现代教育技术中的虚拟现实技术

1.虚拟现实技术的概念及特征

虚拟现实(Virtual Reality,VR)也称虚拟实境或灵境,是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统,它利用计算机技术生成一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的虚拟环境,用户使用各种交互设备同虚拟环境中的实体相互作用,通过交互式视景仿真和信息交流产生身临其境的感觉,虚拟现实技术是一种先进的数字化人机接口技术。

虚拟现实技术最早起源于20世纪50年代的美国,由美国VPL探索公司和它的创始人Jaron Lanier提出这一概念,后来美国宇航局(NASA)的艾姆斯研究中心开始利用流行的液晶显示电视和其他设备研制虚拟现实系统,发展至今仍处于不断探索阶段。它的本质是仿真,具有4个主要特征：沉浸感(Immersion)、交互性(Interaction)、自主性(Independence)和想象性(Imagination)。

2.虚拟现实系统的分类

根据其功能可把虚拟现实系统分为以下4类。

(1)桌面虚拟现实系统：桌面虚拟现实是一种比较简单的虚拟现实,在普通的多媒体计算机中就可以实现,它以计算机的屏幕作为学生观察虚拟境界的一个窗口,通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互,这些外部设备包括鼠标、追踪球、力矩球等。它要求学生使用输入设备,通过计算机屏幕观察3600范围内的虚拟境界,并操纵其中的物体。桌面虚拟现实不是完全的沉浸,用户在操作时仍然会受到周围现实环境的干扰。这种系统的特点是结构简单、价格低廉,易于普及推广,是一套经济实用的系统。

例如,浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发了桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统,还研制出了一种新的在虚拟环境中的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。

(2)沉浸型虚拟现实系统：是一种高级的虚拟现实系统,使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。它利用头盔式显示器或其他设备把参与者的视觉、听觉和其他感觉封闭起来,提供一个新的、虚拟的感觉空间,并利用位置跟踪器、数据手套、其他手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。这种系统的优点是用户可完全沉浸到虚拟世界中去,缺点是系统设备价格昂贵,难以普及推广。

(3)增强现实型虚拟现实系统：增强现实型的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界,而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受,也就是增强现实中无法感知或不方便感知的感受。典型的实例是战机飞行员的平视显示器,它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上,飞行员不必低头读仪表的数据,能集中精力盯着敌人的飞机或导航偏差。

(4)分布式虚拟现实系统：是指一个支持多人实时通过网络进行交互的软件系统,每个用户在一个虚拟现实环境中通过计算机与其他用户进行交互,并共享信息。它将局部的虚拟现实环境通过空间关联形成更大范围的虚拟环境,支持多个用户实时地通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作、共享信息、实现交互,以达到协同工作的目的,它是单机虚拟现实随着网络技术发展的一种提高。

3.虚拟现实技术的典型应用

虚拟现实技术的应用非常广泛,它可以应用于军事、医学、教育、工程设计、互动娱乐等领域,而且随着虚拟现实技术的进一步发展,应用领域会更加广泛、深入。正是由于虚拟现实技术具有巨大应用价值,因而此类研究受到了许多国家的高度重视。(www.xing528.com)

在国外,虚拟现实技术获得了长足的进步,在不同领域、不同层次上都已经有很多虚拟现实系统问世。美国空军Armstrong医疗研究室的T.Fumess小组开发的战斗机飞行仿真器模拟了飞行员在天空中驾驶飞机的感觉,使飞行员的早期培训可以在地面上进行,降低了飞行员培训的风险和成本。在医学领域中虚拟现实技术已应用于仿真组织、器官的结构解剖,构建“虚拟器官”,它可以对各种刺激做出反应,可模拟实际人体器官的生理、病理过程。远程手术系统用于控制远程的医疗设备,系统根据遥感和机器人等技术将远程传来的图像仿真成手术场景,医生在此场景下进行手术操作,传感器将医生的操作控制信号传送到手术台,控制手术机器人或机械手完成手术。

虚拟现实技术可提供立体感强、极富交互性的三维全景,可以放大缩小,从任意角度观看对象,给人直观和深刻的印象,所以在教学中有广泛的应用。如在教学资源相对短缺(如解剖中使用的标本)、实验耗材的不可逆性、某些教学资源在自然条件下无法观察到(如细胞的结构等)时,虚拟现实技术可以发挥很大作用。

在国内,20世纪80年代末开始进行相关研究,起步较晚,与国外发达国家还有一定的差距。目前,我国已制定了开展VR技术的研究计划,“九五”规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把VR列入了研究项目,国内一些重点院校也积极投入到了这一领域的研究工作。

4.虚拟现实技术的发展趋势

虚拟现实技术涵盖计算机软硬件、传感器技术、立体显示技术等多种技术,将向以下主要方向发展。

①动态环境建模技术。虚拟环境的建立是VR技术的核心内容,动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据,并根据需要建立相应的虚拟环境模型。

②实时三维图形生成和显示技术。三维图形的生成技术已比较成熟,关键在于如何“实时生成”。在不降低图形的质量的前提下,如何提高刷新频率将是今后重要的研究内容。此外,VR还依赖于立体显示和传感器技术的发展,现有的虚拟设备还不能满足系统的需要,有必要开发新的三维图形生成和显示技术。

③新型交互设备的研制。虚拟现实要实现人自由地与虚拟世界中的对象进行交互,犹如身临其境,借助的输入输出设备主要有头盔显示器、数据手套、数据衣服、三维位置传感器和三维声音产生器等。因此,新型、便宜、性能优良的数据手套和数据服将成为未来研究的重要方向。

④智能化语音虚拟现实建模。虚拟现实建模是一个比较烦琐的过程,需要大量的时间和精力。如果将VR技术与智能技术、语音识别技术结合起来,可以很好地解决这个问题。可以将模型的属性、方法和一般特点的描述通过语音识别技术转化成建模所需的数据,然后利用计算机的图形处理技术和人工智能技术进行设计、导航和评价,将基本模型用对象表示出来,并将各种基本模型静态或动态地连接起来,最后形成系统模型。在各种模型形成后进行评价并给出结果,由人直接通过语言来进行编辑和确认。

虚拟现实技术是21世纪发展的重要技术之一,是许多相关学科领域交叉、集成的产物,在各行各业中具有广阔的应用前景,必将对未来的科学研究、生产和生活方式带来深远的影响。