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1、第十一章 虚拟现实技术在电子政务中的应用 第一节：虚拟现实技术的定义虚拟现实的定义虚拟现实技术的发展概述虚拟现实建模语言虚拟现实在Internet上应用 虚拟现实的定义虚拟现实(VirtualReality，简称VR;又译作灵境、幻真)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是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、没有限制地观察三度空间内的事物。VR是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，
2、自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回产生临场感。该技术集成了计算机图形(CG)技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。概括地说，虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境，它可以是实际上可实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。而“虚拟”是指用计
3、算机生成的意思。因此，虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的，即人是这种环境的主宰。虚拟现实技术的发展历史最早可以追溯到18世纪。1990年在美国达拉斯召开的国际会议上明确了虚拟现实的主要技术构成，即实时三维图形生成技术、多传感交互技术及高分辨率显示技术。虚拟现实技术系统主要包括输入输出设备，如头盔式显示器、立体耳机、头部跟踪系统以及数据手套；虚拟环境及其软件，用以描述具体的虚拟环境等动态特性、结构以及交互规则等；计算机系统以及图形、声音合成设备等外部设备三个主要部分。虚拟现实具有以下三个基本特征:沉浸(I
4、mmersion)、交互(Interaction)和构想(Imagination)，即通常所说的“3I”。(1)沉浸是指用户借助各类先进的传感器进入虚拟环境之后，由于他所看到的、听到的、感受到的一切内容非常逼真，因此，他相信这一切都“真实”存在，而且相信自己正处于所感受到的环境中。(2)交互是指用户进入虚拟环境后，不仅可以通过各类先进的传感器获得逼真的感受，而且可以用自然的方式对虚拟环境中的物体进行操作。如搬动虚拟环境中的一个虚拟盒子，甚至还可以在搬动盒子时感受到盒子的重量。(3)构想是由虚拟环境的逼真性与实时交互性而使用户产生更丰富的联想，它是获取沉浸感的一个必要条件。虚拟现实技术的发展概述
5、 1965年，Sutherland在篇名为的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，从此，人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。随后的1966年，美国MIT的林肯实验室正式开始了头盔式显示器的研制工作。在这第一个HMD的样机完成不久，研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。1970年，出现了第一个功能较齐全的HMD系统。基于从60年代以来所取得的一系列成就，美国的JaronLanier在80年代初正式提出了“VirtualReality”一词。80年代，美国宇航局（NASA）及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，并取
6、得了令人瞩目的研究成果，从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。1984年，NASAAmes研究中心虚拟行星探测实验室的M.McGreevy和J.Humphries博士组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，将火星探测器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。在随后的虚拟交互环境工作站（VIEW）项目中，他们又开发了通用多传感个人仿真器和遥现设备。进入90年代，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图像的实时动画制作成为可能；人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地进入市场。而这些都为虚拟现实系统的
7、发展打下了良好的基础。例如1993年的11月，宇航员利用虚拟现实系统成功地完成了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作，而用虚拟现实技术设计波音777获得成功，是近年来引起科技界瞩目的又一件工作。可以看出，正是因为虚拟现实系统极其广泛的应用领域，如娱乐、军事、航天、设计、生产制造、信息管理、商贸、建筑、医疗保险、危险及恶劣环境下的遥操作、教育与培训、信息可视化以及远程通讯等，人们对迅速发展中的虚拟现实系统的广阔应用前景充满了憧憬与兴趣。虚拟现实建模语言其主要改进有：1.增强了静态世界；2.增加了交互性；3.增加了动画功能；4.增加了编程功能；5.增加了原形定义功能。在VRML的世界里你可
8、以用虚拟开关将灯光打开，当您走近清彻透底的泉水时水声逐渐变响，当你向远处驶来的汽车招手时汽车停下来把你载上.虚拟现实在Internet上应用远程教育：国内外一些高等院校利用VRML2.0语言，成功开发了基于集成声音、图像及其他多媒体技术的三维空间的远程教育中心，它制造了一个完全立体化的模型，虚拟出真实的校园环境，用户进入教育中心如同进入真正的学校一样，可以进行提问、考试等，进行实时教学和交流。商业应用：对于那些期望与客户建立直接联系的公司，尤其是那些在他们的主页上向客户发送电子广告的公司，VRML具有特别的吸引力。VRML有可能让顾客购买商品的感觉最好。百事可乐公司在自己的网站上创建一个广告画
9、面：火星探测器在火星表面走动且发现了一瓶百事可乐！整个文件只有12KB，因此能十分方便地配置在一个普通的Web站点上。美国Construct公司最近完成了一个VRML项目，目的是展示VRML作为一个故事片媒介的优势。片长11分钟，逼真的高分辨率故事画面占了不到1MB磁盘空间。相似长度和质量的一个MPEG文件要比它大300倍。娱乐：网络娱乐领域是VRML的一个重要应用领域。它能提供良好的多人之间的交互功能，提供更加逼真的虚拟环境，从而使人们能够享受其中的乐趣，带来美好的娱乐感觉。VRML目前正朝着实时通信、大规模用户交互的方向发展。第二节：虚拟现实涉及的关键技术VR发动机输入输出工具VR的软件工
10、程 VR系统可以分为以下3类：（1）封闭式虚拟现实，即与外部现实世界不产生直接交互。特点：*虚拟环境可以是任意虚构的。实际上不存在的世界。*目的是：娱乐、或验证某一猜想假设。训练、模拟、预演、检验、体验等。*任何操作不对外界产生直接作用。（2）开放式虚拟现实，即通过各种传感装置与外界构成反馈闭环。特点：*“虚拟环境是某一现实世界的真实模型。*目的是：通过利用虚拟环境对现实世界进行直接操作或遥操作，以达到克服现实环境的限制林遮挡、遥远、危险、不便到达、不能到达等或使操作方便。可靠的目的例如：提供碰撞报警（利用虚拟环境计算相撞距离，减轻操作员的心理负担，减少操作失误。*操作按用户的需要对现实世界进
11、行直接作用或得到各种反馈。（3）把（1）与（2）结合，即兼备（1）和（2）的特点；这是一种较为实用的虚拟现实系统。用户通过传感装置直接对虚拟环境进行操作，并得到实时三维显示和其它反馈信息（如触觉、力觉反馈等），当系统与外部世界通过传感装置构成反馈闭环时，在用户由控制下，用户与虚拟环境间的交互可以对外部世界产生作用（如遥操作等）。VR系统主要由以下6个模块构成（1）检测模块：检测用户的操作命令。并通过传感器模块作用于虚拟环境。（2）反馈模块：接受来自传感器模块的信息，为用户提供实时反馈。（3）传感器模块：一方面接受来自用户的操作命令，并将其作用于虚拟环境；另一方面将操作后产生的结果以各种反馈的形
12、式提供给用户。（4）控制模块：对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。（5）3D模型库：现实世界各组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。（6）建模模块：获取现实世界各组成部分的三维数据，并建立它们的三维模型。输入输出工具 1、跟踪三维物体运动的传感器2、驱使使用者在虚拟环境中运动的技术3、响应使用者手的姿态命令输入的感觉手套4、产生具有深度信息及宽视区的三维立体成像装置5、实时图像生成6、三位立体声音生成装置VR的软件工程 1、虚拟物体的几何模型2、运动模型3、3D虚拟声音的模拟4、物理模型5、输入输出映射6、模型的分割7、虚拟现实模型管理技术8、虚拟环境数据库的建立
13、与管理第三节：信息传送与虚拟现实第一阶段：单纯数据、文字、字符信息传送第二阶段：多媒体信息传送第三阶段：虚拟现实信息传送 随着计算机科学和信息技术的不断进步,人类社会发生了翻天覆地的变化。计算机信息系统用来收集、储存、传送、加工处理、计量和利用信息,而信息传送可分为以下三个阶段:第一阶段单纯数据、文字、字符信息传送自从1946年第一台计算机诞生,计算机信息传送的第一阶段就开始了,这一阶段主要有三种信息,即数据信息、文字信息和字符信息。数据信息也称为数值信息或数字信息,文字信息和字符信息又统称为非数字信息,数字信息和非数字信息又可以统称为符号信息。各种信息都以符号的形式不声不响地在各种计算机系统
14、中流动和相互传送。人们利用计算机对这类信息进行收集、存取、加工处理和应用,创造出许多现代化科技成果。随着微电子技术的发展和微型计算机的产生,信息技术的应用得到极其广泛的普及,较重要的信息技术应用成果多达5000余种。人们将其概括为3C革命和3A革命。3C革命是指通信(Communication)技术革命、计算机化(Computerization)革命(也称为计算机技术革命)和自动控制(Control)技术革命。3C革命将人类社会推向了划时代的信息新社会,人们研制出大量现代化的通信技术产品、计算机化产品和现代自动控制技术产品。3A革命也称为三化革命,是指工厂自动化(FA)、办公自动化(OA)和家
15、庭自动化(HA),3A革命的深入发展,将整个人类社会全面推向自动化。工厂自动化(FA)是将计算机技术和信息技术应用于工厂的产品生产、产品设计和管理,即从产品材料订货、设计、加工制造、装配检验、包装入库直到出库销售,全部实现自动化,同时工厂的全部管理活动以及全工厂的物流和信息流的控制与管理也全部自动化。办公自动化(OA)是利用计算机和信息系统技术,将所有数据、文字、资料进行大量、快速自动化处理,实现无纸办公,就连常用的算盘和笔也可以不用了。人们利用键盘就可进行数据计算、分析各种资料的汇总、分类与统计、编制计划并进行成本核算,编写和打印各种文件,使文书处理、人事档案、劳资管理等办公管理工作全面自动
16、化。家庭自动化(HA)是利用计算机和信息技术,自动化完成和管理全部家务劳动,包括安排主人工作、生活、休息程序与时间,洗衣、做饭、打扫卫生、购物付款、防火防盗、遇险报警、照顾小孩和看护老人等,全部实现自动化。第二阶段：多媒体信息传送 90年代是多媒体信息传送时代,也是多媒体技术迅速发展和普及推广的年代。多媒体信息载体不仅有数字、文字和字符信息,还有声音、语音、音乐、立体声、图形、图像、画面、动画和卡通等。多媒体信息传递技术使人和计算机交互更加简便,使人和计算机的关系更加密切了,人们对信息的收集、加工处理、存取和利用更接近自然,更接近人的生活习惯,工作方式和生活规律。人们利用多媒体信息传递技术,全
17、面协调地实现了声、图、文一体化,创造出许多声图文并茂的人间奇迹。多媒体信息传递技术的应用极为广泛。例如,在商业应用中有多媒体导购、多媒体购物和多媒体销售。顾客可以利用触摸屏、显示屏等设备,不必到柜台前,就可以直接查看商店的所有商品,查询商品的各种信息及其使用方法和使用过程。随着电子商务的发展,顾客可以利用计算机、电话和计算机网络,实现家庭购物,坐在家里即可以从入网的商店购买到自己所需的商品。随着多媒体技术的发展,各种声、图、文协调统一的多媒体信息产品大量涌向社会,如字典、辞书、百科全书、各种小说、地图、音乐磁带以及各种图片、图像、动画、卡通与影视等。第三阶段：虚拟现实信息传送虚拟现实信息传送是
18、信息传送的第三阶段。人们利用虚拟现实技术创建了一个与真实世界极其相似的虚拟世界。这个虚幻世界真是说其有时其真无,说其无时其真有,虚拟现实世界是太虚幻境吗?不!因为我们利用计算机和信息技术确实感觉到它的存在,它正在以一种新颖奇妙的面貌为人类服务。这个时空相对真实的世界确实又是虚幻的,它是人们模仿真实世界创建的三维电子环境,创建这个虚幻世界的高新技术,就是现在刚刚兴起的虚拟现实(VR:VirtualReality)技术,简称为VR技术。虚拟现实不同于可视化计算,可视化计算只能使用户或参加者通过监视器从外向内观察数据空间,无法做到身临其境,缺乏临场感和触摸感。而虚拟现实创建了一个相当逼真的三维视听、
19、触摸和感觉的虚拟空间环境,且这种三维环境可以随需变换,交替更迭。用户或参加者可以通过虚拟现实技术,进入该环境,并通过计算机与该环境交换虚拟现实信息,从而亲身感受三维逼真环境,在虚拟现实的三维环境内进行各种活动和操作。虚拟现实技术的发展和应用从根本上改变了人类的思维方式。人们正在深入研究和探讨虚拟现实和真实现实之间的关系,发现和挖掘真与虚两种现实中的科研课题,创建各种逼真的虚拟现实演示系统、操作系统和应用系统。人们利用虚拟现实信息传递技术,研制开发和推出了许多虚拟现实的实用系统,如虚拟银行、虚拟医院、虚拟展览会和虚拟工厂等等。在虚拟现实环境中,用户或参与者不仅仅是被动性地观看,而是和虚拟的三维环
20、境融合在一起,交互性地体验和感受虚拟现实世界中广泛的三维立体多媒体内容。近年来,虚拟现实造型语言(VRML)已成为信息技术业界的一种标准语言,人们利用VRML,可以在Internet上建造虚拟世界,也可以在Internet上更替和变换虚拟世界,人们利用VRML浏览器,可以在一个虚拟现实的场景中自由移动,与虚拟场景具有良好的交互性,还可以与其中的实体进行相互联系。由于VRML支持多媒体技术,支持复杂的脚本和人机交互,因此在虚拟现实世界开发研制中,要求有关设计人员和编程人员、导演、动画师、造型设计和实施人员、系统分析设计人员和编程人员,必须进行广泛的、前所未有的合作,充分发挥各类科技人员的聪明才智
21、,不断提高和发挥三维空间的设计、研制能力,创建出更多更好的三维新世界。第四节：虚拟现实技术与电子政务虚拟技术的应用范围虚拟技术在电子政务中的作用及功能 虚拟技术的应用范围 1.城市规划 在城市规划中经常会用到VR技术，用VR技术不仅能十分直观的表现虚拟的城市环境，而且能很好的模拟各种天气情况下的城市，而且可以一目了然的了解排水系统，供电系统，道路交通，沟渠湖泊等等。而且能模拟飓风、火灾、水灾、地震等自然灾害的突发情况。对于政府在城市规划的工作中起到了举足轻重的作用。2.室内设计 在室内设计应用方面，用VR技术不仅能十分完美的表现室内的环境，而且能在三维的室内空间中自由行走。目前业内常用VR技术
22、做室内360度全景展示和室内漫游，受到一致好评，而且不仅能在室内漫游，还能用VR技术做预装修系统，可以实现即时动态的对墙壁的颜色进行更换或贴上不同材质的墙纸，还可以更换地面的颜色或贴上不同的木地板、瓷砖等，更能移动家具的摆放位置、更换不同的装饰物。这一切都在VR虚拟现实技术下将被完美的表现。3.文物保护 VR技术在文物保护方面也是应用相当广泛的，埃及的金字塔就做过网上的体验中心，运用了全景虚拟技术和三维虚拟技术，而且IBM目前正在运用VR虚拟现实技术对北京故宫进行整个故宫的数字虚拟。届时大家也许可以在网上直接看到数字三维化的故宫。4.交通 无论是在空中、陆地还是海洋河流的交通规划模拟方面，VR
23、虚拟技术都有其得天独厚的优势，不仅仅能用三维GIS技术将各种交通路线表现得十分到位，更能动态模拟各种自然灾害情况。5.房地产近几年在房地产的表现和推广应用方面，VR虚拟现实技术被得到越来越多的应用，更有逐步取代效果图和三维动画之势。用VR虚拟技术不仅可以十分完美的表现整个小区的环境，设施。还能表现不存在但即将建成的绿化带，喷泉，休息区，运动场等等。不仅如此，用户还能在整个小区中任意漫游、仔细欣赏小区的每一处风景。大大刺激了浏览者的感受。6.游戏 对于游戏的开发，目前VR技术比较适合开发：角色扮演类、动作类、冒险解迷类、竞速赛车类的游戏，其先进的图像引擎丝毫不亚于目前的主流游戏引擎的图像表现效果
24、，而且整合配套的动力学和AI系统更给游戏的开发提供了便利。7.军事 VR技术就是诞生于军事应用，在军事应用方面很多，包括：模拟战场，模拟操作，模拟驾驶，模拟装配等等。都需要通过VR技术来实现。而且在相关军事工作汇报中也会有VR技术的支持。8.家电 家电产品的展示、展览、发布上。运用VR技术不仅可以完美表现产品的外观，更能将其功能表现的淋漓尽致。而且家电行业产品种类繁多、数量庞大。市场需求量十分大，无论是使用全景虚拟还是视频虚拟还是三维虚拟技术都能在家电行业大有作为。9.地理 VR技术在地里应用上，主要是运用三维GIS地理信息系统来表现直观的三维地形地貌，对于地理工作者提供便利，对于相关工程建设
25、提供可靠的参考数据。10.教育VR技术在教育领域，主要是发挥其互动性和生动的表现效果，用于立体几何、物理化学等相关课件的模拟制作。而且在相关专业的培训机构，VR虚拟现实技术能够提供学员更多的辅助，比如虚拟驾驶、各种交通规则的模拟。特种器械模拟操作、模拟装备等等。11.工业 VR技术在工业应用上，主要运用于工业园模拟、机床模拟操作、设备管理、虚拟装配、工控仿真。由于VR技术本身的特性所以从事以上的相关工作模拟十分方便、快捷而真实准确。12.视频 VR技术在工视频应用上，已经相当广泛了，在各大电视台中均有虚拟演播室，而且有的电视台还运用了虚拟主持人。这种虚拟技术的运用无论是CCTV还是各个地方卫视
26、都有应用。虚拟技术在电子政务中的作用及功能 如果虚拟现实技术将应用于电子政务里面，那么，这将会极大地便利公众和政府，为两者都带来巨大的效益。作为公民，经常会与政府部门有业务方面的交流。可是，由于政府部门机构庞大，程序复杂，人员又相对较少，办事的效率往往低下。有的人去到一个政府部门排队排了好久好久才发现自己所办的业务应先得到另一部门的签字。这是业务流程的不明确所带来的公众的麻烦。如果有了虚拟现实技术。那么，公众在去政府部门办业务之前就可以先在政府的网页上，以类似于3D游戏的方式，模拟一次办理的业务的流程。这样，就可以清晰地知道自己要做什么，去哪一个部门。当然，政府也可以通过提供“一站式”的电子服
27、务来提高办事效率。如深圳市行政服务大厅就有一台多媒体电脑，将一些业务的流程清晰地显示，极大地便利了公众，节省了时间，提高了效率。这种其实也是应用虚拟现实的一个方面。通过模拟法庭，模拟旁听等方式，公众可以积极参与到政府的工作中来。亲临其境地监督政府的工作，以加大政府部门工作的透明度。而对于政府来说，模拟法庭，模拟旁听会可以提高公众对政府工作的参与度。也可以利用这个机会，对广大公众进行法理法制的教育和宣传，有利于其普法和争取取得公众对政府工作的支持。政府也可将虚拟现实技术运用于政府部门人员的招聘或培训。利用虚拟现实，模拟出一般政府部门的工作场景，用来考察应聘人员，能较为迅速和真实地选聘到真正适合的
28、人才，极大地提高人员的招聘效果。人员的培训同样可以运用这种技术而获得更好的效果。文件的整理，人际关系的处理，突发事件的处理等等，都可以通过让培训人员参与到形式多样的场景模拟中得到真实的体验，有利于其真正地将理论运用于实践。不仅可以获得更优秀的人才，更可以节约更多的成本。每年政府用于招聘和培训的费用都不菲，利用虚拟现实技术可以节约大量的成本，还可以提高资本的效率，一举两得。虚拟现实技术和电子政务结合所带来的工作的影响方面如此之多，带来的效果如此有效，我想，不必多说，光是猜想一下，就足以让人兴奋期待。VR的特性极大地扩展了人类感知，认识世界的能力，使人类可以不受时空的限制，去经历和体验世界早己发生
29、或尚未发生的事件，观察和研究同一事件在各种假想条件下的发生和发展过程；可以深入到人类生理活动难以达到的宏观或微观世界去进行研究和探索，从而更好地协助人类从事需要复杂操作的活动；通过虚拟环境所保证的真实性，用户可以根据其性质使得它在我国国民经济建设，国防安全和文化教育领域有着重大的应用前景。对于电子政务来说，VR技术的引入将进一步完善虚拟政府的功能。随着经济的发展，技术进步以及伴随而来的社会现代化，人类所从事的工程建设难度己大超过历史上的任何工程，因此现代社会的每一项规划和决策都需要在各种方案中精心选择，因为微小的偏差都有可能导致巨额的浪费和损失。把VR技术引入电子政务中，可以进行一项市政工程的
30、决策前，先用VR技术进行预演。结合数值计算技术，VR技术所提供的仿真环境可以准确，真实地模拟在各种情况下的发生发展过程，以便于工作充分进行比较，从而为政府各级领导制定合理正确的方案提供决策依据。同时，VR技术的应用更可以使得行动不便的人能像正常人一样投入到虚拟政府的管理中，减少时空的限制。目前，VR技术在一些领域获得了比较成熟的实际应用。但由于发展阶段性的限制，目前电子政务中VR技术的应用还刚刚开始，可以预见的是，在不久的将来，VR技术将会影响乃至改变我们的观念与习惯，并将深入到人们的的日常工作与生活中，伴随着计算机技术的飞跃，VR系统的发展及完善在不断地继续，其应用领域也在不断地扩大，人们利用VR信息传递技术，研制开发和推出了许多VR的实用系统，如虚拟政府，虚拟银行，虚拟医院，虚拟展览会和虚拟工厂等，在VR环境中，用户或参与者不仅仅是被动地观看，而是和虚拟的三维环境融合在一起，交互性地体验和感受VR世界中广泛的三维立体多媒体内容，作为一种更强大，更富有创造性的人机交互系统，VR系统将有着非常广阔的发展前途，21世纪将是VR技术的时代