虛擬現實技術與應用
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虛擬現實技術與應用范文第1篇
關鍵詞： 虛擬現實 汽車工業 產品設計
1.引言
虛擬現實技術，是近年發展起來的高級計算機技術，是建立在計算機圖形學、仿真學、并行技術、人工智能、多媒體技術及高性能計算機系統等技術基礎之上的。目前世界上對虛擬現實還沒有一個確切的定義，不同的人對其有不同的理解，比較有代表性的定義有下列三種［1］：
（1）虛擬現實，英文名稱Virtual Reality，簡稱VR，是一種可以創造和體驗虛擬世界的計算機系統。這里所說的虛擬世界是指所有虛擬環境或給定仿真對象的全體。而“虛擬環境”一般是指用計算機生成的有立體感的圖形，它可以是一特定現實環境的表現，也可以是純粹虛構的世界。
（2）虛擬現實是使人可以通過計算機看見、操作極端復雜的數據并與之交互的一種方式。
（3）虛擬現實是一種媒介，它具有三維合成環境，人們可以按自己的意愿，從任選視點實時地在其中連續而自由地探測、考察和體驗。
Virtual Reality一詞最早是由美國VPL公司的創建人之一Jaron Lanier于20世紀80年代初正式提出來的。他認為，與傳統的“人―機界面”相比，虛擬現實技術具有質的飛躍。傳統的“人―機界面”是將用戶和計算機視為兩個獨立的實體，將界面視為信息交換的媒介，用戶將要求或指令輸入計算機內，計算機將信息或動作反饋出來。而虛擬現實技術則將用戶和計算機視為一個整體，通過各種直觀的工具將信息可視化，用戶直接置身于這種三維信息空間中自由地操作和控制各種信息，從而成為信息的主人。
2.虛擬現實技術在汽車工業中的應用
2.1在虛擬設計中的應用。
基于虛擬設計技術的對象是產品的結構和性能，從產品設計、分析、模擬、評測出發，對客戶所需求的產品性能和成本進行優化，它的對象是產品本身［2］。
近幾年來，CAID技術為企業在新產品開發過程中提供了有力的支持，但目前在虛擬設計中通常使用軟件組合來完成產品設計過程。例如復雜曲面的產品造型，多采用Rhino和Pro/Engineer，而產品的渲染則采用3DMAX或LightWAVE，其實質并沒有把設計人員從二維鼠標與鍵盤上解放出來，設計人員也并沒有真正參與到虛擬產品設計中來，在某種角度上限制了設計人員的積極性與創造性的發揮。
現代生產中產品的虛擬設計和開發就是建立虛擬樣機。以借助虛擬現實技術建立的三維汽車為例，在對汽車進行設計時，設計人員在具有全交互性的設計環境中，利用頭盔顯示器、具有觸覺反饋功能的數據手套、操縱桿、三維位置跟蹤器等裝置，將視覺、聽覺、觸覺與虛擬概念產品模型相連，不僅可以進行虛擬的合作，產生一種身臨其境的感覺，還可以實時地對整個虛擬產品（Virtual Product）設計過程進行檢查、評估，實地解決設計中的決策問題，使設計思想得到綜合。在交互性的虛擬環境快速成型設備上，設計人員對虛擬產品設計模型的直接設計，提高了設計人員積極性與創造性的發揮。
2.2在虛擬制造中的應用。
虛擬現實技術是虛擬制造系統的基礎和靈魂，虛擬制造系統是由多學科知識形成的綜合系統，是利用計算機支持技術對需要進行生產和制造的產品進行全面建模和仿真，它能夠仿真非實際生產的材料或產品，同時得出有關它們的信息。
虛擬制造系統（Virtual manufacturing system）由虛擬信息系統（Virtual information system）和虛擬物理系統（Virtual physical system）組成。虛擬信息系統也叫虛擬邏輯系統，主要是用來模擬處理設計、管理、計劃調度等制造活動中的信息；而虛擬物理系統是計算機對實際的加工車間，包括機床、材料、工人等進行建模，并在此模型的基礎上進行仿真實際制造系統的制造過程。
虛擬物理制造系統中的信息和實際的制造系統相一致，它是虛擬制造系統的關鍵。虛擬制造技術的應用范圍涉及產品的整個生命周期，它可以在生產設備、工裝和模具，甚至樣車的設計之前，很容易地對生產系統和工藝過程進行建模、修改、分析及優化。在汽車柔性生產系統（FMS）、計算機集成制造系統（CMIS）的設計和應用中，就廣泛運用了虛擬現實技術。
虛擬設計與虛擬制造都是圍繞著產品而展開的活動，是一個彼此相互聯系有機整體。虛擬模型相互關系如圖1所示。
2.3在虛擬試驗中的應用。
虛擬試驗技術作為汽車虛擬制造技術的一個關鍵環節，在汽車空氣動力學及汽車被動安全性研究中正得到越來越廣泛的應用，汽車被動安全性研究包括車身抗撞性研究、碰撞生物力學研究以及乘員約束系統和內飾件的研究。
虛擬試驗方法的核心是有限元法和多剛體動力學的數值方法，它通過一定的前后處理程序和數據轉換模板，以CAD文件為輸入，在計算機中模擬出與實際試驗一樣的環境。通過計算，得到試驗報告。
設計師設計出的新型汽車是否合理，往往需要經過碰撞、風洞等測試加以檢驗。最初檢驗新型汽車性能的方法是：先在一輛樣車上放置木偶，加速后讓它與墻壁碰撞，然后，再檢測車身與木偶的受損程度，由此斷定碰撞過程中車與人的受力情形。這種方法，不僅存在著嚴重的誤差，而且需先把樣車做出來，費事費力。而采用虛擬試驗方法，則只需先用木材、黏土或陶土做一輛汽車模型，在風洞中測定其空氣動力學數據，再把模型掃描進虛擬環境系統，把它放大成與真車一樣的大小。通過虛擬環境系統模擬撞車，可以精確地把木偶的手或腳的受力情況反映出來，采用這個系統，可以減少約一半的設計費用及時間。
3.虛擬現實技術在汽車工業中的前景展望
多媒體技術軟硬件飛速發展，特別是虛擬現實技術與多媒體技術有機結合，加快了設計人員從鍵盤和鼠標上解脫下來的速度，使虛擬設計技術在新產品開發應用方面也得到提升。雖然目前汽車工業應用虛擬現實技術進行產品開發、制造、試驗目前處于起步階段，主要應用于概念車和車身內外模型的開發，另外在汽車裝配中亦有少量使用，但我們相信，隨著傳感器與信息環境的交互技術等虛擬現實技術不斷發展和完善，它必將引起汽車行業各個領域的革命性變化。
3.1敏捷制造/虛擬工廠。
虛擬現實技術將廣泛應用于汽車工業，主要是以美國工業界提出的一個敏捷制造/虛擬企業為契機的。1991年，美國里海大學受美國國防部委托，組織編寫了《21世紀制造企業的戰略》的報告。在報告中，首次提出了敏捷制造（Agile manufacture）和虛擬企業（virtual enterprise）的概念。他們認為敏捷（agility）是一種能使企業在無法預測、持續變化的市場環境中保持并不斷提高競爭力的能力。
該報告設想到2010年建立美國汽車（USM）公司，實現汽車工業的敏捷制造/虛擬工廠，主要達到以下目的標：
（1）每輛USM公司的汽車都按用戶要求制造，每輛USM公司的汽車從定貨起3天內交貨。USM汽車在整個生命周期內有責任使用戶滿意，并且這種汽車能重新改造，使用壽命長。
（2）用戶可以利用USM公司的圖表、虛擬設計軟件設計自己所需的汽車，并了解其售價、運行費用等。
（3）用戶初步選定車型后，可進行模擬試驗，通過模擬試驗或重選或提出意見，滿意后辦理訂貨手續。
（4）USM公司工廠按年產6萬輛設計，同一條生產線上可裝配其所有型號的變型車，數量不限。
（5）在世界各地建廠，6個月內投產。
（6）4個月提出一種新車型。
（7）設計與制造能力匹配，產品設計與工藝設計同時進行，對全車設計與制造工藝進行虛擬設計和仿真。
（8）設計通過后，有計算機選擇所有制造設備，并投入生產。
未來敏捷制造/虛擬企業的模式將表現為由計算機網絡控制的多個柔性制造單元組成的分布式自動制造與虛擬制造系統。
3.2對并行工程的促進。
不斷發展的CAD、CAM、CAS（計算機輔助造型）、CAT（計算機輔助試驗）、CAE（計算機輔助工程分析）等各個領域滲入虛擬現實技術，并形成一個具有集成性、并行工程的網絡。各個虛擬現實工作室工作人員，可以在不同的地點、不同時間、不同場合進行虛擬現實對話，在進行產品設計的同時，虛擬現實技術有能力提供大量的數字化三維模型，對分析、研究、建立生產裝配線、工藝流程、原材料品種和消耗、工廠費用和成本等，通過檢測，最終選定一套最佳的工廠設計方案［3］。
同時，企業領導、工程技術人員、經銷商、供應商等，還可在該虛擬現實環境中，共同探討各種產品的性能與市場前景，以便生產出用戶滿意的汽車產品，并且有關產品的供貨合同、設計、生產、試驗、儲運等問題，都可以一并解決。
3.3供、銷商介入汽車生產。
以前，每當設計新車型時，經常會因一些技術參數的更改而與零部件供應商進行反復溝通與協商，而這些溝通與協商幾乎都是以郵件、傳真等方式進行的，很不方便。但在虛擬現實技術的環境中，主機廠工程技術人員設計新車型時，可要求主要零部件供應商將擬采用的零部件數據以CAD及CAS的方式輸入主機廠的數據庫，并讓它們進入主機廠的開發網絡，當主機廠修改設計方案時，與之配套的零部件也將實時進行修改，不必與供應商反復溝通與協商。
4.結語
目前，虛擬現實技術正滲入到汽車工業的各個領域，它不僅為汽車設計開發人員創造了更為寬松自由的工作環境，而且從根本上動搖了一些曾被視為經典的汽車產品設計開發理論和指導原則。虛擬現實技術已經被普遍認為是下一代產品設計的主要技術，它的推廣和應用將使汽車工業的思維模式、開發方式、部件供應、組織形式、市場競爭等方面產生全方位的創新和變革。在虛擬現實技術的未來發展中，虛擬汽車和真實汽車之間的界線將會變得越來越模糊。
參考文獻：
［1］李怡，李樹濤.虛擬工業設計［M］.北京：電子工業出版社，2003，6.
虛擬現實技術與應用范文第2篇
關鍵詞：UDK；虛擬現實技術；室內設計；漫游
中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9599 （2012） 18-0000-04
當今的房地產業發展十分成熟，隨之帶動室內設計行業的競爭激烈，傳統的平面效果圖、沙盤模型、樣板房及漫游動畫已不能滿足消費者的需求，作為一種最直觀的設計表現的技術手段，虛擬現實技術已經成為設計師和客戶交流溝通、展示的平臺，與傳統的設計表現方法相比，設計方案的交流更為高效，能更好的滿足客戶要求等特點。虛擬現實技術也將成為室內設計表現和展示的最佳方式。
1 設計軟件介紹
1.1 UDK（Unreal Development Kit）
UDK是基于Unreal3引擎（虛幻游戲引擎第三代）的免費版開發工具，是一套為DirectX 9/10 PC、Xbox 360、PlayStation 3平臺準備的完整的游戲開發構架，支持64位HDR高精度動態渲染、多種類光照和高級動態陰影特效，可以在低多邊形數量（通常在5000～15000多邊形）的模型上表現出數百萬個多邊形模型才有的高精度，這樣就可以用最低的計算資源做到極高畫質渲染，符合虛擬場景的真實感要求。
在本次研究中，筆者運用UDK進行室內虛擬場景構建及場景瀏覽功能的實現，是體現虛擬現實技術的最佳工具之一。
1.2 3ds Max
3ds Max是3D Studio Max軟件的簡稱，是Autodesk公司開發的基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件。廣泛應用于廣告、影視、工業設計、建筑設計、多媒體制作、游戲、輔助教學以及工程可視化等領域。
2 漫游系統的制作流程
本次研究主要是針對虛擬現實技術的討論與研究，筆者在一套現成的三維室內客廳模型素材的基礎上，進行針對性的修改與制作以適應虛擬現實系統的需求。模型包括地板、墻壁、地板等主體部分形成客廳和餐廳的格局，配合沙發、茶幾、餐桌、飾品等模型豐富場景的細節。本系統開發流程如圖2.1所示。
4 總結
本次研究構建虛擬現實系統的工作主要包括：制作適合虛擬現實技術應用的三維模型、貼圖制作、場景構建、自動瀏覽等。本系統通過應用UDK工具，通過UV貼圖、法線貼圖等手段，利用低多邊形建模實現了高多邊形渲染質量；運用Vray光影烘焙貼圖技術，使得二維的單幀渲染才有理想光影效果，能夠在實時渲染的三維瀏覽場景中實現，相對于國內同類虛擬現實系統，大大提高了產品質量；在實時陰影、碰撞檢測等方面，整合了UDK各種編輯器應用，探索了將世界一流游戲引擎應用于室內設計領域的工作流程，具有較強的應用和推廣價值，即本文的創新點。Unreal3引擎還提供了強大的腳本語言（Kismet）的支持，在下一步的工作中，將進一步研究腳本語言實現場景交互的問題，從而使得用戶在瀏覽室內設計場景時得到更直觀的，更現實的感受。
參考文獻：
[1]http：///view/3964804.htm
[2]http：///view/123913.htm
[3]http：///view/1359428.htm
[4]Jason Busby，Zak Parrish，Jeff Wilson.精通Unreal Engine3卷一、卷二[M].武俠，孫德彪，張青春，張美蓉.北京：清華大學出版社，2011.
[5]朱旦晨，宋桂嶺.基于Unreal3的虛擬博物館系統的實現[J].計算機與現代化，2010，1：48-52.
虛擬現實技術與應用范文第3篇
關鍵詞：園林；虛擬現實；教學
中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）06-0112-03
the Exploration and Practice of Virtual Reality Technology Applied to the Teaching of Landscape Architecture
GAO Yang-lin1，LI Jin-jin1，YU Lu2
（1.Guangdong Industry Technical College. Guangzhou 510300， China； 2. guangzhou vocational college of science and technology. Guangzhou 510550， China）
Abstract：With analysis to the practicability and necessity of the application of VRT（Virtual Reality Technology） in Landscape Architecture， the paper confirms the VRT’s function in the teaching of Landscape Architecture， illustrates the technological path and running effect of building the Virtual Reality Teaching Platform and introduces the teaching effect of VRT.
Key words： landscape； Virtual Reality Technology； education
1 虛擬現實技術概述
隨著信息技術的飛速發展，園林行業設計、工程等各類項目已越來越多的與計算機等網絡信息技術結合。如園林工程方面的項目管理系統、招投標系統、工程預算造價系統等，園林設計方面的手繪結合的計算機輔助設計的設計制圖模式。在本世紀初計算機效果圖技術逐步普及，極大提升了設計表現效率并成為設計領域不可缺少的表現手段。隨著行業發展，靜態的固定視覺效果圖已無法滿足業主和設計單位的需求，近年來三維漫游動畫越來越多的應用在大中型園林設計中。通過相關軟件對設計內容進行建模、渲染和后期編輯，形成的漫游動畫相較靜態效果圖更加直觀。而近兩年隨著計算機圖形處理能力加速提升以及周邊軟硬件條件的完善，具有交互參與的漫游技術逐步進入人們視野。相較于傳統漫游動畫固定路徑和單向信息傳遞的先天缺陷，虛擬現實在交互性和沉浸感方面均具有顯著優勢。虛擬現實技術是一門綜合性信息技術，涵蓋了多個學科，主要用在計算機仿真領域，該技術的原理是通過計算機及相關軟件對真實環境進行模擬，用戶可以利用專用設備沉浸到模擬環境中，從而實現與該環境的交流與感受。
2 將虛擬現實技術引入園林專業教學的必要性
目前，園林專業教學資源多以教材、意象圖片、PPT課件、多媒體動視頻等為代表的靜態或初級動態的教學資源為主，而教學模式早已由教師主導的單向知識傳授模式轉變為以學生為主體的項目化雙向互動的教學模式，但相對落后的教學資源已很難適應教學模式的進一步改革和發展的需要。此外，園林專業教學受客觀條件的限制，教師講授內容很難全部經由具體實踐傳授給學生。例如，園林工程教學中涉及大量園林景觀和建筑施工，而在現實中很難提供學生逐一參與各類工程實踐的機會；園林規劃設計課程中教學用設計方案實施的可能性也微乎其微。由于以上客觀條件所限，教師實現預期教學效果的難度較大。因此，迫切需要一種可超越時間、空間和資源限制并能重復利用的低成本的教學資源和手段作為園林專業教學和實踐的有力補充，而虛擬現實技術的特點正好與之相呼應（如圖1所示）。
3 虛擬現實技術實施領域
3.1 設計類課程理論教學方面
將園林設計初步、園林規劃設計、室內設計等設計類課程中抽象的概念、規范、要求和案例通過虛擬現實進行表現。改以往教學“文字+圖片”的平面靜態模式為更易理解的三維虛擬動態環境，為學生提供更加直觀的學習體驗，進而提升其學習效率和興趣。
3.2 工程類實踐課程教學方面
對園林工程常見各施工項目分類進行虛擬現實，在虛擬環境中再現工程項目各工序從開工到建成的全過程，并引入交互式界面，用可控的動態影像直觀表現施工工藝、材料及相關要求和規范等。使以往部分由于時間、空間以及客觀條件限制無法開展的教學實踐項目得以在虛擬環境中再現，使學生對工程施工的認識更加具象直觀。
3.3 園林建筑結構與構造課程教學方面
通過虛擬現實將以往教學中較難理解的建筑結構三維數字化，學生可通過不同視角觀察分析建筑構造及其主要施工步驟，不僅可以減輕教師授課強度更能幫助學生快速掌握相關知識。
3.4 園林及建筑設計方案的虛擬現實分析驗證
在學生進行設計實踐過程中，從方案場地初步分析到最終成稿的全程引入虛擬現實技術，利用接近未來建成實景的虛擬環境分析驗證方案。在虛擬環境下，教師與學生置身于―個相對真實的模擬空間，使得園林設計能夠突破以往“平、立，剖”的常規模式，讓學生從各個不同的角度直觀地面對設計對象，更加深入地研究環境中各設計要素及空間關系、比例，設計出更加完美，更加人性化的方案作品。
3.5 虛擬現實資源的網絡教學平臺
將各類課程虛擬現實資源與相應網絡課程結合，實現資源共享，使學生可隨時隨地學習相關知識。
4 虛擬現實教學平臺的搭建
4.1 虛擬現實平臺的選擇
近年來信息技術飛速發展，計算機與各個具體專業的交叉滲透更加深入和全面。園林專業相關軟件也由最初的平面輔助設計軟件發展到可全程輔助設計表現。園林專業虛擬現實涉及軟件的發展已相當成熟，主要包括：AutoCad，SketchUp、3d Max、Photoshop、Lumion、Premiere、Unity3D等。通過分析對比各虛擬現實平臺的性能及擴展性，本研究采用Unity3D作為虛擬現實核心實現平臺，Unity3D是一個讓開發者輕松創建諸如三維視頻游戲、景觀可視化、實時三維動畫等類型互動內容的多平臺的綜合型虛擬現實開發工具，是一個全面整合的專業虛擬現實引擎，可完全滿足虛擬現實在園林專業的應用。
4.2 技術路徑
1）分析并歸納園林專業相關課程可供虛擬化的所有知識點以及相關課程項目作業內容；
2）結合虛擬現實系統軟硬件條件，確定各知識點和項目內容的初步場景表現形態，形成該虛擬現實場景構建程序和注意事項；
3）建立各場景基礎模型、完成材質烘焙，并分析檢查場景內容與虛擬現實平臺的兼容性；
4）將場景模型導入虛擬現實平臺，根據教學需要進行編程，完成交互操作和模擬動畫功能；
5）設計制作系統交互界面；
6）對完成的虛擬現實場景進行檢查，并進行后期處理以及添加必要文字、配音等工作；
7）整合進入教學系統，形成園林專業虛擬現實教學資源庫；
8）根據網絡和瀏覽器要求，優化教學資源庫進行網絡。
4.3 搭建教學平臺
根據預先確定的技術路徑進行教學平臺的開發，平臺使用操作便捷、易于掌握（見圖2）。
5 園林專業教學引入虛擬現實技術的意義
5.1 實現學生為主體的信息雙向流動的學習模式
傳統教學視頻與一般電影、電視類似，均為信息的單向傳遞，學生只能被動地接受動畫制作者預先確定的觀賞內容。即使采用漫游動畫由于其線性播放特點，學生也難以精確地切換場景和控制播放進度。通過引入虛擬現實技術，學生可根據自身需要或喜好，隨時移動或跳轉至指定場景或位置，增加觀賞者與漫游場景之間的有效互動。在此基礎上，根據場景實際情況加入互動參與功能，如園林夜景中的感應燈光、噴泉流量控制、展示屏幕顯示內容控制等，通過豐富的交互功能構建學生與虛擬現實場景間的良性互動。
5.2 使教學突破空間和時間限制
園林是對物理環境的改造和營建，學生在學習過程中必須大量積累過往各類園林、建筑及其施工等多方面項目經驗。但由于課程教學時間相對固定、項目地域分布不集中，為了解決此矛盾部分學校會在多數專業課結束后開設數周的外出綜合實習，為學生提供較為系統的學習參觀機會。此類實習雖內容全面但時間短、知識量過大且未與相應課程教學緊密結合，教學目標很難全部實現。特別由于課堂教學與實踐脫節，學生錯過了接受知識的最佳時間段，教學效果不無遺憾。借助于虛擬現實技術，學習與實踐同步進行，學習受時間和空間的限制被徹底打破。設計類課程學習與相應虛擬現實案例緊密結合，可直觀的為學生提供形象生動的學習體驗，使教學效果事半功倍。工程類課程借助于虛擬現實技術，每一步的施工環節、工藝及材料等清晰可見，從而可以最大限度地滿足學生的不同需要，學習不受時間、空間的限制。
5.3 彌補教學條件的不足
園林是人工化的自然環境，是一門基于對實際場地及其空間設計和施工的學科，是對物理及人文環境的營建，因此本專業的教學需要建立在實際環境中。但由于教學場地、設備、經費等客觀因素的限制，極少有學校能完全滿足園林專業對教學環境和條件的需求。由于條件所限制導致一些課程停留在“紙上談兵”的狀態，學生對所學知識缺乏親身體會。通過引入虛擬現實技術，可以極大地彌補這些方面的不足。學生在課堂中便可以直觀的體會所學知識，獲得與真實環境較為接近的體會，從而增加感性認識，深化對教學內容的理解。同時虛擬化案例教學耗費較少、節省實踐教學經費，可以反復進行，有利于從根本上改善和提高教學水平。
5.4 提升學生對空間的認識并提高設計和施工準備工作的效率
園林規劃設計不只是對平面區分，更是對空間和行為的設計。初學園林專業的學生乃至有一定工作經驗的設計人員對空間的理解常常不到位，很多學生會將全部精力放在平面圖及方案構圖上，最終導致方案雖然平面構圖很漂亮，但空間設計混亂、缺乏實用性。通過鼓勵學生使用虛擬現實技術對所做方案進行三維數字化建模，模擬方案建成的最終效果、分析方案空間合理性。在虛擬三維環境中對方案進行直觀的評價和驗證，有利于發現設計中的不足并及時優化設計方案，從而鍛煉學生空間思維和對尺度把握的能力。
此外，園林設計對于環境變化的前瞻性和周圍景物的關聯性要求很高，在動工之前景必須對完工之后的環境有―個明確的，清晰的概念。
6 結束語
隨著經濟社會的發展，行業企業對人才素質的需求不斷提升，由此對職業教育也提出了更高的要求。將虛擬現實技術應用于高職園林專業教學，可以優化現有教學觀念、突破單一授課模式和教學資源，營造出接近現實的動態虛擬環境，學生通過切身的體驗和感受，積極構建屬于自己的知識形態。在教學中利用虛擬現實技術，學生可以在計算機模擬環境中開展課程實踐，這種教學手段不僅可以直觀的展示設計理論、提供方案和工藝的交互探討界面，更能顯著提升教學效率并擴展學生學習維度。通過近兩年教學實踐探索，本專業學生學習興趣和學習效果有了明顯的飛躍，在學生工作室承攬真實園林設計項目和職業技能大賽方面都取得了顯著成果。
參考文獻：
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[3] 宣雨松. Unity 3D游戲開發[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2012.
虛擬現實技術與應用范文第4篇
【關鍵詞】虛擬現實技術 建筑領域 應用
一、虛擬現實技術概述
虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）技術，又稱靈境技術，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，感受到真實世界中無法親身經歷的體驗。
虛擬現實技術具有沉浸感、交互性、想象力三個基本特征。
沉浸感，是指用戶感到作為主角存在于虛擬環境中的真實程度，即讓用戶由觀察者變為參與者，覺得自己是計算機系統所創建的虛擬環境的一部分，并能全身心地沉浸于虛擬實踐中。沉浸感被認為是VR最主要特征，導致這種沉浸感的原因是用戶對計算機環境中的虛擬物體產生了類似于面對現實物體時才有的意識或幻覺。
交互性，指用戶對虛擬環境中對象的可操作程度和從虛擬環境中得到反饋的自然程度。主要借助于各種專用設備（如頭盔顯示器、數據手套等）產生，從而使用戶以自然方式如手勢、體勢、語言等，如同在真實世界中一樣考察和操作虛擬環境中的對象。
想象力，指用戶在虛擬世界中根據所獲取的多種信息和自身在系統中的行為，通過邏輯判斷、推理和聯想等思維過程，隨著系統的運行狀態變化而對其未來進展進行想象的能力。對適當的應用對象加上虛擬現實的創意和想象力，可以大幅度提高生產效率、減輕勞動強度、提高產品開發質量。
虛擬現實技術的出現為人類認識世界開辟了一條新途徑，為我們創建和體驗虛擬世界它提供了有利的支持。它逐漸成為21世紀廣泛應用的一種新技術，目前已經被廣泛應用到如建筑施工、教育培訓、醫療、軍事模擬、工業仿真等諸多領域。
二、虛擬現實技術在建筑規劃中的應用
1. 在城市規劃中的應用
現在建筑規劃應用到的信息系統，主要有土質數據庫系統、地域信息系統、地理信息系統、城市政策信息系統等，多采用數據庫系統的形式。這些數據庫的一個重大缺陷在于數字化程度高，可視化程度低，表現的是抽象信息，非專業人員可接受性差。例如：地理信息系統對地形地貌的表現，如果只是由數字來表現，則可讀性會很差，表現為地形圖的形式，則相對容易接受。而采用虛擬現實技術，在系統中輸入地形、地貌的數據，則可以從不同的角度去觀察，在取得必要數據的同時，使人有直觀的感受，不用再勞神費力地想象地形圖所表現的實際地形情況。這種直觀的表現形式為規劃審批、決策帶來了極大便利，最大限度地提高了公眾的參與程度，有效降低了規劃師的勞動強度。而合理的規劃，又能最大限度地降低了工程投資。
2.在建筑裝修過程中的應用
工程項目進入室內裝修階段通常就臨近預定的竣工日期。由于裝飾施工圖等技術原因造成裝修工程返工、工期延長、造價增加是屢見不鮮的，外觀效果與內在質量達不到理想效果也是常有的事。利用虛擬現實和CAD技術在施工前事先在計算機上進行室內裝飾的數字仿真，在計算機系統上進行修改，以解決裝修設計中某些與實際脫節的現象，就可以有效避免上述弊病。
現在越來越多的建筑物外墻貼鋪面磚，面磚的色彩豐富，規格多樣，加之建筑造型各異，使得面磚貼鋪方案的確定大有文章可做。常規方法是在建筑手工立面圖上劃出面磚的分隔，并著色來觀察效果，確定方案。這種做法缺點是立面越多，考慮的方案越多，要繪的圖紙就越多，工作量很大。而運用VR結合CAD技術在計算機上模擬貼面磚，模擬面磚色彩，可減少重復制圖。還可以用繪圖儀繪制出模擬效果以便進行比較。該技術除了可用于外墻貼面磚的模擬，還可用于模擬室內外鋪貼地磚、花崗石、大理石等。由于在施工過程中，模擬繪制是按現場粉刷后的實際尺寸進行模擬和繪制的，這樣的模擬與實際非常貼近，使得現場施工時定位放線與模擬圖十分吻合，從而避免了以往施工放線時的尺寸與原施工圖尺寸誤差而帶來的麻煩。
三、虛擬現實技術的現實意義
1.先期技術成果演示與論證
大型建筑工程建成后往往會對周圍的景觀、環境產生較大影響。他們建設成本高，社會影響大，安全性、經濟性以及功能合理性的意義更加重大。目前，這種重大項目建設的初期經濟評價一般是建立在高度抽象的模型基礎上，不容易避免。項目建設前的功能評價通常也是建立在想象和經驗的基礎上，出現偏差也是常有的事，而這種偏差造成的功能上的缺陷幾乎是無法彌補的。也有一些功能評價建立在物理模型和計算機仿真模型分析的基礎上。但物理模型是縮小比例的模型，試驗和評價難免出現誤差，而且試驗周期長，費用較高。如何利用新技術，在建筑的設計階段就對方案進行全面、客觀的盡可能貼近建成事實的評價，是人們所關心的問題。
2.改善設計
采用虛擬現實技術實現的虛擬環境系統，可以向建筑設計單位提供一套進行建筑性能評價的有效工具，以利于更好地認識設計參數與設計結果之間的關系，發現設計中潛在的缺陷和問題，試探解決問題的不同方法，從而使整個設計更加完善。
一些建筑物，如圖書館的閱覽室等，對建筑內部的采光要求比較高。為了達到最佳的采光效果，設計人員可以把建筑物模型及各種環境條件輸入到虛擬現實系統中，通過日照和燈光的模擬，讓人感受到光照的質量。建筑師可以采用不同的方案比較，實時修改方案，實驗不同種類的反光材料，直到得到最佳采光結果。
3. 展示設計成果
用虛席現實技術展示設計成果是一種理想的方法。這種設計成果的展示，既可以面向大眾，作為宣傳的需要，又可以將方案展示給業主，供其提出修改意見，以增加方案的競爭能力。在設計階段，利用各種建模工具，數字化模擬建筑物以及周圍環境，對其進行仿真建模（此時的模型比例為1：1），得到虛擬世界中該建筑物的實體模型；而后按真實三維位置放置建筑物，同時考慮周圍地形的輪廓；再次加上建筑細節，如門和窗設計，以便準確地表現該環境的美學特征。綜合編輯各種對象（文字、表格、圖形、虛擬世界中用多維信息所描述的對象以及真實世界在虛擬空間中的映射），在其中增加動畫和對象的動態行為。同時利用虛擬藝術制作工具和虛擬世界編輯器，形成一個存在于虛擬世界中擬建建筑物的“客觀實體”。最后在各種輸入、輸出軟件和設備的支持下就可以實現對該建筑物設計成果的預先展示，據此對擬建建筑物結構進行創建。修改和可視化。
4. 節省投資和運行費用
采用虛擬現實技術進行先期技術成果的演示和論證有助于發現設計中多余的措施和各專業不協調的部分，及時修正以節省投資和運行費用。同時，演示論證也可以發現設計中可能導致無法滿足要求的設計不當之處，避免了建筑物建造完成后的返工。
5. 促進房地產業的發展
虛擬現實技術在房地產開發中具有很廣闊的應用前景。房地產的銷售分為現房出售和預售（樓花），由于預售的房屋實際上市并不存在的，購買者很難在一片荒涼的空地上激起美麗的環向，而圖紙上的平面圖形也不具有空間感，有條件的房地產商建造樣品屋，表現未來產品的布局和機能，并加強裝潢，讓消費者產生身臨其境的感覺。但是樣品屋具有一次性的局限而且成本較高，并難以表現出實際房產的外部環境，對于復雜或龐大的房地產品更是幾乎無能為力。如果換之以虛擬現實技術生成的虛擬房地產，不僅可以獲得遠遠超過樣品屋所具有的使用范圍和效果，而且更為經濟合算。心存疑惑的買家可以借助系統在自己未來的房屋中盡情徜徉，直到做出明智決斷。
6. 更好地激發設計師的靈感
在現實世界中，人們花了很大精力去創造特定的場所作為社會交往的背景――設想陳列櫥窗、藝術博物館、建筑物及內部設計。虛擬現實技術的出現，使得空間能夠呈現一種更豐富多彩、更復雜的結構，是一種允許廣泛創新的媒體，由于它有著全面的靈活性，因而是非常適合于建筑師、構筑工程師、藝術家的一種工具。
設計師可以在虛擬的世界里去創作、去觀察、去修改，不受條件的制約，他可以從各個角度去設計一個建筑，設計成各種形狀，采用各種建筑形式，從中比較優劣，而不再像以前一樣植在頭腦中想象，同時，計算機多樣的表現形式、豐富的色彩也極大的激發了設計師的創作靈感，使其有可能設計出更好的建筑。
【參考文獻】
[1]方正圓.試論虛擬現實技術在將來建筑設計中的應用[J].城市建設理論研究.2014（2）
虛擬現實技術與應用范文第5篇
[關鍵詞]虛擬現實；法學教育；情境教學
[中圖分類號]G642[文獻標志碼]A[文章編號]1008-2549（2020）12-0092-02
隨著虛擬現實技術與互聯網、大數據、人工智能、5G等的融合發展，這種技術組合創新開始對社會各行業深度滲透，教育領域也迎來重大的發展機遇。2018年4月，教育部印發《教育信息化2.0行動計劃》，指出應充分激發信息技術對教育的革命性作用，持續推動信息技術與教育的深度融合。2018年12月工業和信息化部《加快推進虛擬現實產業發展的指導意見》，指出要建立健全虛擬現實應用生態。2019年6月，教育部了《關于職業院校專業人才培養方案制訂與實施工作的指導意見》，指出應推動虛擬現實技術在教育教學中的廣泛應用，積極推動教師角色的轉變和教育理念、教學觀念、教學內容、教學方法以及教學評價等方面的改革。2020年3月，教育部為落實國家戰略部署，以需求為導向，新增虛擬現實技術專業。虛擬現實技術自2016年進入發展元年，當前已經廣泛應用到影視娛樂、軍事、醫療、制造、設計等各行業中。教育也是虛擬現實技術極具生命力的應用領域，虛擬現實是一種新的強大的教育技術。在未來的法學課堂教學中引入虛擬現實技術，是發展法學智慧教育的必然要求。
一虛擬現實技術原理與優勢
虛擬現實技術是20世紀末逐漸興起的一門綜合性仿真技術，涉及多媒體技術、計算機圖形學、傳感技術、人機交互、顯示技術、人工智能等多個領域，交叉性非常強。依據我國虛擬現實領域的資深學者、中國工程院院士趙沁平教授的觀點，虛擬現實是以計算機技術為核心，結合相關科學技術，生成與一定范圍真實/假想環境在視、聽、觸感等方面高度近似的數字化環境，用戶借助必要的裝備與數字化環境中的對象進行交互作用、相互影響，可以產生親臨對應真實環境的感受和體驗。虛擬現實技術具有三個基本特征，即沉浸性、交互性和構想性。沉浸性是指用戶被虛擬世界所包圍，感覺完全置身于虛擬世界中一樣。虛擬現實技術的沉浸性可以使用戶由被動的觀察者轉變為主動的參與者，暢游在虛擬世界中并參與各種活動，與真實世界難以分辨。交互性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。虛擬現實系統通過特殊的設備如數據手套、力反饋裝置等強調人與虛擬世界之間要以自然的方式進行交互。在虛擬現實系統中，用戶可以通過自己的感官、語言、身體運動或肢體動作等改變感受的具體內容。構想性是指虛擬環境是由人結合特定的目標而想象并設計出來的，體現了設計者的創新性思想。虛擬現實立足于現實世界，但又具有無限的空間想象能力，可以充分發揮人類的探索與認知潛力。虛擬現實技術沉浸性、交互性和構想性特征，以及與當前人工智能相融合迸發的智能性特征，使“虛擬現實+教育”成為未來高等院校法學教育改革的必然方向。
二虛擬現實技術在法學教育中應用的潛力
法學未來課堂必須堅持以學生為本的理念，在各項新技術的支撐下，充分發揮課堂各組成要素的作用，激發學生認知的主動性與能動性，確保其能夠在高互動學習空間內獲取相關知識內容。虛擬現實技術作為一種潛在的教育技術手段，其應用必然會對傳統法學課堂的學習環境、教學方式、實驗手段、教學活動設計、學習評價等內容產生綜合效應，進而影響知識生產與知識認知。綜合來看，“虛擬現實+法學教育”具有以下優勢：
第一，激發學生認知的主動性、能動性。著名心理學家班杜拉教授曾言：“人在一生當中是動因的操作者，而不僅僅是由環境事件安排的腦機制的旁觀者”。從當前的教育模式看，已經開始從教師傳授知識為中心轉向學生主動建構認知為中心。學生作為認知主體，必須充分激發其自主學習的興趣與能力。從學習動機看，更應該是自我激發的，學生必須具有自主學習的內在興趣。虛擬現實技術恰可以為學生帶來輕松愉悅、身臨其境的個性化學習體驗，通過逼真的學習場景及高交互的動態設置，有效激發學習者的學習動機，提高學習興趣與參與程度。
第二，塑造情境教學環境。依據現代認知心理學的觀點，認知不僅僅是發生于內部心理空間的一種符號計算，而是與大腦以外的身體和環境形成緊密關聯的聯合體。從本質上說，認知是在身體與環境的互動過程中被塑造出來的。當前法學教育的教學方法相對單一，說教式、灌輸式仍然居于主導地位，不太注重培養學生運用法律的技術和實踐能力。而傳統教學備受批判的主要原因，是傳統教學脫離具體真實的情境，導致學生知識遷移能力不足，遷移率低、遷移意識不強。虛擬現實技術通過創設高仿真情境，提供豐富的感知線索以及多通道（如聽覺、視覺、觸覺等）的反饋，幫助學習者將虛擬情境的所學遷移到真實生活中，滿足情境學習的需要。虛擬現實能夠有效實現教學內容和知識的可視化，增強學習的沉浸感，增加師生、生生及學生與環境之間的交互。
第三，提供個性化學習體驗。學習者在虛擬現實中學習，往往伴隨著角色扮演。學習者被賦予明確的角色，如法官、律師、檢察人員、當事人、證人等，通過這種自我表征的方式增強學習效果。此外，虛擬學習環境的設計者還可以結合社會大發展的需要，對學習活動進行跨學科、跨領域的構建，學生根據自身需求與興趣構建更深層次的知識體系。著名學者梁治平先生曾經指出：“在中國，法律問題一開始就明顯不單是法律問題，同時又是政治問題、社會問題、歷史問題和文化問題。因此，要了解和解決中國的法律問題，必須先了解和解決法律問題以外的問題。”從這個角度說，虛擬現實技術可以在橫向、縱向實現任何設想的教育教學環境，使學習者沉浸式體驗個性化的學習對象和教學過程，拓展并深化教育信息化的維度和內容。
三虛擬現實技術在法學教育中應用的構建路徑
（一）理論教學環節
虛擬現實技術尤其適合教師教授程序性知識，如“民事訴訟法”“刑事訴訟法”及“行政訴訟法”等課程，使學生應用所學到的知識，完成包含多個行為序列的學習任務。對于“中國法制史”“外國法制史”等課程，可以通過虛擬現實技術構建特定歷史條件下的法律場景，使學生更能感同身受地體驗到法制更迭的年代感。此外，在法科教材上，也可以針對性地配合虛擬現實法學圖書，將法學傳統紙質圖書內容動態地、立體化地呈現給學生，無疑將極大提升法學圖書的閱讀沉浸感和理解效果。實際上，早在2008年，國家圖書館就上線了我國第一套可交互的虛擬數字圖書館系統，各高校隨之相繼把虛擬現實技術進入圖書館的數字化建設中。當前，虛擬現實圖書在市面上不斷涌現，雖然從類別上看多限于科普類、旅行類讀物如2017年出版的國內首部旅行圖書《奇遇》，但隨著技術的發展與用戶需要，相信虛擬現實法學圖書也終將成為發展趨勢。虛擬現實技術帶來的沉浸式的教學體驗可以更好促進學生對知識的理解與吸收，具身認知促進知識內化。
（二）實踐教學環節
