人工基础智能与应用 4

人工智能技术及应用——上篇虚拟现实初识•娱乐领域的刚需：游戏、

4D影院、体验馆……•虚拟现实在工业、训练、科学研究中确实很有用•虚拟现实已经成为继理论计算和实验验证之后的第三种科学验

证手段•小说、戏剧、电影……?人们每天走神的次数大约有两千次；

大脑大约15%-25%的时间都在开小差•对“虚拟世界”的追求是人的一种本能为什么要研究虚拟现实？•走神•做梦2目录01虚拟现实基本概念02虚拟现实的关键技术03案例分析04本章小结01虚拟现实基本概念虚拟现实技术的发展历程虚拟现实技术的研究已经有几十年的历史了，它的发展历程主要可以划分为三大阶段：初创期、积累期、爆发期9

初创期（20世纪50-70年代）1950年，美国的麻省理工学院（MassachusettsInstituteofTechnology，MIT）也研制出了一台旋风一号计算机，首次配备了世界上的第一台采用阴极射线管的显示器，使得该计算机不仅仅是只能进行数值计算，还能够进行简单的图形显示，尽管它还不能进行所谓的图形交互操作，但最早开创了计算机图形显示的先例。1956年，第一套可应用的虚拟现实设备Sensorama的摩托车驾驶仿真模拟器，并在5年后为这项技术申请了专利。该仿真器可仿真骑车者穿越纽约市的过程,"骑车人"在运动中能感受到风,感受到路面的颠簸,当经过饭店时,"骑车人"甚至能闻到食品的香味。1965年,伊凡·苏泽兰,提出了

TheUltimateDisplay（终极的显示）的概念。1968年，计算机图形学之父和虚拟现实之父IvanSutherland组织开发了第一的虚拟现实原型设备，并命名为TheSwordofDamocles（达摩克利斯之剑）.IvanSutherland使用两个可以戴在眼睛上的阴极射线管研制出了第一个头盔式显示器。

积累期（20世纪80-90年代）20世纪80年代，美国的VPL公司创始人JaronLanier（拉尼尔）正式提出了VirtualReality一词。当时，研究此项技术的目的是提供一种比传统计算机模拟更好的方法。1984年，VPLResearch公司推出划时代的虚拟现实设备Eyephone和数据手套（DataGlove）；1989年，EricHowlett基于“大跨度超视角”（LEEP）技术，推出的虚拟现实头盔Cyberface；1994年，Victormaxx公司推出的虚拟现实设备VictormaxxCybermaxx。

爆发期（21世纪-现在）2014年，PalmerLcukey（帕尔默·拉齐）作为一名科技爱好者，他成功组装出了一台虚拟现实头盔模型，将它命名为Rift，不久之后，PalmerLcukey成立了自己的公司，它就是众所周知的OculusRift。在VR领域，OculusRift绝对称得上是先锋，OculusRift公司被Facebook以20亿美金的价格收入囊中

爆发期（21世纪-现在）PalmerLcukey2015年3月5号索尼对外展示了最新研发的PS4虚拟现实头戴设备ProjectMorpheus。爆发期（21世纪-现在）

2015年5月11日虚拟现实眼镜GearVR开卖。和其他VR眼镜最大的不同在于，三星GearVR并未在眼镜中集成太多的硬件，而是需要跟GalaxyS6或S6Edge配合使用——你需要把三星手机组合进GearVR中，才能享受后者带来的震撼视觉效果。2016年，NVIDIA在7月发布了最新型GPU显卡GeForceGTX1060。8月，VR流媒体NextVR公司获得8000万美元融资。12月，Oculus新型人体工学VR手柄OculusTouch开卖。虚拟现实技术定义什么是虚拟现实系统目的：模拟一个可以“以假乱真”的环境。方法：以计算机为核心，综合多种高技术和先进设备协调生成。效果：满足用户的感官交互需求和心智的认知能力。(例如模拟一个法庭)应用：作为一个系统，有侧重。本质：是一种计算机与用户接口。应该按照不同的视角来进行：科学方面的意义：由人主导，计算机管控下的一种模拟环境、感知、并提供人与物质世界进行自然交互的系统。工程与应用方面的意义：一种用于教育培训、环境模拟、系统仿真的高级人机接口。

定义

虚拟：有假的、构造的内涵。

现实:有真实的、存在的意义。可能是真实世界的反映，也可能是世界上根本不存在的，而由技术手段来虚拟的。

虚拟现实技术是指采用以计算机技术为核心的现代高科技手段生成逼真的视觉、听觉、嗅觉、触觉、味觉等一体化的虚拟环境，用户通过一些输入输出设备，采用自然的方式与虚拟世界中的物体进行交互、互相影响，从而产生亲临真实环境的感受和体验。

虚拟现实概念辨析•虚拟现实与景观动画•虚拟现实与三维漫游•虚拟现实与三维游戏•虚拟现实与计算机图形学•

虚拟现实与VR头盔交互性5虚拟现实技术应用

应用模拟形式

第一种：模仿真实世界中的环境。

真实世界环境下，某小区卖房子，可以把小区做成立体的可交互的视频、图形、图像放置在网络中，人们通过网络浏览、交互就象自身亲临小区一样，从而可以较好的选择中意的房屋，销售部门也可以很方便的推销自己产品。美国影片与中国相比，恐怖片、科幻片比较多，中国片是历史剧质量好，各有所长。

美国的长处就是虚拟现实能力强大，阿凡达、2012世界末日等，都是利用了虚拟现实技术，而表现的环境至少目前社会上并不存在。

同样，许多电脑交互游戏，也是利用了计算机虚拟现实技术，做出了并不存在的各种特殊对象和特殊环境。但是人们感觉就是真的。

第二种：人类主观虚构的环境。有很多物体现象在真实世界中是存在的，但人类的肉眼有时观看不了，受自然生理限制，如微观世界中的物体分子、原子，基本粒子。

又如宏观世界中的黑洞、引力波等。这些内容要普通人理解，就必须通过虚拟现实技术制作成可视化的图形图像视频等。

第三种：模仿真实世界中的人类不可见的环境。虚拟现实技术的应用虚拟场景交互技术能够为用户提供逼真的虚拟场景体验，模拟用户作为主角存在于虚拟场景中的真实体验，并且用户可以通过与虚拟场景中的物体进行交互，提升用户的体验效果。军事与航天领域游戏娱乐医学领域工业领域教育领域旅游领域军事与航天领域

军事和航天领域主要应用于仿真训练与演练。图1-6哈勃望远镜修复虚拟系统娱乐游戏医学领域图1-8虚拟神经外科手术原型机

虚拟现实技术已初步应用于虚拟手术训练、远程会诊、手术规划及导航、远程协作手术等方面，某些应用已成为医疗过程不可替代的重要手段和环节。右图是北京交通大学长三角研究院刘小平教授团队克服了软组织物理模型、形变模型、虚实融合和应用领域等多项技术难关，研究出的高逼真度虚拟神经外科手术原形整机。

工业领域

在工业领域,虚拟现实技术多用于产品论证、设计、装配、人机工效和性能评价等方面。代表性的应用,如模拟训练、虚拟样机技术等已受到许多工业部门的重视。

教育领域

虚拟现实技术将会给教育领域带来巨大的变革。它将改变传统单一的、枯燥的、平面的教育方式和教学环境，给学生提供一个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。

远程教学虚拟实验室旅游领域

电子商务领域

虚拟现实技术采用了三维显示技术，因而可以通过构建具有逼真效果的虚拟商场，使得用户在购物过程中，拥有漫游实体商场一样的温馨感觉，在这里没有实体商场的喧啸，众人的拥挤，可以尽心浏览各种商品。

02虚拟现实关键技术虚拟现实体系结构一个完整的虚拟现实系统主要包括以下三个部分：虚拟环境：一个能产生虚拟世界的软硬件环境是虚拟现实系统最核心部分，该环境必须能够为用户提供大量的逼真及详尽的信息，比如场景、动作、声音等。人机交互：这部分设备是指一套能使用户与虚拟环境进行交互的设备比如鼠标，键盘、数据手套、显示器、音响等，利用输入输出设备可以将虚拟环境与用户联系起来，实现行为互动。虚实融合：通过统一集成技术,将虚拟环境、输入输出设备和用户端有机地连接成一体。这个部分是虚拟现实系统最终能否运行的重要条件，在这一部分当中包括硬件之间的协调与配合技术，同时也包括软件和硬件的协同工作技术以及人机界面等关键性技术。

三个基本特征：沉浸性：用户借助交互设备和自身感知系统，置身于虚拟环境中的真实程度。交互性：用户通过使用专门的输入输出设备，对虚拟环境内各种对象的可操作程度。构想性：构想性是虚拟系统的根源所在，虚拟现实场景的构建需要设计者无穷的想象力。有学者提出，还有一特性为：

多感知性：

人类与外部世界交往，可通过多感官同步进行，虚拟现实系统则提供了这方面功能，所以人机交互便捷。图1-1虚拟现实系统的典型构成虚拟现实的关键技术立体显示和传感器技术。虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。应用系统开发工具。虚拟现实技术应用的关键是寻找合适的对象和场合，也就是如何发挥想象力和创造性。研究新的虚拟现实开发工具有助于选择适当的应用对象，以降低劳动强度，提升效率和质量。系统集成技术。包括模型的标定、信息的同步、识别与合成、数据转换、数据管理模型等技术。动态环境建模技术。获取实际环境的三维数据和根据应用的需要利用获得的三维数据来建立相应的虚拟环境模型。实时三维图形生成技术。关键是如何达到”实时生成“，如何在不降低复杂程度和图形的质量的前提下提高刷新频率将是该技术的研究内容。多通道感知交互技术。网络传输与算力协同技术。安全可信技术。

研究和发展趋势

虚拟现实技术的研究内容大体上可分为VR技术本身的研究和VR技术应用的研究两大类。⒈动态环境建模技术⒉实时三维图形生成和显示技术⒊新型交互设备的研制⒋智能化语音虚拟现实建模⒌网络分布式虚拟现实(DistributedVirtualReality，DVR)的应用

虚拟现实技术所面临的问题

虚拟现实技术是一门年轻的科学技术，虽然在许多领域的实际应用已相当成熟，但总体来说尚存在不少有待解决的问题。

软硬件技术的局限性

相关设备普遍存在使用不方便，效果不佳等情况；硬件设备品种有待进一步扩展；价格比较昂贵且局限性很大；软件语言专业性强，通用性和易用性差；三维建模技术有待进一步突破；大数据融合处理有待进一步整合。

应用的局限性

主要应用在军事领域和高校科研方面，在教育领域、工业领域应用不够，此外，民用方向发展不够。

效果的局限性

虚拟世界的表示侧重集合表示，缺乏逼真的物理、行为模型。有关视觉合成研究多，其他较少，真实性与