交通仿真中的虚拟现实技术

图1.1：虚拟现实的３I特交通仿真中的虚拟现实技术

【摘要】虚拟现实技术是当今科技发展的新热点，虚拟现实技术也越来越多的成为交通仿真领域应用软件发展的新趋势。本文简要介绍了虚拟现实技术的特点，探讨了在交通仿真中虚拟现实技术的应用情况，并对虚拟现实技术在这些领城的发展进行了展望。

【关键词】虚拟现实；交通仿真

随着我国的交通事业迅速的发展。在交通仿真应用软件不断更新，除了模型本身，虚拟现实技术的应用越来越多的成为这些软件发展的新趋势以及评价的一个重要指标，为实际应用提供了更为直观、有效的工具。本文就交通仿真中虚拟现实技术的应用进行了分析和介绍，并对今后交通仿真领域虚拟现实技术的发展进行了展望。

一、虚拟现实技术综述

虚拟现实技术(virtual reality, VR)，又称临境技术，是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征（如图1.１）的计算机高级人机界面。它综合利用了计

算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、

计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟

人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人能够沉浸

在计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等

自然的方式与之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间。使用者不仅能够通过虚拟现实系统感受到在客观物理世界中所经历的“身临其境”的逼真性，而且能够突破空间、时间以及其它客观限制，感受到真实世界中无法亲身经历的体验。

虚拟现实技术具有超越现实的虚拟性。虚拟现实系统（如图1.２）的核心设备仍然是计算机。它的一个主要功能是生成虚拟境界的图形，故此又称为图形工作站。图像显示设备是用于产生立体视觉效果的关键外设，目前常见的产品包括光阀眼镜、三维投影仪和头盔显示器等。其中高档的头盔显示器在屏蔽

现实世界的同时，提供高分辨率、大视场角的虚拟场景，并带有立体声耳机，

可以使人产生强烈的浸没感。其他外设主要

用于实现与虚拟现实的交互功能，包括数据

手套、三维鼠标、运动跟踪器、力反馈装置、

语音识别与合成系统，等等。

虚拟现实是近年来十分活跃的技术研究领域，是一系列高新技术的汇集。虚拟现实是多媒体技术发展的更高境界，是这些技术更高层次的集成和渗透。它能给用户以更逼真的体验，为人们探索宏观世界和微观世界以及由于种种原因不便于直接观察事物的运动变化规律，提供了极大的便利。将某种概念设计或构思转化为可视化或可操作化的过程，实现逼真的现场效果，达到任复杂环境的廉价模拟训练等目的。虚拟现实技术已经和理论分析、科学实验一起，成为人类探索客观世界规律三大手段。

二、交通仿真的概念

仿真是将所研究的问题用其它手段加以模仿的一种技术，按所用的方法分为物理仿真和数学模型仿真即计算机仿真。物理仿真就是对真实系统建立物理模型；数学模型仿真就是运用计算机及相应的程序代码表示实际系统，使之运行时与实际系统在逻辑上具有相同或类似的特性，从而可以用它来检验实际系统，修改实际系统的不足之处，或者用于教学演示等，并能节省费用和时间，减少不必要的风险。

具体来说，交通仿真技术是运用现代计算机技术建立能够替代实际交通系统的计算机模型的研究过程，该模型能够再现现实交通系统的特性，分析在各种设定条件下交通系统的可能行为，通过模型仿真的试验结果，以寻求现实交通问题的最优解、评价运输设施各类设计方案的效果。

宏观仿真和微观仿真是根据交通研究模型的不同而对交通仿真进行研究的两种主要方法。根据交通宏观参数来描述交通流状态的模型是宏观交通模型，它主要是针对车流整体。而侧重模拟车辆个体运动状态的研究方法则是微观交通模型。若交通流的运行是通过流量——密度关系来控制，流体运动的机制通

过交通流的运动来处理，且模型不追踪单个车辆处理，则主要应用在宏观仿真

中。典型的宏观仿真问题有路径出行选择问题、网络流量分配问题等。

微观仿真模型以单个车辆为描述对象，以跟车模型为基础，追踪每辆车的运动过程，在微观模型中，每辆车的位置和当前速度是很重要的参数，在交通网络环境中单个“驾驶员——车辆元素”的动态变化是微观模型的考察重点。在考察过程中，要遵循的二个规则:车辆移动的基本规则(跟车模型和换道模型)、信号约束规则和服务优先规则。

到目前为止，较为成熟并且已具有相当商业性和通用性的交通仿真软件有:苏格兰Quadstone、Limited公司的PARAMICS；美国联邦公路署(FHWA)开发的CORSIM，NETSIM；德国PTV公司的VISSIM；西班牙TSS公司的AIMSUN2；另外还有由TRRL开发的TRANSYT；由MIT开发的DYNAMIT等。

三、交通仿真中的虚拟现实技术

交通系统是一个涉及驾驶员、车辆、道路、交通环境相互作用的复杂系统，既有其确定性的一面，又有随机性的一面，同时还有人的行为因素的影响。尤其对于我国大城市的交通系统。相比较国外的交通系统而言，其复杂性、不确定性、人的行为因素的影响表现得更为突出和集中。对于这此复杂的交通现象和交通问题的分析，传统的分析方法即经验模型法和分析模型法很难加以科学、直观的分析，随着计算机技术的飞速发展，在复杂的交通系统的设计和分析中，因计算机仿真的优点在交通领域得到较为广泛的应用。但随着“数字交通，概念的提出和基础设施的建设，人们在对交通的仿真精度提出更高要求的同时对系统界面的友好、直观也更为关注，而虚拟现实技术是解决这一问题的途径之一。

20世纪90年代后，如何对交通实际情况虚拟现实(VR)、多媒体技术(MMT )和二、三维动画技术有效地结合实现更加友好的人机工程成为交通仿真软件的研发重点。

１、微观交通仿真中的虚拟现实技术

2000年后，交通环境的3D可视化的开发和实现己经成为交通仿真的一个重要的研究方向。3D仿真技术的实现逐步开始与两个方面的技术紧密结合在一起，一方面是3D引擎技术，另一方面是就是虚拟现实技术(VR) 。

当前微观仿真技术应用比较多的领域是城市地理信息系统，基于细节层次显示技术和视景分块调度技术，结合虚拟现实技术，通过对图形数据和属性数据库的共同管理、分析及操作。实现数据可视化，也可使用基于图形和基于图像的建模技术对建筑物和其他一些复杂的模型如树木等进行重建，再利用有理函数模型表示遥感影像与地面之间的构象关系，使用纹理映射技术，构建具有高度真实感的平面或者三维景观图。或者将城市表面几何对象经过模型化后，都以数字的形式存储在计算机中，采用纹理和贴图技术、LOD模型、动态多分辨率的纹理与影像优化技术，进行微观仿真。

在软件方面，目前国内比较成功的交通仿真产品有同济大学的邹智军、杨东援开发的TESS；浙江大学的王晓薇、李平研究的城域混合交通流仿真系统的人机界面设计实现；同济大学的钟邦秀、杨晓光建立的面向对象微观交通仿真系统；清华大学的娄明、张毅研究的基于Java3D技术的虚拟车辆仿真系统；北京工业大学的荣建、向怀坤、冯天科研究的基于GIS的城市快速路交通仿真模型研究；中国农业大学的孙晋文对基于Agent的智能交通控制策略与可视化动态仿真进行了研究等。但由于我国相关软件开发与国外还有相当差距，国内软件并没有得到推广。目前，国内交通行业仍以引进国外交通仿真软件为主，应用较广的软件主要有英国的苏格兰Quadstone公司开发的Paramics、德国PTV 的Vissim、美国Caliper公司的TansModeler等。

2、行人仿真中的虚拟现实技术

中国的城市交通以非机动车和机动车的混合交通流为主，行人干扰现象严重，所以，对行人进行仿真研究具有重要意义。与机动车模拟仿真研究相比，对于行人运动仿真的研究起步较晚，究其原因主要在于行人运动比车辆运动更加复杂的缘故。现在流行的行人仿真软件大都为国外开发的软件，如Keith Still教授在1996年开发的Legion仿真系统；英国合乐(Halcrow)公司开发的PAXPORT仿真系统；荷兰Delft理工大学开发的NOMAD仿真系统；ANSYS公司开发的STEPS仿真系统等。

国内面临的交通流问题从来都是混合交通流，但国外微观交通仿真软件绝大多数没有行人和自行车仿真功能。值得一提的是由德国PTV公司开发的

图

3.3：交通标志三维动态设计

VISSIM 微观仿真软件已在它的VISSIM5.1版本中加入了基于社会力模型行人仿真模块，可实现了行人和车辆的动态交互行为，很大程度提升了仿真的准确性。在行人三维设计方面，Legion 和VISSIM 的行人模块支持3D 图形效果，加上模型因素，被业界较为广泛的使用。

3、交通标志标线仿真中的虚拟现实技术

在道路交通标志标线的设计、设置中应满足驾驶员在极短时间内易于辨别道路交通标志标线的要求，即满足道路交通标志标线视认性的要求。目前，道路交通标志标线视认性测试方法有实验室内静态测试与实车场地动态测试两种，但这两种方法存在很多不足。

应用虚拟现实技术VR(Virtual Reality)的交通标志仿真系统的开发与研究受到越来越广泛的关注，这类仿真系统依照实际的交通设施设计方法设计，采用三维虚拟现实技术，从人机功效学的角度，实现人、车、路三维互动建模仿真，尽可能逼真的重现现实，以保证虚拟世界最基本的沉浸感。模拟各种动态道路环境对交通标志的视认性及设置有效性进行综合评价，从而达到了优化交通标志设计方案、提高道路安全运营和节约试验费用的目的。

目前国内外交通工程领域对交通标志的研究大多还局限在对标志外观尺寸、颜色搭配、信息表述形式以及设施结构等方面，道路设计行业使用的交通标识

标线设计模块也都停留在平面图形库水平。利

用虚拟仿真系统设计交通标志的研究尚处于起

步阶段，我国已经有部分科研单位和大专院校

ITS 研究中设计了基于半物理模型汽车模拟器的道路交通标志标线虚拟测试系统，交通部公路科学研究院等研究并开发了道路交通标志三维虚拟仿真评价系统，长安大学开发了基于真实环境的交通标志仿真试验系统。这些系统目前尚处于研发阶段。

4、交通规划中的虚拟现实技术

目前，国际上专业交通规划软件多达百种，但常用的只有十几种，如美国

的TransCAD、英国的Cube、加拿大的EMME／2以及德国的PTV系统等。

尽管国内一些科研机构也在试图研制具有自主知识产权的交通规划专业软件，如东南大学交通学院的TranStar，建设部城市交通工程技术中心的TranSolution。但这些软件也仅限于研究阶段，软件本身多有不尽如人意的地方，未能得到成功的商业推广和普遍的认同。因此，目前国内基本上还是以应用国外成熟交通规划软件为主。

将虚拟现实技术和地理信息系统(GIS)相结合，构成虚拟地理信息系统，可以实现设计方案的优化。在城市交通规划中，利用虚拟GIS技术可以完成城市道路地形图及相关信息的录入，实现空间数据和属性数据的采集，建立三维地形模型。并构建出一个与客观世界相一致的虚拟环境，以便用户能够逼真地感知它的存在，因此，GIS与交通规划的结合是今后交通分析软件的发展方向。

图3.4：虚拟现实技术在城市交通仿真系统中的应用

５、交通事故模拟与再现中的虚拟现实技术

目前交通事故处理主要依靠皮尺测量、记录证据、人为判断，存在明显的缺陷。交通事故现场勘查比较先进的手段是用全站仪代替皮尺进行现场测量和比例图的绘制，效率有了一定的提高。但是和摄影测量(图像测距)技术相比，在现场的测量速度方面仍有很大差距。

基于虚拟现实技术，开发三维动画演示软件，以三维动画的形式演示车辆在整个事故过程中的运动。在构造虚拟现实环境中，用户可以改变场景元素、改变视角、添加背景、灯光等演示要素，软件具有操作性、灵活性、真实感强等特点。许多国家相继研究出了用于事故再现的应用软件，如美国国家道路交

通安全局(NHTSA)资助开发了大型事故再现软件系统SMAC和CRASH，奥地利开

这些系统一直在不断地完善发展中。国内也已经

开始了探索汽车碰撞事故的计算机模拟研究。清

华大学汽车研究所与云南省道路交通管理科学

技术研究所合作开发的“道路交通事故再现分析

领域的研究还处于起步阶段，事故数据处理和计算机模拟研究的基础很薄弱，

需要进一步发展和改进。

６、虚拟驾驶系统中的虚拟现实技术

计算机仿真技术、实时图形图像处理技术的飞速发展，为汽车仿真的研究

提供了有力的工具和帮助。利用仿真技术可以进行不同虚拟环境的开发和多种

车辆模型的设计，为汽车驾驶训练开辟了新方向。利用虚拟驾驶系统进行训练，

不受时间、场地和气候的限制，在达到培训质量的前提下，具有经济、环保的

优点，因此，利用计算机来开发汽车虚拟驾驶系统是一种有效的手段。

将虚拟现实技术应用于汽车驾驶，即利用计算机构建用于汽车驾驶的虚拟

环境和用于驾驶的车辆，产生“人一车一环境”闭环系统，在这一闭环系统中

驾驶汽车，可根据车辆的行驶不断变换相应的虚拟视景、场景音效和车辆的运

动仿真，使驾驶员沉浸到这一环境中，并根据虚拟环境中产生的触觉，听觉和

视觉，变换相应的驾驶动作，使得虚拟驾驶车辆的位置在行驶环境中不断变化，

以此产生驾驶员和虚拟环境的交互，达到训练驾驶员动作或研究“人一车一环

境”特性的目的。这种能够正确模拟汽车驾驶动作，获得实车驾驶感觉的仿真

系统就是汽车虚拟驾驶系统。

据研究表明，运用“智能模拟加实车”组训模式进行汽车驾驶教学，可使

实车训练效率提高3-5倍，在确保达到同等的训练效果的前提下，可比现行的

训练时间减少30%的实车训练，强化汽车驾驶安全意识的快速形成。汽车驾驶

智能模拟培训系统可以提供城市道路、村镇道路、山区道路、雨天道路、冰雪

道路、雾天道路、高速公路等十余种道路天候条件的3D驾驶环境，以及上千种

交通事故经典案例和可自由编辑案例的工具，同时系统还可以测量学员的驾驶技能缺陷，自动生成个性化的培训计划，从而使学员可以跨越时间空间完成驾驶经历积累，使驾驶教学活动更加丰富灵活和更具人性化。

上世纪80年代以来，德国、瑞士、日本、美国的各大汽车厂家都分别建立了开发型汽车虚拟驾驶系统。日本政府在1970年以正式法律规定，汽车驾驶培训学校必须装备汽车驾驶模拟器；在欧洲，有法律规定，运营驾驶人每年必须在模拟器上驾驶7小时，以训练应对突发交通状况的技能，保证交通安全。

在国内，汽车虚拟驾驶系统发展较晚，2006年吉林大学动态模拟国家实验室建设的具有6自由度运动系统的开发型车辆驾驶模拟器，其规模和性能居世界先进水平。目前，北京宣爱、北京紫光和上海红外等几家上规模的企业已使用汽车虚拟驾驶系统。随着视景技术的成熟和硬件成本的降低，汽车驾驶模拟器能在成本较低的微机平台上实现原来只有在专业图形工作站上才能实现的虚拟现实技术，驾驶模拟器将迎来很好的发展机遇。

图3.6 汽车虚拟驾驶系统

四、结束语

以上列举的只是虚拟现实在交通仿真中应用的几个方面，虚拟现实技术在汽车设计与制造等方面也有广泛应用。现阶段，由于受到传感技术等的限制，大部分虚拟现实环境还停留在视听阶段，能同时提供视觉、听觉、触觉、嗅觉等的虚拟现实系统还没有广泛应用。相信随着计算机技术及传感技术等的不断发展以及人们对人脑的认识的提高，虚拟现实技术必将应用到更广泛的领域。可以预言，能够准确描述仿真对象的模型加上先进的虚拟现实技术是未来交通仿真软件发展的方向。

参考文献

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5、《虚拟现实技术在城市交通仿真系统中的应用》硕士论文费娜2009

6、《虚拟现实技术在城市轨道交通设计中的应用》魏英洪图像图形技术研究与应用2010

7、《基于虚拟现实技术的复杂城市道路交通仿真平台研究》夏萍硕士论文2011

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9、《虚拟现实技术的应用方法研究》傅莹信息科技2010年第12期

10、《虚拟现实技术在数字交通中的应用展望》戴杰君中国电子商务2011年第２期

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虚拟现实和增强现实的应用与畅想上世纪中叶，全息技术被提出，随着研究的深入和技术的日趋成熟，它被广泛运用于电影电视、监视探测、信息存储等领域。此项技术最震撼人心的应用莫过于2009年日本克里普顿未来媒体公司以虚拟歌姬“初音未来”为名义而举办的大型虚拟演唱会。具有全息图像特点的透明投影屏幕播放主唱的3D影像，从全方位给予观看者3D视觉体验。人们不禁开始思考，虚拟人物可以在现实中存在，那么我们何时能与之进行对话或思想交流，更进一步地，现实的我们是否可以体验全新的虚拟世界呢？其实多年以来，在计算机技术日益发展和成熟的推动下，越来越多的新型技术被广泛运用到电子产品上，虚拟现实和增强现实两种全新技术的发展也开始起步，正在走入所有人的视线。 VR，全称Virtual Reality，即虚拟现实，利用计算机生成一种模拟环境，通过三维动态和实体行为，使用户完全沉浸到该环境中。现在的网络世界是完全虚拟的，用户只需通过鼠标键盘或触摸屏就可以实现人机的信息交互，只有视觉和听觉上的感知。但是在虚拟现实中，你完全不会意识到自己身处虚拟世界，因为你感受得到包括重力等各种力的存在，能通过触碰其他事物获得真实触感，还和正常人一样拥有视觉、听觉、味觉等各种感知能力，并受到现实世界物理运动定律的限制。目前有公司设计研发出类似的VR设备和虚拟世界，但是依然受到极大的限制，包括场地和功能的限制。你需要穿戴多种设备，以便支持你拥有一个虚拟世界主人公的第一视角，你的动作信息被捕

获后，通过计算机处理，让虚拟人物做出同样动作，但此时就受到场地的限制了：你无法跑得很远，跳得很高，因为设备体积和工作原因将对你自由活动的范围大小进行约束；同样在功能上，例如现在的虚拟世界无法基本反馈给你食物的所有信息，“色香味”三者你只能体会到色，香和味的体验很难实现，因为在没有实物的情况下，你难以获得这些信息的输入。 AR，全称Augmented Reality，即增强现实，可以实时地计算摄影机影像的位置和角度，并添加相应的图像、视频和3D模型，简单来说，就是把虚拟世界添加到现实世界并且可以互动。现在国内外就有一些利用了AR技术的软件和应用。例如谷歌翻译有一个实景翻译的功能，手机摄像头一旦捕捉到文字或句子，就会在屏幕上，将翻译后内容以贴片的方式贴在原文上；还有一个是SketchAR，一款简单的画图软件：在相册中找出想画的图片，软件会将其转化成素描版，之后再对着一张画纸打开摄像头，就可以把图像投影到摄像头捕捉到的画纸上，接下来你只需拿起画笔，看着屏幕，照葫芦画瓢去勾勒线条就可以完成简单作画。 以上都是VR和AR目前已经具备的功能和应用，但是人类认识世界的能力是无穷的，发展也是无止境的。正是因为人们发现在微观粒子、超高速物体和天体运动等一些领域，用牛顿经典力学体系已经解释不了其中的某些现象，才会有相对论和量子力学的诞生。其中有一假说，称为“量子脑动力学”，属于神经系统科学，其目的是在量子场论的理论框架内解释大脑功能。试想，如果未来在量子力学和医学

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数虎图像提供虚拟仿真实验室硬件设备搭建和内容制作整体解决 方案 虚拟现实实验室是虚拟现实技术应用研究就的重要载体。 随着虚拟实验技术的成熟，人们开始认识到虚拟实验室在教育领域的应用价值，它除了可以辅助高校的科研工作,在实验教学方面也具有如利用率高,易维护等诸多优点.近年来,国内的许多高校都根据自身科研和教学的需求建立了一些虚拟实验室。数虎图像拥有多名虚拟现实软硬件工程师，在虚拟现实实验室建设方面有着无与伦比的优越性！ 下面请跟随数虎图像一起，让我们从头开始认识虚拟现实实验室。【虚拟现实实验室系统组成】： 建立一个完整的虚拟现实系统是成功进行虚拟现实应用的关键，而要建立一个完整的虚拟现实系统，首先要做的工作是选择确实可行的虚拟现实系统解决方案。 数虎图像根据虚拟现实技术的内在含义和技术特征，并结合多年的虚拟现实实验室建设经验，最新推出的虚拟现实实验室系统提供以下组成：

虚拟现实开发平台： 一个完整的虚拟现实系统都需要有一套功能完备的虚拟现实应用开发平台，一般包括两个部分，一是硬件开发平台，即高性能图像生成及处理系统，通常为高性能的图形计算机或虚拟现实工作站；另一部分为软件开发平台，即面向应用对象的虚拟现实应用软件开发平台。开发平台部分是整个虚拟现实系统的核心部分，负责整个VR场景的开发、运算、生成,是整个虚拟现实系统最基本的物理平台，同时连接和协调整个系统的其它各个子系统的工作和运转，与他们共同组成一个完整的虚拟现实系统。因此，虚拟现实系统开发平台部分在任何一个虚拟现实系统中都不可缺少，而且至关重要。 虚拟现实显示系统： ·高性能图像生成及处理系统 ·具有沉浸感的虚拟三维显示系统 在虚拟现实应用系统中，通常有多种显示系统或设备，比如：大屏幕监视器、头盔显示器、立体显示器和虚拟三维投影显示系统，

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虚拟现实(VR)和增强现实(AR)产业分析报告

高盛对虚拟现实（VR）和增强现实（AR）产业分析报告要点 日前高盛发布研究报告来对虚拟现实（VR）和增强现实（AR）产业进行分析。对此篇研报进行翻译后，将其独到之处（特别是软件细分市场）进行整理和解读，希望能方便国内投资者和业界把握行业脉搏。 高盛上周在研究报告中预计，虚拟现实市场到2025年的年营收规模将会超过电视机市场。高盛预计，虚拟现实10年内将创收1100亿美元，而电视机仅为990亿美元。

VR和AR将成为继电脑和智能手机之后的下一代计算平台，现有电子市场将被重塑。一个重要原因是VR可以在多个领域重塑目前的做事方式，而不仅仅是我们熟知的游戏、视频等。 对未来十年进行预测，到2025年，VR和AR的软硬件年销售额将达到800亿美元。如果解决了电池和移动的问题，年营收可以达到1820亿美元。即使VRAR仍受困于延迟、显示、隐私安全这些基础问题，年营收也可实现230亿美元的水平。 一、市场现状 历史：VR的前身是3D游戏，但当时显卡、价格、计算能力、抗延迟性能等都无法满足要求。行业的新高潮是Facebook投资20亿美元收购Oculus公司，而且在最近两年内225家VC已经为VR/AR领域投资了35亿美元。现在VR硬件技术基本成熟了。 VR与AR区别：除了技术特点外，一般认为AR主要用于商用，而VR 消费和商用都有。 日前Oculus发布了消费版VR头盔，但其对于PC的要求比较高。Nvidia估计只有1300万台PC满足要求，而Gartner则估计有1%PC 可以。所以VR头盔的初期发展会受到PC性能不足的限制。此外苹果在VR领域还没动静，可能在等待先发者探路后再寻找最好的机会杀入，苹果可能是未来VR产业格局中最大的变数。 图2 目前产业链厂商汇总

交通仿真中的虚拟现实技术

图1.1：虚拟现实的３I特交通仿真中的虚拟现实技术 【摘要】虚拟现实技术是当今科技发展的新热点，虚拟现实技术也越来越多的成为交通仿真领域应用软件发展的新趋势。本文简要介绍了虚拟现实技术的特点，探讨了在交通仿真中虚拟现实技术的应用情况，并对虚拟现实技术在这些领城的发展进行了展望。 【关键词】虚拟现实；交通仿真 随着我国的交通事业迅速的发展。在交通仿真应用软件不断更新，除了模型本身，虚拟现实技术的应用越来越多的成为这些软件发展的新趋势以及评价的一个重要指标，为实际应用提供了更为直观、有效的工具。本文就交通仿真中虚拟现实技术的应用进行了分析和介绍，并对今后交通仿真领域虚拟现实技术的发展进行了展望。 一、虚拟现实技术综述 虚拟现实技术(virtual reality, VR)，又称临境技术，是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征（如图1.１）的计算机高级人机界面。它综合利用了计 算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、 计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟 人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人能够沉浸 在计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等 自然的方式与之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间。使用者不仅能够通过虚拟现实系统感受到在客观物理世界中所经历的“身临其境”的逼真性，而且能够突破空间、时间以及其它客观限制，感受到真实世界中无法亲身经历的体验。 虚拟现实技术具有超越现实的虚拟性。虚拟现实系统（如图1.２）的核心设备仍然是计算机。它的一个主要功能是生成虚拟境界的图形，故此又称为图形工作站。图像显示设备是用于产生立体视觉效果的关键外设，目前常见的产品包括光阀眼镜、三维投影仪和头盔显示器等。其中高档的头盔显示器在屏蔽

虚拟现实技术及应用

虚拟现实技术及应用 Virtual Reality Technology and Application 课程编号：30420132 学分数：2 开课单位：计算机技术与自动化学院 课内总时数：40（其中实验14学时） 任课教师姓名及职称：张大坤教授、刘坤良讲师 开课学期：第2学期教学方式：讲授＋实践 一、教学要求及目的 本课程是介绍计算机学科前沿技术的一门任选课。着重介绍20世纪90年代末兴起的虚拟现实技术的发展概况，并讲述最有影响力的基于Internet的虚拟现实建模语言VRML，使学生能采用VRML语言创建一个多彩的三维虚拟世界。 二、课程的主要内容 1．虚拟现实技术概论 人机交互技术的历史与发展 虚拟现实技术的基本概念 虚拟现实系统的分类 虚拟现实技术的主要应用领域 2．实现VR系统的三维交互设备 VR的三维跟踪传感设备 VR的立体显示设备 手数字化设备 其他交互设备 3．实现VR系统的相关技术 实时显示处理技术 三维虚拟声音 触摸和力反馈技术 三维建模技术 4．虚拟现实建模语言VRML基础知识 VRML语言简介 VRML的编辑器和浏览器 VRML的基础知识 VRML基本的节点介绍

5．设计VRML的虚拟世界 设计故事梗概 创建构件 传感器、事件及路由 动画和脚本 修改与调试 6．实践环节 实验1：VRML编程环境及简单形体创建 实验2：简单的虚拟场景的搭建 实验3：在虚拟场景中实现动态效果 实验4：创建一个实时漫游的虚拟场景 综合测试（考核） 三、教材及主要参考书 1、虚拟现实系统，张茂军，科学出版社，2001 2、虚拟现实技术，申蔚等，北京希望电子出版社，2002，9 四、预修课程 计算机图形学、多媒体技术 五、适用专业、范围 计算机应用技术专业、计算机软件与理论专业

虚拟现实增强技术综述

虚拟现实增强技术综述 曾玮峰 中南大学信息科学与工程学院 摘要随着近年来计算机三维处理能力的增长和低成本传感显示元件的出现,虚拟现实得到了快速发展,特别是与现实世界产生了越来越多的结合技术,从虚拟和现实的两个角度对虚拟现实进行增强。论文重点围绕近几年的发展趋势,论述了增强现实与增强虚拟环境的技术特点,介绍了虚拟现实增强技术的相关硬件设备发展;然后分别介绍了增强现实和增强虚拟环境技术的发展现状,讨论了移动互联网上的虚实增强技术与应用,最后进行总结并提出需要解决的问题。 关键词增强虚拟环境增强现实虚实增强混合现实 1引言 虚拟现实技术建立人工构造的三维虚拟环境,用户以自然的方式与虚拟环境中的物体进行交互作用、相互影响,极大扩展了人类认识世界,模拟和适应世界的能力。虚拟现实技术从20世纪60～70年代开始兴起,90年代开始形成和发展,在仿真训练、工业设计、交互体验等多个应用领域解决了一些重大或普遍性需求,目前在理论技术与应用开展等方面都取得了很大的进展。虚拟现实的主要科学问题包括建模方法、表现技术、人机交互及设备这三大类,但目前普遍存在建模工作量大,模拟成本高,与现实世界匹配程度不够以及可信度等方面的问题。 图1虚拟现实、增强现实和混合现实搜索量统计对比(来源: Google trends, 2004。01～2014。 06) 针对这些问题,已经出现了多种虚拟现实增强技术,将虚拟环境与现实环境进行匹配合成以实现增强,其中将三维虚拟对象叠加到真实世界显示的技术称为增强现实,将真实对象的信息叠加到虚拟环境绘制的技术称为增强虚拟环境。这两类技术可以形象化地分别描述为“实中有虚”和“虚中有实”。虚拟现实增强技术通过真实世界和虚拟环境的合成降低了三维建模的工作量,借助真实场景及实物提高了用户体验感和可信度,促进了虚拟现实技术的进一步发展。

基于虚拟现实技术的景物仿真

基于虚拟现实技术的景物仿真 毕业 基于虚拟现实技术的景物仿真摘要：虚拟现实（Virtual Reality，简称VR），是1种基于可计算信息的沉浸式交互环境。具体地说，就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉1体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。本设计是1个基于VRML（虚拟现实建模语言）的虚拟校园系统，它要求实现虚拟现实中基本的场景建立和在场景中漫游，本程序建立场景所需的建筑物均在3DS MAX 中建立，然后以VRML97的格式导出并保存为.wrl文件，这样在VrmlPad编辑器中可以打开这些文件了。然后在VRML编辑环境下，通过添加材质、纹理、传感器、声音、动画等来完善该虚拟校园系统，并通过内联(Inline)、锚点(Anchor)造型节点来实现室外与室内的链接和切换。最后在VRML浏览器中通过键盘和鼠标的移动来漫游观看该虚拟系统。为了使场景漫游更真实，还须在场景图中设置碰撞节点，从而防止观察者从场景中的物体（如教学楼）中穿过或进入不可见的视角观察。关键字：虚拟现实；VRML；漫游；场景；碰撞检测。 Scenery Simulation base on Virtual Reality Technology Abstract: Virtual Reality(VR), It is a immersing type base on the communication that could be calculate. Concretely to say, adopt taking technology of the computer as the core modern Hi-Tech turn into lifelike look ,listen,sense of touch integrated specific fictitious environment of range, users carry on the reciprocation , influence each other with the target in the fictitious environment by way of nature through the essential equipment, thus produced and came personally the feeling and experience of the true environment equally. It is a system of virtual reality school based on VRML technology，and it demands realizing that the basic scene is set up and one can roam in the scene of virtual reality, This procedure sets up buildings of the scene in 3DS MAX then exports and saves them in the format of .wrl files. Under the environment of VrmlPad, we can open these files and perfect the scenes by adding material，texture，sensors，sounds and interpolators.By the node of inline，anchor,we can realize linking or transfering between different scenes.In the end,we can roam the virtual reality system through the movement of the keyboard and mouse in the VRML explorer.In order to approach Reality,a node of collision must be set up to prevent observer from wear or enter impossible visual angle which can’t be observed from object of scene. Keywords: Virtual Reality;VRML;roaming;scene;Collision detecting. 目录前言 1 1 虚拟现实介绍 2 1.1 虚拟现实的定义 2 1.2 虚拟现实系统的发展历史 2 1.3 虚拟现实系统的应用 3 1.4虚拟现实系统的发展方向 4 2 系统开发环境介绍 5 2.1 VRML概

VR虚拟训练仿真系统

VR虚拟训练仿真系统

目录 一概述 (3) 1.1 项目背景及目标 (3) 1.2 系统优点 (3) 二系统功能 (4) 2.1 地形选择 (4) 2.2 沉浸式畅游 (4) 2.3 模拟射击 (4) 2.4 参数分析 (4) 2.5 模拟对抗训练 (4) 三系统组成 (4) 3.1 系统组成框图 (5) 四系统模块设计 (5) 4.1 地形编辑 (5) 4.2 模型设计 (6) 4.3 数据分析 (6) 4.4 对抗训练 (7) 4.5 沉浸式畅游 (7)

一概述 1.1 项目背景及目标 VR虚拟训练仿真系统是以VR虚拟技术与真实枪械模型相结合所开发出来的虚拟仿真系统。 采用VR技术模拟出逼真多维的环境，通过立体头盔、数据服和数据手套或三维鼠标操作传感装置，做出或选择相应的战术动作。通过不同的处置方案，体验不同的作战效果，进而像参加实战一样，锻炼和提高战术水平、快速反应能力和心理承受力，培养作战技能。包含枪械射击、对抗训练等项目。 1.2 系统优点 （1）VR虚拟训练仿真系统优点，分别是：不受环境影响、性价比高、观赏性强、仿真度高。 不受环境影响：无需亲临现场就可以起到真实的操作过程，不受条件的约束。 性价比高：实际的实验造价高，成本高，运用VR技术可以大大的较少成本，让您以最低的成本完成实验的真实效果。 开放性好：提供各类武器、装备的高精度复原、特性展示、虚拟拆装训练等功能。 观赏性强：VR虚拟训练仿真系统有专门的的武器展间，会罗列出不同型号的枪械。 仿真度高：整个系统是采用真实的物理模型，结合三维设计模型，制作复杂的作战地形、雨雪天气等各种可能对战局产生影响的场景或事件，实现真实对抗，为对抗训练起到一个有力指导。 （2）虚拟现实技术具有3大特征，分别是沉浸感、交互性、想象性：沉浸性：是指利用计算机产生的三维立体图像，让人置身于一种虚拟环境中，就像在真实的客观世界中一样，能给人一种身临其境的感觉； 交互性：在计算机生成的这种虚拟环境中，人们可以利用一些传感设备进行交互，感觉就像是在真实客观世界中一样，比如：当用户用手去抓取虚拟环境中的物体时，手就有握东西的感觉，而且可感觉到物体的重量； 想象性：虚拟环境可使用户沉浸其中并且获取新的知识，提高感性和理性认识，从而使用户深化概念和萌发新的联想，因而可以说，虚拟现实可以启发人的创造性思维。

虚拟现实技术及其应用

虚拟现实技术及其应用 学号 姓名 班级 内容摘要：虚拟现实技术的发展史，虚拟现实技术的概念，虚拟现实技术的特征，虚拟现实系统的分类，虚拟现实技术的应用领域，虚拟现实技术的研究现状。 关键词：Virtual Realit系统、计算机、交互性、模拟仿真 一、虚拟现实技术的发展史 虚拟现实技术（Virtual Reality）简称VR技术，是20世纪末逐渐兴起的一门综合性信息技术，融合了数字图像处理、计算机图形学、人工智能、多媒体、传感器、网络以及并行处理等多个信息技术分支的最新发展成果。 1929年，Edward Link设计出用于训练飞行员的模拟器 1956年，Morton Heilig开发出多通道仿真体验系统Sensorama 1965年，Ivan Sutherland发表论文“Ultimate Display”（终极的显示） 1968年，Ivan Sutherland研制成功了带跟踪器的头盔式立体显示器（Head Mounted Display，HMD） 1972年，Nolan Bushnell开发出第一个交互式电子游戏Pong 1977年，Dan Sandin、Tom DeFanti和Rich Sayre研制出第一个数据手套——Sayre Glove 20世纪80年代，美国国家航空航天局（NASA）组织了一系列有关VR技

术的研究：1984年，NASA Ames研究中心的M.McGreevy 和J. Humphries开发出用于火星探测的虚拟环境视觉显示器；1987年，Jim Humphries设计了双目全方位监视器（BOOM）的最早原型。 1990年，在美国达拉斯召开的Siggraph会议上，明确提出VR技术研究的主要内容包括实时三维图形生成技术、多传感器交互技术和高分辨率显示技术，为VR技术的发展确定了研究方向。 从20世纪90年代开始，VR技术的研究热潮也开始向民间的高科技企业转移。著名的VPL公司开发出第一套传感手套命名为“DataGloves”，第一套HMD 命名为“EyePhones”。 进入21世纪后，VR技术更是进入软件高速发展的时期，一些有代表性的VR软件开发系统不断在发展完善，如MultiGen Vega、OpenSceneGraph、Virtools 等。 二、虚拟现实技术的概念 虚拟现实技术是指利用计算机生成一种模拟环境，并通过多种专用设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。虚拟现实是一种由计算机和电子技术创造的新世界，是一个看似真实的模拟环境，通过多种传感设备，用户可根据自身的感觉，使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察和操作，参与其中的事件，同时提供视、听、触等直观而又自然的实时感知，并使参与者“沉浸”于模拟环境中。 虚拟现实(VirtualReality简称VR)是近年来出现的高新技术。VR是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术传感技术、人工智能等领域。它用计算机生成逼真的三维视听使人作为参与者，通过适当装置自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。VR主要有三方面的含义：第一，虚拟现实是借助于计算机生成逼真的实体，“实体”是对于人的感觉(视听触嗅)而言的。第二，用户可以通过人的自然技能与这个环境交互。自然技能是指人的头部转动眼动手势等其他人体的动作。第三，虚拟现实往往要借助于一些三维设备和传感设备来完成交互操作。 虚拟现实技术(VR)主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知。自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入做出实时响应，并分别反馈到用户的五官。传感设备是指三维交互设备。常用的有立体头盔、数据手套、三维

虚拟现实技术在汽车工业中的应用现状与前景

虚拟现实技术在汽车工业中的应用现状与前景 作者：东风汽车研究院张尚娇吴咏 摘要：介绍了虚拟现实、虚拟设计、虚拟制造等的概念，阐述了虚拟现实技术在汽车工业中的应用现状与发展前景。 关键词：汽车虚拟现实虚拟设计虚拟制造虚拟试验 1 引言 虚拟现实技术，是近年发展起来的高级计算机技术，是建立在计算机图形学、仿真学、并行技术、人工智能、多媒体技术及高性能计算机系统等技术基础之上的。目前世界上对它还没有一个确切的定义，不同的人对其有不同的理解。那么，何谓虚拟现实呢？比较有代表性的解释有下列三种： (1) 虚拟现实有时也称灵镜和幻境，英文名称Virtual Reality，简称VR，是一种可以创造和体验虚拟世界（Virtual World）的计算机系统。这里所说的虚拟世界是全体虚拟环境（Virtual Environment）或给定仿真对象的全体。而“虚拟环境”一般是指用计算机生成的有立体感的图形，它可以是一特定现实环境的表现，也可以是纯粹构想的世界。 (2) 虚拟现实是使人可以通过计算机看见、操作极端复杂的数据并与之交互的一种方式。 (3) 虚拟现实是一种媒介，它具有三维合成环境，人们可以按自己的意愿，从任选视点实时地在其中连续而自由地探测、考察和体验。 Virtual Reality 一词最早是由美国VPL公司的创建人之一Jaron Lanier 于20 世纪80 年代初正式提出来的，他认为，与传统的“人—机界面”相比，虚拟现实技术具有质的飞跃。传统的“人—机界面”是将用户和计算机视为两个独立的实体，将界面视为信息交换的媒介，用户将要求或指令输入计算机内，计算机将信息或动作反馈出来。而虚拟现实技术则将用户和计算机视为一个整体，通过各种直观的工具将信息可视化，用户直接置身于这种三维信息空间中自由地操作和控制各种信息，由此成为信息的主人。 虚拟现实技术具有多感知性（Multi— Sensory）、交互性(Interaction)、沉浸感(Immersion)、自主性(Autonomy)4 个重要特征。沉浸感是指用户有“身临其境”的感觉，而交互感是指用

虚拟现实与增强现实技术在教学中的应用

龙源期刊网 https://www.sodocs.net/doc/2311275770.html, 虚拟现实与增强现实技术在教学中的应用 作者：杨雪果 来源：《艺术殿堂》2018年第09期 【摘要】2016年被称为“虚拟现实元年”，虚拟现实的出现，为各行各业带来了便利，同时，增强现实是随着虚拟现实发展起来的，增强现实也给人们提供了极佳的体验。基于此，文章首先对虚拟现实和增强现实进行简要介绍，然后分析虚拟现实和增强现实在教学中的应用，旨在为相关人员提供借鉴，提升教学水平。 【关键词】虚拟现实；增强现实；教学；应用 《国家教育事业发展“十三五”规划》中提到“要全力推动信息技术与教育教学深度融合。综合利用互联网、大数据、人工智能和虚拟现实技术探索未来教育教学新模式”。这充分说明了虚拟现实和增强现实的重要性。将虚拟现实和增强现实应用在教学中，能够有效提升教学的趣味性，激发学生兴趣，提升教学质量。 1、虚拟现实技术与增强现实技术概述 1.1虚拟现实技术 虚拟现实，是一种基于多媒体计算机技术、传感技术、仿真技术的沉浸式交互环境。具体地说，就是采用计算机技术生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。虚拟现实是一个学科高度综合交叉的科学技术领域，具有3I特性，即沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）、构想性（Imagination）。虚拟现实与人工智能（AI）技术及其他相关领域技术结合，将会使其还具有智能（Intelligent）和自我演进 演化（Evolution）特征。 1.2增强现实技术 增强现实技术是在虚拟现实技术的基础上发展起来的，具体而言，增强现实技术就是基于网络的定位、跟踪、计算机的交互、显示灯技术，将计算机形成的虚拟信息叠加到现实场景中，对现实世界进行补充，使人们在视觉、听觉、触觉等方面增强对现实世界的体验。增强现实具有三大特点，即虚实结合、实时交互和三维配准。 2、虚拟现实技术和增强现实技术在教学中的应用 2.1头戴式虚拟现实设备在教学中的应用

虚拟现实VR系统开发软件使用说明书V1.0

第一章系统概述 1.1 系统介绍 “虚拟现实VR系统开发软件”是基于客户／服务器模式,其中服务器提供VR文件及支持资源客户通过网络下载希望访问的文件，并通过本地平台上的VR 浏览器交互式访问该文件描述的虚拟境界。因为浏览器是本地平台提供的，从而实现了和硬件平台的无关性。VR象HTML一样，是一种ASCII码描述语言，它是一套告诉浏览器如何创建一个三维世界并在其中航行的指令，这些指令由再现器解释执行，再现器是一个内置于浏览器中或外部的程序。由于VR是一个三维造型和渲染的图形描述性语言，复杂的3D术语转换为动态虚拟世界是高速的硬件和浏览器，又由于其交互性强和跨平台性，使虚拟现实在Internet上有着广泛的应用，例如远程教育、商业宣传等等。 为此本公司研发出“基于VR的虚拟模型软件”,从用户的角度来说，基本上是HTML加上第三维，但从开发者角度来说， VR环境的产生提供了一套完全的新标准，新过程以及新的Web 技术。交叉平台和浏览器的兼容性是首先要解决的问题。设计之前，必须明确指定目标平台（PC、 Mac、SGI的新O2等等）， CPU 速度、可以运行的带宽以及最适合使用的VR浏览器。 1.2系统功能概述 1.建模 “虚拟现实VR系统开发软件”的建造概念和其他工程建模概念相似，必须解决交流的问题，画出草图并研究材质的处理，生成模型、空间、化身，但必须考虑一些技术的限制，如，考虑到目标平台，决定在VR文件中放入多少多边图形；预先考虑到虚拟现实VR系统开发软件执行的动作，把相应的目标归类，用于设定三维物体之间的相互联系，建模与动画相互配合，如果归类正确合适，就会缩小生成动画效果之后文件的体积。虚拟现实的设计中必须考虑加入重力和碰撞的效果，以使虚拟现实的场景和生活中的相似。