数据库、人工智能和虚拟现实中的应用

1.物联网中的计算和计算机技术

在物联网技术中，提高计算机的性能是技术发展的关键之一，目前主要的途径有两个：一是提高器件的速度，二是采用多CPU的结构。提高计算机性能常用的3种方法：一是多CPU技术；二是并行计算与网络计算；三是采用更快的新型计算机（量子计算机、生物计算机与光计算机）。在物联网等应用领域的推动下，网格计算、普适计算与云计算等新的模式也随之产生。同时，计算机技术的最新发展方向是应用深度与信息处理智能化。如在互联网的海量信息中，怎样在海量信息中自动搜索出我们所需要的信息，这是网络环境的智能搜索技术，也是目前的热点。人们希望未来的计算机与传感器配合应该是向能够看懂人的手势、听懂人类语言的方向发展，使计算机具有智能是发展的一个重要方向。

在硬件方面：国外将高性能计算（HPC）又称为超级计算，在国际高性能计算研究中，最有影响力的是“高性能计算机世界500强排行榜”。IBM公司在这方面排第一。在国内，我国的“天河一号”高性能计算机排名第五，这是近年来我国科学家取得的最好成绩。2010年5月31日公布的HPCTOP500名单中，我国曙光公司研制生产的“星云”高性能计算机实测性能达到每秒1.271千万亿次，居世界超级计算机第二位。计算速度超千万亿次的高性能计算机，已可解决当前科学计算、互联网智能搜索、基因测序等领域相关问题。

在应用方面，普适计算已是目前的一个重要热点。这种技术特点是“无处不在”与“不可见”。“无处不在”是指随时随地访问信息的能力，“不可见”是指在物理环境中提供多个传感器、嵌入式设备、移动设备以及其他任何一种有计算能力的设备，可以在用户不觉察的情况下进行计算、通信，提供各种服务，以最大限度地减少用户的介入，体现了信息空间与物理空间的融合。

普适计算是一种建立在分布式计算、通信网络、移动计算、嵌入式系统、传感器等技术基础上的新型计算模式，它反映出人类对于信息服务需求的提高，具有随时、随地享受计算资源、信息资源与信息服务的能力，以实现人类生活的物理空间与计算机提供的信息空间的融合。重点在于提供面向用户的、统一的、自适应的网络服务。普适计算的网络环境包括互联网、移动网络、电话网、电视网和各种无线网络；普适计算设备包括计算机、手机、传感器、汽车、家电等能够连网的设备；普适计算服务内容包括计算、管理、控制普适计算主要解决的问题。最终的目标是实现物理空间与信息空间的完全融合，这一点是和物联网非常相似的。因此，了解普适计算需要研究的问题，对于理解物联网的研究领域有很大的帮助。要实现普适计算的目标，我们必须解决以下几个基本问题：

（1）正确建模

普适计算是建立在多个研究领域基础上的全新计算模式，因此它具有前所未有的复杂性与多样性。要解决普适计算系统的规划、设计、部署、评估，保证系统的可用性、可扩展性、可维护性与安全性，就必须研究适应于普适计算“无处不在”的时空特性、“自然透明”的人机交互特性的工作模型。

（2）简明人机交互

普适计算设计的核心是“以人为本”，这就意味着普适计算系统对人具有自然和透明交互以及意识和感知能力。普适计算系统应该具有人机关系的和谐性、交互途径的隐含性、感知通道的多样性等特点。在普适计算环境中，交互方式从原来的用户必须面对计算机，扩展到用户生活的三维空间。交互方式要符合人的习惯，并且要尽可能地不分散人对工作本身的注意力。

（3）无缝的应用迁移

为了在普适计算环境中为用户提供“随时随地”的“透明”数字化服务，必须解决无缝的应用迁移问题。随着用户的移动，伴随发生的任务计算必须一方面保持持续进行，另一方面任务计算应该可以灵活、无干扰地移动。无缝的移动要在移动计算的基础上，着重从软件体系的角度去解决计算用户的移动所带来的软件流动问题。

（4）自适应

普适计算环境必须具有自适应、自配置、自进化能力，所提供的服务能够和谐地辅助人的工作，尽可能地减少对用户工作的干扰，减少用户对自己的行为方式和对周围环境的关注，将注意力集中于工作本身。上下文感知计算就是要根据上下文的变化，自动地做出相应的改变和配置，为用户提供适合的服务。因此，普适计算系统必须能够知道整个物理环境、计算环境、用户状态的静止信息与动态信息，能够根据具体情况采取上下文感知的方式，自主、自动地为用户提供透明的服务。因此，上下文感知是实现服务自主性、自发性与无缝的应用迁移的关键。

（5）安全性

普适计算安全性研究是刚刚开展的研究领域。为了提供智能化、透明的个性化服务，普适计算必须收集大量与人活动相关的上下文。在普适计算环境中，个人信息与环境信息高度结合，智能数据感知设备所采集的数据包括环境与人的信息。人的作为，甚至个人感觉、感情都会被数字化之后再存储起来。这就使得普适计算中的隐私和信息安全变得越来越重要，也越来越困难。为了适应普适计算环境隐私保护框架的建立，研究人员提出了6条指导意见：声明原则、可选择原则、匿名或假名机制、位置关系原则、增加安全性，以及追索机制。

（6）云计算与应用

在互联网中，成千上万台计算机和服务器连接到网络公司，建成了能进行存储、计算的数据中心，形成如云一样的信息处理能力，云计算的概念就由此产生。云计算可以理解成互联网中数不清的计算机群，用户可以通过互联网接入到这个庞大的数据处理能力的云中，可以随时获取、实时使用、按需扩展计算和存储资源，按实际使用的资源付费。

云计算工作模型如图2-5所示。它是一种基于互联网的计算模式，并将计算、数据、应用等资源作为服务，通过互联网提供给用户。在云计算环境中，用户不需要了解“云”计算中基础设施的细节，不必具备相关的专业知识，也无需直接进行控制，而只需要关注自己真正需要什么样的资源，以及如何通过网络来得到相应的服务。

云计算的优点是安全、方便，共享的资源可以按需扩展。云计算提供了可靠、安全的数据存储中心，用户可以不用再担心数据丢失、病毒入侵。这种使用方式对于用户端的设备要求很低。用户可以使用一台普通个人计算机，也可以使用一部手机，就能够完成用户需要的访问与计算。

各种用户的云计算：由于用户可以根据自己的需要，按需使用云计算中的存储与计算资源，因此云计算模式更适用于中小企业，可以降低中小企业的产品设计、生产管理、电子商务的成本。苹果公司推出的iPad平板计算机的关键功能全都聚焦在互联网上，包括浏览网页、收发电子邮件、观赏影片照片、听音乐和玩游戏。当有人质疑iPad的存储容量太小时，苹果公司的回答是，当一切都可以在云计算中完成时，硬件的存储空间早已不是重点。

云计算的软件服务：软件即服务（SaaS）是基于互联网的软件应用模式，是通过浏览器把程序传给成千上万的用户。从用户的角度，他们将省去在服务器和软件购买授权方面的开支。从供应商的角度，只需要维持一个程序就可以，从而降低了运营成本。云计算可以将开发环境作为一种服务向用户提供，使得用户能够开发出更多的互联网应用程序。

图2-5 云计算工作模式示意图

高性能计算、普适计算与云计算将成为物联网重要的计算环境。网格计算随着互联网应用的发展而出现的一种专门针对复杂科学计算而出现的新型计算模式。这种计算模式利用互联网将分散在不同地理位置的计算机组织成一台“虚拟的超级计算机”。其中，每一个参与计算的计算机就是一个“节点”，而成千上万个节点就形成了一个“网格”。这种“虚拟的超级计算机”的特点是计算能力强，能够充分地利用互联网上空闲的计算资源。网格计算是超级计算机与计算机集群的延伸，它的应用主要是针对大型、复杂的科学计算问题。它们将计算变为一种公共设施，以服务租用的模式向用户提供服务，这些理念摆脱了传统自建信息系统的习惯模式。未来的网络应用，从手机、GPS等移动装置，到搜索引擎、网络信箱等基本的网络服务，以及大数据量的分析、大型物流的跟踪与规划、大型工程设计，都可以通过云计算环境实现。

2.物联网与数据库技术

物联网通过传感器对各种需要感知的信号进行采集，计算机将所采集到的信息进行处理，得出最佳的经济技术方案，为各种服务提供理想的决策。在这个过程中，数据库技术是这个过程的重要工具。因此，物联网技术中数据采集与存储是同等重要的。数据库技术对物联网系统的自学习和知识积累是十分重要的，尤其是服务过程的数据积累对提高系统的智能化都是十分有益的。

面向对象数据库：面向对象数据库采用面向对象数据模型，是面向对象技术与传统数据库技术相结合的产物。面向对象数据模型能够完整地描述现实世界的数据结构，具有丰富的表达能力。目前，在许多关系数据库系统中已经引入并具备了面向对象数据库系统的某些特性。

分布式数据库：分布式数据库（DDB）是传统数据库技术与网络技术相结合的产物。一个分布式数据库是在物理上分散在计算机网络各节点上，但在逻辑上属于同一系统的数据集合。它具有局部自治与全局共享性、数据的冗余性、数据的独立性、系统的透明性等特点。分布式数据库管理系统（DDBMS）支持分布式数据库的建立、使用与维护，负责实现局部数据管理、数据通信、分布式数据管理以及数据字典管理等功能。分布式数据库在物联网系统中将有广泛的应用前景。

并行数据库（PDB）：并行数据库是传统数据库技术与并行技术相结合的产物，它在并行体系结构的支持下，实现数据库操作处理的并行化，以提高数据库的效率。超级并行计算机的发展推动了并行数据库技术的发展。并行数据库的设计目标是提高大型数据库系统的查询与处理效率，而提高效率的途径不仅是依靠软件手段，更重要的是依靠硬件的多CPU的并行操作来实现。并行数据库技术主要研究的内容包括：并行数据库体系结构、并行数据库机、并行操作算法、并行查询优化、并行数据库的物理设计、并行数据库的数据加载和再组织技术问题。

演绎数据库（DeDB）：演绎数据库是指具有演绎推理能力的数据库。它是由数据库管理系统和一个规则管理系统构成的。推理用的事实数据库称为外延数据库，用逻辑规则定义要导出的事实数据库称为内涵数据库。演绎数据库是研究如何有效地计算逻辑规则推理，内容包括：逻辑理论、逻辑语言、递归查询处理与优化算法、演绎数据库体系结构等。演绎数据库系统不仅可应用于事务处理等传统的数据库应用领域，而且将在科学研究、工程设计、信息管理和决策支持中表现出优势。

多媒体数据库（MDB）：多媒体数据库是以数据库的方式存储计算机中的文字、图形、图像、音频和视频等多媒体信息。多媒体数据库管理系统（MDBMS）是一个支持多媒体数据库的建立、使用与维护的软件系统，负责实现对多媒体对象的存储、处理、检索和输出等功能。主要包括多媒体的数据模型、MDBMS的体系结构、数据的存取与组织技术、多媒体查询语音、MDB的同步控制，以及多媒体数据压缩技术。

主动数据库（DB）：主动数据库是相对于传统数据库的被动性而言的，是数据库技术与人工智能技术相结合的产物。传统数据库及其管理系统是一个被动的系统，它只能被动地按照用户所给出的明确请求，执行相应的数据库操作，完成某个应用事务。主动数据库除了具有传统数据库被动服务功能之外，还提供主动服务功能。其目标是提供及时反应的功能，同时又提高数据库管理系统的模块化程度。其基本方法是采取在传统数据库系统中嵌入“事件—条件—动作”的规则。当某一事件发生后，引发数据库系统检测数据库状态是否满足所设定的条件，若条件满足则触发规定动作的执行。

数据仓库（DW）、数据集市与数据挖掘技术：建立数据仓库能帮助企业管理和决策面向主题的、集成的、相对稳定的、动态更新的数据集合；应用数据仓库技术，使系统能够面向复杂数据分析、高层决策支持，提供集成化数据和历史数据，为决策者进行全局和战略的决策及长期趋势分析提供有效的支持。数据仓库系统中有工具层，它包括联机分析处理工具、预测分析工具和数据挖掘工具。数据挖掘技术是人们长期对数据库技术进行研究和开发的成果，由最初各行业数据是存储在计算机的数据库中的，然后发展到可对数据库进行查询和访问。数据挖掘使数据库技术不仅能对过去的数据进行查询和遍历，并能够找出过去数据之间的潜在联系。随着海量数据搜集、大型并行计算机与数据挖掘算法的日趋成熟，数据仓库与数据挖掘的研究与应用已经成为当前计算机应用领域一个重要的方向。并行数据库、演绎数据库、主动数据库、数据仓库与数据集市技术已经进入了普适计算研究的范围，这对于物联网的应用有着重要作用。

3.人工智能技术

物联网从物物相连开始，到智慧地感知世界中的一切，人工智能就是实现这个最终目标的技术。人工智能是计算机科学、控制论、信息论、神经生理学、心理学、语言学等多种学科高度发展、紧密结合、互相渗透而发展起来的一门交叉学科。人工智能研究的目标是，如何使计算机学会运用知识，像人类一样完成智能的工作。当前人工智能的研究与应用主要集中在以下几个方面。

（1）自然语言理解与数据库的智能检索

自然语言是研究用计算机模拟人的语言交互过程，使计算机能理解和运用人类社会的自然语言（如汉语、英语等），实现人机之间通过自然语言的通信，以帮助人类查询资料、解答问题、摘录文献、汇编资料，以及一切有关自然语言信息的加工处理。自然语言理解的研究涉及计算机科学、语言学、心理学、逻辑学、声学、数学等学科。自然语言理解分为语音理解和书面理解两个方面。

语音理解是用口语语音输入，使计算机“听懂”人类的语言，用文字或语音合成方式输出应答。由于理解自然语言涉及对上下文背景知识的处理，同时需要根据这些知识进行一定的推理，因此实现功能较强的语音理解系统仍是一个比较艰巨的任务。目前人工智能研究中，在理解有限范围的自然语言对话和理解用自然语言表达的小段文章或故事方面的软件已经取得了较大进展。

书面语言理解是将文字输入到计算机，使计算机“看懂”文字符号，并用文字输出应答。书面语言理解又叫做光学字符识别（OCR）技术。此项技术是指用扫描仪等电子设备获取纸上打印的字符，通过检测和字符比对的方法，翻译并显示在计算机屏幕上。书面语言理解的对象可以是印刷体或手写体。目前它已经进入广泛应用的阶段，包括手机在内的很多电子设备都成功地使用了OCR技术。

数据库系统是存储某个学科大量事实的计算机系统。存储信息量越来越庞大，解决智能检索的问题便具有实际意义。将人工智能技术与数据库技术结合起来，建立演绎推理机制，变传统的深度优先搜索为启发式搜索，从而有效地提高了系统的效率。实现数据库智能检索，此项技术在物联网中是常用的基本技术。智能信息检索系统具有如下功能：能理解自然语言，允许用自然语言提出各种询问；具有推理能力，能根据存储的事实，演绎出所需的答案；拥有一定的常识性知识，以补充学科范围的专业知识，系统根据这些常识性知识，将能演绎出更经典的答案。

（2）定理证明与专家系统

在计算机上自动实现符号演算的过程称为机器定理证明和自动演绎，机器定理证明是人工智能主要成果，用于问题求解、程序验证和自动程序设计等。虽数学定理证明过程尽管严格，但决定采取什么样的证明步骤，却依赖于经验、想象力和洞察力，需要初始的人工设计。

专家系统是一个智能计算机程序系统，系统存储有大量的、按某种格式表示的特定领域专家知识，构成了较为完整的知识库，并设置了具有类似专家解决实际问题的推理机制，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法，模拟处理该领域众多的问题。同时，专家系统具有自学习能力，可以在解决问题的过程中不断地积累经验。

（3）计算机的博弈问题

计算机解决博弈问题的两种基本方式：一是计算机和计算机之间对抗；二是计算机和人之间对抗。博弈问题也为搜索策略、机器学习等问题的研究提供了很好的实际应用背景。因此，它所产生的概念和方法对人工智能的其他问题研究都具有重要的意义。

物联网系统对环境自适应是要求系统数据处理的程序在操作和执行工程中，能自动应对过程中可能出现的各种问题。能在过程中学习并主动应对未曾遇到过的问题，并根据以往的经验，自动设计出能够满足当前任务要求的工作程序。这个过程中软件能自动完成新的工作程序生成，硬件能够执行生成的新的工作指令。在物联网应用中自动生成的问题在应用系统设计中必须充分考虑。因此，自动程序设计是尽可能借助计算机系统，特别是自动程序设计系统，完成软件开发的过程。软件开发是指从问题的描述、软件功能说明、设计说明，到可执行的程序代码生成、调试、交付使用的全过程。按狭义的理解，自动程序设计是从形式的软件功能规格说明到可执行的程序代码这一过程的自动化。

（4）多信息感知问题

味觉、视觉、听觉与触觉等都是感知问题。计算机对各种传感器提供的信息进行处理，将多个传感器提供的信息融合，形成与人脑相似的处理结果，其执行的任务过程几乎与人完全相同。多信息感知和处理技术方面，最有代表性技术就是视觉信息处理技术。在物联网中，就是机器视觉的处理技术，如实时并行处理、主动式定性视觉、动态和时变视觉、三维景物的建模与识别、实时图像压缩传输和复原、多光谱和彩色图像的处理与解释等。机器视觉已在机器人装配、卫星图像处理、工业过程监控、飞行器跟踪和制导及电视实况转播等领域获得极为广泛的应用。

（5）组合调度问题

在物联网中，资源与对象之间的配给问题，都是确定最佳调度或最佳组合的问题，如在信息传递过程中互联网的路由优化问题，物流网要为物品确定一条最有效的供给路线等。实质上，这类问题都是相当于在一个平面上、在几个节点组成的图的各条边中，寻找一条每一个节点经过一次的最小耗费的路径。在大多数情况下，这类组合调度问题中，随着求解节点规模的增大，求解程序面临的困难程度按指数方式增长。通常采用人工智能组合调度方法解决这类问题，使“时间—问题大小”曲线的变化尽可能缓慢。

4.多媒体技术

多媒体技术是一门较新的电子应用技术，是综合计算机技术、通信技术、3D软件和音响的综合技术，主要表现在多媒体技术是计算机以交互方式综合处理文字、声音、图形、图像等多种媒体，使多种媒体之间建立起内在的逻辑连接。多媒体技术具有集成性、实时性与交互性等特点。

多媒体技术的交互性是指用户不是简单、被动地观看，而是能够介入到媒体信息的处理过程之中。与我们在电视机中看一场赛车比赛不同，如果我们面对屏幕玩一个多媒体的赛车游戏，我们的每一个操作动作，赛车都必须在模拟的环境中“身临其境”地表现出来。失去了交互性，就失去了多媒体技术存在的价值。多媒体技术研究的内容主要包括以下几个方面：

（1）多媒体数据压缩、解压算法与标准

由于多媒体技术的推广必须有计算机、电子、通信、影视等多个行业的通力合作，因此多媒体技术的标准化问题尤为突出。影响多媒体产品生产与应用的核心问题是多媒体数据的压缩编码与解码算法。

在多媒体系统中，数字化的图像与视频要占用大量的存储空间，高效的压缩、解压算法是多媒体计算机系统运行的关键。目前多媒体计算机采用的是ISO与ITU联合制定的数字化图像压缩国际标准。数字化图像压缩国际标准主要有静态图像数据压缩（JPEG）标准和运动图像压缩（MPEG）标准。如何选择与执行多媒体数据压缩、解压算法和标准，是设计、开发一个多媒体计算机系统的关键。(www.xing528.com)

（2）多媒体计算机硬件平台

多媒体计算机系统的运行硬件平台包括主板、CPU、内存、硬盘、光驱、音频卡、视频卡、音像输入与输出设备，因此设计多媒体计算机系统的一个重要问题是如何选择运行系统的硬件配置。MPC标准对于多媒体个人计算机的内存、CPU、磁盘类型、CD-ROM规格、音频设备规格、图形卡规格、视频播放要求、用户接口、I/O接口以及操作系统软件版本都做出了明确的规定。

（3）多媒体计算机软件平台

多媒体计算机软件平台以操作系统为基础。多媒体计算机操作系统有两种类型：一种是专门为多媒体设计的操作系统（如AmigaDOS、CD-RTOS、NEXTStep等）；另一种是在原有的操作系统上扩展一个支持音频与视频处理的多媒体软件模块及相关的工具，大部分软件公司都采取第2种方法。

（4）多媒体数据存储技术

由于多媒体数据的存储量很大，因此选取高效、快速的存储部件是设计多媒体计算机系统的重要工作之一。光盘是目前应用最多的存储设备，包括只读光盘、一次写多次读光盘、可擦写光盘。

（5）多媒体开发与编辑工具

为了方便用户编程开发多媒体应用系统，一般需要在多媒体操作系统之上提供丰富的多媒体开发工具，如Microsoft MDK（多媒体开发软件包）为用户提供了对图形、视频、声音等文件进行转化和编辑的工具。为了方便多媒体节目开发，还要向多媒体计算机提供可视化的动画制作软件与多媒体节目编辑软件。

（6）多媒体数据库与基于内容的搜索技术

多媒体数据库包含的数据类型除文本之外，还包含声音、图形、图像与视频等数据，并且数据之间的关系复杂，需要一种更有效的多媒体数据管理系统与工具。同时，由于声音、图形、图像与视频属于非格式化的数据，因此对于多媒体信息的检索要比对传统的管理结构化文本与数据的数据库管理系统的检索复杂得多。对于多媒体信息的检索往往需要根据媒体中表达的情节内容进行检索，这就需要研究基于内容的信息检索方法。基于内容的信息检索一般是采用近似的匹配技术，通过人机交互的方式逐步求精，逐步缩小搜索结果的范围，最终定位到要查找的目标。

（7）超文本技术

超文本是一种有效的管理多媒体信息的方法，采用一种联想的、网状结构的方法来组织块状信息；超文本能够有效地将文本与声音、图形、图像及视频结合在一起，符合多媒体对于多种类型数据的实时处理的需求，因此是多媒体网络应用研究中一个重要的概念与工具。

（8）网络多媒体与分布式多媒体系统

多媒体技术与网络技术的结合产生了很多重要的应用领域，如可视电话、网络电视会议、网络视频点播、手机视频，以及网络教育、网络医疗等。ITU推荐的面向可视电话与电视会议的视频压缩算法标准主要有H.262、H.263等。目前，网络多媒体与分布式多媒体系统是多媒体应用研究的一个热点领域。多媒体技术的应用几乎覆盖了计算机应用的各个领域，涉及人们生活、学习、医疗、娱乐等，已经引起产业界的高度重视。多媒体应用主要包括以下几个方面。

教学与培训：利用多媒体技术开展教学与培训工作，寓教于乐，内容直观、生动，能够有效地提高教学和培训的质量。目前多媒体技术已经广泛地应用于教学与培训的过程中。

娱乐与游戏：网络视频点播、动漫与网络游戏已经成为互联网应用的重要领域之一。网络游戏属于电子游戏范畴，是电子游戏借助于互联网技术发展出来的。自1971年第一台街机游戏机诞生以来，以电子游戏为代表的数字娱乐业已经从当初的一种边缘性的娱乐方式，日益发展成为目前全球性的一种主流方式。随着多媒体技术的发展，基于互联网的网络视频点播、动漫与网络游戏已经形成了有一定规模的产业。

电视会议系统与网络电话：随着多媒体通信与视频图像传输数字化技术的进展，计算机网络与多媒体技术的结合产生的电视会议系统已经广泛应用于电子政务、国际学术会议等领域。网络电话已经从固定电话业务转移到移动网络电话业务，并成为新的产业经济增长点。

计算机协同工作：多媒体技术与分布式计算技术的结合，使得位于网络不同位置的科研实验室、医院手术室、设计中心的科学家、医生、工程师，能够利用多媒体系统开展合作研究、异地手术会诊与联合设计工作。多媒体技术可以使物联网感知世界，表现感知结果的手段更丰富、更形象、更直观，因此多媒体技术在未来的物联网中一定会得到广泛应用。

5.虚拟现实技术与应用

虚拟现实是计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术相结合的产物。虚拟现实技术模拟人的视觉、听觉、触觉等感官功能，通过专用软件和硬件，对图像、声音、动画等进行整合，将三维的现实环境和物体模拟成二维形式表现的虚拟境界，再由数字媒体作为载体传播给观察者。观察者可以选择任一角度，观看任一范围内的场景或物体，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，就好像身临其境一样。虚拟现实技术最重要的特点是交互性和实时性。它能够突破空间、时间以及其他客观限制，感受到真实世界中无法亲身经历的体验，给人们带来一个全新的视野。“虚拟”与“现实”是两个不同含义的词，但是科学技术的发展却赋予了它全新的含义。虚拟现实是用计算机合成的人工世界。虚拟现实主要解决3个问题：

1）以假乱真的境界：如何使观察者产生与现实环境一样的视觉、触觉与听觉。

2）互动性：如何产生与观察者动作相一致的现实感。

3）实时性：如何形成随时间推移的现实感。

人在真实环境中获得的信息，绝大多数是通过视觉、触觉、听觉、嗅觉等功能获得的。人获得外界信息的80%～90%来自视觉，因而在虚拟环境中实现和真实环境中一样的视觉感受，对于获得逼真感、浸入感是十分重要的。在虚拟现实中，和通常图像不同在于，要求显示的图像要随观察者眼睛位置的变化而变化。此外，要求能快速生成图像以获得实时感。制作动画时不要求实时，为了保证质量，每幅画面需要多长时间生成不受限制。而虚拟现实中生成的画面通常为30帧/s，这样的图像配以适当的音响效果，就如同立体电影一样，让人感到身临其境。虚拟现实是多种技术的综合，其关键技术的主要内容包括以下几个方面：

环境建模技术：虚拟环境建立的目的是获取实际三维环境的三维数据，必须根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境的模型与技术。

立体声合成和立体显示技术：在虚拟现实系统中，必须解决声音的方向与用户头部运动的相关性问题，以及在复杂的场景中实时生成立体图形的问题。

触觉反馈技术：在虚拟现实系统中，必须解决用户能够直接操作虚拟物体，并感觉到虚拟物体的反作用力，从而产生身临其境的感觉的问题。

交互技术：虚拟现实中，人机交互超出了键盘和鼠标的模式，需要数字头盔、数字手套等复杂的传感器设备，解决三维交互技术与语音识别、语音输入技术等人机交互的问题。

系统集成技术：在虚拟现实系统中，包括大量的感知信息和模型，必须解决将信息同步、数据转换、信息识别和合成技术集成在一个系统之中，创造协同工作平台的问题。

（1）虚拟现实系统

虚拟现实系统核心设备主要是称之为图形工作站的计算机，图像显示设备是用于产生立体视觉效果的外部设备。人员佩戴的产品包括视频眼镜、三维投影仪和头盔显示器。新型头盔除可提供高分辨率、大视场角的虚拟场景和立体声耳机，还可以提供相应的振动，使人产生强烈的浸入感。其他外部设备主要用于实现与虚拟现实的交互功能，包括数据手套、三维鼠标、运动跟踪器、力反馈装置、语音识别与合成系统等。

虚拟现实技术还可构造现实不存在的3种环境：人可达到的合理的虚拟现实环境，人不可达到或夸张的虚拟现实环境，纯粹虚构的梦幻环境。人们可以根据不同环境特点，找到虚拟现实技术应用的不同领域。虚拟现实环境可以用于场景展示与训练，人们不可能达到的夸张的环境及纯粹虚构的梦幻环境可以用于游戏、科幻影片制作，以及工业、建筑设计、教育培训、文化娱乐等各个方面。

（2）虚拟现实技术在航空航天、汽车、航海领域中的应用

虚拟现实技术可以用于航天员、飞机驾驶员、汽车驾驶员与航海轮船驾驶员的训练上（见图2-6）。这样能让驾驶员在机舱模拟器中看到与真实环境完全相同的场景，而事实上是计算机模拟上的演示。能让驾驶员感到自己驾驶飞机向前或向后飞的真实场景，以及看到舱内各种各样的仪表和指示灯，听到的是计算机模拟的机舱环境声，感觉到的则是计算机模拟的机舱相对于跑道的运动和对驾驶盘、操纵杆所具有的完全真实触觉。由于这是一种省钱、安全、有效的培训方法，现在已被推广到各个行业的培训中，也必将在未来的物联网中有广泛的应用。

图2-6 虚拟现实技术在模拟汽车、飞机、轮船驾驶员训练中的应用

（3）虚拟现实技术在水库建设、防洪抗灾中的应用

用虚拟现实技术可以模拟水库和江河湖泊的防汛、溃坝和救援等过程。能演示出可能出现的各种情况，针对性地制定出各种预案。如对堤坝或水库，在水位到达或超过警戒水位之后，可能哪些堤段会出现险情；万一发生决口将淹没哪些地区，在汶川地震救援中决定唐家山堰塞湖处理方案的决策时就采用了虚拟现实技术对唐家山堰塞湖形成、变化过程及灾情发展趋势做出了正确的预测，为中央决策提供了科学的依据。

6.嵌入式技术

物联网的感知层使用大量的嵌入式感知设备，嵌入式技术是使物联网具有感知能力的基础。掌握嵌入式技术对于理解物联网的基本工作原理是非常重要的。

（1）嵌入式系统与智能化

嵌入式系统也称为嵌入式计算机系统，是针对特定的应用，剪裁计算机的软件和硬件，以满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗要求的专用计算机系统。

嵌入式系统是将计算与控制的概念联系在一起，并嵌入到物理系统中，实现智能化的目的。无线传感器网络是在嵌入式技术基础上实现环境智能化的重要技术领域，嵌入式系统通过采集和处理来自不同感知源的信息，实现对物理过程的控制，以及与用户的交互。嵌入式系统技术是实现智能化的基础性技术。

（2）嵌入式计算机系统

微型机应用和微处理器技术发展为嵌入式系统奠定了基础，微型机的出现使得计算机进入了个人计算机与便携式计算机的阶段。微型机应用技术的发展、微处理器芯片可定制、软件技术的发展都为嵌入式系统的诞生创造了条件，奠定了基础。嵌入式系统的技术特点如下：

嵌入式系统在智能控制方面应用：计算机系统分为通用计算机与嵌入式计算机两大系统。在物联网中面对的是大数据量、复杂计算的需求，要选择通用计算机系统，而面对环境中需要连入网中的大量设备，如PDA、电视机机顶盒、手机、数字电视、数字相机、汽车控制器、工业控制器、机器人、医疗设备中的智能控制，对作为其内部组成部分的计算机的功能、体积、耗电有特殊的要求，这种特殊的设计要求是推动定制的小型、嵌入式计算机系统发展的动力。

嵌入式系统与微处理器及软件：由于嵌入式系统要适应PDA、手机、汽车控制器、工业控制器、物联网端系统以及医疗设备中不同的智能控制功能、性能、可靠性与体积等方面的要求，而传统的通用计算机的体系结构、操作系统、编程语言都不能够适应嵌入式系统的要求，因此研究人员必须为嵌入式系统研究特殊要求的微处理器芯片、嵌入式操作系统与嵌入式软件编程语言。

嵌入式系统人员要求：因对象的特征不同，单纯的通用计算机的设计与编程能力不能满足嵌入式任务的要求，开发团队必须由计算机、机器人、电子学等多方面的技术人员组成。在实际工作中，为满足物联网的具体要求，从事嵌入式系统开发的技术人员由两类人员组成：一类是电子工程、通信工程专业的技术人员，主要是完成硬件设计，开发与底层硬件关系密切的软件；另一类是从事计算机与软件专业的技术人员，主要从事嵌入式操作系统和应用软件的开发。这样才能同时具备硬件设计能力、底层硬件驱动程序、嵌入式操作系统与应用程序开发能力的复合型人才的要求。

7.便携式计算机技术与物联网

超便携式计算机技术的研究与发展对物联网的发展是十分重要的，它可以解决军事、公安、消防、救灾、医疗、突发事件处理领域的特殊需求，极大地提高使用者处理信息的能力，发挥以往任何设备都无法发挥的作用。可穿戴计算机系统（Wearable Computing System）是满足更小、更轻便，能够像人们使用的衣服、手表、手机一样，时时处处为人服务的计算机系统。这类像衣服一样可穿戴的计算机设备，称为超便携式或可穿戴计算机。

可穿戴计算机的工作模式，是一种新的人机交互模式。这种人机协同交互形式，具有3种特性：持久性、增强性与介入性。传统计算机在用户需要使用时才开机，使用结束之后需要关机。而可穿戴计算机与使用者的身体成为了一体，并且处于“总是准备接受使用状态”。传统计算机的重点是计算，而可穿戴计算机的主要任务不仅仅是计算，而是在计算的基础上增强人的智慧，以及增强人对外部环境的感知能力。

这种增强人感知能力的需要必将形成增强人机协同交互性的特点，与笔记本计算机不同。可穿戴计算机能穿到用户身上，在更大程度上参与用户的决策。在可穿戴计算机的设计中，考虑到系统在参与人的决策过程中如何屏蔽不需要的信息，起到一个信息过滤器的作用；同时在可穿戴计算机的设计中，还要考虑到信息的安全性，防止无线通信过程中的信息泄露和被窃取。

这种技术的特点主要表现在使用方便灵活，与周边环境的感知性良好，具有良好的操控性和交互性。这种计算机系统除了可以实现良好的运算功能以外，还与使用者的穿戴相配合，可随使用者作任意移动，不仅解放了使用者的四肢，而且提供实时的显示功能，使用户可根据现场环境，及时调整自己的方针。

这种计算机系统通常与无线自组网、蓝牙技术相联系，系统还具有移动数据通信、接收和处理等功能。其突出的特点表现在移动计算能力、智能助手能力、多种控制能力。在这种系统周边还要配合上相应的传感器和软件，可为佩戴者提供提示、助记、解释等功能。在它的介入方面功能表现在被处理后的现实似虚拟，而非完全的虚拟。

这种系统对环境感知表现在当用户未主动向可穿戴计算机发出指令时，系统自动感知环境的变化，并向用户发出提示和响应。多种控制能力体现在可穿戴计算机根据不同的用户需求，可以提供简单的腕式、臂式、腰带式、头盔式设备。功能完备的可穿戴计算机包括头盔式微显示器、头戴子系统、微小型计算机及多端口外部设备。