浅谈虚拟现实技术在科技场馆中的应用

来源:用户上传      作者: 李永广

　　摘　要：虚拟现实是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，它利用计算机技术生成一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的虚拟环境，用户通过使用各种交互设备，同虚拟环境中的实体相互作用，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真和信息交流，是一种先进的人机交换技术。得力于计算机图像和多媒体技术的飞速发展，虚拟现实技术已广泛应用在国内外的科技场馆、主题公园、游乐场等。笔者以东莞科技馆“飞行模拟器”展品为研究实例，分析科技场馆虚拟现实技术的应用。
　　关键词：虚拟现实，飞行模拟器
　　
　　虚拟现实(Virtual Reality)，简称VR，是利用计算机技术生成一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的虚拟环境，用户通过使用各种交互设备，同虚拟环境中的实体相互作用，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真和信息交流，是一种先进的人机交互技术。虚拟现实集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、立体显示技术等技术，是一项综合的集成技术。它所具有的沉浸性(immersion)、交互性(interaction)和构想性(imagination)，使人们能沉浸其中，形成具有交互功能的多维化的信息环境。
　　一般来说，一个完整的虚拟现实系统由虚拟环境、以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备，以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成。
　　在国内外科技场馆中，使用多媒体虚拟现实技术的展品有很多，如汽车模拟驾驶、太空探险等展品。下面笔者将以东莞科技馆信息与高新技术展厅展品“飞行模拟器”为范例，分析其构成和系统原理，并探讨该技术的发展趋势。
　　
　　一、系统构成
　　
　　“飞行模拟器”展品是国内科技馆游客最喜欢的互动展品之一。游客可尝试当一名军人，模仿空军作战的紧张场景；也可作为一名飞机控制师，操纵飞机翱翔于蓝天与白云间等。
　　
　　1.液压运动平台系统
　　六自由度平台实现刚体在空间六个自由度的运动，即沿X、Y、Z轴的移动及绕X、Y、Z轴的转动。由于刚体在空间的位置最多由六个自由度来描述，因此该平台可模拟刚体在空间的任意运动状态。其液压源经蓄能器同时向六个阀控伺服缸供油，油缸与下台基、上平台之间分别采用球铰连接，六个油缸可在缸长方向作线性移动。平台正是通过六个油缸的协调动作来实现六个自由度运动。平台的位置姿态与油缸的伸缩量间存在位置耦合关系，包括位置逆解和位置正解。其中位置逆解由平台的给定位置姿态各油缸的伸缩量，以便进行平台的六个自由度位置控制，位置正解由各油缸的伸缩量求解平台六自由度位置量，用于平台位置的间接测量。
　　
　　2.玻璃钢飞机模型
　　由玻璃钢模型、显示设备、操纵控制杆、仪表盘等组成。　玻璃钢模型由机身、舱盖、机翼、机尾等几大块组成，座舱座位与机身为一体，机翼、机尾单独制作，然后与机身组装。座舱盖可以向一侧翻开，上人之后可盖回。座舱内有两套液晶显示器，每套显示器加装一套红外立体显示设备，由立体眼镜观看。
　　
　　3.显示系统
　　机上图像显示采用两台液晶显示器，前座与后座游客各观看一台，每台液晶显示器各加装一套立体眼镜适配器，观众通过红外立体眼镜观看。
　　
　　二、系统原理
　　
　　飞行模拟器采用计算机控制方式，其控制原理如下：
　　首先计算机采集控制台启动按键，当启动按键按下后，开始检测操纵杆信号。当操纵信号启动后，进入飞行过程中，图像播放飞行状态。在飞行过程中，计算机根据图像过程中的运动状态，同时结合检测到的操纵控制信号，控制液压运动平台的运动，使飞机模型产生前后俯仰、左右仰斜、上下升降以及几个状态的联运动作。当操纵杆控制空中格斗时，根据控制信号在图像中加入发射枪炮，以及发射导弹的画面。当飞机返航时，根据检测操纵杆的信号，判定降落机场的成功与失败，此过程可以由计算机设置难易程度。不论降落成功与否，都由计算机控制液压运动平台恢复安全平稳状态，由工作人员推动活动舷梯，来到运动平台跟前，由工作人员揭开座舱盖，游客从舷梯下来离开，准备供下一批游客使用。
　　
　　三、虚拟现实技术的发展趋势
　　
　　1.展示效果趋于真实
　　(1)沉浸感(Immension)逐渐完善。画面的质量不断提高，三维效果不断完善，能使操作者有“身临其境”的感觉，就像现实世界一样。让操作人员相信在虚拟境界中人也是确实存在的，而且在操作过程中他可以自始至终地发挥作用，就像真正的客观现实世界一样。
　　(2)交互性(Interactivity)不断增强。操作者与虚拟环境中所遇到的各种对象的相互作用的能力，操作者不再是被动接收信息，用户是交互作用的主体，与虚拟物体可进行多行为的交谈。
　　
　　2.应用场所将更加广泛
　　“飞机模拟器”展品将从原来的军事模拟作战，到现在的科技馆(主题公园、游乐场所)的体验项目，得益于最新的计算机控制技术、网络技术、云计算技术等，将发展到家庭休闲游戏等，并可通过互联网与远方的好友进行联网互动。

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