可视计算技术前景无限
2019-11-30 23:59 访问量:4025次

来源:中国科技投资杂志

◎清华大学软件学院 计算机科学博士 王牟江山

清华大学“一带一路”战略研究院 助理研究员 周熙媛

目前中国是世界主要工业产品的生产国和出口国。历史上,中国曾经是制造业的第一大国,直至1760年代英国开始工业革命,西方列强转向机器制造,中国制造业水准急转直下,直到1949年中华人民共和国成立后,工业逐步得到快速复苏。2010年,中国再次成为制造业第一大国。目前,中国有超过200多种工业产品的产量和出口量都居世界第一,其中有数十种产品的出口占到全世界出口总量的70%以上。而制造业是中国市场化程度最高的领域,也是中国国民经济的重要支柱和基础,对中国经济发展起着十分重要的作用。

虽然国际市场上售卖的工业产品大部分都是中国制造,但中国的制造业一直依赖外国的设备和人员研制,本地代工和仿制为主的业态使得中国的创新能力、品牌质量水平处于世界中下游。产业没有从上到下的自主化体系,设计、研发和生产能力较弱,产业就业结构也不尽合理,中国的基础材料、基础零部件、基础工艺和产业技术基础不强。建国后虽经历缓慢发展三十年,但1978年改革开放后经济发展迅速,制造业取得了巨大进步,但由于土地、劳动力、资源、环境等要素成本的迅速提高,产业面临新的竞争能力不足,因此这种发展方式需要转型转变。

有鉴于此,中国制定了制造业面向未来发展转型的《中国制造2025》的发展规划。其主要基于三点考虑:1.应对全球新一轮科技革命和产业变革所需;2.金融危机后,各国对制造业的发展都出现了一些新的动向;3.中国的制造业在许多非常重要的领域已经具备参与全球竞争的能力和基础。

可视计算技术在深度介入《中国制造2025》进程中扮演的角色

《中国制造2025》的实质是就是两化融合,即工业化和信息化的深度融合,这和德国提出的工业4.0理念不谋而合。其主要的硬性指标就是:从产品构思、设计、工艺、企业生产资源规划控制、生产过程、质量控制、装配、安装调试及客户服务等整个产品全生命周期的数字孪生化、互联网络化、系统智能化。让我们换个角度理解,真实的物理世界可以通过计算机可视计算技术把它数字化、可视化,通过“可视计算”的各种手段把真实物理世界克隆在计算机营造的数字信息虚拟空间里,形成数字信息虚拟空间与物理世界两者的孪生共存、相互映射。这样就引出了我们的革命性理念,即,我们在现实世界不能做的实验和不能得到的体验可以在虚拟数字世界中进行模拟、推演、优化,从而找到智慧的解决方案和办法。因此,未来的可视计算技术市场是现实世界和虚拟世界 1:1 并存的世界和市场空间。这也叫“数字孪生 Digital Twin”,即,真实世界有多大的市场,可视计算技术就有多大的市场。

以虚拟现实可视计算技术为代表的新一代信息技术产业发展战略已经成为新一轮国际科技创新、产业变革和经济发展竞争战略的制高点,是主导《中国制造2025》将其同传统制造业深度融合使中国制造实现数字化、网络化和智能化的核心技术手段,是未来社会经济发展的重要引擎。虚拟现实(VR)、增强现实(AR)及可视计算技术在互联网+ 、智慧城市、《中国制造2025》和大数据时代的应用将无处不在。未来世界,一切事物都将数字化进入虚拟生存空间,这将成为新的存在常态。而这一切得益于 ICT(信息与通信技术) 虚拟现实可视计算技术的迅速发展,以可视计算技术、宽带、移动互联网、物联网、云计算、大数据、3D 互联网为显著特征的新一代信息技术,为全社会个人、企业、行业和国家发展提供源源不断的创新动力。在新一轮信息化、数字化来临的今天,虚拟现实可视计算技术的广泛应用将是 IT 领域里的又一次革命,必将以极低的成本为各行各业提供有效的解决方案,这也是未来科技改变生活不可缺少的重要技术手段。

国务院制定的《促进大数据发展行动纲要》、《智慧城市建设规划》、《互联网+ 及中国制造 2025 发展战略》、《京津冀协同发展规划》以及一带一路建设的付诸实施,这一市场倒逼技术的现状将为我们提供了广阔的市场和商机。可视计算技术将现实世界数字化,继而重构于虚拟网络空间、为未来世界数字化、信息化、网络化、协作化、虚拟化、柔性化、智能化提供技术支撑和解决方案,为大数据分析处理及可视化提供软件工具及系统平台的研发和产业化应用,并用于《中国制造2025》两化融合支撑技术平台开发,进行数字虚拟制造系统、数字虚拟车间和数字虚拟工厂的技术研发等等。国家的各种发展战略规划和市场倒逼技术的现状,为我们所从事的虚拟现实可视计算技术的产业化应用提供了巨大的事业舞台和无限的市场空间。3D 互联网及 3D 商城平台建设,大数据分析及城市实景 3D 建模技术的开发与应用,特别是智慧城市的大数据分析处理及优化以及整体规划和开发设计领域的应用,尤其是城市规划及数字电子沙盘、海绵城市、城市管线改造、智慧交通管理、灾害防御管理、减灾防灾及应急预警系统、智慧农业、大气污染、对一些重点社会生活领域的管理、工业和工程领域的海量数据利用可视化分析手段进行挖掘、优化相关关系和对新型技术产品进行合理性分析、进行管理决策等都是可视计算技术产业化应用的舞台,其产业化应用可逐步拓展全国市场乃至全球市场等现代科技和社会生活各领域。

全球可视计算技术及其产业化领军角色

奥地利VRVis国家虚拟现实可视计算高新技术研究中心是一个拥有约 70 名专职研究人员和诸多研究生的非盈利性质科研机构。其首席科学家 Prof. Dr. Werner Purgathofer 教授是欧洲科学院院士、欧洲计算机图形学会前主席,欧洲计算机图像学会会士主席,是具有 120 人教学科研团队的维也纳技术大学可视计算技术及人为中心技术学院院长。

该中心于 2000 年设立,至今已完成了大量的国家部门、工业企业和科研机构等合作伙伴及客户的科研项目、课题和产品开发,形成了一大批成熟的可用于诸多领域的接受计算机虚拟现实技术可视计算技术支持的应用系统和产品。其研发的应用软件及系统平台在世界上十分权威,并服务于许多高科技机构。由于其特殊的业绩和研发能力,其合作伙伴及客户均为世界和奥地利知名企业、国家部门和著名科研机构,如:微软、英伟迪、AVL李斯特汽车发动机研究院、哈佛大学、弗基尼亚技术大学、欧洲空间局、美国航天局、奥地利及德国弗朗霍夫计算机图形数据处理技术研究院、苏黎世高工、伦敦城市大学、意大利比萨大学、奧国家科技研究院、路德维希波茨曼研究院、维也纳市政府、奥地利总理府、奥地利内政部、国防部及腾讯、中科院自动化所、中国航天科技集团等等国内外一流企业和组织。VRVIS 的 Know How 还参与到微软的 Virtual Earth 中及其他医学、生物技术等领域。

该中心在虚拟现实可视计算技术领域的研究成果不仅应用于传统的工程领域,而且日益广泛地应用于现实世界数字化、大型地理信息数字化、自然灾害预警及施救决策、航空、航天、汽车制造、机械制造、国防军事、电力、医疗卫生、 生物医学、文化娱乐、文物保护、化工、农业、水利,城市规划建设、 铁路公路建设、环境保护、社会、经济、交通控制、资源利用、生产管理、市场预测、世界经济的分析和预测、人口控制等几乎社会生活的各领域。

VRVis可视计算技术最重要的核心技术特点为:其计算机图形软件算法及软硬件组合的优异匹配(即使用全球最先进的计算机图形算法技术和设备),以达到使离散数据生成最有说服力的图像和结果提供给用户。其最大特点是大规模海量点云数据的有效处理,通过人工智能(AI)等最优算法同硬件系统的匹配,可将大规模海量数据的处理高效地在普通通用计算机上来完成它们解决,而这也正是市场现有技术、软件无法解决的大规模大数据的可视化、可视互动分析、三维重构渲染、计算机图形识别、模拟和决策支持等难题,其解决方案采用基于 GPU 的可视化、模拟和深度学习的最新人工智能算法。深究其处理过程,我们可以看到,其运算能力体现在其强大软件(最优算法,人工智能)和软硬件结合的最优匹配能力。其解决问题的理念也十分符合5G时代数据高速传输、高精度、高私密性的特点。世界领先的大规模海量点云数据的多变量可视分析技术,可解决数字中国、数字经济、大数据科学、云计算、物联网、智慧城市与《中国制造2025》等许多社会、经济及工业领域的重大问题并找出有重大关联的影响因素和难于探知的重要规律。其注重应用开发,技术更新,应用领域广泛。

经过 VRVis 研究中心和维也纳技术大学可视计算技术团队近 20 年的对可视计算技术基础科学和产业化应用的潜心研究,研发了数十种享誉世界、性能唯一、独具特色的可视计算技术产业化应用系统平台系列,其主要的产业化系统平台,如:

Aardvark:大场景、大规模复杂设施景观等可摄影测量重建、实时三维图形渲染和交互可视化的智能建模平台。

Brain *:一个向全球神经科学研究机构开放的用于神经科学的大数据科学平台。

GEARViewer:大型复杂基础设施规划建设项目等大型地理信息可视化决策支持平台。

PRo3D:用于行星研究的交互式 3D 可视化工具平台。

Visdom:运用复杂系统可视化、模拟和可视分析技术相结合的决策应急管理系统平台。

Visplore:量身定制的可视互动分析技术应用系统平台:多变量大数据的优化决策分析系统。

    那么为什么说VRVis是业界的领军组织呢?我们可以横向对比业界其他一些企业与组织,观察其特点和偏重。如微软亚洲研究院、NVIDIA英伟迪、哈佛大学可视计算团队、奥地利及德国弗朗霍夫计算机图形数据处理研究院、波恩 - 莱茵 - 西格应用科学大学可视计算研究所、阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)可视计算技术中心。而无一例外的是,其他的企业与组织的共同特点是,没有奥地利 VRVis 研究中心所具有的国家、大学、科研单位和工业企业等机构共同的投资主体合作模式,没有所有研发项目必须来自工程、市场和项目需要的模式,没有像 Aardvark、Brain *、GEARViewer、PRo3D、Visdom 和 Visplore 这样的可服务于各社会生活领域,享誉世界、性能唯一、独具特色的可视计算技术产业化应用系统平台。VRVis 解决的是市场现有技术和软件无法解决的,大规模大数据的可视化、可视互动分析、三维重构、渲染、计算机图形识别、模拟和决策支持等难题。

VRVis可视计算技术应用前景

可视计算技术除在前述中国制造2025 - 工业4.0 - 数字/智慧工厂 - 智能制造领域有着广泛的产业化应用外,还在如下领域的产业应用前景非常广阔。

地理信息系统

应用虚拟现实可视计算技术,将三维地面模型、正射影像和城市街道、建筑物及市政设施的三维立体模型融合在一起,再现城市建筑及街区景观,用户在显示屏上可以很直观地看到生动逼真的城市街道景观,可以进行诸如查询、量测、漫游、飞行浏览等一系列操作,满足数字城市及智慧城市技术由二维 GIS 向三维虚拟现实的可视化发展需要,为城建规划、社区服务、物业管理、消防安全、旅游交通等提供可视化空间地理信息服务。

灾害防御及应急管理

虚拟现实(VR)可视计算技术灾害应急管理仿真系统平台可以实现水灾、水利工程仿真、地质灾害仿真,实现地质灾害虚拟环境功能与展示的完美结合。通过在虚拟的环境中进行预防地质灾害的模拟演练,达到提升防灾、避灾安全,减少灾难损失的目的,为管理者提供科学决策的工具。灾害应急管理可视计算仿真演练系统通过对各类灾害数字模拟和人员行为数字模拟及仿真,在虚拟空间中仿真推演灾害发生、发展的过程,以及人们在灾害环境中可能做出的各种反应;并在演练平台上,在最大限度仿真实际灾害的条件下,开展应急演练。在此基础上,制定各类政府及企事业单位的数字化应急预案。应急仿真演练系统可以用来训练各级决策与指挥人员、事故处置人员,发现应急处置过程中存在的问题,检验和评估应急预案的可操作性和实用性,提高应急能力和为领导提供决策的科学依据。

数字城市和房地产

虚拟现实可视计算技术可以通过三维建模逼真地模拟现在和未来的城市,支持数据分析、方案论证和优化,支持地理信息系统等,通过这些详实的数据和相关资料可以是直观真实固化方案评估、审核以及管理等日常工作,更为重要的是它可以为多部门参与和协同工作提供了有效的平台。智慧城市是采用虚拟现实可视计算技术为真实世界创建三维虚拟环境,提供逼真的视觉、听觉、触觉享受,人们可以实时参与,实时交互,并优化城市管理各领域的内容,以更好服务以人为本的城市发展理念。

对于城市的仿真方面,由于城市规划的关联性和前瞻性要求较高,城市规划一直是对全新的可视化技术需求较为迫切的领域之一。从总体规划到城市设计,在规划的各个阶段,通过对现状和未来的描绘(身临其境城市感受、实时景观分析、建筑高度控制、多方案城市空间比较等),为改善生活环境,以及形成各具特色的城市风格提供了强有力的支持。规划决策者、规划设计者、城市建设管理者以及公众,在城市规划中扮演不同的角色,有效的合作是保证城市规划最终成功的前提。虚拟现实可视计算技术为这种合作提供了最理想的桥梁,运用该技术能够使政府规划部门、项目开发商、工程人员及公众可从任意角度实时互动真实的看到规划效果,更好的掌握城市的形态和理解规划师的设计意图,这样决策者的宏观决策将成为城市规划更有机的组成部分,公众的参与也能真正得到实现。这是传统手段如平面图、效果图、物理沙盘乃至动画等所不能达到的。交通仿真数字孪生平台可以优化城市交通系统规划,允许设计者在建筑设计阶段就能以可视的、动态的方式全方位展示建筑物所处的地理环境位置、交通状况、建筑物外形和各种设施,人们能够在整个虚拟的环境中畅游。

可以规避设计风险: 虚拟现实可视计算技术所建立的虚拟环境是由基于真实数据建立的数字模型组合而成,严格遵循工程项目设计的标准和要求建立逼真的三维场景,对规划项目进行真实的“再现”。用户在三维场景中任意漫游,人机交互,这样很多不易察觉的设计缺陷能够轻易地被发现,减少由于事先规划不周全而造成的无可挽回的损失与遗憾,特别是对灾害应急状况的评估和优化极为重要,大大提高了项目的评估质量。加快设计速度:运用虚拟现实可视计算系统,可以很轻松随意的进行修改,改变建筑高度,改变建筑外立面的材质、颜色,改变绿化密度,只要修改系统中的参数即可。从而大大加快了方案设计的速度和质量,提高了方案设计和修正的效率,也节省了大量的资金,提供合作平台。

对于城市景观建造,房地产施工建设、销售、房屋装修方面,最重要的与传统施工方案不同的地方在于,传统施工方案在前期规划需要大量投入人力物力以求尽量避免从设计,施工,各方面因素对工程的影响,这个过程中产生的错误导致的是不可逆的严重工程缺陷。而以可视计算推演模拟,可以在虚拟实验室阶段进行大量试错,并与现实阶段的工程设计各方面参数进行同步,由于我们还拥有虚拟空间与现实空间实验结果误差分析和校准软件平台,故而在大量减少前期资金,人力物力投入的前提下,优化了整体工程质量。而且这种方式可以对更加具有前瞻性的设计理念进行虚拟空间试错,如果结果令人满意,且符合可预见的未来用户需求,则可以在这种需求来临之际,第一时间令其满足,在产业发展方面先人一步,抢占先机。

文物保护,展出和相关文化科普

虚拟现实可视计算技术在文物保护、文物展示和文物相关文化科普领域的应用可以把传统领域相关能力提升到一个全新的阶段。首先,在文物保护方面,对文物3D数据采集建模,状态采集数据化,可以虚拟实验室里进行诸如火灾,水灾,曝光过度,空气干湿度不合适,自然时间老化等方面的模拟,借助虚拟实验室对物理空间的准确模拟,对时间的可控变速,使得文物对外界不同刺激的反应一目了然,极大地提高了对文物保护的精准性且降低了保护成本。在展示领域,借由我们提供的高精度3D空间重建技术和现在以5G技术为代表的先进通信技术相结合,可以令用户更加清晰,逼真,近距离地感受文物,增加文物展示中用户的参与度和思考的深度,同时也降低了文物因游客大量拍照曝光及游客的不文明行为导致损坏等的风险。在文物相关科普领域,可以将VR技术与3D动画技术为代表的文创产业相结合,比如点击文物就会有相应的动画出现,甚至于相应的游戏可以令用户置身其中,达到对文化背后文化理解过程中的及时反馈,极大地增加了用户对文物背后文化的兴趣和理解的深度。

结语

虚拟现实可视计算技术是一个无处不在的关键技术,将影响所有行业、机构和社会生活几乎所有方面。将现实世界数字化并重构于虚拟网络空间,为未来智慧城市及制造业数字化、信息化、网络化、协作化、虚拟化、柔性化、智能化提供技术支撑和解决方案,为大数据分析处理及可视化提供软件工具及系统平台的研发和产业化应用,完成中国制造2025 两化融合支撑技术平台开发,进行数字虚拟制造系统、虚拟车间和虚拟工厂的技术研发等等提供关键技术支持和解决方案,为可视计算技术的产业化应用提供了巨大的事业舞台和无限的市场空间。

可视计算技术与现代科技各领域的发展息息相关。大力发展虚拟现实可视计算技术这一新一代信息技术及以其为技术支撑和前提的数字中国、智慧城市、中国制造2025及大数据分析处理等新兴科技领域,是国家发展战略的需要,是未来中国社会生活变革和发展的要求。这一技术及产业也必将成为未来我国数字经济的主要支柱和先导产业,是国民经济新的发展动力源。它的发展水平决定了现代工业的核心竞争力,市场和需求是及其广阔的。

 

 

 

    《中国科技投资》杂志社 ( 京ICP备14048894号 )

    《中国科技投资》杂志社官网上的部分内容来自相关部委网站,如果您认为侵犯了您的合法权益,请联系【 1227252578@qq.com 】我们会尽快处理。

    声明:本站严禁任何人以任何形式在本网站发表与中华人民共和国法律相抵触的言论!

    网站支持:北京巨蛋科技 技术支持:Copyright© 2013 Comsenz Inc.