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1、虚拟现实及在教育培训中的应用 虚拟现实技术（Virtual Reality，简称 VR 又称临境技术，是一个由计算机生成的虚拟世界。人的多种感觉器官都能同时对 它进行反馈，人不但沉浸在这种环境之中，而且还能以自然、和 谐友好的方式与之交互。它是 20 世纪 90 年代以来兴起的一种新 型信息技术，一经问世就立即受到高度重视。1 虚拟现实的基本特征和分类 1.1 基本特征。多感知性：除了视觉、听觉和触觉感知以外，还有运动感知和力觉感知，甚至包括嗅觉和味觉感知等。人在现 实客观世界中具有的所有感知功能，从理论层面上来说，虚拟现 实系统都应该具备。沉浸性：又称临场感，是指人感到好像完全 被虚拟世界所
2、包围，自己是计算机系统所创建的虚拟世界中的一 部分，参与虚拟世界的各种活动，可以达到使人难以分辨真假的 程度。交互性：是指人对虚拟环境内物体的可操作程度和从环境 得到反馈的自然程度，具有有效性和实时性。构想性：虚拟现实 技术中人与虚拟环境的交互作用，在本质上意味着它不是必然的 而是可欲生成的。虚拟的环境是人想象出来的，不仅可以再现真 实场景，还可以随意构想现实生活中不存在的场景。1.2 分类。沉浸式：是一种高级的、较理想的虚拟现实系统，沉浸型虚拟现实系统提供完全沉浸的体验，使人仿佛置身于真实 环境之中，参与者有一个新的、虚拟的身临其境的感觉空间。桌 面式：利用个人计算机或初级图形工作站等设备，
3、将计算机的屏 幕作为用户观察虚拟世界的一个窗口。因为处于不完全沉浸的环 境，即使戴上立体眼镜，用户仍然会受到周围现实世界的干扰。共享型（分布式）：位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟世 界，通过计算机网络联结起来，同时参加和体验一个虚拟的空间 和经历，以达到协同工作的目的，它把虚拟现实的应用提升到了 一个更高的境界。增强式：允许用户一边对现实世界进行观察，一边将生成的虚拟图像叠加在现实世界上。它是把真实环境和虚 拟环境组合在一起的一种系统，利用它来增强参与者对真实环境 的感受，达到亦真亦幻的境界。2 虚拟现实系统的相关技术 2.1 立体显示技术。视觉信息的获取是人类感知外部世界、获取信息的最主
4、要的传感通道。在视觉显示技术中，实现立体显 示技术是较为复杂与关键的。产生立体图的过程可以是这样：对 同一场景分别产生两个不同图像，它们分别相应于左右双眼，两 眼之间具有一定的视差，深度立体信息就被保存了下来。在观察 时借助立体眼镜等设备，使左右双眼只能看到与之相应的图像，视线相交于三维空间中的一点上，从而恢复出三维深度信息。2.2 环境建模技术。要建立虚拟环境，首先要建模，然后在 其基础上再进行实时绘制、立体显示，形成一个虚拟的世界。虚 拟环境建模的目的在于获取实际三维环境的三维数据，然后根据 我们的实际需要，通过已经获取的三维数据建立起相应的虚拟环 境模型。只有设计出反映研究对象的真实有效
5、的模型，虚拟现实 系统才有可信度。2.3 真实感实时绘制技术。虚拟世界的产生不仅需要真实的 立体感，而且虚拟世界还必须实时生成。所谓真实感绘制是指在 计算机中重现真实世界场景的过程，所谓实时绘制是指当用户视 点发生变化时，他所看到的场景需要及时更新，这就要保证图形 显示更新的速度与视点的改变速度必须相一直，不然就会产生延 迟甚至卡住的现象。2.4 三维虚拟声音的实现技术。听觉信息是仅次于视觉信息 的第二传感通道，为了提供身临其境的逼真感觉，听觉通道应该 满足一些要求，使人感觉置身于立体的声场之中，能识别声音的 类型和强度，能判定声源的位置。2.5 自然交互与传感技术。在计算机系统提供的虚拟空间
6、 中，人可以使用眼睛、耳朵、皮肤、手势和语音等各种感觉方式 直接与之发生交互，这就是虚拟环境下的自然交互技术，目前该 技术还相对不太成熟。当人体在虚拟空间中运动时，如果接触到虚拟物体，虚拟显 示系统应该给人提供触觉和力觉。在感觉到物体表面纹理的同 时，也使人能够体验到真实的力度感和方向感。由于人的触觉相 当敏感，一般精度的装置根本无法满足要求，所以触觉与力反馈 传感技术的研究相当困难。2.6 实时碰撞检测技术。当人接触到虚拟环境中的物体并进 行拉、推、抓取时，能真实感受到碰撞的发生并实时做出相应的 反应。这就需要虚拟现实系统能够及时检测出这些碰撞，产生相 应的碰撞反应，并及时更新场景输出，否则
7、就会出现诸如人穿墙 而过等不真实情况的发生。3 在教育培训中的应用 3.1 虚拟演示教学与实验。虚拟现实技术在教学中应用较 多，特别是对于理工科类课程的教学。它不仅适用于课堂教学，使之更形象生动，也适用于互动性实验中。利用虚拟现实技术，设计和开发的交互式三维课件可以演示一些复杂、抽象的理论，是很有效的学习工具。虚拟实验不但节约成本，而且不受场地、设备的限制。一些危险的会释放有毒有害气体的实验，也不再可 能会对人体产生伤害。虚拟的实验设备也很容易更新和重组，来 适应新的实验要求。3.2 远程教育系统。目前基于国际互联网的远程教育系统具 有巨大的发展前景，这需要归功于虚拟现实技术的存在。远程教 育
8、突破了物理时空的限制，有了真实、互动、情节化的新发展，同时可以虚拟教师、实验设备等，这必将引起教育方式的革命。虚拟现实技术不仅可向学生提供一种在实际生活中可以找到的 情境，还可以再现特定的时代环境。中央广播电视大学的远程教 育学院在这方面就先行了一步，该校在人力和物力两方面都进行 了较大的投入。3.3 特殊教育。利用运动跟踪器及数据手套，采用基于运动 跟踪的“手语三维运动”数据获取方法，可以获取准确的手语三 维运动数据。利用此方法，中国科学院开发了“中国手语合成系 统”，该系统集体势、语音、情感于一体，这对于聋人使用电视、电话、网络、电影等有很大的帮助，给他们的生活带来极大的方 便。借助于手语
9、的标准化，可以改善聋人受教育的环境，使其学 习更为便捷。3.4 技能培训。虚拟现实技术应用于技能培训，一些高难度、高危险的培训工作就可以更加安全可靠，并节约了成本。用虚拟 技术构造一个模拟真车的驾驶环境，驾驶人员坐上这种模拟驾驶 器，然后借助于声音、视景、驾驶系统的仿真技术，让学员有驾 驶真车一样的感觉，学员掌握汽车的常识是在轻松安全舒适的环 境中完成的，学员可以反复操作控制设备，学会汽车驾驶。交互 式飞机模拟驾驶器也是一种小型的动感模拟设备，一位熟悉驾驶 波音 737 的飞行员，在虚拟的飞机仿真训练系统中，很快掌握驾 驶波音 747、767或 777 的技术，达到训练的目的。4 结束语 与传统的人机交互界面相比，虚拟现实技术无论是在思维还 是在表现形式上都有了质的飞跃。虽然在实际应用中，虚拟现实 技术还存在着一些有待解决和突破的理论问题和技术障碍。但随 着计算机科学的不断发展，这些问题必将最终得到解决，虚拟现 实是一个充满活力、具有巨大应用前景的高新技术领域。