虛擬現實技術綜述大全11篇

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中圖分類號：TP391.9文獻標識碼：A文章編號：1007-9599 (2011) 15-0000-01

Virtual Reality Technology Application in Vocational Courses of Integrated Wiring

Sun Qian,Huang Shuiping

(Zhejiang University of Technology,Hangzhou310014,China)

Abstract:This year,as China's emphasis on vocational education,more students studying in vocational schools,training conditions led to a serious shortage of schools,mainly in the lack of hardware facilities,teaching time,space is limited and other issues.This paper discusses the use of virtual reality technology,virtual laboratory to build vocational training system to solve the problem.

Keywords:Virtual reality;Characteristics;Virtual laboratory;Cabling

一、虛擬現實的概念

虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR)，是人們通過計算機對復雜數據進行可視化操作與交互的一種全新方式，虛擬現實中的“現實”是泛指在物理意義上或功能意義上存在于世界上的任何事物或環境，而“虛擬”是指用計算機生成的意思。因此，虛擬現實是指用計算機生成的一種特殊環境，人可以通過使用各種特殊裝置將自己“投射"到這個環境中，并操作、控制環境，實現特殊的目的，即人是這種環境的主宰。虛擬現實技術具有以下三個基本特征：

1.沉浸感(Immersion)―又稱浸沒感或臨場感，指用戶感到作為主角存在于模擬環境中的真實程度。

2.交互性(Interactivity)―虛擬現實系統中的人機交互是一種近乎自然的交互，使用者不僅可以利用電腦鍵盤、鼠標對虛擬環境中的對象進行考察或操作，虛擬世界中的對象也能夠實時的做出相應的反映。

3.構想性(Imagination)―虛擬現實不僅僅是一種媒體或用戶的高速接口，而且還是針對某一特定領域、解決某些問題的應用，為了解決這些問題，不僅需要了解應用的需求，了解技術的能力，而且還需要有豐富的想象力。

二、虛擬實驗室的概念

虛擬實驗室(Virtual Laboratory)概念，是由美國的William Wolf教授1989年提出的，用來描述一個計算機網絡化的虛擬實驗室環境。美國國家研究委員會的定義為：虛擬實驗室是一個無墻的中心。研究人員能在其中從事科學研究和工程設計，不必顧及地理位置的限制，實現同行間、同事間的互動；共享儀器、設備、數據、計算資源以及數字圖書館的信息。虛擬實驗室的特點

1.透明性：分布式虛擬實驗室的所有數據庫、硬軟件集成于一個系統，使用標準的統一命令來實現功能服務。這種透明的結構決定了分布式虛擬實驗室的透明特征。

2.資源共享性。

3.智能化：虛擬儀器技術與認知模擬方法的結合賦予虛擬實驗室智能化的特性。

4.互操作性：虛擬實驗一旦開放，即具有互動性，遠程用戶同樣可以操作中心實驗環境，同時用戶之間也可以交流相關信息。互動性需要有一系列軟硬件的支持，它們都是虛擬實驗的組成部分。

5.客戶定制性：允許用戶定制自己的使用方式，允許用戶通過設置限制來保護數據。

三、綜合布線虛擬實驗室的設計

（一）虛擬實驗室體系結構的設計。整個系統采用C／S體系結構，以TCP／IP作為網絡通信協議，構建了一個虛擬實驗室系統。利用MAYA搭建場景，模擬現實環境，制作工具欄中的虛擬器件。利用C++語言設計前端的實驗操作平臺，主題框架界面采用SDI 單文檔結構視圖。實驗者可選擇虛實驗場景，并在場景中對虛擬器件進行動態地拖拽、旋轉、屬性編輯等動作，隨時隨地進行綜合布線的相關實驗。它營造了一個逼真的實驗環境和強大的交互功能，使實驗可以取得真實的結果，并以電子實驗報告的形式提交。

（二）虛擬實驗室場景的設計。該實驗室系統模擬現實中一幢正在建筑的6層樓房的場景，每層樓走廊左右各有3個房間，共6個房間。在走廊的盡頭有個小儲藏室，作為樓層配線設備（FD）工作室。一樓的一個房間作為建筑物配線設備(BD)工作室。該場景按照比例還原現實規模，使實驗者有身臨其境的感覺。

綜合布線的器件將已工具欄的形式出現在系統中，包括線槽，線管，網線、電腦、電視、電話模塊及面板，管卡，集線器，配線架。使用者可以點擊工具欄中的器件在場景中施工。

（三）虛擬實驗室功能的設計。在現實綜合布線實驗中，實驗效果情況只能利用AUTOCAD軟件制作平面圖，無法看到真實線路的走向，信息點的擺放，耗材的使用，布線是否規范等情況。而常規的實驗設備不能體現真實建筑物的特點，導致學生在布線中目的性不是很明確。

虛擬實驗室模擬了現實場景，只要有布線要求，不論是文字說明的還是平面設計圖，實驗者都可以模擬布線。線路的走向，信息點的擺放一目了然，系統還封裝了多個公式，有關布線器件的使用數量在實驗最終的報告里都以電子表格的形式顯示。最關鍵的是學生知道自己在做什么，知道線路為什么這么布，在以后工作中，就不會出現沒學過這個知識的想法。系統還封裝了多個綜合布線工程施工中的規范，實驗者在操作中，如果不符合規范，系統也會提示。

四、結束語

由于虛擬現實技術處于起步階段，虛擬現實技術尚未能普及。隨著虛擬現實技術的不斷發展和完善，虛擬現實技術作為一個新型的媒體，以其自身強大的教學優勢和潛力，將會在教學中得到廣泛的應用。

參考文獻：

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1虛擬現實技術

虛擬現實技術（virtual reality，簡稱VR）是由美國VPL公司創始人加隆.拉尼爾在二十世紀八十年代提出的，它指的是綜合利用計算機圖形系統和各種顯示和控制等接口設備，在計算機上生成的、可交互的三維環境中提供沉浸感覺的技術，其中計算機生成的、可交互的三維環境被稱為虛擬環境（Virtual Environment，簡稱VE）。虛擬現實的三個基本特征是沉浸（Immersion）、交互（Interaction）和構想（Imagination）。與其它的計算機系統相比，虛擬現實系統能提供實時交互性操作、三維視覺空間和多通道的人機界面；目前虛擬現實主要限于視覺和聽覺，但觸覺和嗅覺方面的研究也取得了很大的進展。

2虛擬現實技術的具體形式之——增強現實技術

虛擬現實技術按照系統功能和實現方式的不同，又可以分成以下四種具體類型：沉浸式虛擬現實、桌面虛擬現實、分布式虛擬現實和增強現實。

增強現實（Augmented Reality，簡稱 AR）技術，是在二十世紀九十年代由波音公司的考德爾及其同事在設計一個輔助布線系統時提出的，它是一種實時地計算攝影機影像的位置及角度并加上相應圖像的技術，這種技術的目標是在屏幕上把虛擬世界套在現實世界并進行互動。隨著隨身移動電子設備運算能力的不斷提升，增強現實技術的用途將會越來越廣。

目前人們對于增強現實有兩種通用的定義。一是北卡羅來納大學的Ronald Azuma于1997年提出的，他認為增強現實包括三個方面的內容：Combines real and virtual（將虛擬物與現實結合）；Interactive in real time（即時互動）；Registered in 3-D（三維）。

另一種定義是1994年保羅·米爾格拉姆（Paul Milgram）和岸野文郎（Fumio Kishino）提出的現實-虛擬連續統（Milgram's Reality-Virtuality Continuum）。他們將真實環境和虛擬環境分別作為連續統的兩端，位于它們中間的被稱為“混合實境（Mixed Reality）”。其中靠近真實環境的是增強現實（Augmented Reality），靠近虛擬環境的則是擴增虛境（Augmented Virtuality）。

3增強現實系統的實現過程

雖然增強現實系統不需要顯示完整的場景，但由于需要通過分析大量的定位數據和場景信息來保證由計算機生成的虛擬物體可以精確地定位在真實場景中，增強現實系統中一般都包含以下幾個基本步驟：獲得真實場景的信息；對真實場景和攝影機的位置信息進行分析；生成虛擬的景物；合并視頻或直接顯示，即圖形系統首先根據攝影機的位置信息和真實場景中的定位標記來計算虛擬物體坐標到攝影機視平面的仿射變換，然后按照仿射變換矩陣在視平面上繪制虛擬物體，最后通過頭戴式可視設備（Head Mount Display）直接顯示或與真實場景的視頻合并后，一起顯示在顯示器上。成像設備、跟蹤與定位技術和交互技術是實現一個基本的增強現實系統的支撐技術。

4增強現實技術的具體研究內容

由于人們對增強現實技術的需求不斷增長，研究人員對基于視覺的增強現實技術進行了很多研究，這些研究內容包括——增強現實系統中虛擬物體與真實場景融合技術的研究包括：3D虛擬物體注冊技術、攝像機標定技術、攝像機的跟蹤技術和基于視頻的實景空間的建模技術，融合技術的研究主要包括：虛擬對象和真實場景的配準以及虛擬物體與真實場景之間的動態一致性、虛實物體之間的幾何一致性和光照一致性——使得增強現實技術獲得了飛速的發展。

5增強現實的應用

增強現實技術已經被逐步應用到了很多行業當中，逐漸進入到我們的生活當中，典型的案例包括：

醫療方面——北卡羅萊納大學的AR輔助B超檢查和胸部活組織切片；倫敦Guy’s醫院MAGI項目協助醫生從耳道中取出神經瘤；卡內基梅隆大學的“魔眼”工程；布朗大學的外科手術培訓系統。

教育方面——歐洲計算機工業研究中心的機械模型注解。

工業方面——SONY公司TransVision增強現實樣機系統。

商業方面——微軟推增強現實技術——新應用-記事帖；日本新宿高島屋百貨公司內的數字化妝鏡。

文化方面——希臘、土耳其的歷史古跡數字重建；“數字敦煌”工程。

6總結

增強現實（Augmented Reality，AR）技術是近年來的研究熱點，它是將計算機生成的虛擬物體或其它信息疊加到真實場景中，從而實現對現實的“增強”，它是虛擬現實技術（Virtual Reality，VR）的一個重要分支。增強現實綜合了計算機圖形、光電成像、融合顯示、多傳感器、圖像處理、計算機視覺等多門學科。

參考文獻：

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虛擬現實即Virtual Reality ,簡稱VR,這個名詞始創于上個世紀八十年代,由美國發明家Jaron Lanier提出,是一門嶄新的綜合性信息技術,而且已經成為當今計算機科學界最振奮人心的研究課題之一。

一、什么是虛擬現實

VR是指利用多媒體計算機技術生成一個具有逼真的視覺、聽覺、觸覺及嗅覺等的模擬現實環境,利用人的自然技能對這一虛擬出來的現實環境進行交互體驗,體驗的結果(即該虛擬的現實反應)與在相應的真實現實中的體驗結果相似或完全相同。

二、虛擬現實技術的系統構成

如圖所示,VR的系統由以下模塊構成:

1.檢測模塊:檢測用戶的操作指令,并通過傳感器模塊作用于虛擬環境。

2. 反饋模塊:接受來自傳感器模塊的信息,為用戶提供動感、觸覺、力覺等多方面感受的實時反饋。

3. 傳感器模塊:一方面接受來自用戶的操作指令,并將其作用于虛擬環境;另一方面將操作后產生的結果以各種反饋的形式提供給用戶。

4. 控制模塊:對傳感器進行控制,使其對用戶、虛擬環境和現實世界產生作用。

5. 建模模塊:運用知識庫、模式識別、人工智能等技術,獲取現實世界組成部分的三維表示,通過音響制作實現對現實世界的聲音模擬,并由此構成對應的虛擬環境。

6. 三維模塊:通過三維技術實現對虛擬環境的視覺模擬。

此外,在開放式的虛擬現實系統中,還可以通過傳感裝置與現實世界構成反饋閉環,在用戶控制下,利用虛擬環境對現實世界進行直接操作或遙控操作。

三、虛擬現實技術的特征

虛擬現實技術具有如下四個特征,即:多感知性、沉浸感、交互性、想象性。

1. 多感知性(Multi-Sensory)――所謂多感知性,是指通過多種媒體,產生視覺、聽覺、觸覺、力覺、和運動等的感知。理想的虛擬現實技術應該實現人所具有的一切感知功能。由于科技發展的局限性和不成熟,目前的虛擬現實技術所開發的感知功能僅限于視覺、聽覺、力覺、觸覺、運動等幾種。

2. 沉浸感(Immersion)――又稱臨場感,指用戶感到作為主角存在于虛擬環境中的真實程度。理想的虛擬環境應該達到使用戶難以分辨真假的程度。當用戶全身心地投入到計算機創建的三維虛擬環境中時,眼睛看到的、耳朵聽到的、鼻子聞到的、嘴巴嘗到的、還有身體觸摸到的等等,都跟在現實世界里體會到的感覺是一樣的。

3. 交互性(Interactivity)――指用戶對虛擬環境內的物體進行操作時,對象將給用戶以感覺上的反饋。例如,在虛擬環境中參加足球比賽,當用戶用腳去踢虛擬環境中的足球時,會產生觸覺和力的反饋。

4. 構想性(Imagination)――強調虛擬現實技術應具有廣闊的可想象空間,可拓寬人類認知范圍,不僅可再現真實存在的環境,也可以隨意構想客觀不存在的甚至是不可能發生的環境。

一般來說,“身臨其境”般的沉浸感,友好親切的人機交互性,和發人深思的構想性是虛擬現實的三大主要特征,亦即我們常說的“3I”特性。

四、虛擬現實技術的應用

虛擬現實技術創建伊始,就承載著巨大的應用價值,它涉及科研、軍事、航天、醫學、教育、工程技術、影視娛樂等眾多領域。典型的應用領域有:

1. 醫學方面

虛擬現實技術在醫學上的應用大致分為兩類,一類是虛擬人體,也就是數字化人體,可用于構造人體模型,便于醫生對人體構造和功能的辨識;另一類是虛擬手術系統,可用于指導高難度手術的進行。

2. 教育方面

在教育領域,虛擬現實技術具有廣泛的作用和影響。基于虛擬現實技術帶來的嶄新的教育模式,使我們的教育理念和教育方法也在隨之變革,授課內容以大量詳實、生動、直觀的虛擬情節出現,寓教于樂。

3. 娛樂方面

娛樂領域是虛擬現實技術的一個重要應用領域。它能夠提供更為逼真的虛擬環境,借助于頭盔顯示器、數據服、立體聲耳機、數據手套等傳感裝置,使人們能夠享受到強烈的感官刺激,帶來更好的娛樂感覺。

4.軍事科研領域方面

軍事和科研都是需要巨額資金投入的領域,而且難度大、危險系數高,在某種情況下,利用虛擬現實技術進行虛擬實驗,既可以節省人力物力資源,打破時間和空間的限制,又可以縮短開發周期、提高生產效率、削減項目經費。

五、虛擬現實技術的發展前景

虛擬現實技術是許多相關學科領域集成、交叉的產物,它融合了人工智能、電子學、數字圖像處理、計算機圖形學、多媒體技術、傳感器技術、心理學等多個技術分支,大大推進了計算機科學軟硬件技術的全面發展。虛擬現實技術的發展,從根本上改變了人們的工作方式和生活方式,將勞逸真正結合了起來,而且虛擬現實技術與美術、音樂等文化藝術的結合,將誕生出人類的第九大藝術,前景一片光明。而且虛擬現實技術繼理論分析、科學實驗之后,成為人類探索客觀世界規律的又一手段和方式。

雖然虛擬現實領域的技術潛力是巨大的,應用前景也是很廣闊的,但仍存在著許多尚未解決的理論問題和尚未克服的技術障礙。客觀而論,目前虛擬現實技術所取得的成就,絕大部分來說,還只是擴展了計算機的接口能力,剛剛開始涉及到人的感知系統、肌肉系統與計算機的集合作用問題。只有當真正開始涉及并找到針對這些問題的技術實現途徑時,人和信息處理系統間的隔閡才有可能被徹底地克服。

六、小結

綜上所述,無論是現在還是將來,虛擬現實技術在各行各業都將得到不同程度的發展,并且越來越顯示出廣闊的應用前景。虛擬城市、虛擬戰場、虛擬校園、甚至“數字地球”都會不斷涌現,帶給我們一種全新的視覺、身心體驗。虛擬現實技術將使眾多傳統行業和產業發生顛覆性的變革,給我們的生產和生活帶來巨大的經濟效益。

參考文獻

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前言

伴隨著科學技術的不斷發展， 人類社會步入了嶄新的世紀， 經濟的全球化和社會的信息化， 促使市場競爭日益激烈， 制造企業為了在競爭中求得生存和發展， 必須以最快的上市速度， 最好的質量， 最低的成本和最優的服務， 滿足不同顧客的需求。這就要求企業生產活動必須具有高度的柔性， 對市場需求的變化做出快速反應， 虛擬現實技術由此產生。

1.虛擬現實的內涵和特點

虛擬現實是實際制造過程在計算機上的本質實現， 即采用計算機仿真與虛擬現實技術， 在計算機上群組協同工作， 實現產品的設計、工藝規劃、加工制造、性能分析、質量檢驗以及企業各級過程的管理與控制等產品制造的本質過程， 以增強制造過程各級的決策與控制能力。虛擬現實雖然不是實際的制造， 但卻實現實際制造的本質過程， 是一種通過計算機虛擬現實來模擬和預估產品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的問題， 提高人們的預測和決策水平， 使得制造技術走出主要依賴于經驗的狹小天地， 發展到了全方位預報的新階段。與實際制造相比較， 虛擬現實的主要特點是：

（1）產品與制造環境是虛擬現實， 在計算機上進行產品設計、制造、測試， 甚至設計人員或用戶可“進入”虛擬的制造環境檢驗其設計、加工、裝配和操作， 而不依賴于傳統的原型樣機的反復修改;還可將已開發的產品（部件）存放在計算機里， 不但大大節省倉儲費用， 更能根據用戶需求或市場變化快速改變設計， 快速投入批量生產， 從而能大幅度壓縮新產品的開發時間， 提高質量、降低成本。

（2）可使分布在不同地點、不同部門的不同專業人員在同一個產品模型上同時工作、相互交流、信息共享， 減少大量的文檔生成及其傳遞的時間和誤差， 從而使產品開發以快捷、優質、低耗響應市場變化。

2.虛擬現實技術在機械設計與制造中應用

（1）虛擬產品概念設計。概念設計（Conceptual Design）是創造性思維的一種體現，概念產品是一種理想化的物質形式。概念設計是指對產品起始的設計構思，目的是為了捕捉產品的基本形態。概念設計是產品設計過程中的重要階段，因為產品成本的60%～70%是概念設計決定的。虛擬概念設計使用虛擬現實技術，為設計者提供基于語言識別和手勢跟蹤的輸入方式，設計者可隨時、方便地在三維虛擬環境中操縱產品及零件并改變或修改產品的各種形態建模，并可以在三維空間中對設計對象進行觀察和操作，其目的是獲得足夠多的有關產品式樣和形狀的信息，從而達到滿意的效果。虛擬現實技術在產品概念設計中的應用，使設計師的設計思路和設計表達更加清晰、形象、逼真，讓人更多了一種直觀的、親切的交互的感受。這樣的開發設計大大減少了投放市場的風險性，保證產品開發一次性成功。設計時可以針對不同用戶及愛好者的需求，在不同的虛擬環境中，讓他們親自體驗修改模型的感受，充分感受了自己所喜愛的產品在虛擬環境中的“真實”情況。

（2）虛擬設計。虛擬設計（Virtual Design）就是設計人員設計一個虛擬的產品，來分析、研究、檢查所設計的產品是否滿足設計要求，有問題及時修改，使產品設計更為完善，或者說虛擬現實技術用于產品的開發設計。虛擬設計涉及到許多的學科和專業技術，屬于多學科交互技術，在工程設計上，目前提出兩種基于虛擬現實的工程設計方法。一種是利用現有的CAD 系統產生模型，再將其轉換成虛擬現實軟件支持的格式，然后將模型輸入到虛擬現實軟件的環境中，完成虛擬產品的設計，用戶充分利用各種增強的效果設備，如頭盔顯示器等產生臨境感。另一種是VR-CAD 系統，將虛擬現實技術引入CAD 環境，這種設計環境中的對象不僅具有外形，而且還有重量、材料特性、表面硬度以及一些內在的物理性能、功能作用等信息。對象之間相互作用時能反映出對象內部結構狀態等隨外部輸入的實時改變。設計者直接在虛擬環境中參與設計，采用虛擬設計可以對產品的外形設計、產品的布局設計、產品的運動和動力仿真設計，避免可能出現的干涉和其它不合理問題;同時可以檢查運動構件工作時的運動協調關系。

（3）虛擬制造。虛擬制造（Virtual Manufacturing）是實際制造過程在計算機上的映射，即采用計算機仿真與虛擬現實技術，在高性能計算機及高速網絡的支持下，在計算機上群組協同工作，將與產品制造相關的各種過程與技術集成在三維的、動態的仿真真實過程的實體數字模型之上，實現產品設計、工藝規劃、加工制造、性能分析、質量檢驗以及企業各級過程的管理與控制等產品制造的本質過程，以增強制造過程各級的決策與控制能力。虛擬制造技術在制造業中得以成功地推廣應用，其中在航空航天、汽車等領域中的應用尤為典型。虛擬制造在汽車領域的應用涉及到汽車的整個生命周期，它可以在汽車生產設備、工裝和模具，甚至校車的設計之前，很容易地生產系統和工藝過程進行建模、修改、分析及優化。比如，通用電動車部（General Motors ElectroMotive Division，EMD）早在1997 年就利用UG II 軟件，建成了第一個完全數字化的機車樣機模型，并圍繞這個數字模型并行地進行產品設計、分析、制造夾模具工裝設計和可維修性設計。此舉顯著降低了研制費用及生產成本，大大增強了全球競爭能力。由此可見，虛擬制造用虛擬樣機代替具體物理模型，對產品的全壽命周期進行展示、分析和測試，對存在問題的地方進行修改，提高產品一次試驗成功率，減少設計制造費用，縮短設計開發周期，降低研發成本，提高研發水平，保證產品質量。

4.結束語

現在，虛擬現實技術在工業領域中獲得較為成熟的運用，但仍是初級階段。可以預見得到，虛擬現實技術將逐漸應用到設計制作的各個環節中，為設計制造業的蓬勃發展提供無限動力。

參考文獻：

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一、引言

虛擬現實技術（VR）是一門快速崛起的新型技術，它的出現對教育產生了深遠的影響，改變了以往的一些教學觀念和教學模式，開拓了現行教學手段的發展空間，為教學的創新提供了廣闊的空間[1]。使我們教學工作和科研可以遵循“低成本、高性能”的原則，從軟件、硬件上展開，逐步實現教學系統的動態環境建模技術、實時三維圖形生成和顯示技術以及三維交互系統的研制。

二、虛擬現實技術應用于教學科研的實現方法

首先利用現有的軟硬件、網絡環境和教學資源，包括各種相關技術專家和開發人員。本著自主研發和合作相結合的方向，完成各類醫學和生物學教學場景虛擬實現和模型建立，從而完成相應的模型數據庫的建設，根據不同的教學目標、科研方向和需求，逐步完善各學科教學課件的整合工作，包括醫學診治方案和試驗場景再現的制作和標準化工作[2]。以期達到最佳的教學效果和目的。醫學與其它學科不同，針對的對像是復雜的人體。因此其操作回饋，除去視覺之外，目前還沒有太好的解決方案。即使在國外，亦沒有多少可以借鑒的案例，要摸索的東西多。針對這些問題，最好的解決的方案是立足現有條件，從實際使用的可能性出發，制作不必求全求大，針對教學中的問題，用VR系統實現作精、作透。對于能夠模擬的，盡量模擬，無法模擬的，則想辦法模仿。虛擬教學系統應遵循合理整合現有軟硬件資源，本著實用性，高效性，前瞻性的原則進行開發和研究。

1.利用虛擬現實技術，對學生進行技能訓練。

虛擬現實的沉浸性和交互性，使學生能夠在虛擬的學習環境中扮演一個角色，并全身心地投入到該學習環境中去，以達到動作技能類教學目標要求。利用虛擬現實技術，可以做各種各樣的技能訓練，如手術仿真，影像系統仿真，電子病歷模擬等各種職業技能的訓練[3]。學生可以反復練習，直至掌握操作技能為止。如學生利用虛擬教學系統做實驗，先閱讀實驗指導書的實驗說明和操作步驟，然后觀察虛擬教學系統中的演示實驗，再與模擬實驗的多媒體課件進行交互“操作”，控制實驗條件，采集實驗數據，論證實驗原理和規律，寫出實驗報告，分析實驗結果。學生在實驗過程中或實驗結束后，隨時可以由網上老師或計算機智能系統進行跟蹤與糾錯。

2.借助網絡的虛擬化實現輔助教學。

隨著虛擬現實技術以及網絡技術的日益發展，借助于網絡的虛擬化進行輔助教學，將是未來教育占據主導地位的一種全新教學方法、方式。建構主義主張學習情境和實際情境相結合，因為實際情境具有豐富性和生動性等特點，這對于學生高級認知能力的發展有促進作用。然而計算機教學的內容，特別是實踐教學因場所等限制不是每時每刻都可以進行，它有空間和時間等因素的限制。而虛擬現實技術可以打破時空的限制，為學生提供一種可在課堂和實驗室中就能找到的虛擬實現，還可以再現特定的環境。

3.構建虛擬現實的教學平臺。

本研究結合虛擬現實和互聯網技術，利用計算機教研室現有600臺微機和6臺服務器、創建.NET平臺，在B/S架構上逐步開發出適合進行智能型的、交互式、分布式、圖文并茂的教學軟件，并通過互聯網傳輸逼真的教學和學習環境。

4.虛擬現實技術在遠程教學中的應用

在遠程教學中，往往會因為實驗設備、實驗場地、教學經費等方面的原因，而使一些應該開設的教學實驗無法進行[4]。利用虛擬現實系統，可以彌補這些方面的不足，學生足不出戶便可以做各種各樣的實驗，獲得與真實實驗一樣的體會，從而豐富感性認識，加深對教學內容的理解。

圖1 模塊框架

三、虛擬教學系統實現的重點和難點

虛擬現實應用于教學中具有“減少實驗經費開銷”、“突破時空限制”等優點。在此基礎上比較當前實現虛擬現實的幾種解決方案，本項目并最終選擇基于Flex的虛擬現實技術這一解決方案：利用3DS MAX進行建模、通過MXML+Action Script語言實現旋轉、放縮等，并對該解決方案中的技術特性、方案可行性及應用于教學中的優勢進行剖析;最后，借助軟件工程的開發思想（準備階段、分析階段、設計階段、開發階段和實施階段），設計出一個虛擬教學系統，并結合結構學的應用案例對該系統的部分功能進行開發，為虛擬教學系統建設提供一個新的開發途徑和模式[5]。如對研究實體，通過3D MAX完成場景建模，再由VRML創建的三維虛擬現實場景，使學生通過網絡就可以直接瀏覽并交互。模塊框架如圖1所示。

具體技術路線為：

1.在.NET環境和B/S架構上建立教學虛擬現實系統平臺。

2.從計算機虛擬教學課件著手，到逐步實現不同學科的虛擬實現的過度。其中包括國家精品課程教學課件的聲、圖和影像的多維虛擬實現（其中包括醫學影像，電子病歷，LIS，HIS，RIS等。

3.逐步實現臨床診療（虛擬手術，仿真影響神經元信號傳導的因素等）的網絡虛擬教學和遠程仿真實現。

4.整合人工智能、仿真技術、圖形技術、顯示技術、傳感技術、網絡等多種技術于一體[6]。通過硬件設備，計算機和網絡技術的運用，實現聽覺、視覺、嗅覺等多維信息通道獲取信息的高級用戶界面，從而為數字化教學的構想提供保證，填補一些國內在虛擬教學領域的空白，培養教研室科研隊伍。

四、小結

虛擬現實技術是本世紀發展的重要技術之一，并發揮神奇的作用，二十一世紀將是虛擬現實技術的時代。而借助于虛擬現實技術，創建一個與現實社會逼真的虛擬學習環境，在這個學習環境中，知識以可視化的方式呈現，學習者可以進行自主學習，以自然的方式與學習內容交互，就是本研究的目的。

參考文獻

[1]湯躍明.虛擬現實技術在教育中的應用[M].北京：科學出版社，2007：13-15.

[2]任建.從教學媒體的演變看教學設計的發展歷史[J].電化教育研究，2012（8）：12.

[3]林利，李春梅，劉暢.基于計算機虛擬技術構建臨床診療實踐教學輔助手段探析[J].中國社會醫學雜志，2011，28（3）：169-170.

[4]胡萬祥.多媒體輔助教學中的虛擬現實技術[J].才智，2013（14）：38.

[5]曾祥翊.從國際學者對話透視教育技術發展[J].電化教育研究，2011（8）：9-15.

篇（7）

中圖分類號：TP391.44 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）06-0022-02

Abstract：This paper introduces the composition， classification and characteristics of virtual reality technology and head mounted virtual reality system， described the application of head mounted virtual reality system in automobile design， compared with the traditional virtual reality techniques in the area of automotive design， the head-mounted virtual reality system has both advantages and disadvantages. According to the corresponding problems， the corresponding solutions are put forward.

Key words：Virtual Reality； head-mounted virtual reality system； automotive design； adhibition

隨著汽車產業的快速發展，各個汽車制造公司的競爭也日趨激烈，這就要求在汽車研發及生產的各個環節都能夠保持高效快速應變，以適應市場環境的快速變化。汽車造型設計作為汽車研發的重要一環，面對外部市場環境快速變化的嚴峻挑戰，對新科學技術的應用就更為迫切。

虛擬現實技術作為近年來發展最為迅猛的技術手段，將可能成為改變人類生活方式的一種新技術，而作為虛擬現實技術最重要的其中一種形式存在的頭戴式虛擬現實技術自然是重中之重。

1 概述

虛擬現實的實質是“造個世界任我行”，它是以現代科學計算機技術為發展核心，融合相關學科技術，生成在視覺、聽覺、觸覺等方面逼近人類在真實世界中的感官感觸的數字化虛擬世界，使用者借助相應設備，可以走進生成的數字化虛擬世界，并且可以與虛擬世界中的對象進行交互作用，產生身臨其境的真實體驗和感受。

（1）桌面式虛擬現實，這類型的虛擬技術要求相對較低，他只需要利用工作站作為運行設備，將計算機顯示器作為用戶觀看虛擬數字世界的一個窗口，再通過鼠標等輸入設備實現與虛擬數字世界的交互，用戶可以通過輸入設備對虛擬世界進行指令操作，通過顯示設備進行對虛擬世界的觀察。

（2）沉浸式虛擬現實，這一類型虛擬現實技術對虛擬現實硬件設備的要求較高，他是利用一種中間設備，例如頭戴顯示器，觸覺手套等，將用戶的視覺、聽覺、觸覺等感官感覺封鎖起來，并通過中間傳輸設備，給用戶提供一種全新的虛擬感覺，讓用戶沉浸其中。

（3）增強現實型虛擬現實，這一類型的虛擬現實能給用戶提供平時或者是正常情況下難以觀察到難以感受到的狀態給呈現出來，是真實世界和虛擬世界的疊加，即“實中有虛”。

（4）分布式虛擬現實，他需要通過多個計算機設備連接在一起，共同建立一個虛擬世界，這時候的虛擬現實世界是一個真正意義上的多元世界，多個使用者可以對同一個虛擬世界進行操作。

1.1 什么是頭戴式虛擬現實

頭戴式虛擬現實是將數字化虛擬世界呈現給用戶的一個窗口，用戶可以通過頭戴式虛擬現實設備將其對現實世界的視覺、聽覺隔離起來，這時候就完全置身于虛擬世界了。頭戴式虛擬現實顯示根據人眼視覺原理左右眼成像不同，分別顯示相應的左右眼圖像，能讓人感覺到虛擬世界的物體時有立體有深度信息的，從而傳遞給大腦一個真實的信息，在視覺層面上達到以假亂真的目的。

1.2 構成

一套完整的頭戴式虛擬現實系統通常由以下幾方面組成[1～2]：

（1）計算機硬件設備，它必須能承載龐大的數據量運轉，快速生成圖形圖像并且能支持實時高速處理，高性能計算機設備是頭戴式虛擬現實系統構成的基礎也是關鍵。

（2）頭戴式虛擬現實設備，它是人機交互的接口，使用者通過它可以對虛擬世界進行操作，虛擬世界也可以根據使用者的各項指令進行反饋，借助頭戴式虛擬顯示器，使用者可以看得見虛擬世界，并且^戴虛擬顯示器中安裝有定位器，當使用者行走的位置或者方向進行改變的時候，虛擬世界會相應變化。

（3）虛擬現實生成軟件，它是虛擬世界得以實現的基礎，你可以利用它構建真實世界場景的再現或是你所構想的虛擬世界，現階段相關的虛擬現實生成軟件游戲領域運用的比較多的是Virtools、Quest 3D等，在汽車設計領域用的比較多的有Alias、RTT等。

（4）虛擬現實三維數字模型。它是虛擬現實的內容也是載體，他可以是現實世界的再造，也可以是人們虛構的世界，它的狀態決定是使用者所看到的內容。

1.3 成像原理

人們在觀察周邊世界的時候，能感受到物體的立體、遠近、景深等效果主要是依靠于人眼強大的成像原理，人們由于兩只眼睛的不同位置而產生眼距，在看同一件物體的時候得到兩幅略微不同的圖像，這兩幅圖像經過人的大腦的融合，形成一幅帶有空間立體、距離遠近等信息的景象，而頭戴式虛擬現實顯示器正是模仿人眼雙目立體成像原理進行設計，頭戴顯示器有兩個顯示鏡分別用來模擬人的左右眼，工作站根據后臺數據輸入指令，分別將左右眼畫面輸送給左右眼顯示器，用戶佩戴上頭戴式虛擬顯示器，就可以體驗到虛擬的真實。

2 頭戴式虛擬現實技術在汽車設計領域的影響

虛擬現實技術作為能夠準確體現汽車造型設計、加快汽車研發進程的一種有效手段，自誕生以來就受到了各大主流汽車公司的廣泛關注與應用，并且其帶來的巨大效益也得到了行業內的廣泛認可[3]。放眼國外主流的汽車廠商像奔馳、保時捷等，都建立有自己的虛擬現實實驗室。在近兩年頭戴式虛擬現實技術風潮瘋狂席卷全球態勢下，很多汽車公司都紛紛加入了頭戴式虛擬現實技術的研究，在美國通用公司的虛擬現實中心的虛擬現實設計實驗室里，當用戶進入該實驗室，佩戴上頭戴式虛擬現實顯示器，預先設置好的虛擬現實世界就會呈現在用戶身邊，用戶可以看到和真實汽車一樣的包括尺寸大小、顏色、紋理一樣的虛擬汽車，用戶可以像實際觀察汽車一樣前后來回觀察，可以查看車體的造型輪廓及線條流暢性，也可以坐到汽車座椅上觀察儀表、方向盤、娛樂面板等細節的效果，以及模擬駕駛員視野的觀察。

3 頭戴式虛擬現實系統在汽車設計中的應用探索

頭戴式虛擬現實技術的出現，對汽車設計領域的原有設計流程及驗證方法有了很大改進，在汽車研發過程中，汽車造型設計是很重要一環，汽車設計師的造型構想如何快速的讓用戶看得見并且喜愛是決定造型設計成敗的關鍵。一個產品的設計流程往往需要經過幾輪甚至十幾輪反復推敲，時間成本比較高，難以跟上快速變化的市場環境，因此在設計過程中如何簡化設計流程并且客觀真實的反應汽車造型狀態尤為重要，而頭戴式虛擬現實系統能夠在造型效果圖之后就迅速加入設計流程，并且用虛擬的環境客觀真實的還原實際狀態，讓用戶所看即所得，而完成一套虛擬現實系統不僅需要硬件系統的支持，也需要軟件的配合，而所觀察到的內容則需要設計師前期虛擬現實數據的制作。

4 面臨的問題與發展方向

頭戴式虛擬現實技術在汽車設計領域中的運用，讓使用者能夠以比較真實自然的方式與虛擬世界進行交互，提高了人機交互的真實性，但受限于當下科技水平、計算機仿真技術、人機交互技術等各方面的影響，仍存在一定程度上的虛擬世界不真實、人機交互程度不夠以及用戶共享性不足等題[4]。目前來看，一套頭戴式虛擬現實設備同時只能支持一位用戶觀察使用，因此在用戶共享體驗上不夠。

在將來科學技術水平、計算機仿真技術等各方面技術發展越來越成熟的時候，頭戴式虛擬現實技術可以朝分布式虛擬現實技術發展，通過多個計算機設備共同建立一個虛擬現實世界，多個使用者可以對同一個虛擬世界進行操作，這時候的虛擬現實世界是一個真正意義上的多元世界。

5 結語

隨著科技水平的發展，虛擬現實技術的發展也隨之日漸成熟，并且由于其為人類生活生產方面帶來的巨大效益越來越被接受，頭戴式虛擬現實技術在汽車設計領域的運用作為即Powerwall桌面式虛擬現實之后的另一先進技術，能極大的優化汽車設計流程、縮短研發時間、有效提高汽車設計水平 ，給使用者提供真實的用戶反饋，也越來越被汽車設計公司所青睞，雖然受限于當下科技發展水平等各方面因素的影響，頭戴式虛擬現實技術在使用體驗上仍有些不足，但隨著科技的進步以及巨大市場資金的投入必定能推動這一技術的長足發展。

參考文獻

[1]周忠，周頤，肖江劍.虛擬現實增強技術綜述[J].信息科學，2015，45（2）：157～180.

篇（8）

一、引言

教育技術的發展緊緊伴隨著技術進步的步伐發展，隨著信息技術的飛速發展現代教育技術也呈現出日新月異的局面。有研究表明，隨著通信技術和信息技術的不斷發展，有關教育技術特別是遠程教育技術的研究呈現出由電視技術到計算機技術再到網絡技術的發展路徑。例如美國早期的教育技術研究集中在視聽教育方面，對電視媒體比較關注。90年代以后，計算機逐漸普及應用，教育技術相關的新詞語，如“Courseware”“Hypermedia”和“ComputerSoftware”等大幅度出現。今天，隨著新教育理念和教育技術的發展，特別是虛擬現實和數字媒體技術的發展，“遠程網絡教育平臺”“MOOC課程”“虛擬教室”“虛擬實驗”等新術語又不斷出現在現代教育技術研究的舞臺上，呈現出新的發展局面。我國是教育大國，發展現代遠程教育已成為我國教育發展的一項戰略措施。近年來，在我國教育技術主要的研究刊物中，包括《電化教育研究》《中國電化教育》《中國遠程教育》《開放教育研究》《現代教育技術》《現代遠距離教育》，對包括虛擬現實技術在內的新的信息技術應用做了大量研究。本文在綜合分析相關文獻的基礎上，分別論述虛擬現實技術主要的應用特點、虛擬現實在教育技術中的應用模式和關鍵技術。

二、虛擬現實技術應用于遠程教育的主要優勢

我國的遠程教育經歷了三個發展階段：一是主要依靠郵政通訊手段進行函授教育；二是利用廣播和電視開展廣播電視教育；三是以信息為基礎開展的現代遠程教育。特別是20世紀90年代以來，隨著計算機網絡為代表的遠程傳輸技術和移動計算技術的發展，隨著多媒體、虛擬現實等新型媒體技術的發展和應用，現代遠程教育成功突破了傳統面授教育的局限，提供了一種突破時空界限、資源共享、交互沉浸式的學習環境。其中，虛擬現實技術發揮著重要的作用。“虛擬現實技術”是一種利用計算機為用戶生成模擬人物和場景的技術，該模擬的人物和場景非常相似于所對應的現實世界人物和場景，使用戶能夠得到一種類似真實世界所能給與的感受和體驗。所以又稱為虛擬現實技術可以虛擬出“一個真實的世界”。虛擬現實技術同時還具有鮮明的特色—3I特性：“沉浸(Immersion)”“交互(Interaction)”和“想象(Imagination)”。虛擬現實技術首先追求的是能夠達到沉浸的“真實”體驗，能夠提供有效的人機“交互”，能夠為用戶提供一種甚至超越現實意境的“想象”空間。虛擬現實技術是一門綜合性的技術，不僅包括圖形學、圖像處理、模式識別、網絡技術、并行計算技術、人工智能等特殊的信息技術，而且涉及數學、物理、通信，甚至與氣象、地理、美學、心理學和社會學等相關知識。如果真的能夠方便地生成各種虛擬的現實世界，同時又具有3I特性，必將在遠程教育中發揮重要的作用。

三、虛擬現實技術在遠程教育領域的主要應用模式

前一個時期，我國遠程教育技術大多還是基于網頁的遠程教育平臺，依靠文字和平面動畫提供在線的教育服務。由于教育者和學習者的時空相對分離而無法提供身臨其境的學習環境，也由于教育內容更多屬于單向的線性播放模式而無法提供人機交互環境，還由于只是通過視頻進行演示教學而無法提供真實的實驗教學環境，大大降低了學習的主動性，已無法激起學生的學習興趣和積極性。現代遠程教育的發展趨勢是網絡化、智能化、虛擬化。虛擬現實技術因其特有的多感知性、浸沒感、交互性和想象性等特點，在遠程教育中具有強大優勢和潛力。虛擬現實技術本身也在發展之中，基于虛擬現實技術的應用也在實踐探索之中。從目前情況看，虛擬現實技術在遠程教育中的主要應用可以分為兩個層面：一是簡單應用，基本上是在教室教學資料中運用虛擬現實技術制作課件，將抽象問題和復雜問題直觀化、可視化。例如醫學教育中的人體結構和各類生命循環系統功能演示等。二是高級應用，所謂高級是用虛擬現實技術專門制作特殊功能的系統，并在遠程教育平臺上使用。這類高級的虛擬現實應用主要包括三個方面：一是虛擬訓練場和虛擬實驗室。專門提供規模較大的分布式專業訓練和實驗環境。例如軍事訓練環境，運用軍事仿真技術、虛擬現實技術和分布計算技術，構建真實的軍事對抗訓練環境，這已經是成功的應用模式了。同樣，在一般的學科專業教學中，可以通過建構虛擬實驗室，使得許多現實的實驗室功能可以虛擬化。二是虛擬教室和學習環境。這類應用主要是提供虛擬的數字校園，在網絡化的數字校園里有著許多不同授課內容的“教室”，有著虛擬化的校園、圖書館和學科專業網站，甚至有著同類學員的學習“社區”。三是虛擬創新設計環境。現代教育提倡的創新學習，隨著虛擬現實技術的運用也逐漸成為了可能。利用虛擬現實技術可以建立實際動手設計環境，學生可以開展近乎真實的創新設計。如服裝設計、藝術設計和科技產品設計。如果再能夠利用產學研結合的機制，這樣的設計環境將會是非常有意義的。總之，運用虛擬現實技術人們可以虛擬出一個真實的校園環境或者構建一個虛擬的學習環境，經過實時渲染的分布式虛擬現實環境將會讓學生在虛擬現實空間中學習的感受就如同在3D游戲中一樣，他們可以實時地進行三維交互、實時地參與教學活動、與教師進行溝通。

四、虛擬現實技術應用于遠程教育應該重點關注的問題

虛擬現實技術具有非常理想的發展前景，但是仍處于快速發展的階段。虛擬現實技術運用于遠程教育，應該分別從技術和應用兩個方面關注以下問題。從技術的角度，要重點關注虛擬現實關鍵技術發展的動態。要想理想地用計算機生成真實感很強的虛擬世界，并且能夠在廣域網范圍內交互使用，技術難度是很大的。目前大多數人認為有五項關鍵技術正在積極突破。（一）動態環境建模技術一般說環境建模比對象個體建模復雜，而動態的環境建模更具有挑戰。動態環境建模目的是獲取實際環境的三維數據，并根據應用的需要，利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環境模型。（二）實時三維圖形生成技術目前三維圖形技術盡管已經較為成熟，但是如何實現“實時”生成仍然是挑戰。（三）立體顯示技術目前虛擬現實的交互能力主要依賴于立體顯示和傳感器技術。但現有的虛擬現實還遠遠不能滿足需要，虛擬現實設備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提高。（四）系統開發工具和運行平臺虛擬現實應用的開發比較復雜，效率和質量保證也很困難，網絡化的運行平臺也很難滿足廣域網環境。目前還必須重點研究虛擬現實的有效開發工具和高效分布式運行平臺。（五）系統集成技術集成技術包括信息的同步技術、模型的標定技術、數據轉換技術、數據管理模型、識別和合成技術等等。由于虛擬現實中包括大量的感知信息和模型，因此系統的集成也非常復雜。從應用角度，要更新教育觀念并能夠有效運用建模技術構建學習環境。包括如何運用建模技術構建與教學相關的對象和場景，如何構建以學生為主體的自主學習過程，如何設計人機交互環節等等。當然熟練掌握虛擬現實技術和數字媒體技術是重要的應用基礎。正像高質量的動漫游戲制作非常不易一樣，好的虛擬現實教育作品的研發也是具有挑戰性的。

五、結語

現代教育技術的應用逐漸呈現出網絡化、智能化和虛擬化的重要趨勢。虛擬現實技術在現代遠程教育領域的主要應用模式包括：虛擬訓練場和虛擬實驗室、虛擬教室和學習環境、虛擬創新設計環境。當前相關的關鍵技術和新的應用模式都還在積極的發展之中，有著良好的前景。

作者:鄒玲 單位:北京電影學院數字媒體學院

參考文獻

[1]魏順平.國外教育技術研究現狀與趨勢[J].開放教育研究,2010(2).

篇（9）

中圖分類號：G726 文獻標識碼：A

一、引言

教育技術的發展緊緊伴隨著技術進步的步伐發展，隨著信息技術的飛速發展現代教育技術也呈現出日新月異的局面。有研究表明，隨著通信技術和信息技術的不斷發展，有關教育技術特別是遠程教育技術的研究呈現出由電視技術到計算機技術再到網絡技術的發展路徑。例如美國早期的教育技術研究集中在視聽教育方面，對電視媒體比較關注。90年代以后，計算機逐漸普及應用，教育技術相關的新詞語，如“Courseware”“Hypermedia”和“ComputerSoftware”等大幅度出現。今天，隨著新教育理念和教育技術的發展，特別是虛擬現實和數字媒體技術的發展，“遠程網絡教育平臺”“MOOC課程”“虛擬教室”“虛擬實驗”等新術語又不斷出現在現代教育技術研究的舞臺上，呈現出新的發展局面。我國是教育大國，發展現代遠程教育已成為我國教育發展的一項戰略措施。近年來，在我國教育技術主要的研究刊物中，包括《電化教育研究》《中國電化教育》《中國遠程教育》《開放教育研究》《現代教育技術》《現代遠距離教育》，對包括虛擬現實技術在內的新的信息技術應用做了大量研究。本文在綜合分析相關文獻的基礎上，分別論述虛擬現實技術主要的應用特點、虛擬現實在教育技術中的應用模式和關鍵技術。

二、虛擬現實技術應用于遠程教育的主要優勢

我國的遠程教育經歷了三個發展階段： 一是主要依靠郵政通訊手段進行函授教育；二是利用廣播和電視開展廣播電視教育；三是以信息為基礎開展的現代遠程教育。特別是20世紀90年代以來，隨著計算機網絡為代表的遠程傳輸技術和移動計算技術的發展，隨著多媒體、虛擬現實等新型媒體技術的發展和應用，現代遠程教育成功突破了傳統面授教育的局限，提供了一種突破時空界限、資源共享、交互沉浸式的學習環境。其中，虛擬現實技術發揮著重要的作用。

“虛擬現實技術”是一種利用計算機為用戶生成模擬人物和場景的技術，該模擬的人物和場景非常相似于所對應的現實世界人物和場景，使用戶能夠得到一種類似真實世界所能給與的感受和體驗。所以又稱為虛擬現實技術可以虛擬出“一個真實的世界”。虛擬現實技術同時還具有鮮明的特色―3I特性：“沉浸（Immersion）”“交互（Interaction）”和“想象（Imagination）”。虛擬現實技術首先追求的是能夠達到沉浸的“真實”體驗，能夠提供有效的人機“交互”，能夠為用戶提供一種甚至超越現實意境的“想象”空間。

虛擬現實技術是一門綜合性的技術，不僅包括圖形學、圖像處理、模式識別、網絡技術、并行計算技術、人工智能等特殊的信息技術，而且涉及數學、物理、通信，甚至與氣象、地理、美學、心理學和社會學等相關知識。如果真的能夠方便地生成各種虛擬的現實世界，同時又具有3I特性，必將在遠程教育中發揮重要的作用。

三、虛擬現實技術在遠程教育領域的主要應用模式

前一個時期，我國遠程教育技術大多還是基于網頁的遠程教育平臺，依靠文字和平面動畫提供在線的教育服務。由于教育者和學習者的時空相對分離而無法提供身臨其境的學習環境，也由于教育內容更多屬于單向的線性播放模式而無法提供人機交互環境，還由于只是通過視頻進行演示教學而無法提供真實的實驗教學環境，大大降低了學習的主動性，已無法激起學生的學習興趣和積極性。現代遠程教育的發展趨勢是網絡化、智能化、虛擬化。虛擬現實技術因其特有的多感知性、浸沒感、交互性和想象性等特點，在遠程教育中具有強大優勢和潛力。

虛擬現實技術本身也在發展之中，基于虛擬現實技術的應用也在實踐探索之中。從目前情況看，虛擬現實技術在遠程教育中的主要應用可以分為兩個層面：一是簡單應用，基本上是在教室教學資料中運用虛擬現實技術制作課件，將抽象問題和復雜問題直觀化、可視化。例如醫學教育中的人體結構和各類生命循環系統功能演示等。二是高級應用，所謂高級是用虛擬現實技術專門制作特殊功能的系統，并在遠程教育平臺上使用。這類高級的虛擬現實應用主要包括三個方面：

一是虛擬訓練場和虛擬實驗室。專門提供規模較大的分布式專業訓練和實驗環境。例如軍事訓練環境，運用軍事仿真技術、虛擬現實技術和分布計算技術，構建真實的軍事對抗訓練環境，這已經是成功的應用模式了。同樣，在一般的學科專業教學中，可以通過建構虛擬實驗室，使得許多現實的實驗室功能可以虛擬化。

二是虛擬教室和學習環境。這類應用主要是提供虛擬的數字校園，在網絡化的數字校園里有著許多不同授課內容的“教室”，有著虛擬化的校園、圖書館和學科專業網站，甚至有著同類學員的學習“社區”。

三是虛擬創新設計環境。現代教育提倡的創新學習，隨著虛擬現實技術的運用也逐漸成為了可能。利用虛擬現實技術可以建立實際動手設計環境，學生可以開展近乎真實的創新設計。如服裝設計、藝術設計和科技產品設計。如果再能夠利用產學研結合的機制，這樣的設計環境將會是非常有意義的。

總之，運用虛擬現實技術人們可以虛擬出一個真實的校園環境或者構建一個虛擬的學習環境，經過實時渲染的分布式虛擬現實環境將會讓學生在虛擬現實空間中學習的感受就如同在3D游戲中一樣，他們可以實時地進行三維交互、實時地參與教學活動、與教師進行溝通。

四、虛擬現實技術應用于遠程教育應該重點關注的問題

虛擬現實技術具有非常理想的發展前景，但是仍處于快速發展的階段。虛擬現實技術運用于遠程教育，應該分別從技術和應用兩個方面關注以下問題。

從技術的角度，要重點關注虛擬現實關鍵技術發展的動態。要想理想地用計算機生成真實感很強的虛擬世界，并且能夠在廣域網范圍內交互使用，技術難度是很大的。目前大多數人認為有五項關鍵技術正在積極突破。

（一）動態環境建模技術

一般說環境建模比對象個體建模復雜，而動態的環境建模更具有挑戰。動態環境建模目的是獲取實際環境的三維數據，并根據應用的需要，利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環境模型。

（二）實時三維圖形生成技術

目前三維圖形技術盡管已經較為成熟，但是如何實現“實時”生成仍然是挑戰。

（三）立體顯示技術

目前虛擬現實的交互能力主要依賴于立體顯示和傳感器技術。但現有的虛擬現實還遠遠不能滿足需要，虛擬現實設備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提高。

（四）系統開發工具和運行平臺

虛擬現實應用的開發比較復雜，效率和質量保證也很困難，網絡化的運行平臺也很難滿足廣域網環境。目前還必須重點研究虛擬現實的有效開發工具和高效分布式運行平臺。

（五）系統集成技術

集成技術包括信息的同步技術、模型的標定技術、數據轉換技術、數據管理模型、識別和合成技術等等。由于虛擬現實中包括大量的感知信息和模型，因此系統的集成也非常復雜。

從應用角度，要更新教育觀念并能夠有效運用建模技術構建學習環境。包括如何運用建模技術構建與教學相關的對象和場景，如何構建以學生為主體的自主學習過程，如何設計人機交互環節等等。當然熟練掌握虛擬現實技術和數字媒體技術是重要的應用基礎。正像高質量的動漫游戲制作非常不易一樣，好的虛擬現實教育作品的研發也是具有挑戰性的。

五、Y語

現代教育技術的應用逐漸呈現出網絡化、智能化和虛擬化的重要趨勢。虛擬現實技術在現代遠程教育領域的主要應用模式包括：虛擬訓練場和虛擬實驗室、虛擬教室和學習環境、虛擬創新設計環境。當前相關的關鍵技術和新的應用模式都還在積極的發展之中，有著良好的前景。

參考文獻

篇（10）

中圖分類號:TP-9文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1210106-02

隨著科學技術的迅猛發展,特別是計算機科學技術的飛速發展,帶動了各領域科研方式的全面革新。各種計算機輔助設計系統相繼出現,給科研工作帶來了極大便利。而其中的虛擬現實技術成為近幾年來國內外科技界關注的一個熱點。目前,虛擬現實技術已廣泛應用于航空航天、醫學實習、軍事訓練、建筑設計、教育培訓等眾多領域。

一、虛擬現實的概念以及特點

(一)基本概念

虛擬現實技術是一種真實模擬人在自然環境中視覺,聽覺以及行為舉止的一種人機交互界面。它運用計算機圖形學,人工智能,計算機仿真技術,傳感技術,顯示技術,網絡技術以及心理學等各種學科知識在計算機中構成與外在自然環境相同的虛擬環境。它使得用戶可以用自然方式與虛擬環境進行交互操作。

(二)特點

1.沉浸性:指用戶感到作為主角存在于模擬環境中的真實程度。虛擬現實技術根據人類各種感覺器官以及心理特點,經由計算機模擬還原出逼真的三維立體圖像,讓使用者在與虛擬環境進行交互行為時有一種身臨其境的感受。

2.交互性:指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度。虛擬現實系統中的人機交互是一種近乎自然的交互,使用者不僅可以利用電腦鍵盤,鼠標進行交互,而且能夠通過特殊頭盔,數據手套等傳感設備進行交互。

多感知性――是指除了一般計算機技術所具有的視覺感知之外,還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知,甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。由于虛擬現實系統中裝有視、聽、觸、動覺的傳感及反應裝置,因此,使用者在虛擬環境中可獲得視覺、聽覺、觸覺等多種感知,從而達到身臨其境的感。

3.構想性:傳統的計算機圖形學中是將三維場景在顯示器上進行二維環境顯示處理。但是虛擬環境則是真實模擬還原現實客觀世界環境,強調三維顯示立體環境,更貼近于現實真實環境。

4.多感知性:是指除了一般計算機技術所具有的視覺感知之外,還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知,甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。但是由于傳感技術的限制,我們無法達到理論上的對人類感官的全面模擬,現今的虛擬現實技術的感知功能僅限于通過視覺,聽覺,觸覺等。

二、虛擬現實分類

根據用戶參與的形式的不同,通常把虛擬現實分成四大類。桌面虛擬現實,沉浸的虛擬現實,增強現實性的虛擬現實,分布式虛擬現實。

(一)桌面虛擬現實

桌面虛擬現實(PCVR)系統,基本上是一套基于普通PC平臺的小型桌面虛擬現實系統。其實就是使用個人計算機即PC機或PC工作站去產生仿真,桌面虛擬現實的參與者是不完全沉浸的,他要求參與者使用標準的CRT顯示器和立體顯示技CJFD2000以及位置跟蹤器和另外一個手控輸入設備,如數據手套和六個自由度的三維空間鼠標器,戴上立體眼鏡坐在監視器前,在一些專業軟件的幫助下,但可以通過計算機屏幕觀察360度范圍內的虛擬境界。

(二)沉浸式虛擬現實

沉浸式虛擬現實系統是一種高級的虛擬現實系統,它提供一個完全沉浸的體驗,使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺。它利用頭盔式顯示器或其它設備,把參與者的視覺、聽覺和其它感覺封閉起來,并提供一個新的、虛擬的感覺空間,并利用位置跟蹤器、數據手套、其它手控輸入設備、聲音等使得參與者產生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺。沉浸式虛擬系統是一套比較復雜的系統,它的優點是使用戶全身心地沉浸到虛擬世界中去,缺點是系統設備價格昂貴,難以普及推廣。

(三)增強現實性的虛擬現實

增強式虛擬現實系統是把真實環境和虛擬環境組合在一起的一種系統,它既允許用戶看到真實世界,同時也可以看到疊加在真實世界的虛擬對象,這種系統既可減少對構成復雜真實環境的計算,又可對實際物體進行操作,真正達到亦真亦幻的境界。

(四)分布式虛擬現實

分布式虛擬現實系統是利用遠程網絡,將異地的不同用戶聯結起來,多個用戶通過網絡同時參加一個虛擬空間,共同體驗虛擬經歷,對同一虛擬世界進行觀察和操作,達到協同工作的目的,從而將虛擬現實的應用提升到了一個更高的境界。

三、虛擬現實技術在教學中的實現意義

將虛擬現實技術引入學校教學是教育方法上的一次革命性的創新實踐。相對于傳統的教學模式中理論教學方面對知識的傳授僅限于口述以及靜態圖像展示的教學方法而言,虛擬現實技術可以全方位的讓學生主動獲取知識,對知識體系有全方位的理解。而在實驗教學方面虛擬現實技術可以模擬出逼真的學習環境,并且提供多種學習交互活動,讓學習者通過實際操作或親身體驗來接受相關知識內容。例如在飛行員的培訓中就可以引入虛擬現實技術進行培訓,從而降低了風險以及教學成本。因此虛擬現實技術在理論與實驗教學環節中有以下優勢及特征:

(一)理論教學方面

1.模擬實物立體模型:在教學中經常要利用一些實物展示,以幫助學生形象的認識知識對象。傳統的展示手段有:

(1)利用圖像與投影儀等設備。但是這種靜止圖像在傳遞知識時信息較為匱乏,學生無法獲取畫面之外的知識信息。

(2)利用實物展示。這種方法的缺點是學生全面觀察較為困難,在不同角度獲得的信息各不相同。且展示物品無法制作較大使得后排學生難以看清楚。

(3)通過三維模型動畫軟件制作模型展示。雖然這種方法可以較為完整的還原物體,且各方面信息也都可以獲得,但是使用此類模型進行教學無法實現動態交互,學生只能被動接受事先安排好的內容順序,最多進行暫停與播放操作。無法自己主動獲取所希望了解的相關方面知識。

但是通過虛擬現實技術我們可以構建與實物相同的三維物體。利用三維制作軟件制作模型,最后存儲為VRML格式,在VRML播放器中使用可以全面的認識展示對象。如計算機教學中硬件部分教學中就可以制作出相關硬件部分的桌面虛擬現實。讓學生近距離全方位的觀察。

2.立體空間的展示:立體空間是指現實中存在的或根據歷史資料在歷史中層真實存在的空間。在教學中由于受到條件的限制,學生無法親歷這些空間,只能靠老師語言描述或繪畫描繪等方法來激發學生想象,讓學生在自己的腦海中抽象的構建相關的空間。但是依靠虛擬現實技術我們可以不僅僅讓學生在腦海中想象,還可以讓學生聽的到,看的到,甚至摸的到。例如在地理課程中描述火山地形,傳統教學手法無法讓學生親臨火山去觀察,但是結合虛擬顯示技術就可以全方位的觀察火山地形以及火山噴發過程。同事結合虛擬向導的語音描述,學生在學習過程中可以結合向導所講的知識親自觀察。這種教學方法無疑是對傳統書本授課教學的革新與挑戰。

3.展品介紹:人類發展經歷了數千年,在這數千年里有無數人類知識的結晶與藝術的瑰寶。但是大多數時候我們都無法親眼目睹這些寶貴的文化遺產,往往是通過圖片或者視頻來了解認識它們。比如巴黎的埃菲爾鐵塔,我們又有多少人能去法國,親自站在埃菲爾鐵塔下面去從下而上的觀賞它。大多數人都是通過照片來觀看埃菲爾鐵塔的正面。但是利用虛擬現實技術我們可以真實的模擬出埃菲爾鐵塔來,從而全方位的觀察它,不僅僅是我們正常的視點。我們甚至可以從人們無法獲得視點來觀察。

(二)實驗教學方面

虛擬實驗是采用虛擬現實等技術,模擬傳統實驗操作環節的軟硬件實驗環境,包括虛擬的實驗設備、實驗工具、實驗對象等。實驗過程主要是對虛擬對象的操作,實驗結果可以被處理、存儲,實驗過程可以不斷重復進行,虛擬實驗注重的是實驗操作的交互性和實驗結果的仿真性。

虛擬實驗室是虛擬現實技術應用研究的重要載體,是以計算機軟硬件技術為基礎,使用軟件開發工具實現的一種虛擬實驗環境,通過開發一系列虛擬實驗模塊來模擬真實的實驗環境、實驗設備和實驗過程,實驗者能夠進行友好人機交互,真實感受互動的實驗過程,身臨其境地進行實驗操作。虛擬實驗室與傳統實驗室相比有以下優點:

1.打破了傳統實驗對地點和時間的限制:很多實驗都需要大量的時間來進行操作,而且很多實驗對實驗地點的要求也很嚴格。但是結合虛擬現實技術,我們可以突破時間的限制而在較短的時間內獲得實驗結果,同時對一些特殊實驗環境也可以進行模擬,打破了實驗的地點限制。

2.降低了實驗器械的損耗以及充分發揮學生創造力:在虛擬現實環境中進行實驗,學生無需對損壞實驗器械而擔心。可以放心大膽的使用一些可能十分昂貴的實驗器材。同時在虛擬的實驗環境中,學生也可以自由發揮自己的想象力,創造力。

3.節省成本,突破設備、場地、經費等硬件的限制。

4.降低操作風險:在一些高危險性的實驗中運用虛擬現實技術可以避免因操作失誤而帶來的人身事故。而且也可以進行一些學校無法提供的高危險性的實驗:如核反應實驗等涉及放射性元素的實驗課題。虛擬實驗教學應用于實驗教學是教育技術發展的一個飛躍,它營造了“自主學習”的環境,由傳統的“以教促學”的學習模式變為學生與虛擬環境的交互,從而得到新知識的學習模式。

四、結語

虛擬現實技術伴隨著計算機圖像技術和計算機網絡技術的不斷發展,從開始產生到現在經歷了一段相當長的時間。但是隨著科技的日新月異的變革,我們的虛擬現實技術也將迎來一個快速發展的階段,使我們的虛擬現實中的場景更加真實,人物也更加生動形象,使之帶動教育教學手段上的革新。

參考文獻:

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[2]韓強,虛擬實驗室在高校實踐教學中的應用與研究[J].吉林工程技術師范學院學報,2007(6).

篇（11）

收稿日期：2007―09―28

作者簡介：梅婷（1984―），女，漢族，浙江省杭州市人，浙江工業大學職業技術教育研究所，碩士研究生，主要研究方向：高等職業技術教育。

李海宗（1963―），男，漢族，甘肅省隴西人，浙江工業大學職業技術教育研究所，副教授，主要研究方向：高等職業技術教育、教育教學評價。

計算機和互聯網絡的發展對傳統的教育思想、教育觀念、教育模式和教育方法等都帶來了革命性的影響。分析職業技術教育本身的特點，結合新興的技術手段，探求兩者的完美結合，也許可以打開制約職業教育實訓課程實施的瓶頸，尋找新的突破口。

一、什么是虛擬現實技術

虛擬現實技術是利用計算機生成一個逼真的三維虛擬環境，并通過使用傳感設備與之相互作用的新技術。它為用戶提供了一種臨境（immersible）和多感覺通道（multi-sensory）的體驗，是計算機與用戶之間的一種更為理想化的人―機界面形式。虛擬現實技術與傳統的模擬技術完全不同，是將模擬環境、視景系統和仿真系統合三為一，并利用頭盔顯示器、圖形眼鏡、數據服、立體聲耳機、數據手套及腳踏板等傳感裝置，將操作者置身于計算機生成的三維虛擬環境中。操作者通過傳感裝置與虛擬環境交互作用，可獲得視覺、聽覺、觸覺等多種感知，并允許操作和改變其中的“物體”。 與傳統計算機相比，虛擬現實技術具有“3I”特點：強烈的“身臨其境”的沉浸感（Immersion）；友好親切的人機交互性（Interaction）；發人想像的刺激性（Imagination）。

目前，隨著信息處理技術的不斷進步，虛擬現實系統也在逐步發展和完善，按照系統實現的功能不同，虛擬現實技術主要有以下四種基本應用類型：

（一）桌面型虛擬現實系統（Desktop VR）。桌面型虛擬現實系統實現較為容易，設備造價低，普及性好。

（二）沉浸型虛擬現實系統（Immersible VR）。沉浸型虛擬現實系統是一套技術復雜、設備造價較為昂貴的高級系統。

（三）分布式虛擬現實系統（Distributed VR）。

（四）增強型虛擬現實系統（Augmented VR）。

二、為什么要應用虛擬現實技術

職業教育有別于普通教育的一個重要特點就是在保證理論教學基礎上，突出強調實踐教學，讓學生不但掌握一定的應知理論，更重要的是學會一種實際的應用能力。

實訓是職業技能實踐訓練的簡稱，是指在學校能控制狀態下，按照人才培養規律與目標，對學生進行職業技術應用能力訓練的教學過程。

實訓是培養學生專業知識綜合應用能力，熟練掌握崗位技能的關鍵教學環節。實訓課程開設的成功與否，直接關系到學生的操作技能、創新精神、職業習慣與道德等綜合素質的培養。

近年來，各地政府與學校都逐漸認識到實訓課程在職業教育中的重要作用，都不同程度地加大了實訓場地的硬件建設。然而，由于某些方面的原因，實訓課程的開展依然不盡如人意。比如：

（一）我國各地經濟發展差距大，職業技術教育發展亦不平衡。很多地區雖然加大了投入力度，但由于實訓課程的前期投入與后期消耗都非常大，且隨技術的發展，常需要更新換代，因此仍然存在資金欠缺的問題。

（二）一些實踐活動存在一定的危險性。如：可能會產生有害物質，易危害人體健康；容易發生短路、爆炸等狀況。

（三）一些項目的運作成本高昂。比如：所需的設備復雜、價格昂貴、器械損耗較大，且使用的原材料亦屬昂貴、消耗量大之類物質，以及因學生的誤操作而帶來的損耗。

因此，既然從資金上無法做到無窮滿足實訓課程順利的開展，那么，從科學技術上尋求一種新型的、實用的方法手段，作為突破口，從另一維度來解決這一系列的問題，也許是職業教育走出實訓困境的一條出路。

三、虛擬現實技術的優勢

將虛擬現實技術應用于職業教育實訓課程中，區別于傳統實訓課程，有下列一些優勢：

（一）效率高。在應用虛擬現實技術營造的仿真環境下開展實訓課程，精確性高，突發事件發生的可能性小，因此要比采用實際裝置或設備效率更高。

（二）投資少。相對于實際實訓場所的建設投資，建立一套相應的虛擬現實系統的投資要小得多，通常，虛擬現實系統的投資是實際系統投資的幾十分之一，且面對設備更新換代，采用虛擬現實技術的實訓基地在原有基礎上改進、完善的投入更可以大幅度降低。

（三）消耗低。虛擬現實系統通常是以軟件的形式在計算機上運行，其使用的材料、能耗都很低，設備維修幾率小，即使出故障，也較易解決。

（四）應用面廣。可以將一些危險性高、開展難度大、相對比較難控制的項目先用虛擬現實系統進行練習，待熟練掌握后，再去現實環境中操作，既解決了現實中無法開展的難題，又在一定程度上保證了安全性。

（五）靈活性好。對過程中間或者局部的一些重點與難點，在虛擬現實系統中，可以人為進行記錄與重現，多加演練，或者細節放大，且可以因人而異，自主調節系統速度，便于學生較好掌握，還可以設置一些意外情境，培養學生的應變能力。

（六）集成度高。可以在虛擬環境下完成整個工藝的設計、制造、修理、檢驗等過程，做到真正一體化。

（七）開展難度小。虛擬現實技術與多媒體的有機結合，使得整個操作過程形象、生動、有趣，較易吸引學生的學習興趣，激發學生的學習熱情。

四、應用虛擬現實技術還應注意的問題

盡管虛擬現實技術在工科實訓課程中擁有各種明顯優勢，但因為技術本身仍存在著許多尚未解決的理論問題和尚未攻克的技術難題，在應用與進一步推廣過程中，仍然需要注意以下幾個方面：

首先，虛擬現實系統軟硬件技術平臺較高，技術設備復雜，造價昂貴，職業技術院校應該考慮本校的財力、技術力量和實訓目的來選擇虛擬現實系統，

其次，虛擬現實技術所營造的環境畢竟與實際有一定的差距，在配備了虛擬現實系統后，決不能忽視學生在實際現場中的體驗。

此外，需要重視專業教師和實習指導教師在推廣虛擬現實技術工作中的作用。

作為一項新興的科學技術，虛擬現實技術還處于探索前進與不斷完善階段，與教育、培訓等領域也正開始適應、磨合，在實際應用中，還存在很多需要解決的理論與技術上的問題。但從虛擬現實技術本身的特點、優勢，以及職業技術教育中存在的薄弱環節上，我們有理由相信，虛擬現實技術在職業技術教育實訓課程領域的應用前景還是相當廣闊、具有發展潛力的。

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