本地系统需要按照规则声明公布和定购，完成分布式仿真初始化的过程。

第二步，读取本地模型文件。本系统具有车型变化频繁，内部构造多变的特点，其中主要发生变化的部分是炮内的模型，而炮外的战场环境中的模型相对变化的可能性较小。所以针对这个特点，本系统将模型文件分成两种：（1）战场模型，不需要特定的配置文件。只要具有一般的视景仿真所需的特点：LOD、毁伤模型等。（2）炮内模型，除了具备一般的视景仿真的需要，每个炮内模型还需要有一个与其对应的配置文件。在这个配置文件中记录了当前模型所有可调用的DOF的接口，通过这些接口本系统可以实现用户与火炮的交互等重要的功能。

5 结论

在新装备日新月异的今天，炮兵部队的模拟训练已成为各国所关注和研究的重要问题，火炮虚拟现实仿真系统作为满足这一需求的根本物质基础，已成为炮兵作战仿真软件研制和开发需求中的重点内容。

参考文献

[1]姚益平.HLA/RTI的研究与实现[J].系统仿真学报,2000.

[2]周彦,戴剑伟.HLA仿真程序设计[M].北京:电子工业出版社,2002.

虚拟现实软件系统 篇12

桌面型虚拟现实系统是由一台普通的计算机系统组成，使用者通过键盘和鼠标便可与虚拟环境进行交互。这种系统的特点是结构简单、价格低廉，易于普及推广，是一套经济实用的系统[1]。此种系统又分为两类：基于全景照片的虚拟现实和基于三维造型的虚拟现实。前者在实景中用鱼眼镜头拍摄全景照片进行制作;后者一般通过三维建模工具来构造实体模型，由图形图像工具制作模型的纹理贴图，然后由虚拟现实引擎来模拟真实的场景交互。前者制作简单，后者的交互性强，是虚拟技术发展的方向。本文将围绕基于三维造型的虚拟现实技术，探讨虚拟现实系统场景优化的问题。

计算机上运行的虚拟现实场景每一帧画面的显示都是靠显卡和中央处理器实时运算出来的，如果场景中模型的面数太多，会导致虚拟现实场景的运行速度急剧降低，甚至无法正常运行，对于场景的模型面数要进行优化。另外，很多桌面型虚拟现实系统是建立在网络平台模式下的，当上网浏览用户过多，将大大影响虚拟漫游速度，更需要对制作完成的虚拟场景进行优化，这将是解决网络虚拟展示方法。

1 在建模软件中对单个模型加以控制

在3DS MAX软件中制作单一物体模型的面数不能超过65000个三角形面，即32500个多边形(Poly)。如果超过这个数量,物体的显示会出现问题，这就需要在制作模型时合理分布多边形和模型面数。

模型的三角网格面尽量为等边三角形，不要三边相差太大的情况。因为长条形的三角面不利于实时渲染，容易出现锯齿、纹理模糊等渲染问题。

尽量使用面片表现复杂造型：可以用平面替代复杂的模型，然后靠贴图来表现复杂的结构。如植物、装饰物及模型上的浮雕效果等。同样对于复杂镂空模型，如楼梯、窗框、大门及围墙等。对于这些铁艺的物件，在虚拟现实场景中可以通过在面片物体上赋一张镂空贴图来表现。为了在半鸟瞰处避开看到片的单薄，可以在栏杆上方加一个有宽度的矩形。

在表现连续多个物体时，要利用贴图的方式来表现。尽量不用三维模型而用贴图的方式表现，如栏杆、栅栏等。因为这些细长条形的物体容易大量增加当前场景文件的模型数量，并且在实时渲染时也会容易出现锯齿与画面闪烁现象。

2 对于整个虚拟场景要进行优化

模型的数量不要太多，如果场景中的模型数量太多会给后面的工序带来很多麻烦，如会增加烘焙物体的数量和时间，降低运行速度等。因此，一个完整场景中的模型数量要根据适用手机的配置而定。

合理分布虚拟场景中模型放置的密度，如果模型放置密度不均匀，会导致运行速度时快时慢，合理的场景模型布置也是对虚拟现实场景的优化。

相同材质的模型，远距离的不要合并，尽量合并材质类型相同的模型以减少物体个数，加快场景的加载时间和运行速度;如果该模型的面数过多且相隔距离很远就不要将其进行合并，否则也会影响场景的运行速度。在合并相同材质模型时需要把握一个原则，那就是合并后的模型面数也要视硬件情况而定，否则，运行速度也会降低。

保持模型面与面之间的距离，最小距离应该是当前场景最大尺度的两千分之一。如，在制作室内场景时，物体的面与面之间距离不要小于2mm;在制作场景长(或宽)为1km的室外场景时，物体的面与面之间距离不要小于20cm。如果物体的面与面之间贴得太近，在运行该场景时，可能会出现两个面交替出现的闪烁现象，影响整体效果。

删除看不见的面，这是为了提高贴图的利用率，降低整个场景的面数，以提高交互场景的运行速度。对于看不见的面一定要删除，如楼房模型的底面、贴着墙壁物体的背面等。另外要删除模型之间的重叠面和物体之间相交的面。

3 了解模型制作的优化技巧

线模型面的创建要根据视觉效果设置线型物体渲染面板下的厚度，然后再将该线型物体转换成多边形后再执行导出操作就可以了。

曲线形状模型的面数精简能减少模型面数，如：对于放样和车削形成的物体，适度减少放样物体的形状步幅和路径步幅参数;对于导角和导角形状方式产生的物体，同样是精简其轮廓线和路径的节点数。

对于室外地面创建有三种方法，第一种方法：先用线创建一个封闭的区域，并对线的边缘和步幅进行优化设置，直接添加挤出编辑器，设置数量为0。第二种方法：对线优化设置，然后直接将线转换成多变形或网格。第三种方法：对线优化后，直接给封闭的二维曲线添加一个UVW Mapping编辑器，后两种方法得到面更少的模型。

对于矩形封闭框物体的创建，首先应用矩形配合捕捉工具，绘制窗框的线框结构。将窗框的二维线转换成多边形物体，然后在多边形的边级别下，选择物体的内线框，复制边框得到窗框的厚度，切换到点级别下调整窗框的厚度，为后面优化模型时删除看不见的面节省了步骤。

对于植物模型要表现的话，不能以实际情况来制作，这样会导致最终的虚拟场景里的模型面数居高不下，以至于造成编辑及运行都很困难。解决以上问题的方法是：用十字面片物体，贴镂空贴图来表现，或者用虚拟现实引擎中专门的植物表现系统。虚拟场景里尽量不要有太多或大面积的复杂植物模型物体，把握一个原则就是：建筑物近处的可以用一些复杂模型物体来表现绿化物，虚拟场景周边的绿化物可以用十字的面片来代替。

4 场景中贴图纹理的优化使用

虚拟现实场景中模型贴图的长宽的大小最好由下列数字中挑选：2、4、8、16、32、64、128、256、512、1024、2048，最好不要超过2048，即2的n次方的图像大小做为贴图Texutre。但贴图不一定是正方形，长方形也可以，如：128*256、1024*128。如果Texture的大小不是由上方数字即2的n次方的图像大小做为贴图组成的，那么图形将会稍微多耗用显卡的内存(显存)，读取时也会稍微变慢。

虚拟现实引擎用来减少纹理内存和带宽需求的另外一个技术就是MIP映射。MIP映射技术通过预先处理纹理，产生它的多个拷贝纹理，每个相继的拷贝是上一个拷贝的一半大小。使用MIP映射，可以在显示卡应用纹理之前，自己缩放图像。因为可以预先处理纹理，能做得更好一些，让连续的细小的纹理不被压缩掉(如实时渲染地砖之间的接缝，能产生好的效果)。

5 通过LOD系统优化场景

LOD系统具有在任何给定时间动态地改变在屏幕上绘制物体的多边形数量的能力。当虚拟场景中有1个物体，物体由3000个多边形组成，屏幕用200像素显示，系统能刚好渲染完成。当该物体远离，屏幕用10个像素就能显示，而且很难分辨出差别。LOD系统将会需要建立模型的多个版本，而且它们将会根据模型离观察者的接近程度来改变屏幕上的LOD级别，以及多少个多边形需要被同时显示。与简单地渲染整个虚拟场景相比，LOD系统将能更好地节省系统资源，加快虚拟现实场景的运行速度。

6 结束语

计算机硬件技术仍然在飞速发展，高效的显示芯片将为未来的虚拟现实技术提供更加强大的支持，但这同时也意味着虚拟现实引擎必须具有更加完善的整体结构来容纳这些随时可能出现的新技术。如何提高虚拟现实场景运行性能将是一个需要持续研究的问题。随着计算机技术的发展，虚拟现实技术的应用将日益广泛。要使得虚拟现实场景运行流畅必须对虚拟现实场景进行优化，虚拟现实场景的优化将使得虚拟现实场景运行更快，推动其在生产、生活实践中的应用。

参考文献

[1]傅晟,彭群生.一个桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统的设计与实现[J].计算机学报,1998,(9):794-799.

[2]高志清.3DSMAX大型场景浏览动画制作经典范例[M].北京:中国水利水电出版社,2005.