虚拟农业技术及其应用

虚拟农业技术及其应用（精选8篇）

篇1：虚拟农业技术及其应用

虚拟现实技术及其教学应用

2011-04-07 10:17:55 作者：李志刚 张超

摘 要 本文对虚拟现实技术的定义及特征进行了描述，对虚拟现实技术应用于教学的作用意义进行了分析探讨。

关键词 虚拟现实；教育技术；教学应用

2010年的上海世博会，参观人数超过7200万，创历届世博会参观人数之最，而同时推出的上海世博会的网上展馆，则创出了2.8亿次的点击访问量。网上世博会和电影《阿凡达》让虚拟现实技术展示了巨大的吸引力，正如澳大利亚新南威尔士大学教授罗伯特·路易斯(Robert Louise)所说:“它的作用远不只展示和娱乐”，虚拟现实技术的触角已经渗入到了人类生活的方方面面。

一、虚拟现实技术简述

虚拟现实(VirtualReality，简称VR，又译作灵境、幻真)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。该技术集成了计算机图形(CG)技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。

虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境，它可以是实际上可实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。而“虚拟”是指用计算机生成的意思。因此，虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的，即人是这种环境的主宰。

虚拟现实技术具有多感知性（Multi-Sensory）、交互性（Interactivity）、浸没感（Immersion）和构想性（Imagination）四个重要特征。

所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。

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，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。

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。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。构想性强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。

如今，虚拟现实技术的应用已大步走进军事航天、工业仿真、游戏动漫、教育培训、城市规划、医疗救治等领域。虚拟现实技术已经和理论分析、科学实验一起，成为人类探索客观世界规律的三大手段。

二、虚拟现实技术的教学应用

在以往的教育中，学习者始终生活在两个世界的时空环境中，一个是经验世界（实践中学习），另一个是语言文字的世界（书本中学习），两者往往相互脱节，即理论脱离实际。而由多媒体与仿真技术相结合产生的虚拟现实技术，创造出了第三个世界-----虚拟现实世界，它将成为沟通前两个世界的重要桥梁。我国学者桑新民教授在探索信息化环境下高校学习新模式的过程中，率先提出：必须把“三个世界”的学习经验综合起来，促成三者的有机结合。指出要充分利用虚拟现实情境之独特优势，去引导和促进学习者在经验世界和语言文字世界中实现学习活动与学习经验的整合，不断激励和提高学习者在“三个世界”中学习的自主性、协作性和创造性。

⒈拓宽视野，激发学习热情

通过虚拟现实技术，一方面可以再现实际生活中无法观察到的自然现象或事物的变化过程，为学习者提供生动、逼真的感性学习材料，使抽象的概念理论直观化、形象化，方便学习者对抽象概念的理解；另一方面虚拟现实技术使学习者能够按自己的需要来进行实时的交互式学习，主动地获取所需要的知识，由被动式的接受转化为主动式的发现。虚拟现实技术还可让学习者学习到和体验到现实生活中具有微观性、瞬变性、危险性、长期性且用别的方法很难观察和验证的各种事物，从而提高这类特殊知识的可接受性。在课堂上，教员可以陪同学习者一起经历虚拟境界，一边观察一边讲解；也可以让学习者自己利用虚拟景物、虚拟环境等进行仔细观察自主学习进而理解有关的概念及知识。通过这种对虚拟景物和虚拟环境的交互式学习，能有效发挥学习者的主观能动性，使学习者真正参与到教学活动中去，成为学习过程中的主体，变被动为主动，并激发出较高的学习热情和空间想象力。

⒉便于探究，培养创新能力

虚拟现实技术允许学习者对模拟的环境可交互、可操纵、可建构，可直观地观察到学习过程中所提出的各种假设所产生的结果或效果，适合开展探究性的学习。例如，有一个名叫“电子工作台”(Electronic Workbench;EWB)的软件系统，允许学习者利用它提供的元件构造各种模拟电路和数字电路，并能动态测试电路的性能；还有一个名叫“交互性物理”(Interactive Physics;IP)的软件系统，允许学习者构造属于经典力学系统的大部分实验；在虚拟的化学系统中，学习者可以按照自己的假设，将不同的分子组合在一起，电脑便虚拟出组合的物质来。利用虚拟现实技术进行探究性学习，更有利于激发学习者的创造性思维，培养学习者的创新能力。⒊突破瓶颈，提高实验效益

利用虚拟现实技术进行虚拟实验教学，可以有效地突破时间、空间、经费和危险性等现实条件的制约，大到宇宙天体，小至原子粒子，学习者都可以进入其内部进行观察。一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，通过虚拟现实技术，可以很快地呈现出来。例如生物中的孟德尔遗传定律，用果蝇做实验往往要几个月的时间，而虚拟现实技术在一堂实验课内就可实现。在虚拟实验室里，学习者通过各种感觉（视觉、听觉、动觉和触觉等）与虚拟的学习情境相互联系并交互作用，进一步加深了对事物现象和规律的认识，有效地促进了学习者在经验世界和语言文字世界中实现学习活动与学习经验的整合，大大提高了学习者的学习兴趣和学习效果。

⒋模拟训练，轻松掌握技能

虚拟现实的沉浸性和交互性，使学习者能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，并全身心地投入到该学习环境中去，这非常有利于学习者达到动作技能类教学目标要求。例如空军某学院研制的Su27驾驶模拟器，采用多通道图形生成技术，建立了大视野视景环境，配合接近实物的驾驶舱，使学习者可以完成基本驾驶技术、编队飞行以及部分空战战术的训练；澳大利亚新南威尔士大学模拟出矿坑内的常见问题，让矿工们针对瓦斯管理、煤层自燃、危险预警、隔离程序、自主逃生等各种环节进行训练等等。在这些既与现实条件相符又无任何危险的虚拟训练系统中，学习者可以不厌其烦地反复练习，直至掌握操作技能为止。⒌携手网络，改革教学结构

随着网络技术和虚拟现实技术的日趋成熟，教学活动不再局限于有形的教室中，而向虚拟课堂、虚拟大学、虚拟学习社区发展，基于网络的虚拟化学习，将会成为未来教育的一种全新的教学方式。虚拟现实技术不仅能向学习者提供一种可在实际生活中找到的情境和经验，还可以再现特定的环境。利用虚拟现实技术与网络结合，可以打破时间和空间的限制，进行交互式的、图文并茂的、智能型的、分布式的教学，并通过网络传输逼真的教学和学习环境，从而使学习方式由传统的“独学”变为“群学”，使学习结构从“封闭”变为“开放”，最终可以使教学从“知识传授”转变为“知识建构”。例如，在基于共享型虚拟现实系统设置的网上协同实验室中，身处不同位置的学习者组成一个个学习小组，所有学习小组构成一个学习型社区。他们一起设计实验，并通过模拟软件观看实验结果，直到认为方案成熟，才转移到真实实验环境中去完成实验。教师在整个实验过程中监控每一个成员的表现并及时进行个别化的辅导。

虚拟现实技术应用于教学的最成功案例，莫过于哈佛大学克里斯·德迪博士率领开展的一项为期十年的基于多用户虚拟环境（Multi—User Virtuai Environment, MUVE）的中学科学教育项目：River City。正如德迪博士在2009年《科学》杂志上对River City总结的那样，与传统教学相比，大部分学生在这种沉浸式的模拟环境中都获得了更多的关于科学探究的知识和技能；学生能够形成一种深度参与，非常有利于发现复杂问题的技能与发展；有利于那些成绩差的学生建立起学业上的自信。River City在北美地区产生了广泛影响，被作为新型数字化学习及评价方式的典型选入美国《2010年教育技术规划》，也受到了具有“数字未来学家”之称的唐·泰普斯科特的推崇。

由于虚拟现实所依托的软硬件技术科技含量和开发费用高、技术复杂、实现难度大等原因，目前在教育领域还只是运用于少数的教学、培训、实验、参观等方面，且尚没有形成完善的运用模式。然而虚拟现实技术作为一种新涌现的教育技术，具有令人鼓舞的美好前景。有远见的教育工作者把虚拟现实看做是基于计算机的教学系统的下一个合乎逻辑的发展步骤。人们必将应用虚拟现实技术来进一步改进学习过程和创造新的学习系统。

参考文献：

[1]南国农,李运林,祝智庭.信息化教育概论[M].北京：高等教育出版社.2004 [2]何克抗,李文光.教育技术学[M].北京师范大学出版社.2009 [3]田 屹,王军武．军事教育技术与教育技术的比较分析及特点研究[C].第一届中国教育技术发展论坛．

[4]曾芬芳.虚拟现实技术[M].上海交通大学出版社.1997 [5]梁林梅,李晓华.让技术为学生提供更强大的参与经验[J].中国电化教育,2010.9 关键词：虚拟现实技术及其

篇2：虚拟农业技术及其应用

在我国，清华大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等科研教学单位也已经开展了这一领域的研究工作.当前我国虚拟制造应用的重点研究方向是基于我国国情，进行产品的三维虚拟设计、加工过程仿真和产品装配仿真，主要是研究如何生成可信度高的产品虚拟样机，在产品设计阶段能够以较高的置信度预测所设计产品的最终性能和可制造性.在对产品性能具有高科技含量要求的行业中，如航空航天、军事、精密机床、微电子等领域，随着研究的不断深入和相关技术的发展，虚拟制造必将得到日益广泛的应用.

5 结论

篇3：虚拟现实技术及其应用

1 虚拟现实技术的概念

虚拟现实技术(Virual Reality)也称VR技术，是指利用三维图形生成技术、多传感交互技术、多媒体技术、人工智能技术以及人机接口技术等高新技术，生成三维逼真的虚拟环境。虚拟现实技术主要通过构建一个文字(Text)、图形(Graph)、图像(Image)、动画(Animation)、声音(Audio)、视频(Video)等不同信息为一体的人机交互系统，营造出一个内容丰富、色彩缤纷、图文并茂、动静相融的虚拟情景，促使人们脑、眼、手、口等多种器官接受刺激，使人们产生一种身临其境的近乎完全真实的感觉[1]。

虚拟现实技术主要通过构建一个文字(Text)、图形(Graph)、图像(Image)、动画(Animation)、声音(Audio)、视频(Video)等不同信息为一体的人机交互系统，营造出一个内容丰富、色彩缤纷、图文并茂、动静相融的虚拟情景，促使人们脑、眼、手、口等多种器官接受刺激，使人们产生一种身临其境的近乎完全真实的感觉[1]。

2 虚拟现实技术的分类

2.1 根据支持设备来分类[2]

沉浸式：除计算机的标准设备外，还要增加一些特殊的外部设备，如三维立体显示器、数字手套、操纵杆等，体验者可以感知视觉、触觉、嗅觉、味觉等多种信息。沉浸式虚拟现实技术可以营造一种较理想的虚拟现实环境，使体验者有如亲临其境的感觉，但是外加的设备昂贵，不利于推广使用。

非沉浸式：只使用计算机的标准设备，只能感受视觉与听觉，尽量使用软件去模拟接近较理想的虚拟现实环境。效果虽然不如沉浸式理想，但是经济、方便，便于推广使用。

2.2 根据漫游的方式来分类

自动漫游：由制作者在制作时设定漫游的路径，计算机根据这一事先设定的路径从相应的角度和方位去展示虚拟场景。自动漫游作品一般以视频文件提供，通过视频播放器播放，体验者除了操作播放器按键外，不能与虚拟场景有任何交互。

交互式漫游：与自动漫游最大的不同，就是漫游的路径由体验者通过鼠标、键盘或其他特殊设备进行操控，可以由体验者任意从不同的角度和方位去观看虚拟场景。交互式漫游作品一般以可执行文件提供，可以直接运行。

3 虚拟现实技术的特征

3.1 多感知性（Multi-Sensory)

所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。但由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。

3.2 沉浸性（Immersion)

沉浸性也称临场感，指体验者感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使体验者难以分辨真假，全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，如同在现实世界中的感觉一样。

3.3 交互性（Interactivity)

交互性指体验者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)。用户可以通过三维交互设备直接操纵计算机所给出的虚拟世界中的对象,虚拟世界中的对象也能够实时地做出相应的反应。

3.4 构想性（Imagination)

构想性指体验者从虚拟现实环境中得到感性和理性的认识，深化对概念的理解，主动获取新的信息，并产生新的想法，进而解决实际应用问题。

4 虚拟现实技术的应用

虚拟现实技术的应用极为广泛，目前在娱乐、教育的应用占据主流，其次是军事、机械设计与制造，在建筑业的应用显示出广阔的前景。

4.1 娱乐游戏

通过虚拟现实技术创建的虚拟场景，使娱乐参与者有亲临其境的感觉，将自己作为娱乐主角的体验更加强烈，增强了娱乐的趣味性和难度。由于在娱乐方面对虚拟场景的真实感要求不是太高，因此，虚拟现实技术在娱乐方面的应用最为迅猛，虚拟现实技术也成为最理想的视频游戏工具。现在的绝大多数游戏都采用虚拟现实技术来设计。

4.2 教育培训

虚拟现实技术在教育行业的应用非常广泛，并且针对不同课程的特点，侧重点有所不同。

演示设备的工作过程。包括机械设备、电子设备在内的许多设备，其工作过程是看不见的，传统的教学挂图又难以立体、连续地展示其工作过程，比如发动机的工作过程、网络交换机的工作过程等等，通过虚拟的场景较真实再现设备的工作过程(如有必要还可以进行分解)，让学生更直观、形象地了解设备的结构和工作过程，进而理解设备的工作原理，可以达到实际实验难以实现的效果。

展示工程难以或不可展示的损坏现象。在各类工程施工中，都有因设计或施工不当引起施工事故的现象，而这些现象在实际教学中由于成本太高是不可能在实验室再现的，传统的方式只看录像资料，但是这种方式又不能将事故现象、过程与事故原因联动。应用虚拟现实技术，就可以将不同事故原因和不同的事故现象、过程直观的展示出来。

虚拟现实技术在教育行业的应用还有很多，如在医学教学上通过创建虚拟人体让学生更直观的了解人体的构造和功能;在机动车驾驶员培训中，可以利用虚拟驾驶室，让学习者进行驾驶机动车的启动、换档、加减油门、方向盘控制和刹车、停车等各种操作;等等。虚拟现实技术能形象、生动、逼真地表现教学内容，提高学生把握知识和技能的效率和积极性，达到优化教学过程、提高教学质量的目的。另一方面，将虚拟技术应用于教育，还可以节省成本、规避风险，打破空间、时间的限制[5]。

4.3 军事

利用虚拟现实技术模拟战争过程已成为最先进的多快好省的研究战争、培训指挥员的方法。战争实验室在检验预定方案用于实战方面也能起巨大作用。

4.4 机械设计与制造[4]

虚拟技术较早就应用机械设计与制造领域。

在机械设计方面，通过虚拟技术，建立整机或零部件模型，采用运动、动力等方法进行分析，以三维模型及动画的形式实现内整机或零部件设计开发的过程。这种设计模式，可使用户直接参与产品设计，身临其境地测试产品性能和真实感受产品的使用性能，实现全局优化和一次性开发成功的目的，能有效提高设计效率，缩短周期，降低成本。

在机械制造方面，应用虚拟现实技术实现内燃机整机或零部件制造全过程的优化，以达到整机或零部件的开发周期和成本最小化、设计质量最优化，生产效率的最大化的目的。

4.5 建筑

虚拟现实技术在建筑的处理，与上述的几个方面有所不同，一是建筑物(包括园林景观)的“面”很多，二是建筑(包括园林景观)各个“面”的材质非常复杂。因此，相比之下，在各个层面的应用，处理建筑的计算机性能要求更高，这也是虚拟技术较晚用于建筑行业的主要原因之一。近几年来，随着计算机硬件性能的提高，虚拟现实技术在建筑行业的应用得到推广。虚拟现实技术创建的建筑动画可以以一种新颖、独立的表现方面广泛应用在建筑的规划设计、建筑设计、装饰设计和房地产营销等阶段。

在规划设计中，通过建筑动画将规划区域展示在规划设计者、政府决策者、投资开发者和普通市民面前，让他们从不同的角度和方位去审视、欣赏，从更高的层面去完善规划设计。

在建筑设计，通过建筑动画，既可以观察建筑物的外观是否达到业主的要求，还可以看到拟建建筑和周围环境是否和谐相容，拟建建筑是和同周围的原有的建筑协调，以免造成建筑物建成后，破坏了所在区域的原有风格和合理布局。

在装饰设计中，设计师通过建筑动画，将设计方案呈现给客户，让客户能从整体、从细节去观看，能更充分地和设计师交流，表达他们的意图，并可以多方案切换，更好地满足客户的要求。

在房地产营销中，通过建筑动画建造拟建的楼盘，将未来的美妙蓝图提前变成眼前的现实。让客户通过鼠标操作，从不同的路径进入拟建楼盘的任意位置，对小区不同位置和不同房间的视野有亲临其境的体验，加深对楼盘的了解。

5 虚拟现实技术的发展应用展望

虚拟现实技术是20世纪末才兴起来的一门崭新综合性的信息技术，尚处于初创时期，远未达到成熟阶段。虽然在很多领域已经有着典型的应用实例，但如果要扩大应用面，普及到日常的计算机应用层面，还存在不少有待解决的问题。

首先，要解决软件的问题。一是通过研究高效的建模、渲染和动画(或互动)设置方法，开发出针对性系统平台软件，简化目前开发应用系统所涉及到的建模、渲染和动画(或互动)设置等环节的繁琐步骤，降低开发费用;二是建立足够多的模型库，以避免建模环节的人海战术，进一步降低成本，缩短开发周期，同时还使得虚拟环境与客观世界更一致，对其中种类繁多、构形复杂的信息做出准确、完备的描述。

其次，有待计算机硬件性能的提升。只有硬件性能的提高，才使得计算机系统有更强的三维图形处理能力，从而解决三维动画的实时图形显示问题(尤其是互动操作时要求更高)，以及虚拟环境再现的准确性问题。

可以预料，在不远的将来，虚拟现实技术的研究日臻完善，会有着广泛的发展前景，发挥的作用也将会越来越大。

参考文献

[1]苏学勇,汤彦君.虚拟技术在现代医学教育中的应用[J].中国医药导报,2008(33):89.

[2]巫影,何琳.虚拟现实技术综述[J].计算机与数字工程,2002(3):43-46.

[3]pjtime资讯组.虚拟现实的概念、特征、技术及应用[EB/OL].http://www.pjtime.com/2008/2/73811998.shtml.2008,2.

[4]涂玉芬,王德洪.浅谈虚拟技术在内燃机行业中的应用[J].装备制造技术,2009(4).

[5]虚拟现实在教育培训领域的具体应用[EB/OL].http://www.online-edu.org/html/44/n-4044.html.2006,7.

篇4：浅谈虚拟广告技术及其应用

引言

随着经济社会的快速发展，企业为了销售自己的产品越来越重视营销活动，而广告又是营销的主要渠道之一，传统的广告模式在发展过程中逐渐出现了一些不适应当前要求的情况，而虚拟广告技术与计算机技术紧密联系在一起，体现出来强大的优势和广阔的应用领域，如果能够利用好虚拟广告技术，充分发挥它的优势，一定能使它成为传统广告的一个重要组成部分，必将成为未来广告行

一，虚拟广告技术的定义

目前关于虚拟广告技术有以下比较流行的解释：

澳大利亚广播公司的定义：虚拟广告是指把通过电脑处理的Logo或者广告图像插入直播的赛事中的行为。

欧洲广播联盟。的定义：虚拟广告是采用电子图像系统通过对电视画面中的赛场广告替换和添加，来修改电视信号的商业行为。

国际足联的定义：虚拟广告是指通过电脑技术对图像进行相应处理，以及为了把广告信息插入通过电视或者网络传输的信号中，而替换图像中不同元素的行为。

结合以上定义，本文提出虚拟广告技术的一种定义：电视台或节目制作单位，利用虚拟布景技术，把某种形式的广告图像插入到比賽场地或文艺节目现场等转播背景中，代替原有广告牌或者添加新广告牌的一种广告形式。

二、虚拟广告技术的优势

虚拟广告技术在应用中具备技术先进、形式灵活和节省成本等很多优势：

1、插入虚拟广告有灵活的选择性

再插入虚拟广告的时候可以灵活的选择那些收视率较高的频道，将节目现场中出现的广告替换为国内企业品牌的的广告内容。

2、节省广告制作成本

制作出来的虚拟广告一般是二维或三维的，与传统的电视广告制作费用相比，能够节省很多的制作成本。

3、节省广告编辑成本

将节目中的虚拟广告进行补充和修改也非常简单，都可以在计算机上进行，不必像传统广告一样重新拍摄，节省了广告修改和补充的成本。

4、可以实现动态广告效果

传统的广告都是静止的，应用虚拟广告技术可以在节目中插入动态广告，包括二维或三维的动态广告，更能吸引观众的注意力。

5、扩展广告摆放的空间

使用虚拟广告技术，摆放广告的位置不再局限于场地的周边，而可以在适当的时候直接放在场地当中，甚至可以将广告摆放在实际中无法放置广告的位置，比如：水面上、沙滩里、冰雪中或者高山上，另外广告尺寸不受任何限制。

6、实现节目资讯与广告相结合

可以在节目中将演员、表演单位、比赛单位或运动员的信息展示出来，并且在信息的旁边插入广告，这样，观众在关注节目资讯同时，也获取了相应的广告信息，一举两得。

7、便于体现广告的地域性

在对不同的地区进行节目转播时，根据播放地区的特点和需求规律，可插入不同内容和品牌的广告，加强广告的针对性，提高广告宣传的效率。

8、增加广告使用的领域

网络游戏在今年发展很快，拥有大量的玩家，但是在游戏中加入传统广告不仅不会起到宣传的效果，还会引起玩家的方案和抵触情绪，而虚拟广告就很适合在网络游戏中使用。

三、虚拟广告技术的应用

虚拟广告具有传统广告无法比拟的优势，正在被更广泛的使用，下面本身重点介绍在比赛场、电视节目和网络游戏中的应用：

1、在比赛场中的应用

比赛的时候再赛场周边、看台上和赛场大屏幕等位置，都可以插入相应的产品广告牌或企业LOGO，这都是虚拟广告的应用。如果把广告牌换成比赛队伍的名称、当时的比分和比赛的时间等信息插入到比赛画面中，这也属于虚拟广告的应用，比如：在足球比赛中，国际足联的规则写明，进行任意球时，对方人墙距离球的距离是10码，也就是9.15米，在转播的时候我们经常可以看见在场地中出现了一个以球为中心的一个圆弧，这个圆弧的半径就是10码。再比如：在某一方进攻越位时，慢镜头回放，观众可以看见一条动态或静态越位线，以表示裁判判罚的依据。还有很多，包括：赛跑比赛时跑道上的国籍标志、游泳比赛时世界纪录的进度、铅球或标枪比赛时当前世界纪录或者第一名成绩的位置等，这些都有助于观众观看比赛，也都用到了虚拟广告技术。

2、在电视节目中的应用

虚拟广告技术在电视节目制作过程中的应用在内容和形式上都是多样化的，可以将真人与动画节目相结合，将视频图像与文字相结合等，在有观众参与的互动电视节目，可以在观众席插入一个虚拟的大屏幕电视画面，播放动态的广告节目；可以在观众席里添加虚拟的产品模型；可以在观众席旁边摆放虚拟的产品展示区。特别地，如果是舞台类的电视节目，可以在舞台地面插入虚拟的产品标识；可以在舞台道具中插入虚拟的企业LOGO；可以在舞台上摆放虚拟的产品模型；可以在舞台上摆放一个虚拟的产品展示平台；可以在舞台的天花板上以悬挂的形式展示虚拟产品模型等等还有很多，这都是虚拟广告的应用。

3、在网络游戏中的应用

网络游戏在近些年发展快速，一方面，积累了数量较大的游戏玩家，并且这个数量还在以较快的速度增加，而这些游戏玩家的粘着度比较高；另一方面，玩家在进行网络游戏时，时间都比较长，游戏本身也有很丰富的内容和画面，为插入虚拟广告提供了灵活的时间和多样的地点，所以在网络游戏中加入虚拟广告有很多优势。

篇5：虚拟农业技术及其应用

摘要：随着计算机技术的发展, 企业、机关单位、政府等数据中心产生的数据越来越多, 服务器以及数据中心每年的电费以及维修费用不断上涨, 然而高投入并没有取得良好的效果。将虚拟化技术应用在服务器中, 能提高硬件资源利用率, 降低管理和维修成本。本文主要分析了服务器虚拟化技术内容、服务器虚拟化存在的安全风险, 并根据这些安全风险, 采取相应的措施, 提高服务器的安全等级, 确保服务器运行安全。

关键词：服务器; 虚拟化技术; 安全风险;

1 服务器虚拟化技术的内容

1.1 全虚拟化

全虚拟化技术又叫硬件辅助虚拟化技术, 是通过BDT和直接执行技术实现的, BDT在虚拟机运行时, 一些敏感指令会在指令到达之前陷入到其他指令中, 将这些敏感执行命令插入到VMM中, VMM技术将这些动态指令转化为具有相同功能的指令, 按照顺序直接访问计算机虚拟硬件。从这也可以看出, 在全虚拟化技术中, 计算机用户所有的指令都是通过CPU运行的, 计算机操作系统从虚拟层硬件中抽离出来。全虚拟化技术也是唯一一个不需要硬件或者操作系统协助完成敏感指令虚拟化技术。

1.2 半虚拟化

半虚拟化技术需要修改计算机用户的操作系统内核, 替换不能虚拟化的指令, 并通过Hypervisor完成敏感指令的调用。在半虚拟化技术中, 计算机操作系统还要与虚拟化平台兼容, 否则虚拟机无法有效的操作宿主的计算机。

1.3 硬件辅助虚拟化

虚拟化技术的应用给CPU的运行增加了新的模式―Root, 这种模式下, VMM可以在Root模式下运行, 而Root模式建立在Ring O下, 敏感指令可以直接在Hypervisor执行, 不需要BT或者半虚拟技术, 计算机用户只要将操作系统状态保存在虚拟机控制结构中或者虚拟机控制模块中。

2 服务器虚拟化存在的安全风险

与传统的服务器运行模式相比, 服务器虚拟技术在物理硬件和虚拟服务器之间引入了虚拟层, 也就是虚拟机监控器。虚拟技术的应用也给服务器的安全带来了一定的风险。具体体现在以下几个方面:第一, VMM为虚拟机提供统一的资源抽象, 资源共享技术的出现增加了服务器运行的安全风险。此外, VMM理论还不够成熟, VMM出现系统漏洞时, 很容易受到hacker的攻击和病毒的感染, hacker可以直接进入到数据中心的主机系统, 随意篡改数据库的数据, 给虚拟机的运行带来了极大地安全隐患。第二, 随着计算机技术的进入, 网络边界逐渐消失, 服务器和网络逐渐融合, 在这种融合模式下, 每一个虚拟机都需要一套相对完整的防护产品保护虚拟机。使用这种新的网络模型, 将计算机十几个操作系统用虚拟机形式展现在服务器上, 虚拟机可以共享十几个操作系统的数据资料, 一旦一台计算机操作系统出现问题, 可能影响整个网络系统和其他虚拟机。第三, 由于虚拟化技术的优越性, 越来越多的企业使用虚拟机, 造成虚拟机滥用现象, 影响到物理主机CPU和网络资源, 造成计算机服务器运行负荷过重, 造成计算机操作系统崩溃或者虚拟应用中断等现象。

3 服务器虚拟化安全应对措施

虚拟化技术安全风险除了遇到病毒、木马的入侵以及恶意软件的感染等因素, 还会造成服务器负荷过重, 影响计算机运行的`速度和效率。因此必须采取有效的措施:第一, 针对共享技术带来的安全风险, 可以提高VMM安全策略。根据数据中心资料的重要性, 建立安全等级防御系统。并优化虚拟机的隔离和封装制度, 加强服务器内部的保护, 严格控制审计未通过的浏览和访问。第二, 为了解决虚拟机网络内部攻击现象, 程序设计时要根据虚拟机的重要性划分等级, 安全等级比较高的虚拟机要及时备份数据, 并采取隔离措施。创立虚拟机防护边界和安全防火墙, 防止恶意攻击和访问服务器系统。第三, 为了解决虚拟机滥用这个问题, 要加强服务器数据资源的容量分析和数据监控, 服务器资源要定期进行汇报, 一旦出现安全风险或者恶意入侵, 系统能自动发出警报, 以便维护人员第一时间掌握服务器情况。同时, 企业要加强管理人员的安全意识, 对服务器的访问、跟踪和审计等做好安全防护措施, 严格设置业务逻辑访问控制策略, 提高虚拟机网络的安全性和可靠性。

4 结语

服务器虚拟技术在网络技术中应用十分广泛, 服务器虚拟技术能降低用户硬件成本, 最大限度利用硬件资源, 让计算机系统变得更加简洁, 便于用户安装、使用和管理。但是近年来的网络安全问题使得服务器虚拟化技术的安全性成为社会关注的焦点。通过提高安全等级, 制定访问控制策略, 提高虚拟机的安全性。

参考文献

[1]伊波.服务器虚拟化技术及安全研究[J].神州 (中旬刊) , , (2) :49-49.

[2]彭锦.服务器虚拟化技术及安全性探讨[J].通讯世界, , (9) :193-193.

篇6：落在实处 虚拟化技术应用

技术篇不同层次的虚拟化技术近年来，服务器虚拟化技术逐渐成为人们关注的热点技术。伴随着多年来人们对虚拟化技术的研究，形成了不同层次的虚拟化技术，其中有ISA层次、硬件抽象层、操作系统层、Library API层，以及编程语言层的虚拟化技术。

1.ISA层的虚拟化技术ISA层的虚拟化技术，通常采用软件模拟指令集的方式实现。一个典型的计算机系统由处理器、内存、总线、硬盘控制器、时钟、各种I/O设备组成。ISA层的虚拟化软件的实现方式是截获客户操作系统发出的指令，并把它们“翻译”成Host平台上的可用指令进行执行（包括处理器内部指令和IO指令）。由于这种指令的模拟方式，ISA层的虚拟化技术可以完全模拟一台真实机器所能做的一切。这种实现方式的好处在于，分离了操作系统和硬件平台的紧绑定关系。

这方面具有代表性的系统有很多。Bochs是用C++语言编写的开源的x86平台的PC模拟器，可以方便地在多种平台上模拟IA32 PC系统。它能够模拟多种版本的x86系统，如386、486、Pentium、Pentium Pro、SSE、SSE2等指令。Bochs解释客户系统从开机到关机的全部指令，模拟了Intel x86 CPU、BIOS以及PC设备。因此，在客户操作系统看来，就好像是运行在一台真实的机器上一样。虽然Bochs系统的性能问题，使其很难有广泛的应用，但它也在某些方面有着重要的应用，如在非x86平台上运行Windows系统，进行新开发的操作系统的debug工作，进行老式x86系统的兼容性测试等。

QEMU是一个采用动态翻译技术的快速的模拟器，它支持两种工作模式：用户空间模拟和全系统模拟。在用户空间模式下，QEMU可以在物理CPU上执行为其他CPU编译的程序。在全系统模拟的模式下，它支持模拟x86、arm、PowerPC、Sparc等结构。它可以快速地把客户操作系统的指令动态地翻译成本地指令进行执行。其动态翻译过程的基本思想是把每条指令分解成少量的简单指令。每条简单指令由一段C代码实现，通过动态代码生成器把这些简单指令的目标文件连接起来，构建指定的功能。它把基本块作为翻译的基本单位，并采用16M的指令翻译Cache. 2.硬件抽象层的虚拟化技术硬件抽象层的虚拟化技术，利用客户系统环境和Host平台的相似性来减少理解客户系统指令的延迟。目前，大多数的商业服务器虚拟化产品，都是通过使用这种技术来实现高效、实用的虚拟化系统。虚拟化软件进行从虚拟资源到物理资源的映射，并利用本地物理平台进行实际的计算。当虚拟系统访问关键的系统资源时，虚拟化软件接管其请求，并进行相应的处理。为了使这种机制能够有效地工作，虚拟机必须能够trap每条特权指令，并使得VMM接管进行相关的处理。这是因为，在同一个物理平台上有多个客户系统存在，这些客户系统发出特权指令希望CPU进行处理。这时把这些指令trap到VMM进行处理，以免系统发生异常或冲突。此时，VMM模拟特权指令的执行，并返回处理结果给指定的客户虚拟系统，保证了各个客户虚拟系统的有效隔离。然而，x86平台并不是完全支持虚拟化的，因为某些x86特权指令在特权级不够的情况下执行，并不能方便地产生trap.对这一问题的解决方案有：一种是指令扫描结合动态指令修改的软件技术，有许多商业的虚拟化产品采用了这种方案；另一种方案是修改x86 CPU，使它支持虚拟化，也就是Intel的Vanderpool技术和AMD的Pacifica技术的目标。此种虚拟化技术的代表 产品是EMC公司的VMware. Microsoft的Virtual Server系列产品，

Microsoft的Virtual Server 2005来源于2003年收购Connectix的虚拟化技术。这是一种类似于VMware Workstation结构的虚拟化产品。除了虚拟化的功能外，还有两种特色的功能：undo磁盘功能可以使用户方便地undo客户虚拟系统之前对磁盘的操作，有利于某些情况下的数据恢复；另一种特色技术是二进制翻译，它可以在基于Macintosh的机器上提供x86的虚拟机。但Virtual Server产品其对操作系统种类的支持不是很广泛，主要支持Windows和Linux客户虚拟系统。Linux系统还不能做为Virtual Server的Host平台。

Xen是最初由剑桥大学计算机实验室发起的开源虚拟机项目。它的开发得到了Intel、HP、IBM等公司的支持。Xen是在x86平台上支持同时运行多个虚拟系统的高性能VMM.它支持x86_32、x86_64、IA64等多种平台，并支持Intel Vanderpool和AMD Pacifica技术。它采用para-virtualization的技术，也就是需要对客户虚拟系统的内核进行适当的修改，使其能够在VMM的管理下尽可能地直接访问本地硬件平台。Xen利用Para-virtualization技术降低了由于虚拟化而引入的系统性能损失。

Xen的Para-virtualization技术的主要内容是：对于内存分段管理的虚拟化，要求客户操作系统对硬件分段描述符的更新由Xen进行验证，这也就要求客户操作系统不能有高于Xen的特权级别和不允许访问Xen的保留地址空间；对于内存分页管理的虚拟化，要求客户操作系统可以直接读硬件页表，但对页表的更新需要Xen进行验证和处理，Xen支持客户虚拟系统可以分布在不连续的物理内存上；对于客户虚拟系统，其只能运行在低于Xen的特权级别上；客户虚拟系统需要注册一个异常（Exception）处理函数的描述符表，直接支持Xen的虚拟化；客户虚拟系统的硬件中断机制被Xen中的Event处理机制代替；每个客户虚拟系统都有自己的时钟接口，并且可以了解真实的时间和虚拟的时间；客户虚拟系统通过异步I/O rings的内存区域和外部设备（网络、硬盘）来传递数据，采用事件处理机制代替硬件中断通知机制。

目前，Xen作为高性能的虚拟机软件，越来越受到业界的关注。它可以为企业的生产系统所使用。

UML（User Mode Linux）是让一个Linux作为一个独立进程，运行在另一个Linux上的开源项目。它是一种在同一时间运行多 Linux 的安全方式。每个进程都独立于其他进程，这非常安全。例如，在同一机器上进行多种测试和开发而不互相干扰，如果一些测试进程被损坏，并不会影响宿主系统或者开发进程。

篇7：虚拟云技术在实验教学的应用论文

摘要：当前云技术、虚拟化技术在高校实验教学管理中得到被越来越广泛的应用，通过云技术和虚拟化技术的有效结合能够大大提高实验教学资源的共享和利用率，以及计算机实验室的服务支撑能力。本文以搭建的私有云桌面平台为支撑，对虚拟云技术的计算机实验室建设管理进行研究，从而实现专业实验教学的由点及面、理论到应用、涵盖原理及创新的多层次实验教学，并且以学生为本出发，满足不同层次学生的实验需求，帮助学生获得最大的学习空间。

关键字：云技术；虚拟化；实验室建设管理

随着信息化社会的迅速发展，云技术、大数据、“互联网+”等概念的提出，计算机在各行各业得到了越来越广泛的应用。为了加强专业学生的动手实践能力，计算机实验室的使用率在逐年提升，如何提升实验室的利用效率，强化学生的综合实力，满足学生实验方式的个性化、多样化需求，充分发挥现有资源完成教师教学和科研任务，将成为实验室管理人员亟需解决的重要难题。

1、传统实验室管理方式下的现状

（1）由于学科建设和定位的不同，各专业对学生的培养方向也不同，不同年级不同专业所开设的课程存在较大差异，为了满足实验教学和教师科研环境的需求，经常需要对实验室的相关软件进行更新和重新配置，容易导致系统文件的破损，软件不能正常使用。

（2）同一操作系统下不同科目的课程使用的软件版本不同，给实验室管理员对实验环境的部署带来不便[1]。例如，实验教学中不同教师对于Visualstudio软件的版本要求不同，虽然同时安装各种版本的软件会满足不同课程的.需要，但过度安装会影响机器的运行速度，造成资源的极大浪费。

（3）为了满足基础教学、实习实训等方面的需求，计算机实验室通常是进行大规模建设，硬件设备的投入十分巨大，但随着互联网行业对人才需求的不断变化，课程设置及所需软件对硬件的需求也在不断提高，同时硬件设备存在3到5年的更换周期，这些淘汰的固定资产的存放和再利用给学校带来了不小的压力。

（4）实验教学环节的上课时间有限而且固定，充分利用课外时间完成和复习所学知识是学习过程中的有效解决途径。但教学环境本身不具备灵活性和转移性，特定的软件对操作的要求不同，导致学生很难在个人计算机上安装和使用，课后实验无法继续进行，造成理论与实践的脱节。

（5）实验室是提供教学环境的公共场所，由于不当的上网方式和移动设备的交叉使用，容易造成病毒的传播和扩散，使一些软件甚至硬件频遭攻击和破坏，增加实验室的管理工作量，影响正常的教学活动[2]。为了避免这种情况的发生，管理人员通常为机器安装还原软件，保持基本的上课环境不受影响，但却给学生的课后实践练习带来不便，比如不及时存盘造成文件丢失、无法自主安装所需要的软件等。

2、虚拟化技术

随着数据规模的日益增加，计算成本的逐渐上升，数据之间的管理越来越复杂，云技术的提出可以有效的解决这些难题。虚拟化技术作为云计算系统中的关键技术，可以将原来孤立的物理资源进行抽象整合，实现资源的动态分配和调度，提高现有资源的利用率和服务可靠性，降低运维成本，使数据更加安全。虚拟化技术是指在硬件条件确定的前提下，为用户创建一个完整的虚拟操作系统，这个操作系统拥有虚拟的CPU和内存，可以有效的提高资源的利用率和系统的安全性。对于机器的硬件层，其核心部件包括CPU、内存及I/O设备，某一个进程若想在这个硬件上运行，则需要对以上核心部件拥有绝对的管理权，这样不便于多个进程的同时进行[3,4]。为了解决这一弊端，需要在运行的软件和硬件之间建立一个资源管理软件层，即对硬件平台的抽象系统调用接口，这个中间层让虚拟机管理器（VMM）可以控制用户操作系统如何有序的使用软件资源，以上便是虚拟化技术的运行机制。

3、虚拟云桌面的实现

虚拟云桌面是云计算的典型应用，能够在终端提供远程的计算机桌面服务[5]。虚拟云桌面是通过远程服务器所提供的虚拟软件和操作系统，以视图的方式发送给客户端，终端的所有操作实际都在服务器上进行，共享服务器的存储资源，完成操作后可以对任务进行实时提交，监控资源的利用效率，及时释放低利用率资源，保证资源的合理利用。

3.1云平台的设计原理

面对实验室的各种管理难题，例如软件的多样性、复杂性、对硬件系统的要求逐渐提高、针对数据的存储和共享难度加大等问题，加大了管理人员的工作量，同时对技术的要求也更加苛刻。而基于虚拟化的云平台桌面实现了桌面应用环境与终端设备的分离，用户的桌面环境集中部署于数据中心服务器上的虚拟机中运行。用户通过网络访问虚拟桌面，并且能够获得与使用本地终端相同的效果，如图1所示。通过集中化管理方式，让系统管理员拥有比传统终端更有效的控制和管理权限，并可以根据用户的实际应用软件，及时按需交付应用桌面，大大的减轻了实验室管理人员的工作量。

3.2云平台的构成

桌面虚拟化应用是一个系统工程，需要有服务器、网络环境、终端设备及软件兼容性等多方面的统一配合。完整的云桌面方案包括：

（1）主控节点：部署在服务器上的虚拟化软件，只需配置一台服务器作为主控节点，即可通过主控节点管理整个服务器集群。同时主控节点有权限创建新的虚拟机提供给用户使用。

（2）计算节点：部署在服务器上的虚拟化软件，以KVM为基础提供虚拟化层，虚拟化物理服务器的CPU、内存、存储以及网络资源，并将其分配给多台虚拟机。

（3）管理平台：B/S架构的单一管理模式，任意与服务器在同一网段的终端通过浏览器直接访问主控机的虚拟桌面管理平台，实现服务器虚拟化IT架构以及虚拟桌面的统一管理。虚拟云平台的架构可以真正实现通过网络将定制的桌面系统实时交付给用户，而用户可以通过不同类型的终端如PC机、笔记本、智能设备随时随地进入学习场景，开启一种新型的全开放式学习新模式。

3.3桌面虚拟化的实现

桌面虚拟化的技术主流主要包括瘦客端和非瘦客端两种模式，他们的共同点是：在网络环境允许的情况下，在服务器启动下都可以选择所需要的镜像。不同点是：瘦客端的所有数据存在于服务器中，非瘦客端将个人终端做为客户端。针对学院的教学环境和实际要求，实验室主要采用非瘦客端做为虚拟桌面的实现平台，实施建设主要分以下几方面：

（1）对服务器的相应磁盘采用NTFS文件格式，安装虚拟化软件，如物理服务器已经存在操作系统，则此安装会覆盖之前的操作系统，安装完毕后，对电源、网络信息等参数进行设置和优化。

（2）配置挂载任务。为服务器配置存储，分配操作系统安装目录，设置网卡IP地址，DNS、主机名、通信密钥等信息，如果配置服务的过程中只有一台服务器，则安装后初始化为主控节点即可，如有多台服务器存在，则需要初始化一台为主控节点，其他服务器在管理台添加为计算节点。以上操作完成后，则可以基本完成管理端与服务器端的连接。

（3）在客户端安装虚拟软件，安装完成后重启终端，由于操作系统预先存于主服务器端，即可直接实现客户端的登录操作，终端与服务器通过WEB设置相关信息建立连接，设置密码以便进行匹配验证。

（4）启动任意客户端，进行密码验证后，设置系统上传命令，可将操作系统镜像上传至服务器目标目录[6]。通过以上的操作，即可完成实验室虚拟云桌面的部署和搭建。测试成功后，终端的登录方式已由原来的单一操作界面增加了个人桌面和教学桌面多种场景模式，能够有效的提高实验室环境的部署效率，解决还原软件在实验室管理工作中形成的瓶颈问题，使虚拟化技术在运维管理方面得到了充分应用。

4、小结

培养学生的实践操作能力是高校教学环节中非常重要的组成部分，低配的终端设备已无法实现教学模式的创新，影响学生个性化的学习活动和教学实验的开展。虚拟化云桌面的实现不仅解决了实验教学环境面临的诸多问题，还通过云技术和虚拟桌面技术的有效结合实现了快速部署实验环境和故障机器的排查，使实验室管理人员可以轻松的管理千台终端，极大的减少整体运维成本。

参考文献

[1]曾阳艳.基于虚拟云技术的实验室建设和管理[J].电脑知识与技术,2015(18).

[2]高云霞,高景刚.基于云计算的高校虚拟实验教学研究[J].制造业自动化,2013(8).

[3]胡旭.计算机实验教学中虚拟化技术的应用[J].中国管理信息化,2017(3).

[4]邹永康.桌面云技术在高校计算机类实验室建设中的应用[J].重庆文理学院学报,2016(5).

[5]姜宁,何婧媛,牛永洁.基于虚拟云桌面的高校计算机实验室管理[J].延安大学学报(自然科学版),2016(3).

篇8：虚拟现实技术的发展及其应用探索

虚拟现实 (Virtual Reality) 技术是借助于计算机技术及硬件设备, 设计出合理的硬件、软件及交互手段, 使参与者能交互式地观察和操纵系统生成的虚拟世界, 故虚拟现实技术 (简称VR技术) 又称幻境或灵境技术。其核心是由一些三维的交互式计算机生成的环境组成, 是对现场真实环境进行仿真, 这些环境可以是真实的, 也可以是想象的世界模型, 其目的是通过人工合成的经历来表示信息。有了虚拟现实技术, 复杂或抽象系统的概念的形成可以通过将系统的各子部件以某种方式表示成具有确切含义的符号而成为可能。虚拟现实是融合了许多人的因素, 且放大了它对个人感觉影响的工程。虚拟现实技术是建立在集成诸多学科如心理学、控制学、计算机图形学、数据库设计、实时分布系统、电子学、机器人及多媒体技术等多个信息技术分支。

(二) 基本概念

从概念上讲, 任何一个虚拟现实系统都可以用三个“I”来描述其特性, 这就是“沉浸 (Immersion) ”、“交互 (Interaction) ”和“想象 (Imagination) ”。这三个“I”反映了虚拟现实系统的关键特性, 就是系统与人的充分交互, 它强调人在虚拟现实环境中的主导作用。从目前的发展状况来看, 虚拟现实系统还具备了多感知性 (Multi-Sensory) 。多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外, 还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知, 甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术, 特别是传感技术的限制, 目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。

虚拟现实技术分虚拟实景技术与虚拟虚景 (境) 技术两大类。虚拟现实技术的应用领域和交叉领域非常广泛, 在虚拟现实技术战场环境, 虚拟现实作战指挥模拟, 飞机、船舶、车辆虚拟现实驾驶训练, 飞机、导弹、轮船与轿车的虚拟制造, 虚拟现实建筑物的展示与参观, 虚拟现实手术培训, 虚拟现实游戏, 虚拟现实影视艺术等等方面的应用和产业的形成都有强烈的市场需求和技术驱动。一个完整的虚拟现实系统由虚拟环境、以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备, 以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成。

(三) 虚拟现实技术实现

1. 实物虚化

实物虚化是现实世界空间向多维信息化空间的一种映射, 主要包括基本模型构建、空间跟踪、声音定位、视觉跟踪和视点感应等关键技术, 这些技术使得真实感虚拟世界的生成、虚拟环境对用户操作的检测和操作数据的获取成为可能。它具体基于以下几种技术:

(1) 三维计算机图形技术。它是应用计算机技术生成虚拟世界的基础, 它将真实世界的对象物体在相应的3D虚拟世界中重构, 并根据系统需求保存部分物理属性。相比较而言, 利用计算机模型产生图形图像并不是太难的事情。如果有足够准确的模型, 又有足够的时间, 我们就可以生成不同光照条件下各种物体的精确图像, 例如通过GIS数据和卫星、遥感或航拍照片构造大型虚拟战场。但是这里的关键是实时, 例如在飞行模拟系统中, 图像的刷新相当重要, 同时对图像质量的要求也很高, 再加上非常复杂的虚拟环境, 问题就变得相当困难。当几何模型和物理模型很难准确地刻画出真实世界中存在的某些特别对象或现象时, 可根据具体的需要采用一些特别的模型构建方法。例如, 可以对气象数据进行建模生成虚拟环境的气象情况 (阴天、晴天、雨、雾) 。

(2) 空间跟踪。虚拟环境的空间跟踪主要是通过头盔显示器、数据手套 (DATAGLOVE) , 立体眼镜, 数据衣等交互设备上的空间传感器, 确定用户的头、手、躯体或其他操作物在三维虚拟环境中的位置和方向。在三维空间中因为有六个自由度, 我们很难找出比较直观的办法把鼠标的平面运动映射成三维空间的任意运动。现在, 已经有一些设备可以提供六个自由度, 如3Space数字化仪和Space Ball空间球等。

数据手套是VR系统常用的人机交互设备, 它可测量出手的位置和形状从而实现环境中的虚拟手及其对虚拟物体的操纵。Cyber Glove通过手指上的弯曲、扭曲传感器和手掌上的弯度、弧度传感器, 确定手及关节的位置和方向。

(3) 声音跟踪技术。利用不同声源的声音到达某一特定地点的时间差、相位差、声压差等进行虚拟环境的声音跟踪是实物虚化的重要组成部分。声波飞行时间测量法和相位相干测量法是两种可以实现声音位置跟踪的基本算法。实物虚化的视觉跟踪技术使用从视频摄像机到X-Y平面阵列, 周围光或者跟踪光在图像投影平面不同时刻和不同位置上的投影, 计算被跟踪对象的位置和方向。视觉跟踪的实现必须考虑精度和操作范围间的折衷选择, 采用多发射器和多传感器的设计能增强视觉跟踪的准确性, 但使系统变得复杂并且昂贵。

(4) 视点感应。视点感应必须与显示技术相结合, 采用多种定位方法 (眼罩定位、头盔显示、遥视技术和基于眼肌的感应技术) 可确定用户在某一时刻的视线。例如将视点检测和感应技术集成到头盔显示系统中, 飞行员仅靠“注视”就可在某些非常时期操纵虚拟开关或进行飞行控制。

2. 虚物实化

虚物实化是指确保用户从虚拟环境中获取同真实环境中一样或相似的视觉、听觉、力觉和触觉等感官认知的关键技术。能否让参与者产生沉浸感的关键因素除了视觉和听觉感知外, 还有用户能否在操纵虚拟物体的同时, 感受到虚拟物体的反作用力, 从而产生触觉和力觉感知。力觉感知主要由计算机通过力反馈手套、力反馈操纵杆对手指产生运动阻尼从而使用户感受到作用力的方向和大小。触觉反馈主要是基于视觉、气压感、振动触感、电子触感和神经、肌肉模拟等方法来实现的。

3. 高性能计算处理技术

高性能计算处理技术主要包括数据转换和数据预处理技术;实时、逼真图形图像生成与显示技术;多种声音的合成与声音空间化技术;多维信息数据的融合、数据压缩以及数据库的生成;包括命令识别、语音识别, 以及手势和人的面部表情信息的检测等在内的模式识别;分布式与并行计算, 以及高速、大规模的远程网络技术。

(四) 虚拟现实系统的体系结构

1. 分布式虚拟现实系统。

分布式虚拟现实系统是一个支持多人实时通过网络进行交互的虚拟现实系统, 每个用户在一个VR环境 (真实感3D立体图形, 立体声) 中通过联网的计算机与其他用户进行交互。分布式虚拟现实的研究目标是建立一个可供多用户同时异地参与的分布式虚拟环境, 处于不同地理位置的用户如同进入到一个真实世界, 不受物理时空的限制, 通过姿势、声音或文字等“在一起”进行交流、学习、研讨、训练、娱乐, 甚至协同完成同一件比较复杂的产品设计或进行同一艰难任务的演练。DVR的研究开发工作早在20世纪80年代处就开始了, 近年来网络技术的飞速发展更进一步推进了DVR的研究和开发。

2. 非分布式虚拟现实系统结构。

非分布式虚拟现实系统结构——真实用户环境VUE (Veridical User Environment) , 它是一个事件驱动、按照一组规则来处理并发事件的虚拟现实系统, 它将单个的虚拟世界分解成多个Client/Server进程, 这些进程可以在不同的处理器上执行, 并通过消息传递相互通信。系统包含3个VR部件:设备服务器 (device servers) 、应用进程 (application processes--也作为一种服务器进程来管理) 和会话管理DM (Dialogue Manager) 。设备管理器管理输入输出设备;会话管理是设备服务器的客户程序, 同时又是应用进程的服务器, 它定义了虚拟世界的交互规则, 并协调和传递输入设备服务器产生的事件到应用进程, 然后将响应事件传递到输出设备服务器, 会话管理通过异步消息传递来与其他服务器通信, 并按照规则传递事件。

(五) 虚拟现实的应用领域

1. 设计应用。

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。当前的工程设计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。

2. 教育应用。

把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。

3. 医学。

VR在医学方面的应用具有十分重要的现实意义。在虚拟环境中, 可以建立虚拟的人体模型, 借助于跟踪球、HMD、感觉手套, 学生可以很容易了解人体内部各器官结构, 这比现有的采用教科书的方式要有效得多。服务于医疗手术训练的VR系统, 用CT或MRI数据在计算机中重构人体或某一器官的几何模型, 并赋予一定的物理特征 (例如密度、韧度、组织比例等) , 并通过机械手或数据手套等高精度的交互工具在计算机中模拟手术过程, 以达到训练、研究的目的。该技术可用于解剖教学、复杂手术过程的规划, 在手术过程中提供操作和信息上的辅助, 预测手术结果等。另外, 在远程医疗中, 虚拟现实技术也很有潜力。

4. 虚拟战场环境。

虚拟现实产品在作战模拟领域得到广泛的应用, 且多数涉及战场环境仿真。运用虚拟现实技术实现战场环境仿真, 其目的就是构成多维的、可感知的、可度量的、逼真的虚拟战场环境, 借此提高参训人员对战场环境的认知效率。主要用于仿真对抗、导调监控、装备操作、参谋作业训练等。虚拟战场环境可以为计算机作战推演、半实兵演习、实兵演习提供与实际演习区域的仿真环境, 也可以为特定的训练科目拟构出典型的训练环境 (在现实中并不存在) 。

5. 工程应用。

VR在管理工程方面也显示出了无与伦比的优越性。如设计一新型建筑物时, 可以在建筑物动工之前用VR技术显示一下;当财政发生危机时, 可以帮助分析大量的股票、债券等方面的数据以寻找对策等等。

6. 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。

(六) 结束语

总的来说, 虚拟现实是一个充满活力、具有巨大应用前景的高新技术领域。虚拟现实技术的发展与普及改变了过去人与计算机之间的枯燥、生硬、被动的交流方式, 使人机之间的交互变得更人性化。

参考文献

[1]马建民.浅论我国虚拟制造技术的发展[J].机械制造与自动化, 2006, 5.

[2]李会.虚拟现实技术在工业控制中的应用[J].微计算机信息, 2006, 5.

[3]赵新华.虚拟现实技术在虚拟海洋环境中的应用[J].应用科技, 2006, 10.

[4]陈杰平.虚拟现实技术及其在汽车工业中的应用现状与趋势[J].农业装备与车辆工程, 2006, 10.