交通安全虚拟实验软件研制与开发.doc

华北科技学院毕业设计（论文）目录摘 要3Abstract4第一章 绪论61.1 课题背景以及意义61.2 研究内容及目的71.3 设计整体方案概述81.4 总体设计过程9第二章 虚拟现实技术概述122.1 虚拟现实技术简介122.2 虚拟现实技术的组成以及特性122.2.1虚拟现实技术的组成122.2.2虚拟现实技术的特性132.3 虚拟现实技术的发展历史142.3.1虚拟现实技术的初步摸索时期152.3.2虚拟现实技术的系统化阶段152.3.3虚拟现实技术的高速发展阶段162.4 国内外虚拟现实技术发展现状162.4.1国外研究状况172.4.2国外的研究状况17第三章 设计所用的软硬件简介193.1 设计所使用软件的概述193.2 3D Studio Max软件介绍213.2.1 3ds Max主界面介绍233.2.2几何体建模253.2.3材质和贴图263.2.4贴图烘焙263.2.5灯光和摄影机273.3 VRP（虚拟现实仿真平台）软件简介273.3.1VRP界面283.3.2相机操作283.3.3环境特效29第四章 汽车碰撞实验304.1 汽车碰撞实验模型的建立304.2 汽车碰撞系统实验VRP场景编辑32结论35参考文献36致谢37交通安全虚拟实验软件研制与开发摘 要众所周知，随着社会的飞速发展，科学技术更新换代的速度越来越快，汽车受到越来越多的人的喜爱，成为越来越多人的代步工具。然而随着汽车数量越来越多，交通事故也就越来越常见，如何更好地了解交通事故的发生原因从而减少汽车碰撞事故成为了现社会的重点。由于现如今的大学生汽车事故实验涉及到人身安全、汽车设备昂贵、汽车操作危险性高以及实验损坏后不易恢复等问题，使得学生很少有机会进行相关实验，并且因为安全问题使得学生不敢深入实验，从而达不到预期的实验效果。软件仿真可以很好地解决这些问题。交通安全虚拟实验软件研制与开发是需要借助于多媒体、虚拟现实和仿真等技术，利用以计算机为中心的科学技术手段制作出逼真的汽车碰撞虚拟实验环境，实验操作人员可以跟在类似真实的实验环境中一样完成相关的汽车碰撞实验项目。交通安全虚拟实验软件研制与开发平台项目的开发、建设与应用打破了传统实验在时间、空间限制，在一定程度上提高实验的效率以及增强实验效果；并且有利于减少资源消耗与环境污染；避免真实实验过程中对实验人员造成的伤害。本设计通过选用 3D Studio Max 软件作为建模平台和选用VRP(Virtual Reality Platform)软件作为虚拟现实的仿真平台，建立仿真的三维实验模型如汽车，道路，交通灯等；再通过 VRP 虚拟仿真软件添加时间轴、功能按钮、脚本程序语言等，然后进行调试、测试、修改最终输出可执行的 exe 文件和用于网络发布的 VRPIE 文件；通过建立相应的 web 页，用户可以下载 exe 文件进行单机实验也可以通过 VRPIE 文件进行在线实验。关键词：虚拟仿真；交通安全；汽车碰撞；虚拟实验室；虚拟现实技术AbstractAs everyone knows, with the rapid development of society, science and technology updates faster and faster, the car is more and more popular, more and more people become the means of transport。However, with the increasing number of cars, traffic accidents are becoming more and more common, how to better understand the causes of traffic accidents to reduce the car collision accident has become the focus of the current society. Because of todays students to car accident experiment involves people personal safety, expensive equipment, automobile, automobile operation risk high and experiment after the damage is not easy to recover and other issues, the students rarely have the opportunity to carry out experiments, and because of security problems in the student doesnt dare (to) further experiments, thereby achieving the expected results. The simulation software can solve these problems very well. Research and development of virtual experiment system of traffic safety is the need to use the computer as the center of science and technology means produce realistic automobile collision virtual experiment environment based on multimedia, virtual reality and simulation technology. And the experiment operator can and in similar to the real test environment, related to the car crash test project. Traffic safety virtual experiment software research and development platform project development, construction and application of broke the traditional experiment in time and space constraints, in a certain extent improve experiment efficiency and enhance the effect of experiment; and to reduce the consumption of resources and environmental pollution; avoid on real experimental process caused the damage. This design by using 3D Studio MAX software as modeling platform and selection of VRP (virtual reality platform) software as a virtual reality simulation platform, a simulation of the three-dimensional model such as automobiles, roads, traffic lights, etc.; through adding VRP virtual simulation software timeline, function buttons, script programming languages such as, and debugging, testing, modify the final output executable EXE file and for network file VRPIE; through the establishment of the corresponding web page, users can download EXE file, the single experiment can also online experiment files via VRPIE.Keywords: virtual simulation; traffic safety; vehicle collision; virtual laboratory; virtual reality第一章 绪论1.1 课题背景以及意义这些年来，计算机多媒体技术和网络通讯技术的高速发展，给我们的学习和生活方式带来了很大的变化，实验教学是高校教学过程中最重要的一个问题，在实验教学过程中，通过实验能够培养并提高学生们的分析问题、解决问题、实践能力以及创新能力的能力。目前，在我国传统的教育中存在着实验环节不充分、学生的创新能力不高、实验资源不充足等问题，然而虚拟实验教学环境的建立可以很好地解决目前高校实验教学过程中存在的一些相关问题。由于信息科学技术的快速发展，已经使得一部分虚拟实验环境在相关理论指导下建立起来，使虚拟实验环境由最初的设计与开发到后来成为了现实，与传统实验室的建立相比，建立虚拟实验室可以大大地降低实验室的建设成本，并且能够提高实验过程中实验操作人员的安全性，培养和学生的实践操作动手能力。目前，虚拟实验技术越来越完善。对于社会发展和科技进步来说，虚拟实验技术是非常关键的，它为科学研究指明了方向。虚拟现实实验技术是现代远程教育过程中的一个非常重要的分支领域，通过利用计算机多媒体技术和网络通讯技术来建立模型并模拟各种实验仪器的功能以及相应的实验效果，在很大程度上弥补远程教学过程中存在的不足，给广大学生提供了便利条件，使学生足不出户便能够通过计算机软件远程操作各种各样的实验项目，所得得的实验效果和在真实实验环境中所得得的实验结果差不多，从而能够丰富学生的感性认识，使学生能够更加深刻地理解实验教学的内容。将虚拟实验加入到传统高校实验课中，一方面可以在很大程度上减少高校在实验设备与器材成本上所花费的资金费用;另一方面能够很好地缓解高校实验室设备供不应求的问题；同时，还能够突破传统实验对学生在时间和地域的限制，很大程度上节约了人力、物力以及财力。另外实验设备的更新换代及功能的升级变化只需要改动软件上的相关程序即可，在很大程度上节约了高校的实验成本。虽然虚拟现实的概念提出时间并不长，但随着计算机科学技术的高速发展，虚拟现实技术将迎来了一个全盛时期，近年来，虚拟现实技术受到了越来越多国家的重视，现如今已经成为一项十分活跃的研究与应用技术。现在，虚拟现实技术的应用广泛，从军事领域到民用方面都有涉及，在教育、娱乐、医学、军事、航天、工商业建筑等众多领域都有着巨大的发展潜力，并且在很多领域中发挥着至关重要的作用。虽然目前我国的虚拟现实技术并不发达，但是它的发展速度相对来说也是比较快的。我相信在今后的几年时间里，我国的虚拟现实技术会快速发展，变得更加成熟。现如今，虚拟现实技术的应用范围广泛，它使人们从以前与计算机之间古板、枯燥、传统的交流方式变为人机之间更加灵活、方便的交流方式，改变了人们的传统思维方式，使得人们的生活方式和工作方式发生了很大的变化。本设计的主要目的是通过虚拟实验这个平台来进行交通安全的实验来研究交通事故的发生原因从而减少交通事故的发生。具有以下几点研究意义：通过交通安全虚拟实验平台来多方面了解事故发生原因，减少了财政压力，同时也保障了实验人员的安全，以期减少交通事故的发生。虚拟现实技术能够引起相关技术和手段的重大变革，利用虚拟现实技术来进行科学方面的研究，能够有效地提高工作效率，降低实验人员的危险程度，减小了工作难度，可以改进科学研究的训练与决策方式。虚拟现实技术的发展能够促进理论与技术的进步，为了实现虚拟现实系统的建立，需要依赖于计算机等硬件设施以及其他技术的最新成果，但是，相关软件与理论也会随着其发展而高速发展。对于我个人而言，进行此次设计首先能够夯实专业知识，本设计将用到计算机仿真技术等专业知识；其次，能够丰富我的新技术知识，虚拟现实技术对于我而言是一个全新的研究领域，而且3DMAX和VRP软件是虚拟仿真的两款软件，具有很大的研究价值和开发空间；最后，本设计最后将制作出实物作品，所以通过此设计过程，可以提高自身的动手实践能力。为以后工作打下坚实的专业基础。1.2 研究内容及目的交通安全虚拟实验软件研制与开发是在安全虚拟的实验环境里基于仿真和虚拟现实等技术进行交通安全方面的实验研究，其目的是在安全环境下研究交通安全事故的发生原因以减少汽车事故的发生。之前的汽车碰撞实验的安全性研究主要是利用反复不断地进行实验的方法，汽车结构的性能、实验人员的安全保护问题与实验过程中的不可控因素主要是依靠传统经验和试验手段，而且实验过程中还有许多不可控因素，这就使研究周期大大延长，而且实验过程中需要投入大量的人力、物力和财力，而且即便如此，得到的结果也不一定是理想的结果。近年来，经济的发展越来越快，人们的生活水平也逐渐提高，现如今越来愈多的家庭有了自己的私家车，然而随之而来的很多安全问题也日趋突出，道路交通安全事故频繁发生，越来愈多的家庭因为事故而发生变故，给整个社会带来了很多负面的影响。虽然有些交通事故是属于不可避免的，但是汽车生产厂商最初在设计制造车辆的时候，尽最大可能地增加车辆被动安全性能，以保证汽车在碰撞时，能够很好地保护驾驶舱内成员及车内乘员使其不受到伤害或者减轻车内乘员所受的伤害。近年来，车辆生产厂商升级汽车性能，加强了汽车产品的被动安全性能，使得现在交通事故对人的伤害在逐渐减少。总之，利用计算机仿真软件模拟出真实实验环境并设计制作实验是一种完全不一样的实验手段，能够真实地展现出实验对象的具体操作过程，检验学生对PLC编程的掌握能力，能够有效地提高学生的实际PLC编程能力，除此之外还可以使实验内容更新添加变得更加方便，减少另外购买实验设备的费用，同时也有效地保证实验操作过程中实验人员的安全性，丰富学生的实践经验，有效提高了现在高校的PLC教学质量，使学生更好地提高理论学习和实际动手两方面的能力，因此可以在设置PLC课程的各工科院校中推广虚拟实验 。 1.3 设计整体方案概述本设计采用3D Studio Max建模软件和VRP(Virtual Reality Platform )虚拟现实平台软件二者相互配合使用来完成基于PLC控制的汽车侧碰实验和汽车追尾实验。3D Studio Max建模软件完成建模和基础动画设置以后，导入VRP仿真平台，在VRP平台中进行编辑，编辑完成后方可进行实验，本虚拟实验具有如下特点：（1）本设计采用3ds Max和VRP软件对真实物体进行模拟仿真，以使汽车设备、交通灯以及汽车碰撞达到相对逼真的效果。（2）3ds Max和VRP两款软件都是可以建立三维模型，这样就可以使实验人员从不同的角度观察到实验效果，与二维模型相比，它具有更好的视觉效果。（3）这几款软件都是通过鼠标的点击功能操作按钮来进行的，这就使得实验操作过程简单明了。如鼠标点击“汽车启动”按钮可实现汽车的启动操作，过程明确，易于清楚观看。（4）设计所包含的实验操作过程具有步骤性，若操作步骤错误，实验将无法完成。例如：在进行汽车侧碰实验时，若汽车处于STOP状态模式时，那么此时进行汽车碰撞操作将无法实现，当汽车处于启动状态模式时，即可实现接下来的汽车碰撞操作。（5）错误提示功能。为了使实验更接近与真实实验的过程，错误提示功能是不可或缺的，它能有效地提醒学生规范自己的操作，注意人身安全和生命财产安全，这样的话，在进行真实实验时，就不会出现不遵守规范并随意操作的现象。（6）程序展示。仅仅是进行相应的实验操作会让人很难明白PLC的控制过程，那么展示一个与实验相对应程序的就显得尤为重要，本设计的程序展示能明确地告诉我们接线方式以及相应接口接线的原因，如此我们便更容易掌握该实验的本质。（7）多媒体播放效果。在汽车碰撞系统实验中，植入音乐，可以使做实验感觉无聊乏味的学生陶冶性情，提高他们的积极性。1.4 总体设计过程因为整个实验是处于一种开发性、研究性实验，因而整个进行过程时间较长。设计流程过程如下图所示。首先，构思出三维虚拟实验平台的一个大致思路，接着通过图书馆书籍查阅、中国知网、维普网、万方数据和百度查阅，有了一个相对明确的项目规划，紧接着就是对仿真软件的选择，这是一个比较漫长的过程，因为是第一次从事仿真实验方面的学习，之前没有任何经验，既要考虑是否适合自己学，又要考虑时间问题，于是在多个软件之间进行比较，最终选定3D Studio Max和VRP两款软件作为建模和虚拟平台开发软件。软件选择结束以后，便是进行对软件的学习，市场上软件的资料层出不穷，选择好一本资料对于学习的进度和难易度有着很大的影响，这需要在选择资料的时候认真甄选。资料选定后便是进行对两款软件的学习，经过一段时间的学习，对软件有了比较深入的了解，掌握情况比较好。对两款软件有了初步掌握以后，就是寻找与实验相关的资料以及对实验实物的考察，如汽车、西门子PLC、交通灯等，通过对实物的观察来为仿真对象提供建模依据。对实物进行初步了解以后，便是虚拟实验的核心部分PLC控制器，于是对PLC知识进行了补充性的学习，包括PLC的工作原理，选择型号依据、I/O口数量选择等等一系列知识。当对实物和实验过程有了掌握时，接下来便是建模过程的正式开始。建模以3D Studio Max软件作为平台，根据对实物和实验过程的要求建立各种模型器件，并协调好它们的位置关系。各个大模型的建立往往是通过各个小模型的建立、比例缩放、三维透视图、三视图的观察以及布尔等一系列操作及相应参数设定，使大模型的大致轮廓定型。交通安全虚拟实验软件开发与研制平台设计过程流程图如图1-1所示：合格不合格资料查找设计规划构思PLC知识的补充学习建立3ds Max模型动画软件的选择修改3ds Max模型动画VRP仿真平台的编辑软件的学习观察研究立体实物VRP仿真平台测试、调试可执行的exe文件图1-1 交通安全虚拟实验软件开发与研制设计过程流程图模型大致轮廓建立完毕后，设置模型动画、模型贴图、灯光设置、烘焙类型等等操作，最后将相应的各个模型正确命名确保动画正常导出到VRP虚拟仿真平台，以防模型因命名问题而出现模型丢失现象。模型场景建立完毕后，难免会出现一些问题，比如视觉上位置关系，动画规范性、贴图大小类型是否合适等，这时便需要做适当的修改。当模型场景在3D Studio Max处理完毕后，接下来对三维场景进行相应的烘焙，烘焙无误后就将场景导入VRP仿真平台上。将3D Studio Max模型场景导入VRP仿真平台中，可能由于贴图材质的关系，需要二次贴图或者添加材质，以使模型逼真程度不降低。完成贴图或材质添加后，将在VRP平台上添加相应的控制时间轴，确保动态效果的顺利有序进行；接下来功能按钮的添加也是必不可少的一步，在功能按钮上添加脚本控制语言，便可以实现功能控制按钮的功能化；按钮功能添加完以后便是脚本编程语言的编写，这也是最为关键的一步，稍不留神容易出错，在场景实验控制中，对脚本编程语言逐句进行检查、测试是一个必不可少的过程，脚本编程语言的失误会导致整个实验的出错，而且查错是一个工作量大且考验耐心的一个工作。脚本编程语言完成，功能按钮都实现的时候，接下来就是实验过程的测试、调试，测试调试不合格就在VRP平台里做修正，VRP仿真平台无法做修正修改时，再次将3D Studio Max的模型场景进行各项参数的修改，确保满足要求后，再次导入VRP仿真平台中进行编辑，编辑完成后，再次进行仿真实验测试、调试，若测试、调试不合格再次执行上一处理方案。测试、调试合格后则可将实验场景做成exe可执行文件或者可用于网络发布的VRPIE文件。此两个文件生成后，可搭建固定的网络平台，并将此两文件投放于特定的web页上。用户只需通过访问该特定的web页便可直接进行多人在线访问完成实验，或者通过直接下载该网站的exe可执行文件到本地，单机进行实验。第二章 虚拟现实技术概述2.1 虚拟现实技术简介虚拟现实（Virtual Reality，简称VR），最早是由美国VPL公司创始人拉尼尔（Jarson Lanier）于上世纪80年代初提出来的，Virtual的中文意思是虚拟的，在这里指的是用户所感知到的世界是由计算机技术虚拟出来的，并非是真实的；reality的中文意思是实际的、现实的，在这里指的是存在于真实世界里的一切事物。Virtual和reality这两个单词结合在一起便是虚拟现实，虚拟现实技术也叫虚拟环境或灵境技术。在上世纪末，国内外逐渐流行起了一门盛行的综合性科学技术，那就是虚拟现实技术，虚拟现实技术涉及到了人工智能、人机交互、多媒体技术、计算机图形学、显示技术等多个范畴，多个学科相互交叉。虚拟现实技术在很多范畴例如军事、商业、娱乐、航空航天、文化艺术、教育与培训、医疗建筑设计与城市规划等方面有着很广泛的应用前景。虚拟现实技术再也不是之前那种人与计算机之间传统的、被动的交互方式，而是用户与系统之间更加自然、主动、灵活的交流方式，因此，虚拟现实技术被大家普遍认为是21世纪发展最为快速、应用最为广泛、对人们的工作和生活影响最为之大的计算机技术之一。现在还没有具体作出对虚拟现实技术的定义，如今定义有很多种，大体上可以分为两种：狭义和广义。广义的虚拟现实技术是对想像的世界又或是对现实世界中所有事物的模拟，更多的是对于虚拟世界内部所有事物的模拟。在狭义的定义中，虚拟现实技术被视为是一种全新的智能人机接口。在虚拟现实仿真环境里，用户可以获得到跟在现实环境中一样的感受。综上所述，虚拟现实技术的定义是：利用以计算机科学信息技术为中心的高新技术手段和输入/输出设备模拟生成的真切的虚拟世界。在这个虚拟世界里，有一些事物是对现实世界事物的模拟，也可以是在现实世界中没有的虚拟想象的事物。2.2 虚拟现实技术的组成以及特性2.2.1虚拟现实技术的组成一般情况下，虚拟现实系统是由计算机、输入/输出设备、应用软件和虚拟环境数据库组成。Computer计算机I/O Devices输入/输出设备DataBase数据库Application Software应用软件User用户 图2-1 虚拟现实系统模型（1）计算机计算机基本上可以算是整个虚拟现实系统的核心组成部分，就像是整个虚拟世界的发动机，它主要是用于负责虚拟世界环境的建立、人与虚拟世界的灵活交互、各种应用软件的装载和运行等功能的实现。因为虚拟世界本身就比较繁杂，虚拟世界的建立过程中需要大量的计算量，所以它对计算机性能有着非常高的要求。（2）输入/输出设备在虚拟现实系统中，用户需要利用输入/输出设备来得到自己所需的信息，并能够及时反馈出相应的信息，常用的交互设备有三维鼠标、数据手套、三维声音系统、力反馈系统、头盔式显示器等。（3）应用软件在虚拟现实系统中，应用软件主要是用来实现人机交互功能，以此来满足用户的需求，具体功能包括虚拟环境的创建、三维虚拟立体语音合成、模型管理技术及实时显示技术、虚拟世界数据库的建立与管理、空间定位等。（4）虚拟环境数据库虚拟环境数据库主要是用于存储虚拟世界环境中各个事物的相关资料，在数据库里具有虚拟世界各个事物所对应的数据模型。2.2.2虚拟现实技术的特性在常规的虚拟现实系统中，一般有头盔式显示器、话筒、耳机、数据手套等交互设备。用户可以先利用计算机生成一个虚拟的世界，这个虚拟世界能够利用头盔式显示器立体显示出来。然后激活再各种输入设备，用户便能够通过动作、语言等交流方式与之前所建立的虚拟场景，这时，计算机便可以凭借传感器所反馈出来的数据使虚拟世界得到改变，并能够将所反馈的信息传输到相应的输出设备，这样就能够使用户感受到多感官的反馈效果。在The Metaphysics of Virtual Reality一书中，Michael Heim提出了虚拟现实的7大特性：仿真（simulation）、交互（interaction）、人工（artificiality）、沉浸感（immersion）、远程监控（telepresene）、体感沉浸（full-body immersion）和网络通信（network communication）。在虚拟现实系统中，用户可以跟虚拟世界中的所有事物进行自然交互，通过视觉、触觉、听觉等感官反馈的信息资料可以使用户能够感同身受。所以交互性和沉浸感是虚拟现实系统的两大最基本特性。虚拟现实系统为军事、娱乐、工程、商业、城市规划、建筑设计、医疗卫生、航空航天、文化艺术、教育与培训等诸多领域范畴提供了许多便利条件，这些应用方案的实用性大都依靠着用户的想象力，所以想象力是虚拟现实系统的另一大特征。美国科学家G.Burdea和P.Coiffet提出了3I特性，认为交互性、沉浸感和想象力是虚拟现实技术的三大突出特性。Immersion （沉浸感）Interaction（交互性）Imagination构想性3I 图2-2 虚拟现实技术本质特征2.3 虚拟现实技术的发展历史虚拟现实技术最初是从军事、商业界到高校的实验室长时间研制与开发，最后才慢慢进入到民用范畴。尽管上世纪80年代后期人们才慢慢关注它，但是其实早就有人于上世纪50年代中期提出了虚拟现实这个想法。当电子技术还处于以真空电子管为基础的时候，美国电影摄影师Morton Heilig就比较成功地利用电影技术，通过“拱廓体验”，着实让观众们体验了一次沿着美国曼哈顿的想象之旅。但是因为当时科学技术还不够发达，没有找到合适的传播载体、缺乏硬件处理设备等原因，虚拟现实技术还处于初级阶段，直到上世纪80年代末，计算机科学信息技术的快速发展以及互联网信息技术的普及使得虚拟现实技术发展的速度越来越快。大体上，虚拟现实技术可以分为3个发展阶段：上世纪70年代之前，是虚拟现实技术的初步摸索时期；80年代初期到80年代中期，是虚拟现实技术系统化、从实验室走向应用的时期；80年代末期到21世纪初，则是虚拟现实技术飞速发展的时期。2.3.1虚拟现实技术的初步摸索时期出现于19世纪60年代的360大型壁画可谓是最早体现出了虚拟现实思想的艺术，例如意大利建筑师、画家Baldassare Peruzzi创作的壁画Sala delle Prospettive。1929年，Edward Link发明了简单的机械飞行模拟器，这应该是最早体现出虚拟现实这一构想的设备。这个设备使体验者的感觉和坐在真正飞机上的感受一样，让飞行员在室内就能够通过操作模拟器学习如何驾驶飞机。1956年，Sensorama的问世引起人们的广泛关注，这是Morton Heilig在全息电影的启发下研制出的一套只供一个人观看、具有多感官刺激的现实系统。之后，美国科学家Ivan Sutherland博士发表了一篇名字叫做“The Ultimate Display（终极显示）”的论文，在该文中，他提出了一种感觉真实、富有挑战性的人机协作新理论，后来，这一理论被广泛认为是在虚拟现实技术里具有里程碑意义的，因此，Ivan Sutherland被称之为“虚拟现实技术之父”。2.3.2虚拟现实技术的系统化阶段从上世纪80年代初到80年代末，广泛开始形成虚拟现实技术的一些基本概念，在这个时期内，出现了VIDEOPLACE和VIEW两大比较典型的虚拟现实系统。在上世纪80年代初，美国的DARPA（Defense Advenced Research Projects Agency）为了坦克编队训练主持开发了一个使用性比较强的虚拟战场系统SIMNET（simulator networking）。该系统的主要目的是为了减少训练费用，提高训练安全性，此外也可以减少训练过程中对于环境的影响。上世纪80年代，美国宇航局（NASA）以及美国国防部组织展开了一系列关于细腻现实范畴的研究，并在这方面取得了令人瞩目的研究成果，成功地引起了人们对于虚拟现实技术的普遍关注。1989年，基于上世纪60年代以来所取得的一系列成果，美国的VPL公司创始人Jaron Lanier正式提出了“Virtual Reality”一词。2.3.3虚拟现实技术的高速发展阶段1996年10月31日，世界上第一场虚拟现实技术博览会在伦敦开幕。全世界的人们都可以通过Internet在家中参观这个没有场地、没有现场工作人员、没有真实展品的虚拟博览会，人们在Internet上输入博览会的网址，就可以进入博览会的展厅和会场进行浏览参观。1996年12月，世界上第一个虚拟现实环球网在英国投入运行。这样，因特网用户就可以在一个由虚拟现实世界组成的网络中进行遨游，身临其境地感受各国风土人情、参观旅游胜地以及在大学课堂里听讲座等等。随着因特网传输速度的不断提高，虚拟现实技术也日趋完善。虚拟现实全球网的问世已经是大势所趋，虚拟现实技术是信息处理技术继文字处理后的又一次飞跃，有很高的科研价值和实用意义，可以广泛运用于教育、设计、军事、娱乐等众多领域。2.4 国内外虚拟现实技术发展现状虚拟现实技术的诞生，给人机交互等领域开辟了一片崭新宽广的天地，同时也为社会带来了很大的效益。人们从多媒体科学技术、网络通信技术的高速发展中得到启示，了解到了虚拟现实技术的重要性。然而随着计算机系统的性能更新速度不断地提高，其价格却在不断降低。同时，与虚拟现实技术相关的一些科学技术也在日趋成熟，这些都对虚拟现实技术的研究提供了重要的基础，如实时三维图形生成与显示技术、三维声音定位与合成技术、传感器技术、识别定位技术、环境建模技术、CAD技术等。现在，不论是在商业性，还是在实用性以及技术创新上都有很大的潜力。近几年，人们逐渐地认识到了虚拟现实技术背后巨大的应用前景，现在，基本上是所有发达国家都致力于研究虚拟现实技术相关的前沿技术，它的发展速度也是越来越快。实际上基于虚拟技术现实的研究主要有虚拟现实技术与虚拟现实应用两大类。在国外，虚拟现实技术研究方面做得较好的有美国、德国、英国、日本、韩国等国家。在我国，浙江大学、北京航空航天大学、国防科技大学、中国科学院等单位在虚拟现实方面的研究工作开展的比较早，同时也取得了非常多的成果。2.4.1国外研究状况1.美国虚拟现实技术最初是诞生于美国，是世界上研究时间最早，研究范畴最广的国家。大多数虚拟现实技术的研究机构都在美国。虚拟现实的大多数硬件设备也产自于美国。美国国家航空航天局（NASA）于20世纪80年代开始就开始了虚拟现实技术的研究工作。 麻省理工学院（MIT）的媒体实验室在研究人工智能、机器人、计算机图形学和动画方面取得了许多成就。在VR领域，媒体实验室也取得了许多进展。2.欧洲在欧盟科研基金支持下，包括英国、德国在内的欧洲各国进行了多项虚拟现实应用项目的开发。英国在虚拟现实的理论研究和实际应用方面均位居欧洲前列，世界上第一个虚拟现实技术博览会和第一个虚拟现实环球网都诞生于英国。德国计算机图形研究所和计算机技术中心是德国先进的虚拟现实研究团体，主要研究领域包括虚拟环境环境显示技术、远程控制系统、分子建模等。3.亚洲日本、韩国、新加坡的虚拟现实研究处于亚洲领先水平。日本在虚拟现实游戏方面处于世界一流地位。著名的世嘉（Sega）公司和任天堂(Niniendo)公司的多个虚拟现实游戏在游戏产业占有很重的市场份额。奈良尖端技术研究院在嗅觉沉浸方面做出了重要突破，其开发的嗅觉模拟器可以模拟水果香味。2.4.2国外的研究状况虚拟现实技术是一项投资大，具有高难度的科技领域，我国虚拟现实技术研究始于上世纪90年代初，和一些发达国家相比，我国的虚拟现实研究起步较晚，在技术方面有一定的差距。由于虚拟现实技术具有重要的科研意义和广泛的应用价值，因此得到了国家有关政府部门的高度重视与大力支持。由浙江大学CAD&CG国家重点实验室牵头，于2003年开始探索虚拟环境的真实感知及虚实环境融合的一致性理论与方法，研究虚拟环境的构建、绘制、显示、自然人机交互、增强式虚拟现实等虚拟现实关键技术，实现在文化娱乐、城市规划、国防安全、装备制造等范畴的应用。此外，在国内以等为代表的一些技术网站的兴起，为国内许多虚拟现实爱好者建立一个良好的学习氛围，并且为他们提供了有益的虚拟现实技术向导，使得虚拟现实在商业应用上走向大众化和民用化。第三章 设计所用的软硬件简介3.1 设计所使用软件的概述在进行虚拟实验设计之前需要考虑的因素之一就是建模、虚拟仿真平台软件的选取。通过资料可以查询到许多建设仿真虚拟平台的软件，通过阅读它们的简介、网络收集资料、下载学习试用后，进行相互比较，最终选定所需的虚拟软件。最初考虑的软件主要有：VRML、Flash、LABVIEW、Unity3D、Maya、Protel、UG、Virtools、Sketchup等等，最后进行综合比较发现3D Studio Max和VRP虚拟仿真平台软件的结合是一种非常好的选择，在此对其他软件此处做一个大致介绍：图3-1 仿真软件建立的虚拟大学校园三维场景VRML（Virtual Reality Modeling Language）即虚拟现实建模语言。是一种场景建模语言，它主要是用来建立出真实世界里存在的场景模型或者是人们虚构出来的三维世界，它具有平台无关性。Virtual Reality Modeling Language（虚拟现实造型语言）简称为VRML，它的目标是建立于Internet上的交互式三维多媒体， 它以Internet为主要应用平台，构建出虚拟现实应用的基本框架。如图3-2VRML场景中的虚拟化身。图3-2 VRML场景中的虚拟化身利用VRML建立的虚拟场景，用户可以直接在互连网上进行观看 （浙江工业大学游泳馆如图3-3）。按照传统的展示方法，浏览者只能从这些图片中得到很有限的信息，不能对整个空间全面了解，而且每个浏览者的嗜好不同，我们呈现出的图片也许是浏览者没兴趣的角度，这样肯定达不到展示的目的。如今，我们使用VRML就可以不用再担心这些相关问题了，我们只需利用软件将模型建立起