虚拟现实技术综述范文

导语：如何才能写好一篇虚拟现实技术综述，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：虚拟现实；技术；商业产品；研究

中图分类号： G434 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）01（c）-0000-00

虚拟现实技术是美国等发达国家在八十年代末期发展起来的一门新技术，到九十年代初期，人们才开始关注虚拟现实技术，虚拟现实技术早期主要运用于电视、游戏等娱乐项目中。目前正在向工业、商业、教育和医学行业等扩展应用，在当前属于一项非常活跃的研究领域。

1虚拟现实技术的特点

通常情况下，虚拟现实技术有以下三个特点[1-2]：①沉浸性：虚拟现实技术是结合人类的感官特点和心理特点通过计算机生成三维立体图像，体验着可以戴上具有显示器的头盔和能显示数据的手套等设备，通过这些交互设备亲身体验虚拟环境，将自己融入到虚拟环境中，体验一种身临其境的感觉。②交互性：即人机交换，体验者可以通过操作电脑键盘和鼠标进行交互，也能通过传感设备进行交互，如头盔显示器、数据手套。计算机能感应到体验者的手、眼、语言的运动，来调整系统屏幕上的声音和图像。在这里，体验者同样具有高度的自主性。③多感知性：因为计算机的虚拟现实系统中具有多种感官设备和反应装置，所以，体验者通过计算机在虚拟的环境中可以感受视觉、听觉、触觉等多种感知来达到一种身临其境的逼真效果。

2国内外对虚拟现实技术的研究现况

2.1美国主要在用户界面、感知、后台软件和硬件等四个方面进行虚拟现实技术的研究。美国宇航局有一项著名的创作就是对哈勃太空望远镜的仿真，还通过虚拟现实技术建立了训练系统和空间站VR维护。2010年墨西哥和海底发生了大地震，美国科学家们利用虚拟现实分析系统，时刻关注受灾地区的情况，同时预报该地是否有断层移动的现象。美国在建筑虚拟动画方面也做了深入研究，目前已经建立了不少虚拟建筑场景。

2.2在欧洲，英国在触觉设计和应用研究方面领先于其他很多国家。2011年4月，英国威廉王子大婚。英国一家公司通过虚拟现实技术模拟了大教堂和周围建筑群，使用户仿佛身临其境。

2.3日本对虚拟现实技术的研究处于领先地位，特别是对虚拟现实游戏的研究。日本东京大学科研院主要研究远程控制方面；东京大学广濑研究室主要研究虚拟现实的可视化问题；筑波大学开发了虚拟行走原型系统。

我国对虚拟现实技术的研究相对发达国家起步晚、有一定差距。不过近几年来，在我国一些科研机构和高校中，北京航空航天大学计算机系是我国最早研究VR的单位之一，该校在2000年8月成立了实验室专门研究虚拟现实技术；浙大CAD&CG国家重点实验室研发了虚拟建筑环境的漫画系统；哈尔滨工业大学对人类的表情做出了重点研究。目前，国内很多大学生都在研究虚拟现实实景漫游，并且有些研究成果已经被应用到城市建设和规划中。

3虚拟现实技术在产品设计中的应用

3.1产品外形的设定

产品设计人员可以通过虚拟现实技术模拟出来图像确定产品的外形，并且还能从各个角度观察产品，帮助设计人员改进产品中的不足之处，从而可以进一步优化产品。

3.2产品布局检测

一些结构复杂的产品需要合理、科学的布局，设计者可以通过虚拟现实技术很直观的看到整个产品的结构，设计人员可以参照计算机上的数据选择最科学、合理的产品布局方式。同时，虚拟现实技术对设计产品整个具象进行再现[3-4]，包括外形设计到内部结构都能呈现出来，通过人机交互的方式让设计人员更为直观的感受产品，方便找出设计不当的地方，从而进一步完善产品，这样一来，就能科学、高效的规划产品的布局。

3.3产品的宣传

宣传产品是销售产品的一个重要环节。虚拟现实技术能够帮人们将虚拟的事物“真实化”，为观众提供更多的感知能力，更为生动、直观的将产品展示给观众。虚拟现实技术极大的吸引了观众的眼球。

4虚拟现实技术与上海世博会

2010年5月到10月，第41界世博会在我国上海举行。虚拟现实技术在这次世博会上得到多方面的应用，主要体现在世博馆规划设计、馆内虚拟展示和网上世博会三个方面。

1.世博会虚拟规划设计

针对世博会场地和场馆的规划，设计者利用虚拟现实设计大大提高了场地规划的科学性的效率。设计中，世博局引入CityMaker系统对用地范围的实际建筑进行三维建模，将得到的现状图片、AutoCAD图纸等数据资料进行叠加。对于改造方案，也利用虚拟现实技术比较选出最为合理的设计方案。

2.世博场馆内虚拟展示

上海世博会全面采用了虚拟展示系统。例如沙特360度环幕的珍宝剧院，在播放深海奇景、星级穿越等情景时，让观众身临其境、心潮澎湃，虚拟现场为观众带来了非常强烈的视觉体验。世博会石油馆也利用虚拟现实技术，石油馆的影院中播放的4D电影《石油梦想》，为观众展示了石油演变的整个过程，结合4D影片的效果和情节，设计放映厅的座椅可以前倾后仰，为观众带来动感体验，同时还能听到风声、闻到石油的气味等，使观众对影片印象深刻。

3.网上世博会

网上世博会是实体世博会的扩展和补充。网上世博会是中视典数字科技有限公司的VRP-museum系统和水晶石公司的N-city系统等共同制作完成。网上世博会通过交互的方式为场外人员介绍了世博会的大量背景，包括游线预览、场馆介绍等。

虚拟现实技术成为各个领域发展的突破手段，通过它向人们展示未来生活的片段。虚拟现实技术不仅在商业展示中给人们带来惊奇的体验，在其他建筑设计、数字化酒店、大型工程漫游和医学研究等各方面都有广泛应用。由此可见，科学技术的应用对我们生活的影响越来越大。

结束语：

作为一项新兴技术，虚拟现实技术带给人们大量的视觉体验，拉近了观者与展示产品的距离，有效节约了设计成本，其应用前景十分广阔，但仍有许多问题有待研究，只有真正找到这些问题的技术实现途径时，信息处理系统和人之间的隔阂才能完全被克服。

参考文献：

[1]赵沁平.虚拟现实中的科学技术问题[J].中国计算机学会通讯.2013，（1）：12-14.

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关键词：大学生 虚拟现实 技术应用

1、虚拟现实的现状

虚拟现实（VR）技术是20世纪90年代以来兴起的一种新型信息技术，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，被公认为是21 世纪重要的发展学科以及影响人们生活的重要技术之一。目前在国际范围内，VR技术普遍应用在医疗、工程、军事、航海、娱乐、游戏、教育领域，并且在电子商务方面存在巨大的潜力。2016年被业内人士称之为VR元年，从年初VR概念爆发，各种VR头显蜂拥出现，层出不穷的创业团队投身其中，各界品牌进军VR产业，资本不断注入。国内更是把虚拟现实产业纳入“十三五”规划，大力推进虚拟现实与互动影视等新兴前沿领域创新和产业化，形成一批新增长点。如果说2016是VR元年，那么2017年则是VR内容爆发年，也是VR相关技术相关知识实现普及的关键。

2、虚拟现实的技术应用

目前VR涉及的主要领域有娱乐：在2015年，Oculus Rift推出了一个Netflix应用，用户可以在虚拟影院中观看电影。虚拟现实不仅可以让看电影和看电视变得更加有趣，还可以提供一个新的观看场景。想象一下，你可以足不出户就可以去到虚拟影院，你甚至可以与其他粉丝参加歌迷见面会；游戏：VR游戏的关键在于沉浸感和临在感。随着Oculus Rift和HTC Vive的发货，VR游戏开发者们普遍认为未来1-2年会出现一个或数个“爆款”；教育：虚拟现实可以用于教室，作为教学的工具。早在2009年的时候，老师们就在猜想虚拟现实能否作为一对一教学的工具；医疗：路易斯维尔大学的调查人员在尝试利用虚拟现实来治疗焦虑症和恐惧症。斯坦福大学的一些研究人员也把虚拟现实应用在外科手术训练中。随着医疗行业正在变得网络化，虚拟现实的应用只会不断的增加。拓宽VR应用范围如虚拟现实探险，相信没有比虚拟现实更好的方式，让你在旅行前去体验目的地的魅力。通过一款VR的应用则能够据自己喜好让你在家中就可以实现荒野生存的体验；显然，通过VR科技可以借助虚拟现实实现预览、规划、演示的目的，有助于我们更轻松制定行程和计划，同时能够让我们探索一些无法企及的目的地。心理治疗：可发挥模拟现实技术，运用于空巢老人人群，模拟现实场景，治愈或减轻老人心理孤独的感受；或运用于心灵遭受创伤，精神几近奔溃的人群，通过VR技术模拟环境，抚平痛苦与恐惧，达到治疗心理疾病的效果从而替代药物治疗，避免药物副作用对人体的二次伤害。

3、问卷分析

为了更好的了解大学生对于当下虚拟现实产业的了解程度及看法，设计问卷，并通过线上问卷的方式进行问卷收集。本次问卷以江西省内大学生为主，共收到231份问卷，其中有效问卷数229份。女性118份，男性111份。

通过问卷的数据，表现如下几个方面：

大学生对于VR虚拟技术应用了解不深

根据调查问卷显示78.5%大学生的对于虚拟实现有了解，但比较了解的只占7%，完全不了解占13.5%。其中对于虚拟现实已存在的设备重要在于VR眼镜和头显而对于其他VR设备如：建模设备3D呙枰恰⑸音设备、交互设备数据手套等关联产品了解甚少。就现今市场而言VR产业产品并不多（以VR眼镜、头显为主），主要还只在于娱乐设备方面的推广，而其他领域并未涉广太深，对于虚拟现实应用广度还在拓展阶段。

3.1 大学生对于VR产品的看法

调查问卷显示，89%的大学生愿意去尝试VR产品，仅有11%不愿尝试。数据显示就VR产品自身主要反映出以下几大缺陷。体验感、功能的增强、防止晕眩、轻巧方便等方面。例如在早期的VR产品中，就已经发现了晕动症的存在，虚拟现实晕眩症用于描述用户在使用头部控制的虚拟现实系统后产生的晕动病。。VR设备的重量过大一直是优秀VR研究的一个点，臃肿的VR设备对用户来说就是一个负担，戴久了就会很累。画面不足包括清晰度低，强颗粒感和画面畸变。糟糕的硬件和体验，导致用户无法完全沉浸到虚拟世界中，也无法体会到更具有魅力的虚拟现实等。VR设备关于产品性能方面存在较多不足，这正好佐证了现今VR设备仍未能深度融入社会生活的现状，反映出VR就产品本身仍有较大的提升空间。

关于涉及VR现存产品该作何改进时，绝大多数认为在技术上，要增强视觉享受，希望产品功能能够更加齐全，在使用操作上更加的舒适，产品质量更加优质，更加的物美价廉（68%的大学生希望在100-1000范围内）并不注重品牌。根据数据说明，当下大学生对于VR这个新领域还是愿意尝试，但是现存虚拟显示设备无论在功能上、价格上、外观操作上仍存在诸多问题，但是市场上对于品牌并不过多关注，因此谁能更好的掌握技术创新谁就能抢占市场！

3.2 大学生对于VR前景的看法

问卷显示，37.5% 的大学生认为将会是一场全世界范围内的技术狂欢，会极大地改变我们的生活。58.5%认为还有很多的问题为解决，但前景仍是一片光明。仅有4%的大学生认为只是昙花一现。关于VR方向应用的调查，其中前三的领域为影视、游戏、教育。大学生对于虚拟现实的前景还是很憧憬的，只要能够将推广、功能技术上运用方面的问题解决好，将是个巨大的市场，其中娱乐方面前景巨大。当然就现在VR技术在影视上面的应用相对比较成熟，我们并不一定非得将VR技术与影视功能联系起来进行推广，我们可以将VR技术与更多的功能相结合，从而形成产业圈来发展VR产业，技术共享，推动VR技术的前景通过调查问卷反馈的信息，就VR技术显现的主要不足告诉我们不仅及时进行解决完善并进行创新发展，同时也体现出关于大学生用户下VR研究的必要性。不过，从优势方向反映出关于VR产品的发展前景还是十分可观的，依托现今信息技术高速发展的背景下，VR技术的不断发展更新定能创造一个VR时代的来临。

4、建议与趋势

4.1 产品本身角度： 拓宽VR横向广度，即拓宽VR产品涉及加深VR纵向深度

即就虚拟现实本身性能，开发新技能，延长VR功能项目。VR技术应用广度上主要集中于影视、游戏方面，只是作为一种娱乐工具。若想真正融入人们的日常生活，必须能为用户创造显著的价值，使应用更加大众化，在医疗、教育、购物等方面更多应用的拓展。性能上主要为模拟现实，使用户充分体验沉感和临在感。但今后VR发展可以从拓宽其纵向深度为出发点，使虚拟现实不仅局限于视觉体验，就感知设备还可以应用到嗅觉、味觉、触觉等多 方位。从社交方向看，可以利用虚拟现实技术综合利用视觉听觉触觉多方位功能，打开设备即可亲临交流，真正实现突破时空的局限。

4.2 从用户角度出发

4.2.1 增进用户体验

目前VR产品现状为一般VR头显和VR一体机，价格相对较高，很多尝鲜的用户望而却步。基于现有技术、消费场景和价格敏感度，手机VR盒子是最易普及的产品。但目前市场上流通的大部分VR盒子并未解决光学、输入体验、视野和外设环境等沉浸式体验方面的问题。其虽价格低廉，但使用户体验大打折扣。由此，须要求在VR技术完善的条件下，增进用户体验，比如在销售环节采取亲身使用或对产品进行细致说明，使用户充分了解VR产品。

4.2.2 准确市场定位，确认需求，挖掘VR被动型问题

l展方向可利用VR技术进行预先规划。就女性梳妆打扮为例，通过虚拟现实技术，预先进行妆容效果展示、对服装搭配效果是否合身得体、是否凸显本人气质、是否适合当前天气进行预测，通过对效果评估用户即可快速做出决定，仅仅利用VR效果预览的功能即可使女性妆容更得体，生活节奏更高效，并且使人更加自信。因此，开发者必须进行准确市场定位，通过一定方式提醒用户VR潜在的效能，让用户意识到被动型问题的存在。

4.2.3 让VR充分融入生活，拉近用户之间的距离

手机市场的快速发展，除了手机核心价值与附加功能的完备之外，还在于使消费者充分意识到手机存在的必要性，甚至少数人群已经达到没有手机就缺失安全感的地步。因此，使VR融入生活各方面，拉近虚拟现实技术与人类生活的距离，可以在保持核心价值的基础上，开发更多VR附属产品，达到便民利民，让用户体验到VR的存在感；还可以与其他产业联系合作，实现优势互补。

5、结论

尽管现在VR技术存在很多的问题，阻碍了VR技术的发展，而这些问题更多的是技术性的问题所导致的，相信在大多数人的心中VR技术的发展和应用还是有着很大的发展空间，随着时间的推移，科技水平的不断提高，许多技术上的问题得到解决，VR技术将会有着广阔的前景而不只是在影视这一单一功能上有所建树，甚至会覆盖人们的衣食住行各个方面，当发展到一定程度时，改变人们的生活方式也不无可能。

参考文献：

[1]赵沁平.虚拟现实综述中国科学F 辑： 信息科学2009年第39卷第1 期

[2]牟长军，童志伟.综述虚拟现实技术及其应用Equipment Manufactring Technology NO.1， 2007

[3]卞锋，江漫清，桑永英.虚拟现实及其应用进展 计算机仿真 2007年6月第24卷第6期

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关键词 虚拟现实 仿真 培训系统

一、虚拟现实仿真平台概述

虚拟现实仿真系统最为重要的是保证各子系统之间能够自由地进行数据交换以实现平台协作。系统的组成包括数据库平台、仿真平台、虚拟现实平台以及虚拟现实场景维护平台。仿真平台以实际工业生产过程的工艺机理为原型，可以完成化工生产过程的仿真任务。仿真过程中从数据库平台获取基础数据并将仿真产生的动态数据写入数据库。虚拟现实平台需要从数据库平台获取生产数据以实现对生产仿真过程的呈现，同时也可以在该平台中对数据库的基础数据进行维护。场景维护平台则负责虚拟现实场景的维护工作。虚拟现实平台可以通过数据库向仿真平台生产控制指令，仿真平台则通过数据库将生产过程的状态信息反馈虚拟现实平台。

（1）虚拟现实仿真技术特点。虚拟现实仿真系统是能在虚拟场景中漫游，并能对场景中对象做交互操作。该仿真系统的构成有：1）场景的三维模拟。对实际场景和环境采用虚拟现实仿真技术。用软件绘制图形模块，再转换成编程语言支持的形式。三维图形的好处在于视觉上能带给人身临其境的感觉，不同于普通的平面图形呆板的特点，利用三维虚拟和仿真技术相结合，不仅可以对现场环境进行再现，还可以通过搭建数学模型，通过连接仿真平台和虚拟现实平台，形成一套交互式的仿真系统。2）成员仿真。应急预案演练过程中，有各种职能的“角色”参与其中。一是总指挥：判断事故状态，调度各种资源，指挥职能部门。二是现场指挥：根据现场状态，调度本部门人员和资源。例如，车间、消防队、环保监测等，指挥操作人员。三是操作员：按照职能要求和指令，进行具体操作，如现场巡视、堵漏、关阀、消防队员浇水降温、灭火等。3）内容仿真。对场景内可支配物体、活动规律等的仿真。一是工艺模型：描述工艺过程变化，参数调节对过程的影响，控制系统动作等。二是工具和资源的模型：如水枪、消防炮、设备等。三是三维互动模型：仪器、仪表、阀门、开关等。

（2）虚拟现实平台。虚拟现实平台由主体程序和三维场景两部分组成。首先三维软件对装置主体及周边环境进行模拟，然后将其装换成编程语言后导入到仿真主体程序中去，和主体程序实现交互。同时利用VB的图形化界面设计功能和数据库读写控制功能，对数据进行编辑和访问，这样，用户在使用系统时，既可以浏览装置场景又可以修改各类装置的属性并读取生产数据，也可以命令实现与仿真模型的交互。

二、仿真培训系统开发总体设计

（1）动态仿真培训系统开发综述。仿真平台开发化生产过程仿真系统重点工作包括三个部分：第一要建立系统模型，首先确定仿真范围，然后根据工艺设计数据计算各管线和设备物流数据。例如，流量、温度、压力等。然后再用这些数据辨识具体设备模型。最后搭接设备模型，即系统建模。第二要建立仿DCS系统，即完成各种组态工作以及模型与操作界面（包括仿真DCS/现场画面）的变量通讯（数据交换）组态。最后是系统调试，目的是使系统运行稳定且协调。化工装置仿真培训系统的开发包括DCS功能开发、模型开发和现场站功能开发等。1）DCS功能开发。DCS功能开发包括以下几个方面：第一是图形显示系统，包括总貌图、流程画面、组显示图、历史趋势图、报警画面、软开关图、状态显示等开发。第二是DCS功能开发，包括DCS键盘功能、DCS使用功能等。第三是报警和连锁系统开发。2）现场站功能开发。现场站功能开发有现场站图形显示系统，包括总貌图、流程画面和现场站阀，上泵，开关，搅拌器等可操作设备功能的开发。3）模型开发。模型开发采用GPRES软件平台，其建模过程是模块化的，具体来说就是：模型由参数固定的模块搭接而成。每一个模块都包含输入、输出和系数三种参数，都实现一种算法功能。算法是特定的数学模型，用来模拟相应的化工设备或单元操作。

（2）模拟范围及条件。1）资料准备。开发中涉及的资料包括：工艺原则流程图（PFD图）、工艺自控仪表流程图（P&ID图）、物料/热量平衡数据表、工艺原理说明、操作规程、事故仿真技术、评分标准、设备资料、仪表资料等。2）初始条件。仿真模拟的初始条件为：每个模型将提供两个初始条件：稳态和冷态。稳态条件是用来培训学员的正常操作或用来进行故障处理和停车训练，它代表装置平稳运行时的状态，以PFD图和物料平衡数据为基础，进行开发模拟。冷态条件也称作开车态，用来培训学员进行装置开车，代表装置停车时的状态，某些基础开车步骤如管线吹扫，仪表阀调准等假设已经完成，装置已具备投料条件。3）装置故障模拟。仿真平台可以提供的故障类型：影响范围广的全装置故障、局部关键设备故障、局部转动设备故障、变送器漂移、静止设备故障、装置特有故障。

三、虚拟现实仿真系统架构

（1）系统功能。把VR技术与仿真技术有机地结合起来，就构成了加氢裂化装置虚拟现实仿真系统。它应具备以下功能：1）虚拟现实仿真培训系统能够模拟装置现场的场景，实现各个设备的建模和虚拟场景的三维建模，并且体现出材质和变化，附加贴图，使用户能够在与现实非常相似的三维虚拟环境中自由交互、随意漫游，并且随时接收到场景反馈回来的信息，信息内容包括使用者在当前所处的场景位置和视野方向，装置的场景中实物的概况和使用者在操作过程中的注意事项、提示信息等。2）根据用户的需求，系统可以暂停或恢复正在运行的仿真过程，能根据不同用户有差异的操作秩序和参与程度给出智能评价，同时能够记录使用者的操作步骤信息和保存相关的系统数据、资料结果等。3）虚拟现实仿真培训系统会提供良好的人机互动界面，包括场景浏览模式的选择、相关浏览器信息、虚拟场景的描述及反馈信息、曲线面版，可以快捷简易地创建和修改虚拟环境，数据输入手段非常友好，可以进行优化控制参数的操作，亦可存储和公布数据结果。4）通用性、扩展性和维护性的功能强大，可以对多种编译平台、硬件的加入提供支持，可以满足不同装置的差异性需求。

（2）效果评价。虚拟现实仿真培训系统界面友好，设计简洁、有效、界面清晰、易懂，只需简单培训就能很快掌握其操作步骤和方法。培训系统功能齐全，包括冷态开停车、单项操作、事故状态、评分，实现了DCS控制系统的高级控制、连锁控制、紧急停车等功能，同时开发了具有三维真实感的现场环境，实现了3D巡检培训功能，提高了仿真培训系统的真实感。培训系统逼真度高，仿真效果与实际装置运行的现象基本吻合。动态变化趋势与实际装置运行的现象吻合，现场三维环境与生产现场几乎一致。培训系统硬件和网络结构简单，易于维护和扩充，能够扩大同时参加培训的员工人数。

（作者单位为中国石油辽阳机电仪研修中心）

参考文献

[1] 郭艳军.化工仿真系统的研究与开发[J].计算机应用技术，2007（5）.

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关键词：虚拟现实技术；体育；应用；新元素；多元化；娱乐化

1.虚拟现实技术的概念

虚拟现实（ Virtual reality， VR ）技术是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术以及仿真技术等多种科学技术综合发展起来的计算机领域的最新技术， 也是力学、数学、光学、机构运动学等各种学科的综合应用。虚拟环境通常是由计算机生成并控制的， 使用户身临其境地感知虚拟环境中的物体， 通过虚拟现实的三维设备与物体接触，从而真正地实现人机交互，可以说人处在虚拟环境之跟现实环境是没有差别的。

2.虚拟现实技术的分类

现阶段虚拟现实技术主要分为桌面虚拟现实、沉浸的虚拟现实、增强现实性的虚拟现实、分布式虚拟现实。

桌面虚拟现实利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口。常见桌面虚拟现实技术有：基于静态图像的虚拟现实QuickTime VR、虚拟现实造型语言VRML、桌面三维虚拟现实、MUD等。

沉浸的虚拟现实提供完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。它利用头盔式显示器或其它设备，把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟器、数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。常见的沉浸式系统有：基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统、远程存在系统。常见的沉浸式系统有：基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统、远程存在系统。增强现实性的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。

增强现实性的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。典型的实例是战机飞行员的平视显示器，它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，它可以使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，从而可集中精力盯着敌人的飞机或导航偏差。

分布式虚拟现实是指多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，那虚拟现实则提升到了一个更高的境界，这就是分布式虚拟现实系统。在分布式虚拟现实系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。目前最典型的分布式虚拟现实系统是SIMNET，SIMNET由坦克仿真器通过网络连接而成，用于部队的联合训练。通过SIMNET，位于德国的仿真器可以和位于美国的仿真器一样运行在同一个虚拟世界，参与同一场作战演习。

3.虚拟现实技术的特征

虚拟现实技术三大特征：1） 沉浸感（ Immersion） ： 计算机生成的虚拟世界给人一种身临其境的感觉。2） 交互性（ Interaction） ： 人能够以很自然的方式跟虚拟世界中的对象进行交互操作或者交流， 着重强调使用手势、体势等身体动作（ 主要是通过头盔、数据手套 、数据衣等来采集信号） 和自然语言等自然方式的交流。3） 构想（ Imagination）： 虚拟环境可使用户沉浸其中并且获取新的知识， 提高感性和理性认识， 从而使用户深化概念和萌发新意。因而可以说 ， 虚拟现实可以启发人的创造性思维 。

4.现阶段中国体育领域大环境

4.1政策红利覆盖全国

2015年，在利好政策不断出台的情况下，体育产业进入高速发展时期。据国家体育总局统计，《意见》一年来，包括体育总局在内的有关部门已经出台了15份配套文件，另有 8套文件已经形成初稿。文件制定涉及发改委、公安部、新闻出版广电总局、旅游局等多个部门。这些文件的制定和出台，使广受社会关注的赛事审批、赛事转播、安保服务和大型体育场馆等问题取得了阶段性的进展。

在地方贯彻方面，截至目前，已有31个省区市出台了本地区的实施意见。2015年10月，国家体育总局局长刘鹏在全国体育产业工作会上透露，据不完全统计，各省（市、区）上报的2025年体育产业总规模总和已经达到7亿。

4.2资本抢夺核心资源

2015年8月27日，万达集团王健林以6.5亿美元收购了美国世界铁人公司100%的股权。阿里巴巴获得世俱杯冠名权的消息在2015年12月引起各方关注，而相同级别的爆炸性消息在年内频繁出现。过去一年，体育产业投资大幅增加，国内、国际体育赛事核心资源成为哄抢的对象。

4.3体育方式多元化，娱乐化

随着全民体育概念的提出，体育逐渐走向民间，体育的多元化，娱乐化也因此而加深。提高国民身体素质是当前的中国体育的根本目标，为了使体育更加亲民，越来越多的科技元素，娱乐元素加入原本一板一眼，枯燥无味的体育运动中。近年来，越来越多的体感设备与体育相结合，受到了广大体育爱好者额欢迎，特别是一些由于场地限制的体育运动项目，如高尔夫，网球，在体感虚拟的环境中，都可以尽情的体验体育带来的快乐。

5.虚拟现实技术应用于体育增加其娱乐性

5.1为体育观赛带来娱乐体验

体育赛事最需要的莫过于身临其境的现场感，通过自由切换，实时流畅的虚拟现实动态直播，观众可以排除周边的干扰，全身心、近距离地感受到图像带来的震撼感和冲击力，观赛体验比之收看传统转播大为提升。大大增加了观赛的娱乐体验感。

5.2为体育训练娱乐训练方法

根据虚拟现实技术， 通过相应的三维图形图像库构架模拟训练环境， 包括训练场背景、比赛的场景、各种赛场装置和相关人员等， 为受训者营造一种逼真、生动的立体训练环境。利用虚拟系统设计出“有生命”的草坪，以增强临场感觉， 达到模拟训练的效果， 提高训练质量。于此同时，因为虚拟现实技术有沉浸感这一特性，运动员可以完全进去虚拟现实设定的环境中，在这种环境可以增加体育训练的娱乐性，使原本枯燥的体育训练变得有趣起来，以此来提升运动员的练积极性。

很多国家训练队都已经在教学、训练中采用虚拟现实技术，如用Be-yondSport的VR技术对足球训练进行实时的沙盘演练、视频分析、战术复盘以帮助足球队提升教学水平，且以后还计划在更多球队、赛事中推进。通过大数据整合等为体育活动提供战术辅助训练，VR目前已经在棒球、赛马、橄榄球等多个项目得到广泛应用。由此可见，在不久的将来，VR设备有望成为各赛事职业俱乐部和球队的刚需产品。

5.3为全民健身带来新的娱乐方式

全民健康是国家综合实力的重要体现，是经济社会发展进步的重要标志。全民健身是实现全民健康的重要途径和手段，是全体人民增强体魄、幸福生活的基础保障。实施全民健身计划是国家的重要发展战略。运用虚拟现实技术构想性这一特点，可以为参加大众健身的用户营造一个有趣，娱乐的虚拟健身场景，在愉快的心情下完成健身。

目前基于虚拟现实技术的健身应用层出不穷，Sanzaru开发的《VR体育挑战》是这类体育游戏的一大代表。在该游戏中，借助Oculus Rift的动作感应手柄，玩家可以以第一人称视角畅玩橄榄球、篮球、曲棍球和棒球等美国四大主流运动，游戏气氛不亚于风靡全球的《NBA嘉年华》。无独有偶，美国公司Vir Zoom也推出了一套将健身单车、VR设备与小游戏结合起来的健身设备，创造出戴着VR眼镜骑着单车开F1的奇效

6.总结

随着虚拟现实产业的发展，技术将不断渗入体育产业链条的各个环节，越来越多的公司开始渗入虚拟现实产业链各个环节，体育产业与虚拟现实的结合会越来越密切，特别是虚拟现实的三大特性会完全颠覆传统体育产业，为体育产业增加更多的娱乐性，推动体育产业的发展。目前虚拟现实技术还处于技术红利阶段，只有未来过渡到内容红利阶段，才算真正的站稳了脚跟。希望虚拟现实能够为体育产业创造更大的商业娱乐价值和社会价值。

参考文献

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[6]李艳波，张菁.网球比赛仿真系统的研究与实现.[D]：2008.

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【关键词】船舶工程；虚拟现实；应用平台；研究

【中图分类号】U664【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）02-0034-01

虚拟现实技术作为一种高新技术，可以通过计算机将复杂的数据进行可视化，比传统的人机界面有着质的飞跃。在船舶工程中有很多方面都使用了虚拟现实技术，包括系统仿真、虚拟模拟器等，在教学和设计工作中十分受欢迎。通过虚拟现实的应用平台模拟复杂的海洋航行环境和仪器设备操作效果，实现崭新的人机交互，使用户更加直观、准确的实现操作者的意图。

一、虚拟现实系统在船舶工程中的应用现状

虚拟现实系统的主要特征包括交互性、构想性、感知性以及浸没感，通过在计算机的作用下生成三维的虚拟环境，使参与者能够感受到仿真的模拟环境，增强对事物的认识能力。

在船舶的机舱内有各种复杂的设备，所以制作出来的图像比较繁琐，使用轮机模拟器不能将机舱的整体设备结构图制作出来，只能实现对推进装置的运转工况参数仪表指示的仿真。在教学的过程中由于看不到机舱的实物，只能够通过按钮或者手柄实现相应的运转情况，在故障的判断方面还是存在一定的技术误差。随着计算机技术的不断发展，在船舶工程中使用多媒体、虚拟现实以及三维动态仿真等技术在机舱动感视景方面已经小有成就，但是从国内外的船舶工程虚拟现实的应用研究方面，都没有形成完整的体系，处于将半物理的仿真平台转向虚拟化的阶段，所以还存在很大的进步空间。

二、船舶工程虚拟现实系统的构成

1、系统构成

1）系统结构

船舶工程虚拟现实应用平台，是基于计算机模拟仿真技术的基础上实现对船舶的虚拟操作、拆装等过程。所以计算机虚拟现实系统给参与者提供了虚拟环境，整个系统包括三个方面：虚拟元器件库、设备库、实验单元和管理维护模块。虚拟现实应用平台主要为用户提供一个网络访问的服务器，在进行虚拟硬件实验的时候可以通过虚拟现实应用平台来实现程序的编辑、设计等。在虚拟仿真模块主要进行虚拟程序的编译、运行以及信号的检测等。

2）虚拟现实应用平台设计

主要有以下几种类别：①虚拟器件类。可以通过虚拟器件对IC元件的功能进行模拟。②虚拟仪表类。主要模拟对虚拟试验中的仪器仪表进行仿真的模拟，比如探测器、信号发生器、LED等。③虚拟面包板类。可以对面包板的功能进行模拟，通过虚拟引脚可以实现器件在面包板上的连接、信号传播等。④虚拟实验台类。可以对虚拟的实验平台进行模拟，主要负责各类仪表以及虚拟系统的管理。

2、功能的实现

1）元器件之间的连接

在虚拟元器件中主要通过引脚来实现不同器件之间的连接，虚拟现实系统中连线工作是信号传递的介质，是独立的一个整体，主要以Active控件的形式存在，在外观上由连线的点与线共同控制，实现了连线的工作运行。对于一对一的连线形式，在Sender函数的作用下，能够控制信号的接收和发送，整个过程中不会产生信号的冲突。但是在多种对接的连线类型中，会发送很多的信号，由于系统的抗干扰能力有限，所以会产生一定的冲突。由于虚拟现实系统有自身的特征，不同的信号在发送时，可以进行相应的逻辑处理，在信号源之间能够将它们的不同关系分析出来，然后在逻辑处理的过程中将多种对接类型的连线转化为一一对接的类型。具体的方法为：先分析各端点之间的关系，确定属于哪种类型的连线，如果只有一个信号的发送，不同点的接收，就可以判断为一对多的接收关系；有多个信号发送，不同点的接收，属于多对多的类型的连线，判断完之后在电路中安装一个逻辑门电路，可以作为信号发送的输入端，在门电路的作用下就能够实现一对一的连接关系。

2）虚拟现实系统对信号的控制

虚拟现实应用平台要对船舶进行设计，所以要对计算机传输的信号进行有效的控制。在计算机虚拟硬件电路中，经常把数字信号作为数据处理的对象，分析虚拟元件与电路的关系。在虚拟机实验系统中，虚拟连线作为主要的信号介质，如果在虚拟元器件的内部关系发生变化时，引脚值也会相应的改变，导致信号连接的连线值发生变化，这种情况叫做电路的触发，是通过Sender的方式来完成的。

3）多缓冲区多线程技术

在虚拟机中主要通过多个线程来完成不同的系统操作，提高了线程间通信的效率，使操作变得简单便捷。虚拟机通过数据缓冲的方式，可以将不同的模块同步的运行，占用系统最长时间的是虚拟机仿真运行模块，所以为了实现不同模块的同步要求，对多终端及网络系统进行了系统设计，同时虚拟机实验系统采用了缓存机制，将四个模块设置相应的缓存区，实现了线程的同步控制。

三、船舶工程虚拟现实应用平台系统模块及功能

1、主要的系统模块

1）CHSVL仿真运行模块

CHSBL作为虚拟机的现实应用平台，可以将其分为四个模块，包括虚拟机仿真运行模块、引脚模块、编译模块以及信号输出模块。在这四个模块相互作用之后实现了虚拟机系统的仿真运行。在整个系统的运行中必须要实现数据检测、编译、输出的并行操作，这样才能保证虚拟实验环境不受影响。

2）软件模型及数据库的建设

建立完相关的功能模块后，船舶工程虚拟现实应用平台能够模拟出整条船的工作状况，在实际的应用中要对各种设备模型和数据库进行研究，在建设软件模型及数据库的过程中要避免使用市场上的封闭式的应用系统，比如虚拟轮机模拟器器模型、机舱设备模型等，同时还要保证数据模型具备二次开发功能，给用户提供接口功能，而且对于不同低端的应用软件要组成将开放性的协同设计体系，设计结果可相互或转换，这样就能够在最大程度上扩展虚拟现实系统的应用。数据库的建设要独立于硬件平台，抢占式多任务管理，系统功能完善，而且容易维护。利用S Q L Server2000管理数据很容易就能够实现C/S模式数据管理，使用该系统能够对数据的访问进行修改，实现了产品的协同设计。

2、虚拟现实应用平台的主要功能

船舶工程虚拟现实系统的建设功能主要是从以下三个方面体现出来：第一，在教学的过程中系统可以将整条船进行虚拟的漫游，然后再交互设备的基础上实现对船舶设备的虚拟操作，进行动态的模拟，同时还可以对设备和机器进行虚拟的拆卸和装配，满足实验教学的需求；第二，在科研方面，虚拟现实应用平台能够对设备进行虚拟的设计、演示，在设备的使用前可以预演运作的过程，如果运行有问题，可以进行及时的修改；第三，在生产应用方面，可以提供船舶的设计、运行等虚拟的环境，并对船舶设备的运作进行虚拟的演示，实现产品设计的零投入。

总而言之，船舶工程虚拟现实应用平台通过在不断的研究下已经形成了特定的体系，实现了对船舶设备的三维空间模拟操作，但是在它的开发和使用中还存在一些问题，比如在虚拟机的使用中互动性差、连贯性不高，而且在软件的使用上比较复杂，功能太多不容易操作，所以在实践中要不断的完善虚拟现实应用平台，提高工作效率，让用户更加直观的了解操作者的意图。

参考文献

[1] 蒋革，宗晓晓；船舶虚拟设计技术综述[J]；江苏船舶；2004年01期

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【关键词】 虚拟现实电子商务网络

1引言

虚拟现实(virtual reality)是通过多媒体技术与仿真技术相结合,生成逼真的视、听、触觉一体化的虚拟环境,用户以自然的方式对虚拟环境中的对象进行体验和交互。然而当前的电子商务大多是基于web的,要在其中普及由视觉头盔和数字手套等设备构成的力反馈式交互虚拟现0实是极其困难的(一是技术原因,二是资金原因)。但是以键盘、鼠标和显示器等常规输入输出设备在客户机浏览器中构成交互环境的网络虚拟现实技术却日趋成熟和完善,这些以web 3d技术为基础的网络虚拟现实技术同样以模拟自然、体验逼真和交互极强为目标,在相当程度上高效、经济地实现了虚拟现实系统的目标。

由于网络虚拟现实技术的出现,不仅促进了虚拟现实技术的普及应用,而且也给电子商务带来了新的应用空间,有效地提高了电子商务的质量。因此,充分认识虚拟现实技术在电子商务中的重要性、研究网络虚拟现实技术的特点及其应用规律,从而进一步促进电子商务的发展,已成为当前电子商务中的一个重要课题。

2虚拟现实在电子商务中的作用

2.1虚拟现实技术的特点。

临场感:用户感觉到沉浸于在浏览器中所呈现的虚拟环境中。

多感知性:用户能以视觉、听觉等多种形式感知信息。

交互性:用户能以接近自然的习惯,用常规的输入、输出设备对虚拟环境中的物体或场景进行操作和得到反馈。

真实性:虚拟环境中的物体运动接近符合物理定律。

高效率:虚拟环境中三维空间的建立和显示不过分依赖客户机的硬件性能并可实时渲染,所需传输的数据量小且可流式传输。

2.2虚拟现实在电子商务中的作用。由于网络虚拟现实技术的上述特点,它在电子商务中正起着独特的作用:

真实感强:缩小网上购物与真实购物环境间的差别,是一个接近现实场景的虚拟智能购物商城。

激发购买热情:网上产品展示的目的不仅仅是展示产品,而更重要的是通过让客户更多地了解产品而提高产品的购买率。通过网络虚拟现实技术可将用户在购买过程中产生的假设进行虚拟,呈现相应的结果或效果。这样有利于激发用户的购买热情。

拓展电子商务的内涵:internet作为有效的商业信息的交通通道被广为接受,网络虚拟现实技术的应用使电子商务的内涵被大大地拓宽和延伸了。

3网络虚拟现实技术

目前网络虚拟现实技术大多是基于web 3d[1] [2] [3]技术的,而web 3d技术主要由实时3d建模和动态显示两部分组成。通常实时3d建模和动态显示分为两种类型,一种是基于几何模型,另一种是基于图像。这两种技术方案各有其特点,前者可方便地建立以任意角度进行观察的3d空间,但计算量大,因而对硬件要求较高,对复杂模型的建模过程较为困难;后者采用图像镶嵌方式实现实时建模,开发成本低,计算量小且效果逼真,但数据量较大。

各种网络虚拟现实技术为了能在网络这一特殊环境下不断发展,都不仅具有鲜明的技术特点,而且也都尽量扬长避短,形成了各自的技术风格,这也为我们在电子商务中针对不同展示内容选用最为合适的网络虚拟现实技术打下了良好的基础。有鉴于此,研究和对比分析各种主流网络虚拟现实技术是十分必要的。

3.1vrml(virtual reality modeling language——虚拟现实建模语言)[4]是专门用于在网上建立虚拟现实的设计语言,它采用基于几何模型的实时建模和动态显示方法。vrml可以用于建立真实世界的场景模型,也可建立虚构的三维空间。vrml提供了所谓的6+1度浏览,即沿三轴方向移动场景和旋转场景,同时还可以建立与其他3d空间的超链接。

vrml文件是文本文件,它可以用文本编辑器编写生成,其文件扩展名是.wrl。由于vrml语言语法规则较为复杂和严格,靠人工编写vrml文件工作量极大,因此一些三维建模工具(如3ds max)以可视化方式建立3d空间并自动生成vrml文件,提高了开发效率,但这样生成的vrml文件数据量比人工编写的文件大得多。

vrml适用于构造虚拟三维环境,而对于表达现实世界的真实场景和物体则略感不足。

3.2quicktime vr。quicktime是apple公司开发的数字图像影视技术规范,它包含多种媒体数据的压缩/解压缩技术。quicktime vr是其中一种新的媒体数据格式。它包含了对象影视(object movie)、全景影视(panoramic movie)和多节点影像(multi-node scene)等几种形式,其文件扩展名是.mov。

由于过去quicktime是mac系列机上的数字视频规范,因而制作quicktime vr的开发工具大多在mac机上运行,缺少pc机windows上的开发工具,而现在已出现了许多windows上的quicktime vr的专业开发工具,如vr toolbox等,使得开发用于电子商务的quicktime vr影视更为便捷和高效。

3.3cult3d是cycore公司基于java开发的网络虚拟现实技术,它具有独特的渲染方式,可动态显示极高质量的图像且不依赖3d加速卡等硬件,所产生的文件(.co)数据量小且可保留建模工具中所建立的贴图,并可以在3d物体上设计各种交互和添加声音,特别适合于在网络上表达3d对象。

cult3d技术本身并无创建3d模型的能力,它依靠专门的3d建模工具软件来建立3d模型,并通过安装在这些软件中的插件导出所需的3d模型。支持这一功能的3d建模软件有3ds max 和maya。在cult3d的交互功能设计软件cult3d designer中为3d对象设计动作和交互并输出用于网络的压缩文件。

cult3d技术的弱点是不易表达360°的全景虚拟环境。3.4viewpoint是viewpoint公司的网络虚拟现实技术,其正式名称是vet(viewpoint experience technology),它的前身是著名的metastream技术。由于viewpoint开发的虚拟现实文件数据量小、可流式下载、动态显示图像质量好以及可实时交互控制改变纹理贴图,因此被广泛用于在网上表达3d对象。viewpoint技术可以根据网络条件状况自动调整显示3d对象的细节和播放帧率,因此它对网络带宽适应能力较强。

通常开发viewpoint的虚拟现实文件是从3ds max中导出ase文件,在viewpoint的核心应用程序viewpoint scene builder中导入ase文件,并对相应3d场景的有关元素(如:材质、动画、交互动作和场景定义信息)进行编辑和设计,最终输出可在浏览器中播放的viewpoint数据文件(.mts和.mtx)。

3.5flash是macromedia公司开发的矢量动画技术。flash动画采用网上流式播放技术,在安装了flash播放器的浏览器中可以流畅地播放flash动画。在flash中制作动画时,不仅可在开发环境中绘制矢量对象,而且还可以导入外部矢量图形文件、位图图像文件、多种格式的声音文件甚至还可编辑视频文件。flash现在被广泛用于开发网络交互矢量动画,然而用它也可进行网络虚拟现实的开发。

用flash开发虚拟现实数据文件,主要是采用其脚本语言actionscript控制交互,进而控制通过导入序列图像或已拼接的360°全景图像而形成的3d对象或全景虚拟环境。由于用actionscript进行虚拟现实交互控制的灵活性较大,因此所开发的虚拟现实数据文件也具有较强的个性,同时因为flash并非专门用于开发虚拟现实的,所以开发时的步骤较为复杂些。

4虚拟现实在电子商务应用的实例分析

4.1 电子商务模型的建立。网络虚拟场景的建立和图形工作站中的场景的建立有着很大的区别,它首先强调的是模型的简单化,这是由虚拟现实的实时性要求决定的。在响应速度和场景的真实性发生冲突时,应牺牲一定的真实性,只要能在视觉上达到基本真实即可。因此,常用一些简单的框架来代替复杂模型,但为了保证一定的真实性,可采用贴图的方式来弥补视觉上的不足。贴图有以下两种制作方法:一种是使用绘画软件进行手工绘制、另一种是对建筑物的各个观察面进行拍照,然后用扫描仪扫描成相关贴图材质。第一种方法的颜色可限定在256色内,其压缩的比例较大,贴图文件较小,生成的场景文件也较小,适合网上传递和实时性的要求。后一种方法视觉效果好,但文件的压缩比例较小,贴图文件较大,生成的场景大,在网上传递和实时性方面不如前一种方法好。无论用哪一种方法都需考虑贴图的分辨率和尺寸,为了便于下载和渲染,在质量和大小允许的情况下,一幅贴图限为320×240(或240×320)像素、分辨率为72dpi,用jpeg压缩(采用最高压缩比)后约为20k字节。

根据以上所述的贴图制作方法,虚拟场景中的对象模型可分为以下几类:①由简单几何体组成的简单模型:该类模型常用作远处物品的替身,在lod方法中采用;②赋予手绘贴图的模型;③赋予照片材质的模型;④ 赋予手绘和照片混合材质的模型;⑤具有全部细节的精致模型。

4.2电子商务交互查询功能的建立。为电子商务模型加入交互和查询功能可采用两种方法:通过编程加入相应的交互和查询功能,利用vrml的辅助工具来完成交互和查询功能的加入[5]。后一种方法比较适合普通的用户。

kinetix制作了特殊的vrml输出嵌入程序,可以输出场景,包括几何、材质、动画制作等,嵌入程序也可制作特殊的vrml辅助工具来规定场景的交互元素。运行vrml嵌入程序vrmlout.exe即可安装vrml嵌入程序。

通过vrml嵌入程序,可设置以下辅助工具:

anchor:可将某一实体作为热点,当被点击时取出网上所指定的文件。若为vrml场景文件,则该场景被下载显示。若为其他类型文件,由浏览器决定如何处理;

touchsensor:对从指定设备的输入产生相应的事件,这些事件表示用户是否指向特定几何体,同时也表示用户何时何处按下定位设备的按钮;

proxsensor:接近感知器,指定当用户进入、离开或在立方体的区域内移动时产生的事件;

timesensor:在时间变化是发出事件,可用来控制动画,也可用于某一时刻进行某项活动,或于某一时间间隔中产生事件;

navinfo:描述有关观察者和观察模式的物理特性;

background:设定场景的背景;

fog:设置雾化的效果;

sound:设定声音片段的有效范围,以产生随距离改变的音响效果;

billboard:是某一对象随用户一起旋转,以使之始终面向用户;

lod:允许浏览器在物体表示的不同层次细节间自动切换;

inline:可在文件中引入外部文件的场景,避免重复制作。

通过以上辅助工具,就可制作出电子商务场景及其交互和查询功能。

4.3多分辨率渐进传输。服务器接收了用户端的请求后,通过网络把三维几何数据传送到浏览器进行显示,最理想的方式是渐进式传输[7] [8],这样客户端在下载完最简单的一级模型数据后就可以进行显示与交互,而不用整个模型传输完毕。渐进式几何传输要求模型具有多分辨率表示形式,这对网络的传输和客户端的绘制都有很多好处。

本文将3d场景数据组织成一个统一的数据结构,实现递进的传输不同类型的模型表示。本文利用分布式虚拟环境中通用的递推算法(dr)来预测视点的运动算法[6]来预测用户的位置,该方法简单而通用,并且能有效的减少网络上的数据流量,结合benefit累积和方法, 实现了有限的网络带宽下的优化3d场景传输的一个有效的策略。考虑到网络的不稳定性和网络的传输质量,作者采用了自适应流控技术,以保证不同质量的网络连接下不同场景绘制质量的仿真的顺利进行。另外本文考虑了传输动态物体和不同表示形态的静态物体到多个用户的问题。本文的内容集中在3d数据组织管理和优先传输排序策略以及3d图形传输协议上,目的在于实现服务器和客户端之间高效的3d场景传输。

4总结

本文介绍了虚拟现实技术在电子商务领域的应用。相关技术包括虚拟场景的构造、系统结构、网格数据的传输以及客户端的交互查询方式。与传统的电子商务系统相比,本系统具有更好的沉浸感和交互性,虽然目前离理想的虚拟现实境界仍有较大差距,但交互性强、触发事件种类多、动态渲染及显示质量高、可任意链接url或其他3d空间、适宜网上应用、虚拟现实数据文件共享性强以及开发效率高等技术特征,现已成为网络虚拟现实技术发展的趋势。随着网络虚拟现实技术的不断发展,将为系统的开发提供更大的空间和更完善的功能。

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关键词: 创伤后应激障碍 虚拟现实技术 应用

2008年5月我国发生了震惊世界的汶川大地震,痛失亲人、丧失家园给灾民带来的心理创伤成了灾后重建工作的重点。在灾民所表现众多的心理问题中,创伤后应激障碍是最常见的,也是治疗最为困难的。创伤后应激障碍(Posttraumatic Stress Disorder,PTSD)可以引起明显的职业、心理和社会功能残疾,对个体的社会功能、家庭生活及身心健康造成长期的破坏性影响[1]。

1.PTSD介绍

1.1概念与特点

创伤后应激障碍早期研究对象主要是退伍军人、战俘及集中营的幸存者,后来发展到各种人为和自然灾害中的受害者。创伤后应激障碍是突发性、威胁性或灾难性生活事件导致个体延迟出现和长期持续存在的精神障碍,其临床表现以再度体验创伤为特征,并伴有情绪的易激惹和回避行为。简而言之:PTSD是一种创伤后心理失平衡状态,它是具有明确病源的精神障碍[2]。DSM-Ⅳ将PTSD分为三种亚型:(1)急性PTSD,症状持续时间在3个月以内。(2)慢性PTSD,症状持续时间在3个月或3个月以上。(3)延迟发生的PTSD,指创伤事件发生后半年才出现的症状。PTSD的特点是必须经历过突发性或灾难性的应激事件或情境,并出现弥漫性痛苦,在感知觉过程中不断地回想或重新体验创伤性事件或情境,同时患者又极力回避与创伤性事件相关的一切事件与情境。

1.2心理症状

1.2.1重复体验创伤性事件。关念红和王昆等人以汶川大地震伤员为调查对象,研究发现:地震一个月后异地治疗的伤员PTSD症状最常见的是再体验症状,发生率高达78.4%;其次是高警觉症状,发生率为62.2%;回避麻木症状发生率最低[3]。对创伤性事件的回忆在无警告、无预期、无刺激的情况下反复性突然闯入,引起恐惧、逃避与过度生理唤起等反应。还有的是回忆事件突发时的情境、相应的情绪体验和行为反应再次的出现当事人的身上,例如事件发生的纪念日、相近的天气与各种场景因素。

1.2.2警觉性的提高。由于人体进化的结果,人在遭遇伤害时,会积极回避伤害的刺激,同时提高警觉性,因此经历过创伤性事件的人会过度提高本身的警觉性,积极做好应对威胁的准备。人体的应激资源是有限的,当长期处于这种积极的应激准备状态而不能够得到及时的宣泄,便会产生生理及心理功能的紊乱和各种偏离社会规范的行为。

1.2.3回避能引发创伤性体验的刺激、消极的情感体验。患者本能地回避涉及与创伤性事件有关的想法、话题,以及与此相关的情境。患者给人一种淡漠、木然、沮丧的感觉。他们对各种活动失去兴趣,严重患者将失去对生活的信心,产生自杀等消极行为。另外,PTSD患者的内疚和自责的情绪反应也很常见。

2.PTSD治疗现状及存在的问题

越南战争之后,人们发现战后许多的退伍军人在返家后长时间地出现应激,于是美国的一些精神病学专家开始关注、分析讨论对应激的恢复性治疗。

有研究者认为患PTSD的人对应激事件的反应是“惊吓―否认―侵入―不断修正―结束”这样典型的心理过程,临床上PTSD最常见的是否认和侵入两个时相,对PTSD的首选治疗尚无一致意见。对各种应激障碍,心理治疗至为重要,已发现很多方法如暴露疗法、认知疗法和药物疗法对PTSD治疗是有效的[4]。紧急事件应激晤谈(Critical Incident Stress Debriefing,CISD)作为一种早期的心理干预技术已有五十年的历史,对于创伤事件的受害者,尤其是对二级受害者缓解心理痛苦,预防PTSD的发生具有重要意义[5]。癌症病人PTSD的治疗都是在癌症治疗的基础上的积极的辅助心理和药物治疗。经验性的证据表明以认知行为治疗为主的心理治疗有较好的疗效[6]。另外有学者对创伤性分离症状的几种理论进行了对比研究,结果发现以认知理论范式为基础的理论对创伤性分离症状的解释主要侧重在“是否存在回避警戒”、“是否存在回避加工”与“是否存在回避记忆”三个方面[7]。

大量的研究表明,由于PTSD患者的情绪与心理状态在创伤事件发生后失去平衡,因此要进行及时的心理干预,帮助危机中的人认识因创伤性事件引发的暂时的认知、情绪障碍和矫正扭曲的行为。近期的一些研究也认为,认知疗法和暴露疗法无论是单独使用还是结合使用都能有效地改善PTSD的临床症状[8]。无论是认知疗法还是暴露疗法,对患者的语言描述能力的要求都非常高,它要求患者能用口头语言为治疗者重现创伤性事件发生时的情境。由于PTSD患者有意回避创伤性事件,以及与此有关的任何事情,因此会使回忆发生扭曲现象,如果根据患者的自我报告来引导患者治疗PTSD的话,治疗效果将不是很明显。所以自我报告这种常用的测量方法是存在极大的局限性的。

3.虚拟现实技术的应用

虚拟现实(Virtual reality)技术很好地解决了这一问题,虚拟现实技术在心理学的广泛应用为提高治疗PTSD的效果展现了独特的视角,弥补了传统治疗方法的不足。

3.1虚拟现实技术介绍

虚拟现实技术是上个世纪60年展起来的一门新技术,它以其逼真的环境模拟使人产生身临其境的感受和体验,从而使用户充分表达其感知活动及各种情绪体验。虚拟现实技术是利用高科技设备建立的可以与用户能实时互动的三维虚拟环境。它提供给用户关于视觉、听觉、触觉等感官上真实的体验,使用户如同进入真实的空间。 虚拟现实的主要特征是:浸没感(Immersion)、交互性(Interactivity)、构想性(Imagination)[9]。浸没感又称临场感,指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境能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。这是虚拟现实的核心特征。交互性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,这时手又握着东西的感觉,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。构想性强调虚拟现实技术应具有广阔的可想象空间,可拓宽人类认知范围,不仅可再现真实存在的环境,而且可随意构想客观不存在的环境。

3.2.治疗思路与过程

对PTSD的治疗过程,其实就是打破创伤性记忆的刺激连结,重建情绪记忆网络的过程[4]。由于认知和暴露疗法是目前公认的最好心理治疗方法,因此把认知疗法和暴露疗法结合使用作为治疗的理论依据[10]。使用认知暴露疗法对PTSD的治疗要求把患者重新暴露在创伤性事件之下,根据认知心理学的观点,打破患者对创伤性事件构建的错误认知图式,当把患者重新暴露在创伤性事件之下时,在患者对创伤性事件重新形成认知、构建新的图式时,对患者构建过程进行人为的引导,以便患者形成合理的认知图式,从而达到治疗PTSD的目的。

无论是认知暴露疗法还是其他的治疗方法,都要求患者或有关人员精确地回忆并详细地描述创伤事件发生的时间、过程等。具体丰富的创伤性事件的信息是治疗的必备条件。技术人员利用虚拟现实技术的强大环境模拟功能,根据患者及其有关人员提供的信息,可以重建创伤性事件发生时的情境,让患者回到事件发生时的环境中去。虚拟的场景再配上生动的声音,能更好地提高治疗PTSD的效果。这里必须注意的是要将治疗者的引导语言合理地揉合在虚拟的环境中,利用治疗者语言的暗示效果,慢慢地引导患者重新构建合理的认知图式。罗斯堡姆(Rothbaum)等人用虚拟现实治疗了飞行恐怖症患者,他们发现和在真实情景下实施暴露疗法相比具有相同的效果[11]。后来,罗斯堡姆在对越战老兵的创伤后应激障碍进行了开放式的临床研究时,将患者置于丛林和直升机两个虚拟的环境中,治疗者控制着视觉和听觉的效果,患者在虚拟现实的环境中逐步被唤醒关于越南的创伤性记忆,治疗持续5周后,PTSD的症状显著减轻[12]。

与其他治疗方法相比,使用虚拟现实技术治疗PTSD能达到很好的治疗效果,但是对治疗者的要求也很高。首先,要全面搜集患者受到创伤的情景信息(时间、地点、天气、周围环境和人物等),这将为后续的治疗(环境的模拟)提供最为基础的信息。其次是对环境的模拟,这要求治疗者不仅具有心理治疗的能力,而且具备很好的编程能力,无疑增加了治疗者的负担。其次,是在治疗过程中,要把握好引导语插入。在合适的时空插入引导语是一件困难的事情,这要求治疗者的治疗经验非常丰富。最后,治疗效果不是一次两次就能凸显出来的,它是一个系列的过程,治疗者要根据治疗的进程设置合适的模拟场景。

4.结语

对PTSD的治疗目前比较公认的传统治疗方法是暴露疗法,但传统的治疗方法对患者的自我报告能力的要求比较高。同时患者往往有意回避创伤性事件,歪曲对事件的回忆,这给治疗者针对性地治疗带来难处。与传统的心理治疗技术相比,虚拟现实技术的发展,避免了传统治疗方法的不足,增加了心理治疗的手段。虚拟现实技术以其强大的环境模拟能力让患者快速沉浸其中,带给患者真实的视觉、听觉及触觉体验。虽然虚拟现实技术突破了传统心理治疗的局限,给心理治疗带来了方便,但它并不是对传统心理治疗技术的颠覆,仅仅是一种治疗手段,与传统的治疗方法结合使用,能更好地消除各种心理障碍。

与其他的心理治疗技术相比,虚拟现实技术确实有着不可比拟的优点,但其昂贵的设备,以及对使用者软件编写能力的高要求,制约了虚拟现实技术在心理治疗中的普及。随着科技的发展,虚拟现实会突破自身的限制,在治疗心理障碍中的应用也将越来越广泛。

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关键词：四轴飞行器；仿真系统；动力学方程；虚拟现实

中图分类号：TP368.1

四轴飞行器体积小、结构简单、灵巧快速、机动性好的特点，在遥感、航拍、地图绘制等方面具有不可估量的作用[1]。四轴飞行器的设计与控制问题的需要大量的实验研究，但搭建四轴飞行器平台往往需要较长的时间周期和很大的成本，给四轴飞行器的相关研究造成了一定的困难。因此研究一种四轴飞行器虚拟仿真平台，在平台上进行相关实验，以此来解决搭建真实平台的困难，具有很大的现实意义。本文设计了一种四轴飞行器仿真系统，设计采用模块化的思想，整体由5个模块构成，结构清晰，希望为其他相关研究提供一定的借鉴。

1 仿真系统总体构成

仿真系统采用模块化的方法，主要由控制器模块、控制命令输入模块、姿态数据采集模块、动力学方程模块、飞行器姿态3D显示模块构成。

控制器模块主要负责接受控制信号的输入和来自姿态数据采集模块的姿态数据反馈，然后计算需要输出的控制量到电机和动力学方程模块；控制命令输入模块主要用来接受控制命令和期望姿态的输入，并将输入数据反馈给控制器模块；姿态数据数据采集模主要是用来接受动力学方程模块的姿态输入，并附加外界干扰，进行线速度和角速度等姿态数据的最终计算，并将测得的数据反馈给控制器模块和飞行器姿态3D显示模块；动力方程模块主要用于接受控制器输出的控制量的输入，然后进行根据动力学方程进行理论数据的解算，并将数据传递给姿态数据采集模块；飞行姿态3D显示模块主要作用是接受姿态数据采集模块的姿态数据输入，将数据传递给飞行器的虚拟现实模型，然后将四轴飞行器的姿态进行实时的3D显示。下面主要对动力学方程模块、控制器模块、飞行器姿态3D显示模块构成进行介绍。

2 动力学方程模块

建立惯性坐标系（OXYZ）和飞行器坐标系（oxyz），并定义以下飞行器状态量：（1）偏航角Ψ：Ox在OXY平面的投影与X轴的夹角；（2）俯仰角θ：Oz在OZX平面的投影与Z轴的夹角；（3）俯仰角Φ：Oz在OYZ平面的投影与Y轴的夹角；

为了模型的建立，将四轴飞行器视为均匀对称的刚体，且飞行器的中心、质心与惯性坐标系的原点重合。另外，在飞行速度不大的情况下，认为飞行器所受阻力和重力不变，机体所受升力与电器转速的平方成正比。在以上假设下可得四轴飞行器的动力学方程[2]：

其中U1垂直速度控制量，U2为翻滚输入控制量，U3为俯仰输入控制量，U4为偏航输入控制量，Ix，Iy，Iz为惯性矩I在三个方向上的分量，l为悬臂的长度，且有：

3 控制器模块

仿真系统选用增量式PID控制器作为系统的控制器。对于PID控制器，若 作为PID控制器的输出和被控对象的输入，则PID控制器的控制规律[3]为：

其中Kp为比例系数，Ti为积分系数，Td为微分系数。在PID控制器中，PID的比例环节可以对偏差做出瞬间反应，使控制量向偏差减少的方向变化；积分环节用来消除系统的静态误差；微分环节的作用是加快调节过程，以偏差的变化对控制量进行适当纠正。

增量式PID在传统PID控制器基础上进行了改进，将其输出量变为控制量的增量Δu：

当系统采用恒定的采样周期T，仅使用三次测量的偏差值就可以给出控制量，因而增量式PID具有更小的计算量。增量式PID对于本系统来说是一种理想的控制器，容易实现，效果良好。当然，系统也可采用其他的控制器对四轴飞行器进行控制

4 飞行姿态3D显示模块

飞行器姿态3D显示模块采用虚拟现实（Virtual Reality ，VR）技术[4]，根据四轴飞行器返回的实时数据，将飞行器的飞行姿态实时显示出来。虚拟现实的建模软件有许多，本文使用三维建模软件SolidWorks对四轴飞行器进行三维建模，然后进行装配，最后四轴飞行器的模型效果如图1所示：

图1 SolidWorks绘制的四轴三维模型图

将四轴飞行器3D模型保存为.WRL虚拟现实格式，导入VRML[5]虚拟现实软件进行移动节点的处理和颜色的调整，为了和背景区分，飞行器机体设为红色。值得注意的是，SolidWorks导出的虚拟现实文件是基于VRML 1.0标准的，需要按照VRML 2.0标准（也称为VRML 97标准）进行转换。添加背景后，四轴飞行器的虚拟效果图如图2所示：

图2 四轴飞行器虚拟效果图

将四轴飞行器的VR模型导入Matlab，利用Matlab自带的VR工具箱进行处理，通过其自带的V-Realm Builder 2.0编辑器对虚拟现实模型的节点和属性进行控制。导入Matlab后，通过对四轴虚拟现实文件中Translation及rotation节点的控制，可以实现对四轴模型姿态的控制和位置的移动，从而实现飞行器姿态的3D显示。

5 结束语

本文设计的四轴飞行器仿真系统结构清晰，容易实现，同时由虚拟现实模型效果可知，本系统性能良好，能较好的实现仿真模拟功能，具有一定的现实意义。

参考文献：

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[3]赵沁平.虚拟现实综述[J].中国科学（F辑：信息科学），2009（01）：2-46.

[4]李冉，蔡正林.结合VRML和Java建立动态场景[J].电脑与信息技术，2005（01）：33-35，66.

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【关键词】虚拟现实；地理信息系统；城市规划

【Abstract】Geographic information display system is the application of technology of geographical information system in regional planning direction， three-dimensional geographic information display system based on virtual reality technology including virtual reality technology and geographic information technology， display system import the geographic information data， and display the data in 3D mode. Based on the current regional distribution on the planning staff， it allows directly adding and editing planning model in the current area， and make assessment and decision-making of planning in the true 3D visual environment.

【Key words】Virtual reality； Geographic information system； City planning

1 虚拟现实技术与地理信息系统概述

1.1 虚拟现实技术

虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）是近来年出现的高新技术，它利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，向使用者提供关于视觉、听觉、触觉等感官模拟。美国是虚拟现实技术的发源地，目前在该领域的研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面；在我国，虚拟现实技术的研究与发达国家相比存在着较大的差距，但随着计算机图形学、计算机系统工程等技术的高速发展，虚拟现实技术已经得到了相当的重视。

1.2 地理信息系统及应用

地理信息系统（Geographic Information System，GIS）是一门综合性学科，是地理学、地图学、遥感科学及计算机科学的结合，广泛应用于不同领域，用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统。GIS是一种基于计算机的工具，它可以对空间信息进行分析处理。GIS技术主要应用于科学调查、资源管理、发展规划、绘图和路线规划等方向。

1.3 城市地理信息系统

城市地理信息系统简称UGIS，它是地理信息系统的一个分支，是基于计算机技术及网络技术对城市各种空间和非空间数据进行输入、存贮、检索、分析、显示，用来处理城市中空间关系的技术系统。UGIS已经成为城市现代化管理、规划和决策的重要工具。城市地理信息系统通过对地理信息的采集、管理以及进行规划，充分挖掘空间信息资源，为城市区域建设和社会发展服务。

2 地理信息系统在城市规划方向的应用

2.1 城市规划传统应用方式

目前传统的城市规划工作是基于二维地理信息系统（2DGIS）上进行，主要在地理信息系统所提供的数据基础上，根据设计图、效果图来进行规划，三维空间内的要素以线框表示。通常的区域规划包括区域发展基础评价、区域发展的方向目标与战略布局、工业布局规划、农业布局规划、人口与城镇体系规划、基础设施规划、环境治理保护规划这七个方面，以实现对社会经济发展中的资源开发、环境整治和建设布局等具有决定性的问题做出决策。

2.2 三维地理信息系统在城市规划方向上的应用

三维地理信息系统（3DGIS）是建立在二维地理信息系统的基础之上，将高程信息与2DGIS中的高程同等对待，这样在3DGIS中就能够在三维空间中表示地物并且进行三维空间分析，实现更为接近现实世界的效果。将3DGIS应用到城市规划中，克服了传统的地理信息系统在城市规划方向上只能够二维平面显示的局限，而是在三维空间内进行景观展示，改变传统城市规划方式，促进城市合理规划。

3 基于虚拟现实技术的三维地理信息展示系统

3.1 应用方向

本文提出一种应用于城市发展规划方向上的三维地理信息展示系统，该系统导入航拍数据，对数据进行重构转换，并且在计算机内进行虚拟展示。所展示的数据不仅包括该城市区域的地形地貌，同时还包括公路、建筑等。

本文提出将平面图像转换成真三维立体图像功能，将虚拟现实技术应用于本系统是区别于传统三维地理信息系统的创新之处。并具有三维立体显示功能与人机互动功能，能够为用户提供沉浸式的浏览与漫游观察方式，并在设计中添加规划的功能区域，如建筑物，农业园区等。相较于传统的地理信息系统，用户能够在虚拟现实的真三维环境中观察当前的区域状态，并且能够在当前区域中添加未来的规划区域。

3.2 系统构成

本设计的功能模型构成如图1所示，由数据库模块、数据处理模块，模型控制模块，立体转换模块，人机交互模块以及数据显示模块六部分组成。

图1 地理信息展示系统功能模块构成图

数据库模块主要功能是存储系统中的地理信息数据及三维模型。地理信息数据的来源为0.1m高精度航拍影像、高精度数据高程模型（DEM）数据，三维模型包括住宅、厂房、树木、公路、电力设施等。

数据处理模块的功能是加载地理信息数据，导入至系统之中以准备进行数据显示。数据处理模块包括以下两个子模块：数据分析子模块与数据转换子模块，数据分析子模块的功能是对导入的地理信息数据进行分析识别，同时过滤无效的数据；数据转换子模块的功能是将识别后的有效数据转换为本系统能够识别的格式。

模型控制模块的功能是在数据库模块中选择相应的三维模型并在系统中进行编辑或修改。

数据显示模块的功能是将三维转换完成的数据进行立体化显示。最后通过人机交互模块，用户可以通过头盔显示器（HMD，Head Mounted Display）与该系统完成浸入式浏览漫游。

立体转换模块是本系统的核心模块，是实现虚拟现实技术的技术基础，其功能是将系统所显示的图像进行三维立体转换，使用户能够以真三维立体观察方式对城市的规划模型进行查看、漫游。

3.3 本系统在规划管理中的应用

虚拟地理信息展示系统能够对城市区域进行展示，并且能够直接在展示模型中添加规划建筑，实现直观的展示效果，相关领导和规划人员在虚拟现实环境中对整个规划区域进行观察，以区域整体规划为出发点对规划内容进行评估，同时真三维的显示方式具有空间纵深的显示特点，最大程度上在进行建设施工之前发现问题和弊端，避免规划失误，弥补了传统规划方式对规划内容展示能力差的弱点。

3.4 虚拟地理信息展示系统特点与优势

传统的地理信息系统管理的数据是展现在二维空间上进行的，地理信息系统只能够提供区域相关数据，并把数据图形化显示在显示器上或在图纸上输出。对于区域规划的工作人员来说，这些数据只能够对区域规划工作提供基本依据，在系统中不能对未来的城市规划进行展现，因此就不能让工作人员及时判断未来规划的合理与否，并进行及时更正；本设计能够依据未来规划对当前区域内容进行添加与编辑，并且向用户提供三维立体的虚拟展示方式，用户能够在三维环境中浏览漫游整个城市，发现未来规划的不足之处并及时更正，避免规划实现后与现实情况不符合而造成的规划失误。

4 结论

本文提出的三维地理信息展示系统能够在三维的空间内立体展示城市规划效果，向用户提供浸入式的漫游体验，并同时能够在系统中添加与编辑未来规划内容，相关领导和规划人员根据三维可视化的规划模型进行论证或决策，最大程度上避免规划失误的产生。

【参考文献】

[1]陈浩磊，等.虚拟现实技术的最新发展与展望[OL].中国科技论文在线，2011，01.

[2]王军，等.城市三维基础地理信息系统在城市规划中的应用[J].工程勘查，2010，11.

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关键词：虚拟现实 基于图像绘制 三维导航 虚拟现实建模言 插值 原型

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）06-0000-00

Abstract： The reconstruction of Virtual Reality Scene based on image has become the hot topic in last ten years. By analysising the process of 3D navigation and the interpolation method of Virtual Reality Model Language， a novel method about the implement of 3D Navigation based on series image set is presented in this paper. Firstly， the definition of key frame point is presented through the analysis of 3D navigation route， and the images are obtained by digital camera in accordance with the key frames. Secondly， all kinds of roaming prototype are defined by the interpolation node of VRML program. Lastly， the navigation animation by the interpolation of the series image is generated， which efficiently implement the 3D navigation of indoor and outdoor. The experiment show that technique is cheaper and simpler， also has good performance.

Key words：Virtual Reality； Image Based Rendering；3D Navigation；Virtual Reality Model Language；Interpolation；Prototype

1 概述

随着计算机软件与硬件技术的高速发展，虚拟现实（Virtual Reality， VR）技术的应用越来越广泛，基于图像的绘制技术（Image Based Rendering，IBR）是近年来VR技术研究的热点，它以简单的图像合成代替基于三维几何的建模和渲染，加快了画面的显示速度，是建立特定三维场景的一种高效率方法。IBR将计算机图形学、计算机视觉与图像处理结合在一起，直接由参考图像生成新视点的图像，具有绘制速度与场景复杂度无关、对计算机硬件的要求不高、生成图像的真实感强、既可用于合成场景又可用于真实场景等优点。基于以上优点，IBR技术自从上世纪90年代被提出以来，已经在虚拟现实、航空航天、建筑、娱乐、网上旅游等领域中得到了应用，尤其由于真实感强，在三维导航方面具有广泛的应用。[1]

VR技术具有I3 （沉浸、交互、想象）特征，其中虚拟现实建模语言 （Virtual Reality Modeling Language，VRML）是基于网络的三维语言，是Web3D的代表，它是用于建构多人的交互式虚拟实境语言。虚拟漫游是虚拟现实系统中必不可少的功能，尤其是三维室内外导航系统是三维虚拟漫游系统的重要组成部分，国内外许多高校都进行了研究，成为一个热点研究领域[2-10]。

本文先仔细剖析基于图像系列的绘制技术，结合VRML语言，在Web3D平台上提出了基于图像系列的三维导航漫游系统的快速实现算法，并实现了相应的自助导航功能，让用户身临其境地感受真实三维场景。

2 导航路径的关键节点

虚拟漫游的实质是首先在漫游路线的关键点（帧）位置设置了一系列的视点viewPoint（或称相机），同时计算好路线上每一段所需的时间，目的是为了行走的匀速；然后通过时间传感器，设置好时间间隔，结合相应的插值器，生成每两个关键帧相机之间的运动位置，从而生成一系列的动画，实现用户的漫游过程，因而虚拟漫游的关键是如何生成两个关键帧之间的动画。[11，12]

如图1是一个典型的小区漫游路线，这条多义线分别由多条直线和弧线组合而成，包含16个端点（P1，P2，……，P16），共15段线段，每一段线（弧线）的端点都是关键帧的位置即Pi。假设用户行走时（或相机在沿路线移动时），方向始终指向下一关键帧，或者说方向与路线重合。

3 关键动画的生成

结合前面的分析，实际虚拟漫游的关键是如何生成从Pi到Pi+1的动画。

首先让用户手持相机，在关键点Pi、Pi+1的位置上沿着行走的方向拍摄照片Imagei和Imagei+1，详见图3（a）和（b）；显然Imagei+1可以在Imagei中找到相似的内容，可以进行对准，结果见图3（c）。假设图像的分辨率为width*height，则图Imagei+1在Imagei中的位置坐标为[左下角（leftX，downY），右上角（rightX，topY）]，显然如果在Pi、Pi+1点保持相同的拍摄角度，则Imagei+1在Imagei的正中央，详见图3（d）。

截取后进行归一化，统一生成同样大小的图片，即进行图像的缩放操作Imresize（Ij， width，height）。

最后把这n张图片可以形成一段动画，在实际应用中，Pi至Pi+1一般可能有20m，按人的行走速度4.8km/h，则需要12秒，取帧速率为10fps，则将有120张图片，不管从生成的角度还是从内存开销的角度，都需要不少的代价。

为了快速实现上述动画的再生过程，我们结合VRML语言的面集节点纹理映射坐标系统和坐标插值器，通过Web3D的渲染引擎，以最低的代价和最快的速度，完美地实现了上述的动画过程。

4 基于VRML的动画生成

VRML语言的面集IndexdetFaceSet节点是几何体geometry的主要组成部分。面集节点用于在三维空间中创建各种平面组合而成的不规则的立体几何造型，主要由三维坐标点集（coord）、面的多边形点集（coordIndex）、平面纹理贴图（texCoord和texCoordIndex）等部分组成。结合前面的工程分析，首先我们通过coord、coordIndex建立一个4：3的四边形，模拟前边描述的照片，并在正前方创建一个相机，后通过texCoord、texCoordIndex给指定图片建立纹理映射。

如图6所示，建立一个四个顶点的四边形面，坐标点分别为（1，-0.75，0）、（1，0.75，0）、（-1，0.75，0）、（-1，-0.75，0），生成一个2*1.5（4：3）的四边形面。同时通过纹理映射，把图片的一部分映射至四边形面上，如图6中左图的四个UV映射坐标（u2，v1）、（u2，v2）、（u1，v2）、（u1，v1）分别分别对应到四边形的四个顶点。

另一方面，VRML具有六种插补器节点和八种传感器节点，通过路由在各个造型节点和场景节点之间传递事件，为浏览者创建一个身临其境、动态、逼真、可以交互沟通的虚拟环境。其中坐标插补器（CoordinateInterpolater）节点用于产生基于坐标点的复杂造型（线集IndexedLineSet、面集IndexedFaceSet）的变形动画。它包含key域、keyValue域、set_fraction入事件、value_changed出事件，其中key域用于设置一组时间关键点的列表，keyValue域用于设定一组关键坐标点的列表，set_fraction入事件用于接收来自时间传感器点发出的时刻比例数值，value_changed出事件用于输出计算后新的坐标子列表。

由于没有二维坐标点的坐标插补器，只有三维坐标点的坐标插补器，因而不能直接产生UV贴图坐标的（u1，v1，u2，v2）的系列坐标插补值。因此，我们可以反过来针对四边形面的四点三维坐标进行插补，当然在视图像机中只能观察到由（1，-0.75，0）、（1，0.75，0）、（-1，0.75，0）、（-1，-0.75，0）构成的4：3四边形部分，从而达到对UV进行插补的目的，具体见图7。

5 基于VRML原型的程序实现

在VRML编程语言结构中，PROTO原型语句实现了用户自定义对象，在原型中包括普通域、暴露域、出事件和入事件四部分参数，并可以包含相应的路由器，具备了面向对象方法的封闭性特征，对数据具有不同的访问权限。根据前面的讨论和VRML语言的特点，结合工程的需要我们给用户往前走的原型定义为goAhead：

其中startTime、endTime表示本次动画的开始时间和结束时间，startTime作为入事件来激发动画，endTime作为出事件结束本次动画，同时通过路由传给后续动画的入事件startTime去激发后续动画，从而形成完整的一个事件链。

三维坐标点stPoint、endPoint表示实际环境中的出发、结束位置的三维坐标，因而可以求出它们的距离，并结合指定的行走速度speed，从而求出行走的时间walkTime，并作为时间插值器time TimeSensor的时间周期cycleInterval。

字符串word将作为动画的字幕显示在动画的底部中央；

声音文件voice则作为动画播放期间的配音，可以是背景音乐，也可以相关场景的解说词。

很显然，直走包括了漫游路径第一类：直线往前走，和第二类：往前左拐弯、往前右拐弯等情况。而第三类情况属于弧形拐弯，可以看作是一个原地转弯的类型，相当于相机在原地转弯拍摄，可以直接生成一段全景图，见图8（a），当前几乎所有的数码相机都支持这种全景拍摄功能。显然动画地生成相当于模拟画面的旋转，如图8（b）表示在生成动画系列时，从全景图中从右往左依次分割等大小的图像系列，从VRML实现角度就是四边形面的四个顶点依次从图8（a）中的右边框逐步向图8（a）中的左边框进行插值，从而产生相应的一系列三维坐标系列，并生成相应的插值动画。同理可以如同直走goAhead原型一样定义原地转弯originalWheel原型。

结合HTML语言，可以建立基于web页面的相关界面，从而形成一个完整的基于图像系列的虚拟漫游系统，再结合线性的三维路径图，可以把相关的路径数据和图像系列通过AJAX存储在服务器，从而可以进行快速地辅助导航。

6 结语

本文通过VRML原型的定义，结合面集节点纹理映射坐标系统和坐标插值器， 选用少量的实景图片系列，由Web3D的渲染引擎完美地实现漫游中的动画视频，从而快速地实现了室内外虚拟漫游导航。显然本技术避免了传统虚拟现实中繁琐的三维建模，节省了大量的时间，虽然在视频生成的转换过程中有一定的跳跃，但在很多要求不是特别高的工程应用中具有很强的实践价值。如何更进一步实现基于图片系列的全景漫游是继续研究的方向。

参考文献：

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