虛擬現實與人工智能技術圖片一、虛擬現實與人工智能定義及特點（一）

虛擬現實的特征及關鍵技術

虛擬現實技術是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它利用計算機生成一種模擬環境。是一種多源信息融合的交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真，能夠使用戶沉浸到該環境中。

虛擬現實是一種環境，是高度現實化的虛幻。在其應用的領域中，為能達到虛擬現實這種環境而綜合運用計算機圖形學、圖像處理與模式識別、計算機視覺、計算機網絡／通信技術、語音處理與音響技術、心理／生理學、感知／認知科學、多傳感器技術、人工智能技術以及高度并行的實時計算技術等多方面技術，營造出一個虛擬環境（VirtualEnvironment）。這些技術統稱為虛擬現實技術。1．虛擬現實的特征

（1）多感知性指除一般計算機所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至還包括味覺、嗅覺、感知等。理想的虛擬現實應該具有一切人所具有的感知功能。

（2）存在感指用戶感到作為主角存在丁模擬環境中的真實程度。理想的模擬環境應該達到使用戶難辨真假的程度。

（3）交互性指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度。

（4）自主性指虛擬環境中的物體依據現實世界物理運動定律動作的程度。2．虛擬現實的關鍵技術

虛擬現實是多種技術的綜合，包括實時三維計算機圖形技術，廣角（寬視野）立體顯示技術，對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術，以及觸覺/力覺反饋、立體聲、網絡傳輸、語音輸入輸出技術等。

（1）實時三維計算機圖形相比較而言，利用計算機模型產生圖形圖像并不是太難的事情。如果有足夠準確的模型，又有足夠的時間，我們就可以生成不同光照條件下各種物體的精確圖像，但是這里的關鍵是實時。例如在飛行模擬系統中，圖像的刷新相當重要，同時對圖像質量的要求也很高，再加上非常復雜的虛擬環境，問題就變得相當困難。

（2）顯示

在VR系統中，雙目立體視覺起了很大作用。用戶的兩只眼睛看到的不同圖像是分別產生的，顯示在不同的顯示器上。有的系統采用單個顯示器，但用戶帶上特殊的眼鏡后，一只眼睛只能看到奇數幀圖像，另一只眼睛只能看到偶數幀圖像，奇、偶幀之間的不同也就是視差就產生了立體感。

在用戶與計算機的交互中，鍵盤和鼠標是目前最常用的工具，但對于三維空間來說，它們都不太適合。在三維空間中因為有六個自由度，我們很難找出比較直觀的辦法把鼠標的平面運動映射成三維空間的任意運動。現在，已經有一些設備可以提供六個自由度，如3Space數字化儀和SpaceBall空間球等。另外一些性能比較優異的設備是數據手套和數據衣。

（3）聲音

人能夠很好地判定聲源的方向。在水平方向上，我們靠聲音的相位差及強度的差別來確定聲音的方向，因為聲音到達兩只耳朵的時間或距離有所不同。常見的立體聲效果就是靠左右耳聽到在不同位置錄制的不同聲音來實現的，所以會有一種方向感。現實生活里，當頭部轉動時，聽到的聲音的方向就會改變。但目前在VR系統中，聲音的方向與用戶頭部的運動無關。

（4）感覺反饋

在一個VR系統中，用戶可以看到一個虛擬的杯子。你可以設法去抓住它，但是你的手沒有真正接觸杯子的感覺，并有可能穿過虛擬杯子的“表面”，而這在現實生活中是不可能的。解決這一問題的常用裝置是在手套內層安裝一些可以振動的觸點來模擬觸覺。

（5）語音

在VR系統中，語音的輸入輸出也很重要。這就要求虛擬環境能聽懂人的語言，并能與人實時交互。而讓計算機識別人的語音是相當困難的，因為語音信號和自然語言信號有其“多邊性”和復雜性。例如，連續語音中詞與詞之間沒有明顯的停頓，同一詞、同一字的發音受前后詞、字的影響，不僅不同人說同一詞會有所不同，就是同一人發音也會受到心理、生理和環境的影響而有所不同。

使用人的自然語言作為計算機輸入目前有兩個問題，首先是效率問題，為便于計算機理解，輸入的語音可能會相當啰嗦。其次是正確性問題，計算機理解語音的方法是對比匹配，而沒有人的智能。虛擬游戲場景虛擬現實技術制作的房產效果圖工業仿真界面虛擬現實技術制作的圓明園復原效果圖（三）

人工智能的特征

人工智能（ArtificialIntelligence）簡稱AI，主要研究如何用人工的方法和技術，使用各種自動化機器或智能機器（主要指計算機）模仿、延伸和擴展人的智能，實現某些機器思維或腦力勞動自動化。

人工智能是那些與人的思維相關的活動，諸如決策、問題求解和學習等的自動化；人工智能是一種計算機能夠思維，使機器具有智力的激動人心的新嘗試；人工智能是研究如何讓計算機做現階段只有人才能做得好的事情；人工智能是那些使知覺、推理和行為成為可能的計算的研究。廣義地講，人工智能是關于人造物的智能行為，而智能行為包括知覺、推理、學習、交流和在復雜環境中的行為。二、

虛擬現實在智能制造中的應用（一）虛擬制造定義及關鍵技術

虛擬制造技術涉及面很廣，如環境構成技術、過程特征抽取、元模型、集成基礎結構的體系結構、制造特征數據集成、多學科交叉功能、決策支持工具、接口技術、虛擬現實技術、建模與仿真技術等。其中后3項是虛擬制造的核心技術。1．建模技術

虛擬制造系統VMS是現實制造系統RMS在虛擬環境下的映射，是RMS的模型化、形式化和計算機化的抽象描述和表示。VMS的建模包括生產模型、產品模型和工藝模型。

（1）生產模型。可歸納為靜態描述和動態描述兩個方面。靜態描述是指系統生產能力和生產特性的描述。動態描述是指在已知系統狀態和需求特性的基礎上預測產品生產的全過程。

（2）產品模型。產品模型是制造過程中，各類實體對象模型的集合。目前產品模型描述的信息有產品結構、產品形狀特征等靜態信息。虛擬制造下的產品模型不再是單一的靜態特征模型，它能通過映射、抽象等方法提取產品實施中各活動所需的模型，包括三維動態模型，干涉檢查，應力分析等。

（3）工藝模型。將工藝參數與影響制造功能的產品設計屬性聯系起來，以反應生產模型與產品模型之間的交互作用。工藝模型必須具備以下功能：計算機工藝仿真、制造數據表、制造規劃、統計模型以及物理和數學模型。三維軟件繪制的產品模型虛擬現實技術制作的模型2．仿真技術

仿真就是應用計算機對復雜的現實系統經過抽象和簡化形成系統模型，然后在分析的基礎上運行此模型，從而得到系統一系列的統計性能。由于仿真是以系統模型為對象的研究方法，不會干擾實際生產系統，同時利用計算機的快速運算能力，仿真可以用很短時間模擬實際生產中需要很長時間的生產周期，因而可以縮短決策時間，避免資金、人力和時間的浪費，并可重復仿真，優化實施方案。

仿真的基本步驟為：研究系統——收集數據、建立系統模型——確定仿真算法、建立仿真模型、運行仿真模型——輸出結果并分析。

產品制造過程仿真，可歸納為制造系統仿真和加工過程仿真。虛擬制造系統中的產品開發涉及到產品建模仿真、設計過程規劃仿真、設計思維過程和設計交互行為仿真等，以便對設計結果進行評價，實現設計過程早期反饋，減少或避免產品設計錯誤。

加工過程仿真，包括切削過程仿真、裝配過程仿真、檢驗過程仿真以及焊接、壓力加工、鑄造仿真等。3．虛擬現實技術VRT

虛擬現實技術是綜合利用計算機圖形系統、各種顯示和控制等接口設備，在計算機上生成可交互的三維環境(稱為虛擬環境)中提供沉浸感覺的技術。虛擬現實系統包括操作者、機器和人機接口3個基本要素。利用VRS可以對真實世界進行動態模擬，通過用戶的交互輸人，并及時按輸出修改虛擬環境，使人產生身臨其境的沉浸感覺。虛擬現實技術是VM的關鍵技術之一。虛擬工廠（二）

虛擬制造的分類

根據虛擬制造應用環境和對象的側重點不同，虛擬制造分為三類：以設計為中心的虛擬制造，以生產為中心的虛擬制造和以控制為中心的虛擬制造。

（1）設計為中心的虛擬制造

為設計者提供產品設計階段所需的制造信息，從而使設計最優。設計部門和制造部門之間在計算機網絡的支持下協同工作，以統一的制造信息模型為基礎，對數字化產品模型進行仿真與分析、優化，從而在設計階段就可以對所設計的零件甚至整機進行加工工藝分析、運動學和動力學分析、可裝配性分析等可制造性分析，以獲得對產品的設計評估與性能預測結果。

（2）生產為中心的虛擬制造

為工藝師提供虛擬的制造車間現場環境和設備，用于分析改進生產計劃和生產工藝，從而實現產品制造過程的最優。在現有的企業資源（如設備、人力、原材料等）的條件下，對產品的可生產性進行分析與評價，對制造資源和環境進行優化組合，通過提供精確的生產成本信息對生產計劃與調度進行合理化決策。

（3）控制為中心的虛擬制造

提供從設計到制造一體化的虛擬環境，對全系統的控制模型及現實加工過程進行仿真，允許評價產品的設計、生產計劃和控制策略。以全局優化和控制為目標，對不同地域的產品設計、產品開發、市場營銷、加工制造等通過網絡加以連接和控制。（三）

虛擬設計與虛擬裝配

虛擬設計就是指在設計階段采用了虛擬現實技術，使設計人員可以隨時看到并修改三維的作品，讓設計人員更專注于產品功能