虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實技術定義虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，VR），又譯為虛擬實在、靈境、臨境等。它是近年來出現(xiàn)的高新技術，也稱靈境技術或人工環(huán)境。虛擬現(xiàn)實是運用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時、沒有限制地觀測三度空間內(nèi)的事物。基本特性沉浸性（Immersion）：人能沉浸到計算機系統(tǒng)創(chuàng)建的環(huán)境中，人由觀測者變?yōu)槿硇牡耐度胝?，成為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的一部分，虛擬場景可隨著人的視點做全方位運動。交互性（Interaction）：人能通過鍵盤、鼠標以及各種傳感器與多維化信息的環(huán)境發(fā)生交互，人如同在真實的環(huán)境中與虛擬環(huán)境中的對象發(fā)生交互關系。為達成這個目的，高速計算和解決必不可少。想象性（Imagination）：通過用戶沉浸在“真實的”虛擬環(huán)境中,與虛擬環(huán)境進行了各種交互作用,從定性和定量綜合集成的環(huán)境中得到感性和理性的結(jié)識,從而可以深化概念,萌發(fā)新意,產(chǎn)生結(jié)識上的奔騰。因此,虛擬現(xiàn)實不僅僅是一個用戶與終端的接口,并且可以使用戶沉浸于此環(huán)境中獲取新的知識,提高感性和理性結(jié)識,從而產(chǎn)生新的構(gòu)思。這種構(gòu)思結(jié)果輸入到系統(tǒng)中去,系統(tǒng)會將解決后的狀態(tài)實時顯示或由傳感裝置反饋給用戶。如此反復,這是一個學習—發(fā)明—再學習—再發(fā)明的過程,因而可以說,虛擬現(xiàn)實是啟發(fā)人的發(fā)明性思維的活動。參與者在虛擬環(huán)境中的活動和經(jīng)歷主觀參與（First-personactivities）：參與者是整個經(jīng)歷的中心，一切圍繞參與者進行。運用桌面計算機或頭盔式眼鏡進行的活動就是這種類型的參與。主觀參與（Second-personactivities）：客觀參與時，參與者可在虛擬環(huán)境中看到他自己與其他物體的交互。建立有效的虛擬環(huán)境用虛擬環(huán)境精確表達物體的狀態(tài)模型環(huán)境的可視化表達及渲染出的景象虛擬現(xiàn)實的分類特點實際系統(tǒng)非沉浸類虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)又稱桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、窗口中的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。采用標準的顯示器和立體顯示、聲音技術，并可用多種空間操縱設備進行操縱。全景視頻系統(tǒng)桌面虛擬現(xiàn)實CAD系統(tǒng)沉浸類虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)運用設備把參與者的視覺、聽覺和其他感覺封閉起來，參與者能全身心投入和沉浸其中的感覺?；陬^盔的系統(tǒng)遙在系統(tǒng)（Telepresence）投影虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在以上兩種系統(tǒng)基礎上實現(xiàn)多用戶參與，通過網(wǎng)絡共享同一虛擬空間。Mud/Moo協(xié)同實驗室（Collaboratory）VRML增強現(xiàn)實系統(tǒng)增強操作員對真實環(huán)境的感受飛機上的平視顯示器虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展及應用發(fā)展：美國是虛擬現(xiàn)實技術研究的發(fā)源地,第一個虛擬設備是在1962年由MortonHeiling設計的"全傳感仿真器",該仿真器仿真騎車穿越紐約市的過程,"騎車人"能感受到風,感受到路面的顛簸,當通過飯店時,"騎車人"甚至能聞到食品的香味。1984年,美國宇航局Ames研究中心開始了虛擬視覺環(huán)境顯示項目的研究,后來還開發(fā)虛擬界面環(huán)境工作站Ames,研究中心的虛擬行星探測實驗室的McGreevy和JHumphries博士組織開發(fā)了用于火星探測的虛擬環(huán)境視覺顯示器,將發(fā)回的數(shù)據(jù)輸入到計算機中為地面研究人員構(gòu)造了火星表面的三維虛擬環(huán)境。1986年美國宇航局的科學家們成功研制出了第一套基于HMD及數(shù)據(jù)手套的虛擬交互環(huán)境工作站VIEW,成為世界上第一個較為完善的多用途多感知的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。到了20世紀90年代,迅速發(fā)展的計算機硬件技術與不斷改善的計算機軟件系統(tǒng)相匹配,使基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖像的實時動畫制作成為也許。1992年,大型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)CAVE的建立標志著虛擬現(xiàn)實技術與網(wǎng)絡的結(jié)合變的越來越緊密。與此同時,新的網(wǎng)絡編程語言的出現(xiàn)促使了新的虛擬現(xiàn)實建模語言的誕生,如X3DJava3D等。應用：作為教育和研究的媒體作為虛擬環(huán)境作為新的研究主題作為一種合理空間在我國虛擬現(xiàn)實技術的研究和一些發(fā)達國家相比尚有很大的一段距離,但是近十年來虛擬現(xiàn)實技術已經(jīng)得到了相稱的重視。國家科委國防科工委都已將虛擬現(xiàn)實技術的研究列為重點攻關項目,國內(nèi)許多研究機構(gòu)和高校也都在進行虛擬現(xiàn)實的研究和應用并取得了一些不錯的研究成果,如北京航空航天大學計算機系虛擬現(xiàn)實與可視化新技術研究室集成的分布式虛擬環(huán)境,清華大學國家光盤工程研究中心所做的布達拉宮實現(xiàn)了大全景虛擬現(xiàn)實等?，F(xiàn)在,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)已突破了過去航空航天、軍事、娛樂等幾個特定應用領域,打破了只有政府才干用得起的技術,滲入到了生活的各個方面,比如航空、航天、鐵道、建筑、土木、科學計算可視化等各個領域。虛擬實驗室虛擬實驗教學系統(tǒng)（、）虛擬實驗教學系統(tǒng)可構(gòu)建在高校校園網(wǎng)絡之上，成為高校網(wǎng)絡教學資源的一部分。虛擬實驗教學系統(tǒng)屬于教學系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)。如下圖所示：系統(tǒng)構(gòu)成和功能：虛擬實驗平臺虛擬實驗平臺與真實實驗臺同樣，能供學生自己動手配置、連接、調(diào)節(jié)和使用實驗儀器設備進行實驗。通過該平臺，教師既可搭建典型實驗或調(diào)取實驗案例，方便地向?qū)W生布置實驗任務，還可在實驗結(jié)束后查看學生的實驗結(jié)果，給出實驗成績和評價。平臺為自由搭建任意合理的實驗模型提供了也許，能滿足教師對各層次實驗教學的需求。學生既可通過該平臺動手操作，又可自主設計實驗，有助于培養(yǎng)創(chuàng)新意識和能力。實驗教學管理系統(tǒng)面向?qū)W生、教師和管理員三種角色實現(xiàn)教學管理。學生學習管理：個人身份認證、選擇實驗、開展實驗、接受實驗指導、在線提交實驗報告、保存和提交實驗結(jié)果、查詢實驗成績和批語。教師教學管理：典型實驗、新建實驗、發(fā)布實驗、布置實驗、批改實驗報告、實驗評價、記錄并發(fā)布學生的實驗成績和批語。實驗管理員管理：系統(tǒng)賬號與分組管理、權(quán)限管理、課程管理、系統(tǒng)審計、系統(tǒng)維護等。儀器設備管理對實驗教學所需要的各種元器件和儀器（設備）進行管理和維護。元器件和儀器（設備）均按一定比例的彩色圖形方式直觀呈現(xiàn)出來，圖形外觀與真實的元器件和儀器（設備）相似。實驗操作時可方便地調(diào)節(jié)各種按鈕，選擇不同的實驗參數(shù)，同時，可清楚地觀測到實驗儀器輸出的變化圖形，方便學生開展實驗時靈活地進行選擇。實驗過程指導學生在實驗過程中碰到困惑或疑難問題時，教師通過系統(tǒng)為其提供實驗平臺操作幫助和實驗過程演示指導；系統(tǒng)以電子文獻形式提供實驗介紹、實驗方法、實驗重點、實驗難點、實驗目的、實驗原理、實驗準備、實驗過程、實驗報告的規(guī)定及實驗應注意的事項等內(nèi)容的幫助。實驗答疑與交流教師和學生通過教學論壇進行互動交流，學生可將實驗中的經(jīng)驗、教訓、收獲和問題在論壇上發(fā)布，教師可將實驗中的局限性提出來，師生共同探討。教師從中可以得到及時的實驗教學反饋信息，以便調(diào)整實驗教學的進度和深度。學生也可從中吸取別人的經(jīng)驗，快速提高自己的能力。實驗結(jié)果評價系統(tǒng)對學生提交的實驗結(jié)果進行智能批改，自動給出實驗成績。教師根據(jù)學生提交的實驗結(jié)果和實驗報告，給出實驗成績和評價，反饋給學生并輸出成電子表格上報教務管理部門。學生可查詢自己以往的實驗成績和評價，教師可查詢所有學生歷次的實驗成績。實驗課程資源基于虛擬實驗平臺目前可提供《計算機網(wǎng)絡》、《計算機通信網(wǎng)》、《Linux操作系統(tǒng)》、《數(shù)字電路》、《電路分析》等課程共54個典型實驗，其中“計算機網(wǎng)絡和Linux操作系統(tǒng)”實驗36個，“數(shù)字電路”實驗8個，“電路分析”實驗10個。實驗資源庫正在不斷增長和完善中。實驗教學光盤實驗教學光盤重要向?qū)W生提供實驗課程教學中常用的學習資源，資源內(nèi)容都是從課程資源庫中優(yōu)選而來，其目的是便于學生的離線學習，既可以節(jié)省學生的上網(wǎng)費用，還能緩解學校教學服務器和租用網(wǎng)絡帶寬的壓力。教學光盤的資源還可從教學網(wǎng)站上動態(tài)更新。游戲化學習（、）所謂游戲化學習是指在學習游戲化觀念的指導下，在教學設計過程中就培養(yǎng)目的與發(fā)展目的、評價手段等方面，就學習者年齡特點和心理特性及其教學策略等方面，借鑒游戲、設計、選擇適當?shù)陌l(fā)展工具、評價方法和教學策略。游戲化學習在教學中應用精心挑選與教學內(nèi)容相關的適宜學生生進行游戲化學習的軟件游戲化學習可使課堂教學形式變得豐富多彩用游戲化學習來調(diào)動學生學習積極性游戲是課堂獎勵的一種行之有效的方式游戲化學習在教學應用中應注意的問題在教學過程要解決好游戲使用的“度”的問題安排的游戲要適當、適度、適實選擇的游戲要能體現(xiàn)趣味性對學生進行有效的控制，網(wǎng)絡游戲應當防范游戲教學后要及時給予小結(jié)評價游戲化學習的尷尬（）8、虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展的瓶頸虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展過程中碰到的問題很多,可以歸結(jié)為三大難題：（1）虛擬現(xiàn)實設備“的貴族化”要構(gòu)建一個高質(zhì)量的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),一方面需要昂貴的外部設備。無論是高分辯率的頭盔顯示器HMD,還是立體投影顯示器;無論是空間定位器,還是高精度的數(shù)據(jù)手套,都是價格不菲的。另一方面,在一些專用領域,為完畢復雜場景的實時渲染,還需要高性能的圖形工作站以及相應的軟件。但普通的信息系統(tǒng)用戶也許會望而卻步。（2）繁瑣的三維建模基于圖形的虛擬環(huán)境一方面要解決的問題便是三維造型。當圖形渲染技術在向?qū)崿F(xiàn)真實感大踏步前進的時候,生成精確三維模型的過程還像二十幾年前同樣困難。在三維激光掃描技術上的進步提供了簡化模型構(gòu)造過程的一些承諾。然而,這些自動化模型獲取方法也驗證了真實世界的幾何是極端復雜的。大部分的模型仍需要人工繪制,并且需要聘請高水平的專業(yè)人士,其費用是相稱驚人的。比如在電影《泰坦尼克號》中,為實現(xiàn)場景三維建模及各種特技解決,所花的人工費用高達2500萬美元,這筆錢