1虛擬現(xiàn)實技術(shù)概論及其具備的特征

VR技術(shù)浸沒感是依據(jù)人們視覺、聽覺的生理特點，通過電腦產(chǎn)生非真的三維圖像世界，只需參與者戴上頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等設(shè)備，就可以將自己進入虛擬的環(huán)境中并成為其中一員。參與者同虛擬環(huán)境中各種事物的相互作用就好像在真實的世界一般，所有感覺都是那么真切，有一種真實世界的感覺。VR系統(tǒng)中的人機交互系統(tǒng)是一種似乎正常的交互，用戶可以通過鍵盤或鼠標進行交互，也可以通過頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等設(shè)備進行交互。使用者通過自身的語言、身體運動或動作等自然技能，就能對虛擬世界中的對象進行操作或測察。構(gòu)想性，又稱“自主性”，強調(diào)VR技術(shù)要具備廣闊富裕的想象空間，開闊人類的認知視野，虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅能再現(xiàn)逼真的環(huán)境，也能構(gòu)想不存在或不能發(fā)生的環(huán)境。一個完整的VR系統(tǒng)是以虛擬環(huán)境處理器———高端計算機、以視覺系統(tǒng)———特殊頭盔、以聽覺系統(tǒng)———語音識別、聲音合成與聲音定位、以身體方位姿態(tài)跟蹤設(shè)備———方位跟蹤器和數(shù)據(jù)手套，以及多種感的覺反饋系統(tǒng)等功能構(gòu)成編輯本段面臨的問題。因為VR系統(tǒng)中裝有視覺系統(tǒng)、聽覺系統(tǒng)、觸覺系統(tǒng)、動覺系統(tǒng)等設(shè)備裝置，因此用戶參與者在虛擬的世界環(huán)境中可獲得多種感受感知，從而達到真實世界的感覺。

2虛擬現(xiàn)實技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用

2.1土木工程中虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用的前景

以前在土木工程這個行業(yè)中，人們只能用很抽象的理論概念來表達很豐富的內(nèi)容，譬如用平面設(shè)計圖、剖面設(shè)計圖、立面設(shè)計圖等多種平面設(shè)計圖來形成一些特定的符號，表示出三維圖像的立體建筑，并用抽象的圖形和精練的語言作為輔助來描述要建造的建筑物以傳遞信息。但是這種傳遞方式對信息接受者來說會受到限制，因為每個接受者所從事的工作、知識水平的高低以及理解能力的是不同的，這樣就會很難交流，就無法傳遞原本想要傳遞的信息。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的興起與發(fā)展，成為克服這一困難的好助手，提供了極其有效的手段。用VR技術(shù)不僅能出現(xiàn)虛擬的世界，而且也能再現(xiàn)真實的世界。再現(xiàn)真實的世界時，它可以突破空間和時間的束縛，真正的做到“超越現(xiàn)實”；而在虛擬的世界時，它又能使虛擬世界環(huán)境中的對象表現(xiàn)出逼真的三維立體圖像，使人感到一種身臨其境的感覺，最后形成一種“浸沒感、交互性、構(gòu)想性和多感知性的三維信息空間”。虛擬現(xiàn)實技術(shù)對參與者來說是一種新型高端的人機接口，這種技術(shù)是利用電子計算機來生成的三維立體環(huán)境，不僅能使用戶感受到虛擬世界環(huán)境中對象的逼真存在，而且也能使用戶在虛擬世界中的運動和操作及時做出準確的反應(yīng)。

2.2土木工程中虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域

在建筑工程施工時，施工的方案設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工結(jié)構(gòu)計算也很復(fù)雜，這兩項在施工中都是大問題，施工的方案設(shè)計問題在于建筑施工現(xiàn)場的結(jié)構(gòu)構(gòu)件和施工機械設(shè)備之間關(guān)系的表述；施工結(jié)構(gòu)計算的問題在于施工結(jié)構(gòu)在施工狀態(tài)下的變形大于建筑結(jié)構(gòu)建成后。虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于土木工程的施工方案設(shè)計中是指利用VR技術(shù)，在虛擬的世界中，建立建筑場景實物、建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)件和人工接口的機械設(shè)備等構(gòu)成的的三維立體模型，其形成還基于計算機各種功能的仿真系統(tǒng)，讓虛擬環(huán)境中的模型對象具有動態(tài)性能，還可以對虛擬世界環(huán)境中的模型進行裝配設(shè)備，并依據(jù)所操作的裝配結(jié)果，在人機交互的虛擬世界環(huán)境中對虛擬施工方案進行操作和修改。“建筑施工方案設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其涉及的因素也比較多，如對起重機的位置、高度和纜風(fēng)繩著力點的選擇、構(gòu)件放置位置、起重機開行路線及起吊路線等都是建筑施工方案設(shè)計必須考慮的問題”。如果對以上因素考慮不周，那么整個建筑工程的施工進度和成本都會受到嚴重影響，甚至還會造成安全事故的發(fā)生。建筑工程施工前要對施工方案進行受力狀態(tài)復(fù)核“。比如在建筑物空間跨度大的結(jié)構(gòu)施工中，不僅要考慮到施工過程中的安全和可行，還要考慮建筑結(jié)構(gòu)自身在建筑施工過程中的安全和可行”。某建筑結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋支承在鋼桅桿上，桅桿兩端為錐形，與下部混凝土結(jié)構(gòu)鉸結(jié)。在鋼屋蓋桅桿和混凝土之間采用前索、背索、穩(wěn)定索和撐桿構(gòu)成一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系，來減小鋼桁架的變形。在鋼結(jié)構(gòu)的施工過程中，不同的支撐方案、拼接方案，在不同的部位就會引起不同的效應(yīng)。隨著連接桿件的安裝，這些施工階段的應(yīng)力將殘余在結(jié)構(gòu)部位上，并最終影響結(jié)構(gòu)受力的安全性以致在就位過程中有可能失穩(wěn)和變形，這就需要進行施工過程的精確分析。如果采用VR技術(shù)就可以對不同的方案做出大量的分析，從而保證施工方案的最優(yōu)化。

建筑行業(yè)已成為我國的支柱性產(chǎn)業(yè)，長期以來建筑市場的競爭過度。如今建筑工程項目的運作對業(yè)主來說絕對占優(yōu)勢。在投標的有限時間內(nèi)，怎樣才能使業(yè)主和評標專家清楚地了解招標投標文件的編制，以及被認可程度的高低，這關(guān)系到承包商最終能不能中標。為此，承包商不僅注重投標方案技術(shù)的可行性和報價合理性的同時，而且也非常注重投標方案的包裝。“特別是國際工程、國家重點工程和大型工程的招標投標，常常在項目企劃時期就已經(jīng)開始著手這方面的運作”。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，把抽象復(fù)雜的施工過程和建筑方案逼真的表現(xiàn)出來，這種技術(shù)不僅能節(jié)約時間和投資，而且也不用項目負責(zé)人的現(xiàn)場講述和答辯，通過虛擬逼真系統(tǒng)將投標方案表現(xiàn)的一目了然，這對承包商中標的幾率必然大大增加。

今后可視化計算將是個重要的發(fā)展。在科學(xué)研究中，人們要在大量的數(shù)據(jù)中得出有價值的規(guī)律和結(jié)論，就必須對這些大量數(shù)據(jù)量進行整理和分析。最終把科學(xué)的數(shù)據(jù)進行三維立體圖形顯示，并通過交互系統(tǒng)變換參數(shù)來觀察計算結(jié)果的過程及其全貌，實現(xiàn)可視化計算，實現(xiàn)VR技術(shù)飛躍式的發(fā)展。“在運用有限元法進行結(jié)構(gòu)分析時，利用VR技術(shù)可以通過用不同的顏色來表示三維物體中各點力的大小；也可以隨意變換角度，從個個點去觀察”。還可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的交互性能修改各種數(shù)據(jù)，以便對各種建筑方案和其結(jié)果進行比較。如此一來就能使工程師的思維更形象化、概念更容易理解。將復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析和工程控制通過利用可視化計算技術(shù)來提高計算機軟件的處理能力。比如，在橋梁和結(jié)構(gòu)分析時就能借助圖形或圖像實施動態(tài)控制結(jié)構(gòu)分析，實施動態(tài)演示。還可以進行倒拆動態(tài)演示、結(jié)構(gòu)施工線型顯示、分橋結(jié)構(gòu)拼裝動態(tài)演示、危險截面應(yīng)力分布圖顯示、施工階段主梁形心線的設(shè)計曲線和實測擬合曲線的顯示、主梁內(nèi)力圖顯示、施工預(yù)告圖形顯示等等。

3虛擬現(xiàn)實技術(shù)在土木工程中的作用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在城市規(guī)化中起著重要作用。例如，每個城市都有自己的近期、中期和遠景規(guī)劃。在規(guī)劃中需要考慮各個建筑同周圍環(huán)境是否和諧相容，新建筑是否同周圍環(huán)境的原有的建筑協(xié)調(diào)，以免造成建筑物建成后，才發(fā)現(xiàn)它破壞了城市原有的風(fēng)格和合理布局。虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于建立建筑規(guī)劃圖更是一覽無遺。譬如建立起的三峽水庫模型，便可在水庫建成之前，直觀地看到建成后的壯觀景象。蓄水后將最先淹沒那些村莊和農(nóng)田，哪些文物將被淹沒，這樣能主動及時解決問題。把虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于土木工程中一大優(yōu)勢是很好的推銷。比如，在建筑工程項目投標時，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)把設(shè)計好的投標文件方案展現(xiàn)出來，利用VR技術(shù)的設(shè)備頭盔顯示器把業(yè)主帶入虛擬的未來的建筑物里參觀，使業(yè)主可逼真的感受到虛擬建筑物門的高度、屋內(nèi)設(shè)計和窗戶朝向以及采光多少等，就如同在現(xiàn)實一般。因此，用VR技術(shù)展示這些建筑裝飾比用枯燥的文字和簡單的圖片宣傳更有吸引力。虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于土木工程中的有一大優(yōu)勢是節(jié)約時間和工程投資。比如，克萊斯勒公司在1988年在設(shè)計某兩種新型車上取得的突破就是利用了虛擬現(xiàn)實技術(shù)，這項技術(shù)第一次使設(shè)計的新車直接從計算機屏幕投入生產(chǎn)線，可以說完全省略了試生產(chǎn)這項過程。也正是利用了這項新型高新技術(shù)，才使得克萊斯勒公司避免了1500項設(shè)計差錯，既節(jié)約了工程開發(fā)時間和又節(jié)省了工程投資費用。“利用VR技術(shù)還可以進行汽車沖撞試驗，不必使用真的汽車便可以顯示出在不同條件下沖撞后的后果”。現(xiàn)今VR技術(shù)已經(jīng)成為人類探索客觀世界規(guī)律的三大手段之一，與理論分析、科學(xué)實驗并排。因此用VR技術(shù)來設(shè)計新材料，不僅能預(yù)先了解改變成分對新材料的影響，而且還能在新材料沒有出來前就預(yù)先了解到用這種材料制造出來的零件在不同受力情況下是如何損壞的。因此，把虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于土木工程建筑必然是一種新的嘗試，以上例證說明虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于土木工程對土木工程行業(yè)是一種突破，具有巨大作用。

4結(jié)語

VR技術(shù)的發(fā)展還需要計算機圖形和多媒體信息處理的高性能使其處理能力上升百倍，而三維圖形算法和參數(shù)化建模算法能使VR技術(shù)更加成熟。當(dāng)前，VR技術(shù)還存在著許多不足，特別是在建筑領(lǐng)域的研究。要把虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到土木工程中，建立VR技術(shù)實驗室，開發(fā)VR工程系統(tǒng)，使此技術(shù)在建筑設(shè)計、工程施工和工程管理等方面得到廣泛應(yīng)用。

本文作者：李金龍 單位：許昌方圓勘測設(shè)計有限公司