虛擬制造技術(shù)多媒體課件制作畢業(yè)論文

1、 1 緒論P(yáng)PT，就是Power Point簡(jiǎn)稱。PowerPoint 2010是美國(guó)微軟公司出品的辦公軟件系列重要組件之一(還有Excel,Word等)。Microsoft Office PowerPoint 是一種演示文稿圖形程序，Power Point是功能強(qiáng)大的演示文稿制作軟件?？蓞f(xié)助用戶獨(dú)自或聯(lián)機(jī)創(chuàng)建永恒的視覺效果。它增強(qiáng)了多媒體支持功能，利用Power Point制作的文稿，可以通過不同的方式播放，也可將演示文稿打印成一頁一頁的幻燈片，使用幻燈片機(jī)或投影儀播放，可以將演示文稿保存到光盤中以進(jìn)行分發(fā)，并可在幻燈片放映過程中播放音頻流或視頻流。對(duì)用戶界面進(jìn)行了改進(jìn)并增強(qiáng)了對(duì)智能標(biāo)記的支

2、持，可以更加便捷地查看和創(chuàng)建高品質(zhì)的演示文稿。多媒體課件，簡(jiǎn)單來說就是老師用來輔助教學(xué)的工具，創(chuàng)作人員根據(jù)自己的創(chuàng)意，先從總體上對(duì)信息進(jìn)行分類組織，然后把文字、圖形、圖象、聲音、動(dòng)畫、影像等多種媒體素材在時(shí)間和空間兩方面進(jìn)行集成，使他們?nèi)跒橐惑w并賦予它們以交互特性，從而制作出各種精彩紛呈的多媒體應(yīng)用軟件產(chǎn)品。1.1多媒體課件特點(diǎn)多媒體課件需具備以下特點(diǎn)：（1）豐富的表現(xiàn)力多媒體課件不僅可以更加自然、逼真地表現(xiàn)多姿多彩的視聽世界；還可以對(duì)宏觀和微觀事物進(jìn)行模擬，對(duì)抽象、無形事物進(jìn)行生動(dòng)、直觀的表現(xiàn)；對(duì)復(fù)雜過程進(jìn)行簡(jiǎn)化再現(xiàn)等等。這樣，就使原本艱難的教學(xué)活動(dòng)充滿了魅力。（2）良好的交互性多媒體課件不

3、僅可以在容的學(xué)習(xí)使用上提供良好的交互控制，而且可以運(yùn)用適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)、更好地體現(xiàn)出“因材施教的個(gè)別化數(shù)學(xué)”（3）極大的共享性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，多媒體信息的自由傳輸，使得教育在全世界交換、共享成為可能。以網(wǎng)絡(luò)為載體的多媒體課件，提供了教學(xué)資源的共享。多媒體課件在教學(xué)中的使用，改善了教學(xué)媒體的表現(xiàn)力和交互性、促進(jìn)了課堂教學(xué)容、教學(xué)方法、教學(xué)過程的全面優(yōu)化，提高了教學(xué)效果。1.2常用多媒體課件制作工具1.2.1 PowerPoint微軟公司出品的制作幻燈片的軟件，此軟件制作的電子文稿廣泛地應(yīng)用于學(xué)術(shù)報(bào)告，會(huì)議等場(chǎng)所，用本軟件制作課件也是目前中學(xué)老師最常用的手段，就此軟件來說，他的優(yōu)點(diǎn)是做

4、課件比較方便，不用多學(xué)，很容易上手，制作的課件可以在網(wǎng)上通過IE來進(jìn)行演示文稿的播放；但就其功能來說就相對(duì)差了一點(diǎn)，圖片、視頻、文字資料的展示制作較為方便，很容易起到資料展示的作用，但是如果要達(dá)到交互方面較好的效果那就比較繁瑣，完全可以做到按鈕、區(qū)域交互。由于Office軟件具有一定的普遍性，所以PowerPoint課件的使用一般也不需要進(jìn)行打包等處理，只是需要注意易機(jī)使用時(shí)的音、視頻文件的路徑。1.2.2 AuthorwareAuthorware是Macromedia公司推出的多媒體開發(fā)工具，由于它們具有強(qiáng)大的創(chuàng)作能力、簡(jiǎn)便的用戶界面與良好的可擴(kuò)展性，所以深為廣大用戶的歡迎，成為應(yīng)用最廣泛的

5、多媒體開發(fā)工具，一度被譽(yù)為多媒體大師，現(xiàn)在的版本已經(jīng)發(fā)展到7.0，用戶比較多，廣泛用于多媒體光盤制作等領(lǐng)域，教師用些軟件來進(jìn)行課件制作的人數(shù)也比較多。此軟件的主要特點(diǎn)是：Authorware是基于圖標(biāo)（Icon）和流線（Line）的多媒體創(chuàng)作工具，具有豐富的交互方式與大量的系統(tǒng)變量的函數(shù)、跨平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)、高效的多媒體集成環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口等。可用于制作網(wǎng)頁和在線學(xué)習(xí)應(yīng)用軟件。如果變量函數(shù)用得好的話，可以用他來開發(fā)一些小的應(yīng)用軟件。我用過一段時(shí)間，他的交互比較強(qiáng)大，就是不會(huì)編程也可以做出一些交互好的課件。唯一讓我感到不好的地方就是做起動(dòng)畫來比較困難，如果不借助其他的軟件，做一些好的動(dòng)畫來

6、說是根本不可能的（畢竟不是專業(yè)的動(dòng)畫制作軟件），雖然有很多插件，但打包以后還要帶著走，所以對(duì)于制作一些生活有趣的課件有一些困難。另一個(gè)就是打包后的文件比較大，不利用傳播。1.2.3 DirectorDirector是Macromedia公司推出的多媒體開發(fā)工具，是全球多媒體開發(fā)市場(chǎng)的重量級(jí)工具，據(jù)統(tǒng)計(jì)，它在美國(guó)專業(yè)CDROM開發(fā)市場(chǎng)占據(jù)85%以上的份額。它不僅具備直觀易用的用戶界面，而且擁有很強(qiáng)的編程能力（它本身集成了自己Lingo語言），全稱是：Macromedia Director Shockwave Studio，目前最高的版本為Directo MX（也就是9.0）。主要定位于CDROM

7、/DVDROM（多媒體光盤）的開發(fā)。用Director制作多媒體動(dòng)畫，無論是演示性質(zhì)的還是交互性質(zhì)的，都顯出其專業(yè)級(jí)的制作能力和高效的多媒體處理技術(shù)。圖象，文本，聲音，動(dòng)畫等等這些多媒體元素，在Director中都可以非常方便而有機(jī)的結(jié)合起來，創(chuàng)造出精美的動(dòng)畫。因?yàn)榉浅I(yè)，所以教師用此軟件制作課件的不多，我也見過幾個(gè)，非常漂亮，交互也比較好。特點(diǎn)：幀動(dòng)畫與編程相結(jié)合的多媒體編制軟件，用幀可以做出很多漂亮的動(dòng)畫，有Lingo語言可以編出你想要的交互，引入的外部的多媒體元素非常豐富?？墒巧傻奈募容^大，在網(wǎng)絡(luò)傳輸方面做得還不是很理想。對(duì)于初學(xué)者來說，用他來做課件比較困難。1.2.4 FLASH

8、FLASH是Macromedia公司出品的，用在互聯(lián)網(wǎng)上動(dòng)態(tài)的、可互動(dòng)的shockwave。它的優(yōu)點(diǎn)是體積小，可邊下載邊播放，這樣就避免了用戶長(zhǎng)時(shí)間的等待。FLASH可以用其生成動(dòng)畫，還可在網(wǎng)頁中加入聲音。這樣你就能生成多媒體的圖形和界面，而使文件的體積卻很小。FLASH雖然不可以象一門語言一樣進(jìn)行編程，但用其置的語句并結(jié)合JAVASCRIPE，您也可作出互動(dòng)性很強(qiáng)的主頁來。FLASH另外一個(gè)特點(diǎn)就是必須安裝插件PLUG-IN，才能被瀏覽器所接受！當(dāng)然這也避免了瀏覽器之間的差異，使之一視！有人曾經(jīng)說過：下個(gè)世紀(jì)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人不會(huì)用FLASH，必將被淘汰出局！我相信這句話沒錯(cuò)！FLASH的特點(diǎn)1）

9、使用矢量圖形和流式播放技術(shù)。與位圖圖形不同的是，矢量圖形可以任意縮放尺寸而不影響圖形的質(zhì)量；流式播放技術(shù)使得動(dòng)畫可以邊播放邊下載，從而緩解了網(wǎng)頁瀏覽者焦急等待的情緒。2）通過使用關(guān)鍵幀和圖符使得所生成的動(dòng)畫文件非常小，幾K字節(jié)的動(dòng)畫文件已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)許多令人心動(dòng)的動(dòng)畫效果，用在網(wǎng)頁設(shè)計(jì)上不僅可以使網(wǎng)頁更加生動(dòng)，而且小巧玲瓏下載迅速，使得動(dòng)畫可以在打開網(wǎng)頁很短的時(shí)間里就得以播放。3）把音樂，動(dòng)畫，聲效，交互方式融合在一起，越來越多的人已經(jīng)把Flash作為網(wǎng)頁動(dòng)畫設(shè)計(jì)的首選工具，并且創(chuàng)作出了許多令人嘆為觀止的動(dòng)畫(電影)效果。而且在Flash4.0的版本中已經(jīng)可以支持MP3的音樂格式，這使得加入音樂

10、的動(dòng)畫文件也能保持小巧的身材。4）強(qiáng)大的動(dòng)畫編輯功能使得設(shè)計(jì)者可以隨心所欲地設(shè)計(jì)出高品質(zhì)的動(dòng)畫，通過ACTION和FS COMMAND可以實(shí)現(xiàn)交互性，使Flash具有更大的設(shè)計(jì)自由度，另外，它與當(dāng)今最流行的網(wǎng)頁設(shè)計(jì)工具Dreamweaver配合默契，可以直接嵌入網(wǎng)頁的任一位置，非常方便。總之：做動(dòng)畫非常漂亮，你是知道的，也看過的，做交互非常多，你用過的，也玩過的（FLASH游戲等），做網(wǎng)頁非?？幔F(xiàn)在你感覺得到，將來你會(huì)看到很多，做課件非常小，而且生動(dòng)、交互好、文件小、利于網(wǎng)絡(luò)傳播等。1.3 多媒體在教育中的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于教育是教育技術(shù)發(fā)展的一個(gè)飛躍。它營(yíng)造了“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境，由傳統(tǒng)的“

11、以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式代之為學(xué)習(xí)者通過自身與信息環(huán)境的相互作用來得到知識(shí)、技能的新型學(xué)習(xí)方式。它主要具體應(yīng)用在以下幾個(gè)方面：（1）科技研究當(dāng)前許多高校都在積極研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與其應(yīng)用，并相繼建起了虛擬現(xiàn)實(shí)與系統(tǒng)仿真的研究室，將科研成果迅速轉(zhuǎn)化實(shí)用技術(shù)，如航天航空大學(xué)在分布式飛行模擬方面的應(yīng)用；大學(xué)在建筑方面進(jìn)行虛擬規(guī)劃、虛擬設(shè)計(jì)的應(yīng)用；工業(yè)大學(xué)在人機(jī)交互方面的應(yīng)用；清華大學(xué)對(duì)臨場(chǎng)感的研究等都頗具特色。有的研究室甚至已經(jīng)具備獨(dú)立承接大型虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目的實(shí)力。 虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?yàn)閷W(xué)生提供生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，如建造人體模型、電腦太空旅行、化合物分子結(jié)構(gòu)顯示等，在廣泛的科目領(lǐng)域提供無限的虛擬

12、體驗(yàn)，從而加速和鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的過程。親身去經(jīng)歷、親身去感受比空洞抽象的說教更具說服力，主動(dòng)地去交互與被動(dòng)的灌輸，有本質(zhì)的差別。 虛擬實(shí)驗(yàn)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以建立各種虛擬實(shí)驗(yàn)室，如地理、物理、化學(xué)、生物實(shí)驗(yàn)室等等，擁有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室難以比擬的優(yōu)勢(shì)： 1）節(jié)省成本通常我們由于設(shè)備、場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)等硬件的限制。許多實(shí)驗(yàn)都無法進(jìn)行。而利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，學(xué)生足不出戶便可以做各種實(shí)驗(yàn)，獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣的體會(huì)。在保證教學(xué)效果的前提下，極大的節(jié)省了成本。2）規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作往往會(huì)帶來各種危險(xiǎn)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，可以放心地去做各種危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)。例如：虛擬的飛機(jī)駕駛教學(xué)系統(tǒng)，

13、可免除學(xué)員操作失誤而造成飛機(jī)墜毀的嚴(yán)重事故。3）打破空間、時(shí)間的限制利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以徹底打破時(shí)間與空間的限制。大到宇宙天體，小至原子粒子，學(xué)生都可以進(jìn)入這些物體的部進(jìn)行觀察。一些需要幾十年甚至上百年才能觀察的變化過程，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以在很短的時(shí)間呈現(xiàn)給學(xué)生觀察。例如，生物中的孟德爾遺傳定律，用果蠅做實(shí)驗(yàn)往往要幾個(gè)月的時(shí)間，而虛擬技術(shù)在一堂課就可以實(shí)現(xiàn)。（2）虛擬實(shí)訓(xùn)基地利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立起來的虛擬實(shí)訓(xùn)基地，其“設(shè)備”與“部件”多是虛擬的，可以根據(jù)隨時(shí)生成新的設(shè)備。教學(xué)容可以不斷更新，使實(shí)踐訓(xùn)練與時(shí)跟上技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性和交互性，使學(xué)生能夠在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個(gè)

14、角色，全身心地投入到學(xué)習(xí)環(huán)境中去，這非常有利于學(xué)生的技能訓(xùn)練。包括軍事作戰(zhàn)技能、外科手術(shù)技能、教學(xué)技能、體育技能、汽車駕駛技能、果樹栽培技、電器維修技能等各種職業(yè)技能的訓(xùn)練，由于虛擬的訓(xùn)練系統(tǒng)無任何危險(xiǎn)，學(xué)生可以不厭其煩地反復(fù)練習(xí)，直至掌握操作技能為止。例如：在虛擬的飛機(jī)駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)中，學(xué)員可以反復(fù)操作控制設(shè)備，學(xué)習(xí)在各種天氣情況下駕駛飛機(jī)起飛、降落，通過反復(fù)訓(xùn)練，達(dá)到熟練掌握駕駛技術(shù)的目的。（3）虛擬校園教育部在一系列相關(guān)的文件中，多次涉與到了虛擬校園，闡明了虛擬校園的地位和作用。虛擬校園也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育培訓(xùn)中最早的具體應(yīng)用，它由淺至深有三個(gè)應(yīng)用層面，分別適應(yīng)學(xué)校不同程度的需求：簡(jiǎn)單的

15、虛擬我們的校園環(huán)境供游客瀏覽 基于教學(xué)、教務(wù)、校園生活，功能相對(duì)完整的三維可視化虛擬校園 以學(xué)員為中心，加入一系列人性化的功能，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為遠(yuǎn)程教育基礎(chǔ)平臺(tái) 虛擬遠(yuǎn)程教育虛擬現(xiàn)實(shí)可為高校擴(kuò)大招生后設(shè)置的分校和遠(yuǎn)程教育教學(xué)點(diǎn)提供可移動(dòng)的電子教學(xué)場(chǎng)所，通過交互式遠(yuǎn)程教學(xué)的課程目錄和，由局域網(wǎng)工具作校園的，可對(duì)各個(gè)終端提供開放性的、遠(yuǎn)距離的持續(xù)教育，還可為社會(huì)提供新技術(shù)和高等職業(yè)培訓(xùn)的機(jī)會(huì)，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，以與硬件設(shè)備價(jià)格的不斷降低，我們相信，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其自身強(qiáng)大的教學(xué)優(yōu)勢(shì)和潛力，將會(huì)逐漸受到教育工作者的重視和青睞，最終在教育培訓(xùn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用

16、并發(fā)揮其重要作用。2 虛擬制造技術(shù)虛擬制造技術(shù)是20世紀(jì)90年代初提出的新概念，它是制造科學(xué)自身矛盾發(fā)展的必然，也是在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下產(chǎn)生的應(yīng)對(duì)措施之一，同事虛擬制造技術(shù)也是信息技術(shù)與制造科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。本章主要探討虛擬制造技術(shù)產(chǎn)生的時(shí)代背景，虛擬制造的定義、主要特點(diǎn)與其他先進(jìn)制造技術(shù)的關(guān)系，提出和總結(jié)了當(dāng)前虛擬制造研究中存在的問題與發(fā)展方向。2.1 虛擬制造產(chǎn)生的時(shí)代背景 在世紀(jì)之交，隨著國(guó)際關(guān)系多極化、消費(fèi)多樣化、經(jīng)濟(jì)全球化和貿(mào)易自由化趨勢(shì)的不斷發(fā)展，以與對(duì)資源和環(huán)境的高度重視，世界各國(guó)重新審視制造業(yè)的生產(chǎn)方式，對(duì)制造業(yè)的發(fā)展提出了更高的要求和新的制約條件。21世紀(jì)的制造業(yè)面臨著新的

17、歷史性發(fā)展機(jī)遇和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。2.1.1 制造業(yè)經(jīng)營(yíng)策略的變遷 隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和市場(chǎng)日趨飽和，制造業(yè)實(shí)現(xiàn)了從賣方市場(chǎng)到買方市場(chǎng)的轉(zhuǎn)變，遠(yuǎn)離物質(zhì)匱乏的人們也對(duì)產(chǎn)品提出了更高的要求。 20世紀(jì)60年代制造企業(yè)追求的是擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模；20世紀(jì)70年代是降低生產(chǎn)成本；20世紀(jì)80年代是提高產(chǎn)品質(zhì)量；20世紀(jì)90年代則進(jìn)一步加快市場(chǎng)響應(yīng)速度列入企業(yè)追求的目標(biāo)；而21世紀(jì)隨著知識(shí)經(jīng)濟(jì)的到來，技術(shù)創(chuàng)新成為企業(yè)發(fā)展的靈魂。企業(yè)必須同時(shí)具備時(shí)間競(jìng)爭(zhēng)能力、質(zhì)量競(jìng)爭(zhēng)能力、價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)能力和創(chuàng)新競(jìng)爭(zhēng)能力才能贏得市場(chǎng)，從而使改進(jìn)產(chǎn)品功能、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短開發(fā)時(shí)間、降低生產(chǎn)成本、完善售后服務(wù)都成為 制造業(yè)面臨的共同任務(wù)。2.1.

18、2信息科學(xué)推動(dòng)了制造業(yè)的變革 近20年來，計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息科學(xué)的迅速發(fā)展已經(jīng)和正在促使人類生活、生產(chǎn)方式發(fā)生革命性的變化，全球正經(jīng)歷著由傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)向知識(shí)經(jīng)濟(jì)、網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)變。利用信息技術(shù)改造傳統(tǒng)制造業(yè)已成為現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必由之路，信息技術(shù)也已成為現(xiàn)代制造業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)。2.2 虛擬制造的概念 虛擬制造又稱擬實(shí)制造，一些外國(guó)文獻(xiàn)上也稱為像素制造或屏幕制造。目前人們對(duì)虛擬制造還沒有廣泛認(rèn)同的定義，不同學(xué)著對(duì)虛擬制造概念的理解還有某些差異。Onosato和Iwata是日本大阪大學(xué)最早研究虛擬制造系統(tǒng)的學(xué)者，他們認(rèn)為“虛擬制造是用模型的仿真代替真實(shí)世界中的實(shí)體與其操作的計(jì)算機(jī)化的制造活動(dòng)的綜合概念”。他

19、們把真實(shí)制造系統(tǒng)分解為真實(shí)物理系統(tǒng)(RPS)和真實(shí)信息系統(tǒng)(RIS)兩部分。在1994年，Hitchcock指出：虛擬制造是一個(gè)集成的、綜合的制造環(huán)境，通過運(yùn)行該制造環(huán)境可以改善制造企業(yè)中各個(gè)層次的決策和控制。這是目前引用較多的一個(gè)關(guān)于虛擬制造的定義。虛擬制造是實(shí)際制造過程在計(jì)算機(jī)上的本質(zhì)體現(xiàn)，即采用計(jì)算機(jī)建模與仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)或(與)可視化技術(shù)，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下群組協(xié)同工作，模擬產(chǎn)品的整個(gè)制造過程，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、生產(chǎn)調(diào)度和管理、銷售與售后服務(wù)等作出綜合評(píng)價(jià)，以增強(qiáng)制造過程各個(gè)層次或環(huán)節(jié)的正確決策與控制能力。虛擬制造技術(shù)（Virtual Manufacturin

20、g Technology，VMT）是以虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程統(tǒng)模，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、加工和裝配、檢驗(yàn)、使用整個(gè)生命周期的模擬和仿真。這樣，可以在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就模擬出產(chǎn)品與其性能和制造過程，以此來優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和制造過程，優(yōu)化生產(chǎn)管理和資源規(guī)劃，以達(dá)到產(chǎn)品開發(fā)周期和成本的最小化，產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的最優(yōu)化和生產(chǎn)效率最高化，從而形成企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。如波音777，其整機(jī)設(shè)計(jì)、部件測(cè)試、整機(jī)裝配以與各種環(huán)境下的試飛均是在計(jì)算機(jī)上完成的，其開發(fā)周期從過去的8年縮短到5年；Chrycler公司與IBM合作開發(fā)在虛擬制造環(huán)境用于其新型車的研制，在樣車生產(chǎn)之前，即發(fā)現(xiàn)其定

21、位系統(tǒng)與其他許多設(shè)計(jì)有缺陷，從而縮短了研制周期。盡管虛擬制造技術(shù)的出現(xiàn)只有短短的幾年時(shí)間，虛擬制造的應(yīng)用將會(huì)對(duì)未來制造業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。2.3 虛擬制造的特點(diǎn)（1）虛擬性：在一個(gè)虛擬的制造環(huán)境里，虛擬制造可進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試。（2）集成性：虛擬制造系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)各種產(chǎn)品仿真軟件的公共通信平臺(tái)，也是各種相互獨(dú)立的制造技術(shù)（如CAD，CAE，CAPP，CAM等）的數(shù)字化集成環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)各種相關(guān)技術(shù)的無縫連接。（3）分布性：可使分布在不同地點(diǎn)、不同部門的不同專業(yè)人員在同一個(gè)產(chǎn)品模型上協(xié)同工作、相互交流，實(shí)現(xiàn)信息共享，減小大量的文檔生成與其傳遞時(shí)間，也減少了由此產(chǎn)生的相應(yīng)誤差，從而加快

22、了產(chǎn)品開發(fā)過程。（4）依賴性：虛擬制造系統(tǒng)的運(yùn)行以與對(duì)制造過程的描述和評(píng)論是基于人們對(duì)實(shí)際物理過程的理解和認(rèn)識(shí)，因此，它只是人類對(duì)制造過程認(rèn)識(shí)的綜合演練，并不能產(chǎn)生關(guān)于實(shí)際物理過程的新知識(shí)，其仿真精度也受限于仿真模型與真實(shí)模型的近似程度。與傳統(tǒng)的制造方法和手段相比，虛擬制造具有以下方面的突出優(yōu)勢(shì)：（1） 縮短產(chǎn)品研制周期；（2） 降低產(chǎn)品研制成本；（3） 提供了一個(gè)先進(jìn)的制造系統(tǒng)仿真平臺(tái)。2.4 虛擬制造與實(shí)際制造的關(guān)系虛擬制造不是無水之源，無本之木，而是現(xiàn)實(shí)制造過程在計(jì)算機(jī)上的映射，即采用計(jì)算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在高性能計(jì)算機(jī)與高速網(wǎng)絡(luò)的支持下，在計(jì)算機(jī)上群組協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)

23、劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗(yàn)，以與企業(yè)各級(jí)管理與控制等產(chǎn)品的制造過程，以增強(qiáng)制造過程各級(jí)的決策與控制能力。實(shí)際制造系統(tǒng)是物質(zhì)流、信息流在控制流的協(xié)調(diào)和控制下，在各個(gè)層次上進(jìn)行相應(yīng)的決策，實(shí)現(xiàn)從投入到產(chǎn)出的有效轉(zhuǎn)變，其中物質(zhì)流和信息流的協(xié)調(diào)工作是主體。虛擬制造系統(tǒng)是通過對(duì)實(shí)際制造系統(tǒng)進(jìn)行抽象、分析、綜合，得到實(shí)際生產(chǎn)的全部數(shù)字化模型。虛擬制造的最終目標(biāo)是指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。因此，虛擬制造是實(shí)際制造的抽象，實(shí)際制造是虛擬制造的實(shí)例。虛擬制造系統(tǒng)實(shí)際制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真虛擬現(xiàn)實(shí)基于網(wǎng)絡(luò)的VPS虛擬信息系統(tǒng)確認(rèn)和驗(yàn)證技術(shù)人員客戶抽象與綜合虛擬產(chǎn)品實(shí)際信息系統(tǒng)樣機(jī)需求工人工廠RPS實(shí)際產(chǎn)品圖2-1 虛擬制造

24、與實(shí)際制造的關(guān)系Fig.2-1 Virtual manufacturing and the relationship between the actual manufacturing2.5 虛擬制造技術(shù)的分類根據(jù)所涉與的圍不同，可將虛擬制造分成三類：以設(shè)計(jì)為核心的虛擬制造（design-centered VM）以生產(chǎn)為核心的虛擬制造（production-centered VM）以控制為核心的虛擬制造（control-centered VM）2.5.1 以設(shè)計(jì)為中心特點(diǎn)：在設(shè)計(jì)階段為設(shè)計(jì)人員提供制造信息，使用基于制造的仿真以優(yōu)化產(chǎn)品和工藝的設(shè)計(jì)，通過“在計(jì)算機(jī)上制造”產(chǎn)生多個(gè)“軟”樣機(jī)。主要目

25、標(biāo)：評(píng)價(jià)可制造性。主要技術(shù)支持：特征造型、 面向數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)、加工過程仿真技術(shù)。應(yīng)用領(lǐng)域：造型設(shè)計(jì) 、熱力學(xué)分析 、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 、動(dòng)力學(xué)分析、容差分析 、加工過程仿真。2.5.2 以生產(chǎn)為中心特點(diǎn)：將仿真能力用于制造過程模型，以便低費(fèi)用、快速地評(píng)價(jià)不同的工藝方案。用于資源需求規(guī)劃、生產(chǎn)計(jì)劃的產(chǎn)生與評(píng)價(jià)的環(huán)境。主要目標(biāo)：評(píng)價(jià)可生產(chǎn)性。主要技術(shù)支持：虛擬現(xiàn)實(shí)、嵌入式仿真。應(yīng)用領(lǐng)域：工廠或產(chǎn)品的物理布局， 傳統(tǒng)制造：主要考慮空間， 虛擬制造：總體協(xié)調(diào)、優(yōu)化動(dòng)態(tài)過程, 人、環(huán)境、效率。生產(chǎn)計(jì)劃的編排。傳統(tǒng)制造：靜態(tài)、確定型。虛擬制造：動(dòng)態(tài)、隨機(jī)型。2.5.3 以控制為中心特點(diǎn)：將仿

26、真加到控制模型和實(shí)際處理中；可“無縫”地仿真使得實(shí)際生產(chǎn)周期期間不間斷地優(yōu)化。主要技術(shù)支持：對(duì)離散制造-基于仿真的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度。對(duì)連續(xù)制造-基于仿真的最優(yōu)控制。3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)3.1 概述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有超越現(xiàn)實(shí)的虛擬性。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的核心設(shè)備仍然是計(jì)算機(jī)。它的一個(gè)主要功能是生成虛擬境界的圖形，故此又稱為圖形工作站。目前在此領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的是SGI、SUN等生產(chǎn)廠商生產(chǎn)的專用工作站，但近來基于Intel奔騰（代）代芯片的和圖形加速卡的微機(jī)圖形工作站性能價(jià)格比優(yōu)異，有可能異軍突起。圖像顯示設(shè)備是用于產(chǎn)生立體視覺效果的關(guān)鍵外設(shè)，目前常見的產(chǎn)品包括光閥眼鏡、三維投影儀和頭盔顯示器等。其中高檔的頭盔顯

27、示器在屏蔽現(xiàn)實(shí)世界的同時(shí)，提供高分辨率、大視場(chǎng)角的虛擬場(chǎng)景，并帶有立體聲耳機(jī)，可以使人產(chǎn)生強(qiáng)烈的浸沒感。其他外設(shè)主要用于實(shí)現(xiàn)與虛擬現(xiàn)實(shí)的交互功能，包括數(shù)據(jù)手套、三維鼠標(biāo)、運(yùn)動(dòng)跟蹤器、力反饋裝置、語音識(shí)別與合成系統(tǒng)等等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。它始于軍事和航空航天領(lǐng)域的需求，但近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用已大步走進(jìn)工業(yè)、建筑設(shè)計(jì)、教育培訓(xùn)、文化娛樂等方面。它正在改變著我們的生活。虛擬與現(xiàn)實(shí)兩詞具有相互矛盾的含義，把這兩個(gè)詞放在一起，似乎沒有意義，但是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展卻賦予了它新的含義。虛擬現(xiàn)實(shí)的明確定義不太好說，按最早提出虛擬現(xiàn)實(shí)概念的學(xué)者J.Laniar的說法，虛擬現(xiàn)實(shí)，又稱假想現(xiàn)實(shí)，意味

28、著“用電子計(jì)算機(jī)合成的人工世界”。從此可以清楚地看到，這個(gè)領(lǐng)域與計(jì)算機(jī)有著不可分離的密切關(guān)系，信息科學(xué)是合成虛擬現(xiàn)實(shí)的基本前提。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR，Virtual Reality）又稱虛擬環(huán)境（VE，Virtual Environment）或靈境。虛擬現(xiàn)實(shí)是由計(jì)算機(jī)生成的，通過視、聽、觸覺、嗅覺等多通道作用于用戶，使之產(chǎn)生身臨其境感得交互式計(jì)算機(jī)仿真，是一種可以創(chuàng)造和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提高了人與計(jì)算機(jī)之間的和諧程度，可以對(duì)真實(shí)世界的行為活動(dòng)進(jìn)行仿真，并對(duì)用戶的位置、姿態(tài)、語言等做出實(shí)時(shí)響應(yīng)，使用戶和虛擬環(huán)境之間建立起實(shí)時(shí)的交互關(guān)系，產(chǎn)生與在真實(shí)環(huán)境中相似的感覺體驗(yàn)。3.2 虛擬

29、現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的特征虛擬現(xiàn)實(shí)具有以下四個(gè)特征：（1）多感知性(Multi-Sensory)：所謂多感知是指除了一般計(jì)算機(jī)技術(shù)所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運(yùn)動(dòng)感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。由于相關(guān)技術(shù)，特別是傳感技術(shù)的限制，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、力覺、觸覺、運(yùn)動(dòng)等幾種。（2）沉浸感或存在感(Immersion)：又稱臨場(chǎng)感，指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該使用戶難以分辨真假，使用戶全身心地投入到計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，該環(huán)境中的一切看上去是真的，聽上去是真

30、的，動(dòng)起來是真的，甚至聞起來、嘗起來等一切感覺都是真的，如同在現(xiàn)實(shí)世界中的感覺一樣。（3）交互性(Interactivity)：指用戶對(duì)模擬環(huán)境物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度(包括實(shí)時(shí)性)。例如，用戶可以用手去直接抓取模擬環(huán)境中虛擬的物體，這時(shí)手有握著東西的感覺，并可以感覺物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨著手的移動(dòng)而移動(dòng)。（4）構(gòu)想性(Imagination)：強(qiáng)調(diào)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類認(rèn)知圍，不僅可再現(xiàn)真實(shí)存在的環(huán)境，也可以隨意構(gòu)想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。 一般來說，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、

31、以頭盔顯示器為核心的視覺系統(tǒng)、以語音識(shí)別、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺系統(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，以與味覺、嗅覺、觸覺與力覺反饋系統(tǒng)等功能單元構(gòu)成3.3 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以根據(jù)顯示方式分為桌面式，佩帶式和全景式三種。桌面式VR系統(tǒng)的場(chǎng)景通過計(jì)算機(jī)屏幕顯示，用戶用立體眼鏡觀察，聲音由臺(tái)式或室音響系統(tǒng)提供。佩帶式是用頭盔將用戶的視、聽覺與外界隔離，使用戶完全沉浸在計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中。全景式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是投影式系統(tǒng)。觀察者佩帶立體眼鏡和頭部跟蹤器，當(dāng)觀察者移動(dòng)時(shí)，立體投影生成器計(jì)算出各面墻上的圖像。VR系統(tǒng)也可以根據(jù)系統(tǒng)與外界真實(shí)世界的交互

32、關(guān)系分類，可分為以下三類：（1）封閉式虛擬現(xiàn)實(shí)，即與外部現(xiàn)實(shí)世界不產(chǎn)生直接交互。特點(diǎn)：虛擬環(huán)境可以是任意虛構(gòu)的。實(shí)際上不存在的世界。目的是：娛樂、或驗(yàn)證某一猜想假設(shè)。訓(xùn)練、模擬、預(yù)演、檢驗(yàn)、體驗(yàn)等。任何操作不對(duì)外界產(chǎn)生直接作用。（2）開放式虛擬現(xiàn)實(shí)，即通過各種傳感裝置與外界構(gòu)成反饋閉環(huán)。特點(diǎn)：虛擬環(huán)境是某一現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)模型。目的是：通過利用虛擬環(huán)境對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行直接操作或遙操作，以達(dá)到克服現(xiàn)實(shí)環(huán)境的限制林遮擋、遙遠(yuǎn)、危險(xiǎn)、不便到達(dá)、不能到達(dá)等或使操作方便。可靠的目的。例如：提供碰撞報(bào)警（利用虛擬環(huán)境計(jì)算相撞距離，減輕操作員的心理負(fù)擔(dān)，減少操作失誤。操作按用戶的需要對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行直接作用或得到

33、各種反饋。（3）把封閉式虛擬現(xiàn)實(shí)與開放是虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合，即兼?zhèn)涮摂M是虛擬現(xiàn)實(shí)和開放是虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)；這是一種較為實(shí)用的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。VR的系統(tǒng)模型表示見圖3-1。用戶通過傳感裝置直接對(duì)虛擬環(huán)境進(jìn)行操作，并得到實(shí)時(shí)三維顯示和其它反饋信息（如觸覺、力覺反饋等），當(dāng)系統(tǒng)與外部世界通過傳感裝置構(gòu)成反饋閉環(huán)時(shí)，在用戶由控制下，用戶與虛擬環(huán)境間的交互可以對(duì)外部世界產(chǎn)生作用（如遙控操作等）。圖3-1 VR系統(tǒng)模型Fig.3-1 VR system modelVR系統(tǒng)主要由以下6個(gè)模塊構(gòu)成（1）檢測(cè)模塊：檢測(cè)用戶的操作命令。并通過傳感器模塊作用于虛擬環(huán)境。（2）反饋模塊：接受來自傳感器模塊的信息，為用戶提供實(shí)時(shí)

34、反饋。（3）傳感器模塊：一方面接受來自用戶的操作命令，并將其作用于虛擬環(huán)境；另一方面將操作后產(chǎn)生的結(jié)果以各種反饋的形式提供給用戶。（4）控制模塊：對(duì)傳感器進(jìn)行控制，使其對(duì)用戶、虛擬環(huán)境和現(xiàn)實(shí)世界產(chǎn)生作用。（5）3D模型庫：現(xiàn)實(shí)世界各組成部分的三維表示，并由此構(gòu)成對(duì)應(yīng)的虛擬環(huán)境。（6）建模模塊：獲取現(xiàn)實(shí)世界各組成部分的三維數(shù)據(jù)，并建立它們的三維模型。VR傳感裝置的類型分類如下。圖3-2 VR系統(tǒng)的構(gòu)成Fig.3-2 VR system structure（1）視覺：頭盔式立體顯示器HMD（HeadMounted Display）。例如VPL公司的Eyephone，它可以分為透過型和非透過型兩種。

35、（2）聽覺：三維音響輸出裝置、定位裝置。（3）檢測(cè)手動(dòng)（包括位置）：數(shù)據(jù)手套（Data Glove），如DHM、（DeXterous Handmaster）(精密型DG）、Cyberglove（手指露出型數(shù)據(jù)手套等。（4）力反饋，觸覺傳感器；Grope系列手爪等.（5）身體運(yùn)動(dòng)：數(shù)據(jù)衣（Data Suit）等。（6）語音識(shí)別、合成，眼球運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等。根據(jù)VR技術(shù)的特征，可以用系統(tǒng)的存在感P（Presence）、交互性I（Interaction）和自主性 A（Autonomy）來評(píng)價(jià)VR系統(tǒng)的性能（見圖 3-3），其中P、I和A的值越大，表示 VR系統(tǒng)的性能越好。顯然，P、I和A的值均取最大時(shí)，V

36、R系統(tǒng)的性能達(dá)到極限，即理想的。圖3-3 VR系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)Fig.3-3 VR system performance evaluation3.4 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成VR系統(tǒng)的組成如下：（1） 檢測(cè)輸入裝置；（2） 圖像生成和顯示系統(tǒng)；（3） 音頻系統(tǒng)；（4） 力、觸覺系統(tǒng)；3.4.1構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的目的使參與者沉浸于多維信息空間中，進(jìn)行仿真、建模，獲取知識(shí)和形成新概念。目標(biāo)：利用并集成高性能的計(jì)算機(jī)軟硬件與各類先進(jìn)的傳感器，去構(gòu)建一個(gè)使參與者處于身臨其境的沉浸感、具有完善的交互作用、能幫助和啟發(fā)構(gòu)思的信息環(huán)境。技術(shù)支持：各種傳感器技術(shù)、三維顯示和音響器、虛擬環(huán)境產(chǎn)生器、程序設(shè)計(jì)工具集、計(jì)算

37、機(jī)高速網(wǎng)絡(luò)和高性能計(jì)算機(jī)平臺(tái)。3.4.2 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成用戶通過頭盔、手套和話筒等輸入設(shè)備為計(jì)算機(jī)提供輸入信號(hào)，虛擬現(xiàn)實(shí)軟件收到輸入信號(hào)后加以解釋，然后對(duì)虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫進(jìn)行必要更新，調(diào)整當(dāng)前虛擬環(huán)境視圖，并將這一新視圖與其它信息如聲音立即傳送給輸出設(shè)備，以便用戶與時(shí)看到效果。系統(tǒng)由輸入部分、輸出部分、虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫、虛擬現(xiàn)實(shí)軟件組成。（一）輸入部分虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通過輸入部分接收來自用戶的信息。用戶基本輸入信號(hào)包括用戶的頭、手位置與方向、聲音等。其輸入設(shè)備主要有：（1）數(shù)據(jù)手套用來監(jiān)測(cè)手的姿態(tài)，將人手的自然動(dòng)作數(shù)字化。用戶手的位置與方向用來與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。如在使用交互手套時(shí)，手勢(shì)可用來啟動(dòng)

38、或終止系統(tǒng)。類似地，手套可用來拾起虛擬物體，并將物體移到別的位置。（2）三維球用于物體操作和飛行控制。（3）自由度鼠標(biāo)用于導(dǎo)航、選擇與與物體交互。（4）生物傳感器用來跟蹤眼球運(yùn)動(dòng)。（5）頭部跟蹤器通常裝在HMD頭盔上跟蹤頭部位置，以便使HMD顯示的圖像隨頭部運(yùn)動(dòng)而變化。用戶頭的位置與方向是系統(tǒng)重要的輸入信號(hào)，因?yàn)樗鼪Q定了從哪個(gè)視角對(duì)虛擬世界進(jìn)行渲染。（6）語音輸入設(shè)備通過話筒等聲音輸入設(shè)備將語音信息輸入，并利用語音識(shí)別系統(tǒng)將語音信號(hào)變成數(shù)字化信號(hào)。（二）輸出系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)根據(jù)人的感覺器官的工作原理，通過虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的輸出設(shè)備，使人對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的虛擬環(huán)境得到雖假猶真、身臨其境的感覺。主要是由

39、三維圖像視覺效果、三維聲音效果和觸覺 (力覺)效果來實(shí)現(xiàn)的。（1）三維圖像生成與顯示利用圖形處理器、立體圖象顯示設(shè)備、高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)數(shù)字信號(hào)變成三維圖像。最簡(jiǎn)單的一種是計(jì)算機(jī)監(jiān)視器加上一副眼鏡，另一種就是頭盔顯示器。（2）三維聲音處理虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)聲音效果包括音響和語音效果。通過有關(guān)的聲音設(shè)備使電子信號(hào)變成立體聲，并提供識(shí)別立體聲聲源和判定其空間方位的功能。（3）觸覺、力覺反饋觸覺提供手握物體時(shí)獲得的豐富感覺信息，包括分辨表面材質(zhì)與溫度、濕度、厚度、力等。用戶的手是與虛擬環(huán)境進(jìn)行自然交互時(shí)的重要途徑。當(dāng)手與虛擬物體發(fā)生碰撞時(shí)，我們自然希望有接觸感和壓力感。（三）虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫作用：存放

40、整個(gè)虛擬環(huán)境中所有物體的各方面信息（包括物體與其屬性如約束、物理性質(zhì)、行為、幾何、材質(zhì)等）。虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫由實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟件管理。虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)只加載用戶可見部分，其余留在磁盤上，需要時(shí)導(dǎo)入存。（四）虛擬現(xiàn)實(shí)軟件任務(wù)：設(shè)計(jì)用戶在虛擬環(huán)境中遇到的景和物。構(gòu)建虛擬環(huán)境的過程：（1）三維物體的建模。典型的建模軟件：AutoCAD、Multigen、VRML等。（2）虛擬場(chǎng)景的建立與三維物體與虛擬場(chǎng)景的集成。典型的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件：Vega、OpenGVS、VRT、Vtree等。3.4.3虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)按照不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的分類，通常分為以下三類：（1）桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)(Desktop

41、 VR)桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是一套基于普通PC平臺(tái)的小型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。利用中低端圖形工作站與立體顯示器，產(chǎn)生虛擬場(chǎng)景，參與者使用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、力反饋器、三維鼠標(biāo)、或其它手控輸入設(shè)備，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要技術(shù)特征：多感知性、沉浸感、交互性、真實(shí)性。在桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)的屏幕是參觀者觀察虛擬境界的一個(gè)窗口，在一些專業(yè)軟件的幫助下，參與者可以在仿真過程中設(shè)計(jì)各種環(huán)境。立體顯示器用來觀看計(jì)虛擬三維場(chǎng)景的立體效果，它所帶來的立體視覺能使參與著產(chǎn)生一定程度的投入感。交互設(shè)備用來駕馭虛擬境界。有時(shí)為了增強(qiáng)桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的投入效果，如果需要，那么在桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中還會(huì)借助于專業(yè)單通道立體投影

42、顯示系統(tǒng)，達(dá)到增大屏幕圍和團(tuán)體觀看的目的。桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)雖然缺乏完全沉浸式效果，但是其應(yīng)用仍然比較普遍，因?yàn)樗某杀鞠鄬?duì)要低得多，而且它也具備了投入型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)要求。作為開發(fā)者來說，從經(jīng)費(fèi)使用謹(jǐn)慎性的角度考慮，桌面虛擬現(xiàn)實(shí)往往被認(rèn)為是初級(jí)的、剛剛從事虛擬現(xiàn)實(shí)研究工作的必經(jīng)階段。所以桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)比較適合于剛剛介入虛擬現(xiàn)實(shí)研究的單位和個(gè)人。統(tǒng)主要包括VR軟硬件兩部分。其中硬件部分可分為VR立體圖形顯示、效果觀察、人機(jī)交互等幾部分；軟件部分可分為VR環(huán)境開發(fā)平臺(tái)(Virtools）、建模平臺(tái)（3D MAX等）和行業(yè)應(yīng)用程序?qū)嵗ㄔ创a與SDK開發(fā)包）。主要特點(diǎn)為全面、小型、經(jīng)濟(jì)、適用，

43、非常適合于VR工作者的教學(xué)、研發(fā)和實(shí)際應(yīng)用。（2）沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)利用頭盔顯示器把用戶的視覺、聽覺和其他感覺封閉起來，產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的錯(cuò)覺。主要特點(diǎn)：虛擬環(huán)境可以是任意虛構(gòu)的、實(shí)際上不存在的世界。任何操作不對(duì)外界產(chǎn)生直接作用。一般用于娛樂或驗(yàn)證某一猜想假設(shè)、訓(xùn)練、模擬、預(yù)演、檢驗(yàn)、體驗(yàn)等。桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)比較：1）沉浸度差異桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)采用CRT彩色顯示器和三維立體眼鏡增加身臨其境感覺，而沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)則采用頭盔顯示器（HMD）增強(qiáng)身臨其境感覺2）交互裝置差異桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)采用的交互裝置是六自由度鼠標(biāo)器或三維操縱桿，而沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)采用的是數(shù)據(jù)手套和

44、頭盔。由多通道投影組合成的虛擬仿真系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于訓(xùn)練、制造、娛樂等行業(yè)。通過將傳統(tǒng)的播放方式改變?yōu)橛谐两械慕换シ绞剑峁┐笠?guī)模具有沉浸虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的手段，為復(fù)雜數(shù)據(jù)可視化的協(xié)同工作起到重要作用。（3）分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱DVR）分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的可供異地多用戶同時(shí)參與的分布式虛擬環(huán)境。在這個(gè)環(huán)境中，位于不同物理環(huán)境位置的多個(gè)用戶或多個(gè)虛擬環(huán)境通過網(wǎng)絡(luò)相連接，或者多個(gè)用戶同時(shí)參加一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，通過計(jì)算機(jī)與其他用戶進(jìn)行交互，并共享信息。在分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，多個(gè)用戶可通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)同一虛擬世界進(jìn)行觀察和操作，以達(dá)到協(xié)同工作的目的。1）分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的特征： 共享的虛擬

45、工作空間； 偽實(shí)體的行為真實(shí)感； 支持實(shí)時(shí)交互，共享時(shí)鐘； 多個(gè)用戶以多種方式相互通信； 資源信息共享以與允許用戶自然操作環(huán)境中對(duì)象。 2）分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成： 分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)有4個(gè)基本組成部件：圖形顯示器、通信和控制設(shè)備、處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。3）分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)： 根據(jù)分布式系統(tǒng)環(huán)境下所運(yùn)行的共享應(yīng)用系統(tǒng)的個(gè)數(shù)，可把DVR系統(tǒng)分為集中式結(jié)構(gòu)和復(fù)制式結(jié)構(gòu)。集中式結(jié)構(gòu)是只在中心服務(wù)器上運(yùn)行一份共享應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以是會(huì)議代理或?qū)υ捁芾磉M(jìn)程。中心服務(wù)器的作用是對(duì)多個(gè)參加者的輸入/輸出操縱進(jìn)行管理，允許多個(gè)參加者信息共享。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信帶寬有較高的

46、要求，并且高度依賴于中心服務(wù)器。復(fù)制式結(jié)構(gòu)是在每個(gè)參加者所在的機(jī)器上復(fù)制中心服務(wù)器，這樣每個(gè)參加者進(jìn)程都有一份共享應(yīng)用系統(tǒng)。服務(wù)器接收來自于其它工作站的輸入信息，并把信息傳送到運(yùn)行在本地機(jī)上的應(yīng)用系統(tǒng)中，由應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行所需的計(jì)算并產(chǎn)生必要的輸出。它的優(yōu)點(diǎn)是所需網(wǎng)絡(luò)帶寬較小。另外，由于每個(gè)參加者只與應(yīng)用系統(tǒng)的局部備份進(jìn)行交互，所以，交互式響應(yīng)效果好。但它比集中式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在維護(hù)共享應(yīng)用系統(tǒng)中的多個(gè)備份的信息或狀態(tài)一致性方面比較困難。4）分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用： 分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在遠(yuǎn)程教育、工程技術(shù)、建筑、電子商務(wù)、交互式娛樂、遠(yuǎn)程醫(yī)療、大規(guī)模軍事訓(xùn)練等領(lǐng)域都有著極其廣泛的應(yīng)用前景。利用它可以

47、創(chuàng)建多媒體通信、設(shè)計(jì)協(xié)作系統(tǒng)、實(shí)境式電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)游戲、虛擬社區(qū)全新的應(yīng)用系統(tǒng)。典型的應(yīng)用領(lǐng)域有：1）教育應(yīng)用：把分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)用于建造人體模型、電腦太空旅游、化合物分子結(jié)構(gòu)顯示等領(lǐng)域，由于數(shù)據(jù)更加逼真，大大提高了人們的想象力、激發(fā)了受教育者的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)效果十分顯著。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、心理學(xué)、教育學(xué)等多種學(xué)科的相互結(jié)合、促進(jìn)和發(fā)展，系統(tǒng)因此能夠提供更加協(xié)調(diào)的人機(jī)對(duì)話方式。2）工程應(yīng)用：當(dāng)前的工程很大程度上要依賴于圖形工具，以便直觀地顯示各種產(chǎn)品，目前，CAD/CAM已經(jīng)成為機(jī)械、建筑等領(lǐng)域必不可少的軟件工具。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用將使工程人員能通過全球網(wǎng)或局域網(wǎng)按協(xié)作方式進(jìn)行三維

48、模型的設(shè)計(jì)、交流和發(fā)布，從而進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率并削減成本。3）商業(yè)應(yīng)用：對(duì)于那些期望與顧客建立直接聯(lián)系的公司，尤其是那些在他們的主頁上向客戶發(fā)送電子廣告的公司，Internet具有特別的吸引力。分布式虛擬系統(tǒng)的應(yīng)用有可能大幅度改善顧客購(gòu)買商品的經(jīng)歷。例如，顧客可以訪問虛擬世界中的商店，在那里挑選商品，然后通過Internet辦理付款手續(xù)，商店則與時(shí)把商品送到顧客手中。3）娛樂應(yīng)用：娛樂領(lǐng)域是分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。它能夠提供更為逼真的虛擬環(huán)境，從而使人們能夠享受其中的樂趣，帶來更好的娛樂感覺。（5）典型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)走向應(yīng)用的時(shí)間還比較短，但與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有關(guān)的研究已經(jīng)

49、歷了數(shù)十年。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展過程中，產(chǎn)生了許多虛擬現(xiàn)實(shí)原形系統(tǒng)與應(yīng)用系統(tǒng)。下面簡(jiǎn)要地介紹幾個(gè)經(jīng)典的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。1）VIDEOPLACE系統(tǒng)VIDEOPLACE是Myron Krueger領(lǐng)導(dǎo)的Artificial Reality研究小組20年的研究成果。其實(shí)它是一個(gè)反應(yīng)環(huán)境(Responsive Environment)，綜合地運(yùn)用了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和手勢(shì)識(shí)別技術(shù)。以VIDEOPLACE為原型的VIDEO-DESK是一個(gè)桌面VR系統(tǒng)。用戶坐在桌邊并將手放在上面，旁邊有一架攝像機(jī)攝下用戶手的輪廓并傳送給不同地點(diǎn)的另一個(gè)用戶，兩個(gè)人可以相互用自然的手勢(shì)進(jìn)行信息交流。同樣，用戶也可與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用手勢(shì)

50、進(jìn)行交互，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)從用戶手的輪廓圖形中識(shí)別手勢(shì)的含義并加以解釋，以便進(jìn)一步地控制。諸如打字、畫圖、菜單選擇等操作，均可以用手勢(shì)完成。VIDEOPLACE對(duì)于遠(yuǎn)程通訊和遠(yuǎn)程控制很有價(jià)值，如用手勢(shì)控制遠(yuǎn)處的機(jī)器人等等。2）VIEW系統(tǒng)VIEW是虛擬交互環(huán)境工作站(Virtual Interactive Environment Workstation)的縮寫，是NASA下屬的Ames研究中心(Ames Research Center)1985年研制開發(fā)的。其目的是為NASA的其他有關(guān)研究項(xiàng)目提供一個(gè)通用、強(qiáng)大的VR系統(tǒng)平臺(tái)。VIEW可以說是集VR技術(shù)之大成。它以HP公司的HP900/835為主計(jì)算

51、機(jī)，圖形處理采用ISG公司的圖形計(jì)算機(jī)或HP SRX圖形系統(tǒng)；配備了Polhemus空間跟蹤系統(tǒng)來跟蹤使用者手和頭的位置；配備了LEEP廣角立體視景頭戴顯示器和單色液晶顯示器；Convolvotron三維音頻輸出設(shè)備；VPL數(shù)據(jù)手套(DataGlove)用于識(shí)別使用者手勢(shì)；同時(shí)還配備了BOOM CRT顯示器與Fakd Space遠(yuǎn)程攝像系統(tǒng)。VIEW是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，它由一組由計(jì)算機(jī)控制的I/O子系統(tǒng)組成。這些子系統(tǒng)分別提供虛擬環(huán)境所需的各種感覺通道的識(shí)別和控制功能。使用者“置身”于這樣的VR環(huán)境，周圍是預(yù)先定義的虛擬物體與三維空間的聲響效果。系統(tǒng)跟蹤使用者頭的位置和方向以達(dá)到變換視點(diǎn)的效

52、果。同時(shí),系統(tǒng)還跟蹤并識(shí)別使用者手與手指的空間移動(dòng)所形成的手勢(shì)，來控制系統(tǒng)的行為。VIEW的聲音識(shí)別系統(tǒng)可讓使用者用語言或聲音向系統(tǒng)下達(dá)命令。3）SIMNET系統(tǒng)1983年美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局和美國(guó)陸軍共同制定SIMNET （SIMulator NETworking）研究計(jì)劃。該計(jì)劃將分散在不同地點(diǎn)的地面坦克、車輛仿真器通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合在一起，進(jìn)行各種復(fù)雜任務(wù)的坦克訓(xùn)練和作戰(zhàn)演練。研究動(dòng)因：為了坦克訓(xùn)練過程中減少訓(xùn)練費(fèi)用、提高安全性、減輕對(duì)環(huán)境的影響(爆炸和坦克履帶破壞訓(xùn)練場(chǎng)地)等 。每個(gè)SIMNET模擬器是一個(gè)獨(dú)立的裝置，可以復(fù)現(xiàn)M1主戰(zhàn)坦克的部，包括導(dǎo)航設(shè)備、武器、傳感器和顯示器等。

53、車載武器、傳感器和發(fā)動(dòng)機(jī)由車載計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)模擬，該計(jì)算機(jī)還包含整個(gè)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)(最初模擬的是德國(guó)和中歐的50km×75km的戰(zhàn)場(chǎng)，以后增加了科威特戰(zhàn)區(qū))的數(shù)據(jù)庫拷貝。所有這些數(shù)據(jù)庫都準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)了當(dāng)?shù)氐牡匦翁攸c(diǎn)，包括植被、道路、建筑物、橋梁等等。坦克乘員之間通信借助車通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，而與其它模擬器之間通信通過遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)由話音和電子報(bào)文實(shí)現(xiàn)。實(shí)時(shí)分布仿真具有廣泛的應(yīng)用，SIMNET就是一個(gè)典型的例子。早先由于沒有仿真系統(tǒng)，軍隊(duì)需要通過軍事演習(xí)重現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)情景，使指揮人員和戰(zhàn)斗人員在訓(xùn)練中學(xué)會(huì)生存和贏得戰(zhàn)斗的技能。因?yàn)檐娛掠?xùn)練所需坦克和飛機(jī)等武器造價(jià)昂貴，而且造成了農(nóng)田、道路等的極大損失，這就需要有一種

54、能模擬戰(zhàn)斗的系統(tǒng)。SIMNET就是在這個(gè)背景下逐步形成的。SIMNET采用了仿真網(wǎng)絡(luò)，可以使多個(gè)操作者異地共同參與同一場(chǎng)景的戰(zhàn)斗，操作人員可以在不同的地方操作不同的武器。SIMNET還可以仿真更多的變化條件，如天氣、阻礙物和其他不利因素。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中的部分戰(zhàn)斗就是先通過SIMNET仿真后再運(yùn)用到戰(zhàn)場(chǎng)上的。實(shí)踐證明，SIMNET取得了良好的效果。圖 3-4 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)Fig.3-4 Virtual Realitu System3.5虛擬制造系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)虛擬制造系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)根據(jù)不同應(yīng)用目標(biāo)和應(yīng)用環(huán)境而各有不同。其中具有代表性的體系結(jié)構(gòu)有Mediator體系、Iwate體系、分布式體系、虛擬開發(fā)

55、平臺(tái)體系等。（1）虛擬設(shè)計(jì)：產(chǎn)品建模 產(chǎn)品異地設(shè)計(jì) 產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì) 產(chǎn)品性能評(píng)價(jià) 零部件分析優(yōu)化 可制造性評(píng)價(jià) 快速原型（2）虛擬制造：生產(chǎn)工藝優(yōu)化 工具設(shè)計(jì)優(yōu)化 刀位控制參數(shù)優(yōu)化 刀位軌跡參數(shù)優(yōu)化 加工方案評(píng)估 虛擬實(shí)驗(yàn) 虛擬檢測(cè) 工藝模型驗(yàn)證、產(chǎn)品模型實(shí)驗(yàn)：虛擬機(jī)床（3）虛擬生產(chǎn)：生產(chǎn)計(jì)劃仿真優(yōu)化 虛擬生產(chǎn)布局 虛擬設(shè)備集成 虛擬裝配 虛擬生產(chǎn)平臺(tái)服務(wù)器（4）虛擬企業(yè)：虛擬企業(yè)平臺(tái)服務(wù)器 企業(yè)協(xié)同工作環(huán)境 企業(yè)虛擬運(yùn)行企業(yè)運(yùn)行仿真3.6 虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)是多種技術(shù)的綜合，其關(guān)鍵技術(shù)和研究容包括以下幾個(gè)方面：（1）環(huán)境建模技術(shù)即虛擬環(huán)境的建立，目的是獲取實(shí)際三維環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)

56、應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。（2）立體聲合成和立體顯示技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中消除聲音的方向與用戶頭部運(yùn)動(dòng)的相關(guān)性，同時(shí)在復(fù)雜的場(chǎng)景中實(shí)時(shí)生成立體圖形。（3）觸覺反饋技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中讓用戶能夠直接操作虛擬物體并感覺到虛擬物體的反作用力，從而產(chǎn)生身臨其境的感覺。（4）交互技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)中的人機(jī)交互遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了鍵盤和鼠標(biāo)的傳統(tǒng)模式，利用數(shù)字頭盔、數(shù)字手套等復(fù)雜的傳感器設(shè)備，三維交互技術(shù)與語音識(shí)別、語音輸入技術(shù)成為重要的人機(jī)交互手段。（5）系統(tǒng)集成技術(shù)由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)的集成技術(shù)為重中之重：包括信息同步技術(shù)、模型標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、識(shí)別和合

57、成技術(shù)等等虛擬現(xiàn)實(shí)是在計(jì)算機(jī)中構(gòu)造出一個(gè)形象逼真的模型。人與該模型可以進(jìn)行交互，并產(chǎn)生與真實(shí)世界中一樣的反饋信息，使人們獲得和真實(shí)世界中一樣的感受。當(dāng)人們需要構(gòu)造當(dāng)前不存在的環(huán)境（合理虛擬現(xiàn)實(shí)）、人類不可能達(dá)到的環(huán)境（夸虛擬現(xiàn)實(shí)）或構(gòu)造純粹虛構(gòu)的環(huán)境（虛幻虛擬現(xiàn)實(shí)）以取代需要耗資巨大的真實(shí)環(huán)境時(shí)，就可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)和在真實(shí)世界中一樣的感覺，就需要有能實(shí)現(xiàn)各種感覺的技術(shù)。人在真實(shí)世界中是通過眼睛、耳朵、手指、鼻子等器官來實(shí)現(xiàn)視覺、觸覺（力覺）、嗅覺等功能的。人們通過視覺觀看到色彩斑斕的外部環(huán)境，通過聽覺感知豐富多彩的音響世界，通過觸覺了解物體的形狀和特性，通過嗅覺知道周圍的氣味?？傊?，通過各種各樣的感覺，使我們能夠同客觀真實(shí)世界交互（交流），使我們浸沉于和真實(shí)世界一樣的環(huán)境中。在這里，實(shí)現(xiàn)聽覺最為容易；實(shí)現(xiàn)視覺是最基本的也是必不可少的和最常用的；實(shí)現(xiàn)觸覺只有在某些情況下需要，現(xiàn)在正在完善；實(shí)現(xiàn)嗅覺還剛剛開始。 人從外界獲得的信息，有80%90%來自視覺。因此在虛擬環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)和真實(shí)環(huán)境中一樣的視覺感受，對(duì)于獲得逼真感、浸沉感至為重要。在虛擬現(xiàn)實(shí)中和通常圖像顯示不同的是，要求顯示的圖像要隨觀察者眼睛位置的變化而變化。此外，要求能快速生成圖像以獲和實(shí)時(shí)感。例如，制作動(dòng)畫時(shí)不要時(shí)，為了保證質(zhì)量每幅畫面需要多長(zhǎng)時(shí)間生成不受限制。而虛擬現(xiàn)實(shí)時(shí)生成的畫面通常為30幀/秒。