孫世鵬　畢衛(wèi)紅　張巧玲

摘 要：本文介紹了某設備維修虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的工作原理、技術特點、各種功能以及應用前景。闡述了虛擬現(xiàn)實技術在維修領域的具體應用和對可應用性的技術、設備等性能進行分析。并闡述虛擬現(xiàn)實技術在將來有著舉足輕重的作用。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術 三維技術

1.虛擬現(xiàn)實技術

1.1技術概述

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）就是采用以計算機技術為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生親臨等同真實環(huán)境的感受和體驗系統(tǒng)。

1.2基本特征及功能

虛擬現(xiàn)實是計算機與用戶之間的一種更為理想化的人-機界面形式。通常用戶頭戴一個頭盔（用來顯示立體圖象的頭式顯示器），手持傳感手套，仿佛置身于一個幻覺世界中，在虛擬環(huán)境中漫游，并允許操作其中的“物體”。與傳統(tǒng)計算機相比，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)具有三個重要特征：臨境性、交互性、想象性。虛擬現(xiàn)實技術潛在的應用范圍很廣。

1.3 系統(tǒng)組成

虛擬現(xiàn)實技術生成系統(tǒng)是一個人和機器組成的閉環(huán)系統(tǒng)。其中人是虛擬環(huán)境的用戶、即為虛擬環(huán)境的接受者與作用者，他用自身的視覺、聽覺、嗅覺、觸覺與動作行為去作用于虛擬環(huán)境及其中的虛擬對象。機器部分主要是生成與變換虛擬環(huán)境景象的超高速處理以及人與計算機輸入輸出信息的接口設備。它包括頭盔、顯示器、數(shù)據(jù)手套和現(xiàn)實引擎等幾個主要部分，同時還有圖形圖象、傳感器、軟件、多媒體計算機、錄像設備、工作臺、環(huán)境模擬系統(tǒng)、音響設備、投影儀等共同作用而形成的一個完善系統(tǒng)。

1.4基本原理

該系統(tǒng)的基本原理是：當你打開計算機虛擬現(xiàn)實應用程序系統(tǒng)，由圖形圖象工作站存儲和提供訓練所需要的信息，此時頭盔視聽系統(tǒng)中就出現(xiàn)虛擬的真實環(huán)境，隨著你頭腦中的想象及對系統(tǒng)的操作，虛擬的真實環(huán)境中將全出現(xiàn)你預想達到的效果。你在這一環(huán)境中，運用虛擬的真實系統(tǒng)和部組件。

1.5主要特點

1.5.1標準的工作流程

由于該系統(tǒng)向人們提供的虛擬的設備器材和維修工具是按照產(chǎn)品圖紙制作的真實三維圖像；向人們提供的維修技術條件，來自于總部下發(fā)的維修技術文件；維修方法是運用統(tǒng)籌法制定的較為優(yōu)化維修。通過以上保證了培訓的質(zhì)量。

1.5.2短時高效的工作效果

該系統(tǒng)即可使受訓人員學習部組件的構造，又可以進行實習操作訓練，由于圖、文、數(shù)據(jù)、技術指導等都是信息化控制，具有實時性和快速性。與傳統(tǒng)的培訓方法相比，大大縮短了技術咨詢，非實習操作的部件分解組合等時間，極大的縮短了培訓周期，提高培訓效果。

1.5.3人機的智能結合

雖然計算機具有極強的信息處理功能，但也不能具備足夠的與人類相比的智能，也無法完全取代人工。所以在很多計算機應用的場合下，特別是對信息的理解和決策需要人的參與，也就是說我們需要利用人、機交互來彌補計算機智能的不足。

1.5.4不受任何具體設備的制約

虛擬現(xiàn)實技術是通過計算機對真實的設備器材和維修工具進行合成顯示，并不通過實件維修，也不受任何具體設備的制約。它所仿真的不僅僅是設備部件，而同時能表現(xiàn)與真實環(huán)境一樣的設備部件維修場景，從這一點上也能看出，虛擬現(xiàn)實技術就是一個pc機中的真實環(huán)境。

1.6應用范圍及開發(fā)前景

實踐證明，這樣的系統(tǒng)擁有廣泛的市場前景，它可以應用在醫(yī)療旅游、教育、娛樂等眾多的社會領域中。具有使用安全、方便簡單、效果真實、成本低廉、不受外界環(huán)境干擾和使人印象深刻等眾多特點。

2.三維圖形程序設計

2.1程序概述

三維圖形世界使我們可以更加直觀、形象地認識和了解我們還未完全了解的客觀世界；三維圖形使我們可以進入人類還沒有，甚至無法進入的地方；三維圖形的許多應用如模擬訓練使我們可以極大的節(jié)約費用而高效率地學習新技能。

2.2三維圖像對系統(tǒng)的控制方法

三維圖像的可視化技術使人能夠在三維圖形世界中直接對具有形體的信息進行操作，和計算機直接交流，它賦予人們一種對物體進行仿真的并且實時交互的能力。這種技術把人和機器以一種直覺而自然的方式加以統(tǒng)一，這無疑將極大的提高人們的工作效率。

2.3虛擬現(xiàn)實的應用軟件

該技術采用多種比較先進的應用軟件，如OpenGL,OpenGVS等，但就其應用性方面，OpenGL的應用范圍廣，實用性更強些。

OpenGL作為一個性能優(yōu)越的圖形應用程序設計界面而適用于廣泛的計算機環(huán)境,從個人計算機到工作站和超級計算機,OpenGL都能實現(xiàn)高性能的三維圖形功能。

3.系統(tǒng)的技術性能和構造

該系統(tǒng)由圖形圖象工作站、頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套與數(shù)據(jù)服、圖形圖象輸入設備、信息輸出設備五大部分構成。

3.1圖形圖像工作站

3.1.1該工作站在系統(tǒng)中起到信息控制和處理中心的作用。按照頭盔所移動方位可以生成實時圖像，向人們提供相應的實時圖形，可以仿真窗外的合成環(huán)境或現(xiàn)實世界的真實環(huán)境。給觀察者生成酷似真實的信息。

3.1.2可進行高精確度的宿主計算。該系統(tǒng)在信息處理時，需要高精確度的宿主計算，使有關信息得到快速的處理，達到系統(tǒng)虛擬的實時感。

3.1.3圖形圖象工作站的重要作用之一是生成實時的可視信息。完成這一作用的關鍵，是工作站每秒鐘能夠描繪足夠的多邊形表面。從計算機模型去產(chǎn)生圖形圖像并不是太難的事情。如果有足夠準確的模型又有足夠的時間，我們可以產(chǎn)生物體在不同光照條件下相當精確的圖像。

3.2頭盔顯示器

頭盔顯示器與計算機相連，可以使人獲得三維立體圖像。顯示器上還裝有三維位置跟蹤器，可以跟蹤頭部的移動，并將六個自由度的移動信號輸入計算機，計算機再根據(jù)頭部位置的變化輸出變動的圖像，這樣就可以像在真實世界中一樣，從不同的角度看到不同的景象。

3.3數(shù)據(jù)手套與數(shù)據(jù)服

在手部三維位置跟蹤設備中，目前比較先進的是數(shù)據(jù)手套，它不僅具有六個自由度的位置傳感器，能探測整個手的移動，而且在手指關節(jié)部位設置有應力傳感器，能捕捉到每個手指的相對移動和屈伸。戴上數(shù)據(jù)手套之后，在虛擬環(huán)境中抓住與舉起一個物體，猶如在真實世界中一樣的感覺。

按照同樣的道理，可以制成一套數(shù)據(jù)服，使人體的所有關節(jié)部位都附著有位置傳感器，甚至觸覺反饋器，使人與虛擬對象接觸和交互作用時產(chǎn)生真實的對接觸物的力感和質(zhì)感。

3.4 圖形圖像輸入設備

這一輸入設備，是由多媒體計算機及網(wǎng)卡、高檔PC機、數(shù)碼照相機和掃瞄儀等組成。

4.結束語

本文闡述了虛擬現(xiàn)實技術的技術性能、特點等方面的知識，這是一項具有廣闊開發(fā)前景的前沿技術，可以廣泛地應用到各個領域。

參考文獻：

[1] 王惠剛等，《計算機仿真原理及應用》（第二版），國防科技大學出版社，2000年4月

[2] 何江華，《計算機仿真導論》，科學出版社，2001年3月

作者單位：裝甲兵技術學院