虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在數(shù)字化校園中的應(yīng)用

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西華師范大學(xué) 四川 637009

0 前言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality,VR)是由高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)創(chuàng)建的一種令人身臨其境、獲得與環(huán)境交互體驗(yàn)的虛擬世界的技術(shù)。它綜合利用三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)等高新技術(shù)，融合視、聽、觸覺為一體，模仿現(xiàn)實(shí)的三維空間，通過對(duì)用戶的控制行為做出動(dòng)態(tài)的交互反應(yīng)，生成三維逼真的虛擬環(huán)境，置身于由計(jì)算機(jī)創(chuàng)造的虛擬世界中。同時(shí)，用戶在虛擬環(huán)境中進(jìn)行多維信息的交互作用，建構(gòu)新的構(gòu)思和創(chuàng)意。VR具有其它媒體不可比擬的真實(shí)性優(yōu)勢(shì)。將VR技術(shù)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,就形成VR系統(tǒng)，即虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

1 VR技術(shù)的三大基本特征

(1)沉浸性：VR技術(shù)利用人類視覺、聽覺的生理、心理特點(diǎn)，讓用戶完全沉浸到虛擬世界中。

(2)交互性：用戶通過自身的語言、身體運(yùn)動(dòng)或動(dòng)作等自然技能，通過VR系統(tǒng)中的人機(jī)交互對(duì)虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行操作。

(3)多感知性：用戶通過 VR系統(tǒng)中視、聽、觸、動(dòng)覺的傳感以及反應(yīng)裝置，在虛擬環(huán)境中可獲得多種感知。

與VR的三大基本特征對(duì)應(yīng)，目前VR系統(tǒng)主要有四種類型：

(1)沉浸型 VR系統(tǒng)：用戶通過頭盔式顯示器、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣等設(shè)備與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。系統(tǒng)設(shè)備價(jià)格昂貴。

(2)桌面型 VR系統(tǒng)：用戶通過普通的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，但缺乏真實(shí)的現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。

(3)共享型 VR系統(tǒng)：利用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)，多個(gè)用戶同時(shí)參加一個(gè)虛擬空間，共同體驗(yàn)虛擬的系統(tǒng)。

(4)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)型VR系統(tǒng)：一方面利用VR技術(shù)來模擬現(xiàn)實(shí)世界，一方面增強(qiáng)參與者對(duì)真實(shí)環(huán)境的感受，達(dá)到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中無法感知的感受的目的。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 實(shí)物虛化

實(shí)物虛化是現(xiàn)實(shí)世界空間向多維信息化空間的一種映射，主要包括以下幾方面：

(1)基本模型構(gòu)建技術(shù)。即虛擬環(huán)境的建立，它是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成虛擬世界的基礎(chǔ)。它獲取實(shí)際三維環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，在相應(yīng)的3D虛擬世界中重構(gòu)。

(2)空間跟蹤技術(shù)。通過頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣等常用的交互設(shè)備上的空間傳感器，確定用戶的頭、手、軀體或其他操作物在3D虛擬環(huán)境中的位置和方向。

(3)聲音跟蹤技術(shù)。利用不同聲源的聲音到達(dá)某一特定地點(diǎn)的時(shí)間差、相位差、聲壓差等進(jìn)行虛擬環(huán)境的聲音跟蹤。

(4)視覺跟蹤與視點(diǎn)感應(yīng)技。使用從視頻攝像機(jī)到X≠Y平面陣列、周圍光或者跟蹤光在圖像投影平面不同時(shí)刻和不同位置上的投影，計(jì)算被跟蹤對(duì)象的位置和方向。

2.2 虛物實(shí)化

虛物實(shí)化是指用戶從虛擬環(huán)境中獲取同真實(shí)環(huán)境中一樣或相似的視覺、聽覺、觸覺等感官認(rèn)知的關(guān)鍵技術(shù)。另外，用戶能否在操縱虛擬物體的同時(shí)，感受到虛擬物體的反作用力，從而產(chǎn)生觸覺感知，產(chǎn)生身臨其境的感覺。

2.3 高性能計(jì)算處理技術(shù)

主要技術(shù)包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)預(yù)處理；圖形圖像生成與顯示；聲音的合成與聲音空間化；多維信息數(shù)據(jù)的融合、數(shù)據(jù)壓縮以及數(shù)據(jù)庫的生成；命令識(shí)別、語音識(shí)別，以及手勢(shì)和人的面部表情信息的檢測(cè)等在內(nèi)的模式識(shí)別；分布式與并行計(jì)算，以及高速、大規(guī)模的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

2.4 智能技術(shù)

VR提供一個(gè)人與計(jì)算機(jī)的交互環(huán)境。需要借助于人工智能技術(shù)來獲得人的各種動(dòng)作、語言甚至表情變化中的信息。當(dāng)前智能接口領(lǐng)域中正在研究的一系列相關(guān)問題。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)在數(shù)字化校園中的應(yīng)用

數(shù)字化校園特點(diǎn)在于以校園網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，利用信息技術(shù)把學(xué)校科研機(jī)構(gòu)、科研基礎(chǔ)設(shè)施、教學(xué)資源等進(jìn)行數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，使得師生可方便地利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行各種教學(xué)、科研和管理等活動(dòng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在數(shù)字化校園的教學(xué)、科研與管理應(yīng)用中可以發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

3.1 虛擬校園

虛擬校園是 VR技術(shù)在教育領(lǐng)域最早的具體應(yīng)用。VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)校園場(chǎng)景的瀏覽功能，這種全新的瀏覽方式具有非常鮮明的特點(diǎn)。但三維虛擬化校園的建設(shè)還沒有達(dá)到虛擬化校園生活的程度，模擬、仿真校園的教學(xué)環(huán)境需要多方面的努力。為適應(yīng)學(xué)校不同程度的需求，VR技術(shù)在虛擬校園由淺至深有三個(gè)應(yīng)用層面：(1)提供簡(jiǎn)單的虛擬校園環(huán)境；(2)從教學(xué)、教務(wù)和校園生活等多方面入手，提供功能相對(duì)完整的三維可視化虛擬校園；(3)以VR技術(shù)作為遠(yuǎn)程教育基礎(chǔ)平臺(tái)，以學(xué)生為中心，加入一系列人性化的功能。

3.2 虛擬實(shí)驗(yàn)室

利用VR技術(shù)建立的各種虛擬實(shí)驗(yàn)室，如物理、化學(xué)、生物、地理實(shí)驗(yàn)室等，擁有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室難以比擬的優(yōu)勢(shì)，前景廣闊：

(1)節(jié)省成本。創(chuàng)建這種虛擬環(huán)境的演示，可以擺脫真正實(shí)驗(yàn)室所需要的昂貴的設(shè)備,教學(xué)的效果基本接近真正的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。在保證教學(xué)效果的前提下,極大的節(jié)省了成本。

(2)規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。真實(shí)的實(shí)驗(yàn)或操作往往會(huì)帶來各種危險(xiǎn)。學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，可以放心地去做各種危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)，可免除操作失誤而造成意外傷害、事故。

(3)打破空間、時(shí)間的限制。從宇宙天體到原子粒子，學(xué)生都可以進(jìn)入這些物體的內(nèi)部進(jìn)行觀察。可模擬演示人、動(dòng)物內(nèi)部結(jié)構(gòu)，打破空間的限制。通過VR技術(shù)，可以在很短的時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)幾十年甚至上百年才能觀察的變化過程。

3.3 虛擬教學(xué)服務(wù)平臺(tái)

由局域網(wǎng)作為校園網(wǎng)站的鏈接，通過交互式遠(yuǎn)程教學(xué)的網(wǎng)站，可對(duì)各個(gè)分校和遠(yuǎn)程教學(xué)點(diǎn)提供可移動(dòng)的電子教學(xué)場(chǎng)所。虛擬遠(yuǎn)程教育模擬訓(xùn)練延伸到了一般的醫(yī)學(xué)教學(xué)、汽車駕駛以及電器維修等需要培養(yǎng)各種操作技能的領(lǐng)域，可為社會(huì)提供新技術(shù)和高等職業(yè)培訓(xùn)的機(jī)會(huì)。

3.4 虛擬圖書館

將所有的圖書信息以數(shù)字化形式儲(chǔ)存在虛擬圖書館中，數(shù)字化校園中的辦公室、教師、家庭等可通過網(wǎng)絡(luò)連接到虛擬圖書館。師生不僅可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問虛擬圖書館中的電子雜志、電子圖書、多媒體聲像資料等圖書館的各文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；還可以在線瀏覽或下載所需的電子資料，以及完成紙質(zhì)圖書的借閱、歸還等事務(wù)。

4 結(jié)束語

VR技術(shù)能逼真地模仿真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程，但它只是教學(xué)輔助，給了我們一種獲得間接經(jīng)驗(yàn)的手段，并不能完全取代真實(shí)的實(shí)踐教學(xué)。因此，應(yīng)以采用虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式為最佳選擇。但VR以其自身強(qiáng)大的教學(xué)優(yōu)勢(shì)和潛力，將會(huì)繼續(xù)受到教育工作者的重視和青睞。隨著VR技術(shù)的發(fā)展和完善，以及硬件設(shè)備價(jià)格的不斷降低，VR技術(shù)在虛擬仿真校園、虛擬教學(xué)和實(shí)驗(yàn)、虛擬圖書館等方面的應(yīng)用更為廣泛性。

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[5]宋其華,虛擬現(xiàn)實(shí)在教育技術(shù)中的應(yīng)用[J].當(dāng)代教育科學(xué).2006.