文档介绍：土木工程中的虚拟现实技术
来源: 清华大学土木工程系作者: 张跃张丛哲
1 引言
我国是一个发展中的国家,有大量繁重的基本建设任务。人口城市化已成为不可逆的总趋势,而人口城市化的比例已成为衡量一个的一个重要指标。%左右; 估计到2000年,全国城市将发展到580个左右,城市人口可达到33%。据统计资料,一个发展中国家的城市人口达到30%左右时,整个国家的经济会有一个飞跃。依据这个规律,我国在本世纪末将会出现国民经济的大飞跃,预计到2020年,全国城市将会发展到1100个左右,城市人口可达到50%。考虑到我国的总人数和四化建设的规模,应该说我们正从事的是世界上最大规模的基本建设,而且正处在一个经济大飞跃的前夕。这种发展将为土木工程各学科提供优良的发展环境。这一优势,甚至西方国家目前也不具备。这一大好形势为我国土木工程科技工作者提供了空前难得的向冲击的良好机遇,同时,如何把握住世纪之交时土木工程学科的发展趋势,开创土木工程学科的新纪元,是对我们这些跨世纪一代人的严峻挑战。
在上述形势下,开创土木工程高新技术的信息化与集成环境的新纪元的研究与技术竞争已经开始,谁先成功地掌握和运用土木工程高新技术的信息化与集成环境技术,谁就能在国民经济支柱产业——建筑业的国际竞争和土木工程学科的发展中取得优势。作为土木工程科技工作者,我们深受这一大好形势的鼓舞,非常强烈地感受到了信息时代对各个学科、特别是对土木工程学科发展所带来的迅猛冲击。感到与其被动地等待信息革命的浪潮扑来,不如因势利导、冲在信息革命浪潮的风口浪尖上,积极主动地推动中国土木工程的信息化与集成化。我们应当抓住当前这一大好时机,组织全国的科研力量,投入人力和物力,研究与开发土木工程的高新技术,以促进我国土木工程学科和建筑业的发展。我们在这里介绍的虚拟现实技术就是土木工程高新技术的其中之一。
虚拟现实(Virtual Reality-VR),有时也称为灵境,是一种可以创建和体验虚拟世界(Virtual World)的计算机系统。虚拟世界是全体虚拟环境(Virtual Environment)或给定仿真对象的全体。虚拟环境是由计算机生成的,通过视、听、触觉等作用于用户,使之产生身临其境的感觉的交互式视景仿真,因而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,在军事、医学、设计、艺术、娱乐等很多领域都得到了广泛的应用。
正是由于对身临其境的真实感和对超越现实的虚拟性的追求,以及建立个人能够沉浸其中,超越其上进出自如交互作用的多维信息系统推动了虚拟现实技术在土木工程中的发展与应用。土木工程中的虚拟现实技术涉及土木工程的各个学科,已显示出一定的实用性,而且技术潜力巨大,应用前景十分广阔。
2 虚拟现实技术在仿真与建模中的应用
传统的仿真与建模
仿真(Simulation)是通过对系统模型的实验去研究一个存在的或设计中的系统。这里的系统包括技术系统,如土木、电气、机械、机电、水力、声学、热学等,也包括社会、经济、生态、生物和管理系统等非技术系统。仿真技术的实质也就是进行建模、实验。现代仿真技术的发展是与控制工程、系统工程及计算机技术的发展密切相关联的。控制工程和系统工程的发展促进了仿真技术的广泛应用,而计算机出现及计算技术的发展,则为仿真提供了强有力的手段和工具。因此,计算机仿真在仿真中占有越来越重要的地位。
仿真技术得以发展的主要原因是它带来了重大的社会和经济效益。系统仿真的应用大致可分为:对已有系统进行分析时采用仿真技术;对尚未有的系统进行设计时采用仿真技术;在系统运行时,利用仿真模型作为观测器,给用户提供有关系统过去的、现在的、甚至是未来的信息,以便用户实时作出正确的决策;在系统运行前,利用仿真模型作为预测器,向用户提供系统运行起来后,可能产生什么现象,以便用户修订计划或决策;利用仿真模型作为训练器,训练系统操纵人员或管理人员。对于工程领域仿真技术可以降低系统的研制成本,可以提高系统实验、调试和训练过程的安全性;对于非工程领域,仿真技术作为研究系统的必要手段,可以尽可能地避免直接实验。
建立模型(建模)是仿真的第一步,也是十分重要的一步。传统仿真技术中,一个仿真系统要首先建立起系统的数学模型——一次仿真模型,然后再改写成适合计算机处理的形式—仿真模型。仿真模型可以说是系统的二次近似模型。建立起仿真模型后,才能书写相应的程序。
仿真基本上是一种通过实验来