北京航空航天大學：XR與數字孿生技術研究與實踐（2022）（56頁）.pdf

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1、2022.06.26 沈旭昆錢學森與錢學森與Virtuality and RealityVirtuality and Reality虛擬現實概念與內涵 一種可能的顛覆性技術 一種終極的人機界面虛擬現實的3I特性參與者借助VR系統給出的逼真視聽觸覺信號而產生的對虛擬空間的想象參與者全身心地沉浸于計算機所生成的三維虛擬環境，并產生身臨其境的感覺參與者可以利用各種感官功能及人類自然技能與虛擬環境進行交互考察與操作交互性交互性(interaction):(interaction):沉浸性沉浸性(immersion):(immersion):智能性（智能性（intelligenceintelligenc

2、e）構想性構想性(imagination):(imagination):Mixed RealityREVEAVReal EnvrionmentAugmented Reality(AR)Augmented Virtuality(AV)Virtual EnvironmentAR虛擬現實：增強現實，增強虛境，虛擬環境虛擬現實技術可能顛覆什么從2D顯示到3D顯示為主改變觀看固定屏幕為頭戴眼鏡自由觀看從人機鍵盤鼠標交互到人與虛擬環境自然交互虛擬現實技術可能顛覆什么構建任意時空物理世界事物的虛擬孿生各行業全新的實驗與驗證平臺互聯網的新入口和新社交環境頭號玩家：游戲社交平行世界開啟圖形時代圖形學和VR的里程

3、碑，6368年Ivan Sutherland：三維交互式圖形系統，1963 畫板1965 終極的顯示1966 HMD 1968 E&S 1988 圖靈獎科幻版的頭盔圖形學和VR的里程碑，6368年Ivan Sutherland：1963 畫板1965 終極的顯示1966 HMD 1968 E&S 1988 圖靈獎虛擬現實硬件系統技術先鋒與雅皮Krueger提出了“Artificial Reality”一詞，這是早期出現的VR詞語。1973年i美國VPL公司的創立者 Jaron Lanier提出了Virtual Reality一詞，2018年出版虛擬現實-萬象的開端，展示了VR如何更新與拓展了我

4、們對人類本身的理解，在大腦和身體如何與世界連接方面提供了新的視角1989年虛擬現實的藝術和感性表述Lanier一種必須擺脫游戲、電影、傳統軟件、新經濟權利結構、甚至先驅想法的新的藝術形式。在另一個地方、另一個身體或另一個世界邏輯中創造幻想的娛樂產品。一種終極媒介技術，這意味著它永遠不會變成熟。人類感官和運動器官的鏡像，也可以將他想象成人體的反像當代杰出的畫家埃舍爾(Escher)GEB一條永恒的金帶，Gdel,Escher,Bach:An Eternal Golden Braid G本世紀偉大的數學、數理邏輯學家哥德爾(Gdel)E當代杰出的畫家埃舍爾(Escher)最負盛名的古典音樂大師巴赫

5、(Bach)B哥德爾的不完全性定理，巴赫的卡農和賦格，埃舍爾的怪圈當代杰出的畫家埃舍爾(Escher)鏡像、映射、同構、上升、殊途同歸科學與藝術的結合是一條永恒的金帶左腦右腦，感知更加全面交叉融合是創新的必由之路當代杰出的畫家埃舍爾(Escher)技術體系三維智能重建(a)美能達VIVID910三維掃描儀(b)秦始皇兵馬俑三維數據采集現場(c)一次掃描得到的三維數據物體三維掃描場景三維掃描當代杰出的畫家埃舍爾(Escher)3D Modeling 3D Modeling-ScanningScanning2016-05當代杰出的畫家埃舍爾(Escher)計算機視覺建模當代杰出的畫家埃舍爾(Esc

6、her)風格化建模復原級的數據采集和展現拉斐爾的藝術，不可能的相遇（2021，北京）當代杰出的畫家埃舍爾(Escher)外力引導的流體重建美國虛擬可視人計劃1989美國國家衛生研究院的虛擬手術&虛擬手術室2011瑞士的“藍腦”計劃2005美國政府、歐盟的虛擬人腦計劃2013行業應用不斷深化：XR+醫學數字人體器官模型及手術模擬器國家自然科學基金重大項目當代杰出的畫家埃舍爾(Escher)六自由度剛體與柔體交互仿真個性化血管介入手術力覺反饋“仿不精”剛體、柔體、流體等對象的分立、疊加仿真手感精確、實時交互材質耦合、時空一致、實時動態交互仿真數據驅動動態關聯當代杰出的畫家埃舍爾(Escher)行業

7、應用不斷深化：XR+航空航天當代杰出的畫家埃舍爾(Escher)六自由度安全任務飛行模擬器六自由度全任務飛行模擬器當代杰出的畫家埃舍爾(Escher)面向飛機駕駛艙設計評估的虛實融合系統ARJ21飛機實景ARJ21虛實融合駕駛艙內部環境ARJ21真實駕駛艙內部環境ARJ21虛實融合駕駛艙外景在上海飛機設計研究院構建了ARJ21飛機虛實融合駕駛艙面向飛機駕駛艙設計評估的虛實融合系統ARJ21 飛機虛實融合駕駛艙設計評估系統結構圖（以100平方米工作空間為例）虛實融合單價集成裝備虛實融合顯示定位裝置移動、云計算駕駛倉評估儀表高效構建觸力覺信息攝像機行業應用不斷深化：XR+文旅Digital Mic

8、helangeloAvatarReappearingVan GoghMetropolitan Museum of ArtVirtual Examination MuseumVirtual Examination Museum多感官交虛擬現實交互展示“禮和萬方商周青銅鼎”混合現實電子沙盤1.單用戶展示2.多用戶本地協同3.多用戶遠程協同電子沙盤原型展示混合現實電子沙盤混合現實電子沙盤3D手勢跟蹤2.accurate avatar representation of your hands to increase your sense of presence1.natural interaction

9、 with virtual objects in a physically plausible manner3D手勢跟蹤Human interaction in VR/AR混合現實交互設計基于凝視抓取模式的虛擬菜單設計研究IEEE VR 2021錄用Audiencess PerceptionAudiencess PerceptionEnhancing Audience Engagement in Performing Arts Through an Adaptive Virtual Environment with a Brain-Computer Interface，IUI 2016國際藝術

10、基金項目“寧夏花兒”虛擬現實表演中的交互敘事研究“寧夏花兒”Audiencess PerceptionAudiencess Perception數字孿生的定義與特征數字孿生是采用虛擬現實技術構建物理實體的虛擬對象，并在兩者之間建立雙向數據通道。虛擬對象依據物理對象的歷史數據和實況數據，實時或及時地進行相應的更新演化，同時利用自身的運行狀態數據，對物理對象全生命周期過程進行實時或及時的預測、控制。三維模型構建雙 向 動態 交 互自 動 同步 演 化自演化預測/控制信息實況數據物理對象虛擬對象2020年國際電信聯盟電信標準化部(ITU-T)：將數字孿生作為未來網絡 12 個主要應用發展方向之一發展

11、趨勢1：數字孿生是未來網絡的主要應用方向發展趨勢3：數字孿生融合物理空間與虛擬空間國務院、工信部、多個地方政府的“十四五”規劃綱要中均將推動數字孿生新技術的創新應用，數字孿生技術也是Facebook等提出的元宇宙概念的關鍵技術之一兼容和可集成已有仿真軟件/算法等資源，實現實況數據的接入、虛實配準，支持三維數字孿生的自動同步演化進化;主要挑戰：異構仿真軟件/算法集成，虛實配準.開源開發接口開放用戶平臺資源封裝工具仿真配置工具仿真管理與可視化工具演化計算仿真計算反饋三維內容動態演化人機交互與呈現數據接入真實數據接入虛實數據配準仿真環境配置管理資源接入三維仿真資源庫仿真軟件/算法封裝仿真軟件/算法部署支撐平臺的仿真引擎