虚拟现实技术可利用计算机产生一个以自然的视、听、触等功能感受的三维环境，人们可以方便地对生成的“虚拟世界”进行交互式的观察、分析、操作和控制。它以仿真方式给用户创造了一个实时反映实体变化与相互作用的界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，它具有多媒体信息的感知性、沉浸性、交互性和自主性等特点。利用虚拟现实技术创建出逼真的矿山工程环境对优化系统设计具有重要的实用价值。
为了给用户创建一个能使其感到身临其境和沉浸其中的环境，必要的条件就是根据需要能在虚拟现实系统中逼真地显示出客观世界中的一切对象：不仅要求所显示的对象模型在外形上与真实对象酷似，而且要求在形态、光照、质感等方面十分逼真。
目前，相关软件发展迅速、种类较多，其中常用的软件有MultiGenGreator、Vega、OpenGI以及我国图灵公司的VRMAP、适普公司的IMAGIS等。
1．1模型构建软件
MultiGenCreator是美国MultiGenParadigm公司开发的三维建模软件，广泛用于视景仿真、虚拟城市、模拟设计、交互式游戏等。它在满足实时性的前提下可生成逼真的场景，可进行多边形建模、矢量建模和地形生成。它的层次细节、多边形筛选、逻辑筛选、绘图优先级、自由度设置等高级功能使得其数据格式OpenFlight在实时三维领域成为流行的图像生成格式。该软件可接受DXF、DEM和其它矢量格式的数据与AutoCAD和GIS软件结合方便。
1．2支持视景生成的语言——OpenGL
应该使用已有的商品化或标准化的图形库和程序设计语言来设计与实现虚拟环境，其中OpenGI(服务器)及其支持系统就是这样一种可选用的图形生成环境。OpenGI可按函数库的形式被C语言调用，也可以被窗口系统直接调用。OpenGI是使用专用图形处理软件接口，该接口目前由几百个过程函数组成，用以支持用户对高质量三维对象的图形和图像进行操作。
()penGI指令的模型是客户／服务器模式，即一个程序(客户)提供指令，该指令由OpenGI解释并处理，它直接执行3D及2D图型的基本操作。这些操作包括转换矩阵、光照模型和光线跟踪、反混淆方法、z～Buf以及像素更新操作等。OpenGI也支持双缓冲技术，该技术提供了生成动画效果图形所需要的机制，使所生成的图形能够像电影一样平滑运动。
1．3视景漫游软件
Vega是MultiGen--Paradigm公司开发的应用于实时视景、声音仿真和虚拟现实等领域的高性能软件环境和开发平台，由Lynx图形化用户接口和Vega库组成。利用Vega库函数可在Lynx中建立漫游所需要的场景、窗口、通道、运动和碰撞方式，可以定义对象的初始化参数并建立对象之间的相互联系。
2地质构造情况的模拟
对于矿山技术人员来说地质构造情况非常重要，如果对煤层、岩层、含水层、流沙层以及断层和褶曲等情况的推断有偏差，或图形表现不直观易懂，则在建井或生产过程中就可能发生塌方、突水等事故，造成人员伤亡和经济损失。应用虚拟现实软件可以根据地质体的三维分布，使矿井的规划设计更加直观方便。
综合国内外现状，三维地质体的绘制有块段、表面、实体和断面建模法等。
MultiGenCreator中需要的曲面数据是ded或。dem格式，使用GIS软件Arolnfo、用插值方法生成不规则三角网(TIN)，然后转成USGSDEM格式，将其导入Creator就可以生成煤层曲面。然后，通过光照、着色、纹理、渲染等处理三维地质体更加逼真。
3地形地貌及地物的模拟
地形地貌和地物的建立需要相应的三维数据。如果有研究区域的纸质地形图，可以用扫描数字化的方法得到平面数据，按照图上的标注得到高程数据；如果已有该区域的电子地图，则可直接使用或通过数据格式转换得到需要的数据；如果没有上述数据源，则需要由野外测量获得。
地形生成与地质曲面生成过程类似，先用ArcInfo将地形图上的等高线和高程点进行数字化，把图上标注的高程值输入到属性表中，生成不规则三角网(TIN)，然后转成USGSDEM格式将其导入Creator生成三维地形。
对于建筑物、道路、围墙、河流、湖泊等的建立，先用Auto—CAD进行数字化，得到其平面位置。将得到的*．def文件导入Creator，并与地形匹配。如果建筑物比较规则，则直接将其底面按照高度拉伸为立体，如果建筑物造型比较复杂，则需要分成规则的几部分进行构建。
4矿山井下巷道建模
目前，矿山信息主要是通过CAD格式的双线采掘工程平面图来表达。首先根据采掘工程平面图上的高程信息，利用CAD中的三维多线段重新描绘巷道，同时将高程信息赋予每个节点，实现巷道的单线显示，井筒和巷道设计要布置合理，尽量避免穿过断层、褶曲、含水层等不良地质构造，尽量减少矿井建设和生产地面的影响。
使用MultiGenCreator进行设计，用圆柱体表示井简，用半圆型截面的柱体表示岩巷，然后进行模拟生产，以发现生产中可能遇到的问题，对设计方案进行比较和选择。设计方案完成后可模拟不同设备、不同开采方式的生产系统进行生产，从而达到优化矿井设计和生产系统的目的。综合考虑地质和技术条件、经济、环境等各种因素，选择合理的方案。
5虚拟巷道系统的建立
虚拟巷道系统是对矿井真实巷道多分辨率的三维虚拟表示，建立的主要任务之一是实现基于web环境下的可交互的、真实巷道的三维可视化表达，用户可以从各个角度对巷道虚拟环境进行任意的浏览和观察，并可通过网络进行各种交互。
5．1矿井巷道的建模
矿井中各种实体大多是三维实体，其表面为不规则曲面，且内部矿体品位分布不均匀。对于矿体的外形，可用一个不规则的封闭曲面来确定。为确定矿体的范围，要经地表勘查、地下勘探及推估等手段来完成。在浏览器上三维实体模型，可通过将现有的三维矿体模型中存储的信息按照一定的规范转换为系统可接受的格式得到。要在MuhiGenCreator中构建三维矿井巷道模型，首先应进行简单的坐标转换，这是因为MuhiGenCreator中采用的坐标系和地学中实际采用的坐标系的含义有所不同。MultiGenCreator中采用的坐标系为符合右手规则的空间坐标系，是以MuhiGenCreator浏览器中用户区的中作为其坐标系的圆心，基底坐标为XOZ面，y表示高程。其坐标长度以米为单位，标准角度以弧度为单位。因此，为使它与人们通常采用的地学坐标系保持一致，应将原来矿井三维实体的(，Y，：)坐标转换为MuhiGenCreator坐标系中的(，Y，Z)。转换后的三维实体坐标应满足虚拟场景中所采用的局部坐标系显示的需要。由于矿井实体坐标的数值一般相当大，而实际显示坐标值的前几位高位数据对图形形状不产生任何影响，因此可将地理坐标数据各分量同时做一预选。
5．2虚拟巷道场景的绘制
对于规则格网构成的矿山地表模型及矿井实体的顶底板数字表面模型，可用ElevationGrid节点构建。该节点能很容易有效地设计创建一个位于局部坐标系X()Z平面上高低起伏的地域造型。该造型用高度值组成的标量阵列描述，阵列指定了表面每个格网点上的高度。和z方向的栅格点数量可以分别用xDimension和zDimension域建立。xSpacing和zSpacing域值指定了栅格行和列之间的空间。Height域的值指定了每一个栅格点的海拔高度，基底上的每一个栅格点都与height矩阵中的一个海拔值相对应；colorPerVertex域指定为TRUE或FAISE，表示color域中指定的颜色是用到ElevationGrid节点的每个顶点上(TRUE)，还是应用到每个四边形上(FAISE)；此外，通过建立solid域值，所有的海拔栅格都可以当作实体。
对于由不同的三角面构成的复杂地表模型，则需要用MUITIGENCREATO提供的万能几何节点IndexedFaceSet来创建，它有coord与coordlndex两个域，与IndexedFaceSet节点中的两个域类似，前者提供了一个节点，列出了构造面几种所有面的坐标。Coordlndex域的值提供了一张描述一张或多张面周界的列表。其中每一个值都是整型索引，并且每个索引都指定了在coord域内的坐标列表中的一个坐标。在实际的创建过程中，要求建立三角网的各个三角面按照法线方向向外的法则。
6结语
应用虚拟现实技术，生成一个逼真的矿山虚拟环境(VirtualEnvironment)。这样在矿山设计或研究阶段，科研人员可以置身于矿山虚拟环境下直观审视矿山，按照设计给定的工艺方法和参数，选择设备及确定生产模式。从基建到闭坑的全过程实时监控，发现问题进行实时修正。设计结束后，设计单位、矿山企业可向审查者、公众展示一个三维和动态的矿山。总之，虚拟现实技术在矿山设计、技术改造、生产中可广泛应用。
参考文献：
[1]古德生．金属矿山深部开采中的科学问题[A]．香山科学会议第175次学术讨论会[c]．北京：2001．
[2]乔林，费广正等．OpenGI程序设计[M]．北京：科学出版社，2002：130～134．
[3]齐安文等．三维地学模拟述评及其矿山应用关键问题．《中国矿业》．2001(5)：10．
[4张瑞新、任延祥．虚拟现实技术及采矿工程中的应用．《中国矿业大学学报》，1998(3)：27
关键词:概念设计虚拟现实技术产品市场
一、产品概念设计与市场
概念设计是工业设计领域中的一个重要方面。国外大公司的产品设计部门包括:1)(Conceptdesign)概念设计;2)(Detaildesign)详细设计;3)(Manufacturingdesign)制造设计。由此可见，产品的概念设计的主导地位和重要性。
1概念设计的内涵
概念的设想是创造性思维的一种体现，概念产品是一种理想化的物质形式。下面以概念设计教学实例之一来说明其涵义:给出一个概念“断药”，让学生进行座椅的开发设计。步骤是，首先向学生讲述心理学中的一个名词———暗示心理，并分别举出一个“安乐死”实验和一个“挽救少女生命”的文学名著故事，从正反两个方面说明暗示对人的健康的影响;然后运用一个“民间故事”阐述如何将“断药”的概念物化到具体的产品上。因为，在民间曾有这样一个说法，就是将一把断了的钥匙用红线穿上挂在小孩的脖子上，取“断钥”的谐音“断药”暗示常生病的孩子挂上“断钥”这挂项链之后，就断了药，从此不再吃药，这也意味着孩子走向健康。所以，将一把断了的钥匙(断药)的概念物化到具体的产品上来为健康做设计时，用折断了的钥匙做椅架为主题，由学生创意出现了形形的座椅开发设计方案(其草图、效果图、视图等技术说明从略)，于是就有了一种新型的专用座椅的概念设计。其应用场合为疗养院、医院、不能自理的老人家庭等。
这是传统的产品概念设计。当然，产品的类型不止是这种无障碍设计思想指导下的专用座椅。产品即人之观念的物化，设计是一种思维行为。在这种思维创造活动中，产品概念的构思是丰富的，人的创作智慧是无穷的。概念产品的类型更是多种多样。
2概念设计与产品市场
完成概念设计只是第一步，能不能进行第二步Detaildesign，第三步Manufacturingdesign，甚至投放市场为开发商或企业带来效益等，这是个风险问题。设计师的概念设计毕竟与难以预料市场变化有着许多差距。如何缩短这一差距，是以往概念设计者的难题。在开发设计的许许多多产品中，只要一百件产品中有几件能够投放市场见效益就是成功。在追求“百分之几”的见效益成功的过程中，如何减少做“分母”的被动，扩大见效益的百分比，仍是最关键的，是公司管理决策人士和设计师共同努力的方向。
3虚拟现实技术促使概念设计的市场化
为了更好地接近产品的市场需求，目前国际上流行的一种“故事版情景预言法”的概念设计，就是将所要开发的产品置于一定的人、时、地、事和物中进行观察、预测、想象和情景分析，其形式是以故事版的平面设计表达展示给人们。于是，产品在设计的开始便多了一份生命和灵气。然而，设计表达在信息时代已是多元化的展示形式，计算机辅助工业设计的发展，尤其是虚拟现实技术在产品概念设计中的应用，已使设计师的设计思路和设计表达如虎添翼;可以想象面对一种虚拟的“故事版情景预言法”设计出的产品，让人更多了一种直观的、亲切的及交互的感受，这样开发设计的产品与传统相比，就大大减少了投放市场的风险性，也为企业决策人寻找商机、判断概念产品能否进一步开发生产，提供更好的依据。虚拟现实技术能模拟整个产品开发过程，保证产品开发一次性成功，加快开发进程，甚至使设计者和用户融为一体，设计出满足市场需要的产品。
二、虚拟现实技术与虚拟产品
1虚拟现实系统(VirtualReality，VR)
虚拟现实系统又称为虚拟现实环境，是指计算机生成的一个实时三维环境。使用者可以在这环境中“自由地”运动，观察周围的景物，还可通过各种专用的传感交互设备与虚拟物体进行交互操作。用户看到的是全彩色景象，听到的是虚拟环境中的音响，感觉(手、脚或皮肤等)到的是虚拟环境所反馈的作用力，从而让使用者产生一种身临其境的感觉。产生虚拟现实环境的方法有:
1)基于模型的方法(ModelbasedMethod，MM)这种方法产生虚拟环境的步骤为:
①用放置在不同地点的多个摄像机将某环境或事物记录下来;
②利用计算机的视频技术抽取出环境或事物的三维模型;
③从虚拟摄像头的视角展示获得模型。具体的做法是:获得数据标度摄像头分离对象建立模型嵌入颜色交互回放。
2)基于图像的方法(ImagebasedMethod，IM)一般做法是:
用摄像头连续扫描周围空间来获取某一区域完整的景物图像，将获取的景物图像，通过图像处理技术，按坐标映射到图形工作站的虚拟全景屏上，用户载上头盔显示器就可以看到所摄周围景物环境。
2虚拟现实系统的常用设备及要求
虚拟现实系统常用设备有:三维鼠标(也称鸟标)、数据手套、数据衣、头盔显示器、立体声耳机等。对虚拟现实系统的要求除了应具有高性能的计算机系统(包括软、硬件)外，还必须有下列关键技术提供强有力的支持:(1)能以实时的速度生成具有三维全色彩的、有明暗、有阴影、有纹理的、逼真感强的景物图像;(2)头盔显示器能产生高分辨率图像和较大的视角;(3)能高精度地实时跟踪用户的头和手;(4)能对用户的动作产生力学反馈。
3虚拟产品(VirtualProduct，VP)
虚拟产品是虚拟现实技术应用于产品设计的产物，是一个数字化的产品。它具有真实产品所必须具有的特征。通过对产品实时的仿真，设计人员或用户就能够像使用真实产品一样使用虚拟产品。由于产品的设计过程是数字化的，因此节省了传统方法中需要制造的物理模型(包括概念模型、模拟实验模型、外观模型和生产模型等)的时间和物质。在计算机中由于对设计的产品进行反复设计、分析、干涉检查、模具设计等过程，使设计绘图的工作量比传统的绘图工作量大大减少。
三、虚拟现实技术在概念设计中应用前景
在概念设计中，如采用头脑风暴法进行方案创意时，可以将体验设计思想更好地融于其中，也就是更多地关注产品使用者的感受，而非产品本身。比如，针对不同用户及爱好者的要求，在不同的虚拟环境中，让他们亲自体验修改模型的感受;利用触摸屏来选择产品的造型、色彩、装饰风格等许多可选部件。在渲染和生成十分逼真的三维模型时，充分感受了自己所喜爱的产品在虚拟环境中的“真实”情况。甚至还可根据用户的建议，邀请部分用户直接与设计者一起对模型提出修改意见，观察设计和修改过程，直至大多数人满意为止。
为了适应激烈的市场竞争，设计厂家不能坐等用户找上门订购产品，而应该主动把自己厂家的产品推向市场。利用虚拟现实技术做出虚拟产品的动画广告，再与计算机网络技术结合起来，使用户能够通过网络来游览设计厂家的设计产品，并能直接在虚拟环境中对产品的功能、结构、外形、色彩等方面进行实时交互、了解、观察;同时，还可以通过Email对产品提出意见和建议，让厂家参照各方面的意见修改和完善所设计的产品。这样可提高设计厂家的竞争力，为设计厂家谋得更多的市场份额。
若用户对厂家设计的产品引起购买的欲望，通过网上游览，将信息反馈到各商家，商家则会主动争先与厂家联系，网上定货，使厂家的产品提前占领市场。由于激烈的全球市场竞争，各国都投入了大量的资金对虚拟现实技术及其在工业设计领域中的应用进行深入地研究。将研究的成果及时转化为生产力，这是产品迅速占领市场的关键。
参考文献
1陈军等虚拟现实中虚拟景象产生的技术初探计算机应用研究，1999，6
2熊曼辰等数字化与概念化工业设计ICME2000论文集
关键词：虚拟现实；沉浸；交互；想象；
VirtualReality；Immersion；Interaction；Imagination
1、虚拟现实技术的概念
虚拟现实技术（VirtualRealityTechnology）是一项综合集成技术，它的出现是计算机图形学、人机交互技术、传感器技术、人机接口技术以及人工智能技术等交叉与综合的结果。它利用计算机生成逼真的三维视觉、听觉、嗅觉等各种感觉，使用户通过适当装置，自然地对虚拟现实世界进行体验和交互作用。简单地说，虚拟现实技术就是用计算机创造现实世界。
2、虚拟现实技术特征
1993年BurdeaG在Electro93国际会议上发表的“VirtualRealitySystemandApplication”一文中，提出了虚拟现实技术三个特征，即：沉浸感、交互性、想象性。
沉浸感是指用户可以沉浸于计算机生成的虚拟环境中和使用户投入到计算机生成的虚拟场景中的能力，用户在虚拟场景中有“身历其境”之感。它所看到的、听到的、嗅到的、触摸到的，完全与真实环境中感受的一样。它是虚拟现实系统的核心。
交互性是指用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力。它是人机和谐的关键性因素。用户进入虚拟环境后，通过多种传感器与多维化信息的环境发生交互作用，用户可以进行必要的操作，虚拟环境中做出的相应响应，亦与真实的一样，如拿起虚拟环境中的一个篮球，你可以感受到球的重量，扔在地上还可以弹跳。交互性包含对象的可操作程度及用户从环境中得到反馈的自然程度、虚拟场景中对象依据物理学定律运动的程度等，例如，当物体受到力的作用时，物体会沿着力的方向移动、翻到或者从桌面落到地面等。
想象性是指通过用户沉浸在“真实的”虚拟环境中，与虚拟环境进行了各种交互作用，从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识，从而可以深化概念，萌发新意，产生认识上的飞跃。因此，虚拟现实不仅仅是一个用户与终端的接口，而且可以使用户沉浸于此环境中获取新的知识，提高感性和理性认识，从而产生新的构思。这种构思结果输入到系统中去，系统会将处理后的状态实时显示或由传感装置反馈给用户。如此反复，这是一个学习——创造——再学习——再创造的过程，因而可以说，虚拟现实是启发人的创造性思维的活动。
3、虚拟现实技术的分类
虚拟现实是从英文VirtualReality一词翻译过来的，Virtual就是虚假的意思，Reality就是真实的意思，合并起来就是虚拟现实，也就是说本来没有的事物和环境，通过各种技术虚拟出来，让你感觉到就如真实的一样。
实际应用的虚拟现实系统可分为四类：
一、桌面虚拟现实系统，也称窗口中的虚拟现实。它可以通过桌上型机实现，所以成本较低，功能也最简单，主要用于CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、建筑设计、桌面游戏等领域。
二、沉浸虚拟现实系统，如各种用途的体验器，使人有身临其境的感觉，各种培训、演示以及高级游戏等用途均可用这种系统。
三、分布式虚拟现实系统，它在因特网环境下，充分利用分布于各地的资源，协同开发各种虚拟现实的利用。它通常是浸沉虚拟现实系统的发展，也就是把分布于不同地方的沉浸虚拟现实系统，通过因特网连接起来，共同实现某种用途。美国大型军用交互仿真系统NPSNet以及因特网上多人游戏MUD便是这类系统。
四、增强现实又称混合现实系统。它是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统，既可减少构成复杂真实环境的开销（因为部分真实环境由虚拟环境取代），又可对实际物体进行操作（因为部分系统即系真实环境），真正达到了亦真亦幻的境界，是今后发展的方向。
4、虚拟现实技术发展的瓶颈
虚拟现实技术的发展过程中遇到的问题很多，可以归结为3大难题：
4．1虚拟现实设备的“贵族化”。要构建一个高质量的虚拟现实系统，首先需要昂贵的外部设备，无论是高分辩率的头盔显示器HMD，还是立体投影显示器，无论是空间定位器，还是高精度的数据手套，都是价格不菲。其次，为完成复杂场景的实时渲染，还需要高性能的图形工作站以及相应的软件。在一些专用领域，但普通的信息系统用户可能会望而却步。
4．2繁琐的三维建模。基于图形的虚拟环境首先要解决的问题便是三维造型。当图形渲染技术在向实现真实感大踏步前进的时候，生成精确三维模型的过程还像二十几年前一样困难。在三维激光扫描技术上的进步提供了简化模型构造过程的一些承诺。然而，这些自动化模型获取方法也验证了真实世界的几何是极端复杂的。大部分的模型仍需要人工绘制，而且需要聘请高水平的专业人士，所以其费用是相当惊人的。比如在电影《坦克尼克号》中，为实现场景三维建模及各种特技处理所花的人工费用高达2500万美元，这笔钱足以制造一艘同样规模的真船。繁琐的三维建模也是制约虚拟现实技术发展的严重障碍。
4．3数据量大。虚拟现实技术要想得到很大的发展，需要与Internet结合，这恐怕已是不争的事实。目前虚拟现实技术应用的数据量仍然很大，在现有网络整体速度较慢的情况下，Internet用户必须等待较长时间，这往往令人难以忍受。我们应该在虚拟现实系统中考虑数据压缩问题，这个问题可能现在还未引起人们的重视，但是随着应用的深入，这是一个不可回避的问题。
5、虚拟现实技术的应用前景和优势
虚拟现实技术的应用极为广泛，Helsel与Doherty在1993年对全世界范围内已经进行的805项虚拟现实研究项目作了统计，结果表明：目前在娱乐、教育及艺术方面的应用占据主流，其次是军事与航空，医学，商业，另外在可视化计算、制造业等方面也有相当的比重。下面简要介绍其部分应用。
（1）医学虚拟现实技术应用大致上有两类。一是虚拟人体，也就是数字化人体，这样的人体模型医生更容易了解人体的构造和功能。另一是虚拟手术系统，可用于指导手术的进行。
Pieper及Satara等研究者在90年代初基于两个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（如手术刀、注射器、手术钳等），虚拟的人体模型与器官等。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。但该系统有待进一步改进，如需提高环境的真实感，增加网络功能，使其能同时培训多个使用者，或可在外地专家的指导下工作等。
（2）娱乐、艺术与教育丰富的感觉能力与3D显示环境使得虚拟现实技术成为理想的视频游戏工具。由于在娱乐方面对虚拟现实的真实感要求不是太高，故近些年来虚拟现实技术在该方面发展最为迅猛。如Chicago（芝加哥）开放了世界上第一台大型可供多人使用的虚拟现实娱乐系统，其主题是关于3025年的一场未来战争；英国开发的称为“Virtuality”的虚拟现实游戏系统，配有HMD，大大增强了真实感；1992年的一台称为“LegealQust”的系统由于增加了人工智能功能，使计算机具备了自学习功能，大大增强了趣味性及难度，使该系统获该年度虚拟现实产品奖；
（3）军事与航天工业模拟与练一直是军事与航天工业中的一个重要课题，这为虚拟现实技术提供了广阔的应用前景。美国国防部高级研究计划局DARPA自80年代起一直致力于研究称为SIMNET的虚拟战场系统，以提供坦克协同训1练，该系统可联结200多台模拟器。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。1991年海湾战争开始前，美军便把海湾地区各种自然环境和伊拉克军队的各种数据输入计算机内，进行各种作战方案模拟后才定下初步作战方案。后来实际作战的发展和模拟实验结果相当一致。
（5）商业虚拟现实技术常被用于推销。例如建筑工程投标时，把设计的方案用虚拟现实技术表现出来，便可把业主带入未来的建筑物里参观，如门的高度、窗户朝向、采光多少、屋内装饰等，都可以感同身受。它同样可用于旅游景点以及功能众多、用途多样的商品推销。因为用虚拟现实技术展现这类商品的魅力，比单用文字或图片宣传更加有吸引力。
（6）科技开发虚拟现实技术可缩短开发周期，减少费用。例如克莱斯勒公司1998年初便利用虚拟现实技术，在设计某两种新型车上取得突破，首次使设计的新车直接从计算机屏幕投入生产线，也就是说完全省略了中间的试生产。由于利用了卓越的虚拟现实技术，使克莱斯勒避免了1500项设计差错，节约了8个月的开发时间和8000万美元费用。利用虚拟现实技术还可以进行汽车冲撞试验，不必使用真的汽车便可显示出不同条件下的冲撞后果。
在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。用它来设计新材料，可以预先了解改变成分对材料性能的影响。在材料还没有制造出来之前便知道用这种材料制造出来的零件在不同受力情况下是如何损坏的。
以上仅列出虚拟现实技术的部分应用前景，可以预见，在不久的将来，虚拟现实技术将会影响甚至改变我们的观念与习惯，并将深入到人们的日常工作与生活。
6、总结
虚拟现实技术是本世纪发展的重要技术之一，作为一门科学和艺术将会不断走向成熟，在各行各业中将得到广泛应用，并发挥神奇的作用，二十一世纪将是虚拟现实技术的时代。
当然，虚拟现实技术还是一门年轻的科学技术，尚存在不少有待解决的问题。例如，在计算机生成的虚拟环境中，操作者每次转动头部，计算机必须更新三维图像，由于更新的数据太大，以致计算机还无法完成实时运算。这就造成了系统滞后。再如，美空军的虚拟现实模拟器产生的视觉运动信号与人的感觉之间也存在差异，容易引起头痛、眩晕等。
但不管怎样，虚拟现实技术毕竟开辟了富有发展潜力的新领域，它会随着时间的推移日臻完善，发挥的作用也将会越来越大。
7、参考文献
【1】李云华虚拟现实技术综述重型机械科技2004（4）
【2】张志鹏劳奇成虚拟现实技术的概况及应用精密制造与自动化2005（3）
【3】谢晶妮张茂军虚拟现实发展趋势展望计算机工程2002（7）
【4】郑彦平贺钧虚拟现实技术的应用现状及发展信息技术2005（12）
关键词：虚拟现实技术；虚拟实验；VRML；计算机专业
前言
随着我国教育的不断改革和科学技术的飞速发展，络教育的出现改变了传统的教学方式。尤其是计算机更新速度非常快的特点使得传统的教学方式难以满足学习的需要。虚拟现实技术作为一门新的技术，它在教育领域的发展将为教育提供新的活力。本文主要从虚拟现实技术特征和VRML语言的角度探讨其在计算机专业教育中的应用。
一、虚拟现实技术
多媒体技术与网络技术的发展为现代教育手段的现代化带来了新的机遇和挑战。随着计算机技术的快速发展，现代教育技术的应用已不再是停留在音像技术课堂中应用的常规模式层次上．而是朝着多媒体化、网络化、信息化、教育技术应用模式多样化和远程教育普及化的趋势发展，特别是基于计算机仿真技术的虚拟教学形式，是一种最新出现的教学模式，具有广阔的发展前景，代表了教育的未来和发展的方向。
1．1虚拟现实技术概念
虚拟现实(VirtualReality，简称VR)，又称为灵境技术，毕业论文它汇集了数字图象处理、计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术，以及人体行为学等多项天技术．是计算机技术的综合应用。具体地说，就是采川以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用，相互影响，从而产生如同真实环境的感受和体验。尽管该环境并不真实存在，但它作为一个逼真的三维环境．仿佛就在我们周围。由于用户对计算机环境中的虚拟物体产生了类似于对现实物体的存存意识或幻觉，从而使得用户在计算机所创建的维虚拟环境中处于一种全身心投入的状态。
1．2虚拟现实系统的构成
一个虚拟现实系统由以下几部分组成：
(1)虚拟环境。它由虚拟环境发生器所产生，且可让使用者通过传感器件和作用器件与之交互，这种交互的结果是使用者有全身心进入这一环境的感觉。
(2)传感器件。它将虚拟环境中的物体的形、动作、声音等进行转换，使人能获得视觉、听觉、触觉等多方面的感觉。这些感觉与他以往在实际环境中的感觉一致。
(3)作用器件。它将人的一些约定动作(如行走、手势等)变成作用的信息，让虚拟环境有所察觉。
(4)人。虚拟现实实质上是一内含反馈的闭环系统，只有人的存在才能使这一反馈环路有效成立。硕士论文所以人是VR系统中不可缺少的成分。人通过传感器件感受虚拟环境的存在．又通过作用器件去影响虚拟环境，使其作出相应的变化。
(5)虚拟环境发生器。它能产生使用者所需要的虚拟环境，且能通过作用器件传来的作用信息。了解使用者的位置和动作。并对已产生的虚拟环境作出相应的修改。
1．3虚拟现实技术基本特征
(1)沉浸性。虚拟现实技术是根据人类的视觉、听觉的生理心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像。使用者戴上头盔显示器和数据手套等交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。使用者与虚拟环境中的各种对象的相互作用，就如同在现实世界中的一样。当使用者移动头部时。虚拟环境中的图像也实时地跟随变化，拿起物体可使物体随着手的移动而运动，而且还可以听到三维仿真声音。使用者在虚拟环境中，一切感觉都是那么逼真，有一种身临其境的感觉。
(2)交互性。虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互．使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。计算机能根据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动，来调整系统呈现的图像及声音。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能．就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。
(3)多感知性。由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而达到身临其境的感受。
1．4虚拟现实系统的类型
虚拟现实技术按其功能，可分为以下几种类型：
(1)沉浸式虚拟现实系统
沉浸式虚拟现实系统是利用头盔显示器、数据手套、三维鼠标等传感跟踪装置与虚拟世界进行交互。由于这种系统把人的视觉、听觉和其它感觉封闭在虚拟的感觉空间，能使人全身心投入并沉浸其中。不足之处在于专用设备复杂而且昂贵，难以在教育行业普及推广。
(2)桌面式虚拟现实系统
桌面式虚拟现实系统是运用软件编程的方法在显示器上显示三维场景．用户通过键盘、鼠标等简单的设备与虚拟场景进行交互。这种系统由于用户坐在显示器前，通过屏幕观察虚拟世界并与之交互，往往会受到周围环境的影响，难以做到完全投入．但是结构简单、成本较低，易于普及推广。
(3)分布式虚拟现实系统
分布式虚拟系统是多个用户通过网络共享一个虚拟空间，共同参与虚拟活动。
(4)增强现实性虚拟现实系统
增强现实性的虚拟现实系统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的感受。
1．5虚拟现实造型语言VRML
VRML(VirtualRealityModelingLanguage1即虚拟现实建模语言，是一项和多媒体通讯、因特网、虚拟现实等领域相关的，在Intemet上营造虚拟环境的技术。它用来在网络上创建可导航的、超链接的三维虚拟场景。
VRML的基本工作原理可概括为：文本描述、远程传输和本地计算生成。所谓文本描述，是指VRML并不是用三维坐标点的数据来描述三维物体的，因为这样会有很大的数据量．在Intemet上传输会遇到很多困难．VRML是用类似HTML的标记文本语言来描述三维场景．就像我们的编程语言。比如，一个立方体的描述文本是：Box(size3.03.03.0)。VRML就是一种描述语言标准，规定了用来描述三维场景的文本描述语言。远程传输是指用户浏览VRML描述的虚拟场景时，需要通过Intemet将描述场景的文本传送到本地。一般来说，文本描述是嵌在WEB页面中，在浏览器请求相应页面时与页面描述文本一起传送本地。本地计算生成是指描述虚拟场景的数据传送到本地后，浏览器对它进行解释计算，动态地生成虚拟场景。比如，描述球形的文本，浏览器会在屏幕上绘制一个立体的球形。概括地说，就是用文本信息描述三维场景．在Intemet网上传输，在本地机上由VRML的浏览器解释生成三维场景．解释生成的标准规范即是VRML规范。
VRML文件主要包括四个主要成分：VRML文件头、原型、造型节点、脚本和路由。在这四个要素中．医学论文只有文件头部分是必须的，它用来告诉浏览器该文件符合的规范标准以及使用的字符集等信息。原型定义了创建带有指定名称、接口和整体的新节点类型。一旦成功地定义了原型，它就可以在VRML文件的其他地方随意使用。造型节点是VRML中的基本建造模块．它构成了VRML文件的主体部分，正是由于造型节点定义而产生了虚拟的VRML空间。脚本可以看作是一个节点的外壳，它有域、eventIn事件和eventOut事件。其本身没有任何动作．然而你可以通过程序脚本来赋予你脚本节点的动作。程序脚本实际上是一种简化了的应用程序，一个典型的脚本是由Java或javascript编程语言写成的程序。路由是一种文本描述的消息．一旦在两个节点之间创建了一个路由．第一个节点可以顺着路由传递消息给第二个节点，这样的消息被称为事件。VRML还可以包含下列条目：注释、节点和域值、定义的节点名、使用的节点名等。
设计VRML虚拟场景时。最简单的方法是直接使用文本编辑器来编辑描述文本，它类似于程序设计，这种方法简单方便．但不是很直观．对设计者的空间想象能力要求也较高，设计的效率不高。现在有很多的可视化的VRML设计工具，如CosmoWorld和WebWorld等．这些工具将VRML的标准节点都做成可视的组件，用户设计时，只需要将这些组件组全自己需要的虚拟场景就可以了．而且设计的效果在设计时就可以看到。设计完毕后，系统自动将这些可视的虚拟场景生成标准的VRML描述文本，这样，这些文本传送到用户的浏览器后．便会在用户的屏幕上重现这个虚拟场景。
VRML使得Intemet的平面世界出现了三维场景。它的问世在世界上引起了极大的反响．得到众多的软硬件厂商的支持，成为了Intemet上最有发展前景的新兴技术。VRML在各方面都展现出了强大的应用可能性。蕴藏了无限生机。在教育领域的WEB站点中，它可广泛用于学习情景创设上，以增加学习内容的形象性和趣味性。例如：创建网上三维图书馆，它的好处就在于书籍归类整理更接近真实并将高于真实，汇编或查阅时书籍只需要鼠标轻轻地点击对应的虚拟图书。另外，使用VRML做模拟训练是一种可行性极高的措施，它不仅可以减少某些情况下现实空间中操作的难度和危险。
更为重要的是它可以使训练造价得到大幅度降低，这样就使得在教育方面的应用成为可能。由于这种模拟系统具有高度的真实性，所以并不会因为没有真实系统介入而造成较差的训练效果。现在虚拟校园、虚拟考场也已经陆续地出现在网络中，这些新兴的教育形式必将因其优越的一面而在未来教育领域中占有一席之地。
二、虚拟现实技术在计算机专业教育中的应用
2．1虚拟现实技术在辅助课堂教学中的应用
众所周知，计算机课程实践性很强，在书本上体现难免会给人们的理解带来困难。利用虚拟现实技术制作的课件能够很好地解决这一问题。例如，在计算机基础课程中介绍计算机中各个组件的结构和讲解计算机组装的过程时，书本的文字难以让学习者了解组件结构和组装的过程。利用虚拟现实技术可以将文字、声音、图片、动画等几种媒体表现形式有机地结合，设计出生动活泼的界面。制作出一些三维的、交式的、具有沉浸感的内容，满足学习者从各个角度观察和学习，仿佛身临其境，更好地理解学习的内容。
制作VRML课件的基本思路是：
(1)制作一系列空间形体的三维造型和动画．并且为这些造型指定所需要的颜色、大小等。
(2)引入VRML的相关节点，建立虚拟运动空间。实现课件多媒体功能。
(3)优化VRML场景，即在构建场景的过程中，利用VRML提供的高级造型技术适当优化程序。
(4)VRML文件的输出，将已创建的空间场景输出为．wrl形式的文件。
例如，设计VRML课件来实现网上虚拟计算机组件结构和组装的辅助教学。
首先，在介绍计算机组件选择知识同时。可以在网上从各个角度来观察VRML制作的计算机组件的造型．增强感性认识，并使学习者对怎样组装计算机有个初步的了解。利用VRML的造型设计和VRMLScript的动画链接．虚拟出组装计算机过程中所需的主要硬件，再通过把VRML文件嵌入到网页的方法，使学习者既能在网页中看到二维不同型号硬件的图片和一些描述硬件的文字．又能看到三维的虚拟制作出来的硬件模型。这样使学习者能真切地、直观地感受到二维和三维的不同．感受到虚拟世界的美妙。然后，通过文字和图片向学习者介绍如何将各计算机组件组装到一起。接着，通过VRML的动画节点控制和VRMLScript的结合。制作出安装、注释和视点切换的效果，然后按照六个安装步骤：第一，机箱、主板的安装；第二，风扇、内存的安装；第三，光驱、软驱、硬盘的安装；第四，声卡、显卡的安装；第五，电源的安装；
第六。显示器、键盘、鼠标的安装，组合完成整个在虚拟三维世界中组装计算机的过程。
在学习的过程中，只要点击相应的按钮，就可以按相应的步骤进行安装。拖动鼠标或按钮可以随意地移动计算机组件到指定的位置进行安装。在安装完光驱和软驱后，点击光驱的开、关键，光盘托会自动拖出和送入，点击软驱的按钮，软盘会自动取出．使学习者能动态地观看到效果。有一种身临其境的感觉来完成学习的过程。
通过VRMLScript语言的链接。制作出生动有趣的动画效果和逼真的声音效果。例如．当你点击软驱上的按钮，会发出声音并弹出一张软盘；当你点击光驱按钮时，盘盒会自动地弹缩并发出逼真的声音。为了方便学习。还可以实现注释信息，当学习者的鼠标碰到硬件设备时。在对象的旁边会出现一个注释信息，说明该对象名称。
又如，在《数据结构》课程中，对于常用的数据结构的算法思想．由于其抽象程度高。使得学生很难理解。我们也可以通过虚拟技术将其制作成课件进行教学。将抽象的算法过程以浅显易懂、形象直观的形式展现出来。例如，递归算法是学生比较难理解的，因为其算法是靠隐形调用堆栈来实现，而通过虚拟技术可以将堆栈内部情况的变化动态、直观、形象地表现出来，这样学生就很容易理解。同样在讲解树和图的遍历时，可以从可视化的角度观察遍历的顺序。二叉树与树的概念的区别、Hanoi塔等问题都可以直观地表现。方便教师的教学和学生的理解。
总之，通过制作课件来辅助课堂的教学，能为学习者提供生动、逼真的感性学习材料，使抽象的学习直观化、形象化，帮助学习者解决学习中的重点和难点，提高学习者的积极性。
2．2虚拟现实技术在计算机实验中的应用
由虚拟现实技术生成的适用于进行虚拟实验的实验系统，包括相应的实验室环境、有关的实验仪器设备、实验对象。以及实验信息资源等。虚拟实验室可以是某一现实实验室的真实再现。也可以是虚拟构想的实验室。例如，在城域网和广域网的网络建设过程中，不必真正把网络构建起来就可以亲身体验，犹如进行现场的操作。在数字电路的课程实验中，可以通过虚拟的电路器件来达到电路设计的目的，而没有购买器件问题所带来的麻烦。在电子商务课程实验中，可以虚拟商务环境，让学生进入这个虚拟环境。身临其境地体验现场交易的气氛和参与交易的过程。计算机操作系统的安装是比较基础但又是难做好的一个实验。由于在计算机上安装新的操作系统不可避免地会对原有的操作系统产生影响。
使用虚拟计算机来进行操作系统的安装试验就十分的方便了。工作总结使用虚拟机的软件VMware可以创建与真实计算机一模一样的虚拟机。创建的虚拟机有自己的CPU、内存、硬盘、光驱，在这个虚拟机上，可以安装Windows、Linux等真实的操作系统以及各种应用程序。通过在虚拟的操作系统环境中进行操作，熟悉操作和新技术，达到事半功倍的效果。VMware只是一个软件。可以帮助你在一个操作系统的环境下安装另一个操作系统，而不会对当前的操作系统产生影响。
虚拟现实技术还可以对学生学习过程中所提出的各种假设模型进行虚拟．通过虚拟系统便可以直接地观察到这一假设所产生的结果或效果。利用虚拟技术。学生还可以进行网络设备设计、电路设计等方面的学习探索，设计出新型的网络设备和电子器件．从而激发学生的创造性思维，培养学生的创造能力。:
通过虚拟的实验室进行实验，既可以缩短实验的时间，又可以获得直观、真实的效果，还能对那些不可见的结构原理和不可重组的精密设备进行仿真实训，避免真实实验操作带来的各种危险。并且，虚拟实验具有先进性和共享性，易扩充．易于改变教学项目，减少设备投入经费，使教学内容在虚拟的环境中不断更新．使实验实践及时跟上技术的发展。但是在采用虚拟实验进行教学的过程中，并不能完全代替真实实验。虚拟实验是虚拟的实验，缺少“实物感”，正如在网上看书与拿真实的书看时，会觉得真实的书更实在。在网络实验中，用到的网络设备像路由器、交换机等种类、型号都很多，在虚拟实验中．学生很难见到这些设备，如果在真正的实践中可能会无从下手。因此，在具体实施中，应该虚实进行结合。有目的地安排一些实验在真实环境中操作，这样，他们会对实验的设备有亲身的体会，更能加深实验的印象，提高实验的效果。
三、结束语
虚拟现实技术在计算机教育领域发展的潜力是巨大的，只有亲身去经历、亲身去体验去感受，比空洞抽象的说教更具说服力，主动地去交互与被动地观看有质的不同。虚拟现实技术能形象、生动、逼真地表现教学内容，有效地营造一个发展的教学环境。提高学生掌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，从而解决传统教学方式无法解决的问题。随着计算机网络技术的飞速发展，基于WEB的虚拟现实远程教育具有广泛的应用前景，必将成为21世纪教育的主流。
参考文献：
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[5]何来坤，徐渊．虚拟现实建模语言VRML及其应用[J]．杭州师范学院学报，2005，(2)．
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[8]宣翠仙．虚拟现实技术及其在教育中的应用[J]．浙江树人学报，2004，(2)．
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[10]阳化冰，刘忠丽．虚拟现实构造语言VRML[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2O00．
[11]金杰．远程教育中虚拟实验与虚拟仪器及技术的运用与前景[J]．电脑与技术，2005．
1.1体育教学训练中的应用
虚拟现实技术在体育授课教学中的应用多限于理论方面的探讨，但在某些高等院校的训练中有了一些尝试.比如：尚晓军虚拟现实技术在高等学校“射击”训练、赵克宁虚拟技术辅助篮球教育、朱晓兰虚拟现实技术的体育场景虚拟系统、李峰虚拟现实技术的虚拟乒乓球系统等等.但教学训练研究多处于视听感知阶段的研究，学生沉浸不够，缺乏深沉次的交流与互动，模具的构建单一.
1.2制作体育教学课件的应用
虚拟现实技术根据体育教学课件自身的需求构建全面的虚拟教学环境，使学生能够在创建的环境中学习训练.但需要把体育课程上所有的知识都创编到虚拟的环境中，是需要有海量的工作要做的，所以利用虚拟现实技术制作相应的文件嵌入到体育课件中，配合使用，是目前这个阶段制作体育教学课件行之有效的措施.
1.3网络远程教育
诸多高校校园网建成，且通过“中国教育和科研计算机网”连在了一起，这是实现虚拟现实技术联网的基础.在学校体育网页的基础上拓展了虚拟现实技术的课件以及成立数据库，使其可以覆盖学校体育教学中的每个方面，包括授课体育教师的个人资料、校内体育竞赛群体活动开展简介、体育专项课开课时网上的选课、体育锻炼的知识内容和方法、校内外竞赛情况、学生对教学的反馈意见以及国内外实时体育信息等等，促进培养学生的“终身体育”意识，以及可以更好地宣传和实施“健康第一”的体育教育思想，使网页充分地发挥了信息传播和教育的作用.
2虚拟现实技术在体育教学中的展望
2.1可以避免体育教学中的伤害事故
体育是以身体练习为手段增强体质增进健康的活动过程.身体练习的过程是会痛苦的、难受的、是要体会“极点”的，甚至会出现生命危险的.如今学生体质健康逐年下降，别说高难度、高危险的体育技术技能的教学，就连简单的中长跑也慢慢将要在学校体育中消失.传统的体操课、田径课（铅球、跨栏等）很难再体育课中看见.教师、学生畏手畏脚，其严重影响了传统体育技能的传承，体育文化的继承.然而在虚拟现实的场景中，脱离了真实的危险器械、场地等因素，又能还原其真实的感受，教与学将都在一种安全模式下经行，体育教师和学生将能放心的体会高难的、高危险的技术动作.
2.2弥补教学条件的不足
虽说近年来学校引来了高速发展的时机，诸多大中型体育场（馆）落成，解决了学校体育中体育场馆缺乏的一些问题.然而诸多体育场（馆）的经营管理维修落后，不能完全对外开放，不能充分发挥它的功效.何况还有一部分体育场（馆）不足的区域，教学条件有限的学校.虚拟现实技术的虚拟场景的功能可以弥补一些场（馆）不足造成的影响.
2.3可以虚拟人物形象
榜样的力量是无穷大的.学生对某个体育项目感兴趣，很多时候是因为喜欢某个体育明星.虚拟现实能从强大的数据库中提取某个明星的数据虚拟出明星的场景，由虚拟的明星去教学，去陪练.能充分调动学生的学习积极性.
2.4彻底打破空间、时间的限制
关键词：虚拟现实技术土木工程可视化计算
一、引言
随着我国经济的稳步增长和基础建设规模的加入，建设项目的规模越来越大、结构形式日益复杂，对土木工程学科管理的科学性、精确性要求越来越高。实现土木工程的信息化、智能化、可视化和集成化成为土木建筑工程项目管理现代化的要求和本领域的研究热点。虚拟现实技术(VirtualReality,VR)是综合性与集成性极强的高新技术，在军事、医学、设计、艺术、娱乐等多个领域都得到了广泛的应用。土木工程中的虚拟现实技术涉及土木工程领域的各个学科，已显示出一定的实用性，技术潜力十分巨大，应用前景非常广阔[1]。
二、虚拟现实技术及其特点
虚拟现实技术，又称灵境技术，是20世纪末兴起的一门崭新的综合性信息技术。它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，大大推进了计算机技术的发展。VR技术是把抽象、复杂的计算机数据空间转化为直观的、用户熟悉的事物。它的技术实质在于提供一种高级的人机接口。利用VR技术所产生的局部世界是人造和虚构的，并非是真实的，但当用户进入这一局部世界时，在感觉上与现实世界却是基本相同的。因此，虚拟现实技术改变了人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，给用户提供了一个趋于人性化的虚拟信息空间。它以模拟方式为使用者创造了一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图像世界，在视、听、触、嗅等感知行为的逼真体验中，使参与者可直接参与和探索虚拟对象所处环境的作用和变化，仿佛置身于现实世界中。一个身临其境的虚拟环境系统是由包括计算机图形学、图象处理与模式识别、智能接口技术、人工智能技术、多传感器技术、语音处理与音像技术、网络技术、并行处理技术和高性能计算机系统等不同功能、不同层次的具有相当规模的子系统所构成的大型综合集成环境。所以，虚拟现实技术是综合性极强的高新信息技术。虚拟现实技术具备以下三个方面的特性。
1．沉浸性
虚拟现实技术是根据人类的视觉、听觉的生理心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像，使用者戴上头盔显示器和数据手套等交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。使用者与虚拟环境中的各种对象的相互作用，就如同在现实世界中的一样，一切感觉都是那么逼真，有一种身临其境的感觉。
2．交互性
虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。
3．多感知性
由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而达到身临其境的感受。
三、虚拟现实技术在土木工程中的应用
1．虚拟现实技术在土木工程中的应用前景
在土木工程中，长期以来人们不得不用抽象的概念表示非常丰富的内容，如用平面图、剖面图、立面图等平面图形成一些规定的符号来表示三维的立体建筑，用比较抽象的图形和精练的语言来描述复杂的场景，以传递大量的信息。但这一种信息处理与传递方式受到信息接受者所从事的职业、知识结构及理解能力的影响，交流起来非常困难。
VR技术的发展为我们克服这一困难提供了极其有效的手段。用虚拟现实既能表示真实的世界，也可以表示虚拟的世界。表示真实世界时，可以突破物理空间和时间的约束，做到能“超越现实”；在表示虚拟世界时，又能使其中的虚拟物体表示出三维逼真感，以达到身临其境的感受，最后形成一种“人能沉浸其中、超越其上、进出自如、交互作用的三维信息空间”。VR技术为用户提供了一种新型的人机接口，它利用计算机生成交互式三维环境，不仅使参与者能够感受到景物或模型的逼真存在，并且对参与者的运动和操作做出实时准确的响应。
2．虚拟现实技术在土木工程中的应用领域
由于具有上述的优势特征，虚拟现实技术在土木工程中得到了广泛的应用，并且具有广阔的应用前景。现阶段，虚拟现实技术在土木工程中的应用主要有以下几个方面[2]。
（1）在虚拟施工过程和施工结构计算中的应用[3]
在实际工程施工中，复杂结构施工方案设计和施工结构计算是一个难度较大的问题，前者难点关键就在于施工现场的结构构件及机械设备间的空间关系的表达；后者在于施工结构在施工状态和荷载下的变形大于就位以后或结构成型以后。
基于虚拟现实的复杂结构施工方案设计是指利用虚拟现实技术，在虚拟的环境中，建立周围场景、结构构件及机械设备等的三维CAD模型（虚拟模型），形成基于计算机的具有一定功能的仿真系统，让系统中的模型具有动态性能，并对系统中的模型进行虚拟装配，根据虚拟装配的结果，在人机交互的可视化环境中对施工方案进行修改。复杂结构施工涉及的因素较多，起重机的布置位置、高度，缆风绳着力点的选择，构件堆场的位置，起重机的开行路线，构件起吊路线等，都是施工方案设计必须考虑的问题。若对这些问题考虑得不够，则工程施工的进度、成本等都会受到影响，甚至导致安全事故的发生。
建筑结构施工前往往要对施工方案进行受力状态复核。如在大跨空间结构施工中，不仅要考虑施工过程的安全性、可行性，还要考虑结构本身在施工过程中安全性、可靠性。某展览中心，钢结构屋盖支承在钢桅杆上，桅杆两端为锥形，与下部混凝土结构铰结。为了减小钢桁架的变形，更为了维持结构的稳定，在钢屋盖桅杆和混凝土之间，采用了一系列的斜拉索(前索、背索、稳定索)和撑杆，形成一个稳定的结构体系。在钢结构的施工中，不同的支撑方案、不同的拼接方案，在结构的不同部位会引起不同的效应，而随着连接杆件的安装，这些施工阶段的应力将残余在结构部位上，并影响到最终的结构受力安全性；并在结构就位过程中，有可能失稳和变形。这就需要进行施工过程的精确分析。用虚拟现实技术可以对不同的方案，在短时间内做大量的分析，从而保证施工方案最优化。
（2）在工程项目招标投标中的应用
建筑业是我国的支柱产业，建筑市场的过度竞争已是长期的事实。现代建筑工程项目的运作，业主处于绝对有利的地位。在有限的时间内，如何使业主和评标的专家很好地了解招投标文件的编制和被认可的程度直接关系到承包商有没有中标的机会。因此，承包商在注重投标文件的技术可行、报价合理的同时，也非常注重投标文件的包装。尤其是大型工程、国家重点工程和国际工程的招标投标，往往在项目企划阶段就已经开始这方面的运作[4]。
借助虚拟仿真系统，把不能预演的施工过程和方法表现出来，不仅节省了时间和建设投资，而且不用项目经理的现场答辩，方案的优劣就一目了然。这无疑大大增加了承包商中标的几率。
（3）在可视化计算领域的应用
可视化计算将是今后一个重要的发展方向。在科研中，人们会遇到大量数据，为从中得出有价值的规律和结论，需要对庞大的数据量进行认真分析。对科学计算取得的数据进行可视化加工或三维图形显示，可通过交互改变参数来观察计算结果的全貌及其变化，实现参数化及可视化计算，虚拟现实技术产生了飞跃式的发展。
在运用有限元法进行结构分析时，利用虚拟现实技术则可以通过颜色的深浅给出三维物体中各点力的大小，用不同颜色表示出不同的等力面；也可以任意变换角度，从任何点去观察。还可以利用VR的交互性能，实时修改各种数据，以便对各种方案及结果进行比较。这样就使工程师的思维更加形象化，概念更易于理解。把可视化计算技术应用于超大型复杂结构的设计、工程控制和结构分析中，将增强计算软件的前后置处理能力。例如，在桥梁工程控制和结构分析的可视化计算中，倒退(拆)分析结构倒拆动态演示、结构理想施工线型显示、施工阶段主梁形心线的设计曲线和实测拟合曲线的显示、前进分桥结构拼装动态演示、施工预告图形显示、主梁内力图显示、危险截面应力分布图显示等等。更重要的是能借助图形或图像来进行实时动态地控制结构的重分析和获取施工控制数据，同时能实时动态演示和控制设计和施工的过程。
四、结语
虚拟现实技术在不断发展，专用于计算机图形和多媒体信息处理的高性能DSP芯片可使处理能力提高上百倍，三维图形算法和参数化建模算法等可使虚拟现实技术更加成熟。目前，虚拟现实技术还有很多不完善的地方，尤其在土木工程的研究方面，我们应努力建设虚拟现实技术实验室，开发有价值的虚拟现实工程系统，使其在工程设计、施工、管理和可视化计算等方面得到更广泛的应用。
参考文献
[1]张跃．土木工程中的虚拟现实技术[N]．科技日报．1997年6月23日．
[2]沈金良．虚拟现实技术在工程设计中的应用[J]．科技交流，2004，(3)．
摘要：虚拟现实技术土木工程可视化计算
一、引言
随着我国经济的稳步增长和基础建设规模的加入，建设项目的规模越来越大、结构形式日益复杂，对土木工程学科管理的科学性、精确性要求越来越高。实现土木工程的信息化、智能化、可视化和集成化成为土木建筑工程项目管理现代化的要求和本领域的探究热点。虚拟现实技术(VirtualReality,VR)是综合性和集成性极强的高新技术，在军事、医学、设计、艺术、娱乐等多个领域都得到了广泛的应用。土木工程中的虚拟现实技术涉及土木工程领域的各个学科，已显示出一定的实用性，技术潜力十分巨大，应用前景非常广阔[1。
二、虚拟现实技术及其特征
虚拟现实技术，又称灵境技术，是20世纪末兴起的一门崭新的综合性信息技术。它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，大大推进了计算机技术的发展。VR技术是把抽象、复杂的计算机数据空间转化为直观的、用户熟悉的事物。它的技术实质在于提供一种高级的人机接口。利用VR技术所产生的局部世界是人造和虚构的，并非是真实的，但当用户进入这一局部世界时，在感觉上和现实世界却是基本相同的。因此，虚拟现实技术改变了人和计算机之间枯燥、生硬和被动的目前状况，给用户提供了一个趋于人性化的虚拟信息空间。它以模拟方式为使用者创造了一个实时反映实体对象变化和相互功能的三维图像世界，在视、听、触、嗅等感知行为的逼真体验中，使参和者可直接参和和探索虚拟对象所处环境的功能和变化，仿佛置身于现实世界中。一个身临其境的虚拟环境系统是由包括计算机图形学、图象处理和模式识别、智能接口技术、人工智能技术、多传感器技术、语音处理和音像技术、网络技术、并行处理技术和高性能计算机系统等不同功能、不同层次的具有相当规模的子系统所构成的大型综合集成环境。所以，虚拟现实技术是综合性极强的高新信息技术。虚拟现实技术具备以下三个方面的特性。
1．沉浸性
虚拟现实技术是根据人类的视觉、听觉的生理心理特征，由计算机产生逼真的三维立体图像，使用者戴上头盔显示器和数据手套等交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。使用者和虚拟环境中的各种对象的相互功能，就如同在现实世界中的一样，一切感觉都是那么逼真，有一种身临其境的感觉。
2．交互性
虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且能够通过非凡头盔、数据手套等传感设备进行交互。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。
3．多感知性
由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而达到身临其境的感受。
三、虚拟现实技术在土木工程中的应用
1．虚拟现实技术在土木工程中的应用前景
在土木工程中，长期以来人们不得不用抽象的概念表示非常丰富的内容，如用平面图、剖面图、立面图等平面图形成一些规定的符号来表示三维的立体建筑，用比较抽象的图形和精练的语言来描述复杂的场景，以传递大量的信息。但这一种信息处理和传递方式受到信息接受者所从事的职业、知识结构及理解能力的影响，交流起来非常困难。
VR技术的发展为我们克服这一困难提供了极其有效的手段。用虚拟现实既能表示真实的世界，也可以表示虚拟的世界。表示真实世界时，可以突破物理空间和时间的约束，做到能“超越现实”；在表示虚拟世界时，又能使其中的虚拟物体表示出三维逼真感，以达到身临其境的感受，最后形成一种“人能沉浸其中、超越其上、进出自如、交互功能的三维信息空间”。VR技术为用户提供了一种新型的人机接口，它利用计算机生成交互式三维环境，不仅使参和者能够感受到景物或模型的逼真存在，并且对参和者的运动和操作做出实时准确的响应。
2．虚拟现实技术在土木工程中的应用领域
由于具有上述的优势特征，虚拟现实技术在土木工程中得到了广泛的应用，并且具有广阔的应用前景。现阶段，虚拟现实技术在土木工程中的应用主要有以下几个方面[2。
（1）在虚拟施工过程和施工结构计算中的应用[3
在实际工程施工中，复杂结构施工方案设计和施工结构计算是一个难度较大的新问题，前者难点关键就在于施工现场的结构构件及机械设备间的空间关系的表达；后者在于施工结构在施工状态和荷载下的变形大于就位以后或结构成型以后。
基于虚拟现实的复杂结构施工方案设计是指利用虚拟现实技术，在虚拟的环境中，建立四周场景、结构构件及机械设备等的三维CAD模型（虚拟模型），形成基于计算机的具有一定功能的仿真系统，让系统中的模型具有动态性能，并对系统中的模型进行虚拟装配，根据虚拟装配的结果，在人机交互的可视化环境中对施工方案进行修改。复杂结构施工涉及的因素较多，起重机的布置位置、高度，缆风绳着力点的选择，构件堆场的位置，起重机的开行路线，构件起吊路线等，都是施工方案设计必须考虑的新问题。若对这些新问题考虑得不够，则工程施工的进度、成本等都会受到影响，甚至导致平安事故的发生。
建筑结构施工前往往要对施工方案进行受力状态复核。如在大跨空间结构施工中，不仅要考虑施工过程的平安性、可行性，还要考虑结构本身在施工过程中平安性、可靠性。某展览中心，钢结构屋盖支承在钢桅杆上，桅杆两端为锥形，和下部混凝土结构铰结。为了减小钢桁架的变形，更为了维持结构的稳定，在钢屋盖桅杆和混凝土之间，采用了一系列的斜拉索(前索、背索、稳定索)和撑杆，形成一个稳定的结构体系。在钢结构的施工中，不同的支撑方案、不同的拼接方案，在结构的不同部位会引起不同的效应，而随着连接杆件的安装，这些施工阶段的应力将残余在结构部位上，并影响到最终的结构受力平安性；并在结构就位过程中，有可能失稳和变形。这就需要进行施工过程的精确分析。用虚拟现实技术可以对不同的方案，在短时间内做大量的分析，从而保证施工方案最优化。
（2）在工程项目招标投标中的应用
建筑业是我国的支柱产业，建筑市场的过度竞争已是长期的事实。现代建筑工程项目的运作，业主处于绝对有利的地位。在有限的时间内，如何使业主和评标的专家很好地了解招投标文件的编制和被认可的程度直接关系到承包商有没有中标的机会。因此，承包商在注重投标文件的技术可行、报价合理的同时，也非常注重投标文件的包装。尤其是大型工程、国家重点工程和国际工程的招标投标，往往在项目企划阶段就已经开始这方面的运作[4。
借助虚拟仿真系统，把不能预演的施工过程和方法表现出来，不仅节省了时间和建设投资，而且不用项目经理的现场答辩，方案的优劣就一目了然。这无疑大大增加了承包商中标的几率。
（3）在可视化计算领域的应用
可视化计算将是今后一个重要的发展方向。在科研中，人们会碰到大量数据，为从中得出有价值的规律和结论，需要对庞大的数据量进行认真分析。对科学计算取得的数据进行可视化加工或三维图形显示，可通过交互改变参数来观察计算结果的全貌及其变化，实现参数化及可视化计算，虚拟现实技术产生了飞跃式的发展。
在运用有限元法进行结构分析时，利用虚拟现实技术则可以通过颜色的深浅给出三维物体中各点力的大小，用不同颜色表示出不同的等力面；也可以任意变换角度，从任何点去观察。还可以利用VR的交互性能，实时修改各种数据，以便对各种方案及结果进行比较。这样就使工程师的思维更加形象化，概念更易于理解。把可视化计算技术应用于超大型复杂结构的设计、工程控制和结构分析中，将增强计算软件的前后置处理能力。例如，在桥梁工程控制和结构分析的可视化计算中，倒退(拆)分析结构倒拆动态演示、结构理想施工线型显示、施工阶段主梁形心线的设计曲线和实测拟合曲线的显示、前进分桥结构拼装动态演示、施工预告图形显示、主梁内力图显示、危险截面应力分布图显示等等。更重要的是能借助图形或图像来进行实时动态地控制结构的重分析和获取施工控制数据，同时能实时动态演示和控制设计和施工的过程。
四、结语
虚拟现实技术在不断发展，专用于计算机图形和多媒体信息处理的高性能DSP芯片可使处理能力提高上百倍，三维图形算法和参数化建模算法等可使虚拟现实技术更加成熟。目前，虚拟现实技术还有很多不完善的地方，尤其在土木工程的探究方面，我们应努力建设虚拟现实技术实验室，开发有价值的虚拟现实工程系统，使其在工程设计、施工、管理和可视化计算等方面得到更广泛的应用。
参考文献
[1张跃．土木工程中的虚拟现实技术[N．科技日报．1997年6月23日．
[2沈金良．虚拟现实技术在工程设计中的应用[J．科技交流，2004，(3)．
