3D虚拟现实技术

13、选择菜单命令“Layer>Flattern Image”(图层>合并所有图层)，将所有图层合并，并将其转化为背景图层。至此，牛仔裤纹理制作完毕。

如果要得到更精细的效果，在开始制作时，可以将文件大小设置为较大的数值。最终效果图中的纹理制作时的文件大小为3334×3334像素，分辨率为600像素/英寸。要得到不同的颜色、明暗效果，只需在中间过程中设置不同的颜色、色度、饱和度、亮度、对比度数值即可。

3D虚拟现实技术 篇3

关键词：3D动画；VR（虚拟现实）；丝路文化

1 丝路文化简介

丝绸之路并不是现实意义上的一条道路或者路线，而是用于描述古代中国与世界各国和地域之间的贯通古今的陆上（广阔的欧亚大陆）和海上（太平洋、印度洋、大西洋）的经济以及文明交流的一片区域。除了经过陆上线路中国古代的丝绸、茶叶、陶瓷器等大量名贵物品和造纸术、火药、经典著书等科学文化知识传到非洲和欧洲等地，也经过海上区域传播到美洲等世界各个地方。所以，学术界习惯于将这些陆上与海上的交通区域合并称之为“丝绸之路”。陆上的称“陆上丝绸之路”。海上的称“海上丝绸之路”然后将沿这些丝路区域所流传和衍生的文化以及周边产物称为“丝路文化”。“丝绸之路”这个名称表达了世界各地的人民对古代东西方文化交流的认可以及对人类未来“地球村”的希望。赫尔曼在1910年所著的《中国和叙利亚之间的古代丝路》进一步确立了这一概念。这个概念告诉我们：古代中国与西方世界是以丝绸为媒介获得接触与沟通的。

2 3D虚拟动画技术简介

3D动画技术，是新时代下信息化技术部分的随着计算机软硬件技术的蓬勃发展而兴起的一种新型的传媒技术手段。该技术主要通过3D动画软件来实现，3D动画软件的功能就是可以使用计算机等硬件设施来建造一个类似与真实或者完全虚拟的世界，在这个世界中，3D动画设计师可以按照需求来建立场景以及模型，然后采用虚拟摄像机对于模型的运动轨迹进行记录，最后按需求为模型设定规定的各种动画参数以及模型的材质，并打上灯光。当所有的步骤完成以后就可以让计算机上的软硬件结合进行自动运算，生成最后的动画画面。在这种技术越来越成熟的今天，三维动画的精确性、真实性、无限制的可操作性以及趣味性可以达到各种需要的效果，所以医学、教育、军事、娱乐等诸多领域都有采用这种传媒技术。例如在影视广告制作方面，3D动画技术可以制作出爆炸、下雨以及虚拟场景等各种各样的近乎真实场景的效果，这项新技术可以满足导演很多大胆的想法，有时也可以节约成本，而且可以给予观众全新的视觉体验，因此受到了众多制作人和观众的欢迎。同样，3D动画在建筑领域也得到了很大程度的运用，从起初的电影电视中的3D场景到现实中房地产对于该技术的应用，恢复真实场景的技术已经越来越成熟，还原的场景也越来越真实。这种技术的发展和成熟可以给为通过3D动画技术还原丝绸之路原貌的展现形式带来便捷技术手段，也可以为宣扬丝路文化的媒介方式提供一种全新的方向。

3 VR技术简介

VirtualReality的简称VR技术，中文是虚拟现实的意思，也称之为人工环境或者灵境技术。随着3D动画技术的发展以及软硬件的升级，广泛应用于房地产、观光了旅游、酒店餐饮、博物馆展览展示，地铁、车站等各行各业的项目展示以及宣传领域。用户可以与虚拟环境进行人机交互就是VR技术最大的优势，将传统的被动式观看变成更真切地体验互动，“售楼宝”就是应用在房地产领域的一个电影的案例。我们的VR技术要结合3D动画技术来完成整个展示形式。我们可以结合VR技术给予人们对于丝路文化更加直观、有效的认识方式和切身体验。

4 丝路文化与3D动画技术

联合国教科文组织在2014年将丝绸之路整体列入世界文化遗产名录，从这一点中可以得出丝绸之路的重要文化意义及其影响。中国的丝路文化作为丝路文化整体中极其重要的一大部分，而且中国作为丝路文化交流与融合的参与者和发源地，我们每一个文化工作者都应该利用好这个文化标签，对我们的文化遗产的研究、整理、和保护的同时，也应该做好文化“走出去”战略，将丝路文化推向更大的平台，让更多的人更加深刻地理解丝路文化的内涵。

毋庸置疑，无论是经济的发展还是文化的建设都离不开文化的交流与传播。著名传播学大师格雷厄姆.莫多克说过，“传播系统在经济生活中的重要性，在所谓的数码资本主义代替了工业资本主义以后显得尤为突出”。可见现在时代背景下传媒技术的发展对于經济发展来说有多么重要的作用。例如报纸，广播，电视电脑等大众传媒手段在文化传播以及社会经济发展方面起到了不可或缺的巨大作用力。随着科技手段的不断发展和进步，以互联网为代表的新媒体技术在迅速传播信息，发布社会舆论和促进经济文化交流以及发展方面独领风骚。3D动画技术也随着新媒体传播的兴盛而蓬勃发展，越来越多的观众享受3D动画视频给他们带来的视觉盛宴，3D动画师也根据观众的需求制作出越来越好的动画作品，技术手段也越来越成熟。

在这个新时代，新媒体技术的发展随着科学技术的进步也欣欣向荣，而且迅速并且深刻的融入人们生活中的点点滴滴。清华大学的教授熊澄宇认为：新媒体是个相对的概念，在媒体发展的过程中，不断有新媒体涌现出来，报纸相对于图书来说是新媒体，广播对于报纸来说是新媒体。新媒体又是个时间概念。在一个具体的时间段内，总有一种代表这个时代的新媒体。新媒体还是个发展的概念，当前期发展的基本趋势是整合媒体，主要表现为数字化，互动化，宽频化，移动化和人性化。从他的观点可以看出，新媒体在当前时代下仍是一个有很大发展空间的概念，我们可以从各个点去丰富它，让它更加成熟和丰满。而3D动画技术正是丰富新媒体的一种技术手段，可以通过这种先进的科学技术让新媒体传播手段更加迎合大众口味。3D动画技术给予观众的真实的体验以及效果是其他技术手段所满足不了的，我们应该大力发展3D动画技术和VR技术来对我们的丝路文化进行视觉还原和展示，尽最大努力给予大众最真实，最深刻，最有趣味性的视觉的感官上的体验。

5 3D动画以及VR技术与丝路文化传播的优势

随着全世界各地电视电脑，手机移动终端以及互联网等技术的普及，新媒体技术已经无处不在，无时不显。我们的VR虚拟现实体验馆也随着3D动画技术的发展逐渐在一些大中型城市建立起来，并且受到了青少年群体甚至中老年人的青睐。

第一，3D动画和VR技术相结合丰富了丝路文化传播方式。3D动画技术用文字，图片，视频等多种渠道和形式展示丝路文化，加之VR体验馆的虚拟还原丝绸之路场景，可以让受众群体接收到丰富的资源和全面的信息。它在传播丝路文化的同时，也在创造这新的新媒体形式。以丝路文化成功申遗为例，相比较传统的文字介绍，图片展示以及录像记录手段，3D动画技术和VR技术可以更加直观，真实的让大众感受到丝路文化的魅力和内涵。而且3D动画还在可以在微博，微信等網络平台中迅速传播，我们可以借此来增强公众对于丝路文化的再关注和再传播以及提高丝路文化的影响力。

第二，3D动画和VR技术使丝路文化传播更具互动性。3D动画这种新媒体的传播媒介的发展，相比传统的媒体传播媒介的单向流动，3D动画的双向流动使得受众拥有更多的主动权以及更高的互动体验。例如，大众可以根据自己对于丝路文化的认识和兴趣点，通过3D动画技术直接表达自己的想法和情感，创作和发表自己的作品，也可以让大众来对于我们的动画作品来进行赏析和点评。

第三，3D动画和VR技术使丝路文化传播更具高效性。3D动画的交互性和界面的趣味性，VR技术的真实性和科技感。不仅会给大众带来一场美丽的视觉盛宴，提高大众对于丝路文化的认识和理解，也会以最快的速度给予大众最直观的信息，这样大众可以通过有趣而有效的动画视频和VR体验来最便捷，有效的了解丝路文化。所以，我们要充分利用好3D动画技术和VR技术，以此来提升丝路文化的影响力，达到最大效果的传播力度。

当然，文化传播中“速食化”“分众化”“零碎化”等消费特征在新时代传播媒介中也不断凸显。这就要求我们在突破传统以及做好传播文化手段的同时，也需要加强对于丝路文化内涵的认识和着重介绍，让丝路文化作品以最好的状态呈现给大众。

6 3D动画技术对于丝路文化传播的载体和方法

6.1 3D动画技术对于丝路文化的传播需要现实的载体

从技术层面来讲，3D动画依托于数字技术，互联网技术，移动通信技术等形式，VR技术依托于VR虚拟现实体验馆等形式。下面从互联网，手机媒体以及VR虚拟现实体验馆来作些阐述。

第一，微博以及微信。2009年微博作为一种信息网络平台诞生，因为它迅速的信息传播方式以及强大的信息来源受到大众追捧。在微博里，大众可以自由的在信息的发布者和接收者二者之间切换角色。利用微博来传播丝路文化是一种高效率而且具有巨大影响力的方式。微信APP是2011年腾讯公司推出的一个为智能终端提供即时通讯服务的免费应用程序，跨操作系统平台通过网络快速发送免费（需消耗少量网络流量）语音信息、视频等，并且支持跨通信运营商。经过几年的发展，中国 90% 以上的智能手机都安装了微信APP，它的月活跃用户达到 5亿，用户也覆盖 200 多个国家。由此可见，微信客户端的使用范围是极其广泛的，我们的3D动画小视频也是在微信上面广泛流传，通过这些互联网平台，我们可以将我们的丝路文化3D动画作品快速的推向更广阔的范围。

第二，手机媒体。随着科技和经济的发展，手机的普及性以及信息传播的快捷，使得手机具备了成为大众传媒的一种理想的工具。继报纸、广播、电视、网络之后，手机成为“第五媒体”。它的便捷是其他媒体手段所达不到的，他的使用群体也是所有方式中最大的。手机电视的出现使手机有了浏览视频的功能；这样我们的3D动画就可以在手机上播放以及传播。手机媒体还拥有信息传播的即时性、互动性，最重要的是高度快捷的移动性，使其受众资源极其丰富，而且手机多媒体传播的私密性和同步性的结合，以及信息发布和接收的高度融合等优势。从传播角度看，手机媒体拥有的这些独特优势足以使人际传播与大众传播完美结合。所以我们的3D动画通过这种载体来展现和传播也是一种极好的方式。

第三，VR虚拟现实体验馆。虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，体验馆是它的一种现实载体。它利用计算机生成一种模拟的虚拟环境，是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真通过一些硬件设备使用户沉浸到该环境中。

6.2 3D动画技术对于丝路文化传播的方法

首先我们要在实践中运用好3D动画技术在丝路文化的传播和扩展。目前，我们的丝路文化已经借助各种新媒体的传播形式在传播环境上已经发生了巨大的变化，我们应该与时俱进，使用大众接受的3D动画作为一种新型的传媒媒介和手段，通过新的包装和整合，让丝路文化以新的形式出现在新媒体中，这样更能够促进丝路文化的传播以及发展。例如，我们可以在大众使用的微信平台公众号来展示我们的丝路文化。具体来讲，我们可以根据丝路文化的重要意义进行简单的概括，然后可以根据大众的反馈信息来进行详细的讲述，也可以根据大众的建议加以完善各种丝路文化的保护及传播途径等。

我们要借助VR技术做好丝路文化的信息交流平台。在之前的传统大众传媒中，信息接收者很难参与到信息发布或者近距离感受信息的环节，就缺少了一个信息交流平台。我们的3D动画以及VR技术正好可以弥补这一部分空缺，我们通过动画画面自身的趣味性和VR现场的真实性，大大提高丝路文化传播的多样性，和互动性，极大地调动大众参与到信息的了解和传播中，这样对于我们的丝路文化传播具有强大的效率。

7 3D动画对于丝路文化展示的重要意义

7.1 作为世界文化遗产，丝绸之路以及丝路文化越来越受到联合国教科文组织及相关文物单位的充分关注与重视

丝路沿途多为世界文明发源地，也是世界文化、文物遗产集中地，地上地下之文化遗产丰富且珍贵。但是由于历史因素以及自然因素，很多丝绸之路上的现实场景已经退化甚至消亡，很多历史资料只能从史书或者遗迹着手考察，大众也只能从一些图片和书籍资料来了解丝路文化。运用3D动画技术以及VR技术可以再现丝绸之路场景，既可以让科研工作者将自己的研究成果展示出来，也可以让大众感受比较形象生动的丝绸之路，还可以将丝绸之路场景转移到每一个需要的地方，这是一种对于文化遗址的保护方式，也是一种便捷有效的文化普及方式。

7.2 受当今和平与发展的世界时代潮流的推动，欧亚大陆“新丝绸之路”的畅通与否收到世界各国的关注

经济全球化的今天，丝路沿途成为了世界资源争夺的焦点地区。保证丝路畅通，无论对沿线国家和地区，还是对整个世界的经济，都具有重要意义。所以我们要加大对与丝路文化的认知程度和开发程度，只有我们真正了解了丝路文化，才可以利用丝绸之路来为我们的经济交流提供真实有效的便捷路线。三丝路沿途为多民族聚居区，对中国民族大融合发挥着重要的作用，受到中国各界关注和重视。 丝路文化的展示和传播，从一定意义上讲，可以说是中国民族融合在文物展览领域的象征。古代丝路，不仅是商路，同时也是体现人类文明的一种文化系统。我们运用3D动画技术来展示丝路文化也可以表现出我们对于丝路文化的重视以及对于民族融合建设的重视。四大众传媒，比如报纸，电视，广播等在文化传播，发展社会经济方面起到了不可或缺的巨大作用。3D动画作为一种新的传媒媒介，我们应该利用好这种新型的科技手段，增强我们在文化传播方面的实力。但是，随着科技发展和进步，以互联网为代表的新媒体在快速传播信息，编织舆论导向，促进经济发展方面独领风骚。五3d动画技术在新媒体传播手段中的地位越来越重要，因为它可以实现很多常规媒介实现不了的效果。

8 结语

基于X3d的虚拟现实技术建模 篇4

1 虚拟现实技术

1989年美国的Jaron Lanier提出了虚拟现实(VR)并且把其制作成商品进行销售,他是美国公司VPL Research的创始人。虚拟现实技术通俗来说就是通过计算机软件搭建出来的虚拟的东西和环境,通过专业的设备对其进行一定程度上的改革,构建出的场景,这种技术可以很好地让人们感受不一样的网络世界。比如我们都曾看过的3D电影《飞屋环游记》,通过特殊的3D眼镜,让我们仿佛置身于电影中一样。3D电影就是虚拟现实的一种。虚拟现实融合了许多技术,比如说计算机仿真技术,人工智能技术,多媒体技术,传感技术,计算机图形学技术,网络技术,人机接口技术等等。它的特点总结起来就是三点,分别是交互性(Interaction),想象力(Imagination),以及沉浸感(Immersion),简称3i。目前的虚拟现实是由两部分组成的,软件组成:虚拟现实软件X3D(可扩展3D)、VRML(虚拟现实建模语言)、Java3D、Open GL、Vega、Converse3d、3DMAX、Maya等。硬件组成:立体投影、立体眼镜、三维头盔显示器、数据手套、三维语音识别系统、三维空间跟踪定位器、三维空间交互球、多通道环幕系统等。

2 X3D的组成

1998年Web3D联盟正式提出X3D(Extensible 3D)。在这项技术得到了很多家公司和科研机构的认可和支持,在一定程度上促进了每个公司的发展。X3D技术为了方便在网络和浏览器传输上更加的方便,于是采用了XML语言,进而对其进行描述。通过与Java、XML、流媒体等技术的融合,在表现上更加的完美。具有更加完善的技术。X3D系统结构是以组件技术为基础的。包括内核,VRML97特征集,应用程序接口和扩展集四个部分,如图1所示。

内核(Core)最主要的核心的特点就是有很好的扩展性,大小也刚刚好,占用的空间也不是很大,内核的核心主要是由VRML97的一小部分组成的,只用到了54个节点中的23个。而剩下的3311个节点则全部做成了插拔的组件,在一定程度上能够使XX33DD对VVRRMMLL进行兼容并且提高系统的运行效率。XX33DD的应用程序接口是由文档对象模型(DDooccuummeenntt OObb⁃jjeecctt MMooddeell,,DDOOMM)和XXMMLL编码提供的,而对于外部应用程序则是要通过DDOOMM访问XX33DD文件才能完成。在此基础上,XX33DD内外部场景是通过内部创作接口(SSccrriipptt AAuutthhoorriinngg IInntteerrffaaccee,,SSAAII)与外部创作接口(EExxtteerrnnaall AAuutthhoorriinngg IInntteerrffaaccee,,EEAAII)动态交互形成的。内部创作接口对XX33DD内外部场景交互是通过JJaavvaa SS ccrriipptt语言编写脚本或者利用JJaavvaa来实现的。外部创作接口被称作是Java语言定义的一系列类包。外部应用程序如果要对VRML场景进行改正或者控制,再或者进行一系列的操作,那么就需要通过访问这些类包来实现。

3 X3D场景建模

3.1 X3D节点建模

(1)X3D文件结构X3D文件结构采用ISO/IEC 19775-1的7.2.3,Abstract X3D structure中的定义。X3D文件结构包括X3D文件头、文档类型(DTD格式)及X3D主程序概貌等内容。X3D主程序概貌包括头文档和场景。头文档包括组件和元数据。X3D场景包括各种节点。通过组织各种节点来创建虚拟的三维场景。X3D的文件结构如图2所示。

(2)X3D的语法结构

根据IISSOO//IIEECC 1199777755-1的规定X3D文件头需要是一个单行的UUTTFF--88文本,这样才能识别是一个XXMMLL文件。XX33DD文档在使用时属性要在规定的概貌集合的范围内。GGeeoommeettrryy33DD组件是所有的三维几何节点组成的,对于这种功能相同的节点的组成就叫做组件。X3D场景主体由一对<Scene>和&&##6600;;//SScceennee&&##6622;;组成的,中间可以插入背景节点、视觉节点、导航节点、集合节点、复杂造型节点等,通过这些节点的组织来创建要表示的三维空间的场景和造型。

3.2 场景的优化

场景模型优化在搭建虚拟场景时,很多时候我们必须要抛开一部分的真实性。这样的情况下,贴图的办法就比较可行,应用绘图软件或者是已有的图片、建筑物的各个方面的照片。对于纹理贴图来说,格式一定要为RGB,单位为像素,宽与长要控制在2的幂。为了提升场景的运行速度,最好是把所有面都放在同一个文件里。为了要营造真实的感觉,还应该加上光照,在一定程度上通过光照来营造真实的感官。除了这些,最主要的就是对纹理的处理,为了达到预想的效果,最重要的就是使用面积比较小的纹理,这样占用的空间也比较小。

复用技术文件外部和内部的复用是X3D的复用技术的两个方面。文件外部的复用就是根据一定的顺序进行渲染绘制,按照从大到小,从左到右,从上到下、从右到左、从下到上的顺序进行渲染,有层次的进行。而文件内部的复用则是可以先对节点进行一定程度上的预定,在使用时,就不需要在进行整改,直接可以用上,不用在对其进行编辑。X3D为了方便编写的工作,还可以进行自定义新的节点。

文件压缩压缩二进制编码的开发为X3D有效的提供了一个特殊的环境,在安全为提前的基础之下,X3D具有高压缩比和加密性。在这样的基础上,X3D二进制格式也拥有了这两种环境。X3D允许采用浏览器支持的多种编码模式进行混合编码,解析时只需要按照特定浏览器需要进行解析即可。

4 结束语

本文通过对虚拟现实中的X3D的系统结构进行分析和讨论,对场景的优化和建模都有了新的方法。根据对实验的研究,我们知道为了方便和适合计算机网络的下载或者是运输,制作出来的场景的体积要普遍较小,基本的模型要在1k左右。由于支持的节点比较多,所以在建模与交互两个方面都显得容易些,在Java语言的支持和与XML语言的结合方面,都有不同的表现。

参考文献

[1]刘永安,高素青,杨磊.基于X3D的虚拟场景建模技术[J].电脑知识与技术,2009(22):6271-6273.

[2]徐雷,赵立科,李成.基于X3D的大规模三维地形场景构建[J].矿山测量,2008(5):43-45+4.

3D打印技术 篇5

3D打印技术，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印是一种“自下而上”分层添加材料实现快速产品制造的技术，具有制造成本低、生产周期短等明显优势，被誉为“第三次工业革命最具标志性的生产工具”。

一、3D打印基本概念

传统的切割加工是利用刀具进行材料的切削去除，是一种“自上而下”的加工方式。这种加工方式是从已有的零件毛坯开始，逐渐去除材料实现成型，因此受到刀具能够达到的空间限制，一般很难制造出复杂的三维空间结构。

3D打印技术的成型原理与上述传统方法截然不同，采用材料逐层累加的方法制造实体零件，相对于传统切割加工技术，该方法是一种“自下而上”的制造方法，3D打印的实质是增量制造：“通过增材制造，从零件的电子、数字化描述直接到最终产品的过程”。因此3D打印技术具备两个本质特征：一是数字化模型直接驱动，将产品的数字化模型输入3D打印机，就能直接“输出”最终产品，实现快速制造，不需要制模或铸造；二是基于离散-堆积成型原理的逐层材料添加方式，可成型任意复杂空间结构，具有很高的柔性。

二、3D打印技术的优缺点。

优点：①不需要机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率；②通过摒弃传统的生产线，有效降低生产成本，大幅减少材料浪费；③可以制造出传统生产技术无法制造出的外形，让产品设计更加随心所欲；④可以简化生产制造过程，快速有效又廉价地生产出单个物品，与机器制造出的零件相比，打印出来的产品的重量要轻60%，并且同样坚固。

缺点：可打印的原材料少、打印精度低、速度较慢、打印成本高。

(3D打印原材料：工程塑料、光敏树脂、橡胶、金属、陶瓷等)

三、3D打印军事应用现状

（1）2012年，美国Sciaky公司的新型电子束3D打印技术取得重要突破，具备大型金属部件加工能力，美国国防部和洛克希德•马丁公司准备将其用于生产F-35战斗机的钛、钽、铬镍铁合金等高价值材料的高品质零部件，前期检测全部达到要求。

（2）3D Systems公司的激光熔融技术取得重要进展，美国空军将在此基础上开发用于打印F-35战斗机和其他武器系统的3D打印机。

（3）美国太空制造公司的太空3D打印技术的成熟度达到6级，具备在太空中的模型或样机演示能力，2012年11月获得NASA的第二阶段合同，进一步将技术成熟度提升到8级，完成实际系-2-统并通过试验和验证，最终具备应用于太空站维修、升级和延寿，载荷升级改进，硬件太空制造等方面的能力，2014年向国际空间站运送首台3D打印机。

（4）早在2002年，美国就开始将激光成型钛合金零件装上战机试验。但由于无法解决制造过程中钛合金变形、断裂等技术难题，美国始终只能生产小尺寸钛合金部件和对钛合金零件表面进行修复。近年，美国积极开展3D打印技术生产大型钛合金部件的研究。美国军方和军工企业正与3D Systems和Sciaky等3D打印技术公司合作，推进大尺寸钛合金3D打印技术在战斗机制造上的应用。

（5）2013年，美国开始使用3D打印技术批量生产喷气发动的燃料喷嘴。在3D打印技术应用于轻型物质制造方面，2013年，美国“固体概念”公司成功制造出世界上首支3D打印金属手枪，能够连续发射50发子弹并保持完好。

（6）维修方面，美国已开始部署基于3D打印技术的维修保障装备。2012年7月和2013年1月，美军部署了两个移动远征实验室，用于装备维修保障。此移动远征实验室是一个20英尺长的标准集装箱，可通过卡车或直升机运送至任何地点，利用3D打印机和计算机数字控制设备将铝、塑料和钢材等原材料加工成所需零部件。此举可以在战场快速生成需要的零部件，甚至快速设计和生产急需的装备，实现及时精确保障。此外，美国陆军开发了一种轻质便宜的3D打印机，可以放到背包中，用于在

-3-战场中快速、便宜地制造替换零件。

（7）我国的激光快速成型3D打印技术已达到世界领先水平。北京航空航天大学已掌握使用激光快速成型技术制造超过12平方米的复杂钛合金构件的技术，并成功应用于武器装备研制，相关成果“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成型技术”获2012国家技术发明奖一等奖。西北工业大学掌握了一次打印超过5米长的钛金属飞机部件的3D打印技术。

（8）我国是世界上唯一掌握钛合金大型主承力构件激光快速成型制造技术并工程应用的国家。北京航空航天大学和西北大学的3D打印技术已成功应用于多个国产航空项目的原型机制造。我国自主研发的大型客机C919的主风挡窗框、大中央翼根肋，正在设计的新型战斗机的钛合金主体结构均采用激光快速成型技术制造。

（9）据报道，歼-10飞机研发用了近10年时间，而运用3D打印技术后，我国在3年时间内就推出了舰载机歼-15，直接跨入第三代舰载战斗机方阵。在我国国防科技装备领域，目前，3D打印技术已被全面应用于歼-20隐形战斗机和歼-31第五代战斗机的研发中。有外媒惊呼，3D打印机正在制造空军发展的“中国速度”。

加快3D打印技术的发展与应用是弥补我国当前武器装备设计、制造与维修保障能力的不足，提升研发效率，降低制造成本，提高维修保障时效性与精度的有效途径。我国3D打印技术在钛-4-合金大型复杂整体构件激光成型等方向居于世界领先地位，但整体水平仍有很大的提升空间。应着眼武器装备长远发展，统筹规划，汇聚各方面力量推动3D打印技术的发展与应用，为实现“能打仗、打胜仗”的目标提供技术支撑。一是将3D打印技术作为我国制造业升级的关键，军民融合、整合资源，集全国之力进行发展；二是针对当前存在的问题，加强材料技术3D打印核心关键技术研究，改变我国核心关键设备受制于人的状况；三是积极探索3D打印技术在武器装备建设中的应用，以应用牵引技术发展方向与重点。

四、3D打印技术的实际应用

（一）开源3D打印枪支的例子

美国得克萨斯大学法律系的大二学生和一群自称分布式防御组织成员的朋友发起了一个项目，称为“维基武器项目”：设计出全球第一款可从网络下载蓝图的枪械，并能够完全利用RepRap这样的开源3D打印机制造出来，然后将之与世界共享。2012年7月，利用3D打印机制造的下机匣组装在一把实用的AR-15步枪上，试射了200发子弹，而下机匣部件未见任何磨损。下机匣尤其引起争议，因为法律上认定它是枪械的主体部件，其销售及分销是受到管制的。有了通过3D打印机制造的下机匣，枪械爱好者将能购买其他不受法律管制的部件并进行组装。2012年12月，对3D打印机出产的AR-15步枪进行了测试，在刚开始的测试射击中没有任何质量问题，但在第六次射击时，枪支三处

-5-涌现分裂。

美国得克萨斯州奥斯汀，科迪﹒威尔逊（法律系25岁学生）演示一支3D打印手枪，可发射一枚子弹。除击针为金属，枪支全部部件为塑料。开源打印枪支使得恐怖主义和社会安全问题变得更为复杂，可能导致枪支泛滥，在政界和民间引发忧虑，因此美国国会众议员史蒂夫﹒伊期雷尔近来呼吁禁止制造3D打印枪。

此外，美国得州“固体概念”3D打印公司设计制造的世界第一把3D打印金属手枪，有30个零件，已经成功射出了50发子弹。该公司打印手枪的目的不是真的为制造手枪，而是要显示3D打印技术在强度和精度方面的技术进步。

（二）3D打印无人飞行器的例子

3D打印技术以其快速成型的特点在产品开发与优化方面具有明显优势。英国南安普顿大学设计和试飞了世界上第一架打印的飞机，采用EOSINTP730尼龙激光烧结打印机。由英国利兹大学学生设计的翼展1.5m的无人机在航展亮相，通过3D打印技术优化结构和空气动力学性能，而用其他方法就很难并且代价昂贵。美国空军也正在应用3D打印机制造无人飞行器。

（三）3D打印隐身斗蓬的例子

DARPA资助的麻省理工学院的3D打印项目之一是梯度折射率透镜（石英）的3D打印。梯度折射率的光学折射率呈梯度变化，其中折射率沿轴向变化的梯度折射率透镜用于消像差；折射-6-率沿径向变化的梯度折射率光纤能够减少色散，用于提高传输信号的速率或通信容量。梯度折射率光学已经成为光学的新分支。隐身斗篷就是采用梯度折射率材料实现的，使入射光线在物体周围偏转并绕开实现隐身目的，是目前光学领域的一个热点，在国际光学权威期刊上多次相关论文。实现负折射率的唯一可能是通过超材料----一种人工材料，之所以具有特殊光或声波性能，不是因为其成分，而是因为其特殊结构，可用3D打印。

（四）3D打印弹头的例子

洛克希德马丁申请的打印弹头的专利，通过逐层添加熔融材料制造弹头结构，高能密度技术可以是激光、电子束、等离子体等，与高冷却速率结合制作均匀微结构，给料可以是丝状或粉末，添加过程中可变材料类型。

（五）3D扫描士兵制作修复假肢的例子

这也是美军计划的一个项目，在士兵投入战场之前对其进行三维扫描，用于3D打印符合士兵个人特性的修复假肢，以备服役期间伤残治疗之需。

（六）3D打印飞机零件的例子

飞机框架传统造工艺需要万吨级重型锻造装备、系列大型锻造模具等。传统制造工艺的材料加工量大，利用率低，加工周期长，成本高。

（七）医学辅助快速原型制造

例如，某患者颅底肿瘤位臵深，肿瘤与颈内动脉、视神经、-7-垂体柄等周边重要结构关系复杂，手术难度十分大。

湘雅医院神经外科，依据患者的CT和MRI（核磁共振）图像建立实际模型，用3D技术打印颅内复杂肿瘤原型，让医生在手术前充分了解脑内肿瘤部位周围组织的毗邻关系，在完整切除肿瘤的同时最大限度地保护肿瘤周围正常组织，降低了并发症和后遗症的发生率。2014年1月4日，手术成功。

（八）人体骨骼快速制造

2012年，生物打印技术的发明者之一，曼彻斯特大学教授Brian Derby在《科学》杂志上发表了综述，阐述了用打印技术生产细胞和组织结构的新进展，以及该技术用于再生医学的前景。Derby教授介绍了利用3D生物打印实验，制造多孔结构骨骼“脚手架”用于生长细胞，之后植入人体。这种“脚手架”包含数千微孔，其中注入造骨细胞。造骨细胞培育生长的同时，“脚手架”生物分解消失。目前世界各地都在对这一技术进行临床试验。

另一种成功的应用是制造钛合金骨骼支架，如3D打印下颚，又如瑞典的一个女孩通过3D打印髋骨移植，摆脱了轮椅。

（九）生物活体器官重造

生物打印(Bioprinting)是用计算机辅助转移工艺制造和装配活性与非活性材料成为给定的二维或三维组织，以生成生物工程结构，可用于再生药物、药理学和基本的细胞生物学研究。

3Ｄ生物打印技术利用类似喷墨打印机的技术，直接生成三-8-维生物组织，3D生物打印机有两个打印头，一个放臵最多达8万个人体细胞，被称为“生物墨”，另一个可打印“生物纸”所谓生物纸其实主要成分为水的凝胶，可用作细胞生物的支架3D生物打印机使用来自患者自己身体的细胞，所以不会产生排异反应。生物打印机与普通3D打印机的不同之处在于，它不是利用一层层的塑料，而是利用一层层的生物构造块，去制造真正的活体组织。

五、部分领域3D打印发展趋势

（一）工业3D打印

1、在生产流程和生产工艺环节对传统传统制造业的全面渗透和覆盖，特别是在铸造、模具行业广泛应用。

2、稳定性、精密度将会大幅提高，材料可以全面突破，成本大幅降低、打印速度将显著提高。

（二）生物3D打印

1、将不再局限打印牙齿、骨骼修复等方面，打印部分人器官将成为常态。

2、整体应用推广将取决于各个国家的政策支持程度。

3、复杂的细胞组织和器官打印还有很多技术难题需要突破。

（三）军事3D打印

1、将实现武器装备半成品制造、现场塑造和部署，根据周围环境和作战目标，优化调整设计参数，实现环境自适应，大大提高武器装备的环境适应能力、伪装效果和作战效能。

2、小批量制造成本低、速度快，显著降低武器装备特别是复杂武器装备的制造风险、缩短研发周期。

3、具备快速制造不同零部件的能力，可有效提升武器装备维修保障的实时性、精确性。

六、3D打印世界之最

世界最大3D打印机：图中这套巨无霸设备名为“big delta”，它高达12米，是专门为进行大型物体3D打印而建造的大型3D打印机。

世界最小3D打印机：这款全球最小的3D打印机名为XEOS，由德国工业设计师Stefan Reichert打造，它的长、宽、高分别为47cm、25cm、43cm，是目前世界上体积最小的3D打印机。

世界首款3D打印跑车：来自美国旧金山的Divergent Microfactories(DM)公司推出了世界上首款3D打印超级跑车“刀锋(Blade)”。整车质量仅为1400磅(约合0.64吨)，从静止加速到每小时60英里(96公里)仅用时两秒，轻松跻身顶尖超跑行列。

世界首架3D打印飞机：“SULSA”是一架使用3D打印机制造的小型无人驾驶飞机，翼展2米，最高时速可达100英里，还配备有微型自动驾驶系统，可用于巡航。这是世界上第一架“3D打印”飞机，日前已试飞成功。-12-

世界最小3D打印魔方：这款微型3D打印魔方来自俄罗斯的艺术家格里高列夫之手，堪称世界上最小的魔方，这个魔方的边长只有1厘米，打破了原为1.2厘米的世界纪录。

世界首款3D打印汽车：Urbee 2是世界上首款完全使用3D打印技术制造的汽车，该车配备三个车轮，动力为7马力（5kW），采用后轮驱动，电力驱动模式下Urbee 2的行驶里程可以达到64公里。

全球首座3D打印桥梁：由MX3D公司负责开发和设计、由Heijmans完成的全球首座3D打印桥梁坐落在在荷兰阿姆斯特丹运河上，这座桥梁将通过3D打印机器人来完成，并且由运河的一端慢慢向另一端完成，而并不像传统建桥方式那样两端同时进行。

世界首座3D打印办公楼：据俄罗斯今日电台网站6月30日报道，迪拜宣布将建造世界上首座3D打印办公楼。计划建造的3D打印办公楼为单层建筑，占地面积约为2000平方英尺(约185平方米)。它将被20英尺(约合6米)高的打印机层层打印出来，办公楼内部也是由3D打印而成。

世界首辆3D打印摩托车：在今年的加州RAPID 2015展会上，出现了全球首辆全功能的3D打印摩托车。除了发动机、各种电子器件、传送带、制动系统及一些螺栓之外，这辆摩托车的其它部分全部都是用ABS塑料打印而成的，而且它可以承载两位成人骑手的重量。

世界最小的3D打印电钻：来自新西兰的技术宅Lance Abernethy做了一个全世界最小的电钻，关键是这个电钻是能用的。整个电钻的内部结构工作原理和普通电钻一模一样，唯一不同的是这个电钻的钻孔是毫米级的。

世界最大3D打印建筑结构：2015北京国际设计周，来自北京市侨福芳草地展区中庭空间的VULCAN，成为世界最大的建筑学意义上的三维打印构筑物，获吉尼斯世界纪录。

世界首台3D打印空调：近日，海尔集团在上海举办的世界家电博览会上展示了一款3D打印出来的空调。海尔宣称，这是世界上首款3D打印空调机。这款空调采用了可定制的3D打印部件，可以让消费者实现功能和装饰上的完美协调。该产品售价6395美元，至于产品的上市日期和定价等细节，海尔暂时还没有透露。

全球首款3D打印金属手枪：美国一家公司制造了全球首款3D金属手枪，而且已经成功发射了50发子弹，手枪的设计出自经典的1911式手枪，这是全球首支利用3D技术打印出来的金属枪。

世界首支3D打印步枪：枪械发烧友“HaveBlue”于2015年在其博客中公布了其3D打印步枪(A.22 步枪)的文档说明书（通过 AR15 论坛），文档中详细说明了打印经历和测试结果，成为首个成功打印出3D步枪并试枪成功的例子。

全球首个3打印酒店：菲律宾一家名为Lewis Grand Hotel（刘易斯大酒店）的四星级酒店宣称要3D打印世界上第一个商业建筑——别墅式酒店。里面的管道、家具、卫浴等生活设施也都是3D打印的，据说这是世界上首个3D打印酒店式别墅。目前这个项目没有完工，其3D打印机仍处于工作状态。

3D虚拟现实技术 篇6

80后、90后是被公认的网络化的新生代。他们具有的社会自主性强、思想表达更为自由、使用信息技术更占优势等特点决定了他们更偏爱在线学习模式。2010年，长征学院以新员工为培训对象，引进了IBM最新的3D虚拟学习平台技术，实施了3D虚拟长征学院新员工入职培训项目。

3D虚拟学院项目遵循结构化、任务驱动化、情景化、个性化、标准化原则进行设计与开发。

1.结构化。培训内容的呈现严格遵循培训内容的结构和逻辑。学员的学习路径和学习活动的设计促进结构化知识的建设。

2.任务驱动化。培训以“任务”系统驱动，结合在线游戏的晋级机制，将“被动接受培训”转化为“主动学习”。

3.情景化。营造安全的仿真培训环境，允许学员通过此环境进行同步学习、异步学习、协作和会议。

4.个性化。打破时空限制，允许学员随时、随地自定步调和有选择性地进行学习。

5.标准化。通过此培训，在院层面形成共享的标准化新员工培训模块，确保培训内容的一致性和培训质量的稳定性，促进航天一院的知识管理，将隐形知识显性化，并通过标准化测试，保证客观、公正的培训效果。

基于IBM的先进技术理念，3D虚拟长征学院项目采取模拟仿真和角色扮演相结合的游戏模式。为新员工搭建了模拟的真实场景、工作流程和生活环境。在虚拟环境下，基础设施、文化氛围等软硬件与现实高度一致，新员工可以身临其境地感受如何在航天一院开展工作和生活。

该项目共有8个标准化的课程模块供新员工学习：新员工培训项目简介、寻访历史足迹、发展战略与新体系建设、航天精神、我们的事业、组织架构、岗前必备、生活指南。新员工可以在3D虚拟世界中随意走动、自主学习，还可与和老师、同学、专家、同事一起进行实时和非实时的交谈，交流想法。

航天一院除了集中于北京地区外，还有部分单位位于天津、山西长治等地，所以，利用3D学习技术可以让学习者在任何地方、任何地点以真人形式进入系统，并利用3D替身在一个可以和实体学院完全一致的3D环境内和老师、同学、专家、同事一起进行实时和非实时的学习，满足了员工跨地域、跨时间学习的需求。3D学院将线上、线下、虚拟、真实、E-learning、面授、模拟、实践等方式融合成无缝式的学习体系，通过3D实时互动技术实现情景学习和网络游戏的嵌入，学员可以使用文字（Chat）或语音（VoIP）实时交流感兴趣的内容或话题，将学习者从单一、无聊的学习中解放出来，把被动学习转换成主动学习，激发了学员的学习兴趣，提高了培训效果。

该项目自2010年10月上线以来，共有近3000名新员工在系统中完成了培训和考核，并获得了结业证书。3D虚拟长征学院应用成为当前业界最先进的3D虚拟学习平台技术。它成功上线后，创造了国内首家3D虚拟学院的纪录。2011年，3D虚拟长征学院荣获中国企业学习信息化论坛“最佳游戏化学习应用奖（博奥奖）”。

3D虚拟现实技术 篇7

目前,我国展览业展览数量多、主办单位多、行业重复办展多[1]。会展本质上是参展商面向社会提供的一种信息传播媒介,而关于会展信息传播模式,以及如何利用信息技术最大限度发挥会展信息传播能力的研究不多。当前,网上会展在一定程度上冲击传统会展业务,与传统会展相比,它具有永不落幕、实时更新、成本低、效率高等特点。本文探讨利用Web3D虚拟现实技术[2]、多媒体信息检索技术和数据挖掘技术,实现会展业流程数字化,推动会展业信息化。

1需求分析

根据会展业务流程,数字会展 系统业务 流程需求 如下[3]:

(1)主办单位咨询联络。在此阶段,主办单位与参展单位进行联络,收集参展商及其参展商品相关信息,并建立参展商信息数据库和参展商品信息数据库。

(2)租用场馆,确定配套服务。确定租用场馆,收集场馆详细信息,建立展馆信息数据库,为虚拟场景建模作好准备。同时,掌握配套服务情况,以利于在虚拟场景中给予提示。

(3)确定方案。根据参展单位需求安排展位,建立展位信息数据库,供场景建模及后续使用。

(4)各单位进驻展馆,并进行展馆布置施工。使用摄录设备采集展位图像信息,根据收集的相关信息进行虚拟场景建模。

(5)根据虚拟漫游测试。根据搭建好的虚拟场景,进行虚拟漫游测试。

(6)展览。提供虚拟展馆场景,并向用户提供多媒体信息检索,实现最优路径的自动选择。

(7)展览结束。将虚拟展馆场景移植到网上,供参观者继续进行浏览和查询。

2系统功能设计

根据会展业务流程及功能,将数字会展系统分为3个模块:面向会展承办者的会展信息综合管理模块;面向参观者的客户导向服 务模块;面向承办 商和参展 商的基于WEB 3D的交流平台模块。

2.1会展信息综合管理模块

通过会展信息系统综合服务平台,管理展前、展中和展后的各类数据信息;协调会展承办者、参展商和参观者的需求;监控会展全流程;通过数据分析辅助会展承办方决策。信息综合管理模块具有以下功能:

(1)客户资料管理。对于承办方来说,有两类客户:会展参展商和参观者。参展商资料包括企业基本情况、企业代码、参展产品信息;参观者个人资料包括身份、职业、收入、参观意向等。对参展企业实行会员制,通过数据统计分析,为会展承办方后期经营提供客户信息参考。

(2)会展举办场 所管理。建立区域 内会展场 馆数据库,记录其面积、内部结构、年平均承办会展数、租金等,提供各场馆近期举办过的会展具体信息,以辅助承办方场地选择决策。

(3)会展流程管理。对会展中所要开展的各项活动进行规划。通常涉及两类活动:一类是主办方安排的活动; 另一类是参展商参展活动。依据展会主题对参展活动进行分类,合理规划展会日程。

(4)虚拟动态展演编排、预览。在网络虚拟产品建模以及Web3D显示技术的基础上,提供三维场景编辑功能, 运用虚拟现实的三维虚拟场景建模技术构建真实会展场所及具体的展区布置,实现会展布局和各专题展区特色设计,缩短会展布置时间,减少方案重复修改。

(5)会展资料汇总。会展后统计各项指标,如参展商数量、参观人次、各具体展区流量、总成交额、单项最高交易额、票务收入等,并对汇总信息进行分析,发现数据隐含信息。通过展区参观人次和商品成交情况研究参展商会展消费者的需求。对数据进行流转和保存,生成季度、年度报表。

(6)会展资料检索。可对历次会展LOGO设计、广告宣传及会展中的影像资料等进行检索,为后续会展设计提供参考。

2.2客户导向服务模块

通过触摸屏的形式,向参观者提供场地导览和信息服务,提高会展服务水平和信息化程度。面向客户的导向服务模块功能如下:

(1)查询功能。为参观者提供展览现场导航服务,包括提供展馆电子地图、参展商展台位置信息、参展商情况简介(包括经营范围、特色产品等)、展馆服务设施分布情况以及场馆适时人流情况等。

(2)虚拟场景。通过3D设计软件完成会展场馆的虚拟三维建模,包括各具体场馆的结构分布和参展区布局, 利用电子地图为参观者提供导览服务。

(3)适时信息反馈。提供客户满意度调查表,在会展中收集参观者反馈信息,包括对会展规模、布局、参展产品门类、参展商知名度、现场服务等的满意程度。根据顾客管理模块提供的客户资料,深入挖掘客户信息,结合数据挖掘技术实现智能决策。

2.3基于WEB3D的交流平台模块

整合各种网络技术和通讯技术,结合远程信息服务系统,为客户与商家提供相互交流沟通的信息服务平台。建立基于Web的信息交流平台,实现会场内外的信息互动, 加强会展与外界的信息交流,打破会展时空局限,扩展和延伸会展活动的广度与深度。主要实现以下功能:

(1)信息发布。网上发布会展承办方的基本资料(企业介绍、已承办会展情况)和本次会 展有关详 细信息(主题、规模、时间、招商信息)。

(2)信息检索。对会展资料数据进行检索,与客户共享部分数据资料。根据参展商需求检索产品成交情况,为参展商提供数据参考,提高会展效益。

(3)客户交流。建立承办方与参展商间基于Web的交流平台,在公共区发布近期举办会展情况,及时处理参展商的咨询和反馈。

(4)基于Web的虚拟场景漫游。运用基于Web的虚拟现实建模技术和flash技术实现网上会展,使实地会展和Web虚拟三维会展同时开展。

3技术路线

数字会展系统涉及技术有Web3D虚拟现实技术、网络技术、图像及视频检索技术、数据挖掘技术等,技术路线如图1所示[5]。

4结语

3D虚拟现实技术 篇8

非物质文化遗产是对国内民间珍贵文化的传承与探索, 对其进行保护和研究具有重要的经济和文化价值。2005 年, 《国务院关于加强文化遗产保护通知》明确规定非物质文化遗产是指各种各样以非物质形式存在的、与人们的生活密切相关、一代又一代传承下来的民间文化, 包括乡村民间表演艺术、各种村寨祭祀节日仪式、民间传统知识和实践以及传统少数民族手工艺制作技能等。

保护非物质文化遗产与保护传统文化遗产有所不同。由于非物质文化遗产的特殊属性, 客观上不便场馆收藏与展示, 所以国内专门展示非物质文化遗产的民间艺术博物馆非常少。在新的社会发展形势下, 我们需要探索行之有效的方法, 对非物质文化遗产进行保护和研究。

2 虚拟现实与3D打印技术

新兴数字的设计艺术形式——虚拟现实是一门综合性的学科, 它随着电脑硬、软件水平的提高而飞速发展。虚拟现实技术改变了曾经人们只能从现实生活中获得感知的方式, 通过电脑模拟沉浸式的感知, 从而制造出“真实”的虚幻世界。此概念定义了虚拟现实技术的主要特征为实时交互。它有助于实现完美的互动, 使顾客体验的场景显示在屏幕上。虚拟现实技术进一步利用了人体感官通道, 显然是可交互的。它让人们的生活方式产生了颠覆性的变革, 这使其在非物质文化遗产数字化中的运用具有了可能性。该技术是实现设计师天马行空创意的新平台, 艺术与技术的完美融合正是其最突出的特点, 因此, 其在非物质文化遗产数字化中的运用具有广阔的发展前景。

3D打印技术将会是改变传统制造产业的新型增材技术, 其具有原料成本较低、制造周期短等优势, 被称为推动第三次工业革命的标志性生产工具。其必然会引起工业制造领域的革命性变化, 进而引发更高层面的社会和经济变革, 因此受到了学术界、企业界和各国政府的高度重视。

2014-06-03, 习近平主席在2014 年国际工程科技大会上的主旨演讲中指出, 科技创新技术能够催生一个产业, 进而影响甚至改变世界。3D打印技术正是这样的创新技术。因此, 对于正处于经济发展转型关键时期新常态的中国来说, 应将发展该项高新产业技术作为国家发展战略, 使其早日成为促进国内经济增长的重要支柱产业。

2015-08-21, 国务院总理李克强主持国务院专题讲座, 讨论加快发展先进制造3D打印技术等问题。李克强等国务院领导同志在观看了3D打印技术的应用成果展示、听取了专家介绍后, 李克强作了重要讲话, 指出新一轮科技革命和产业变革正在世界范围内孕育兴起, 各国纷纷抢占未来产业的制高点, 发达国家加紧实施再工业化, 这对我国提质增效的产业转型具有重要的意义。

3 利用数字化技术保护非物质文化遗产

利用数字技术对相关的非物质文化遗产进行信息采集和处理, 可以更好地收集相关信息, 从而建立非物质文化遗产数字化博物馆。这样, 我们就能达到传统意义上文化遗产保护所不能达到要求, 因为利用数字技术能更安全、长期地保存这些珍贵的非物质文化遗产。具体来说, 就是使用虚拟现实和三维打印技术保护非物质文化遗产超越了围墙中的博物馆实体, 使用计算机、网络和通信技术收集、显示各种类型的民间艺术研究信息突破了时间和空间的限制, 能在更大范围内为社会服务。

3.1 理论依据

虚拟现实和三维打印技术为数字化保护非物质文化遗产提供了重要的技术支持, 而心理学知识、人体工程学知识为数字博物馆人机界面的建立提供了理论依据, 虚拟现实人机交互理论为构建数字博物馆提供了强大的理论支持。

3.2 技术依据

我国的博物馆早在20 年前就已经开始了对博物馆数字化建设的探索。虚拟现实技术、3D打印技术以及设计软、硬件技术的发展为三维虚拟场景的建立提供了技术支持。充分利用先进的技术、技术与艺术的结合, 使数字博物馆的建设向更广泛、更深层次的方向发展, 开辟保护非物质文化遗产的新思路。

3.3 非物质文化遗产数字化的应用探索

目前, 非物质文化遗产数字化在非物质文化遗产保护方面的应用一般只是局限于图片的展示说明。其他的保护方式还有相关新闻报道、数字博物馆——中国非物质文化遗产网络。近年来, 一些高校和国内机构开始研究数字博物馆、文物虚拟还原技术和三维扫描技术。综合现有的研究成果, 结合网络应用的新理论, 可以使用虚拟现实和三维打印技术构建更高效的数字博物馆, 以此保护已经受到现代商业文化冲击的非物质文化遗产。

3.4 目前面临的技术难点与解决思路

在非物质文化遗产保护的研究中, 主要技术难点包括信息化建设、信息显示和界面交互。解决思路:利用虚拟场景建模技术和三维建模软件创建一个虚拟展厅, 三维虚拟展示民间工艺品的修复和动画制作过程。虚拟场景交互显示使用虚拟现实技术和3D打印技术创建了一个“真实”的三维虚拟世界, 人们可以通过网络共享这些虚拟世界。这种技术允许观众通过虚拟博物馆了解非物质文化遗产。数字解决方案资源管理在虚拟博物馆、数字化博物馆中拥有大量的信息, 尝试构建拥有广泛非物质文化遗产资源的数字化博物馆是推动非物质文化遗产保护的重要途径。

4 创建数字化博物馆的构想

4.1 研究内容

尝试创建以互联网为基础的虚拟非物质文化遗产数字化平台。通过此平台, 人们可以查阅资料, 既可以服务于专业人士, 例如文化遗产研究文物保护部门的工作人员, 又可以探索民间艺术设计师的艺术与设计本质。建立非物质文化遗产数字化博物馆的重点是建立一个更完整的数字民间艺术博物馆, 包括使用数字多媒体技术对艺术设计的非物质文化遗产进行学术分类、信息存储, 建立一个信息符号库和材料数据库, 借鉴发达国家的非物质文化遗产数字化信息采集模式, 利用高科技展示非物质文化遗产。

4.2 基本模型

通过上面对软、硬件数字化构想的分析, 我们可以构建出一个基于数字民间艺术博物馆模型的数字网络。在这个数字博物馆系统中, 网络互动技术是基础, 最终系统接受的网络访问和接收的反馈信息等将会迅速、有效地反馈给用户。通过合理的人机设计, 达到真正虚拟场景、人机互动的效果。使用虚拟现实和三维打印技术构建交互式仿真场景, 能给人以身临其境的感觉。在整个系统中, 通过各种高新技术的应用, 可以使虚拟博物馆具有展览、收藏和研究的功能。

参考文献

[1]杜鹤民, 杨君顺.基于新媒介艺术民间工艺保护研究[J].电影文学, 2008 (4) .

[2]阚延龙.持重与守拙——虚拟现实的底蕴[J].南京艺术学院学报, 2003 (1) .

3D虚拟现实技术 篇9

关键词：教学策略,学习方法,教学媒体,评价方法

中小学机器人教育活动作为一项新兴的科技教育活动 , 不但能培养学生的动手实践、创新思维和团结协作能力 , 而且能够适应新课程改革的需要 , 对提高中小学生的信息技术素养和科技素养有着巨大的促进作用 , 是发展青少年综合素质的良好途径。同时 , 也可为未来机器人技术的广泛应用进行人才贮备 , 目前已经在国内外得到广泛的开展[1]。

许多学者倡导 , 除了开展机器人竞赛外 , 还应该在学校常规教学中以课程的形式开展机器人教学。但由于实体机器人价格昂贵 , 普通学校教育经费欠缺 , 而大部分学生家庭也负担不起昂贵的费用。因此 , 机器人教育的普及困难较大 , 随着IT技术和虚拟仿真技术的快速发展 , 虚拟机器人竞赛作为实体机器人的有效补充和功能延伸 , 在一些地区悄然兴起。仿真虚拟机器人竞赛是指利用仿真软件开展智能机器人竞赛活动[2]。学生通过电脑和网络,在仿真系统中开展智能机器人学习和研究,模拟实物机器人一切功能和动作 : 组装虚拟机器人、编辑虚拟环境 , 编写机器人驱动程序 , 控制机器人在特定环境中按指定规则完成任务等。与实体机器人竞赛相比 ,开展虚拟机器人活动价格低廉、使用方便 , 极易推广和使用 , 推出后受到不少学校的欢迎 , 而目前广州地区应用得最广泛 , 是“易时代”3D仿真虚拟机器人系统。

采用3D虚拟机器人软件开展教学 , 能够避免实体机器人硬件故障的问题 ; 能使学生更清楚地了解机器人是怎样在程序的控制下运行的 ; 能够突出程序设计在教学中的重要作用 , 从而培养学生的思维能力。通过图形化的编程界面能让学生直观地了解结构化的程序设计方法 , 从而提高学生学习程序设计的兴趣。在编写和调试程序的过程中 , 学生在探究、动手实践、创新思维和解决问题方面的能力都将得到锻炼。笔者自2009年开始至今一直指导学生参加广州市举行的3D虚拟机器人比赛 , 并在学校开设了相应的3D虚拟机器人课程。校本课是在整个班级授课 , 课外活动是初一、初二的部分学生参加 , 信息课是在初二年级开设3D虚拟机器人。笔者在教学实践中发现 ,3D虚拟机器人的教学 , 不仅程序结构的内容和以往的纯编程教学有很大不同 , 而且在教学策略的选取上也需有不同之处 , 需要教师探究实践。现以2014年广州市“智能校车”项目为例子 , 对开展3D虚拟机器人课堂教学的策略进行阐述。

一、任务驱动 , 分步实施

3D虚拟机器人与单纯的程序教学相比 , 任务具有更强的综合性 , 涉及的知识点比较多 , 需要充分考虑学生的认知规律、生活知识经验。因此 , 教师要注意分析教学目标 , 采取整体规划、分步骤及循序渐进的策略[3]。

“智能校车”是广州市电教馆组织设计的3D虚拟机器人竞赛项目。在“智能校车”项目中 , 校车的初步运动要求巡线直走、转弯 , 其过程是校车沿着导航线移动。在移动过程中 , 如果校车走偏 , 校车能够自动校正方向 , 遇到十字路口时能根据情况判断转弯。在“智能校车”项目中 , 程序不仅涉及循环结构和选择结构 , 还涉及传感器的使用和对应变量参数的设置 , 在教学中不可能一蹴而就 , 不能要求学生一次性完整地理解和完成程序编写。面对这类综合性任务 , 需要将整体任务分解成一个个分任务 , 在完成各个分任务的同时加深理解 ,最后进行综合程序的组合 , 完成整体学习目标。

在巡线转弯的教学中 , 任务设计按以下方式进行。任务一 : 移动控制。学生学会操作软件、组装模型后 ,可以马上学习控制校车移动 , 从中学习程序的编写方法、动作模块和变量的设置等知识 , 通过修改速度和时间的变量参数 , 从演示效果中理解程序和变量与控制校车的关系。任务二 : 转弯控制。该任务要求在校车移动一段距离后 , 转90度 , 前进一段路程后 , 重复转弯 , 直到回到原位。学生在这一过程中学习到转向模块、延时模块和循环结构的知识 , 通过修改转向角度、移动功率和延时的参数值 , 获得转弯的准确控制。任务三 : 简单巡线。该任务要求校车沿着导航线移动 , 在移动过程中如果走偏 , 能够自动校正方向 , 学生在这一过程中可以学习到分支结构、传感器的使用知识等。通过修改分支参数 , 校车行走情况 , 理解分支结构与校车运行的直接关系。任务四 : 巡线转弯。该任务要求校车在巡线过程中如果检测到十字路口则执行转弯程序 , 转90度的弯。从中学习多种任务在程序结构中的组合和分解 , 提高结构化思维能力。

二、教师为主导 , 学生为主体

程序教学经常产生一些问题供学生探究 , 但如果学生能自己提出问题更具有探究的现实意义 , 更能激发学生探究的热情和求知欲望。由于3D虚拟机器人软件引入了物理引擎的设计 , 转弯时的速度、角度、时间对轨迹的影响都与现实中的行车轨迹相同。在学生练习巡线转弯的过程中 , 转弯的轨迹出现了如图1所示的3种典型情况。

在轨迹1和轨迹3中,校车已偏离了导航线上巡线,甚至会撞向障碍物 , 而做出轨迹2的学生也不太明白。面对学生在课堂中产生的问题 , 如果教师不予理睬 , 则会影响学生不能完成任务 , 影响学生对程序的理解 , 导致学生学习积极性降低。因此 , 教师需要及时关注课堂上学生的表现 , 帮助学生解决问题。教师的主导作用在于引导学生发挥学生的学习主动性。

在上述案例中笔者收集了出现3种典型轨迹的学生设计的程序 , 提出了程序研究的方法和目标 , 然后交给学生自己研究 , 引发学生的学习热情 , 调动学生的学习主动性。经过学生的反复测试 , 最后得出结论 : 转弯时的角度和实际速度对轨迹有重大影响。校车的转弯角度固定时 , 校车的实际速度产生决定性影响。轨迹1是由于前一个路口减速时间太长 , 导致下一个路口实际速度不足 , 轨迹3是由于前一个路口时直行 , 导致下一个路口实际速度过快。解决办法 : 一是调整前一个路口的速度 , 二是对转弯后的程序多加一个转向程序。

三、形象直观 , 感性认识

对于初中学生来说 , 学生心理的特点正处于半幼稚、半成熟的状态 , 思维活动既有具体的形象成分 , 又有抽象的逻辑思维。思维仍属于经验型 , 所以初中自然科学教学往往要从学生的具体经验出发 , 当学生缺乏有关感性认识时 , 需要通过观察实验和其他教学手段 , 向学生提供具体感知 , 借助形象思维 , 使学生思维不断向高水平转化。初二信息技术课本中的第2章是“程序设计初步”, 以VB程序设计为载体 , 讲述程序设计的基本知识和程序的结构。采用传统的程序教学方法 , 分析程序的数据结构 , 分析程序的流程、结构 , 对初二的学生来说难度较大。因此 , 需要根据学生的特点 , 尝试其它的教学媒体来进行程序设计教学。

在信息课中引入3D虚拟机器人后 , 学生确实对3D虚拟机器人充满好奇心 , 对学习这门课程也抱有很高的热情。但是 , 如果在教学中不考虑学生的学习情绪 , 只考虑知识任务 , 对学生的学习兴趣将是一个大的打击。笔者在教3D虚拟机器人避障时 , 在地图导航线中间添加了一个障碍物 , 然后运行学生编写的巡线程序 , 当校车运行到障碍物时 , 直接撞过去 , 当屏幕显示“撞了 ,扣20000分 !”时 , 引发了学生的遗憾情绪。这时 , 提出问题 : 校车遇到障碍物时该怎样处理 ? 学生对视觉带来的震撼充满热情 , 都想尝试编写自己的程序。此时 ,教师布置课堂练习任务 , 通过学习网站上的微课视频 ,学生很快就学会了超声波传感器的使用方法 , 解决了避障的问题。在小结时 , 除了掌握避障方法 , 学生还提出避障的思路 : 提前减速 , 绕开障碍物 ,回正方向。

四、过程评价 , 体验成功

在3D虚拟机器人教学中 , 大部分任务都具有很强的目标导向性。学生完成任务的情况 , 运行结果直观 ,且最终给出一个总的任务分数。学生之间存在差异 , 不是所有学生都能在规定时间内完成任务的 , 而终结性评价容易打击学困生的学习积极性 , 也影响了任务情景所激发出来的学习热情。因此 , 在3D虚拟机器人的教学中 , 学习评价要在完成任务的过程中及时进行。对于学困生来说 , 当发现他们的闪光点时 , 要及时地进行表扬。同时 , 将学生的作品发布到网站上展示 , 让学生体验成功的乐趣。现代教育技术的发展 , 能帮助学生的学习更快捷。笔者建立了一个3D虚拟机器人社区学习网站(http://etr.lnms.net.cn)。课前准备 , 教师将上课的内容、微课视频发布到网站上 , 学生的分任务也发布到网站上 ; 上课时 , 学生通过学习网站 , 观看微课视频进行学习 ; 课后 , 学生通过网站学习、与其他同学交流学习经验、分享作品、分享学习经验等等。

五、结束语

3D虚拟现实技术 篇10

“3D是英文‘Three Dimensions’的简称, 中文是指三维、三个维度、三个坐标, 即长、宽、高。今天的3D, 主要特指基于电脑和互联网的数字化立体技术, 也就是三维数字化。”[1]近些年来随着电子技术的快速发展, 经过了几十年不断研发的3D技术在人性化、易操作性、实用性、经济性、成熟度等许多方面都取得了非常大的突破, 达到了一个新的高度。“以3D取代2D、‘立体’取代‘平面’、‘虚拟’模拟‘现实’的3D浪朝正在各个领域迅猛掀起。”[2]

提到3D虚拟成形技术, 许多人都会想到在游戏、电影、媒体广告等领域里常见到的那些三维立体影像。的确, 目前由于3D虚拟成形技术优秀的精确性、真实性和无限的可操作性, 在医学、教育、军事、计算机等领域里使用率较高。我国公安系统内部分有条件的单位已经将这项技术应用于警务技能教学训练, 但在刑事侦查中能够应用的还很少, 几乎是空白。3D头像虚拟成形技术虽是3D虚拟技术一个很小的组成部分, 但在刑事侦查中的实用性却很强、需求旺盛, 未来市场潜力巨大。

一、刑事侦查中对3D头像虚拟成形技术的潜在需求

“模拟画像在我国古代办案中已广为采用, 是用于捉拿、通缉罪犯的一种手段, 因为行之有效而延续到今天。”[3]画像刑警通过目击人、事主的口述, 运用自己的想象力画出案犯的肖像, 为破案提供便利条件, 有过不少成功的例子。但人工画像精准程度较低, 受画像者个人专业素质的影响较大, 且存在目标对象想象宽泛、修改繁琐、操作时间长、发出通告速度较慢等缺陷。

近几年来, 计算机技术已经在世界各国公安工作中得到普遍应用, 利用图像处理技术来复现犯罪嫌疑人相貌, 已成为竞相采用的一种高科技手段。我国相关部门也紧随时代潮流, 加大了对该项目的科研攻关, 通过自行研发已经在有条件的警务单位或部门建立起了“名捕人像模拟组合系统”、“刑侦人像组合系统”、“清华同方人像组合系统”、“天网智能刑事模拟画像系统”等类型多样的计算机人像组合系统。计算机人像组合系统具有使用简便且速度快的特点, 在一定程度上克服了传统人工手绘模拟画像的不足之处, 在一定条件下满足了刑事侦查的工作需要, 促进了办案效率。

但是, “随着我国经济体制改革的不断深入, 经济迅速发展, 社会各种矛盾撞击加强, 各种犯罪比过去更加猖撅, 重大刑事案件时有发生。犯罪分子手段复杂多样, 更加隐蔽狡猾。在很多重大犯罪活动中, 犯罪分子有预谋、有目标、有计划地进行犯罪活动, 但现场很少留下有价值的痕迹物证, 从而缺乏侦查线索。”[4]一旦逃脱, 追踪难度加大, 需要动员社会力量追捕来减小犯罪危害。欲善其事, 需先利其器。如果在刑事侦查中采用现代3D头像虚拟成形技术, 让罪犯形象高效、逼真、全方位地显现出来, 使其无处隐身, 就可做到科学化、精确化地打击刑事犯罪活动。尤其可以对罪犯产生心理震慑, 把犯罪意识扼杀在萌芽阶段, 降低犯罪率。

二、3D头像虚拟成形技术在刑事侦查中应用的优势

“科技强警是实现公安工作现代化的必由之路, 也是公安机关面对新形势、新任务的必然选择, 是推动公安工作可持续发展、跳跃式发展的重要途径。”[5]现代科学技术发展的日新月异、变化万千, 同样刑事侦查工作也需要充分利用先进科学技术的成果, 提高工作效率实现跨越式进步。显而易见, 未来3 D虚拟头像技术在刑事侦查中的应用是一个革命性的进步, 将以其显著的性能优势, 在实践中逐渐显露出它特有的威力。

(一) 条件成熟, 操作性强

现有的计算机人像组合系统以计算机为载体, “是把真人的照片摄取后按照脸型、眼睛、鼻子、嘴巴、眉毛等分成不同的类型, 存放在人脸图像素材库中。”[6]在案件需要时由该系统操作者根据事件目击者的所见所述, 运用像A d o b e公司出品的Photoshop、美国Aldus公司出品的Photo Styler2.0SE和Ulead公司出品的Image Pals2.0等这样图片处理软件来对人的脸型和五官图像进行调配, 逐步复现出案犯面目, 最终实现以像找人。这种组合系统需要建立数量庞大的人脸图像素材库, 虽然通常都是正面脸型的人像, 整个图像最终还是二维平面化的效果, 观测角度单一、可识别性有局限, 但这种逐渐成熟的研究平台以及相似的工作原理, 为3D头像虚拟成形技术能够进一步应用到刑事侦查工作中提供了可行的基础条件。

2009年电影《阿凡达》的上映让3D风席卷全球, 各种3D虚拟成像产品应运而生, 2010年更是被称作“3D复兴元年”。3D虚拟技术经过几代人多年的精心积淀而厚积薄发, 进入到了一个全新的发展阶段。头像虚拟成形实际就是3D虚拟技术的一个很小组成部分, 主要借助特定的计算机三维制作软件和显像设备来实现超凡的视觉效果。从3D电影的卖座我们已经看到, 这种技术已经超乎人们想象地实现了虚拟角色高质量、高品质的立体成像效果。

(二) 快速实现, 易于修改

“三维头像设计是计算机图形学中最富有挑战性的课题之一。”[7]以3D电影、游戏动画为代表的一些三维成像软件的开发从对象真实的物理属性出发, 能够让计算机模型建立、贴图处理、灯光设置、角度表现等操作变得简单又高效, 通过参数化的调整把角色形象特征全面、真实地模拟出来。现应用于三维动画的3D头像虚拟成形技术与传统的计算机人像组合系统相比较, 操作更灵活快捷、修改功能更方便齐全、实现效果更逼真。它具有像M A Y A、3 d s M A X等这些软件, 拥有强大的人像软组织模拟以及局部渐变调整功能, 能以立体形态的思维把脸型结构、五官组合、肌肉变形有机地结合起来, 并可以进行空间表面的放大、缩小、旋转等, 组合成形态各异的人像。

以Singular Inversions公司开发的Face Gen软件为例, 这是一个完全参数化控制人头形态的制作工具, 其基本特征是人像面部模型和贴图可以同时调节控制, 无需渲染就足以产生照片级的仿真人像效果。更具人性化的设计特点是, 在没有具体的2D图片作为参考的时候, 可以先建立一个中性人脸模型, 在此基础上根据目击者的描述定义若干反映对象面部的特征, 并依据一定原则进行交互式修改, 从而获得特定的人脸形象。

(三) 形象逼真, 感知度强

2000年北京市文物研究所对石景山区老山地区的一座西汉墓进行了考古发掘, 墓主人是西汉中期燕国的某一代王后 (妃) 。2002年10月, 吉林大学边疆考古研究中心和北京市文物研究所联合组成课题组, 应用三维技术复原了墓主人的面部特征, 其生前容貌被立体地展现出来, 栩栩如生。专家一致认为3D头像虚拟成形技术“具有科学性更强、复原效果直观生动、复原工作周期短、复原过程完全数字化的特点。”[8]现在人们可以通过计算机、手机、网络、投影系统等将3D虚拟形态储存、传输、显示, 更方便人们直观地从中获取人像特征的某种信息。同时用户还可以通过人机交互技术操纵虚拟空间中的3D头像形态, 为人们提供一种更舒适更自然的操作方式, 将人们在现实中的感觉和虚拟环境完美地结合起来, 从中获取全方位、多层面、多维度的立体感知, 让操作者有种身临其境的感觉, 更加方便刑事侦查的需求。

我们知道, 表情动画是3D电影、游戏动画中一项核心的虚拟技术。当人脸产生表情时, 角色模型能准确地模拟出面部的喜、怒、哀、乐, 真实感更强, 更具情感色彩。目击者往往在案发现场记住的是犯罪心理扭曲状态下的夸张表情, 3D头像虚拟成形技术的表情动态有利于对作案现场罪犯面部表情的再现, 帮助目击者来识别凶手。

三、针对行业特征的专业需求开发

从以上分析我们看到, 3D头像虚拟成形技术的优势和潜力已经不容小觑。要想使其更加方便地服务于刑事侦查、服务于社会, 就需要着眼大局提高认识, 根据刑事侦查工作需求补充新技术, 研究开发更具专业特征的3D头像虚拟成形系统, 降低成本做到全面推广使用。

(一) 提高认识, 加大研发力度

3D头像虚拟成形技术作为信息化条件下新的基本“语言”、“工具”和“平台”, 只有融合到推进3D科技知识转化的思路中, 融合到持续推动技术自主、产品自主的进程中, 融合到研发新一代创新型产品的实践中, 才能得到长足发展。3D头像虚拟成形技术的研发和应用不仅是国家技术能力的提高, 更是创新能力与科技软实力建设上台阶的重要基础, 也是新时期创造和谐社会环境, 保护人民安宁生活, 为社会的和平与高速发展保驾护航的必要条件。

从发展的层面来说, 因为3D头像虚拟成形技术目前针对警务系统刑事侦查的研究投入不足, 一定程度上影响了技术的向前延续性。希望政府相关部门着眼长远, 从全盘出发大力帮助推进相关研发企业和学院、研究院所对接合作, 实现资源、人才、信息多方面共享, 创造出真正能够推广使用的优质产品。另外, 企业也只有充分认识到虚拟成形技术的无限潜力, 实事求是做好市场调查, 掌握好第一手信息资料, 才能把握住新产品升级换代和企业转型上的挑战和机遇, 实现企业自身的品牌价值。

(二) 补充新技术, 强调实用性

任何新生事物都有其诞生、成长、壮大、衰落的生命周期, 尤其在科技高速发展的今天, “竞争”使数字化产品更新换代的周期在不断地缩短。研发企业要想跟上时代的脚步, 就要学会迎合用户不断变化的需求, 用新材料、新技术、新设计塑造产品形象、提升产品实用价值。3D头像虚拟成形技术要想能够实实在在地应用在公安警务系统为刑事侦查做出突出贡献, 首先这个系统的建立必须是量身打造、定向开发, 才能经受住新时期实践的考验。

比如, 北京奥运会举办开幕式或闭幕式时, 10万观众在100多个观众通道经过人脸识别系统的快速身份验证, 做到有序入场。这套系统是中国拥有完全自主知识产权的安检识别系统, 它已成功地在奥运会开幕式上经受了最严格的检验, 开创了生物识别技术奥运会应用的先河。人脸识别技术现阶段“拥有非接触、直观、杜绝仿冒等天生应用优势;已融入人像搜索、跟踪、定位、捕捉技术, 可以实现人脸抓拍率98%以上, 角度能达到35度的偏移不会影响抓拍效果;且识别算法大幅提升在恶劣识别环境下 (如光线、人脸动作随意性等) 的识别率。”[9]被称为21世纪最有前途的身份验证方法。未来人脸识别技术如果进入我国公民身份证改革, 再加上城郊摄像头系统的完善, 3D头像虚拟成形技术无疑是最直接的识别方法, 而且更友好、方便、快捷, 是刑事侦查中真正的高科技“火眼金睛”, 能有效制止不法分子的犯罪行为。

(三) 降低成本, 推进普及化

任何一项产品, 高成本是其销售不力的一个重要原因。然而在市场竞争中, 技术创新却是企业降低成本、增加效益的强有力的支撑点, 而且还可以提高产品的科技含量和品质。3D头像虚拟成形技术能够继续快速发展, 就要多一些优秀的创新型企业, 把技术创新作为提升产品性能的关键杠杆, 不遗余力地营造激发创意的机制和氛围。“多花精力、多用心思, 确保充分满足各项性能要求, 又要力争用料方式合理可行、低耗节能、工艺的规范适宜。”[10]通过技术的国产化进一步降低成本, 才能为地方警务系统提供优质、低价的3D头像虚拟成形设备, 满足国内市场的需求。

另外, 通过逐步统一市场上组件产品的规格、性能、工艺等标准, 比如, 数据线、插口、芯片等, 进行标准化、系列化生产。这样就会使3D头像虚拟成形设备的生产配套清晰明了, 安装、维护、检修也更加方便。单个组件的生产制造费用大大下降, 从而有效地降低了整体产品的成本, 进而提升产品性能和市场竞争活力。

四、结语

3D头像虚拟成形技术在我国公安机关警务实战领域的引入与应用, 目前还是一个全新课题。在研发中, 实现合理技术选择, 启动社会公民人像身份识别与公安实力、财力、人力方面的结合尚需做进一步的深入研究与尝试。“但其作为一项新技术应用, 技术潜力巨大, 应用前景广阔, 并随着公安信息化应用水平的不断提高, 必将得到更广泛的发展和应用推广。”[11]本文探究这一技术应用的可行性意在引发业界对该课题的关注, 对以3D虚拟头像技术为代表的现代计算机虚拟技术成果转化研究重视起来, 努力推动新技术的产业化, 使之成为促进社会持续向前发展的有效推动力。

注释

1[1]蔡恩泽.3D打印颠覆传统制造业[J].中国中小企业, 2012 (11)

2[2]姜超, 周开伦, 林涛.数字电视3D技术及3D视频传输格式[J].大众科技, 2012 (09)

3[3]张伟.浅谈计算机人像组合系统的运用[J].刑事技术, 2003 (S1)

4[4]朱爱兵, 杨任伟.谈计算机人像组合[J].警察技术, 1994 (04)

5[5]赵映雪.浅谈科技强警的发展轨迹[J].吉林公安高等专科学校学报, 2011 (01)

6[6]杜红平.浅谈计算机人像组合系统在实践中的应用[J].刑事技术, 2004 (05)

7[7]施磊.真实感三维头像的设计[D].河海大学硕士学位论文, 2007

8[8]林雪川, 赵福生, 潘其风, 魏东, 张全超, 方启.北京市石景山区老山汉墓出土颅骨的计算机虚拟三维人像复原[J].文物, 2004 (08)

9[9]广东德生科技有限公司.身份证人脸识别系统[EB/OL].德生身份证阅读器应用服务中心, [2012-10-17].[2013-09-8].http://www.tecsun-3g.com/renzhengshibie/933.html

10[10]傅宗朝.浅谈技术创新是降低产品成本的重要途径[J].机电技术, 2006 (01)

3D打印梦想照亮现实 篇11

衣服、鞋子、瓷器、桌子、汽车、飞机，只要你看到的，甚至只要你想到的，都能通过它变成现实。它不是童话故事里的阿拉丁神灯，也不是机器猫的百宝袋，而是一台3D打印机。

它的工作原理是这样的：先在电脑里建立所需物体的模型，然后把模型分成很多层的结构，用一个机器取一些原材料——现在来说一般是金属和塑料——机器把材料融化，再和喷墨打印机一样，将融化的材料用喷嘴喷出，打印出结构的第一层。然后是第二层、第三层……每一层逐渐叠加，当所有层都打完时，你需要的物体就出现了。

与传统的制造物体的方式相比，没有冗长而又昂贵的模具制造过程，也不需要规模化的生产场地，甚至在家里就能够轻松完成。

这些更像是出现在科幻片中的场景，虽然还不是现实，但是正在逐渐进入我们的视野，这样一种新的制造物体的方式，有可能会改变我们的生活。

仍未“长大”

当3D打印机能够打印飞机、汽车、鞋子和衣服的新闻开始频频出现在网络、报纸、电视等媒体上时，这个看起来高深莫测的技术也被越来越多的人所了解和熟知。

严格来讲，3D打印不算是新兴行业，最初的技术可以追溯到上世纪80年代，它发端于美国军方的快速成形技术，与传统成形方法截然不同，它通过电脑创建的三维设计图将材料分层“打印”叠加，最终整体成形，因而也被称为“增材制造”技术。

在国内，3D打印技术多少都与清华大学存在渊源。早年清华机械系颜永年教授在日本开会时了解到快速成型技术，回国后便四处搜集资料，组织研讨会。之后清华大学、华中科技大学（时称华中理工）、西安交大等高校便开始这方面的研究，并催生相关企业。

这就如同投下了一颗颗种子，许多年之后快速成型技术能在中国生根发芽也得益于此，从而也就决定了中国3D打印企业的基因——高校背景。

1992年清华大学研制出了国内第一台快速成型设备，并在1993年成立产学研项目——北京殷华激光快速成型与模具技术有限公司（下称殷华）。同年成立的北京隆源自动成型系统有限公司（下称隆源）则是独立于高校体系外不多的行业先驱。

事实上，在中国3D打印产业版图中，殷华代表最主要的一类企业：由从事3D打印相关技术研究的高校老师主导成立，研发费用主要来自国家科研项目，市场选择等。

进入21世纪，国家将快速成型制造列入高职教育的培养方案，拉开了教育界对这类设备的采购热潮，殷华等企业获得了成长空间。

虽然已经过20多年的发展，但3D打印似乎仍没“长大”。据媒体报道，截至目前，隆源已实现的销售收入不过1900万元，其中机器销售不足1100万元。

从全球市场范围看，据美国消费者电子协会发布的报告称，2011年全球3D打印市场规模为17亿美元，而2012年英国螺丝机械市场规模就超过10.57亿美元。

另有数据显示，目前已在纳斯达克上市的两大3D打印机制造巨头Stratasys和3D Systems2011年营收分别仅为1.7亿美元和2.9亿美元。而同年苹果CEO蒂姆库克的薪资福利就高达3.8亿美元。

国际巨头尚且如此，国内的中小企业可见一斑。

3D打印在武汉

1986年，美国3D Systems公司成功研发了世界上第一台3D打印机。

1991年，湖北武汉，由著名机械制造专家黄树槐牵头成立了华中理工大学（现为华中科技大学）快速制造中心（下称中心），研发基于纸材料的“立体打印机”。

1994年，我国首台具有自主知识产权的“立体打印机”诞生于该中心。次年，该中心成立武汉滨湖机电技术产业有限公司（下称武汉滨湖），转化3D打印技术。

4年后，史玉升来到中心工作，负责研发基于固态粉末材料的快速制造技术与装备。原材料研发成为了他工作中的第一个难题。

几经周折，最后是通过朋友的介绍，他了解到一种名为聚苯乙烯的材料，用聚苯乙烯做测试的结果显示，这种材料正好符合要求。

“要知道，3D打印是一个多学科交叉的技术。”史玉升回忆：“虽然研究上取得了进展，但中心学科背景单一成为研究的最大掣肘。”为破解该难题，在学校的支持下，中心开始引进机械、信息、光学、计算机、自动控制、力学、新型材料等领域的人才，并开展交叉学科研究。

目前，快速制造中心已从最初的不到10人发展到100多人，成为华中科技大学最大的研发团队之一，史玉升就是中心现在的负责人。

在过去的22年里，中心先后研制出多款3D打印机。2000年，该中心研发出0.4米×0.4米工作面的基于粉末床的快速制造装备；2003年，扩大到0.5米×0.5米，超过了当时代表国际先进水平的美国3D Systems公司；2005年以后，工作面达到1米×1米以上；2011年，工作面达到1.2米×1.2米，被誉为全球最大3D打印机。

从2000年至今，武汉滨湖共卖出200多台3D打印设备，单价在100万左右，提供了上万次“打印”服务，每年销售额增长约为15%。

将研发的成果迅速商业化，进而实行产业化生产，让3D Systems公司得到快速发展，一跃成为业界巨头，现已先后在美国的纳斯达克和纽约证券交易所上市。与国内情况不一样，他们的研究经费都由股东来出。

而在国内，大学实验室似乎只负责研发，他们的研究费用很大部分来自于国家的拨款，对于研发的成果能否产业化，没有太多人关心。这也成为制约我国3D打印行业发展的一大障碍。

“研发新型工艺与装备需要较大的经费支持，周期也长。光靠国家的经费支持是远远不够的。”对此，史玉升深有感触。

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几年前他在山东济南宣传“立体打印机”技术时，被认为是在忽悠。尽管他卖力“吆喝”，声称“不需要模具即能直接制作出蜡模”，可别人就是不买账。

正是这件事让史玉升下定决心，“要走自己的创业之路，走与企业合作之路，走国际合作之路”。史玉升的另外一个身份就是武汉滨湖的董事长。

这“三条路”都是为了尽快提高学术水平、搞好学科建设、将科研成果转化为生产力。在他看来，企业技术水平的提高，也可以促进研发团队的良性发展。生产一代、研发一代、预研一代、探索一代，是他们要坚持的产学研合作之路。

事实上，华中科技大学快速成型机制造中心相对于其他研发中心算是走在前列，其所属的武汉滨湖机电，早期就曾吸纳过创投资金。

“现在想来投资的人太多了，我们不缺钱，缺乏管理体制。”史玉升介绍，2012年，武汉滨湖启动了股改，并开始了经理层的职业化。

虽然已经很“前卫”了，但是在史玉升看来，产业化的步子还可以迈得更大。作为一家校办企业，武汉滨湖有科研场所，缺生产空间。“天天在外面‘打游击’，今天被涨租子的赶出来，明天去借一下别人的场地，非常艰难”。

产能不够在一定程度上限制了新技术推广。加工服务没有主动去做，连生产的3D打印材料也只能满足自用。史玉升笑谈，很多客户都是“守”来的“兔子”。于是他开始琢磨，“该找个稳定的生产基地了”。

近日有消息传出，中国首个3D打印工业园将落户武汉东湖高新区。该项目由华中科技大学主导，规划首期用地500亩。

据史玉升透露，“我们正在光谷选址，准备建一个大型快速制造中心，集打印设备制造、产品加工服务和材料制造于一体，以适应市场需求”。

与此同时，武汉市发改委等部门正针对3D打印产业，进行摸底调查，拟着手编制规划并予以扶持培育。

不止“基因”局限

作为早期投资者，深创投最近从武汉滨湖实现了股权退出。之所以退出，深创投的一位负责人表示，对市场前景和教授们的经营能力均不太认可。作为华中科技大学的前校办企业，武汉滨湖在管理体制上存在种种约束。

这种高校背景的“基因”，在3D打印产业发展的初期有至关重要的影响。国家提供的技术经费在一定程度上能够保证研发的持续，但是发展到一定阶段后，“基因”就开始制约企业发展，使其不能充分适应市场规律。

“因为国内的商业环境，产品价格被拉下来了。”隆源总经理冯涛在接受媒体采访时抱怨。在冯涛看来，没有高校背景的隆源不赚钱的原因比较复杂，这是其主要原因。他表示，隆源在一些公开招标中，经常遇到高校背景的同行，而“他们（报价）总是比我们便宜”。

个中原因不难理解，高校企业很容易获得从中央到地方的各项政策支持，如科研资金、土地使用等，这些是市场化程度较高的隆源无法获得的。

校办化特色鲜明，给中国3D产业发展带来的影响还不仅于此。另有业内人士评价中美3D打印产业表现出来的差异：“在美国搞3D，一个项目出来，一定要有经济效益，所以在选题各方面非常谨慎。国内依托于高校形成的公司有一个缺点，很多东西都尝试过，但是没有最后形成一个真正能够商业化、产生效益的结果，最后可能就是做了一台样机，发表一篇文章，得了一个什么奖，然后就停在那里，没有往下走的东西了。”

除了“基因”的原因外，3D打印的材料供给也是阻碍产业发展的一个瓶颈。目前3D打印耗材有限，多为石膏、塑料、可粘结的粉末颗粒、树脂等。由于制造精度、复杂性、强度等难以达到较高要求，国内有能力生产3D打印材料的企业并不多，它们主要依赖进口。

此外，使用3D打印机制造商品，其成本要远高于大型企业规模化生产后均摊到每一件商品的成本。而批量生产也比3D打印产品制造速度要快得多。据报道，一个飞机小零件的“3D打印”品，价格高达2万元。

还有制造速度。华中科技大蔡道生教授介绍，如果新研发一个新产品，单件小批量生产，用3D打印肯定比传统开模具生产要快，但如果批量生产，3D打印速度要慢得多。“这和普通打印一样，打印几张纸用打印机很快，但如果印书，到印刷厂做成模板再印，快得多。”

最后是性能。业内人士坦言，由于“3D打印”采用层层叠加工艺，层和层之间的粘结再紧密，也无法和传统模具整体浇铸的零件相媲美；同时，每一层的厚度再薄，也是一层一个坎，外表面仍需打磨才能满足精度要求。

这样的现状表明，3D打印距大规模商用，仍有漫漫路途。

前途可观

过程漫长，但应用前景却很可观。

从美国消费者电子协会发布的年度报告来看，当今3D打印的市场中消费品和电子领域约占20.3%，机动车领域占19.5%，医疗和牙科领域占15.1%。他们预计随着汽车、航空航天、医疗保健等市场需求的持续增长，市场规模到2017年可达50亿美元。

其中在医学上的应用最引人注目，因为这方面的材料最难做，费用最高。在实验室测试中，新的骨骼替代打印材料已经被证明可以支持人体骨骼细胞在其中生长，并且其有效性也已经在老鼠和兔子身上得到了验证。未来数年内，打印出的质量更好的骨骼替代品将帮助外科大夫用于临床使用。

3D打印机可以做的事远不只这些。在高级航空业和汽车制造业，3D打印已经变得越来越流行；通过3D打印机，可以用激光烧结直接制造复杂的塑料、金属和合金元件，而不再需要工序麻烦地制作很多不同的元件去组装它。

正因3D打印的广泛应用和前景，政府也开始关注这个产业，并积极参与其中。

2012年12月16日，在武汉举行的2012年增材制造技术国际论坛暨第六届全国增材制造技术（即“3D打印”）学术会议上，工信部副部长苏波表示，近期要加强顶层设计和统筹规划。组织研究制定增材制造技术路线图、增材制造业中长期发展战略，推动完善增材制造技术规范与标准制订，促进产业健康可持续发展。

政策的推动让业界很亢奋，其市场规模预期也在不断刷新，在A股市场3D打印概念股重现井喷行情，纷纷强势涨停。同时，海外市场热度不减。据安信证券近期公布的研报显示，2012年以来，全球两家3D打印机制造巨头，Stratasys股价翻番，3D Systems股价增加了近2倍。

已经有越来越多的人预言，3D打印技术将会是掀起第三次工业革命最重要的技术之一。日益受到热捧的3D打印机或许仍将享受一段时间的风光，但究竟其能否及何时真正改变世界，仍是未知数。

3D虚拟现实技术 篇12

1 Cult3D功能简介

Cult3D是一种全新的Web3D技术,一个跨平台的3D引擎,虚拟现实技术在互联网上的一种应用,运用该技术制作的具有交互功能的3D课件。[4]利用C u l t 3 D技术可以使网页设计者制作出3 D立体的产品,同时可以用视觉的方式显示不同事件和功能的交互性,并且放置在网页中用鼠标控制3D产品的旋转、移动以及放大、缩小。由于Cult3D本身并没有自己的建模工具,所以常常要借助于其他软件完成建模工作,因此就需要Cult3DExporter插件,利用它可以将3DS Max或者Maya等三维软件中的文件导入Cult3D。[5]Cult3D中还有Cult3DDesigner插件和Cult3D player插件,其中Cult3DDesigner为Cult3D主要的设计平台,通过这一平台可建立具有交互性能的对象;Cult3Dplayer主要用于Cult3D文件的网络发布,使浏览器可以播放Cult3D对象并展示其交互功能。

2 汽车变速器振动与噪声测试的网络虚拟技术实现

2.1 虚拟化工作流程

Cult3D基于面对对象的思想进行开发。三维物体作为一个对象,模型下每个节点都可以作为一个对象,每个对象具有一定的属性(如颜色、纹理等)。对象可进行一定的动作(如运动、旋转、放大缩小、粒子特效、动画播放、声音播放、粒子系统、复位等)。事件发生在对象身上,可触发对象的某个属性或动作的改变。

一个完整的Cult3D例程可以通过以下步骤实现,流程如图1所示。[6]

2.2 汽车变速器三维模型的构建

采用专业三维建模软件(如3DS Max,Pro E,Solid Works等)制作物体的三维模型,然后利用插件Cult 3D Exporter for 3D MAX导出文件,输出Cult3DDesigner的.c3d格式文件。若采用其他建模软件(如Solid Works,Pro /E等)可在软件中另存为.stl格式文件,然后在3DS Max中导入,再导出.c3d文件,或者采用Poly Trans模型转换软件将文件格式变换为3DMax可读出的格式,作为中转,转化为.c3d格式。本次汽车变速器建模,首先采用Solid Works软件进行三维模型的构建,然后将其保存为.stl格式文件,导入3DS Max进行渲染或剖切等操作,最后将其输出为.c3d格式文件,此文件格式可直接载入到Cult3D软件中进行虚拟。汽车变速器三维模型构建的流程如图2所示。

2.3 三维模型交互设置

启动Cult3D Designer,点击“fi le”按钮,选择添加Cult3D Designer文件,将之前保存好的.c3d格式文件导入,为三维模型加入互动效果、事件和声音等。Cult3D Designer已经将很多基本的命令模块化。即使不懂编程语言也可以很方便地制作出不错的效果。Cult3D中为了提高用户的交互体验,使用了面对对象的开发方法。可以按照用户动作、事件、浏览对象三方面去设计浏览过程中的交互环节,触发对象完成某种动作。动作的完成主要有以下两种实现途径。

2.3.1 开发平台中自带动作

对象运动有绕xyz轴旋转、平移、缩放、复位、动画播放、动画停止等动作。交互运动有鼠标球运动、鼠标扩展、鼠标和键盘导航。可选择不同摄像机进行视角跳转。可进行图形窗口的渲染设置,例如更改背景、隐藏对象、显示对象、双线性过滤等。可使用粒子系统进行特效模拟。用于触发的事件包括世界启动、世界停止、鼠标左键点击、鼠标右键点击、键盘按键按下、键盘按键弹起等。也可自定义事件。

本次实例的大多数动作都是通过此途径实现的,所以在这里主要介绍一下此途径的一些核心操作和注意点。

(1)对于载入的.c3d文件,首先建立一个虚拟物,将其作为一个整体,与事件启动、控制球组成一个最简单同时也是最有效的事件控制,通过此设置,可以实现对整体结构的旋转、移动以及放大、缩小,便于设计者对整体场景有比较好的把握,同时有利于形成对后续事件的设计思路。就交互性而言,这一步操作至关重要,同时也是后续事件设计的基础。

(2)在进行交互功能的设计之前,设计者需要做一个大概的流程规划,流程规划在一定程度上直接影响交互体验的感受,而且好的流程规划更节省内存。

(3)在交互功能的设计过程中,事件窗口和演示窗口要同时进行,以便及时发现问题进行改正,否则到最后发现问题时,又要从头开始找,降低了设计效率。对于设计的交互控制,最好能做到易读性,这样不仅便于自己的修改,而且也便于其他人的阅读和改正。此实例的交互设计过程如图3所示。

2.3.2 利用Java自编程动作

由于Cult3D是使用Java语言开发,所以借助J a v a使用C u l t 3 D可以获得更强大的交互功能。为Cult3D编Java类,必须使用Cult3D专用类包C u l t 3 D D e v e l o p . j a r ,这个文件一般放在C u l t 3 DDesigner的安装目录下。

编写好Java类并用编译工具生成*.class文件后,就可在Cult3D Designer中通过拖拉操作使用Java类的功能了。具体在Cult3D Designer中,点击View JavaAction打开对话框,添加要用的Java类。

2.4 导出.c3p和.co格式文件

交互设计完成后,将其保存为Cult3DProject文件,文件格式是.c3p,便于以后的修改,然后利用file菜单下的Save Internet f ile,把3D模型导出为.co格式文件。

在Cult3D Designer演示窗口的汽车变速器虚拟物体如图4所示(将此虚拟物在Cult3D中保存得到.c3p格式文件,可在Cult3D中进行反复修改)。

2.5 发布.co格式文件

发布.co格式的文件,插入到Html文件中在网上发布。

3 结束语

基于Cult3D技术的网络虚拟测试技术,将Cult3D技术有机地融入多媒体教学资源和教学情境的设计、开发之中,可以为学生创建更多、更好、更真实的操作环境,其生动、逼真的感性测量可以增加学生学习兴趣,打破硬件设备的限制,完成机械工程测试技术工程实例的测试任务,真正做到无硬件支撑环境下的实践教学,同时在不用增加实验学时的情况下培养学生工程实践能力和创新能力。

摘要：以理论教学为主导的传统教学模式使机械工程测试技术课程脱离工程实践。针对这一情况,提出了基于Cult3D技术的工程测试技术实例虚拟仿真研究,将教师的工程项目整合为虚拟测试环境,使学生跨越硬件设备资源的限制,通过交互性工程实例的测量过程,提高学生的工程实践能力、动手能力以及知识运用能力。