先进制造技术——虚拟现实

虚拟现实(VirtualRealit苏VR)是以计算机技术为核心,结合相关科学技术,生成与一定范围真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字化环境,用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响,可以产生亲临对应真实环境的感受和体验.虚拟现实是人类在探索自然、认识自然过程中创造产生,逐步形成的一种用于认识自然、模拟自然,进而更好地适应和利用自然的科学方法和科学技术.

虚拟现实思想和研究目标的形成

VR概念、思想和研究目标的形成与相关科学技术,特别是计算机科学技术的发展密切相关,

主要经过了 模拟仿真物理现实 计算机仿真科学技术 算机显示和人机交互的角度）这三个阶段。

虚拟现实的科学技术问题类

VR的目的是利用计算机技术及其他相关技术复制、仿真现实世界(假想世界),构造近似现实世界的虚拟世界,用户通过与虚拟世界的交互,体验相对应的现实世界,甚至影响现实世界.这一过程可以形式化地表述为：

设W为现实世界(假想世界)所有状态的集合,将W划分为不交子集的集合T,以使不同的vR建模方法可以模型化对应划分中的现实世界状态;C是计算机状态序列的集合;E是人机交互设备的集合,S(e)为e的状态序列的集合.我们首先定义一个选择操作see,它把W中的状态映射到它所选择的划分:

模拟现实世界（计

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see:W*T.

in,show,do三个函数就是虚拟现实的三大科学技术间题类.in是VR中的建模,可以是一个算法、公理系统,也可以是一个有结构的人工计算机输入过程;show是vR对象的表现,可以是一个算法、数据变换,也可以是有结构的数据输出流;do是人或外部世界对虚拟环境的控制,是有结构的数据输入流,与交互设备密切相关.

没看懂吧，没关系，我们从下面来慢慢解释这些函数。

虚拟现实系统的分类

VR的研究对象、研究目标和应用需求都决定了这是一个学科综合交叉、应用领域广泛、系统种类繁多的科学技术领域.VR系统从不同的角度出发可以有不同的分类.

从系统功能角度的分类

从系统的功能和作用,实际上也就是从应用的角度来看,VR系统可分为训练演练、规划设计和展示娱乐等几类。

从沉浸式体验角度的分类

从沉浸式体验角度,VR系统有非交互式体验、人一虚拟环境交互式体验和群体-虚拟环境交互式体验等几类.

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这种角度强调用户与虚拟环境的交互.

在人一虚拟环境交互式体验系统中,用户可以通过交互设备(如数据手套、数字兵器、数字手术刀等)与虚拟环境进行交互,虚拟环境中的景物对交互行为做出实时响应,使用户能感受到虚拟环境的变化,从而产生对相应现实世界的体验,如飞行模拟器、单兵训练环境等;群体-虚拟环境交互式体验系统是人一虚拟环境交互式体验系统的多机化、网络化.多个或群体用户可以共享一个虚拟环境,同时与包括用户化身在内的虚拟环境进行交互,感受到和虚拟环境及其他用户相互作用的体验,如军事仿真演练、网上交互游戏等.

虚拟现实系统中的数据流

VR系统是一种拥有多种类型数据的复杂信息系统,可以由运行期间不同类型数据流动的方式和走向来描述.按照这种观点,VR系统就是一个在n个阶段,有二种数据根据一定规则,与有关环境相互作用,不断进行转换、积累、流动的信息系统.

VR系统中的数据根据其来源和所起的作用可分为4类:平台数据(platform data,记为PD),这类数据包括支撑具体虚拟现实系统运行的计算机系统、网络系统、公共平台所生成的元数据,也包括具体VR系统通用部分生成的管理数据:模型数据(modeldata,记为MD),VR系统中的主体数据,是现实世界事物在数字空间中的映像;感知数据(sensedata,记为SD),或称渲染数据,作用于各种输出设备使用户产生视、听、力等感觉;控制数据(eontroldata,记为CD),指用户通过输入设备所生成的数据,用于对虚拟环境进行控制和影响.四类数据及对应的生成器,如表1所示.

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几种vR系统中的数据流.

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体光照模型

体光照模型是对光线穿过体素时光强发生变化等物理现象

的数学描述,是进行直接体绘制的基础.目前常用的体光照模型有源一衰减模型、变密度发射模型、材料分类及混合模型等几种.

源衰减模型把体数据场中的每一体素作为一个质点光源分配一个源强度和一个衰减系数,生成的光线在数据场中沿距离衰减后被投影到视平面上,形成结果图像.该模型具有比较可靠的物理和数学基础,是目前体绘制中应用较多的光照模型.

变密度发射模型把任一对象看作一个连续分布的质点光源系统,对象空间充满粒子云,每一粒子均可发光,通过累计光线所穿越的质点对光强的贡献来计算光照.虽然微观解释不同,但这种模型与源一衰减模型所得到的结果一致。

材料分类及混合模型认为体素是由若干种材料组合而成,对不同材料分别计算其密度分布、光照强度和不透明度;通过组合公式按各种材料所占的百分比混合成该体素的亮度和不透明度,并根据组合体发射光和面散射光计算出总体光照

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