关键词:概念设计虚拟现实技术产品市场
一、产品概念设计与市场
概念设计是工业设计领域中的一个重要方面。国外大公司的产品设计部门包括:1)(Conceptdesign)概念设计;2)(Detaildesign)详细设计;3)(Manufacturingdesign)制造设计。由此可见，产品的概念设计的主导地位和重要性。
1概念设计的内涵
概念的设想是创造性思维的一种体现，概念产品是一种理想化的物质形式。下面以概念设计教学实例之一来说明其涵义:给出一个概念“断药”，让学生进行座椅的开发设计。步骤是，首先向学生讲述心理学中的一个名词———暗示心理，并分别举出一个“安乐死”实验和一个“挽救少女生命”的文学名著故事，从正反两个方面说明暗示对人的健康的影响;然后运用一个“民间故事”阐述如何将“断药”的概念物化到具体的产品上。因为，在民间曾有这样一个说法，就是将一把断了的钥匙用红线穿上挂在小孩的脖子上，取“断钥”的谐音“断药”暗示常生病的孩子挂上“断钥”这挂项链之后，就断了药，从此不再吃药，这也意味着孩子走向健康。所以，将一把断了的钥匙(断药)的概念物化到具体的产品上来为健康做设计时，用折断了的钥匙做椅架为主题，由学生创意出现了形形的座椅开发设计方案(其草图、效果图、视图等技术说明从略)，于是就有了一种新型的专用座椅的概念设计。其应用场合为疗养院、医院、不能自理的老人家庭等。
这是传统的产品概念设计。当然，产品的类型不止是这种无障碍设计思想指导下的专用座椅。产品即人之观念的物化，设计是一种思维行为。在这种思维创造活动中，产品概念的构思是丰富的，人的创作智慧是无穷的。概念产品的类型更是多种多样。
2概念设计与产品市场
完成概念设计只是第一步，能不能进行第二步Detaildesign，第三步Manufacturingdesign，甚至投放市场为开发商或企业带来效益等，这是个风险问题。设计师的概念设计毕竟与难以预料市场变化有着许多差距。如何缩短这一差距，是以往概念设计者的难题。在开发设计的许许多多产品中，只要一百件产品中有几件能够投放市场见效益就是成功。在追求“百分之几”的见效益成功的过程中，如何减少做“分母”的被动，扩大见效益的百分比，仍是最关键的，是公司管理决策人士和设计师共同努力的方向。
3虚拟现实技术促使概念设计的市场化
为了更好地接近产品的市场需求，目前国际上流行的一种“故事版情景预言法”的概念设计，就是将所要开发的产品置于一定的人、时、地、事和物中进行观察、预测、想象和情景分析，其形式是以故事版的平面设计表达展示给人们。于是，产品在设计的开始便多了一份生命和灵气。然而，设计表达在信息时代已是多元化的展示形式，计算机辅助工业设计的发展，尤其是虚拟现实技术在产品概念设计中的应用，已使设计师的设计思路和设计表达如虎添翼;可以想象面对一种虚拟的“故事版情景预言法”设计出的产品，让人更多了一种直观的、亲切的及交互的感受，这样开发设计的产品与传统相比，就大大减少了投放市场的风险性，也为企业决策人寻找商机、判断概念产品能否进一步开发生产，提供更好的依据。虚拟现实技术能模拟整个产品开发过程，保证产品开发一次性成功，加快开发进程，甚至使设计者和用户融为一体，设计出满足市场需要的产品。
二、虚拟现实技术与虚拟产品
1虚拟现实系统(VirtualReality，VR)
虚拟现实系统又称为虚拟现实环境，是指计算机生成的一个实时三维环境。使用者可以在这环境中“自由地”运动，观察周围的景物，还可通过各种专用的传感交互设备与虚拟物体进行交互操作。用户看到的是全彩色景象，听到的是虚拟环境中的音响，感觉(手、脚或皮肤等)到的是虚拟环境所反馈的作用力，从而让使用者产生一种身临其境的感觉。产生虚拟现实环境的方法有:
1)基于模型的方法(ModelbasedMethod，MM)这种方法产生虚拟环境的步骤为:
①用放置在不同地点的多个摄像机将某环境或事物记录下来;
②利用计算机的视频技术抽取出环境或事物的三维模型;
③从虚拟摄像头的视角展示获得模型。具体的做法是:获得数据标度摄像头分离对象建立模型嵌入颜色交互回放。
2)基于图像的方法(ImagebasedMethod，IM)一般做法是:
用摄像头连续扫描周围空间来获取某一区域完整的景物图像，将获取的景物图像，通过图像处理技术，按坐标映射到图形工作站的虚拟全景屏上，用户载上头盔显示器就可以看到所摄周围景物环境。
2虚拟现实系统的常用设备及要求
虚拟现实系统常用设备有:三维鼠标(也称鸟标)、数据手套、数据衣、头盔显示器、立体声耳机等。对虚拟现实系统的要求除了应具有高性能的计算机系统(包括软、硬件)外，还必须有下列关键技术提供强有力的支持:(1)能以实时的速度生成具有三维全色彩的、有明暗、有阴影、有纹理的、逼真感强的景物图像;(2)头盔显示器能产生高分辨率图像和较大的视角;(3)能高精度地实时跟踪用户的头和手;(4)能对用户的动作产生力学反馈。
3虚拟产品(VirtualProduct，VP)
虚拟产品是虚拟现实技术应用于产品设计的产物，是一个数字化的产品。它具有真实产品所必须具有的特征。通过对产品实时的仿真，设计人员或用户就能够像使用真实产品一样使用虚拟产品。由于产品的设计过程是数字化的，因此节省了传统方法中需要制造的物理模型(包括概念模型、模拟实验模型、外观模型和生产模型等)的时间和物质。在计算机中由于对设计的产品进行反复设计、分析、干涉检查、模具设计等过程，使设计绘图的工作量比传统的绘图工作量大大减少。
三、虚拟现实技术在概念设计中应用前景
在概念设计中，如采用头脑风暴法进行方案创意时，可以将体验设计思想更好地融于其中，也就是更多地关注产品使用者的感受，而非产品本身。比如，针对不同用户及爱好者的要求，在不同的虚拟环境中，让他们亲自体验修改模型的感受;利用触摸屏来选择产品的造型、色彩、装饰风格等许多可选部件。在渲染和生成十分逼真的三维模型时，充分感受了自己所喜爱的产品在虚拟环境中的“真实”情况。甚至还可根据用户的建议，邀请部分用户直接与设计者一起对模型提出修改意见，观察设计和修改过程，直至大多数人满意为止。
为了适应激烈的市场竞争，设计厂家不能坐等用户找上门订购产品，而应该主动把自己厂家的产品推向市场。利用虚拟现实技术做出虚拟产品的动画广告，再与计算机网络技术结合起来，使用户能够通过网络来游览设计厂家的设计产品，并能直接在虚拟环境中对产品的功能、结构、外形、色彩等方面进行实时交互、了解、观察;同时，还可以通过Email对产品提出意见和建议，让厂家参照各方面的意见修改和完善所设计的产品。这样可提高设计厂家的竞争力，为设计厂家谋得更多的市场份额。
若用户对厂家设计的产品引起购买的欲望，通过网上游览，将信息反馈到各商家，商家则会主动争先与厂家联系，网上定货，使厂家的产品提前占领市场。由于激烈的全球市场竞争，各国都投入了大量的资金对虚拟现实技术及其在工业设计领域中的应用进行深入地研究。将研究的成果及时转化为生产力，这是产品迅速占领市场的关键。
参考文献
1陈军等虚拟现实中虚拟景象产生的技术初探计算机应用研究，1999，6
2熊曼辰等数字化与概念化工业设计ICME2000论文集
关键词：电视电影论文
近几年，随着《阿凡达》《魔兽》等科幻电影在全世界范围内取得成功，人们开始尝试将IMAX、4K等现代技术运用于影视的制作过程中，而技术的更新换代极大地促进了影视行业的发展。其中，VR虚拟技术正成为继3D技术后影视行业的新宠，一些国际知名公司对VR虚拟技术的开发和应用也充分地说明了VR虚拟技术光明的发展前景。例如，2014年Facebook公司并购了一家专营VR头显的公司Oculus，我国的阿里巴巴、腾讯等公司也相继制定规划，希望成为国内VR技术界的领先者，从而使越来越多的资金和人员涌入VR领域,使我们有理由相信，VR虚拟技术必将成为影视艺术未来发展的核心力量。
1、VR虚拟技术在影视制作中的实际应用
现阶段，我国影视领域运用VR虚拟技术进行拍摄和制作尚处于一个摸索与发展的过程。VR电影和VR电视，不是单纯的技术升级，而是伴随着VR虚拟技术在生活中广泛运用，是影视领域的一次从软件到硬件、从内容到终端的大胆尝试，将对整个影视制作界产生积极而深远的影响。以VR电影的制作为例。首先，VR虚拟技术的实现需要大量设备支持，机位与GoPro的数量比差不多是1∶6，甚至更多，才能全方位地进行拍摄;其次，所有的机器都必须连接同一个WiFi，才能保证同时开机进行一个片段的拍摄，否则后期画面修补时可能会出现因画面帧率不统一而无法合成画面的情况。除此之外，VR电影的技术要求也十分严苛。拍摄过程中，尽管有超过6台的机器，但是拍摄主体必须只对准其中的一台，才能完整地将摄体的细节记录下来。为了生动地表现动作场景，使其进行得更加流畅，VR电影需要在至少每秒85帧的条件下拍摄，而普通电影一般多为每秒24帧。后期制作之前，需要对前期运用VR虚拟技术拍摄的素材进行整理。由于前期通过6台机器进行拍摄，此时的素材数量随之发生变化，即同时输出6条素材。对于后期制作而言，最重要的是进行画面的缝合，需要用到像Kolor…AutopanoGiga之类的编辑软件进行制作和修改，将其导入输出素材中。此时，电脑会自动编辑，使6个素材的画面在捕捉的某一点上实现声音和画面的同步，基本修改完成以后，我们可以在PRO等软件上开始进一步细致的制作。
2、VR虚拟技术对影视艺术造成的影响
第一，传统导演模式会受到VR虚拟技术的影响。过去的电影由于对沉浸式体验要求不高，一般只需要搭建一个半景棚就可以进行正常拍摄，而在拍摄VR电影时，观众希望看到全方位的视频，获得三维的空间体验，这种二维到三维的转变对导演提出了极高的要求，不仅要求具备多维的制作思维，同时还要精通全景棚和露天的画面拍摄。其次，观众在观看VR电影时，可主动改变座位与电影屏幕之间的距离，观看体验的灵活性使观众更容易身临其境，被剧情吸引。为了使观众能够在自己喜欢的视角和位置观影，导演需要作为一个引导者从电影的视角出发，抓住观众的视点，引导观众直至整个故事的结束。需要注意的是，VR电影频繁采用非线性叙事的方法，甚至是多线性叙事，而不同的观众选择的观看视点也存在差异，这就要求导演自身能够熟练地掌握VR虚拟技术与故事整体架构之间的结合。导演为了满足观众对于主要剧情的预设，还需要增加主人公之外非主人公的故事结局，即把握故事主要剧情的同时，也要照顾故事细枝末节的发展。第二，镜头语言也会随着VR虚拟技术的运用发生变化。镜头语言是传统电影制作中最重要的环节，但是在VR电影中，镜头语言的作用逐渐淡化。传统电影通过荧幕表现故事，镜头语言是其最主要的辅助工具，而在VR电影的创作过程中，VR机器的位置较为固定，并不存在惯用的推、拉、摇、移等拍摄行为，采集运动镜头时，VR机器会被安置在一个轨道滑板上随着摄体的移动同步拍摄，这里就完全摒弃了传统电影里的远、近、中、特等镜头转变，镜头不再是影片的最小单位，某一空间位置取而代之。第三，演员表演也会受到VR虚拟技术运用的影响。传统的演员表演是按照场次来演出，而VR电影的表演要求是，给定演员一个特定的区域，让演员按照空间形式演出，类似于话剧的表演形式。以VR电影全景拍摄为例，要求导演和工作人员离开现场，导演在摄影棚外用对讲机对现场进行拍摄指挥。并且，传统的录音设备由在场的录音挑杆人员进行录制，而在VR电影拍摄录音环节中，由于现场的工作人员全都退居摄影棚外，录音完全是演员自己来录制。演员表演的自由性使拍摄过程中容易产生一些意外事故，如忘词、笑场，甚至还包括录音设备损坏，所以VR电影的制作成本相对于传统电影较高。
3、VR虚拟技术在影视艺术中的应用前景
近几年，尽管VR虚拟技术已经成为普通大众口中的热门话题，但是这种“受欢迎”仅限于概念上，影视艺术中并没有广泛地运用VR虚拟技术，甚至国内院线都没有正式上映过一部纯VR虚拟技术制作的电影。科技是一把双刃剑，VR虚拟技术既存在一定的优势，也有着自身的局限。VR技术在提供给观众全方位观看体验的同时，也因设备的局限性，导致影片时长过短，多控制在20分钟以内，并且在增加观众的自由选择之后，VR影视制作难度也随之变大，鉴于这种情况，导演在情节设置上趋于简单化。当然，VR虚拟技术也不尽然都是缺点。现阶段，VR虚拟技术在影视领域的运用主要分为VR影视体验、影视短片及风景类电影制作三个方面。导演经常利用VR自身的技术特点，结合影视的具体需要，进行一些始于VR电影的制作，从而满足新时期人们对于VR虚拟技术的期待。例如，空间密闭类电影，就可以借助VR虚拟技术的力量、密闭的空间、VR的多视角，营造出影片所需要的紧张、刺激氛围。又如，未来恐怖片的制作，必然会用到VR虚拟技术，强烈的沉浸式体验可以让观众处于第一视角经历惊悚的剧情。再如，一些强调空间感的纪录片，如《动物世界》就可以使用VR虚拟技术，使观众既可以站在动物的视角学会自然知识，同时拍摄技术上的创新也会明显增强纪录片的教学效果。
4、结语
VR虚拟技术在影视艺术未来的发展版图中必然会占有一席之地以及拥有光明的应用前景，但前提必须是导演能够充分认识到VR虚拟技术的技术特征与影片自身的需求，在此基础上，将两者结合，从而营造出独特的氛围，给观众带来充分的沉浸式体验。切记不要强行运用VR技术，将VR技术作为影视的噱头，否则影片的内涵和水平将会失去平衡，进而得不偿失，只有合理地融合艺术与技术，VR虚拟技术才能更好地在影视行业中得到发展和进步。
参考文献：
关键词：虚拟现实；沉浸；交互；想象；
VirtualReality；Immersion；Interaction；Imagination
1、虚拟现实技术的概念
虚拟现实技术（VirtualRealityTechnology）是一项综合集成技术，它的出现是计算机图形学、人机交互技术、传感器技术、人机接口技术以及人工智能技术等交叉与综合的结果。它利用计算机生成逼真的三维视觉、听觉、嗅觉等各种感觉，使用户通过适当装置，自然地对虚拟现实世界进行体验和交互作用。简单地说，虚拟现实技术就是用计算机创造现实世界。
2、虚拟现实技术特征
1993年BurdeaG在Electro93国际会议上发表的“VirtualRealitySystemandApplication”一文中，提出了虚拟现实技术三个特征，即：沉浸感、交互性、想象性。
沉浸感是指用户可以沉浸于计算机生成的虚拟环境中和使用户投入到计算机生成的虚拟场景中的能力，用户在虚拟场景中有“身历其境”之感。它所看到的、听到的、嗅到的、触摸到的，完全与真实环境中感受的一样。它是虚拟现实系统的核心。
交互性是指用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力。它是人机和谐的关键性因素。用户进入虚拟环境后，通过多种传感器与多维化信息的环境发生交互作用，用户可以进行必要的操作，虚拟环境中做出的相应响应，亦与真实的一样，如拿起虚拟环境中的一个篮球，你可以感受到球的重量，扔在地上还可以弹跳。交互性包含对象的可操作程度及用户从环境中得到反馈的自然程度、虚拟场景中对象依据物理学定律运动的程度等，例如，当物体受到力的作用时，物体会沿着力的方向移动、翻到或者从桌面落到地面等。
想象性是指通过用户沉浸在“真实的”虚拟环境中，与虚拟环境进行了各种交互作用，从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识，从而可以深化概念，萌发新意，产生认识上的飞跃。因此，虚拟现实不仅仅是一个用户与终端的接口，而且可以使用户沉浸于此环境中获取新的知识，提高感性和理性认识，从而产生新的构思。这种构思结果输入到系统中去，系统会将处理后的状态实时显示或由传感装置反馈给用户。如此反复，这是一个学习——创造——再学习——再创造的过程，因而可以说，虚拟现实是启发人的创造性思维的活动。
3、虚拟现实技术的分类
虚拟现实是从英文VirtualReality一词翻译过来的，Virtual就是虚假的意思，Reality就是真实的意思，合并起来就是虚拟现实，也就是说本来没有的事物和环境，通过各种技术虚拟出来，让你感觉到就如真实的一样。
实际应用的虚拟现实系统可分为四类：
一、桌面虚拟现实系统，也称窗口中的虚拟现实。它可以通过桌上型机实现，所以成本较低，功能也最简单，主要用于CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、建筑设计、桌面游戏等领域。
二、沉浸虚拟现实系统，如各种用途的体验器，使人有身临其境的感觉，各种培训、演示以及高级游戏等用途均可用这种系统。
三、分布式虚拟现实系统，它在因特网环境下，充分利用分布于各地的资源，协同开发各种虚拟现实的利用。它通常是浸沉虚拟现实系统的发展，也就是把分布于不同地方的沉浸虚拟现实系统，通过因特网连接起来，共同实现某种用途。美国大型军用交互仿真系统NPSNet以及因特网上多人游戏MUD便是这类系统。
四、增强现实又称混合现实系统。它是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统，既可减少构成复杂真实环境的开销（因为部分真实环境由虚拟环境取代），又可对实际物体进行操作（因为部分系统即系真实环境），真正达到了亦真亦幻的境界，是今后发展的方向。
4、虚拟现实技术发展的瓶颈
虚拟现实技术的发展过程中遇到的问题很多，可以归结为3大难题：
4．1虚拟现实设备的“贵族化”。要构建一个高质量的虚拟现实系统，首先需要昂贵的外部设备，无论是高分辩率的头盔显示器HMD，还是立体投影显示器，无论是空间定位器，还是高精度的数据手套，都是价格不菲。其次，为完成复杂场景的实时渲染，还需要高性能的图形工作站以及相应的软件。在一些专用领域，但普通的信息系统用户可能会望而却步。
4．2繁琐的三维建模。基于图形的虚拟环境首先要解决的问题便是三维造型。当图形渲染技术在向实现真实感大踏步前进的时候，生成精确三维模型的过程还像二十几年前一样困难。在三维激光扫描技术上的进步提供了简化模型构造过程的一些承诺。然而，这些自动化模型获取方法也验证了真实世界的几何是极端复杂的。大部分的模型仍需要人工绘制，而且需要聘请高水平的专业人士，所以其费用是相当惊人的。比如在电影《坦克尼克号》中，为实现场景三维建模及各种特技处理所花的人工费用高达2500万美元，这笔钱足以制造一艘同样规模的真船。繁琐的三维建模也是制约虚拟现实技术发展的严重障碍。
4．3数据量大。虚拟现实技术要想得到很大的发展，需要与Internet结合，这恐怕已是不争的事实。目前虚拟现实技术应用的数据量仍然很大，在现有网络整体速度较慢的情况下，Internet用户必须等待较长时间，这往往令人难以忍受。我们应该在虚拟现实系统中考虑数据压缩问题，这个问题可能现在还未引起人们的重视，但是随着应用的深入，这是一个不可回避的问题。
5、虚拟现实技术的应用前景和优势
虚拟现实技术的应用极为广泛，Helsel与Doherty在1993年对全世界范围内已经进行的805项虚拟现实研究项目作了统计，结果表明：目前在娱乐、教育及艺术方面的应用占据主流，其次是军事与航空，医学，商业，另外在可视化计算、制造业等方面也有相当的比重。下面简要介绍其部分应用。
（1）医学虚拟现实技术应用大致上有两类。一是虚拟人体，也就是数字化人体，这样的人体模型医生更容易了解人体的构造和功能。另一是虚拟手术系统，可用于指导手术的进行。
Pieper及Satara等研究者在90年代初基于两个SGI工作站建立了一个虚拟外科手术训练器，用于腿部及腹部外科手术模拟。这个虚拟的环境包括虚拟的手术台与手术灯，虚拟的外科工具（如手术刀、注射器、手术钳等），虚拟的人体模型与器官等。借助于HMD及感觉手套，使用者可以对虚拟的人体模型进行手术。但该系统有待进一步改进，如需提高环境的真实感，增加网络功能，使其能同时培训多个使用者，或可在外地专家的指导下工作等。
（2）娱乐、艺术与教育丰富的感觉能力与3D显示环境使得虚拟现实技术成为理想的视频游戏工具。由于在娱乐方面对虚拟现实的真实感要求不是太高，故近些年来虚拟现实技术在该方面发展最为迅猛。如Chicago（芝加哥）开放了世界上第一台大型可供多人使用的虚拟现实娱乐系统，其主题是关于3025年的一场未来战争；英国开发的称为“Virtuality”的虚拟现实游戏系统，配有HMD，大大增强了真实感；1992年的一台称为“LegealQust”的系统由于增加了人工智能功能，使计算机具备了自学习功能，大大增强了趣味性及难度，使该系统获该年度虚拟现实产品奖；
（3）军事与航天工业模拟与练一直是军事与航天工业中的一个重要课题，这为虚拟现实技术提供了广阔的应用前景。美国国防部高级研究计划局DARPA自80年代起一直致力于研究称为SIMNET的虚拟战场系统，以提供坦克协同训1练，该系统可联结200多台模拟器。利用虚拟现实技术模拟战争过程已成为最先进的多快好省的研究战争、培训指挥员的方法。战争实验室在检验预定方案用于实战方面也能起巨大作用。1991年海湾战争开始前，美军便把海湾地区各种自然环境和伊拉克军队的各种数据输入计算机内，进行各种作战方案模拟后才定下初步作战方案。后来实际作战的发展和模拟实验结果相当一致。
（5）商业虚拟现实技术常被用于推销。例如建筑工程投标时，把设计的方案用虚拟现实技术表现出来，便可把业主带入未来的建筑物里参观，如门的高度、窗户朝向、采光多少、屋内装饰等，都可以感同身受。它同样可用于旅游景点以及功能众多、用途多样的商品推销。因为用虚拟现实技术展现这类商品的魅力，比单用文字或图片宣传更加有吸引力。
（6）科技开发虚拟现实技术可缩短开发周期，减少费用。例如克莱斯勒公司1998年初便利用虚拟现实技术，在设计某两种新型车上取得突破，首次使设计的新车直接从计算机屏幕投入生产线，也就是说完全省略了中间的试生产。由于利用了卓越的虚拟现实技术，使克莱斯勒避免了1500项设计差错，节约了8个月的开发时间和8000万美元费用。利用虚拟现实技术还可以进行汽车冲撞试验，不必使用真的汽车便可显示出不同条件下的冲撞后果。
在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的三大手段。用它来设计新材料，可以预先了解改变成分对材料性能的影响。在材料还没有制造出来之前便知道用这种材料制造出来的零件在不同受力情况下是如何损坏的。
以上仅列出虚拟现实技术的部分应用前景，可以预见，在不久的将来，虚拟现实技术将会影响甚至改变我们的观念与习惯，并将深入到人们的日常工作与生活。
6、总结
虚拟现实技术是本世纪发展的重要技术之一，作为一门科学和艺术将会不断走向成熟，在各行各业中将得到广泛应用，并发挥神奇的作用，二十一世纪将是虚拟现实技术的时代。
当然，虚拟现实技术还是一门年轻的科学技术，尚存在不少有待解决的问题。例如，在计算机生成的虚拟环境中，操作者每次转动头部，计算机必须更新三维图像，由于更新的数据太大，以致计算机还无法完成实时运算。这就造成了系统滞后。再如，美空军的虚拟现实模拟器产生的视觉运动信号与人的感觉之间也存在差异，容易引起头痛、眩晕等。
但不管怎样，虚拟现实技术毕竟开辟了富有发展潜力的新领域，它会随着时间的推移日臻完善，发挥的作用也将会越来越大。
7、参考文献
【1】李云华虚拟现实技术综述重型机械科技2004（4）
【2】张志鹏劳奇成虚拟现实技术的概况及应用精密制造与自动化2005（3）
【3】谢晶妮张茂军虚拟现实发展趋势展望计算机工程2002（7）
【4】郑彦平贺钧虚拟现实技术的应用现状及发展信息技术2005（12）
虚拟技术是使相关工作在计算机上实现或通过计算机模拟实现的技术[1]，早在20世纪70年代便开始将其应用于宇航员培训。由于这是一种消耗低、安全有效的培训方法，现今已被推广到各行各业的培训中，并已在科研、教育、商业、医疗、生物制药、环境保护、农业生产、娱乐等多个领域得到广泛应用。在此，只简单介绍它们在教育、生物制药和医疗领域的应用状况。
1.1教育领域
随着虚拟技术的发展和教学要求的不断提高，虚拟技术已进入教育领域，并且已成为完成教育工作的一种有效方式。例如利用化学教育软件，展示化学实验的流程和结果。学生可以通过使用该软件，了解和掌握整个实验过程，然后再进行实践操作。这样，既可以减少实验的危险性，又可以提高学生的学习兴趣和效率，减少不必要的浪费。再如利用物理教学软件，开展“欧姆定律”的讲解，其效果生动，且学生便于理解。
1.2生物制药领域
虚拟技术在生物制药方面的应用主要是在药物的设计阶段：采用相关的分子设计软件，设计药物小分子，模拟小分子与受体的相互作用，预测小分子的生物活性、毒性、排泄、吸收、代谢途径、代谢物及其各类性质。目前，这种药物设计模式已被国际专业制药公司在研发新药时采用，并与实验相结合，以达到减少研发消耗，提高研发成功率的目标。1.3医疗领域虚拟技术在医疗领域的应用主要有：手术培训、手术模拟、医学影像检查和临床诊断。已经报道的“上海交通大学附属第九人民医院骨科专家成功完成真正意义上的3D打印骨盆重建手术”，是虚拟技术在医疗领域成功应用的又一案例。
2、化学信息学
化学信息学的研究领域并未经过刻意界定，很多化学家在各自不同的研究领域中力争发展和采用计算机的方法来处理大量涌现的化学信息，建立化合物的结构与性质的关系。在20世纪60年代，化学信息学的发展已初见端倪，到了70年代开始出现了飓风式的发展。因此，相关的化学信息学的定义有多种。
比较典型的有以下一些论述。
（1）采用分子模拟和数据分析技术与高分辨图形显示组合，得到了令人惊讶的结果。因此，化学信息学是通过应用信息技术帮助化学家研究新问题、组织并分析科学数据，以研发新化合物、新材料的过程。
（2）很多人认为化学信息学是化学信息的扩展，它涵盖了与化学结构、数据存储和计算方法相关的领域，如化合物登记系统、在线化学文献、结构-活性关系分析和分子性质计算[3]。化学信息学作为一个学科名称来说是很新的，但我们可以体会到，它存在于我们周围已经有了一段时间。不同的阶段常会给出不同的化学信息学的定义。
所以，在讨论这些不同观点的时候，我们认为“化学信息学是一门应用信息学方法和计算机技术来辅助解决化学问题的学科”[4]这个论述更具有普适性。
化学信息学方法主要有三种，即基于数据、基于逻辑和基于原理。
（1）基于数据的方法建立和利用多种化学数据库管理系统和化学数据库中的数据。该方法主要的作用是在数据库中获得已记录的相关信息。
（2）基于逻辑的方法利用已有的化学数据库中的数据，并在此基础上，利用归纳、推理和分类等方法将数据转化为知识，并对知识实施有效的管理，以便于知识得到广泛的应用。最终，能用于解决实际的化学问题。该方法适用于大量数据的处理，对象具有比较强的规律性。同时，它能解决数据库系统不能解决的问题。
（3）基于原理的方法利用已有的量子化学的理论，对化学对象作相关的量化计算，并根据计算结果，研究对应的化学问题。该方法能从原理上解释化学问题，但不适用于大批数据和大的体系的处理。在化学研究中，这三种方法相辅相成。对于不同的研究对象或不同的研究阶段，采用对应的方法组合。
3、化学研究
化学是研究物质的组成、结构、性质和变化规律的科学。有机化学是研究有机化合物的来源、制备、结构、性质、用途和有关理论的一门学科，由于有机化合物都含有碳，同时以碳、氢化合物为母体，因此这门学科又可称为“碳化合物的化学”或“碳氢化合物及其衍生物的化学”，随着这门学科的发展，诞生出了高分子化学、元素有机化学等新学科，为合成染料、橡胶、纤维、药物、塑料等有机化学工业建立了理论基础。化学的研究内容主要可归纳为三部分：分子设计、合成设计和结构确定。利用相关技术设计具有特定功能的化合物即为分子设计[5]；利用相关技术设计特定化合物的合成路线即是合成设计；结构确定包括两部分：结构解析和谱图模拟。结构解析是根据已有的化学谱图，推测对应的化学结构。谱图模拟是基于化合物的化学结构，预测其化学谱图。化学是重要的基础科学之一，它也是一门建立在实验基础上的科学。在化学研究中实验和理论这两方面一直是相互依赖、彼此促进的。化学是一门古老而历史悠久的科学，它的研究模式为灵感、经验和实验（见图1）。长期实验数据的积累，为现在和今后的化学研究提供了宝贵的财富。截至2013年12月，已有记载的小分子化合物达7600多万个，化学反应约5580万个。要有效应用如此大量的研究和实验数据，只有采用信息技术才能实现。在此，我们提出了化学研究的现代模式，即在化学研究的传统模式中融入虚拟技术（见图2）。分子设计是化学研究的内容之一。传统模式的分子设计流程如图3所示，某种化合物的性质，通常是在得到化合物之后，经过实验测试才可获得对应的性质。现代模式的分子设计流程如图4所示，化合物的性质，可以用相关软件预测获得。根据获得的预测结果和经验，决定是否要合成该化合物。图3和图4中的分子设计流程显示，两者的差异主要在合成之前。传统模式在合成之前的分析工作仅以文献信息作为判断依据。而现代模式，既以文献信息作为判断依据，又以软件预测结果作为分析判断依据。从原理上讲，采用现代模式合成的化合物，其符合需求的成功率要高于传统模式，研究过程中产生污染的几率要比传统模式的低。
4、结论
关键词：虚拟现实技术土木工程可视化计算
一、引言
随着我国经济的稳步增长和基础建设规模的加入，建设项目的规模越来越大、结构形式日益复杂，对土木工程学科管理的科学性、精确性要求越来越高。实现土木工程的信息化、智能化、可视化和集成化成为土木建筑工程项目管理现代化的要求和本领域的研究热点。虚拟现实技术(VirtualReality,VR)是综合性与集成性极强的高新技术，在军事、医学、设计、艺术、娱乐等多个领域都得到了广泛的应用。土木工程中的虚拟现实技术涉及土木工程领域的各个学科，已显示出一定的实用性，技术潜力十分巨大，应用前景非常广阔[1]。
二、虚拟现实技术及其特点
虚拟现实技术，又称灵境技术，是20世纪末兴起的一门崭新的综合性信息技术。它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，大大推进了计算机技术的发展。VR技术是把抽象、复杂的计算机数据空间转化为直观的、用户熟悉的事物。它的技术实质在于提供一种高级的人机接口。利用VR技术所产生的局部世界是人造和虚构的，并非是真实的，但当用户进入这一局部世界时，在感觉上与现实世界却是基本相同的。因此，虚拟现实技术改变了人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，给用户提供了一个趋于人性化的虚拟信息空间。它以模拟方式为使用者创造了一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图像世界，在视、听、触、嗅等感知行为的逼真体验中，使参与者可直接参与和探索虚拟对象所处环境的作用和变化，仿佛置身于现实世界中。一个身临其境的虚拟环境系统是由包括计算机图形学、图象处理与模式识别、智能接口技术、人工智能技术、多传感器技术、语音处理与音像技术、网络技术、并行处理技术和高性能计算机系统等不同功能、不同层次的具有相当规模的子系统所构成的大型综合集成环境。所以，虚拟现实技术是综合性极强的高新信息技术。虚拟现实技术具备以下三个方面的特性。
1．沉浸性
虚拟现实技术是根据人类的视觉、听觉的生理心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像，使用者戴上头盔显示器和数据手套等交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。使用者与虚拟环境中的各种对象的相互作用，就如同在现实世界中的一样，一切感觉都是那么逼真，有一种身临其境的感觉。
2．交互性
虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。
3．多感知性
由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而达到身临其境的感受。
三、虚拟现实技术在土木工程中的应用
1．虚拟现实技术在土木工程中的应用前景
在土木工程中，长期以来人们不得不用抽象的概念表示非常丰富的内容，如用平面图、剖面图、立面图等平面图形成一些规定的符号来表示三维的立体建筑，用比较抽象的图形和精练的语言来描述复杂的场景，以传递大量的信息。但这一种信息处理与传递方式受到信息接受者所从事的职业、知识结构及理解能力的影响，交流起来非常困难。
VR技术的发展为我们克服这一困难提供了极其有效的手段。用虚拟现实既能表示真实的世界，也可以表示虚拟的世界。表示真实世界时，可以突破物理空间和时间的约束，做到能“超越现实”；在表示虚拟世界时，又能使其中的虚拟物体表示出三维逼真感，以达到身临其境的感受，最后形成一种“人能沉浸其中、超越其上、进出自如、交互作用的三维信息空间”。VR技术为用户提供了一种新型的人机接口，它利用计算机生成交互式三维环境，不仅使参与者能够感受到景物或模型的逼真存在，并且对参与者的运动和操作做出实时准确的响应。
2．虚拟现实技术在土木工程中的应用领域
由于具有上述的优势特征，虚拟现实技术在土木工程中得到了广泛的应用，并且具有广阔的应用前景。现阶段，虚拟现实技术在土木工程中的应用主要有以下几个方面[2]。
（1）在虚拟施工过程和施工结构计算中的应用[3]
在实际工程施工中，复杂结构施工方案设计和施工结构计算是一个难度较大的问题，前者难点关键就在于施工现场的结构构件及机械设备间的空间关系的表达；后者在于施工结构在施工状态和荷载下的变形大于就位以后或结构成型以后。
基于虚拟现实的复杂结构施工方案设计是指利用虚拟现实技术，在虚拟的环境中，建立周围场景、结构构件及机械设备等的三维CAD模型（虚拟模型），形成基于计算机的具有一定功能的仿真系统，让系统中的模型具有动态性能，并对系统中的模型进行虚拟装配，根据虚拟装配的结果，在人机交互的可视化环境中对施工方案进行修改。复杂结构施工涉及的因素较多，起重机的布置位置、高度，缆风绳着力点的选择，构件堆场的位置，起重机的开行路线，构件起吊路线等，都是施工方案设计必须考虑的问题。若对这些问题考虑得不够，则工程施工的进度、成本等都会受到影响，甚至导致安全事故的发生。
建筑结构施工前往往要对施工方案进行受力状态复核。如在大跨空间结构施工中，不仅要考虑施工过程的安全性、可行性，还要考虑结构本身在施工过程中安全性、可靠性。某展览中心，钢结构屋盖支承在钢桅杆上，桅杆两端为锥形，与下部混凝土结构铰结。为了减小钢桁架的变形，更为了维持结构的稳定，在钢屋盖桅杆和混凝土之间，采用了一系列的斜拉索(前索、背索、稳定索)和撑杆，形成一个稳定的结构体系。在钢结构的施工中，不同的支撑方案、不同的拼接方案，在结构的不同部位会引起不同的效应，而随着连接杆件的安装，这些施工阶段的应力将残余在结构部位上，并影响到最终的结构受力安全性；并在结构就位过程中，有可能失稳和变形。这就需要进行施工过程的精确分析。用虚拟现实技术可以对不同的方案，在短时间内做大量的分析，从而保证施工方案最优化。
（2）在工程项目招标投标中的应用
建筑业是我国的支柱产业，建筑市场的过度竞争已是长期的事实。现代建筑工程项目的运作，业主处于绝对有利的地位。在有限的时间内，如何使业主和评标的专家很好地了解招投标文件的编制和被认可的程度直接关系到承包商有没有中标的机会。因此，承包商在注重投标文件的技术可行、报价合理的同时，也非常注重投标文件的包装。尤其是大型工程、国家重点工程和国际工程的招标投标，往往在项目企划阶段就已经开始这方面的运作[4]。
借助虚拟仿真系统，把不能预演的施工过程和方法表现出来，不仅节省了时间和建设投资，而且不用项目经理的现场答辩，方案的优劣就一目了然。这无疑大大增加了承包商中标的几率。
（3）在可视化计算领域的应用
可视化计算将是今后一个重要的发展方向。在科研中，人们会遇到大量数据，为从中得出有价值的规律和结论，需要对庞大的数据量进行认真分析。对科学计算取得的数据进行可视化加工或三维图形显示，可通过交互改变参数来观察计算结果的全貌及其变化，实现参数化及可视化计算，虚拟现实技术产生了飞跃式的发展。
在运用有限元法进行结构分析时，利用虚拟现实技术则可以通过颜色的深浅给出三维物体中各点力的大小，用不同颜色表示出不同的等力面；也可以任意变换角度，从任何点去观察。还可以利用VR的交互性能，实时修改各种数据，以便对各种方案及结果进行比较。这样就使工程师的思维更加形象化，概念更易于理解。把可视化计算技术应用于超大型复杂结构的设计、工程控制和结构分析中，将增强计算软件的前后置处理能力。例如，在桥梁工程控制和结构分析的可视化计算中，倒退(拆)分析结构倒拆动态演示、结构理想施工线型显示、施工阶段主梁形心线的设计曲线和实测拟合曲线的显示、前进分桥结构拼装动态演示、施工预告图形显示、主梁内力图显示、危险截面应力分布图显示等等。更重要的是能借助图形或图像来进行实时动态地控制结构的重分析和获取施工控制数据，同时能实时动态演示和控制设计和施工的过程。
四、结语
虚拟现实技术在不断发展，专用于计算机图形和多媒体信息处理的高性能DSP芯片可使处理能力提高上百倍，三维图形算法和参数化建模算法等可使虚拟现实技术更加成熟。目前，虚拟现实技术还有很多不完善的地方，尤其在土木工程的研究方面，我们应努力建设虚拟现实技术实验室，开发有价值的虚拟现实工程系统，使其在工程设计、施工、管理和可视化计算等方面得到更广泛的应用。
参考文献
[1]张跃．土木工程中的虚拟现实技术[N]．科技日报．1997年6月23日．
[2]沈金良．虚拟现实技术在工程设计中的应用[J]．科技交流，2004，(3)．
摘要：虚拟现实技术土木工程可视化计算
一、引言
随着我国经济的稳步增长和基础建设规模的加入，建设项目的规模越来越大、结构形式日益复杂，对土木工程学科管理的科学性、精确性要求越来越高。实现土木工程的信息化、智能化、可视化和集成化成为土木建筑工程项目管理现代化的要求和本领域的探究热点。虚拟现实技术(VirtualReality,VR)是综合性和集成性极强的高新技术，在军事、医学、设计、艺术、娱乐等多个领域都得到了广泛的应用。土木工程中的虚拟现实技术涉及土木工程领域的各个学科，已显示出一定的实用性，技术潜力十分巨大，应用前景非常广阔[1。
二、虚拟现实技术及其特征
虚拟现实技术，又称灵境技术，是20世纪末兴起的一门崭新的综合性信息技术。它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，大大推进了计算机技术的发展。VR技术是把抽象、复杂的计算机数据空间转化为直观的、用户熟悉的事物。它的技术实质在于提供一种高级的人机接口。利用VR技术所产生的局部世界是人造和虚构的，并非是真实的，但当用户进入这一局部世界时，在感觉上和现实世界却是基本相同的。因此，虚拟现实技术改变了人和计算机之间枯燥、生硬和被动的目前状况，给用户提供了一个趋于人性化的虚拟信息空间。它以模拟方式为使用者创造了一个实时反映实体对象变化和相互功能的三维图像世界，在视、听、触、嗅等感知行为的逼真体验中，使参和者可直接参和和探索虚拟对象所处环境的功能和变化，仿佛置身于现实世界中。一个身临其境的虚拟环境系统是由包括计算机图形学、图象处理和模式识别、智能接口技术、人工智能技术、多传感器技术、语音处理和音像技术、网络技术、并行处理技术和高性能计算机系统等不同功能、不同层次的具有相当规模的子系统所构成的大型综合集成环境。所以，虚拟现实技术是综合性极强的高新信息技术。虚拟现实技术具备以下三个方面的特性。
1．沉浸性
虚拟现实技术是根据人类的视觉、听觉的生理心理特征，由计算机产生逼真的三维立体图像，使用者戴上头盔显示器和数据手套等交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。使用者和虚拟环境中的各种对象的相互功能，就如同在现实世界中的一样，一切感觉都是那么逼真，有一种身临其境的感觉。
2．交互性
虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且能够通过非凡头盔、数据手套等传感设备进行交互。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。
3．多感知性
由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而达到身临其境的感受。
三、虚拟现实技术在土木工程中的应用
1．虚拟现实技术在土木工程中的应用前景
在土木工程中，长期以来人们不得不用抽象的概念表示非常丰富的内容，如用平面图、剖面图、立面图等平面图形成一些规定的符号来表示三维的立体建筑，用比较抽象的图形和精练的语言来描述复杂的场景，以传递大量的信息。但这一种信息处理和传递方式受到信息接受者所从事的职业、知识结构及理解能力的影响，交流起来非常困难。
VR技术的发展为我们克服这一困难提供了极其有效的手段。用虚拟现实既能表示真实的世界，也可以表示虚拟的世界。表示真实世界时，可以突破物理空间和时间的约束，做到能“超越现实”；在表示虚拟世界时，又能使其中的虚拟物体表示出三维逼真感，以达到身临其境的感受，最后形成一种“人能沉浸其中、超越其上、进出自如、交互功能的三维信息空间”。VR技术为用户提供了一种新型的人机接口，它利用计算机生成交互式三维环境，不仅使参和者能够感受到景物或模型的逼真存在，并且对参和者的运动和操作做出实时准确的响应。
2．虚拟现实技术在土木工程中的应用领域
由于具有上述的优势特征，虚拟现实技术在土木工程中得到了广泛的应用，并且具有广阔的应用前景。现阶段，虚拟现实技术在土木工程中的应用主要有以下几个方面[2。
（1）在虚拟施工过程和施工结构计算中的应用[3
在实际工程施工中，复杂结构施工方案设计和施工结构计算是一个难度较大的新问题，前者难点关键就在于施工现场的结构构件及机械设备间的空间关系的表达；后者在于施工结构在施工状态和荷载下的变形大于就位以后或结构成型以后。
基于虚拟现实的复杂结构施工方案设计是指利用虚拟现实技术，在虚拟的环境中，建立四周场景、结构构件及机械设备等的三维CAD模型（虚拟模型），形成基于计算机的具有一定功能的仿真系统，让系统中的模型具有动态性能，并对系统中的模型进行虚拟装配，根据虚拟装配的结果，在人机交互的可视化环境中对施工方案进行修改。复杂结构施工涉及的因素较多，起重机的布置位置、高度，缆风绳着力点的选择，构件堆场的位置，起重机的开行路线，构件起吊路线等，都是施工方案设计必须考虑的新问题。若对这些新问题考虑得不够，则工程施工的进度、成本等都会受到影响，甚至导致平安事故的发生。
建筑结构施工前往往要对施工方案进行受力状态复核。如在大跨空间结构施工中，不仅要考虑施工过程的平安性、可行性，还要考虑结构本身在施工过程中平安性、可靠性。某展览中心，钢结构屋盖支承在钢桅杆上，桅杆两端为锥形，和下部混凝土结构铰结。为了减小钢桁架的变形，更为了维持结构的稳定，在钢屋盖桅杆和混凝土之间，采用了一系列的斜拉索(前索、背索、稳定索)和撑杆，形成一个稳定的结构体系。在钢结构的施工中，不同的支撑方案、不同的拼接方案，在结构的不同部位会引起不同的效应，而随着连接杆件的安装，这些施工阶段的应力将残余在结构部位上，并影响到最终的结构受力平安性；并在结构就位过程中，有可能失稳和变形。这就需要进行施工过程的精确分析。用虚拟现实技术可以对不同的方案，在短时间内做大量的分析，从而保证施工方案最优化。
（2）在工程项目招标投标中的应用
建筑业是我国的支柱产业，建筑市场的过度竞争已是长期的事实。现代建筑工程项目的运作，业主处于绝对有利的地位。在有限的时间内，如何使业主和评标的专家很好地了解招投标文件的编制和被认可的程度直接关系到承包商有没有中标的机会。因此，承包商在注重投标文件的技术可行、报价合理的同时，也非常注重投标文件的包装。尤其是大型工程、国家重点工程和国际工程的招标投标，往往在项目企划阶段就已经开始这方面的运作[4。
借助虚拟仿真系统，把不能预演的施工过程和方法表现出来，不仅节省了时间和建设投资，而且不用项目经理的现场答辩，方案的优劣就一目了然。这无疑大大增加了承包商中标的几率。
（3）在可视化计算领域的应用
可视化计算将是今后一个重要的发展方向。在科研中，人们会碰到大量数据，为从中得出有价值的规律和结论，需要对庞大的数据量进行认真分析。对科学计算取得的数据进行可视化加工或三维图形显示，可通过交互改变参数来观察计算结果的全貌及其变化，实现参数化及可视化计算，虚拟现实技术产生了飞跃式的发展。
在运用有限元法进行结构分析时，利用虚拟现实技术则可以通过颜色的深浅给出三维物体中各点力的大小，用不同颜色表示出不同的等力面；也可以任意变换角度，从任何点去观察。还可以利用VR的交互性能，实时修改各种数据，以便对各种方案及结果进行比较。这样就使工程师的思维更加形象化，概念更易于理解。把可视化计算技术应用于超大型复杂结构的设计、工程控制和结构分析中，将增强计算软件的前后置处理能力。例如，在桥梁工程控制和结构分析的可视化计算中，倒退(拆)分析结构倒拆动态演示、结构理想施工线型显示、施工阶段主梁形心线的设计曲线和实测拟合曲线的显示、前进分桥结构拼装动态演示、施工预告图形显示、主梁内力图显示、危险截面应力分布图显示等等。更重要的是能借助图形或图像来进行实时动态地控制结构的重分析和获取施工控制数据，同时能实时动态演示和控制设计和施工的过程。
四、结语
虚拟现实技术在不断发展，专用于计算机图形和多媒体信息处理的高性能DSP芯片可使处理能力提高上百倍，三维图形算法和参数化建模算法等可使虚拟现实技术更加成熟。目前，虚拟现实技术还有很多不完善的地方，尤其在土木工程的探究方面，我们应努力建设虚拟现实技术实验室，开发有价值的虚拟现实工程系统，使其在工程设计、施工、管理和可视化计算等方面得到更广泛的应用。
参考文献
[1张跃．土木工程中的虚拟现实技术[N．科技日报．1997年6月23日．
[2沈金良．虚拟现实技术在工程设计中的应用[J．科技交流，2004，(3)．
1.1系统结构
计算机实验机房中硬件虚拟技术为学生仿真学习提供了虚拟的环境，整个系统包括三个方面：虚拟元器件库、设备库、实验单元和管理维护模块。虚拟实验平台主要作用是为用户提供网络访问的服务，因此，学生在进行硬件虚拟实践的时候就是通过这个平台进入程序，然后进行编辑、设计等等操作。
1.2虚拟实验平台设计其主要的类别有：
（1）虚拟器件类。想要对IC元件的主要功能进行有效的模拟，需要通过虚拟器件来完成。
（2）虚拟仪表类。仿真模拟的对象主要是虚拟实验中的仪器和仪表灯等，例如探测器等。
（3）虚拟面包板类。模拟面包板的各种功能，面包板上的数据连接和信号传播主要是通过虚拟引脚来实现的。
（4）虚拟实验台类。对虚拟的实验平台进行模拟，实验平台的作用主要是管理各种仪表和虚拟系统。
1.3系统功能计算机虚拟硬件实验的平台可以实现用户虚拟的网络操作，系统主要的功能有：
（1）将电路进行仿真性的设计。硬件虚拟技术在计算机实验机房中的应用文/周琳随着时代的不断发展，计算机越来越多的被运用到我们的生活当中来，在对于计算机的学习过程中，虚拟实验对教学有着非常重要的作用，可以让学院的理论与实践进行有效的结合。而教学中的仿真设计以及模拟设计实现了计算机的远程教学。摘要上的人际接口为计算机的模拟提供了实验教材，可以让计算机的硬件设计得以实现，同时虚拟实验中的数字示波器和探测棒等等可以接触一些错误操作，为进行实验的人员提供了良好的配备。
（2）自动捕获能力。系统中，为鼠标设计的捕获功能在编译的时候，能够让实验者的连线工作更加的便捷。比如在选择IC芯片时，将鼠标移动在所在的位置，然后在系统的自动操作下将IC芯片自动调到背景网格中，位置对准后，就能够获得正确的地址。
（3）复原与清除功能。复原功能是让错误的操作恢复到上面一部程序；而清除的主要功能是利用鼠标对错误的工作组建进行删除和销毁。
2硬件环境下实现虚拟计算机
2.1元器件之间的连接
在虚拟元器件中不同器件之间是需要进行连接的，而这个工作主要是通过引脚来完成的，连线工作的存在是独立的，而且是一个整体，形式主要是Active控件，在虚拟实验中，信号的传递也是依赖于连线工作，而它又受制于连线的点和线，这样才能实现连线工作的有效运行。对于一对一的连线形式，在Sender函数的作用下，能够控制信号的接收和发送，整个过程中不会产生信号的冲突。但是对接的连线有很多种类型，每一种类型所发出的信号也都不一样，而系统的抗干扰能力又非常的有限，因此，在传送信号的时候会产生冲突。虚拟实验可以对各种不同的信号以及信号源之间进行对应的逻辑处理，将多种对接类型的连线转化为一一对接的类型。
2.2虚拟实验过程中信号的控制
数字信号在计算机硬件虚拟实验电路中，被视为一般的数据处理对象，然后对虚拟元件和电路关系进行分析。在虚拟机实验系统中，虚拟连线是信号传递的介质，经常会出现电路触发，它的表现为虚拟元件内部的关系产生变化，导致引脚值随之改变，从而最终引起信号的连接值发生改变，这一过程主要是通过Sender的方式来完成。
3虚拟实验室的并行处理技术
3.1CHSVL仿真运行模块
虚拟机的实现平台是CHSBL，同时它由四个模块组成，有虚拟机仿真运行模块、编译模块、信号输出模块和引脚模块。虚拟机系统能够进行仿真运行，需要靠这四个模块的相互作用才能完成。而想要保证虚拟实验正常运行不受环境的影响，需要实现系统的数据监测、编译和输出的共同操作。
3.2多缓冲区、多线程技术
虚拟机可以利用数据缓冲对不同的模块进行同时控制，让每个不同的模块同步运行，系统中占用时间最长的是虚拟机仿真运行模块。但是虚拟机中运用了缓存机制，四个模块都进入到同一个缓存区进行缓存，从而实现了不同模块的同步运行，也实现了线程对四个模块的同步控制。
4结束语
[关键词]信息化；虚拟制造；虚拟企业
为把我国建成不仅是新的世界制造中心，而且是广泛应用先进技术的制造强国，国家对制造企业提出了宏伟目标，即要求国内骨干企业尽快着手信息化工作，2010年到2015年大中型企业要达到国际先进的信息化制造水平。实际上，信息化不仅是政策的约束，更是市场的驱使，随着市场经济全球化的进程，信息化制造将成为现代制造企业追求的重要目标之一。
一、信息化制造与虚拟技术
什么才是信息化制造？信息化制造是以虚拟制造和大规模定制生产为标准的，只有基本上实现了从产品设计、开发、生产制造和流通以至产品全生命周期的信息化，才算真正完成信息化工作，在此基础上的先进制造模式和信息化内容才能叫做信息化制造。
随着计算机、自动化及网络技术在制造系统中的应用，信息技术对制造技术发展的作用目前已占到第一位。产品制造过程中的信息投入，己成为决定产品成本的主要因素。信息技术使现代制造的技术含量提高，使传统制造技术发生质的变化。信息技术也促进着设计技术的现代化，加工制造的精密化、快速化，自动化技术的柔性化、智能化，整个制造过程的网络化、全球化。
制造业要在竞争激烈的全球市场求得生存与发展，必须能够更好地满足市场所提出的TQCS要求，即要以最短的产品开发周期(Time)、最优质的产品质量（Quality）、最低廉的制造成本（Cost）和最好的技术支持与售后服务（Service）来赢得市场与用户。为了提高竞争能力，企业应当能够对市场需求的变化做出快速敏捷的反应，并及时地对自身的生产做出合理的调整与重新规划。面对不可预测、持续发展、快速多变的市场需求，企业的生产活动必须具有高度的柔性。计算机软硬件技术及网络技术的迅速发展为实现这一目标提供了强有力的支持。
基于这些因素，概念设计、并行工程、智能制造、敏捷制造等多种有关先进制造技术的新思想、新概念相继诞生。虚拟制造（VirtualManufacture）就是其中之一，它代表了一种全新的制造体系和模式。在虚拟制造中，产品开发是基于数字化的虚拟产品开发VPD方式（VirtualProductDevelopment），以用户的需求为第一驱动，并将用户需求转化为最终产品的各种功能特征。VPD保证了产品开发的效率和质量，提高了企业的快速响应和市场开拓能力。
虚拟技术在先进制造技术中的应用主要包括虚拟制造和虚拟企业两个部分。
1．虚拟制造(VM)是在产品设计阶段实时地、并行地模拟产品未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产品的可制造性、产品的成本等，从而更有效地、柔性灵活地组织生产，并使新产品开发一次获得成功，目的是尽量降低产品的成本，缩短产品的开发周期，提高产品的质量和寿命，快速有效地响应瞬息万变的市场。
虚拟制造实际上是一种计算机科学技术，以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术为支柱，在产品设计或制造系统的物理实现之前，就能使人体会到或感觉到未来产品的性能或者制造系统的状态，从而可以做出前瞻性的决策与优化实施方案。从本质上讲虚拟制造技术是对真实制造过程的动态模拟、仿真，是在计算机上制造数字化产品，经过模拟仿真对产品外形设计、布局设计、加工及装配过程达到优化产品的设计及工艺过程、优化制造环境配置和生产供给计划、优化制造过程并改进制造系统的目的，用来改善各个层次的决策和控制。虚拟制造从根本上改变了设计、试制、修改设计、规模生产的传统制造模式。在产品真正制出之前，在虚拟制造环境中生成软产品原型代替传统的硬样品进行试验，对其性能和可制造性进行预测和评价，从而缩短产品的设计与制造周期，降低产品的开发成本，提高系统快速响应市场变化的能力。
2．虚拟企业是为了快速响应某一市场需求，将产品涉及到的不同企业临时组建成为一个没有围墙、超越空间约束、靠计算机网络联系、统一协调的合作经济实体。虚拟企业的特点是企业的功能上不完整、地域上分散和组织结构上非永久性，它是实现敏捷制造的有效手段。由于市场的全球化，企业必须不断创新产品及优化制造过程，快速响应客户要求，才能取得竞争上的优势。同时，企业不可能也不必做每一件事、每一个部件和每一个制造过程，而必须寻找合适的合作伙伴。其最终目标是利用不同地区的现有生产资源，把它们迅速组合成一种没有界限的、靠电子手段联系的经营实体，以便快速推出高质量、低成本的新产品。
由于国内外市场竞争日益加剧，科学技术发展迅速，产品更新换代速度加快及人们对产品多样化的需求增加，使得机械制造业向多品种小批量生产方式发展。因此，缩短产品开发周期成为决定制造业竞争力的首要因素。而虚拟制造技术被认为是加速新产品开发的有效手段，它能很好地解决制造业的TQCS难题，虚拟制造技术对制造业将是一次新的革命，它的广泛应用意义是深远的。
二、市场化与虚拟制造技术应用
制造业是我国国民经济的支柱产业，它一方面创造价值，生产物质财富和新的知识，另一方面为国民经济各个部门包括国防和科学技术的进步与发展提供先进的手段和装备。在我国的经济腾飞中，制造业功不可没。但是，随着计划经济体制向市场经济体制转变，我国制造企业的弊端日益显露出来。
我国制造业目前存在的五大难题：
1．产品质量不稳定，水平低下，主要机械产品中达到当代世界先进水平的不到10%；
2．生产集中度低，分散、重复严重，缺乏协作；
3．科技基础薄弱，自主研发创新能力差；
4．企业装备陈旧，生产工艺落后，精密、高效、数控设备不足10%；
5．人才培养后继乏力；加之企业基础管理薄弱，缺乏现代生产管理意识，在市场经济新形势下显得十分被动。
虚拟制造在工业发达国家，如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究和应用。在这一领域，美国处于国际研究的前沿。福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司在新型汽车的开发中已经大量应用虚拟制造技术，大大缩短了产品的时间；波音公司设计的777型大型客机是世界上首架以三维无纸化方式设计出的飞机，它的设计成功已经成为虚拟制造从理论研究转向实用化的一个里程碑。
虚拟制造(VM)作为一种哲理、一种制造策略为制造业的发展指明了方向。它可以全面改进企业的组织管理工作，提高企业整体运作及全面最优决策的效能和市场竞争力。实施虚拟制造可以打破传统的地域、时域的限制，通过Internet实现资源共享，变分散为集中，可实现异地设计、异地制造，从而使产品开发能以快速、优质、低耗响应市场变化。通过分析设计的可制造性，利用有效的工具和加工方法来支持生产，可以大大提高产品的质量和稳定性。企业不再需要投入大量的设备和仪器，从而避免了不必要的设备闲置，可充分利用其他企业的先进设备和仪器进行生产，能很好地解决一些中小企业资金短缺的难题。
但在实施虚拟制造技术过程中，虽然国家对制造业十分重视，但由于我国当前正处于体制改革过程中，多种机制并行，在资金使用时较难协调，国家也难以投入重金支持虚拟制造技术研究。应用人才短缺，企业的整体认识不统一，就是现有的科研成果都难以推广应用，因此实现企业信息化制造任重而道远，但这些并不能阻挡它的向前发展。
三、实施虚拟制造应采取的措施
1．高度重视和全面规划。虚拟制造技术与其它的先进制造技术是相互关联、彼此交叉的，其涉及面广、技术难度大，研究及推广应用需要投入大量人力、物力及资金，政府部门应从宏观上加强对虚拟制造技术的指导，同时要使虚拟制造技术与各种先进制造技术相互衔接、协调发展。超级秘书网
2．加强人才培养和培训工作。人是先进制造的主体，没有高素质的人的参与，再好的技术也发挥不了应有的作用。因此，企业领导应有人本思维，采用人机一体的技术路线。企业在培养和引进高层次、高质量研究型、管理型和开发应用型人才的同时，大力普及CAD/CAM技术，及时推行精益生产、并行工程等思想和技术，全面提高企业员工的技术素质。企业与高校应探索人才的联合培养新模式，不断增强科技创新能力。
3．加强关键技术的研究、开发和应用。虚拟制造技术包括软件技术和硬件技术，其中建模技术、计算机仿真技术和虚拟现实技术等是实施虚拟制造的关键技术。我国科研力量分散，建立分布式网络化研究中心，以企业为主体，产学研相结合，重点投资与自身发展有关的关键技术的研究，进行研发和推广是一条值得深入探索的道路。
4．从企业实际出发，分阶段实施。企业要实现虚拟制造，应分阶段逐步实行，要做好全面扎实的基础工作，应加强CAD/CAPP/CAM/NC/FMC/CAE技术的研究和推广应用，在全面实施并行工程的基础上实施虚拟制造。
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