虚拟现实技术在制造业的应用分析研究.pptx

虚拟现实技术发展趋势与制造业重点应用分析研究,,,,,,,,,目录 CONTENTS,,虚拟现实技术,参考文献,制造业,应用分析,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Part1,虚拟现实技术,第 4 页,虚拟现实技术,,发展 历程,行员的模拟器； 1956年，Morton Heilig开发出多通道仿真 体验系统 Sensorama 2. 虚拟现实萌芽阶段（1963-1972年） 1965年，Ivan Sutherland发表论文“Ultimate,Display”（终极的显示）； 1968年，Ivan Sutherland研制成功了带跟踪器 的头盔式立体显示器（HMD）； 1972年，Nolan Bushnell开发出第一个交互式 电子游戏 Pong3. 概念产生和理论初步形成阶段（1973- 1989年） 1977年，Dan Sandin、Tom DeFanti和Rich Sayre研制出第一个数据手套Sayre Glove； 1984年，NASA AMES研究中心开发出用 于火星探测的虚拟环境视觉显示器； 1984年，VPL公司的Jaron Lanier首次提出 “虚拟现实”的概念； 1987年，Jim Humphries设计了双目全方位 监视器（BOOM）的最早原型。

4. 虚拟现实理论进一步完善和应用阶段 （1990-至今） 1990年，提出VR技术包括三维图形生成技术、 多传感器交互技术和高分辨率显示技术； VPL 公司开发出第一套传感 手套”Data Gloves”，第一套HMD“EyePhones”； 21世纪以来，VR技术高速发展，软件开发系 统不断完善，有代表性的如MultiGen Vega、 Open Scene Graph、Virtools等1,2,3,4,发展历程： 1. 有声形动态的模拟阶段（1963年以前） 1929年，Edward Link设计出用于训练飞,,VR概念： 虚拟现实技术（VR）是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利 用计算机生成模拟环境，是一种多源信息融合、交互式的三维动态视景和实体 行为的系统仿真，并使用户沉浸到该环境中VR是仿真技术的一个重要方向， 是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术 等多技术的集合，也是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域虚拟现实技术,,,第 5 页,虚拟现实技术,,,,,,,,,自然技能 指人的头部转动，眼睛、手势、或 其他人体行为动作，由计算机来处 理与参与者的动作相适应的数据， 并对用户的输入作出实时响应，并 分别反馈到用户的五官。

感知 指理想的VR应该具有一切人所具有的 感知除计算机图形技术所生成的视 觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、 运动等，甚至还包括嗅觉和味觉等， 也称为多感知模拟环境 由计算机生成的、实时动态的三维 立体逼真图像第 6 页,传感设备 指三维交互设备数据手套、力矩球、 操纵杆、触觉反馈装置、力觉反馈装 置、运动捕捉系统、运动捕捉（机械 式、声学式、电磁式、光学式）、数 据衣等VR主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等几部分虚拟现实技术,,VR 特征： G. Burdea 在1993年提出“VR三角形”，简捷说明了虚拟现实的基本特征: 沉浸（immersion）、交互（Interaction）、想象（imagination） 沉浸性：用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度，是VR技术最主要的 特征影响因素包括多感知性、自主性、三维图像中的深度信息、画面的视野、 实现跟踪的时间或空间响应及交互设备的约束程度等 交互性：对虚拟环境中对象的可操作程度和从虚拟环境中得到反馈的自然程度 借助各种专用设备（头盔显示器、数据手套等）产生，使用户以自然方式如手 势、体势、语言等技能，如同真实世界一样操作虚拟环境中的对象。

想象性：用户在虚拟世界中根据所获取的多种信息和自身在系统中的行为，通 过逻辑判断、推理和联想等思维过程，随着系统的运行状态变化而对其未来进 展进行想象的能力第 7 页,虚拟现实技术,,VR类别：,,利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机屏幕作为用户观察虚拟境界的窗口通过输入设备实现与 虚拟现实世界的交互，但参与者缺少完全沉浸缺乏真实体验，但价格较低，因而应用较广泛1.桌面式虚拟现实,,高级虚拟现实系统提供完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟境界中的感觉它利用头盔式显示器或其 它设备，把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪 器、数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉2.沉浸式虚拟现实,,增强现实性虚拟现实不仅利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对 真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便的感受3.增强现实性虚拟现实,4.分布式虚拟现实,,多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，这就是分布式虚拟现实 系统多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。

第 8 页,第 9 页,,,,,,,01,02,03,04,05,拟环境模型虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合 和对象，即如何发挥想象力和创造力 选择适当的应用对象可以大幅度地提高 生产效率、减轻劳动强度、提高产品开 发质量为了达到这一目的，必须研究 虚拟现实的开发工具动态环境建模技术 虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心 内容动态环境建模技术的目的是获取 实际环境的三维数据，并根据应用的需 要，利用获取的三维数据建立相应的虚,实时三维图形生成技术 三维图形的生成技术已经较为成熟，其 关键是如何实现“实时”生成在不降 低图形的质量和复杂度的前提下，如何 提高刷新频率将是该技术的研究内容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 传感器技术的发展现有的虚拟现实还 远远不能满足系统的需要，因此有必要 开发新的三维显示技术应用系统开发工具,系统集成技术 虚拟现实中包括大量的感知信息和模型， 因此系统的集成技术起着至关重要的作 用集成技术包括信息的同步技术、模 型的标定技术、数据转换技术、数据管 理模型、识别和合成技术等等关键 技术,虚拟现实技术 关键技术：,虚拟现实技术,,技术应用： 随着计算机技术、交互技术和人工智能等相关技术的快速发展, 虚拟现实技 术取得了巨大进步。

适合应用于使用计算机仿真技术或计算机模拟技术的场 合, 特别是需要在三维空间中表现仿真模拟过程或结果且需实时交互时, 具 有很大优势 最初, 虚拟技术是美国航空航天局与军事部门为了模拟训练而开发的目前 虚拟现实技术已被运用在教育教学、医疗卫生、游戏产业、工程制造、航空航 天、军事仿真、科学研究、娱乐产业、室内设计、房产开发、文物古迹展示 、能源开发、轨道交通等各个领域中第 10 页,发展趋势：,虚拟现实技术,,,,1. 市场初级，但显现巨大潜力,第 11 页,2. 项目进展迅速，大部分在初级阶段,发展趋势：,虚拟现实技术,,,3. 认知度不高，用户不愿付费,4. 内容和舒适感，成为关注主流,,第 12 页,虚拟现实技术,,发展趋势： 虚拟现实技术的应用非常广泛为满足应用领域的新需求，虚拟现实技术研究遵 循“低成本、高性能”的原则，表现出一些新的发展趋势如：动态环境建模技 术；实时三维图形生成和显示技术；适人化、智能化人机交互设备的研制；大型 网络分布式虚拟现实的研究与应用；计算机计算速度和图形处理速度的发展将促 进其普及；更真实的虚拟环境，更先进的交互系统；更先进的软件技术等 虚拟现实技术是一门新兴的科学技术，它与许多相关学科领域交叉、集成，应用 领域非常广泛，应用前景也非常广阔。

随着计算机技术飞速发展，虚拟现实技术 将更为广泛地为人类的生产生活带来全新的面貌第 13 页,虚拟现实技术,,待解难题： 价格问题：大多数虚拟现实设备较昂贵，高昂售价阻碍了虚拟现实设备的普及 性能问题：对帧数、画面清晰度等要求较高，电脑资源耗费较大 舒适问题：因需传输大量数据，大多数厂商使用传统线缆，线缆较多；头戴式设 备质量较大，会产生沉重的坠压感；长时间佩戴会产生眩晕感、易疲劳 繁琐的三维建模：基于图形的虚拟环境首先要解决三维造型问题，大部分模型仍 由人工绘制，且需聘请高水平的专业人士 数据量大：虚拟现实应用的数据量非常大，在现有网络速度较慢的情况下，等待 时间较长虚拟现实系统中应考虑数据压缩问题 缺乏统一标准：该技术应用仍处于初级阶段，而对于这个平台大家都有各自的演 示方法 没有真正进入虚拟世界的方法：通过线缆连接到虚拟现实设备上，限制了使用者 的活动范围第 14 页,VR 与AR：,虚拟现实技术,,,增强现实技术通过电脑技术，将虚拟信息应用到真实世界，“在屏幕上把虚拟世界 套在现实世界，并进行互动”不仅展现了真实世界的信息,而且将虚拟的信息同时 显示出来，两种信息相互补充、叠加。

VR（Virtual Reality） 虚拟 现实虚拟现实技术利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、 听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、无限制地观察 三维空间内的事物通俗说来就是你看到的所有东西都是计算机生成的，都是虚假 的纯虚拟画面 AR（Augmented Reality） 增强,现实,,VR：在梦里见到了鬼！ AR：在现实中见到了鬼！,,,,,,,第 15 页,Part2,制造业,制造业,,制造业：是指对制造资源（物料、能源、设备、工具、资金、 技术、信息和人力等），按照市场要求，通过制造过程，转 化为可供人们使用和利用的大型工具、工业品与生活消费产 品的行业制造业的发展水平直接体现了一个国家的生产力 水平，是区别发展中国家和发达国家的重要因素，制造业在 世界发达国家的国民经济中占有重要份额 制造业包括：产品制造、设计、原料采购、仓储运输、订单 处理、批发经营、零售在主要从事产品制造的企业（单位） 中，为产品销售而进行的机械与设备的组装与安装活动第 17 页,制造业,,我国制造业存在的问题和考验：,“五大问题”： 创新能力薄弱； 核心技术匮乏；,传统产业产能严重过剩； 大而不强。

资源浪费，环境污染；,“双向压迫”： 发达国家“再工业化”； 新兴国家成本优势进一步凸显内 忧,,外 患,,（1）我国制造业本身存在一些问题；（2）发达国家利用既有技术优势，不断增强其先 进制造业在全球价值链的竞争优势；（3）新兴经济体凭借其廉价的劳动力成本优势， 也不断提升其制造业在全球的影响力；,第 18 页,制造业,,中国制造2025提出“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”基本方针， “三步走”实现制造强国战略目标：2025年迈入制造强国行列；2035年中国制造业整体 达到世界制造强国阵营中等水平；新中国成立一百年时，综合实力进入世界制造强国前列 德国提出“工业4.0”概念及模式作为全球制造装备的“领头羊”，德国制造业拥有强大的 设备和车间制造工业，在信息技术领域、嵌入式系统和自动化工程方面有非常专业的技术 美国推出了先进制造业回归计划美国公司合作关系对于美国研发世界前沿技术起到关键 作用而美国鼓励尝试制造企业和教育、培训机构合作办学的人才培养方式，为教育和培训 各个层次的学生、工人提供独特的机会 日本制造也提出了“产业振兴”战略安倍政府上台后，提出了“安倍经济学”战略，其三 项主要内容除金融量化宽松和财政刺激举措之外，就是“产业振兴”。

2008年，英国政府就推出“高价值制造”战略，希望鼓励英国企业在本土生产更多世界级的 高附加值产品，以加大制造业在促进英国经济增长中的作用第 19 页,各国制造业战略：,第 20 页。