浅谈仿真与虚拟现实技术.doc

浅谈仿真与虚拟现实技术来源：开关柜无线测温 1 引言 仿真(Simulation)属于一门基础性学科。仿真就是利用模型进行的一种试验，它可极为有效而经济地用于科研、设计、训练以及系统的试验。仿真技术 是以控制理论、相似原理、数模与计算技术、信息技术、系统技术及其应用领 域相关专业技术为基础，以计算机和多 种专用物理效应设备为工具，借助系统模型，对实际的或设想的系统进行动态 试验研究的一门新兴综合性技术。其特点是它属于一种可控制的、无破坏性的、 耗费小的、并允许多次重复的试验手段。 它以其高效、优质、低廉体现其强大的 生命力和潜在的能力。它是迄今为止最 有效的经济的综合集成方法，是推动技术进步的战略技术。 虚拟现实(VirtualRealityVR)， 又称灵境技术，实际上是一种采用计算机技术制作模拟仿真的假想世界的技术。它采用计算机产生一个被模拟仿真 世界的动态3维视觉环境，使操作者产 生一种身临其境的感觉，对探讨大量需 要借助形象思维的问题频有帮助。采用 此项新技术，参与者使用硬件，如数据 手套、鼠标器、跟踪球、操纵杆、头盔 式显示器、护目镜、耳机及数据服以获 得所需的感知，来体验计算机世界境况。 VR是计算机图形学中的一种功能倍增 技术，它将人类用户同计算机产生的世 界综合为一体。作为未来的新型人机接口，VR涉及人类多种感觉，如视觉、 听觉和触觉。它将立体观视、3D交互、 声音输入输出及触觉信息处理的工具 和技术集为一体。应用该项技术进行实 时工作，亦可将 VR技术理解为多媒体 的延伸。 VR环境系统包括建模、控制及媒 体数据源3大部分。建模是指利用物理 的或数字的方法，对需要仿真的实际系统进行描述获得近似的数字模型。这是 进行数字仿真或半实物仿真必不可少的步骤。建模是仿真的基础，亦是仿真的结果，研究新型建模仿真方法是其首要 任务。3维立体显示是其一项必不可缺 少的关键技术，它是系统向用户输出反 馈信息的主要手段。 VR可应用于产品设计、分子建模、 计算机辅助设计(CAD)计算机辅助 制造(CAM)、模拟器技术、工业自动化、 医药科学及众多强调易于使用、与计算 机交互接口的其他领域。 2 IGD虚拟现实演示中心 德国弗琅荷费(Fraunhofer)计算 机图形学院(IGD)在达姆施塔特 (Darmstadt)己建立了一个虚拟现实 演示中心，用于评估虚拟现实对未来硬、 软件系统和人机接口的影响。该演示中 心的使命旨在廉价地为消费者和生产厂 家提供对实验床环境中的先期可视化、 仿真及虚拟现实技术的应用。在这种环 境中，新颖设想和试验可通过逼真的传 送实验加以证实。 2.1 VR设备概况 通过采用先进技术，虚拟现实演示 中心在用于研究、样机设计及演示的可视化、仿真和虚拟现实方面，提供了网 络化、集成化并与售主无关的硬件、软 件环境。该网络包括计算机服务器、数据服务器、高性能图形工作站及个人工作站，用10Mbs和100Mbs链路互连。 虚拟现实演示中心的硬件结构包 括： 超级小型机、并行机及高档图形工作站(Conver C3220、 SGl4D380 VGX及SGI虚拟现实设备)； 各种图形工作站(如SGI、 SUN、 DEC及HP)； 具有混合数据接口(MIDI)的接口和工作站音频装置的 AKAI语音同 步器； 联网(以太网和光钎分布式数据接口FDDl)； 视频记录和数字化接口； 用于先进人机通信的VR设备 (如立体显示器、虚拟研究用的头盔显示器、旋眼光阀眼镜一Cystal Eyes Shutter G1asses)、投影显示、交互式装 置、6D空间球、数据手套及6D快速倾斜装置一FASTRAK； 若干仿真程序包； 各种类似于数据交换格式(DXF)的数据输入接口。 IGD的 VR开发平台共享硬、软件的标准接口，可控制大范围的现行外部设备。业已完成满足特殊需求的专用VR 工具或高性能多处理机系统的改进。IGD开发平台目前包括如下方面： 用于构造虚拟世界的交互式图形建模系统； 交互式成套工具可对各种输入设备提供一个独立接口； 实时虚拟世界( realtime radiosity)辐照法是实现预处理的一个 应用步骤； 为科学可视化开发的显示系统， 则侧重于显示大量高性能的数据； 用于研究对象更为自然状态的测撞组件； 对同步器或现代工作站的声频装置提供应用的声频服务器。 2.2 VR使用说明 虚拟现实演示中心，为VR应用系 统制造者提供使用途径，并建立了应用 开发和设备评估平台。优质、高性能可 视化和自然现象仿真中的宝贵经验，可 为 VR的潜在用户及 VR系统和设备的 开发者提供咨询。此外，研制和开发工 作在虚拟演示中心按3级完成。 (1)使用学院自身的VR开发平台 或利用其他可用的VR工作台进行应用开发。其中包括创造性虚拟世界，确定用户与虚拟环境的交互作用，以及与虚 拟世界的优质观视的交互作用。迄今开发的应用包括产品设计、办公自动化设计、 CAD、 CAM、科学可视化及培训 任务等。 (2)借助将大规模并行机用于优质、实时虚拟世界的生成，并将有效图 形算法用于 VR工作台来改善工具与技 术。 (3)对VR至关重要而计算机图形 又尚未涉及的相关领域进行基础性研究。如音频信息处理、复杂态势处理、 触觉反馈信息处理等，而且还有对VR 的认知方面和对输入输出(IO)装 置的新颖设计。 在过去的15年内， IGD在计算机图形领域内一直居于领先地位。计算机图形系统的应用研究与开发、动画软件包及可视化工具，己产生了先进技术， 现正应用于虚拟现实中。 2.3 VR产品简介 作为首台产品样机，IGD己开发了一个称为虚拟设计的系统。该VR系统核心允许输入不同源的数据，如 CAD 数据，并使 HMD、投影显示器及数据 手套以沉浸方式显示这些数据。将基本 的直觉交互和态势综合成虚拟设计，允许用户自始至终引用这些数据并对其进行处理。可将类似于3D按钮、相撞及 声反馈等VR相关属性加至该数据上， 并增强其显示效果。还能对确定的光和声源，或在计算前每一步骤(如通过实时虚拟世界法)加以评估，或在执行(如 立体效应)过程中进行评估。 虚拟设计已在德国两个不同的商业展馆展出，展品集中于办公室设计、办公自动化及建筑方面。室内设计、家具及建筑物皆显示在虚拟现实设备上。设 计数据通过 DXF接口和辐照的实时虚拟世界输入该数据，该数据模型的复杂 性约有1700030000个多边形。在交互预演过程中，虚拟设计可产生出58 帧秒的图形。 3 结束语 仿真技术作为人类认识客观世界和改造客观世界的有效手段正日趋发挥着 巨大的作用。VR技术是计算机技术、 传感技术、人机接口技术和人工智能技 术等多种高新技术的结晶。其逼真性和实时交互性为系统仿真技术提供有力的 支撑。 仿真与VR是一对孪生兄弟，只是其侧重点不同而己。仿真强调其与事物的相似性，而VR则强调其“沉浸”感。 采用VR技术进行系统仿真，将会收到 珠联壁合之效。 发展VR技术，必须狠抓如下关键： 设备方面：大力增强3维传感、 交互设备及