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虚拟现实技术及其在工业中的应用

摘要：

虚拟现实技术总所周知，并正在积极探索研究实际运用于各种各样的工业领域当中，通过使用三维计算机图形，互动装置，高分辨率的显示，可以实现在虚拟在世界中拿起物体。自1990年起。通用电气公司已经使用虚拟现实技术开发出相应的应用系统。本文详细介绍了四个虚拟现实的应用系统：放松恢复系统、骑马疗法模拟器、基于虚拟的厨房布局设计系统、以及城市规划的虚拟现实系统。

关键词：虚拟现实、以人为本的设计、人机界面、计算机应用、模拟器、计算机辅助设计

1. 介绍

虚拟现实技术众所周知，并正在积极探索研究实际运用于各种各样的工业领域当中。正如：计算机图形学、CAD、CAM、CIM、机器人技术、医疗保健、多媒体、游戏等（Ellis, 1991; Helsel amp; Roth, 1991; Laurel, 1991; Sheridan, 1992）。

许多公司已经发布了可用于开发虚拟现实应用系统的商业产品。

自1990年以来，松下电器公司（MEW）已经开发出大量应用于工业的虚拟现实系统。本文介绍的四种虚拟现实系统已经被商业化或是被应用。

首先描述的是虚拟现实的放松恢复系统在医疗保健领域的应用。该系统采用生理反馈机制，通过检测用户的心跳率的顺序数据，来控制刺激体验。

其次是介绍了基于虚拟现实的骑马疗法，该系统是为健康老人享受放松精神和身体而专门设计的。

第三，是一个虚拟现实支持的厨房布局设计系统。通过这种虚拟现实系统，用户可以建立自己的伪经验以及修改厨房的设计。这个系统可以帮助顾客在设计厨房布局时作出决策。自1994年，这个系统已经被松下电器实际应用于展示厅。

最后，是一个分布式虚拟现实系统在城市规划中的应用。这种虚拟现实系统的核心是一个圆顶的能被真实体验的VR设备。这个虚拟现实系统创造了一个虚拟的城市，使各个专家能够在城市规划评估中相互配合，同时也能够体验和评价城市的整体规划。

1. 基于虚拟现实的放松恢复系统

今天，由于政治，经济，科技的波动人们正在受到各种不同形式胁迫，导致人们愈加关注生理上与精神上的健康问题。因此人们去特殊的度假胜地，参加有各种各样医疗保健设施的健身俱乐部或体育俱乐部。但是这些系统是供用户给使用，没有确定的自主功能，用以记录用户运动的相关信息（如用户的生理数据）。因此，发展智能的健身设施，必须包含“自主“这一要素。此外，为了使系统人性化，一种新型人机接口已被引入，以实现用户和系统之间的实时反应，并将用户置身于一个舒适的虚拟世界（Zeltzer，1992）。

在这种情况下，提出了一种新型的智能医疗保健系统，它采用虚拟现实技术实现自主性、互动性和上文所提到的。这种基于虚拟现实的系统能让人们放松，并能在短时间内得到恢复。这种系统消除连续办公如视觉显示终端（VDT）工作引起的疲劳，并通过降低用户身体的活动从而释放压力让他们感到轻松。此外，为了防止用户放松阶段后感到昏昏欲睡，系统通过刺激用户使他们得到恢复。

• 1. 自主性、互动性、存在感的计划系统

图1说明了所开发的虚拟现实放松/恢复系统的概述。

系统收集来自用户的生理信息，即使用传感器获得的用户的心跳速率的顺序数据。

当用户完全放松时，心率下降。如果这种现象被心脏速率传感器检测到，该系统就会降低了三种类型的刺激，即，视觉，听觉和触觉刺激。这种控制可以看作是系统的自主权。

当用户体验系统，他/她的心跳率测量。根据所获得的数据，实时改变的刺激强度的变化，从而实现了用户与系统之间的无意识交互。因此，不需要用户主动的为系统输入信息。

此外，如上所述，本系统的目的是让用户在短时间内放松和恢复。因此，三种类型的刺激的强度必须使用户的欲望在特定的情况下得到控制的。一个场景的例子是，太阳在海边的一个旅游胜地慢慢下落，此时月夜慢慢上升，而将这一幕呈现给用户，伴随着适当的音乐及专业的按摩椅。通过这种三种类型的共同刺激：视觉，听觉和触觉。使用户融入环境，如一个度假胜地的酒店房间一样。

• 1. 原型系统的概述

在原型系统中实现了自主性、互动性和存在性的特质。如图1所示，该系统包括一个按摩椅，头戴式显示器（HMD），一个标准的录像机和控制接口，根据心率数据控制三种刺激。头戴式显示器允许用户直接体验现场音乐，随着大部分的外部刺激的去除。如图2所示是提出系统的一个例子。

场景和音乐被记录在录像带上。在第一松弛阶段，一个简单的二维图像是用来轻轻地刺激用户的视觉感。其次，更新阶段，三维场景带来的刺激感更加强烈。控制按摩椅的信号也被记录在录像磁带，这使得按摩的节奏与场景和音乐相匹配。软按摩，温和的场景和音乐应用于最初的松弛阶段期间，而更强的按摩，更大声的音乐，更加立体的场景则应用于恢复期。该系统的控制界面上安装了一个算法，该算法通过识别降低心率的时间来检测用户完全放松的时间点。

• 1. 原型系统评价

本实验的具体内容如下，五名受试者被要求40分钟完成指定VDT工作，然后在接下来的10分钟执行以下其中一个任务：

1. 体验虚拟现实的放松/恢复系统。
2. 休息。
3. 继续VDT的工作。

其中，休息的意思是测试者就坐在做VDT任务的椅子上休息，当他完成其中的一个任务后，被要求做同样的VDT任务在另一个40分钟之内。

为了确定推荐选择的基于VR的放松/恢复系统适用于生命的躯体，人心脏的波动就被用来评估自主神经系统的的活动。图3显示的是，在测量过程中，代表交感神经系统和副交感神经系统活动水平的变化。

这些计算的指标是“受试者的平均数据”。如图3所示，作为受试者体验的虚拟现实放松/恢复系统，即，从40到50分钟，alpha;变低，beta;变得更高。这表明，虚拟现实的放松/恢复系统是诱导神经放松的。相反，在最后40分钟指数alpha;越高，beta;较低的，VDT作业中。这表明，VR放松/恢复系统可以使用户得到放松。

• 1. 总结

通过实验对原型系统进行测评，表明该系统对人体的放松与恢复有着积极的影响。作为未来的研究，正在考虑提高用于原型系统的头盔显示器的分辨率，更加的丰富震动按摩的设置。同时，有必要进一步探讨VR放松/恢复系统对生理机能的影响以此来充分理解用户的生理现象。

3. 基于虚拟现实技术的骑马治疗模拟器

据说骑马能使人身心受益，所以，在有其他疗法供选择的情况下，骑马会被选择帮助残疾人治疗，特别是在北欧。在日本也越来越受到重视，在户外骑马经历可以给人带来巨大的释放感。此外，通过每一次双腿夹紧马鞍与活生生的生命对话，并且照料它可以为人在心理上带来积极影响。保持或者恢复平衡，变化姿势，并影响马的动作转移通过物理上的刺激，这是积极的锻炼的过程中的一部分（Otha，1997）。然而，它也被报道，这些体育活动（平衡维护活动，体位移动，和通过上下运动可能性转移重量）对每一人都有好处（Kimura，1987）。一个再现骑马疗法的系统已经被开发（Shinomiya, Nomura, Yoshida amp; Kimura, 1997）。该训练系统可以被健康老年人利用，它被专门设计用来放松身体和大脑。通过骑马机器进行治疗，它可以精确地控制负载的分布，以及对人体承受这些载荷的影响进行评估。

有许多报告骑马的模拟器，但这些模拟器并不特别适用于医学研究。一种模拟器，它准确地再现了在预定点为鞍的动作模仿实际的骑马动作，同时可以保证骑车人的安全。

3.1. 实际乘坐数据分析

在模拟器设计之前，需要收集和分析实际骑在鞍上的动作的数据，然后把物理模拟器链接在一起，通过马鞍上的标记收集运动数据，使用高速摄影拍摄马和马鞍的动作。然后使用特殊方法复制数据的三个维度。标记的位置如图4所示。

它一直声称马的的步态是对于骑马治疗的生产有着重要的影响，需要在马行走的过程中采集数据并进行分析。数据也分析重现小跑和慢跑的步态以及让让骑手更愉快的体验。正常行走位置如图5所示。

三维运动用X，Y和Z轴表示，在运动的前部分用x轴表示，边与边的运动组件用Y轴表示，升降组件用Z轴表示。旋转运动量以x轴为中心，被称为“滚动”，旋转运动量以Y轴为中心，被称为“节”，旋转运动以Z轴为中心，被称为`偏航的旋转运动。

3.2.系统概述

系统配置：系统配置如图6所示，可分为四部分：驱动部分、控制部分、虚拟现实部分和虚拟现实操作部分。

驱动部分和控制部分：一个小的，简单的，轻量级的结构的模拟器驱动部分是必需的，和一个斯图尔特平台形并联机构。在直接驱动执行器中，采用交流伺服马达驱动，因为它允许精确定位。交流伺服电机的容量为750 W。

虚拟现实部分：正常骑马，骑手通过缰绳控制马，控制腿部和臀部使马前进或后退，加速或是减速，转弯，停止，以获得不同的步态等等。同时通过对用户模拟器显示移动的图片和声音，重现骑马的真实感受。

可以实现以下控制：

1. 马可以按照意愿移动

·改变速度：速度是由驱动加速度和振幅的变化而改变的。

·改变方向：通过增加或是减少偏离和阜俯仰的方向实现方向的改变。

·改变行进方式：改变正常的步态，小跑或是慢跑。

1. 可视化的风景

·风景根据马的运动状态不同而发生变化：数字化，采用主观运动的照片，展示存储硬盘中的比赛场景，当驱动段的速度增大时，运动图像的帧被跳过，当速度减小时，帧被重复。

·广泛的视野：使用鱼眼镜头拍照，大屏幕进行播放。

1. 听觉的影响

·马蹄声随着马的动作发生改变：马蹄声被数字化和MIDI系统循环播放。环境的声音随着图片的移动而改变。

4.在图像中显示实际发生的运动，当屏幕显示的是上坡路，这时骑手就会有相应的感觉产生：通过运行驱动的部分可以使骑马者感觉像是在爬坡或是在走过弯曲的道路，在斜坡上，偏航值发生改变时，俯仰值也会相应的改变。

1. 设计总是令人兴奋，骑手可以在十字路口自由选择道路：每个方向的运动图片和声音都存储在模拟器中

虚拟现实操作部分：使用的模拟器有两种控制单元，缰绳控制单元，腿部控制单元。缰绳控制单元控制减速和方向，腿部控制单元控制起步于加速。传感器（震动传感器）帖附在缰绳与马鞍的两端。

3.3.评价与结论

一种骑马治疗器已经被研制出来，可以通过运动的驱动系统，运动图片和声音的感觉给骑马者真正的感受。模拟器的插图如图7所示。

五位骑马者骑在模拟器上感受机器带来的真正骑一匹马的感觉，所有的骑手都说模拟器产生的感觉和骑真正的马行走有相同的感觉。但是慢跑和快步的感觉不是很自然，在这些模式下的加速度过于缓慢而不太真实。

将会继续研究骑在马背上对于人体机能的影响，测量人体肌肉产生数据的装置将继续选用电极。

1. 基于VR的厨房布局设计系统

今天消费者的需求与价值观对企业的销售与生产有着很重大的影响。消费者的需求必须得到最直接的满足。但是有的商品是客户的意愿来决定的，这时制造商很难面对突然增加的工作量。只有改变生产系统不能选择生产的情况，相应的销售系统，包括市场营销，市场分配与信息服务必须得到改善。

计算机技术正在迅速发展，一个集合CAD,CAM,和CAE技术的生产系统现在基本已经实现。这项技术还允许从大规模生产到生产各种小批量货物的改变。然而，目前大多数计算机辅助制造还是面向大批量生产，不能处理的某一类单一需求的产品。这些产品的规格可以很容易地改变，以适应个人客户的需求。为了执行这个概念，可以采用虚拟现实技术（VR）。

虚拟现实技术允许用户在产品的设计过程进行检查与作出修改(Frampton, 1995)。基于VR的一个应用实例是进行设计，原型化，空间布局，以及远程操作，操作员培训及娱乐设施。

4.1.厨房布局与虚拟现实

松下最强的产品生产线之一是“厨房系统”，它是一个顾客自定义的计划和建造厨房橱柜与电气单元单元相结合。客户可以选择从超过30000厨房的单元产品和无数的厨房布局。在指定新厨房的布局时，他们做出了许多详细的不同的决定。

厨房规划过程详细说明见图8：

当一位有兴趣的顾客来到陈列室的时候，一个被称为“厨房规划者”的人，首先通过使用目录与展示的方法，解释并描述了厨房产品，再使用铅笔和纸根据顾客的意愿，得出粗略的布局。接下来使用CAD系统设计一个平面图，一个正视图，一个透视图及一个草图。在早期的设计阶段，没有实现虚拟步行功能，有很多系统在实际制造中和客户的原始想法之间往往出现差异。

新的VR系统有助于消除这些问题。下一次顾客们到陈列室，他们可以用虚拟现实系统体验他们厨房的很多方面。顾客可以检查他们自己的厨房，并决定厨房怎样布置来符合他们自己的想法。顾客还可以修改厨房的设计，如果有必要的话。下面的虚拟现实体验的细节描述。一旦客户批准厨房的布局设计，最后的审批，电子图纸和订单将会被发送到计算机集成制造（CIM）生产线。

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1. 总结

在本文中，描述了四个由松下电气公司开发的应用到工业中得系统。正如第1节所述，虚拟现实技术近年来被应用于各种工业用途的研

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