[摘要]隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,虛擬現(xiàn)實技術(shù)成為近幾年來國內(nèi)外科技界關(guān)注的一個熱點,它的興起,為人機交互界面的發(fā)展開創(chuàng)新的研究領(lǐng)域,為各類工程的大規(guī)模數(shù)據(jù)可視化提供新的描述方法。

[關(guān)鍵詞]虛擬現(xiàn)實設(shè)備教學(xué)

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

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,特別是計算機科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,帶動了各領(lǐng)域科研方式的全面革新。各種計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)相繼出現(xiàn),給科研工作帶來了極大便利。而其中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)成為近幾年來國內(nèi)外科技界關(guān)注的一個熱點。目前,虛擬現(xiàn)實技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)學(xué)實習(xí)、軍事訓(xùn)練、建筑設(shè)計、教育培訓(xùn)等眾多領(lǐng)域。

一、虛擬現(xiàn)實的概念以及特點

(一)基本概念

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種真實模擬人在自然環(huán)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(xué),人工智能,計算機仿真技術(shù),傳感技術(shù),顯示技術(shù),網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及心理學(xué)等各種學(xué)科知識在計算機中構(gòu)成與外在自然環(huán)境相同的虛擬環(huán)境。它使得用戶可以用自然方式與虛擬環(huán)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(huán)境中的真實程度。虛擬現(xiàn)實技術(shù)根據(jù)人類各種感覺器官以及心理特點,經(jīng)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(huán)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(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)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(biāo)進行交互,而且能夠通過特殊頭盔,數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備進行交互。

多感知性——是指除了一般計算機技術(shù)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(xiàn)實系統(tǒng)中裝有視、聽、觸、動覺的傳感及反應(yīng)裝置,因此,使用者在虛擬環(huán)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(gòu)想性:傳統(tǒng)的計算機圖形學(xué)中是將三維場景在顯示器上進行二維環(huán)境顯示處理。但是虛擬環(huán)境則是真實模擬還原現(xiàn)實客觀世界環(huán)境,強調(diào)三維顯示立體環(huán)境,更貼近于現(xiàn)實真實環(huán)境。

4.多感知性:是指除了一般計算機技術(shù)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(shù)的限制,我們無法達到理論上的對人類感官的全面模擬,現(xiàn)今的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的感知功能僅限于通過視覺,聽覺,觸覺等。

二、虛擬現(xiàn)實分類

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

(一)桌面虛擬現(xiàn)實

桌面虛擬現(xiàn)實(PCVR)系統(tǒng),基本上是一套基于普通PC平臺的小型桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。其實就是使用個人計算機即PC機或PC工作站去產(chǎn)生仿真,桌面虛擬現(xiàn)實的參與者是不完全沉浸的,他要求參與者使用標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備,如數(shù)據(jù)手套和六個自由度的三維空間鼠標(biāo)器,戴上立體眼鏡坐在監(jiān)視器前,在一些專業(yè)軟件的幫助下,但可以通過計算機屏幕觀察360度范圍內(nèi)的虛擬境界。

(二)沉浸式虛擬現(xiàn)實

沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是一種高級的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),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(shè)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(shù)據(jù)手套、其它手控輸入設(shè)備、聲音等使得參與者產(chǎn)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(tǒng)是一套比較復(fù)雜的系統(tǒng),它的優(yōu)點是使用戶全身心地沉浸到虛擬世界中去,缺點是系統(tǒng)設(shè)備價格昂貴,難以普及推廣。

(三)增強現(xiàn)實性的虛擬現(xiàn)實

增強式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是把真實環(huán)境和虛擬環(huán)境組合在一起的一種系統(tǒng),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(tǒng)既可減少對構(gòu)成復(fù)雜真實環(huán)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(xiàn)實

分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是利用遠程網(wǎng)絡(luò),將異地的不同用戶聯(lián)結(jié)起來,多個用戶通過網(wǎng)絡(luò)同時參加一個虛擬空間,共同體驗虛擬經(jīng)歷,對同一虛擬世界進行觀察和操作,達到協(xié)同工作的目的,從而將虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用提升到了一個更高的境界。

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的實現(xiàn)意義

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入學(xué)校教學(xué)是教育方法上的一次革命性的創(chuàng)新實踐。相對于傳統(tǒng)的教學(xué)模式中理論教學(xué)方面對知識的傳授僅限于口述以及靜態(tài)圖像展示的教學(xué)方法而言,虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以全方位的讓學(xué)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(xué)方面虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以模擬出逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境,并且提供多種學(xué)習(xí)交互活動,讓學(xué)習(xí)者通過實際操作或親身體驗來接受相關(guān)知識內(nèi)容。例如在飛行員的培訓(xùn)中就可以引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行培訓(xùn),從而降低了風(fēng)險以及教學(xué)成本。因此虛擬現(xiàn)實技術(shù)在理論與實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中有以下優(yōu)勢及特征:

(一)理論教學(xué)方面

1.模擬實物立體模型:在教學(xué)中經(jīng)常要利用一些實物展示,以幫助學(xué)生形象的認(rèn)識知識對象。傳統(tǒng)的展示手段有:

(1)利用圖像與投影儀等設(shè)備。但是這種靜止圖像在傳遞知識時信息較為匱乏,學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)無法實現(xiàn)動態(tài)交互,學(xué)生只能被動接受事先安排好的內(nèi)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(guān)方面知識。

但是通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)我們可以構(gòu)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(rèn)識展示對象。如計算機教學(xué)中硬件部分教學(xué)中就可以制作出相關(guān)硬件部分的桌面虛擬現(xiàn)實。讓學(xué)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(xiàn)實中存在的或根據(jù)歷史資料在歷史中層真實存在的空間。在教學(xué)中由于受到條件的限制,學(xué)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(fā)學(xué)生想象,讓學(xué)生在自己的腦海中抽象的構(gòu)建相關(guān)的空間。但是依靠虛擬現(xiàn)實技術(shù)我們可以不僅僅讓學(xué)生在腦海中想象,還可以讓學(xué)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(tǒng)教學(xué)手法無法讓學(xué)生親臨火山去觀察,但是結(jié)合虛擬顯示技術(shù)就可以全方位的觀察火山地形以及火山噴發(fā)過程。同事結(jié)合虛擬向?qū)У恼Z音描述,學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中可以結(jié)合向?qū)v的知識親自觀察。這種教學(xué)方法無疑是對傳統(tǒng)書本授課教學(xué)的革新與挑戰(zhàn)。

3.展品介紹:人類發(fā)展經(jīng)歷了數(shù)千年,在這數(shù)千年里有無數(shù)人類知識的結(jié)晶與藝術(shù)的瑰寶。但是大多數(shù)時候我們都無法親眼目睹這些寶貴的文化遺產(chǎn),往往是通過圖片或者視頻來了解認(rèn)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(shù)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(xiàn)實技術(shù)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(xué)方面

虛擬實驗是采用虛擬現(xiàn)實等技術(shù),模擬傳統(tǒng)實驗操作環(huán)節(jié)的軟硬件實驗環(huán)境,包括虛擬的實驗設(shè)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(jié)果可以被處理、存儲,實驗過程可以不斷重復(fù)進行,虛擬實驗注重的是實驗操作的交互性和實驗結(jié)果的仿真性。

虛擬實驗室是虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用研究的重要載體,是以計算機軟硬件技術(shù)為基礎(chǔ),使用軟件開發(fā)工具實現(xiàn)的一種虛擬實驗環(huán)境,通過開發(fā)一系列虛擬實驗?zāi)K來模擬真實的實驗環(huán)境、實驗設(shè)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(tǒng)實驗室相比有以下優(yōu)點:

1.打破了傳統(tǒng)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(yán)格。但是結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù),我們可以突破時間的限制而在較短的時間內(nèi)獲得實驗結(jié)果,同時對一些特殊實驗環(huán)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(fā)揮學(xué)生創(chuàng)造力:在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中進行實驗,學(xué)生無需對損壞實驗器械而擔(dān)心?？梢苑判拇竽懙氖褂靡恍┛赡苁职嘿F的實驗器材。同時在虛擬的實驗環(huán)境中,學(xué)生也可以自由發(fā)揮自己的想象力,創(chuàng)造力。

3.節(jié)省成本,突破設(shè)備、場地、經(jīng)費等硬件的限制。

4.降低操作風(fēng)險:在一些高危險性的實驗中運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(xué)校無法提供的高危險性的實驗:如核反應(yīng)實驗等涉及放射性元素的實驗課題。虛擬實驗教學(xué)應(yīng)用于實驗教學(xué)是教育技術(shù)發(fā)展的一個飛躍,它營造了“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境,由傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)模式變?yōu)閷W(xué)生與虛擬環(huán)境的交互,從而得到新知識的學(xué)習(xí)模式。

四、結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)伴隨著計算機圖像技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展,從開始產(chǎn)生到現(xiàn)在經(jīng)歷了一段相當(dāng)長的時間。但是隨著科技的日新月異的變革,我們的虛擬現(xiàn)實技術(shù)也將迎來一個快速發(fā)展的階段,使我們的虛擬現(xiàn)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(xué)手段上的革新。

參考文獻:

[1]胡小強,虛擬現(xiàn)實技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[2]韓強,虛擬實驗室在高校實踐教學(xué)中的應(yīng)用與研究[J].吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報,2007(6).

[3]蔣慶全,國外VR技術(shù)發(fā)展綜述[J].飛航導(dǎo)彈,2002(1).

作者簡介:

孫曉文(1982-),男,江蘇省淮安市人,教育學(xué)學(xué)士,江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院助理講師,主要從事計算機課程的相關(guān)教學(xué)研究工作。