1、新科技對人類生活的影響及貢獻1. 前言從近代以來，特別是現代，科學技術迅速地、大規模地轉化為生產力，給人類社會帶來空前的繁榮。科技進步毫無疑義為人類帶來了幸福美好的生活，對人類生活產生了巨大的影響。二十世紀人類取得了一系列科學技術的輝煌成就。并形成了電子信息、生物技術、新材料技術、航天航空、原子能等高技術領域和高技術產業，其中對經濟和社會影響面最廣、影響力最大，影響持續時間最長的是電子信息技術。隨著二十世紀八、九十年代互聯網在全世界的迅猛興起，對經濟活動和人類生活方式產生了深刻的影響，并形成了一個覆蓋全球的開發和使用信息資源的信息大通道，進入了人類社會生活的方方面面，對政治、經濟、軍事、科技、

2、文化、社會等領域都產生了重大影響，從而揭開信息經濟時代的序幕。三維虛擬技術作為電子信息技術的重要組成部分，它是利用電腦模擬產生一個逼真的三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺的感官世界，讓使用者如同身臨其境的感受與立體的、交互的、動感的強烈震撼。通過三維虛擬技術，可以建立大型多人在線互動的平臺，將人類的活動范圍延伸至無限的虛擬世界當中，在此平臺中，人們可以通過語音、視頻、文字等實時通訊手段流暢地進行各種交流；也可以通過握手、擁抱等簡單動作進行交互；在應用方面，還可以集成更多地三維應用，如虛擬商店、虛擬課堂、虛擬醫院、虛擬劇場、虛擬游戲等。2. 三維虛擬技術介紹新科技對人類的發展作出了巨大的貢獻，可以說是深

3、入我們日常生活的方方面面。近年來，隨著計算機的計算能力和人機交互技術的飛速發展，基于大規模場景的群體交互與環境構建已經成為可能。2.1 虛實互動虛實互動是指利用三維虛擬群體自然交互技術、大規模場景虛擬構建技術和基于增強現實的多投影融合技術，將虛擬場景和現實場景的不同用戶集成在一個平臺上進行群體交互。其中群體自然交互技術包括人物動作識別；人臉/眼睛識別和運動跟蹤。通過紅外掃描、光流分割、運動檢測等技術進行用戶從系統中進行分離和動作追蹤。基于圖像繪制的虛擬環境構建就是以攝像機拍攝的一組實景圖像序列為基礎，運用圖像處理技術對其進行拼接，將看上去相互孤立的一組圖像組織成一幅能夠反映全部場景信息的全景圖

4、。其中圖像序列可以由照相機連續進行拍攝獲取，也可以由攝像機拍攝的一段視頻流中得到，為了從圖像序列中構建大范圍的場景圖像，攝像機需要通過平移、轉動、鏡頭縮放以及其它運動以拍攝得到滿足需求的場景，其中涉及到運動估計等問題。圖1 三維虛實互動三維虛實互動建模過程如下：l 若干原型人（a，b，c，d）經camera進行面部及整體掃描后形成面部及整體模型。掃描時間可控制在5S到10S之間。l 對原型人的面部掃描后進行三維面部建模，并根據虛擬場景的需求保存為指定的三維格式。l 面部建模后與已創建角色進行結合，虛擬角色的面部更換為已掃描的原型人物的面部形象，最終形成新的虛擬形象，并給予新的虛擬形象一個指定的

5、代號，如代號A的虛擬形象為原型人a的虛擬形象。l 新的虛擬形象的動作由動作捕捉系統進行骨骼跟蹤，實現原型人與虛擬形象間的體感互動，從體感設備的感知道虛擬人物的響應時間可接受在40S內。l 虛擬形象經全息成像進行一一對應的顯示（與代號A-D一一對應，其中代號D為未經過camera掃描建模后形成的虛擬形象）。l 虛擬形象在三維虛擬場景中展示（與代號A-D一一對應）。l 在三維場景中，虛擬形象之間通過程序控制產生互動，并在全息成像系統中與三維虛擬場景中展示互動與互動后的效果。2.2 基于群體交互的虛擬環境利用三維虛擬技術，我們可以構建支持群體交互的模虛擬環境仿真平臺，并可在此平臺基礎上開展群體交互大

6、型應用系統研究和嘗試。當前三維自然交互技術己在虛擬現實中得到了充分的應用與發展。虛擬現實通過計算機生成的虛擬環境給帶來人多種感官刺激的沉浸感，并且人能以自然方式與虛擬世界中的虛擬對象進行交互操作曰。受到虛擬現實、計算機圖形學和人機交互技術的發展和支持，三維自然交互逐漸成為現代交互方式的熱點研究方向。在虛擬現實環境中，傳統的通過計算機進行交互無法滿足現有的需求，自然交互的研究目標是消除人所處的環境和計算機系統之間的界限，即在計算機系統提供的虛擬空間中，人可以使用眼睛、手勢、頭部和身體運動以及自然語言等各種感覺器官直接與虛擬場景發生交互。本項目針對大規模虛擬環境下群體交互應用，主要開展如下自然交互

7、技術研究：l 人物動作識別。根據人物的手勢、語言、身體動作等等進行場景控制、與虛擬場景中物件進行交互、與其他的現實人在虛擬場景中進行交互。l 人臉/眼睛識別。通過對人面部的掃描進行人物識別，在多人虛擬場景中進行人物捕捉、定位和控制。l 運動跟蹤。通過紅外掃描、光流分割、運動檢測等技術進行用戶從系統中進行分離和動作追蹤。基于群體交互的虛擬環境構平臺，通過3D技術的建模、光處理、圖像渲染等一系列的步驟建立各種效果逼真的三維模型，并基于物聯網應用技術，可以將本地人員、設備、外界環境等進行智能感知、網絡通信、建立各種三維智能應用系統，實現大規模多用戶在虛擬現實中進行實時、自然的互動交流，通過虛擬現實技

8、術將人與人、人與環境有機融合，提高用戶之間的感知性和交互性。大型交互場景的虛擬再現和交互控制可以實時采集視頻圖像并合成3D虛擬現實環境，如下圖2(a)。在虛擬3D環境中，嵌入與真實移動人體具有相同幾何結構、運動學參數、動力學參數的虛擬人，如圖2（b）-1。有別于傳統的基于手柄、鍵盤的等遠程控制接口，可采用基于人體動作識別的遠程控制接口，它能夠為用戶提供更多的控制選擇，如圖2（b）-3。真實場景中的人體可與虛擬場景中的虛擬人狀態同步。在執行任務的過程中，現實環境將反饋視頻、音頻信息到3D虛擬現實環境。而觸覺信息則通過3D虛擬環境中虛擬物體之間碰撞獲得。圖2 大型交互場景的虛擬再現和交互控制系統框

9、架3. 三維虛擬技術的主要作用從應用角度，三維虛擬技術的主要作用可以具體地概況為如下幾個方面。3.1 虛擬智能家居智能家居是指在家庭范圍內，實現信息設備、通信設備、娛樂設備、家用電器，自動化設備、照明設備、監控設備、安防設備，以及水、電、氣、熱表等設備、家庭求助報警設備、醫療保健設備、教育設備、辦公設備的互聯和管理，以及數據和多媒體信息共享的系統，將各種與家庭生活工作相關的子系統有機結合在一起組成一個舒適的生活、辦公、娛樂環境。我們可以通過三維虛擬技術可以將家庭內的一切真實事物都搬到虛擬智能家居環境中，并通過虛實聯動，從而更好地實現直觀地控制和管理。虛擬智能家居包括：控制終端：每個居住環境有一

10、個智能控制終端。用于通過虛擬家居平臺對整個家居系統進行參數設置和控制。智能化電器操控：可通過網絡進行控制的智能家電設備，如電視、音響、空調、熱水器、冰箱等。自動化設備操控：非電器類可通過自動化進行控制的設施，例如門窗、攝像設備、噴淋、通風等。安防、防護：通過虛擬智能家居功能實現對周邊環境、室內環境以及通道監控和控制，并能夠在虛擬家居系統中實時定位，對潛在危險進行監控和預警。個性化系統服務：通過虛擬智能家居系統集成以及整合，使用戶足不出戶就可以享受娛樂、教育、電子商務、醫療救助、家政管理等服務。3.2 虛擬醫院虛擬醫院是運用虛擬現實技術，在線上模擬產生醫院的虛擬景象，當網絡用戶進入到虛擬醫院就如

11、同進入真實的醫院環境。虛擬醫院可以在里面設置醫院的真實科室，讓醫生在科室里坐診，網上用戶進入虛擬醫院向醫生咨詢疾病問題，即能滿足用戶的娛樂需求，同時也解決了用戶實際問題，同時用戶在網上能感覺出醫院的情況，提高了用戶去真實醫院就醫的可能性，大大提高了醫院潛在患者群體。3.3 虛擬旅游旅游是當前人類的主要活動之一，可以通過虛擬現實技術，按照旅游的實際要求和特點，建立虛擬旅游平臺，讓人們足不出戶，即可在虛擬的環境中，瀏覽諸多景點，從而大幅度提高旅游的體驗效果，吸引更多的游客。我們在家中通過高速網絡瀏覽世界上久負盛名的各個虛擬旅游景點，用戶可以自由地漫步其間，通過投影頭盔等虛擬現實技術沉浸在美好的景色

12、中，獲得身臨其境的感覺。另外，我們還可以利用虛擬現實技術進行歷史穿越，比如在虛擬世界中幫助游客回到了500年前的北京，從而大大提高了旅游的趣味性，增強了旅游的歷史體驗感受。3.4 虛擬課堂虛擬課堂是利用虛擬現實技術來改善當前的教育形式，可以模擬顯現抽象的或在現實中存在的、但在課堂教學環境下用別的方法很難做到或者要花費很大的代價才能顯現的各種事物，供學生學習和探索。當學生學習某種機械裝置，如汽車發動機的結構原理和運行過程時，一般的教學方法都是利用圖示或放錄像的方式向學生展示，但這些方法難于使學生對這種機械裝置的運行過程、狀態及內部的各個部件在工作時的相互聯系有一個明確的了解。這時，應用虛擬現實技

13、術就可以充分顯示出其優勢。它不僅可以向學生展現出發動機的復雜構造、工作原理以及工作時各個零件的運行狀態，而且還可以模仿出發動機在出現故障時的表現和原因等。這樣就使學習內容非常直觀地展現在學生的面前，大大提高學習效果。在醫學院校，學生可在虛擬實驗室中，進行各種手術練習。用這項技術，由于不受標本、場地等的限制，所以培訓費用大大降低。一些用于醫學培訓、實習和研究的虛擬現實系統，仿真程度非常高，其優越性和效果是不可估量和不可比擬的。例如，導管插入動脈的模擬器，可以使學生反復實踐導管插入動脈時的操作；眼睛手術模擬器，根據人眼的前眼結構創造出三維立體圖像，并帶有實時的觸覺反饋，學生利用它可以觀察模擬移去晶

14、狀體的全過程，并觀察到眼睛前部結構的血管、虹膜和鞏膜組織及角膜的透明度等。3.5 虛擬商店現在各類電商用戶的在線消費能力正迅猛增長、而目前的主要電商的商品展示還主要是以平面、靜態圖片展示為主，而服務還是以傳統的及時通訊工具為主，而利用的虛擬現實技術，可以實現電子商務服務平臺的進一步優化，讓商家更直觀地展示商品，并能通過視頻、虛實互動技術和買家進行類似于“面對面”的溝通和交流。真實感不強一直是制約消費者應用電子商務的主要因素之一。虛擬現實技術在電子商務上的應用，將能大大拉近買家與商家的距離，買家可以在網上立體地了解產品的外觀、結構及功能，與商家進行實時交流，如買家對一個藝術品，他不但可以從不同的

15、角度查看看外觀，還可以通點擊了解其內部結構，通過虛擬現實技術，你甚至可以親臨產品生產廠家進行實地考察，對廠家的生產規模、設備配備進行全方位的了解。把這一技術應用于電子商務，將能突破真實感對電子商務發展的制約，吸引更多的消費者接受及積極參與電子商務，促進電子商務的發展。3.6 虛擬智慧城市規劃智慧城市是建立在基于物聯網、云計算等新一代信息技術支撐下的先進城市管理模式，可以實現全面透徹的感知、寬帶泛在的互聯、智能融合的應用以及強調以人為本和可持續創新虛擬智慧城市規劃是將虛實互動技術引入到智慧城市的整體規劃和管理中來，城市規劃也可以應用三維虛擬城市系統。規劃可以通過虛擬現實創造出所開發城市的真實“三

16、維畫面”，以便從前瞻的角度來全方位審視未來的城市，確保城市規劃上美學意義的和諧和運營運作上的順利。如擬建中的城市建筑如何吸引人們的視線、商業網點布置在哪里最佳、污染企業置于何處對城市影響最小等等。借助虛擬現實技術無需規劃方案的真正實施，就能先期檢驗該規劃方案的實施效果，并可以反復修改以確定最終方案的制定和施行。虛擬智慧城市規劃應用中具有以下特點：強大的綜合貯存功能。將零散的數據和圖像資料加以結合并存貯在一起，可長期有效的使用；將各類地圖以相關信息，通過計算模塊完善地融為一體。為城市資源空間格局分析和空間模型提供技術框架。為城市規劃研究提供的常用信息包括土地利用類型及其面積、植被類型及其分布、生

17、物量分布，土壤類型及其水分特征等。虛擬智慧城市規劃的具體作用主要集中在以下幾方面：城市資源坐標定位；制作專題地圖(城市景觀分類圖，土地分布圖)：航空照片和衛星遙感圖像的定位和校正。通過現代通訊技術，可以將地理信息系統(GIS)、遙感(Rs)和全球定位系統(GPS)有機地集成起來。利用遙感、地理信息系統和全球定位系統等空問技術進行大尺度的資源與環境調查，具有成圖快、效率高和信息量大等優勢，能及時、準確、宏觀地反映研究對象客觀情況。平臺技術為城市規劃研究提供了極為有效的一系列研究工具，逐步成為資料收集、儲存、處理和分析所不可缺少的手段。在很大程度上改變了旅游規劃研究方式，同時也將逐步成為旅游規劃使

18、用的分析手段。3.7 虛擬智能樓宇智能樓宇是應用三維虛擬技術和物聯網技術，將建筑樓宇的恒壓供水、變頻調節、管網監測、電力監控、動力管理中心等優化整合，從而建立起整體的物聯網節能運營服務體系。通過三維虛擬技術可以按照樓宇內實際的建筑形式、市政管線、人員部署等真實情況，建立樓宇的整體三維虛擬模型，為后續建筑施工、物業管理、人防消防、應急響應、安防控制等提供直觀的管控和支持。物聯網技術在建筑智能及樓宇自控、設備系統，人員定位等管理有重要的應用，樓宇自控管理的具體應用包括：環境的實時監測和聯動控制、節能管理、固定資產跟蹤管理、工作人員活動定位等幾個方面3.8 線上線下三維互動新模式互動多媒體虛擬仿真技術作為一種視覺藝術的光影造型，漸漸讓人在場景中模糊了現實與虛擬之間的界限，虛擬仿真營造的視覺空間帶給人身臨其境的感覺，人們那種參與感與存在感很人性化的在虛擬與現實交互的空間得到淋漓盡致的展現，基于此所以虛擬仿真技術被大量應用于虛擬旅游，文化教育，影院和主題展覽館中，在現在環境中營造一個