虚拟现实33

本章介绍虚拟现实的各种应用，包括军事应用、航空航天应用、计算机辅助设计、外科手术和人体器官的模拟、科学研究和计算的可视化、教育、游戏和其它方面的应用等。通过本章读者可以对虚拟现实的各种应用有所了解，为今后开发和使用虚拟现实技术起到很大的作用。8.1•军事应用8.2•航空航天应用8.3•计算机辅助设计8.4•外科手术和人体器官的模拟8.5•科学研究和计算的可视化8.6•教育游戏和其他8.1军事应用8.1.1军事应用的目的8.1.2军事应用的领域8.1.3军事应用的实例8.1.1军事应用的目的当前趋势是增加技术复杂性和缩短军用硬件的生命周期，这要求仿真器是灵活的、可升级的和可联网的，并允许远地仿真，不需要训练者去到仿真器地方。在队伍仿真中也需要网络，它比单用户仿真要真实，要求虚拟现实是可联网的、灵活的和可升级的，由此理想地满足军事的需要。在军事应用中，采用虚拟现实系统不仅提高了作战能力和指挥效能，而且提高了训练水平，大大减少了军事开支，节省了大量人力、物力，同时可以保证安全。8.1.2军事应用的领域1.训练方面（1）模拟战场环境（2）设计单兵训练器（3）团队战术训练2.武器装备的研究在武器装备研究与新武器展示中主要有以下应用:(1)在武器设计研制过程中，采用虚拟现实技术提供先期演示，检验设计方案，把先进设计思想融入武器装备研制的全过程，从而保证总体质量和效能，实现武器装备投资的最佳选择，对于有些无法进行实验或实验成本太高的武器研制工作，也可由虚拟现实系统来完成。所以尽管不进行武器试验，也能不断改进武器性能。(2)研制者和用户利用虚拟现实技术，可以很方便地介入系统建模和仿真试验的全过程，既能加快武器系统的研制周期，又能合理评估其作战效能及其操作的合理性，使之更接近实战的要求。(3)采用虚拟现实技术对未来高技术战争的战场环境、武器装备的技术性能和使用效率等方面进行仿真，有利于选择重点发展的武器装备体系，改善其整体质量和作战效果。(4)很多武器供应商借助于网络，采用虚拟现实系统来展示武器的各种性能。（1）在美国陆军中，他们利用虚拟现实的仿真器实现各种层次的军事训练，如单兵训练、排级指挥员的训练、连和营一级的训练等。（2）在美国海军中，开发了一种VESUB（VirtualEnvironmentforSubmarineShipHandlingTraining）仿真器。它主要用于甲板上的训练。（3）在美国空军中，开发出了更多的仿真器。如单元教练机和虚拟座舱。8.1.3军事应用的实例在航空航天方面，美国国家航空航天局（NASA）于20世纪80年代初就开始研究虚拟现实技术，并于1984年研制出新型的头盔显示器。90年代以来，虚拟现实的研究与应用范围不断扩大。宇航员利用虚拟现实系统进行了各种训练。美国国家航空航天局计划将虚拟现实系统用于国际空间站组装、训练等工作。另外，近些年来，欧洲、俄罗斯、日本等都开展虚拟现实在航空航天系统的研制及人员训练中的应用。我国也在这一领域进行着大量的研究工作。8.2航空航天应用虚拟现实在航空航天领域应用的目的主要有两点：一是帮助设计复杂的航空航天系统。航空系统包括各类飞行器，如直升机、大型飞机、超音速战斗机、导弹、飞艇等。航天系统则包括各类卫星、太空火箭、航天飞机、空间站等。通过虚拟现实技术可以很好地模拟高空及太空环境，帮助了解和掌握各类系统在一定环境下的工作情况。同时降低系统设计的费用，缩短设计周期等。另一目的是训练各类人员，包括航空飞行器驾驶员以及宇航员等。总之，通过虚拟现实技术，近些年来大大推动了航空航天领域的发展，使人类在这一领域有了极大的进步。8.2.1航空航天应用的目的下面着重介绍几个虚拟现实在航空航天领域应用的实例。NASA的虚拟现实训练EVA的虚拟现实训练美国空军的虚拟座舱虚拟风洞8.2.2航空航天应用的实例虚拟现实技术离不开计算机技术的发展。那么虚拟现实技术必然会对计算机技术领域发挥巨大的作用，其中之一就是用于计算机辅助设计。在计算机辅助设计中虚拟现实技术几乎覆盖各个方面。如果在计算机辅助设计中采用了虚拟现实技术，就只需在计算机辅助设计的对象前加入“虚拟”二字，就可以体现计算机辅助设计的特点。当然，它们设计的基本原理是一致的。下面以两个完全不同的两个实例来说明这一点：虚拟样机以及虚拟建筑设计和城市规划。8.3计算机辅助设计在制造业，一个产品的生产周期包括：设计阶段、表现阶段（购买原材料和安装设备）、员工培训和实际生产阶段。虚拟现实的特点对每一阶段都能发挥重要的作用采用虚拟制造技术，可以在设计阶段就对设计的方案、结构等进行仿真，解决大多数问题，提高一次试制成功率。用虚拟原型样机技术取代传统的硬件样机，可以大大节约新产品开发的周期和费用，很容易地发现许多以前难以发现的设计问题。同时，还可以明显地改善开发团体成员之间的意见交流方式。8.3.1虚拟原型设计在城市规划、工程建筑设计领域、虚拟现实技术被作为辅助开发工具。规划决策者、规划设计者、城市建设管理者以及公众在城市规划中扮演不同的角色，有效的合作是保证城市规划最终成功的前提。虚拟现实技术为这种合作提供了理想的沟通桥梁，打破了专业人士和非专业人士之间的沟通障碍它支持多方案比较，不同的方案、不同的规划设计意图通过虚拟现实技术实时地反映出来，用户可以做出很全面的对比，另外虚拟现实系统可以快捷、方便的随着方案的变化而进行调整，辅助用户做出决定。从而大大加快了方案设计的速度和质量，也节省了大量的资金虚拟现实在重大工程项目论证中的应用虚拟现实系统实一个极好的展示大型规划项目的工具8.3.2虚拟建筑设计与城市规划在医学领域，虚拟现实技术和现代医学的飞速发展以及两者之间的融合使得虚拟现实技术已开始对生物医学领域产生重大影响。目前正处于应用虚拟现实技术的初级阶段，其应用范围包括从建立合成药物的分子结构模型到各种医学模型，以及进行解剖和外科手术教育。在此领域，虚拟现实应用大致上有两类：一是虚拟手术系统，可用于指导手术的进行。另一类是虚拟人体器官，它使医生更容易了解人体的构造和功能。8.4外科手术和人体器官的模拟虚拟手术系统可以实施远程手术。医生对病人模型进行手术，他的动作通过传输通道传到远处的手术机器人。手术的实际图像通过机器人上的摄像机传回医生的头盔立体显示器，并将其和虚拟病人模型进行叠加，即采用增强现实式虚拟现实系统，可为医生提供有用的信息。另外，虚拟手术系统对于复杂手术的计划安排、手术过程的信息指导、手术后果预测及改善残疾人生活状况等都有十分重要的意义。例如，在外科手术中虚拟现实技术可以进行麻醉医师和静脉注射护士的培训、为把对病人造成外科损伤降低至最小的实习医生开刀培训、复杂外科手术的设计、手术过程中的指引和帮助信息的提供、手术结果的预测等。这样，通过虚拟现实技术，外科医生可以重复练习，从而降低病人的风险。8.4.1虚拟手术系统虚拟人体器官在医学方面的应用具有十分重要的现实意义，主要可用于教学与科研，在基于虚拟现实技术的解剖室环境中，学生和教师可以直接与三维模型交互。借助于跟踪球、头盔显示器、感觉手套等虚拟的探索工具，可以达到常规方法（用真实标本）不可能达到的效果，学生可以很容易了解人体内部各器官结构，这比现有的采用教科书的方式要有效得多。又如虚拟模型的链接和拆分、透明度或大小的变化、产生任意的横切面视图、测量大小和距离（用虚拟尺）、结构的标记和标识、绘制线条和对象（用空间绘图工具）等。8.4.2虚拟人体器官在其它医学教学中利用可视化人体数据集的全部或部分数据，经过3D可视化，为学生展现人体器官和组织。另外，还可以进行功能化的演示，例如心脏的电生理学的多媒体教学，它基于可视人体数据集的解剖模型，通过电激励传播仿真的方法，计算出不同的时间和空间物理场的分布，并采用动画的形式进行可视化，用户可以与模型交互，观看不同的变换效果。在虚拟的人体器官中，较为成功的是“可视人”的产生。它是在20世纪90年代中期，由美国国家医学图书馆和科罗拉多大学联合制作的这个标准的解剖模型。该模型无需任何费用就可以在互联网上得到。其制作过程是将一个男性和女性尸体拍照（利用CT和核磁共振成像MRI），在冷冻，在拍照，并从头部到脚趾进行切片，对每个切片依次进行拍照及数字化，最后得到一个千兆位级的二维图像数据库。该模型为解剖课程提供了一个数据库，使研究和教学人员能够在这个数据库上进行必要的三维形状抽取和动画算法的测试。8.5.1信息可视化的概念8.5.2虚拟分子结构模型8.5.3地震石油勘探数据处理8.5.4体数据的可视化8.5科学研究和计算的可视化科学可视化是用计算机图形产生视觉图像，帮助理解科学概念或结果复杂的数值表示。这种数的表示或数据集，可能是数值仿真的结果（如计算流体力学或分子模型）、记录的数据（如在地质和航天应用中），或构造的形状。这些仿真可能包括三维体积中的高维数据，并往往随时间而变化。由于数据集中不同的位置可能显示出不同的特性，因此在定位上的困难将妨碍科学探索。在某种意义上，复杂现象的科学考察，部分取决于我们开发三维显示的能力。8.5.1信息可视化的概念信息可视化要求抽象数量和概念的信息显示，不是真实世界中物体的真实表示。于是，信息可视化的要求是精确表示，而不是逼真表示（实际上并无真实世界可比）。下图是虚拟现实科学可视化的流程图。虚拟现实技术在生物医学领域应用较多，从建立合成药物的分子到各种医学模型等。北卡来罗大学大学采用了GROPE虚拟仿真器，它可以让研究人员看到一种药物分子是如何与其它生物化学物质相互作用的。这些技术大大加速了药物的开发过程。8.5.2虚拟分子结构模型石油与天然气工业是积极从事信息可视化的经济部门之一。其原因是由于油气勘探及其良好的管理模式所带来的巨大经济利益。对地震数据的可视化与推动有助于发现新的油田。它可以帮助地质学家、地球物理学家、工程师团队在几十兆字节的数据中寻找那些表示地下可能有油田的数据变化。地震数据是三维数据，因而很适合在虚拟现实中进行可视化。以虚拟环境为中介的可视化能够使用比桌面CRT显示器更大的显示设备，从而可以更好地对大容量的数据进行可视化。另外，可视化软件的研制帮助人们可以实时得到钻探数据，如泵速、扭矩、方位角和转速等，提供有关钻探的地质情况的有用信息。这些信息存入保存有地震信息的数据库，这样可以生成一个三维模型，并根据钻探数据来确定或者修改数据库中的信息。8.5.3地震石油勘探数据处理所谓体数据的可视化是指体图形、体可视化硬件加速、以立体的方式为用户表现这些数据所需的专用显示设备以及新的人机接口技术等。体图形学是计算机图形学的一个分支，主要研究合成、绘制和操纵用体表示的场景。体图形的研究是从真实对象的几何模型或者采样数据开始的。例如身体的二维CT切片数据。无论数据是采样得到的，还是计算出来的，都首先进行体素化，以体素格式存储对象的相应信息。从而能够看得见该对象。此外，还需要绘制体结构，加入光照效果和明暗处理。体图形除了可以表现对象内部细节和提高更多的视觉信息之外，还具有其它一些优点。首先，由于体素化的过程是离线进行的，它与光栅图形不同，不受场景复杂度的影响。其次，扫描转换与场景刷新是分离的。所以，体图形是与视角无关的，体素可以更容易地表现对象的体积、范围和距离等。体图形也存在缺陷，如需要大量的存储空间和专门的处理硬件，存在空间走样现象等。8.5.4体数据的可视化8.6.1虚拟校园8.6.2虚拟教学与实验8.6.3虚拟博物馆8.6.4虚拟现实游戏8.6教育、游戏和其他虚拟校园是指从因特网、虚拟现实技术、网上虚拟社区和3S技术的发展角度，对现实校园三维景观和教学环境的数字化和虚拟化，是基于现实校园的一个三维虚拟环境，用于支持对现实校园的资源管理、环境规划和学校发展。虚拟校园在现在很多高校都有成功的例子。我们知道，大学对每个人来说有特殊的感情，大学校园的学习氛围、校园文化对我们具有巨大影响，教师、同学、教室、实验室等，校园的一草一木无不潜移默化地影响着我们每一个人，我们从中得到的教育从某种程度来说，可能超出书本所给与