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第八十二讲 赵沁平:虚拟现实+
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发布时间:2016-05-17 17:02来源:中国出版网

2月20日上午,中央和国家机关“强素质作表率”读书活动主题讲坛2016年第2讲(总第82讲)在国家新闻出版广电总局(原新闻出版总署机关多功能厅)举行。本次讲座特邀中国工程院院士,中国科协副主席,北京航空航天大学教授赵沁平,作了题为《虚拟现实+》的精彩演讲。国家新闻出版广电总局党组成员、副局长孙寿山、吴尚之,中央直属机关工委、中央国家机关工委、国家新闻出版广电总局相关部门和单位的负责同志出席活动。

中央和国家机关读书活动举行第八十二讲(邓杨/摄)

开讲前,讲坛主持人、全国政协委员、中国编辑学会会长郝振省介绍了本期讲坛的有关情况。他讲到,设计和安排本期主题演讲主要有两方面考虑:一方面,我们对虚拟现实的技术和作用有所感知,但是更多的是属于未知领域,比如虚拟现实技术的内涵和外延,产生发展的来龙去脉,当前对我们生产生活的影响,未来的发展趋势以及我们如何顺势而为,都需要我们给予了解、掌握知识。另一方面,从国家层面来讲,虚拟现实技术正在全面进入国家发展战略,成为各行各业科学发展新的信息技术支撑平台,虚拟现实+成为发展趋势;从世界范围来看,虚拟现实技术已经成为国际间激烈竞争的高科技领域,成为硬实力的重要内容,成为软实力较量的重要依托。正如赵沁平教授所说,虚拟现实与各行业的关系类似于数学和物理,人所感知的世界将成为人所难以区分的真实和虚拟两个世界或者是虚实混合的新世界,有请赵教授为我们讲解虚拟现实的神奇和奥妙。

中国工程院院士,中国科协副主席,北京航空航天大学教授赵沁平(邓杨/摄)

在近两个小时的演讲中,赵沁平院士从虚拟现实概述、“虚拟现实+”的应用、虚拟现实系统的实现技术、虚拟现实技术的发展趋势等方面,通过幽默风趣的语言和视频动画的立体展现,阐述了一个学者眼中虚拟现实技术的历史发展与广阔前景。

一、虚拟现实概述

虚拟现实(VirtualReality,VR)的目标是以计算机技术为核心,结合相关科学技术,生成与一定范围真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字化环境,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,可以产生亲临相应真实环境的感受和体验。实际上,随着计算机技术,特别是计算机图形学和人机交互技术的发展,虚拟现实是人类在模拟真实世界方向上达到的最新境界。

虚拟现实系统有三个典型的特征:第一,沉浸感,即参与者全身心地沉浸于计算机所生成的三维虚拟环境,并产生身临其境的感觉。第二,交互性,即参与者可以利用各种感官功能及人类自然技能和虚拟环境进行交互考察与操作。第三,构想性,即参与者借助虚拟现实系统给出的逼真视听触觉信号而产生的对虚拟空间的想象。

每一项科学技术都有适合它的一个应用领域,虚拟现实技术由于上述特点,适合在以下几个方面展开应用:各行业领域的规划决策,例如,把想要做的装备或者城市规划,先用数字化虚拟的东西规划,再在这上面进行论证;设计评价,人可以在虚拟样机里对各种性能进行评价;训练体验,比如军事训练,还有对一些航天设备或危险的核设备的维护,可以在虚拟的装备上进行维护和操作;还有文化娱乐等领域。可见,虚拟现实技术可以从两个方面来改变我们的世界,一是可以使我们国家的发展更加科学,二是可以使大众的生活更加精彩。

从科学研究的角度来讲,上世纪60年代国外就已经提出虚拟现实的概念和技术,我国最早的是在90年代初期开始进行这方面的研究。经过三十多年的发展,可以说虚拟现实在许多行业领域取得了可喜的应用成果,使虚拟现实成为各个行业和领域发展的新信息技术支撑平台。虚拟现实跟各个领域应用的关系,类似于数学和物理,现在先用数学给一个假设,给一个论证,再去进行观测。虚拟现实+就成为一个发展趋势,导致虚拟现实的产业处于爆发性发展的前夜。许多IT公司,包括脸谱、谷歌、微软等将VR视为下一代计算平台,纷纷推出自己的VR创新产品,或通过收购VR公司,布局VR业务,抢占VR产业制高点。

近日,美国著名投行高盛的一份报告,详细讨论了VR和AR(增强现实)产业的未来发展状况。高盛认为VR/AR拥有巨大潜能,到2025年VR/AR硬软件营收将达到800亿美元,乐观估计,年营收可达1820亿美元,保守预测,到2025年VR/AR年营收也有230亿美元。如果高盛预测准确,2025年时VR/AR市场很可能变得比TV市场还大,达到1100亿美元,TV市场是990亿美元。知名信息技术咨询公司IDC预测,2016年我国VR设备出货量将达到48万台,同比增长476%,行业将迎来爆发式增长。许多媒体将2016年称为VR产业元年。

二、“虚拟现实+”在各行业各领域的应用

通过生动的视频动画实例,赵沁平院士向大家介绍了虚拟现实在军事、制造、航空航天、医疗、安防、商务、体育、文化保护利用等方面的应用,展示了虚拟现实+的支撑作用,指出了虚拟现实技术的发展趋势和可能形成的新的虚拟现实产业生长点。

在军事领域,美国是最早将虚拟现实技术应用于该领域的国家。上世纪80年代,美国就开发了Simnet网络,把美国和欧洲一些国家的军事设施和仿真设施用网络连接起来,进行异地的军事训练。最近,美国又开发了军用的虚拟现实头盔。通过侦查手段把整个战场的数据在后台进行处理,然后全部推送到单兵佩戴的头盔上,这样每个士兵都可以看到和了解整个战场的态势。

在装备制造领域,虚拟现实技术也有着广泛的应用。早在上世纪90年代,波音777飞机的设计师们就已尝鲜。在虚拟现实的三维模型仿真技术的帮助下,波音777的设计错误修改量较过去减少了90%,研发周期缩短了50%,成本降低了60%。目前应用虚拟现实技术更多的是汽车制造业。

医疗健康领域也是虚拟现实以后的一个应用方向。首先是对身体进行建模用于教学,生理模型还可以用于手术训练;另外还可以运用于康复训练。

三、虚拟现实系统的实现技术

虚拟现实要实现一个虚拟现实系统,虚拟现实系统应用开发比互联网投入要大,而且需要人才能力比较高,所以现在我们人才很紧缺。实现一个虚拟现实系统,大体需要三个方面的技术:建模、表现与交互。

首先是现实世界的对象在计算机数字空间的表示问题,也就是建模。建模需要通过数学、物理,以及各种数字化方法将现实世界中的对象、对象之间的关系、相互作用及动态变化所遵循的规律映射为数字空间中的各种动静态数据表示。建模方法与所要模拟的对象类有关,也与应用领域密切相关。针对所要模拟对象的不同方面,建模方法分为几何外观建模、基于物理的建模、行为建模和虚实融合建模等。由于现实世界形态的复杂性、发展的无限性,以及人类认识世界的局限性,使得建模成为虚拟现实领域永恒的研究方向。

第二类问题是虚拟环境对象的表现,包括视、听、触/力、嗅/味等的表现。虚拟现实表现技术将虚拟环境中的各种对象模型通过不同的表现方法、算法渲染在表现设备上,以沉浸方式呈现给用户。表现方法和对象模型及表现设备直接相关。表现设备,如头盔、真三维显示、力反馈操纵和触觉数据手套等都在不断发展,因此,这也一个无穷尽的问题领域。

第三类问题是人对虚拟环境中对象的操作,以及虚拟环境对象对现实世界的作用,也就是虚拟现实人机交互问题,主要涉及人或外部世界与虚拟环境之间互相作用的信息交换方式与人机交互设备。自然人机交互是目前的一个研究热点。

四、虚拟现实技术的发展趋势

赵沁平院士强调,现有虚拟现实系统距离虚拟现实+的期望目标,尚存在若干重大技术瓶颈,虚拟现实中的关键技术问题还有待突破,比如多源数据或模型无缝融合的困难,还有对象模型不能自由交互或逼真响应。新的相关领域技术的发展,会为虚拟现实技术提供新的元素、机会和平台。随着技术的进步与突破,将导致新一代虚拟现实+系统的出现,虚拟现实人机交互设备产业,行业应用模拟器、虚拟环境产业,虚拟现实平台软件与嵌入式系统产业,领域和行业模型数据产业,网络、移动终端虚拟现实产业,虚拟现实服务产业等,都将逐步成为虚拟现实技术产业中新的增长点。

现场签名(邓杨/摄)

在互动环节中,对于听众提出的虚拟现实技术的局限性、虚拟现实技术的风险防范等问题,赵沁平院士给出了精彩回答。

最后,主持人郝振省对本期讲坛做了小结。他谈到,赵沁平教授今天的演讲主要包括三个方面的内容。第一,赵教授回答了什么是虚拟现实技术,讲到了虚拟现实沉浸感、交互性、构想性的特征,再进一步发展是加强现实。这部分内容体现了人类和计算机的一种相互推动的关系。人类发明了计算机,人脑发明了电脑,电脑是人脑的延伸和拓展,但是人类并不满足于对人脑的延伸,也不满足于对视觉、听觉、触觉的延伸,而是要借助计算机构建触觉、视觉、感觉甚至味觉,因此虚拟现实技术就形成了。这反映了人类总得有所发现、发明、创造、前进的历史必然性,而且这种必然性不限于一种产业,所以有了“虚拟现实+”方法论的价值和意义。这其中包含着哲学意义,人类认知世界的感官呈现出明显的局限性;同时,人类的感官又有不可遏止的无限性。从这个意义上可以说,关于真理的相对性是绝对的,关于真理的绝对性是相对的。

第二,赵教授讲到了虚拟现实有极大的生产力效用,因为它使我们对事物的认识和掌控更加精准化、纯粹化、典型化,最大限度地排除了或然性的风险,最大限度地实现了“科学技术是第一生产力”的论断。赵教授讲到了虚拟现实技术的建模、表现和交互,我们经常说“真的假不了,假的真不了”,但是虚拟现实技术让我们体会到“假作真时真亦假”。特别是张教授讲到了虚拟现实技术在军事、航天、医疗、文化遗产保护等诸多领域的应用,展现出虚拟现实技术能够在时光隧道里穿越往返、运筹帷幄于历史而决胜于千里万里之外的本领。

第三,关于未来的发展趋势,赵教授讲到了技术趋势,即建模、表现、交互的问题;讲到了产业趋势,这才有了我们国家下一步或者是未来发展的趋势;讲到了重点领域,一个是国家科技发展、战略发展,一个是大众的生活需求,使我们在座的各位深切感受到压力、自信和动力。压力,在于我们在某些方面并不落后,但是从产业和企业的角度来看还有很大的差距,虚拟技术公司更早更多地存在于发达国家。自信,在于我们的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中也把虚拟现实技术放在足够重要的位置,我们的研制也有了一定的基础和规模。动力,在于我们更加清醒认识到,实现中华民族的科技复兴,虚拟现实技术是一个十分重大而紧迫的领域,中央国家机关的司局级领导干部肩负着历史的责任。赵沁平教授作为虚拟现实领域的科研领军人物和带头人,他的演讲技术厚重、内容丰富、文武兼备、富有魅力,使我们享受到一次技术、思想、科技和爱国主义的盛宴。

据主持人介绍,2016年第3讲(总第83讲)读书讲坛定于3月26日举行,届时将邀请北京大学科学史与科学哲学研究中心主任吴国盛主讲《科学与人文》。

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