淺談虛擬現(xiàn)實技術

淺談虛擬現(xiàn)實技術廣西師范大學教育技術學系李紅波lihb62@163主要內(nèi)容虛擬現(xiàn)實技術以“桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)〞為例引見虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實技術在教育中的運用虛擬現(xiàn)實技術一、虛擬現(xiàn)實技術概念又稱臨境技術〔靈境技術〕，是指用立體眼鏡和傳感手套等一系列傳感輔助設備來實現(xiàn)的一種三維現(xiàn)實，人們經(jīng)過這些設備以自然的方式〔如頭的轉動、手的運動等〕向計算機送入各種動作信息，并且經(jīng)過視覺、聽覺以及觸覺設備使人們得到三維的視覺、聽覺及觸覺等覺得世界。二、虛擬現(xiàn)實的開展簡史1965年，Sutherland在<終極的顯示>中初次提出虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的根本思想。1966年，MIT的林肯實驗室開場頭盔式顯示器研制。70年代出現(xiàn)第一個功能較齊全的HMD系統(tǒng)。80年代初正式提出了“VirtualReality〞一詞80年代，美國宇航局〔NASA〕及國防部組織了一系列有關虛擬現(xiàn)實技術的研討。如，1984年，NASAAmes研討中心虛擬行星探測實驗室將火星探測器發(fā)回的數(shù)據(jù)輸入計算機，為地面研討人員構造了火星外表的三維虛擬環(huán)境。90年代，計算機軟硬件的開展為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的開展打下了的根底。1993年11月，宇航員利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)勝利地完成了從飛機的運輸艙內(nèi)取出望遠鏡面板的任務。再如，用虛擬現(xiàn)實技術設計波音777獲得勝利。三、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)普通構成虛擬世界虛擬現(xiàn)實軟件計算機輸入設備輸出設備輸入設備輸出設備VR軟件虛擬世界常用人機接口設備四、運用領域軍事及航空如，SGI虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。無需制造真正的原型實驗機即可獲得珍貴的數(shù)據(jù)。建筑與汽車業(yè)設計師，經(jīng)過虛擬現(xiàn)實技術察看他們設計的效果，如外觀、動力性、運用方便性。用戶，可經(jīng)過虛擬現(xiàn)實技術在設計完成后“進入〞大廈遨游，以便得知大廈各房間的規(guī)劃、裝飾資料的選擇等能否稱心。醫(yī)學醫(yī)生遠程做手術培訓汽車駕駛模擬訓練，大型飛機駕駛模擬文娛虛擬房地產(chǎn)推銷光學虛擬實驗室大型工程遨游

五、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的開展趨勢例：實景虛擬現(xiàn)實技術圖1、杰圖FlyVR實景虛擬現(xiàn)實平臺便攜式三維展現(xiàn)硬件：虛擬感應頭盔、遙控手柄、數(shù)據(jù)手套等gis地圖與現(xiàn)實場景的互動結合給人們帶來建模無法實現(xiàn)的真實感受桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)有如下幾種，在這里主要引見桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

一、什么是桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)？是一種集立體圖形、自然交互等技術，以營造與客觀世界高度類似的、逼真的、虛擬的環(huán)境為重要內(nèi)容進展各種運用的系統(tǒng)。即是利用個人計算機和低級任務站進展仿真，計算機的屏幕用來作為用戶察看虛擬境界的一個窗口，各種外部設備普通用來駕駛虛擬境界，并且有助于支配在虛擬情景中的各種物體。二、桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)特性虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)具有一種身臨其境的臨場感，為了到達這種目的，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)具備一些與普通圖形系統(tǒng)不同的特點：1、生動的計算機圖形圖像場景2、自然的人機交互3、通用的圖形軟件平臺三、常見的桌面虛擬現(xiàn)實技術基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實技術☆采用延續(xù)拍攝的圖像和視頻，在計算機中拼接建立實景化虛擬空間VRML〔虛擬現(xiàn)實外型言語〕☆采用描畫性的文本言語描畫根本的三維物體的外型，經(jīng)過一定的控制，將這些根本的三維外型組合成虛擬場景，當閱讀器閱讀這些文本描畫信息時，在本地進展解釋執(zhí)行，生成虛擬的三維場景。桌面CAD〔computerassociateddesign計算機輔助設計〕系統(tǒng)利用桌面三維圖形繪制技術對虛擬世界進展建模，經(jīng)過計算機的顯示器進展察看，并能自在地控制視點和視角。NextVRML〔VirtualRealityModelingLanguage〕虛擬現(xiàn)實建模言語VRML的歷史前往VRML任務原理：文本描畫、遠程傳輸、本地計算文本描畫，指VRML用類似HTML標志文本言語來描畫三維場景，如，立方體的描畫文本是：Box〔size3.0*3.0*3.0)。遠程傳輸，指用戶VRML描畫的虛擬場景時，需求經(jīng)過Internet將描畫場景的文本傳送到本地。本地計算生成，是指描畫虛擬場景的數(shù)據(jù)傳送到本地后，閱讀器對它進展解釋計算，動態(tài)地生成虛擬場景。前往VRML的運用：VRML使得Internet的一片平面世界初次出現(xiàn)了了三維場景，成為Internet最具開展前景的新興技術。在教育領域的Web站點中，它可廣泛用于學習情景創(chuàng)設，添加學習內(nèi)容的籠統(tǒng)性和興趣性，并可用于可視化的導航，自然的人機界面等方面。如：創(chuàng)建網(wǎng)上三維圖書館，它的特點是，書籍歸類整理更接近真實或將高于真實，匯編或查閱書籍時只需求鼠標的悄然戰(zhàn)地對應的虛擬圖書。前往QTVR〔QuickTimeVirtualReality)QTVR是一種基于靜態(tài)處置的，在微機平臺上可以實現(xiàn)的初級虛擬現(xiàn)實技術。QTVR是在以下概念根底上組成的：全景，是空間中一個視點對周圍環(huán)境360度的視圖/show_hdr.php?xname=DQ5SM01&dname=Q52AB11&xpos=0對象，是從分布在以一個物體為中心的立體360度的球面上的眾多視點來察看這個物體，從而生成的對一個物體全方位的圖像信息。場景，是把一個或多個全景圖像或對象電影，經(jīng)過熱點這種手段銜接后的全景圖像和對象電影的有序集合體。前往QTVR的優(yōu)點：可由攝像機獲取三維場景，對計算機的計算才干要求不高，可實現(xiàn)實時建模與動態(tài)顯示。QTVR的缺陷：場景本身必需是靜態(tài)的，在遨游時，察看點及方向遭到了嚴厲的限制。前往虛擬現(xiàn)實技術在教育中的運用引言

教育是一個教授知識的過程，在眾多經(jīng)過親身閱歷這一過程，穩(wěn)定所教授的知識的方法中，虛擬現(xiàn)實技術是最有效的。虛擬現(xiàn)實技術在教育中的運用根據(jù)虛擬環(huán)境不同可分為：虛擬校園虛擬教室虛擬實驗室虛擬圖書館1．虛擬校園

它除了可以具有一所傳統(tǒng)學校所具備的正?；顒拥奶摂M場所外，還擁有傳統(tǒng)學校不能夠擁有的環(huán)境。在虛擬校園里，有虛擬教室、虛擬實驗室、虛擬圖書館等學習的場所，還有學習者交往和活動〔包括文娛活動、體育活動、藝術活動和社會活動等〕的場所。2．虛擬教室

它是指運用虛擬現(xiàn)實技術生成的進展教育實際的具有逼真感的虛擬環(huán)境。學習者可借助于有關設備進入虛擬課堂，接受教育和進展學習。

3．虛擬實驗室

虛擬實驗室是由虛擬現(xiàn)實技術發(fā)明的一種可以進展實驗的虛擬環(huán)境。在這個環(huán)境中，學習者有逼真的覺得，他似乎是在真正的實驗室里近間隔進展現(xiàn)場操作。

虛擬實驗室的產(chǎn)生和運用使遠程實驗教學得以真正實現(xiàn)。它徹底處理了以往一切遠程教育方式中實際教學的遠間隔性和實驗教學的近間隔性的矛盾，使整個教育完全遠程化。4．虛擬圖書館

虛擬圖書館是用虛擬現(xiàn)實技術生成的提供信息的場所，因此它也可以稱之為“虛擬信息中心〞。在這里，不僅僅提供象文本、視頻、聲頻等信息資源，而且更提供與眾不同的身臨其境的信息資源。例如要獲得歷史知識，學習者可以經(jīng)過虛擬圖書館，進入不同朝代的虛擬世界，實時察看或實踐參與當時的事件，從而親身感受和了解不同朝代的實況。再如，要獲得人體組織信息，學習者可以經(jīng)過靈境圖書館穿行在人體的組織和器官之間，實地去調(diào)查一番。

vr100/article/view.asp?id=3155下面主要引見“虛擬實驗室〞一、虛擬實驗室虛擬實驗，就是實驗者經(jīng)過遠程通訊工具和相應的虛擬實驗儀器，在遠程進展操作、觀測實驗過程、直至得到實驗結果的一種實驗方式。虛擬實驗室，是利用虛擬現(xiàn)實技術仿真或虛擬某些情境，供學生察看一支配其中的對象，使他們獲得體驗或有所發(fā)現(xiàn)。二、虛擬實驗室進展虛擬實驗的方式主要有三種類型遙控型實驗遙控型實驗是利用計算機多媒體技術和通訊技術，將實驗室內(nèi)真實的實驗設備及控制系統(tǒng)，轉換成三維圖像、聲音、形狀等傳輸?shù)竭h端的學生計算機中，參與實驗的學生可以在本人的計算機中進展操作，經(jīng)過通訊線路遙控真實實驗室現(xiàn)場中的實驗設備，例如對實驗設備進展編程、校正、啟停、測試、監(jiān)控等操作，使遠程實驗過程在實驗學生實時遙控下運作。而學生執(zhí)行操作的結果〔文字、圖像、數(shù)據(jù)等〕又會實時地回傳給學生，從而使實驗學生可對實驗數(shù)據(jù)實時采集并進展處置。模擬型實驗。模擬型實驗是在計算機中用軟件模擬儀器、設備、元器件、藥品等實驗器材和實驗條件，并以文字、圖形或動畫方式顯示出來。實驗的學生登陸虛擬實驗室后，與實驗軟件進展交互，充分利用虛擬器材庫中非常豐富的實驗器材，根據(jù)實驗要求進展實驗流程設計、實驗安裝搭建、實驗內(nèi)容操作、實驗結果統(tǒng)計分析等，最后寫出實驗報告，全部實驗過程在計算機內(nèi)完成。例如，實驗學生可以自在地取用軟件中的各種電阻、電容、晶體管、集成電路等虛擬器件組成實驗要求的電路，然后接上虛擬的開關和電源，以及信號發(fā)生器、丈量儀器、示波器等虛擬儀器進展實驗，察看記錄實驗數(shù)據(jù)和結果。這種以軟件來模擬那些存在和運用的設備來做實驗，可以獲得和采用真實實驗器材、設備一樣的實驗結果。仿真型實驗仿真型實驗采用計算機技術、虛擬現(xiàn)實技術等構建虛擬實驗環(huán)境、虛擬儀器和設備的方法，為學生提供一種仿真的實驗“情境〞，它不僅可以控制學習情境的復雜度和逼真度，還可以弱化甚至剔除真實情境中無關的干擾要素；學生可以“隨機進入〞，身臨其境地進展實時操作。在初級的仿真型實驗中，采用計算機技術在計算機屏幕上創(chuàng)設一個模擬真實的場景，包括原型實驗設備素材和這些系統(tǒng)實踐運轉時的三維視頻圖像和動畫，并配以文字和聲音等數(shù)據(jù)文件，學生就好像在真實實驗室中現(xiàn)場進展實驗一樣。在高級的仿真型實驗中，采用虛擬現(xiàn)實技術構建到達足以“亂真〞境地的實驗環(huán)境，學生不僅可以“做〞實驗，而且甚至可以“親身體驗〞實驗的運作，到達比在真實實驗室更好的實驗效果。三、構建虛擬實驗室常用方法運用Java進展開發(fā)運用ActiveX控件進展開發(fā)運用VRML技術進展三維虛擬實驗室的開發(fā)QuickTimeVR技術四、虛擬實驗的優(yōu)越性１、臨場性指學生可以感到本人處于虛擬實驗室的體驗，產(chǎn)生一種逼真的存在感。虛擬實驗室與真正的實驗室同等完美，虛擬儀器與實踐儀器功能一樣，操作方法也一樣，實驗者在虛擬實驗室里做實驗，覺得本人在真正的現(xiàn)實實驗室里近間隔進展現(xiàn)場操作，他可自在地在所處環(huán)境中與有關的虛擬物體或事件相互作用，與在現(xiàn)實實驗室里同樣方便。理想的虛擬實驗室環(huán)境可到達使實驗者難以分辨真假的程度〔例如可視場景應隨著視點的變化而變化〕。在這樣的“實踐情境〞下，經(jīng)過逼真的模擬仿真執(zhí)行和動態(tài)演示，可以提高實驗學生的參與程度，促進學習建構。臨場性的意義，還在于使學生將遠程、虛擬實驗以為或覺得到是現(xiàn)場、真實實驗，這對于實驗操作、實驗心思、實驗效果和實驗教學效果等方面是相當重要的。

２、開放性指學生能隨時隨地自主選擇或組合虛擬實驗所需求的環(huán)境和條件。這樣，遠程教育的任何學生能在任何時間、任何地點選擇實驗內(nèi)容、實驗儀器設備、實驗信息資料、實驗同組協(xié)作人員、實驗指點教師等，以及獲得實驗結果的評價，并具有完全的自在度。此外，虛擬實驗對于做了實驗后沒有掌握的實驗過程或實驗技術片斷的學生，可以本人方便地多次反復。這樣，學生一直處于實驗教學的主導位置，掌握學習的自動權，大大加強了學習效果。３、超時空性指虛擬實驗具有超時空的特點，它可以將過去世界、如今世界、未來世界、微觀世界、宏觀世界、宇觀世界、客觀世界、客觀世界、夢想世界等擁有的物體和發(fā)生的事件單獨呈現(xiàn)或進展有機組合，并提供應實驗者進展實驗。虛擬實驗當然可以在模擬真實實驗室環(huán)境里進展類似于傳統(tǒng)實驗，但它的擅長更是那種使實驗者置身于實驗對象之中的逼真環(huán)境進展“體驗〞實驗。比如，虛擬實驗室可以構建超越現(xiàn)實時空的環(huán)境，如探求星系時的虛擬太空，研討分子原子構造時的虛擬微觀世界，獲取人體組織信息時的虛擬人體的組織和器官之間等等，從而學生能身臨上述虛擬環(huán)境進展實驗。４、籠統(tǒng)性指虛擬實驗可以做到把枯燥的實驗變?yōu)榛\統(tǒng)的實驗。例如在虛擬實驗室里進展化學實驗，學生將采集到的一個氧原子和二個氫原子結合在一同，眼前就會出現(xiàn)一個網(wǎng)狀的水球，這就是他本人發(fā)明的水分子。再如，根據(jù)相對論和量子力學法那么，可以模擬宇宙太空和微觀的原子世界里發(fā)生的情況，學生可以進入那里，對于實驗過程中發(fā)生的變化景象獲得感性認識?；\統(tǒng)性的意義，在于可以使做實驗的學生將許多籠統(tǒng)的學習變換成具像的學習、理性的學習變換成體驗的學習、想象的學習變換為現(xiàn)實的學習、枯燥的學習變換成生動的學習等等，從而輕松有效地從中獲取知識。

５、平安性指在虛擬實驗室里做實驗遠比在現(xiàn)實實驗室里平安。比如，化學實驗中有些藥品具有劇毒、刺激性氣味的特性，而且有些化學反響比較猛烈，學化學專業(yè)的學生做類似的虛擬實驗，就可既對實驗景象或過程很好地仿真而又不用冒著發(fā)生損傷或不測爆炸的危險。學生也可放心地在虛擬實驗室里試用新的實驗技術，不用擔憂發(fā)惹事故。平安性不僅是對于實驗操作人員而言的，它也包括實驗對象、實驗環(huán)境等，這一點對于生物實驗、醫(yī)學實驗、農(nóng)業(yè)實驗等特別重要和特別有意義。譬如，醫(yī)學院學生可用“虛〞的解剖刀在“虛〞的人體上解剖，而無須冒危害真實患者的風險。平安性也使以往一些能夠對自然、社會呵斥很大影響的實驗〔如環(huán)保實驗、生態(tài)實驗等〕得以在虛擬實驗中實現(xiàn)。五、實例/vlab/美國俄勒岡大學物理系主辦的虛擬物理實驗網(wǎng)站hazelwood.k12.mo.us