1虛擬現實技術概論及其具備的特征

VR技術浸沒感是依據人們視覺、聽覺的生理特點，通過電腦產生非真的三維圖像世界，只需參與者戴上頭盔顯示器和數據手套等設備，就可以將自己進入虛擬的環境中并成為其中一員。參與者同虛擬環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系統中的人機交互系統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據手套等設備進行交互。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。構想性，又稱“自主性”，強調VR技術要具備廣闊富裕的想象空間，開闊人類的認知視野，虛擬現實技術不僅能再現逼真的環境，也能構想不存在或不能發生的環境。一個完整的VR系統是以虛擬環境處理器———高端計算機、以視覺系統———特殊頭盔、以聽覺系統———語音識別、聲音合成與聲音定位、以身體方位姿態跟蹤設備———方位跟蹤器和數據手套，以及多種感的覺反饋系統等功能構成編輯本段面臨的問題。因為VR系統中裝有視覺系統、聽覺系統、觸覺系統、動覺系統等設備裝置，因此用戶參與者在虛擬的世界環境中可獲得多種感受感知，從而達到真實世界的感覺。

2虛擬現實技術在土木工程中的應用

2.1土木工程中虛擬現實技術應用的前景

以前在土木工程這個行業中，人們只能用很抽象的理論概念來表達很豐富的內容，譬如用平面設計圖、剖面設計圖、立面設計圖等多種平面設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。虛擬現實技術的興起與發展，成為克服這一困難的好助手，提供了極其有效的手段。用VR技術不僅能出現虛擬的世界，而且也能再現真實的世界。再現真實的世界時，它可以突破空間和時間的束縛，真正的做到“超越現實”；而在虛擬的世界時，它又能使虛擬世界環境中的對象表現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、構想性和多感知性的三維信息空間”。虛擬現實技術對參與者來說是一種新型高端的人機接口，這種技術是利用電子計算機來生成的三維立體環境，不僅能使用戶感受到虛擬世界環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。

2.2土木工程中虛擬現實技術應用的領域

在建筑工程施工時，施工的方案設計結構復雜，施工結構計算也很復雜，這兩項在施工中都是大問題，施工的方案設計問題在于建筑施工現場的結構構件和施工機械設備之間關系的表述；施工結構計算的問題在于施工結構在施工狀態下的變形大于建筑結構建成后。虛擬現實技術應用于土木工程的施工方案設計中是指利用VR技術，在虛擬的世界中，建立建筑場景實物、建筑結構的構件和人工接口的機械設備等構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，讓虛擬環境中的模型對象具有動態性能，還可以對虛擬世界環境中的模型進行裝配設備，并依據所操作的裝配結果，在人機交互的虛擬世界環境中對虛擬施工方案進行操作和修改。“建筑施工方案設計結構復雜，其涉及的因素也比較多，如對起重機的位置、高度和纜風繩著力點的選擇、構件放置位置、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生。建筑工程施工前要對施工方案進行受力狀態復核“。比如在建筑物空間跨度大的結構施工中，不僅要考慮到施工過程中的安全和可行，還要考慮建筑結構自身在建筑施工過程中的安全和可行”。某建筑結構，鋼結構屋蓋支承在鋼桅桿上，桅桿兩端為錐形，與下部混凝土結構鉸結。在鋼屋蓋桅桿和混凝土之間采用前索、背索、穩定索和撐桿構成一個穩定的結構體系，來減小鋼桁架的變形。在鋼結構的施工過程中，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。隨著連接桿件的安裝，這些施工階段的應力將殘余在結構部位上，并最終影響結構受力的安全性以致在就位過程中有可能失穩和變形，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化。

建筑行業已成為我國的支柱性產業，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主來說絕對占優勢。在投標的有限時間內，怎樣才能使業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開始著手這方面的運作”。利用虛擬現實技術，把抽象復雜的施工過程和建筑方案逼真的表現出來，這種技術不僅能節約時間和投資，而且也不用項目負責人的現場講述和答辯，通過虛擬逼真系統將投標方案表現的一目了然，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展。在科學研究中，人們要在大量的數據中得出有價值的規律和結論，就必須對這些大量數據量進行整理和分析。最終把科學的數據進行三維立體圖形顯示，并通過交互系統變換參數來觀察計算結果的過程及其全貌，實現可視化計算，實現VR技術飛躍式的發展。“在運用有限元法進行結構分析時，利用VR技術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”。還可以利用虛擬現實技術的交互性能修改各種數據，以便對各種建筑方案和其結果進行比較。如此一來就能使工程師的思維更形象化、概念更容易理解。將復雜的建筑結構設計、結構分析和工程控制通過利用可視化計算技術來提高計算機軟件的處理能力。比如，在橋梁和結構分析時就能借助圖形或圖像實施動態控制結構分析，實施動態演示。還可以進行倒拆動態演示、結構施工線型顯示、分橋結構拼裝動態演示、危險截面應力分布圖顯示、施工階段主梁形心線的設計曲線和實測擬合曲線的顯示、主梁內力圖顯示、施工預告圖形顯示等等。

3虛擬現實技術在土木工程中的作用

虛擬現實技術在城市規化中起著重要作用。例如，每個城市都有自己的近期、中期和遠景規劃。在規劃中需要考慮各個建筑同周圍環境是否和諧相容，新建筑是否同周圍環境的原有的建筑協調，以免造成建筑物建成后，才發現它破壞了城市原有的風格和合理布局。虛擬現實技術應用于建立建筑規劃圖更是一覽無遺。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田，哪些文物將被淹沒，這樣能主動及時解決問題。把虛擬現實技術應用于土木工程中一大優勢是很好的推銷。比如，在建筑工程項目投標時，通過虛擬現實技術把設計好的投標文件方案展現出來，利用VR技術的設備頭盔顯示器把業主帶入虛擬的未來的建筑物里參觀，使業主可逼真的感受到虛擬建筑物門的高度、屋內設計和窗戶朝向以及采光多少等，就如同在現實一般。因此，用VR技術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。虛擬現實技術應用于土木工程中的有一大優勢是節約時間和工程投資。比如，克萊斯勒公司在1988年在設計某兩種新型車上取得的突破就是利用了虛擬現實技術，這項技術第一次使設計的新車直接從計算機屏幕投入生產線，可以說完全省略了試生產這項過程。也正是利用了這項新型高新技術，才使得克萊斯勒公司避免了1500項設計差錯，既節約了工程開發時間和又節省了工程投資費用。“利用VR技術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”。現今VR技術已經成為人類探索客觀世界規律的三大手段之一，與理論分析、科學實驗并排。因此用VR技術來設計新材料，不僅能預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，把虛擬現實技術應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實技術應用于土木工程對土木工程行業是一種突破，具有巨大作用。

4結語

VR技術的發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化建模算法能使VR技術更加成熟。當前，VR技術還存在著許多不足，特別是在建筑領域的研究。要把虛擬現實技術應用到土木工程中，建立VR技術實驗室，開發VR工程系統，使此技術在建筑設計、工程施工和工程管理等方面得到廣泛應用。

本文作者：李金龍 單位：許昌方圓勘測設計有限公司