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虚拟现实:另一个宜居的未来pdf/doc/txt格式电子书下载

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书名:虚拟现实:另一个宜居的未来pdf/doc/txt格式电子书下载

推荐语:多视角梳理VR概念特征、历史发展、典型架构和未来方向,结合心理学、影视、娱乐等领域,带你体验未来的VR世界!

作者:翁冬冬、

出版社:电子工业出版社

出版时间:2019-01-01

书籍编号:30458148

ISBN:9787121324963

正文语种:中文

字数:260658

版次:1

所属分类:互联网+-人工智能

全书内容:

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作者简介

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翁冬冬


2006年获北京理工大学光学工程学科博士学位。现任北京理工大学光电学院研究员,博士生导师,北京市未来影像高精尖创新中心二级研究员,主要从事增强现实与虚拟现实,以及人机交互方面的研究工作。曾应邀赴澳大利亚国立大学进行合作研究。作为课题技术和整体负责人参与主持了包括国家科技部“863”项目“虚实融合显示装置”等在内的多项科研项目。发表学术论文五十余篇,曾获国家级技术发明二等奖一项,省部级技术发明一等奖一项,省部级技术进步二等奖一项,以及市级和校级奖励六项,申请专利十余项,获授权专利五项。

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郭洁


北京理工大学在读博士研究生,从事虚拟现实与增强现实等新型显示的研究,主要研究方向包括虚拟现实和增强现实,头戴式设备对使用者的视觉影响及其优化,长时间沉浸对使用者的认知行为的影响。

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包仪华


北京电影学院未来影像高精尖创新中心科研主管,中国电影艺术研究中心电影学硕士。主要研究方向为虚拟现实与增强现实、虚拟现实与沉浸式叙事。主持并参与了多个虚拟现实及增强现实相关项目。

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蔡力


北京理工大学硕士,专业方向为虚拟现实与增强现实。曾在新媒体展示、游戏、互联网广告、互联网金融等行业担任软件开发工程师,负责开发了多款产品,具有丰富的行业经验。

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余兴尧


北京理工大学在读博士研究生,长期在虚拟现实领域从事科研工作。主要研究方向为虚拟现实中的晕动症优化手段、视疲劳影响因素和高沉浸式虚拟现实办公系统设计等。

前言


即使是如作者这样的虚拟现实的忠实信徒也不得不承认:增强现实(而不是虚拟现实)在不久的将来会替代人们的智能移动设备,从而彻底改变人们的生活,给人类新的未来。同时,人工智能将会抢走大部分人的工作,少数社会精英依靠智能机器人创造财富并掌握大部分资源。这时,虚拟现实将会以另一种方式改变人们的生活,它会开创出一个新的生存空间,让那些被夺去工作权利的人们有所居、有所为。在未来,大部分普通人将长时间沉浸于虚拟现实创造的虚拟世界中,为此我们需要一种宜居的虚拟现实技术来构造我们的新世界……


但愿这个未来只出现在作者的臆想中,但无论如何,虚拟现实的普及已经无法阻挡,各行各业都对虚拟现实技术充满了期待。


本书力争通过概括性的描述,在纷繁的知识中为读者呈现虚拟现实的全貌。本书的章节组织分为如下三个部分。


第一部分包括第1章、第2章、第3章和第4章,这一部分对虚拟现实整体概念和关键技术进行了介绍,其中第4章专门介绍了虚拟现实中的一个重要问题——虚拟现实晕动症的相关内容。第二部分包括第5章和第6章,主要介绍虚拟现实在心理学、影视,以及主题娱乐方面的应用情况。第三部分为第7章,围绕“宜居的虚拟现实”这一概念,讨论虚拟现实的未来发展趋势。


本书由本人和多名合作者共同完成,其中郭洁主要完成第5章心理学相关内容的撰写,包仪华主要完成第6章影视与主题乐园内容的撰写,蔡力和余兴尧与本人一起共同完成第4章与晕动症有关内容的撰写,其他部分的撰写主要由本人完成。在资料整理与汇总方面,薛雅琼、江海燕、王斐、申睿颖、方慧等人做了大量工作,给予本人巨大的帮助。在一些章节的具体问题讨论中,杨智卓、宋维涛、王佳斌、章晓冰等人给予本人很大的协助。最后,感谢刘欢在稿件校对方面的协助。


作者:翁冬冬

第1章 虚拟现实所谓何物


本章引言


虚拟现实时代的来临已经势不可挡,在未来高度虚拟化的社会中,每一个人的生活将会与现在有巨大的区别。深刻理解虚拟现实技术为人类带来的变革将帮助每一个人抓住未来发展的脉搏。


作为本书的第1章,我们将首先讨论与虚拟现实有关的一些基本话题,通过讨论虚拟现实技术的本源来进一步探索它未来的发展趋势。


本章要讨论的第一个问题是:“为什么要虚拟一个现实出来。”讨论这个问题的目的是寻找所有虚拟现实应用的基本需求,或者说本源需求。之后,我们从虚拟现实的内涵和外延入手,逐步引出虚拟现实的概念。鉴于虚拟现实的技术概念如此具有包容性,所以在本章中非常有必要明确本书所讨论的范畴,因此需要对一些相近的且易混淆的技术领域进行区分。


本章最后会用一个小节的篇幅简单回顾虚拟现实历史上重要概念的产生过程。


为什么要虚拟一个现实


对虚拟现实技术的一个最简单的理解就是:“将真实世界进行虚拟化,从而得到一个与真实空间相似的虚拟空间。”但是,人们为什么要花费巨大精力来构建这样一个虚拟空间呢?这要从人类的本源需求说起。


从根上说,人类的需求大多是与生俱来的。道明会神父圣多玛斯·阿奎纳(St.Thomas Aquinas)列举了人类的七重罪:贪食、色欲、贪婪、伤悲、暴怒、懒惰、自负或傲慢。这七种重罪无一不是来源于人类的本源需求。例如,“贪食”可以被看作人类对“食物”的需求表现,“色欲”是人类对“性本能”的需求表现,“贪婪”是人类对“占有”和“安全感”的需求表现,暴怒是人类对“控制”的需求表现,懒惰是人类对“自由”的需求表现,自负是人类对“自我认同”的需求表现,傲慢是人类对“社会认同”的需求表现。


对此,马斯洛(Maslow)提出了人类的需求层次理论,将人类的需求分成了由低到高的五个不同层级,如图1-1所示。这些需求都可以看作人类的本源需求。从有人类历史开始这些需求就存在,而经历了数千年的发展,直到今天,这些需求仍然在支配人类的各种行为。随着时代的发展,新的技术不断出现,也带来了很多“新的需求”,但是新的技术并不会创造出新的本源需求,这些“新的需求”实际上只是一种变化了的本源需求表现形式。对于虚拟现实来说,这种情况也同样适用。

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图1-1 人类需求模型

虚拟现实技术的魅力在于,它几乎可以在每一个层次为人类提供需求和满足。也正是因为这个原因,虚拟现实技术在不远的未来会为大多数的传统产业带来变革,它可以被应用于军事、医疗、教学、娱乐、旅游等行业。你几乎可以和任何一个行业的人探讨虚拟现实在他们所在行业的应用,这种讨论往往令人兴奋,以至于这些讨论最终往往演变为如何将虚拟现实强加到这些行业中,而不是讨论这些行业是否真的需要虚拟现实的介入。所以,在讨论虚拟现实的开始部分,明确哪些构造虚拟空间的需求来源于人类的本源需求,将会帮助我们辨别那些随着这种讨论而产生的伪概念和伪需求,并最终更准确地找到虚拟现实的真正价值。


实际上,确实有很多非常基础的需求驱使人们通过将真实的世界虚拟化来构建一个虚拟的空间。我们将这些需求分为理性需求和人性需求两部分,其中,理性需求是那些符合逻辑、符合基本趋利避害心理的人类需求;而人性需求是那些来源于人性本身、为了追求某一单一目的可以不顾成本和其他损害的需求。


理性需求:低成本性


人们会使用虚拟现实的首要原因是:构建一个虚拟情景往往比构建一个对应的真实情景成本更低。降低成本会导致人们更容易占有某些东西,这也是占有欲的一种表现。低成本的含义包含了两方面内容:费用成本低及时间成本低。


“低成本需求”在虚拟现实应用中最为普遍,其中一个典型的例子是虚拟现实在博物馆中的应用。在不使用虚拟手段的情况下,博物展览需要将实物展品进行展出,这涉及展品的保存、运输、布展等一系列烦琐而专业的工作,需要花费大量的费用与时间。但是,通过虚拟现实技术,使用者只需安坐在家中,就几乎能够参观世界上所有的博物馆。这不但大大降低了文化传播过程中的成本,也降低了使用者获取知识所需要的成本。


2016年,Google公司为其名为“Arts & Culture”的在线博物馆项目提供了基于Google Cardboard的虚拟现实应用,如图1-2所示。

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图1-2 Google公司为Arts &Culture项目开发的虚拟现实应用

通过这个虚拟现实应用,用户只需使用自己的智能手机,就可以用虚拟现实的方式,身临其境地游览上千个真实世界中的博物馆,观看博物馆中的艺术作品、历史文献和世界奇观。通过这个应用,用户可以查看印象派画家莫奈的作品,仿若置身于真实的艺术画作之前;可以漫步在罗马艺术场景的街头,或是观看宙斯的古希腊神庙,就像回到了2500年以前。这个应用大幅降低了人们欣赏艺术作品、感受文化熏陶的成本,满足了人们对“自由”和“占有”的需求,成为了当年最受关注的一项虚拟现实应用。


为了降低成本,另一类典型的使用虚拟现实技术的应用情景发生在规划和决策领域。由于规划和决策涉及多个技术工种、部门的协同工作,其过程往往是耗时巨大的。通过虚拟现实技术,规划师和建筑师可以在项目的早期,而不是在竣工之后,构建出一套完整的可以漫游体验的沉浸式系统。例如,中国人民大学的王克平与北京理工大学的宋震等人在中国人民大学新校区建设方案决策过程中,基于CryEngine引擎构建了虚拟规划决策辅助系统,如图1-3所示。在这个系统中,决策者能够在一个虚拟的三维环境中,用动态交互的方法对未来新校区的规划方案进行感同身受的全方位审视,从任意视点观察场景,并自由切换多种运动形式。这种直观的审视能够帮助总体决策者对预设设计方案进行更直接和感性的评估。由于这些决策者往往并不具备建筑和规划的专业知识,他们的判断更多来源于感性认识的积累,因此此类虚拟现实系统的呈现效果,往往决定着设计方案能否通过,同时也可大大减少设计方案重复迭代的次数,缩短项目的设计周期。

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图1-3 中国人民大学新校区规划决策辅助系统

综上所述,虚拟现实技术能够将“已经存在”和“尚未存在”的真实情景构建在虚拟环境中并进行传输、保存和展示,从而大幅减少构建场景所需的费用成本和时间成本。因此,在对“呈现”成本较为重视的应用场景中,“虚拟化”被视为一种“刚性需求”,而不仅是锦上添花的展示手段。


理性需求:可控性


第二个让人们无法拒绝虚拟现实的理性需求是可控性。在很多应用情景中,人们对成本并不敏感,例如军事训练、飞行员训练、医疗等。这种应用情景可以接受高昂的费用,也可以容忍系统使用上的一些不便,但是对整个系统的可控性却有极为严格的要求。


以单兵轻武器操作训练应用为例。在传统方法中,为了获得更高的真实度,往往需要使用实弹进行演练,这种训练在不可控的条件下是非常危险的,稍有不慎就会造成参训人员的伤亡。相对的,在虚拟现实训练系统里,人们很容易构建出一个逼真且安全可控的环境,从而大幅度减少训练人员的伤亡。


如图1-4所示,是美国陆军开发的一套虚拟步兵训练系统:DSTS(Dismounted Soldier Training System),该系统基于CryEngine引擎开发,总项目耗资约为5700万美元,能够创造具有极高真实感和高沉浸体验的虚拟战场环境。通过可穿戴计算机系统、用户姿态传感器、仿真武器及触觉反馈设备等装置,该系统可以同时支持多名士兵在多样的地形和气候环境下进行步兵军事训练。系统可以设定各种训练科目,通过让士兵在虚拟战场中完成特定任务来提升士兵射击、驾驶、团队配合等军事技能。由于所有的战斗发生在虚拟环境中,无论是气候还是敌人的行动都受控于计算机系统,大幅降低了士兵在军事训练中受到死亡威胁或其他伤害的可能。

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图1-4 美国陆军开发的陆军步兵训练系统

另一个典型的降低训练风险的案例是美国航空航天学会的Jeffrey R.Hogue等人于1997年开发的跳伞训练模拟器系统[1]。这套跳伞模拟系统可以在军事上用于伞兵跳伞的教学与训练,从而大幅降低伞兵训练的危险性。该系统采用4个背带结构构建了悬浮降落伞装置,用户乘坐于其上观看头戴式显示器中的模拟画面,可以产生较强的沉浸感,并且能通过对地面的视觉感知,提供更好的降落提示。系统的优势在于增加了跳伞过程中学员与训练员的对话功能,能在关键时刻对学员的动作技能做出纠正;且和其他类似系统相比,该系统在经济性方面有很大的提升。针对该系统的测试实验发现,训练模拟器的沉浸感越强,将抽象过程的训练转化为实际跳伞技能的效果就越明显。图1-5所示是以该系统为基础迭代的新一代伞兵训练模拟系统。

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图1-5 新一代伞兵训练模拟系统

除了降低风险,虚拟现实系统的可控性还可以允许教官更轻松地实现重复性的演练。例如,一个训练想定是让敌方三辆坦克沿着某一条路径向前行驶,并在固定位置射击我方目标。训练的内容是让参训人员针对这

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