李永廣

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)逼真的、具有視、聽(tīng)、觸等多種感知的虛擬環(huán)境，用戶通過(guò)使用各種交互設(shè)備，同虛擬環(huán)境中的實(shí)體相互作用，使之產(chǎn)生身臨其境感覺(jué)的交互式視景仿真和信息交流，是一種先進(jìn)的人機(jī)交換技術(shù)。得力于計(jì)算機(jī)圖像和多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已廣泛應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外的科技場(chǎng)館、主題公園、游樂(lè)場(chǎng)等。筆者以東莞科技館“飛行模擬器”展品為研究實(shí)例，分析科技場(chǎng)館虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)，飛行模擬器

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)，簡(jiǎn)稱VR，是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)逼真的、具有視、聽(tīng)、觸等多種感知的虛擬環(huán)境，用戶通過(guò)使用各種交互設(shè)備，同虛擬環(huán)境中的實(shí)體相互作用，使之產(chǎn)生身臨其境感覺(jué)的交互式視景仿真和信息交流，是一種先進(jìn)的人機(jī)交互技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)集成了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、立體顯示技術(shù)等技術(shù)，是一項(xiàng)綜合的集成技術(shù)。它所具有的沉浸性(immersion)、交互性(interaction)和構(gòu)想性(imagination)，使人們能沉浸其中，形成具有交互功能的多維化的信息環(huán)境。

一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由虛擬環(huán)境、以高性能計(jì)算機(jī)為核心的虛擬環(huán)境處理器、以頭盔顯示器為核心的視覺(jué)系統(tǒng)、以語(yǔ)音識(shí)別、聲音合成與聲音定位為核心的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)、以方位跟蹤器、數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)衣為主體的身體方位姿態(tài)跟蹤設(shè)備，以及味覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)與力覺(jué)反饋系統(tǒng)等功能單元構(gòu)成。

在國(guó)內(nèi)外科技場(chǎng)館中，使用多媒體虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的展品有很多，如汽車模擬駕駛、太空探險(xiǎn)等展品。下面筆者將以東莞科技館信息與高新技術(shù)展廳展品“飛行模擬器”為范例，分析其構(gòu)成和系統(tǒng)原理，并探討該技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

一、系統(tǒng)構(gòu)成

“飛行模擬器”展品是國(guó)內(nèi)科技館游客最喜歡的互動(dòng)展品之一。游客可嘗試當(dāng)一名軍人，模仿空軍作戰(zhàn)的緊張場(chǎng)景；也可作為一名飛機(jī)控制師，操縱飛機(jī)翱翔于藍(lán)天與白云間等。

1.液壓運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)

六自由度平臺(tái)實(shí)現(xiàn)剛體在空間六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，即沿X、Y、Z軸的移動(dòng)及繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。由于剛體在空間的位置最多由六個(gè)自由度來(lái)描述，因此該平臺(tái)可模擬剛體在空間的任意運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。其液壓源經(jīng)蓄能器同時(shí)向六個(gè)閥控伺服缸供油，油缸與下臺(tái)基、上平臺(tái)之間分別采用球鉸連接，六個(gè)油缸可在缸長(zhǎng)方向作線性移動(dòng)。平臺(tái)正是通過(guò)六個(gè)油缸的協(xié)調(diào)動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)。平臺(tái)的位置姿態(tài)與油缸的伸縮量間存在位置耦合關(guān)系，包括位置逆解和位置正解。其中位置逆解由平臺(tái)的給定位置姿態(tài)各油缸的伸縮量，以便進(jìn)行平臺(tái)的六個(gè)自由度位置控制，位置正解由各油缸的伸縮量求解平臺(tái)六自由度位置量，用于平臺(tái)位置的間接測(cè)量。

2.玻璃鋼飛機(jī)模型

由玻璃鋼模型、顯示設(shè)備、操縱控制桿、儀表盤(pán)等組成。玻璃鋼模型由機(jī)身、艙蓋、機(jī)翼、機(jī)尾等幾大塊組成，座艙座位與機(jī)身為一體，機(jī)翼、機(jī)尾單獨(dú)制作，然后與機(jī)身組裝。座艙蓋可以向一側(cè)翻開(kāi)，上人之后可蓋回。座艙內(nèi)有兩套液晶顯示器，每套顯示器加裝一套紅外立體顯示設(shè)備，由立體眼鏡觀看。

3.顯示系統(tǒng)

機(jī)上圖像顯示采用兩臺(tái)液晶顯示器，前座與后座游客各觀看一臺(tái)，每臺(tái)液晶顯示器各加裝一套立體眼鏡適配器，觀眾通過(guò)紅外立體眼鏡觀看。

二、系統(tǒng)原理

飛行模擬器采用計(jì)算機(jī)控制方式，其控制原理如下：

首先計(jì)算機(jī)采集控制臺(tái)啟動(dòng)按鍵，當(dāng)啟動(dòng)按鍵按下后，開(kāi)始檢測(cè)操縱桿信號(hào)。當(dāng)操縱信號(hào)啟動(dòng)后，進(jìn)入飛行過(guò)程中，圖像播放飛行狀態(tài)。在飛行過(guò)程中，計(jì)算機(jī)根據(jù)圖像過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)結(jié)合檢測(cè)到的操縱控制信號(hào)，控制液壓運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，使飛機(jī)模型產(chǎn)生前后俯仰、左右仰斜、上下升降以及幾個(gè)狀態(tài)的聯(lián)運(yùn)動(dòng)作。當(dāng)操縱桿控制空中格斗時(shí)，根據(jù)控制信號(hào)在圖像中加入發(fā)射槍炮，以及發(fā)射導(dǎo)彈的畫(huà)面。當(dāng)飛機(jī)返航時(shí)，根據(jù)檢測(cè)操縱桿的信號(hào)，判定降落機(jī)場(chǎng)的成功與失敗，此過(guò)程可以由計(jì)算機(jī)設(shè)置難易程度。不論降落成功與否，都由計(jì)算機(jī)控制液壓運(yùn)動(dòng)平臺(tái)恢復(fù)安全平穩(wěn)狀態(tài)，由工作人員推動(dòng)活動(dòng)舷梯，來(lái)到運(yùn)動(dòng)平臺(tái)跟前，由工作人員揭開(kāi)座艙蓋，游客從舷梯下來(lái)離開(kāi)，準(zhǔn)備供下一批游客使用。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

1.展示效果趨于真實(shí)

(1)沉浸感(Immension)逐漸完善。畫(huà)面的質(zhì)量不斷提高，三維效果不斷完善，能使操作者有“身臨其境”的感覺(jué)，就像現(xiàn)實(shí)世界一樣。讓操作人員相信在虛擬境界中人也是確實(shí)存在的，而且在操作過(guò)程中他可以自始至終地發(fā)揮作用，就像真正的客觀現(xiàn)實(shí)世界一樣。

(2)交互性(Interactivity)不斷增強(qiáng)。操作者與虛擬環(huán)境中所遇到的各種對(duì)象的相互作用的能力，操作者不再是被動(dòng)接收信息，用戶是交互作用的主體，與虛擬物體可進(jìn)行多行為的交談。

2.應(yīng)用場(chǎng)所將更加廣泛

“飛機(jī)模擬器”展品將從原來(lái)的軍事模擬作戰(zhàn)，到現(xiàn)在的科技館(主題公園、游樂(lè)場(chǎng)所)的體驗(yàn)項(xiàng)目，得益于最新的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)等，將發(fā)展到家庭休閑游戲等，并可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與遠(yuǎn)方的好友進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)互動(dòng)。