虚拟现实技术及其工业应用

目录摘要1、引言2、用VR实现的放松/振作系统2.1自主、交互、现实感2.2系统样机概述2.3样机系统的评价2.4结论3.骑马治疗仿真虚拟技术3.1实际骑马数据的分析3.2系统概述3.3评价和结论4.VR支持的厨房设计系统4.1厨房设计和VR4.2厨房设计与支持系统KiPS概述（kitchenplanning-supportsystem）4.3KiPS介绍4.4KiPS效果4.5因特网厨房设计系统4.6互联网厨房设计模型4.7结论5.城市规划VR系统5.1多种方式描述的虚拟城市系统5.2VR仿真应用于城市规划5.3结论6.总结摘要：虚拟现实（VR）已经广为人知，当前正普遍的研究它在各个工业领域中的应用。使用三维计算机图形，交互设备和高清晰度显示器，能实现一个虚拟世界，在那里能获得虚构的物体就像它们在自然世界中一样。MatsushitaElectrcworks有限公司从1990年起就发展了工业用的应用系统。本文将详述四种VR应用系统：放松/振作系统，骑马治疗仿真，VR支持的厨房设计系统，还有城市规划VR系统。关键词：虚拟现实、人本设计、人机接口、计算机应用、仿真、计算机辅助设计1、引言虚拟现实正在研究应用于各个工业领域比如：计算机图形，CAD，CAM，CIM，机器人，医疗/健康护理，多媒体，游戏等。许多公司推出商业化的VR应用系统产品。本文将介绍MatsushitaElectrcworks有限公司开发的四个已经商业化的VR系统。放松/振作系统骑马治疗仿真VR支持的厨房设计系统城市规划VR系统2、用VR实现的放松/振作系统现在由于政策、经济、技术等的波动，人们持续经受各种不同形式的压力。这种压力使人们更加关注自身的身体和精神健康。结果，他们加入健康俱乐部、健身房等进行一系列保健活动。然而这些俱乐部等提供的健身系统都由使用者决定，而没有“自主”功能，如自己的行动基于接受到的信息（例如使用者的生理数据）。因此，为了发展智能保健系统，就不得不把“自主”功能加入系统。而且，为了使系统更加宜人化，将介绍一种新的人机界面，它实现了用户与系统之间的人机交互。“现实感”允许用户位于一个舒适的虚拟世界。在这部分，将介绍一种新的智能保健系统，它使用虚拟显示技术实现自主、交互、存在感的性能。这个VR系统的目的是允许人们放松和短时间恢复精力。该系统消除由持续的办公室工作像可视化显示终端（VDT）工作引起的疲劳，通过减少身体器官的活动消除用户压力，使他们放松。更重要的是，防止用户在放松过程后感觉懒散。系统通过刺激使用户精神振作。2.1自主、交互、现实感图1示意了放松/振作系统的组成。来源于用户的生理信息，即用户的心率数据被传感器获得并利用。当用户充分放松时，心率下降，如果被心率传感器探测到这种现象，系统将会减少三种形式的刺激。例如：视觉、听觉、触觉刺激。这种控制被当作是系统的自主性。当用户使用该系统时，他/她的心率被测量。刺激的强度通过数据的获得实时的变化。因此，实现了用户与系统之间无意识的交互。因此，无须用户动态的输入信息至系统。另外，如上文提到的，系统的目的是允许用户放松和短时间恢复精力。因此，三种刺激的强度，不得不由用户的特别场景需求控制，一个场景的例子是：一个旅游胜地的海滨的光线调节，月光沐浴下的晚上光线的上升。当这种场景提供给用户，伴随着合适的音乐。休闲式的按摩。这三种形式的刺激提供给用户一个像旅游胜地的旅馆一样的环境。2.2系统样机概述自主、交互、现实感已经在系统样品中实现如图1所示。系统由一个休闲式按摩器、头盔式显示器（HMD）、标准VCR、控制接口、HMD使用户直接感受场景和音乐，远离其他外界刺激，样本系统示意见图2。场景和音乐录制在一个录象带中，在放松阶段，用简单的二维图片刺激用户的视觉。下一步，振作阶段，三维场景用来更强烈的刺激感官。信号控制休闲按摩也同样记录在录象带中，这使得按摩的节奏能配合场景和音乐。即在放松阶段，轻柔按摩应用于温和的场景和音乐。在振作阶段，强度大的按摩应用于立体场景和音调更高的音乐。微计算机配合控制接口执行一种算法，通过认识心率的下降及时探测到用户充分放松的时间点。2.3样机系统的评价•一个实验概述如下：五名实验对象被要求执行一个特定的VDT工作持续40分钟，然后执行下列任务之一，持续10分钟。（1）体验VR放松/振作系统（2）休息（3）继续工作这里休息是指实验者仅仅坐在他做VDT工作的椅子上。他完成一项任务后，被要求做同样的VDT工作40分钟。•鉴定一个VR放松/振作系统对人是否有效，心率被用来评价自主神经系统的活动。图3示意了测量过程中指数α和β各自的变化，它体现了交感神经系统和副交感神经系统的活动水平。这些指数的值采用五个被实验者的平均数据计算。如图3所示。当被实验者经受VR放松/振作系统时，例如从40分钟到50分钟，α降低而β升高。这表明VR放松/振作系统在诱导放松方面是有效的。反之，在最后的40分钟VDT工作中，α升高β降低，这表明VR放松/振作系统在使人振作方面也是有效的。2.4结论VR放松/振作系统是有效的将来研究方向主要是：增强HMD的清晰度丰富振动/按摩形式更充分的了解用户的生理现象3.骑马治疗仿真虚拟技术骑马治疗仿真系统在预定点之间精确地再现马鞍的运动，来模仿实际的骑马，而又保证骑马者的安全。3.1实际骑马数据的分析仿真器被设计前，实际骑马过程中马鞍的运动数据被收集和分析。运动过程中的数据收集通过在马鞍上制造记号，然后用告诉相机拍照，再用特殊方法再现这些三维数据，记号的位置见图4。因为马的步态能最有效的创造骑马治疗的效果。所以正常情况下步行运动收集的数据被分析。数据也分析再现小跑和慢跑，从而使骑马者更愉快。正常步行位置见图5。三维运动状态由X、Y、Z轴体现。向前运动被描述为沿X轴，两侧运动显示为沿Y轴，上下运动显示为沿Z轴。绕X轴的旋转运动称为“旋转”，绕Y轴的旋转运动称为“倾斜”，绕Z轴的旋转运动称为“偏航”。3.2系统概述系统组成：见图6驱动部分控制部分虚拟现实部分虚拟操作部分能实现的控制：1.马能按需求运动o改变速度o改变方向o改变步行方式2.可视场景o场景改变与马的运动保持一致o大范围可视3.听觉效果o马蹄声随马运动的不同而改变o环境4.在图象中被显示的运动实际上发生当屏幕上出现上坡时，伴随的效果能被骑马者感觉到。骑马上山或沿曲线行走时的感觉，通过驱动部分的操作实现5.设计成总是令人兴奋的3.3.评价和结论图7示意了一个骑马治疗仿真器该系统能很好的实现骑马运动的仿真，能使用户有骑真马的感觉。不足点是：加速功能太慢而不能逼真4.VR支持的厨房设计系统4.1厨房设计和VR厨房设计过程见图84.2厨房设计与支持系统KiPS概述（kitchenplanning-supportsystem）MEW公司开发的VR系统被命名为厨房设计支持系统，基于PC实现。KiPS系统硬件耗费减少，界面更友好。图9描述了KiPS系统的组成。4.3KiPS介绍1.在传统CAD系统上完成制图设计后，CAD系统的线框模型被自动转换成3维虚拟模型，设计数据也从MATIS传送到KiPS。2.通过新VR系统，用户能敏捷的通过“虚拟厨房”的操作杆操纵能打开和关闭橱柜以便获得深入了解进行潜在投资。图10示意了“虚拟厨房”的一个样例。图11展示了在一个大型圆柱形屏幕上的图象，戴着HMD体验VR仿真。在虚拟厨房中能体验到：橱柜和器具的布置颜色搭配有效空间的总体感觉综合的人机一体化设计：用户能开/关橱柜门，开/关水龙头等•3.用户能替换厨房设备也能通过与“虚拟厨房”人机交互，使用触摸屏幕改变橱柜门的颜色、材质等编辑厨房设计。•4.所有修改完成后，最终设计传送至MATIS。4.4KiPS效果经调查表明，试用过KiPS的人中，55.5%用KiPS设计自己的厨房，37%不使用KiPS。4.5因特网厨房设计系统将来计划在互联网上实现虚拟厨房设计系统，用户能在家设计厨房，在他们去展览室之前有清楚的设计图景。然后在展览室继续完成他们的设计细节。4.6互联网厨房设计原型虚拟现实模型语言（VRML）是最重要的图形学和互联网标准。VRML不仅能描述3维世界，也能实现超级链接、脚本程序功能等。VRML已实现的功能：使用锚点、能增加产品零部件的尺寸、价格等信息。使用内联点，需要的3维物体能从网上的其他数据库找到。使用传感器式内插点，每个产品部件的功能能有效的被阐释。例如：橱柜门能开/关。在最后阶段，设计环境需要交互的协调厨房设计。使用脚本程序，能显示颜色和材质的新选项板。使用原型系统的步骤：o用户选择橱柜产品o如果需要，他们能获得更多产品信息。如：功能，价格，详细外观。o初始设计，包括介绍橱柜的选用。图12示意了使用VRML的虚拟厨房。o如果需要，用户可由屏幕上的选项板修改设计。o所有需求最终修改完成后，最终设计传递和存储在Matsushita的展览室。使得他们能接着进行详细设计。4.7结论KiPS由于其硬件花费少、界面友好，得到了用户的一致认可。将来的发展方向是把KiPS放到网上。用户能在家里设计自己的厨房。图13示意了一个基于因特网的家庭顾问设计系统。5.城市规划VR系统城市规划面临的问题：没有技术能支持在设计阶段专家间的交流不可能在经过实验的基础上建设城市环境没技术为宜人性作出评价解决方案：发展一个基于VR技术的系统5.1多种方式描述的虚拟城市系统该系统是一种分布式系统，经由网络连接的VR终端与基于一组工作站的计算机系统通过高速网络互连。系统提供一种体系结构，靠那个专家和城市居民都能参与虚拟城市的发展而不管他们的实际位置，VR体验设备能通过安装终端向人们提供一个高清晰度的虚拟城市。5.1为这个目的，已经试生产一个半球形的VR体验设备。该设备由一个半球形屏幕、六个立体放映机、图形计算机、液晶遮光器、红外线发射器、磁传感器。图14、15分别是VR体验设备的一个侧视图的一个照片，半球形屏幕直径为6.8米。该屏幕与前面六个主体放映机相连，能表现一个很宽的虚拟世界视野（180°水平方向，90°垂直方向）。5.2VR仿真应用于城市规划图16示意了一个应用于混合商业区规划的例子：基于车站广场的重建项目主要目的是在设计阶段虚拟仿真顾客对西班牙建筑和城市风景的看法。图17是一个应用于街道重建计划的例子。主要目的是，在设计阶段形成本地区居民对树木、墙的颜色等的搭配的一致看法。5.3结论基于VR体验设备的分布式VR系统已经被提出。如果该系统能应用于实践，任何有关城市规划、公共场所设计等将能获得一个虚拟设计空间和任何相关信息。6.总结VR技术最近研究它的工业应用，因为使用VR应用系统能降低基本部件的花费。另外，研究和发展能处理3维模型和提供高清晰度的3维图象等高性能VR系统，也在继续。前者正应用于实践，后者还在研究之中。