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  • VR[虚拟现实技术]

    VR(Virtual Reality,即虚拟现实,简称VR),是由美国VPL公司创建人拉尼尔(Jaron Lanier)在20世纪80年代初提出的。其具体内涵是:综合利用计算机图形系统和各种现实及控制等接口设备,在计算机上生成的、可交互的三维环境中提供沉浸感觉的技术。其中,计算机生成的、可交互的三维环境称为虚拟环境(即Virtual Environment,简称VE)。虚拟现实技术实现的载体是虚拟现实仿真平台,即(Virtual Reality Platform,简称VRP)。VR(虚拟现实)技术可广泛的应用于城市规划、室内设计、工业仿真、古迹复原、桥梁道路设计、房地产销售、旅游教学、水利电力、地质灾害、教育培训等众多领域,为其提供切实可行的解决方案。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 虚拟现实 英文名: Virtual Reality
    其他外文名: VR
    创建者: 美国VPL公司 提出: 在20世纪80年代初
    特征: 超文本性、交互性 应用领域: 医学、游戏、影视、教育等

    目录

    技术介绍/VR[虚拟现实技术] 编辑

    VR体验VR

    虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向,是仿真技术与计算机图形学人机接口技术多媒体技术传感技术网络技术等多种技术的集合,是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。

    虚拟现实技术(VR)主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外,还有听觉、触觉、力觉、运动等感知,甚至还包括嗅觉和味觉等,也称为多感知。[1]

    自然技能是指人的头部转动,眼睛、手势、或其他人体行为动作,由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据,并对用户的输入作出实时响应,并分别反馈到用户的五官。传感设备是指三维交互设备。

    发展历史/VR[虚拟现实技术] 编辑

    虚拟现实技术演变发展史大体上可以分为四个阶段有声形动态的模拟是蕴涵虚拟现实思想的第一阶段(1963)年以前虚拟现实萌芽为第二阶段(1963-1972)虚拟现实概念的产生和理论初步形成为第三阶段(1973-1989)虚拟现实理论进一步的完善和应用为第四阶段(1990-2004 )。

    VR技术第一套可应用的虚拟现实设备是Sensorama,其通过三面显示屏来形成空间感,从而实现虚拟现实体验,但是受当时技术的限制,该设备的体积非常庞大。

    进入80年代后,计算机与图形处理技术的进步,推动了虚拟现实的发展,立体显示、虚拟画面生成、头部跟踪、虚拟环境互动等技术的更新换代使得虚拟现实的体验得到大幅提升,并逐渐出现了一些商用VR设备,如头盔、模拟舱等,形成了一轮VR商业化热潮。

    近几年,显示器分辨率、显卡渲染能力、3D建模等技术的快速发展使VR设备逐渐走向轻量化、便捷化和精细化,VR设备开始走进大众消费市场。[2]

    特征/VR[虚拟现实技术] 编辑

    虚拟现实技术具有3I的特征,分别是沉浸感(Immersion)、交互性(Interaction)和想象性(Imagination)。

    沉浸性:是指利用计算机产生的三维立体图像,让人置身于一种虚拟环境中,就像在真实的客观世界中一样,能给人一种身临其境的感觉;

    交互性:在计算机生成的这种虚拟环境中,人们可以利用一些传感设备进行交互,感觉就像是在真实客观世界中一样,比如:当用户用手去抓取虚拟环境中的物体时,手就有握东西的感觉,而且可感觉到物体的重量;

    想象性:虚拟环境可使用户沉浸其中并且获取新的知识,提高感性和理性认识,从而使用户深化概念和萌发新的联想,因而可以说,虚拟现实可以启发人的创造性思维。[1]

    关键技术/VR[虚拟现实技术] 编辑

    虚拟现实是多种技术的综合,包括实时三维计算机图形技术,广角(宽视野)立体显示技术,对观察者头、眼和手的跟踪技术,以及触觉/力觉反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等。下面对这些技术分别加以说明。

    实时三维计算机图形

    相比较而言,利用计算机模型产生图形图像并不是太难的事情。如果有足够准确的模型,又有足够的时间,我们就可以生成不同光照条件下各种物体的精确图像,但是这里的关键是实时。例如在飞行模拟系统中,图像的刷新相当重要,同时对图像质量的要求也很高,再加上非常复杂的虚拟环境,问题就变得相当困难。

    显示

    人看周围的世界时,由于两只眼睛的位置不同,得到的图像略有不同,这些图像在脑子里融合起来,就形成了一个关于周围世界的整体景象,这个景象中包括了距离远近的信息。当然,距离信息也可以通过其他方法获得,例如眼睛焦距的远近、物体大小的比较等。

    在VR系统中,双目立体视觉起了很大作用。用户的两只眼睛看到的不同图像是分别产生的,显示在不同的显示器上。有的系统采用单个显示器,但用户带上特殊的眼镜后,一只眼睛只能看到奇数帧图像,另一只眼睛只能看到偶数帧图像,奇、偶帧之间的不同也就是视差就产生了立体感。

    用户(头、眼)的跟踪:在人造环境中,每个物体相对于系统的坐标系都有一个位置与姿态,而用户也是如此。用户看到的景象是由用户的位置和头(眼)的方向来确定的。

    跟踪头部运动的虚拟现实头套:在传统的计算机图形技术中,视场的改变是通过鼠标或键盘来实现的,用户的视觉系统和运动感知系统是分离的,而利用头部跟踪来改变图像的视角,用户的视觉系统和运动感知系统之间就可以联系起来,感觉更逼真。另一个优点是,用户不仅可以通过双目立体视觉去认识环境,而且可以通过头部的运动去观察环境。

    在用户与计算机的交互中,键盘和鼠标是目前最常用的工具,但对于三维空间来说,它们都不太适合。在三维空间中因为有六个自由度,我们很难找出比较直观的办法把鼠标的平面运动映射成三维空间的任意运动。现在,已经有一些设备可以提供六个自由度,如3Space数字化仪和SpaceBall空间球等。另外一些性能比较优异的设备是数据手套和数据衣。

    声音

    人能够很好地判定声源的方向。在水平方向上,我们靠声音的相位差及强度的差别来确定声音的方向,因为声音到达两只耳朵的时间或距离有所不同。常见的立体声效果就是靠左右耳听到在不同位置录制的不同声音来实现的,所以会有一种方向感。现实生活里,当头部转动时,听到的声音的方向就会改变。但目前在VR系统中,声音的方向与用户头部的运动无关。

    感觉反馈

    在一个VR系统中,用户可以看到一个虚拟的杯子。你可以设法去抓住它,但是你的手没有真正接触杯子的感觉,并有可能穿过虚拟杯子的“表面”,而这在现实生活中是不可能的。解决这一问题的常用装置是在手套内层安装一些可以振动的触点来模拟触觉。

    语音

    在VR系统中,语音的输入输出也很重要。这就要求虚拟环境能听懂人的语言,并能与人实时交互。而让计算机识别人的语音是相当困难的,因为语音信号和自然语言信号有其“多边性”和复杂性。例如,连续语音中词与词之间没有明显的停顿,同一词、同一字的发音受前后词、字的影响,不仅不同人说同一词会有所不同,就是同一人发音也会受到心理、生理和环境的影响而有所不同。

    使用人的自然语言作为计算机输入目前有两个问题,首先是效率问题,为便于计算机理解,输入的语音可能会相当啰嗦。其次是正确性问题,计算机理解语音的方法是对比匹配,而没有人的智能。

    VR产品/VR[虚拟现实技术] 编辑

    产品构成

    目前VR产品由计算设备、显示终端和辅助设备三部分构成。

    计算设备包含了基于GPU/CPU的硬件与虚拟现实软件体系,用于图形渲染、逻辑运算、数据的存储与传输等。

    显示终端目前主要是头盔形式,其中包含高清显示屏幕、光学镜片、陀螺仪等,向用户展示计算设备输出的VR画面,并捕捉用户头部位置与角度等信息。

    辅助设备,包含了交互控制、定位感应、动作捕捉、手势识别等设备,用于提升用户沉浸式操控体验。[2]

    常见产品形态

    VR常见产品形态VR头戴硬件设备包含三大常见产品形态:头盔、眼镜、一体机。头盔是VR设备巨头们主打的高端产品,高端头盔在像素、视野、刷新率上有绝对的优势,使用有线连接主机与头盔,减少了延迟,设备本身融合了多重传感器技术以及室内空间定位技术,是目前沉浸感最好的VR产品。眼镜利用手机作为计算设备并应用手机内置陀螺仪定位和屏幕显示,眼镜只用包含内置光学镜片,手机+眼镜的VR产品价格便宜、门槛低,各公司的产品除了外观上不同,基本技术原理如出一辙。眼镜具有体验效果较差,无法提供精确定位与较好的交互体验的缺陷。一体机是指将计算设备内置于VR头盔中,由头盔完成从逻辑运算、3D图形渲染到屏幕展示的一体化功能,该类产品沉浸体验感相对PC+头盔设备有所欠缺,但其价格适中、并具有移动属性。VR常见产品形态

    VR头戴硬件设备包含三大常见产品形态:头盔、眼镜、一体机。

    头盔是VR设备巨头们主打的高端产品,高端头盔在像素、视野、刷新率上有绝对的优势,使用有线连接主机与头盔,减少了延迟,设备本身融合了多重传感器技术以及室内空间定位技术,是目前沉浸感最好的VR产品。

    眼镜利用手机作为计算设备并应用手机内置陀螺仪定位和屏幕显示,眼镜只用包含内置光学镜片,手机+眼镜的VR产品价格便宜、门槛低,各公司的产品除了外观上不同,基本技术原理如出一辙。眼镜具有体验效果较差,无法提供精确定位与较好的交互体验的缺陷。

    一体机是指将计算设备内置于VR头盔中,由头盔完成从逻辑运算、3D图形渲染到屏幕展示的一体化功能,该类产品沉浸体验感相对PC+头盔设备有所欠缺,但其价格适中、并具有移动属性。[2]

    VR眼镜

    vr虚拟眼镜即VR头显,虚拟现实头戴式显示设备。由于早期没有头显这个概念,所以根据外观产生了VR眼镜、VR眼罩、VR头盔等不专业叫法。VR头显是利用头戴式显示设备将人的对外界的视觉、听觉封闭,引导用户产生一种身在虚拟环境中的感觉。其显示原理是左右眼屏幕分别显示左右眼的图像,人眼获取这种带有差异的信息后在脑海中产生立体感。[3]

    一般来说,VR头显设备可分为三类:外接式头显设备、一体式头显设备、移动端头显设备。外接式头显设备,用户体验较好,具备独立屏幕,产品结构复杂,技术含量较高,不过受着数据线的束缚,自己无法自由活动,如HTC vive 、Oculus Rift。一体式头显设备,产品偏少,也叫VR一体机,无需借助任何输入输出设备就可以在虚拟的世界里尽情感受3D立体感带来的视觉冲击。移动端头显设备,结构简单、价格低廉,只要放入手机即可观看,使用方便。[3]

    技术应用/VR[虚拟现实技术] 编辑

    医学

    虚拟现实虚拟现实

    VR在医学方面的应用具有十分重要的现实意义。在虚拟环境中,可以建立虚拟的人体模型,借助于跟踪球、HMD、感觉手套,学生可以很容易了解人体内部各器官结构,这比现有的采用教科书的方式要有效得多。Pieper及Satara等研究者在90年代初基于两个SGI工作站建立了一个虚拟外科手术训练器,用于腿部及腹部外科手术模拟。这个虚拟的环境包括虚拟的手术台与手术灯,虚拟的外科工具(如手术刀、注射器、手术钳等),虚拟的人体模型与器官等。借助于HMD及感觉手套,使用者可以对虚拟的人体模型进行手术。但该系统有待进一步改进,如需提高环境的真实感,增加网络功能,使其能同时培训多个使用者,或可在外地专家的指导下工作等。手术后果预测及改善残疾人生恬状况,乃至新型药物的研制等方面,VR技术都有十分重要的意义。[4]

    在医学院校,学生可在虚拟实验室中,进行“尸体”解剖和各种手术练习。用这项技术,由于不受标本、场地等的限制,所以培训费用大大降低。一些用于医学培训、实习和研究的虚拟现实系统,仿真程度非常高,其优越性和效果是不可估量和不可比拟的。例如,导管插入动脉的模拟器,可以使学生反复实践导管插入动脉时的操作;眼睛手术模拟器,根据人眼的前眼结构创造出三维立体图像,并带有实时的触觉反馈,学生利用它可以观察模拟移去晶状体的全过程,并观察到眼睛前部结构的血管、虹膜和巩膜组织及角膜的透明度等。还有麻醉虚拟现实系统、口腔手术模拟器等。

    外科医生在真正动手术之前,通过虚拟现实技术的帮助,能在显示器上重复地模拟手术,移动人体内的器官,寻找最佳手术方案并提高熟练度。在远距离遥控外科手术,复杂手术的计划安排,手术过程的信息指导,手术后果预测及改善残疾人生活状况,乃至新药研制等方面,虚拟现实技术都能发挥十分重要的作用。

    娱乐

    vr过山车vr过山车

    丰富的感觉能力与3D显示环境使得VR成为理想的视频游戏工具。由于在娱乐方面对VR的真实感要求不是太高,故近些年来VR在该方面发展最为迅猛。如Chicago(芝加哥)开放了世界上第一台大型可供多人使用的VR娱乐系统,其主题是关于3025年的一场未来战争;英国开发的称为“Virtuality”的VR游戏系统,配有HMD,大大增强了真实感;1992年的一台称为“Legeal Qust”的系统由于增加了人工智能功能,使计算机具备了自学习功能,大大增强了趣味性及难度,使该系统获该年度VR产品奖。另外在家庭娱乐方面VR也显示出了很好的前景。[5]

    作为传输显示信息的媒体,VR在未来艺术领域方面所具有的潜在应用能力也不可低估。VR所具有的临场参与感与交互能力可以将静态的艺术(如油画、雕刻等)转化为动态的,可以使观赏者更好地欣赏作者的思想艺术。另外,VR提高了艺术表现能力,如一个虚拟的音乐家可以演奏各种各样的乐器,手足不便的人或远在外地的人可以在他生活的居室中去虚拟的音乐厅欣赏音乐会等等。

    对艺术的潜在应用价值同样适用于教育,如在解释一些复杂的系统抽象的概念如量子物理等方面,VR是非常有力的工具,Lofin等人在1993年建立了一个“虚拟的物理实验室”,用于解释某些物理概念,如位置与速度,力量与位移等。

    军事航天

    模拟训练一直是军事与航天工业中的一个重要课题,这为VR提供了广阔的应用前景。美国国防部高级研究计划局DARPA自80年代起一直致力于研究称为SIMNET的虚拟战场系统,以提供坦克协同训练,该系统可联结200多台模拟器。另外利用VR技术,可模拟零重力环境,替非标准的水下训练宇航员的方法。

    室内设计

    虚拟现实不仅仅是一个演示媒体,而且还是一个设计工具。它以视觉形式反映了设计者的思想,比如装修房屋之前,你首先要做的事是对房屋的结构、外形做细致的构思,为了使之定量化,你还需设计许多图纸,当然这些图纸只能内行人读懂,虚拟现实可以把这种构思变成看得见的虚拟物体和环境,使以往只能借助传统的设计模式提升到数字化的即看即所得的完美境界,大大提高了设计和规划的质量与效率。运用虚拟现实技术,设计者可以完全按照自己的构思去构建装饰“虚拟”的房间,并可以任意变换自己在房间中的位置,去观察设计的效果,直到满意为止。既节约了时间,又节省了做模型的费用。

    房产开发

    随着房地产业竞争的加剧,传统的展示手段如平面图、表现图、沙盘、样板房等已经远远无法满足消费者的需要。因此敏锐把握市场动向,果断启用最新的技术并迅速转化为生产力,方可以领先一步,击溃竞争对手。虚拟现实技术是集影视广告、动画、多媒体、网络科技于一身的最新型的房地产营销方式,在国内的广州、上海、北京等大城市,国外的加拿大、美国等经济和科技发达的国家都非常热门,是当今房地产行业一个综合实力的象征和标志,其最主要的核心是房地产销售!同时在房地产开发中的其他重要环节包括申报、审批、设计、宣传等方面都有着非常迫切的需求。

    房地产项目的表现形式可大致分为:实景模式、水晶沙盘两种;

    其中可对项目周边配套、红线以内建筑和总平、内部业态分布等进行详细剖析展示,由外而内表现项目的整体风格,并可通过鸟瞰、内部漫游、自动动画播放等形式对项目逐一表现,增强了讲解过程的完整性和趣味性。

    工业仿真

    当今世界工业已经发生了巨大的变化,大规模人海战术早已不再适应工业的发展,先进科学技术的应用显现出巨大的威力,特别是虚拟现实技术的应用正对工业进行着一场前所未有的革命。虚拟现实已经被世界上一些大型企业广泛地应用到工业的各个环节,对企业提高开发效率,加强数据采集、分析、处理能力,减少决策失误,降低企业风险起到了重要的作用。虚拟现实技术的引入,将使工业设计的手段和思想发生质的飞跃,更加符合社会发展的需要,可以说在工业设计中应用虚拟现实技术是可行且必要的。

    工业仿真系统不是简单的场景漫游,是真正意义上用于指导生产的仿真系统,它结合用户业务层功能和数据库数据组建一套完全的仿真系统,可组建B/S、C/S两种架构的应用,可与企业ERP、MIS系统无缝对接,支持SqlServer、Oracle、MySql等主流数据库。

    应急推演

    防患于未然,是各行各业尤其是具有一定危险性行业(消防、电力、石油、矿产等)的关注重点,如何确保在事故来临之时做到最小的损失,定期的执行应急推演是传统并有效地一种防患方式,但其弊端也相当明显,投入成本高,每一次推演都要投入大量的人力、物力,大量的投入使得其不可能进行频繁性的执行,虚拟现实的产生为应急演练提供了一种全新的开展模式,将事故现场模拟到虚拟场景中去,在这里人为的制造各种事故情况,组织参演人员做出正确响应。这样的推演大大降低了投入成本,提高了推演实训时间,从而保证了人们面对事故灾难时的应对技能,并且可以打破空间的限制方便的组织各地人员进行推演,这样的案例已有应用,必将是今后应急推演的一个趋势。

    文物古迹

    利用虚拟现实技术,结合网络技术,可以将文物的展示、保护提高到一个崭新的阶段。首先表现在将文物实体通过影像数据采集手段,建立起实物三维或模型数据库,保存文物原有的各项型式数据和空间关系等重要资源,实现濒危文物资源的科学、高精度和永久的保存。 其次利用这些技术来提高文物修复的精度和预先判断、选取将要采用的保护手段,同时可以缩短修复工期。 通过计算机网络来整合统一大范围内的文物资源,并且通过网络在大范围内来利用虚拟技术更加全面、生动、逼真地展示文物,从而使文物脱离地域限制,实现资源共享,真正成为全人类可以“拥有”的文化遗产。使用虚拟现实技术可以推动文博行业更快地进入信息时代,实现文物展示和保护的现代化。

    游戏

    三维游戏既是虚拟现实技术重要的应用方向之一,也为虚拟现实技术的快速发展起了巨大的需求牵引作用。 尽管存在众多的技术难题,虚拟现实技术在竞争激烈的游戏市场中还是得到了越来越多的重视和应用。可以说,电脑游戏自产生以来,一直都在朝着虚拟现实的方向发展,虚拟现实技术发展的最终目标已经成为三维游戏工作者的崇高追求。从最初的文字MUD游戏,到二维游戏、三维游戏,再到网络三维游戏,游戏在保持其实时性和交互性的同时,逼真度和沉浸感正在一步步地提高和加强。我们相信,随着三维技术的快速发展和软硬件技术的不断进步,在不远的将来,真正意义上的虚拟现实游戏必将为人类娱乐、教育和经济发展做出新的更大的贡献。

    电影

    即虚拟现实电影。虚拟现实借助计算机系统及传感器技术生成三维环境,创造出一种崭新的人机交互方式[1] ,模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能,使人能够沉浸在虚拟境界中[2] ,观众走进电影场景中,可以360度查看周围的环境[6]
    VR电影带来崭新的观影体验,但高成本、制作繁琐与作品奇缺也是显而易见的短板[7]
    你会感觉自己像是穿越到另一空间的人,像上帝一样,高高在上地旁观影片中的IT精英们为人工智能“伏羲”斗得不亦乐乎;你也能清晰地感受到影片中每个人物的呼吸,以及眨眼、皱眉等细微表情,逼真得就好像在你耳边;你甚至能感受到他们“穿”过你身体[5]

    Web3D

    对虚拟现实展示与虚拟社区使用Web3D实现网络上的VR展示,只须构建一个三维场景,人以第一视角在其中穿行。场景和控制者之间能产生交互,加之高质量的生成画面使人产生身临其境的感觉。对于象虚拟展厅、建筑房地产虚拟漫游展示,提供了解决方案。如果是建立一个多用户而且可以互相传递信息的环境,也就形成了所谓的虚拟社区。

    Web3D技术同样可以在三维定位监控,工业过程控制,建筑信息模型(BIM),场馆虚拟展示等系统中得到应用。

    道路桥梁

    由于道路桥梁需要同时处理大量的三维模型与纹理数据,导致这种形势需要很高的计算机性能作为后台支持,但随着近些年来计算机软硬件技术的提高,一些原有的技术瓶颈得到了解决,使虚拟现实的应用达到了前所未有的发展。

    在我国,许多学院和机构也一直在从事这方面的研究与应用。三维虚拟现实平台软件,可广泛的应用于桥梁道路设计等行业。该软件适用性强、操作简单、功能强大、高度可视化、所见即所得,他的出现将给正在发展的VR产业注入新的活力。 虚拟现实技术在高速公路和道路桥梁建设方面有着非常广阔的应用前景,可由后台置入稳定的数据库信息,便于大众对各项技术指标进行实时的查询,周边再辅以多种媒体信息,如工程背景介绍,标段概况,技术数据,截面等,电子地图,声音、图像、动画,并与核心的虚拟技术产生交互,从而实现演示场景中的导航、定位与背景信息介绍等诸多实用、便捷的功能。

    地理

    应用虚拟现实技术,将三维地面模型、正射影像和城市街道、建筑物及市政设施的三维立体模型融合在一起,再现城市建筑及街区景观,用户在显示屏上可以很直观地看到生动逼真的城市街道景观,可以进行诸如查询、量测、漫游、飞行浏览等一系列操作,满足数字城市技术由二维GIS向三维虚拟现实的可视化发展需要,为城建规划、社区服务、物业管理、消防安全、旅游交通等提供可视化空间地理信息服务。

    电子地图技术是集地理信息系统技术、数字制图技术、多媒体技术和虚拟现实技术等多项现代技术为一体的综合技术。电子地图是一种以可视化的数字地图为背景,用文本、照片、图表、声音、动画、视频等多媒体为表现手段展示城市、企业、旅游景点等区域综合面貌的现代信息产品,它可以存贮于计算机外存,以只读光盘、网络等形式传播,以桌面计算机或触摸屏计算机等形式提供大众使用。由于电子地图产品结合了数字制图技术的可视化功能、数据查询与分析功能以及多媒体技术和虚拟现实技术的信息表现手段,加上现代电子传播技术的作用,它一出现就赢得了社会的广泛兴趣。

    教育

    虚拟现实应用于教育是教育技术发展的一个飞跃。它营造了“自主学习”的环境,由传统的“以教促学”的学习方式代之为学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。[8]

    它主要具体应用在以下几个方面:

    科技研究

    VR走进学校VR走进学校

    当前许多高校都在积极研究虚拟现实技术及其应用,并相继建起了虚拟现实与系统仿真的研究室,将科研成果迅速转化实用技术,如北京航天航空大学在分布式飞行模拟方面的应用;浙江大学在建筑方面进行虚拟规划、虚拟设计的应用;哈尔滨工业大学在人机交互方面的应用;清华大学对临场感的研究等都颇具特色。有的研究室甚至已经具备独立承接大型虚拟现实项目的实力。 虚拟学习环境虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境,如建造人体模型、电脑太空旅行、化合物分子结构显示等,在广泛的科目领域提供无限的虚拟体验,从而加速和巩固学生学习知识的过程。亲身去经历、亲身去感受比空洞抽象的说教更具说服力,主动地去交互与被动的灌输,有本质的差别。虚拟实验利用虚拟现实技术,可以建立各种虚拟实验室,如地理、物理、化学、生物实验室等等,拥有传统实验室难以比拟的优势:

    1、节省成本通常我们由于设备、场地、经费等硬件的限制。许多实验都无法进行。而利用虚拟现实系统,学生足不出户便可以做各种实验,获得与真实实验一样的体会。在保证教学效果的前提下,极大的节省了成本。

    2、规避风险真实实验或操作往往会带来各种危险,利用虚拟现实技术进行虚拟实验,学生在虚拟实验环境中,可以放心地去做各种危险的实验。例如:虚拟的飞机驾驶教学系统,可免除学员操作失误而造成飞机坠毁的严重事故。

    3、打破空间、时间的限制利用虚拟现实技术,可以彻底打破时间与空间的限制。大到宇宙天体,小至原子粒子,学生都可以进入这些物体的内部进行观察。一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程,通过虚拟现实技术,可以在很短的时间内呈现给学生观察。例如,生物中的孟德尔遗传定律,用果蝇做实验往往要几个月的时间,而虚拟技术在一堂课内就可以实现。

    虚拟实训基地

    利用虚拟现实技术建立起来的虚拟实训基地,其“设备”与“部件”多是虚拟的,可以根据随时生成新的设备。教学内容可以不断更新,使实践训练及时跟上技术的发展。同时,虚拟现实的沉浸性和交互性,使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色,全身心地投入到学习环境中去,这非常有利于学生的技能训练。包括军事作战技能、外科手术技能、教学技能、体育技能、汽车驾驶技能、果树栽培技、电器维修技能等各种职业技能的训练,由于虚拟的训练系统无任何危险,学生可以不厌其烦地反复练习,直至掌握操作技能为止。例如:在虚拟的飞机驾驶训练系统中,学员可以反复操作控制设备,学习在各种天气情况下驾驶飞机起飞、降落,通过反复训练,达到熟练掌握驾驶技术的目的。

    虚拟仿真校园

    教育部在一系列相关的文件中,多次涉及到了虚拟校园,阐明了虚拟校园的地位和作用。虚拟校园也是虚拟现实技术在教育培训中最早的具体应用,它由浅至深有三个应用层面,分别适应学校不同程度的需求:简单的虚拟我们的校园环境供游客浏览 基于教学、教务、校园生活,功能相对完整的三维可视化虚拟校园 以学员为中心,加入一系列人性化的功能,以虚拟现实技术作为远程教育基础平台 虚拟远程教育虚拟现实可为高校扩大招生后设置的分校和远程教育教学点提供可移动的电子教学场所,通过交互式远程教学的课程目录和网站,由局域网工具作校园网站的链接,可对各个终端提供开放性的、远距离的持续教育,还可为社会提供新技术和高等职业培训的机会,创造更大的经济效益与社会效益。随着虚拟现实技术的不断发展和完善,以及硬件设备价格的不断降低,我们相信,虚拟现实技术以其自身强大的教学优势和潜力,将会逐渐受到教育工作者的重视和青睐,最终在教育培训领域广泛应用并发挥其重要作用。

    演播室

    随着计算机网络和三维图形软件等先进信息技术的发展,电视节目制作方式发生了很大的变化。视觉和听觉效果以及人类的思维都可以靠虚拟现实技术来实现。它升华了人类的逻辑思维。虚拟演播室则是虚拟现实技术与人类思维相结合在电视节目制作中的具体体现。虚拟演播系统的主要优点是它能够更有效地表达新闻信息,增强信息的感染力和交互性。传统的演播室对节目制作的限制较多。虚拟演播系统制作的布景是合乎比例的立体设计,当摄像机移动时,虚拟的布景与前景画面都会出现相应的变化,从而增加了节目的真实感。用虚拟场景在很多方面成本效益显著。如它具有及时更换场景的能力,在演播室布景制作中节约经费。不必移动和保留景物,因此可减轻对雇员的需求压力。

    对于单集片,虚拟制作不会显出很大的经济效益,但在使用背景和摄像机位置不变的系列节目中它可以节约大量的资金。另外,虚拟演播室具有制作优势。当考虑节目格局时,制作人员的选择余地大,他们不必过于受场景限制。对于同一节目可以不用同一演播室,因为背景可以存入磁盘。它可以充分发挥创作人员的艺术创造力与想象力,利用现有的多种三维动画软件,创作出高质量的背景。

    水文地质

    虚拟现实技术是利用计算机生成的虚拟环境逼真地模拟人在自然环境中的视觉、听觉、运动等行为的人机界面的新技术。利用虚拟现实技术沉浸感、与计算机的交互功能和实时表现功能,建立相关的地质、水文地质模型和专业模型,进而实现对含水层结构、地下水流、地下水质和环境地质问题(例如地面沉降、海水入侵土壤沙漠化盐渍化、沼泽化及区域降落漏斗扩展趋势)的虚拟表达。具体实现步骤包括建立虚拟现实数据库、三维地质模型、地下水水流模型、专业模型和实时预测模型。

    维修

    虚拟维修是虚拟现实技术在设备维修中的应用, 在现代化煤矿、核电站等安全性要求高的场所, 或在设备快速抢修之前, 进行维修预演和仿真。突破了设备维修在空间和时间上的限制, 可以实现逼真的设备拆装、故障维修等操作, 提取生产设备的已有资料、状态数据, 检验设备性能。虚拟维修技术还可以通过仿真操作过程, 统计维修作业的时间、维修工种的配置、维修工具的选择、设备部件拆卸的顺序、维修作业所需的空间、预计维修费用。

    培训实训

    在一些重大安全行业,例如石油、天然气、轨道交通、航空航天等领域,正式上岗前的培训工作变得异常重要,但传统的培训方式显然不适合高危行业的培训需求。虚拟现实技术的引入使得虚拟培训成为现实。

    结合动作捕捉高端交互设备及3D立体显示技术,为培训者提供一个和真实环境完全一致的虚拟环境。培训者可以在这个具有真实沉浸感与交互性的虚拟环境中,通过人机交互设备和场景里所有物件进行交互,体验实时的物理反馈,进行多种实验操作。[9]

    通过虚拟培训,不但可以加速学员对产品知识的掌握,直观学习,提高从业人员的实际操作能力,还大大降低了公司的教学、培训成本,改善培训环境。最主要的是,虚拟培训颠覆了原有枯燥死板的教学培训模式,探索出了一条低成本、高效率的培训之路。

    船舶制造

    通过虚拟现实技术不仅能提前发现和解决实船建造中的问题,还为管理提供了充分的信息,从而真正实现船体建造、舾装、涂装一体化和设计、制造、管理一体化。在船舶设计领域,虚拟设计涵盖了建造、维护、设备使用、客户需求等传统设计方法无法实现的领域,真正做到产品的全寿期服务。因此,通过对面向船舶整个生命周期的船舶虚拟设计系统的开发,可大大提高船舶设计的质量,减少船舶建造费用,缩短船舶建造周期。

    汽车仿真

    汽车虚拟开发工程即在汽车开发的整个过程中,全面采用计算机辅助技术,在轿车开发的造型、设计、计算、试验直至制模、冲压焊接、总装等各个环节中的计算机模拟技术联为一体的综合技术,使汽车的开发、制造都置于计算机技术所构造的严格的数据环境中,虚拟现实技术的应用,大大缩短了设计周期,提高了市场反应能力。

    轨道交通

    轨道交通仿真就是运用三维虚拟与仿真技术模拟出从轨道交通工具的设计制造到运行维护等各阶段、各环节的三维环境,用户在该环境中可以“全身心的”投入到轨道交通的整个工程之中进行各种操作,从而拓展相关从业人员的认知手段和认知领域,为轨道交通建设的整个工程节约成本与时间,提高效率与质量。

    其包括三部分内容:

    ◆虚拟设计

    虚拟设计包括轨道设计,轨道交通工具设计及轨道交通环境的设计。虚拟现实技术在轨道交通设计中并不直接参与设计,而是作为设计者的一个高效辅助工具,帮助设计师节约设计时间,提高设计产品的质量。

    ◆虚拟装配

    为保证轨道交通工具的设计符合流体力学、工程力学等各种学科的要求,利用计算机技术实现各部件的虚拟装配,方便的检查出各个部件之间的嵌合度和兼容性;此外,虚拟装配还可以深入发展为交互式三维虚拟培训环境,让受训人员在沉浸式环境中熟悉各个部件及装配过程,提高学员的设备装配能力。

    ◆虚拟运行

    在列车投入使用前,利用三维虚拟仿真技术模拟出列车运行时的状态、各部件变化情况及周边环境变化情况,检查列车运行可行性;还可以利用计算机更改部分数据,观测列车因数据变化而受到的连动影响,从而总结出更多列车运行经验,有效的规避列车正式投入使用后的风险,提高相关工作人员应对突发情况的处理能力。

    能源领域

    能源的开采和开发涉及到很多模块,很多行业,常常需要对大量数据进行分析管理,并且由于职业的特殊性,对员工的业务素质也有很高要求。运用三维虚拟技术不但能够实现庞大数据的有效管理,还能够创建一个具有高度沉浸感的三维虚拟环境,满足企业对石油矿井、电力、天然气等高要求、高难度职位的培训要求,有效提高员工的培训效率,提升员工的业务素质。

    生物力学

    生物力学仿真就是应用力学原理和方法并结合虚拟现实技术,实现对生物体中的力学原理进行虚拟分析与仿真研究。利用虚拟仿真技术研究和表现生物力学,不但可以提高运动物体的真实感,满足运动生物力学专家的计算要求,还可以大大节约研发成本,降低数据分析难度,提高研发效率。这一技术现已广泛应用于外科医学、运动医学、康复医学、人体工学、创伤与防护学等领域。

    ◆人体模拟

    遵循人体关节运动的骨架结构和肌肉组织,在计算机中生成具有物理属性的人体。可通过计算机实现对该数字人体的参数化改造,从而开展骨肌系统外科学与运动医学、植入物设计、体育运动与艺术力学、人体工程学、航空航天、虚拟士兵等领域的科学研究。

    ◆力学可视化

    人体中各个骨骼、关节及肌肉都有一个特定的长度及自由度,而数字人体中的任何一个数据的变化都会对若干相关部件产生影响。结合数据可视化技术,以一种更形象、更直观的方式展现人体各关节的数据结构及相对运动关系,研究者可据此轻松读懂繁琐数据,从而实现力学相互作用关系研究的便捷化、可视化。

    ◆运动设计模拟

    通过对人体骨骼及人体关节之间相互作用关系的分析,结合人机工程学原理,利用计算机技术计算和分析数据,依据计算结果为运动员、战士、病人等群体制定灵活科学的运动方案,合理指导各种训练活动。此外,还可以据此分析出相关疾病(如颈椎病骨折腰肌劳损等)产生的原因及有效的康复方法,设计出更为科学、有效的运动保健器材。

    康复训练

    康复训练包括身体康复训练和心理康复训练,是指有各种运动障碍(动作不连贯、不能随心所动)和心理障碍的人群,通过在三维虚拟环境中做自由交互以达到能够自理生活、自由运动、解除心理障碍的训练。

    传统的康复训练不但耗时耗力,单调乏味,而且训练强度和效果得不到及时评估,很容易错失训练良机,而结合三维虚拟与仿真技术的康复训练就很好的解决了这一问题,并且还适用于心理患者的康复训练,对完全丧失运动能力的患者也有独特效果。

    ◆虚拟身体康复训练

    身体康复训练是指使用者通过输入设备(如数据手套、动作捕捉仪)把自己的动作传入计算机,并从输出反馈设备得到视觉、听觉或触觉等多种感官反馈,最终达到最大限度的恢复患者的部分或全部机体功能的训练活动。这种训练方法,不但大大节约了训练的人力物力,而且有效增加了治疗的趣味性,激发了患者参与治疗的积极性,变被动治疗为主动治疗,提高治疗的效率。

    ◆虚拟心理康复训练

    狭义的虚拟心理康复训练是指利用搭建的三维虚拟环境治疗诸如恐高症之类的心理疾病。广义上的虚拟心理康复训练还包括搭配“脑—机接口系统”、“虚拟人”等先进技术进行的脑信号人机交互心理训练。这种训练就是采用患者的脑电信号控制虚拟人的行为,通过分析虚拟人的表现实现对患者心理的分析,从而制定有效地康复课程。此外,还可以通过显示设备把虚拟人的行为展现出来,让患者直接学习某种心理活动带来的结果,从而实现对患者的治疗。这种心理训练方法为更多复杂的心理疾病指明了一条新颖、高效的训练之路。

    数字地球

    数字地球建设是一场意义深远的科技革命,也是地球科学研究的一场纵深变革。人类迫切需要更深入地了解地球、理解地球,进而管理好地球。

    拥有数字地球等于占据了现代社会的信息战略制高点。从战略角度来说,数字地球是全球性的科技发展战略目标,数字地球是未来信息资源的综合平台和集成,现代社会拥有信息资源的重要性更基于工业经济社会拥有自然资源的重要性。

    而从科技角度分析,数字地球是国家的重要基础设施,是遥感、地理信息系统、全球定位系统、互联网—万维网、仿真与虚拟现实技术等的高度综合与升华,是人类定量化研究地球、认识地球、科学利用地球的先进工具。

    购物

    VR购物,顾名思义,在虚拟世界里进行购物。不论是真实存在的商场或是诸如淘宝京东此类的电子商城都可以建立3D模型。只要戴上连接传感系统的眼镜,就能看到3D真实场景中的商铺和商品,实现各地商场随便逛,各类商品随便试。[10]

    存在难题/VR[虚拟现实技术] 编辑

    资本回归理性 洗牌在所难免

    2015年3月,VR概念股暴风科技登陆A股,创下35个涨停板的神话。与之相伴,资本市场对VR概念和VR创业大力追捧,从事简易VR眼镜制作的公司遍地开花,资金雄厚的企业开始研发生产VR头盔和一体机,甚至就连360度全景相机这一周边产业也呈欣欣向荣之势。

    然而,这一局面未能持续太久。“VR创业更高的门槛使大家低估了VR的技术难度。过去一年中,VR在高质量的内容生成、用户交互、商业化等方面都没有明显突破。”微软亚洲研究院首席研究员童欣分析,如今的投资者更加理性,洗牌在所难免。[11]

    交互体验不佳 内容供给脱节

    就目前VR硬件和内容而言,高端的价格太贵,低端的体验太差;行业也缺乏高质量的内容和应用,以吸引用户长时间使用。”暴风魔镜副总裁高伟表示,推动VR迅速普及的关键在于快速提升VR硬件的使用体验。有研究报告显示,重度VR用户的痛点主要集中在观看清晰度、交互自然流畅度、佩戴舒适度方面。

    突破技术瓶颈 量变促成质变

    “VR目前还在‘群雄逐鹿期’,距离‘整合期’还很远。任何一项技术,都可能由一两家创业公司完成,最终整合成为标准化行业的一部分。”覃政认为,VR领域有大量的底层技术亟待突破,如果创业公司能赌对一两个技术机会,就有可能在行业里站稳脚跟。[11]

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    参考资料
    [1]^引用日期:2017-08-03
    [2]^引用日期:2017-08-03
    [3]^引用日期:2017-08-03
    [4]^引用日期:2017-08-03
    [5]^引用日期:2016-11-18
    [6]^引用日期:2016-11-18
    [7]^引用日期:2016-11-18
    [8]^引用日期:2017-08-03
    [9]^引用日期:2017-08-03
    [10]^引用日期:2017-08-03
    [11]^引用日期:2017-08-03
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    产品科学

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