虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在藝術(shù)類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用

徐睿

摘要：隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)和多媒體應(yīng)用技術(shù)的高速發(fā)展，我國(guó)高校計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)已成為現(xiàn)代學(xué)校必不可少的教學(xué)手段，全國(guó)很多高校已建成符合現(xiàn)代化教學(xué)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室。但目前針對(duì)高校藝術(shù)類(lèi)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)資源緊張，儀器設(shè)備使用率較非常高，為保證更加完善的教學(xué)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)合理地運(yùn)用到高校的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中已成為近幾年的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí) 藝術(shù)類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué) 實(shí)驗(yàn)室

引言

近幾年來(lái)，隨著高校教學(xué)的深化改革，越來(lái)越多的課程需要使用計(jì)算機(jī)機(jī)房，教學(xué)中存在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備不足和機(jī)器老舊的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效果。為解決這一問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室逐漸進(jìn)入了高校的教學(xué)中，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)對(duì)海量的信息資料進(jìn)行模擬展示，再通過(guò)設(shè)備進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)的虛擬操作，這樣不但節(jié)省了實(shí)驗(yàn)室的儀器成本，而且提高了設(shè)備的使用率，明顯改善教學(xué)環(huán)境。學(xué)生們通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室不僅可以學(xué)習(xí)各種網(wǎng)絡(luò)信息，而且還可以利用人機(jī)交互功能進(jìn)行實(shí)踐，增強(qiáng)學(xué)生們的動(dòng)手能力。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概述

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)virtual Realty，英文簡(jiǎn)稱VR，于20世紀(jì)60年代發(fā)明的一項(xiàng)高新技術(shù)，它是在計(jì)算機(jī)圖學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)等多種高科技技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，綜合使用交互設(shè)備融合視、聽(tīng)、觸、感為一體的模仿現(xiàn)實(shí)的三維空間再現(xiàn)技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)由兩部分構(gòu)成，“虛擬”與“現(xiàn)實(shí)”。虛擬指的是通過(guò)VR技術(shù)和設(shè)備模擬出來(lái)的三維空間，而并非真實(shí)的。現(xiàn)時(shí)指使用者進(jìn)入系統(tǒng)里親身的感受，仿佛身臨其境的感覺(jué)，可以是聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)和觸覺(jué)等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要特征有：交互性、想象性和沉浸感。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前通過(guò)設(shè)備的連接具有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)的感應(yīng)，它的主要目標(biāo)就是真實(shí)的體驗(yàn)和方便自然的人機(jī)交互。虛擬現(xiàn)實(shí)，就是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維虛擬世界，通過(guò)設(shè)備的連接提供使用者視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官模擬，讓使用者有身臨其境之感。今后還將延伸到味覺(jué)、嗅覺(jué)等感官體驗(yàn)，給使用者帶來(lái)全新的體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)的感官模擬功能對(duì)提高實(shí)驗(yàn)類(lèi)課程的教學(xué)質(zhì)量有著重要作用，它可將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課無(wú)縫移植到三維網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)點(diǎn)

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)室中，改變了以往對(duì)實(shí)驗(yàn)室的觀念。虛擬實(shí)驗(yàn)室可以通過(guò)互動(dòng)的、分布的、高效率的解決教學(xué)環(huán)境所需的平臺(tái)，非常合理有效地利用各種數(shù)據(jù)資源。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬系統(tǒng)的全新研究和設(shè)計(jì)方法中，學(xué)生可以通過(guò)親身體驗(yàn)去總結(jié)獲得一種新的學(xué)習(xí)模式，從被動(dòng)的教師講授式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)換為自主創(chuàng)新式的主動(dòng)學(xué)習(xí)。它的主要優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省了實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的經(jīng)費(fèi)，打破了時(shí)間和空間上的約束，簡(jiǎn)化了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，給實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了更新的技術(shù)支持。

（一）利用VR技術(shù)對(duì)各種物體進(jìn)行模擬探索，以及各種場(chǎng)景環(huán)境和物體之間實(shí)驗(yàn)效果的展現(xiàn)。這一技術(shù)不僅可以制作出各種室外的自然風(fēng)光和風(fēng)景名勝，還可以虛擬物理、化學(xué)等實(shí)物實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程。學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)門(mén)不出戶地搜索到自己所需的空間，獨(dú)立地通過(guò)電腦鼠標(biāo)鍵盤(pán)來(lái)完成各種實(shí)驗(yàn)的操作。在這個(gè)過(guò)程中掌握相關(guān)的信息技術(shù)，同時(shí)滿足對(duì)不同學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)，減少對(duì)儀器設(shè)備的依靠，同樣對(duì)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程具有一定的認(rèn)知了解，大大降低了實(shí)驗(yàn)的教學(xué)成本。

（二）提高了工作效率，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)虛擬過(guò)程的操作可以快速得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)果，省去了實(shí)驗(yàn)室中對(duì)儀器的準(zhǔn)備工作。實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。針對(duì)高校學(xué)生的教學(xué)，虛擬現(xiàn)實(shí)可以利用仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室中構(gòu)建虛擬的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，再進(jìn)行交互式的學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮學(xué)生的自主動(dòng)手能力改變?cè)袀鹘y(tǒng)的教學(xué)模式，它可以幫助學(xué)生們學(xué)習(xí)到更多的專業(yè)類(lèi)技術(shù)。同時(shí)遇到問(wèn)題時(shí)，可以采用遠(yuǎn)程互動(dòng)的功能，在同一個(gè)虛擬環(huán)境下共同完成人機(jī)交互的科研研究。通過(guò)這個(gè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多人同時(shí)參與同一項(xiàng)目，完善了設(shè)計(jì)師與作品之間的互動(dòng)性。

（三）利用虛擬技術(shù)可以更有效地改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)地，學(xué)生不需要趕到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，只要通過(guò)模擬裝置在虛擬的空間對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行操作，減少了以往實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的各種危險(xiǎn)操作，同樣具有身臨其境的感受，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的親身體驗(yàn)。同時(shí)每個(gè)學(xué)生根據(jù)各自的需求獨(dú)立地完成各種實(shí)訓(xùn)，給高校的教師和學(xué)生帶來(lái)了全新的體驗(yàn)。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高校藝術(shù)類(lèi)實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)用

高校藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生實(shí)踐教學(xué)中存在機(jī)房使用率高，教學(xué)任務(wù)量大，以及對(duì)新型設(shè)備的不斷更新，實(shí)驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)地十分有限，因此我校盡早建立虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室是十分有必要的。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)連接計(jì)算機(jī)方便學(xué)生隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，不需要更多的儀器設(shè)備，滿足新設(shè)備實(shí)踐的需求。

虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建是硬件和軟件的有機(jī)結(jié)合。藝術(shù)類(lèi)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)對(duì)計(jì)算機(jī)的配置要求較高，對(duì)電腦的硬件和軟件都有一定的要求，目前主要采用的是圖形工作站，在圖形工作站里進(jìn)行三維軟件建模、燈光和動(dòng)畫(huà)效果等，然后通過(guò)傳感器的集成技術(shù)，連接相應(yīng)的儀器設(shè)備形成虛擬與現(xiàn)實(shí)交互的全新體驗(yàn)。我們可以安裝各種虛擬軟件，構(gòu)建虛擬軟件機(jī)房為學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)基地，通過(guò)虛擬演示操作的過(guò)程實(shí)現(xiàn)對(duì)軟件技術(shù)的學(xué)習(xí)，常用的建模軟件有：3Dsmax、Maya、Softimage、Flash、Vrml等。

（一）動(dòng)作捕捉儀實(shí)驗(yàn)室

針對(duì)藝術(shù)類(lèi)學(xué)生對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室的使用，展現(xiàn)更為加多元化，它通過(guò)三維動(dòng)態(tài)的畫(huà)面對(duì)所要表現(xiàn)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行全方位展示，同時(shí)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的設(shè)計(jì)。我們?cè)谟耙曋谱髦校ぷ髡就ㄟ^(guò)連接動(dòng)作捕捉儀系統(tǒng)，形成虛擬空間與現(xiàn)實(shí)人物的結(jié)合，它的工作原理是現(xiàn)實(shí)中人物的動(dòng)作呈現(xiàn)在三維模擬形象的身上，更好地讓使用者參與到實(shí)踐體驗(yàn)過(guò)程中。我國(guó)很多影視作品中采用的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，它有一套專用的設(shè)備穿戴在身上，根據(jù)運(yùn)動(dòng)物體的關(guān)鍵部位（如人體的關(guān)節(jié)處等）標(biāo)記出點(diǎn)，多個(gè)動(dòng)作捕捉相機(jī)從不同角度實(shí)時(shí)探測(cè)出標(biāo)記的點(diǎn)，再根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理傳輸?shù)焦ぷ髡局?，使虛擬的物體與現(xiàn)實(shí)有機(jī)地呈現(xiàn)在觀眾面前。動(dòng)作捕捉儀能夠根據(jù)視覺(jué)的圖形、圖形、動(dòng)畫(huà)、文字和聽(tīng)覺(jué)的語(yǔ)言、音樂(lè)等與用戶交互，帶有一定的趣味性，能積極地鼓勵(lì)用戶的參與感（圖1）。

（二）VR遙控器實(shí)驗(yàn)室

在游戲設(shè)計(jì)中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也起到了至關(guān)重要的作用，它推動(dòng)了游戲產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。在實(shí)驗(yàn)室中我們可以工作站連接相應(yīng)的感應(yīng)器，充分體驗(yàn)游戲的沉浸感。在三維游戲中選擇扮演不同的角色，不同的場(chǎng)景與經(jīng)歷，它體現(xiàn)的不僅僅是娛樂(lè)，更是一種參與感與沉浸感。在虛擬的世界里奔跑、跳躍、滑雪、跳繩等各種動(dòng)作。虛擬現(xiàn)實(shí)借助于各種高端的儀器設(shè)備，可以給人類(lèi)呈現(xiàn)出更多完美的體驗(yàn)，包括在藝術(shù)設(shè)計(jì)作品的展覽方面，也經(jīng)常用到相關(guān)的技術(shù)。它能讓觀眾更加主動(dòng)地獲取創(chuàng)作者所要表達(dá)的信息（圖2）。

（三）VR頭盔顯示器實(shí)驗(yàn)室

目前各種藝術(shù)文化展覽中，參與者佩戴高分辨路的頭盔顯示器在虛擬環(huán)境中進(jìn)行觀摩體驗(yàn)。頭盔顯示器根據(jù)兩個(gè)眼睛的移動(dòng)方向焦距的改變來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，再發(fā)送到跟蹤器上，數(shù)據(jù)反饋到工作站從而顯示在屏幕中?；谒囆g(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，頭盔顯示器連接發(fā)射區(qū)，在工作站中可以模擬景觀設(shè)計(jì)、實(shí)景地圖、旅游景點(diǎn)等，用戶通過(guò)自身的感受沉浸在其中。它的特點(diǎn)是在三維虛擬的空間中，個(gè)人根據(jù)不同的路徑選擇游覽整個(gè)中間，充分展現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)互動(dòng)的展示效果。2010年上海世博會(huì)中數(shù)字化展館就運(yùn)用了虛擬現(xiàn)實(shí)的表現(xiàn)方式，讓參觀者從現(xiàn)實(shí)走進(jìn)虛擬，體驗(yàn)空間互動(dòng)感（圖3）。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用將會(huì)無(wú)處不在，無(wú)所不能，不受時(shí)間地域的影響。它的應(yīng)用面會(huì)非常廣泛，還將應(yīng)用到教學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，給我們提供更多的教學(xué)方法和更好的展現(xiàn)效果。