新科技对人类生活的影响及贡献
1. 前言
从近代以来，特别是现代，科学技术迅速地、大规模地转化为生产力，给人类社会带来空前的繁荣。科技进步毫无疑义为人类带来了幸福美好的生活，对人类生活产生了巨大的影响。
二十世纪人类取得了一系列科学技术的辉煌成就。并形成了电子信息、生物技术、新材料技术、航天航空、原子能等高技术领域和高技术产业，其中对经济和社会影响面最广、影响力最大，影响持续时间最长的是电子信息技术。随着二十世纪八、九十年代互联网在全世界的迅猛兴起，对经济活动和人类生活方式产生了深刻的影响，并形成了一个覆盖全球的开发和使用信息资源的信息大通道，进入了人类社会生活的方方面面，对政治、经济、军事、科技、文化、社会等领域都产生了重大影响，从而揭开信息经济时代的序幕。
三维虚拟技术作为电子信息技术的重要组成部分，它是利用电脑模拟产生一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉的感官世界，让使用者如同身临其境的感受与立体的、交互的、动感的强烈震撼。
通过三维虚拟技术，可以建立大型多人在线互动的平台，将人类的活动范围延伸至无限的虚拟世界当中，在此平台中，人们可以通过语音、视频、文字等实时通讯手段流畅地进行各种交流；也可以通过握手、拥抱等简单动作进行交互；在应用方面，还可以集成更多地三维应用，如虚拟商店、虚拟课堂、虚拟医院、虚拟剧场、虚拟游戏等。
2. 三维虚拟技术介绍
新科技对人类的发展作出了巨大的贡献，可以说是深入我们日常生活的方方面面。近年来，随着计算机的计算能力和人机交互技术的飞速发展，基于大规模场景的群体交互与环境构建已经成为可能。
2.1 虚实互动
虚实互动是指利用三维虚拟群体自然交互技术、大规模场景虚拟构建技术和基于增强现实的多投影融合技术，将虚拟场景和现实场景的不同用户集成在一个平台上进行群体交互。其中群体自然交互技术包括人物动作识别；人脸/眼睛识别和运动跟踪。通过红外扫描、光流分割、运动检测等技术进行用户从系统中进行分离和动作追踪。
基于图像绘制的虚拟环境构建就是以摄像机拍摄的一组实景图像序列为基础，运用图像处理技术对其进行拼接，将看上去相互孤立的一组图像组织成一幅能够反映全部场景信息的全景图。其中图像序列可以由照相机连续进行拍摄获取，也可以由摄像机拍摄的一段视频流中得到，为了从图像序列中构建大范围的场景图像，摄像机需要通过平移、转动、镜头缩放以及其它运动以拍摄得到满足需求的场景，其中涉及到运动估计等问题。
图1 三维虚实互动
三维虚实互动建模过程如下：
若干原型人（a，b，c，d）经camera进行面部及整体扫描后形成面部及整体模型。扫描时间可控制在5S到10S之间。
对原型人的面部扫描后进行三维面部建模，并根据虚拟场景的需求保存为指定的三维格式。
面部建模后与已创建角色进行结合，虚拟角色的面部更换为已扫描的原型人物的面部形象，最终形成新的虚拟形象，并给予新的虚拟形象一个指定的代号，如代号A的虚拟形象为原型人a的虚拟形象。
新的虚拟形象的动作由动作捕捉系统进行骨骼跟踪，实现原型人与虚拟形象间的体感互动，从体感设备的感知道虚拟人物的响应时间可接受在40S内。
虚拟形象经全息成像进行一一对应的显示（与代号A-D一一对应，其中代号D为未经过camera扫描建模后形成的虚拟形象）。
虚拟形象在三维虚拟场景中展示（与代号A-D一一对应）。
在三维场景中，虚拟形象之间通过程序控制产生互动，并在全息成像系统中与三维虚拟场景中展示互动与互动后的效果。
2.2 基于群体交互的虚拟环境
利用三维虚拟技术，我们可以构建支持群体交互的模虚拟环境仿真平台，并可在此平台基础上开展群体交互大型应用系统研究和尝试。
当前三维自然交互技术己在虚拟现实中得到了充分的应用与发展。虚拟现实通过计算机生成的虚拟环境给带来人多种感官刺激的沉浸感，并且人能以自然方式与虚拟世界中的虚拟对象进行交互操作曰。受到虚拟现实、计算机图形学和人机交互技术的发展和支持，三维自然交互逐渐成为现代交互方式的热点研究方向。
在虚拟现实环境中，传统的通过计算机进行交互无法满足现有的需求，自然交互的研究目标是消除人所处的环境和计算机系统之间的界限，即在计算机系统提供的虚拟空间中，人可以使用眼睛、手势、头部和身体运动以及自然语言等各种感觉器官直接与虚拟场景发生交互。本项目针对大规模虚拟环境下群体交互应用，主要开展如下自然交互技术研究：
●人物动作识别。根据人物的手势、语言、身体动作等等进行场景控制、与虚
拟场景中物件进行交互、与其他的现实人在虚拟场景中进行交互。
●人脸/眼睛识别。通过对人面部的扫描进行人物识别，在多人虚拟场景中进行
人物捕捉、定位和控制。
●运动跟踪。通过红外扫描、光流分割、运动检测等技术进行用户从系统中进
行分离和动作追踪。
基于群体交互的虚拟环境构平台，通过3D 技术的建模、光处理、图像渲染等一系列的步骤建立各种效果逼真的三维模型，并基于物联网应用技术，可以将本地人员、设备、外界环境等进行智能感知、网络通信、建立各种三维智能应用系统，实现大规模多用户在虚拟现实中进行实时、自然的互动交流，通过虚拟现实技术将人与人、人与环境有机融合，提高用户之间的感知性和交互性。
大型交互场景的虚拟再现和交互控制可以实时采集视频图像并合成3D 虚拟现实环境，如下图2(a)。在虚拟3D 环境中，嵌入与真实移动人体具有相同几何结构、运动学参数、动力学参数的虚拟人，如图2（b ）-1。有别于传统的基于手柄、键盘的等远程控制接口，可采用基于人体动作识别的远程控制接口，它能够为用户提供更多的控制选择，如图2（b ）-3。真实场景中的人体可与虚拟场景中的虚拟人状态同步。在执行任务的过程中，现实环境将反馈视频、音频信息到3D 虚拟现实环境。而触觉信息则通过3D 虚拟环境中虚拟物体之间碰撞获得。
(a)(b)
1
2
3
4
图2 大型交互场景的虚拟再现和交互控制系统框架
3. 三维虚拟技术的主要作用
从应用角度，三维虚拟技术的主要作用可以具体地概况为如下几个方面。
3.1 虚拟智能家居
智能家居是指在家庭范围内，实现信息设备、通信设备、娱乐设备、家用电器，自动化设备、照明设备、监控设备、安防设备，以及水、电、气、热表等设备、家庭求助报警设备、医疗保健设备、教育设备、办公设备的互联和管理，以及数据和多媒体信息共享的系统，将各种与家庭生活工作相关的子系统有机结合在一起组成一个舒适的生活、办公、娱乐环境。
我们可以通过三维虚拟技术可以将家庭内的一切真实事物都搬到虚拟智能家居环境中，并通过虚实联动，从而更好地实现直观地控制和管理。
虚拟智能家居包括：
控制终端：每个居住环境有一个智能控制终端。用于通过虚拟家居平台对整个家居系统进行参数设置和控制。
智能化电器操控：可通过网络进行控制的智能家电设备，如电视、音响、空调、热水器、冰箱等。
自动化设备操控：非电器类可通过自动化进行控制的设施，例如门窗、摄像设备、喷淋、通风等。
安防、防护：通过虚拟智能家居功能实现对周边环境、室内环境以及通道监控和控制，并能够在虚拟家居系统中实时定位，对潜在危险进行监控和预警。
个性化系统服务：通过虚拟智能家居系统集成以及整合，使用户足不出户就可以享受娱乐、教育、电子商务、医疗救助、家政管理等服务。
3.2 虚拟医院
虚拟医院是运用虚拟现实技术，在线上模拟产生医院的虚拟景象，当网络用户进入到虚拟医院就如同进入真实的医院环境。虚拟医院可以在里面设置医院的真实科室，让医生在科室里坐诊，网上用户进入虚拟医院向医生咨询疾病问题，即能满足用户的娱乐需求，同时也解决了用户实际问题，同时用户在网上能感觉
出医院的情况，提高了用户去真实医院就医的可能性，大大提高了医院潜在患者群体。
3.3 虚拟旅游
旅游是当前人类的主要活动之一，可以通过虚拟现实技术，按照旅游的实际要求和特点，建立虚拟旅游平台，让人们足不出户，即可在虚拟的环境中，浏览诸多景点，从而大幅度提高旅游的体验效果，吸引更多的游客。
我们在家中通过高速网络浏览世界上久负盛名的各个虚拟旅游景点，用户可以自由地漫步其间，通过投影头盔等虚拟现实技术沉浸在美好的景色中，获得身临其境的感觉。
另外，我们还可以利用虚拟现实技术进行历史穿越，比如在虚拟世界中帮助游客回到了500年前的北京，从而大大提高了旅游的趣味性，增强了旅游的历史体验感受。
3.4 虚拟课堂
虚拟课堂是利用虚拟现实技术来改善当前的教育形式，可以模拟显现抽象的或在现实中存在的、但在课堂教学环境下用别的方法很难做到或者要花费很大的代价才能显现的各种事物，供学生学习和探索。
当学生学习某种机械装置，如汽车发动机的结构原理和运行过程时，一般的教学方法都是利用图示或放录像的方式向学生展示，但这些方法难于使学生对这种机械装置的运行过程、状态及内部的各个部件在工作时的相互联系有一个明确的了解。这时，应用虚拟现实技术就可以充分显示出其优势。它不仅可以向学生展现出发动机的复杂构造、工作原理以及工作时各个零件的运行状态，而且还可以模仿出发动机在出现故障时的表现和原因等。这样就使学习内容非常直观地展现在学生的面前，大大提高学习效果。
在医学院校，学生可在虚拟实验室中，进行各种手术练习。用这项技术，由于不受标本、场地等的限制，所以培训费用大大降低。一些用于医学培训、实习和研究的虚拟现实系统，仿真程度非常高，其优越性和效果是不可估量和不可比拟的。例如，导管插入动脉的模拟器，可以使学生反复实践导管插入动脉时的操作；眼睛手术模拟器，根据人眼的前眼结构创造出三维立体图像，并带有实时的触觉反馈，学生利用它可以观察模拟移去晶状体的全过程，并观察到眼睛前部结构的血管、虹膜和巩膜组织及角膜的透明度等。
3.5 虚拟商店
现在各类电商用户的在线消费能力正迅猛增长、而目前的主要电商的商品展示还主要是以平面、静态图片展示为主，而服务还是以传统的及时通讯工具为主，而利用的虚拟现实技术，可以实现电子商务服务平台的进一步优化，让商家更直观地展示商品，并能通过视频、虚实互动技术和买家进行类似于“面对面”的沟通和交流。
真实感不强一直是制约消费者应用电子商务的主要因素之一。虚拟现实技术在电子商务上的应用，将能大大拉近买家与商家的距离，买家可以在网上立体地了解产品的外观、结构及功能，与商家进行实时交流，如买家对一个艺术品，他不但可以从不同的角度查看看外观，还可以通点击了解其内部结构，通过虚拟现实技术，你甚至可以亲临产品生产厂家进行实地考察，对厂家的生产规模、设备配备进行全方位的了解。把这一技术应用于电子商务，将能突破真实感对电子商务发展的制约，吸引更多的消费者接受及积极参与电子商务，促进电子商务的发展。
3.6 虚拟智慧城市规划
智慧城市是建立在基于物联网、云计算等新一代信息技术支撑下的先进城市管理模式，可以实现全面透彻的感知、宽带泛在的互联、智能融合的应用以及强调以人为本和可持续创新
虚拟智慧城市规划是将虚实互动技术引入到智慧城市的整体规划和管理中来，城市规划也可以应用三维虚拟城市系统。规划可以通过虚拟现实创造出所开发城市的真实“三维画面”，以便从前瞻的角度来全方位审视未来的城市，确保城市规划上美学意义的和谐和运营运作上的顺利。如拟建中的城市建筑如何吸引人们的视线、商业网点布置在哪里最佳、污染企业置于何处对城市影响最小等等。借助虚拟现实技术无需规划方案的真正实施，就能先期检验该规划方案的实施效果，并可以反复修改以确定最终方案的制定和施行。
虚拟智慧城市规划应用中具有以下特点：
强大的综合贮存功能。将零散的数据和图像资料加以结合并存贮在一起，可长期有效的使用；将各类地图以相关信息，通过计算模块完善地融为一体。
为城市资源空间格局分析和空间模型提供技术框架。为城市规划研究提供的常用信息包括土地利用类型及其面积、植被类型及其分布、生物量分布，土壤类
型及其水分特征等。
虚拟智慧城市规划的具体作用主要集中在以下几方面：城市资源坐标定位；制作专题地图(城市景观分类图，土地分布图)：航空照片和卫星遥感图像的定位和校正。
通过现代通讯技术，可以将地理信息系统(GIS)、遥感(Rs)和全球定位系统(GPS)有机地集成起来。利用遥感、地理信息系统和全球定位系统等空问技术进行大尺度的资源与环境调查，具有成图快、效率高和信息量大等优势，能及时、准确、宏观地反映研究对象客观情况。
平台技术为城市规划研究提供了极为有效的一系列研究工具，逐步成为资料收集、储存、处理和分析所不可缺少的手段。在很大程度上改变了旅游规划研究方式，同时也将逐步成为旅游规划使用的分析手段。
3.7 虚拟智能楼宇
智能楼宇是应用三维虚拟技术和物联网技术，将建筑楼宇的恒压供水、变频调节、管网监测、电力监控、动力管理中心等优化整合，从而建立起整体的物联网节能运营服务体系。
通过三维虚拟技术可以按照楼宇内实际的建筑形式、市政管线、人员部署等真实情况，建立楼宇的整体三维虚拟模型，为后续建筑施工、物业管理、人防消防、应急响应、安防控制等提供直观的管控和支持。
物联网技术在建筑智能及楼宇自控、设备系统，人员定位等管理有重要的应用，楼宇自控管理的具体应用包括：环境的实时监测和联动控制、节能管理、固定资产跟踪管理、工作人员活动定位等几个方面
3.8 线上线下三维互动新模式
互动多媒体虚拟仿真技术作为一种视觉艺术的光影造型，渐渐让人在场景中模糊了现实与虚拟之间的界限，虚拟仿真营造的视觉空间带给人身临其境的感
觉，人们那种参与感与存在感很人性化的在虚拟与现实交互的空间得到淋漓尽致的展现，基于此所以虚拟仿真技术被大量应用于虚拟旅游，文化教育，影院和主题展览馆中，在现在环境中营造一个虚拟的视界，带给人一种全新的感观享受。
可以提供以下全方位的互动模式：
线上与线下互动
线上与线上互动
线下与线下互动
园区内与园区外互动
园区外与园区外互动
园区内与园区内互动
针对复杂的展示对象，采用基于特征的轻量化快速建模技术，可以精确模拟各类物体及场景的外形，并考虑与周围环境等的交互影响和协同变化，并采用自适应加速简化技术和基于GPU硬件加速的技术，可以实时进行虚拟漫游及展示。
针对不同的展示平台和需求，可以量身定做最适合的精度模型，并采用凸凹
贴图、延迟渲染、绘制缓存等技术，来实现快速和真实感的仿真效果。可以进行各类场景及过程的动态模拟和实时仿真。
借助相关虚拟现实设备，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，自然地对虚拟世界进行体验和交互。使用者进行位置移动时，系统可以立即进行计算，将精确的3D世界影像传回产生身临其境的感觉。采用虚实结合、实时交互、三维注册等技术，借助计算机图形技术和可视化技术产生现实环境中不存在的虚拟对象，并通过传感技术将虚拟对象准确“放置”在真实环境中，借助显示设备将虚拟对象与真实环境融为一体，并呈现给使用者一个感官效果真实的新环境。这种增强现实（AR），也被称之为混合现实技术将虚拟的信息应用到真实世界，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在，可以应用于相关虚拟展览、虚拟体验系统等，也可以用于手机等移动平台及在线平台的虚实互动产品等。