2020 年，新加坡南洋理工大学的虚拟现实智能硬件研究和发展

虚拟现实智能硬件2020年12月第5引文：Lihui HuANG，Siti Faatihah Binte Mohd TAIB，Ryan Aung BA，Zhe An GOH，Mengshan XU.虚拟实境研究与发展。虚拟现实智能硬件，2020，2（5）：394-408DOI：10.1016/j.vrih.2020.06.002·回顾·虚拟现实在台大的研究与发展李辉黄*，斯蒂法阿提哈比恩特莫德塔伊布，李扬昂巴，张安高，徐梦山新加坡南洋理工大学，639798*通讯作者，lhhuang@ntu.edu.sg投稿时间：2020年3月29日修订日期：2020年6月17日接受日期：2020年6月21日摘要1981年，南洋理工学院在新加坡成立，旨在培养工程师和会计师，以跟上该国快速增长的经济。1991年，学院升格为南洋理工大学（NTU）。根据Quacquarelli Symonds（QS）世界大学排名，NTU连续六年获得世界顶级年轻大学的排名。虚拟现实（VR）的研究始于20世纪90年代末的南大。南大的学院、学校、研究所和中心为VR研究的卓越贡献。本文简要介绍了虚拟现实的研究方向和活动在南大。关键词虚拟实境;研究与发展;南洋理工大学;新加坡1引言位于新加坡西部的南洋理工大学（NTU）拥有500英亩的校园，并被列为世界上最美丽的15所大学校园之一。2019年，南大[1]有25088名学生（包括6719名国际学生），935名研究人员和1582名学术人员（包括853名国际工作人员）;此外，授予6443名本科生和649名博士学位，并招收了5868名新本科生和550名新博士生。作为一所国际性大学，NTU拥有100个国籍。在全球拥有300多个学术合作伙伴，国际交换学生在绿色校园中无处不在。南大由四个学院组成，即：例如，商学院、工学院、理学院、人文、艺术和社会科学学院。除了这四个学院外，南大还包括李光前医学院（与伦敦帝国理工学院联合成立）、研究生院和五个自治学院，包括国家教育学院和S。拉贾拉特南国际研究学院。南洋理工大学拥有许多卓越的研究中心，如媒体创新研究所，能源研究所@ NTU，南洋理工大学人类科学与技术研究所，南洋理工大学健康与医学研究所，新加坡环境生命科学与工程中心，南洋环境水研究所和新加坡地球观测站。此外，大学与阿里巴巴，劳斯莱斯和戴森等大公司合作，在校园内建立联合实验室，以实现与社会相关的研究目标。2096-5796/©版权所有2020北京中科学报出版有限公司Elsevier B. V.代表KeAi Communization Co. Ltd.提供的出版服务。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。www.vr-ih.comLihui HuANG et al：虚拟现实在南大的395作为一所研究密集型大学，NTU对VR研究做出了重大贡献，重点是基础研究，包括但不限于几何建模，基于图像的三维（3D）重建和数字几何处理。此外，NTU还与多家公司合作，在生物医学科学、工程和教育领域开发VR应用。本文第二部分介绍了南大在生物医学领域的虚拟现实研究与应用发展。第三节讨论了南大的虚拟现实研究和工程应用开发。第四部分介绍了南大的VR研究和在教育领域的应用发展。第五部分介绍南大在人文社会科学领域的VR研究与发展。最后，第6节结束了本文。2VR在生物医学科学中的研究和应用开发多年来，NTU开发了许多VR项目。基础研究首先得到发展，然后用于各种应用。在本节中，我们将讨论VR和软计算战略研究计划（srp VR SC）和机械航空航天工程学院与当地和国际企业合作进行的VR研究。2.1虚拟现实增强型心内介入VR和软计算战略研究计划于20世纪90年代末在NTU成立，旨在促进VR和人工智能（AI）的教育，研究和产业合作。通过该计划开发了几个与生物医学科学有关的VR项目。与新加坡Gleneagles医院[2]合作，进行了一个项目，使用患者特定标记的磁共振成像（MRI）数据设计和开发用于心脏介入的VR增强系统。2.1.1基础研究该计划srp VR SC重点关注各个领域，包括几何建模，数字几何处理和图像处理。已经开发了几种算法用于3D渐进重建[3]、从标记的MRI数据中提取心脏运动矢量[4]和基于几何的交互建模[5]。2.1.2用于心内介入的图1显示了使用标记的MRI数据进行心内介入的VR增强模拟系统[6]。该模拟器旨在培训医学生和初级外科医生进行微创心脏介入治疗。例如，红白和蓝白条纹导线（图1b）均模拟导管。它们将被插入心脏，以寻找注入干细胞的位置。然而，由于心脏不停地跳动，心脏壁不断地移动，因此目的是找到一种用于注射的防滑接触图1用于心内介入的VR增强型模拟器（a）和用于导管和左心室的基于几何的交互建模（b）。396虚拟现实智能硬件2020年12月第52.2支持VR的细胞图像分析南洋理工大学机械航空航天工程学院（新加坡）和多伦多大学医学院（加拿大），特别是Opas的医学和病理学实验室[7]，在开发细胞图像交互式可视化和量化的创新解决方案方面有着长期的合作关系。2.2.1基础研究除了联合培养博士生外，上述双方还合作研究与细胞结构相关的基础和应用问题。通过他们的共同努力，已经设计和开发了几种算法，以更好地理解体积细胞结构，重点是从激光荧光显微镜共聚焦图像堆栈[8-10]和其他细胞图像处理技术[11，12]中提取3D边界和细胞聚类。2.2.2一种增强的虚拟现实协作系统对于3D共聚焦显微镜图像和基于上述几种算法和技术构建的图像，开发了一种支持VR的系统CellStudio，用于体积细胞图像数据的可视化和分析[13]。该系统是在NTU早期的VR工作中建立的;其定制设计基于CRT显示器，交互式手写笔，一副主动快门眼镜和发射器，如图2所示。图2支持VR的CellStudio（a）用于细胞可视化和分析，以及3D边界提取（b）。2.3自闭症儿童的严肃游戏NTU和新加坡心理健康研究所[14]合作为自闭症谱系障碍（ASD）儿童创建了一个基于游戏的学习应用程序，以训练他们的执行功能技能，例如计划和排序。2.3.1执行功能技能自闭症认知康复计划（A.C.R.E.S.）由于计算机辅助学习已被证明对ASD儿童的学习有效[15]，因此游戏辅助学习也可以被证明对他们的执行功能技能训练有效。为九至十二岁（小三至小六）的儿童设计了一款iPad应用程序，包括三个不同的游戏，以训练他们的计划和分类技能。每个游戏都有不同的地点（家，超市和学校），并有十个级别，随着玩家在游戏中的进展而增加难度。家庭游戏和超市游戏的目的是训练他们的计划技能，而学校游戏的目的是训练他们的分类技能。特别是超市游戏，旨在提高他们的397Lihui HuANG et al：虚拟现实在南大的路线规划技能，因为它要求他们在最短的距离内获得购物清单中列出的物品（图3a）[16]。此外，每个游戏中都有三个家长组件级别，以便家长可以通过让孩子在现实生活中执行这些任务来参与孩子的发展。人们可以通过让孩子在实体超市商店搜索他们父母定制的购物清单中的物品来实现这一点。图3超市路线规划游戏（a）和A.C.R.E.S（b）中游戏期间收集的一组数据样本。2.3.2应用内数据处理如图3a[16]所示，当玩家玩游戏时，数据会使用Firebase实时数据库（一个云托管的数据库）实时收集、推送和存储。这些数据包括玩家的表现（获得的星星数量），完成所需的时间以及每个游戏关卡中产生的错误。这是为了测量玩家的进度，而不是明确地对他们施加测试设置。3虚拟现实在工程中的研究与应用开发3.1重型起重机吊装NTU和新加坡PEC有限公司[17]根据两项研究合作协议合作开发了一种创新的重型起重机起重解决方案。3.1.1基础研究在这个工业合作项目中，研究了高度复杂的工业环境中的重型起重。安全性和生产率是起重任务中的两个主要问题，特别是在涉及大型和重型负载时。传统上，提升是手动执行的，这是容易出错且耗时的。研究目的是开发一个自动和智能的路径规划系统，用于高度复杂的环境，以生成实时或近实时，安全和优化的起重路径，使用AI和VR技术。利用GPU编程的优势[18]进行路径规划的创新解决方案已经开发出来[19-22]。3.1.2VR起重机模拟器设计了一个模拟器（图4a）[23]，用于重型起重机操作的职业培训。塔式起重机、移动式起重机和履带式起重机都进行了数字建模和装配。建筑信息模型（BIM）[24]、工厂设计管理系统或使用激光捕获的离散化环境398虚拟现实智能硬件2020年12月第5图4使用虚拟起重机模拟器（a）在过程工厂中进行重型起重机起重的周转规划，并推荐最佳起重路径（b）。点云形式的扫描仪[25]被用作提升模拟器的输入[26]。对于起重机模拟器，学员可以使用交互式设备，如操纵杆和方向盘，以模仿起重机的控制。除了获得互动体验外，他们还可以通过立体可视化沉浸在虚拟工业环境中。如果起重负载即将与环境发生碰撞，则会触发安全警告。此外，学员在课程期间执行的操作步骤可以使用起重机模拟器记录，以用于汇报目的。最佳提升路径（图4b）将用作参考，以评估培训期间的安全性和生产率方面的提升操作。3.2智能建筑成像SJ-NTU Corporation Laboratory是NTU和新加坡Surbana Jurong Consultants Private Limited在新加坡的合资企业，由新加坡国家研究基金会提供资金支持。该项目旨在开发智能解决方案，用于从多模态图像重建BIM表示（图5）。图5从多模态图像重建BIM表示。3.2.1基础研究在这个企业实验室下的新产业项目中，基础研究包括以下方面的创新：399Lihui HuANG et al：虚拟现实在南大的人工智能算法、基于点云的分割和分类、数字几何处理和3D重建。研究目的是开发一个流水线的自动和智能识别和重建的BIM从多模态图像。3.2.2智能扫描和自动BIM重建将生成多模式图像，以使用智能扫描技术（包括激光雷达和摄影测量）捕捉环境。在建造墙壁和窗户等构件之前，将研究图像融合算法，而机械和电气管道将通过利用最新的人工智能技术自动或半自动识别，以形成相应的BIM表示。VR技术无缝集成到工作流程中，用于数字几何和3D BIM模型的交互式可视化和修改。3.3虚拟新加坡3.3.1基础研究在国家研究基金会赞助的一个项目中，计算机科学与工程学院[28]与GovTech[29]合作，研究基于LiDAR的几何和机器，用于3D城市模型的虚拟化和语义丰富。CityGML是一种基于XML格式的开放数据模型，用于存储和交换虚拟3D城市模型。它是地理标记语言版本3.1.1（GML3）的应用模式，也是开放地理空间联盟和ISO TC211发布的空间数据交换的可扩展国际标准。CityGML开发的目的是为3D城市模型的基本实体、属性和关系建立一个通用定义。3.3.2虚拟新加坡虚拟新加坡是新加坡的一个大型城市模型，使公共和私营部门能够为商业和研究应用开发解决方案。它对于3D城市模型的可持续维护具有成本效益，允许在不同的应用领域重复使用相同的数据。由于其丰富和动态的数据环境，虚拟新加坡提供了一个协作平台，用于虚拟实验和测试基础，研究和开发，模拟，规划和决策，应用于建筑，建筑和维护，基础设施和资源管理，城市规划等。3.4工业4.03.4.1四个研究重点Fraunhofer Singapore由Fraunhofer-Gesellschaft和Fraunhofer IGD在欧洲以及NTU共同创立，并得到新加坡RIE 2020倡议下的国家研究基金会的资助。Fraunhofer Singapore由NTU计算机科学与工程学院与达姆施塔特工业大学（德国）和格拉茨科技大学（奥地利）合作主办。Fraunhofer Singapore专注于四个研究领域：VR和增强现实（AR），直观的人机交互，数字内容生成和3D重建。3.4.2工业4.0特别研究了AR/VR和混合现实技术，为工业4.0及以后的智能工业工程、维护和工业应用开发解决方案。Fraunhofer Singapore和土木与环境工程学院[33]合作调查了400虚拟现实智能硬件2020年12月第5对海员进行心理生理学评估，以改善海上虚拟模拟器中的培训[34]。4VR在教育领域的研究与应用开发4.1基于CAVE的虚拟产品设计学习4.1.1新加坡的CAVE装置第一个CAVE是由Cruz-Neira等人在芝加哥伊利诺伊大学的电子可视化实验室发明的[35]。在20世纪90年代末和21世纪初，两个CAVE被安装在新加坡科学中心[36]和高性能计算研究所（IHPC）[37]4.1.2产品设计在21世纪初，机械和航空航天工程学院为4年级学生提供了产品设计的可视化和VR课程（课程代码：M498），目的是使用可视化和VR技术教授产品设计[38]。IHPC协助课程M498的学生为他们在课程中设计的虚拟宿舍（图6b）执行CAVE步行（图6a）。图6机械与航空航天工程学院的学生走过（a）他们设计的虚拟宿舍（b）在高性能计算研究所（IHPC）的CAVE。4.2虚拟粉红海豚为特殊需要教育由前南大校长Bertil Andersson教授于2008年成立的媒体创新研究所（IMI）致力于创造一个技术和创造力可以共存和发展的环境。4.2.1沉浸式密室这是一个320°圆形投影VR环境，在研究所的沉浸式房间中安装了五台高端主动投影仪。每一个都被镜像投射到圆形屏幕上的面板上。两个相邻投影仪的公共区域必须进行边缘融合，以在区域中形成平滑过渡[40]。4.2.2虚拟粉红海豚项目一个虚拟的海豚馆是为自闭症儿童设计的，使他们能够与虚拟的粉红海豚互动，以提高他们的沟通技巧[40]。图7显示了一个患有自闭症的孩子在沉浸式房间里与虚拟的粉红海豚玩耍。该项目[41，42]是IMI、新加坡海底世界[43]、新加坡AWWA特殊学校[44]、苏州工业园区仁爱特殊学校[45]401Lihui HuANG et al：虚拟现实在南大的中国的乌得勒支大学[46]和荷兰的Windesheim应用科学大学[47]。4.3VR公共教育VR是公共教育的绝佳工具。以下将介绍三款互动虚拟现实游戏，以展示其在病毒公众教育方面的优势。为了开发这些交互式VR游戏，需要进行基础研究[48，49]以及蛋白质表面和结构建模[50]。4.3.1VR SARS蛋白过山车这是南大为SARS病毒教育设计的互动VR游戏（图8a）。它被展出在图7来自特殊需要学校的学生在IMI的沉浸式房间里与虚拟粉红海豚玩耍，以提高他们的非语言沟通技能新加坡艺术博物馆10号展厅[51]，2003年9月至2004年10月[52]。这次展览的目的是以蛋白质过山车作为互动媒介，促进艺术、科学和技术的融合，让公众，特别是年轻学生，更好地了解SARS病毒蛋白质的一级、二级和三级结构。图8SARS蛋白质过山车（a），病毒主题公园（b）和生物X游戏（c）。4.3.2VR病毒主题公园这个由南大设计的互动游戏于2005年5月在上海东方明珠塔的零米大厅展出[53]（图8b）。病毒主题公园涉及12种病毒，包括HIV和SARS[54]。为期一周的公众展览吸引了超过7万名参观者。4.3.3VR Bio X游戏这是NTU设计的交互式VR严肃游戏，用于通过X游戏学习蛋白质二级结构[55]。几种病毒蛋白以中国长城的形式建模，以代表蛋白骨架结构（图8c）。玩家骑着摩托车沿着长城，进行各种X游戏动作，如360°旋转，学习蛋白质氨基酸序列以及蛋白质二级和三级结构。4.4VR技术增强学习蜂巢（图9a）是南大校园的一个新的学生学习中心，支持技术增强的402虚拟现实智能硬件2020年12月第5图9蜂巢（a）和虚拟和增强现实翻转教室（b）在蜂巢。学习在蜂巢的56间教室中，只有一间是传统的阶梯教室，其余的都是为团队和探究式学习而设计的。4.4.1虚拟增强现实翻转教室图9b显示了Hive中的翻转教室。教室的设计容纳约30名学生进行团队学习。每个团队最多有六名学生，由VR就绪系统支持。教室中的所有六个VR系统都可以独立或同步运行。4.4.2沉浸式和互动式学习环境VR翻转教室是一个沉浸式和交互式的学习环境，集成了硬件，软件，教学法和内容。每张桌子的硬件包括一台高端VR就绪计算机、头戴式显示器、立体电视显示器和其他互动设备。该软件包括由图形处理单元加速的系统集成和优化。创建内容以支持工程中基于知识的学习，而深入学习教学法是为基于探究和基于团队的学习而开发的。目前，机械与航空航天工程学院[57]、化学与生物工程学院[58]、IT服务中心[59]和国立教育研究院[60]正在合作为南大学生开发VR技术增强型学习。5VR在人文、社会科学和遗产除了生物医学科学、工程和教育，VR在许多其他领域也很有用。NTU的研究人员研究了VR在人文、社会科学和遗产方面的应用。5.1VR遗产5.1.1VR虎豹别墅虎豹别墅是一个新加坡景点，由胡文虎先生和胡文豹先生在大约一个世纪前开发。为了在年轻人中推广别墅，我们利用VR技术开发了这个项目，将别墅中的文化和遗产数字化，以教授中国价值观。在新加坡旅游促进局的支持下，使用激光扫描仪，3D重建和3D打印将蛇夫人，姜太公，微笑的佛，八仙，十个地狱等数字化，然后生成用于遗产教育的AR应用程序。激光扫描技术（图10a）被应用于搜查别墅中的已识别物品随后，进行3D映射以通过点云数据融合、分割等过程[61]。从数字化的3D模型，3D403Lihui HuANG et al：虚拟现实在南大的图10虎豹别墅选定项目的激光扫描（a）用于3D重建（b）和增强现实（AR）;（c）应用。打印被创建，然后用作AR应用程序的触发器。开发的应用程序使用户能够了解虎豹别墅的文化和遗产（图10c）。部分研究成果已作为特刊发表在《Presence》杂志上[62]。5.1.2遗产可视化在艺术，设计和媒体学院[63]，研究了数字空间中的遗产可视化和潜在的投机重建，并讨论了基于塞浦路斯法马古斯塔中世纪圣安妮教堂的特殊案例研究。该研究结果发表在DISEGNARECON上，作为历史城市可视化先进技术的特刊[64]。5.2南大校园导览5.2.1启用动态流的演练增强和虚拟现实中心[65]由理学院和工程学院与EON Reality[66]合作建立，用于教育，培训和研究。该中心配备了最新的AR/VR技术和领先的课程开发和培训基础设施该中心基于一种高效的资源调度方案开发了南大云南花园的漫游应用程序，用于3D场景的核心外动态流。整个场景存储在云端，相关场景数据实时传输到客户的Android移动终端。5.2.2南大虚拟校园在21世纪初，计算机科学与工程学院执行了一个虚拟现实项目，以开发虚拟NTU校园[67]。基于MultiGen-Paradigm和Vega以及3D Web可视化技术，使用虚拟现实建模语言开发了校园的VR模型，用于VR漫游应用。5.3虚拟人、社交机器人和远程呈现媒体创新研究所的BeingThere中心是一个三方国际合作项目，包括NTU，ETH（苏黎世）和北卡罗来纳大学教堂山分校。该中心的三个活跃的研究领域是虚拟人，社交机器人和远程呈现。在第一阶段完成后，BeingThere中心现在更名为BeingTogether中心[68]。5.3.1虚拟人和社交机器人在对虚拟角色之间的多方交互进行建模方面已经花费了大量的努力404虚拟现实智能硬件2020年12月第5社会机器人和人类[69，70]。更具体地说，IMI开发的社交和人形机器人Nadine在全球范围内引起了极大的兴趣[71]。5.3.2网真远程呈现是BeingThere中心和BeingTogether中心的主要研究课题。 沉浸式3D远程呈现[72]，用于现实世界和虚拟图像的自动聚焦AR眼镜[73]以及扩展景深体积近眼AR显示器[74]已经开发出来。由于新型冠状病毒，虚拟人和社交机器人预计将在虚拟会议和远程呈现中发挥更积极的作用5.4虚拟感知与社会互动5.4.1虚拟感知在人文、艺术和社会科学学院的社会科学学院，研究人员正在通过结合心理物理学、电生理学、眼动跟踪和VR的多学科方法研究视觉感知和神经科学。此外，计算建模的层次信息处理。5.4.2社会互动在人文，艺术和社会科学学院的传播与信息学院[77]，基于游戏的社交互动被研究，重点是网络健康和网络健康，以及数字游戏对青少年社会和心理发展的影响[78]。这项研究将在大流行后的时代有潜在的应用，因为在家工作成为新的常态。5.5虚拟时尚5.5.1基础研究VR可用于虚拟试穿和时尚模拟。由计算机科学与工程学院和IMI开发的系统[79]包括数据提取，动画身体适应，服装预置和模拟。Kinect传感器用于通过RGB、深度和运动传感器捕获客户的数据。为了从模板模型生成定制的3D人体，提出了一种统计分析方法，从Kinect传感器提取的部分信息来估计人体测量值。然后应用基于约束拉普拉斯的变形算法对模板模型进行变形以匹配所获得的人体测量值，然后基于轮廓进行形状细化。5.5.2虚拟试穿和时尚定制在线购物的快速增长趋势需要VR应用程序[80]。包括建模，可视化和动画的基础研究可用于定制时装设计。采用Kinect传感器的虚拟试穿模拟可用于在线时尚购物。理想情况下，研究应该适应时尚行业，为最终用户提供适当的定制服务。6结论本文提供了一个概述的研究和发展的VR在南大进行。展示了不同学校、研究中心/实验室和研究所开发的各种VR项目重点405Lihui HuANG et al：虚拟现实在南大的该项目主要集中在四个领域：生物医学科学、工程、教育、人文、社会科学和遗产。由于VR技术发展迅速，因此无法将NTU的所有相关研究活动包括在内。竞争利益声明作者声明没有竞争的经济利益。引用1南洋理工大学.网址：www.ntu.edu.sg2格伦伊格尔斯医院网址：www.gleneagles.com.sg/3蒋鹏，郑建民，麦国华，蔡永耀.心脏标测程序的渐进式表面重建。计算机辅助设计，2012，44（4）：289DOI：10.1016/j.cad.2011.11.0044蒋鹏，蔡燕燕，麦国华，郑俊明.用于运动跟踪的标记心脏MRI中相位展开的B样条方法。磁共振医学，2013，69（5）：1297DOI：10.1002/mrm.243595蔡燕燕，麦国宏，苏义明，崔智光，郑俊明.用于心内介入VR模拟的导管-心脏相互作用建模的几何方法。计算机图形，2011，35（5）：1013-1022 DOI：10.1016/j.cag.2011.07.0076蒋平，郑建民，余英，麦国华，崔智坤，蔡英英.用于心内介入的VRIEEE Computer Graphics and Applications，2013，33（1）：44DOI：10.1109/mcg.2012.477OPAS的医学和病理学实验室可从以下网址获得：http://sites.utoronto.ca/mocell8关永青，蔡永英，李永田，欧帕斯M.一种自动识别共焦图像堆栈三维边界检测的适当梯度大小的方法。显微镜学报，2006，223（1）：66DOI：10.1111/j.1365-2818.2006.01600.x9杨文，李文.基于高阶统计量的共聚焦细胞图像三维边界提取。显微镜杂志，2009，235（2）：20910杨文，李文.一种基于体积共焦图像的三维细胞簇自动分割算法。显微镜杂志，2011，243（1）：60DOI：10.1111/j.1365-2818.2010.03482.x11Indhumathi C，Cai Y Y，Guan Y Q，Opas M，Zheng J. 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