2016年国外虚拟现实技术发展综述

学号:1600030061 姓名:朱凌轩

【嵌牛导读】:虚拟现实(Virtual Reality)技术,简称VR技术,是一种利用计算机及显示设备模拟产生一个三维空间的虚拟世界,并为使用者提供与之关联的视觉、听觉、触觉等感官模拟的虚拟仿真技术。虚拟现实设备能够获取使用者的运动轨迹和相对位置,并实时进行计算和渲染,可以让使用者如同身临其境一般,及时、全面地观察三维空间内的事物。

【嵌牛鼻子】:计算机图形学、计算机仿真技术、传感技术、显示技术

【嵌牛提问】:虚拟现实还有哪些应用?

【嵌牛正文】:

1.虚拟现实军事应用分化为多个发展方向

构建多域一体的虚拟战场环境,提升演练临场体验

通过相应的三维战场环境图形图像库,包括作战背景、战地背景、各种武器装备和作战人员等,为使用者创造一种险象环生、逼近真实、多域一体的立体战场环境,以增强仿真的临场感觉,提高临场训练或模拟质量。2016年2月,美国海军水面战中心达尔格伦分部(NSWCDD)正在牵头建设一个名为“安全”号的虚拟系统,参与方包括三家海军系统司令部、赛博防御主管部门以及全美各地的虚拟现实专家。这一美军海上系统司令部和航空系统司令部联合研发的虚拟现实系统旨在提高海军联合作战能力,应对潜在的赛博安全威胁,系统还包括了平台、机械、电气和其他孤立设施,并将使美国海上系统司令部水面战中心关于将战舰打造成赛博安全战舰的设想成为现实。截至2016年初,美国国防部和美国宇航局的Ames实验室已经建立了空间站、航空、卫星维护的虚拟现实训练系统,以空间站操纵的实时仿真为例,美国宇航局的“虚拟行星探索”(VPE)计划大量运用了面向座舱的飞行模拟技术,利用虚拟环境来考察遥远行星,目前正以火星为目标进行仿真探索。

打造虚拟训练训练系统,解决装备不足,教学效果差等实际问题

虚拟战场环境下的作战训练是利用虚拟战场环境,让士兵携带各种传感设备,士兵可以通过操作传感设备选择不同的战场环境,并输入不同的处置方案来体验不同的作战效果。高度仿真的实战模拟可以锻炼和提高参训人员的战术动作水平、心理承受能力和战场应变能力。虚拟武器装备操作训练是在虚拟武器装备环境进行的,通过训练可以达到对真实装备进行实际操作的目的。这一虚拟现实手段既能够有效地解决军队现阶段大型新式武器装备数量少、不够士兵实操的难题,又能够解决部队和平时期训练场地时间、空间受限的问题。

2016年12月中,海军方面会同波音公司——P-8“波赛顿”的主承包商联手开展对“战术训练与趋势分析任务执行情况评估”(PMATT-TA)系统的测试。这是一种基于网络的集中式数据库,它能与P-8“波赛顿”和P-3“猎户座”的训练系统实现整合,从而使海军官员能研究仿真培训的发展趋势,以及从虚拟培训转向实况培训的最佳时机。按照目前计划,在2017年10月底之前,该系统将会纳入波音公司的P-8“波赛顿”训练软件底层升级工作中。另据海军海上系统司令部项目副经理Tom Conlon透露,就水面舰艇而言,海军研制的“水面训练先进虚拟环境”(STAVE)已经将虚拟现实、实操应用以及传统教学方法融合到了一起,用以培训新一代水手。培训中,学员先采用数字化3D虚拟工具学习如何操作武器或机械,然后用学到的知识在教室里操作实体部件,最后是登船实操。Tom Conlon认为这种训练方式不逊色于高等院校的课堂教学。

2016年法国国际防务展上,法国EGA集团展出了一款由其研发的军用车辆模拟训练系统,所有功能可根据用户需求自行调整和改装,适用于新兵、军校、实战模拟、作战协同训练和连排级部队实战演习。该公司研制的军用和警用模拟训练系统已经装备法国军方和警方。法国EGA集团此次展出的军用车辆模拟训练系统是一种全尺寸装甲车模拟训练舱,集成所有装甲车操作子系统和内部环境布置,拥有六个移动控制轴,可以模拟多种车辆驾驶动作和颠簸、侧倾、翻转等行驶状态。这种驾驶舱模拟训练器可进行自动驾驶训练和连级/排级部队协同作战能力,并能与其他模拟训练系统组网。训练舱内嵌3D地形仿真数据库,能够模拟多种环境,包括:沙漠、暴雨、城市街道,以及乡村、峡谷、山区、沿海等各种训练场景。训练舱的人工智能综合计算机系统可根据模拟的训练场景和任务需求,自动切换昼夜环境和调整光线强度。

实施诸军兵种联合虚拟演习,大幅降低演习成本

按照军队的实际编制、作战原则、战役战术要求,使各军兵种相处异地但却共同处于虚拟战场环境中,指挥员根据虚拟环境中的各种情况及其变化,来判断敌情作决定,并采取相应的作战行动。在虚拟的联合仿真战场环境中,诸军兵种联合战役训练中可以做到在不动实体一枪、一弹、一车的情况下,对一定区域或全区域所属的诸军兵种进行适时协调一致的训练。通过训练能够发现协同作战行动中的问题,提高各军兵种的协同作战能力,并能够对诸军兵种联合训练的原则、方法进行补充和校正。目前各国军事部门都十分重视这种训练模式,在美国的国防大学中专门开设了联合与合成虚拟作战课程。实践证明,在虚拟战场环境中对诸军兵种进行联合战役训练能够极大地提高参展部队的作战能力,并能缩减武器的研发和实训阶段的费用。据悉美国第四代战斗机F-22和JSF在研制全周期中,由于采用了虚拟现实技术,实现了3D数字化设计,使得研发周期缩短50%,节省研发经费93%。

应用虚拟设计与装配,提升武器系统研制效率

在高新技术武器开发过程中大量采用虚拟现实技术,设计者可方便自如地介入系统建模和仿真实验全过程,这样缩短了武器系统的研制周期,并能对武器系统的作战效能进行合理评估,从而使武器的性能指标更接近实战要求,同时在武器装备的研制过程中,虚拟现实技术可为用户提供前期演示,让研制者和用户同时进入虚拟的作战环境中操作武器系统。研制者和用户能够充分利用分布式交互网络提供的各种虚拟环境,检验武器系统的设计方案和战术、技术性能指标及其操作的合理性。利用虚拟现实技术来进行大型复杂系统的开发、设计、评估论证等,已有很多成功的例子,例如,波音公司一直在其777飞机的产品设计与性能评价阶段应用虚拟原型机实例,这也是飞机设计史上第一次在设计过程中没有采用实物模型,波音777由300万个零件组成,所有的设计在一个由数百台计算机工作站组成的虚拟环境中进行。设计师们戴上头盔显示器后,可以“穿行”于设计中的虚拟“飞机”,审视“飞机”的各项设计指标。波音公司的成功案例说明使用虚拟现实技术来进行大型武器系统的开发具有可行性,是虚拟现实技术的一种军事应用趋势。

2.虚拟现实技术浪潮席卷全球

虚拟现实技术实现虚拟可视化数值仿真

全球各大高校和公司在虚拟现实技术领域投入了大量资源,各种虚拟现实应用精彩纷呈,到2016年已经逐步形成鼎沸之势。北卡罗来纳大学是进行虚拟现实技术研究最早、最著名的大学,现在的主要研究有分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等,该大学开发了名为“像素飞机”的虚拟现实系统,帮助用户在复杂视景中建立实时动态显示的并行系统;乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统,该系统在一个分布交互式仿真系统中模拟真实世界复杂流体的物理特性,包括模拟正在穿过水面行驶的船只、搅拌液体、混合不同颜色的液体、下雨对地形的影响等特性。

工业领域已形成可集成软件平台和成熟硬件产品

在工业领域虚拟现实早已崭露头角,西门子打造了制造虚实“双胞胎”流水线,通过虚拟现实技术远程展现实际流水工况和数据。2016年初,罗克韦尔•柯林斯与美国虚拟现实软件公司WorldViz合作开展维修培训器项目。WorldViz提供虚拟现实“工具集”,该工具集已经被罗克韦尔•柯林斯公司在其先进制造设施中使用了八年。罗克韦尔•柯林斯公司负责出版和培训解决方案的主管史蒂夫•肯奈尔说:“当我们要建造一个盒子的时候,我们拿来所有(CAD)图纸,在虚拟世界中建造一个原型,然后送给维护和工厂操作者,检查公差与配合,以及如何去制造它。我们在这个过程中节省了大量的资金,现在我们要拓展到远程学习的场景”;谷歌公司在2016年度开发者大会上推出虚拟现实开发平台Daydream,用于基于安卓系统的VR头戴设备、控制机和智能机的开发,并于今年10月发布了符合Daydream标准的智能机Pixel和Daydream View头戴式显示器。

虚拟现实产业即将驶入发展快车道

目前美国的虚拟现实技术应用在国际上处于领先地位,已成为业界标杆,其他国家如英国、德国、日本在上基本与其大同小异。纵观各国发展态势,虚拟现实技术的发展已在科学实验、仿真模拟等方面落地生根,并呈现出稳步上升的趋势。英国ARRL公司近期进行了关于远地呈现的虚拟现实研究实验,主要针对虚拟现实远景的动态重构问题和科学可视化计算;德国宝马汽车公司将虚拟现实技术融入到汽车零部件设计、内饰设计、空气动力学试验和模拟撞车安全试验等整车的细节工作中;日本则在建立大规模VR知识库和虚拟现实仿真方面有较大成就。

3.人工智能高歌猛进,为虚拟现实提供新的技术支持

2016年是人工智能研究和应用突飞猛进的一年,领域包括自动驾驶汽车、语音识别、机器翻译等等。在军事方面,辛辛那提大学博士研究生开发的人工智能(AI)ALPHA在高保真空战模拟器上进行的模拟空战中完胜美空军飞行员。ALPHA的开发工作是AFRL“仿真、集成和建模高级框架”(Advanced Framework for Simulation, Integration and Modelling)项目的一部分,用来改善假想敌算法。该项目主承包商为波音公司,项目成果已于2013年交付给AFRL。程序中采用了基于模糊逻辑的人工智能技术,是以模拟空中作战任务为研究目的,专为无人作战飞行器(UCAVs)的使用而设计。该项目与其他的人工智能专项计划不同之处在于,它是在一台价格35美元的“树莓派”(Raspberry Pi)上运行的,只需要很少的计算资源。DARPA也正在大力发展人工智能技术,如在“高可信赛博军用系统”(HACMS)中采用formal methods的数学手段寻找并解决系统的赛博薄弱点。在“认知电子战”系统中,通过搜集无线电波形,再使用最先进的人工智能和机器学习方法进行处理,预测敌方的下一步举动,并采取适当的干扰措施。

民用方面,谷歌旗下DeepMind公司基于深度学习开发的AlphaGo在3月的人机大战中以4:1的总比分获胜是2016年度引人注目的大事件之一。AlphaGo是通过“策略网络”(policy network)和“估值网络”(value network)两种不同的深度神经网络来分析棋局,挑选“有前途”的棋步,抛弃明显的差棋,判断下子的胜算。在比赛前,谷歌的人工智能团队就已经在AlphaGo里输入了几千万局的棋局,让它自行训练。在克罗地亚,山地救援服务队则联手数家科技公司,推出了一种可以自动分析无人机航拍图片并找出失踪人员的系统。这些无人机可以在15分钟内完成一平方公里的搜索任务,拍摄数百张照片并对图片进行分析,从而找出失踪人员的踪迹。

4.虚拟现实技术发展启示

虚拟现实白热化趋势明显

1.虚拟现实技术进入高速发展阶段。2016年被业内专家定义为虚拟现实技术爆发元年,今年一季度全球虚拟现实/增强现实(VR/AR)领域总投资超过17亿美元,其中近10亿美元来自中国。同时基于虚拟现实的视频、应用等内容服务、头盔眼镜、数据穿戴设备等硬件设备公司、行业解决方案提供者等成为产业资本追逐的重点对象。2016年虚拟现实热度持续上升,虚拟现实近三年专利新申请量超过前20年的总和,其中美国专利申请量高居榜首,占比51%,韩国、日本、中国依次位居其后。

2.技术指标尚存瓶颈但其应用和普及已是大势所趋。目前虚拟现实技术在实际应用时仍然需要突破一些共性的技术瓶颈,如广视角、低眩晕、低延时、真三维等性能指标的突破,同时对于通用计算平台、人机交互手段等方面也存在一定改进空间,但虚拟现实技术数十年积淀的相关理论和应用已经开始逐步成熟,整个产业即将步入量产和内容开发阶段,预计五到十年将达到应用的巅峰。未来的五年将是虚拟现实这片红海竞争最激烈的五年,将形成一个集中的爆发期,据Business Intelligence最新预测,头盔式设备年复合增长率达到99%,到2020年全球虚拟现实头盔出货量将达到2500万台,仅硬件头盔设备产值就将达到750亿美元。Digi-Capital的最新报告数据更为惊人,2020年全球虚拟现实与增强现实技术的市场总规模将达到1500亿美元,年复合增长率将超过130%。目前虚拟现实产业已经表露出消费市场普及化、行业需求明晰化、基础平台开放化、技术创新协同化四大明显趋势,虚拟现实技术将逐步走进主流消费市场。

虚拟现实技术发展启示

1.虚拟现实将对军事领域产生深远影响虚拟现实技术被誉为“21世纪的新科技”,随着计算机科学技术及相关科技的日益发展,虚拟现实技术不断走向成熟,其在未来战争中的应用前景光明,对战争的影响也将越来越大,其低成本、高效能、高仿真的特性及沉浸式的应用体验将在我军新一轮军事变革中产生深远影响。

2.关注政府引导、企业主导的虚拟现实发展模式。借鉴他国虚拟现实技术的发展模式,政府与企业的关系基本是政府引导,企业主导。政府的引导作用不仅体现在其下属的各大部门积极自助虚拟现实技术的研发,更重要的是政府通过政策和法律明确了政府的宏观调控作用,运用立法规划的手段对虚拟现实的发展和应用予以支持,充分利用自由发展和市场竞争的规则,动员高校、企业及其他机构成为虚拟现实技术的研发主导力量。企业的主导作用体现在不仅为政府筹集巨大融资,而且企业能够在技术研发和商业化中获取技术和经济效益,为企业的自身发展积蓄力量,增强市场竞争力。

3.需要基于内容来丰富虚拟现实应用,完善产业链的构建。现阶段该技术仍处于市场预热期,因此最关键的还是内容渠道的不断丰富及整个生态产业链的构建和完善,硬件端的发展往往依赖于内容和软件的需求,因此内容产业特别是虚拟现实军事应用和娱乐内容的产业将具备极大的发展潜能。丰富多彩、真实全面的虚拟现实系统和全方位、多维度的虚拟现实体验,势必成为未来虚拟现实技术战场的核心竞争力。

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