虚拟现实与室内设计（精选12篇）
虚拟现实与室内设计 篇1
一、引言
随着高校扩建的步伐不断加快以及招生宣传的竞争, 传统的学校二维平面地图仅仅提供校园导航的简单功能, 已不能满足校园信息化的要求, 而集成校容校貌展示、招生宣传、校园信息化管理的新一代三维虚拟校园系统, 将是大势所趋, 将成为校园门户网站不可缺少的重要栏目, 对学校的对外形象宣传、招生宣传、信息化管理将产生重要的作用。
二、虚拟现实技术
虚拟现实技术 (vimlal Reality, 简称VR) 又称“灵境技术”, 最早是由美国人兰尼尔 (J.artier) 提出实定义的:“用计算机技术生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界, 让用户可以从自己的视点出发, 利用自然的技能和某些设备对这一虚拟世界客体进行浏览和交互考察。”它综合了计算机图形、图像处理与模式识别、智能技术、传感技术、语言处理与音响技术、网络技术等多门科学, 是现代仿真技术的高级发展和突破。
虚拟现实技术与多媒体、网络技术并称为三大前景最好的计算机技术。虚拟现实技术具有沉浸感、交互性、思维构想性的特点, 它融合了其它先进技术, 能够将现实生活中的事物对象, 以三维图像的模式呈现在计算机中, 给人以仿真真实世界的感觉。
也许你会认为虚拟化现实技术离我们的生活仍然很遥远。但目前世界上已经有很多通过虚拟现实技术开发的产品了, 虚拟现实产品一般通过网络渠道进行网上传输、宣传。比如顾客通过键盘按键或鼠标点击可实现简单对产品进行了解, 查看相关信息。有的甚至可以直接用鼠标拖拽对象, 实现真实世界的实地察看。
三、三维虚拟校园的总体设计
(一) 模型设计。
三维虚拟校园制作的首要任务就是要进行校园内所有模型的建模, 利用AUTOCAD与3DS MAX软件可实现模型设计。
(二) 材质设计。
要实现仿真设计, 所有建筑的材质需要和实地相仿, 用专业的数码相机采集校内场景, 记录各建筑的材质, 由PHOTOSHOP软件实现软件的编辑修改, 由3DSMAX软件可实现材质的设计制作。
(三) 仿真设计。
要实现在校园内行走、校园自动漫游等效果, 需用VRP软件导入3DSMAX制作的校园建筑, 再进行仿真设计。
(四) 信息管理设计。
将仿真校园与后台数据相连接, 可实现校内数据管理。
四、三维虚拟校园的技术实现
(一) 硬件部分。
高配置计算机、存储用服务器、渲染用服务器、数码高清的摄像机、录像机、照相机。
(二) 软件部分。
WINDOWS XP操作系统、AUTOCAD软件、3DS MAX软件、VRP虚拟现实的软件。
(三) 技术实施流程。
一是校园整体实地考察, 用AUTO-CAD制作校园建筑平面图。二是运用3DS MAX软件导入AUTOCAD图进行校园建筑建模。三是使用数码相机进行实地材质采集。四是利用3DS MAX软件实现各建筑的材质贴图, 并设置相关的灯光与摄影机。五是结合VRP软件实现校园三维建筑虚拟现实。六是综合运用3D建模与VRP技术实现虚拟现实的仿真设计与制作。技术实施整体流程图, 如图1所示。
(四) 技术关键及创新点。
虚拟现实技术, 不仅应用于学校, 而且能够实现广告宣传, 推动广告产业发展。实现校园数据的集中可视化展示与管理, 为基层单位提供校园地理信息服务。三维虚拟校园作为各个部门信息展示的载体, 可以直观形象地进行可视化展示。定位展示、全部校园单位的路线导引, 快速放大、缩小, 360全景等多角度三维立体展示, 提供招生展示发布、新生报到导引、学生生活服务导引功能。
虚拟现实技术在当今市场还有很大的发展空间, 目前应用的单位企业较少, 技术制作人员很少, 制作费用高昂。我们有制作虚拟空间的成功案例, 积累了丰富的经验, 对应用虚拟现实技术起到了推动作用。
五、结语
本系统运用AUTOCAD软件实现二维平面制图, 综合运用3DS MAX软件实现了校园内建筑建模、材质贴图与灯光设置, 运用VRP软件实现了校园的仿真制作。对于辅助教师管理成绩起到很大作用。
参考文献
[1] .韩松喜.利用Excel实现成绩的自动统计[J].中国教育技术装备, 2012
[2] .王勇.EXCEL在班主任日常管理工作中的应用[J].科技创新导报, 2012
[3] .徐秀勤.Excel中数据安全处理方法探讨[J].中小企业管理与科技 (下旬刊) , 2012
[4] .李爱峰, 胡松领.基于Excel的网上成绩查询系统[J].计算机与现代化, 2012
虚拟现实与室内设计 篇2
西安市三十一中 沈香玲
教学目标：
情感态度价值观目标：树立人生理想，激励自己不断超越自己，感受实现自身价值的喜悦；愿意通过自己的努力，全力以赴地来实现自己的理想。知识与能力：让学生理解理想的含义，作用，实现理想的途径。理解理想的重要性；能找到自己理想与现实之间地差距，掌握实现理想的方法。
教材内容分析
本节是在即将毕业的关键时期，让学生选择希望人生，树立正确的理想，并认识到理想与现实的关系，在设定理想时能从实际出发，选择比较现实的目标，脚踏实际，全力以赴去实现自己的理想，从而认真对待自己的前途命运，走好人生关键的一步。
学习者特征分析
从学生的知识构成来看，学生们在在了解了我国国情、公民应承到社会责任的基础上，选择自己的理想，正确认识理想与现实的关系。
从学生的情感体验来看，初中的学生正处在人生观价值观形成的关键时期，正是树立人生理想的时候，学习本节激励学生树立理想，并为之努力奋斗。
教学策略选择与设计
1．指导学生畅谈自己的理想，学会分享。2．通过事例探究，引导学生树立正确理想。过程与方法: 本课以学生地探究活动和老师地点拨指导为主。学生在实践活动中自己去体验、去感悟、去发现，教师应对学生的活动提供情境并加以指导，充分调动学生的积极性，尽量让更多的学生参与到活动中来。在学法指导上，以读议领悟为主，运用讨论、举例法等方法，充分发挥学生地主体作用，使学生在轻松愉快地环境下实现更多的信息交流。教学重点：对理想的规划和理想的实现。教学难点：树立理想的重要性。教学过程： 导入：观看廖偲婕视频演讲《心中的理想》，激发学生树立理想。
思考：这段视频对你有什么启示？
学生答略。
师：这段话告诉我们每个人都要处理好昨天、今天、明天的关系，即要正确看待理想与现实的关系。同学们，青年时代是人生的黄金时代，我们有热情、有朝气，有美好的理想和各种愿望，有着无限美好的未来。那么，什么是理想？理想对我们的人生道路有说呢么作用？在实现理想地过程中，我们会遇到哪些困难呢？我们应怎样客服困难实现自己的理想呢？让我们带着这些问题共同学习第一节“正确对待理想与现实”。课堂情境、活动设置
一、扬起理想的风帆 活动一：听故事，悟道理
多媒体展示，一位学生读，其他人听 故事一：游向加州海岸的女子
1952年的一个清晨，加利福尼沿海岸笼罩在浓雾中，在21英里外的卡塔林纳岛上，一位34岁的女子正开始向加州海岸游去，这个女子名叫伦斯，如果成功的话，它将成为一个第一个游过海峡的女子。
海水很冷，雾很大，时间一个钟头一个钟头的过去，15个钟头后，她已经很累了，全身冻得发麻，她朝海岸望去，除了浓雾，什么也看不见„„当她的教练把她救起的时候，伦斯发现，她上船的地点，离加州海岸不到半英里。伦斯一生中只有这一次没有坚持到底，令她半途而废的不适疲劳，也不是寒冷，而是因为她在雾中看不见目标。
可见，目标在人生道路上的重要性。没有目标，就没有方向；失去方向，前路茫茫，这个目标就是理想。
那么，什么是理想呢？ 多媒体出示 结论：
一）理想的含义：P128.理想是我们在学业成就、未来职业、道德人格甚至家庭生活方面追求的目标，代表着我们对生命的一种期盼，反映了我们对生活的积极态度。二）理想的作用:
1、理想总是指向未来，表现为奋斗目标，对人的行为有导向、驱动和调控的作用。
2、理想激励我们不断超越自己，让我们充满了实现自身价值的喜悦，使我们地人生充满幸福。
3、亿万人民在追求自己的理想特别是追求美好社会理想的过程中，推动着社会向前发展。
活动二：用事实，明理想
ß哈佛大学关于“目标对人生的影响”调查ß比例目标状况结局ßß27%60%10%没有目标目标模糊有比较清晰的短期目标在社会的最底层社会的中下层社会的中上层ßßß3%有十分清晰的长期目标社会各界顶尖成功人士ß这个调查表对我们有什么启示？学生回答略。
学生回答略。
师：这段材料说明，理想在人生的作用。理想总是指向未来，对人有导向、驱动和调控的作用。有理想就会激励我们不断超越自己，让我们充满了实现自身价值的喜悦，使我们地人生充满幸福。让我们去努力实现自己的理想吧。
活动三：谈理想，立信心。学生讨论交流
问题一：你小时候的理想是什么？ 问题二：你现在的理想是什么？
导课：理想的实现并不都是一帆风顺的。因为，理想的实现要受自身条件、外在环境的限制等方面制约。活动四：论说法，辨关系。
有人说，理想很丰满，现实和骨感。那么，二者之间有什么关系？
归纳：理想源于现实而高于现实。
二、通向理想之路 活动五：学名人，树理想
人物故事二：美国国务卿赖斯, 10岁时全家到首都游览,却因身份是黑人,不能进入白宫。小赖斯备感羞辱,凝神远望白宫良久,然后回身告诉父亲:“总有一天,我会在那房子里!”果然,25年后,名牌大学毕业,已成为俄罗斯问题专家的赖斯,昂首阔步进入白宫.问：赖斯成功的事迹向我们说明了什么？
① 实现理想，需要对人生作出规划。活动六：小故事，大道理
人物故事三 ：日本有一个叫做山田本一的马拉松选手曾两次获得过世界马拉松大赛的冠军，当记者问起他成功的经验时，这位内向的选手并没有明确说出答案。
但十年后，人们在他的自传中找到了答案。
他在自转中是这么说的：起初，我把我的目标定在40多公里外的那面旗帜上，结果我跑到十几公里时就疲惫不堪了，我被前面那段遥远的路程给吓倒了。后来，我每次比赛前都要乘车把比赛的路线仔细看一遍，并把沿途比较醒目的标志做为目标画下来，比赛开始后，我先朝第一个冲，冲过第一个目标后，又朝第二个目标努力，第三个目标„„。就这样，40多公里的赛程，就被我分解成几个小目标轻松地跑完。提问：1.山田本一成功的秘诀是什么? 2.他的做法对于实现自己理想有什么启示？
要有生活目标，一辈子的目标，一段时期的目标，一个阶段的目标，一年的目标，一个月的目标，一个星期的目标，一天的目标，一个小时的目标，一分钟的目标。
—列夫·托尔斯泰 活动七：学鲁迅，正理想
人物故事四:鲁迅早年在日本仙台医学专科学校学习。一天，在上课时，教室里放映的片子里一个被说成是俄国侦探的中国人，即将被手持钢到刀日本士兵砍头示众，而许多站在周围观看的中国人，个个无动于衷，脸上是麻木的神情。这时身边一名日本学生说：“看这些中国人麻木的样子，就知道中国一定会灭亡！”鲁迅听到这话忽地站起来向那说话的日本人投去两道威严不屈的目光。昂首挺胸地走出了教室。他的心里像大海一样汹涌澎湃。
一个被五花大绑的中国人，一群麻木不仁的看客一一在脑海闪过，鲁迅想到如果中国人的思想不觉悟，即使治好了他们的病，也只是做毫无意义的示众材料和看客。现在中国最需要的是改变人们的精神面貌。他终于下定决心，弃医从文，用笔写文唤醒中国老百姓。
提问： 鲁迅弃医从文的故事给我们什么启示？
②实现理想，我们要根据自己的能力、兴趣等实际情况适时调整自己的理想，缩短理想与现实的距离。活动八：用漫画，启思维
观察漫画：思考，这幅漫画给我们什么启示？
③实现 理想的途径：
脚踏实地，全力以赴，不屈不挠，坚持不懈。课堂小结：
理想是美好的，理想可以有很多，但通向理想的道路却只有一条，那就是脚踏实地，全力以赴，不屈不挠，坚持不懈。我们每个同学想要实现自己的美好理想，不仅要制定科学的、合理地计划，更要全力以赴，不屈不挠，这样才能在不久的升学和就业过程中充分发挥自己的能力，创造属于自己的辉煌。我衷心祝福大家为实现自己的理想去奋斗着并快乐着!送给同学们一克雷诺夫名言：“现实是此岸，理想是彼岸，中间隔着湍急的河流，行动则是架在川上的桥梁。” 板书设计：
一、是什么-----理想
二、为什么-----理 想的作用
三、怎样做-----如何实现 理想
1、认清理想与现实的关系
2、具体途径 A、对人生作出规划 B、根据实际情况对理想进 行调整 C、脚踏实地，全力以赴 课堂练习： 单项选择：
1、“理想是指路明灯，没有理想．就没有坚定的方向；没有方向，就没有生活。” 列夫•托尔斯这句话主要表明
A．人生就是立足现实不断迫求各种理想的历程
B．人们在追求自己理想的过程中．推动着社会向前发展
C．人生需要理想，理想对人的行为有导向、驱动和调控作用
D．理想是实现人生价值的唯一途径 2、2009年5月3日，面对一批即将赴祖国西部和基层就业的清华大学应届毕业生代表，温家宝总理动情地说：“什么能够使你们的心灵永远明亮？那就是你们的理想和信念，把自己的一生献给人民。”“这就像一盏明灯，永远在你们心里点燃，而且照亮你们前进的方向，不要退缩。”这告诉我们
①理想，是人生的奋斗目标和指路明灯 ②理想，是催人奋进的巨大力量 ③有了共同的理想就能实现个人的理想 ④树立远大的理想，将使我们的青春焕发光彩
A、①②③ B、②③
C、①③④
D、①②④
3、在第21届冬奥会上，我国花样滑冰老将申雪、赵宏博夺得了金牌，20多年的执着追求终于如愿以偿。这启示我们
①只要执着追求，任何理想都能实现 ②理想的实现是一个艰苦奋斗的过程 ③理想的实现需要脚踏实地、全力以赴 ④理想是一成不变的，要终身为之奋斗
A、①②
B、②③
C、①③
D、②④
4、比尔•盖茨少年时代曾说过，与其做一棵草坪里的小草，还不如成为一株耸立于秃丘上的橡树。因为小草随风飘摇，毫无追求，而橡树则高大挺拔，昂首苍穹。此言影响了他的一生。可见，比尔•盖茨的成功是因为
A．从小就有与从不同的性格
B．从小就懂得尊重长辈 C．从小就具有远大的理想
D．从小就有聪明的头脑
5、“千里之行，始于足下”这句话告诉我们，理想的实现
①需要我们从身边的小事做起 ②要脚踏实地的努力 ③只要制定人生计划就行 ④只要有强烈的热情就行
A.①③ B.①④
C.①②
D.③④ 6、2009年10月31日，中国科学巨星钱学森在北京逝世。1955年，刚刚回国的钱学森到哈尔滨军事工程学院参观。时任院长陈赓大将问他：“中国人能不能搞导弹？”钱学森说：“外国人能干的，中国人为什么不能干？难道中国人比外国人矮一截？” 正是“中国人也能搞导弹”的理想，使钱学森为中国航天科技事业作出了杰出贡献。这表明（）
①理想可以激励我们不断超越自己 ②理想反映了我们对待生活的态度 ③理想对人的行为有导向、驱动和调控的作用 ④有了理想就能不断超越自己，实现自身价值
A.①②③ B.①③
C.①②④
D.②③④
7、我们每个人都有自己的理想，但由于外部环境和自身条件的限制，理想和现实之间总会有一些差距，甚至有些理想无法实现。这时候我们可以这样想（）
①我们不需要理想，因为它无法实现 ②我们不需要理想，因为它带来消极影响，让我们对未来丧失信心 ③理想不是一成不变的，我们可以根据实际适当调整自己的理想 ④理想的实现就是一个突破外部环境和自身条件限制的奋斗过程
A.①②
B.③④
C.①②③
D.②③④ 8、2008年张 海迪当选国家残联主席，张海迪为实现自己的理想而自强不息的精神成为一代人学习的楷模。你对实现理想的正确理解是（）
①需要脚踏实地、全力以赴 ②需要对人生作出规划 ③需要不屈不挠、坚持不懈的努力 ④只要树立远大的理想，就能实现
A.①②③
B.①③④
C.①②④
D.②③④ 8、2008年张 海迪当选国家残联主席，张海迪为实现自己的理想而自强不息的精神成为一代人学习的楷模。你对实现理想的正确理解是（）
①需要脚踏实地、全力以赴 ②需要对人生作出规划 ③需要不屈不挠、坚持不懈的努力 ④只要树立远大的理想，就能实现 A.①②③
B.①③④ C.①②④
D.②③④
9、汤月说：“我的理想是当一名建筑设计师。”那么，你认为他要实现自己的理想，最根本的道路是
A.脚踏实地，全力以赴
B.理智面对学习压力 C学会走捷径
虚拟现实与室内设计 篇3
关键词：虚拟现实；工业设计；融合
0 引言
随着计算机技术的快速发展，虚拟现实技术在工业设计领域的应用越来越广泛，它的出现颠覆了以往产品单一的表现形式，能够带给参与者“真实”的体验，成为现代工业设计领域的强大工具与重要手段。
1 虚拟现实技术的概述
虚拟现实技术（Virtual Reality）产生于20世纪80年代，由美国VPL公司创始人拉尼尔（Jargon Lanier）提出；因此，可以说美国是虚拟现实技术研究的发源地。虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统。[1]即利用计算机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。[2]虚拟现实是多种技术的综合，包括实时三维计算机图形技术，广角（宽视野）立体显示技术，对观察者头、眼和手的跟踪技术以及触觉/力觉反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等。
其发展史大体上可以分为四个阶段且拥有三个核心特征：沉浸感（Immersion）、交互性（Interactivity）、构想性（Imagination）。其中，沉浸感是虚拟现实技术最重要的基本特征，参与者能够完全沉浸于虚拟的三维空间中，强调的是虚拟现实境界的逼真性；交互性是虚拟现实的实质特征，通过硬件和软件设备进行人际交互，强调的是虚拟现实系统的可操纵性；构想性是虚拟现实的最终目的之一，强调的是对人类认知范围的扩展。
2 我国虚拟现实技术在工业设计中的应用及发展情况
工业设计是一种创造性的活动，以工学、美学、经济学为基础对工业产品进行设计。[3]我国作为农业大国，长期以来的工业设计发展水平并不高，在与国外企业的比较中，过度模仿抄袭、缺乏创新意识、能力不足、设计水平低等仍是我们不得不面临的问题。
随着我国经济实力的发展，众多企业将虚拟现实技术引入工业设计领域中，虽然工业发展和进程与发达国家仍存在一定差异，但是我国的工业设计也有了很大的发展。
目前，我国许多科研单位已将虚拟现实技术列为攻关项目，不少高校与企业也投入这一技术到开发与研究当中。21世纪将是虚拟现实技术的时代，就工业设计领域而言，其为空客Airbus设计的虚拟座舱，就可以进行虚拟现实的设计；SONY公司Trans Vision，利用虚拟现实技术可增强现实样机系统等；据悉，谷歌公司刚刚成立了虚拟现实技术部门。从整体来看，虚拟现实技术已不再是遥不可及了。
3 虚拟现实技术对工业设计的影响与作用
工业设计具有一定专业性和复杂性，且涉及的领域较为广泛，传统的二维平面设计方式和模式，设计样式单一、老套，已无法满足市场需求。但是，虚拟现实技术却不同，作为运用计算机对复杂数据进行的一种可视化操作，它突破了二维平面设计的束缚，以创新的可视化模式让设计师能够轻松构建互动体验，提供直接的图形程序化接口。虚拟现实技术让产品的功能、性能和质量在三维空间中完美地呈现给用户。它颠覆了以往产品单一的表现形式，使设计者在工业设计过程中可以将灵感发挥得淋漓尽致。
工业设计中虚拟现实技术的引入，使设计者在进行工业产品设计时，可以更为直观地观察到产品的效果及表现情况，以便及时发现不足、解决问题，这大大提高了设计者的设计效率；同时，在三维空间中，虚拟现实技术以视觉形式更准确地反映了设计者的思想与理念。
总而言之，虚拟现实技术的引用使工业设计在思想上有了质的飞跃，它的崛起将我国工业设计推向了更远的未来，在工业设计领域具有独特的应用价值。
4 虚拟现实技术与工业设计互融的发展未来
对于设计师来讲，作为高集成的计算机技术，虚拟现实不仅是一个演示媒体，更是一个设计工具。虚拟现实技术已成为现代工业设计中不可或缺的手段之一。目前，虚拟现实被写进了“十三五规划”，表明了国家层面对虚拟现实的鼓励和扶持态度，以及肯定了该行业的价值和空间。继小米、乐视、腾讯之后，阿里也表明了对虚拟现实的积极态度，VR阵营又多了一名重量级的参与者。[4]作为专业设计师，以往传统的表现形式很难让客户充分理解设计师的细节处理与良苦用心；但在未来，进入VR虚拟时代之后，我们终于可以采用一种更加直观、有趣的方式来展示产品设计的魅力了。[5]
虚拟现实技术正逐渐走向成熟，这一方兴未艾的计算机技术必将产生巨大的生产力。未来我们还会需要更多类似于虚拟现实技术的高新科技，它们的崛起，需要一代又一代的设计师继续努力。
5 结语
虚拟现实技术与现代工业设计互融具有十分重要的现实意义，它不仅为工业设计的发展注入了新鲜血液，还带来了崭新的设计模式，更推动了现代经济的发展。在不久的将来，虚拟现实技术必然能为工业设计创造出新的天地。
参考文献：
[1][DB/OL]http：//baike.baidu.com/link？url=FlDc_q8yI0Mqt86YQfMxodaaykFgmXHbKEX91Zc0lnH-zI7zLr-cgpV0OFVUNMtkNA-F6xpn6MkDhJX_0P_hbXQPHWX4sdyiOHVleKG7gWOeFBHluJl30OJCLzKbSF3F.
[2]贾晶晶.论虚拟现实艺术[J].中国电子商务，2013.
[3]郭睿.产品设计的文化内涵和艺术表现的研究[D].工业设计工程，2013.
[4]研报：国元证券：VR写进“十三五规划”有望异军突起[DB/OL].中国电子商务研究中心，http：//b2b.toocle.com/detail--6328705.html.
[5]深度报告：VR全产业链趋势分析，哪些厂商值得投资？[DB/OL].爱微帮，http：//www.aiweibang.com/yuedu/12170
8811.html.
基于虚拟现实的清铃机设计与仿真 篇4
新疆棉花年产量占全国总产量的1/3,并已建成我国最大的国家级商品棉基地和最重要的优质棉产区。但是,棉花采摘机械化程度低,造成棉花的生产方式落后、经营规模小、生产成本高和抵御自然灾害的能力弱,严重影响了新疆棉花产业化进程。因此,实现采棉机械化已属当务之急,探究采棉机的技术对新疆乃至全国的棉花种植都有重要意义。
目前,国内许多院所应用传统计算机建模与仿真技术对采棉机的关键部件进行了研究。文献[1]对采棉滚筒的运动学方程进行推导,利用虚拟样机技术建立采棉滚筒的模型,并进行运动仿真分析,探讨了采摘速比系数对采摘性能的影响。文献[2]对梳指式采棉机采摘台的工作原理、构成、参数进行了阐述,建立了三维模型,并对梳棉搅龙进行了运动仿真。但应用虚拟现实技术对采棉机的研究较少,而虚拟现实技术是当前机械工程研究领域中的重要手段。为此,对清铃机进行虚拟样机设计与动力学仿真,从虚拟装配与产品展示方面说明虚拟现实技术在农业机械设计上的应用,使设计者全身心投入到三维虚拟环境中,运用廉价的数字模型从多方面对产品进行观察和分析,提高产品的质量和可靠性。
1 虚拟样机设计
1.1 工作原理
清铃机是梳指式采棉机的重要组成部分,负责棉铃的清理工作,其工作性能直接影响到整机的各项工作指标。清铃机由壳体、多组旋转辊(包括开松辊、刺条辊、回收辊、拨面辊)以及输棉系统组成。经采摘台采集的棉铃由输送系统输送到清铃机顶部,棉铃依次通过清铃机各个工作部件,使籽棉、棉壳以及杂质分离[3]。
1.2 基于Pro/E的虚拟样机建立
Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司(PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称,在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位,主要特性有参数化设计、 基于特征建模和单一数据库。
零件设计是三维设计的基础。清铃机共由600个零件组成,模型复杂,建模工作量大。运用Pro/E软件对清铃机虚拟样机的设计步骤如下:
1)根据已有的设计尺寸,在Part模块通过拉伸(Extrude)、旋转(Revolve)、扫掠(Sweep)、混成(Blend)和抽壳(Shell)等方法建立每个零件实体。
2)进入装配模式下,用匹配(Mate)、对齐(Align)和插入(Insert)等约束命令,先由零件构成一个个子装配体,然后由各个子装配体组成一个虚拟的部件。
根据清铃机的工作原理和各个子装配体之间的位置、顺序,确定清铃机的装配工艺如图1所示。装配好的清铃机整机三维模型如图2所示。
2 Admas动力学仿真
对清铃机的部件进行动力学仿真,主要针对它转速最高、受力最大的部件开松棍,找出最大受力,验证应力是否在许用应力范围内。其步骤为:模型简化、数据转换、属性编辑、添加运动副、约束、仿真和后处理。将保存好的“x-t”格式的开松辊三维模型导入后即可进行动力学仿真。
由于开松棍部件上有大量钉状零件,可对其进行有效的简化。本设计将其长度缩短, 将在Pro/E中简化后的模型导入Adams中,同时添加部件的材料以及其它属性,然后添加运动副及约束。用9个小球模拟棉花的运动,每一个小球质量为0.05kg,密度为400kg/m3,离开松棍的高度为256mm,从闭风器掉下时的初速度为1.13m/s;开松棍两端为固定副,绕其轴心添加旋转副,转速为380r/min,小球与开松棍之间为碰撞副。
完成上述过程后,运用ADAMS/Solve后处理模块进行仿真。仿真及后处理如图3和图4所示。
在验证开松棍的结构是否满足需求时,可以考虑极限情况,即受力部位为钉子顶端。由仿真数据可知,钉子的最大受力为2.63N。
3 虚拟现实在清铃机仿真中的应用
当前虚拟现实技术,尤其是人机交互技术在机械设计上的应用还很少,它将从根本上改变机械产品的设计和制造模式。将虚拟现实技术应用于产品开发的整个生命周期,将缩短产品设计与制造周期,降低产品开发成本,提高产品快速响应市场变化的能力。
3.1 基于VAPlatform的虚拟装配
虚拟装配是一种将CAD技术、可视化技术、仿真技术、决策理论、装配和制造过程研究、虚拟现实技术等多种技术加以综合运用的技术[4]。
本文所采用的产品虚拟装配操作仿真平台VAPlatform,主要功能有:虚拟装配场景的构造和维护,多用户协调装配操作,用户端的多通道立体输出,多种虚拟装配操作交互方式,装配工具与设备仿真,实时碰撞检测与响应,距离测量和间隙显示,碰撞痕迹显示和评审报告生成等[5]。
VAPlatform平台虚拟装配过程如下:
1)进行数据准备。平台运行需要的文件有产品信息文件(mif格式)、显示模型(stl格式)、碰撞模型(cdm格式)和系统仿真文件(ave格式)。为此,在Pro/E软件中建立好的虚拟装配所用的三维模型及装配约束关系进行数据转化,获得VAPlatform平台所能接受的各种模型信息。各个文件信息的转化方式如图5所示。
2)运行用户端程序。选择生成的ave文件点击运行;进入虚拟装配环境添加操作者、添加虚拟手,根据实际情况调节虚拟手的大小,利用键盘和鼠标控制虚拟手进行装配操作。装配过程中,操作者可查看平台生成的装配结果报告文件,查看装配情况和干涉情况,对以前的装配过程进行检查。图6所示是清铃机一个轴的虚拟装配图。
用户可以通过路径管理启动记录、停止记录、回放记录,记录装配的实时操作过程,并对装配进行分析。通过启动录像,将整个装配的操作过程记录下来,用来演示装配的整体操作。
3.2 基于nVision的产品展示
nVision虚拟仿真平台是虚拟现实技术中实现人机交流的一个三维可视化平台,具有很强的三维可视化效果,可以与位置跟踪器、数据手套、力反馈器和头盔显示器整体应用。其实现了人机一体,已被广泛应用视景仿真、军事模拟、虚拟制造、虚拟设计和虚拟装配等领域。
要成功完成虚拟环境下的产品展示,首先将Pro/E中装配好的三维模型按单个零件导出“*.stl”格式。导出时,选中某一个要导出的零件,将其余的零件隐藏,这样在导出零件的同时将它和其他零件的约束关系也一并导出,导入到3dmax中时就按照约束自动装配好整机模型,解决了在3dmax中装配不精确的问题。导入到3DS max中,赋予材质、按照传动系统的设计参数完成各个旋转辊的传动,利用Photoshop透明贴图将处理好的棉花图片赋予十字交叉平面模拟清铃机工作原理和进行渲染等操作,最后通过3DS max模型转换插件(OSGExp0.9.6)导出nVision平台所用的.ive格式的文件。
进入nVision虚拟环境,打开导出的.ive文件,通过鼠标、键盘或虚拟手调整模型的大小、视角到最佳位置,改变环境,调整灯光效果,根据需要加入特效。
使用立体眼镜在多通道显示设备上观察立体效果优良的三维模型,通过仿真平台的硬件组合实现了视觉、触觉和听觉上的统一,如图7所示。
4 结论
通过对清铃机的工作原理、数字化建模、动力学仿真、虚拟装配与产品展示,对清铃机进行了深入的研究,将复杂产品虚拟样机设计、仿真和虚拟现实技术运用于清铃机的整个开发过程,减少了制造实物样机的成本,缩短了产品开发周期,减轻了设计返工的负担。
摘要：采棉机是提高棉花采摘环节机械化水平的重要的工具,其关键部件清铃机的设计对机采棉清理加工技术的改善有着重要意义。虚拟现实技术的出现为解决传统产品开发过程中存在的问题提供了有效的途径。为此,以清铃机作为研究对象,使用Pro/E进行清铃机虚拟样机设计,运用ADAMS对关键部件进行动力学仿真,并在VAPlatform平台上进行虚拟装配,最后在nVision平台中进行产品展示,成功地在虚拟环境中实现了产品开发设计全过程。该研究旨在为虚拟现实技术在农业机械上的应用提供参照。
关键词：清铃机,虚拟样机,动力学仿真
参考文献
[1]毕新胜,王维新,丛锦玲,等.水平摘锭式采棉机采棉滚筒的运动学分析[J].农机化研究,2008(8):49-52.
[2]刘国浩,袁逸萍.梳指式采棉机采摘台的设计与仿真[J].制造业信息化,2011(2):106-107.
[3]黄帅,袁逸萍,孙文磊,等.清铃机传动系统设计与仿真[J].制造业自动化,2011,33(4):89-92.
二三维联动的虚拟校园设计与实现 篇5
二三维联动的虚拟校园设计与实现
传统的2维地理信息系统技术成熟但缺乏3维可视化和分析的能力,而目前的3维地理信息系统发展可拥有3维可视化分析能力,然而还缺少2维地理信息系统的便捷.以二三维联动为开发思路的地理信息系统能够解决这对矛盾.本文基于二三维联动GIS的设计方案,以虚拟校园设计与实现为应用实例,利用ArcEnginefAE)实现二三维联动GIS系统的`开发设计,对GIS系统的开发做出了一种新的、有益的尝试.
作 者：邵明旭 XU Hui-pin 覃如府 CHEN Hua-gen SHAO Ming-xu XU Hui-pin QIN Ru-fu CHEN Hua-gen 作者单位：同济大学,海洋地质国家重点实验室,上海,92 刊 名：地理信息世界 ISTIC英文刊名：GEOMATICS WORLD 年，卷(期)： 6(2) 分类号：P208 关键词：二三维联动 地理信息系统 ArcEngiBe(AE)虚拟校园漫游系统的设计与实现 篇6
关键词：淄博职业学院；虚拟现实技术；三维动画技术
一、本文研究的背景及目的意义
利用计算机三维技术和互联网技术，对学校各种资源进行收集、整理、制作、组合、优化和传播，完成校园资源的数字化和信息化，提高淄博职业学院校园信息化建设的水平。通过对校园三维景观和教学环境的数字化和虚拟化，在网络上真实的再现校园优美的场景，真实的反映淄博职业学院的人文气息，丰富我校对外宣传的手段，提高学校的知名度，让来访者足不出户就可浏览校园风光和有关介绍信息，体验身临其境的感受。通过对学校资源的数字化和信息化，为学院以后的校园规划、基建建设提供辅助，提高校园管理的现代化水平。
二、国内虚拟校园建设研究现状
自从1998年，浙江大学建成国内第一套用于虚拟现实技术的CAVE系统之后。国内的985、211院校大多数已建成了虚拟校园系统，清华大学、北京理工大学、山东大学等高校的虚拟校园主要分两种类型。一类是三维虚拟俯视地图，如下图1所示，采取3ds Max/Maya建模，斜45度渲染的三维地图，并通过切片技术加载到展示系统中，极大的提高了地图的加载速度；二类是三维虚拟漫游系统；采取3ds Max/Maya建模，360度展示地图信息，犹如身临其境。目前，山东地区70余所高职院校还没有建设自己的虚拟校园系统。
三、虚拟校园系统的构建
1.设计思路
淄博职业学院虚拟校园的设计打破三维虚拟俯视地图或三维虚拟漫游系统单一展示的功能，实现了三维虚拟俯视地图和三维虚拟漫游系统结合，进行位置的跟踪定位功能，用户既可在三维虚拟俯视地图浏览学院概貌，也可在三维虚拟漫游系统体验学院真实的环境。
2.总体规划
“虚拟校园”主要由界面设计、校园模型建模、信息数据输入、系统交互四大模块组成，它们主要通过漫游子系统、导航子系统、平台操作子系统来实现：
（1）漫游系统。漫游系统依托学院真实环境中的所有室外建筑物的虚拟表现，重点介绍学院基本概况及教育教学，我们结合校园室内建筑及学院概况划分虚拟教学院系展示、虚拟教学楼展示、虚拟学生公寓展示、虚拟校史馆展示、虚拟校园交通展示等9个漫游的展示，采用Untiy三维互动仿真平台。运用Untiy虚拟现实编辑器、Untiy 二次开发软件包、Photoshop绘图技术、Maya动画技术完成漫游系统的开发。
（2）导航系统。导航功能主要包括组织机构、教学院系、教学楼、学生公寓、服务设施、校史馆、校园交通、获奖荣誉9个导航系统。
（3）校园平台操作设置。控制键：键盘方向键及A、S、D、W键：控制前后左右行走；键盘QE键：控制高度；鼠标中间滑轮键：控制前后平移；按住鼠标左键移动鼠标：控制上下左右视角；键盘C键：显示相机列表。
3.技术路线
（1）项目开发主要包括5个流程：数据采集—>Photoshop图片处理—>CAD图纸的处理—>3Ds Max建模—>漫游引擎的制作。实现的功能主要包括：机构设置、楼宇场馆、校园服务、校园漫游、迎新服务、招生咨询等栏目的定位与介绍。
（2）数据采集阶段：是系统开发的基础，包括建筑图纸图纸的获取、建筑实景照片的拍摄、校园建筑信息的收集。
（3）建筑图纸处理阶段（应用软件：CAD）：将得到的CAD图纸进行整理，分层导出校园平面图、建筑轮廓图、校园道路图、植被分布图等。
（4）图像图像处理阶段（应用软件：Photoshop）：将拍照得到的建筑物图片进行处理，制作模型的贴图、纹理材质，以及进行地图系统界面的设计。
（5）三维动画阶段（应用软件：3Dmax、Maya）：运用整理后得到的CAD图纸进行建模，包括地形模型、建筑模型、环境模型、装饰物的建造。
（6）编程设计阶段（应用软件：Untiy3D）：系统制作的最后阶段，主要是将建造的模型经过纹理贴图后进行系统功能和界面的制作。
4.技术特点
本系统具有友好的可视化界面，用户可以通过操作鼠标和键盘实现对整个校园场景的浏览或漫游。具体可分为两个方面的进行浏览：一方面，用户可以三维平面地图中通过导航图点击想要到达的地点，实现三维平面自动漫游。另一方面，用户可以通过点击导航下三个校区的按钮切换到校区的自由相机视角，实现三维虚拟实景地图自由漫游。
本系统最大的优势在于它实现了对我校的二维和三维立体结合多方位展示的功能，传统的校园展示大都是以二维图片、影视图像为基础的，这显然已经不能满足学校对外招生宣传、校园展示等方面的要求，而本系统集二维平面地图和三维场景于一体，可使用户具有身临其境的感觉。虚拟校园的漫游具有广阔的应用领域。首先，它可以个更好的展示校园风采，可以为学校所用。再就是，掌握了这项技术可以开发房地产全景漫游、工业园全景漫游甚至城市漫游，潜在市场价值巨大。
5.功能特色
（1）本系统集三维平面地图和三维漫游系统于一体，打破传统地图单一展示功能。传统的校园展示都是建立在二维平面图片以及视频影像的基础上的，这显然已经不能适应新时代校园的展示。本系统集三维平面地图和三维漫游系统于一体，是用户能对校园场景有一个更为直观、清晰的认识，用户可以通过漫游浏览校园各个学区，能产生身临其境的感觉，相比传统那个的二维展示更加科学先进，用户即可在三维平面地图浏览学院概貌，也可在三维漫游系统中浏览学院真实的环境。
（2）丰富的应用接口功能。三维虚拟校园系统具有良好的开放性，该项目通过Unity可发布到Windows、Phone 8、BlackBerry 等9个不同的平台，该系统可直接嵌入到学院的网站，可接触摸屏，还可以接手机、平板电脑支持多平台发布。
（3）优化领导管理。三维虚拟校园的直观特性，可以优化领导管理，对于校园规划、建设等能够全局掌控。
6.项目创新点
对校园场景进行三维立体、多方位、交互式展示。传统的校园展示都是建立在二维平面图像或视频影像的基础上，这种表达方式性能单一、交互性差；而我们所构建的三维数字校园是利用虚拟现实技术将真实的校园场景通过数字化模型再现到计算机中，用户对所构建的三维虚拟场景可以进行自由漫游，交互性强。
四、结束语
通过建设虚拟校园漫游系统，可以使用户在计算机上利用浏览器实现交互式漫游，用户通过空中俯视、底面浏览等方式实现对虚拟学校虚拟场景的交互式漫游，这种交互式漫游允许用户随意手动控制漫游或控制相机的位置和视角。使用户在使用虚拟漫游系统所创造的虚拟学校环境中有很强的真实感，并可以对虚拟学校的环境中的相关建筑物进行访问，查看，和移动等功能，并可以进入数学楼内部。该系统可以为学校树立一个全方位的，直观的形象，对学校知名度的提升和校园数字化管理向着现代化和技术性方向发展有显著的推动作用，这些是学校智慧校园的一个重要组成部分。
参考文献：
[1] 吴迪.虚拟校园漫游系统的研究与开发.天津大学，2007
虚拟现实与室内设计 篇7
虚拟现实技术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。虚拟现实技术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。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利的支持。
1 虚拟现实技术的基本概念
虚拟现实(Virtual Reality,VR),是指利用三维图形生成技术、多传感交互技术、多媒体技术、人工智能技术、人机接口技术以及高分辨显示技术等高新技术,生成三维逼真的虚拟环境。虚拟现实技术能够产生一种逼真的效果,接近实景场所,同时人与虚拟环境之间可以进行多维信息的交互作用,使人从特定的虚拟环境中获得对客观世界的感性和理性的认识,从而深化认识和建构新的构思和创意。虚拟现实技术所创生的逼真“虚拟环境”,使得用户在感知上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉,这就是虚拟现实技术的浸没感(Immersion)或临场参与感。随着阿兰H韦斯“远程沉浸”理想的提出,虚拟现实技术与网络技术开始融合。所谓“远程沉浸”就是通过技术手段使身处不同空间位置的人们产生身处统一物理空间的感觉,克服了空间距离,进行时空的信息与情感交流。
2 虚拟现实技术研究目前存在的问题
(1)国外研究水平存在不同的差异性。虚拟现实技术国外研究起步较早,取得的成果较为丰富。美国是虚拟现实技术研究的发源地,目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。在欧洲,英国在VR开发的某些方面,特别是在分布并行处理、辅助设备(包括触觉反馈)设计和应用研究方面。在欧洲来说是领先的。日本的虚拟现实技术的发展在世界相关领域的研究中同样具有举足轻重的地位,它在建立大规模VR知识库和虚拟现实的游戏方面做出了很大的成就。
(2)我国与发达国家研究水平有较大差距。我国VR技术研究起步较晚,与国外发达国家还有一定的差距,但现在已引起国家有关部门和科学家们的高度重视,并根据我国的国情,制定了开展VR技术的研究计划。九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把VR列入研究项目。在我国虚拟现实技术的研究和一些发达国家相比还有很大的一段距离,随着计算机图形学、计算机系统工程等技术的高速发展,虚拟现实技术已经得到了相当的重视,引起我国各界人士的兴趣和关注,研究与应用VR,建立虚拟环境,虚拟场景模型分布式VR系统的开发正朝着深度和广度发展。
(3)现实需求与供给之间存在不平衡。随着虚拟现实技术在城市规划、军事等方面应用的不断深入,在建模与绘制方法、交互方式和系统构建方法等方面,对虚拟现实技术都提出来更高的需求。为了满足这些新的需求,近年来,虚拟现实相关技术研究遵循“低成本、高性能”原则取得了快速发展,表现出一些新的特点和发展趋势。随着虚拟现实技术的发展,对虚拟现实产品有巨大的市场需求,一个方便快捷的虚拟现实开发公共服务平台将必不可少。然而,国内外的虚拟现实软件及相关平台虽然比较多,但是技术水平参差不齐。国外个别虚拟软件产品技术相对成熟,但是价格昂贵,引进比较困难,尤其没有办法在国内大范围使用。诸多客观因素影响,国内虚拟现实软件平台产品更是少的可怜,而且技术不成熟,试用的领域相当有限。
以上诸多原因考虑开发虚拟现实可视化开发公共服务平台就变得非常有必要,一方面提高国内虚拟软件开发的整体技术实力,一方面汲取国外优秀软件的诸多优点,发展国人虚拟平台,提高中国在互联网虚拟的整体地位。稳定、全方位的虚拟现实制作开发服务平台。
3 虚拟现实三维开发服务公共技术平台的主要技术
虚拟现实三维动画开发公共服务平台建设,建立了一套高质量高速度的虚拟现实制作平台,实现基于行业的敏捷设计流水线作业,将目前VR作品的制作速度提高200%。本平台主要应用于教育行业,如各专业仿真教学、虚拟实训、包括,虚拟旅游、虚拟景区、导游设计虚拟等;机械加工、工控仿真、虚拟制造、虚拟装配等;向沈阳市以及辽宁省内虚拟现实开发以及应用用户提供安全、稳定、全方位的虚拟现实制作开发服务平台。
虚拟现实三维动画开发公共服务平台,具体包括:
(1)虚拟现实三维动画建模系统;
(2)虚拟现实三维动画WEB应用系统;
(3)虚拟现实三维动画模型的导入导出系统;
(4)虚拟现实三维动画模型高精度物理碰撞模拟系统;
(5)虚拟现实三维动画编辑器;
(6)虚拟现实三维动画文件发布系统。
虚拟现实三维动画开发公共服务平台所提供的主要有以下一些技术:
(1)动态环境建模技术
虚拟环境的建立是VR技术的核心内容,动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据,并根据应用的需要,利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术(有规则的环境),而更多情况则需采用非接触式的视觉建模技术,两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。
(2)实时三维图形生成技术
三维图形的生成技术已经较为成熟,而这里的关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的,至少要保证图形的刷新频率不低于15帧/秒,最好是高于30帧/秒。在不降低图形的质量和复杂程度的前提下,如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。
(3)应用系统开发工具
VR应用的关键是寻找合适的场合和对象,即如何发挥想象力和创造性。选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度,提高产品质量。为了达到这一目的,必须研究VR的开发工具。例如,VR系统开发平台、分布式VR技术等。
(4)系统集成技术
由于VR系统中包括大量的感知信息和模型,因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别与合成技术等等。
(5)基于WEB的虚拟现实应用:具有独特的压缩技术、真实的画面表现、丰富的互动功能,三维网页无需下载,只需输入网址,即可直接在互联网上浏览三维互动内容。
4 结束语
本平台的研制解决动作的制作工作量大,解决专业模型虚拟现实制作困难的技术难题。改变我国虚拟现实制作周期长。降低制作成本、制作周期及制作强度,提高视觉效果,并带动其他领域如影视、网络、设计规划行业及其它领域科技进步与发展,使更多的制作公司特别是一些中小型公司都能在短的时间内生产出高质量的作品。从技术实现上来看,采用2D/3D高效图形处理技术、VRP技术的嵌入、客户端技术、分布式计算技术、数据库技术、动态内核机制技术、网络数据加密技术等。开发出了职业教育实训系统的多媒体制作平台,实现了网络多媒体实训教学。
参考文献
[1]刘振华.虚拟现实技术在教育领域的应用研究[J].滨州职业学院学报.2006.
[2]高建华,邓亚明.虚拟现实技术在现代教学中的应用研究[J].2011.
虚拟现实与室内设计 篇8
目前在国内的康复治疗中,依旧以治疗师的手法操作为主,或辅助一些简单的训练器械,即通过被动运动、辅助运动、主动运动和抗阻运动等来达到恢复肌肉运动功能的目的[1]。由于治疗手段的局限性,导致患者处于被动地位。而且在训练过程中,动作反复、单调、枯燥,患者很容易产生厌烦情绪,不利于治疗的继续和深入[2]。
虚拟现实技术是一门新兴的人机交互技术,由计算机硬件和软件合成人工环境,使沉浸其中的用户产生视、听、触等感觉,并在三维视觉空间中获得人机交互体验,力求给用户造成与现实世界的真实环境一样的印象[3]。将虚拟现实技术应用到康复训练系统中,通过VR技术模拟现实生活中的环境,可在患者训练前、训练中和训练后对其受损部位功能进行客观的评定,并能够实时地调整训练计划和强度;另外,还可以利用计算机的优势,让患者在家中进行康复训练,治疗师进行远程指导[4];还可同时对患者进行一定的心理治疗,不断地给其正确的心理暗示和鼓励,并配以优美的音乐和图像,增加训练的乐趣,起到事半功倍的效果[1]。因此,将虚拟现实技术应用到康复治疗中,可以有效解决目前治疗手段的局限性,并且有着巨大的潜力。
1康复训练实验研究系统的设计与建立
为了改善康复治疗条件,提高患者功能障碍恢复的质量,我们在OptiTrack运动捕捉系统的基础上,架构基于数字虚拟技术的康复训练实验研究系统。通过该系统设计运动肌能康复虚拟标准人的训练动作模型,实时追踪并复现现实环境受训者姿态,给予实时训练效果评估。
康复训练实验研究系统由OptiTrack运动捕捉系统、数据转换传输通道和虚拟人标准动作模型库以及实时追踪评估软件模块组成,其康复训练实验研究系统的工作流程如图1所示。其中:① 虚拟环境中标准动作模型引导患者进行动作康复训练;② 传感器检测用户运动学信息,系统进行三维重建、实时追踪并复现现实环境受训者姿态;③ 以标准模拟人为参照模板实时反馈受训者的模仿训练效果。
1.1基于OptiTrack红外传感器运动捕捉系统
OptiTrack运动捕捉系统由6台运动捕捉相机和运动捕捉软件组成。OptiTrack动作捕捉相机V100R2通过USB同步和供电;片上预处理功能可调整Marker点的红外LED亮度和曝光强度等;其数据采集频率为100Hz。Tracking Tools软件实现数据捕捉、编辑和输出等功能,为用户提供准确的捕捉数据,并可对最终输出序列进行控制[5]。
OptiTrack动作捕捉系统利用摄像机发出红外光,由捕捉相机V100R2接收经贴在受训者身体上的Marker点反射的红外光,Tracking Tools根据用户定义的三维坐标系返回该Marker点在设定坐标系中的X、Y、Z轴数据。根据人体的运动特点和骨骼框架确定粘贴Marker点的位置[6],当Marker随着受训者身体部位运动,能被V100R2正确采集到受训者的运动学数据。为了避免Marker点越出红外摄像头的捕捉范围之外,直接导致该点检测数据出现空白,应当尽量扩大捕捉范围,防止出现错误。
1.2OptiTrack红外传感器运动捕捉系统与三维重建模型的数据实时交互
为了实现OptiTrack运动捕捉系统采集的数据能实时馈送至三维重建模块,需要为前后两个环节建立数据转换传输耦合通道。本系统通过建立NatNet客户端,实时接收OptiTrack系统发送的坐标数据,存入指定的内存区,并对每一个数据进行有效性检测,如果发现超出规定阈值的数据,则将该帧数据全部舍去;没有超出阈值的数据通过坐标换算算法转换成角度,然后保存至中间文档;供三维重建模块定时读取,构建受训者的实时姿态复原虚拟人。数据转换传输的工作流程如图2、图3所示。
OptiTrack运动捕捉系统与三维重建模块的数据耦合通讯的设置命令如下:
为了能实时读取受训者的运动角度数据,本实验采用3D Studio MAX的内置脚本语言Maxscript,调用其内部函数读取采集数据的中间文档内容。
1.3虚拟人三维重建及康复标准动作库建设
为了实现实时引导受训者并追踪受训者训练部位的姿态,本实验研究系统利用3D Studio MAX的内置脚本语言Maxscript设计了虚拟人三维重建软件模块,在康复训练中,控制标准虚拟人实时展示康复训练动作,并将受训者受训部位的运动轨迹通过受训者虚拟人复现展示于屏幕。
3D Studio MAX(简称3DS MAX)是一款集造型、渲染和制作动画于一身的三维制作软件[7]。在虚拟人三维重建软件模块中,系统调用内部程序按预设的康复动作建立标准虚拟人,并对其设置某部位关节运动的时间和角度等参数,实现向受训者展示引导的标准动作;同时调用openFile、readValue等函数读取采集数据的中间文档内容,进行三维重建,建立受训者的三维虚拟人,实时追踪并复现现实环境受训者受训部位的姿态。为了与OptiTrack运动捕捉相机的采样频率保持一致,在MAXscript设计的程序中加入timer时钟,设置10ms的定时间隔,控制每10ms读取一次中间文档的内容,以达到实时追踪并复现现实环境受训者姿态的目的。受训者在标准虚拟人的动作模型引导下进行康复动作训练,系统通过对话框的形式实时反馈受训者的模仿训练效果,康复训练系统的软件结构如图4所示。
为了形成实用可持续监控和发展的康复训练系统,帮助医护人员根据不同病人的情况调用相应的康复标准动作进行训练,我们拟逐步建立虚拟人康复标准动作库,其库结构的关系模式分别为:
康复病人训练记录(病历号,姓名,性别,年龄,康复部位,训练动作,效果评估,原始数据,备注);
康复标准动作(动作编号,动作类型,动作部位,动作角度,三维人数据,备注)。
目前具有:粗大动作——肘关节屈曲90°和精细动作——手臂旋前、旋后。
2系统实验测试与结果分析
该系统是基于OptiTrack运动捕捉系统平台进行二次开发的,由六台V100:R2红外摄像头和软件Tracking Tools组成,受训者身贴Marker点站在摄像头中间。为了减少干扰,要求实验者身穿深色的服装,如图5所示。OptiTrack动作捕捉系统利用摄像机发出的红外光,粘贴在患者身体上的Marker点对红外线进行反射,当三个以上的相机接收到该Marker点的反射,则Tracking Tools根据用户定义的三维坐标系返回该点在坐标系中的X、Y、Z轴数据。
对构建的实验研究系统,我们进行了实验测试。让4名健康受训者分别置身于OptiTrack系统的监测环境中,Tracking Tools软件读取受训者身上各Marker点的坐标数据,并通过算法处理后得到2 300时刻点的运动轨迹数据(如表1所列),系统利用自行开发的数据实时转换传输通道将它们传输到虚拟人三维重建模块中进行三维重建,建立受训者的三维虚拟人,实时追踪并复现现实环境受训者的姿态,如图6所示。
对表1的4组受训者运动轨迹数据,利用Excel电子表格软件的数据分析功能和统计函数,分别计算他们每时刻点的均值、标准差与方差,并对2 500时刻点的标准差和方差进行描述性统计分析;同时将2 500时刻点的4组运动轨迹数据的均值与标准模型人的标准动作轨迹数据进行相关系数分析,得到表2的结果。从表2和表3的统计结果可知,① 4名健康受训者的2 500个时刻点方差的均值为0.009 457,其方差的方差值为0.000 323,说明轨迹数据离散度很小,表明系统检测环节所检测的轨迹重合度高;② 测试者运动轨迹均值数据与标准动作数据的相关系数为0.985,表明两者的跟随度高。
某例受训者动作实测轨迹与标准人动作轨迹的实验结果记录如图7所示。在图7(a)中虚点填充线条是标准动作的数据曲线,反映了肘关节从0°—90°—0°的肘关节屈伸动作过程,中间横线部分是表示手臂进行旋前和旋后动作的时间段,进行手臂旋后—旋前—旋后—旋前运动的曲线见图7(b);实线条是实时捕捉的受训者跟随标准虚拟人运动的曲线。从图中可知,受训者的实时运动轨迹基本与标准动作数据曲线保持一致,即两者的运动轨迹有极高的吻合度,表明本系统具备实用性。
3结语
将虚拟现实技术应用到康复训练系统中,可开发出集康复训练、心理治疗为一体的康复医疗器械。开发与日常生活环境息息相关的虚拟康复训练平台有助于改善现有的患者康复医疗单调枯燥的状况,使患者借助于虚拟环境产生一种身临其境的感觉,将会提高患者参与康复医疗的积极性。另外,目前专业康复医护人员与患者数量不相匹配的状况较为严重,因而基于虚拟现实的康复医疗器械的研制,在为患者提供一种有效的康复工具的同时,也将缓解专业康复医护人员数量不足的矛盾,使更多的患者受益[8]。
未来,在康复训练系统中引入数据库技术,通过与临床医生合作,可以按不同类型疾病的康复需求持续开发有针对性的各类肢体和大脑神经康复的标准虚拟人训练动作,同时建立和完善康复标准动作库,为支撑临床医生进行个体康复训练方案设计和实时追踪评估实施提供软件基础。
摘要：已有的一系列研究表明,在数字虚拟环境中引导患者进行运动机能的康复训练,可以使趣味性与视觉和听觉刺激联合作用于患者,提高康复训练的效果。主要介绍基于OptiTrack运动捕捉系统平台,通过自行开发的数据转换传输通道,将实时捕获的受训者的三维坐标数据传送给3D Studio MAX进行三维重建,初步实现真实环境的对象与其在虚拟空间的三维模型实时同步,实现两者在信息上的实时交互和反馈。在此基础上,组建了基于数字虚拟技术的康复训练实验研究系统,开发了虚拟模型人的两个康复训练动作:肘关节屈曲90°的粗大动作、手臂旋前和旋后的精细动作。经实验验证,该实验研究系统针对上述两个训练动作,可以实施引导受训者进行训练,同时实时追踪受训者,并给予受训效果评估。
关键词：虚拟现实,康复训练,运动捕捉系统,三维重建
参考文献
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[3]周柳,王英华,刘强,等.虚拟现实技术在运动康复中的应用[J].中国组织工程研究与临床康复,2007,11(5):957-960.
[4]Jaffe D L,Brown D A,Pierson-Carey C D,et al.Stepping over obsta-cles to improve walking in individuals with post stroke hemiplegia[J].JRRD,2004,41(3A):283-292.
[5]百度百科.OptiTrack[EB/OL].(2012-05-01).http://baike.baidu.com/view/6935824.htm.
[6]苏惠童.运动捕捉标记点摆放方案基本原理及运用[J].影视技术,2005(10):13-16.
[7]百度百科.3D Studio MAX[EB/OL](2012-05-01).http://baike.baidu.com/view/17839.htm.
虚拟现实与室内设计 篇9
在全国第二次残疾人普查的数据显示出, 我国拥有残疾人8300万, 大约占全国人口总比例的7%, 这其中包括已经就业的人数达到23700万。但其中有近860万的残疾人有就业的能力。
在调查中同时指出, 残疾人大多数从事农业、牧业、水利业的相对技能单一的部门中, 约占总就业人数的58%。还有一部分从事生产、服务有关的工作, 约占总就业人数的30%, 国家机关单位以及政府工作人员占12%。”
(1) 残疾人的情况不同使他们在某方面工作要受其限制。具有来说, 例如在视力方面欠缺残疾的人不能从事这方面的工作, 在肢体方面欠缺的残疾人基本不能从事强体力的工作等。这些因素极大制约了残疾人在某一领域的就业, 因此残疾人要回避此项工作。
(2) 稳定性较差是残疾人就业面临的现状之一。残疾人大多数受教育程度较低, 因此从事的工作相对不稳定并且较为单调。例如, 盲人大多数工作在保健按摩、汽车保养的行业中, 而在这领域中, 正常人也从事保健按摩、汽车保养, 竞争相对激烈, 使得本来只拥有一项本领的他们, 工作机遇更小、压力更大。
(3) 就业形势的严峻情况, 让残疾人在就业中不占据任何优势。我国现在的市场形式是快速发展, 经济形式多样化。企业与企业之间竞争激烈, 从而使就业结构发生转变, 这些因素对残疾人的就业更为不利。
(4) 残疾人就业需给予更多的关心与帮助。残疾人是特殊的群体, 社会应给予他们更多的支持与关心, 使他们更好克服社会带来的困难, 减轻外界带来的心理压力, 为就业创造良好的条件。
2. 残疾人的就业政策需要完善
2.1 提高残疾人受教育的水平
残疾人由于家庭因素及心理元素的原因, 导致很少接触到更好、更高的教育。在全国第二次残疾人普查的数据显示出:“8岁以上的未接受过教育的占47%, 接近一半的残疾人不认识字, 近半数残疾人受教育水平集中在小学和初中。”提升残疾人就业能力的就要保障残疾人受教育权, 让残疾人享受教育公平, 同时要帮助残疾人提高科学文化素质, 实现在就业面前的人人平等。
2.2 为残疾人提供集中的就业新渠道
提供残疾人集中就业的新渠道, 不妨可以效仿国外的政策。关于国外鼓励残疾人就业提出政策是“专产专营”, 意思是说在某一领域只允许残疾人做, 正常人不能与残疾人竞争并从事相关职业, 这样能很好地保证残疾人的权利。让他们放心的在单位就职, 没有人与之竞争。例如, 在波兰、荷兰等的发达国家中, 为使残疾人的就业更有保障, 专门让残疾人垄断生产些日用品, 并且其他企业不得参与竞争生产, 如家用的灯泡、交通岗的信号灯、各式各样的手套等。这样残疾人就业面临的困境不仅解决了, 而且更是从本质上保证了残疾人的劳动权利, 这些经验值得我们国家去效仿、借鉴, 刚开始可以从某一领域开始, 后来在慢慢扩大。
2.3 建立一体化的残疾人就业信息系统
建立残疾人就业的信息系统可为残疾人提供更为合适的就业岗位, 更好的帮助残疾人, 理解残疾人。但由于残疾人就业系统数据的不全面, 相关数据匮乏, 导致了系统不完善, 因此必须要改善现有系统的状况, 切切实实地帮助残疾人就业。残疾人就业系统的建立, 其中关键的一点是重视残疾人的详细调查, 详细的调查对于系统的建立相当关键。并要确保残疾人的个人相关信息是最及时、最新的。其次更为重要的一点是为残疾人就业提供相关信息化服务的, 形成资源共享, 信息交换的工作形式。让各地区、各地方之间实现就业的信息共享的模式, 为残疾人就业提供便利的条件。同时应建立多种残疾人的职业技能培训, 帮助残疾人获得具有优势的一技之长, 就业信息资源要及时录入, 使职业培训的知识技能与劳务市场提供的信息紧密相连。这样极大的方便了残疾人查询就业信息及职业培训等。
3. 虚拟现实技术在残疾人就业系统的设计
为了实现一体化的残疾人就业信息系统, 从虚拟现实技术的角度出发我们建立一个残疾人就业系统。
3.1 残疾人就业系统平台建设目标
建立残疾人就业系统, 应依据残疾人的相关实际情况, 充分利用现有的资源优势, 运用现代科技手段, 将残疾人就业搞上去, 平台的建设尤其重要, 着眼于平台的发展, 探索出更为宽阔的就业平台, 让就业平台真正意义实现帮助残疾人、扶持残疾人。努力突出系统平台的优越性、使更好的帮助残疾人就业, 让他们感觉到政府在关心、企业在帮助, 这样他们工作下去更有动力。
3.2 残疾人就业系统平台设计构想
良好的系统设计时不仅要符合当前的趋势, 又要符合未来的发展要求。而且要从客户使用方便的角度来考虑, 建立便捷的系统;同时要根据管理员的角度来考虑, 使系统的操作更容易、编辑更简单、研发的经费更为合理。由此可见, 系统设计对系统的实现是起到至关重要的作用。
3.2.1 残疾人就业系统的结构
采用客户端、网站服务器、核心数据库的三部分结构, 是因为目前多数系统运用虚拟现实技术, 同时来说是计算机设计系统的趋势。
图2—1所示, 根据网站服务器的结构图, 该结构既可以很好地处理繁杂的问题, 又可以保证系统的安全性、实用性。实现与互联网真正的融合, 使系统的优势最大化。每层结构如下:
(1) 方便用户操作的客户层。给用户提供良好的界面。求职者通过用户界面录入、处理各种信息, 上面提供自己合适的岗位, 找到相应的职位申报。
(2) 网站得以运行的中间层。包含了两个部分如图所示。中间层是网站得以实现的核心。其中接受客户端浏览器的请求, 并完成对其请求的处理, 并通过应用服务器与数据库实现信息交换, 将处理的结果并在表示层显示给用户。
(3) 管理员编辑信息的数据库。该层主要是接收中间层的请求命令, 并提供残疾人就业信息资源。数据库并不是与客户保持直接的联系, 而是通过中间层中的请求和语言编辑实施数据交换。这样使应用服务器与网络服务器的功能充分展现, 资源配置实现最优化。
3.2.2 残疾人就业系统遵循的原则
一般的虚拟现实技术系统应遵循以下原则。
(1) 安全性
系统加强安全性的方面有:数据库、操作系统、网络调试器, 加强其安全性是为了防止病毒、木马等对系统的入侵。
(2) 实用性
系统设计出为残疾人浏览信息提供较好的观赏界面, 通过与他们进行充分沟通后, 了解其要选择的工作、工作性质、具体内容等。使用户浏览信息更加方便。
(3) 结构稳定性
合理的开发周期对于软件至关重要, 同时运用迭代模型技术进行研发, 在研发过程中, 不断验证软件的各项功能, 使系统趋于稳定。
(4) 可扩展性
系统设计要考虑到未来发展的需要, 要尽可能设计简单、操作容易;同时要考虑增加用户对系统的模块之间应留有空间, 各个功能模块间的耦合度教小, 便于系统的扩展。如果存在旧有的数据库系统, 则要充分考虑系统兼容性。
3.3 残疾人就业系统硬件与软件的实施
3.3.1 残疾人就业系统硬件实施
由于残疾人就业系统采用的是网站服务器结构, 其硬件结构实施设计与一般网站没有什么区别, 分别有:网络服务器、接口插头、主板调试等。硬件的实施, 保障充分利用资源的前提下, 通过网络方式使残疾人求职员的电脑用户界面, 直接访问服务器, 进行数据的填报, 职位的查询信息等。
3.3.2 残疾人就业系统软件模块结构
系统的数据层软件模块的结构如下:
(1) 网站中心服务器
残疾人就业系统, 后台数据库。
(2) 就业事项和用户界面的结构:
用户界面的设计和残疾人就业事项内容不需要相关的软件, 用户登录网站后注册信息便可使用。注册后的用户信息都存储在数据库中。
4. 总结
残疾人是社会的特殊群体, 受到自身条件和社会环境的制约, 生活就业压力大。就业意味着帮助残疾人提高生活质量, 实现人生的价值。残疾人就业要以政府为主导、社会各界力量的大力帮助与扶持, 缓解残疾人的就业压力。政府与网站机构应建立良好的合作, 并由网站部门设计出残疾人就业系统, 使残疾人找工作更便捷。
虚拟现实技术的提出, 为残疾人朋友创造出良好的就业平台, 开阔了的视野, 让残疾人真正找到适合的工作, 实现人生理想, 为此不在让他们感到, 有本领却找不到合适工作的窘境。当前虚拟现实技术发展十分迅速, 相信一定能为残疾人就业做出巨大的贡献。残疾人是社会的弱势群体, 就业是残疾人拥有的基本权利。帮助残疾人就业, 是维护社会秩序的稳定发展。残疾人就业应以政府为主导, 建立起残疾人就业保障政策, 设计网站的部门及时做好系统的更新, 这其中还需政府更多的承担残疾人就业的责任, 充分发挥其组织的重要作用, 这样设计网站的部门也会更有信心, 真正意义地实现解决残疾人就业难的问题。
摘要：近年来, 残疾人事业在我国的发展取得了历史性的成就, 通过就业残疾人参与社会的程度有了很大提高。但是残疾人由于底子薄、学历低、起点低, 当前就业还面临着诸多困难。全国残疾人在2009年监测数据表明, 数据中有超过一半的残疾人有能力但未就业, 以及达到就业水平的人并没有就业。残疾人就业需要政府、社会等多方面的支持, 因此对我国目前状况的来说, 专门针对残疾人建立就业系统具有现实及重要意义。使他们找到合适的工作, 从而真正能达到实现残疾人就业、融入社会的目标。
关键词：残疾人,就业,系统设计
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虚拟现实与室内设计 篇10
目前，互联网上的图形仍以2D图形为主流，但是，随着互联网的内容提供商和商业网站不断使用新的工具与技术使网站更具吸引力，一种交互式3D图形技术，即WEB3D正在取得新的进展，基于WEB3D的虚拟现实技术也被广泛地应用于网络三维产品的交互与展示、电脑游戏、模拟训练等。有教育教学中，采用WEB3D技术，我们也可以实现网上的虚拟三维零件的展示和虚拟实验等功能，如同身临其境，使学生不用去实验室就到看到各种各样的零件，乃至可以在网上进行虚拟实验。
1 三维显示实现技术的选择
随着计算机技术和网络技术的快速发展，网络三维化必将成为今后网络多媒体的主流发展方向，现在的三维显示技术也很多，这些三维技术在实现的技术、使用的语言心脏的适用的情况上也各有不同，主要的技术就是OpenGL、Direct3D和Java 3D。
OpenGL是业界最为流行也是支持最为广泛的一个底层3D技术，几乎所有的显示的厂商都在底层实现了对OpenGL的支持和优化。Direct3D是Microsoft公司推出的三维图形编程API，它主要应用于三维游戏的编程，众多优秀的三维游戏都是由这个接口来实现的。不过对于一个非计算机专业的人员来说，利用OpenGL、Direct3D编写复杂的三维应用程序几乎是可能的，且不说C(C++)语言难以入门，非常繁锁的编程过程令每个人感到头疼，对OpenGL、Direct3D是编程高手发挥才能的最佳之选，对于非专业人士，Java 3D可能是比较好的选择。
Java 3D适用于网络环境跨平台的三维图形开发工具包，是Java2 JDK的标准扩展，Java的最大特点在于它的平台无关性，这使其特别适合于互联网环境下编写应用程序。Java3D属于面向对象的语言，Java 3D封装了流行的3D开发工具OpenGL和DirectX，提高了编写三维图形程序的层次，编程时不再需要考虑光照、着色、碰撞等极其复杂的图形学问题，编写Java 3D程序时，大多数情况下只需找到所需的类加以应用，相对于OpenGL和DirectX,Java 3D更容易牚握，编程效率更高[2]。
2 基于虚拟现实的三维产品交互展示网站的设计与实现
开发基于虚拟现实的三维产品交互展示网站时，我们可以采用JSP技术，服务器软件用Tomcat，并且在网页中嵌入Java Applet，采用SQL Server 2000为网站的后台的数据库管理系统，三维产品的展示和交互采用Java 3D技术。
2.1 Java 3D的三维显示技术
Java 3D是Java语言在三维领域的扩展，包含了一系统标准的类供Java编程者对形体、动画和交互进行控制，同时对渲染和输入设备等很多方面进行控制。使用Java 3D API，开发人员能够方便地在基于Java的应用程序和小应用程序中集成高质量、可伸缩、平台无关的三维图形。
Java 3D是从OpenGL的基础上发展起来的，因此其数据结构也和OpenGL一样，是采用场景图的数据结构，但是Java 3D为了易于实时处理以及特殊三维效果显示的需要，根据Java语言编程的特点，又增加了一些新的内容。Java 3D的场景图是DAG图(Directed_acyclic Graph)，具有方向的不对称性，类似于一颗大树，一个典型的Java 3D场景如图1所示。
在Java 3D场景图中，最底层(根部)的节点是Virtual Universe，每一个场景只的一个Virtual Universe，其就好象一个大树的树根。Virtual Universe的下面是Locale节点，每个程序可以有一个或多个Locale，但是在同一时间只能有一个Locale处于显示状态。一个Locale对象我们可以理解成是一个原始的坐标系，这个坐标系的所有对象都是这个Locale的子节点，其相对位置就是该Locale对象的引用点。每一个Locale下面拥有一个或多个BranchGroup节点，BranchGroup对象是子场景图的根结点，根据内容的不同，可以分为二类：一类是内容子图，包含虚拟场景的内容对象(如几何特性、外观、行为、位置、声音、光源等);另一类是视野子图，包含虚拟场景中Viewplatform对象，其定义了观察者的位置、方向等。
2.2 三维产品交互展示网站的实现
2.2.1 产品三维模型的创建和导入
我们可以直接调用Java 3D提供有Utility里面的Geometry Classes来生成基本几何体，目前主要有Box、ColorCube、Cone、Sphere、Cylinder可以调用，这些基本体只提供形状，而没有指定头颜色，这就给我们提供了更多的灵活性，我们可以使用不同的Appear-ance节点组件的引用而形成各种不同的形体，这种方法可以满足基本形状三维可视化的需要，但是我们在开发三维产品交互展示网站时，产品的三维模型往往是很复杂的，想通过产品的三维模型来构造复杂的几何形体，其困难和难度是可想而知的，那么如何要通过程序来构造复杂的几何图形怎么办呢?Java 3D提供了一组可以用来导入一些常用3D图形的接口。我们可以用强大的建模工具如ProE、3DMax等来建模，然后再把这些模型的数据格式通过接口转化为Java 3D可以识别的数据结构。进而提高Java 3D程序的编程效率。
3DMax是Autodesk公司的产品，国内使用比较普遍，其建模和动画的功能都比较优异，生成的3DS格式图形众多，这就为Java3D应用程序提供了很好的图形资源，所以我们一般采用Java 3D和3DMax协同工作来完成产品模型的创建，这种方法直观可视，并且还可以给模型赋予材质和贴图，这样就不用在Java 3D来编程设置，既减少了工作量，又降低了难度。模型建好后，就可以利用Loader将建好的模型倒入到场景中。Java 3D和3DMax共同支持的文件格式有obj、3ds、wrl三种，3ds文件不易控制，在导入3D图形的时候经常会遇到由于3D图形文件中3D物体大小、位置的不合适导致程序的观察效果很差，需要在程序中动态调整物体的大小和位置。Obj文件不包含材质信息，使用obj文件时要附带相关贴图文件，这样就容易造成信息的丢失，造成可视化的不正确。Wrl是VRML97的图形文件，wrl文件数据信息完整，文件的大小远小于obj文件，且用VRML进行了优化，最终选择了wrl文件作为模型文件。SUN公司为我们提供了一个VRML97的Loader，我们在其网站上下载Vrml.jar文件，并将拷贝到相应的JRE目录下，这样在Java 3D利用它，就可以方便地调入wrl文件。调用程序的主体部分如下：
2.2.2 与用户的交互的实现
我们刚才构造的模型放在网页上是一幅幅静止的3D场景，要想使网页更生动有趣、引人入胜，我们还必须加入交互。在Java3D中，交互是指程序的输出根据用户的行为而产生预期的变化，我们可以通过Behavior类来实现。
Behavior它在Java 3D中所描述的就是3D场景在程序运行时的行为，Behavior类是一个抽象类，它定义了所有Behavior对象的公共属性，Behavior类的运行机制是这样的：程序运行的时候，向场景中安装特定的Behavior对象，该对象只接收特定的激励(比如键盘、鼠标、定时器等);然后对这一激励作出反应(比如改变物体的位置、颜色以及观察者的视角等)。Java 3D提供的Behavior方面的Utility有四组：1、interpolators(用于生成物体的曲线运动);2、keyboard(用于处理键盘输入的内容);3、mouse(用于处理对坐标变换的控制);4、picking(用于处理对象的点击拾取)。在网站中，我们一般都是鼠标来进行交互，这种交互由MouseBehavior类来完成，MouseBehavior类的对象有三个：MouseRotate、MouseZoom和MouseTranslate，通过相应的鼠标输入，完成三维模型的旋转、缩放和平移。步骤一般是先创造目标TransformGroup对象，并允许其有读写能力，然后是创建MouseBehavior对象，并设置MouseBehavior对象的目标控制是TransformGroup对象以及MouseBehavior对象的作用范围，最后将MouseBehavior对象添加到场景中。鼠标实现场景旋转的程序的主要代码如下：
2.2.3 在网上发布Java 3D程序
用Java 3D编写的程序可以作为Applet程序嵌入到HTML中运行，由于Java 3D是对Java的扩展，Applet嵌入HTML时需要作一个特殊转换，变成以
再进行转换，这个转换由Sun提供的HTMLConverter工具来完成。当这个HTML页面被浏览的时候，会自动检查客户端是否具有Java和Java 3D的运行环境。如果该环境未安装，将自动从指定的网站下载并安装。这就解决了可视化环境的安装问题[3]。
3 结束语
本文详细地描述了一种基于虚拟现实的三维产品交互展示网站的设计与实现，Java 3D作为Java的三维图形API，它继承了Java语言的优点，具有可交互性、支持多媒体、健壮性、安全性和可移植等特征，适用于开发基于网络的虚拟场景，在未来的网络三维虚拟现实的开发与应用中Java 3D技术将会越来越重要。
摘要：Java 3D是一种基于场景结构图的新一代三维图形API,继承了Java语言的优点,同时具有交互性、支持多媒体和节省网络带宽等优点,具有很好的应用空间。鉴于此,在研究Java 3D构建交互式三维虚拟场景的过程、方法和相关技术的基础上,我们以网络技术和数据库技术为支持,以Java 3D为构建平台,采用JSP技术开发了一个基于虚拟现实的三维产品交互展示网站,取得了良好的效果。
关键词：虚拟现实,Web3D,Java3D,OpenGL,Direct3D
参考文献
[1]汤跃明.虚拟现实技术在教育中的应用[M].北京:科学出版社,2007:69.
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虚拟现实与室内设计 篇11
1.讲述：一天清晨，一位信徒朝山进香……他走路的速度有快有慢，走到少林寺，太阳恰好下山了……几天后信徒又循原路下山，也是从清早出发，在太阳下山时回到了原来的出发地。
2.启发：听完了故事，你有什么想法？是不是觉得这个故事很平常？不过研究数学的人，总是能从平常中发现一些不平常。当我再次用数学的眼光去审视它时，竟意外地发现了一个有趣的问题：在这段山路中是否有一个地点，恰好是这位信徒在一来一回的过程中，在一天的同一时刻分别经过那里的？
【设计意图】课始，用学生所喜闻乐见的“讲故事”的形式，诱发学生从看似平常的现象中发现一些值得研究的数学问题。尽管可能一开始有一些学生会觉得挺“纳闷”，少部分学生会隐约感觉到有那么点想法，可一时还提炼不出问题，但在教师的暗示、启发下，问题终于“浮出水面”，这样的体验对于培养学生发现问题、提出问题的能力是大有裨益的。
二、方法渗透
1.设疑。师：你们能用已有的知识和经验来回答这个问题吗？大家相互讨论。如有疑惑，不妨说出来，我们一起来想想解决的办法。
2.渗透。师：听了大家的发言，老师有几点想法跟大家交流一下。第一，并不是所有的问题都需要通过数据说话，有时也可以通过说理、证明来解决问题；第二，信徒上山、下山不在同一天，是否可以假设有两个人同时在一天的清晨出发，一个上山，一个下山，那他们一定会在途中怎样？
3.对话交流。把那位信徒几天前上山所走的路线看作——（他自己的），把他几天后下山的路线想象成——（另一个人的），这样一来，一个人上山，一个人下山，又只有一条山路，因此他们必然会在一天的同一时刻——在同一个地方相遇。
4.揭示课题。一个看似十分困难、无从下手的问题，在丰富想象力的作用下，就这么轻易地解决了。我们把这种特殊的思维方法叫做“虚拟法”。“虚拟法”就是在分析或解决问题时，有时根据需要，虚拟出一个对象，从而实现由条件向结论转化的思维方法。
5.回顾反思。其实在以往的学习中，我们已经不自觉地应用过这种数学方法。出示问题：（1）计算：1+2+4+8+16+…+512；（2）“分羊遗嘱”问题。大家回想一下，当初我们是怎样解决这些问题的？
6.组织交流。谁来说一说那位聪明的老牧人是怎样分羊的呢？
【设计意图】从故事中“剥离”出的数学问题，学生一开始可能会感觉“无从下手”，在教师的启发诱导下以及同伴间的对话交流、思考探究中，学生逐步领会了一种独特的数学方法。回顾反思中“分羊遗嘱”故事的及时跟进，成功地唤起了学生已有的数学学习经验。新的数学方法由于有了原先知识经验的支撑，更易融入学生的认知系统之中。
三、综合应用
1.方法选择。下面几个问题，适合采用哪种数学思维方法？
问题一：“浮萍问题”——一种浮萍，一天长一倍，10天正好长满整个池面。几天长了池面的四分之一？
问题二：“计算问题”——11111111×11111111
问题三：“扶梯问题”——商场中顾客乘自动扶梯上楼，人站在扶梯上不动，1分钟可到达楼上；若扶梯不动，人沿扶梯走上去需要2分钟。当你沿运动的扶梯走到楼上需要多少秒？
2.思路点睛。先来看哪一题？适合用哪种方法？为什么？
3.问题聚焦。在自动扶梯上行走，打个比方，就好像在顺风的条件下奔跑，在顺水的情况下行驶。如果把楼下到楼上的一段距离看作“1”，那么自动扶梯的速度可以怎样表示？人行走的速度呢？把它想象成一艘轮船顺水行驶，怎样求所需的时间呢？
【设计意图】数学策略、方法的教学一般分陈述性知识、程序性知识、元认知等三个阶段。让学生知道在什么情况下使用某一策略、方法，并主动运用和监控这一策略和方法的使用，这就达到了元认知阶段。只有达到这一阶段的策略和方法才具有广泛的可迁移性。
四、课后延伸
1.故事拓展。讲述于振善“称地图”的故事。（略）
2.感悟提升。听了这个故事，大家有什么感想？从中受到了哪些启发？
【设计意图】课前用故事引入，意在让学生从平常中发现数学问题，从而培养学生发现问题、提出问题的意识；课末用故事延伸，旨在让学生领悟故事中所蕴含的数学思想方法。把数学知识、概念、思想方法等融入故事中，更易被学生所接受。整堂课以一种特定的数学思想方法为主线，巧妙地将几则数学故事有机地串联了起来，既充分彰显了数学课堂所特有的智慧特性，又散发着浓浓的人文气息。
（作者单位：江苏省南通市通州区实验小学）
责任编辑 周瑜芽
虚拟现实与室内设计 篇12
关键词：虚拟现实技术,仿真技术,腹腔镜,临床教学
0 引言
虚拟现实技术是利用计算机生成一种模拟环境, 通过多种传感设备使用户沉浸在该环境中, 实现用户与该环境自然交互的技术[1,2]。基于虚拟现实技术的手术仿真训练要实现虚拟产生多层次、多形态、相联关系复杂的三维虚拟人体组织, 具有很强的人机交互性, 要求定位和反馈精确度高。本文介绍了利用虚拟技术设计的腹腔镜模拟培训装置, 用于临床教学和培训环节, 取得了明显的效果。
1 虚拟医学手术教学应用概述
虚拟医学手术仿真训练是与医学相关的虚拟技术中难度较大的一种。在手术训练领域较前沿的是美国波士顿力学研究中心, 他们采用的方法是利用偏振眼镜观看场景、虚拟手术器械模拟操作[3]。国内研究工作主要集中在对医学图像的三维重建及其可视化等基础技术方面, 在计算机图形学的医学图像三维可视化算法方面取得了重大突破[4]。2000年, 华中科技大学开始构建“虚拟人”, 在人体器官虚拟建模方面取得了很大进步, 实现了医学模型360°旋转和任意倍数的缩放, 还可以自由观察模型的内部结构等[5,6]。
我院通过将原有的医学影像图片、物体由二维图像转化为具有真实立体感的三维空间模型, 有效地解决了医学模型不能旋转和缩放的瓶颈问题。通过利用虚拟现实技术提供的三维模型, 操作者可以观察到医学模型的立体全貌。当移动物体时, 物体能依据一定的自然规律做相应的动作和位置变化, 真正地具备了事物本身的生理属性, 让操作者得到身临其境的真实感。
2 虚拟腹腔镜培训模拟器设计
以电子腔镜手术的器械实物模型为依据, 配合计算机多媒体技术和先进的图形三维重建算法, 利用虚拟现实技术构建模拟训练装置。通过三维重建技术构建了虚拟人体腹腔的立体模型, 训练操作者的一些腹腔镜操作基本技术而非整个手术过程。为了使模拟器下的操作更加接近临床实际手术, 我们设计了一些手术训练模型, 如肝脏模型、阑尾切除模型、腹腔模型等。操作者可以在这些模型上完成相应手术, 并很快适应和掌握这些手术。
2.1 模型的设计与制作
制作1∶1的模拟人体腹部外观的训练操作装置。按手术操作习惯, 在模拟人体腹腔上预留穿刺锥 (Trocar) 及摄影器械部位。内部采用塑料框架, 外部覆盖一层仿人皮硅胶, 其目的在于使操作者无法直接观察到操作。在装置的内部安装一个可以转向的LED光源, 该光源可自由调节, 照射不同的手术野。视屏数据采用网线的模式与计算机相连, 通过视频采集软件以影像的形式呈现在屏幕上。同时, 利用Kinect体感跟踪装置, 进行姿态动作红外模拟定位。操作者自预留的穿刺孔插入腹腔镜手术器械, 并可通过观看屏幕完成相关手术技术的训练及操作 (如图1所示) 。
2.2 三维仿真建模
2.2.1 建立腹腔的三维模型
通过Virtools 5.0软件, 对人体的腹腔模型进行重建, 采集相关的CT、MRI、DSA等数据进行重建, 模型三维化后, 植入开发的操作平台系统软件中, 如图2所示。
2.2.2 设计手术器械的操作环境和相关模型
根据手术的要求和特点, 对手术器械进行三维模型的建立, 经过贴图后形成真实的可操作器械模型, 然后通过专门的力反馈设备进行运动特征定义, 使之与实际的操作器械运动位置联动, 形成逼真的操作感受。当操作者在进行腹腔镜模拟手术时, 可以实时观察到虚拟手术腹腔模型的变化和真实手术效果, 如图3所示。
2.3 基本手术操作模型的设计
腹腔镜外科手术与传统外科手术最大的区别就是通过特殊器械经腹壁孔道间接地处理病灶, 术者必须通过观看二维的显示屏来指导操作[5]。操作者无法直观地看到手术的部位, 手也无法触及。为了让操作者通过训练适应屏幕及熟练地用腹腔镜手术器械来完成传统手术操作, 我们设计了一系列的操作模型来评价和评分, 如橘子剥皮操作模型、充水指套手术模型、小型实验动物模型、离体猪肠缝合模型、人体肝脏模型等[3]。一般腹腔镜手术模拟训练是一些简单且乏味的缝合、结扎、切开操作, 容易使操作者丧失学习兴趣。我们通过手术训练模型加上体感互动的力反馈装置, 很容易增加操作的趣味性及可评估性, 使得操作者不知不觉熟悉了各种常用手术操作。
2.4 腹腔镜操作训练
腹腔镜器械多为直线型, 而打结等操作需要不断弯曲操作, 由于在平面的显示屏幕上只能看到模拟腹腔内器官的平面影像, 看不到立体影像, 难以判断纵向深度, 定位困难。我们通过在虚拟现实软件系统中建立一些模拟环境, 连接上力反馈设备, 完成各种打结方法, 如单结、方结、外科结等, 更直观地反映其操作过程, 且具有真实的手感, 并由考评专家系统对其操作进行评估。
3 临床应用结果
3.1 培训形式和方法
培训授课采用桌面计算机工作站操作, 在平时的教师授课中, 多采用桌面计算机工作站操作, 用桌面虚拟现实沉浸体验来进行互动教学。对于手术预演、远程手术教学, 采用医学专家会议厅多媒体演示, 可以更好地实时互动, 操作起来一目了然, 增加了与专家互动的机会和途径。
由于采用了网络云技术, 大量的信息数据存储于医学院自建私有的云里, 可以实现高速的存储和分析。对于三维数据的计算和实现, 云存储缩短了系统的响应时间, 同时满足了大量受训人员使用软件系统的需求, 并且解决了培训地点和时间的差异问题[3,4], 可以满足足够多的用户在不同的时间和不同的实验场地并行使用软件的数据库和进行其他操作。手术培训教师在培训时通过云技术网络系统, 对所在班级的受训者进行全程实时监控, 可以在同一时间进行屏幕多分屏显示, 进入任何一个操作窗口都可看到学员操作的实际情况, 还能通过网络实时语音操作界面, 对学员操作进行解说和提示。与此同时, 学员每次在模拟器上的操作情况和成绩都被记录在系统后台数据库中, 便于教师分析和查阅。
3.2 虚拟系统培训效果
选择2010—2012年3 a参加培训的医师, 随机分为2组, 每组各60名。实验组使用虚拟培训系统, 对照组使用传统手术教学。2组操作考核成绩有显著差异 (P<0.05) , 见表1。
4 讨论和结论
(1) 虚拟手术操作可以使被训练者沉浸于构建好的虚拟场景中, 达到身临其境的感觉。不仅具有视、听、触觉感知, 而且具有真实的手感以及零风险、多重复性、自动指导等优点, 迅速高效地提高学习者的手术及其他操作的技能。腹腔镜训练模拟器使了解和学习各种手术实际操作成为了可能。
(2) 对腹腔镜手术设备投入成本也应该加以控制, 让其物尽其用[3]。设计这种简易训练模型成本低廉、制作简便、模拟逼真, 能较好地训练医学生掌握腹腔镜手术的基本技能[4]。
(3) 腹腔镜手术模拟训练器的设计与应用中加入了对学生的综合评价, 提高了其教学评价功能的深层次发展和全面评估[2,5], 为对受训医生进行评分评价考核, 为医学院和教学医院的医学专家培训, 既提供了教学指南, 又提供了集培训者和受训者双方质量考核于一体的一系列综合评估管理系统。该系统为我院的手术教学工作提供了重要的途径和手段, 满足了医院微创手术的人才培养需求, 进一步为医疗事业的发展服务。
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