虚拟现实和发展应用

虚拟现实发展和应用周明全北京师范大学虚拟现实与可视化技术研究所教育部虚拟现实应用工程研究中心北京市文化遗产保护与虚拟现实重点实验室1虚拟现实和发展应用5/9/2024虚拟现实（virtualReality）“虚拟”的基本解释1.[unreal]∶不符合或不一定符合事实的虚拟的情况2.[fictitious;invented]∶凭想象编造的事物3.由高科技术实现的仿实物或伪实物的技术virtualadj.实质上的，事实上的;

<物>有效的，虚像的;

（粒子）实际存在的;

（计算机）虚拟的;

realityn.事实;

现实，现实性;

真实情况，实际情形;

实体，实在;Virtualreality：对现实世界的一种虚拟（抽象、模拟、仿真）的技术2虚拟现实和发展应用5/9/2024虚拟现实技术讲故事：语言描绘生成一个虚拟世界；想象的世界绘画：色彩描绘生成一个虚拟世界；色彩世界电影：电影技术(film+movie)生成一个虚拟世界；近似的世界虚拟现实：虚拟现实技术生成一个虚拟世界：虚拟世界虚拟技术不同，虚拟效果不同，虚拟目标一致。体验一个非同现实的世界。虚拟现实是一种认识世界的方法，也是人类生活的方式。3虚拟现实和发展应用5/9/2024虚拟现实是。。。科学创新的方法：虚拟现实是认识世界的基本方法。文明传承：人类文明的口授言传，对现实的一种虚拟；生活方式：人生是一种体验，感觉的世界。说事，证据，模仿、体验，“不闻不若闻之,闻之不若见之,见之不若知之,知之不若行之。学至于行而止矣。”荀子语录技术在发展：表述的、模仿的方式、体验的方式和感受4虚拟现实和发展应用5/9/2024虚拟现实是：运用计算机科学为核心的，结合多学科、多方向交叉的新技术，能够生成近似真实环境视、听、嗅、触等感知信息的虚拟环境。用户借助必要的装备与虚拟环境的各种对象进行交互作用并相互影响，可以使操作者获得对真实环境的亲临感受和体验。开发者：构建虚拟环境；使用者：获得真实体验；5虚拟现实和发展应用5/9/2024虚拟现实技术的特性

现代的虚拟现实系统具有三个重要特征：可以用三“I”来描述其特征。1．沉浸感(Immersion)沉浸感：感觉逼真，身临其境。感觉系统：视觉、听觉、味觉、触觉、嗅觉。。。2．交互性(Interaction)利用电脑键盘、鼠标进行交互；通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。自然交互，计算机能根据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动，来调整系统呈现的图像及声音。3．想像性(Imagination)内容的想象性（高于现实），启迪创新思维的感受。4、智能性（intelligence）：虚拟系统是一个智能体，系统反映表达的智能水平。6虚拟现实和发展应用5/9/2024信息系统的发展：从计算机到智能体在计算机发展的80年里，计算机结构到信息系统功能，哪些部分发展最快，哪些部分潜能最大？那些技术是影响社会发展最大？信息科学发展的5大功能；数值计算和逻辑运算，科学计算决策功能（云计算）；记忆存储功能（大数据，云存储）；神经系统发出（物联网，嵌入式）；输入功能（3D输入，。。。）输出功能；（虚拟显示，3D打印）冯·诺依曼计算机体系结构7虚拟现实和发展应用5/9/2024计算机应用的发展计算机器的时代：输入:数字;输出:数字。设备：纸带穿孔机，二级管显示应用:科学计算，用户：科学家文字处理时代:输入:ASCII,输出ASCII:设备：电传打字机，文字处理应用:信息管理,文字处理;用户：科学家+文字用户8虚拟现实和发展应用5/9/20243、二维图象处理时代:输入:图象,黑白,色彩.汉字输出:图象;黑白,色彩.汉字设备：扫描仪，数字相机，彩色打印机。用户：广大民众4、三维模型时代:输入:三维空间物体；数据采集;输出:三维空间模型;设备：三维扫描仪，3D打印机。用户：广大群众9虚拟现实和发展应用5/9/2024虚拟现实时代:输入:现实世界,想象中的世界.输出:虚幻的世界.真实的世界输入:三维空间任何物体；设计想象的东西输出:三维模型（具有物理属性、化学属性，生命特征;）设备：空间三维扫描仪，空间的物体。具有视觉、听觉、嗅觉、触觉、味觉的转换功能。用户：广大群众10虚拟现实和发展应用5/9/2024虚拟现实发展经历了30余年的历程，2016年迎来了虚拟现实技术的大众认可，造成了虚拟现实的发展新高潮。2016：虚拟现实元年11虚拟现实和发展应用5/9/2024a) 科学研究的方法：虚拟现实是继理论推演、实验观察之后的新的科学研究方法，即虚拟仿真研究。所以他可以用于科学研究，推动新的科学理论和实践工作。b) 文明传承的方法：虚拟现实是为人们提供一种非比一般的体验，人类在知识传授、技艺传承过程中，通过体验学习，知行合一，是最重要的学习方法。所以虚拟现实是教育、培训的重要方法。c) 大众生活的方法：虚拟现实为人们生活提供新的方式，在娱乐、演出、家庭生活、数字通讯方面将带来非同一般的感受和方便。12虚拟现实和发展应用5/9/2024虚拟现实+VR既是科学研究，也是民生大事。虚拟现实是不同于以往的信息技术，既可以具有高大上的科研教学的应用前景，也能渗透于日常生活中，给出一个个人们喜闻乐见的科研新成果。有大量的科学研究机遇，也有普通人的体验乐趣，是一个大众参与的行业。虚拟现实将和当年的个人电脑、互联网一样，成为人类技术进步的重要一步，在与各行各业相结合过程中，推动行业的变化，形成虚拟现实+的新行业。13虚拟现实和发展应用5/9/2024虚拟现实应用：科学、文明、生活科学创新的方法：虚拟现实是认识世界的基本方法。文明传承：人类文明的口授言传，对现实的一种虚拟；生活方式：人生是一种体验，感觉的世界。计算机+虚拟现实+互联网+14虚拟现实和发展应用5/9/2024VR/AR/MR虚拟现实：VirtualReality虚拟现实技术是计算机图形学、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。自然交互是指人的头部转动，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。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）虚拟现实的技术成熟，应用得到了社会和各界的认同。(2016)15虚拟现实和发展应用5/9/2024增强现实：

AR的定义:主流的AR是指通过设备识别判断（二维、三维、GPS、体感、面部等识别物）将虚拟信息叠加在以识别物为基准的某个位置，并显示在设备屏幕上，可实时交互虚拟信息。总结起来即识别、虚实结合、实时交互。AR的工作方式是在真实世界当中叠加虚拟内容。这些内容可以是简单的数字或文字通知，也可以是复杂的虚拟图像。16虚拟现实和发展应用5/9/2024混合现实：MIXedReality

把VR和AR的优点集于一身。从理论上讲，混合现实可让用户看到看到现实世界（类似AR），但同时又能呈现出可信的虚拟物体（类似VR）。随后，它会把虚拟物体固定在真实空间当中，从而给人以真实感。在混合现实当中，体验者是可以感受到虚拟物体与现实世界之间的依存关系的。17虚拟现实和发展应用5/9/2024工信部虚拟现实产业发展白皮书信息产业是我国国民经济的基础性、战略性、先导性产业，对我国经济结构调整具有重要的示范意义，是稳增长、促改革的主战场。我国是全球领先的信息产业大国，以虚拟现实等产品为代表的一批市场反响好、用户体验佳的创新性产品推动了供给侧改革，成为提升消费类电子产品有效供给能力的重要手段。虚拟现实技术起源于20世纪60年代，是指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，通过调动用户各种感官（视觉、听觉、触觉、嗅觉等）来享受更加真实的、身临其境的体验。随着硬件性能的提升和成本的大幅度降低，近年来虚拟现实产品获得了广泛发展，特别是2016年美国消费电子展上，虚拟现实产品成为展会的绝对主角。18虚拟现实和发展应用5/9/2024VR产业链消费类电子产品有效供给能力19虚拟现实和发展应用5/9/2024新一代虚拟现实技术新技术发展，带来新的机遇。物联网技术遍地开花，云计算服务日臻完善，3D打印异军突起，大数据走向“民主”，互联网+带来革命变化。VR+新技术：在新时代条件下的虚拟现实技术。VR+大数据，云计算，VR+物联网，VR+3D打印；虚拟现实新一代的计算平台：计算的透明性主机革命：运算速度；存储量；控制能力；输入输出革命：感知能力（交互与体验）：键盘主机显示器鼠标打印机摄像机智能信息系统20虚拟现实和发展应用5/9/2024VR：人类和计算资源之间的媒介。现代计算技术发展到现在，随着个人计算机、人工智能、互联网的发展，形成了世界范围内的计算平台、智能系统，这是人类继能量资源、人力资源之后的知识信息资源，这是人类创造的智慧的资源。人们在与信息资源的获取和交互的过程中，虚拟现实就是未来的两者之间的媒体。绿色计算，环境宜人21虚拟现实和发展应用5/9/2024VR将构成人与计算系统的一个透明的智能界面（interface），人们都在使用它，但不会感到它的存在。就像我们在日常生活里，电是无处不在的，而我们并不是明显的感受到它。未来的计算，也是这样，无处不在的存在，但不需要我们刻意去操纵、管理。22虚拟现实和发展应用5/9/2024虚拟现实工作的主要部分：高档的计算平台：大型图形图像处理系统，普及性日常系统，小微便携移动系统模型群的生成；模型的特性，物理特性、化学、生命…构成的虚拟环境：构成方法（草图、语意、样例，环境的真实感，环境的智能，怡人；）在虚拟环境中人的交互：虚拟世界物体的交互；自然人与虚拟世界的交互；绿色计算，环境宜人23虚拟现实和发展应用5/9/2024虚拟与现实实体建模：设计建模：粒子系统：特定自然现象的模拟，水、火、云、爆炸。。。三维重建效果原始两幅图像基于两幅图像的三维模型重建24虚拟现实和发展应用5/9/2024虚拟现实应用虚拟的：可以虚拟就是商机？哪些地方可以虚拟？客户在哪里？想体验的都是我们的客户。虚拟现实是一种体验：人们想体验什么？我们有许多不满意，在虚拟世界中我们可以得到。我们想旅游，我们想体验遨游太空，。。。我们不满意。。。在虚拟世界里，你可以得到满足。好的体验是一种享受：享受学习、寓教于乐、好梦成真；“坏”的体验使我们可以防患于未然，比如抽烟和肺癌的变化的结果。通过虚拟，我们可以训练火灾时如何逃生，。。。25虚拟现实和发展应用5/9/2024虚拟现实应用领域。。。虚拟教育虚拟文化遗产保护虚拟医学虚拟娱乐。。。26虚拟现实和发展应用5/9/2024二、信息时代的教育发展教育的目标：知识传承+人类文明不同时代的传承方法、传承内容东西方的差异：“教”=“education”27虚拟现实和发展应用5/9/20241二、信息时代的教育发展现状：缺乏情境感，没有沉浸感；教学内容和知识缺乏可视化展示；教学内容固定，难以加入自己的想法；教学过程缺乏交互（教师与学生&学生与学生&学生与环境)；教学模式及评价方法有待提高；不足：从远程学习（D-Learning）、电子学习（E-Learning）、移动学习（M-Learning）等学习形式逐渐应用。MOOCS网络学习平台：精品课程、优秀教师。学习多元化、时空可选择，人数不受限。28虚拟现实和发展应用5/9/2024虚拟学习：用可视化的方法表述学习内容，在虚拟现实环境中交互学习，客观方法进行真实评价。解决方案：基于虚拟现实及可视化技术的教育教学模式D-LearningE-LearningM-LearningV-Learning29虚拟现实和发展应用5/9/20241虚拟现实3I特性激发学习者的主动性和创造性；培养学习者的创造性思维，提高教育和学习效率；VirtualRealityImmersionInteractiveImagination视觉来认知信息占83%，其余感官的获取量占17%；视觉信息持久性更长；SeetheUnseen；可视化技术：虚拟现实技术：教学内容可视化；可视化结果客观评价教学效果；30虚拟现实和发展应用5/9/2024二、虚拟现实的教育我们推出一种基于虚拟现实技术的教育教学模式：维乐(WiLe)学习系统（VisualizationandVirtualrealityforLearning，WiLe)。研究面向现代职业技术教育的虚拟现实的理论和方法，解决实现中的关键技术问题，缩小“教育数字鸿沟”，进而提升学生素质培养，能力培养，带动中国教育理念、教育方法、教学方式的革命。教学内容可视化，教学环境虚拟化，教学过程交互化，教学评价客观化。31虚拟现实和发展应用5/9/2024工程中心基本情况1一、V-learning基于虚拟现实的教育32虚拟现实和发展应用5/9/2024虚拟现实和发展应用学科：基础学科数学：解析几何。投影几何物理：基于牛顿力学的运动，基于物理属性事物化学：分子、蛋白的三维结构。生物：沙漠——绿洲，四季变化，树木生长自然地理：天文太阳系学科：基础学科335/9/2024虚拟学习环境与平台电子黑板北京师范大学信息科学与技术学院教育部虚拟现实应用工程研究中心2024/5/934虚拟现实和发展应用5/9/2024虚拟学习资源及管理化学分子及蛋白分子模型资源北京师范大学信息科学与技术学院教育部虚拟现实应用工程研究中心2024/5/935虚拟现实和发展应用5/9/2024虚拟学习资源及管理自然环境模型资源北京师范大学信息科学与技术学院教育部虚拟现实应用工程研究中心2024/5/936虚拟现实和发展应用5/9/2024虚拟学习资源及管理目前拥有10万余条数据的三维模型数据库北京师范大学信息科学与技术学院教育部虚拟现实应用工程研究中心2024/5/937虚拟现实和发展应用5/9/2024Demo1：虚拟学习三维场景搭建不同光照效果和视角的教室三维虚拟场景北京师范大学信息科学与技术学院教育部虚拟现实应用工程研究中心2024/5/938虚拟现实和发展应用5/9/2024受教育、训练D-LearningE-LearningM-LearningV-LearningMOOCS沉浸性、交互性、想象性，未来教育。。。39虚拟现实和发展应用5/9/2024虚拟娱乐家书抵万金电话视频电话虚拟现实（灵境）通讯娱乐看书看戏听歌\收音机看电影、电视虚拟现实（灵境）演出40虚拟现实和发展应用5/9/2024虚拟战场：虚拟现实将成为未来军事的主要手段：41虚拟现实和发展应用5/9/2024包括秦始皇兵马俑的数字化，碎片虚拟重构拼接；兵马俑虚拟修复、兵马俑军阵的虚拟演练。【复活的秦兵马俑】42虚拟现实和发展应用5/9/2024通过VR技术展示“丝绸之路”上的文化遗产，包含了考古出土的珍贵文物近百件、胡人俑百余个。包括中华文化元素库、重建长安城建设，洛阳旅游文化建设，与欧洲的重建罗马相呼应，建设从长安到罗马的网上丝路。完成网上动态资源20余万，服务丝路经济带建设。【丝路花雨】胡人俑模型（左：VR环境下的三维扫描模型；右：3D打印模型）43虚拟现实和发展应用5/9/2024中华文化知识工程建设，利用数字化手段和互联网方式，对现有文化知识与遗产遗存进行数字化，完成数据采集、汇集、入库、管理、分类，通过在线平台进行共享、展示和传播，最大限度地保存不同时代中华文化的知识原貌，提供知识服务，促进国际国家的文化交流与合作，帮助发展中国家建立公共数据服务平台和知识服务系统，增强科技文化合作的能力建设。【中华文化知识工程】中华文化知识中心网站44虚拟现实和发展应用5/9/2024本项目采用虚拟现实手段，将不可移动文物和非物质文化相结合，展示了北京的胡同文化，民俗、戏曲等在古老的胡同文化中展示出来。【北京明清文化的虚拟展示】