新一代信息技术导论（微课版）课件 龚啓军 第13章 无缝穿越-虚拟现实；第14章 全面账房-区块链技术

第13章

无缝穿越——虚拟现实CONTENTS目录13.1虚拟现实的概述13.2虚拟现实技术的发展与现状13.3虚拟现实的应用虚拟现实的概述13.1什么是VR虚拟现实系统的主要分类虚拟现实运行原理虚拟现实的关键技术虚拟现实技术基本实现方式：以计算机技术为主，综合利用三维图形技术、多媒体技术、仿真技术、显示技术、伺服技术等，借助计算机等产生一个逼真的三维视觉、触觉、嗅觉等多种感官体验的虚拟世界，从而使身处虚拟世界的人产生一种身临其境的感觉13.1.1什么是VR1．沉浸感沉浸感是指计算机操作人员作为人机环境的主导者存在于虚拟环境中。多媒体技术虽然为人们提供了丰富多彩的信息表示形式，且使人与计算机可以交互，但是在交互中，人们只能从计算机外部去观察这些表现形式。而虚拟现实技术通过多维方式与计算机所创造的虚拟环境进行交互，使参与者全身心地沉浸在计算机所生成的三维虚拟环境中，产生身临其境的感觉。通过将人与环境融为一体，使操作人员相信在虚拟环境中的人也是确实存在的，而且在操作过程中参与者可以自始至终地发挥作用，就像在真正的现实世界中一样。2．交互性交互性是指操作人员对模拟环境内物体的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，操作人员可以用手去直接抓取环境中的物体，这时手有握住东西的感觉，并可以感觉到物体的重量，视场中的物体也随着手的移动而移动。3．多感知性多感知性是指由于虚拟现实系统中装有多种视觉、听觉、触觉、动觉的传感器及反应装置，使用者在虚拟环境中可以获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而达到身临其境的效果。13.1.2虚拟现实系统的主要分类虚拟现实的主要分类虚拟现实在不同领域得到较为广泛的应用，在科学研究、虚拟校园、虚拟教学、虚拟实验等方面的应用更为深入。桌面虚拟现实系统沉浸式虚拟现实系统分布式虚拟现实系统增强式虚拟现实系统1.桌面虚拟现实系统一套基于普通PC的小型虚拟现实系统位置跟踪器数据手套力反馈器三维鼠标其他手控输入设备重要技术特征2.沉浸式虚拟现实系统沉浸式虚拟现实系统利用头盔显示器将用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，产生出一种身在真实环境中的感觉3.分布式虚拟现实系统一个基于网络的可供异地多用户同时参与的分布式虚拟环境多个用户多个虚拟环境网络协同工作4.增强式虚拟现实系统通过计算机技术，将虚拟信息应用到真实世界，两种信息相互补充、叠加，并同时存在于一个画面或空间中目的将计算机生成的虚拟对象与真实环境融为一体，以增强用户对真实环境的理解13.1.3虚拟现实运行原理虚拟现实的运行原理计算机屏幕通常只有一个，而我们却有两只眼睛，必须让左、右眼看到的图像各自独立分开，才能产生立体视觉3D立体眼镜控制IC让视差持续在屏幕上表现出来送出立体信号到屏幕送出同步信号到3D立体眼镜使其同步切换左、右眼图像3D立体眼镜是一个穿透液晶镜片，通过电路对液晶眼镜的开、关进行控制3D立体眼镜开可以控制眼镜镜片全黑，以便遮住一眼图像关可以控制眼镜镜片透明，以便眼看到另一眼该看到的图像3D立体眼镜3D立体眼镜可以模仿真实的状况，使左、右眼画面连续互相交替显示在屏幕上，同步配合3D立体眼镜,加上人眼视觉暂留的生理特性，就可以看到近似真实的立体3D图像VRVR的主体+主要情景人只是作为VR的一环，通过动作捕捉装置，参与到内容中去，深度体验并与内容互动13.1.4虚拟现实的关键技术虚拟现实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）立体显示技术对观察者头眼手的跟踪技术触觉，力觉反馈立体声网络传输语音输入输出技术1.动态环境建模技术核心内容建立虚拟环境目的采用CAD技术(有规则的环境)、非接触式的视觉建模技术获取三维数据2.实时三维图形生成保证图形的刷新率不低于15帧/秒，最好高于30帧/秒真实性实时性依赖于实时三维图形的生成3.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数据手套的缺点延迟长分辨率低作用范围小使用不便跟踪精度低跟踪范围小虚拟现实设备的缺点4.应用系统开发关键寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力提高生产效率减轻劳动强度提高产品开发质量4.应用系统开发虚拟现实开发工具虚拟现实系统开发平台分布式虚拟现实技术5．触觉与力觉反馈在手套内层安装一些可以震动的触点来模拟触觉解决方式虚拟现实的概念虚拟现实的特点虚拟现实的主要分类虚拟现实的运行原理虚拟现实的关键技术虚拟现实技术的发展与现状13.213.2.1虚拟现实的发展概念萌芽期技术萌芽期技术积累期产品迭代期技术爆发期技术萌芽期虚拟现实原型机用以虚拟现实的方式进行模拟飞行训练1968年计算机图形学之父伊万·萨瑟兰开发了第一个计算机图形驱动的头盔显示器及头部位置跟踪系统达摩克利斯之剑应用范围受限伊万·萨瑟兰——虚拟现实之父技术积累期虚拟技术理论和概念形成时期贾龙·拉尼尔于1984年创建了VPLResearch公司，并推出划时代的虚拟现实设备EyephoneEyephone只是虚拟现实设备的头戴式显示器产品迭代期1991年出现的一款名为“Virtuality1000CS”的VR头盔体现了VR产品的尴尬之处：外形笨重功能单一价格昂贵第五阶段：2016年到至今，虚拟现实技术爆发期2016年：虚拟现实的产业元年2018年：云VR产业元年2019年：5G云VR产业元年2020至2021年：虚拟现实产业快速发展的时间窗口目前，全球已进入部分沉浸和成长培育期，整个VR行业正式进入内容爆发成长期，应用领域较为广泛第五阶段：2016年到至今，虚拟现实技术爆发期VR的应用领域拓展到：游戏娱乐、教育文化等领域消费者模式涉足VR领域的国内企业主要有：小米VR产业联盟和世界VR产业发展大会腾讯盛大集团13.2.2虚拟现实的现状虚拟现实的现状现阶段，VR技术已逐步进入消费者模式。在电子游戏领域，已经开发出开发者版本的头戴式显示器。目前VR产品火爆，众多国内外企业深入推进商业模式变革，硬件产品、内容资源不断丰富。VR的应用领域拓展到游戏娱乐、教育文化等领域。VR的用户规模不断扩大。这一时期，产业联盟和产业大会也逐步建立。例如，VR产业联盟和世界VR产业发展大会。涉足VR领域的国内企业主要有：小米、腾讯、盛大集团等。13.2.1虚拟现实的未来1提升硬件性能，如传感器性能，主要在于提升物体跟踪识别、超高清显示器件、CPU和GPU数据处理单元性能等2在应用软件和内容挖掘创新上继续发力，建设VR生态3加强同公共服务行业结合，同时落实政策法律法规监管3建立行业标准，提升设备、系统迁移性,并降低使用成本和使用难度虚拟现实的应用13.3游戏娱乐医疗交通教育工业旅游军事虚拟现实技术军事领域军事指挥人员训练提高指挥决策能力研制武器装备进行网络信息战构建虚拟战场环境单兵模拟训练网络化作战训练军事领域通过模拟器训练飞行员是一条行之有效的途径飞行模拟器可以作为一种试验床，对飞机的操纵性、稳定性和机动性进行测试和评定，进而分析飞机气动参数对飞行品质的影响。模拟飞行是虚拟现实技术应用的先驱游戏娱乐领域游戏场地人物模型电影场景游戏娱乐领域《我生命中的60秒》《三体》MUD多用户虚拟空间二维三维网络三维游戏由于人体的物理、肌理、生理和生化特征很多，差异较大，各种脏器各不相同，特征不一。供医疗所用的虚拟现实系统有一定难度。虚拟手术训练远程会诊手术规划导航手术协作医疗领域由于人体的物理、肌理、生理和生化特征很多，差异较大，各种脏器各不相同，特征不一。供医疗所用的虚拟现实系统有一定难度。患者关怀症状戒除心理疏导医疗领域工业领域VR优势

调试的各个环节都实现了三维立体可视化，让生产场景真实地呈现在人们眼前VR教育结合游戏、情景转换等多种手段,能够有效解决教育难题,激发学生兴趣。利用VR技术的沉浸感，在虚拟场景下为学生提供实操机会，让学生在一个形象逼真的环境下直接参与互动，更能激发学生的学习兴趣，对知识点的掌握更加牢固。教育领域旅游领域VR虚拟旅游更多的是对实景游的补充。在旅游前通过VR虚拟旅游的方式快速获取景区风采，制定旅行攻略。通过交互体验的方式，为游客带来新颖、别致、智能、可视的便捷体验交通领域VR提供的智能导航将使驾驶员不再迷路课后习题1．什么是虚拟现实技术，其特点是什么？2．虚拟现实目前主要的应用方向有哪些？3．虚拟现实有哪些成熟的应用？4．虚拟现实的前景在哪里？5．VR与AR、MR等视觉技术有何不同？第3章安全第一—信息安全第14章全面账房—区块链技术CONTENTS目录14.1中心化系统与去中心化系统14.2区块链技术14.3区块链技术的应用中心化系统与去中心化系统14.114.1中心化系统与去中心化银行转账中心化账本400元100元100元-100元+100元银行转账A账户扣除100元后余额为300元，B账户增加100元后余额为200元中心化账本账本管理去中心化每个人都有账本复验和记账能够抵御一定的故障和安全攻击去中心化验证余额情况验证通过，记录信息转账流程A要转账给B100元钱网络告知信息没有银行参与去中心化系统每一个参与者（节点）都是平等且自由的关系，没有谁依赖谁任何人都是一个节点，任何人也都可以成为一个中心安全效率一种点对点的电子货币结算机制区块链技术14.214.2.1区块链技术的简介和特点区块链技术广义上讲，区块链是利用块链式数据结构来存储与验证数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学保证数据传输和访问安全、利用自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算范式。区块链具有去中心化、防篡改、透明公共审计、分布式信任共识、自主可编程等特点。现如今区块链技术已被广泛应用于智能交通、智慧医疗、认证取证等领域。区块链本质上是一种去中心化、可溯源、难以篡改、多方共同维护的分布式数据库。安全性14.2.2区块链技术的原理区块链技术的原理应用层、合约层、激励层、共识层、网络层和数据层数据层负责构造安全和不可篡改的区块结构网络层负责节点的接入和通信共识层负责记账节点的选举和验证，同步数据区块链技术的原理激励层负责激励区块链上的节点去维护区块链系统的稳定合约层开放可编程区，使得整个区块链可以通过合约代码部署各种应用在区块链上应用层讲区块链上的部署的合约功能做成服务提供给其它用户1.数据层数据层是区块链的核心部分，按照区块的链接方式可以分为串行链式和有向无环图（DirectedAcyclicGraph，DAG）两种结构，这两种结构都涉及数字签名、哈希函数、非对称加密和Merkle树。区块数据结构中一个区块包括区块头和区块体，区块头一般包括版本号、区块高度、哈希根值、父区块哈希、时间戳、随机数、目标难度和交易数量等，区体块包括当前共识在一个周期内产生的交易数量和交易1.数据层Merkle树，又称为哈希二叉树，树的每个叶子节点都是一笔交易的哈希值，然后两两递归计算哈希值，最终得到一个哈希根值，又称为Merkle哈希根值。此外，在没有偶数笔交易的情况下，解决方案是通过复制最后一笔交易构成偶数笔交易。Merkle树的作用主要有两个：一是通过比较哈希根值对接收到的数据进行完整性校验，只要有一个数据不全或者被修改了，哈希根值对比验证就不通过；二是快速定位到不一致的数据，从上到下对比哈希根值，然后定位到数据不一致的地方，最后同步即可。当需要证明列表中的某笔交易存在时，一个节点只需要计算log2N个32字节的哈希根值，就可以形成一条从Merkle树根到特定交易的路径。1.数据层非对称加密是区块链技术中用于安全性需求和所有权认证时采用的加密技术，常见的非对称加密算法有RSA、ElGamal、背包算法、Rabin等。在数字签名场景中，发送者先对消息进行哈希摘要计算，然后用自己的私钥对哈希摘要进行加密，最后将消息和加密后的信息发送给B。B先用A的公钥对哈希摘要进行解密，判断消息是否是A发出的，然后对消息进行哈希运算，检验消息在传输过程中是否存在篡改。由于传统链式的区块结构在规模性和效率方面存在不足，因此出现了以DAG的形式组织链接交易的图区块链。图区块链取消了区块的概念，称为Tangle。在Tangle中，每个交易事务都是分布式账本中链接的单个节点。在提交新事务之前，它必须验证前面两个已经提交但还未验证的交易事务。然后通过运行工作量证明（ProofofWork，POW）共识机制将新事务与前两个事务捆绑在一起。之后，可以广播新事务到Tangle全网。2.网络层网络层是区块链平台组网和信息传输的基础，用于同点对点（PeertoPeer，P2P）协议进行组网和特定的传输和验证机制，使得每个节点都能平等地参与记账与共识。P2P协议中每个节点都是对等的，没有中心化的服务器和从其他实体或认证机构（CertificationAuthority，CA）处获取验证，从而可以有效消除篡改和第三方欺骗的风险。按照接入网络节点支持的功能和对区块数据的存储程度可分为全节点和轻量级节点。全节点保存了完整的区块数据，使得这些节点能够独立验证交易内容；而轻量级节点只保存了所有的区块头，通过简单支付验证向其他节点获取数据以完成验证。这些节点都负责交易区块数据的传输和验证。P2P协议在区块链网络中被用于交易信息传输和区块数据验证。区块链1.0和区块链2.0使用基于传输控制协议（TransmissionControlProtocol，TCP）的P2P协议，HyperledgerFabric则使用基于HTTP/2的P2P协议网络层网络层是区块链平台组网和信息传输的基础，用于同点对点（PeertoPeer，P2P）协议进行组网和特定的传输和验证机制，使得每个节点都能平等地参与记账与共识。P2P协议中每个节点都是对等的，没有中心化的服务器和从其他实体或认证机构（CertificationAuthority，CA）处获取验证，从而可以有效消除篡改和第三方欺骗的风险。按照接入网络节点支持的功能和对区块数据的存储程度可分为全节点和轻量级节点。全节点保存了完整的区块数据，使得这些节点能够独立验证交易内容；而轻量级节点只保存了所有的区块头，通过简单支付验证向其他节点获取数据以完成验证。这些节点都负责交易区块数据的传输和验证。P2P协议在区块链网络中被用于交易信息传输和区块数据验证。区块链1.0和区块链2.0使用基于传输控制协议（TransmissionControlProtocol，TCP）的P2P协议，HyperledgerFabric则使用基于HTTP/2的P2P协议3.共识层共识问题，在计算机科学中主要聚焦于分布式一致性问题，即如何保证分布式系统集群中所有节点的数据完全相同，并且就某个提议能达到最终一致的状态。在区块链系统下共识问题更加复杂，因为存在着开放、缺乏信任的环境且存在一定数量的拜占庭恶意节点。而且，即使所有参与者都是诚实的，而且所验证和传输的交易都是正确的，也可能因为网络延迟和错误导致无法达成一致状态。因此，一个区块链系统下的共识算法除需要考虑传统一致性算法外，还需要考虑拜占庭恶意节点、共识效率、去中心化程度、扩展性和网络故障等因素，区块链系统下的共识一直是一个值得深入研讨的课题。共识过程的核心包括选择记账节点和共识两个子过程。共识机制流程主要包括以下4步：（1）选主；（2）造块；（3）验证；（4）上链。4．激励层激励层是将经济因素引入区块链系统，其存在有利于节点在最大化自身利益的前提下积极参与网络共识，以验证数据和区块，从而维护一个安全稳定的网络。在设计合理的激励机制时，要将节点最大化自身收益的个体行为与区块链系统的安全性和有效性相结合，从而使得大规模的节点对区块链历史形成稳定的共识。一般而言，激励机制包括发行机制和分配机制。下面以区块链1.0为例，分别进行介绍。发行机制：区块链1.0发行的数量随时间推移呈阶梯形下降，从创世区块开始每个区块将发行50个区块链1.0给产块的人，以后每隔4年发行数量减半（约21万个区块），一直到区块链1.0中区块数量维持在2100万左右时不再发行。另外一部分是手续费，目前默认的手续费是区块链1.0的万分之一，交易手续费用和区块奖励的费用都被封装在交易中，新区块验证通过，记账节点将获得奖励。5．合约层合约层封装了各类脚本、算法和智能合约。智能合约是一种完全无须中介、可自我验证的计算机自动化交易协议，作为区块链技术的关键特性之一，是运行在区块链上的模块化、可重用、自动执行的脚本，能够实现数据处理、价值转移、资产管理等一系列功能。智能合约最早于1995年提出，起初通过数字的形式为用户定义合同承诺，并将其部署到传统的物理实体中以构建数字资产。作为智能合约雏形的区块链1.0脚本，仅仅是内嵌在其交易上的一组类型单一的指令。区块链2.0提供了脚本语言Solidity与智能合约的运行环境，即以太坊虚拟机（EthereumVirualMachine，EVM），方便用户编写和运行智能合约脚本，任何人都能上传和执行任意的应用程序，并能有效执行。在HyperledgerFabric中的智能合约被称为链码（Chaincode），并且支持Go、Python和Java等主流编程语言编写智能合约。区块链技术与智能合约结合，依靠合约规则实现了不信任双方之间的公平交换，避免协议被恶意中断，也避免了计划外的监控和跟踪，丰富了区块链内的交易与外界状态的交互。6．应用层区块链技术最早应用于数字金融领域，作为一种具有去中心化、防止篡改、公开透明和支持自主可编程特性的去中心化新技术，其生命力在于作为一种管控平台或者安全底座，为其他行业提供一个安全可信的网络环境、运行环境或者存储环境。现如今区块链技术已经在其他行业有了应用，除了可编程金融，还有供应链溯源、医疗行业和工业互联网等。14.2.3区块链技术的分类区块链技术的分类1.0金融区