IVR专业虚拟现实技术展:起始篇[多图]  




这个展览于日本当地时间7月3日开幕，将会一直持续到7月5日。这些产品包括虚拟现实系统以及3维扫描仪。




这是虚拟鼠标，通过移动手指，安装在两头的相机能够摄取移动的方式，最后转换成鼠标的运动，除了普通的上下左右，还能够进行深度操作，可以用这个体会一下直升机的操作。

IVR专业虚拟现实技术展:模拟篇[多图]  







佳能的MR（MixedReality）系统能够将从相机中看到的场景与虚拟的实时生成的物体结合起来，当摇动颈部的时候，实时生成的物体将会随着角度的变化而变化。




这是SGI展示的MR系统，图中的Suggeti汽车是实时生成的。











这个是模拟现实汽车的系统，会根据数据的不同生成不同的状况，包括汽车颠簸，如同真的一样，这个构思来源于PS2上的一个游戏。这个设备折合人民币10万元。

IVR专业虚拟现实技术展:运动篇[多图]  

运动捕捉系统







IVR专业虚拟现实技术展:飞行篇[多图]  




3D地图系统，从飞机上用激光扫描建筑物，误差只有15CM，展示中的建筑物全都为实时生成，模型的样子是通过实间截取的，这些数据是通过无线电传输给计算机的，在展示中还使用了雾化效果。




这是模拟战斗机座舱的情况，这个系统甚至准备用在即将服役的F-22战斗机上.

虚拟现实技术1



　　虚拟与现实两词具有相互矛盾的含义，把这两个词放在一起，似乎没有意义，但是科学技术的发展却赋予了它新的含义。虚拟现实的明确定义不太好说，按最早提出虚拟现实概念的学者J.Laniar的说法，虚拟现实，又称假想现实，意味着“用电子计算机合成的人工世界”。从此可以清楚地看到，这个领域与计算机有着不可分离的密切关系，信息科学是合成虚拟现实的基本前提。

　　生成虚拟现实需要解决以下三个主要问题：
　　①以假乱真的存在技术。即，怎样合成对观察者的感官器官来说与实际存在相一致的输入信息，也就是如何可以产生与现实环境一样的视觉，触觉，嗅觉等。
　　②相互作用。观察者怎样积极和能动地操作虚拟现实，以实现不同的视点景象和更高层次的感觉信息。实际上也就是怎么可以看得更像，听得更真等等。
　　③自律性现实。感觉者如何在不意识到自己动作、行为的条件下得到栩栩如生的现实感。

　　为了成功地开发这三大技术，虚拟现实必须处理好如下图所示的各个要素之间的相互关系。在这里，观察者、传感器、计算机仿真系统与显示系统构成了一个相互作用的闭环流程。





　　今天，虚拟现实已经发展成一门涉及计算机图形学、精密传感机构、人机接口及实时图像处理等领域的综合性学科。虚拟现实技术分虚拟实景（境）技术（如虚拟游览故宫博物馆）与虚拟虚景（境）技术（如虚拟现实环境生成、虚拟设计的波音777飞机等）两大类。虚拟现实技术的应用领域和交叉领域非常广泛，几乎到了无所不包、无孔不入的地步，在虚拟现实技术战场环境，虚拟现实作战指挥模拟，飞机、船舶、车辆虚拟现实驾驶训练，飞机、导弹、轮船与轿车的虚拟制造（含系统的虚拟设计），虚拟现实建筑物的展示与参观，虚拟现实手术培训，虚拟现实游戏，虚拟现实影视艺术等等方面的应用和产业的形成都有强烈的市场需求和技术驱动。

　　权威人士断言，虚拟现实技术将是21世纪信息技术的代表。它的发展，不仅从根本上改变人们的工作方式和生活方式，劳和逸将真正结合起来，人们在享受环境中工作，在工作过程中得到享受；而且虚拟现实技术与美术、音乐等文化艺术的结合，将诞生人类的第九艺术。随着计算机技术的发展，在PC机上实现虚拟现实技术已成为可能。所以，目前虚拟现实技术系统的运行趋势为单机桌面和互联网两种主要方式，因此，它对计算机硬件技术和网络技术的发展和应用也有很大的刺激作用。

虚拟现实技术2



　　在喧闹都市的办公室中忙碌了一天的人们，多么希望自己能一步跨入一个热带天堂。幻想一片一望无边的海滩，挽起裤腿站在水边，任凭海浪轻抚脚面，椰林随风清唱，海鸥自由翱翔，太阳在天际徐徐落下，余晖把海面染红。这种想象能使许多人忘却疲劳，他们在心中创造了一个使自己心旷神怡的幻境。但是如果那景象三维立体、细致入微，如果你能看到自己用手拾起一片贝壳，这个幻境就会变得活灵活现，你就会认为自己实际已去过了那个海岛。现在，基于虚拟现实技术的“休息机”可以为人们提供这种跨越空间的手段。





　　一个住宅小区的蓝图刚刚绘制完成，能否在动工之前，先让未来的住户们到自己的单元里面转一转，对环境设施、房屋结构、门窗位置以及装修提出自己的意见？答案是肯定的：虚拟现实可以带你走入未来。右图就是美国麻省理工学院为国际空间站设计的虚拟显示头盔，宇航员可以在那里进行模拟训练。





　　虚拟现实（简称VR），又称灵境技术，是以浸没感、交互性和构思为基本特征的计算机高级人机界面。他综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间。使用者不仅能够通过虚拟现实系统感受到在客观物理世界中所经历的“身临其境”的逼真性，而且能够突破空间、时间以及其他客观限制，感受到真实世界中无法亲身经历的体验。VR技术具有超越现实的虚拟性。

　　虚拟现实系统的核心设备仍然是计算机。它的一个主要功能是生成虚拟境界的图形，故此又称为图形工作站。目前在此领域应用最广泛的是SGI、SUN等生产厂商生产的专用工作站，但近来基于Intel奔腾Ⅲ（Ⅳ代）代芯片的和图形加速卡的微机图形工作站性能价格比优异，有可能异军突起。图像显示设备是用于产生立体视觉效果的关键外设，目前常见的产品包括光阀眼镜、三维投影仪和头盔显示器等。其中高档的头盔显示器在屏蔽现实世界的同时，提供高分辨率、大视场角的虚拟场景，并带有立体声耳机，可以使人产生强烈的浸没感。其他外设主要用于实现与虚拟现实的交互功能，包括数据手套、三维鼠标、运动跟踪器、力反馈装置、语音识别与合成系统等等。

　　虚拟现实技术的应用前景十分广阔。它始于军事和航空航天领域的需求，但近年来，虚拟现实技术的应用已大步走进工业、建筑设计、教育培训、文化娱乐等方面。它正在改变着我们的生活。

虚拟制造



　　在当今经济全球化、贸易自由化和社会信息化的形势下，制造业的经营战略发生了很大变化，在30～60年代企业追求的是规模效益，如：美国福特汽车公司、通用汽车公司相继采用刚性流水线进行大批量生产；70年代更加重视降低生产成本，如：日本丰田公司采用准时化生产；80年代提高产品质量成为主要目标；进入90年代新产品开发及交货期成为竞争的焦点。由此产生了多种多样的制造哲理，如：精益生产、并行工程、敏捷制造和虚拟制造等，它们各有侧重，从不同角度研究如何增强企业的竞争力。而虚拟制造技术是制造技术与仿真技术相结合的产物。

　　虚拟现实（Virtual Reality）技术是使用感官组织仿真设备和真实或虚幻环境的动态模型生成或创造出人能够感知的环境或现实，使人能够凭借直觉作用于计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境。基于虚拟现实技术的虚拟制造（Virtual Manufacturing）技术是在一个统一模型之下对设计和制造等过程进行集成，它将与产品制造相关的各种过程与技术集成在三维的、动态的仿真真实过程的实体数字模型之上。其目的是在产品设计阶段，借助建模与仿真技术及时地、并行地、模拟出产品未来制造过程乃至产品全生命周期的各种活动对产品设计的影响，预测、检测、评价产品性能和产品的可制造性等等。从而更加有效地、经济地、柔性地组织生产，增强决策与控制水平，有力地降低由于前期设计给后期制造带来的回溯更改，达到产品的开发周期和成本最小化、产品设计质量的最优化、生产效率的最大化。

　　虚拟制造也可以对想象中的制造活动进行仿真，它不消耗现实资源和能量，所进行的过程是虚拟过程，所生产的产品也是虚拟的。虚拟制造技术的应用将会对未来制造业的发展产生深远影响，它的重大作用主要表现为：

　　●运用软件对制造系统中的五大要素（人、组织管理、物流、信息流、能量流）进行全面仿真，使之达到了前所未有的高度集成，为先进制造技术的进一步发展提供了更广大的空间，同时也推动了相关技术的不断发展和进步。
　　●可加深人们对生产过程和制造系统的认识和理解，有利于对其进行理论升华，更好地指导实际生产，即对生产过程、制造系统整体进行优化配置，推动生产力的巨大跃升。
　　●在虚拟制造与现实制造的相互影响和作用过程中，可以全面改进企业的组织管理工作，而且对正确作出决策有不可估量的影响。例如：可以对生产计划、交货期、生产产量等作出预测，及时发现问题并改进现实制造过程。
　　●虚拟制造技术的应用将加快企业人才的培养速度。我们都知道模拟驾驶室对驾驶员、飞行员的培养起到了良好作用，虚拟制造也会产生类似的作用。例如：可以对生产人员进行操作训练、异常工艺的应急处理等。

　　虚拟制造技术的研究内容是极为广泛的，除了虚拟现实技术涉及的共同性技术外，虚拟制造领域本身的主要研究内容有：

　　●虚拟制造的理论体系；
　　●设计信息和生产过程的三维可视化；
　　●虚拟环境下系统全局最优决策理论和技术；
　　●虚拟制造系统的开放式体系结构；
　　●虚拟产品的装配仿真；
　　●虚拟环境中及虚拟制造过程中的人机协同作业等。

　　一般来说，虚拟制造的研究都与特定的应用环境和对象相联系，由于应用的不同要求而存在不同的侧重点，因此出现了三个流派，即以设计为中心的虚拟制造、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。

　　虚拟制造技术的广泛应用将从根本上改变现行的制造模式，对相关行业也将产生巨大影响，可以说虚拟制造技术决定着企业的未来，也决定着制造业在竞争中能否立于不败之地。

城市仿真概述:[url]http://www.images.com.cn/virtual_reality/vr_tutoriall/fangzhen.htm[/url]

作者：道可道   2003-04-23
   

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一、什么是“城市仿真”(Urban Simulation)
二、与传统方法的比较
三、城市仿真技术的重点
四、城市仿真应用实例
五、结语

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一、什么是“城市仿真”(Urban Simulation)
城市仿真(Urban Simulation)对大多数人来说，还是一个比较陌生的概念。简单来说，“城市仿真”就是将“虚拟现实”技术应用在城市规划、建筑设计等领域。近几年，城市仿真在国内外已经得到了越来越多的应用，其前所未有的人机交互性、真实建筑空间感、大面积三维地形仿真等特性，都是传统方式所无法比拟的。
需要说明的是，真正的虚拟现实，除了应用软件和计算机外，还需要借助一定的硬件设备，如大视角投影系统、数据头盔、位置跟踪器、立体眼镜、数据手套等，来实现真正沉浸式环境中的人机交互体验。而“城市仿真”既可以显示在大型虚拟现实系统中，如PowerWall，也可以显示在一般的计算机显示器上，并不一定要求有“沉浸感”(Immersive)。

城市仿真技术的特点为：交互式实时三维(Interactive Realtime 3D)。“交互式”即指人机互动——人有输入，机器立即有相应的输出；“实时”是“在当时立即发生”。三维就不用多说了。“实时三维”要求计算机在仿真程序运行时要有30－60Hz的图形更新率，也就是说，将当前三维场景渲染为一幅画面的时间仅在0.03-0.16秒。这是什么概念呢？想一想动画软件渲染出一幅图需要多长时间吧！
这对机器的硬件提出了非常高的要求，特别是其图形显示能力。以往虚拟现实应用只能在SGI高端图形系统的基础上实现，但近年来，随着PC机计算能力、图形显示能力的迅猛提升，高端的NT图形工作站已基本能够满足要求。从另一角度，当机器图形显示能力既定时，则需要考虑当前三维场景的复杂程度和优化程度。从经验而言，当前最顶级的WindowsNT图形工作站，当前屏可显示的多边形数一般在8－15万。


二、与传统方法的比较
传统的建筑设计/表现方法基本包括以下4种：
人工手绘、建筑微缩模型、建筑效果图、建筑动画。
其中，人工手绘（或非真实渲染-NPR）只是偶尔作为点缀用在早期的概念设计中。
建筑效果图、建筑动画、建筑模型是目前广泛采用的三种方式。由于其市场的成熟，单做其中某一个或几个方面即可支撑一个中型公司(100人以下)的发展。在这方面，水晶石公司(效果图/动画)、斯伟、建境（建筑模型）比较有代表性。
这三种方法虽然流行，但它们各自的不足还是很明显的。
制作建筑微缩模型需要经过大比例尺缩小，因此只能获得建筑的鸟瞰形象，无法以正常人的视角来感受建筑空间，无法获得在未来建筑中人的真正感受；常用的效果图表现也只能提供静态局部的视觉体验；三维动画虽然有较强的动态三维表现力，但不具备实时的交互性，人是被动的，而且对方案的修改以及观察路线的变化需要重新计算，几天甚至几周后才能看到结果。
而在城市仿真应用中，人们能够在一个虚拟的三维环境中，用动态交互的方式对未来的建筑或城区进行身临其境的全方位的审视：可以从任意角度、距离和精细程度观察场景；可以选择并自由切换多种运动模式，如：行走、驾驶、飞翔等，并可以自由控制浏览的路线。而且，在漫游过程中，还可以实现多种设计方案、多种环境效果的实时切换比较。这是传统的建筑效果图和预渲染回放的三维动画所无法达到的。


三、城市仿真技术的重点
1、在一定软硬件的基础之上，创建尽可能真实的场景
在城市仿真中，场景的真实感是最为关键一个一个因素。而如前面已提到过的，由于实时三维渲染的要求及硬件显示能力的限制，场景的复杂程度不能太高。同时，由于实时仿真技术的限制，一些比较费时的渲染选项，如动态阴影、Bump map等实现起来还有一定困难。这些都会直接影响场景的真实感。
在硬件渲染能力的限制下，为创建尽可能真实的场景，一方面需要发掘各种软件的功能，进行优化组合；另一方面，要发展更为高级的算法，如程序几何（Procedural Geometry）和分形算法（Fractal Mathematics）。

但“发展算法”不是一件简单的事，非个人所能为，只能是由某家公司（如BlueBerry 3D－[url]http://www.blueberry3d.com[/url]）开发出相应的软件，我们再来应用。
所以，从一般的制作者而言，要创建真实场景还是在于充分利用各种已存在的软件工具。从实际的开发经验来看，主要有以下几种软件：
主创软件：
实时三维模型创建软件：Multigen Creator；
MultiGen-Paradigm公司（www.multigen.com）的Creator建模平台是所有实时三维建模软件中的佼佼者，它的数据库格式OpenFlight已成为仿真领域事实上的业界标准，它在专业市场的占有率高达80% 以上，是虚拟现实/仿真业界的首选产品。
Creator是一个功能强大、交互的三维建模工具。在它所提供的“所见即所得”(WYSIWYG)建模环境中，你可以建立你所期望的、优化的三维模型。

纹理处理软件Photoshop
由于模型精细程度的限制，场景的真实感很大程度上要靠纹理来体现。在城市仿真中，纹理占据着非常重要的地位。
实时场景管理/驱动软件Vega
Vega是MultiGen-Paradigm 公司应用于实时视景仿真、声音仿真、虚拟现实及其他可视化领域的世界领先的软件环境。
Vega和其他同类型软件的相比较，除了其强大的功能外，它的LynX图形用户界面是独一无二的。在Vega的LynX图形用户界面中只需利用鼠标点击就可配置/驱动图形，在一般的城市仿真应用中，几乎不用编任何源代码就可以实现三维场景漫游。
同时，Vega还包括完整的C语言应用程序接口API，在NT下以VC6.0为开发环境，以满足软件开发人员要求的最大限度的灵活性和功能定制。
辅助软件：

建模方面可以用3DsMax/Maya辅助，Maya有免费的flt文件(Multigen Creator格式文件)输入/输出插件,3DsMax则要通过Okino Polytrans软件来进行格式转换(www.okino.com）；
在三维纹理贴图方面，可用DeepPaint 3D和Deep UV辅助；
在灯光效果贴图方面，可用Lightscape;
AutoCAD用于接收用户原始DWG文件，预览并输出DXF。
在项目之初，就要详细规划、分配任务，根据任务思考如何充分利用上述各种软件达到最终效果！
除了从这几个方面着手以外，我们所能期待的就只能是计算机硬件显卡能力的迅速提高了。
2、在三维漫游的基础之上，开拓新功能
不满足于仅仅简单的三维场景漫游，在此基础之上进行人机互动效果的开发，并和用户应用紧密结合！如在Vega/VC下开发数据库点击查询、三维/二维结合、多媒体结合、3D GIS(地理信息系统)等！


四、城市仿真应用实例
1.美国UCLA城市仿真小组（[url]http://www.ust.ucla.edu/ustweb/ust.html[/url]）
这是世界上最为著名的城市仿真小组，从90年代中期开始城市仿真研究，致力于“虚拟洛杉矶”项目。至今已成功完成十多个城市仿真项目。应用软件：Multigen Creator/Vega



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2.深圳规划国土局
致力于深圳中心区仿真。应用软件：Multigen Creator/Vega



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3.福建漳州市九龙江西溪综合整治规划设计
设计单位：上海市政工程设计研究院。应用软件：Multigen Creator/Vega
开发：赛四达公司


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五、结语
以上只是对城市仿真一个概念性的描述，今后将对整个城市仿真的开发过程及相关技术做详细的描述。
计算机图形学的发展必将越来越以“人”为中心，而虚拟现实/视景仿真技术是最为贴近我们现实生活的一种方式。随着软硬件技术的迅猛发展，它将成为三维计算机图形发展的一个必然方向和最终的集大成者。