虛擬現實技術的概念范文

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關鍵詞：虛擬現實；虛擬現實技術；概念設計；產品開發

中圖分類號：U662.3 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2009）01-0114-02

目前國際上流行的一種“故事版情景預言法”的概念設計，就是將要開發的產品置于一定的人、時、地、事和物中進行觀察、預測、想象和情景分析，其形式是以故事版的平面設計表達展示給人們。于是，產品在設計的開始便多了一份生命和靈氣。然而，設計表達在信息時代已是多元化的展示形式，虛擬現實技術的應用，使設計思路和設計表達如虎添翼。讓人多了一種直觀的、親切的及交互的感受，這樣開發設計的產品與傳統相比，大大減少了投放市場的風險性，也為企業決策人尋找商機、判斷概念產品能否進一步開發生產，提供更好的依據。

一、虛擬現實與虛擬現實技術

（一）虛擬現實（Virtual Reality，VR）及虛擬設計（Virtual Design，VD）

虛擬現實（Virtual Reality，VR）是利用計算機省城一種模擬環境，通過多種傳感設備使用戶“沉浸”到該環境中，實現用戶與該環境直接進自然交互的技術。這里所謂模擬環境就是計算機生成的具有色彩的立體圖形，它可以是某特定現實世界的真實體現，也可以是純粹構想的世界。傳感設備包括立體頭盔、數據手套、數據衣服等穿戴于用戶身上的裝置和設置現實環境中的傳感裝置。自然交互是指用日常使用的方式對環境內的武體進行操作并得到實時立體反饋。虛擬現實是一種全新的人機交互系統，它能對介入者產生各種感官刺激，如聽覺、視覺、嗅覺、觸覺，給人身臨其境的感覺，人能以自然的方式與計算機生成的環境進行交互操作。

虛擬設計是以“虛擬現實技術為基礎，以機械產品為對象的設計手段”，借助這樣的設計手段，設計人員可以通過多種傳感器與多維的信息環境進行自然地交互，實現從定性和定量綜合集成環境得到感性和理性的認識，從而幫助深化概念和萌發新意。

（二）虛擬現實技術

虛擬現實技術是人的想象力和電子學等相結合而產生的一項綜合技術，它利用多媒體計算機仿真技術構成一種特殊環境，用戶可以通過各種傳感系統與這種環境進行自然的交互，從而體驗比現實世界更加豐富的感受。

二、概念設計的定義及內涵

Pahl和Beitz在《Engineering Design》一書中提出“概念設計”這一名詞以來，人們對概念設計進行了十幾年的研究。他們將其定義為：在確定任務之后，通過抽象化，擬定功能結構，尋求適當的作用原理極其組合等，確定出基本求解途徑，得到求解方案，這部分設計工作叫做概念設計。

國內的學者也對概念設計進行了大量的研究，其中鄧家|在《產品概念設計》一書中將“產品概念設計”定義為“由分析用戶需求到生成概念產品的一系列有序的，可組織的，有目標的設計活動，它表現為一個由粗到精、由模糊到清楚、由抽象到具體、不斷進化的過程。”

在幾十年的時間里，人們對概念設計的研究日益增加、不斷深入，使概念設計的內涵更加廣泛和深刻。主要體現在:根據產品生命周期各個階段的要求進行市場需求分析、功能分析、功能的工作原理、動作行為的構思、行為載體的選擇和方案的組成的等?？梢?，確定方案是概念設計的最終結果，產品生命周期全過程的滿足才是概念設計的關鍵。設計方法上更加全面融合各種方法，尋求綜合最優方案，同時使設計更具創造性。

概念設計是對產品或部件的構思，目的是捕捉產品的基本形狀。這個階段，產品的形狀和精確尺寸尚未確定，設計人員有一定變更自由，所以盡可能考察設計方案，以便選出生產成本最低、創意良好的方案。利用傳統的計算機輔助設計，往往多是二維交互工具，缺乏三維或者多維的功能，但是產品卻是三維的部件，這樣必然導致人機交互效率低。現行的計算機輔助設計系統要求定義零件的尺寸，而在產品的概念設計階段這樣的尺寸可能無法精確得到或者根本沒必要精確定義，這樣必然影響設計效率和周期。傳統的計算機輔助設計需要兩類人員配合，即產品的設計人員和電腦繪圖員，產品設計人員有關產品的概念信息通過草圖或者口述的方法傳達給電腦人員，這樣導致信息的丟失或者繪圖者的曲解，而如果設計者本人直接參與電腦輔助設計建模的話，由于現行的電腦輔助設計系統的操作復雜和交互能力若，大大分散了設計者的精力，限制了思路。為了克服這樣的限制，充分發揮設計人員的創造性，人們開始把虛擬現實技術引入計算機輔助設計系統進行概念設計，將虛擬現實技術和概念設計有效結合，利用豐富直觀的交互手段，在虛擬環境中進行概念設計，從而節省產品精確描繪和尺寸定義的時間，這就是基于虛擬現實技術的計算機輔助概念設計，即虛擬概念設計。

三、虛擬概念設計的研究方向和應用前景

（一）概念設計中應注意的兩個問題

1.虛擬現實環境下的概念可視化。概念可視化是指設計師透過畫面或者模型，將市場的需求轉換成可視化的具體形態。概念設計是否能符合目標用戶的要求，“眼見為實”的圖面或者模型是最具有說服力的。

2.虛擬現實環境下的人機交互界面。想實現人機互動，必須解決一系列技術問題，形成和諧的人機環境。虛擬現實就是一種基于可計算信息的沉浸式交互環境，具體地說，就是采用計算機技術為核心的現代高科技省城逼真的視聽觸覺一體化的特定范圍的虛擬環境，用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬環境中的對象進行交互作用、互相影響，從而產生“沉浸”于等同真環境的感受和體驗。

（二）虛擬現實技術在概念設計中的前景

在虛擬現實環境下，進行產品的概念設計是虛擬現實技術的基本內容。在電腦虛擬現實提供的良好的可視化條件下，對電腦輔助設計建立的三維模型在幾何、功能、加工與裝配等方面進行交互性的修改，利用虛擬現實給用戶提供諸如視聽觸覺等各種感知交互手段，最大限度地方便用戶的操作，從而減輕用戶的負擔、提高整個系統的工作效率。相關人員可以對原型的各方面包括視覺效果、部件間比率進行評價。針對不同用戶的愛好要求，在不同的虛擬環境中，親自體驗修改模型；選擇產品的可選部件，觀察設計和修改過程。

概念設計是設計過程的初步階段，它的目的是獲得做夠多的有關產品式樣和形狀的信息，同時它又是設計過程中的重要階段，因為產品成本的60%～70%是由這個階段決定的。面對日益加劇的產品市場競爭的挑戰，可以預見，基于虛擬現實技術的計算機輔助概念設計必有長足發展，最終將與現有計算機輔助設計系統實現無縫集成。激烈的全球市場競爭，各國投入大量的資金對虛擬現實技術及其在工業設計領域中的應用進行深入研究。將研究的成果及時轉化為生產力，這是產品迅速占領市場的關鍵。

參考文獻

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[2]薄瑞峰，李戈．虛擬現實技術在計算機輔助概念設計中的應用[J]．華北工學院學報，2004，(10)．

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    虛擬現實系統中裝載有觸、聽、視、動等多種傳感及反應裝載,使用戶能感受到觸覺、聽覺、視覺以及嗅覺等多種信息,從而充分發揮設計者的多種感知性,加強產品設計的成功性。

    虛擬現實系統能夠實時的與用戶進行交互、參與以及顯示,將用戶的設計與制造活動提升為人機一體的主動活動,從而構成融入性的智能開發系統。

    2.虛擬現實技術在機械設計與制造中主要應用領域

    2.1虛擬產品的概念設計

    概念設計作為機械產品在設計過程中的一個重要階段,其產品最終成本約有60%~70%受到概念設計的影響。虛擬現實技術在概念設計方面的應用主要表現在以下兩個方面:(1)在機械產品的概念設計過程中,采用虛擬現實技術,不僅能夠便于為設計者提供手勢跟蹤以及語音識別的輸入方式,而且設計者也可隨時方便的在三維虛擬環境中,對產品和零件的各類形態的模型進行修正與改變,同時還能通過三維空間對設計對象進行觀察與操作,從而獲取更多關于產品及零件在形狀和式樣方面的信息,進而實現在產品設計上得到較為滿意的效果。(2)在概念設計中通過虛擬現實技術的應用,還能夠使設計者的設計表達以及設計思路更加形象與清晰,讓人能得到充分、直觀的交互感受,從而保證產品開發的成功率,并極大降低了設計產品在投放市場時的風險性。通過虛擬現實技術,還可以使產品的設計更多的關注產品使用者的感受,例如在開發設計某健身器械時,可以通過虛擬的健身器械環境讓消費者在購買前能夠對設備的功能進行提前體驗,并根據市場的反饋和用戶的喜好,對產品的生產進行的選擇和重組。

    2.2虛擬設計

    虛擬設計即虛擬現實技術應用于產品的開發設計,也就是設計人員首先設計出一個虛擬的機械產品,然后再系統的對所設計的產品進行研究、檢查以及分析,以檢驗產品是否滿足相應的設計要求,并對可能出現的問題及缺陷進行及時修改,從而使產品的設計更為完善。應用于機械設計的虛擬設計系統,主要包括了兩個部分,一個部分是虛擬設計系統的主體,即虛擬環境生成器;另一個部分則是外圍的設備,主要包括數據傳輸裝置、信號控制裝置以及人機交互工具等等。當前虛擬設計系統的應用于機械設計方面的主要有兩種設計方法,一種是采用VR-CAD系統,使虛擬現實技術能充入引入到CAD環境,這種機械設計環境中的對象不僅能有豐富的外形,而且還具備材料特性、表面硬度、重量等一系列物理及功能作用等方面的信息;另一種則是利用現有的CAD系統直接產生模型,然后再將模型轉換成能夠得到虛擬現實軟件支持的各類格式,從而方便將模型輸入到虛擬現實軟件的環境中,并實現對虛擬產品設計的完成,并使用戶能充分得到各類增強效果設備的應用。

    2.3虛擬制造

    虛擬制造是指通過虛擬現實技術,并在現代化計算機技術和網絡技術的支撐下,利用計算機群組進行協同作業,從而實現機械產品在工藝規劃、加工制造、質量檢驗以及產品管理等一系列產品制造的過程,實現機械產品制造過程在計算機系統上的映射,也進一步加強了機械制造過程中各級的控制與決策能力。當前虛擬現實技術應用于機械制造中,主要有三種方式,即分為以設計為中心的虛擬制造、以控制為中心的虛擬制造以及以生產為中心的虛擬制造。例如:通過虛擬現實技術在設計階段即對軸類不僅進行虛擬裝配,并對可能出現的錯誤與缺陷進行隨時修改,確保裝配流程的順暢;在對齒輪、軸類等兩家的加工過程中,采用虛擬制造技術,選擇出最極愛的機床加工參數以及刀具的路徑,并對產品設計的可加工性、完善性以及合理性進行分析與評定,從而有效避免加工過程中可能出現的一系列加工缺陷等等。通過虛擬現實技術在機械制造中的應用,不僅提高了產品一次成功率,而且極大降低了原有的設計制造費用,優化了產品設計,避免的設計中存在的缺陷與問題,確保了產品質量。

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1虛擬現實技術的定義和主要內涵

那么虛擬現實技術是什么樣的呢？正如其字面所示的那樣,就是用現在先進的硬件技術和軟件技術來虛擬現實中的事或者物以達到人們能夠輕易地對其進行操作與處理的目的。虛擬現實技術所包含的內涵主要有如下幾個:(1)首先虛擬現實技術應當是一個計算機系統,該系統能夠創造虛擬世界并且允許人們進行體驗。(2)虛擬現實技術是一種以用戶為核心的、足夠先進的計算機接口。(3)虛擬現實技術能夠讓人把自己所熟知的空間與計算機系統處理信號時的處理空間保持一致。(4)虛擬現實技術是可以讓人通過計算機看見并且能夠操作比較復雜的數據,且能夠和其交互的一種操作方式。(5)虛擬現實技術是一種具有三維的合成環境的媒介,人們能夠按照自己的愿望從任何一個視點自由且實時地完成設計、探測和模擬。

虛擬現實技術是一種應運而生的技術,然而在早期的應用之中主要是用在互動娛樂上面。隨著硬件條件不斷地升級、軟件技術不斷地得以提高,虛擬現實技術才能夠在工程設計、機械設計制造、醫療、電子商務、教育和軍事等方面進行較為成熟的應用。由于現在虛擬現實技術趨于日漸成熟,所以其在各個領域當中發揮的作用不可忽視,對此要跟上技術前沿發展的腳步,關注虛擬現實技術的繼續發展。

2機械設計制造中的虛擬現實技術的主要特征以及關鍵技術

虛擬現實技術同樣也在機械設計制造領域中有所應用,由于機械設計制造領域當中涉及到機械模型設計、模具設計,而這些用虛擬現實技術能夠方便快速地設計機械模型、對機械模型進行仿真,并且能夠快速地對不滿意的地方進行修改。

虛擬現實技術是一種集計算機技術、仿真技術、傳感與測量技術以及微電子技術等為一體的新型技術。它的學術特點體現在各個學科間的相互交錯,因而其應該具備以下幾個主要特征。

(1)多感知性。因為要求虛擬現實技術能夠虛擬出現實世界,并讓我們人類更好地進行體驗,其就必須具備多感知的特性:這不僅僅包括視覺、觸覺、聽覺,還應當包含有嗅覺和味覺。

(2)存在感。要求讓用戶有種在現實世界中的存在感。虛擬世界中的所有的一切,用戶都能明確的感覺到,并且能夠觸摸得到、看得見、聞得到以及感覺得到。

(3)自主性。用虛擬現實技術創造出來的虛擬世界中的物體必須按照物理學規律進行運動。實時地顯示、交互和參與,把人的主要活動提升成人機合一的活動,完成了自主性的職能開發系統。

(4)交互性。這是虛擬現實技術中的重要特性,是指用戶能夠對虛擬環境中的各個物體進行操作并且能從物體中得到某些反饋信息。人機交互是虛擬現實系統中的一種近乎自然的交互,使用者能夠利用多種交互手段例如電腦鍵盤、鼠標進行交互,并且支持更多的設計行為。

(5)沉浸性。對于虛擬世界,觀察者的情感反映就是沉浸性,由于虛擬現實技術能夠虛擬出非常逼真的現實世界,用戶利用觸覺、聽覺、視覺來感受發生在虛擬世界中的一切,可以虛擬出機械創新的設計環境,并且產生一種身臨其境的感覺。

虛擬現實技術在機械設計制造中關鍵技術主要有動態環境建模技術、實時三維圖像生成技術、立體展示和傳感技術、應用系統開發技術和系統集成技術。而在機械設計制造中用的最多的技術就是動態環境建模技術、實時三維圖向生成技術以及立體展示和傳感技術。這些技術在實際工程運用當中是相當重要的,用得好就能事半功倍,能夠設計出更好的產品、制作出出色的產品。

3虛擬現實技術在機械設計制作中的應用

虛擬現實技術在機械設計制作中的應用應當包括前期的概念設計、中期的產品虛擬設計以及后期的虛擬制作。下面對各個時期虛擬現實技術的運用給予一些簡要說明。

(1)前期虛擬概念設計。概念設計是指一個產品該如何設計,需要考慮到那些方面的因素、問題以及所花的時間、資金等很多綜合情況,屬于創造性思維的體現。虛擬現實技術在這個階段中為設計者提供一定的語言識別錄入和手勢跟蹤的輸入,使設計者更為方便有效地完成產品各個模塊的建模工作。

(2)中期虛擬設計。是指設計人員設計一個虛擬的產品,然后對其進行相關測試來判定是否滿足設計的需要。

(3)后期虛擬制造。就是用虛擬現實技術模擬產品的制作過程,能夠及時發現制作過程中的錯誤,避免實際生產制造中的損失。

在制造業中已經成功地推廣應用虛擬制造技術,尤其是在汽車、航空航天等領域的應用特別典型。虛擬制造能夠在汽車生產模具、工裝與設備,甚至是設計校車之前,就很容易地在工藝過程與生產系統時進行分析、修改、建模及優化。例如,早在1997年通用電動車部就利用UGII軟件,建成了世界上第一個完全數字化的機車樣機模型,并圍繞這個數字模型并行地進行產品設計、分析、制造夾模具工裝設計和可維修性設計。例如,波音飛機公司設計777飛機的時候,就是使用了虛擬制造技術,從設計、裝機、測試都是在計算機中完成模擬的,分散在全球各地的波音公司的技術人員能夠從777客機難以數清的零部件中,隨意調出其中任何一種在計算機上進行討論、研究、觀察,所有的零部件都是三維實體模型。

4結語

現在,虛擬現實技術在工業領域中獲得較為成熟的運用,但仍是初級階段?？梢灶A見得到,虛擬現實技術將逐漸應用到設計制作的各個環節中,為設計制造業的蓬勃發展提供無限動力。

參考文獻

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關鍵詞:虛擬現實(vr);虛擬環境人機交互

一、引言

在信息技術發展的今天,人們的交流越來越多的依靠網絡、廣播、電視等媒體得到相關的信息資料,但是這些媒體提供的信息往往是經過抽象的,在很大程度上人們不能及時有效的進行理解吸收,解決這一問題人們只能借助于實物模型,但隨著計算機技術的迅猛發展,使得人與計算機的交互成為可能,虛擬現實(vr)技術就是借助于這個基礎上實現了人機交互,操作者可以通過鍵盤、鼠標、頭盔、數據手套等工具與計算機間的交互,真正成為虛擬環境中的一員,較真實的感知和操作虛擬世界中的各種對象,達到理解和掌握知識、為生產生活服務的目的。

二、虛擬現實技術簡介

虛擬現實(簡稱vr),又稱靈境技術, 是以浸沒感、交互性和構想為基本特征的計算機高級人機界面,是迅速發展的一項綜合性計算機、圖形交互技術。它綜合利用了計算機圖形學、仿真技術、多媒體技術、人工智能技術、計算機網絡技術、并行處理技術和多傳感器技術,模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感官功能,使人能夠沉浸在計算機生成的虛擬境界中,并能夠通過語言、手勢等自然的方式與之進行實時交互,創建了一種適人化的多維信息空間。使用者不僅能夠通過虛擬現實系統感受到在客觀物理世界中所經歷的“身臨其境”的逼真性,而且能夠突破空間、時間以及其他客觀限制,感受到在真實世界中無法親身經歷的體驗。

計算機技術的迅速發展為我們提供了許多解決問題的新方法。虛擬現實技術的產生與發展也同樣如此,目前虛擬現實系統的研究現狀主要涉及到三個研究領域:依靠計算機圖形方式建立實時的三維視覺效果、構建對虛擬世界的觀察界面和使用虛擬現實技術加強其在現實世界中的應用。

三、虛擬現實技術特征及其系統的關鍵技術

從本質上說,虛擬現實就是一種先進的計算機用戶接口,它通過給用戶同時提供諸如視、聽、觸等各種直觀而又自然的實時感知交互手段、最大限度地方便用戶的操作,從而減輕用戶的負擔、提高整個系統的工作效率。因此虛擬現實技術具有以下四個重要特征。

（一）多感知性

所謂多感知性就是指導包括視覺感知外, 還包括聽覺、力覺、觸覺和運動感知、甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。

（二）存在感

又稱臨場感,它是指用戶感到作為主角存在于模擬環境中的真實程度。理想的模擬環境應該達到使用戶難以分辨真假的程度。

（三）交互性

它是指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度(包括實時性)。我們借助與我們8的感覺器官,在虛擬的環境中體驗真實的環境。

（四）自主性

是指虛擬環境中物體依據物理定律進行動作的程度。虛擬現實系統的關鍵技術主要由動態環境建模技術、實時三維圖形生成技術、立體顯示和傳感器技術、應用系統開發工具和系統集成技術等五個方面組成。其中動態環境建模技術的目的是根據應用的需要獲取實際環境的三維數據, 并利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環境模型。而三維圖形的生成技術關鍵是如何實現“實時”生成。立體顯示和傳感器技術是虛擬現實中實施交互能力的關鍵。

四、當今虛擬現實技術的應用領域

虛擬現實技術的應用前景十分廣闊。目前在娛樂、教育及藝術領域的應用占據主流,其次是軍事與航空、醫學領域,機器人和商業領域都占有一定比例,另外在可視化計算、制造業等領域也有相當的比重。下面簡要介紹其部分應用。

（一）娛樂、藝術與教育領域

豐富的感覺能力與3d顯示環境使得vr 成為理想的視頻游戲工具。如chicago(芝加哥) 開放了關于3025 年的一場未來戰爭的世界上第一臺大型可供多人使用的vr娛樂系統;1992年的一臺稱為“legealqust”的系統由于增加了人工智能功能,使計算機具備了自學習功能,大大增強了趣味性及難度,使該系統獲該年度vr 產品獎。

作為傳輸顯示信息的媒體,vr所具有的臨場參與感與交互能力可以將靜態的藝術轉化為動態的,可以使觀賞者更好地欣賞作者的思想藝術,提高了藝術表現能力。

（二）軍事與航天工業領域

模擬與練一直是軍事與航天工業中的一個重要課題,這為vr提供了廣闊的應用前景。美國國防部高級研究計劃局darpa自80年代起一直致力于研究稱為sim net的虛擬戰場系統,以提供坦克協同訓練,該系統可聯結200多臺模擬器。另外利用vr技術,可模擬零重力環境,以代替現在非標準的水下訓練宇航員的方法。

（三） 醫學領域

vr在醫學方面的應用具有十分重要的現實意義。在虛擬環境中,可以建立虛擬的人體模型,借助于跟蹤球、hmd、感覺手套,學員們可以很容易了解人體內部各器官結構,這比現有的采用教科書的方式要有效得多。

pieper及satara等研究者在90年代初基于兩個sgi工作站建立了一個虛擬外科手術訓練器,用于腿部及腹部外科手術模擬。這個虛擬的環境包括虛擬的手術臺與手術燈,虛擬的外科工具(如手術刀、注射器、手術鉗等),虛擬的人體模型與器官等。借助于hmd及感覺手套,使用者可以對虛擬的人體模型進行手術。

另外,在遠距離遙控外科手術,復雜手術的計劃安排,手術過程的信息指導,手術后果預測及改善殘疾人生恬狀況,乃至新型藥物的研制等方面,vr技術都有十分重要的意義。

（四）管理工程領域

vr 在管理工程方面也顯示出了無與倫比的優越性。如設計一新型建筑物時,可以在建筑物動工之前用vr技術顯示一下;當財政發生危機時,可以幫助分析大量的股票、債券等方面的數據以尋找對策等等。

以上僅列出虛擬現實的部分應用前景,可以預見,在不久的將來,虛擬現實技術將會影響甚至改變我們的觀念與習慣, 并將深入到人們的日常工作與生活。

五、虛擬現實技術的進一步展望

虛擬現實從其萌芽到今天的日漸成熟已經走過了相當長的一段風雨歷程。目前它的研究內容涉及到多項學科領域。我們同時也認識到,這個領域的技術具有巨大的潛力和廣闊的應用前景。

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關鍵詞：虛擬現實技術;工業設計;應用分析

中圖分類號：TB47 文獻標識碼：A 文章編號：1005-5312（2015）35-0059-01

21世紀隨著信息化時代到來，虛擬現實技術得到了較大的發展，其在工業設計中的應用，對于促進工業發展來說，起到了巨大推動作用?，F代工業化發展過程中，對工業進行有效設計，將直接影響到工業生產的質量和效率，加強虛擬現實技術在工業設計中的應用和發展，是當下工業發展的必然選擇。本文對虛擬現實技術在工業設計中應用的研究，注重于現代工業設計更加趨向于高科技信息技術發展這一方向，就新興產業應用于虛擬現實技術實現自身發展的相關情況，進行了研究和分析。

一、虛擬現實技術概念

虛擬現實技術產生于上個世紀80年代，是由美國人拉尼爾提出來的，這一技術一經提出，就在工業設計中得到了探索和應用。虛擬現實技術是一種三維環境技術，利用計算機仿真技術、人工智能技術、遙感技術以及虛擬現實技術等現代最新技術，并結合了計算機、統計學等學科知識，讓人能夠實現一種視覺、聽覺以及嗅覺的感官體驗。虛擬現實技術是人們利用計算機對復雜數據進行有效處理，實現可視化操作目標。利用虛擬現實技術進行工業設計，可以更好地對工業設計進行仿真處理，有利于解決工業設計中出現的相關難題①。

二、虛擬現實技術在現代工業設計領域中的應用

（一）現代工業設計特點分析

要想弄清虛擬現實技術在現代工業設計領域中的應用問題，就必須對現代工業設計特點進行了解。就當下工業設計發展情況來看，現代工業設計主要表現在以下幾方面特征：（1）現代工業設計融合了科學、文化、藝術等學科，注重于產品造型設計;（2）現代工業生產更加注重于綠色化生產，設計的工業產品能夠進行有效地回收利用，實現能源、資源的節約，并且設計過程中，還要兼顧地方、國家的文化特色;（3）注重于產品品牌以及產品的功能、性能和質量，確保工業產品在日益激烈的市場競爭中，能夠占據有利的地位，獲取較大的競爭優勢。

現代工業設計注重于當下市場經濟發展一般規律進行有機結合，牢牢把握市場發展情況，對產品進行有效設計和規劃，確保產品能夠符合供需規律，以期獲得更好地經濟效益?，F代工業設計注重結合市場發展規律，產品設計更加專業化、效率化②。

（二）虛擬現實技術在現代工業設計領域中的應用分析

1.虛擬現實技術影響現代工業設計方法。工業制造過程中，前提是必須進行工業設計，一個在市場中占有率較大的工業產品，在其生產前期，必然要經過詳細的設計，才能獲取人們的認可，擴大市場占有額。傳統工業設計過程中，采取了二維設計方法，這種設計方法對工業產品造型把握較為困難，缺乏立體感，工業造型整體的性能也較難把握。利用虛擬現實技術后，解決了二維設計中存在的難題，可以讓人們在設計過程中，對工業產品的造型、功能以及性能進行有效把握。

2.虛擬現實技術在當下工業設計領域中的重要性?，F代工業設計過程中，應用虛擬現實技術，使設計者在進行工業產品設計過程中，能夠更好地對產品的性能進行有效把握，對設計過程中可能存在的問題進行及時更改，提升工業產品設計性能。除此之外，虛擬現實技術在工業設計中的應用，能夠縮短產品設計周期，提升產品制造效率，更好地促進現代工業的發展和進步。當工業產品設計完成后，設計者可以利用虛擬現實技術對工業產品進行使用，在很大程度上降低了市場運營風險。

三、我國虛擬現實技術發展現狀及未來發展趨勢

我國現代工業設計與西方發達國家有著較大的差距，虛擬現實技術在工業設計中的應用，尚處于發展階段，相關技術手段并不成熟。加強虛擬現實技術在我國工業設計中的應用，改變我國工業發展不平衡、發展過程中污染較為嚴重的現實問題，是當下虛擬現實技術應用必須要考慮的一個重要議題③。

我國虛擬現實技術在未來發展過程中，將得到較為廣泛的應用，加大對這一技術的資金、技術投入，使其能夠在工業設計中發揮應有作用，是當下該技術應用必須考慮的一個課題。近年來，我國國內很多企業在進行工業設計中將虛擬現實技術進行應用，并對該技術進行了相應的改進，使之更好地符合于當下工業發展現狀。隨著經濟全球化趨勢進一步加強，工業競爭加劇，我國加工制造業更加注重對虛擬現實技術的研發和應用工作，并注重這一技術在工業發展領域的作用，相信不久的將來，這一技術將會得到更大的發展和進步。

四、結語

綜上所述，通過對虛擬現實技術概念的分析以及當下我國對虛擬現實技術的應用現狀，我們不難看出，虛擬現實技術在現代化工業設計中，發揮著極為重要的作用。因此，為了更好地實現我國工業化發展，必須要加強對這一技術的研究和應用，使之能夠更好地服務于我國工業化發展，提升工業設計效率，改善工業設計中的不足。

注釋：

①冉洋，朱飛，陳康.虛擬現實及增強現實技術在工業設計中的應用[J].激光雜志，2010（01）：04-06.

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關鍵詞 建筑漫游動畫 制作 虛擬現實技術

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A

近年來隨著網絡在全球范圍內的發展，虛擬現實技術在建筑漫游動畫制作中的應用日趨廣泛。虛擬現實技術和傳統技術相比，使用建筑漫游動畫進行設計可以使設計人員在進行施工之前就對設計方案瀏覽，及時發現問題并且進行研究，為滿足業主要求奠定基礎。同時使用建筑漫游動作制作虛擬現實技術可以向業主將規劃區完整的展示，將公司競標實力增加。目前建筑漫游系統是多種多樣的，真正到達虛擬現實技術還需要進一步提高制作能力。

1 虛擬現實技術概述

1.1 概念

虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR，又被稱為幻真、靈境）是近年來出現的高新技術，也稱人工環境或靈境技術，是可以最大限度逼真模擬自然中的動作、聽以及視等行為的技術。

1.2 特征

虛擬現實技術的主要特點為感知性、交互性以及沉浸性。感知性的意思是引導用戶在網絡信息技術中依靠自己的認知能力和感知能力將知識全方位的獲取，將用戶的主觀能動性發揮，尋找科學的解答方式。交互性是指用戶可以在虛擬現實技術環境中的操作能力在自然中進行反饋。沉浸性是指用戶為主體在虛擬現實環境中存在。

1.3 虛擬現實技術的實現方式

虛擬現實技術的實現方法主要有交互技術、數據收集、場景構建以及三維建模等新式。其中三維建模技術是實現虛擬技術的重要前提，場景構建是進一步完善虛擬現實技術；而交互技術是實現虛擬技術的核心和關鍵環境，交互技術主要分為傳統幾何建模交互技術和圖像交互技術；收集數據主要是指收集和虛擬技術有關的照片、地圖和數據等。

2 虛擬技術在建筑漫游動畫制作中的應用

2.1 建筑建模

為將視覺效果良好的實現，可以使用圖像數據的方式以及圖形建立模型的方式進行建模。圖形建立模型的前提是按照業主的要求將建模大小的場景和建模工具確定。目前建筑漫游動畫制作中普遍使用的建模工具是使用對象技術將模型建立的更加容易并且直觀，但是目前許多建模工具要考慮到細節場景問題，要考慮虛擬現實技術中的實效性。

建筑建模主要分為幾何建模、物理建模。其中幾何建模在建立模型前要考慮到各方面的細節問題，第一點是建立模型的形狀、輪廓和屬性；第二點是分析各個數據之間的關系特征；第三點是分析各個對象之間的說明信息和數值。物理建模主要是對光照、顏色、紋理以及材質等進行處理。物理建模中好的紋理可以將大量的細節建模代替。獲取材質時應該首先想到可以應用到的材質，比如視點距離，針對不同用戶的要求，建模材料有不同的來源。在建模中為節約時間可以將用戶的圖片掃描之后經過圖片處理軟件進行處理。

2.2 環境集成

在完成建筑物之后，可以將模型和環境結合形成有機整體。環境主要包括水、天空以及地面等。在建筑漫游動畫制作的過程中可以根據用戶所提供的地形圖形成完整的建筑模型，用貼圖的方式給建筑模型加入草地、公路以及泥土等。同時創建天空時可以根據建筑模型的背景圖像或者位圖等建立真實的天空，建立水可以創建簡單水的材質使用同名貼圖以及反射等材料形成。

2.3 實現程序

在所有的建模工作完成之后，可以使用合理的軟件對建筑動畫模型進行收集，在集成的過程中根據用戶的不同需求有不同程序的實現程度。最簡便的做法是生成視差的圖像，設置出不同的路徑，使用計算機軟件對建筑模型進行編輯，同時用戶可以在指定的程序中進行瀏覽。這種系統將觸覺省略，主要優勢是對計算機硬件沒有過高要求，在計算機上就可以實現。除此之外，還有一些模型更接近于真正的虛擬現實技術，用戶可以在模型的場景中自由瀏覽，在瀏覽的過程中用戶可以使用數據手套以及頭盔等增加對虛擬現實技術的沉浸感。

3 結語

總而言之，隨著社會經濟的迅速發展，建筑漫游動畫制作的虛擬現實技術在我國各個領域都得到應用，其有著極大的技術潛力，有廣泛引用前景。但是在制作過程中虛擬現實技術還存在著一定的技術問題，為提高建筑漫游動畫制作的虛擬現實技術發展，還需要對虛擬現實技術進行研究，以提高系統的逼真性、沉浸性、想象性以及交互性等內容，最終促進我國網絡技術的進一步發展。

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Virtual Reality即為虛擬現實, 它又叫作真實虛擬環境或者虛擬環境, 其利用電子計算機的電子三維空間現實化合成技術為基礎。運用聽覺、觸覺和視覺, 用動畫和圖表的形式綜合展現虛擬的建筑空間, 使觀看的人們可以達到對建筑眼見為實。虛擬現實動畫不僅能夠對發生的現實時間進行再現和預演, 而且還能對建筑的虛擬空間進行制作, 因為虛擬現實動畫具有強大的場景再現性, 而廣泛地在建筑設計、軍事預演、娛樂、醫學和教育等領域應用。虛擬現實動畫的預演和再現的功能讓其得到了大量建筑設計師的使用與熱愛, 在建筑的設計與建造過程中都有著很重要的作用。虛擬現實動畫與現代建筑設計應用相輔相成緊密聯系不可分割。建筑的基本設計是建筑的核心靈魂, 而虛擬現實動畫則是展現建筑概念的手段及方法。只有將二者完美地聯合在一起, 才能完成實用且富有創造力的作品, 例如芝加哥非洲歷史博物館虛擬交互應用 (如圖1) , 以滿足人們對于建筑的物質審美與實際使用的雙重標準追求 (如圖2) 。因為虛擬現實動畫技術的不斷升級進步, 只有將優秀的虛擬現實動畫技術與建筑設計者的設計理念相互結合才能完成最優秀的建筑設計, 更好地為客戶和社會服務。

二、虛擬現實動畫在建筑展示中的意義研究

在建筑設計的傳統方式之中, 建筑的設計過程往往有較長的設計周期和大量的設計費用, 并且很難對建筑的設計方案進行修改, 所以對建筑的前期設計預覽十分重要。傳統的建筑設計過程就是包括設計草圖、建模、建筑效果圖等, 只夠為建筑的最終效果提供簡單的方案, 而不便對建筑進行多視角全方位的立體高精度分析。而虛擬現實動畫技術則通過綜合運用人機交換技術、傳感技術、人工智能技術和圖像計算機技術, 綜合運用電子計算機來制作出三維的虛擬空間, 讓建筑設計者和施工者能夠更加直觀性地體驗建筑空間, 通過對虛擬現實動畫的了解來體驗建筑的設計方案, 建筑的虛擬現實動畫是立足于虛擬與現實的實際關系之上的, 精確地透過人對于虛擬動畫的用戶需求以及對虛擬世界的綜合感知進行全方位分析, 已達到現實建筑和虛擬現實動畫的完美契合, 從而全方位地提升虛擬現實動畫的展現效果。它的意義有以下的幾個方面。

(一) 提供更完善的設計:

首先在建筑設計的傳統過程中, 大部分設計師都是通過文字資料、設計草圖和建筑設計者自身的設計經驗與藝術思維來進行建筑設計的。但是對于設計建造難度較高或者全新的建筑形態或者建筑領域來說, 設計師很難在設計過程中對于建筑進行有效定位, 設計者十分依賴個人對建筑的經驗, 往往還會導致建筑的實際情況與預定的建筑設計方案有很大差別。同時因為傳統建筑設計的局限性, 很多設計問題只有在實際的施工過程中才會被發現, 然后再由施工方對建筑問題進行歸納、整理、分析, 再將問題給施工方進行反饋。而這一過程浪費了大量的時間、人力和物力, 致使建筑施工效率低下。而如果運用虛擬現實動畫進行建筑設計的話, 設計者就能夠在建筑施工前全方位地觀察建筑的整體情況, 從多個角度全方位了解設計方案中的不足, 更加直觀地對建筑的空間、結構、光影乃至音效不斷變化進行詳盡了解 (如圖3) , 并對方案加以調整。

(二) 加強設計師與客戶之間的溝通能力:

通過虛擬現實動畫所建造的虛擬三維空間, 可以讓簡述的設計者與建筑用戶在項目規劃、建筑設計等方面用動態三維的方式對建筑的空間概念進行詳盡認知。而在建筑的設計過程中, 設計師根據建筑用戶提供的需求及建筑場地等情況設計出建筑方案, 將完整的建筑設計方案以及建筑設計理念交予用戶, 并對其進行相關交流。而在傳統建筑設計過程中的模型、草圖與文案只能夠讓客戶大致地對建筑的相關信息進行了解, 客戶往往專業能力不足, 不能夠完全了解建筑師的設計方案, 而草草對方案進行決定, 雙方的交流也會出現一些問題。而用虛擬現實動畫的方式能夠更加直觀地對建筑概念進行展示, 為客戶提供一個完整的建筑流程, 詳盡地描述建筑過程的各個環節, 及可能出現的問題。例如建筑的空間和建筑的周圍環境等, 客戶介意更加直觀且全面地對建筑空間進行了解。通過建筑的虛擬現實動畫展示, 為客戶提供更加直觀的認知平臺, 充分地對設計師的設計方案進行審批, 使其能夠更好地理解設計并參與到設計的過程中去, 也能夠讓設計師更加了解客戶需求, 并了解到自身的設計不足, 對設計進行必要的修改與完善。

(三) 給予用戶更加直觀的建筑體驗:

當今人們了解世界的主要方式之一就是互聯網, 而通過互聯網的虛擬現實動畫設計, 客戶能夠更加直觀地上網預覽建筑模型。在互聯網上隨時隨地觀察虛擬的建筑設計。通過設計者在電腦中對建筑進行的模型搭建與細節處理, 觀察建筑結構, 并對周圍環境及建筑中可能出現的狀況進行有效分析。通過在電子計算機中對虛擬現實動畫進行建筑的景觀搭建與制作視頻, 將音頻、影像與圖像相結合, 并添加一定的環境渲染特效和后期合成, 最后將虛擬現實動畫展示給受眾。在現今的房地產發展中, 投資人和設計者都充分地利用虛擬現實動畫的各項優勢, 制造建筑的三位圖像世界。因為虛擬現實動畫技術綜合運用了人體的聽覺、視覺、觸覺等感知特點, 這樣能夠更用戶加直接地體驗到建筑在三維虛擬環境中的變化, 身歷其境。在現有的虛擬現實技術之中, 因為現今有很大一部分客戶對于所購買或投資的建筑只有一個內心的概念, 而傳統的建筑設計非專業人員也不能完全了解到, 這就像在設計師與客戶之間施加了一層隔膜, 而虛擬現實技術就可以讓他們更加直觀地對建筑進行了解。還可以根據客戶所提出的需求對建筑進行一定的整改, 再為客戶展現更新的建筑產品效果, 也方便了客戶與設計師的溝通, 增強了客戶對于建筑物的深切體驗與審視, 加深了客戶對于建筑的內部了解, 而剛能刺激消費者對于建筑本身的購買欲望與建筑價值。

(四) 虛擬現實動畫具有真實性:

虛擬現實動畫最重要的特性就是真實性, 其具有傳統建筑設計所不具備的真實感官體驗。真實的感官體驗是指在三維的虛擬環境之中, 虛擬環境的所有信息均被大眾所廣泛接受的廣度和寬度。在虛擬現實動畫中不僅能夠對建筑本身主體進行展示, 而且還可以展現出建筑的周圍環境與建筑完工后整體的建筑形態與使用價值。我們還可以通過虛擬現實動畫來還原一些古建筑和自然景觀, 這樣對于古建筑和自然景觀的保護和研究都具有十分重要的意義。

(五) 有助于文物的研究與保護:

我們還可以通過虛擬現實動畫來還原一些古建筑, 這樣對于古建筑的保護和研究都具有十分重要的意義。在很多的博物館中, 都有一些異常珍貴或者極易氧化、損壞的歷史文物或者殘舊的古建筑并不能展出, 而虛擬現實動畫技術就可以完美地解決這一問題?？梢栽诓┪镳^中設立虛擬展示廳, 現場的所有文物都由虛擬三維的計算機屏幕展現, 這樣不但能夠完整地展出相應的文物, 而且還不會對文物產生一絲一毫的破壞。通過虛擬現實動漫的展示同樣可以提高珍貴文物的保護效率, 為文物編檔便于日后對文物進行相應的維修保護與研究, 同時也為廣大人民群眾提供了更多參觀文物的途徑。將一些無法移動甚至已經消散無法修復的古建筑, 進行復原在一定程度上也能夠為古建筑提供相應的保護。舉個例子, 綜合運用虛擬現實技術可以對發掘出的建筑物進行全方位綜合展示, 放入還原的虛擬歷史場景當中, 可以讓觀眾在三維虛擬的環境中進行全方位的觀察, 可以更加直觀地對建筑物所處的歷史時代及環境進行全面的認識。這樣不但提高了群眾對于歷史文物的參觀熱情, 還提升了景觀的綜合參觀效益。而且在建設虛擬動畫場景的過程中, 在計算機生成虛擬三維的過程中, 即便是已經不存在或者破損的建筑物依然可以重現。一個很好的例子就是我國對于故宮虛擬現實動畫的作品天子的宮殿, 通過計算機生成的虛擬動畫, 就可以讓觀眾利用計算機更加深入地對建筑物進行了解。

三、總結

對建筑物進行設計是一項非常復雜的工作, 一個地方的建筑物往往承載著一定的文化品味、歷史傳統、人文精神與其獨特的地域文化。這樣就會在建筑的過程中遇到很多的問題, 而虛擬現實動畫技術的出現與發展就在一定程度上減輕了很多的技術復雜性。而且伴隨著虛擬現實動畫技術的不斷創新發展, 虛擬現實動畫技術在審批、施工和設計建筑等多個建筑環節中都發揮著越來越重要的功效, 要怎樣將虛擬現實更多運用在實際的建筑中, 要不斷探尋其特有的能力而且要發揮其應有的功效。伴隨著科學技術日趨成熟, 虛擬現實動畫技術必將在未來的建筑設計與建造過程中發揮越來越重要的作用。

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【關鍵詞】建筑表現;虛擬現實;三維設計

1.虛擬現實的概念及運用領域

虛擬現實(VirtualReality)也稱虛擬環境或虛擬真實環境,它利用計算機生成的三維空間形象實現的目標合成技術,通過視、聽、觸覺,以圖表及動畫方式呈現,讓觀看者“眼見為明”。

虛擬現實的概念在計算機發展的早期就被提出了,但當時的運用并不算廣泛,那個時候構建一個虛擬現實系統,需要昂貴的外部設備。除了在一些專用領域使用以外,普通用戶只能望而卻步。

隨著計算機硬件技術的飛速發展,讓普通計算機上運行和顯示復雜場景有了可能。以前高不可攀的虛擬現實系統也就可以在隨處可見的普通計算機上構建起來了。

除了以前的軍事、航空航天領域之外,在娛樂、教育、醫學、商業、制造業等都有不同程度的運用。

2.虛擬現實在建筑行業中的運用范圍

虛擬現實在建筑行業的應用領域可包括:建筑物模擬、室內設計模擬、城市景觀模擬、施工過程模擬、物理環境模擬、防災模擬、歷史性建筑模擬等。

在建筑和規劃領域,使用虛擬現實演示單體建筑、居住小區乃至城市空間,可以讓人以不同的俯仰角度去審視或欣賞其外部空間的動感形象及其平面布局特點。

設計者可將自己的設計方案動態形象地展示,以充分表達自己的方案,提高中標率。中標后對甲方、乙方而言,可通過虛擬現實方式審視。雙方可逼真快捷地進行設計數據的修改,使設計臻于完善,直至滿意。

在商品房交易中,消費者可以親身體驗小區建成后的三維虛擬環境,了解室內空間、周邊環境、固定設施的配套情況。動感十足的虛擬現實可刺激用戶的購買欲,有助于銷售,縮短售房周期。

3.虛擬現實在建筑表現領域中的運用現狀

當然,技術的運用是需要跟市場需求緊密相關的。一個功能完善,交互性強,設計合理的虛擬現實系統由于涉及的技術較廣,需要專門的開發平臺,如Multigen Vega、Virtools、Quest 3D等軟件,需要輔助建模的工具如3dmax、maya等,需要較多人員分工協作,開發周期較長,從而成本也比較高,很難符合更廣泛的市場需求。所以為了順應市場的需求,在運用的初級階段,建筑表現領域更多的采用以下幾種更便捷,更容易實現,成本更低的方式來達到比較簡單的虛擬現實表現。

1)模型瀏覽器

比較有代表性的是中視典公司(省略)開發的VR-Platform、創圖科技(省略)開發的WEBMAX。這些軟件適用性強、操作簡單、功能強大、可視化程度較高、所見即所得,所有操作都是用設計師可以理解的方式(不需要程序員的參與),可以讓設計師將所有精力投入到效果制作中來,從而有效降低制作成本,提高成果質量。比較適合建筑行業設計人員使用。而它們能實現的功能也比較簡單,僅僅是把現成的三維模型場景打包,實現簡單的路徑瀏覽或行走瀏覽功能。對于一般的需求,比如樓盤展示、單體建筑展示已經基本夠用了。但如果客戶提出更多要求,比如樣板房展示當中經常需要體現出來的更換家具、更換材質等功能就難以實現了。

2)360全景

當我們希望簡單方便的重現某一場景,基于圖像的360全景技術就成為最好的選擇。360全景技術雖然在交互性和多感知性上并不能與三維建模技術相提并論,但是由于是基于圖像,使用者看到的是真實場景,視覺沉浸感要比三維建模的方式強。在并不要求很強的交互性和多感知性時,360全景實現的虛擬現實是完全足夠的,而且隨著技術的發展,360全景的交互性和多感知性只會越來越強。更重要的是,360全景虛擬漫游實現起來不但非常方便,而且技術門檻和成本都很低。

目前,業界對全景圖的基本制作方法是:在固定的視點用照相機或者攝像機按照一定的方式(通常是按照均勻角度繞軸旋轉360度)采集圖像,采集之后的圖像輸入計算機進行圖像拼接、整合等處理,生成無縫全景圖像,最后再用計算機經過投影展示出來,并且提供局部的有限的漫游功能。雖然全景視圖有其自身的局限性,比如視點單一,只能在場景內部實現漫游等,但是由于該技術具有極強的可操作性,而且技術也相對成熟,已經成為應用最為普遍的基于圖形繪制技術之一。目前全景視圖主要應用在:虛擬環境、游戲設計、電影特技效果、虛擬博物館等等。在商用領域比較著名的有Apple的QuickTime VR、IPIX Viewer、Live Picture、IBM的Hot Media等系統。

4.虛擬現實在建表現領域中的發展方向

當然,隨著技術的不斷成熟和普及、硬件的日益發展,隨著客戶要求的越來越精益求精,虛擬現實技術當中更加豐富的功能也必將越來越多地投入到市場化運用當中。

比如筆者曾和我市一家地理信息技術公司合作,在某個規劃項目里,將虛擬現實技術與地理信息數據的運用結合起來。我們采用現有的衛星影像數據產生的三維地形,將其運用地理信息處理軟件ArcGIS輸出為3dmax軟件支持的網格模型,并在其基礎上創建規劃項目當中的建筑群、道路、橋梁等三維模型,從而實現了更加接近真實環境的規劃方案表現。

在建筑規劃以及市政建設的領域,對虛擬現實的高層次要求也比較突出,在這樣的項目里,對于場景的細節真實感程度并無過高要求,而是需要具有輔助市政規劃、幫助政策決策、信息查詢的功能,所以需要實現不同系統的現實和隱藏及信息檢索,比如新舊建筑、水電煤氣管線、交通樞紐、通訊網絡等。這樣全方面的運用和實現就不再是簡單的模型瀏覽器或全景技術能夠勝任的了,這方面的運用也有所發展,但真正投入市場化也還需要一定時間的研究和優化。

5.結語

虛擬現實技術本身就是一個正在不斷發展的新興技術,而怎樣將虛擬現實技術運用在建筑表現領域中也將是一個不斷深入的課題,雖然在現階段還不能非常完善地將最新技術運用到市場當中,但隨著技術的不斷發展,市場的不斷成熟,我們相信虛擬現實在建筑表現當中將會成為更重要的表現手段。

參考文獻

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【關鍵詞】虛擬現實;虛擬儀器;電子教學

2010年的年初，詹姆斯.卡梅隆的3D電影《阿凡達》席卷了全世界，這部電影完全顛覆了人們心目中傳統電影的概念，藝術表現技術發生了質的飛躍，為全世界展現出了宏偉壯觀的視覺效果，特別利用了三維立體的電影技術，現在的電影藝術里已經把這項技術作為重要的賣點。電影不僅讓觀眾深深體驗到前所未有的三維的視覺和心靈的沖擊，同時3D技術也成為了人們關注的焦點。近年來，隨著科學技術的成熟，3D技術應用于越來越多的領域，除了全國人民都比較熟悉的3D電影技術，電視與游戲的3D技術也正在興起，同時虛擬社區的3D商店和虛擬現實技術也逐漸走進了高校的電子教學中。虛擬現實技術在電子測量領域的應用非常廣泛，其中也包括電子設計和虛擬實驗等。虛擬系統中的編程語言LabVIEW等課程是高校理工科學生和必修課程。目前國內的大學都配有虛擬電子實驗室，其中大量應用虛擬現實技術的電子實驗教學軟件。為了方便教學，學校專門建立虛擬電子實驗圖像的交互式的教學平臺，由電子計算機輔助教學，并且還可以對電路和虛擬實驗的非損耗設備進行定期檢測，教學設備的類型多樣，實驗成本低且效率高。

一、虛擬現實技術概述

一般來說，只要是通過三維模型實現人機交互的操作就都可以被稱為虛擬現實的技術。虛擬現實的定義還可以用更為嚴格概念表述：就是指通過虛擬儀器的操作，然后應用到相應的實際場景中，并賦予這個場景一定的功能顯示。例如3D汽車模型，當車輛的三維模型制作出來后，可以允許用戶選擇這個三維模型所處的背景，可以是運行在城市或鄉村的路上，它允許用戶編寫動作腳本為這個虛擬模型進行定義，滿足各個要素后得到的才是最完整的“虛擬現實”。

虛擬現實還應該具有以下的特點：

多感知性：這個特點是指虛擬現實不僅能夠表現出來計算機技術賦予的特點，通常它還具有聽覺、觸覺、運動甚至包括味覺、嗅覺的感知功能。

浸沒感：又稱臨場感知，這個特點是指模擬環境的仿真度達到理想的狀態，使身臨其境的用戶難以分辨真假，用戶全身心投入到計算機創建的三維虛擬環境中，所有的環境是真實的，就像在現實世界中一樣。

互動性：用戶在虛擬環境中的可操作程度以及反饋程度，具體的說就是用戶可以通過直接接觸的方式來控制虛擬環境中的對象，并能感覺到物體的重量等具體信息，用戶也可以直接操控視覺對象。

構想性：它是指虛擬現實技術可以創造出一個廣泛的空間，可以通過想象擴大用戶的認知范圍，可以不受真實環境限制而隨意的想象，哪怕是現實環境中不可能發生的。

二、在電子教學中應用虛擬現實技術

現在我們所說的虛擬現實技術的本質主要是指人與計算機之間信息交流的技術，針對虛擬現實技術的特點，我們可以把這一技術應用于電子教學過程中，提高教學質量。

1.虛擬教學與虛擬實驗

虛擬現實技術能夠為為學習者提供豐富的學習資源和學習材料，借助于虛擬現實技術，教師和學生可以在虛擬環境中觀察到一些關鍵問題，讓學生在親身體驗中獲得實踐經驗，大大提高了他們對抽象知識的理解能力和對所學內容的控制能力。虛擬實驗主要是利用虛擬現實技術建立各種虛擬實驗室，根據教學的需要可以在任何時間內，并以任何形式虛擬各種各樣的教學設備，教學內容可以不斷更新，使教學訓練能夠與科技的發展速度同步，為學生提供生動逼真的學習環境。

2.虛擬仿真校園

以虛擬現實技術為基礎建立遠程教育平臺，為學生提供移動學習空間，因為高校擴招，目前學校的學生人數已經達到了一定的規模，相比而言學校的教學資源出現了緊張的現象，遠程教育通過課程目錄和網站程序的交互式遠程教學，為每個遠程終端開放繼續教育，可以提供更多的學習機會和專業技術培訓，也能為社會創造更多的經濟效益。

三、虛擬儀器在電子教學中的優勢

在教學過程中，完整的測試儀器會由許多不同的儀器組成， 這些虛擬儀器和計算機網絡互連，網絡模塊可以建立通信系統與遠程應用工具交流信息，通過互聯網電子郵件系統的功能為遠程實驗教學創造了有利條件。

虛擬儀器擁有強大的數據處理功能，它以計算機技術為核心技術，使用虛擬儀器可以很容易地測量變量，并且清晰的顯示測量分析的過程。而傳統儀器的測量存在一定誤差，虛擬儀器的測量速度快、精度高，優勢比較明顯。

虛擬實驗的設計和測試是各種電子電路等電路虛擬實驗的反饋，教師可以設計計算機“虛擬組件”和“虛擬測試儀”工作平臺，學生通過遠程網絡學習后訪問學校的虛擬實驗室系統，執行應用程序即可進行虛擬實驗，測試的結果和模擬分析過程都會存儲在磁盤上，有且于學生對于學習結果的鞏固。

虛擬電子實驗室為學生創建了一個理想的測試環境，構建新的教學模式，促進學生的創新能力，教學結果的驗證實驗方案也可以選擇解決具體生活中的問題，如數字電路課程結束后，學生可以把虛擬實驗室中的操作用于聲控燈、報警電路、控制電路和控制電子交通燈的電路設計，不僅可以提高學生學習的積極性，還有助于提高教學質量和學生的動手操作能力。教師還可以利用虛擬電子實驗室設計一些高難度的綜合設計，例如數字鐘里的計數、譯碼和分頻電路對于鐘表數字顯示的控制，集成的組合邏輯電路和時序邏輯電路等，進一步培養學生的能力。

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關鍵詞：虛擬現實技術；電視節目；文化傳播

引言

虛擬現實技術是一種通過計算機而生成的可讓人感覺身臨其境的三維立體型模擬環境，此環境與人類生活環境極為相似。相比于二維平面，利用虛擬現實技術所創造的三維空間可讓人更加直觀地感受靜止空間和虛擬世界。虛擬現實技術打破了時間和空間的局限性，給傳統媒體的發展帶來了巨大的挑戰，同時也影響了現有媒體節目的制作方式，豐富了媒體節目創作者的思維，為我國影視業的發展提供了更加廣闊的空間。

1 虛擬現實技術概況

1.1 虛擬現實技術的概念

虛擬現實技術，簡稱“VR”技術，即虛擬仿真技術，又叫“靈境”技術，是利用計算機技術結合相關需求以創造一個虛擬的環境，人在這個虛擬的環境當中可充分發揮五官功能，讓人感覺身臨其境，使人獲得一種非常真實的虛擬體驗[1]。虛擬現實技術集計算機技術、圖形學、實時跟蹤技術、立體顯示技術等于一體，是一種高度集成的新型科學技術。

1.2 虛擬現實技術的分類

依虛擬現實技術所研究的內容進行分類，虛擬現實技術有虛擬現實技術本身及虛擬現實技術的應用，而依虛擬現實技術的特征進行分類，其可劃分為以下四大類：第一，沉浸式。沉浸式虛擬現實技術需借助部分外部設備，如頭盔顯示器、跟蹤設備等，然后結合利用計算機所生成的虛擬世界方能實現人機交互，使人類體驗到真實的虛擬世界，感受虛擬現實技術所帶來的樂趣。第二，桌面式。桌面式虛擬現實技術，即利用顯示器將所生成的虛擬場景顯示出來，用戶借助部分輸入設備以對顯示器上的虛擬場景進行控制，從而實現人機交互。第三，分布式。分布式虛擬現實技術，即可實現共享的一種虛擬現實技術，利用網絡連接可實現一個虛擬世界的多個體驗者的共享。第四，增強現實式。增強現實式虛擬現實技術是利用計算機三維技術將多個虛擬場景進行疊加，使虛擬場景更加接近真實場景，用戶利用部分設備可自由欣賞進行疊加后的場景?，F增強現實式虛擬場景已廣泛應用于旅游業、電影業、展覽館等方面。

2 虛擬現實技術在電視節目當中的應用

虛擬現實技術不僅應用于各類高科技行業，如軍事、航天等，而且在娛樂、游戲方面也發揮著非常重要的作用，尤其是在電視節目當中的應用，有效豐富了電視節目制作方式，促進了傳統媒體行業的發展。

2.1 虛擬演播室

虛擬演播室就是利用計算機生成虛擬景象，然后再將虛擬景象與現實中利用電視攝像機所拍攝的道具、人物等真實畫面以數字化形式進行合成，從而形成虛實結合的視覺效果。在整個過程當中，攝像機所拍攝畫面經計算機傳輸至圖形工作站，計算機根據畫面情況判斷前景物體與攝像機的相對位置及距離，從而得出虛擬場景的最佳大小和位置，并依相關要求生成三維模型的虛擬場景。而在現實拍攝過程當中，主持人或是演員是先于藍色或綠色幕布前進行表演，然后通過切換臺的色鍵功能分離出人物，并與利用計算機所生成的數字背景進行合成，從而構成一個虛實結合的“假”實景。虛擬演播室可利用相關軟件生成所需背景或道具，制造出現實生活當中并不存在或是難以制造的場景，同時還可實現場景的瞬間改變，制造出現實演播室難以或無法制造的效果，攝像機可隨意旋轉，所制造的空間不受物理空間的影響，還可添加各類虛擬環境、道具等。利用虛擬演播室，導演可打破現實生活中時間、空間和道具等方面的局限，獲取更多創造靈感，從而創作出更加震撼、新奇的視覺效果。此外，利用計算機可完成場景的自由更換、修改、制作、保存等，節約了大量人力、物力、財力，有效提高了節目制作的工作效率，同時也加強了演播室的利用效率。

2.2 新聞現場模擬

傳統電視節目當中，新聞信息主要包括新聞畫面和新聞文本。若無新聞畫面而只依靠新聞文本會略顯單薄，很難吸引觀眾，也難以給予人們深刻的印象。隨著信息化技術的快速發展，新聞報道已逐步朝技術化道路前進。新聞現場模擬是利用虛擬現實技術對新聞事件進行模擬，使觀眾能深入新聞現場，包括突發事件現場、事故現場、作案現場等，清晰還原新聞畫面和事實，特別是一些現實生活當中很難拍攝到、無法展現或是難以還原的場景，讓觀眾通過“體驗”了解事件發生的整個過程。另在進行新聞播報的過程當中，為能提高新聞的可視性，新聞制作過程還可利用數字虛擬現實技術，實現新聞的三維圖像模擬，將一些很難還原，或是難以說明的新聞以模擬形式展現出來。

我國央視新聞頻道的《朝聞天下》在對美國黃石超級火山爆發的新聞進行報道時，為真實展現火山威力可能要比預計得更強時，就利用了虛擬現實技術，對超級火山爆發的畫面進行了模擬，同時模擬了地震波和巖漿活動，使觀眾能清晰地了解到火山爆發的原因及可能會受到影響的范圍[2]。此外，新聞播出當中還有各類利用虛擬現實技術進行模擬的表現，如交通事故現場模擬、犯人作案現場模擬、營救人質演示等。虛擬現實技術使得新聞播出更加直觀、生動，一方面有效吸引了觀眾眼球，另一方面也加深了觀眾對于新聞內容的印象程度。

2.3 原理流程演示

虛擬現實技術在電視節目當中的應用還體現在對于一些科學技術的展示以及對于一些原理、流程的演示?，F實生活當中很多難以拍攝、拍攝成本較高或是無法還原的畫面，如發射運載火箭的畫面、火箭發射后箭體脫落、分離的畫面、衛星是如何被運送至預定軌道的畫面等，都可利用三維技術實現數字化模擬。要注意的是，在實現這些畫面模擬之前需先建立可對真實外觀進行虛擬實體反映的虛擬模型，模型建立之后方可對其進行驅動操作，從而實現虛擬運動的動態化。虛擬現實技術可縮短試驗及研發周期，降低其基本費用，同時還可獲得較高品質的試驗結果。虛擬現實技術還可模仿很多復雜的物理現象，如火箭的發射過程，先利用虛擬技術模擬三維動態場景，然后再利用三維動畫和聲響使整個發射過程更加形象、直觀地展現出來。我國中央電視臺新聞頻道和中文國際頻道就于2011年利用虛擬現實技術實現了神舟八號和天宮一號交會對接過程的三維模擬演示，另中文國際頻道在《神八飛天逐夢天宮》的特別節目當中利用三維模擬技術對神舟八號和天宮一號交會對接的原理和過程進行了模擬，并創造出了非常逼真的虛擬環境[3]，使觀眾能直觀地看到神八與天宮的交會對接場景，同時增長了很多新知識。

3 結束語

隨著計算機技術的不斷發展，虛擬技術在電視節目當中的應用將會越來越深入，使電視節目制作方法愈發豐富，制作效果更為優秀。當前我國電視節目當中利用虛擬現實技術所制作出來的畫面已難以辨出其真實性，但人機交互系統方面尚存在欠缺，只能依準備好的方式配合虛擬效果或虛擬場景。相信伴隨虛擬現實技術的不斷成熟，在不久的將來，虛擬技術必將帶給電視節目一場技術性的革命。

參考文獻

[1]閻庚順.虛擬現實技術對電視節目的影響[D].哈爾濱師范大學，2012.

[2]蔡盈洲.虛擬現實對電視的影響[J].中國廣播電視學刊，2016（11）：60-64.