虛擬現實技術在化學實驗教學中的應用研究

朱亞輝 閆亞星

摘 要： 虛擬實驗應用日益廣泛，而支持虛擬實驗的相關技術成為了研究熱點。分析了虛擬化學實驗及其在未來虛擬現實技術上的發展趨勢，綜述了U-nity3D技術、增強現實技術和Kinect體感交互技術的理論基礎以及在虛擬化學實驗中的應用與發展，以虛擬技術融合的方法為導向，仿真化學實驗的實時環境，使虛擬實驗簡單化、直觀化。展望了虛實融合技術在虛擬實驗領域的應用前景。虛實融合技術有利于推動虛擬化學實驗朝智能化發展，是虛擬實驗改革的一個新起點。

關鍵詞： 虛擬現實； Unity3D； Kinect體感交互； 虛實融合； VRML

中圖分類號：TP391.09 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）10-05-03

Application research of virtual reality technology in teaching of chemical experiments

Zhu Yahui1， Yan Yaxing2

（1. Mathematics and Computer Science， Xihua University， Chengdu， Sichuan 610039， China；

2. Chongqing Key Laboratory of Computational Intelligence， Chongqing University of Posts and Telecommunications）

Abstract： The application of virtual experiment spreads widely. The related technologies supporting it become hotspot in the research. The future development trends of the virtual chemistry experiments and virtual reality technology are analyzed in this paper. The theoretical foundations of U-nity3D techniques， the enhancing reality technology and the Kinect somatosensory interactive technology are discussed. Application and development trend of virtual chemistry experiments are introduced. Take the virtual technology fusion method as orientation， simulating real-time environment， the virtual experiments become simplistic， intuitive. Application prospects of virtual reality convergence technology in the field of virtual experiment technology have been proved. The virtual fusion technology is conducive to promoting the development of intelligent virtual chemistry experiments， which is a new starting point for reform of virtual experiments.

Key words： virtual reality； Unity3D； Kinect somatosensory interaction； actual situation fusion； VRML

0 引言

近年來，隨著虛擬實驗逐漸引入校園，其實現/開發技術不斷得到更新和完善，這給虛擬實驗教學的應用帶來了巨大的便利。虛擬現實技術以它的開放性、仿真性、經濟性、可重復使用性、共享性等優點在更多的領域得到應用，對其研究的目的在于利用所有可能的信息技術進行虛擬現實技術的開發，提高虛擬的自然性和高效性[1]。目前人與計算機交互的方式只局限于鼠標和鍵盤，由于這種技術的單一性阻礙了虛擬現實技術的進一步發展，虛擬實驗中輸入輸出效率之間差距變得越來越大。隨著計算機科學技術的快速發展，更高層次的虛擬現實技術理念對虛擬實驗提出了更多要求，越來越多的科研人員開始對新的虛擬現實技術的多通道界面展開研究，目前的研究內容主要集中在虛擬現實技術、增強現實技術、體感交互技術相結合的研究。

虛擬現實技術的出現為促進虛擬實驗的發展具有重要意義，虛擬現實技術作為新一代的虛擬實驗開發技術，可以依靠實時模擬使用者的動作、化學器材和藥品的識別以及化學反應變化識別來實現虛擬輸入功能。這一特性很好地填補了現有人機交互技術的缺陷，并且促使虛擬現實技術成為虛擬實驗領域中的一個研究熱點，而體感交互技術也必將成為未來虛擬現實技術中發展的趨勢。

同傳統計算機技術相比而言，虛擬現實技術可以實現和多種技術相結合來控制終端，特別是未來的體感交互技術，用這種最自然的方式與終端進行交互的特點，貼近了虛擬實驗對自然性的需求，虛擬現實技術對虛擬實驗理念的實現起到了重要的推動作用。因此虛擬現實技術在虛擬實驗領域中的應用對其今后的發展具有很大的必要性。目前虛擬現實技術存在著各種研究上的難點，如：沒有完全對實驗環境真實虛擬化，不能避免外界環境的干擾；還不能很好解決實驗結果中存在的偏差和不能把握好實驗操作的精準度；還不能提供較好的相互協作的學習方式，操作實驗模式單一，多人操作實驗時技術難度比較大等。

1 概述

對虛擬現實技術在虛擬實驗領域的研究目前主要體現在基于三維虛擬實驗平臺、VRML中粒子系統化學實驗、Flash3D技術游戲場景模擬等方面，其應用于增強現實技術化學反應特效制作及體感技術人機實驗自然交互等很多領域[2]。

1.1 虛擬化學實驗研究現狀分析

近年來，虛擬現實技術已成為計算機科學與其他技術科學領域中研究和開發的熱點。隨著此技術的發展，虛擬實驗在教育教學中發揮了重大作用，它具有知識綜合性、教學創新性、實驗應用性的特點[3]，提高了學生分析解決問題的能力。

目前，利用虛擬現實技術開發的虛擬實驗呈上升趨勢，采用虛擬融合技術開發的虛擬實驗逐漸增多。由于體感交互技術近三年來逐漸興起，采用Kinect體感交互技術進行虛擬實驗的研究極少。技術融合為虛擬現實技術在虛擬實驗提供了高級的集成性和交互型，給人以愈發逼真的場景體驗，特別在化學實驗中得到了十分重要的應用。虛實融合與體感交互對虛擬實驗的有效支持將成為目前及未來研究的熱點。

1.1.1 虛擬化學實驗的特點[4]

虛擬現實技術越來越多地與增強現實技術、Unity3D技術、Kinect體感交互技術融合，對虛擬實驗環境進行構建，實際應用中為實驗教學開啟了一種全新的教學模式，使虛擬實驗具有了獨特的特點。

⑴ 仿真性：虛擬化學實驗是對真實實驗環境的模擬，學生通過進行實驗操作、技能訓練和知識探究來學習真實世界的知識。

⑵ 強交互性：用體感交互技術與實驗的交互會是完美的結合。

⑶ 開放性：是利用虛擬現實技術，實驗內容打破了空間的局限，使學習者可以自由進入虛擬實驗系統學習，交流和研究。

⑷ 節約成本，便于及時更新實驗設備。

⑸ 多感知性。

⑹ 投入性：虛擬實驗是真正的身臨其境做實驗。

⑺ 自主性。

1.1.2 虛擬化學實驗的類型[5]

近年來，由于Unity3D三維引擎技術、Flash3D、VRML+Java、Kinect體感交互技術逐漸發展成熟，不斷創造出具有特色的虛擬化學實驗系統，隨著虛擬現實技術的進步和發展可將虛擬化學實驗分為三大類：

⑴ 基于平面簡單動畫仿真的虛擬化學實驗平臺；

⑵ 基于三維視覺效果的虛擬化學實驗平臺；

⑶ 基于三維交互設備的虛擬化學實驗平臺。

目前隨著虛擬現實技術的融合與創新，直接影響著使用者對化學實驗教學的喜愛程度。根據使用者參與虛擬實驗形式的不同和沉浸程度的不同，把虛擬實驗分為以下幾種類型：

⑴ 桌面式虛擬化學實驗；

⑵ 增強式虛擬化學實驗；

⑶ 沉浸式虛擬化學實驗。

1.2 虛擬現實技術發展現狀分析

虛擬現實技術與仿真技術的發展密不可分，從早期的60年代虛擬現實思想萌芽階段開始，到80年代虛擬實驗概念理論的形成，再到今天虛擬現實理論的完善和全面應用，都在不斷提升仿真技術的水平。目前在虛擬現實技術領域的基礎研究主要集中在感知、虛擬融合技術和體感交互技術；實時三維圖形圖像生成技術、多功能的交互技術，高分辨率的動態環境建模技術；實時、現實三維動畫技術和場景情感識別技術；立體顯示和傳感技術；快速、高精度三維跟蹤技術以及系統集成技術等。

虛擬現實技術的發展提供了一種研究和思考的工具，仿真現實世界，化學實驗教學中實現了“從計算機為主體”到“人為主體”的轉變，實現了“適計算機化的單維信息空間”到“適人化的多維信息空間”的轉變，從而產生了許多解決問題的新方法，其研究主要涉及到三個領域：

⑴ 通過計算機圖形方式建立實時的三維視覺效果；

⑵ 建立對虛擬世界的觀察界面；

⑶ 使用虛擬現實技術加強如虛擬實驗領域的應用。

目前，虛擬現實技術的研究內容大體趨于其本身的研究和其應用的研究兩大類。主要應用在現實世界的仿真研究、人類認知的研究以及可視化的研究。當前國際上，虛擬現實技術大多研究虛擬人機交互界面、虛擬現實系統的構造技術，著重于研究虛擬現實的應用。而需求自然方式的直接交互，要求更高的連續性，多維性，融合體感交互技術和增強實現技術將會提高三維對象交互的效率。

在未來虛擬現實技術研究追求遵循“低成本，高性能，多維技術融合”為主線，將會從動態環境建模技術方向、實時三維圖形生成和現實技術方向、新型交互設備的研制方向、智能化的語言虛擬現實建模方向以及大型網絡分布式虛擬現實的應用方向，這些將成為未來發展的趨勢。

1.3 增強現實技術發展現狀分析

增強現實是在虛擬現實技術的基礎上發展起來的一種技術，它通過顯示技術，計算機圖形，體感技術，計算機多媒體技術將虛擬信息疊加到現實環境或者現實物體上，產生三維信息以增強人對真實世界的感知。增強現實具有實時結合、實時交互、三維標定的特性，依托于顯示技術和三維跟蹤標定技術來實現。目前，實現增強現實的主流方式：增強現實關鍵的技術、虛擬物體生成技術、顯示技術和跟蹤注冊技術，實現虛擬和真實對象的配準、排列[6]。

增強現實技術迅速發展的過程中，形成了跟蹤定位技術、Marker識別技術、圖像識別技術、標定技術，以及界面可視化。增強現實技術逐漸提高虛實結合、實時交互、3D注冊的技術水平，彌補了虛擬現實技術完全脫離現實而存在的缺陷。增強現實技術在計算空間、體感交互、感知人腦方面發揮著切實有用的應用，近年來增強現實的應用不斷取得進展，在國內各大高校取得了一定進展，目前已經提出了基于視覺的增強現實跟蹤注冊方法、空間增強現實流水線和基于定位標記的視屏檢測等研究，在虛擬化學實驗教學中應用突出，但是還存在著技術上的不足，在未來增強現實技術在系統微型化和低能耗的研究方向上將成為趨勢。

1.4 VRML技術發展現狀分析

虛擬實驗是仿真性、強交互型、開放性，便于及時更新實驗設備等優點的結合體，我們確立采用虛擬現實建模語言VRML（Virtual Reality Modeling Language）構造三維虛擬實驗場景，實現虛擬儀器的三維建模和訪問。基于VRML的虛擬化學實驗具有自由性、開放性、節約型，實驗教學一體化、易于開設新型的實驗項目和安全性等優點。

目前，對VRML技術描述三維虛擬場景和設備，優化虛擬實驗系統網絡結構，以VRML技術和目前廣泛應用的Java相結合發展基于Web的虛擬化學實驗的網絡構架，此設計流程如圖1。用3DS max圖形化操作，建立了模型直觀而便捷，可以結合體感設備，進行人機交互在Web端虛擬實驗。采用VRML粒子系統插件在3DS max中建立好模型，可以利用VRML腳本編程接口或基于外部編程接口進行交互，通過傳感器節點交互控制。這項技術在化學實驗中得到完美的應用，場景模型和化學反應的模擬都是非常的生動逼真。

[建立實驗室場景][仿真實驗室儀器和藥品][模擬反應現象][實現交互性][發布到Internet][主要是VRML建模，復雜

型可以借助3ds max等建

模軟件][VRML中事件，路由，傳感器，插補器，檢測器等節點，粒子系統][Java程序，結合使用EAI和Script節點]

圖1 VRML+Java技術開發虛擬化學實驗室的流程圖

VRML的出現是將來三維虛擬網絡世界不可缺少的重要技術。VRML是一種三維場景的描述性的虛擬現實建模語言，創造了易于網絡傳輸的交互式三維空間，它通過描述物體、網絡傳輸、本地計算機生成。它利用節點構建虛擬實驗儀器和場景。

1.5 體感交互技術發展現狀分析

體感技術是利用肢體動作、手勢、語音等現實生活中已有的知識和技能進行人機交互集多種技術于一體的體感設備，通過自然方式與終端交互[7]。它是隨著虛擬現實、混合現實、增強現實等技術的發展，三維人機交互為重要的研究領域之后出現的。隨著虛擬實驗對教學和研究的支持力度不斷加大，虛擬現實不斷暴露出一些缺陷，如模擬實驗環境的真實度不高，實驗交互操作缺乏人性化等，造成虛擬實驗難以達到高度沉浸和人性化實驗交互的操作效果。在此背景下，虛擬融合環境下體感交虛擬實驗憑借真實的實驗環境與虛擬儀器相結合，采用體感交互操作方式使實驗者直接用手與虛擬儀器接觸交互，大大提高了虛擬實驗的真實情景感和靈活的人機交互性[8]。

近年來，虛實融合與體感交互對虛擬實驗有效支持。Kinect作為新一代的體感設備，拋棄傳統的鼠標和鍵盤的操作方式，直接通過手勢動作進行虛擬實驗操作，可以有效地進行多人協作實驗，很好地彌補了現有人機交互的缺陷，并且促使Kinect體感技術成為虛擬實驗領域中的一個研究熱點。Kinect設備體感技術在化學實驗教學領域的研究和程虛擬實驗將會成為未來研究的重要方向。

2 應用展望

在國內外虛擬現實技術不斷同體感交互技術的融合環境下，虛擬實驗得到了廣泛的應用，特別在虛擬化學實驗這一領域在不斷深入研究，對國內外科學技術發展產生了非常重大的影響力。目前，隨著Unity3D技術，體感技術結合日益緊密，逐漸形成了當今適時代計算技術發展的潮流，增強現實技術的出現為虛擬化學實驗開辟了道路。虛擬實驗的進步與發展，為學習者提供了一個自適應的獲取知識和技能的實驗學習環境。

我們相信虛擬現實技術必定會給化學實驗教學領域帶來嶄新的面貌，隨著時代的發展，尤其是在計算機技術和計算機圖形學技術的進步，增強現實技術也會不斷得到完善，體感技術融合的時代里，虛擬現實技術將會不斷尋求能夠促進化學實驗教學質量更優化的新方法，來提升我們的學習能力，創造能力，推進我國教育事業的發展。

3 結束語

虛擬現實技術在化學實驗教學中的應用日益廣泛，讓我們看到了虛擬現實技術的強大功能。通過研究技術融合使得虛擬化學實驗簡單化，直觀化，貼近現實和仿真實時的實驗環境，仿真效果更加優越化，在未來學習中給實驗教學將會帶來巨大的便利，涉及這個領域的技術潛力會更大，應用前景將會非常廣闊，但是在情景真實化問題上所存在的很多理論難題和技術障礙還有待研究。

參考文獻：

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