45虛擬現(xiàn)實技術(shù)41

1、4.5 虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要內(nèi)容容虛擬現(xiàn)實實技術(shù)概概況以“桌面虛擬擬現(xiàn)實系系統(tǒng)”為例介紹紹虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)統(tǒng)虛擬現(xiàn)實實技術(shù)在在教育中中的應(yīng)用用虛擬現(xiàn)實實技術(shù)概概況一、虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)概念念又稱臨境境技術(shù)（靈境技技術(shù)），是指指用立體體眼鏡和和傳感手手套等一一系列傳傳感輔助助設(shè)施來來實現(xiàn)的的一種三三維現(xiàn)實實，人們們通過這這些設(shè)施施以自然然的方式式（如頭頭的轉(zhuǎn)動動、手的的運動等等）向計計算機(jī)送送入各種種動作信信息，并并且通過過視覺、聽覺以以及觸覺覺設(shè)施使使人們得得到三三維的視視覺、聽聽覺及觸觸覺等感感覺世界界。二、虛擬擬現(xiàn)實的的發(fā)展簡簡史1965年，Sutherland在終極的顯顯示中首次提提出虛擬擬現(xiàn)實

2、系系統(tǒng)的基基本思想想。1966年，MIT的林肯實實驗室開開始頭盔盔式顯示示器研制制。70年代出現(xiàn)現(xiàn)第一個個功能較較齊全的的HMD系統(tǒng)。80年代初正正式提出出了“Virtual Reality”一詞80年代，美美國宇航航局（NASA）及國防防部組織織了一系系列有關(guān)關(guān)虛擬現(xiàn)現(xiàn)實技術(shù)術(shù)的研究究。如，1984年，NASA Ames研究中心心虛擬行行星探測測實驗室室將火星星探測器器發(fā)回的的數(shù)據(jù)輸輸入計算算機(jī)，為為地面研研究人員員構(gòu)造了了火星表表面的三三維虛擬擬環(huán)境。90年代，計計算機(jī)軟軟硬件的的發(fā)展為為虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)統(tǒng)的發(fā)展展打下了了的基礎(chǔ)礎(chǔ)。1993年11月，宇航航員利用用虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)統(tǒng)成功地地完成

3、了了從飛機(jī)機(jī)的運輸輸艙內(nèi)取取出望遠(yuǎn)遠(yuǎn)鏡面板板的工作作。再如如，用虛虛擬現(xiàn)實實技術(shù)設(shè)設(shè)計波音音777獲得成功功。三、虛擬擬現(xiàn)實系系統(tǒng)一般般構(gòu)成虛擬世界界虛擬現(xiàn)實實軟件計算機(jī)輸入設(shè)備備輸出設(shè)備備輸入設(shè)備輸出設(shè)備VR軟件虛擬世界常用人機(jī)機(jī)接口設(shè)設(shè)備四、應(yīng)用用領(lǐng)域軍事及航航空如，SGI虛擬現(xiàn)實實系統(tǒng)。無需制制造真正正的原型型試驗機(jī)機(jī)即可獲獲得寶貴貴的數(shù)據(jù)據(jù)。建筑與汽汽車業(yè)設(shè)計師，通過虛虛擬現(xiàn)實實技術(shù)觀觀察他們們設(shè)計的的效果，如外觀觀、動力力性、使使用方便便性。用戶，可通過過虛擬現(xiàn)現(xiàn)實技術(shù)術(shù)在設(shè)計計完成后后“進(jìn)入”大廈漫游游，以便便得知大大廈各房房間的規(guī)規(guī)劃、裝裝飾材料料的選擇擇等是否否滿意。醫(yī)學(xué)醫(yī)生遠(yuǎn)

4、程程做手術(shù)術(shù)培訓(xùn)汽車駕駛駛模擬訓(xùn)訓(xùn)練，大大型飛機(jī)機(jī)駕駛模模擬娛樂虛擬房地地產(chǎn)推銷銷光學(xué)虛擬擬實驗室室大型工程程漫游五、虛擬擬現(xiàn)實系系統(tǒng)的發(fā)發(fā)展趨勢勢例：實景景虛擬現(xiàn)現(xiàn)實技術(shù)術(shù)圖1、杰圖FlyVR實景虛擬擬現(xiàn)實平平臺便攜式三三維展示示硬件：虛擬感應(yīng)應(yīng)頭盔、遙控手手柄、數(shù)據(jù)手套套等gis地圖與現(xiàn)現(xiàn)實場景景的互動動結(jié)合給給人們帶帶來建模模無法實實現(xiàn)的真真實感受受桌面虛擬擬現(xiàn)實系系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實實系統(tǒng)有有如下幾幾種，在在這里主主要介紹紹桌面虛虛擬現(xiàn)實實系統(tǒng)一、什么么是桌面面虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)統(tǒng)？是一種集集立體圖形形、自然交互互等技術(shù)，以營造造與客觀觀世界高高度類似似的、逼逼真的、虛擬的的環(huán)境為為重要內(nèi)內(nèi)容進(jìn)行

5、行各種應(yīng)應(yīng)用的系系統(tǒng)。即是利用用個人計計算機(jī)和和低級工工作站進(jìn)進(jìn)行仿真真，計算算機(jī)的屏屏幕用來來作為用用戶觀察察虛擬境境界的一一個窗口口，各種種外部設(shè)設(shè)備一般般用來駕駕駛虛擬擬境界，并且有有助于操操縱在虛虛擬情景景中的各各種物體體。二、桌面面虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)統(tǒng)特性虛擬現(xiàn)實實系統(tǒng)具具有一種種身臨其其境的臨臨場感，為了達(dá)達(dá)到這種種目的，虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)統(tǒng)具備一一些與普普通圖形形系統(tǒng)不不同的特特點：1、生動的的計算機(jī)機(jī)圖形圖圖像場景景2、自然的的人機(jī)交交互3、通用的的圖形軟軟件平臺臺三、常見見的桌面面虛擬現(xiàn)現(xiàn)實技術(shù)術(shù)基于靜態(tài)態(tài)圖像的的虛擬現(xiàn)現(xiàn)實技術(shù)術(shù)采用連續(xù)續(xù)拍攝的的圖像和和視頻，在計算算機(jī)中拼拼接建立

6、立實景化化虛擬空空間VRML（虛擬現(xiàn)現(xiàn)實造型型語言）采用描述述性的文文本語言言描述基基本的三三維物體體的造型型，通過過一定的的控制，將這些些基本的的三維造造型組合合成虛擬擬場景，當(dāng)瀏覽覽器瀏覽覽這些文文本描述述信息時時，在本本地進(jìn)行行解釋執(zhí)執(zhí)行，生生成虛擬擬的三維維場景。桌面CAD（computerassociated design計算機(jī)輔輔助設(shè)計計）系統(tǒng)統(tǒng)利用桌面面三維圖圖形繪制制技術(shù)對對虛擬世世界進(jìn)行行建模，通過計計算機(jī)的的顯示器器進(jìn)行觀觀察，并并能自由由地控制制視點和和視角。NextVRML（Virtual RealityModelingLanguage）虛擬現(xiàn)實實建模語語言VRML的歷

7、史返回VRML工作原理理：文本描述述、遠(yuǎn)程程傳輸、本地計計算文本描述述，指VRML用類似HTML標(biāo)記文本本語言來來描述三三維場景景，如，立方體體的描述述文本是是：Box（size3.0*3.0*3.0)。遠(yuǎn)程傳輸輸，指用戶戶VRML描述的虛虛擬場景景時，需需要通過過Internet將描述場場景的文文本傳送送到本地地。本地計算算生成，是指描描述虛擬擬場景的的數(shù)據(jù)傳傳送到本本地后，瀏覽器器對它進(jìn)進(jìn)行解釋釋計算，動態(tài)地地生成虛虛擬場景景。返回VRML的應(yīng)用：VRML使得Internet的一片平平面世界界首次出出現(xiàn)了了了三維場場景，成成為Internet最具發(fā)展展前景的的新興技技術(shù)。在教育領(lǐng)領(lǐng)域的We

8、b站點中，它可廣廣泛用于于學(xué)習(xí)情情景創(chuàng)設(shè)設(shè)，增加加學(xué)習(xí)內(nèi)內(nèi)容的形形象性和和趣味性性，并可可用于可可視化的的導(dǎo)航，自然的的人機(jī)界界面等方方面。如如：創(chuàng)建建網(wǎng)上三三維圖書書館，它它的特點點是，書書籍歸類類整理更更接近真真實或?qū)⒏哂谡嬲鎸?，匯匯編或查查閱書籍籍時只需需要鼠標(biāo)標(biāo)的輕輕輕戰(zhàn)地對對應(yīng)的虛虛擬圖書書。返回VRML的語法與與節(jié)點返回GroupchildrenShapeShape Transformtranslation 0.00.00.0scale0.20.5 0.2childrenShape ShapeVRML節(jié)點參考考QTVR（QuickTimeVirtualReality)QTVR是一

9、種基基于靜態(tài)態(tài)處理的的，在微微機(jī)平臺臺上能夠夠?qū)崿F(xiàn)的的初級虛虛擬現(xiàn)實實技術(shù)。QTVR是在下列列概念基基礎(chǔ)上組組成的：全景，是空間間中一個個視點對對周圍環(huán)環(huán)境360度的視圖圖對象，是從分分布在以以一個物物體為中中心的立立體360度的球面面上的眾眾多視點點來觀察察這個物物體，從從而生成成的對一一個物體體全方位位的圖像像信息。場景，是把一一個或多多個全景景圖像或或?qū)ο箅婋娪?，通通過熱點點這種手手段連接接后的全全景圖像像和對象象電影的的有序集集合體。返回QTVR的優(yōu)點：可由攝像像機(jī)獲取取三維場場景，對對計算機(jī)機(jī)的計算算能力要要求不高高，可實實現(xiàn)實時時建模與與動態(tài)顯顯示。QTVR的缺點：場景本身身必須是

10、是靜態(tài)的的，在漫漫游時，觀察點點及方向向受到了了嚴(yán)格的的限制。返回虛擬現(xiàn)實實技術(shù)在在教育中中的應(yīng)用用引言教育是一一個傳授授知識的的過程，在眾多多通過親親身經(jīng)歷歷這一過過程，鞏鞏固所傳傳授的知知識的的方法中中，虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)是最最有效的的。虛擬現(xiàn)實實技術(shù)在在教育中中的應(yīng)用用依據(jù)虛虛擬環(huán)境境不同可可分為：虛擬校園園虛虛擬教教室虛擬實驗驗室虛虛擬擬圖書館館1虛擬校校園它除了可可以具有有一所傳傳統(tǒng)學(xué)校校所具備備的正常常活動的的虛擬場場所外，還擁有有傳統(tǒng)學(xué)學(xué)校不可可能擁有有的環(huán)境境。在虛虛擬校園園里，有有虛擬教教室、虛虛擬實驗驗室、虛虛擬圖書書館等學(xué)學(xué)習(xí)的場場所，還還有學(xué)習(xí)習(xí)者交往往和活動動（包括括文

11、娛活活動、體體育活動動、藝術(shù)術(shù)活動和和社會活活動等）的場所所。2虛擬教教室它是指運運用虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)生成成的進(jìn)行行教育實實踐的具具有逼真真感的虛虛擬環(huán)境境。學(xué)習(xí)習(xí)者可借借助于有有關(guān)設(shè)備備進(jìn)入虛虛擬課堂堂，接受受教育和和進(jìn)行學(xué)學(xué)習(xí)。3虛擬實實驗室虛擬實驗驗室是由由虛擬現(xiàn)現(xiàn)實技術(shù)術(shù)創(chuàng)造的的一種可可以進(jìn)行行實驗的的虛擬環(huán)環(huán)境。在在這個環(huán)環(huán)境中，學(xué)習(xí)者者有逼真真的感覺覺，他似似乎是在在真正的的實驗室室里近距距離進(jìn)行行現(xiàn)場操操作。虛擬實驗驗室的產(chǎn)產(chǎn)生和應(yīng)應(yīng)用使遠(yuǎn)遠(yuǎn)程實驗驗教學(xué)得得以真正正實現(xiàn)。它徹底底解決了了以往所所有遠(yuǎn)程程教育模模式中理理論教學(xué)學(xué)的遠(yuǎn)距距離性和和實驗教教學(xué)的近近距離性性的矛盾盾，使整

12、整個教育育完全遠(yuǎn)遠(yuǎn)程化。4虛擬圖圖書館虛擬圖書書館是用用虛擬現(xiàn)現(xiàn)實技術(shù)術(shù)生成的的提供信信息的場場所，因因此它也也可以稱稱之為“虛擬信息息中心”。在這里里，不僅僅僅提供供象文本本、視頻頻、聲頻頻等信息息資源，而且更更提供與與眾不同同的身臨臨其境的的信息資資源。例例如要取取得歷史史知識，學(xué)習(xí)者者可以通通過虛擬擬圖書館館，進(jìn)入入不同朝朝代的虛虛擬世界界，實時時觀察或或?qū)嶋H參參與當(dāng)時時的事件件，從而而親身感感受和了了解不同同朝代的的實況。再如，要取得得人體組組織信息息，學(xué)習(xí)習(xí)者可以以通過靈靈境圖書書館穿行行在人體體的組織織和器官官之間，實地去去考察一一番。下面主要要介紹“虛擬實驗驗室”一、虛擬擬實驗室

13、室虛擬實驗驗，就是實實驗者通通過遠(yuǎn)程程通訊工工具和相相應(yīng)的虛虛擬實驗驗儀器，在遠(yuǎn)程程進(jìn)行操操作、觀觀測實驗驗過程、直至得得到實驗驗結(jié)果的的一種實實驗?zāi)Ｊ绞?。虛擬實驗驗室，是利用用虛擬現(xiàn)現(xiàn)實技術(shù)術(shù)仿真或或虛構(gòu)某某些情境境，供學(xué)學(xué)生觀察察一操縱縱其中的的對象，使他們們獲得體體驗或有有所發(fā)現(xiàn)現(xiàn)。二、虛擬擬實驗室室進(jìn)行虛虛擬實驗驗的方式式主要有有三種類類型遙控型實實驗遙控型實實驗是利利用計算算機(jī)多媒媒體技術(shù)術(shù)和通訊訊技術(shù)，將實驗驗室內(nèi)真真實的實實驗設(shè)備備及控制制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換成成三維圖圖像、聲聲音、狀狀態(tài)等傳傳輸?shù)竭h(yuǎn)遠(yuǎn)端的學(xué)學(xué)生計算算機(jī)中，參加實實驗的學(xué)學(xué)生可以以在自己己的計算算機(jī)中進(jìn)進(jìn)行操作作，通過過通

14、訊線線路遙控控真實實實驗室現(xiàn)現(xiàn)場中的的實驗設(shè)設(shè)備，例例如對實實驗設(shè)備備進(jìn)行編編程、校校對、啟啟停、測測試、監(jiān)監(jiān)控等操操作，使使遠(yuǎn)程實實驗過程程在實驗驗學(xué)生實實時遙控控下運作作。而學(xué)學(xué)生執(zhí)行行操作的的結(jié)果（文字、圖像、數(shù)據(jù)等等）又會會實時地地回傳給給學(xué)生，從而使使實驗學(xué)學(xué)生可對對實驗數(shù)數(shù)據(jù)實時時采集并并進(jìn)行處處理。模擬型實實驗。模擬型實實驗是在在計算機(jī)機(jī)中用軟軟件模擬擬儀器、設(shè)備、元器件件、藥品品等實驗驗器材和和實驗條條件，并并以文字字、圖形形或動畫畫方式顯顯示出來來。實驗驗的學(xué)生生登陸虛虛擬實驗驗室后，與實驗驗軟件進(jìn)進(jìn)行交互互，充分分利用虛虛擬器材材庫中十十分豐富富的實驗驗器材，根據(jù)實實驗要求

15、求進(jìn)行實實驗流程程設(shè)計、實驗裝裝置搭建建、實驗驗內(nèi)容操操作、實實驗結(jié)果果統(tǒng)計分分析等，最后寫寫出實驗驗報告，全部實實驗過程程在計算算機(jī)內(nèi)完完成。例例如，實實驗學(xué)生生可以自自由地取取用軟件件中的各各種電阻阻、電容容、晶體體管、集集成電路路等虛擬擬器件組組成實驗驗要求的的電路，然后接接上虛擬擬的開關(guān)關(guān)和電源源，以及及信號發(fā)發(fā)生器、測量儀儀器、示示波器等等虛擬儀儀器進(jìn)行行實驗，觀察記記錄實驗驗數(shù)據(jù)和和結(jié)果。這種以以軟件來來模擬那那些存在在和使用用的設(shè)備備來做實實驗，可可以取得得和采用用真實實實驗器材材、設(shè)備備相同的的實驗結(jié)結(jié)果。仿真型實實驗仿真型實實驗采用用計算機(jī)機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)現(xiàn)實技術(shù)術(shù)等構(gòu)建建虛擬

16、實實驗環(huán)境境、虛擬擬儀器和和設(shè)備的的方法，為學(xué)生生提供一一種仿真真的實驗驗“情境”，它不僅僅可以控控制學(xué)習(xí)習(xí)情境的的復(fù)雜度度和逼真真度，還還可以弱弱化甚至至剔除真真實情境境中無關(guān)關(guān)的干擾擾因素；學(xué)生可可以“隨機(jī)進(jìn)入入”，身臨其其境地進(jìn)進(jìn)行實時時操作。在初級級的仿真真型實驗驗中，采采用計算算機(jī)技術(shù)術(shù)在計算算機(jī)屏幕幕上創(chuàng)設(shè)設(shè)一個模模仿真實實的場景景，包括括原型實實驗設(shè)備備素材和和這些系系統(tǒng)實際際運行時時的三維維視頻圖圖像和動動畫，并并配以文文字和聲聲音等數(shù)數(shù)據(jù)文件件，學(xué)生生就如同同在真實實實驗室室中現(xiàn)場場進(jìn)行實實驗一樣樣。在高高級的仿仿真型實實驗中，采用虛虛擬現(xiàn)實實技術(shù)構(gòu)構(gòu)建達(dá)到到足以“亂真”境地

17、的實實驗環(huán)境境，學(xué)生生不僅可可以“做”實驗，而而且甚至至可以“親身體驗驗”實驗的運運作，達(dá)達(dá)到比在在真實實實驗室更更好的實實驗效果果。三、構(gòu)建建虛擬實實驗室常常用方法法使用Java進(jìn)行開發(fā)發(fā)使用ActiveX控件進(jìn)行行開發(fā)使用VRML技術(shù)進(jìn)行行三維虛虛擬實驗驗室的開開發(fā)QuickTime VR技術(shù)四、虛擬擬實驗的的優(yōu)越性性、臨場場性指學(xué)生可可以感到到自己處處于虛擬擬實驗室室的體驗驗，產(chǎn)生生一種逼逼真的存存在感。虛擬實實驗室與與真正的的實驗室室同等完完美，虛虛擬儀器器與實際際儀器功功能相同同，操作作方法也也一樣，實驗者者在虛擬擬實驗室室里做實實驗，覺覺得自己己在真正正的現(xiàn)實實實驗室室里近距距離進(jìn)

18、行行現(xiàn)場操操作，他他可自由由地在所所處環(huán)境境中與有有關(guān)的虛虛擬物體體或事件件相互作作用，與與在現(xiàn)實實實驗室室里同樣樣方便。理想的的虛擬實實驗室環(huán)環(huán)境可達(dá)達(dá)到使實實驗者難難以分辨辨真假的的程度（例如可可視場景景應(yīng)隨著著視點的的變化而而變化）。在這這樣的“實際情境境”下，通過過逼真的的模擬仿仿真執(zhí)行行和動態(tài)態(tài)演示，可以提提高實驗驗學(xué)生的的參與水水平，促促進(jìn)學(xué)習(xí)習(xí)建構(gòu)。臨場性性的意義義，還在在于使學(xué)學(xué)生將遠(yuǎn)遠(yuǎn)程、虛虛擬實驗驗認(rèn)為或或感覺到到是現(xiàn)場場、真實實實驗，這對于于實驗操操作、實實驗心理理、實驗驗效果和和實驗教教學(xué)成效效等方面面是相當(dāng)當(dāng)重要的的。、開放放性指學(xué)生能能隨時隨隨地自主主選擇或或組合虛

19、虛擬實驗驗所需要要的環(huán)境境和條件件。這樣樣，遠(yuǎn)程程教育的的任何學(xué)學(xué)生能在在任何時時間、任任何地點點選擇實實驗內(nèi)容容、實驗驗儀器設(shè)設(shè)備、實實驗信息息資料、實驗同同組合作作人員、實驗指指導(dǎo)教師師等，以以及取得得實驗結(jié)結(jié)果的評評估，并并具有完完全的自自由度。此外，虛擬實實驗對于于做了實實驗后沒沒有掌握握的實驗驗過程或或?qū)嶒灱技夹g(shù)片斷斷的學(xué)生生，可以以自己方方便地多多次重復(fù)復(fù)。這樣樣，學(xué)生生始終處處于實驗驗教學(xué)的的主導(dǎo)地地位，掌掌握學(xué)習(xí)習(xí)的主動動權(quán)，大大大增強(qiáng)強(qiáng)了學(xué)習(xí)習(xí)效果。、超時時空性指虛擬實實驗具有有超時空空的特點點，它能能夠?qū)⑦^過去世界界、現(xiàn)在在世界、未來世世界、微微觀世界界、宏觀觀世界、宇觀世

20、世界、客客觀世界界、主觀觀世界、幻想世世界等擁擁有的物物體和發(fā)發(fā)生的事事件單獨獨呈現(xiàn)或或進(jìn)行有有機(jī)組合合，并提提供給實實驗者進(jìn)進(jìn)行實驗驗。虛擬擬實驗當(dāng)當(dāng)然可以以在模擬擬真實實實驗室環(huán)環(huán)境里進(jìn)進(jìn)行類似似于傳統(tǒng)統(tǒng)實驗，但它的的擅長更更是那種種使實驗驗者置身身于實驗驗對象之之中的逼逼真環(huán)境境進(jìn)行“體驗”實驗。比比如，虛虛擬實驗驗室可以以構(gòu)建超超越現(xiàn)實實時空的的環(huán)境，如探索索星系時時的虛擬擬太空，研究分分子原子子結(jié)構(gòu)時時的虛擬擬微觀世世界，獲獲取人體體組織信信息時的的虛擬人人體的組組織和器器官之間間等等，從而學(xué)學(xué)生能身身臨上述述虛擬環(huán)環(huán)境進(jìn)行行實驗。、形象象性指虛擬實實驗可以以做到把把枯燥的的實驗變變?yōu)樾蜗笙蟮膶嶒烌?。例如如在虛擬擬實驗室室里進(jìn)行行化學(xué)實實驗，學(xué)學(xué)生將采采集到的的一個氧氧原子和和二個氫氫原子結(jié)結(jié)合在一一起，眼眼前就會會出現(xiàn)一一個網(wǎng)狀狀的水球球，這就就是他自自己創(chuàng)造造的水分分子。再再如，根根據(jù)相對對論和量量子力學(xué)學(xué)法則，可以模模擬宇宙宙太空和和微觀的的原子世世界里發(fā)