三维可视虚拟现实技术介绍

  • 三维空间

 

三维可视虚拟现实技术是由“三维”、“可视化”、“虚拟现实”三种技术相结合而构成的新技术集合。

三维：是指在平面二维系中又加入了一个方向向量构成的空间系。一个方向向量的增加，产生了2n（n=方向向量数量）象限和体域。

三维空间（也称为三次元、3D），日常生活中可指由长、宽、高三个维度所构成的空间（三维的欧几里得空间）。非欧几何，相对论，闵可夫斯基时空将时间和空间整体地作为四维的连续统一体进行看待。弦理论则提出更高维的数学模型，例如十维的空间。

而我们所利用的是三维计算机图形（3D Computer Graphics）是计算机和特殊三维软件帮助下创造的作品。一般来讲，该术语可指代创造这些图形的过程，或者三维计算机图形技术的研究领域，及其相关技术。三维计算机图形和二维计算机图形的不同之处在于计算机内存储了几何数据的三维表示，用于计算和绘制最终的二维图像。三维计算机图形准备几何数据的三维建模的艺术和雕塑及照相类似，而二维计算机图形的艺术和绘画相似。二维图形可以看作三维图形的子集。

OpenGL和Direct三维是两个用于产生实时图象的流行的API。（实时表示图象的产生在‘真实的时间’中，或者说‘随时’）。

三维计算机图形的创建过程可分为三个基本阶段：

  • 建模
  • 场景布局
  • 绘制

可视化：可视化尚无一个公认准确的定义，但是简单来讲所谓“可视化”(Visualization)，是指在人通过视觉观察并在头脑中形成客观事物的影像的过程，这是一个心智处理过程。可视化是指通过创建图形、图像或动画等视觉表达形式，帮助构建视觉思维以便交流沟通讯息的任何技术和方法。

“可视化”英文为Visualization，来源于“Visual”，意为“视觉的”、“形象的”。“事实上，将任何抽象的事务、过程变成图形图像的表示都可以称为可视化。”可视化作为一个专门研究领域是与可视化技术的发展紧密联系的。一方面。可视化技术使视觉对象大到宏观的宇宙天体，小到微观的微生物都能得以显现；另一方面，可视化技术的“动态化”、“仿真化”、“虚拟化”不仅让不可视的事物可视化，而且让静态的可视变为动态的可视。

可视化以人们惯于接受图形、图像并辅之以信息处理技术，将被感知、被认知、被想象、被推理、被综合及被抽象了的对象属性及其变化发展的形式和过程，通过形象化、模拟化、仿真化、现实化的技术手段表现出来。

可视化不仅是客观现实的形象再现，也是客观规律、知识和信息的有机融合(可视化技术不仅用来表现静态的知识，同时可用于动态地描述和表达客观对象的发展演化规律以及进行动态知识的获取)。可视化提高了人们对事物的观察能力及整体概念的形成等；可视化结果便于人的记忆和理解，同时其对于信息的处理和表达方式用其他方法无法取代的优势。

可视化做为数据挖掘，信息呈现，知识开发和传播的最关键手段，美国早在90年代初就开始了可视化技术的研究。可视化已经成为了一个新的科学领域，涉及计算机图形学，心理认知学，符号学等很多前沿学科，这些学科在过去的几十年里的快速发展，奠定了可视化的基础。医学和心理学研究表明,人类日常生活中接受的信息80%来自视觉,而50%的脑神经细胞与视觉相联，可视化的目的就是充分利用人类视觉感知，形象思维的能力，通过构建视觉思维加快对信息的消化吸收。

并且，国外企业现在公认的是：可视化管理的实施是一个企业的现场管理水平高低的体现。

而我们这里所谈到的可视化技术，指的是可视化 (计算机图形学)。计算机图形学（Computer Graphics，简称CG）是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。是计算机科学的一个分支领域，主要关注数字合成与操作视觉的图形内容。包含三维图形，二维图形以及图像处理。

科学广义可分为以下几类：

  • 几何：研究面的表示和处理的方法
  • 动画：研究移动的表示和操作方法
  • 图像拟真/渲染：研究模拟光线传递效果的算法
  • 图像：研究图像的获取或是编辑

虚拟现实：虚拟现实(Virtual Reality，简称VR，又译作灵境、幻真)是近年来出现的高新技术，或虚拟实境（Virtual Reality），简称VR技术，也称灵境技术或人工环境，是利用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。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。该技术集成了计算机图形(CG)技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。

虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。

具有三个基本特征：即三个“I”immersion-interaction-imagination（沉浸—交互—构想），它强调了在虚拟系统中的人的主导作用。人能够沉浸到计算机系统所创建的环境中；能够用多种传感器与多维信息的环境发生交互作用；有可能从定性和定量综合集成的环境中得到感知和理性的认识从而深化概念和萌发新意。

特征：                                                               

  • 多感知性（Multi-Sensory）
  • 浸没感（Immersion）
  • 交互性（Interactivity）
  • 构想性（Imagination）

目前应用领域：

  • 石油、电力、煤炭行业多人在线应急演练
  • 市政、交通、消防应急演练
  • 多人多工种协同作业（化身系统、机器人人工智能）
  • 虚拟制造/虚拟设计/虚拟装配（CAD/CAM/CAE）
  • 模拟驾驶、训练、演示、教学、培训等
  • 军事模拟、指挥、虚拟战场、电子对抗
  • 地形地貌、地理信息系统（GIS）
  • 生物工程（基因/遗传/分子结构研究）
  • 虚拟医学工程（虚拟手术/解剖/医学分析）
  • 建筑视景与城市规划、矿产、石油
  • 航空航天、科学可视化