虚拟现实及应用

2024-05-21

虚拟现实及应用（精选十篇）

虚拟现实及应用篇1

虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术,又称“灵境技术”、“虚拟环境”、“赛伯空间”、“模拟实境”、“虚拟实境”、“仿真技术”等,是在现代科学技术(如计算机图形学、图像处理与识别、计算机仿真技术、人机接口技术、实时分布处理技术、数据库技术、多媒体技术、多传感器技术和人的行为学研究等)的基础上发展起来的一门交叉科学技术。其特点以计算机技术为主,利用计算机等设备创造一个视听感受逼真的三维虚拟环境,该环境是人工虚构的,在这个虚构的环境中能实现与现实相同的感受,可以利用它观察周围世界,可以与虚拟世界进行人机互动等,大大加速了人机互动技术的发展。VR技术的出现,为人机交互界面的发展开创了新的研究平台,为智能工程提供了新的界面工具,为装置艺术可视化发展提供了新的展示空间。

2 虚拟现实技术的发展概述

VR的发展概括起来大致为三个阶段:20世纪50年代到70年代,是虚拟现实技术的探索阶段;80年代前中期,是虚拟现实技术从实验室走向实用的阶段;80年代末到21世纪初,是虚拟现实技术快速发展时期。

1965年“虚拟现实技术之父”Lvan Sutherland博士在《终极的显示》的论文中首次提出了具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想,随后几年又展开了头盔式显示器(HMD)的研制工作,取得了显著的成绩,因此这一理论影响至今。在第一个HMD的样机完成不久,研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。1970年,出现了第一个功能较齐全的HMD系统。

基于从60年代以来所取得的一系列成就,美国的Jaron Lanier在上世纪80年代正式提出了“Virtual Reality”一词。美国宇航局(NASA)及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究,并取得了令人瞩目的研究成果,从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。随后开发出用于火星探测的虚拟环境视觉显示器,将火星探测器发回的数据输入计算机,为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。到了90年代,计算机硬件技术与软件系统极大的推动虚拟现实技术的发展,加速了大型数据集合的声音和图象的实时动画制作的发展。1993年11月,宇航员利用虚拟现实系统成功地完成了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作,用VR技术设计出由300万个零件组成的波音777飞机;1996年10月31日,世界第一个虚拟现实技术博览会在伦敦举行;同年12月,世界第一个虚拟现实环球网在英国投入运行;进入21世纪后,虚拟技术得到进一步发展,世界最大的虚拟现实技术软件公司之一的英国“超景”公司总裁深刻地认识到虚拟现实技术的产生,是因特网继文字时代后的又一次飞跃,有着巨大潜力和发展空间,应用前景不可估量;因此组织开发出在电脑屏幕可以游览的“超级城市”立体图像,真实模拟人们生活场景等等。随着因特网传输速度的加快,VR技术也趋于成熟,这种网络将广泛应用于工程设计、教育、医疗、军事、娱乐等领域。

3 虚拟现实技术的应用现状

3.1 军事与航空航天

虚拟现实的技术根源可以追随到军事领域,军事应用是推动虚拟现实技术发展的主要力量,是虚拟现实系统最为重要的应用领域。模拟训练一直是军事与航天工业中的一个重要课题,这为VR提供了广阔的应用前景。海湾战争的美国士兵对周边的环境不觉得陌生,是由于虚拟现实已把他们带入那漫无边际的风尘黄沙,让他们“身临其境”感受到大漠的荒凉。美国国防部先进研究课题局(DARPA)自80年代初起一直致力于研究称为SIMNET的虚拟战场系统,这个课题结果产生了仿真网络,连到美国和德国200多个坦克仿真器。在航空航天方面,宇航员利用虚拟现实系统进行各种训练,美国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。

3.2 医学方面

虚拟人体在医学方面的应用十分重要。借助于跟踪球、HMD、感觉手套探索工具,可以很容易了解人体内部器官结构,经过3D可视化,可以更好的展示人体各器官和组织且还可以进行功能性的演艺。Pieper和Satara等研究者在90年代基于两个SGI工作站建立了一个虚拟外科手术训练器,用于腿部及腹部外科手术模拟。这个虚拟的环境包括虚拟的手术台与手术灯,虚拟的外科工具,虚拟的人体模型和器官等。借助于HMD及感觉手套,使用者可以对虚拟的人体模型进行手术。另外,对于危急病人,还可以实施远程手术。在远程遥控外科手术、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恬状况,新型药物的研制等,VR技术都有十分重要的意义。

3.3 工程管理

VR在工程管理方面也显示出无与伦比的优越性。设计新型建筑物时,可以在动工之前用VR技术显示建筑物,为安全生产和管理工程奠定基础;当财政发生危机时,可以帮助其分析股票、债券等方面的数据分析以找到最佳的处理对策等等。

3.4 建筑设计与城市规划设计

德国是运用VR技术在建筑设计最早的行业。自1991年起,德国多家研究所和公司探索和研究交互效果的“虚拟设计”。当时城市规划、工程建筑设计的辅助开发工具就在全力使用虚拟现实技术,把虚拟现实技术作为其规划的视觉依据。浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑实时漫游系统,实现了立体视觉,还提供了方便的交互工具,整个系统的实时性和画面的真实感处于全国领先水平。

3.5 娱乐、艺术与教育领域

丰富的感觉能力与3D显示环境使得VR成为理想的视频游戏娱乐工具。英国开发了一款游戏系统———“Virtuality”,配有HMD,大大提高了真实感;Chicago(芝加哥)开放了世界上第一台大型可供多人使用的VR娱乐系统,其相关主题为3025年的一场未来战争;1992年开发的称为“Legeal Qust”的系统由于增加了人工智能功能,使计算机具备了学习功能,大大增强了趣味性及难度,因此该系统获得了当年的VR产品奖。

随着数字媒体的发展,虚拟现实技术在艺术方面发挥的作用不可估量。丰富了艺术的表现形式,强化了艺术表现力;手足不便的人可以在居室中去虚拟音乐厅欣赏音乐会,可以足不出户在家观看电子博物馆;另外,数字化的文化遗产也是虚拟现实技术的应用方向之一,对文化遗产的保护与复原发挥很大的意义,可以利用VR技术漫游世界古迹,感受古代战场,还原古迹原貌。

随着虚拟现实技术的普及,在教育方面出现了虚拟校园、虚拟课堂、远程教育等。中国浙江大学研制开发了基于人物的电子学习环境(ELVIS),用来辅助9-12岁小学生进行故事创作。中国科技大学运用VR技术开发了第一套基于虚拟现实的教学软件,丰富了教学环境。

4 我们的工作

在传统的人与计算机系统中,用户是一个外部的观察者,只是通过显示屏有限的小窗口,观察计算机内的合成环境。传统的人机交互最常用的设备是键盘和鼠标,人们通过它们与合成环境中的物体进行交互,这与我们现实世界中的通讯方式相差甚远。互动装置技术主要是通过计算机硬件及软件程序平台、自动化等技术结合计算机输入、输出设备和一些表现性的综合材料来表现艺术,其最大特点就是参与者能与虚拟环境进行自然的交互,能用人类自然的技能与感知能力与虚拟世界中的对象进行交互作用。针对目前整个业界的发展状况,结合我国VR技术发展的现实以及应用需求的实际情况,作者认为我们尚有很大的可研发空间,然而就目前虚拟现实技术的理论及文字性的材料有限,在一些大型展览中,其作品却越来越多,鉴于它的发展及技术研究,作者从互动装置艺术的虚拟性方法入手,结合实践对它进行了规类、划分和技术应用,打破传统的单一的静态装置,为业界对它的研究作一些理论性和实践铺垫。针对大型场合控制系统,其可控性和可观性都存在许多困难,最重要的问题就是虚拟现实计算空间与人的认知空间中的多维信息映射算法的构造和实现,在这方面的研究主要应该在新型材料微型传感器开发设计,新型装置的设计,建立一套科学的触觉力觉设备实验环境和评估标准,包括各项该类装置设计和实用评估指标。互动装置未来市场空间很大,有待于我们继续开发和应用更广阔的领域。

5 展望

VR技术的实质是构建一种人为的能与之进行自由交互的“世界”,在这个“世界”中参与者可以实时地探索或移动其中的对象。沉浸式虚拟现实是最理想的追求目标,实现的方式主要是戴上特制的头盔显示器、数据手套以及身体部位跟踪器,通过听觉、触觉和视觉在虚拟场景中进行体验。可以预测短期内游戏玩家可以戴上头盔身着游戏专用衣服及手套真正体验身临其境的“虚拟现实”游戏空间,它的出现将淘汰现有的各种大型游戏,推动科技的发展。纵观VR的发展历程,未来VR技术的研究仍将延续“低成本、高性能”原则,从软件、硬件两方面展开,发展方向主要归纳如下:

(1)动态环境建模技术。虚拟环境的建立是VR技术的核心内容,动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据,并根据需要建立相应的虚拟环境模型。

(2)实时三维图形生成和显示技术。三维图形的生成技术已比较成熟,而关键是怎样“实时生成”,在不降低图形的质量和复杂程度的基础上,如何提高刷新频率将是今后重要的研究内容。此外,VR还依赖于立体显示和传感器技术的发展,现有的虚拟设备还不能满足系统的需要,有必要开发新的三维图形生成和显示技术。

(3)新型交互设备的研制。虚拟现实技术实现人能够自由与虚拟世界对象进行交互,犹如身临其境,借助的输入输出设备主要有头盔显示器、数据手套、数据衣服、三维位置传感器和三维声音产生器等。因此,新型、便宜、鲁棒性优良的数据手套和数据服将成为未来研究的重要方向。

(4)智能化语音虚拟现实建模。虚拟现实建模是一个比较繁复的过程,需要大量的时间和精力。如果将VR技术与智能技术、语音识别技术结合起来,可以很好地解决这个问题。我们对模型的属性、方法和一般特点的描述通过语音识别技术转化成建模所需的数据,然后利用计算机的图形处理技术和人工智能技术进行设计、导航以及评价,将模型用对象表示出来,并且将各种基本模型静态或动态地连接起来,最终形成系统模型。人工智能一直是业界的难题,人工智能在各个领域十分有用,在虚拟世界也大有用武之地,良好的人工智能系统对减少乏味的人工劳动具有非常积极的作用。

(5)分布式虚拟现实技术的展望。分布式虚拟现实是今后虚拟现实技术发展的重要方向。随着众多DVE开发工具及其系统的出现,DVE本身的应用也渗透到各行各业,包括医疗、工程、训练与教学以及协同设计。仿真训练和教学训练是DVE的又一个重要的应用领域,包括虚拟战场、辅助教学等。另外,研究人员还用DVE系统来支持协同设计工作。近年来,随着Internet应用的普及,一些面向Internet的DVE应用使得位于世界各地多个用户可以进行协同工作。将分散的虚拟现实系统或仿真器通过网络联结起来,采用协调一致的结构、标准、协议和数据库,形成一个在时间和空间上互相耦合的虚拟合成环境,参与者可自由地进行交互作用。特别是在航空航天中应用价值极为明显,因为国际空间站的参与国分布在世界不同区域,分布式VR训练环境不需要在各国重建仿真系统,这样不仅减少了研制费和设备费用,减少了人员出差的费用以及异地生活的不适。

近几十年来,通信技术、计算机的同步发展和相互促进成为世界上信息技术与产业飞速发展的主要特征。特别是网络技术的迅速崛起与普及,使得信息应用系统在深度和广度上发生了质的变化。虚拟现实主要依靠人机交互的发展,目前技术上已初步解决人脑数据的读取,在不久的将来,开发者将完全解决通过神经系统自动进入虚拟现实环境的“人脑———计算机接口”问题,通过对人脑提取和反馈神经信号使人完全融入“虚拟现实”世界。当然从技术角度,我们应该对基于多用户虚拟环境进行必要的技术研究。因为将来的VR技术将越来越重视人在其中的交互。虚拟现实充满活力、具有无限的应用前景的高新技术领域,但仍然存在许多有待解决与突破的问题。为了提高系统的交互性、逼真性和沉侵性,在新型传感和感知肌理、几何与建模新方法、高性能计算,特别是高速图形图像处理,以及人工智能、心理学、社会学等方面都有许多具有挑战性的问题有待我们进一步解决。

摘要：虚拟现实技术作为一种综合多种科学技术的计算机领域新技术,是国内外计算机仿真应用研究的热点,涉及众多发展和应用领域,极大地丰富了我们的生活。本文针对虚拟现实的历史、发展、应用现状进行了必要的概述,同时就作者近期的工作做了介绍以及对虚拟现实未来发展方向做了初步的展望.

关键词：虚拟现实,交互技术,虚拟环境

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虚拟现实技术的应用现状及发展篇2

计与规划、教育与训练、遥作与遥现、医学、艺术与娱乐等多个方面。下面我们分别讨论几个典型的应用例子。

用于遥控机器人的遥现技术

遥现技术〖4〗是指当实际上在某一个地方时，可以产生在另一个地方的感觉。虚拟现实

涉及到体验由计算机产生的三维虚拟环境，而遥现则涉及到体验一个遥远的真实环境。遥现技术在实际应用中需要虚拟环境的指导。例如，在遥控宇宙空军站的开发计划中，从安全性以及费用的角度考虑，我们有必要使用空间机器人。这种空间机器人的特点是由地面上的操作员进行遥操作，或进行部分自主操作。对于像零件更换的固定操作可以完全自主进行，而对于故障检修等难以预测的操作则有必要依赖于遥操作。这时，虚拟现实技术和遥现技术将发挥重要的作用。为研究新一代空间机器人的遥操作技术，日本开发了宇宙开发地面实验平台。该实验平台有人-机交互、计算机系统以及机器人系统所构成。现在，在该实验平台上进行了零件更换等空间机器人的典型操作实验，实现了实验平台的基本功能。

仿真技术

虚拟环境是计算机生成的具有沉浸感的环境，它对参与者生成诸如视觉、听觉、触觉、

味觉等各种感官信息，给参与者一种身临其境的感觉。因此，虚拟环境是一种新发展的、具有新含义的一种人机交互系统。

飞行仿真系统

飞行仿真系统由四部分组成，即飞行员的操纵舱系统显示外部图象的视觉系统产生运动感的运动系统计算和控制飞行运动的计算机系统。

计算机系统是飞行仿真系统的中枢，用它来计算飞行的运动、控制仪表及指示灯、驾驶杆等信号。视觉系统和运动系统与虚拟现实密切相关，其中，视觉系统向飞行员提供外界的视觉信息。该系统由产生视觉图象的“图象产生部”和将产生的信号提供给飞行员的“视觉显示部”组成。在图象产生部，随着计算机图形学的发展，现在使用称为CGI(Computer Generated Imagery)的视觉产生装置。在CGI中利用纹理图形驾驶可以产生云彩、海面的波浪等效果。另外，利用图象映射驾驶可以从航空照片上将农田以及城市分离出来，并作为图象数据加以利用。视觉显示部向飞行员提供具有真实感的图象，图象的显示有无限远显示方式、广角方式、半球方式以及立体眼镜和头盔式显示器等四种方式。

作为飞行仿真系统的构成部分，运动系统向飞行员提供一种身体感觉，它使得驾驶舱整体产生运动，根据自由度以及驱动方式的不同，可以分为万向方式、共动型吊挂方式、共动型支撑方式以及共动型六自由度方式等。利用该运动系统，飞行员可以感觉到实际飞机一样的运动感觉。

与虚拟生物对话

研究人员设计了一种与虚拟生物对话的仿真系统。在该系统中，虚拟世界中的虚拟生物和现实世界中的生物一样，可以决定自己的行动，并且能够动态地应付周围的情况。对于人的挑逗也能够根据情况的不同作出各种复杂的反应，甚至能够进行对话。通过引进虚拟生物，可以实现系统的自主性、交互性及其自然的魅力。

作战仿真系统

各个国家在传统上习惯于通过举行实战演习来训练军事人员和士兵，但是这种实战演练，特别是大规模的军事演习，将耗费大量资金和军用物资，安全性差，而且还很难在实战演习条件下改变状态，来反复进行各种战场态势下的战术和决策研究。近年来，虚拟现实技术的应用，使得军事演习在概念上和方法上有了一个新的飞跃，即通过建立虚拟战场来检验和评估武器系统的性能。例如一种虚拟战场环境，它能够包括在地面行进的坦克和装甲车，在空中飞行的直升机、歼击机、导弹等多种武器平台，并分别属于红、兰交战双方。图(4)为一多机空仿真系统，它除了多台有人驾驶的飞机模拟器和“数字”飞机外，在网上还连着地面威胁环境、空中威胁环境、背景干扰环境等结点。该系统的主要研究目的是对飞机的飞行、火控、航空电子系统进行综合研究，同时研究多机协同空战战术。

图(4)多机空仿真系统

对象可视化技术〖5〗

虚拟风洞

在科学研究中，人们总会面对大量的随机数据，为了从中得到有价值的规律和结论，需要对这些数据进行认真分析。例如，为了设计出阻力小的机翼，人们必须详细分析机翼的空气动力学特性。因此人们发明了风洞实验方法，通过使用烟雾气体使得人们可以用肉眼直接观察到气体与机翼的作用情况，因而大大提高了人们对机翼的动力学特性的了解。虚拟风洞的目的是让工程师分析多旋涡的复杂三维性质和效果、空气循环区域、旋涡被破坏时的乱流等，而这些分析利用通常的数据仿真是很难可视化的`。

虚拟物理实验室

在学习过程中，学生总有许许多多的疑问有待解答。虚拟物理实验室〖8〗的设计使得学生可以通过亲身实践D做、看、听来学习的方式成为可能。使用该系统，学生们可以很容易的演示和控制力的大小、物体的形变与非形变碰撞、摩擦系数等物理现象。为了显示物体的运动轨迹，可以对不同大小和质量的运动物体进行轨迹追踪。还可以停止时间的推移，以便仔细观察随时间变化的现象。学生可以通过使用数据手套与系统进行各种交互。

虚拟电力控制室

在现行的电力控制室的设计中，控制台以及显示器的设计一般是用和实物同等大小的模型。研究人员使用虚拟现实技术研制了一个辅助设计控制室的系统。使用该系统可以自由地改变控制室内的配色、照明、报警、显示器的画面构成，以及各种仪表的配置等室内环境。另外，用户还可以在室内移动，以便从不同方向观察室内情况。

现在人们正在研究将图形与实际图象进行融合的系统。使用该系统可以用虚拟空间监视远方的现场，也可以给用户一种自由往返于虚拟空间和远方现场的感觉。但是，目前还没有合适的输出装置。相信这种需要必将会促进虚拟现实技术中硬件装置的研制。

分布式虚拟现实系统

近几十年来，计算机、通讯技术的同步发展和相互促进成为全世界信息技术与产业飞

速发展的主要特征。特别是网络技术的迅速崛起，使得信息应用系统在深度和广度上发生了本质性的变化，分布式虚拟现实系统(DVR)即是一个较为典型的实例〖6〗。所谓DVR是指一个支持多人实时通过网络进行交互的软件系统，每个用户在一个虚拟现实环境中，通过计算机与其它用户进行交互，并共享信息。下面我们分几个方面加以介绍。

分布式虚拟现实系统的产生和发展

分布式虚拟现实的研究开发工作可追溯到80年代初。如1983年美国国防部(DOD)

制定了SIMENT的研究计划;1985年SGI公司开发成功了网络VR游戏DogFlight.到了90年代，一些著名大学和研究所的研究人员也开展了对分布式虚拟现实系统的研究工作，并陆续推出了多个实验性DVR系统或开发环境，典型的例子有美国NPS开发的NPSNET(1990)、美国斯坦福大学的PARADISE/Inverse系统(1992)、瑞典计算机科学研究所的DIVE(1993)、新加坡国立大学的BrickNet(1994)、加拿大Albert大学的MR工具库(1993)及英国Nottingham大学的AVIARY(1994)。

模型结构

分布式虚拟现实系统是基于网络的虚拟环境，在这个环境中，位于不同物理环境位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相联结。根据分布式系统环境下所运行的共享应用系统的个数，可把DVR系统分为集中式结构和复制式结构。集中式结构是只在中心服务器上运行一份共享应用系统。该系统可以是会议代理或对话管理进程。中心服务器的作用是对多个参加者的输入/输出操纵进行管理，允许多个参加者信息共享。它的特点是结构简单，容易实现，但对网络通信带宽有较高的要求，并且高度依赖于中心服务器。

复制式结构是在每个参加者所在的机器上复制中心服务器，这样每个参加者进程都有一份共享应用系统。服务器接收来自于其它工作站的输入信息，并把信息传送到运行在本地机上的应用系统中，由应用系统进行所需的计算并产生必要的输出。它的优点是所需网络带宽较小。另外，由于每个参加者只与应用系统的局部备份进行交互，所以，交互式响应效果好。但它比集中式结构复杂，在维护共享应用系统中的多个备份的信息或状态一致性方面比较困难。

3.DVR的网络通信

我们在设计和实现DVR系统时，必须考虑以下网络通信因素：

带宽网络带宽是虚拟世界大小和复杂度的一个决定因素。当参加者增加时，带

宽需求也随着增加。这个问题在局域网中并不突出，但在广义网上，带宽通常限制为1.5Mbps,而通过Internet访问的潜在用户数目却比较大。

分布机制它直接影响系统的可扩充性。常用的消息发布方法为广播、多播和单

播。其中，多播机制允许任意大小的组在网上进行通信，它能为远程会议系统和分布式仿真类的应用系统提供1-多和多-多的消息发布服务。

延迟影响虚拟环境交互和动态特性的因素是延迟。如果要使分布式环境仿真真

实世界，则必须实时操作，从而增加真实感。对于DVR系统中的网络延迟可以通过使用专用联结、对路由器和交换技术进行改进、快速交换接口和计算机等来缩减。

可靠性在增加通信带宽和减少通信延迟这两方面进行折衷时，则要考虑通信的

可靠性问题。可靠性由具体的应用需求来决定。有些协议有较高的可靠性，但传输速度慢，反之亦然。

分布式虚拟现实系统的多协议模型

由于在DVR系统中需要交换的信息种类很多，单一的通信协议已不能满足要求，这时

就需要开发多种协议，以保证在DVR系统中进行有效的信息交换。协议可以包括：联结管理协议、导航控制协议、几何协议、动画协议、仿真协议、交互协议和场景管理协议等。在使用过程中，可以根据不同的用户程序类型，组合使用以上多种协议，图(5)即为一个例子。

图(5) 不同的客户需要使用不同的协议

分布式虚拟现实系统的应用

分布式虚拟现实系统在远程教育、科学计算可视化、工程技术、建筑、电子商务、交

互式娱乐、艺术等领域都有着极其广泛的应用前景。利用它可以创建多媒体通信、设计协作系统、实境式电子商务、网络游戏、虚拟社区全新的应用系统。典型的应用领域有：

教育应用

把分布式虚拟现实系统用于建造人体模型、电脑太空旅游、化合物分子结构显示等领域，由于数据更加逼真，大大提高了人们的想象力、激发了受教育者的学习兴趣，学习效果十分显著。同时，随着计算机技术、心理学、教育学等多种学科的相互结合、促进和发展，系统因此能够提供更加协调的人机对话方式，

工程应用

当前的工程很大程度上要依赖于图形工具，以便直观地显示各种产品，目前，CAD/CAM已经成为机械、建筑等领域必不可少的软件工具。分布式虚拟现实系统的应用将使工程人员能通过全球网或局域网按协作方式进行三维模型的设计、交流和发布，从而进一步提高生产效率并削减成本。

商业应用

对于那些期望与顾客建立直接联系的公司，尤其是那些在他们的主页上向客户发送电子广告的公司，Internet具有特别的吸引力。分布式虚拟系统的应用有可能大幅度改善顾客购买商品的经历。例如，顾客可以访问虚拟世界中的商店，在那里挑选商品，然后通过Internet办理付款手续，商店则及时把商品送到顾客手中。

娱乐应用

娱乐领域是分布式虚拟现实系统的一个重要应用领域。它能够提供更为逼真的虚拟环境，从而使人们能够享受其中的乐趣，带来更好的娱乐感觉。

虚拟现实技术的进一步展望

正如其它新兴科学技术一样，虚拟现实技术也是许多相关学科领域交叉、集成的产物。

它的研究内容涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制、心理学等〖7〗。我们必须清醒地认识到，虽然这个领域的技术潜力是巨大的，应用前景也是很广阔的，但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。客观而论，目前虚拟现实技术所取得的成就，绝大部分还仅仅限于扩展了计算机的接口能力，仅仅是刚刚开始涉及到人的感知系统和肌肉系统与计算机的结合作用问题，还根本未涉及“人在实践中得到的感觉信息是怎样在人的大脑中存储和加工处理成为人对客观世界的认识”这一重要过程。只有当真正开始涉及并找到对这些问题的技术实现途径时，人和信息处理系统间的隔阂才有可能被彻底的克服了。我们期待这有朝一日，虚拟现实系统成为一种对多维信息处理的强大系统，成为人进行思维和创造的助手和对人们已有的概念进行深化和获取新概念的有力工具。

参考文献

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虚拟演播室技术特点及应用篇3

关键词虚拟演播室技术特点应用

引言

虚拟演播室（Virtual Studio，VS）是计算机技术在电视节目制作领域的最新应用之一，是一种基于虚拟现实的电视节目制作技术，它具有制景费用低廉、更换布景方便，便于发挥主创人员创意，实现其他技术难以完成的特技的优势，因此它的出现，不但成功地展示了所有能想象到的一切，而且电视给人们带来了焕然一新的视觉效果。

为了产生出逼真视觉的场景效果，用计算机场景工作站生成的三维图像代替简单的二维图像作为演播室的“虚拟”背景，并跟踪摄像机运动实时调整和“移动”该背景，使之与拍摄的主持人图像（前景）同步变换，实现三维场景的移动变换与真实摄像机相一致的模拟效果，这就是三维图形学、人工智能、模式识别与计算机图形图像处理相结合的虚拟演播室技术。它一般由一套计算机系统、电视摄像机（装有摄像机跟踪器）、三维场景跟踪器、色键器以及视音频切换等构成，其实质是将计算机产生的虚拟三维场景与摄像机现场拍摄的演员（或节目主持人）表演的活动图像图像进行数字化实时合成，使演员（或节目主持人）的表演（前景）与虚拟场景（背景）达到同步的变化，从而实现前景与背景的完美结合。

1 虚拟演播室工作原理

不同虚拟演播室对软件的要求不尽相同，但其核心部分却大同小异。虚拟演播室主要由摄像机、摄像机跟踪系统、计算机图形工作站、色键合成器4个部分组成。摄像机主要用于摄取蓝色幕布前真实的人或物。摄像机跟踪系统主要用于获取摄像机在演播室中的实际位置参数和动作参数。计算机图形工作站主要用于生成实施虚拟场景。色键合成器主要用于于将摄像机前景和计算机虚拟场景合成为一个图像。

虚拟演播室的工作原理如图1所示，把摄像机拍摄到的一蓝色幕布为背景的画面作为前景，用一台超级实时图形计算机中的三位动画软件生成的三维动作图形作为虚拟场景，通过跟踪器系统把采集到的摄像机的运动参数实时传送给计算机图形工作站，计算机图形工作站经大量运算后，产生于实际摄像机拍摄的实景画面匹配的虚拟场景。再通过深度键和色键将前景与虚拟场景合成为一个图像输出，达到以假换真的效果。

2 虚拟演播室关键技术

2.1 摄像机跟踪技术

摄像机跟踪技术是虚拟演播室中一项关键技术，它可以获取计算机在演播室中的实际位置参数和动作参数，从而判断摄像机、演员或节目主持人、计算机虚拟场景之间的相对位置关系，帮助系统实现真实摄像机与虚拟摄像机的锁定。目前，摄像机跟踪技术主要有图形识别、机械传感、红外线传感和超声波传感4种方式，每种方式都各有优劣，分别适用于不同的应用环境，4种方式的原理和比较如下图所示。

在虚拟演播室节目制作过程中，虚拟演播室专用数字摄像机通常为二到三个，摄像机配有运动检测和识别系统，即摄像机跟踪器。其原理是将检测到的摄像机的推、拉、摇、移、聚焦、变焦乃至升降等传感部位的运动数据，通过一个“传感器”装置传输到“校准器”，这样，理想情况下，现场摄像机与虚拟演播室中“虚拟”的摄像机被相对地锁定在一个位置上。当现场演播室摄像机运动时，虚拟摄像机受跟踪器的控制可以实时地与现场摄像机保持同步。

2.2 辅助摄像机技术

辅助摄像机技术是以图形识别技术为基础，可以说是图形识别系统的一种扩展。辅助摄像机是一种专用的小型摄像机，它可安装在任何一个演播室摄像机的顶部。而格子图案可以是任意颜色的，可安装于摄像师的后部、侧墙或天花板上。当演播室摄像机拍摄表演者时，辅助摄像机就会拍摄到格子图案，通过格子图案的视频图像信号进行分析，就可以得到演播室摄像机的各种参数。使用辅助摄像机技术后，演播室摄像机的拍摄可不受任何限制，可实现极端推进、宽角度拍摄、室外操作级费蓝演播室应用等。

2.3 “垃圾色块”技术

使用虚拟演播室系统制作节目时，当摄像机无意间拍摄到非蓝区域时，会出现“穿帮”现象。为了克服这一现象，出现了“垃圾色块”技术，或称为“填补彩底”技术。使用这一技术后，摄像机拍摄到的非蓝区域可自动由“垃圾色块”来填补，因此它具有“背景保护”功能，使演播的范围大大超出了演播室的蓝色背景范围。另外，这种技术还可用来制作虚拟天花板。

2.4 计算机虚拟场景生成技术

虚拟演播室系统配备的计算机是一个小型计算机网络，主机为网络中心，它是虚拟演播室的控制中心，是虚拟演播室节目制作的“导演台”。它除了调用和调整事先做好的三维虚拟场景外，还负责向图形发生器传输图像数据及处理由摄像机跟踪器传来的摄像机运动数据。根据主机传来的摄像机运动数据实时地计算出虚拟的三维电脑场景的运动，以保证其输出的虚拟背景与真实的前景同步。

其中，在虚拟节目准备中的一个重要任务就是建立三维模型。虚拟演播室的背景图像可以是来自录像机或摄像机的活动视频，也可以是静止图像等，但使用最多的是由计算机创作的二维或三维模型，即虚拟场景。有别于普通的电视节目后期制作和三维动画技术，虚拟演播室技术更加强调制作的现场感和可扩充的实时性。用计算机建立三维场景几乎不受现实的限制，因此，创作人员得以在节目需求的基础上根据想象自由发挥。场景的大小、布局、材料和动画等等都可以是任意的，只要设计得当，就可以制作出任何以往想都不敢想的虚拟场景。虚拟演播室系统还可以用建模软件控制合适的贴图、灯光、模型等参数，给场景中的物体贴画，加光影和润色，使其更具真实感。在虚拟场景中，主持人可以来回走动，场景中的虚拟物体可以实时的移动和处理，电视窗口能显示外部视频源送来的视频信号。主持人不仅能在虚拟物体的前面或后面，并且能隐藏在物体的里面。

2.5 灯光技术

灯光对于电视节目的制作向来占用相当重要的地位，在虚拟演播室中更是这样，所有光色必须保证蓝色空间场地基色，以适应色键器抠像的技术要求。虚拟演播室的无限蓝箱给灯光的处理带来了新的要求，传统的三点式布光的方法要有所变化，处理好布光问题可大大增加虚拟场景的真实感。对于地面、墙面的光线要尽量做到均匀、无阴影，要注意把握人物主体与蓝色背景之间布光的比例，另一方面，要注意现场真实灯光与虚拟系统生成的场景光效之间的协调，以增强真实感。

2.6 色键技术

虚拟演播室对色键技术提出了更高的要求，为了将前景画面和虚拟背景很好的合在一起，要求色键具有纵深方向的信息，即虚拟摄像机到每个像素的距离。这是一种基于计算机产生的三维布景画面的混合技术，被称之为深度键。使用传统的色键技术，将主持人丛蓝色幕布中提取出来，同时产生一个前景遮挡信号即键信号，然后通过深度键发生器求出键的深度值。在传统的抠像技术的基础上增加了深度键，可以让表演者处在虚拟场景的正确位置中，这样表演者可以走到虚拟物体的前面、后面或处于虚拟物体的内部，甚至可以穿过虚拟物体，给观众真实的距感，与传统色键相比，用深度键抠像的效果更自然和逼真。

2.7 蓝箱技术

蓝箱也称为蓝背景，它是主持人活动的实际场景及虚拟制作的基本依据。蓝箱的好坏，直接关系到色键像的质量。蓝背景可采用蓝幕布，但最好采用蓝背景漆。

蓝箱的设计首先要考虑空间结构。建议最好是选用面积适合的小演播室作为虚拟演播室专用，另外，要根据虚拟演播室的机位，来设计蓝箱的形状并计算其大小。

其次要考虑制作工艺，重点是背景制作，一般来说蓝色能更好地保护人体的皮肤颜色；物体周围的蓝色弱色调没有绿色弱色调显眼；演员们在蓝色环境，工作要比红色环境中愉快。蓝背景漆应使用添加有阻燃剂、哑光、具有一定耐磨度的纯正的色键蓝色，以保证最好的色键效果。

其它新技术还包括虚拟阴影及反射、虚拟散焦、高速数字视频处理等等。利用虚拟阴影及反射技术可进一步增强场景的真实感。虚拟散焦功能可模仿几何光学的原理，对虚拟场景中的远处景物进行散焦处理，从而增强场景的纵深感。新的数字视频处理器可完成高达每秒30亿次的操作，可建立逼真的3D环境。

3 虚拟演播室技术的应用

虚拟演播室的优势是显而易见的，从画面可以明显看出，电脑生成的背景与演员之间的融合简直是天衣无缝。使用虚拟演播室制作新闻、体育、娱乐、访谈、天气预报和一些教育类节目是比较理想的，因为这些节目在制作上具有连续性和重复性，制作一个场景就可以重复利用多次。在世界各大电视台，这样的节目不胜枚举。在演播室内搭建摩天大楼，演员在月球进行“实况转播”，演播室里刮龙卷风等等。

3.1 虚拟重放

虚拟重放系统主要应用于足球等球类比赛的转播及评论节目。它通过先进的视频跟踪技术和三维重建技术，可自动跟踪运动员或球，并突出显示他们的运动轨迹或路线，测量运动员和球的速度以及两物体之间的距离，并可在视频图像上直接描画各种箭头、轨迹、路线和标志。这套系统需要事先存储体育场的三维模型。另外，准备素材需要几分钟的时间。虚拟重放系统将逐步改变体育节目的转播方式，它可部分代替慢速重放，可从各个角度模仿真实比赛的情况，因此呈现在观众面前的将不再是“有争议”的或是难以判断的情况。

3.2 数字重放

数字重放系统主要应用于体育比赛的报道及评述节目。它能迅速重放各种精彩场面，在重放时，通过使用先进的视频跟踪技术，可突出显示并自动追踪关键运动员或球，显示他们的运动轨迹或路线，测量并显示运动员和球的速度以及两物体之间的距离，可在视频图像上直接描画各种箭头、轨迹、路线和标志。对于观众来说，数字重放系统可使他们更清楚地了解比赛中的每一个细节，从而能更好地欣赏比赛。对于体育评论员和球队教练来说，数字重放系统是一个理想的分析工具。

3.3 虚拟广告

虚拟广告系统可在体育节目或文艺节目的直播期间，将演播室制作的虚拟广告牌插入到赛场或表演场的空地上，或用虚拟广告牌替换掉场地上原有的广告牌，合成后可达到以假乱真的效果，观众丝毫不会觉察。利用虚拟广告系统有很多优点，首先，在对不同的地区进行转播时，可插入不同的广告，增强广告的有效性，提高资源利用率。另外，赛场上的广告可以不再是静止的，可以将插入的虚拟广告作成动画形式，各种二维或三维的动画广告更能吸引观众的注意力。此外，使用虚拟广告后，广告位置不再局限于场地的边边角角，如果愿意，整个场地都可以放置虚拟广告，广告尺寸也不会有任何限制。而且，虚拟广告可插入到以前无法利用的空间，如水面、沙滩、雪地或非常高的地方。

3.4 虚拟采访

利用从外地传来的被采访者在蓝色幕布前的信号，先经过一次抠像再进入虚拟演播系统的信号，先经过一次抠像再进入虚拟演播系统。通过插入的视频可将被采访者与演播室中的播音员实时结合在一个虚拟背景中，两个人物可以面对面的交谈和表演，对观众来讲就好像真的采访者请到了演播室中一样。

3.5 移动场景

移动场景也是一种具有特殊功能的系统，它可将视频及动画插入到室内和室外的节目中。这里使用的是一块绘有格子图案的小型面板，拍摄节目时将它放置在需要插入视频或动画的场景位置上。摄像机可从任意角度拍摄，得到的格子图案信息可控制生成装置生成与面板透视关系一致的视频或动画。最后经色键合成后，在相应于面板的位置就会出现视频或动画，且其透视关系与面板完全一致。移动场景功能非常适合于体育报道、实况采访、天气预报、现场新闻报道等节目，它可给节目增添活力，带来耳目一新的感觉。例如：英国EPO公司制作二战中被毁的一座大型教堂的建筑结构的录像。教堂尚未重建，但用超级计算机制作出教堂的立体画面，用一台虚拟的摄像机从各个角度做推拉、旋转等动作拍摄。30分钟画面用了6-8周时间，一座宏伟的教堂便“出现”了。

3.6 虚拟人物表演

计算机技术的高速发展使得实时人物动画表演成为可能。在真人身上各重要关节处装传感器，传感器的各组数据传到工作站中用于控制已制成的虚拟动画人物的关节活动，使它完全实时地模仿表演者的动作。虚拟动画人物与真人能同时出现在同一个虚拟背景中，并相互配合，互换位置和交谈。这在已往的演播室制作过程中是无法想象的，也会给节目带来新奇感和神秘感，从而最大程度地娱乐观众。

3.7 火箭以及其它太空飞行器的虚拟直播

火箭以及其它太空飞行器的虚拟直播系统，对于火箭这一类太空飞行器，无法通过安装固定跟踪摄像机的方法来获得其空中飞行的直播图像，但是通过对其飞行姿态参数的遥测，可利用虚拟演播室技术来获取其飞行姿态的虚拟直播图像。

虚拟演播室技术的发展很快，应用也包括很多方面，这里只介绍了其中的几个主要方面。

4 小结

虚拟现实技术的应用及发展现状分析篇4

关键词：虚拟现实,VRP,虚拟环境,技术应用

一、虚拟现实概念简介

虚拟现实的景物可以是真实物体, 如房屋、道路、机械设备、旅游景点;可以是设计模型, 如还没有施工的房屋、正在设计中的工厂或产品的工程模型;可以是现实中看不到的抽象模型, 如化学分子结构、飞机机翼的超音速气流模型;甚至可以是利率、股票等金融信息的三维模型表示。无论怎样, 它们都利用了现实世界中存在的数据, 将计算机产生的电子信号, 通过多种输出设备转换成能够被人类感觉器官所感知的各种物理现象, 如光波、声波、力等, 使人感受到虚拟境界的存在。这种现实是计算机生成的, 又是现实世界的反映, 是真实现实的一种表现形式, 因此, 称之为虚拟现实。

二、国外研究动态和水平

(一) 美国的研究状况。

美国是VR技术的发源地。美国VR研究技术的水平基本上就代表国际VR发展的水平。目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。

美国宇航局 (NASA) 的Ames实验室完善了HMD (景观设计, 城市规划设计) ;并将VPL (视屏投影) 的数据手套工程化, 使其成为可用性较高的产品。NASA研究的重点放在对空间站操纵的实时仿真上, 大多数研究是在NASA的约翰逊空间中心完成的。他们大量运用了面向座舱的飞行模拟技术。NASA完成的一项著名的工作是对哈勃太空望远镜的仿真。NASA的Ames现在正致力于一个叫“虚拟行星探索” (VPE) 的试验计划, 这一项目能使“虚拟探索者” (Virtual Explorer) 利用虚拟环境来考察遥远的行星, 他们的第一个目标是火星。现在NASA己经建立了航空、卫星维护VR训练系统, 空间站VR训练系统, 并且已经建立了可供全国使用的VR教育系统。

麻省理工学院 (MIT) 是一个一直走在最新技术前沿的科学研究机构。MIT原先就是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋, 这些技术都是VR技术的基础。1985年MIT成立了媒体实验室, 进行虚拟环境的正规研究。这个媒体实验室建立了一个名叫BOLIO的测试环境, 用于进行不同图形仿真技术的实验。利用这一环境, MIT建立了一个虚拟环境下的对象运动跟踪动态系统。另外, MIT还在进行“路径计划”与“运动计划”等研究。

华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室 (HIT Lab) 在新概念的研究中起着领先作用, 同时也在进行感觉、知觉、认知和运动控制能力的研究。HIT将VR研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。例如, 波音公司的V22运输机就是先在实验室中造出虚拟机后再投入生产的。

(二) 日本的研究状况。

在当前实用虚拟现实技术的研究与开发中日本是居于领先位置的国家之一, 主要致力于建立大规模VR知识库的研究。另外在虚拟现实的游戏方面的研究也做了很多工作。但日本大部分虚拟现实硬件是从美国进口的。

京都的先进电子通信研究所 (ATR) 系统研究实验室的开发者们正在开发一套系统, 它能用图像处理来识别手势和面部表情, 并把它们作为系统输入。该系统将提供一个更加自然的接口, 而不需要操作者带上任何特殊的设备。

东京大学的原岛研究室开展了3项研究:人类面都表情特征的提取、三维结构的判定和三维形状的表示、动态图像的提取。

筑波大学工程机械学院研究了一些力反馈显示方法。他们开发了九自由度的触觉输入器:开发了虚拟行走原型系统, 步行者只要穿戴上这套设备, 就能如同行走一样迈动左右脚。

(三) 英国的研究与开发。

在VR开发的某些方面, 特别是在分布并行处理、辅助设备 (包括触觉反馈) 设计和应用研究方面, 英国在欧洲是领先的。

BAe开发的大项目VECTA (virtual environment configurable training aid) 是一个高级测试平台, 用于研究VR技术以及考察用VR替代传统模拟器方法的潜力。

Dimension International位于英国南部的Aldermason, 是桌面VR的先驱。尽管桌面VR是非沉浸式的 (non-immersive, 即不使用头盔式显示器) , 但是与那些可视效果和动态质量差的沉浸式 (immersive) 系统相比, 许多学术界和工业界的用户更喜欢该公司基于PC486系统提供的优质图像和实时交互特性。

Division Ltd创建于1989年, 位于布里斯托尔。该公司在开发Vision、Pro Vision和Supervision系统/模块化高速图形引擎中, 率先使用了Transputer和i860技术, 从而避免了早期方法在生成、交互模拟世界时所产生的处理“瓶颈”。

常应用于核工业和水下作业等危险环境中的操作任务。现在主要以接合空间 (joint space) 控制系统, 即操作员用输入设备 (其中典型的有操纵杆或主控手臂) 来独立定位需要接合的位置。

ARRL在VR方面的工作仍在继续, 除高级机器人和遥感现场领域外, 还包括发动机设计、CAD软件包转换、烟雾和爆炸的建模与可视化、VR多媒体集成系统、医学可视化以及纳米技术 (nanotechnology) 。

三、国内研究动态

和一些发达国家相比, 我国VR技术还有一定的差距, 但已引起政府有关部门和科学家们的高度重视。北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一, 他们首先进行了一些基础知识方面的研究, 并着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理;实现了分布式虚拟环境网络设计, 建立了网上虚拟现实研究论坛, 可以提供实时三维动态数据库, 提供虚拟现实演示环境, 提供用于飞行员训练的虚拟现实系统, 提供虚拟现实应用系统的开发平台, 并将要实现与有关单位的远程连接。

浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统, 该系统采用了层面迭加的绘制技术和预消隐技术, 实现了立体视觉, 同时还提供了方便的交互工具, 使整个系统的实时性和画面的真实感都达到了较高的水平。另外, 他们还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。

哈尔滨工业大学计算机系已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成、表情的合成和唇动的合成等技术问题, 并正在研究人说话时头势和手势动作, 话音和语调的同步等。

清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感方面进行了研究, 例如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感实验等方面都具有不少独特的方法。他们还针对室内环境水平特征丰富的特点, 提出借助图像变换, 使立体视觉图像中对应水平特征呈现形状一致性, 以利于实现特征匹配, 并获取物体三维结构的新颖算法。

参考文献

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[3] .蒋庆全.国外VR技术发展综述[J].飞航导弹, 2002

[4] .周前祥.航天虚拟现实仿真技术的研究发展[J].科技导报, 1998

[5] .Cronin, P.Report on the Applications of Virtual Reality Technology to Education.HRHC[J].University of Edinburgh, 2009, 2

[6] .O.G.Staadt, A.Kunz, M.Meier, and M.H.Gross.“The blue-c:Integrating real humans into a networked immersive environment.”In Proceedings of ACM Collaborative Virtual Environments 2000[M].San Francisco:ACM Press, 2000, 9:201~202

[7] .赵春霞.虚拟现实的发展及在机器人系统中的应用与研究[J].机器人, 1999

[8] .约翰布里格斯.虚拟现实 (VR) 技术[J].现代技能开发, 1997

[9] .梅中义.虚拟现实 (VR) 技术及其应用前景[J].航空工业技术, 1996

虚拟现实及应用篇5

lan路由器中的一台，控制虚拟路由器vrrp。一旦主路由器不可用，这种选择过程就提供了动态的故障转移机制，这就允许虚拟路由器的VRRP的好处是有更高的默认路径的可用性而无需在每个终端主机上配置动态路由或路由发现协议。

路由器承担的角色：

活动路由器：全程为(MASTER Router)负责转发数据包的路由器被称为活动路由器。

备份路由器：全称为(BACKUP Router)负责对主路由器进行备份，一旦主路由器出现故障，立即转换为活动路由器角色。

角色的指定方案：

HSRP协议采用一个优先级方案来决定哪个配置了HSRP协议的路由器成为主动路由器。如果一个路由器的优先级设置的比所有其他路由的优先级高，那么该路由为主动路由。当其中的主动路由宕机或者出现单点故障时，则在备份路由中会根据优先级的高低重新选举主动路由。数值越大，优先级越高。

VRRP优点：

提拱了冗余的网络，提供了负载均衡，使网络具有高可用性。

配置了VRRP的路由器三种状态模型

Initalize初始状态，既不是活动状态，又不是备份状态，发送HELLO包

Master活动状态。转发数据包

Backup备份状态，当master路由器优先级降低或者宕机时，才会使用Backup,并且backup会变成新的master.

VRRP的重要组成部分：

VRRP将局域网中的一组路由器(包裹一个MASTER和若干个backup)组织成一个虚拟路由器，称之为一个备份组。而且这个虚拟路由器拥有自己的ip地址。即每个备份组都有一个虚拟路由器。

VRRP的报文格式：

VRRP只有一种广播报文。由主路由器定时发出来通告它的存在，使用这样报文可以检测虚拟路由器的各种参数，还可以用于主路由器的选举。

实战演练：

设备需求：

Quidway s交换设备2台;ROUTER 3600路由设备两台;

拓扑结构：

试验命令：

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

ROUTER1配置信息：

[Router]sysname R1【更换路由名称】

[R1]int e0.10【进入eth0的子接口，拆分了接口ETH0】

[R1-Ethernet0.10]vlan-type dot1q vid 10【为vlan10内的主机封装dot1q协议】

[R1-Ethernet0.10]ip add 192.168.10.1 255.255.255.0【为子接口配置ip地址】

[R1-Ethernet0.10]int e0.20【进入子接口f0/0.20】

[R1-Ethernet0.20]vlan-type dot1q vid 20【为vlan20内的主机封装dot1q协议】

[R1-Ethernet0.20]ip add 192.168.20.1 255.255.255.0【为子接口配置ip地址】

[R1-Ethernet0.20]dis ip routing【查看此时的路由信息，为两条直连路由，分别为10.0、20.0网段】

[R1]vrrp ping-enable【启动vrrp的ping功能】

[R1]int e0.10【进入子接口】

[R1-Ethernet0.10]vrrp vrid 10 virtual 192.168.10.254【将该子接口划入group10,并为该组配置了虚拟Ip地址192.168.10.254，相当于提供给vlan主机的虚拟的网关】

[R1-Ethernet0.10]vrrp vrid 10 priority 120【为组10设置优先级】

[R1-Ethernet0.10]int e0.20【进入子接口e0.20】

[R1-Ethernet0.20]vrrp vrid 20 virtual 192.168.20.254【子接口e0.20划分为组20内，并配置虚拟IP】

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

ROUTER2

[Router]sysname R2

[R2]int e0.10

[R2-Ethernet0.10]vlan-type dot1q vid 10【封装dot1q协议】

[R2-Ethernet0.10]ip add 192.168.10.2 255.255.255.0【为子接口配置IP地址】

[R2-Ethernet0.10]int e0.20

[R2-Ethernet0.20]vlan-type dot1q vid 20

[R2-Ethernet0.20]ip add 192.168.20.2 255.255.255.0

[R2-Ethernet0.20]quit

[R2]dis ip routing

[R2]vrrp ping-enable

[R2]int e0.10

[R2-Ethernet0.10]vrrp vrid 10 virtual 192.168.10.254【划分为组10中的接口并配置虚拟ip】

[R2-Ethernet0.10]int e0.20

[R2-Ethernet0.20]vrrp vrid 20 virtual 192.168.20.254

[R2-Ethernet0.20]vrrp vrid 20 priority 120【设置优先级】

[R2-Ethernet0.20]quit

[R2]int e0.10‘【进入子接口】

[R2-Ethernet0.10]vrrp vrid 10 virtual 192.168.10.254【将R2上的eo.10子接口划分如group10中，并且配置虚拟IP】

[R2-Ethernet0.10]int e0.20

[R2-Ethernet0.20]vrrp vrid 20 virtual 192.168.20.254

[R2-Ethernet0.20]vrrp vrid 20 priority 120【设置端口优先级】

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

SWITCH-1

system-view

[s6]sysname SW-1

[SW-1]int e1/0/24

[SW-1-Ethernet1/0/24]quit

[SW-1]vlan 10【创建vlan】

[SW-1-vlan10]port e1/0/5 toe1/0/6【将0/5,0/6接口划分入vlan10中】

[SW-1-vlan10]vlan 20

[SW-1-vlan20]port e1/0/7 to e1/0/8

[SW-1-vlan20]int e1/0/24

[SW-1-Ethernet1/0/24]port link-type trunk【设置trunk链路接口】

[SW-1-Ethernet1/0/24]port trunk permit vlan all【该trunk接口允许所有vlan通过】

Please wait........................................... Done.

[SW-1-Ethernet1/0/24]int e1/0/1

[SW-1-Ethernet1/0/1]port link-type trunk

[SW-1-Ethernet1/0/1]port trunk permit vlan all

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

SWITCH-2

system-view

[s2]sysname SW-2

[SW-2]int e1/0/24

[SW-2-Ethernet1/0/24]port link-type trunk

[SW-2-Ethernet1/0/24]port trunk permit vlan all

Please wait........................................... Done.

[SW-2-Ethernet1/0/24]int e1/0/1

[SW-2-Ethernet1/0/1]port link-type trunk

[SW-2-Ethernet1/0/1]port trunk permit vlan all

Please wait........................................... Done.

[SW-2-Ethernet1/0/1]quit

[SW-2]vlan 10

[SW-2-vlan10]port e1/0/5 to e1/0/6

[SW-2-vlan10]vlan 20

[SW-2-vlan20]port e1/0/7 to e1/0/8

[SW-2-vlan20]

测试结果：

192.168.20.100 (vlan20)机器上

然后拔去Router1e0接口的线：

拔去R2上的e0接口:

在192.168.10.100 (vlan10上测试：)

拔去R1上的e0:

拔去R2上的e0

由以上结果观测，一切正常，

虚拟现实及应用篇6

关键词：车辆工程；虚拟仪器；应用

虚拟仪器技术有效的融合了计算机技术和测量技术，通过计算机软件，将计算机强大的信息处理能力和仪器设备的硬件测量与控制能力紧密结合，并通过计算机软件实现对信息的把握、保存和处理，具有性能高、扩展性强、开发时间少、无缝集合等优势。近年来，虚拟仪器技术在汽车工程领域得到良好的应用，有效的提升了汽车设计、制造、使用和检测的水平，带动了汽车工程相关技术的进步与发展。

一、虚拟仪器技术

虚拟仪器技术就是通过软件将计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理，因此有“软件就是仪器”之说。虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，容易构建，所以应用广泛，尤其在科研、开发、测量、检测、测控等领域。虚拟仪器功能强大的开发软件，可让用户迅速建立用于设计和产品测试的自动化测量系统，并能方便地实现系统在各种环境下重复使用，而且维护起来简便。而其集成式软件架构最大限度地减少了建造复杂测量系统所需时间和资金，同时这些软件架构针对大型系统的管理任务，提供了满足测试和控制要求的完全客户化的测试管理软件及从大型测量系统的服务器上收集与分析测试数据的软件工具。

二、应用

目前在车辆工程领域，虚拟仪器主要用于车辆设计、研究、生产控制、检测维修等，而且大都处于理论试验阶段，大范围的应用尚需时日[4～7]。深化虚拟仪器技术在车辆工程领域的应用，必将有助于提高车辆科研水平和生产效率。

1、虚拟仪器在汽车仪表检测中的应用。在汽车仪表大批量生产的同时带来另一个问题，那就是生产成品的检验问题。仪表总成是现代汽车的信息中心，它的生产质量，关系到汽车行驶的安全性和整车的质量。由于汽车仪表的更新换代，新的产品不断出现而旧的仪表又没有退出使用，如何设计出一种能针对各种不同型号仪表的检测设备应用在汽车仪表检测中己经成为一项重要而且极富现实意义的课题。

通过NI公司的软硬件产品对整个检测系统进行设计，根据仪表测试所需的各种模拟、数字、开关、K-Line、CAN等各种信号参数，采用NI的PXI系列板卡、中泰的PCM-536以及自制的可编程网络电阻和数据通讯转换卡组成系统的硬件电路部分。以此为基础，再利用NI的LabVIEW软件对整个测试系统进行设计，最终目标是研制一个小巧、灵活、可靠性高的便携式检测系统，在汽车仪表检测中它能够针对大部分的车型，模拟产生仪表所需的各种采集信号信息，并且通过CAN接口与被测仪表进行通信，从而实现汽车状态信息的实时反馈。

通过NI公司的LabVIEW软件平台对整个测试系统进行设计，经过实践证明它不仅降低了生产成本，提高了检测效率，确保了产品的质量，而且一个完整的汽车智能数字仪表的检测系统，也适用于通用的汽车仪表检测系统。

2、汽车的性能设计方面。在汽车性能设计中，虚拟仪器技术逐步代替了以往传统的设计方法或技术，应用现状与前景良好。传统的设计方法复杂而又浪费时间与精力，且无法实现功能设计和功能实验的共同进步。过去的设计方法通常是先做出系统，然后在实验层面上进行测试，然后再验证这个系统的功能，这种方法不仅消耗了大量的时间和精力，也难以改进系统设计，改进的结果且不能立即展示，而且测试系统价格高昂，使用不方便。运用虚拟仪器技术，设计人员可以快速对设计系统进行更改或改进，并及时了解设计的效果，有效的改善传统设计方法的不足。

3、虚拟仪器在汽车的制动性和操纵稳定性中的应用。在传统的汽车的制动性和操纵稳定性测试过程中，主要采用五轮仪、非接触式车速仪以及方位陀螺仪、垂直陀螺仪等仪器。这些设备大多结构复杂、成本较高，有些参数的测量误差较大，没有综合测试的配套软件、数据处理不方便等，而利用虚拟仪器可以很方便的解决传统测试中的问题。

此系统主要由接口电路、软件和虚拟仪器面板组成，其中硬件可实现与PC机的接口，即完成模数转换、数字量输人输出及记数器/定时器操作等功能。软件包括驱动接口和仪器功能程序。由以上测试原理构成的汽车综合测试系统，克服了有些硬件检测仪器需要使用模拟跟踪仪绘制曲线，靠人工判别辨认的缺点，实现了全数字化处理。

4、车辆检测与维修。在车辆安全与维修检测中，一般都采用仪器设备与人工直观相结合的方式，检测结果因易受到人为因素的干扰而丧失准确性。运用虚拟仪器技术，可使配光检测系统和车辆尾气系统相结合，更新检测方式，实现对汽车及汽车相关部件的自动检测，并提高准确度，如用虚拟仪器研制的车灯配光检测系统和车辆尾气成分含量检测系统等。另一方面，虚拟仪器技术的应用对汽车的实验与测试方面也有重要的促进作用。在汽车实验和测试中，需要对各种信号进行测量和分析操作，由人工或機械方式完成这些任务难度大、时间长。虚拟仪器技术的出现，不仅使这些问题得到有效缓解，也为汽车测试与实验提供了更多的选择，为汽车测试中出现的问题提供了更加灵活有效的解决方案。

虚拟化技术介绍及虚拟应用环境实践篇7

关键词：虚拟化技术,服务器虚拟化,Vmware,硬件资源利用率

1 引言

上世纪60年代IBM公司首先在昂贵的大型机系统上实现了虚拟化应用, 对硬件系统进行逻辑分区, 形成若干独立虚拟机, 提高硬件资源利用率。近年来随着x86处理器性能的提升和应用普及, 虚拟化这一技术被导入用户群更广泛的x86服务器平台。伴随着基于x86体系结构的服务器虚拟化技术的日益发展, 虚拟化技术的概念已经成为目前I T行业备受瞩目的焦点之一。服务器虚拟化技术能够很好地解决服务器和桌面应用部署日益增长所带来的I T基础架构费用和运作维护难题, 它体现在能够提升硬件资源利用率, 降低硬件采购和基础运维成本, 简化应用部署, 提高运维效率等方面上。服务器虚拟化技术将会对企业数据中心的部署和管理产生深远影响。

2 虚拟化技术概述

在计算领域, 虚拟化是一个宽泛的术语, 指的是对计算机资源的抽象。虚拟化对其用户, 不管是应用程序还是终端用户, 隐去了计算资源的物理特性, 呈现为一个物理的资源表现为多个虚拟资源, 或多个物理资源表现为一个单一的虚拟资源。也就是说虚拟化的对象是各种各样的计算资源, 经过虚拟化后的逻辑资源对用户隐藏了具体的硬件实现细节, 用户可以在虚拟化中实现真实计算环境中的部分或全部功能。

虚拟化技术常用的大致分类:

(1) 基础设备虚拟化。包括网络虚拟化、存储虚拟化等作为支撑计算环境的基础设施。网络虚拟化是指将网络的硬件和软件资源进行整合, 向用户提供虚拟网络连接的技术, 例如现在成熟的VLAN技术和VPN技术等。存储虚拟化是指为物理存储设备提供一个逻辑视图, 通过这个视图的统一逻辑接口来访问被整合的存储硬件资源的技术, 例如广泛使用的RAID技术、SAN、NAS技术等。

(2) 系统虚拟化技术。这里主要指服务器虚拟化, 它是被广泛接受和认识的一种虚拟化技术, 通过虚拟化可以实现操作系统和物理计算机的分离, 使得在一台物理计算机上可以同时安装和运行一个或多个虚拟的客户机操作系统 (Guest OS) 实例。在这种虚拟化技术的背后, 其核心是虚拟化平台 (Hypervisor) 的概念。虚拟化平台负责对虚拟机提供硬件资源抽象和虚拟机的管理, 为客户机操作系统提供虚拟硬件运行环境。根据虚拟化平台的运行方式, 又可分为寄宿型虚拟化和原生型虚拟化。寄宿型虚拟化的虚拟化平台表现形式为运行在宿主操作系统 (Host OS) 之上的应用程序, 利用宿主操作系统的功能来实际硬件资源的抽象和虚拟机的管理, 而原生型虚拟化的虚拟化平台表现形式则是直接运行在硬件平台之上, 不需要宿主操作系统的支持。

(3) 软件虚拟化技术。这类虚拟化技术主要包括应用虚拟化和高级语言虚拟化。应用虚拟化将应用程序和操作系统分离, 独立为应用程序提供了一个虚拟的运行时支撑环境。高级语言虚拟化则解决了可执行程序在不同体系结构计算机间迁移的问题, 典型的例子就是Java虚拟机的应用。

3 VMware虚拟化产品介绍

随着x86服务器虚拟化市场的日益发展, 众多厂商加入该领域, 包括VMware、Xen、Redhat、Microsoft等。作为x86虚拟化领域具有主导地位的厂家, VMware产品可以帮助用户实现虚拟化基础设施、整合资源、提高资源利用率、在降低运行维护成本的同时, 增强业务的灵活性、可用性和安全性。VM ware的虚拟化产品可以运行在Windows、Linux和Mac OS平台上。

目前V Mware主要有三条虚拟化产品线:数据中心产品主要面对企业服务器市场;桌面和应用产品面向企业桌面用户或个人用户以及虚拟化辅助管理产品。下面我们就对常用的VMare产品组件进行介绍。

(1) VMware ESX Server:是VMare公司最重要的企业级虚拟化平台产品, 也是VMare infrastructure虚拟化套件最重要的组成部分。它是数据中心虚拟化的基础, 能够整合数据中心的计算资源, 网络资源, 和存储资源, 并将它们动态地分配给虚拟机。ESX Server直接运行在服务器硬件裸机上, 不需要任何操作系统的支撑。比VMware Server的性能更好, 系统资源开销更小。

(2) VMware ESXi server:是免费的服务器虚拟化平台, 在保持ESC server功能的前提下, 对原有的虚拟化平台进行了缩减, 使得ESXi的安全性有所提高, 成为固件虚拟化平台合适的选择。ESXi上所运行的虚拟机性能接近于物理机的性能。

(3) VMware Server:也是免费的服务器虚拟化平台 (前身是GSX server) 。与ESX server不同, VMware server是作为一个应用程序安装在宿主操作系统Wi ndows或Linux上, 而虚拟机则运行在VMware server上。由于没有直接安装在物理机上, 因此VMware server的性能不如ESX server。

(3) VMware Work Station相当于个人版的虚拟化平台, 和VMware Server类似, 也是要安装在一个宿主操作系统下, 操作系统可以是Windows或Linux, 区别在于没有web远程管理和客户端管理功能。

(4) VMware Player也是一款免费的运行在Windows和Linux上的虚拟化软件应用程序。它本身不能创建和管理虚拟机, 但能够运行多种虚拟机, 这些虚拟机可以来自:VMwareworkstation、VMwarefusion、VMware server、VMware ESXserver。

(5) Vmware v Center server是一个可扩展的虚拟化平台管理工具集, 使用户能够对数据中心的数量庞大的物理机和虚拟机进行集成管理。

(6) VMware vCenter Converter是一款物理机到虚拟机转换 (P2V) 软件。可以将安装有Windows的物理机转换为VMw are格式的虚拟机。还可以在两个不同V Mw are平台之间进行虚拟机的转换。

4 虚拟化技术的应用实例

虚拟化技术除了具有在企业数据中心降低投资运营成本, 提高设备利用率, 减轻管理负担, 快速部署应用等优点外, 作为个人用户也能够在产品测试, 学习培训方面发挥着较大作用。在不具备物理硬件设备的情况下, 我们可以利用虚拟机技术进行软件功能测试和学习培训之用。

为了更直观地了解虚拟化技术, 下面通过利用VMware server1.0虚拟化软件在笔记本电脑上创建两台solaris10操作系统虚拟机, 并安装oracle10g数据库和Sun cluster3.2高可用性软件, 完成虚拟化环境下的模拟测试, 从一个侧面获得虚拟化技术给我们带来的体验。

4.1 虚拟化环境

(1) 笔记本硬件配置:

1台IBM X61笔记本 (Intel cpu 2.2 GHz、内存3 GB、硬盘空间250 GB)

(2) VMware虚拟机配置:

使用VMware server 1.0.10版本软件创建2台虚拟机;每台虚拟机1块本地硬盘、1块bridged模式网卡、2块host only模式网卡, 用于心跳线网卡;2块共享阵列硬盘。

(3) 虚拟客户机软件配置:

Solaris 10 U3 for x86、Sun Cluster3.2 for x86、Oracle 10g (10.2.0.1.0) for solaris x86

4.2 虚拟设备创建

按照VMware虚拟机创建向导来创建两台虚拟机。虚拟机类型选择Solaris1064bit, 每台虚拟机内存使用1GB、本地硬盘12 GB。

(1) 第一台虚拟机上创建2块共享硬盘:

VM-->Setting-->Hardware-->Add-->hard disk (scsi接口)

每块硬盘大小设置为8 G B。为了便于以后管理方便, 建议将共享盘创建在单独的目录中, 和虚拟机目录分开。通过选择“advanced”界面将两个共享盘的缺省scsci接口号修改为2.0、2.1。

(2) 第二台虚拟机上创建共享硬盘。

VM-->Setting-->Hardware-->Add-->harddisk-->use a existing virtual disk-->指定上述已创建的共享硬盘目录-->点击硬盘文件选择。

(3) 两台虚拟机上各添加两块host only网卡:

VM-->Setting-->Hardware-->Add-->ethernet adapter (host only类型)

(4) 修改两块共享盘的虚拟机配置。

修改2台虚拟机配置目录中后缀为.v m x的配置文件, 增加共享硬盘属性:

4.3 客户机操作系统安装

通过笔记本的光驱或硬盘中的ISO文件进行Solaris操作系统的安装。操作系统安装时, 建议选择最完全的软件包安装模式。2台虚拟机的Solaris系统要分别安装, 不要通过拷贝复制的方法产生另一台Solaris虚拟机, 否则Sun Cluster在DID设备识别方面会存在问题。

4.4 安装Sun Cluster软件和Oracle Agent包

在两台虚拟机node1和node2上安装Sun Cluster和agent软件。

root@sol10-1#./installer

大致的安装过程和应注意的安装选项:

选择部分安装方式, 只安装Sun cluster软件和Oracle agent。

选择稍后配置选项。

最后按照屏幕提示一步步完成安装, 并重启Solaris系统。

4.5 创建Sun Cluster群集

4.5.1 准备群集配置环境

在2台node上配置下列信息。

(1) 编辑/etc/hosts文件增加对端节点IP和应用服务IP。

(2) 在每个node上编辑/.rhosts文件, 设置对方为信任主机。

(3) 配置每个node的单网卡IPMP组:

node1主机的/etc/hostname.e1000g0文件:

sol10-1 netmask+broadcast+group ipmp1 up

node2主机的/etc/hostname.e1000g0文件:

sol10-2 netmask+broadcast+group ipmp1 up

(4) 确认两个node的/etc/name_to_major文件的did和md参数相同。

(5) 增加SC环境变量:

(6) 在/etc/vfstab文件中配置好/globaldevices文件系统。

4.5.2 创建Cluster群集架构

(1) 在node1上创建cluster群集。

root@sol1-1#scinstall

大致的安装过程和应注意的安装选项:

(2) 将node2安装加入cluster群集。

4.5.3 创建Quorum设备

只需在node1机器上完成下列操作。

(1) 选定quorum设备

(2) 为Cluster群集增加quorum设备

4.5.4 创建Cluster群集资源组

此时资源组中只包括device group、服务IP和文件系统。

4.6 安装和配置Oracle数据库

在两个node上设置oracle运行环境。

(1) 创建oracle组和用户

(2) 配置solaris10的系统内核参数。

(3) 设置oracle用户环境变量

(4) 安装oracle软件。建议将oracle软件安装在全局共享文件系统上, 这样的好处是不需要在两个节点上都安装oracle软件。

(5) 创建数据库和监听服务, 修改监听IP为服务IP地址。

(6) 创建Sun Cluster使用的数据库监控连接用户, 并赋予权限。

4.7 创建Cluster群集数据库资源和监听资源

只需在node1上完成操作。

(1) 创建数据库服务资源

(2) 创建数据库监听资源

(3) 激活数据库和监听服务资源

至此, 在虚拟机环境下我们完整地模拟了两台物理机的高可用性应用配置的过程。接下来的事情, 我们就可以进行各种各样的H A功能体验和培训学习了。

5 结语

近年来随着多核处理器、集群、网格甚至云计算的广泛部署, 虚拟化技术在商业应用上的优势日益体现, 不仅降低了I T成本, 而且还增强了系统安全性和可靠性, 虚拟化的概念逐渐深入到人们日常的工作与生活中。本文对虚拟化技术进行了简单介绍, 并用一个完整的虚拟化应用实例, 从一个侧面体会了虚拟化技术的含义和应用前景。

参考文献

虚拟制造技术及应用篇8

随着经济的全球化和社会的信息化, 市场竞争日益激烈, 制造企业为了在竞争中求得生存与发展, 就应该以最快的上市速度、最好的质量、最低的成本和最优的服务满足不同顾客的需求。随着信息技术的迅速发展和企业市场竞争的需求, 美国20世纪80年代后期提出了虚拟制造技术, 并在2 0世纪9 0年代得到极大重视并得到迅速发展。

二、虚拟制造技术定义

虚拟制造 (Virtual Manufacturing简称VM) 是实际制造过程在计算机上的映射, 即采用计算机仿真与虚拟现实技术, 在高性能计算机及高速网络的支持下, 在计算机上群组协同工作, 实现产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验, 以及企业各级过程的管理与控制产品制造的本质过程, 以增强制造过程中各级的决策和控制能力。它为工程师们提供了从产品概论的形成、设计到制造全过程的三维可视及交互的环境, 使得制造技术发展到了全方位预报的新阶段。

三、虚拟制造方法具有以下特点:

1. 全新的研发模式:

虚拟制造技术中, 设计者采用三维方式, 建立全关联的的数字模型。当需要绘图数据时, 可以方便地从三维模型中抽取, 实现三维数字无图纸设计, 同时还要求进行产品总体的模型设计, 而不仅限于设计单个部件或零件, 设计者需要了解零件如何制造、装配, 并应用于设计过程, 各专业人员不再分开独立地工作, 而是按照项目进行组织并同时开展工作, 能够很好地解决设计过程中的同步问题。

2. 降低研发成本、缩短研发周期、提高产品质量:

通过计算机技术建立产品的数字化模型, 可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验, 从而无需制造及试验物理样机就可获得最优方案, 减少了物理样机的数量, 缩短了研发周期、提高了产品质量。

3. 实现动态联盟的重要手段:

通过网络实现并行设计和制造, 具有传递快速、反馈及时的特点, 进而使动态联盟的活动具有高度的并行性。

四、虚拟制造的关键技术

虚拟制造技术涉及面很广, 如环境构成技术、过程特征抽取、集成基础结构的体系结构、制造特征数据集成、多学科交叉功能、决策支持工具、接口技术、虚拟现实技术、建模与仿真技术等, 其中后三项是虚拟制造的核心技术。

1. 建模技术:

虚拟制造系统的建模包括生产模型、产品模型和工艺模型。生产模型可归纳为静态描述和动态描述两个方面。静态描述是指系统生产能力和生产特性的描述。动态描述是指在已知系统状态和需求特性的基础上预测产品生产过程。虚拟制造下的产品模型不再是单一的静态特征模型, 它能通过映射、抽象等方法提取产品实施中各活动所需的模型, 包括三维动态模型, 干涉检查, 应力分析等。工艺模型是将工艺参数与影响制造功能的产品设计属性联系起来, 以反应生产模型与产品模型之间的交互作用。

2. 仿真技术。

仿真就是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型, 然后在分析的基础上运行此模型, 从而得到一系列的统计性能。目前广泛使用CAD、Solidworks、UG、PRO/E等三维软件能较方便的构建三维模型, 虚拟样机是基于三维模型的产物, 能完成结构分析、装配仿真及运动仿真等复杂设计过程。

3. 虚拟现实技术。

虚拟现实技术VRT (Virtual Reality Technology) 是综合利用计算机图形系统、各种显示和控制等接口设备, 在计算机上生成可交互的三维环境 (称为虚拟环境) 中提供沉浸感觉的技术。由图形系统及各种接口设备组成。在计算机上建立起的虚拟制造环境是一种接近人们自然活动的一种“自然”环境, 可以充分发挥技术人员的想象力和创造能力, 相互协作发挥集体智慧, 提高产品开发的质量和缩短开发周期。

4. 虚拟制造的分类。

按照与生产各个阶段的关系, 虚拟制造可分成三类: (1) 以设计为中心的VM, 这类VM是将制造信息加入到产品设计和工艺设计中, 并在计算机上进行数字化制造, 仿真多种制造方案, 评估各种生产情景, 通过仿真制造来优化产品设计和工艺设计, 以便作出正确决策。 (2) 以生产为中心的VM, 这类V M是将仿真能力加到生产计划模型中, 以便快捷化评价生产计划, 检验工艺流程、资源需求状况以及生产效率, 从而优化制造环境和生产供应计划。 (3) 以控制为中心的VM, 这类VM是将仿真能力加到控制模型中, 提供对实际生产过程的仿真环境, 即将机器控制模型用于仿真, 其目标是实际生产中的过程优化, 改进制造系统。

5. 虚拟制造技术在制造业中的应用。

虚拟制造技术首先在军事、航空航天、汽车领域中获得成功的应用。例如波音飞机公司7 7 7飞机的设计, 就是采用虚拟制造技术的典型范例, 设计、装机、测试均在计算机中完成模拟, 实时采集和处理数据并及时解决设计问题, 使得最终制造出来的波音7 7 7飞机与设计方案误差小于0.0 0 1英寸, 保证一次试制成功。

目前虚拟制造技术应用得比较成熟的有:产品的外形设计、产品的布局设计、产品的运动和动力学仿真、热加工工艺模拟、加工过程仿真、产品装配仿真、虚拟样机与产品工作性能评测、企业生产过程的仿真与优化、产品的广告与漫游等。

五、结语

采用虚拟制造技术, 在三维可视化虚拟环境中, 能充分发挥设计人员的想象力和创造力, 使设计人员的经验和科学的计算分析完美地相结合, 推进了产品设计的创新与发展, 提高了机械产品的创新开发能力。随着制造技术和网络技术的发展, 虚拟制造技术方面的研究将会进入一个更加崭新的阶段。

摘要：虚拟制造是虚拟现实技术和计算机仿真技术在制造领域的综合发展及应用。可以有效地提高产品的质量和生产效率, 有助于降低产品开发成本, 缩短开发周期。本文探讨了计算机虚拟制造技术的含义、特点、分类及其在实际中的应用等问题。

关键词：虚拟制造,仿真,应用

参考文献

[1]严隽琪等:虚拟制造的理论.技术基础与实践.上海交通大学出版社, 2003:1～24

[2]王志新:虚拟技术及其应用.上海理工大学学报第20卷, 第1期:49～55

[3]李瑞涛:虚拟样机技术的概念及应用.机电一体化, 2000年第5期:17～19

虚拟现实及应用篇9

1 虚拟现实技术概述

虚拟现实技术是建立在多种计算机技术和多媒体技术基础上的一种新型技术, 能够将真实世界或物品进行模拟虚构, 并可根据周边环境变化来调整自身变化, 且随着计算机技术的不断发展, 这种虚拟现实技术在现代生活、工作当中应用也是越来越广, 不再局限于科学研究和军事领域, 在商业领域也开始展露其头角, 我们现在所常听到的“VR”就是虚拟现实技术的缩写, 可见其已经开始逐渐深入到我们平时的生活、工作当中。虚拟现实技术主要具备以下几个特点:一是真实性, 虚拟现实技术是建立在人们自身感官基础上, 根据人们的直接的感官感受来建立相应的三维图像, 让人们产生身临其境的感觉, 具有比较强的真实性;二是互动性, 利用计算机技术虚拟出来的空间或物品能够获取周边或人体的实时数据变化, 并可以根据数据变化来调整自身变化, 实现和真人之间的互动;三是感知性, 虚拟现实技术利用接收器或是敏感装置来增强人体的感知性, 人们不仅可以通过视觉去感知虚拟物体, 而且还可以利用触觉或是听觉来进行感知, 比如虚拟一朵鲜花, 人们不仅能够看到花的美艳, 而且还能够闻到花的芬芳。

2 虚拟现实技术在仿真当中的应用

2.1 虚拟现实技术在仿真中的应用领域

一是在商业产品展示中的应用, 虚拟现实技术在商业展示中的应用最明显的就是商品的展示, 传统的商品都是利用图片或是文字来进行描述, 并通过多媒体技术展示出来, 顾客只能单纯通过商品的平面图形、文字来感知商品, 很多时候还是依靠猜测来完成对整个商品的感受, 这种展示效果对于消费者而言显然过于苍白, 而利用虚拟现实技术则可以将商品实物直接虚拟出来, 让顾客能够对直接感知商品, 了解商品的各项功能, 并可直接对其进行操作, 这样能够让顾客对商品产生较深的印象, 进而产生购买欲望, 促进商品交易的完成。虚拟现实技术在商品展示中的应用已经非常广泛。

二是在游戏开发领域中的应用。虚拟现实技术在商业中的应用最主要的还有游戏方面的应用, 虚拟游戏成为现代虚拟现实技术发展的一个重要方向。电脑游戏从诞生以来就一直朝着提升玩家自身体验的方向发展, 因而其在体验性技术方面的发展一直处在前茅, 游戏开发者一直致力于提升玩家的感知和互动体验, 让玩家能够在游戏中获得真实的游戏体验, 从最初的文字游戏, 到二维、三维游戏, 网络游戏在制作上更加注重实时性和玩家与玩家之间的交互性, 逼真程度也在不断加深, 现在三维网络游戏已经比较常见, 其场景更加逼真, 在操作上也更加贴近人体的真实感受。而随着虚拟现实技术在游戏展示当中的应用, 网络游戏本身的真实性在不断增强, 利用虚拟现实技术, 玩家只需带上相应的头盔或手套就可以进入到游戏场景当中, 真实去体验游戏当中的环境和人物, 依靠自身的操作来完成各项游戏任务, 游戏体验更加逼真。

三是在军事医学领域中的应用, 虚拟现实技术在军事领域当中的应用对于提升单兵作战能力具有重要价值, 在当前世界趋于和平的前提下, 能够让士兵参加实战的机会并不多, 利用虚拟现实技术则能够对战场进行最大限度还原, 将其应用到军事训练当中, 提升士兵训练能力。在医学领域当中的应用则主要是体现在临床试验上, 之前很多医学试验需要进行活体试验, 这对临床手术来说是比较危险的, 而借助于虚拟现实技术能够对人体进行虚拟仿真, 让医生在虚拟人体上进行仿真医学手术, 通过将患者的各项生理指标数据输入到虚拟现实系统当中, 能够直接建立起虚拟患体, 这样方便医生反复进行手术操作训练, 优化手术路径, 从而有效的提升临床手术治疗效果。

2.2 虚拟现实技术在仿真中的适用性

现在虚拟现实技术的应用领域虽然比较广泛, 但在实际应用当中还是属于微观决策应用, 在宏观问题决策上的应用帮助并不大, 虚拟现实技术目前主要是在问题细节上给予一定的帮助, 关注重点是在人体的直观感受上, 而不是改变宏观问题的大方向和产品实质, 因而现实仿真实践当中的适用性还比较狭窄。目前, 根据虚拟现实系统交互界面的不同可以将其分为几种类型, 一是世界之窗系统, 这种系统是比较常见的, 基于普通计算机, 通过操作键盘鼠标来完成虚拟世界的模拟, 同时借助于计算机三维模拟技术, 现在很多虚拟现实技术的应用都是这一种类型;二是视频映射系统, 这种类型实际上是世界之窗的一种变形, 在计算机系统的基础上加入视频输入设备, 利用视频投射设备将观众的动作和虚拟的物品或空间进行合并, 能够实现用户和虚拟空间之间的互动;三是沉浸式系统, 这种是目前最为理想的虚拟现实系统, 借助于眼镜或是头盔实现多方位的现实世界虚拟, 在这一种系统当中, 用户能够直接看到、听到、尝到和接触到虚拟世界当中的各种物品, 从而为用户提供一个完全真实的虚拟世界感受。

3 结论

仿真技术是利用计算机技术和多媒体技术来对客观世界进行仿真模拟的一种新型技术, 从本质上来看其实是计算机和多媒体技术发展到一定程度的产物, 利用信息接收器和三维建模技术来完成对现实世界的模拟, 从而让人们能够直接感官接触到不存在于现实当中的物体或是环境, 可以预见在未来虚拟显示技术将成为主流应用技术, 深入到我们生活和工作的各个方面。

参考文献

[1]孟祥斌, 孙苏榕.基于Quest 3D的绞吸式挖泥船系统三维交互仿真设计[J].机械工程师, 2015 (12) :123-125.

[2]巫鹏飞.基于MATLAB虚拟现实技术的运动学模型仿真[J].蚌埠学院学报, 2015, 4 (6) :17-20.

[3]吴言.虚拟现实与仿真技术在计算机组装与维护实验教学中的应用[J].信息与电脑:理论版, 2013 (4) .

[4]庄建东.基于粒子方法的云彩的虚拟现实仿真及实现的研究[J].心智与计算, 2012 (2) .

虚拟现实及应用篇10

零件的机械加工艺的制定过程需要考虑的问题很多, 涉及面也很广, 基准的选择是零件机械加工工艺制定的重要环节。基准的选择有以下几个原则:基准重合原则、基准统一原则、互为基准原则、自为基准原则。作为基准的点、线、面在工件上不一定具体存在 (例如孔的中心、轴心、对称面) 等, 而常由某些具体的表面来表现。这些表面可称为基面。例如, 在车床上用三爪卡盘夹持一根短圆轴, 实际定位表面 (基面) 是外圆柱面, 而它所体现的定位基准是这根圆轴的轴心线。[1] (机械制造工艺学第三版陕西科技出版社顾崇衔等著)

但是, 在某些情况下作为基准的点、线、面在工件上不存在, 而又没有具体表面能够体现出这些基准。这种情况下, 如果我们继续按照零部件某一具体表面作为基准进行装夹找正就会造成加工困难甚至大量的废品产生。

1 以具体存在表面为基准装夹找正在实际生产过程中遇到的问题

图1为所示为某型连杆图纸, 该型连杆图纸为面对称零部件, 机械加工过程中我们选择对称面为加工基准。由于对称面通过距离为300mm的两个平面来体现, 因此我们可以使用这两个面作为基面。在实际生产过程中, 由于焊接工序焊接应力的作用, 两侧连接板极易发生倾斜。此时, 继续使用距离为300mm的平面作为基准面就会导致孔壁厚部分过薄、轴套端面加工余量不够等情况出现。最终导致废品率过高。为解决以上问题, 我们在实际生产过程中, 使用了虚拟基准作为基面来定位、装夹此类零部件, 有效解决了毛坯件废品率过高的问题。

2 虚拟基准法装夹找正

2.1 虚拟基准定义及定位

以上述某型连杆为例, 这种连杆是中心面对称零件。两侧机加工表面以中心面为对称面, 两侧对称。我们在实际生产过程的装夹找正工序中, 所找正的基准面正式这个中心对称面。由于虚拟基准在实际零部件上是不存在的, 而又不能通过某一零部件表面体现出来。因此虚拟基准的定位比较困难。我们在实际工作中使用的是逆向找正方法, 即首先虚拟出毛坯件加工成成品工件的状态和特点并找出虚拟成品工件的对称中心面, 然后确定虚拟成品工件中心面与工件毛坯已存在表面位置关系, 通过这个位置关系来确定工件虚拟基准的位置。从而完成工件毛坯的装夹找正工作。

在实际装夹找正过程中, 我们首先通过对毛坯件的整体测量确定其虚拟基准面的位置, 然后通过虚拟基准面距离一侧连接板的定位尺寸B和定位尺寸A确定工件在机床上的正确装夹位置。

虚拟基准的选择和定位尺寸的选择不是一成不变的, 需要根据零部件的具体形状特征来选择。总的来说, 虚拟基准找正方法描述的是虚拟成型零件与毛坯件的位置关系确定的问题。

2.2 毛坯件检验及尺寸公差控制

2.2.1 毛坯件的检验及判定

同样以图2所示情况为例, 虚线为零件加工完成后加工表面的轮廓线, 实线为毛坯面轮廓线。

首先, 设定零部件尺寸失效判定条件, 并根据零件加工完成后加工表面的轮廓和毛坯面轮廓之间的几何关系确定零部件失效判定条件的计算公式。

根据图2所示连杆的具体使用条件, 我们设定了以下三个限制:

其中:T1为连接板厚度, T2为圆套厚度, α为毛坯件毛坯面与实际加工成型表面的夹角 (夹角根据具体变形情况确定, 本文中假定两侧板变形角度、方向一致故使用同一角度α表示) 。

根据限制条件和限制条件计算公式判定毛坯件是否合格。

2.2.2 注意事项

第一, 失效条件及失效条件判定公式描述的是机械加工成型表面与毛坯件表面的位置关系。失效条件及失效条件判定公式不是一成不变的, 应根据加工零件的具体情况进行具体分析。

第二, 列举限制条件时应注意所限制条件的列举应该全面包含零件的质量要素, 防止因为要素列举不全导致检验计算出错。