文｜張兆虎

虛擬現(xiàn)實(shí)英文名稱是 Virtual Reality , 簡稱VR，它是一門最新的交叉技術(shù)前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域，其內(nèi)容主要包括環(huán)境、動作等方面的感知和反饋。利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三度空間，提供關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓人們?nèi)缤砼R其境一般，可以及時(shí)、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。當(dāng)使用者進(jìn)行位置移動時(shí)，電腦可以立即進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，將精確的世界視頻傳回產(chǎn)生臨場感。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)集成了計(jì)算機(jī)圖形、計(jì)算機(jī)仿真、人工智能、傳感、顯示及網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，是一種由計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)。

挑戰(zhàn)想象力的“黑科技”

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)一般使用專門的擬境環(huán)境，支持立體、實(shí)時(shí)的圖像顯示，包含音頻、力度反饋等多種感知信號，擁有更為豐富的人機(jī)接口(肢體位置和運(yùn)動狀態(tài)跟蹤、手勢識別、語音控制等)。從概念上講，虛擬現(xiàn)實(shí)的特性可以用3個(gè)“I”來描述, 即沉浸( Immersion)、交互(Interaction)和想象(Imagination)。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)原理

圖2 立體顯示原理

圖3 多感知交互模型

圖4 虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備

圖5 虛擬現(xiàn)實(shí)展示方案

一般來說虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具備多種特性，包括多感知性，指除一般計(jì)算機(jī)所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、觸覺感知、運(yùn)動感知，甚至還包括味覺、嗅覺感知等；理想的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。存在感，指使用者感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度；理想的模擬環(huán)境應(yīng)該達(dá)到使用戶難辨真假的程度。交互性，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。如圖1。

圖6 實(shí)景模型的鳥瞰

圖7 立體圖像輸出

人在物理交互空間通過傳感器集成等設(shè)備與由計(jì)算機(jī)硬件和VR引擎產(chǎn)生的虛擬環(huán)境交互。立體顯示原理如圖2所示，多感知交互模型如圖3所示。來自多傳感器的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過傳感器處理成為融合信息，經(jīng)過行為解釋器產(chǎn)生行為數(shù)據(jù)，輸入虛擬環(huán)境并與使用者進(jìn)行交互，來自虛擬環(huán)境的配置和應(yīng)用狀態(tài)再反饋給傳感器。

目前的VR平臺可分成兩大類，分別為“有線VR”和“無線VR”。其中“無線VR”主要以手機(jī)或者穿戴式設(shè)備實(shí)現(xiàn)無線顯示，由于其計(jì)算能力主要依靠便攜設(shè)備，性能上不能滿足應(yīng)用要求。“有線VR”是指基于PC/主機(jī)類的VR設(shè)備，例如CV1、HTC VIVE、Sony PSVR等，其特點(diǎn)是基于強(qiáng)大計(jì)算能力的極佳的綜合體驗(yàn)效果；其他還包括VR的IO設(shè)備，比如手柄、手勢識別器、跑步機(jī)、運(yùn)動座椅等。湖北省電力勘測設(shè)計(jì)院使用的VR設(shè)備選擇了支持面較廣的HTC VIVE。如圖4。

VIVE主要組成包括：2160×1200分辨率頭顯、Light House定位裝置、多功能操縱手柄及其它一些配套線纜。它的主要優(yōu)勢在于完善的StreamVR應(yīng)用平臺支持和友好的VR開發(fā)環(huán)境。

通過對虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的接口進(jìn)行開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中對Bentley和CAD模型文件的支持，以及進(jìn)行超大規(guī)模的三維實(shí)景模型的展示。其主要的展示平臺方案如圖5所示。

其中LumenRT和Prospect主要用于實(shí)景模型和廠區(qū)模型的展示，CADXR一般用于小型模型和復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型的展示。如圖6。

Bentley平臺目前還沒有提供對于虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備接口的支持，但是LumRT的圖像引擎是基于微軟的DirectX，使用者可以通過訪問DirectX的接口捕獲程序輸出的圖像。通過將顯存中緩存的畫面進(jìn)行兩遍渲染，可以實(shí)現(xiàn)程序的立體圖像的輸出。如圖7。

在系統(tǒng)操作反饋方面，可以通過截獲VR頭顯的運(yùn)動狀態(tài)信息來模擬系統(tǒng)的鼠標(biāo)操作，來實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的頭部運(yùn)動感知。

圖8 利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工程中的應(yīng)用

如何在盡可能貼近真實(shí)的情況下對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證從而減少設(shè)計(jì)方案的后期變更是設(shè)計(jì)行業(yè)的關(guān)注重點(diǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)生為設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證提供了一種全新的驗(yàn)證模式。通過將設(shè)計(jì)方案模擬到虛擬場景中，可以高質(zhì)高效的對方案的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，不僅大大降低了投入成本，縮短了驗(yàn)證時(shí)間，并且可以方便的組織各專業(yè)人員進(jìn)行協(xié)同驗(yàn)證。如圖8。

目前，湖北省電力勘測設(shè)計(jì)院已經(jīng)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐步應(yīng)用在一些工程設(shè)計(jì)工作中，包括虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的市區(qū)線路漫游。通過在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中加載三維實(shí)景模型，可以實(shí)現(xiàn)完全再現(xiàn)真實(shí)地理信息的虛擬場景漫游。通過這種方式的漫游，用戶在身臨其境的沉浸感中具有與真實(shí)環(huán)境完善的交互作用的能力，能最大程度對設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行可行性校驗(yàn)。如圖9、10。

虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的機(jī)械化施工模擬。由于在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中使用了實(shí)景地理模型，對于機(jī)械化施工的組織方案，可以通過在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中加載三維實(shí)景模型進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，從而可以準(zhǔn)確的再現(xiàn)各種設(shè)計(jì)條件，并直觀的評估各種情況對設(shè)計(jì)的影響。如圖11、12、13。

裝配式基礎(chǔ)組裝。裝配式基礎(chǔ)組合結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其基礎(chǔ)零件的形狀和裝配方式及其在結(jié)構(gòu)中的受力形式很難通過普通的三維設(shè)計(jì)軟件表現(xiàn)出來。通過在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中對裝配式基礎(chǔ)進(jìn)行展示，設(shè)計(jì)人員在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中可以模擬對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆卸和組合，加深了設(shè)計(jì)人員對設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的理解，并能在虛擬的環(huán)境中對裝配形式進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。如圖14、15。

圖9 市區(qū)實(shí)景模型的鳥瞰

圖10 市內(nèi)道路漫游

圖11 機(jī)械化施工場景模擬

圖12 施工運(yùn)輸?shù)缆窓z驗(yàn)

圖13 規(guī)劃塔位的選址

圖14 裝配式基礎(chǔ)零件組成

圖15 裝配式基礎(chǔ)組裝

桿塔精細(xì)放樣結(jié)果檢驗(yàn)。精細(xì)放樣的鐵塔結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在一般的三維設(shè)計(jì)軟件中比較難以描述這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。通過在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中對鐵塔精細(xì)放樣模型的展現(xiàn)，能夠增加設(shè)計(jì)人員對桿塔，特別是新式塔形結(jié)構(gòu)的理解，提高設(shè)計(jì)人員在桿塔細(xì)部結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)質(zhì)量。如圖16、17。

圖16 通過VR檢查精確放樣的鐵塔

圖17 通過VR模型檢查連接板處的結(jié)構(gòu)

圖18 混合現(xiàn)實(shí)的施工指導(dǎo)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了讓人們以一種自然的方式與計(jì)算機(jī)生成的虛擬對象進(jìn)行交互，并以此來完成數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)，它具有更友好的人機(jī)交互特性，便于實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的數(shù)據(jù)交換。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)現(xiàn)已被作為繼實(shí)驗(yàn)與理論研究之后的第三種科學(xué)分析手段, 廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)解釋，使得我們可以實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)分析和解釋，并發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中隱藏的信息和知識，對解釋結(jié)果進(jìn)行更快、更精確的評價(jià)和檢驗(yàn)。

由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有仿真性、開放性、針對性、自主性、安全性等特點(diǎn)，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)、機(jī)械制造、娛樂業(yè)、生命科學(xué)、軍事、科學(xué)研究等各個(gè)方面。在國外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中, 主要包括工程資料的交互解釋、儲層模型建立、平臺設(shè)計(jì)以及多學(xué)科工作組的協(xié)同工作等領(lǐng)域, 有效地提高了工作效率和成果的質(zhì)量(正確性和準(zhǔn)確性)。雖然虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被認(rèn)為是未來對工業(yè)產(chǎn)生重要影響的關(guān)鍵信息技術(shù)之一，但是由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的建設(shè)成本較高, 導(dǎo)致虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用目前還未普及，國內(nèi)在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還處于探索階段。

在接下來的虛擬現(xiàn)實(shí)工程應(yīng)用中，將主要實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)下的施工指導(dǎo)，將專業(yè)人員與三維模型的互動拓展至計(jì)算機(jī)二維屏幕的限制之外，為復(fù)雜的施工項(xiàng)目創(chuàng)造可視化、協(xié)作、理念分享和管理變革的新方式。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展中，將能夠以真實(shí)情景為參照物，將3D模型可視化，取代物理建模，并簡化整體設(shè)計(jì)流程。它能在現(xiàn)實(shí)情景中呈現(xiàn)出3D模型的全尺寸全息影像，能讓用戶更為深入仔細(xì)地研究模型。