学习元 · 虚拟仿真资源设计与开发

引言

虚拟仿真（virtual simulation/Reality）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。它以计算机技术为核心，生成逼真的视觉、听觉、触觉等一体化的虚拟环境。用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟世界中的物体进行交互，从而产生身临其境的感觉和体验。使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回产生临场感。

经过20多年的发展，随着技术进步，相关硬件产品的性能和价格的下降，虚拟仿真的应用出现了全新的局面。它突破了传统的军事和空间开发等应用，开始在科学计算机可视化、建筑设计漫游、产品设计，以及教育、培训、工业、医疗和娱乐等方面进行广泛应用，充分展示了利用虚拟仿真技术在物体造型、现实世界模拟性、系统可操作性、通信性以及娱乐性等方面的开发与使用。虚拟仿真资源的设计与开发是虚拟仿真研究的主要方面，本学习元主要介绍了虚拟仿真资源的概念、特征、开发原则与设计、主流开发技术、典型应用等方面。

目前提到较多的相似概念有，虚拟仿真、虚拟现实、仿真技术、增强现实几个。至于几者之间的异同，众说纷纭，有人说，虚拟现实就是虚拟仿真；有人说虚拟现实是对虚拟仿真的升级；也有人说，仿真只是虚拟现实的一个分类；还有人说虚拟仿真和虚拟现实完全是两回事。国外对于虚拟现实和虚拟仿真的翻译是不同的，虚拟现实是Virtual Reality，虚拟仿真是Virtual Simulation；但是在维基百科中并不存在Virtual Simulation这个搭配，只有Simulation这个词指代虚拟仿真技术。

你认为虚拟仿真和虚拟现实是什么关系呢？

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讨论交流

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你认为虚拟仿真和虚拟现实是什么关系呢？

活动描述：

一、概念界定

一般来说，虚拟仿真（或称灵境技术）产生的世界主要是由计算机生成的，它存在于计算机内部，是人工构造的三维世界。这种虚拟可以是真实世界，也可以是完全假想的世界，它所显示的界面是能够显示三维世界，并能进行交流的智能人机界面。所以，虚拟仿真技术一般被认为是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。

然而，对于虚拟仿真资源迄今为止还没有统一的定义。

有人认为虚拟仿真资源是指利用计算机虚拟仿真技术，设计出来的具有交互性、逼真性、虚幻性、沉浸性等性质的资源；

也有人认为虚拟仿真教学资源是利用现代信息技术开发的虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟实验等等；

还有人认为虚拟仿真教学资源就是利用仿真技术，创造一个系统模仿另一个真实系统而产生的资源，用户可借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互等；

亦有人认为是指利用虚拟现实技术仿真或虚构某些情境，供学生观察、操纵、建构其中的对象，使他们获得类似真实的体验或者掌握知识理论体系的规律。

由上面列举的定义可以看出，目前对于虚拟仿真资源的认识具有这样几个相同点：利用技术、创造或者模拟情景、可以交互体验。因此，我们将虚拟仿真资源定义为，利用虚拟仿真等现代信息技术创造或者模拟某些情境，使用者能够与之进行交互获得体验的资源。

（可以将虚拟仿真资源定义为，利用现代信息技术创造或模拟现实情境，提供给使用者逼真的感官体验和便捷交互的各种资源。）

二、资源特征

1.沉浸性

指用户能够沉浸到计算机系统所创建的环境中，由观察者变为参与者，成为虚拟现实系统的一部分。

2.交互性

指是用户能用多种传感器与多维化信息的环境发生交互，如同在真实的环境中一样与虚拟环境中的对象发生交互关系。

3.构想性

指用户能通过沉浸在“真实的”虚拟环境中，与虚拟环境进行各种交互作用，从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识，进而深化概念、产生新意和构想，产生认识上的飞跃。

4.多感知性

指除了一般计算机技术多具有的感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知和运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。

5.低廉的教学成本

容易实现一般教学方式花费很大代价才能显现的教学事物，供学生学习和探索。

6.广泛的适应性

兼容并包、灵活高效、因材施教, 培养学生的职业技术个性、易于改进升级、容错功能强。

三、典型案例

1.教育中的应用

仿真教学与实验：虚拟现实中存在的，但在教学环境下很难实现，或者是需要花费很大代价才能显现的事物、过程。如数字媒体系统教学平台的建设在教学上可满足数字媒体制作、游戏与三维立体动画设计制作、虚拟现实与可视化技术、人机交互、非线性编辑与影视频后期制作、计算机电脑绘画、产品外形概念设计等众多数字媒体专业教学，其中包括图像、人机交互、文字以及音频、视频等多种形式。

案例有：北京航空航天大学在分布式飞行模拟方面的应用；

浙江大学在建筑方面进行虚拟规划、虚拟设计的应用；

浙江理工大学服装设计虚拟仿真；

哈尔滨工业大学在人机交互方面的应用；

清华大学对临场感的研究

陕西师范大学的化学虚拟仿真实验教学中心。

虚拟现实仿真医科内镜外科手术训练系统

虚拟实训基地：利用虚拟仿真技术，建立起来的虚拟实训基地，其“设备”与“部件”多是虚拟的，可以根据教学要求随时生成新的教学内容，形成新的教学场景。

案例有：河北工业职业技术学院校内仿真实训基地，如电炉炼钢仿真实训室等。

目前虚拟实训基地基本是职业教育在建设。

虚拟仿真校园：简单的模拟校园环境，供游客浏览；基于教学、教务、校园生活，功能相对完整的三维可视化虚拟校园，以学生为中心，加入一系列人性化的功能；以虚拟仿真技术作为远程教育基础平台实现虚拟远程教育，可为高校扩大招生后设置的分校和远程教育教学点提供可移动的电子教学场所。通过交互式远程教学的课程目录和网站，由局域网工具作校园网站的链接，可对各个终端提供开放性的、远距离的持续教育，还可为社会提供新技术和高等职业培训的机会，创造更大的经济和社会效益。

案例有：中国矿业大学机电学院初步实现了虚拟校园的三维可视化；

浙江大学在线校史馆 http://xywh.zju.edu.cn/xsz/xsz.html；

上海开放大学正在建设虚拟现实智慧校园项目；

绵阳师范学院建设了数字校园虚拟仿真系统；

江苏师范大学虚拟仿真校园http://202.195.64.103/s/300/t/1141/96/c8/info38600.htm

虚拟仿真平台：仿真平台功能特点：1、顶级三维游戏的视觉享受；2、灵活的人机交互；3、强大的可扩展性

案例有：Second Life 是由美国林登实验室(LindenLab)2003年发布的一个基于互联网的三维虚拟世界。教育潜能的发掘始2005年,当时一些教育工作者开始在Second Life中尝试进行一些教育教学活动(Lester, 2006)。起初, Second Life中可供利的教育资源与工具较少,仅有一些邮件列表、教育维客以及教育工作小组,如“Second Life EducationWorkshop”等。200年,登陆Sec-ond Life的教育工作者人数飞速增长,教育应用发展迅猛。到2007年,已经有161个学院和大学在Second Life立了相应的区域, 35至40个班级在Second Life中实施了教学(Adrienne & Gauthier, 2007)。经过四年多的实践,SecondLife的教育应用已经形成了一定的规模。

2.医学中的应用

虚拟医学实验室：医疗行业虚拟仿真应用包括了医学可视化模拟教学以及临床可视化辅助诊疗。我们采用3D虚拟仿真与实体仿真相结合，真正实现了模拟培训的真实感体验和临床诊断思维的训练。典型的虚拟仿真医疗应用系统有，德国FZK研究中心开发的VEST、SurgicalScience公司的LapSim和瑞典Mentice公司的MIST等。除此之外还有瑞士Bern大学的Virtopsy（虚拟解剖技术）的研究项目。

3.艺术与娱乐中的应用

虚拟名胜古迹：虚拟博物馆(故宫博物馆http://www.chinavr.net/)，虚拟卢浮宫画廊，虚拟埃及神庙，虚拟圆明园的西洋景区等利用虚拟技术更加全面、生动、逼真地展示文物，使得文物脱离地域的限制，真正成为全人类共同的文化遗产。

数字圆明园旨在重新“恢复”当年圆明园场景原貌。首先给当年的圆明园场景建立数字三维模型，再借助虚拟现实及增强现实技术，将这些数字模型叠加到现存的废墟上，真实地再现圆明园的历史场景。由于户外场景和光线复杂多变，部署方位标记成为了需要解决的一个难点。数字圆明园应用的是现场数字三维重建的增强现实定点观察系统，是一种视频透视式显示系统。它通过摄像头将真实环境视频与计算机生成的虚拟图像经过视频合成设备合成后输入封闭的显示器，然后反射到人的眼睛里。

当前方兴未艾的虚拟会展是其非常有发展前景的延伸应用。已消逝的绘画，雕塑或建筑的三维数字模型被放置在现场以覆盖物理场景，在景点叠加背景信息如图像，文本和视频，还可植入声音烘托氛围。体育运动领域可以实时、精确地向比赛转播视频流中添加虚拟信息，如虚拟广告、球队标志、比分和越位线、定位球区域等辅助信息。

虚拟游戏：著名游戏公司暴雪娱乐（Blizzard Entertainment）开发的《魔兽世界》；英国开发的VirtualityD的VR游戏系统等。

影视虚拟：虚实结合的三维虚拟电影：《阿凡达》、《魔戒三部曲》；完全虚拟的电影：《冰河世纪》、《飞屋环游记》等。

街道虚拟：费城城市模型(ModelCity Philadelphia)由美国Bentley公司利用MicroStation和MasterPiece软件以及自我开发的软件工具于1996年开始制作，已完成费城中心区35个街区。该项目主要特点是将整个费城的模型以VRML数据格式，通过Internet 网可以让任何人享受到实时费城旅游的体验。城市设计人员和建筑师通过Internet浏览器对城市三维景观进行直接的漫游，可以对真实的城市景观进行分析，获得精确的土地和建筑结构方面的资料信息，解决了在委托设计项目时缺乏资料的问题。费城模型同时提供精确可视的三维地下管线系统，方便城市地下管网系统的维护和更新。

4.设计与规划中的应用

城市规划：数字城市是基于真实数据建立起来的模型，严格遵循工程项目设计的标准，是对城市建设的真实预见。美国UCLA城市仿真小组和SGI公司合作的“虚拟洛杉矶”项目是比较著名的一个仿真实例。该项目计划覆盖面积超过10,000平方英里，是当今城市仿真系统中最成功最为复杂的系统。视景包括从洛杉矶盆地的卫星影象到街道景观，精确到植物、建筑物的窗口、外墙的纹理等。其中洛杉矶大学医院的仿真详细到可以对建筑内部的每一个层面进行漫游。用鼠标点击墙面或天花板就能得到平面设计图及相应的属性数据，实现了在仿真中对GIS、CAD及对象属性的实时查询。

室内设计：运用虚拟仿真技术，设计者可以完全按照自己的构思去构建和装饰“虚拟”房间，直至达到满意为止。

房地产展示：利用虚拟仿真技术，模拟小区建成场景，使得用户能够更好地对新楼盘进行体验，辅助消费者做出合理的购房选择。

5.军事中的应用

模拟器网络：1983年, 美国国防部的国防高级研究计划局(DARPA) 就启动了模拟器网络SIMNET(Simulator Networking) 计划, 开始了分布交互仿真技术的研究与应用, 当时,主要应用于任务演练、训练、武器评估等军事领域。

虚拟战场：采用虚拟仿真技术可以使受训者真实体验战场环境、熟悉作战区域。

6.航天领域中的应用

波音777飞机研制：虚拟仿真最典型的成功实例，就是(美)波音777飞机的研制，几乎到了无图纸的地步， SGI计算机不仅提供了一个集成制造系统，而且给出虚拟飞机，应用CATIA可以调出300万个零件中的任何一个进行修改，光纤链路把地理位置分布很远的协作厂连接在一起，信息高速公路方式使工程师随手可得大量信息波音777飞机的研制整机设计部件测试整机装配，以及各种试飞，均是在计算机上完成的产品不仅质量好，而且开发周期由原来的8年降为5年，节省经费数百万美元。

7.文物保护中的应用

古迹虚拟：圣殿山虚拟重建是在William Jepson博士领导下，由美国加州大学洛杉矶分校的城市仿真小组于2001 年完成的。历史上圣殿山的修建开始于公元前516年, 是以色列这片土地上从古至今最宏大的建筑工程，同时也是当时世界上最大的工程之一。以色列文物局与城市仿真小组紧密合作，创建出以SGI Onyx2技术为核心支持的虚拟模型，使得游客们能够在2000年前的古耶路撒冷中信步漫游。此外，国内的虚拟故宫，虚拟天坛等。

文物复原：浙江大学人工智能研究所开发的“敦煌石窟虚拟漫游与壁画复原”系统，综合采用了数字摄影、图像处理、三维建模、虚拟现实和人工智能技术，将敦煌壁画艺术真实、高效地保存了起来，使不可再生的文物得到数字化的保存、修复和重现。还有圆明园的虚拟再现等。

8.工业领域中的应用

虚拟维修应用：虚拟维修是虚拟技术近年来的一个重要研究方向，目的是通过采用计算机仿真和虚拟现实技术在计算机上真实展现装备的维修过程，增强装备寿命周期各阶段关于维修的各种决策能力，包括维修性设计分析、维修性演示验证、维修过程核查、维修训练实施等。

水文地质应用:利用虚拟现实技术沉浸感、与计算机的交互功能和实时表现功能，建立相关的地质、水文地质模型和专业模型，进而实现对含水层结构、地下水流、地下水质和环境地质问题（例如地面沉降、海水入侵、土壤沙漠化、盐渍化、沼泽化及区域降落漏斗扩展趋势）的虚拟表达。具体实现步骤包括建立虚拟仿真数据库、三维地质模型、地下水水流模型、专业模型和实时预测模型。

9.商业领域中的应用

房产销售应用：通过虚拟仿真技术实现了楼盘的真实再现，同时与虚拟现实硬件相结合，使得用户能够更好地对新楼盘进行体验，辅助消费者做出合理的购房选择。

虚拟试衣：国外一家名为My Virtual Model的电子商务网站上提供的虚拟试衣功能，顾客可按照自己的身材、肤色、发型定制完全属于自己的试衣模特，然后试穿网站销售的各款服装。

10.具体实例

phet网站：http://phet.colorado.edu/zh_CN/

虚拟仿真——交互类型

http://v.youku.com/v_show/id_XNjMwNjgxMjA0.html?firsttime=894.15&qq-pf-to=pcqq.c2c

煤矿采掘工艺虚拟仿真实验

http://v.youku.com/v_show/id_XNjA1MzgxMDQw.html

安利人生九十天

http://v.youku.com/v_show/id_XMzIzNTYzOTY4.html?from=y1.2-1-92.3.6-1.1-1-1-5

售价57000美元史上最奢华家用飞行模拟系统

http://v.youku.com/v_show/id_XNjgwNTk3MjEy.html

星科智能：争当虚拟仿真技术的排头兵

http://v.youku.com/v_show/id_XNjgyMDk3MTY4.html

宣传片：国家级石油勘探开发工业虚拟仿真实验教学中

http://v.youku.com/v_show/id_XNjcyODUxNDgw.html

虚拟互动教学-军事仿真-中视典

http://v.youku.com/v_show/id_XNDI2OTk3ODc2.html

增强现实_技术展示_VRP12_中视典

http://www.ymy3d.com/中视典官网

二维交互软件

http://v.youku.com/v_show/id_XNjg3NDkyNjE2.html

智天下虚拟实验室—《仿真实验》产品介绍

虚拟仿真——展示类

http://www.mkjdpx.com/new/Products/ProductsView1.aspx?ProductId=3

煤矿机电培训

http://v.youku.com/v_show/id_XMjg4OTczNDY4.html

视频资源库

http://www.soku.com/search_video/q_%E8%99%9A%E6%8B%9F%E4%BB%BF%E7%9C%9F%E5%AE%9E%E9%AA%8C

镁铝合金挤压机虚拟加工系统

使用SOLIDWORKS(一款三维CAD软件)或者3dsMAx建模，然后导入到EON Reptor-web studio-3DMAX（EON Studio一种依据图形使用者接口，用来研发实时 3D 多媒体应用程序的工具）来创造虚拟环境。

四、设计开发原则

(1)实用性
实用性包括可用性和真实性。可用性表现为能够满足设计的需要,真实性表现为模拟设计情况和设计结果要与实际相一致,这种一致主要取决于仿真模型的建立。

(2)先进性
先进性包括设计思想、应用技术和集成平台的先进性。其顶层设计可采取基于HLA(HighLevelAichitecture)体系结构的分布式交互仿真设计思想、一体化虚拟仿真平台的设计思想和面向对象的设计思想,并使用基于构架的软件组装生产模式,以提高软件的重要性。

(3)系统性
在系统开发过程中要充分体现系统性。系统性是要求在产品开发初期总体考虑产品全生命周期的属性表现,以及开发全过程各环节的功能活动,从全局优化的角度出发,对整个开发过程记性管理和控制。

(4)标准化
为使系统的研制更加合理、质量可控,使系统的设计更加规范,在系统设计和研制过程中,应该严格按照国家通用标准的规定,贯彻全面质量管理措施和过程控制,确保系统的研制质量。

(5)可靠性
可靠性,是指在规定的运行条件下,在规定时间内不发生故障的能力。采用先进合理的软件构架和科学的管理来保证软件的可靠性,采用基于构架的设计思想进行设计和生产。设计的单个构件要尽量降低藕合度,提高内聚性,以方便代码重用!调试和发现错误,保证可靠性。

(6)开放性
开放性指在不影响现有系统功能的基础上,为系统添加新的功能或修改现有功能的能力。基于构架的体系结构和基于外部脚本的组件调用模式,提供外挂组件的添加能力,可保证系统良好的开放性。

(7)流畅性

应以虚拟实验的易于开发、更新、维护及网络传输为原则，而非片面追求感官效果、仿真度与精确度等。避免由于虚拟实验产品的运行超过软硬件负荷影响网络的正常传输，进而影响虚拟实验的教学效果。

(8)交互性

实现互动功能的虚拟仿真实训是仿真实训中最重要与应用最多的一种，其目的是让受训者按照某种操作规范学习、掌握规定的操作技能，达到可以上岗操作的目的。互动功能所包含的教学内容包括：利用多媒体手段，生动再现课堂教学内容；利用鼠标键盘或其他物理设备的操作，对屏幕画面仿真实物实施理想的自主操作，实现实操实训前的计算机仿真导训教学，其教学内容与实操实训一致。互动功能所能实现的教学效果包括：通过完整生动再现课堂教学内容，使学生对课堂教学内容加深理解，并充分记忆；通过教学设计中各个实训点的再现，实现导训的教学效果。例如利用三相异步电动机仿真实训软件，学生可以通过鼠标拖动零件一步步地完成对三相异步电动机拆装的各项操作。

五、虚拟仿真系统评价标准

仿真效果	环境效果	仿真环境逼真，沉浸感强，仿真效果好，可以实现整体或区域性漫游功能。
	制作效果	制作精细，吸引力强，激发学习兴趣，促进创新思维。
	操作效果	对关键器件可以实现拆卸、移动、展示、透视等功能。
	属性效果	根据需要，对关键性仿真教学内容可以实现必要的物理、化学或自然属性。
	预测效果	整体布局科学，仿真对象选择合理；仿真环境选择真实；必要链接齐全。对重点、难点问题解决方案科学、先进，预测效果突出。

六、发展趋势

增强现实（Augmented Reality，简称AR）是虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术的延伸。

增强现实丰富了人机交互的感官体验，实时地将计算机系统生成的虚拟物体、场景或系统提示信息叠加到真实场景中，增强了对真实世界的感知，以保障用户任务顺利完成。

增强现实技术是借助于三维显示技术、交互技术、多种传感技术、计算机视觉技术以及多媒体技术把计算机生成的二维或三维的虚拟信息融合到用户所要体验的真实环境中的一种技术。增强现实技术发展以来已经在诸如医学、娱乐、军事训练、工程设计、机器人及远程机器人学制造维护和修理消费设计等多个领域得到了发展。

增强实训：增强现实维护和维修服务作为BMW应用研究项目，使用特殊的数据护目镜，无线接入功能强大的计算机服务器，储存BMW车辆和车间环境所需的机械配置信息。在真实的车辆维修环境下，技术人员的视域上叠加虚拟信息包括机械部件的标签、任务程序操作步骤、实时诊断数据及安全警告等，语音指令强化提示维修工具的更换和下一个工作步骤。该增强现实服务可以实时、精确地添加虚拟信息到维护和维修的机械部件上，帮助BMW的技术人员提高故障诊断、解决的效率和安全性。最新的增强现实维护和维修项目还支持多用户异地监督和协助维修，详细的三维可视化的机械模型和维修工具辅助信息整合使得系统称为维修和维护培训的模拟器和训练工具。

增强现实_技术展示_VRP12_中视典，http://v.youku.com/v_show/id_XNDI2OTk3ODc2.html

ARToolKit 它是一个C/C++ 语言编写的库，通过它可以让我们很容易的编写增强现实应用程序。增强现实（AR）是将电脑虚拟的图像覆盖到真实世界画面中，这个技术在工业和理论研究方面都存在着极大的潜能。

对于开发一个AR程序来说，最困难的部分在于实时的将虚拟图像覆盖到用户视口，并且和真实世界中的对象精确对齐。ARToolKit使用电脑图像技术计算摄像机和标记卡之间的相对位置，从而使程序员能够将他们的虚拟对象覆盖到标记卡上面。ARToolKit 提供的快速和准确的标记跟踪，能够让你快速的开发出许多更新更有趣的AR程序。

ARToolKit 包含了跟踪库和这些库的完整源代码，开发者可以根据平台的不同调整接口，也可以使用自己的跟踪算法来代替它们。

有关Artoolkit安装过程，以及配置环境，可以详见附加资源。{期望，有兴趣的同学可以一起探讨}

七、主流开发技术

虚拟仿真系统开发采用的关键技术主要包含建模技术、场景调度技术、碰撞检测技术、特效技术、交互技术及Web3D技术。

1.建模技术

三维建模是虚拟仿真中最重要的技术，也是系统成败的关键技术之一。好的模型不仅能表现出真实的三维效果, 而且还能带来强烈的视觉和感官冲击力。因此，根据虚拟仿真的要求与特性，需要即时生成相应的图形画面，达到一定的动态性与感官真实性。而三维建模又可细分为，对象虚拟、物理建模、运动建模、行为建模和声音建模五个方面。

对象建模，三维场景中的对象都是通过三维虚拟软件制作出来，具体的实现需要以下几种技术的支持。几何建模，虚拟对象基本上都是几何图形构成，即通过一定的数学方法对三维对象进行几何方式的描述。还有图像建模，图像和几何相对结合的建模方法及三维对象的视觉外观。

物理建模，综合体现对象的物理特性，包括重量、惯性、表面硬度、柔软度和变形模式（弹性的还是塑性的）等。具体来说有，分形技术、粒子系统、碰撞——响应建模（碰撞检测和碰撞响应）。

运动建模，用来确定三维对象在虚拟世界坐标系中的位置，以及他们在虚拟环境中的运动和轨迹。包括，对象位置（对象的缩放，变形）、对象层次（父子关系）、虚拟摄像机和行人的运动建模技术。

行为建模（Human Behavior Representation, HBR），是探索一种能够可能接近真实对象行为的模型，使人能够按照这种模型方便地构造出一个行为上真实的虚拟实体对象。主要有，基于Agent的行为建模、状态图行为建模、基于物理的行为建模、基于特征的行为建模、基于特征的行为建模和基于事件驱动的行为建模等。

声音建模，人类用听觉模型把信息精确地传输给操作人员的一种媒体，兼有方向特性和语义特性，以及在虚拟环境中形成动态物体和实践的自然表达。声音建模主要是对虚拟场景中的三维立体声音的定位和跟踪，而这需要两个关键技术，虚拟声音建模以及虚拟声音传播和再现。

2.场景调度技术

对于虚拟仿真系统来说，场景调度是较为重要的部分，虚拟仿真系统可能要管理整个三维场景，而这样的三维环境可能很庞大。场景中的物体之间存在着相互的关系，如果组织这些物体的关系，并将这些关系与其他模块联系起来就是场景管理的任务。（场景管理的目标是在不降低场景显示质量的情况下，尽量简化场景物体的表示，以减少渲染场景的算法时间，降低空间复杂度，并同时减少绘制场景物体所需的设备资源和处理时间。）

基于场景图的管理：场景图是一种将场景中的各种数据以图的形式组织在一起的场景数据管理方式。它一般用k叉树表示，树的每个节点都可以有0~n个子节点。场景图根节点一般是一个逻辑点，代表着整个场景，根节点下的每个节点则存储着场景中物体的数据结构，包括几何体、光源、照相机、声音、物体包围盒……其他属性。

基于绘制状态的场景管理：其基本思路是把场景物体按照绘制状态分类，对于相同状态的物体只设置一次状态并始终保存当前状态列表。状态切换是指任意影响画面生成的函数调用，包括纹理、材质、光照和融合等函数。在切换时只需改变和当前状态不一样的状态。而状态切换是一个非常繁琐的过程，因此需要实现三维场景的快速绘制的状态管理系统。

基于场景包围体的场景组织：三维虚拟仿真中，最难的是空间关系的计算问题。而当前解决的最优方法是对单个物体建立包围体（Bounding Volume），再在包围体的基础上对场景建立包围盒层次树（Bounding Volume Hierarchy）。

场景绘制的几何剖分技术：几何剖分技术是将场景中的几何物体通过层次性机制组织起来，灵活使用，快速剔除层次树的整个分支，并加速碰撞检测过程，这种剖分技术本质上是一种分而治之（Divide and Conquer）的思想。游戏引擎中最常用的场景几何剖析技术有BSP树、四叉树、八叉树和均匀八叉树等。

3.碰撞检测技术

碰撞检测是虚拟仿真中另一个重要部分，它主要的作用是检测虚拟场景中的各种物体的物体边缘是否产生碰撞。

面向凸体的碰撞检测：面向凸体的碰撞检测算法大体上又可分为两类，即基于特征的碰撞检测算法和基于单纯形的碰撞检测算法。基于特征的碰撞检测算法，组要通过判别两个多面体的顶点、边和面之间的相互关系进行它们之间的相互检测。基于单纯形的碰撞检测算法是由Gilber、Johnson和Keerthi率先提出的，称为GJK算法，是与基于特征的算法相对应的一类算法。

基于一般表示的碰撞检测：碰撞检测算法中有不少是专门面向某种具体表示模型而设计的，包括面向CSG表示模型的碰撞检测算法、面向参数曲面的碰撞检测算法和面向体表示模型的碰撞检测算法等。

基于层次包围体树的碰撞检测：物体的层次包围树可以根据其所采用包围体类型的不同来加以区分，主要包括层次包围树、AABB（Axis Aligned Bounding Box）层次树，OBB层次树，K-dop层次树，QuOSPO层次树以及混合层次包围体树等。

基于图像空间的碰撞检测：基于图像的碰撞检测算法，实现一般比较简单，而且它们可以有效利用图形硬件的高性能计算能力，缓解CPU的计算负荷，在整体上提高碰撞检测算法效率。

4.特效技术

特效技术室虚拟仿真现实系统中不可缺少的组成部分。应用特效技术建立的模型往往使得虚拟场景更有生气，更真实。

过程纹理算法：过程纹理函数均为解析表达的数学模型。这些模型的共性是能够用一些简单的参数逼真地描述一些复杂的自然纹理细节。基于三维噪声函数和治流函数的纹理合成算法，基于Fourier合成技术的纹理合成算法。

基于分形理论的算法：分形（fractal）在数学中的精确定义是无限精细的结果和比例自相似性。在计算机图形学领域中被推广到具有准确或者统计自相似性的任何对象。由于自然景物大都具有广泛的自相似特性，因此可以将分形理论引进自然景物的造型技术。

基于动态随机过程的算法：基于动态随机过程的算法有许多种，如早期的细胞自动机算法，已走向成熟的粒系统算法和最近的研究热点——基于物理原理的算法等。这类算法着重于对景物的动态过程进行建模和描述，因此在动态性较强的自然景物，如火焰、流水和烟云等的模拟方面取得了很大的成果，其中粒子系统更是已经写入OpenGL、DirectX等硬件标准中。

基于物理原理的方法：基于物理原理的方法主要是指对不规则模糊物体的动态性采用精确的物理模型进行建模和约束的一类方法。

几种具体特效物体的算法发展：流水的模拟、火焰的模拟、烟云的模拟及其他自然景物的模拟。

5.交互技术

虚拟仿真系统中的人机交互技术主要是发展和完善三维交互。虚拟环境产生器的作用是根据内部模型和外部环境的变化计算生成人在回路中的笔者的虚拟环境，人通过各种传感器与这个虚拟环境进行交互。根据J.J.Gibson的概念模型，交互通道应该包括视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉和方向感等。

视觉通道：虚拟环境产生器通过视觉通道产生以用户本人为视点的包括各种景物和运动目标的视景，人通过头盔显示器（HMD）等立体显示设备进行观察。

听觉通道：听觉通道为用户提供三维立体音响。

触觉与力反馈：触觉是指人与物体对象接触所得到的感觉，是触摸感、压觉、振动觉和刺痛觉等皮肤感觉的统称。力反馈是作用在人的肌肉、关节和胫腱上力。在虚拟交互系统中，由于没有真正抓取物体，所以称为虚拟触觉和虚拟力反馈。

用户的输入：用户输入指计算机系统如何感知用户的行为，包括：实时检测人的头的位置和指向；准确地获得人的手的位置和指向，以及手指的位置和角度等。

语音识别与合成：语音识别是指让计算机识别用户的语音命令甚至会话内容。它主要包括采样。确定输入信号（单元或单词）的起始端或终止端、由数字滤波器计算语音谱、音调轮廓图的估价、分解输入信号、单词识别和对输入信号做出响应等基本过程。语音合成又称为码声器，功能是通过计算机把数字信息变成语音输出。它包括ROM存储、译码、数字语音合成、D/A转换和语音输出等基本过程。

6.Web3D技术

促使虚拟现实技术移植到Internet上成为现实。

Web3D技术，Web3D技术是实现网页中虚拟现实的一种最新技术。VRML（Virtual Reality Modeling Language,虚拟现实建模语言）是3D图形和多媒体技术通用的交换文件的格式，用来描述交互式3D对象和场景的几何对象的尺寸、形状、色彩、材质、灯光、动画及其交互性，支持一切用于虚拟世界所具有的东西，包括对象运动和碰撞检测等。X3D技术，是可交互操作、可扩展、跨平台的网络3D内容标准。是对VRML的继承，对VRML进行了改造，提供了新的特性。

三维全景技术，也称为全景环视或360°全景，是一种运用数码相机对现有场景进行多角度环视拍摄，然后进行后期缝合，并加载播放程序来完成的一种三维虚拟展示技术。如，谷歌街景地图。

Cult3D技术，开发了 e- commerce的全套解决方案, 已经有很多网站使用了 Cu lt3D技术, 近 10 000个商业模型, 它也在向娱乐领域扩充, 提供全面解决方案, 提供最稳定可靠的渲染引擎

Viewpoint，其渲染引擎的模块化结构极易扩充，并且能与QTVR-，iPix，XML等标准集成，最大特点是与XML的集成。

其它技术，Java3D, Atmosphere, Shout3D, ShockWave3D.

7.开源平台

GiPSi，是一个发展器官层面外科手术仿真开放资源/开放建筑框架（ open source/open architecture framework ）。

八、拓展资源

1.国家级虚拟仿真实验教学中心名单

http://lxsy.ytu.edu.cn/347/9/9/news.html

2.PixMaker

一款虚拟仿真软件，类似谷歌街景地图。但是该软件只能制作静态的场景。

教程：http://wenku.baidu.com/link?url=mGPOFVWvLS1gJFkYmXziUmfp7ruD5Bh1epCJv4w7q8S1rx-j9EkMOOH6mwKYjE6Xm9PjeO32-u5wVMfZhX1kSmDWftj9cv7q9PqvQpFIr8K

3.3dsMax，Maya，CINEMA 4D

是目前市场上比较常见的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。

3dsMax教程：http://v.baidu.com/v?s=8&word=3ds%20max%BD%CC%B3%CC&fr=ala11

Maya教程：http://www.51zxw.net/list.aspx?cid=378

注：图书馆中关于3dsMAx的教程书非常多。

CINEMA 4D字面意思是4D电影，不过其本身还是3D的表现软件，是德国Maxon Computer研发的3D绘图软件，以其高的运算速度和强大的渲染插件著称，并且在用其描绘的各类电影中表现突出，而随着其越来越成熟的技术受到越来越多的电影公司的重视，同时在电视包装领域也表现非凡，如今在国内成为主流软件，其前途必将更加光明。

4.VRP，Virtools，Quest3D，Unity3D

都是比较实用的添加动作的工具，VRP是3dsMAx的插件，Virtools是单独的一款软件，Quest3D是一个容易且有效的实时3D建构工具，国内最近很火的三维交互软件unity，相对于virtools和quest3d，具有更直观的效果。

	VRP教程：http://www.vrp3d.com/article/2008/1127/article_322.html
	Virtools教程：http://www.tudou.com/programs/view/9JnYwBHGdTw/
	Quest3D教程：http://wenku.baidu.com/link?url=1GTWdJI6JIP4Xt1-Ic2hbRr92nJ8MvFXOjHNAbyydZoj0rqs6QbnkR1WrT2Z9DTJofE1ZPu0rGmtV-MJ09GDfHpucjzauogfY4pf5Y6pnfK
	Unity是由Unity Technologies开发的一个让玩家轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎。

5.虚拟仿真资源实现声音和触觉/力觉

立体声音响和三维空间定位装置系统.借助立体声音响可以加强人们对虚拟世界的实际体验.声音装置采集或合成自然声音信号,并利用特殊处理技术使这些信号在360°球体中空间化,使参与者即使头部在运动也能感觉到声音保持在原处不变。
触觉/力量反馈装置.触觉反馈装置使参与者除了接受虚拟世界物体的视觉和听觉信号外,同时还能接受其触觉刺激,如纹理,质地感;力量反馈装置则可以提供虚拟物体对人体的作用力,或虚拟物体之间的吸引力和排斥力的信号。

6.学前教育

学前儿童在幼儿园接触技术有利于和未来生活工作对接；有利于提高幼儿园工作和管理的效率；信息技术有助于创新或变革教学方法、教学工具和教学环境；高科技成就了大量适合学前儿童自我探索学习的教育产品；高科技的使用既能提高儿童关键能力，也能提高成绩；有利于提高儿童抽象思维能力；为培训提升幼师专业水平和

虚拟仿真资源设计与开发