虚拟现实与三维交互技术 课件 任务1.3 虚拟现实技术、虚拟现实技术应用领域

虚拟现实与三维交互技术2工业领域文教娱乐领域医疗卫生领域产业人才需求虚拟现实技术应用领域02何为虚拟现实技术虚拟现实技术的特征虚拟现实技术01目录CONTENTS虚拟现实技术01学习目标：理解虚拟现实技术的基本含义。3虚拟现实技术虚拟现实技术利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间。01何为虚拟现实技术45智能数据是在物理硬件、虚拟环境和云环境中产生的，是端到端普遍可见的数据，并且在深度和广度上均具有一定的规模。虚拟现实技术具有超越现实的虚拟性010203它是伴随多媒体技术发展起来的计算机新技术，它利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨率显示技术，生成三维逼真的虚拟环境，用户需要通过特殊的交互设备才能进入虚拟环境中。虚拟现实技术这是一门崭新的综合性信息技术，它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，从而大大推进了计算机技术的发展。虚拟现实配置的图像显示设备主要用于产生立体视觉效果，常见的产品包括光阀眼镜、三维投影仪和头盔显示器等。其中高档的头盔显示器在屏蔽现实世界的同时，提供高分辨率、大视场角的虚拟场景，并带有立体声耳机，可以使人产生强烈的浸没感。02虚拟现实技术的特征虚拟现实技术的应用领域02学习目标：1.了解虚拟现实、增强现实和混合现实等技术在工业、文教娱乐、医疗卫生的应用领域。2.能够根据技术特点，选出各个应用领域。67从应用领域来看，虚拟现实技术最早用于军事和航空航天领域，早在20世纪70年代便开始将虚拟现实用于培训宇航员。由于这是一种省钱、安全、有效的方法，目前虚拟现实技术的应用已大步走进工业、建筑设计、教育培训、文化娱乐、医疗卫生等方面，并开始影响和改变我们的生活。虚拟现实技术的应用领域虚拟现实技术最早用于军事和航空航天领域虚拟现实技术在工业领域的应用主要是对实体工业的一种虚拟展示，将实体工业中的各个模块转化成数据整合到一个虚拟的体系中去，在这个体系中模拟实现工业作业中的每一项工作和流程，并与之实现各种交互，虚拟现实技术的出现给工业领域带来深层次的技术支持，它已经改变工厂生产和展示形式，随着VR工厂系统的成功开发，从工业生产机械设备的运作状态、工况监测数据到产品的装配、调试环节，都能实现三维立体可视化，让生产场景真实地呈现在人们眼前。工业领域虚拟现实技术的应用领域89工业生产制造过程中，为维护设备安全稳定运行而展开的运维巡检工作量非常巨大，虚拟现实技术的到来使生产人员可以通过安全的数据可视化头显对设备运转状态、生产环境以及潜在隐患等关键信息进行监测和排查，有利于全面、准确、实时了解整体生产制造情况,从而提高生产安全系数和生产效率。一、工业领域1、工业远程巡检一、工业领域1、工业远程巡检虚拟现实技术在工业远程巡检场景中主要发挥可视化管理、高效掌握信息与实时记录数据的作用。点检人员佩戴的AR眼镜中出现具体的点巡检项目清单；通过室内定位方式或扫描二维码方式判断点巡检人员是否到达正确位置；到达正确设备时，通过AR眼镜进行拍照或录像进行登录，同时输入设备数据信息；如有设备故障或其他问题，可启动AR远程服务系统，连线专家；点巡检完成后，服务器进行所有数据的记录（点巡检人员、点巡检时间、输入数据、图片/录像等数据）实现了解放双手的工作方式，成为虚拟现实技术在工业领域应用的最成熟落地场景，解决了电网巡检、管路巡检等特殊场合下的痛点需求。

1011一、工业领域目前，国内许多公司都有较为成熟的AR应用案例落地，特别是在航空生产维修、电力巡检、汽车维修等重要工业领域，AR商业化步伐在加快。1、工业远程巡检·亮风台与中国联通、罗克韦尔共同为中国商用机有限责任公司（简称中国商飞）国产大飞机所打造了AR智能生产线，该生产线不仅可以实现生产流程及IoT信息的三维可视化，还能实时控制产线的生产运行情况，把生产中的数据信息与真实场景紧密融合，并通过与IoT体系的打通让生产各环节与设备之间高效协同，推动飞机生产制造的自动化、智能化升级。·0glass（深圳增强现实技术有限公司）与国家电网联合研发了电力行业的AR智能眼镜工作辅助与培训系统，将AR、AI、头戴设备等新技术改善了电力巡检状况，提高巡检的效率，避免了巡检人员的缺口，确保电力系统更加稳定运行，并且更加进一步得推动了巡检工作标准化、管理的科学智能化、监督的自动化。12在多人虚拟仿真领域中，一方面，将渲染负载转嫁至性能强劲计算机中，避免一体化设备性能不足的问题。另一方面，一体机通过无线的方式连接，摆脱PC头显有线的束缚，合理的分配两端的处理能力，充分利用一体机设备性能降低系统时延。多人虚拟仿真使用远程分布式渲染技术，将绝大多数虚拟现实内容的渲染放在数据工作站、云端，并低延时回显至设备上，大量使用在5G虚拟仿真实验室，工业设计、工程验收、设计评审等多种工业领域。一、工业领域2、多人虚拟仿真13中国商飞在C919试飞中心使用机载测试系统地面验证平台，对飞行的参数进行监控分析，确保飞机在预飞和实际飞行中相关参数的准确和正常；日产、福特等车企利用虚拟仿真技术进行汽车外观和内饰的整体设计。01研发方面一、工业领域虚拟仿真技术在制造领域的研发、装配、检修环节发挥重要作用02装配方面03检修方面中国东软检修在虚拟制造模式下，不建厂房不用设备，只负责整机装配调试；奥迪汽车在三维虚拟空间内完成对实际产品装配工作的预估和校准。江联重工基于AR头盔与后台支持，建立生产实时监控与指挥系统、特殊工种体验式培训系统，工人带上头盔就能看到锅炉零部件的故障和维修步骤，确保操作规范，降低维保成本。2、多人虚拟仿真14一、工业领域虚拟工业培训是利用虚拟现实技术生成实时的、具有三维信息的人工虚拟环境，身临其境的学习与全方位运用感官和思维相结合，对比传统培训方式有仿真性、超时空性、自主性与安全性等特点，让学习变得更加有趣。3、虚拟工业培训·学员通过运用某些设备和相应环境的各种感官刺激而进入其中，并且需要通过多种交互设备来驾驭环境、操作工具和操作对象，增强培训的沉浸感能更好的让学员建立起对学习的兴趣和概念，从而达到提高培训对象各种技能和学习知识的目的。也是虚拟现实在工业生产中应用最多的方式。·知名工程机械和矿山设备生产厂家卡特彼勒公司（Caterpillar,CAT）开发了一个虚拟现实培训系统，教授新员工道路铺设作业中如何避免危险和如何与同事沟通。这个虚拟现实培训程序时长大约25分钟，员工会在这个程序中遇到5个工作场景。卡特彼勒研发这个虚拟培训程序的契机是与美国一家大型国家道路建设承包商的合作。该公司在全国子公司的员工与卡特彼勒合作开发了农村四车道高速公路铺设作业中常见的情景。15在其中一个场景中，会有工头带领受训人员拿起橙色安全锥桶并将它们放在工作区的指定位置。头显上的画面会显示地面上的锥桶，通过手柄控制器，受训人员需要移动虚拟锥桶并将它放置在适当的位置。在另一个场景中，学员被要求将铲子带给站在摊铺机另一侧的工人。当他拿起铲子走向那名工人时，视线中可能突然有红灯闪烁，这是因为他被一辆卡车撞到了。随后，工头会出现在画面中，他会提示在卡车和设备后面行走是危险的，并且演示正确的运送方式。每次受训者失败时，工头会提供更详细的指示，直到受训者通过该情景并继续进行下一个项目。一、工业领域3、虚拟工业培训4、数字孪生虚拟仿真系统数字孪生（DigitalTwin）是一个物理产品的数字化表达，在虚拟空间中构建出与物理世界完全对等的数字镜像，以便于对物理世界进行更深层的思考与管理。通过对物理世界的多维度、多领域、多视图的数字仿真模拟，把物理世界的信息综合在数字世界中，对制造业的产线升级、效率提升起到至关重要的作用。一、工业领域1617该平台主要承担未来智能制造实训教学中的虚拟仿真教学任务。基于实际材料加工设计、生产的全过程，结合虚拟仿真、混合现实技术，在虚拟空间中再现产品“需求->设计->CAE验证->优化设计->加工->检测”的全流程，本系统结合虚拟课件、实际智能产线虚拟化两部分进行设计，实现“基于现实、超越现实”的教学效果，包括材料热成型虚拟仿真课件库、多工位虚拟仿真实训与考核软硬件平台、基于汽车的半实物混合现实仿真平台、基于站立式虚拟仿真系统进行车间认知及多工位协同实训和虚拟仿真教学管理系统：实现用户信息、课程资源的统一管理。一、工业领域4、数字孪生虚拟仿真系统以数字孪生案例的华中科技大学工程实践创新中心“面向新工科的智能制造工程训练实践教学平台建设”二期材料成形模块为例1、教育培训以直观的教学内容、丰富的互动性、游戏化的教学方式成为潜力大、目标用户多、涵盖范围广为特点，领域包括语言教育、红色教育等专题类教育、面向中小学的教育，以及面向行业应用的职业培训等领域，具体包括虚拟现实课件、虚拟现实课堂等。二、文教娱乐领域01虚拟现实与教育培训市场相结合1819二、文教娱乐领域1、教育培训以直观的教学内容、丰富的互动性、游戏化的教学方式成为潜力大、目标用户多、涵盖范围广为特点，领域包括语言教育、红色教育等专题类教育、面向中小学的教育，以及面向行业应用的职业培训等领域，具体包括虚拟现实课件、虚拟现实课堂等。01虚拟现实与教育培训市场相结合CLASSVR产品中强调教学过程中师生互动、共同发展，引导学生主动参与学习过程。其中互动的教学过程增加了学生成为学习内容的参与者，从而激发学习积极性，培养学生掌握和运用知识的能力。02以CLASSVR产品为例20二、文教娱乐领域1、教育培训在消防、物流、航空航天等教学与实景实践相结合领域人员培训中加入虚拟现实技术，利用虚拟现实的交互性，实现学生手动操作，避免实训风险，降低操作成本，提高教学质量。如使用教学互动解决方案，帮助学生理解复杂的物理概念，亲身感受月球上的微重力；使用视景仿真系统，提供飞行模拟训练一体化解决方案；通过虚拟现实的方式训练掌握分拣技能，开展智能化的物流培训课程。03虚拟现实与职业培训成为当前虚拟现实在行业应用中的热点21二、文教娱乐领域1、教育培训近年来“党建+VR”技术可以再现重要事件、重要会议的过程，可以让用户亲身“体验”长征、横渡于都、遵义会议的情景，获得身临其境的感受。在VR党建工作站中包涵海量应用级内容下载、实时更新，包括视频播放、全景观影VR体验等多种学习形态。04“党建+VR”技术2、文化娱乐二、文教娱乐领域主要面向大众消费者，类型包括游戏、社交、视频、直播、旅游等。虚拟现实为用户带来更为真实而强烈的感官刺激，而庞大的用户基数以及核心玩家对于新技术的开放性态度使得视频游戏有望成为最先发展起来的大众市场。虚拟现实与文化娱乐相结合2223二、文教娱乐领域2、文化娱乐01虚拟现实与游戏相结合以《RIGS机械化战斗联盟》(RIGSMechanizedCombatLeague)为例，玩家在充满未来主义的竞技场与其他巨型机器人展开搏斗，其外形与电影《铁甲威龙》中的反派机器人颇为类似。在这个虚拟世界里，传统第一人称射击游戏的爱好者会感觉如鱼得水一般，因为他们可以使用标准的控制器，发射激光炮弹，跳跃，并在竞技场里移动。2401赋予了观众身临其境的沉浸体验，一方面表现为对分辨率、刷新率、色深、视场角、3D、低时延等更高画质的持续追求，另一方面，凸显出虚拟现实人机交互这一核心特质。虚拟现实与影视结合02虚拟现实技术在影视制作中的应用，主要是通过构建出可与影视场景交互的虚幻三维空间场景，结合对观众的头、眼、手等部位动作捕捉，及时调整影像呈现内容，继而形成人景互动的独特体验。二、文教娱乐领域2、文化娱乐25VR电影《活到最后》是中国影史上的首部VR电影，集结了推理、悬疑、密室等剧情元素。由于VR电影制作和展示方式与传统电影有较大区别，影片在制作拍摄过程中克服了多项困难。影片变现渠道主要以售卖版权、流量广告分成等形式提供给国内主流视频平台获取利润，未来兰亭也将探索向VR体验店或影院提供片源方式进行票房分成，实现作品变现途径的多元化和模式化。02虚拟现实与影视相结合26二、文教娱乐领域预计2025直播的市场营收规模为41亿美元，VR直播用户群接近上亿规模。VR直播在体育赛事、热点新闻事件、演唱会、发布会等领域广泛应用。传统方式的视频直播中，观众往往不能全方位了解直播对象周围环境状况，无法切身感受现场氛围，而VR直播将活动现场还原到虚拟空间中，其优势体现在借助VR头显观众可以身临其境的在现场观看比赛，增加观众观看节目的趣味性；自由选择位置和角度，时刻关注自己感兴趣的场景；VR直播的氛围要远远高于普通显示屏观看，在这种现场气氛的烘托下,观众的情绪极易被充分调动，互动性更强，增加观看愉悦感。03虚拟现实与直播结合2、文化娱乐27二、文教娱乐领域2、文化娱乐指的是建立在现实旅游景观基础上，利用虚拟现实技术，通过模拟或超现实景，构建一个虚拟的三维立体旅游环境，用户足不出户，就能在三维立体的虚拟环境中遍览遥在万里之外的风光美景，形象逼真，细致生动。如使用NibiruCreator编辑器开发的国内部分知名景点如黄帝陵、西湖等旅游，制作H5端线上浏览作品。04虚拟现实与旅游相结合三、医疗卫生领域虚拟医疗就是应用虚拟现实技术构建虚拟的人体模型器官以及手术等等，提高虚拟实境的真实感，借助于虚拟外设可以使人们更逼真的学习医疗知识以及治病救人的虚拟现实应用。虚拟现实与医疗健康聚焦在手术培训、心理干预和医疗培训等领域。手术培训心理干预医疗培训2829三、医疗卫生领域01虚拟现实与手术培训通过事先对患者进行建模，在术前让医生在虚拟环境下充分研究手术方案、了解手术过程、提高操作熟练度，可有效提髙复杂手术的成功率，在虚拟手术室，医生可以放心地进行更多更为复杂的手术操作。一款名为AirwayEX的手机应用由视频游戏开发商和医生协助开发完成，是一款外科手术模拟游戏。该游戏旨在为麻醉医师，耳鼻喉科医师，重症监护专家，急诊室医生和肺科医师设计。游戏应用可以为医生提供在真实病患案例身上进行18种不同的虚拟气道手术的机会。30三、医疗卫生领域02虚拟现实与心理干预充分发挥了虚拟现实沉浸感的特性，通过营造特定的虚拟场景，可缓解患者的心理情绪、适度锻炼患者心理感受，有效地解决了传统方法由于真实感缺乏的治疗痛点,减少了对心理医生的依赖程度。具体应用场景例如营造冰雪世界减轻烧伤患者痛感、营造高空场景逐步消除恐高症、建立虚拟化身解决幻肢痛和神经损伤等。一些案例中，对于中风后左手不能运动，但仍能使用右手的患者，系统可以提供一个虚拟左手，虽然这只手是由病患的右手控制的，但这能有助于大脑恢复对于瘫痪肢体的感知。31·近年来正在医疗领域逐步开始推广，VR医疗培训能提供全方位沉浸感的专业服务，让被培训者在虚拟环境中深度学习，快速提高技能。·VR全景视频培训通过构建一个高还原度的模拟环境，让学生身临其境地感受整个救护过程，从中学习实践经验与应对技巧，而不