VR2.0时代已悄然来临

2019-08-30 版权声明 举报文章

VR2.0时代已悄然来临

虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术的发展从1960年至2000年经历了VR1.0时代的探索期和快速成长期,2010年以后跨入VR2.0的大众化时代,并呈现出与PLM2.0紧密结合的态势:通过在线方式提供用户3D逼真体验,使产品开发更具有互动性,为企业增强核心竞争力。其“以人文本”的技术思想体现在VR概念、研究目标和方法形成的各个重要阶段。

一、VR是什么

VR就是虚拟现实(virtual reality),是一种以计算机为核心,结合相关科学技术,生成与一定范围真实环境在视、听、触感等各方面高度相似的数字化环境,用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响,可以产生亲临对应真实环境的感受和体验的技术。事实上,VR技术集成了计算机图形(CG)、计算机仿真、人工智能、立体显示和网络并行处理等技术的最新发展成果,是高技术模拟系统。

概括地说,VR是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式,与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比,其在技术思想上有质的飞跃。VR中的“现实”泛指在物理或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境,它可以是实际上可实现的,也可以是实际上难以实现或者根本无法实现的;“虚拟”是指由计算机生成的意思。因此,VR是用计算机生成的一种特殊环境,人可以通过各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中,并操作、控制环境,实现特殊的目的,即人是这种环境的主宰。技术以人为本,VR尤其如此,如图1所示。

根据VR的特性,其正逐步呈现出与仿真紧密结合的态势。由于单纯的系统仿真擅长于实现系统的仿真过程和辅助决策,对仿真过程和结果的直观性、逼真性表示方面却存在不足。而不同的仿真模型和数据可以利用VR进行更为逼真的展示和交互,从而加深对仿真结果的理解。VR成为仿真关键性的支撑技术之一,提出了虚拟仿真的概念:通过构建一个无缝集成不同虚拟系统的虚拟环境,实现“人在虚拟环境中操控虚拟系统”的仿真。

虚拟仿真技术网络化、虚拟化和集成化的特征使得该技术能够大大提高仿真的逼真性,充分满足现代仿真技术的发展要求。荀子曰:“不闻不若闻之,闻之不若见之,见之不若知之,知之不若行之,学至于行而止也。”就很好地体现了VR的作用。

二、VR的发展历程

1.VR1.0:少数人的狂欢

1960~2000年之间是V R1.0时代,在此期间,虚拟现实技术的发展大致经过了两个阶段:从20世纪60~90年代初期,是虚拟现实技术发展的探索阶段;从20世纪90年代至21世纪初期,是虚拟现实技术系统化,从实验室走向实用的快速成长阶段。这段时期发生的重要事件如图2所示。

1962年,美国电影摄影师MortonHeilig研制出一套称为Sensorama的立体电影系统。这是世界上第一个VR原型机,并取得专利。该设备只能提供一个人观看,具有多种感官刺激,能够生成立体图像和声音效果,并产生不同的气味,座位能根据剧情的变化产生摇摆和振动,还能感觉到有风在吹动。

1965年,计算机图形学的奠基者美国科学家I v a n Sutherland博士在一篇名为“The Ultimate Display(终极的显示)”的论文中,首次提出了一种全新的、富有挑战性的图形显示技术,即:使观察者沉浸在由计算机生成的虚拟世界中,随意转动头部和身体,改变视点,所看到场景便会随之发生变化,同时还可以用手、脚等部位以自然的方式与虚拟世界进行交互,从而产生身临其境的感觉。这一理论后来被公认为在虚拟现实技术发展中起到里程碑的作用。Ivan Sutherland因此被称为“虚拟现实技术之父”。

在随后的几年中,IvanSutherland在麻省理工学院(MIT)开始头盔式显示器的研制工作。1968年他使用两个可以戴在眼睛上的阴级射线管(C RT)研制出第一个头盔式显示器,并发表了“A Head-Mounted 3D Display”的论文,成为三维立体显示技术的奠基性成果。之后又在此基础上添加模拟力量和触觉的力反馈装置,并于1970年研制出功能更为齐全的头盔式显示系统。

美国宇航局(NASA)及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究,并取得了令人瞩目的成就。1984年,NASA Ames研究中心虚拟行星探测实验室的M.McGreevy和J.Humphries博士组织开发了用于火星探测的虚拟世界视觉显示器,将火星探测器发回的数据输入计算机,为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟世界。

1984年,Gibson于英属哥伦比亚大学(Universty of British Columbia,UBC)完成世界上第一部VR科幻小说――《Neuromance》,对创造有关“赛伯空间”(Cyberspace)的次文化和想像有着绝对的贡献。早在大多数人都对网络和虚拟现实感到陌生的时候,他就已经对这类新科技所可能为世界所带来的变革与冲击刻划出相当具体的图像。

1987年,全球第一家虚拟现实公司――美国VPL公司的创始人Jaron Lanier提出Virtual Reality一词并很快被研究人员所普遍接受,成为这一科学技术领域的专用名称。

1991年Illinois大学开发了世界上第一个多面显示环境CAVE系统,其相关论文在图形学会议SIGGRAPH 92上发表。CAVE系统可用于各种模拟和仿真、游戏等,但主要应用是科研方面的可视化,为从事计算的科学家和工程师带来伟大而革新的思考方式,扩展人类的思维,并允许多人进行交互。

1992年,时任波音公司计算机研究部门首席科学家的 Thomas Caudell在美国电气与电子工程师学会上发表一篇论文,提出了增强现实(Aggrandize VR)的概念。他认为,可以将所需要的数据投射到真实世界的景物上,为人们提供一个随身的电子助手,以提升制造业的效率。这个设想引起了不少企业和研究机构的兴趣。

1994年10月在第二届因特网国际会议上公布了VRML1.0规范草案。VRML(Virtual Reality Modeling Language)是一种虚拟现实建模语言,以因特网为应用平台,作为构筑虚拟现实应用的基本框架。

虚拟现实技术的出现,引发了哲学层面的关注和反思。随着“虚拟”体系的不断扩张,物质空间、个性和社会之类词汇的定义将从根本上改变,真实事物和技术制造的幻觉变得无法分辨,“现实”丧失了意义。这种存在方式不仅突破了以往一切媒介的制约,也突破了自然身体的时空限度。也就是说,真正的网络空间并非通过网络和键盘,而是通过植入大脑和身体中的神经传感器进入,这成为1997年轰动一时的电影《黑客帝国》的创作灵感来源。该电影在创造7.5亿美金票房的同时,也给人们提出了一个可怕的问题:既然可以通过虚拟技术创造一个与现实世界相同的世界,那么我们有什么理由绝对地相信,原先认为是真实的世界就不是虚拟?

2.VR2.0:全行业的盛会

进入20世纪90年代后,迅速发展的计算机硬软件技术使得基于大型复杂数据集成的实时动画制作成为可能,人机交互系统的设计不断创新,市场上不断涌现出新颖、实用的输入输出设备,这些都为虚拟现实系统的发展打下良好的基础。随着因特网传输速度的加快,虚拟现实技术也趋于成熟,被广泛应用于工程设计、教育、医疗、军事演习和娱乐等领域,甚至影响着普通百姓的日常生活。VR 2.0(2010年~Further)时代随之来临,其发展历程如图3所示。

随着三维设计理念得到广泛的认同,虚拟现实技术在飞机、汽车和船舶等装备研制中的应用研究使数字化设计不再局限于三维建模的水平,而是逐步向虚拟样机和人机工程的方向发展,在设计阶段就对装备的性能、维护性、可用性及生产过程进行模拟,将设计变更减少到最小。它实现了两个层次的飞跃:①设计阶段就能虚拟实现数字样机的装配过程;②能预先对可视化的设计制造过程作出分析评价。因此将大大提高装备的设计质量和建造速度,加快研发效率,降低成本。

1994年,美国波音公司利用虚拟现实技术设计出由300万个零件组成的波音777飞机,将虚拟环境叠加于真实环境之上,把虚拟模板显示在正在加工的工件上,工人根据此模板控制待加工尺寸,从而简化加工过程。最终实现产品开发周期从8年减少到5年,成本降低33%。

福特是第一个利用动作捕捉技术基于Hops乘客模拟系统(Human Occupant Package Simulator)来辅助汽车设计的制造商。该系统使用50个传感器记录驾驶员在车内的一举一动,诸如上下车、系上安全带、挂档和刹车等动作,结合虚拟环境(Cave Automated Virtual Environment)和PVM可编程汽车模型(Programmable Vehicle Model),对这些驾驶动作进行详细的分析,从而有助于设计师更直观地了解驾驶员在车内的运动习惯,以便设计出更符合人机工程学的汽车。此外丰田、日产等汽车公司也在开发类似的项目,研究司机入睡前5秒钟的常见表情,以便通过在方向盘或仪表盘上安装简单的摄像头来进行识别并触发警报。

自2000年以后,VR技术和虚拟样机逐步成为航空、汽车等工业的标准工具。在改造传统产业方面,VR技术发挥的作用主要有:①用于产品性能演示,吸引客户争取定单;②用于产品设计过程中的用户行为研究,降低成本,避免新产品开发的风险;③用于培训,在新生产设备投入使用前用虚拟工厂来提高工人的操作水平。

值得一提的是,虚拟现实技术在脑机接口研究方面的应用情况:匹兹堡大学的Andrew Schwartz实验室开展了虚拟现实三维空间中的视觉目标追踪以及脑机接口对机械臂的控制研究,研究小组宣称:他们实验用猴子可以通过脑机接口控制的机械臂来喂自己吃西葫芦。

2008年10月27~29日在法国举行的ACM Symposium on virtual Reality Software and Technology大会,整体上促进了虚拟现实技术的深入发展。

同年,围绕着W e b2.0的一系列革命,P L M业内著名公司――达索公司(Dassault Systems)引入了PLM2.0(产品全生命周期管理)概念。使用3D这一通用语言,以协作为核心,从用户体验开始,到设计、模拟、生产再到用户体验结束,相当于设计软件的“社区网络”,所有用户互动将成为知识资产(IP)。PLM2.0带来了知识从想法直到动起来的产品体验,把真实世界和虚拟世界结合在一个沉浸式的逼真体验里。

2010年,虚拟现实进入大众化时代。VR产业发展呈现井喷状态,大量产品纷纷涌入市场,如3D电视、3D液晶显示器、3D笔记本、3D蓝光刻录机、3D蓝光播放器、3D投影仪和3D智能手机等。

2010年电影《阿凡达》向观众展现了一个超乎想像的壮观世界。影片采用了大量史无前例的全新3D立体制作技术,实现了电脑合成(CG)和真人表演的完美融合。革命性的电影制作技术结合影片、人物、情感和故事情节,让人不但身临其境,而且完全沉浸其中,将梦幻般的《阿凡达》变成了一场难以置信、栩栩如生的视觉盛宴。

被称为“第三次工业革命”的重大标志之一,3D打印技术的优势在2011年被充分应用于生物医学领域。比较典型的应用包括Open3D创新小组宣布3D打印在打印骨骼组织上的应用获得成功。哈佛大学的一个研究小组成功研制出了一款可以实现生物细胞打印的设备。目前3D打印的魅力已扩展至制造业、食品、服装奢侈品、影视传媒以及教育等多个与人们生活息息相关的领域。得益于3D打印的普及和Kickstarter等众募平台的发展和传播,使企业学会了在创业初期如何向市场推出设计和体验俱佳的产品,并在市场竞争中取胜。

随着人机交互技术的蓬勃发展,基于增强现实技术的“可穿戴式电脑”成为计算机未来发展的一个趋势,并以谷歌眼镜为代表走进公众的视野。2011年11月,美国普吉特海峡船厂开始使用可穿戴式骨骼进行船体切割、钻孔和打磨等工作,大幅度提高了船厂的工作效率。这套装备综合集成传感、控制、动力和移动计算等技术,模仿人体结构特点设计,主要由机械腿、机械手臂、驱动装置、控制计算机和负重装置等部件组成,可以为操作人员提供助力,大幅度提升其负重、抗疲劳和长距离移动等能力。

我国V R技术的发展虽然与发达国家相比还有比较大的差距,但是得到了相当的重视。我国政府于2006年2月颁布《国家中长期科学和技术发展规划纲要》(以下简称《纲要》),把虚拟现实技术作为信息领域优先支持的三个前沿技术之一。《纲要》指出:虚拟现实技术重点研究心理学、控制学、计算机图形学、数据库设计、实时分布系统、电子学和多媒体等多学科融合技术,研究医学、娱乐、艺术与教育、军事及工业制造等多个相关领域的虚拟现实技术和系统。国内许多研究机构、高校和企业等在虚拟现实技术的研究和应用方面都取得了不错的成绩。

2000年成立第一个VR门户网站――86VR。

北京航空航天大学计算机系是最早进行V R研究,也是最有权威的单位之一,其虚拟现实与可视化新技术研究室集成了分布式虚拟环境,可以提供:实时三维动态数据库,虚拟现实演示环境,用行员训练的虚拟现实系统,虚拟显示应用系统的开发平台等。

2008年北京奥运会开闭幕式就采用了全景式智能仿真编排系统,为导演们的创意实现提供科技支撑。由于很多节目所涉及的人员数量动辙上千,怎样调动这些人员成为最大的难题。最初的创意实现主要靠导演们在坐标纸上画点表达,当演员人数上升到几百人时,需要相应在一张静态图片上画几百个点。但是在奥运会这个需要几千人参与的活动中,画图显然是不可行的。而且排练的导演有上百人,彼此之间的沟通非常困难。通过虚拟仿真系统实现千人排练的动态模拟,从而为导演编排创意的实现铺设了可行性的道路。

2010年网上中国上海世博会开幕。运用三维虚拟现实、多媒体技术,将世博会园区以及园区内的展馆再现在因特网上,全世界网民足不出户,就可以身临其境体验盛况。

2012年央视春晚舞台打出了“科技牌”,灵活多变的台型、随着节目和音乐调整角度的LED屏、切情合意的舞美视频以及强烈的3D效果都是当年央视春晚的亮点。

三、VR2.0+PLM2.0:3D体验增强企业核心竞争力

在产品研制的市场定位和预期目标制定阶段,传统做法是召集用户群进行采样调查,而用户无法亲身体验。结合VR2.0+PLM2.0技术,可以在设计阶段抽取不同的用户群到虚拟环境进行3D体验和测试,然后根据他们的真实反馈情况不断修正产品研发指标。一方面可以很好地融合用户体验,更有利于产品开发,从源头开始,在整个生产流程中为企业节省大量人力、物力、金钱和沟通成本,并能带来良好的销售量,达到事半功倍的效果;另一方面,用户则享受到更优质的服务以及更为低廉的价格,最终形成良性循环。

总体而言,当前企业竞争力主要体现在几个方面:核心产品、价格优势、用户体验及用户关系。随着信息量的膨胀和传输速度呈几何量级增长,前两个方面的优势日渐微弱。通过VR2.0与PLM2.0的结合,将充分利用计算机和因特网技术,打破传统的空间概念,组建管理扁平化、竞争和合作相结合的动态联盟。无论是产品、服务还是价格都是消费者选择和赋予的参数,企业能够快速对用户市场的需求做出反应,集成用户、销售商、供应商以及生产者各方面的意见,在网络中进行动态的个性化设计、生产,从而增强自身的核心竞争力。

现阶段,我国三维虚拟仿真应用基本上停留在成型产品的展示上,还没有在全流程使用V R逼真体验。其中的关键原因,在于我国自主创新较为薄弱,绝大部分产品研制流程实行“拿来主义”,很少需要虚拟仿真技术的支撑。VR2.0+PLM2.0是一个观念和流程的改造,不可能一蹴而就,是一个循序渐进的过程。

四、结语

虚拟现实是一个充满活力、具有巨大应用前景的高新技术领域,但仍然存在一些有待解决与突破的问题,其前沿领域研究主要呈现出以下特点:①更加重视自动化建模方法和技术研究;②注重精确物理建模和更为复杂的人的行为建模;③从关注建立模型发展到重视数据实时接入;④从图形专用设备发展到G P U等低成本图形处理器和并行系统;⑤从视觉真实发展到力反馈等其他感知真实、交互设备与手段的更加自然、适人化;⑥从虚拟现实发展到增强现实(混合现实)。

随着VR技术研究日趋深入,应用范围不断扩大,应用效益日益明显,我们有理由相信,它必将同计算机技术、网络技术等一样,改变我们的世界,给生活带来深刻的影响。

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