本文論述了虛擬現實(shí)的基本特征、典型應用及其發(fā)展趨勢，例舉了常用的虛擬現實(shí)軟件和硬件產(chǎn)品，并在此基礎上以起重機為例，分析了虛擬現實(shí)技術(shù)在機械工程中的應用。
  　虛擬現實(shí)，CAD
　　1989年，美國的VPL Research 公司的創(chuàng )始人Jaron Lanier首次正式提出“Virtual Reality（VR）”這個(gè)名詞，意指“計算機產(chǎn)生的三維交互環(huán)境，在使用中用戶(hù)是‘投入’到這個(gè)環(huán)境中去的?！苯陙?lái)，由于各種相關(guān)技術(shù)和硬件的發(fā)展，虛擬現實(shí)技術(shù)的發(fā)展也十分迅猛。VR有4個(gè)特征：沉浸感；交互性；多感知；自主性。
　　由于VR是在人類(lèi)為改善與計算機的交互方式，提高計算機的可操作性所進(jìn)行的努力中產(chǎn)生的，因而其本質(zhì)上是為了提供一種高度融洽的人機關(guān)系。從廣義上說(shuō)，只要達到此目的，即使沒(méi)有完全達到上述的4個(gè)特征，我們也認為是虛擬現實(shí)。

1　虛擬現實(shí)的軟硬件狀況分析

　　虛擬現實(shí)系統中的計算機主要要完成三項任務(wù)：虛擬境界的生成與管理，數據輸入，數據輸出。為了使系統擁有較好的交互性能，不同的任務(wù)要使用一些特殊的軟硬件。與虛擬現實(shí)有關(guān)的軟硬件更新很快，因此，我們有必要簡(jiǎn)單討論這些現代化的設備。

1.1　建模軟件

　　虛擬現實(shí)發(fā)展至今，已有了許多的建模軟件，它們使用的機制各有不同，對用戶(hù)的要求也有高低，當然，其功能上的差異也是很大的。其典型代表為：
　　Rend386是一個(gè)免費的程序庫和世界播放器，功能較弱，適于DOS環(huán)境；
　　World Tool Kit for Windows 是Sense8 公司以 Windows動(dòng)態(tài)連接庫的形式發(fā)布的虛擬現實(shí)程序庫，在標準SVGA下運行，可以在窗口中顯示帶紋理映射的虛擬世界，也可全屏顯示。該程序支持DDE，因而可以通過(guò)電子表格、數據庫或其它程序來(lái)控制虛擬世界；
　　虛擬現實(shí)建模語(yǔ)言VRML(Virtual Reality Modeling Language)是HTML的3D模型，其目的是提供一種用于網(wǎng)上的虛擬世界的描述方法。目前已有VRML1.0、VRML2.0、VRML97等幾種版本；
　　OpenGL（開(kāi)放式圖形語(yǔ)言）是Silicon Graphics開(kāi)發(fā)的一種建立圖形庫的語(yǔ)言，該語(yǔ)言功能強大，是實(shí)現虛擬現實(shí)的較好工具，但由于其編程量大，又較難掌握，因此目前只在專(zhuān)業(yè)人員中有較廣的應用。

1.2　輸入數據的軟硬件設備

　　語(yǔ)音信號的輸入　語(yǔ)音輸入為用戶(hù)與虛擬環(huán)境交互提供了一種方便的方法。提供語(yǔ)音輸入功能需要一個(gè)普通的麥克風(fēng)和某種語(yǔ)音識別軟件。語(yǔ)音識別技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)能在貨架上見(jiàn)到待出售的語(yǔ)音識別軟件。這種軟件有：SoundBlaster 公司的 Voice-Assist 軟件,Command 公司的IN　TM　○ Voice 軟件,以及Dragon 系統的DragonDictate　TM　○ 軟件。
　　肌肉信號的輸入　生物控制器是用于捕捉特性命令的輸入設備。它能夠捕捉活動(dòng)，如肌肉的運動(dòng)，并且產(chǎn)生電子信號。例如：位于眼睛附近的皮膚上的電極能夠捕捉到眼部肌肉的活動(dòng)，從而允許我們能夠通過(guò)眼部肌肉的運動(dòng)而遨游于虛擬世界。這種設備仍然處于實(shí)驗階段。
　　手部運動(dòng)信號的輸入　用于捕捉設計者的手勢和手部運動(dòng)的輸入設備可分為三種：跟蹤設備，點(diǎn)輸入設備，手套型設備。跟蹤設備用于捕捉設計者的手或頭的位置和方向，以或機械的，或超聲波的，或磁學(xué)的，或光學(xué)的系統為基礎的捕捉傳感器都是可選用的。這種設備的一個(gè)例子是 Ascension技術(shù)公司的 Flock of Birds　TM　○。點(diǎn)輸入設備包括六自由度鼠標和力矩球。手套型設備是用含電線(xiàn)的布料做的手套，戴在手上就象一般的手套一樣。其中包有或纖維光學(xué)式的，或電子式的，或電阻式的傳感器，這些傳感器可以測量手指關(guān)節的位置。在虛擬環(huán)境中手套被用作為手勢輸入設備。

1.3　輸出數據的軟硬件設備

　　可聽(tīng)信號的輸出　可聽(tīng)輸出有一個(gè)優(yōu)勢，即它是可以與可視信息同時(shí)存在的交流渠道。3D聲音可以用不同的聲音表現不同的位置，因此給我們一種更加接近真實(shí)的虛擬體驗。
　　可視信號的輸出　3D可視反饋可以使用兩種類(lèi)型的技術(shù)。第一種是頭戴式顯示（HMD），它一般使用兩支液晶顯示（LCD）屏幕，給每一只眼睛都提供獨立的圖像。第二種是使用立體形象監視器和 LCD 保護眼鏡。在這種系統中，虛擬景象的兩個(gè)形象（一只眼睛看一個(gè)）在監視器中以非常高的速率交替顯現，從而產(chǎn)生一個(gè)立體感的形象。
　　可觸信號的輸出　這種類(lèi)型的反饋設備使用戶(hù)能感覺(jué)到虛擬環(huán)境中的力，并能感覺(jué)到與物體接觸時(shí)受物體的阻礙。模擬不同情況下觸覺(jué)反饋的一個(gè)方法是使用電信號或手上不同方向的振動(dòng)。另一個(gè)途徑是在手套中使用可充氣的袋子提供觸覺(jué)反饋。對于力的反饋，一些機械設備（臂）可以在用戶(hù)試圖操作虛擬環(huán)境下的物體時(shí)提供阻力的反饋。

1.4　虛擬現實(shí)在當前的典型應用

　　a) 遙控機器人
　　b) 醫學(xué)
　　c) 建筑
　　d) 訓練殘疾人
　　e) 科學(xué)可視化
　　f) 娛樂(lè )
　　g) 作為一種新型人機交互界面

2　虛擬現實(shí)在機械工程中的應用前景

　　機械制造業(yè)是一個(gè)古老的行業(yè)，同時(shí)也是國民經(jīng)濟發(fā)展中一個(gè)不可缺少的行業(yè)。下面我們假設有一個(gè)用戶(hù)需要一種非標的起重機，而且時(shí)間要求十分緊迫，以此為例來(lái)探討一下VR在機械制造業(yè)中的應用。

2.1　初步設計階段

　　在這一階段有兩個(gè)模塊可以調用：一個(gè)為物件庫模塊，其中包括了起重機所有零部件的各種型號、尺寸的實(shí)體造型(包括其屬性信息)等，若事先把所有實(shí)體一個(gè)個(gè)地造好，并存儲起來(lái)，則費時(shí)費力又浪費存儲空間，因此我們采用AutoCAD中的ADS或ARX進(jìn)行參數化造型；另一個(gè)模塊為方法庫模塊，這個(gè)模塊實(shí)質(zhì)上是包含所有起重機設計步驟，設計準則以及一些專(zhuān)家的經(jīng)驗的數據庫，使用這個(gè)模塊，只要用戶(hù)輸入主要設計參數，如類(lèi)型、噸位等，系統就可以自動(dòng)或半自動(dòng)生成缺省的設計方案，該模塊還允許用戶(hù)按需調整起重機的配置，甚至可以交互式地進(jìn)行一些非標準件的設計，以達到用戶(hù)的要求，這一部分用VC++5.0編制。
　　運用這一系統，設計者可得到起重機設計的初步配置。

2.2　建模仿真階段

　　在這個(gè)系統中，設計者將在CAD中生成的實(shí)體造型信息輸入到虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)時(shí)的裝配，若發(fā)現不合適的地方，如位置上發(fā)生干涉，運動(dòng)學(xué)性能不符合要求等，允許設計者在虛擬環(huán)境中進(jìn)行修改或更換，并將修改的信息返回至CAD的圖形數據庫中。虛擬環(huán)境采用VRML建立，其交互方法也采用VRML編制。信息的交換直接采用DFX文件和wrl文件轉換技術(shù)。這一部分主要是通過(guò)視覺(jué)效果，并輔以聽(tīng)覺(jué)感受，給設計者以感官認識，如起重機的外形，工作運動(dòng)情況等，并使設計者在虛擬環(huán)境中與起重機模型進(jìn)行直接交互。

2.3　完善設計階段

　　針對起重機的性能特點(diǎn)，這一部分集成了有限元，動(dòng)態(tài)仿真，最優(yōu)化設計，可靠性分析等模塊。給初步設計完成的起重機加上某種載荷信息，使計算機自動(dòng)對此起重機結構進(jìn)行應力，應變，疲勞，強度，振動(dòng)等計算，并將計算結果可視化，通常的方法是使用顏色來(lái)顯示不同大小數字的分布。在虛擬環(huán)境中，我們還允許用戶(hù)動(dòng)態(tài)的看到起重機在載荷作用下的工作情況：當鼠標移至結構上某一點(diǎn)時(shí)，動(dòng)態(tài)顯示計算值的大??；若此處計算值超過(guò)許用值時(shí)，計算機會(huì )發(fā)出警告聲響，用戶(hù)還能切開(kāi)此處看斷面損壞情況；若超載，用戶(hù)還能看到起重機損壞情況的動(dòng)態(tài)過(guò)程。通過(guò)這些數字在感官上的反映，促使用戶(hù)不斷的修改設計參數，使起重機的設計質(zhì)量達到最高。
　　總之，這一部分能使用戶(hù)得到比較完善的設計結果，并且計算機會(huì )把設計結果向后傳給CAD系統，自動(dòng)生成二維圖。

2.4　加工制造階段

　　傳統的計算機輔助設計（CAD）和計算機輔助制造（CAM）之間有一個(gè)鴻溝，即數據信息的傳遞問(wèn)題，用計算機輔助工藝過(guò)程（CAPP）來(lái)填補這個(gè)鴻溝有著(zhù)諸多困難。由于虛擬制造技術(shù)是以在計算機上制造數字化產(chǎn)品為目的的一種軟件技術(shù)，因此用此技術(shù)克服這個(gè)鴻溝比較容易。在這一部分可進(jìn)行熱加工工藝模擬，加工過(guò)程仿真，產(chǎn)品裝配仿真等工作。

2.5　產(chǎn)品的廣告與漫游

　　為了適應市場(chǎng)競爭的要求，設計廠(chǎng)家不應該坐等用戶(hù)來(lái)找自己，而應該主動(dòng)把自己廠(chǎng)家的產(chǎn)品推向市場(chǎng)。將虛擬現實(shí)制作的廣告與網(wǎng)上漫游技術(shù)結合起來(lái)，使用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )能在設計廠(chǎng)家設計的產(chǎn)品中漫游，并能直接在虛擬環(huán)境中對產(chǎn)品的需求方面進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，這樣可提高設計廠(chǎng)家的競爭力，為設計廠(chǎng)家謀得更多的市場(chǎng)份額。
　　虛擬現實(shí)是一項新興的技術(shù)，它還有很多不完善的地方，如：大規模數據的圖形適時(shí)現實(shí)；觸覺(jué)感知的有效實(shí)現；頭戴式顯示對人體健康的影響等等。但是，虛擬現實(shí)技術(shù)在各行各業(yè)中都有著(zhù)廣闊的應用前景，尤其在機械工程行業(yè)中，虛擬現實(shí)技術(shù)將給我們的機械工程行業(yè)帶來(lái)一個(gè)嶄新的天地。