控制科学与工程前沿论坛-李洋.doc

J I A N G S U U N I V E R S I T Y控制科学与工程前沿论坛报告任课老师:刘国海专业班级：控制工程 1604 学生姓名：李洋学生学号：z16070592017年4月申请优秀老师，您好,我写的关于控制的报告是浅谈VR技术.我本科学的是电气，然后在这儿是控制工程，然后我的方向是做手机app。可以说跨度还是蛮大的。不过VR技术一直是我比较感兴趣的话题,可以说VR技术将来一定会有非常大的应用前景.不过目前技术还处于初级阶段。我的报告的内容大致有以下几个内容。首先，针对国家最近两年提出的中国制造2025计划，介绍了相关的一些背景和内容.可以说这是国家实施的一项宏伟的战略，为了与德国提出的工业4。0接轨,为了与世界智能制造接轨,中国必须抓住这次机会，因为我们已经错失了两次工业革命,虽然我国经历了改革开放,在信息技术革命抓住了尾巴，但不可否认的是我国在各种工业尖端技术方面仍然存在着不小的差距。其次,通过中国制造2025涉及的十大重点领域的新一代信息产业技术引导出了VR技术话题，交代了VR技术和中国制造2025以及德国工业4。0的关系。接下来又谈了AR和VR技术的概念和区别。然后，又提到了VR的历史发展以及未来的应用.紧接着,又介绍了VR技术的一些原理。最后,又谈到VR技术面临的一些技术难题和挑战亟待解决。这篇论文内容层次分明，结构清楚，话题热门有趣,并且与时俱进，相信老师会喜欢的.特此申请优秀。VR技术浅谈在应对国际金融危机过程中，各国都认识到，任何时候都不能放弃对实体经济的支持，国外纷纷提出“再工业化、“工业4.0等计划。从我国情况来看,经济发展已进入新常态，制造业到了从价值链低端向中高端迈进的阶段,值此之时，中国制造2025便应运而生.从世界范围来看，工业4。0概念引领了全世界制造业的发展方向.其强调的工业化和智能化融合发展道路，已被我国一些制造业发达的地区率先借鉴。中国要从“制造业大国”向“制造业强国迈进，当然不能在这一波全球性的产业革命中落后。然而,从中国自身来看,随着劳动力价格要素的上升，人口结构的变化,过去那种低质低价的“中国制造”形态必须要向中高端转型.与此同时，随着城镇化的推进以及国民消费能力的上升,中国国内市场对于高端消费品的需求正在不断提升。不久前,“赴日抢购马桶盖”成为热点话题，有些人从这一现象中看到了从“中国制造”到“中国智造”还有很多短板需要补强,但这一现象背后国人消费需求层次的提升和消费意愿的增强则很容易被人忽视。从产业发展规律来看，生产往往是滞后于需求的,当下国人消费需求的提升，更应看作是推动我国制造业转型的有利东风。只有市场需要高端产品,企业家才有动力将其千方百计生产出来.以此观之，当下提出“中国制造2025”的内外部条件，都已成熟。那么，制造业要变，究竟怎么变?从“中国制造2025”的提法中，也可以读出一些信息。首先，制造业的提升不会是一个短期工程，将年限定在了十年之后的2025年,提醒地方政府和企业家要对制造业转型的长期性和艰巨性有思想准备.要实现这一罕见的“十年计划”,打一场“持久战”不可避免。另一方面，强调“中国制造，意味着不能用完完全全的“拿来主义”对待工业4.0，将外国的具体做法原封不动地复制在中国制造业上.德国是一个制造业积淀深厚、科技创新能力突出的老牌工业国家，而中国的制造业发展速度虽然冠绝全球，但论技术含量、人才数量、企业类型，都有非常大的区别。囫囵吞枣,只会落得“消化不良。因此,我们有理由期待“中国制造2025”是一部“接地气”的规划，立足于中国制造业的具体实际,研究的是中国制造业的具体问题。中国制造2025将从哪些方面促进中国制造业由大变强?苗圩用“一二三四五五十”来总结中国制造2025的主要内容。“一”是一个目标，即成为制造强国.“二”是指通过信息化和工业化两化深度融合发展来实现这个目标.“三”是通过“三步走”战略来实现目标，大体上每一步用10年左右的时间。第一步,到2025年迈入制造强国行列；第二步,到2035年我国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平；第三步,到新中国成立100年时,我国制造业大国地位更加巩固，综合实力进入世界制造强国前列。“四就是四项原则：市场主导、政府引导;立足当前，着眼长远；全面推进、重点突破；自主发展、合作共赢。第一个“五”是五条方针，即创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化和人才为本，针对的是中国制造业的五大短板。第二个“五是五大工程：制造业创新中心建设工程；旨在强化制造业基础的工业强基工程；智能制造工程；绿色制造工程；高端装备创新工程.最后,“十”是十个重点领域:新一代信息技术、高档数控机床和机器人、航天航空装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、新材料、生物医药及高性能医疗器械、农业机械装备。国家将引导社会各类资源集聚，大力推动十大重点领域突破发展。而我所要谈的VR技术，据预测，虚拟现实技术在未来工业领域占有重要地位。在德国“工业4。0”体系中，虚拟现实被列为九大支撑技术之一，覆盖产品设计、生产过程管理、设备维修等多个环节。曼恒数字创始人兼首席执行官周清会认为，随着头盔显示器的流行，虚拟现实将进入2。0时代，其行业应用将变得更为便捷，成本也更低，有助于加快实现“中国制造2025”.说到VR技术，很多人可能会和AR技术搞混淆。那么什么是VR和AR？它们又有什么区别呢?VR和AR有着不同的应用领域、技术和市场机会,因此区分两者之间的不同至关重要。VR让用户置身于一个想象出来或者重新复制的世界（如游戏、电影或航班模拟）,抑或是模拟真实的世界(如观看体育直播）。它是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真技术，采用以计算机技术为核心的高科技,生成逼真的视、听、触觉一体化虚拟沉浸式环境。用户可以借助必要的装备，以自然的方式与虚拟环境中的物体进行交互作用、相互影响,能获得几乎等同于真实环境的感受和体验.VR领域主要的硬件厂商有Oculus、索尼(PlayStation VR)、HTC（Vive）和三星(Gear VR）.AR是把数字想象世界加在真实世界之上，主要硬件包括微软（HoloLens）、谷歌（Google Glass)和Magic Leap。区分VR和AR的一个简单的方法是：VR需要用一个不透明的头戴设备完成虚拟世界里的沉浸体验，而AR需要清晰的头戴设备看清真实世界和重叠在上面的信息和图像.从目前的观察来看，AR比较适合服务企业级用户，而VR同时适用于消费者和企业用户。有些情况下，两者还会出现重叠市场.例如，目前大多数游戏基于VR研发，但微软也用HoloLens重新创作了我的世界这样的游戏。当前，VR技术得到了业界的普遍关注，但这并不是首次.早在20世纪90年代,就已经有3D游戏上市,VR在当时也引发了类似于当前的关注度。例如，游戏方面有Virtuality的VR游戏系统和任天堂的Vortual Boy游戏机，电影方面有异度空间（Lawnmower Man） 、时空悍将（Virtuosity） 和捍卫机密（Johnny Mnemonic) ,书籍方面有雪崩（Snow Crash）和桃色机密(Disclosure）.但是，当时的VR技术没有跟上媒体不切合实际的想象。例如,3D游戏画质较差，价格高，时间延迟，设备计算能力不足等。最终，这些产品以失败告终，因为消费者对这些技术并不满意,所以第一次VR热潮就此消退.到了2014年，Facebook以20亿美元收购Oculus后，类似的VR热再次袭来.在过去的两年中，VR/AR领域共进行了225笔风险投资，投资额达到了35亿美元。那么与90年代的失败相比,当前的VR热有什么不同呢？答案在于技术。当前计算机的运算能力足够强大,足以用于渲染虚拟现实世界.同时，手机的性能也得到大幅提升.总之，当前的技术已经解决了90年代的许多局限.也正因如此,一些大型科技公司开始涉足于其中,像微软，苹果，高通，英特尔,福克斯等等。2015年，上海曼恒数字技术股份有限公司完成新一轮1.54亿元融资，知名投资机构赛富领投1亿元,引起业界关注。与很多读者相对了解的VR游戏不同，这家成立9年、去年在新三板挂牌的企业,过去一直专注于虚拟现实的行业应用,包括高端制造业、高等教育、能源、国防,在客户名单上有许多知名企业和高校。在位于虹桥国际商务广场的曼恒数字总部,有一大片体验区,放置着多套展示样品。在一块LED大屏幕前,记者戴上3D眼镜，手握一个手柄,映入眼帘的是一台航空发动机.它的大小和真实的航空发动机一样，但轻便得多。借助手柄，你能将它360翻转，从各个角度观察它，还可以将它的零部件一个个拆下来，进行测量、剖切和组装。每个零部件都根据真实的设计仿真展示，一目了然.通过维修性、测试性仿真，这套飞机发动机虚拟装配系统能让研发人员发现设计中的缺陷,及时调整。据了解，曼恒数字研发的这类机械装配VR系统已用于多家企业，如飞机、汽车等高端制造企业。与过去的工业仿真不同，虚拟现实系统更为逼真，可以让工作人员走近乃至走进机械装置，研究其设计的科学合理性。上海市科学学研究所副研究员孟海华说，虚拟现实是实现智能制造的重要技术，英国知名企业罗尔斯罗伊斯在航空发动机设计阶段，都会采用虚拟现实系统。鉴于此,我国中航商发也在利用虚拟现实系统设计发动机，以提高设计开发的质量和效率。飞机、汽车的内饰设计，也可借助虚拟现实技术。在飞机内饰虚拟造型设计系统中,记者看到机舱内一排排座位,仿佛走进一架客机的经济舱.工作人员介绍,这套系统可对不同的客舱内饰效果做可视化仿真模拟,让内饰工程师对客机的内装饰色彩、座椅舒适度、灯光布置等设计元素进行分析与评估，直观地挑选出科学美观的设计方案.凭借持之以恒的创新创业,以及市科委等政府部门的扶持,曼恒数字的客户名单上已有近400家企业和300多所高校,包括中国商飞、国家电网、中石化、中石油、中广核、迪士尼、上海交通大学、浙江大学、同济大学、华东理工大学等。最近,他们又得到资本市场的青睐，新一轮1。54亿元融资由赛富领投，新增投资者巨杉资产、东方证券、兴业证券和中金公司,原股东刚泰控股、华融证券、海通证券继续增持.周清会说,曼恒数字将把这笔资金主要用于研发核心技术，打造游戏社交产品.据介绍,软件引擎、交互系统是虚拟现实的核心技术.所有VR内容都是由引擎创造的，针对不同行业应用，需要开发不同的引擎。VR走红后，许多国内企业通过购买第三方引擎进入该行业。但在许多应用领域,第三方引擎并不能满足产品开发中多种变化的逻辑处理要求，企业有必要自主研发.交互系统对VR产品也很关键，包括光学追踪、动作捕捉等技术.在舍弃了鼠标和键盘后，如何让身体运动参与的人机交互更为精确，是VR企业亟需解决的问题。在周清会看来,虚拟现实已进入“2。0”时代。在VR1.0时代，一套虚拟现实系统必须配备投影仪或大屏幕，成本较高，对场地的要求也比较高，不适合进入个人消费市场.随着OculusRift、HTCVive等头盔显示器的问世，虚拟现实用户拥有了便携式单元,像智能手机那样适合人手一台.这不仅将推动VR大举进入个人消费领域，也将改变行业应用。“举个例子，过去，一支部队会购买一套虚拟现实系统进行军事训练，而现在，可以给每个士兵配一台头盔显示器，让他们同时参与军事训练，形成多人协同.”随着虚拟现实产业的兴起,智能制造正在进入一个怎样的发展阶段?广东工业大学机电工程学院教授何汉武说,虚拟现实是德国“工业4。0”体系的九大支撑技术之一，应在通往“中国制造2025的道路上发挥重要作用。在未来智慧工厂里，虚拟现实系统将应用于办公室和车间，像如今的电脑那样须臾不可离.利用这种系统，工作人员可进行产品设计、产品维护、生产过程监控、设备维修，与物联网、机器人、大数据等形成协同效应。在曼恒数字与华东理工大学合作共建的G-Magic虚拟现实实验室，华东理工艺术设计与传媒学院教授程建新介绍了一个项目：该学院与外国企业合作，正在设计一款房车。房车在美国十分流行，许多家庭每到节假日，就会驾驶这种“移动房间”前往景色宜人的地方,在房车营地驻扎、休闲。房车内部通常分为驾驶、起居、卧室、卫生、厨房等区域，居家设施配置齐全。如何做到设计合理、令人舒心，是决定产品销售量的关键因素.“利用GMagic系统,我们基本完成了房车三维建模，在设计过程中可以展开,也可以折叠,呈现在我们眼前的三维虚拟场景有震撼人心的效果.”程建新说.走进虚拟房车，设计团队能开展色彩、舒适度、人体工学等方面的测定，开展设计评价和研讨.华东理工团队认为，未来的虚拟现实设计应从评价设计发展为直接设计,即设计师能在虚拟产品上，直接完成建模,而不是将计算机里建好的模型输入虚拟现实系统。直接设计会让设计师更有感觉,而要实现这一目标，企业应开发出更多的外挂工具。虚拟现实在医疗、康复行业也大有用武之地。何汉武介绍，VR和3D打印一样，对手术演练、医学培训有很大价值，在一些场合,前者的效果更好。医生在做手术前,工程师可利用虚拟现实系统和病人的病灶部位数据进行建模，让医生在虚拟环境中进行手术演练,以便在真实的手术台前胸有成竹。这套系统还有助于通过三维影像向病人及其家属解释手术情况，避免医患矛盾.虚拟现实用于康复训练的效果也很好,能提高其科学性、趣味性，使康复病人在各种虚拟场景中挑战自我.随着康复假肢、外骨骼机器人的逐步普及，虚拟现实与这类器械的结合，将实现康复训练的智能化。说了这么多,那么VR技术的工作原理又是什么呢?VR是一套欺骗人类大脑和感知的系统，比如当你带上VR眼镜后,环顾四周，你会发现画面会根据你的移动而变化,感觉就像来到一个全新的世界一样,这就是最笼统的VR定义。然而，要做到“身临其境可是相当的不容易.我们的大脑是如此地聪明，以至于要完全骗过它，几乎成为不可能的任务。这也是VR技术诞生30年后的今天，才正式踏上普及之路的原因。当前VR设备可以大致分成两个类别,一是需要借助外部硬件协助运算的，比如Oculus Rift和HTC Vive,它们需要连接一台高性能电脑才能运作。另一个类别则是依赖设备内置硬件完成运算的，比如Pico NeoVR一体机、大朋VR一体机，这些VR眼镜的特点是无需其他设备协助，能够完全独立工作。当然,廉价且常见的手机VR盒子也应当归到这一类。VR手机盒子其实只是一个VR外壳，需要把手机放到里面充当屏幕和运算硬件，才能工作。当然大部分的VR盒子并没有多大的技术含量，但像三星Gear VR这种本身集成一定的运算能力的VR手机盒子，在体验上就要比2、3百块的VR盒子好得多。实际情况是,Oculus Rift、HTC Vive这种需要连接高性能电脑的VR眼镜的体验是最好的，因为高性能电脑的图形能力更强，其次就是这种强大的性能为VR眼镜的设计提供非常广阔的空间，使Oculus Rift和HTC Vive能够做到较高的画面刷新率和极低的延迟,令到VR体验更加真实。而一体式VR内部运算硬件一般来说和手机差不多,所以其性能体验和依赖高性能电脑的Oculus等设备还是有很大差距。不过由于硬件是确定的，所以在优化上要比VR手机盒子好。也就是说，VR手机盒子的体验是当中最糟糕的了，这不仅仅是成本的问题,由于现实中的手机种类太多，硬件差异也十分大，厂商无法针对每一款手机进行优化,因此体验很难提升。不过三星Gear VR则是由于只支持三星旗舰手机，所以在优化上也比较能下功夫,体验就抛离了一般的手机盒子.VR为什么能看起来真实?这里的真实不是指和图像和现实看起来一样，而是指3D立体感。事实上,人的双眼看到的画面是不一样的,这种差别让我们能感知到深度，让事物看起来立体.而VR眼镜也是利用了这种视觉差别，替我们双眼分别安排不用的画面，从而让我们感觉画面是立体的。这不是跟3D电影一样吗？其实不然,VR强调的是360度全景交互，不仅有强烈的沉浸感和立体感，更重要的是允许用户和虚拟世界进行交互。交互这点虽然目前VR电影还无法体现，但在VR游戏中,更强的沉浸感和交互性正逐步颠覆这游戏业界.有了强大的性能和立体的表现还不够，头部追踪技术会感知我们的头部动作，这样当我们在现实世界中移动，虚拟现实世界中的我们也就能同样地移动.当我们向左看，头部追踪技术能够识别这一动作，这时硬件就会即时渲染出左边的场景，这样，我们往左看就能看到左边的场景，往右看则能看到右边的场景，而不会发生场景跟着我们移动的意外。其实，即使是手机VR盒子,都具备上述的几个关键硬件技术(手机通过陀螺仪模拟头部追踪），但眼球追踪，在VR领域中还算是比较稀有的玩意。眼球跟踪技术是通过追踪我们的瞳孔实现的，算法能够根据我们注视的景物来变换景深，从而带来更出色的沉浸体验.比如，伸出一只手指举在眼前，当我们注视着它时,手指前方的景物便会变得模糊，而当我们注视背景，手指又会变得模糊，这正是景深不同带来的变化.眼球追踪技术能够知道我们在看哪里，从而模拟景深的变化，让体验更加出色。虽然VR技术很好，但是一个新的技术诞生也必然将面临许多波折，目前VR技术也面临着很多挑战！1.价格过高,内容缺乏。上周游戏巨头Unity的CEO约翰里奇蒂洛在旧金山参加了三星开发者大会，并发表主题演讲。他认为,到2017年末,VR / AR 技术的发展可能进入迟缓阶段，“我们发现如此之多的炒作,它们与现实之间的差距将导致人们在2017年和2018年对其感到失望。咨询公司 Analysis Group 在今年2月预测,到2020年，VR / AR 领域产生的全球收入约为 28 亿到 1260 亿美元之间，这就意味着现在没人能够确定 VR / AR 到底会如何发展。不过许多公司现在都在豪赌VR领域,几乎所有的科技巨头都已经推出VR或与VR相关的设备，这些巨头包括Google、Facebook、三星、索尼、HTC等.即使苹果的CEO蒂姆库克也表示“VR非常酷”。里奇蒂洛认为，目前两大因素制约 VR / AR 技术成为主流。一是VR头显及其配套的高端PC的成本过于高昂,二是没有足够的内容可以使其成为必须.“我相信很多人都在研发下一款杀手级应用,但这种应用还没有出现.”2.VR社交缺乏监管。智能手机之后的下一个平台，就是VR,VR的生态将会非常发达。VR将成为未来的主要技术方向,也将成为未来的社交化媒体主流方式。VR让我们感受到了真实的存在，这将改变我们社交媒体的现状。我们能够通过真实的体验，感受网络世界中的人和事物.然而，VR也带来更多的数据和信息将被追踪。我们的隐私性是重要的，但是100的透明性和隐私性有矛盾,通用和个性化之间有矛盾。人们需要通用的信息，也要有隐私的信息,因此追踪需要有选择性,通过科技手段，人们可以选择透明或者保护隐私。我们需要一个有隐私的个性化发展，我们相信我们要去保护这一要点。3。缺乏典型的使用场景。VR设备开创了一种新的人机互动方式，开创了一个新世界.不过这种新鲜感到底能让玩家激动多久，这就要看游戏或者内容本身的素质了.从目前来看，让人爱不释手的VR游戏和内容还不存在,尤其是对于那些经常玩3A级主机游戏的核心玩家来说,在玩过了诸如GTA5、巫师3和使命召唤这样的游戏大片之后，再来看看现在的VR游戏,确实感觉比较粗糙。根据HTC Vive中国区总经理汪丛清的观点，目前VR设备的交互方式有三种：简单的头部定位操作（例如移动VR设备)、坐姿定位操作（例如Oculus Rift和PSVR使用手柄或体感控制器，但身体相对静止)和空间定位操作（例如HTC Vive使用体感控制器，在一个小空间内部全身移动)。不过这些只是交互方式，还谈不到使用场景。真正成熟的使用场景需要结合原有行业的特点和全新的交互方式，然后形成一种新的玩法。打个比方，过去人们使用微博都是在电脑上，通过键盘打字,上传图片，形成一条微博；后来人们通过手机发微博，不仅可以打字和传图,还可以随时拍照发微博，同时带上位置信息，这就是结合了智能手机的交互方式形成的一种使用场景。目前的VR只有典型的交互方式,还没有典型的使用场景（包括游戏、线下体验店和虚拟房地产也都是在摸索阶段).