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1、虚拟现实技术 1、定义 虚拟现实（Virtual Reality，VR），又译为虚拟实在、灵境、临境等。它是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是运用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观测三度空间内的事物。2、基本特性 沉浸性（Immersion）：人能沉浸到计算机系统创建的环境中，人由观测者变为全身心的投入者，成为虚拟现实系统的一部分，虚拟场景可随着人的视点做全方位运动。交互性（Interaction）：人能通过键盘、鼠标以及各种传感器与多维化信息的环境发生交互，人如同在真实的环境中
2、与虚拟环境中的对象发生交互关系。为达成这个目的，高速计算和解决必不可少。想象性（Imagination）：通过用户沉浸在“真实的”虚拟环境中,与虚拟环境进行了各种交互作用,从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的结识,从而可以深化概念,萌发新意,产生结识上的奔腾。因此,虚拟现实不仅仅是一个用户与终端的接口,并且可以使用户沉浸于此环境中获取新的知识,提高感性和理性结识,从而产生新的构思。这种构思结果输入到系统中去,系统会将解决后的状态实时显示或由传感装置反馈给用户。如此反复,这是一个学习发明再学习再发明的过程,因而可以说,虚拟现实是启发人的发明性思维的活动。3、参与者在虚拟环境中的活动和经历
3、 主观参与（First-person activities）：参与者是整个经历的中心，一切围绕参与者进行。运用桌面计算机或头盔式眼镜进行的活动就是这种类型的参与。主观参与（Second-person activities）：客观参与时，参与者可在虚拟环境中看到他自己与其他物体的交互。4、建立有效的虚拟环境（1）用虚拟环境精确表达物体的状态模型（2）环境的可视化表达及渲染出的景象 5、虚拟现实的分类 特点 实际系统 非沉浸类虚拟现实系统 又称桌面虚拟现实系统、窗口中的虚拟现实系统。采用标准的显示器和立体显示、声音技术，并可用多种空间操纵设备进行操纵。全景视频系统 桌面虚拟现实 CAD 系统 沉浸
4、类虚拟现实系统 运用设备把参与者的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，参与者能全身心投入和沉浸其中的感觉。基于头盔的系统 遥在系统（Telepresence）投影虚拟现实系统 分布式虚拟现实系统 在以上两种系统基础上实现多用户参与，通过网络共享同一虚拟空间。Mud/Moo 协同实验室（Collaboratory）VRML 增强现实系统 增强操作员对真实环境的感受 飞机上的平视显示器 6、虚拟现实技术的发展及应用（1）发展：美国是虚拟现实技术研究的发源地,第一个虚拟设备是在 1962 年由 Morton Heiling设计的全传感仿真器,该仿真器仿真骑车穿越纽约市的过程,骑车人能感受到风,感受到路面的
5、颠簸,当通过饭店时,骑车人甚至能闻到食品的香味。1984 年,美国宇航局 Ames 研究中心开始了虚拟视觉环境显示项目的研究,后来还开发虚拟界面环境工作站 Ames,研究中心的虚拟行星探测实验室的 McGreevy 和 J Humphries博士组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器,将发回的数据输入到计算机中为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。1986 年美国宇航局的科学家们成功研制出了第一套基于 HMD 及数据手套的虚拟交互环境工作站 VIEW,成为世界上第一个较为完善的多用途多感知的虚拟现实系统。到了 20 世纪 90 年代,迅速发展的计算机硬件技术与不断改善的计算机软件系统
6、相匹配,使基于大型数据集合的声音和图像的实时动画制作成为也许。1992年,大型虚拟现实系统CAVE的建立标志着虚拟现实技术与网络的结合变的越来越紧密。与此同时,新的网络编程语言的出现促使了新的虚拟现实建模语言的诞生,如 X3D Java3D 等。（2）应用：作为教育和研究的媒体 作为虚拟环境 作为新的研究主题 作为一种合理空间 在我国虚拟现实技术的研究和一些发达国家相比尚有很大的一段距离,但是近十年来虚拟现实技术已经得到了相称的重视。国家科委国防科工委都已将虚拟现实技术的研究列为重点攻关项目,国内许多研究机构和高校也都在进行虚拟现实的研究和应用并取得了一些不错的研究成果,如北京航空航天大学计算
7、机系虚拟现实与可视化新技术研究室集成的分布式虚拟环境,清华大学国家光盘工程研究中心所做的布达拉宫实现了大全景虚拟现实等。现在,虚拟现实系统已突破了过去航空航天、军事、娱乐等几个特定应用领域,打破了只有政府才干用得起的技术,渗入到了生活的各个方面,比如航空、航天、铁道、建筑、土木、科学计算可视化等各个领域。7、虚拟实验室（1）虚拟实验教学系统（、）虚拟实验教学系统可构建在高校校园网络之上，成为高校网络教学资源的一部分。虚拟实验教学系统属于教学系统的一个子系统。如下图所示：系统构成和功能：虚拟实验平台 虚拟实验平台与真实实验台同样，能供学生自己动手配置、连接、调节和使用实验仪器设备进行实验。通过该
8、平台，教师既可搭建典型实验或调取实验案例，方便地向学生布置实验任务，还可在实验结束后查看学生的实验结果，给出实验成绩和评价。平台为自由搭建任意合理的实验模型提供了也许，能满足教师对各层次实验教学的需求。学生既可通过该平台动手操作，又可自主设计实验，有助于培养创新意识和能力。实验教学管理 系统面向学生、教师和管理员三种角色实现教学管理。学生学习管理：个人身份认证、选择实验、开展实验、接受实验指导、在线提交实验报告、保存和提交实验结果、查询实验成绩和批语。教师教学管理：典型实验、新建实验、发布实验、布置实验、批改实验报告、实验评价、记录并发布学生的实验成绩和批语。实验管理员管理：系统账号与分组管理
9、、权限管理、课程管理、系统审计、系统维护等。仪器设备管理 对实验教学所需要的各种元器件和仪器（设备）进行管理和维护。元器件和仪器（设备）均按一定比例的彩色图形方式直观呈现出来，图形外观与真实的元器件和仪器（设备）相似。实验操作时可方便地调节各种按钮，选择不同的实验参数，同时，可清楚地观测到实验仪器输出的变化图形，方便学生开展实验时灵活地进行选择。实验过程指导 学生在实验过程中碰到困惑或疑难问题时，教师通过系统为其提供实验平台操作帮助和实验过程演示指导；系统以电子文献形式提供实验介绍、实验方法、实验重点、实验难点、实验目的、实验原理、实验准备、实验过程、实验报告的规定及实验应注意的事项等内容的帮
10、助。实验答疑与交流 教师和学生通过教学论坛进行互动交流，学生可将实验中的经验、教训、收获和问题在论坛上发布，教师可将实验中的局限性提出来，师生共同探讨。教师从中可以得到及时的实验教学反馈信息，以便调整实验教学的进度和深度。学生也可从中吸取别人的经验，快速提高自己的能力。实验结果评价 系统对学生提交的实验结果进行智能批改，自动给出实验成绩。教师根据学生提交的实验结果和实验报告，给出实验成绩和评价，反馈给学生并输出成电子表格上报教务管理部门。学生可查询自己以往的实验成绩和评价，教师可查询所有学生历次的实验成绩。实验课程资源 基于虚拟实验平台目前可提供计算机网络、计算机通信网、Linux操作系统、数
11、字电路、电路分析等课程共 54 个典型实验，其中“计算机网络和 Linux 操作系统”实验 36 个，“数字电路”实验 8 个，“电路分析”实验 10 个。实验资源库正在不断增长和完善中。实验教学光盘 实验教学光盘重要向学生提供实验课程教学中常用的学习资源，资源内容都是从课程资源库中优选而来，其目的是便于学生的离线学习，既可以节省学生的上网费用，还能缓解学校教学服务器和租用网络带宽的压力。教学光盘的资源还可从教学网站上动态更新。（2）游戏化学习（、）所谓游戏化学习是指在学习游戏化观念的指导下，在教学设计过程中就培养目的与发展目的、评价手段等方面，就学习者年龄特点和心理特性及其教学策略等方面，借
12、鉴游戏、设计、选择适当的发展工具、评价方法和教学策略。游戏化学习在教学中应用 精心挑选与教学内容相关的适宜学生生进行游戏化学习的软件 游戏化学习可使课堂教学形式变得丰富多彩 用游戏化学习来调动学生学习积极性 游戏是课堂奖励的一种行之有效的方式 游戏化学习在教学应用中应注意的问题 在教学过程要解决好游戏使用的“度”的问题 安排的游戏要适当、适度、适实 选择的游戏要能体现趣味性 对学生进行有效的控制，网络游戏应当防范 游戏教学后要及时给予小结评价 游戏化学习的尴尬（）8、虚拟现实技术发展的瓶颈 虚拟现实技术的发展过程中碰到的问题很多,可以归结为三大难题：（1）虚拟现实设备“的贵族化”要构建一个高质
13、量的虚拟现实系统,一方面需要昂贵的外部设备。无论是高分辩率的头盔显示器 HMD,还是立体投影显示器;无论是空间定位器,还是高精度的数据手套,都是价格不菲的。另一方面,在一些专用领域,为完毕复杂场景的实时渲染,还需要高性能的图形工作站以及相应的软件。但普通的信息系统用户也许会望而却步。（2）繁琐的三维建模 基于图形的虚拟环境一方面要解决的问题便是三维造型。当图形渲染技术在向实现真实感大踏步前进的时候,生成精确三维模型的过程还像二十几年前同样困难。在三维激光扫描技术上的进步提供了简化模型构造过程的一些承诺。然而,这些自动化模型获取方法也验证了真实世界的几何是极端复杂的。大部分的模型仍需要人工绘制,并且需要聘请高水平的专业人士,其费用是相称惊人的。比如在电影泰坦尼克号中,为实现场景三维建模及各种特技解决,所花的人工费用高达 2500 万美元,这笔钱足以制造一艘同样规模的真船。繁琐的三维建模也是制约虚拟现实技术发展的严重障碍。（3）数据量大 虚拟现实技术要想得到很大的发展,需要与 Internet 结合,这恐怕已是不争的事实。目前虚拟现实技术应用的数据量仍然很大,在现有网络整体速度较慢的情况下,Internet 用户必须等待较长时间,这往往令人难以忍受。我们应当在虚拟现实系统中考虑数据压缩问题,这个问题也许现在尚未引起人们的重视,但是随着应用的进一步,这是一个不可回避的问题。