《信息技术与我们的生活》-第二章

第1节

计算机的发展历程

一、计算机始祖电脑的学名叫作电子计算机。以人类发明这种机器的初衷,它的始祖应该是计算工具。英语里“Calculus”(计算)一词来源于拉丁语,既有“算法”的含义,也有肾脏或胆囊里的“结石”的意思。远古的人们用石头来计算捕获的猎物,石头就是他们的计算工具。著名科普作家阿西莫夫说,人类最早的计算工具是手指,英语单词“Dight”既表示“手指”又表示“整数数字”;而中国古人常用“结绳”来帮助记事,“结绳”当然也可以充当计算工具。石头、手指、绳子……这些都是古人用过的“计算机”。不知何时,许多国家的人都不约而同想到用“筹码”来改进计算工具,其中要数中国的算筹最有名气。商周时代问世的算筹,实际上是一种竹制、木制或骨制的小棍。古人在地面或盘子里反复摆弄这些小棍,通过移动来进行计算,从此出现了“运筹”这个词,运筹就是计算,后来才派生出“筹”的词义。下一页返回第1节

计算机的发展历程

中国古代科学家祖冲之最先算出了圆周率小数点后的第6位,使用的工具正是算筹,这个结果即使用笔算也很难求得。欧洲人发明的算筹与中国不尽相同,他们的算筹是根据“格子乘法”的原理制成的。例如要计算1248×456,可以先画一个矩形,然后把它分成3×2个小格子,在小格子边依次写下乘数、被乘数的各位数字,再用对角线把小格子一分为二,分别记录上述各位数字相应乘积的十位数与个位数。把这些乘积由右到左,沿斜线方向相加,就得到最后的乘积。1617年,英国数学家纳皮尔把格子乘法表中可能出现的结果,印刻在一些长条的算筹上,利用算筹的摆放来进行乘、除或其他运算。纳皮尔算筹在很长一段时间里,是欧洲人主要的计算工具。算筹在使用中一旦遇到复杂运算常弄得繁杂混乱,让人感到不便,于是中国人又发明了一种新式的“计算机”。上一页下一页返回第1节

计算机的发展历程

著名作家谢尔顿在他的小说《假如明天来临》里讲过一个故事:骗子杰夫向经销商兜售一种袖珍计算机,说它“价格低廉,绝无故障,节约能源,10年中无须任何保养”。商人打开包装盒一看,这台“计算机”原来是一个来自中国的算盘。世界文明的四大发源地———黄河流域、印度河流域、尼罗河流域和幼发拉底河流域先后都出现过不同形式的算盘,只有中国的珠算盘一直沿用至今。珠算盘最早可能出现于汉代,定型于南北朝。它利用进位制记数,通过拨动算珠进行运算:上珠每珠当五,下珠每珠当一,每一档可当作一个数位。打算盘必须记住一套口诀,口诀相当于算盘的“软件”。算盘本身还可以存储数字,使用起来的确很方便,它帮助中国古代数学家取得了不少重大的科技成果,在人类计算工具史上具有重要的地位。上一页下一页返回第1节

计算机的发展历程

15世纪以后,随着天文学、航海业的发展,计算工作日趋繁重,迫切需要探求新的计算方法并改进计算工具。1630年,英国数学家奥特雷德使用当时流行的对数刻度尺做乘法运算,突然萌生了一个念头:若采用两根相互滑动的对数刻度尺,不就省得用两脚规度量长度了吗?他的这个设想导致了“机械化”计算尺的诞生。奥特雷德是理论数学家,对这个小小的计算尺并不在意,也没有打算让它流传于世,此后200年,他的发明未被实际运用。18世纪末,以发明蒸汽机闻名于世的瓦特成功地制造出了第一把名副其实的计算尺。瓦特原来就是一位仪表匠,他的蒸汽机工厂投产后,需要迅速计算蒸汽机的功率和气缸体积。瓦特设计的计算尺,在尺座上多了一个滑标,用来“存储”计算的中间结果,这种滑标被后人沿用了很长时间。1850年以后,对数计算尺迅速发展,成了工程师们必不可少的随身携带的“计算机”,直到20世纪五六十年代,它仍然是代表工科大学生身份的一种标志。上一页下一页返回第1节

计算机的发展历程

凝聚着许许多多科学家和能工巧匠智慧的早期计算工具,在不同的历史阶段发挥过巨大作用,但也将随着科学发展而逐渐消亡,最终完成它们的历史使命。二、机械计算机第一台真正的计算机是著名科学家帕斯卡(B.Pascal)发明的机械计算机。帕斯卡1623年出生在法国一个数学家家庭,他3岁丧母,由担任税务官的父亲抚养长大。从小他就显示出对科学研究的浓厚兴趣。少年帕斯卡很爱他的父亲,他每天都看着年迈的父亲费力地计算税率税款,很想帮助父亲做点事,可又怕父亲不放心。于是,未来的科学家想到了为父亲制作一台可以计算税款的机器。19岁那年,他发明了人类有史以来第一台机械计算机。上一页下一页返回第1节

计算机的发展历程

帕斯卡的计算机是一种系列齿轮组成的装置,外形像一个长方盒子,用儿童玩具那种钥匙旋紧发条后才能转动,只能做加法和减法。然而,即使只做加法,也有个“逢十进一”的进位问题。聪明的帕斯卡采用了一种小爪子式的棘轮装置。当定位齿轮朝9转动时,棘爪便逐渐升高,一旦齿轮转到0,棘爪就“咔嚓”一声跌落下来,推动十位数的齿轮前进一挡。帕斯卡的计算机发明成功后,他一连制作了50台这种被称为“帕斯卡加法器”的计算机,现在遗留下来的至少还有5台。比如,在法国巴黎工艺学校、英国伦敦科学博物馆都可以看到帕斯卡计算机原型。据说在中国的故宫博物院,也保存着2台铜制的复制品,是当年外国人送给慈禧太后的礼品,“老佛爷”哪里懂得它的奥妙,只把它当成了西方的洋玩具藏在深宫里。上一页下一页返回第1节

计算机的发展历程

帕斯卡是真正的天才,他在诸多领域都有建树。后人在介绍他时,说他是数学家、物理学家、哲学家、流体动力学家和概率论的创始人。凡是学过物理的人都知道一个关于液体压强性质的“帕斯卡定律”,这个定律就是他的伟大发现并以他的名字命名的。他甚至还是文学家,其文笔优美的散文在法国极负盛名。可惜,长期从事艰苦的研究损害了他的健康,1662年帕斯卡英年早逝,年仅39岁。他留给了世人一句至理名言:“人好比是脆弱的芦苇,但是他又是有思想的芦苇。”全世界“有思想的芦苇”,尤其是计算机领域的后来者,都不会忘记帕斯卡在混沌中点燃的亮光。1971年发明的一种程序设计语言———PASCAL语言,就是为了纪念这位先驱,使帕斯卡的英名长留于电脑时代。帕斯卡的计算机经莱布尼茨改进之后,人们又给它装上电动机来驱动,成为名副其实的“电动计算机”,并且一直使用到20世纪20年代。尽管帕斯卡与莱布尼茨的发明还不是现代意义上的计算机,但它们毕竟使人类迎来了计算机史上的第一缕曙光。上一页下一页返回第1节

计算机的发展历程

三、现代计算机发展(一)第一代计算机———电子管计算机(二)第二代计算机———晶体管计算机(三)第三代计算机———集成电路计算机(四)第四代计算机———大规模集成电路计算机上一页返回第2节

计算机网络发展历程

一、计算机网络概述计算机网络近年来获得了飞速的发展。20年前,在我国很少有人接触过网络。现在,计算机通信网络以及因特网已成为我们社会结构的一个基本组成部分。网络被应用于工商业的各个方面,包括电子银行、电子商务、企业管理、信息服务业等都以计算机网络系统为基础。从学校远程教育到政府日常办公,乃至现在的电子社区,很多方面都离不开网络技术。可以不夸张地说,网络在当今世界无处不在。1997年,在美国拉斯维加斯的全球计算机技术博览会上,微软公司总裁比尔·盖茨先生发表了著名的演说。在演说中,“网络才是计算机”的精辟论点充分体现出信息社会中计算机网络的重要基础地位。计算机网络技术的发展越来越成为当今世界高新技术发展的核心之一。网络的发展也是一个经济上的冲击。数据网络使个人化的远程通信成为可能,并改变了商业通信的模式。下一页返回第2节

计算机网络发展历程

一个完整的用于发展网络技术、网络产品和网络服务的新兴工业已经形成,计算机网络的普及性和重要性导致不同岗位对具有更多网络知识的人才的大量需求。企业需要雇员规划、获取、安装、操作、管理那些构成计算机网络和因特网的软硬件系统。另外,计算机编程已不再局限于个人计算机,而要求程序员设计并实现能与其他计算机上的程序通信的应用软件。二、计算机网络的发展阶段(一)诞生阶段(二)形成阶段(三)互联互通阶段(四)高速网络技术阶段上一页下一页返回第2节

计算机网络发展历程

三、互联网的发展趋势和挑战(一)发展趋势1.超宽带大势所趋2.移动终端主流化3.“硬”连接成为新潮流4.传统媒体和新兴媒体进一步融合发展5.大数据研究产业化上一页下一页返回第2节

计算机网络发展历程

(二)互联网面临的挑战目前互联网已经取得了巨大的成功,但在当前技术不断演进的时代,互联网也正面临着严峻的挑战。归纳起来,主要有三个问题。首先,由于传统网络架构不够灵活,不能适应不断涌现的新业务需求,网络可持续发展的问题日益严峻,服务质量难以保证,产业价值链难以为继。其次,互联网流量飞速增长,信息冗余传输严重,网络难以适应未来信息海量增长的需求。最后,互联网与实体经济深度融合是发展的必然趋势,信息网络和传统行业深度融合发展具有巨大空间,但现阶段信息网络在实时性、安全性、灵活性等方面仍旧满足不了应用需求。上一页返回第3节

未来信息技术

一、光计算机光计算机是由光代替电子或电流,实现高速处理大容量信息的计算机。其基础部件是空间光调制器,并采用光内连技术,在运算部分与存储部分之间进行光连接,运算部分可直接对存储部分进行并行存取。它突破了传统的用总线将运算器、存储器、输入和输出设备相连接的体系结构,运算速度极高、耗电极低,目前尚处于研制阶段。下一页返回第3节

未来信息技术

(一)光计算机的发展1.光计算机萌芽阶段2.光计算机突破阶段(二)光计算机部件1.光学数字信号处理器光学数字信号处理器的运算速度达到了8万亿次/秒,是普通数字信号处理器的1000倍。它的出现,“将使战争性质发生变革,其影响类似于坦克或飞机的问世”。2003年10月底,全球首个嵌入光核心的商用向量光学数字处理器———由以色列Lenslet公司研发的Enlight在美国波士顿军事通信展览会上露面,引起了业界莫大的关注。因为它的出现预示着计算机将进入光学时代。上一页下一页返回第3节

未来信息技术

2.光存储技术（1）光陷阱。澳大利亚国立大学的物理学家杰文·朗戴尔及其同事利用新型光陷阱首次成功地将一个光脉冲“冻住”了足足1秒钟的时间,这是以前最好成绩的1000倍。将“冻住”光束的时间大大延长,意味着能据此找到实用方法来制造光计算机或量子计算机用的存储设备。（2）全息存储技术。在一张CD大小的盘上保存更多的数据(千亿字节数量级)需要采取不同技术,如全息照相技术。我们可以把光线看成光波,就像水塘中的水波一样,光敏材料中的两股或多股光波在交汇点会产生特殊的干涉图案。全息照相存储的主要优势在于可记录三维信息和一次同时读出一整页数据,其结果是给我们带来了一种可以存储千亿字节数据,能以每秒10亿多比特传输数据,并能以不到100微秒的时间随机选取数据的新介质。上一页下一页返回第3节

未来信息技术

（3）光计算光线传输编码信息不足为奇,因为全球通信全部依靠光缆来传输,但用光信号来处理数据和进行计算还是不切实际的。研究光计算机还是值得做的,因为使用光能增加计算机的速度和处理的数据量。但对光的诱捕、存储以及操作依然非常困难。美国伊利诺伊州大学保罗·布劳恩等人的研究让我们更接近这一目标。他们已经研制出一种三维光学波导光子晶体,可以诱捕光,使其降低速度,并在锐角转角处让光弯曲,而不必担心光逃逸。同时,美国哈佛大学的米哈伊尔·卢金已经开发出一种光晶体管,可以让单个光子从一个光信号转换成另外一个光信号。上一页下一页返回第3节

未来信息技术

(三)光计算机的成果展示1990年,贝尔实验室推出了一台由激光器、透镜、反射镜等组成的计算机。尽管它的装置很粗糙,只能用来计算,但是,它毕竟是光计算机领域中的一大突破,这就是光计算机的雏形。1990年1月29日美国电话电报公司贝尔实验室的科学家宣布,贝尔实验室以美籍华裔科学家黄庚珏为首的小组研制成功了第一代光计算机。这种计算机利用激光光束而非电波进行数据计算和资料处理,其运算速度比普通的电子计算机快1000倍。世界计算机技术实现了革命性的突破。这种利用光作为载体进行信息处理的计算机被称为光计算机,又叫光脑,它是靠激光束进入由反射镜和透镜组成的阵列中来对信息进行处理的。与电脑相似之处是,光脑也靠一系列逻辑操作来处理和解决问题。计算机的功率取决于其组成部件的运行速度和排列密度,光在这两个方面都很理想。上一页下一页返回第3节

未来信息技术

激光束对信息的处理速度可达现有半导体硅器件的1000倍。光束在一般条件下互不干扰的特性,使光脑能够在极小的空间内开辟很多平行的信息通道,密度大得惊人。一块截面为5分硬币大小的棱镜,其通过能力超过全球现有全部电话电缆的许多倍。(四)光计算机与电子计算机比较1.电子计算机的缺点（1）尽管在电子元器件中传输的是很弱的电流,但随着元器件的高度密集,不仅工作时产生的热量会急剧增加,而且相邻的元件也会彼此干扰。（2）电子计算机的元器件中,电子的运动速度约为每秒60千米。即便是在砷化镓器件中,电子的运动速度也不会超过每秒500千米。也就是说,电子在导体中最快的运动速度也不及光子流运动速度的10%,这就大大限制了运算速度的提高。而且当电子计算机的工作频率超过100兆赫,或每秒转换(运算)1亿次时,还会出现一些不正常的情况。上一页下一页返回第3节

未来信息技术

（3）由于计算机的结构和功能日趋复杂化,组成运算电路的电子元件也日益增多。为了在有限的面积上容纳下更多的元件,人们早就将许许多多元件密集起来,做成一个个小方块,这类方块就叫集成块,或叫集成电路。每个集成块通过身上的插脚固定在位置上,并与整个电路相连。超大规模集成块的插脚很多,而且越来越多,目前最多的已有300只插脚。若干年后,也许会出现有上千只插脚的集成块,它们会占据很大的空间,以致无处安放它们。2.光计算机具有的优点（1）超高速的运算速度。光计算机并行处理能力强,因而具有更高的运算速度。电子的传播速度是每秒593千米,而光子的传播速度却达每秒3×105千米。对于电子计算机来说,电子是信息的载体,它只能通过一些相互绝缘的导线来传导,即使在最佳的情况下,电子在固体中的运行速度也远远不如光速。尽管目前的电子计算机运算速度不断提高,但它的能力还是有限的。上一页下一页返回第3节

未来信息技术

（2）超大规模的信息存储容量。与电子计算机相比,光计算机具有超大规模的信息存储容量。光计算机具有极为理想的光辐射源———激光器,光子的传导是不需要导线的,而且即使在相交的情况下,它们之间也不会产生丝毫影响。光计算机无导线传递信息的平行通道,其密度实际上是无限的,一枚五分硬币大小的棱镜,它的信息通过能力竟是全世界现有电话电缆通道的许多倍。上一页下一页返回第3节

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（3）能量消耗小,散发热量低,是一种节能型产品。光计算机的驱动,只需要同类规格的电子计算机驱动能量的一小部分,这不仅降低了电能消耗,大大减少了机器散发的热量,而且为光计算机的微型化和便携化提供了便利的条件。科学家们正试验将传统的电子转换器和光子结合起来,制造一种“杂交”的计算机,这种计算机既能更快地处理信息,又能克服巨型电子计算机运行时内部过热的难题。上一页下一页返回第3节

未来信息技术

二、人工智能人工智能(ArtificialIntelligence,AI)是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。人工智能是计算机科学的一个分支,它试图了解智能的实质,并生产出一种新的能以类似人类智能的方式做出反应的智能机器。该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。人工智能诞生以来,理论和技术日益成熟,应用领域也不断扩大,可以设想,未来人工智能带来的科技产品,将会是人类智慧的“容器”。人工智能可以模拟人的意识、思维的过程。人工智能不是人的智能,但能像人那样思考,也可能超过人的智能。上一页下一页返回第3节

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人工智能是一门极富挑战性的学科,从事这项工作的人必须懂得计算机科学、心理学、哲学和语言学。人工智能是内容十分广泛的学科,它由不同的领域组成,如机器学习、计算机视觉,等等。总的说来,人工智能研究的一个主要目标是使机器能够胜任一些通常需要人类智能才能完成的复杂工作。但不同的时代、不同的人对这种“复杂工作”的理解是不同的。(一)定义详解人工智能的定义可以分为两部分,即“人工”和“智能”。“人工”比较好理解,争议也不大。有时我们会考虑什么是人力所能及的,或者人自身的智能程度有没有高到可以创造人工智能的地步,等等。但总的来说,“人工系统”就是通常意义下的人工系统。上一页下一页返回第3节

未来信息技术

关于什么是“智能”,问题就多了。这涉及诸如意识(Consciousness)、自我(Self)、思维(Mind)(包括无意识的思维(Unconscious-mind))等问题。人唯一了解的智能是人本身的智能,这是普遍认同的观点。但是我们对自身智能的了解都非常有限,对构成人的智能的必要元素也了解有限,所以就很难定义什么是“人工”制造的“智能”了。因此人工智能的研究往往涉及对人的智能本身的研究。关于动物或人造系统的智能也普遍被认为是人工智能相关的研究课题。人工智能在计算机领域得到了愈加广泛的重视,并在机器人、经济政治决策、控制系统、仿真系统中得到应用。美国斯坦福大学的尼尔逊教授对人工智能下了这样一个定义:“人工智能是关于知识的学科———怎样表示知识以及怎样获得知识并使用知识的科学。”而美国麻省理工学院的温斯顿教授认为:“人工智能就是研究如何让计算机去做过去只有人才能做的智能工作。”上一页下一页返回第3节

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(二)发展阶段1956年夏季,以麦卡赛、明斯基、罗切斯特和申农等为首的一批具有远见卓识的年轻科学家聚在一起,共同研究和探讨用机器模拟智能的一系列有关问题,并首次提出了“人工智能”这一术语,它标志着“人工智能”这门新兴学科的正式诞生。IBM公司“深蓝”电脑击败了人类的国际象棋世界冠军便是人工智能技术的一个完美体现。从1956年正式提出至今60多年来,人工智能学科取得了长足发展,成为一门广泛的交叉和前沿学科。总的说来,人工智能的目的就是让计算机能够像人一样思考。如果希望制造出一台能够思考的机器,那就必须知道什么是思考,进一步讲就是什么是智慧。什么样的机器才是智慧的呢?科学家已经造出了汽车、火车、飞机、收音机,等等,它们模仿我们身体器官的功能,但是能不能模仿人类大脑的功能呢?到目前为止,我们也仅仅知道大脑这个装在我们头颅里面的东西是由数十亿个神经细胞组成的器官,我们对这个器官知之甚少,模仿它或许是天下最困难的事情了。上一页下一页返回第3节

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计算机出现后,人类开始真正有了一个可以模拟人类思维的工具,在其后的岁月中,无数科学家为这个目标努力着。如今人工智能已经不再是几个科学家的专利了,全世界几乎所有大学的计算机系都有人在研究这门学科,学习计算机的大学生也必须学习这门课程。在大家不懈的努力下,如今计算机似乎已经变得十分聪明了。大家或许不会注意到,在一些领域计算机已经帮助人类做了许多原来只属于人类的工作,计算机以它的高速和准确为人类发挥着作用。人工智能始终是计算机科学的前沿学科,计算机编程语言和其他计算机软件都因为有了人工智能的发展而得以存在。(三)研究价值繁重的科学和工程计算本来是人脑承担的,如今计算机不但能完成这种计算,而且比人脑计算得更快、更准确。因此当代人已不再把这种计算看作“需要人类智能才能完成的复杂任务”。上一页下一页返回第3节

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可见“复杂工作”的定义是随着时代的发展和技术的进步而变化的,人工智能这门学科的具体目标也必然随着时代的变化而发展。它一方面不断获得新的进展,另一方面又转向更有意义、更加困难的目标。通常“机器学习”的数学基础是“统计学”“信息论”和“控制论”,还包括其他非数学学科。这类“机器学习”对“经验”的依赖性很强。计算机需要不断地从解决一类问题的经验中获取知识、学习策略,在遇到类似的问题时,运用经验知识解决问题并积累新的经验,就像普通人一样。我们可以将这样的学习方式称为“连续型学习”。但人类除了会从经验中学习之外,还会创造,即“跳跃型学习”。这被称为“灵感”或“顿悟”。一直以来,计算机最难学会的就是“顿悟”。或者再严格一些来说,计算机在“学习”和“实践”方面难以学会“不依赖量变的质变”,很难从一种“质”直接到另一种“质”,或者从一个“概念”直接到另一个“概念”。因此,这里的“实践”并非人类的实践。人类的实践过程同时包括经验和创造。上一页下一页返回第3节

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这是智能化研究者梦寐以求的东西。2013年,帝金数据普数中心数据研究员S.C.Wang开发了一种新的数据分析方法,该方法导出了研究函数性质的新方法。作者发现,新数据分析方法给计算机学会“创造”提供了一种方法。在本质上,这种方法为人的“创造力”的模式化提供了一种相当有效的途径。这种途径是数学赋予的,是普通人无法拥有但计算机可以拥有的“能力”。从此,计算机不仅精于算,还会因精于算而精于创造。计算机科学家们应该坚决果断地剥夺“精于创造”的计算机过于全面的操作能力,否则计算机真的有一天会“反捕”人类。当回头审视新方法的推演过程和数学的时候,作者拓展了对思维和数学的认识。数学简洁,清晰,可靠性、模式化强。在数学的发展史上,处处闪耀着数学大师们创造力的光辉。这些创造力以各种数学定理或结论的方式呈现出来,而数学定理最大的特点就是建立在一些基本的概念和公理上,以模式化的语言表达出包含丰富信息的逻辑结构。应该说,数学是最单纯、最直白地反映着(至少一类)创造力模式的学科。上一页下一页返回第3节

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三、虚拟现实虚拟现实(VR)技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统。它利用计算机生成一种模拟环境,是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真,能使用户沉浸到该环境中。(一)简介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。感知是指理想的虚拟现实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感知等,也称为多感知。上一页下一页返回第3节

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自然技能是指人的头部、眼睛转动,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,并对用户的输入做出实时响应,再分别反馈到用户的五官。传感设备是指三维交互设备。(二)特征（1）多感知性。（2）存在感。（3）交互性。（4）自主性。上一页下一页返回第3节

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(三)关键技术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、对用户头(眼)的跟踪技术,以及触觉/力觉反馈、立体声、语音输入输出技术等。下面对这些技术分别加以说明。1.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。上一页下一页返回第3节

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2.广角(宽视野)立体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。视差产生了立体感。3.对用户头(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,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。上一页下一页返回第3节

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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。上一页下一页返回第3节

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4.触觉/力觉反馈在一个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感觉手套内层安装一些可以振动的触点来模拟触觉。5.立体声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。在现实生活里,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。上一页下一页返回第3节

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6.语音输入输出在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字词的影响,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唆;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。上一页下一页返回第3节

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(四)技术应用4.医学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,借助于空间球、HMD(头戴式显示器)、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。2.娱乐丰富的感觉能力与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。上一页下一页返回第3节

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3.军事与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20世纪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,该系统可连接200多台模拟器。另外利用VR技术,可模拟零重力环境,代替非标准的水下训练宇航员的方法。4.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。虚拟现实技术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。上一页下一页返回第3节

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5.文物古迹保护利用虚拟现实技术,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。首先可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。其次可利用这些技术来提高文物修复的精度和预先判断、选取采用的保护手段,同时可以缩短修复工期。大范围内的文物资源可通过计算机网络来整合统一,文物可利用虚拟技术更加全面、生动、逼真地展示,从而脱离地域限制,实现资源共享,真正成为全人类“拥有”的文化遗产。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。上一页下一页返回第3节

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6.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。7.教育虚拟现实技术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,使传统的“以教促学”的学习方式被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所取代。上一页下一页返回第3节

未来信息技术

四、其他计算机(一)高速超导计算机所谓超导,是指有些物质在接近绝对零度(相当于-269℃)时,电流流动是无阻力的。超导计算机是使用超导体元件的高速计算机。这种电脑的耗电量仅为用半导体元件制造的电脑的几千分之一,它执行一个指令只需十亿分之一秒,比半导体元件快10倍。以目前的技术制造出的超导电脑用集成电路芯片只有3~5立方毫米大小。(二)生物计算机生物计算机主要是以生物电子元件构建的计算机。它利用蛋白质的“开关”特性,用蛋白质分子为元件制成的生物芯片构成,其性能是由元件与元件之间电流启闭的开关速度来决定的。用蛋白质制造的电脑芯片,存储点只有一个分子大小,所以它的存储容量可以达到普通电脑的10亿倍。上一页下一页返回第3节