虚拟现实的技术与应用Word下载.docx

1、理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。交互性（Interactivity）指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。构想性（Imagination）强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存

2、在的甚至是不可能发生的环境。由于浸没感、交互性和构想性三个特性的英文单词的第一个字母均为I，所以这三个特性又通常被统称为3I特性。一般来说，一个完整的虚拟现实系统由虚拟环境、以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备，以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成。【虚拟现实在城市规划中的应用】城市规划一直是对全新的可视化技术需求最为迫切的领域之一，虚拟现实技术可以广泛的应用在城市规划的各个方面，并带来切实且可观的利益。 展现规划方案虚拟现实系统的沉浸感和互动性

3、不但能够给用户带来强烈、逼真的感官冲击，获得身临其境的体验，还可以通过其数据接口在实时的虚拟环境中随时获取项目的数据资料，方便大型复杂工程项目的规划、设计、投标、报批、管理，有利于设计与管理人员对各种规划设计方案进行辅助设计与方案评审。 规避设计风险 虚拟现实所建立的虚拟环境是由基于真实数据建立的数字模型组合而成，严格遵循工程项目设计的标准和要求建立逼真的三维场景，对规划项目进行真实的“再现”。用户在三维场景中任意漫游，人机交互，这样很多不易察觉的设计缺陷能够轻易地被发现，减少由于事先规划不周全而造成的无可挽回的损失与遗憾，大大提高了项目的评估质量。 加快设计速度运用虚拟现实系统，我们可以很轻

4、松随意的进行修改，改变建筑高度，改变建筑外立面的材质、颜色，改变绿化密度，只要修改系统中的参数即可。从而大大加快了方案设计的速度和质量，提高了方案设计和修正的效率，也节省了大量的资金，提供合作平台 。虚拟现实技术能够使政府规划部门、项目开发商、工程人员及公众可从任意角度，实时互动真实地看到规划效果，更好地掌握城市的形态和理解规划师的设计意图。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桥梁，这是传统手段如平面图、效果图、沙盘乃至动画等所不能达到的。 加强宣传效果对于公众关心的大型规划项目，在项目方案设计过程中，虚拟现实系统可以将现有的方案导出为视频文件用来制作多媒

5、体资料予以一定程度的公示，让公众真正的参与到项目中来。当项目方案最终确定后，也可以通过视频输出制作多媒体宣传片，进一步提高项目的宣传展示效果。【虚拟现实系统的相关技术】VRML技术VRML 是“Virtual Reality Modeling Language”的缩写，意为“虚拟现实造型语言”。它是用于三维环境描述的一系列规范之一。用于定义与多信息相关联的三维世界的布局和内容。与目前流行的Web 编辑语言HTML 相比，VRML 也是一种解释性语言，只作结构性描述，具体实现和图形显示留待特定的机器完成。但VRML更为直观，且本身有交互性。VRML 的基本功能是用多边形和主体图形描述一个视景的结

6、合形状，即通过许多图形对象来描述一个三维场景对象。它同时也能描述光源、烟雾及诸如色彩、明暗等材料表面特性。从VRML的实际句法来看，它兼有简单的HTML和复杂的Perl 或C + + 的特性，用户可以用一个基本的文本编辑器对简单图形进行编辑，但对复杂的环境描述则需要一些工具才行。VRML 本质上也可以说是一种面向对象的语言，它的对象称为节点。一个三维场景由具有层次结构的多个子节点组成，子节点的集合可以构成复杂的结构。节点特性可以被继承、复制，节点定义之后可以用于场景中的其他物体。由于VRML采用类似于Java 的“可执行代码”技术，不必在线路上传输大量的数据，而是只传输用VRML描述的小型指令

7、性数据集，利用客户端机器高性能的CPU 和三维图形处理功能执行代码，对图形渲染。传送VRML 文件与传送普通的HTML 文件所占的带宽大小差不多。因此，VRML 克服了带宽的瓶颈，也被称为“瘦媒体”技术。VRML在现实中的应用非常广泛。首先，它可以用于Web 页面的制作，向用户提供交互的三维动态信息。利用VRML用户不仅是在阅读一个页面，而是进入一个三维的交互世界。这对于商业网站的建立非常有用。在VRML的帮助下，商家可以设计模拟真实场景的购物环境，用户可以身临其境般地进入各个商店，可以从商品的各个角度观察想购买的商品，如同在普通的商店里挑选商品一样，伴随音乐和一些视频效果，购物环境非常美妙。

8、借助其他工具的帮助，顾客还可以在线购物，只要用鼠标拖拖曳曳，就可以订购所需的商品，并用信用卡付账。当然，顾客仍然无法对商品的质地等一些情况进行必要的考察，但这至少可以满足购买诸如家电、器械等物品的需求。比起HTML 的二维世界来说，这不啻为极大的进步。即使无需进行线上购物，商家仍然可以利用VRML的三维世界对自己作更为生动、全面的介绍，引导因特网用户出入于模拟的三维世界，获得更直观、更具体、更丰富的信息。一些风景名胜或游乐场所、运动场所的介绍将更为真实，用户可以从无穷多的视角观察景色，并且只利用鼠标和键盘就可以游走于各个地点，比起只有二维图像的HTML世界，这无疑具有更大的优越性。在其他方面，

9、VRML也能发挥极大的作用，像建筑环境的三维造型，在推出VRML之前，仅限于在高性能的工作站上用CAD 软件建立基本结构，而一般用户对高性能的工作站使用十分有限，VRML则可在低成本的PC机上建立细致的三维模型，从而完成以往普通计算机难以完成的诸如城市规划设计、建筑设计等工作,并模拟出真实的环境。还有像动画的制作，创作人员可以利用VRML技术创造出与传统动画不同的动画，这类动画具有与传统动画不同的特点，可以从不同的视角欣赏，而传统的动画要想使欣赏者从不同的角度都能欣赏到相同的、真实的动画则相对来说非常困难。同时，用VRML 技术创作的动画具有不同一般的交互性，既能由一个简单的用户输入触发已制作

10、好的动画，又能连接层次化和顺序化的动画，实时仿真，甚至让动画角色自动进行复杂的动作。因此，VRML同样也将给传统的动画制作带来令人吃惊的新变革。虚拟仿真技术虚拟仿真技术是对现实世界的模拟，是基于模型的活动，力图通过计算机及各类装置达到现实世界尽可能精确的再现。它是虚拟现实技术和仿真技术相结合的产物。虚拟仿真技术始终贯穿于工程项目施工的整个过程当中，无论是项目设计阶段，还是项目实施阶段，以及项目的检测阶段。利用VR的可视化特性，可以更直观地观察工程分析的复杂数据结果。VR 系统可以让用户进入数据本身所在的环境，通过实时交互修改参数来观测这些参数对结果的影响。用户还可以从不同的角度观察数据，改变自

11、身与环境之间的大小比例，因而能获得更有价值的观察结果。下面是一个在建筑施工中运用VR仿真技术的例子，VR系统由4个主要的辅助系统组成：系统界面、数据库、三维模型和知识库。a系统界面包括用户菜单，它为策划者从三维模型辅助系统中选用三维建筑物、设备模型和非设备模型，来建立虚拟施工现场提供了一个平台。b三维模型由设备模型、非设备模型和建筑物模型组成。为帮助现场操作阶段的“设备控制”操作，设备模型的可移动部分不得不与其他部分分离开。例如，一台塔式起重机模型的支撑，滚轮和吊钩在三维模型中必须是相互独立的；建筑物模型包括非设备模型的预制件。c根据三维模型的设置，需要准备设备数据库、非设备数据库和劳动力数据

12、库。设备数据库存储设备的运作途经，移动速度和载重能力；非设备数据库存储非设备资源的直径和重量；劳动力数据库存储了不同施工操作所需的劳动力数量。d知识库包含了试探法和相关规则，为现场计划和规划、现场操作和布置等提供了指导和帮助。例如，当混合应力还没有完全达到时，知识库会发出警告信息“加固大面板模板”。仿真技术发展已有四十年的历史，虚拟技术的引入将仿真技术带入了一个新的阶段。近年来,各种受关注和推崇的新的仿真思想和技术手段在多个领域都得到成功的应用，先后出现了一批有影响、有工程背景、有实用价值的成果，如航天领域的空间站数据管理系统通讯的计算机仿真、DAMA 算法的仿真分析、分布虚拟环境（DVE）

13、下的建模与仿真、计算机图形导航工程（CGPP） 系统、虚拟的交互环境工作站（VIEW ） 以及为修复哈勃望远镜而开发的仿真舱外活动的沉浸式虚拟环境（EVA ）、OpenGL和Visual C+进行实时交互的三维图形开发、分布式交互仿真技术（Distributed interactive simulation，简称DIS）等。VRGIS技术作为虚拟现实技术与地理信息系统（GIS）技术相结合的虚拟地理信息系统（VRGIS）技术，为地球系统的过程和现象创造了很好的实验和模拟条件，对地球系统科学和地球信息科学的发展起到了积极的推动作用。由于技术的限制，目前还未能开发出适用于遥感和GIS 用户需要的真三

14、维可视化的数据分析软件包。GIS 与虚拟环境技术相结合，将虚拟环境带入GIS 将使GIS 更加完美。GIS 用户在计算机上就能处理真三维的客观世界的虚拟环境，将能更有效地管理、分析空间实体数据。虚拟地理信息系统技术应用于信息化城市，构造虚拟城市，不仅可以实现城市超越空间的虚拟化运行、分析和评价，为城市规划提供更科学、更完善和更符合自己价值理性的设计方案，而且，由于城市的各个子系统直观地在计算机中反映出来，具有逼真感，还可以实现城市的真实环境再现，很方便地对城市的物流、人流、信息流进行集中而有效地控制和管理，既提高了对城镇的管理效率，又能大幅度提高生产和贸易效率，促进社会经济发展。理想的VRGI

15、S至少应具有以下4个特征：空间数据的真实表现；用户可从任意角度进行观察、浸入、实时交互，可在所选择的地理带内外自由移动；具有基于三维空间数据库的基本GIS功能；用户接口是自然、完整、交互的可视化平台。显然，VRGIS是计算机仿真科学和地球信息科学交叉并发展到相当成熟水平后的必然结果。但目前受技术发展水平限制，真正满足上述条件的VRGIS系统还不存在，取代的是一些简化或突出某一方面的集成系统，如强调三维可视化特征的VRGIS等。VR系统构建具有完美人机交互能力和启发构思的多维空间信息环境，GIS擅长空间维地理要素的空间分布、空间关系、空间过程的处理，两者之间存在领域重叠和相互关系，将这两个领域在

16、理论、技术、研究内容和方法上进一步集成已成为VR和GIS领域专家、学者的共识，具有广泛的应用前景。对于VR和GIS的系统集成的方式可分为分离应用、松散集成、紧密集成和完全集成四种。现阶段，主要以松散集成和紧密集成为主，完全集成是最高阶段。目前，VRGIS的研究主要集中于三维虚拟城市模型和虚拟地理信息系统两个方面，包括有以三维影像方式构建3D 模型、纯三维方式构建的3D 模型、结合2DGIS的方式构建3D模型、基于虚拟技术构建的3D城市模型（3DCM）、Erdas ImagineVirtual GIS、ESRI ArcView 3D Analyst、适普公司的三维虚拟GIS系统Imagis 等。

17、基于web的虚拟现实技术 Web为虚拟现实的实现提供了一种网络基础平台，基于浏览器/服务器结构的虚拟现实技术，同时结合数据库技术可以实现网上漫游、展览。导游等。随着 Web3D 及相关技术的发展，对 Web 中的信息获取由阅读型转变为感受型。如在参观一个网上展厅或是电子购物时，需要三维、立体的全方位感受，包括在不同方向上观察展品，打开展品观察其内部等，如身临其境般切实地感受多媒体带来的虚拟现实。同时web技术的应用使得远程虚拟环境的应用得以实现。一个基于web的虚拟现实导游系统的应用，利用虚拟现实技术、网络通信技术与数据库技术，实现了基于网络的可扩展的三维展示系统。系统提供了逼真的、智能的、具

18、有可交互性、可扩展性的三维可视环境。用户可以在虚拟场景中感受到逼真的视觉与听觉效果，企业用户可以根据实际需求对展厅、展品进行选择、评估并灵活快速地生成一个符合特定需求的网上展览厅。浏览器处于表示层，用户使用内嵌VR插件的浏览器HTTP协议与服务器端进行通讯，它的主要功能是提供三维虚拟场景的显示、操作和漫游，向服务器端递交请求等。Web Server和应用服务器均处于应用逻辑层，Web Server接受表示层提交的用户请求后，调用应用服务器的相关服务模块，向位于第三层（数据服务层）的数据库与文件服务器提出数据请求，应用服务器的相关服务模块利用Active Server Pages（ASP）技术设

19、计和实现。虚拟现实技术的相关技术还有应用QuickTime VR技术虚拟实景展示、基于LabVIEW的虚拟测量和检测技术、人机对话、人工智能、遥感技术、多媒体技术等，这些技术多与上述的技术相关并且存在交叉，很多都建立在相同的平台上，再次不再详述【南通市虚拟现实的建设与体会】基础空间数据库系统的建设随着城市的发展对基础空间数据的强烈需求，2003年南通市政府确立由规划局牵头进行基础空间数据库的建设工作。数据库设计的技术线路是利用ESRI 提供的Geodatabase 模型组织复杂的空间数据，用Oracle9i+ArcSDE 存储空间数据，建立一个开放、稳定的基础空间数据库。管理系统采用ESRI

20、的Arcobjects 开发，应用系统采用DotNet框架开发。建立集基础地形、管线、影像、规划专题等多库一体的空间数据库，实现了多源多尺度海量空间数据的存储、索引、查询、应用和服务功能。经过一年多的技术积累，取得的主要成果有：1、建立了一套基础空间数据生产和建库标准化体系。2、建立了一整套地形图成果、数据的规划成果、数据的采集、整理、查错、入库和更新的规范化流程和质量保证体系。3、建立了一套完整的安全机制，包括用户权限控制、功能权限控制、图层权限控制和区域权限控制。4、完成以下数据的建库工作：1：500地形图约150平方公里、1：5000正射影像图、1：500地下管线图约2100公里、控规用

21、地规划数据约120平方公里以及原市区范围规划审批红线和规划控制线的建库工作。三维虚拟现实系统的建设（南通市三维海量场景）目前我国，许多三维软件仍处于满足局部区域的立体、直观、沉浸感等要求，局限于浏览观看的层次，没有真正用于城市规划的应用。对于城市规划来说，地域涉及范围大，对三维数据处理能力、三维空间分析能力等要求较强。通过考察比较国内几家不同三维地理信息系统软件，根据系统目标和应用要求，我们把系统划分为2个子系统，分别是仿真数据库管理子系统和仿真子系统。仿真数据库管理子系统（ProjectManager），是系统数据库建立、维护工具，负责仿真资源入库、场景配置、数据备份与恢复，以及用户管理。仿

22、真数据库管理子系统包括二维建库和数据安全管理两个模块。仿真子系统（Realcity），是系统的核心，由系统数据库中调用模型和相关信息，以三维可视化的方式展示出来，提供方案评审、审批和演示所需功能。仿真子系统包括二维浏览模块、三维仿真模块及浏览数据管理模块。建设了南通市区约100平方公里的三维虚拟现实场景。（如图）首先，三维建模就是根据仿真区域的空间数据，利用CAD、GIS、三维建模工具和仿真建模工具，建立该区域的三维模型。其次，仿真建库是为了规范管理三维模型数据及其贴图数据，方便数据的更新和维护，保证数据的唯一性。将三维模型数据和相关资源数据放到仿真数据服务器上，并通过仿真后台维护软件进行更新

23、维护。在三维仿真客户端通过连接服务器数据库，打开工程来加载三维数据进行浏览操作。最后，创建三维虚拟环境，允许操作者以多种方式与虚拟环境交互，并且能够对当前的信息进行数据查询显示。在运行实时仿真系统之前需要先完成模型数据及属性数据入库的操作，完成仿真应用定义，然后才能在仿真系统中正确运行操作。仿真功能、视觉效果的实现需要三维模型和软件的密切配合。在Realcity系统中，任何场景对象均可以描述成为结点。地形、道路、楼房、灯光、控制器、触发器、粒子系统等均为结点对象。任何结点对象均可以成为另一个结点的子结点，父子结点之间的关系通常为空间关系上的绑定关系。基于结点的空间描述模型使得在描述真实空间时变

24、得简单和易于理解，所有结点之间都是对等的关系。通过对象视图可以很方便的进行结点的增加、删除、相互关系编辑等操作。每一个结点均带有自己的属性，结点属性通过平台的对象属性列表可以方便的修改。三维场景建设完成后，Realcity提供键盘和鼠标两种最基本的实时浏览操作。系统实现了如下基本功能：实时地对GIS、CAD和对象属性查询、分析；提供模型入库、模型管理功能，最终实现三维可视化环境下的综合应用。根据系统目标和应用要求，把系统划分为系统用户管理、三维发布、客户端浏览、系统后台管理四大部分。各子系统相互配合，完成数据入库和管理、仿真应用等城市仿真的过程。三维虚拟现实仿真系统的主要功能1、属性查询属性查

25、询面板由：地块属性、建筑属性、分类显示三大功能个构成。属性数据来源于导入的GIS数据。地块属性双击场景中想要查询的物体，点击“更新属性”按钮，所选物体的规划属性便在右边的属性列表中列出。建筑属性在“建筑名称”中输入要查询建筑的名称，可以是全称，也可以是名称中的关键字，点击“查询”，系统会在右侧的属性列表中列出相应建筑的属性，同时在场景视图中也锁定所查询的建筑物。分类显示在属性菜单中选择分类的规划属性，为不同等级范围的属性分别赋予不同颜色予以区分。勾选“色块显示”，整个场景分类显示出来。如下图：2、方案对比在视图场景中双击选择要进行方案对比的建筑物，在名称列表中选择相对应的名称，方案列表中列出该

26、项目的所有方案。分别将两个要对比的方案分别设置为“主屏”和“辅屏”，选择“双屏”显示按钮。主视图便分成两个视图分别显示两个方案。如下图所示：3、载入图片提供了在场景中插入图片例如实景照片的功能。点击“添加图片”，弹出对话框，选择要插入的图片。图片被插入到视图中，通过对图片进行移动、拉伸、旋转的操作，并结合对视图的调整。使得图片大小比例满足当前视点的透视关系。如图所示。4、成果展示成果展示面板提供了，可以将当前三维场景输出成：图片、视频文件、网页文件的工具。包括：图象输出、视频输出、WEB输出。图象输出将三维视图调整好想要输出的角度，在“分辨率”中选择输出图片的分辨率尺寸。在“路径”中选择输出图

27、片保存的路径。点击“输出”，当前三维视图便被保存到指定路径位置了。视频输出在“相机”中选择一条场景中想要输出的相机路径。选择好输出文件的保存路径。点击“输出”，系统会将这条路径输出成AVI视频文件保存到电脑里。WEB输出将当前场景输出可以在IE浏览器的网页文件格式，可以用IE浏览器直接打开。选择WEB文件保存的路径，点击“输出”，场景便被保存成为网页文件了。5、GIS系统此面板是本系统与GIS数据交流的窗口，通过它可以将GIS的属性数据导入到系统中，作为系统“属性查询”的数据来源；还可以将GIS库中的城市建筑数据导入进来，系统可以将GIS中建筑的二维数据绘制成三维模型。点击“导入”选择带有场景

28、GIS数据信息的*.SHP文件，GIS数据信息被读入，这样在“属性查询”功能中才可以查询到正确的属性信息。点击“导入”选择带有城市建筑信息的*.SHP文件。点击“生成”，系统开始绘制建筑三维模型。虚拟现实系统的应用体会基于GIS强大的数据管理功能，应用Realcity三维地理信息系统平台，可以快速利用已有数据低成本建立三维虚拟城市景观。在实践应用中，三维虚拟现实是反映真实城市的空间地理。GIS积累了多源多尺度海量空间数据，有数字高程模型（DEM）、数字正射影像（DOM）、数字线划图（DLG）、数字栅格图（DRG）、数字模型（DM）、规划专题等，并提供了多种多样的数据转换方法，可以快速利用现有数

29、据生成位置准确、表现真实的三维景观。运用虚拟现实技术可以使政府规划部门、项目开发商、工程人员和各界人士从任意角度，实时、互动、真实地看到规划效果，获得前所未有的直观感受，这是传统表现手段如沙盘、效果图、平面图等所不能达到的。而且打破了专业人士和非专业人士之间的沟通障碍，使得各部门能通过统一的仿真环境进行交流，更快的找到问题、达成共识和解决一些设计中存在的缺陷。利用虚拟现实系统将需要评审的规划方案插入南通市城市三维虚拟场景中，通过对现状及不同规划场景中各要素全方位的实时观察，感受建筑建设前后的变化效果，比较规划方案与其他建筑物的协调关系。可以利用人机交互界面，对设计方案实时地进行修改。能够直接用鼠标来平移、旋转等操作。也能通过调整物体属性数值，精确实时调整模型，如改变建筑高度、改变绿化密度、改变外立面的颜色等