虛擬制造技術(shù)多媒體課件制作畢業(yè)論文

1、1 緒論PPT，確實是Power Point簡稱。PowerPoint 2010是美國微軟公司出品的辦公軟件系列重要組件之一(還有Excel,Word等)。Microsoft Office PowerPoint 是一種演示文稿圖形程序，Power Point是功能強(qiáng)大的演示文稿制作軟件?？蓞f(xié)助用戶獨自或聯(lián)機(jī)創(chuàng)建永恒的視覺效果。它增強(qiáng)了多媒體支持功能，利用Power Point制作的文稿，能夠通過不同的方式播放，也可將演示文稿打印成一頁一頁的幻燈片，使用幻燈片機(jī)或投影儀播放，能夠?qū)⒀菔疚母灞４娴焦獗P中以進(jìn)行分發(fā)，并可在幻燈片放映過程中播放音頻流或視頻流。對用戶界面進(jìn)行了改進(jìn)并增強(qiáng)了對智能標(biāo)記的支

2、持，能夠更加便捷地查看和創(chuàng)建高品質(zhì)的演示文稿。多媒體課件，簡單來講確實是老師用來輔助教學(xué)的工具，創(chuàng)作人員依照自己的創(chuàng)意，先從總體上對信息進(jìn)行分類組織，然后把文字、圖形、圖象、聲音、動畫、影像等多種媒體素材在時刻和空間兩方面進(jìn)行集成，使他們?nèi)跒橐惑w并給予它們以交互特性，從而制作出各種精彩紛呈的多媒體應(yīng)用軟件產(chǎn)品。1.1多媒體課件特點多媒體課件需具備以下特點：（1）豐富的表現(xiàn)力多媒體課件不僅能夠更加自然、逼真地表現(xiàn)多姿多彩的視聽世界；還能夠?qū)暧^和微觀事物進(jìn)行模擬，對抽象、無形事物進(jìn)行生動、直觀的表現(xiàn)；對復(fù)雜過程進(jìn)行簡化再現(xiàn)等等。如此，就使原本困難的教學(xué)活動充滿了魅力。（2）良好的交互性多媒體課件

3、不僅能夠在內(nèi)容的學(xué)習(xí)使用上提供良好的交互操縱，而且能夠運用適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)、更好地體現(xiàn)出“因材施教的個不化數(shù)學(xué)”（3）極大的共享性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)展，多媒體信息的自由傳輸，使得教育在全世界交換、共享成為可能。以網(wǎng)絡(luò)為載體的多媒體課件，提供了教學(xué)資源的共享。多媒體課件在教學(xué)中的使用，改善了教學(xué)媒體的表現(xiàn)力和交互性、促進(jìn)了課堂教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)過程的全面優(yōu)化，提高了教學(xué)效果。1.2常用多媒體課件制作工具1.2.1 PowerPoint微軟公司出品的制作幻燈片的軟件，此軟件制作的電子文稿廣泛地應(yīng)用于學(xué)術(shù)報告，會議等場所，用本軟件制作課件也是目前中學(xué)老師最常用的手段，就此軟件來講，他的優(yōu)

4、點是做課件比較方便，不用多學(xué)，專門容易上手，制作的課件能夠在網(wǎng)上通過IE來進(jìn)行演示文稿的播放；但就其功能來講就相對差了一點，圖片、視頻、文字資料的展示制作較為方便，專門容易起到資料展示的作用，然而假如要達(dá)到交互方面較好的效果那就比較繁瑣，完全能夠做到按鈕、區(qū)域交互。由于Office軟件具有一定的普遍性，因此PowerPoint課件的使用一般也不需要進(jìn)行打包等處理，只是需要注意易機(jī)使用時的音、視頻文件的路徑。1.2.2 AuthorwareAuthorware是Macromedia公司推出的多媒體開發(fā)工具，由于它們具有強(qiáng)大的創(chuàng)作能力、簡便的用戶界面及良好的可擴(kuò)展性，因此深為寬敞用戶的歡迎，成為應(yīng)

5、用最廣泛的多媒體開發(fā)工具，一度被譽為多媒體大師，現(xiàn)在的版本差不多進(jìn)展到7.0，用戶比較多，廣泛用于多媒體光盤制作等領(lǐng)域，教師用些軟件來進(jìn)行課件制作的人數(shù)也比較多。此軟件的要緊特點是：Authorware是基于圖標(biāo)（Icon）和流線（Line）的多媒體創(chuàng)作工具，具有豐富的交互方式及大量的系統(tǒng)變量的函數(shù)、跨平臺的體系結(jié)構(gòu)、高效的多媒體集成環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口等?？捎糜谥谱骶W(wǎng)頁和在線學(xué)習(xí)應(yīng)用軟件。假如變量函數(shù)用得好的話，能夠用他來開發(fā)一些小的應(yīng)用軟件。我用過一段時刻，他的交互比較強(qiáng)大，確實是可不能編程也能夠做出一些交互好的課件。唯一讓我感到不行的地點確實是做起動畫來比較困難，假如不借助其他的軟件

6、，做一些好的動畫來講是全然不可能的（怎么講不是專業(yè)的動畫制作軟件），盡管有專門多插件，但打包以后還要帶著走，因此關(guān)于制作一些生活有味的課件有一些困難。另一個確實是打包后的文件比較大，不利用傳播。1.2.3 DirectorDirector是Macromedia公司推出的多媒體開發(fā)工具，是全球多媒體開發(fā)市場的重量級工具，據(jù)統(tǒng)計，它在美國專業(yè)CDROM開發(fā)市場占據(jù)85%以上的份額。它不僅具備直觀易用的用戶界面，而且擁有專門強(qiáng)的編程能力（它本身集成了自己Lingo語言），全稱是：Macromedia Director Shockwave Studio，目前最高的版本為Directo MX（也確實是9

7、.0）。要緊定位于CDROM/DVDROM（多媒體光盤）的開發(fā)。用Director制作多媒體動畫，不管是演示性質(zhì)的依舊交互性質(zhì)的，都顯出其專業(yè)級的制作能力和高效的多媒體處理技術(shù)。圖象，文本，聲音，動畫等等這些多媒體元素，在Director中都能夠特不方便而有機(jī)的結(jié)合起來，制造出精美的動畫。因為特不專業(yè)，因此教師用此軟件制作課件的不多，我也見過幾個，特不漂亮，交互也比較好。特點：幀動畫與編程相結(jié)合的多媒體編制軟件，用幀能夠做出專門多漂亮的動畫，有Lingo語言能夠編出你想要的交互，引入的外部的多媒體元素特不豐富。但是生成的文件比較大，在網(wǎng)絡(luò)傳輸方面做得還不是專門理想。關(guān)于初學(xué)者來講，用他來做課件

8、比較困難。1.2.4 FLASHFLASH是Macromedia公司出品的，用在互聯(lián)網(wǎng)上動態(tài)的、可互動的shockwave。它的優(yōu)點是體積小，可邊下載邊播放，如此就幸免了用戶長時刻的等待。FLASH能夠用其生成動畫，還可在網(wǎng)頁中加入聲音。如此你就能生成多媒體的圖形和界面，而使文件的體積卻專門小。FLASH盡管不能夠象一門語言一樣進(jìn)行編程，但用其內(nèi)置的語句并結(jié)合JAVASCRIPE，您也可作出互動性專門強(qiáng)的主頁來。FLASH另外一個特點確實是必須安裝插件PLUG-IN，才能被掃瞄器所同意！因此這也幸免了掃瞄器之間的差異，使之一視同仁！有人曾經(jīng)講過：下個世紀(jì)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計人可不能用FLASH，必將被淘

9、汰出局！我相信這句話沒錯！FLASH的特點1）使用矢量圖形和流式播放技術(shù)。與位圖圖形不同的是，矢量圖形能夠任意縮放尺寸而不阻礙圖形的質(zhì)量；流式播放技術(shù)使得動畫能夠邊播放邊下載，從而緩解了網(wǎng)頁掃瞄者焦急等待的情緒。2）通過使用關(guān)鍵幀和圖符使得所生成的動畫文件特不小，幾K字節(jié)的動畫文件差不多能夠?qū)崿F(xiàn)許多令人心動的動畫效果，用在網(wǎng)頁設(shè)計上不僅能夠使網(wǎng)頁更加生動，而且小巧玲瓏下載迅速，使得動畫能夠在打開網(wǎng)頁專門短的時刻里就得以播放。3）把音樂，動畫，聲效，交互方式融合在一起，越來越多的人差不多把Flash作為網(wǎng)頁動畫設(shè)計的首選工具，同時創(chuàng)作出了許多令人嘆為觀止的動畫(電影)效果。而且在Flash4.0

10、的版本中差不多能夠支持MP3的音樂格式，這使得加入音樂的動畫文件也能保持小巧的身材。4）強(qiáng)大的動畫編輯功能使得設(shè)計者能夠為所欲為地設(shè)計出高品質(zhì)的動畫，通過ACTION和FS COMMAND能夠?qū)崿F(xiàn)交互性，使Flash具有更大的設(shè)計自由度，另外，它與當(dāng)今最流行的網(wǎng)頁設(shè)計工具Dreamweaver配合默契，能夠直接嵌入網(wǎng)頁的任一位置，特不方便?？傊鹤鰟赢嬏夭黄?，你是明白的，也看過的，做交互特不多，你用過的，也玩過的（FLASH游戲等），做網(wǎng)頁特不酷，現(xiàn)在你感受得到，今后你會看到專門多，做課件特不小，而且生動、交互好、文件小、利于網(wǎng)絡(luò)傳播等。1.3 多媒體在教育中的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實應(yīng)用于教育是教育技

11、術(shù)進(jìn)展的一個飛躍。它營造了“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境，由傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式代之為學(xué)習(xí)者通過自身與信息環(huán)境的相互作用來得到知識、技能的新型學(xué)習(xí)方式。它要緊具體應(yīng)用在以下幾個方面：（1）科技研究當(dāng)前許多高校都在積極研究虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其應(yīng)用，并相繼建起了虛擬現(xiàn)實與系統(tǒng)仿確實研究室，將科研成果迅速轉(zhuǎn)化有用技術(shù)，如北京航天航空大學(xué)在分布式飛行模擬方面的應(yīng)用；浙江大學(xué)在建筑方面進(jìn)行虛擬規(guī)劃、虛擬設(shè)計的應(yīng)用；哈爾濱工業(yè)大學(xué)在人機(jī)交互方面的應(yīng)用；清華大學(xué)對臨場感的研究等都頗具特色。有的研究室甚至差不多具備獨立承接大型虛擬現(xiàn)實項目的實力。 虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠為學(xué)生提供生動、逼確實學(xué)習(xí)環(huán)境，如建筑人體

12、模型、電腦太空旅行、化合物分子結(jié)構(gòu)顯示等，在廣泛的科目領(lǐng)域提供無限的虛擬體驗，從而加速和鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)知識的過程。親身去經(jīng)歷、親身去感受比空洞抽象的講教更具講服力，主動地去交互與被動的灌輸，有本質(zhì)的差不。 虛擬實驗利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，能夠建立各種虛擬實驗室，如地理、物理、化學(xué)、生物實驗室等等，擁有傳統(tǒng)實驗室難以比擬的優(yōu)勢： 1）節(jié)約成本通常我們由于設(shè)備、場地、經(jīng)費等硬件的限制。許多實驗都無法進(jìn)行。而利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，學(xué)生足不出戶便能夠做各種實驗，獲得與真實實驗一樣的體會。在保證教學(xué)效果的前提下，極大的節(jié)約了成本。2）規(guī)避風(fēng)險真實實驗或操作往往會帶來各種危險，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行虛擬實驗，學(xué)生在虛擬

13、實驗環(huán)境中，能夠放心地去做各種危險的實驗。例如：虛擬的飛機(jī)駕駛教學(xué)系統(tǒng)，可免除學(xué)員操作失誤而造成飛機(jī)墜毀的嚴(yán)峻事故。3）打破空間、時刻的限制利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，能夠完全打破時刻與空間的限制。大到宇宙天體，小至原子粒子，學(xué)生都能夠進(jìn)入這些物體的內(nèi)部進(jìn)行觀看。一些需要幾十年甚至上百年才能觀看的變化過程，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，能夠在專門短的時刻內(nèi)呈現(xiàn)給學(xué)生觀看。例如，生物中的孟德爾遺傳定律，用果蠅做實驗往往要幾個月的時刻，而虛擬技術(shù)在一堂課內(nèi)就能夠?qū)崿F(xiàn)。（2）虛擬實訓(xùn)基地利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立起來的虛擬實訓(xùn)基地，其“設(shè)備”與“部件”多是虛擬的，能夠依照隨時生成新的設(shè)備。教學(xué)內(nèi)容能夠不斷更新，使實踐訓(xùn)練及時跟

14、上技術(shù)的進(jìn)展。同時，虛擬現(xiàn)實的沉醉性和交互性，使學(xué)生能夠在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個角色，全身心地投入到學(xué)習(xí)環(huán)境中去，這特不有利于學(xué)生的技能訓(xùn)練。包括軍事作戰(zhàn)技能、外科手術(shù)技能、教學(xué)技能、體育技能、汽車駕駛技能、果樹栽培技、電器維修技能等各種職業(yè)技能的訓(xùn)練，由于虛擬的訓(xùn)練系統(tǒng)無任何危險，學(xué)生能夠不厭其煩地反復(fù)練習(xí)，直至掌握操作技能為止。例如：在虛擬的飛機(jī)駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)中，學(xué)員能夠反復(fù)操作操縱設(shè)備，學(xué)習(xí)在各種天氣情況下駕駛飛機(jī)起飛、降落，通過反復(fù)訓(xùn)練，達(dá)到熟練掌握駕駛技術(shù)的目的。（3）虛擬校園教育部在一系列相關(guān)的文件中，多次涉及到了虛擬校園，闡明了虛擬校園的地位和作用。虛擬校園也是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育

15、培訓(xùn)中最早的具體應(yīng)用，它由淺至深有三個應(yīng)用層面，分不適應(yīng)學(xué)校不同程度的需求：簡單的虛擬我們的校園環(huán)境供游客掃瞄 基于教學(xué)、教務(wù)、校園生活，功能相對完整的三維可視化虛擬校園 以學(xué)員為中心，加入一系列人性化的功能，以虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為遠(yuǎn)程教育基礎(chǔ)平臺 虛擬遠(yuǎn)程教育虛擬現(xiàn)實可為高校擴(kuò)大招生后設(shè)置的分校和遠(yuǎn)程教育教學(xué)點提供可移動的電子教學(xué)場所，通過交互式遠(yuǎn)程教學(xué)的課程目錄和網(wǎng)站，由局域網(wǎng)工具作校園網(wǎng)站的鏈接，可對各個終端提供開放性的、遠(yuǎn)距離的持續(xù)教育，還可為社會提供新技術(shù)和高等職業(yè)培訓(xùn)的機(jī)會，制造更大的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷進(jìn)展和完善，以及硬件設(shè)備價格的不斷降低，我們相信，虛擬現(xiàn)實技

16、術(shù)以其自身強(qiáng)大的教學(xué)優(yōu)勢和潛力，將會逐漸受到教育工作者的重視和青睞，最終在教育培訓(xùn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用并發(fā)揮其重要作用。2 虛擬制造技術(shù)虛擬制造技術(shù)是20世紀(jì)90年代初提出的新概念，它是制造科學(xué)自身矛盾進(jìn)展的必定，也是在激烈的市場競爭環(huán)境下產(chǎn)生的應(yīng)對措施之一，同事虛擬制造技術(shù)也是信息技術(shù)與制造科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。本章要緊探討虛擬制造技術(shù)產(chǎn)生的時代背景，虛擬制造的定義、要緊特點及其他先進(jìn)制造技術(shù)的關(guān)系，提出和總結(jié)了當(dāng)前虛擬制造研究中存在的問題及進(jìn)展方向。2.1 虛擬制造產(chǎn)生的時代背景 在世紀(jì)之交，隨著國際關(guān)系多極化、消費多樣化、經(jīng)濟(jì)全球化和貿(mào)易自由化趨勢的不斷進(jìn)展，以及對資源和環(huán)境的高度重視，世界各國重新

17、審視制造業(yè)的生產(chǎn)方式，對制造業(yè)的進(jìn)展提出了更高的要求和新的制約條件。21世紀(jì)的制造業(yè)面臨著新的歷史性進(jìn)展機(jī)遇和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。2.1.1 制造業(yè)經(jīng)營策略的變遷 隨著經(jīng)濟(jì)進(jìn)展和市場日趨飽和，制造業(yè)實現(xiàn)了從賣方市場到買方市場的轉(zhuǎn)變，遠(yuǎn)離物質(zhì)匱乏的人們也對產(chǎn)品提出了更高的要求。 20世紀(jì)60年代制造企業(yè)追求的是擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模；20世紀(jì)70年代是降低生產(chǎn)成本；20世紀(jì)80年代是提高產(chǎn)品質(zhì)量；20世紀(jì)90年代則進(jìn)一步加快市場響應(yīng)速度列入企業(yè)追求的目標(biāo)；而21世紀(jì)隨著知識經(jīng)濟(jì)的到來，技術(shù)創(chuàng)新成為企業(yè)進(jìn)展的靈魂。企業(yè)必須同時具備時刻競爭能力、質(zhì)量競爭能力、價格競爭能力和創(chuàng)新競爭能力才能贏得市場，從而使改進(jìn)產(chǎn)品功能

18、、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短開發(fā)時刻、降低生產(chǎn)成本、完善售后服務(wù)都成為 制造業(yè)面臨的共同任務(wù)。2.1.2 信息科學(xué)推動了制造業(yè)的變革 近20年來，計算機(jī)科學(xué)和信息科學(xué)的迅速進(jìn)展差不多和正在促使人類生活、生產(chǎn)方式發(fā)生革命性的變化，全球正經(jīng)歷著由傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)向知識經(jīng)濟(jì)、網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)變。利用信息技術(shù)改造傳統(tǒng)制造業(yè)已成為現(xiàn)代制造業(yè)進(jìn)展的必由之路，信息技術(shù)也已成為現(xiàn)代制造業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)。2.2 虛擬制造的概念 虛擬制造又稱擬實制造，一些外國文獻(xiàn)上也稱為像素制造或屏幕制造。目前人們對虛擬制造還沒有廣泛認(rèn)同的定義，不同學(xué)著對虛擬制造概念的理解還有某些差異。Onosato和Iwata是日本大阪大學(xué)最早研究虛擬制造系統(tǒng)的學(xué)者

19、，他們認(rèn)為“虛擬制造是用模型的仿真代替真實世界中的實體及其操作的計算機(jī)化的制造活動的綜合概念”。他們把真實制造系統(tǒng)分解為真實物理系統(tǒng)(RPS)和真實信息系統(tǒng)(RIS)兩部分。在1994年，Hitchcock指出：虛擬制造是一個集成的、綜合的制造環(huán)境，通過運行該制造環(huán)境能夠改善制造企業(yè)中各個層次的決策和操縱。這是目前引用較多的一個關(guān)于虛擬制造的定義。虛擬制造是實際制造過程在計算機(jī)上的本質(zhì)體現(xiàn)，即采納計算機(jī)建模與仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實或(及)可視化技術(shù)，在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下群組協(xié)同工作，模擬產(chǎn)品的整個制造過程，對產(chǎn)品設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、生產(chǎn)調(diào)度和治理、銷售及售后服務(wù)等作出綜合評價，以增強(qiáng)

20、制造過程各個層次或環(huán)節(jié)的正確決策與操縱能力。HYPERLINK /view/238938.htm t _blank虛擬制造技術(shù)（Virtual Manufacturing Technology，VMT）是以虛擬現(xiàn)實和仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，對產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)過程統(tǒng)一建模，在計算機(jī)上實現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計、加工和裝配、檢驗、使用整個生命周期的模擬和仿真。如此，能夠在產(chǎn)品的設(shè)計時期就模擬出產(chǎn)品及其性能和制造過程，以此來優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量和制造過程，優(yōu)化生產(chǎn)治理和資源規(guī)劃，以達(dá)到產(chǎn)品開發(fā)周期和成本的最小化，產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的最優(yōu)化和生產(chǎn)效率最高化，從而形成企業(yè)的市場競爭優(yōu)勢。如波音777，其整機(jī)設(shè)計、部件測試、整機(jī)裝配

21、以及各種環(huán)境下的試飛均是在計算機(jī)上完成的，其開發(fā)周期從過去的8年縮短到5年；Chrycler公司與IBM合作開發(fā)在虛擬制造環(huán)境用于其新型車的研制，在樣車生產(chǎn)之前，即發(fā)覺其定位系統(tǒng)及其他許多設(shè)計有缺陷，從而縮短了研制周期。盡管虛擬制造技術(shù)的出現(xiàn)只有短短的幾年時刻，虛擬制造的應(yīng)用將會對以后制造業(yè)的進(jìn)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的阻礙。2.3 虛擬制造的特點（1）虛擬性：在一個虛擬的制造環(huán)境里，虛擬制造可進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計、制造和測試。（2）集成性：虛擬制造系統(tǒng)實際上是一個各種產(chǎn)品仿真軟件的公共通信平臺，也是各種相互獨立的制造技術(shù)（如CAD，CAE，CAPP，CAM等）的數(shù)字化集成環(huán)境，可實現(xiàn)各種相關(guān)技術(shù)的無縫連接。（3

22、）分布性：可使分布在不同地點、不同部門的不同專業(yè)人員在同一個產(chǎn)品模型上協(xié)同工作、相互交流，實現(xiàn)信息共享，減小大量的文檔生成及其傳遞時刻，也減少了由此產(chǎn)生的相應(yīng)誤差，從而加快了產(chǎn)品開發(fā)過程。（4）依靠性：虛擬制造系統(tǒng)的運行以及對制造過程的描述和評論是基于人們對實際物理過程的理解和認(rèn)識，因此，它只是人類對制造過程認(rèn)識的綜合演練，并不能產(chǎn)生關(guān)于實際物理過程的新知識，其仿真精度也受限于仿真模型與真實模型的近似程度。與傳統(tǒng)的制造方法和手段相比，虛擬制造具有以下方面的突出優(yōu)勢：縮短產(chǎn)品研制周期；降低產(chǎn)品研制成本；提供了一個先進(jìn)的制造系統(tǒng)仿真平臺。2.4 虛擬制造與實際制造的關(guān)系虛擬制造不是無水之源，無本之

23、木，而是現(xiàn)實制造過程在計算機(jī)上的映射，即采納計算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在高性能計算機(jī)及高速網(wǎng)絡(luò)的支持下，在計算機(jī)上群組協(xié)同工作，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗，以及企業(yè)各級治理與操縱等產(chǎn)品的制造過程，以增強(qiáng)制造過程各級的決策與操縱能力。實際制造系統(tǒng)是物質(zhì)流、信息流在操縱流的協(xié)調(diào)和操縱下，在各個層次上進(jìn)行相應(yīng)的決策，實現(xiàn)從投入到產(chǎn)出的有效轉(zhuǎn)變，其中物質(zhì)流和信息流的協(xié)調(diào)工作是主體。虛擬制造系統(tǒng)是通過對實際制造系統(tǒng)進(jìn)行抽象、分析、綜合，得到實際生產(chǎn)的全部數(shù)字化模型。虛擬制造的最終目標(biāo)是指導(dǎo)實際生產(chǎn)。因此，虛擬制造是實際制造的抽象，實際制造是虛擬制造的實例。虛擬制造系統(tǒng)實際制造系

24、統(tǒng)計算機(jī)仿真虛擬現(xiàn)實基于網(wǎng)絡(luò)的VPS虛擬信息系統(tǒng)確認(rèn)和驗證技術(shù)人員客戶抽象與綜合虛擬產(chǎn)品實際信息系統(tǒng)樣機(jī)需求工人工廠RPS實際產(chǎn)品圖2-1 虛擬制造與實際制造的關(guān)系Fig.2-1 Virtual manufacturing and the relationship between the actual manufacturing2.5 虛擬制造技術(shù)的分類依照所涉及的范圍不同，可將虛擬制造分成三類：以設(shè)計為核心的虛擬制造（design-centered VM）以生產(chǎn)為核心的虛擬制造（production-centered VM）以操縱為核心的虛擬制造（control-centered VM）2.

25、5.1 以設(shè)計為中心特點：在設(shè)計時期為設(shè)計人員提供制造信息，使用基于制造的仿真以優(yōu)化產(chǎn)品和工藝的設(shè)計，通過“在計算機(jī)上制造”產(chǎn)生多個“軟”樣機(jī)。 要緊目標(biāo)：評價可制造性。要緊技術(shù)支持：特征造型、 面向數(shù)學(xué)模型設(shè)計、加工過程仿真技術(shù)。應(yīng)用領(lǐng)域：造型設(shè)計 、熱力學(xué)分析 、運動學(xué)分析 、動力學(xué)分析、容差分析 、加工過程仿真。 2.5.2 以生產(chǎn)為中心特點：將仿真能力用于制造過程模型，以便低費用、快速地評價不同的工藝方案。用于資源需求規(guī)劃、生產(chǎn)打算的產(chǎn)生及評價的環(huán)境。要緊目標(biāo)：評價可生產(chǎn)性。要緊技術(shù)支持：虛擬現(xiàn)實、嵌入式仿真。應(yīng)用領(lǐng)域：工廠或產(chǎn)品的物理布局，傳統(tǒng)制造：要緊考慮空間，虛擬制造：總體協(xié)調(diào)、

26、優(yōu)化動態(tài)過程, 人、環(huán)境、效率。生產(chǎn)打算的編排。傳統(tǒng)制造：靜態(tài)、確定型。虛擬制造：動態(tài)、隨機(jī)型。2.5.3 以操縱為中心特點：將仿真加到操縱模型和實際處理中；可“無縫”地仿真使得實際生產(chǎn)周期期間不間斷地優(yōu)化。要緊技術(shù)支持：對離散制造-基于仿確實實時動態(tài)調(diào)度。對連續(xù)制造-基于仿確實最優(yōu)操縱。3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)3.1 概述虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有超越現(xiàn)實的虛擬性。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的核心設(shè)備仍然是計算機(jī)。它的一個要緊功能是生成虛擬境地的圖形，故此又稱為圖形工作站。目前在此領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的是SGI、SUN等生產(chǎn)廠商生產(chǎn)的專用工作站，但近來基于Intel奔騰（代）代芯片的和圖形加速卡的微機(jī)圖形工作站性能價格比優(yōu)異，有

27、可能異軍突起。圖像顯示設(shè)備是用于產(chǎn)生立體視覺效果的關(guān)鍵外設(shè)，目前常見的產(chǎn)品包括光閥眼鏡、三維投影儀和頭盔顯示器等。其中高檔的頭盔顯示器在屏蔽現(xiàn)實世界的同時，提供高分辨率、大視場角的虛擬場景，并帶有立體聲耳機(jī)，能夠使人產(chǎn)生強(qiáng)烈的浸沒感。其他外設(shè)要緊用于實現(xiàn)與虛擬現(xiàn)實的交互功能，包括數(shù)據(jù)手套、三維鼠標(biāo)、運動跟蹤器、力反饋裝置、語音識不與合成系統(tǒng)等等。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用前景十分寬敞。它始于軍事和航空航天領(lǐng)域的需求，但近年來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用已大步走進(jìn)工業(yè)、建筑設(shè)計、教育培訓(xùn)、文化娛樂等方面。它正在改變著我們的生活。虛擬與現(xiàn)實兩詞具有相互矛盾的含義，把這兩個詞放在一起，大概沒有意義，然而科學(xué)技術(shù)的進(jìn)

28、展卻給予了它新的含義。虛擬現(xiàn)實的明確定義不太好講，按最早提出虛擬現(xiàn)實概念的學(xué)者J.Laniar的講法，虛擬現(xiàn)實，又稱假想現(xiàn)實，意味著“用電子計算機(jī)合成的人工世界”。從此能夠清晰地看到，那個領(lǐng)域與計算機(jī)有著不可分離的緊密關(guān)系，信息科學(xué)是合成虛擬現(xiàn)實的差不多前提。虛擬現(xiàn)實（VR，Virtual Reality）又稱虛擬環(huán)境（VE，Virtual Environment）或靈境。虛擬現(xiàn)實是由計算機(jī)生成的，通過視、聽、觸覺、嗅覺等多通道作用于用戶，使之產(chǎn)生身臨其境感得交互式計算機(jī)仿真，是一種能夠制造和體驗虛擬世界的計算機(jī)系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)提高了人與計算機(jī)之間的和諧程度，能夠?qū)φ鎸嵤澜绲男袨榛顒舆M(jìn)行仿真

29、，并對用戶的位置、姿態(tài)、語言等做出實時響應(yīng)，使用戶和虛擬環(huán)境之間建立起實時的交互關(guān)系，產(chǎn)生與在真實環(huán)境中相似的感受體驗。3.2 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的特征虛擬現(xiàn)實具有以下四個特征：（1）多感知性(Multi-Sensory)：所謂多感知是指除了一般計算機(jī)技術(shù)所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。由于相關(guān)技術(shù)，特不是傳感技術(shù)的限制，目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、力覺、觸覺、運動等幾種。（2）沉醉感或存在感(Immersion)：又稱臨場感，指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真

30、實程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該使用戶難以分辨真假，使用戶全身心地投入到計算機(jī)創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，該環(huán)境中的一切看上去是確實，聽上去是確實，動起來是確實，甚至聞起來、嘗起來等一切感受差不多上確實，如同在現(xiàn)實世界中的感受一樣。（3）交互性(Interactivity)：指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度(包括實時性)。例如，用戶能夠用手去直接抓取模擬環(huán)境中虛擬的物體，這時手有握著東西的感受，并能夠感受物體的重量，視野中被抓的物體也能趕忙隨著手的移動而移動。（4）構(gòu)想性(Imagination)：強(qiáng)調(diào)虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)具有寬敞的可想像空間，可拓寬人類認(rèn)知范圍，不僅可再現(xiàn)真實存在的

31、環(huán)境，也能夠隨意構(gòu)想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。 一般來講，一個完整的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)由虛擬環(huán)境、以高性能計算機(jī)為核心的虛擬環(huán)境處理器、以頭盔顯示器為核心的視覺系統(tǒng)、以語音識不、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺系統(tǒng)、以方位跟蹤器、數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)衣為主體的軀體方位姿態(tài)跟蹤設(shè)備，以及味覺、嗅覺、觸覺與力覺反饋系統(tǒng)等功能單元構(gòu)成3.3 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能夠依照顯示方式分為桌面式，佩帶式和全景式三種。桌面式VR系統(tǒng)的場景通過計算機(jī)屏幕顯示，用戶用立體眼鏡觀看，聲音由臺式或室內(nèi)音響系統(tǒng)提供。佩帶式是用頭盔將用戶的視、聽覺與外界隔離，使用戶完全沉醉在計算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中。全景式虛擬現(xiàn)實系

32、統(tǒng)是投影式系統(tǒng)。觀看者佩帶立體眼鏡和頭部跟蹤器，當(dāng)觀看者移動時，立體投影生成器計算出各面墻上的圖像。VR系統(tǒng)也能夠依照系統(tǒng)與外界真實世界的交互關(guān)系分類，可分為以下三類：（1）封閉式虛擬現(xiàn)實，即與外部現(xiàn)實世界不產(chǎn)生直接交互。特點：虛擬環(huán)境能夠是任意虛構(gòu)的。實際上不存在的世界。目的是：娛樂、或驗證某一猜想假設(shè)。訓(xùn)練、模擬、預(yù)演、檢驗、體驗等。任何操作不對外界產(chǎn)生直接作用。（2）開放式虛擬現(xiàn)實，即通過各種傳感裝置與外界構(gòu)成反饋閉環(huán)。特點：虛擬環(huán)境是某一現(xiàn)實世界的真實模型。目的是：通過利用虛擬環(huán)境對現(xiàn)實世界進(jìn)行直接操作或遙操作，以達(dá)到克服現(xiàn)實環(huán)境的限制林遮擋、遙遠(yuǎn)、危險、不便到達(dá)、不能到達(dá)等或使操作方

33、便?？煽康哪康?。例如：提供碰撞報警（利用虛擬環(huán)境計算相撞距離，減輕操作員的心理負(fù)擔(dān)，減少操作失誤。 操作按用戶的需要對現(xiàn)實世界進(jìn)行直接作用或得到各種反饋。（3）把封閉式虛擬現(xiàn)實與開放是虛擬現(xiàn)實結(jié)合，即兼?zhèn)涮摂M是虛擬現(xiàn)實和開放是虛擬現(xiàn)實的特點；這是一種較為有用的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。VR的系統(tǒng)模型表示見圖3-1。用戶通過傳感裝置直接對虛擬環(huán)境進(jìn)行操作，并得到實時三維顯示和其它反饋信息（如觸覺、力覺反饋等），當(dāng)系統(tǒng)與外部世界通過傳感裝置構(gòu)成反饋閉環(huán)時，在用戶由操縱下，用戶與虛擬環(huán)境間的交互能夠?qū)ν獠渴澜绠a(chǎn)生作用（如遙控操作等）。圖3-1 VR系統(tǒng)模型Fig.3-1 VR system modelVR系統(tǒng)要

34、緊由以下6個模塊構(gòu)成（1）檢測模塊：檢測用戶的操作命令。并通過傳感器模塊作用于虛擬環(huán)境。（2）反饋模塊：同意來自傳感器模塊的信息，為用戶提供實時反饋。（3）傳感器模塊：一方面同意來自用戶的操作命令，并將其作用于虛擬環(huán)境；另一方面將操作后產(chǎn)生的結(jié)果以各種反饋的形式提供給用戶。（4）操縱模塊：對傳感器進(jìn)行操縱，使其對用戶、虛擬環(huán)境和現(xiàn)實世界產(chǎn)生作用。（5）3D模型庫：現(xiàn)實世界各組成部分的三維表示，并由此構(gòu)成對應(yīng)的虛擬環(huán)境。（6）建模模塊：獵取現(xiàn)實世界各組成部分的三維數(shù)據(jù)，并建立它們的三維模型。VR傳感裝置的類型分類如下。圖3-2 VR系統(tǒng)的構(gòu)成Fig.3-2 VR system structure

35、（1）視覺：頭盔式立體顯示器HMD（HeadMounted Display）。例如VPL公司的Eyephone，它能夠分為透過型和非透過型兩種。（2）聽覺：三維音響輸出裝置、定位裝置。（3）檢測手動（包括位置）：數(shù)據(jù)手套（Data Glove），如DHM、（DeXterous Handmaster）(周密型DG）、Cyberglove（手指露出型數(shù)據(jù)手套等。（4）力反饋，觸覺傳感器；Grope系列手爪等.（5）軀體運動：數(shù)據(jù)衣（Data Suit）等。（6）語音識不、合成，眼球運動檢測等。依照VR技術(shù)的特征，能夠用系統(tǒng)的存在感P（Presence）、交互性I（Interaction）和自主性

36、A（Autonomy）來評價VR系統(tǒng)的性能（見圖 3-3），其中P、I和A的值越大，表示 VR系統(tǒng)的性能越好。顯然，P、I和A的值均取最大時，VR系統(tǒng)的性能達(dá)到極限，即理想的。圖3-3 VR系統(tǒng)的性能評價Fig.3-3 VR system performance evaluation3.4 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成VR系統(tǒng)的組成如下：（1） 檢測輸入裝置；（2） 圖像生成和顯示系統(tǒng)；（3） 音頻系統(tǒng)；（4） 力、觸覺系統(tǒng)；3.4.1構(gòu)建虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的目的使參與者沉醉于多維信息空間中，進(jìn)行仿真、建模，獵取知識和形成新概念。目標(biāo)：利用并集成高性能的計算機(jī)軟硬件及各類先進(jìn)的傳感器，去構(gòu)建一個使參與者處于身

37、臨其境的沉醉感、具有完善的交互作用、能關(guān)心和啟發(fā)構(gòu)思的信息環(huán)境。技術(shù)支持：各種傳感器技術(shù)、三維顯示和音響器、虛擬環(huán)境產(chǎn)生器、程序設(shè)計工具集、計算機(jī)高速網(wǎng)絡(luò)和高性能計算機(jī)平臺。3.4.2 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成用戶通過頭盔、手套和話筒等輸入設(shè)備為計算機(jī)提供輸入信號，虛擬現(xiàn)實軟件收到輸入信號后加以解釋，然后對虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫進(jìn)行必要更新，調(diào)整當(dāng)前虛擬環(huán)境視圖，并將這一新視圖及其它信息如聲音立即傳送給輸出設(shè)備，以便用戶及時看到效果。系統(tǒng)由輸入部分、輸出部分、虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫、虛擬現(xiàn)實軟件組成。（一）輸入部分虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)通過輸入部分接收來自用戶的信息。用戶差不多輸入信號包括用戶的頭、手位置及方向、聲音等。其輸

38、入設(shè)備要緊有：（1）數(shù)據(jù)手套用來監(jiān)測手的姿態(tài)，將人手的自然動作數(shù)字化。用戶手的位置與方向用來與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。如在使用交互手套時，手勢可用來啟動或終止系統(tǒng)。類似地，手套可用來撿起虛擬物體，并將物體移到不的位置。（2）三維球用于物體操作和飛行操縱。（3）自由度鼠標(biāo)用于導(dǎo)航、選擇及與物體交互。（4）生物傳感器用來跟蹤眼球運動。（5）頭部跟蹤器通常裝在HMD頭盔上跟蹤頭部位置，以便使HMD顯示的圖像隨頭部運動而變化。用戶頭的位置及方向是系統(tǒng)重要的輸入信號，因為它決定了從哪個視角對虛擬世界進(jìn)行渲染。（6）語音輸入設(shè)備通過話筒等聲音輸入設(shè)備將語音信息輸入，并利用語音識不系統(tǒng)將語音信號變成數(shù)字化信號。（

39、二）輸出系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)依照人的感受器官的工作原理，通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的輸出設(shè)備，使人對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的虛擬環(huán)境得到雖假猶真、身臨其境的感受。要緊是由三維圖像視覺效果、三維聲音效果和觸覺 (力覺)效果來實現(xiàn)的。（1）三維圖像生成與顯示利用圖形處理器、立體圖象顯示設(shè)備、高性能計算機(jī)系統(tǒng)將計算機(jī)數(shù)字信號變成三維圖像。最簡單的一種是計算機(jī)監(jiān)視器加上一副眼鏡，另一種確實是頭盔顯示器。（2）三維聲音處理虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)聲音效果包括音響和語音效果。通過有關(guān)的聲音設(shè)備使電子信號變成立體聲，并提供識不立體聲聲源和判定其空間方位的功能。（3）觸覺、力覺反饋觸覺提供手握物體時獲得的豐富感受信息，包括分辨表面材質(zhì)及溫度、濕

40、度、厚度、張力等。用戶的手是與虛擬環(huán)境進(jìn)行自然交互時的重要途徑。當(dāng)手與虛擬物體發(fā)生碰撞時，我們自然希望有接觸感和壓力感。（三）虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫作用：存放整個虛擬環(huán)境中所有物體的各方面信息（包括物體及其屬性如約束、物理性質(zhì)、行為、幾何、材質(zhì)等）。虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫由實時系統(tǒng)軟件治理。虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)只加載用戶可見部分，其余留在磁盤上，需要時導(dǎo)入內(nèi)存。（四）虛擬現(xiàn)實軟件任務(wù)：設(shè)計用戶在虛擬環(huán)境中遇到的景和物。構(gòu)建虛擬環(huán)境的過程：（1）三維物體的建模。典型的建模軟件：AutoCAD、Multigen、VRML等。（2）虛擬場景的建立及三維物體與虛擬場景的集成。典型的虛擬現(xiàn)實軟件：Vega、OpenG

41、VS、VRT、Vtree等。3.4.3虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)按照不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的分類，通常分為以下三類：（1）桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)(Desktop VR)桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是一套基于一般PC平臺的小型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。利用中低端圖形工作站及立體顯示器，產(chǎn)生虛擬場景，參與者使用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、力反饋器、三維鼠標(biāo)、或其它手控輸入設(shè)備，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的重要技術(shù)特征：多感知性、沉醉感、交互性、真實性。在桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，計算機(jī)的屏幕是參觀者觀看虛擬境地的一個窗口，在一些專業(yè)軟件的關(guān)心下，參與者能夠在仿真過程中設(shè)計各種環(huán)境。立體顯示器用來觀看計虛擬三維場景的立體效果，它所帶來的立體視覺能使參與

42、著產(chǎn)生一定程度的投入感。交互設(shè)備用來駕馭虛擬境地。有時為了增強(qiáng)桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的投入效果，假如需要，那么在桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中還會借助于專業(yè)單通道立體投影顯示系統(tǒng)，達(dá)到增大屏幕范圍和團(tuán)體觀看的目的。桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)盡管缺乏完全沉醉式效果，然而其應(yīng)用仍然比較普遍，因為它的成本相對要低得多，而且它也具備了投入型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的技術(shù)要求。作為開發(fā)者來講，從經(jīng)費使用慎重性的角度考慮，桌面虛擬現(xiàn)實往往被認(rèn)為是初級的、剛剛從事虛擬現(xiàn)實研究工作的必經(jīng)時期。因此桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)比較適合于剛剛介入虛擬現(xiàn)實研究的單位和個人。統(tǒng)要緊包括VR軟硬件兩部分。其中硬件部分可分為VR立體圖形顯示、效果觀看、人機(jī)交互等幾部分；軟

43、件部分可分為VR環(huán)境開發(fā)平臺(Virtools）、建模平臺（3D MAX等）和行業(yè)應(yīng)用程序?qū)嵗ㄔ创a及SDK開發(fā)包）。要緊特點為全面、小型、經(jīng)濟(jì)、適用，特不適合于VR工作者的教學(xué)、研發(fā)和實際應(yīng)用。（2）沉醉式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)利用頭盔顯示器把用戶的視覺、聽覺和其他感受封閉起來，產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的錯覺。要緊特點：虛擬環(huán)境能夠是任意虛構(gòu)的、實際上不存在的世界。任何操作不對外界產(chǎn)生直接作用。一般用于娛樂或驗證某一猜想假設(shè)、訓(xùn)練、模擬、預(yù)演、檢驗、體驗等。桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)和沉醉式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)比較：1）沉醉度差異桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)采納CRT彩色顯示器和三維立體眼鏡增加身臨其境感受，而沉醉式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)則

44、采納頭盔顯示器（HMD）增強(qiáng)身臨其境感受2）交互裝置差異桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)采納的交互裝置是六自由度鼠標(biāo)器或三維操縱桿，而沉醉式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)采納的是數(shù)據(jù)手套和頭盔。由多通道投影組合成的虛擬仿真系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于訓(xùn)練、制造、娛樂等行業(yè)。通過將傳統(tǒng)的播放方式改變?yōu)橛谐磷砀械慕换シ绞?，提供大?guī)模具有沉醉虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實的手段，為復(fù)雜數(shù)據(jù)可視化的協(xié)同工作起到重要作用。（3）分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（簡稱DVR）分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是一個基于網(wǎng)絡(luò)的可供異地多用戶同時參與的分布式虛擬環(huán)境。在那個環(huán)境中，位于不同物理環(huán)境位置的多個用戶或多個虛擬環(huán)境通過網(wǎng)絡(luò)相連接，或者多個用戶同時參加一個虛擬現(xiàn)實環(huán)境，通過計算機(jī)與其他用戶進(jìn)行

45、交互，并共享信息。在分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，多個用戶可通過網(wǎng)絡(luò)對同一虛擬世界進(jìn)行觀看和操作，以達(dá)到協(xié)同工作的目的。1）分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的特征： 共享的虛擬工作空間； 偽實體的行為真實感； 支持實時交互，共享時鐘； 多個用戶以多種方式相互通信； 資源信息共享以及同意用戶自然操作環(huán)境中對象。 2）分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成： 分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)有4個差不多組成部件：圖形顯示器、通信和操縱設(shè)備、處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。3）分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)： 依照分布式系統(tǒng)環(huán)境下所運行的共享應(yīng)用系統(tǒng)的個數(shù)，可把DVR系統(tǒng)分為集中式結(jié)構(gòu)和復(fù)制式結(jié)構(gòu)。集中式結(jié)構(gòu)是只在中心服務(wù)器上運行一份共享應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠是會

46、議代理或?qū)υ捴卫磉M(jìn)程。中心服務(wù)器的作用是對多個參加者的輸入/輸出操縱進(jìn)行治理，同意多個參加者信息共享。它的特點是結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，但對網(wǎng)絡(luò)通信帶寬有較高的要求，同時高度依靠于中心服務(wù)器。復(fù)制式結(jié)構(gòu)是在每個參加者所在的機(jī)器上復(fù)制中心服務(wù)器，如此每個參加者進(jìn)程都有一份共享應(yīng)用系統(tǒng)。服務(wù)器接收來自于其它工作站的輸入信息，并把信息傳送到運行在本地機(jī)上的應(yīng)用系統(tǒng)中，由應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行所需的計算并產(chǎn)生必要的輸出。它的優(yōu)點是所需網(wǎng)絡(luò)帶寬較小。另外，由于每個參加者只與應(yīng)用系統(tǒng)的局部備份進(jìn)行交互，因此，交互式響應(yīng)效果好。但它比集中式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在維護(hù)共享應(yīng)用系統(tǒng)中的多個備份的信息或狀態(tài)一致性方面比較困難。4）分布式

47、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的應(yīng)用： 分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在遠(yuǎn)程教育、工程技術(shù)、建筑、電子商務(wù)、交互式娛樂、遠(yuǎn)程醫(yī)療、大規(guī)模軍事訓(xùn)練等領(lǐng)域都有著極其廣泛的應(yīng)用前景。利用它能夠創(chuàng)建多媒體通信、設(shè)計協(xié)作系統(tǒng)、實境式電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)游戲、虛擬社區(qū)全新的應(yīng)用系統(tǒng)。典型的應(yīng)用領(lǐng)域有：1）教育應(yīng)用：把分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)用于建筑人體模型、電腦太空旅游、化合物分子結(jié)構(gòu)顯示等領(lǐng)域，由于數(shù)據(jù)更加逼真，大大提高了人們的想象力、激發(fā)了受教育者的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)效果十分顯著。同時，隨著計算機(jī)技術(shù)、心理學(xué)、教育學(xué)等多種學(xué)科的相互結(jié)合、促進(jìn)和進(jìn)展，系統(tǒng)因此能夠提供更加協(xié)調(diào)的人機(jī)對話方式。2）工程應(yīng)用：當(dāng)前的工程專門大程度上要依靠于圖形工具，以便

48、直觀地顯示各種產(chǎn)品，目前，CAD/CAM差不多成為機(jī)械、建筑等領(lǐng)域必不可少的軟件工具。分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的應(yīng)用將使工程人員能通過全球網(wǎng)或局域網(wǎng)按協(xié)作方式進(jìn)行三維模型的設(shè)計、交流和公布，從而進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率并削減成本。3）商業(yè)應(yīng)用：關(guān)于那些期望與顧客建立直接聯(lián)系的公司，尤其是那些在他們的主頁上向客戶發(fā)送電子廣告的公司，Internet具有特不的吸引力。分布式虛擬系統(tǒng)的應(yīng)用有可能大幅度改善顧客購買商品的經(jīng)歷。例如，顧客能夠訪問虛擬世界中的商店，在那兒選擇商品，然后通過Internet辦理付款手續(xù)，商店則及時把商品送到顧客手中。3）娛樂應(yīng)用：娛樂領(lǐng)域是分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。它能夠提

49、供更為逼確實虛擬環(huán)境，從而使人們能夠享受其中的樂趣，帶來更好的娛樂感受。（5）典型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)走向應(yīng)用的時刻還比較短，但與虛擬現(xiàn)實技術(shù)有關(guān)的研究差不多歷了數(shù)十年。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)展過程中，產(chǎn)生了許多虛擬現(xiàn)實原形系統(tǒng)及應(yīng)用系統(tǒng)。下面簡要地介紹幾個經(jīng)典的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。1）VIDEOPLACE系統(tǒng)VIDEOPLACE是Myron Krueger領(lǐng)導(dǎo)的Artificial Reality研究小組20年的研究成果。事實上它是一個反應(yīng)環(huán)境(Responsive Environment)，綜合地運用了計算機(jī)圖形學(xué)和手勢識不技術(shù)。以VIDEOPLACE為原型的VIDEO-DESK是一個桌面VR系統(tǒng)

50、。用戶坐在桌邊并將手放在上面，旁邊有一架攝像機(jī)攝下用戶手的輪廓并傳送給不同地點的另一個用戶，兩個人能夠相互用自然的手勢進(jìn)行信息交流。同樣，用戶也可與計算機(jī)系統(tǒng)用手勢進(jìn)行交互，計算機(jī)系統(tǒng)從用戶手的輪廓圖形中識不手勢的含義并加以解釋，以便進(jìn)一步地操縱。諸如打字、畫圖、菜單選擇等操作，均能夠用手勢完成。VIDEOPLACE關(guān)于遠(yuǎn)程通訊和遠(yuǎn)程操縱專門有價值，如用手勢操縱遠(yuǎn)處的機(jī)器人等等。2）VIEW系統(tǒng)VIEW是虛擬交互環(huán)境工作站(Virtual Interactive Environment Workstation)的縮寫，是NASA下屬的Ames研究中心(Ames Research Center)

51、1985年研制開發(fā)的。其目的是為NASA的其他有關(guān)研究項目提供一個通用、強(qiáng)大的VR系統(tǒng)平臺。VIEW能夠講是集VR技術(shù)之大成。它以HP公司的HP900/835為主計算機(jī)，圖形處理采納ISG公司的圖形計算機(jī)或HP SRX圖形系統(tǒng)；配備了Polhemus空間跟蹤系統(tǒng)來跟蹤使用者手和頭的位置；配備了LEEP廣角立體視景頭戴顯示器和單色液晶顯示器；Convolvotron三維音頻輸出設(shè)備；VPL數(shù)據(jù)手套(DataGlove)用于識不使用者手勢；同時還配備了BOOM CRT顯示器及Fakd Space遠(yuǎn)程攝像系統(tǒng)。VIEW是一個特不復(fù)雜的系統(tǒng)，它由一組由計算機(jī)操縱的I/O子系統(tǒng)組成。這些子系統(tǒng)分不提供虛

52、擬環(huán)境所需的各種感受通道的識不和操縱功能。使用者“置身”于如此的VR環(huán)境，周圍是預(yù)先定義的虛擬物體及三維空間的聲響效果。系統(tǒng)跟蹤使用者頭的位置和方向以達(dá)到變換視點的效果。同時,系統(tǒng)還跟蹤并識不使用者手及手指的空間移動所形成的手勢，來操縱系統(tǒng)的行為。VIEW的聲音識不系統(tǒng)可讓使用者用語言或聲音向系統(tǒng)下達(dá)命令。3）SIMNET系統(tǒng)1983年美國國防部高級研究打算局和美國陸軍共同制定SIMNET （SIMulator NETworking）研究打算。該打算將分散在不同地點的地面坦克、車輛仿真器通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合在一起，進(jìn)行各種復(fù)雜任務(wù)的坦克訓(xùn)練和作戰(zhàn)演練。研究動因：為了坦克訓(xùn)練過程中減少訓(xùn)練費用、提

53、高安全性、減輕對環(huán)境的阻礙(爆炸和坦克履帶破壞訓(xùn)練場地)等 。每個SIMNET模擬器是一個獨立的裝置，能夠復(fù)現(xiàn)M1主戰(zhàn)坦克的內(nèi)部，包括導(dǎo)航設(shè)備、武器、傳感器和顯示器等。車載武器、傳感器和發(fā)動機(jī)由車載計算機(jī)動態(tài)模擬，該計算機(jī)還包含整個虛擬戰(zhàn)場(最初模擬的是德國和中歐的50km75km的戰(zhàn)場，以后增加了科威特戰(zhàn)區(qū))的數(shù)據(jù)庫拷貝。所有這些數(shù)據(jù)庫都準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)了當(dāng)?shù)氐牡匦翁攸c，包括植被、道路、建筑物、橋梁等等。坦克乘員之間通信借助車內(nèi)通信系統(tǒng)實現(xiàn)，而與其它模擬器之間通信通過遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)由話音和電子報文實現(xiàn)。實時分布仿真具有廣泛的應(yīng)用，SIMNET確實是一個典型的例子。早先由于沒有仿真系統(tǒng)，軍隊需要通過軍事演

54、習(xí)重現(xiàn)戰(zhàn)場情景，使指揮人員和戰(zhàn)斗人員在訓(xùn)練中學(xué)會生存和贏得戰(zhàn)斗的技能。因為軍事訓(xùn)練所需坦克和飛機(jī)等武器造價昂貴，而且造成了農(nóng)田、道路等的極大損失，這就需要有一種能模擬戰(zhàn)斗的系統(tǒng)。SIMNET確實是在那個背景下逐步形成的。SIMNET采納了仿真網(wǎng)絡(luò)，能夠使多個操作者異地共同參與同一場景的戰(zhàn)斗，操作人員能夠在不同的地點操作不同的武器。SIMNET還能夠仿真更多的變化條件，如天氣、阻礙物和其他不利因素。海灣戰(zhàn)爭中的部分戰(zhàn)斗確實是先通過SIMNET仿真后再運用到戰(zhàn)場上的。實踐證明，SIMNET取得了良好的效果。圖 3-4 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)Fig.3-4 Virtual Realitu System3.5

55、虛擬制造系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)虛擬制造系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)依照不同應(yīng)用目標(biāo)和應(yīng)用環(huán)境而各有不同。其中具有代表性的體系結(jié)構(gòu)有Mediator體系、Iwate體系、分布式體系、虛擬開發(fā)平臺體系等。（1）虛擬設(shè)計： = 1 * GB3 產(chǎn)品建模 = 2 * GB3 產(chǎn)品異地設(shè)計 = 3 * GB3 產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計 = 4 * GB3 產(chǎn)品性能評價 = 5 * GB3 零部件分析優(yōu)化 = 6 * GB3 可制造性評價 = 7 * GB3 快速原型（2）虛擬制造： = 1 * GB3 生產(chǎn)工藝優(yōu)化 = 2 * GB3 工具設(shè)計優(yōu)化 = 3 * GB3 刀位操縱參數(shù)優(yōu)化 = 4 * GB3 刀位軌跡參數(shù)優(yōu)化 = 5 *

56、GB3 加工方案評估 = 6 * GB3 虛擬實驗 = 7 * GB3 虛擬檢測 = 8 * GB3 工藝模型驗證、產(chǎn)品模型實驗：虛擬機(jī)床（3）虛擬生產(chǎn)： = 1 * GB3 生產(chǎn)打算仿真優(yōu)化 = 2 * GB3 虛擬生產(chǎn)布局 = 3 * GB3 虛擬設(shè)備集成 = 4 * GB3 虛擬裝配 = 5 * GB3 虛擬生產(chǎn)平臺服務(wù)器（4）虛擬企業(yè)： = 1 * GB3 虛擬企業(yè)平臺服務(wù)器 = 2 * GB3 企業(yè)協(xié)同工作環(huán)境 = 3 * GB3 企業(yè)虛擬運行 = 4 * GB3 企業(yè)運行仿真3.6 虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù)虛擬現(xiàn)實是多種技術(shù)的綜合，其關(guān)鍵技術(shù)和研究內(nèi)容包括以下幾個方面：（1）環(huán)境建模技術(shù)

57、即虛擬環(huán)境的建立，目的是獵取實際三維環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并依照顧用的需要，利用獵取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。（2）立體聲合成和立體顯示技術(shù)在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中消除聲音的方向與用戶頭部運動的相關(guān)性，同時在復(fù)雜的場景中實時生成立體圖形。（3）觸覺反饋技術(shù)在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中讓用戶能夠直接操作虛擬物體并感受到虛擬物體的反作用力，從而產(chǎn)生身臨其境的感受。（4）交互技術(shù)虛擬現(xiàn)實中的人機(jī)交互遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了鍵盤和鼠標(biāo)的傳統(tǒng)模式，利用數(shù)字頭盔、數(shù)字手套等復(fù)雜的傳感器設(shè)備，三維交互技術(shù)與語音識不、語音輸入技術(shù)成為重要的人機(jī)交互手段。（5）系統(tǒng)集成技術(shù)由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)的集成技術(shù)為重中之

58、重：包括信息同步技術(shù)、模型標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、識不和合成技術(shù)等等虛擬現(xiàn)實是在計算機(jī)中構(gòu)造出一個形象逼確實模型。人與該模型能夠進(jìn)行交互，并產(chǎn)生與真實世界中相同的反饋信息，使人們獲得和真實世界中一樣的感受。當(dāng)人們需要構(gòu)造當(dāng)前不存在的環(huán)境（合理虛擬現(xiàn)實）、人類不可能達(dá)到的環(huán)境（夸張?zhí)摂M現(xiàn)實）或構(gòu)造純粹虛構(gòu)的環(huán)境（虛幻虛擬現(xiàn)實）以取代需要耗資巨大的真實環(huán)境時，就能夠利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)。為了實現(xiàn)和在真實世界中一樣的感受，就需要有能實現(xiàn)各種感受的技術(shù)。人在真實世界中是通過眼睛、耳朵、手指、鼻子等器官來實現(xiàn)視覺、觸覺（力覺）、嗅覺等功能的。人們通過視覺觀看到色彩斑斕的外部環(huán)境，通過聽覺感知豐富多彩的音響世

59、界，通過觸覺了解物體的形狀和特性，通過嗅覺明白周圍的氣味。總之，通過各種各樣的感受，使我們能夠同客觀真實世界交互（交流），使我們浸沉于和真實世界一樣的環(huán)境中。在那個地點，實現(xiàn)聽覺最為容易；實現(xiàn)視覺是最差不多的也是必不可少的和最常用的；實現(xiàn)觸覺只有在某些情況下需要，現(xiàn)在正在完善；實現(xiàn)嗅覺還剛剛開始。 人從外界獲得的信息，有80%90%來自視覺。因此在虛擬環(huán)境中，實現(xiàn)和真實環(huán)境中一樣的視覺感受，關(guān)于獲得逼真感、浸沉感至為重要。在虛擬現(xiàn)實中和通常圖像顯示不同的是，要求顯示的圖像要隨觀看者眼睛位置的變化而變化。此外，要求能快速生成圖像以獲和實時感。例如，制作動畫時不要求實時，為了保證質(zhì)量每幅畫面需要多

60、長時刻生成不受限制。而虛擬現(xiàn)實時生成的畫面通常為30幀/秒。 有了如此的圖像生成能力，再配以適當(dāng)?shù)囊繇懶Ч?，就能夠使人有身臨其境的感受。能夠提供視覺和聽覺效果的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，已被用于各種各樣的仿真系統(tǒng)中。都市規(guī)劃中，如此的系統(tǒng)正發(fā)揮著巨大作用。例如，許多都市都有自己的近期、中期和遠(yuǎn)景規(guī)劃。在規(guī)劃中需要考慮各個建筑同周圍環(huán)境是否和諧相容，新建筑是否同周圍的原有的建筑協(xié)調(diào)，以免造成建筑物建成后，才發(fā)覺它破壞了都市原有風(fēng)格和合理布局。如此的仿真系統(tǒng)還可用以愛護(hù)文物、重現(xiàn)古建筑。把寶貴的文物用虛擬現(xiàn)實技術(shù)展現(xiàn)出來供人參觀，有利于愛護(hù)真實的古文物。山東曲阜的孔子博物院確實是這么做的。它把大成殿也制成模型