基于個(gè)人智能終端的分布式虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

宋 鷹， SONG Sean

（1.中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島266580；2.坎特伯雷大學(xué)工學(xué)院，新西蘭克賴斯特徹奇8011）

0 引 言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality），簡稱VR技術(shù)，是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，結(jié)合全景攝影、圖形渲染、姿態(tài)傳感、伺服反饋、網(wǎng)絡(luò)通信、人機(jī)交互等最新技術(shù)，建立和營造出一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)多感官體驗(yàn)的三維虛擬世界，進(jìn)而為用戶提供身臨其境的沉浸式體驗(yàn)［1-2］。VR技術(shù)可以廣泛地應(yīng)用于航空航天、軍事、高端設(shè)計(jì)與制造、醫(yī)療、娛樂、遠(yuǎn)程通信、教育與培訓(xùn)等領(lǐng)域。VR技術(shù)最早應(yīng)用于教育領(lǐng)域是在20世紀(jì)90年代初，由Mclellan等學(xué)者提出將虛擬現(xiàn)實(shí)作為一種學(xué)習(xí)媒體技術(shù)創(chuàng)造虛擬情景的學(xué)習(xí)，為高等教育的教學(xué)活動(dòng)提供可能性的變革［3］。

現(xiàn)場實(shí)踐、實(shí)訓(xùn)、實(shí)習(xí)教學(xué)是各類教育教學(xué)活動(dòng)中時(shí)空跨度最大、最為復(fù)雜的組織形式［4］。為了達(dá)到最好的教學(xué)示范效果，需要有先進(jìn)的技術(shù)手段作為支撐。與其他技術(shù)方法相比，結(jié)合了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（Distributed Virtual Reality）［5］，可以將不同用戶通過網(wǎng)絡(luò)連接成一個(gè)共享的虛擬世界系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)資源的共享和協(xié)同式交互。該系統(tǒng)具有群體協(xié)作性、情景沉浸性、動(dòng)態(tài)操作性和實(shí)時(shí)交互性等特點(diǎn)，可以為地礦油、農(nóng)林水、軍事、交通等對(duì)實(shí)踐場地和安全要求高的學(xué)科的實(shí)踐類教學(xué)活動(dòng)提供一種全新的技術(shù)支撐方法和理論創(chuàng)新工具［6-10］。

本文以現(xiàn)場實(shí)踐、野外實(shí)習(xí)教學(xué)和演示的具體需求為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種以智能手機(jī)和硬紙板為近眼顯示器主體、以民用無人機(jī)為搭載平臺(tái)、全景攝像機(jī)為視頻采集設(shè)備、5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)為信息傳輸介質(zhì)的符合我國國情的分布式虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)，開展野外實(shí)踐現(xiàn)場的虛擬現(xiàn)實(shí)交互式教學(xué)，提高實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量。

1 分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本原理

分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，通常由圖形顯示器（客戶端）、控制設(shè)備（主控端）和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)3大部分組成。其中位于客戶端的圖形顯示器，又稱為近眼顯示器（Near Eye Display，NED），是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)最重要的客戶端設(shè)備。

成人雙眼瞳孔中心點(diǎn)之間存在55～75 mm水平距離，造成雙眼視網(wǎng)膜上的物象存在一定程度的水平差異，這種水平像位差稱為雙目視差［11-13］（見圖1）。而人腦內(nèi)視覺神經(jīng)皮層可以將雙眼觀測的不同圖像融合，消除雙目視差，在人腦中形成一幅立體的圖像。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)正是借鑒人類眼球結(jié)構(gòu)和視覺神經(jīng)系統(tǒng)的視覺信息采集和加工機(jī)制進(jìn)行仿真模擬，借助水平位置不同的多組相機(jī)同時(shí)拍攝，獲取多組圖像后，在近眼顯示器內(nèi)并列放置，從而使觀測者產(chǎn)生三維立體的視覺，實(shí)現(xiàn)視覺上的沉浸感。常見近眼顯示器除了高分辨率屏幕外，還內(nèi)置有陀螺儀、加速度計(jì)等慣性傳感器和全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)，可以實(shí)時(shí)跟蹤佩戴者的朝向、方位等姿態(tài)變化，并相應(yīng)調(diào)整顯示屏幕畫面的視場角，這就使得佩戴者擁有如同完全置身于虛擬世界之中的沉浸式體驗(yàn)。

圖1 人類眼球成像原理及視覺雙目視差示意圖［11］

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅速發(fā)展，作為客戶端的近眼顯示設(shè)備也成為研發(fā)的焦點(diǎn)［14］。然而，目前市場上常用于虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)的近眼顯示系統(tǒng)，通常為國外進(jìn)口產(chǎn)品，成本高昂，難以成規(guī)模的應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)等活動(dòng)之中，更無法適應(yīng)我國高等院校實(shí)習(xí)活動(dòng)一般集中安排和大班制教學(xué)的現(xiàn)狀。

2 分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本系統(tǒng)將光機(jī)電一體化、近眼顯示（NED）、無人機(jī)全景攝影（UAV Photography）、人工智能（AI）、5G 物聯(lián)網(wǎng)、地理信息系統(tǒng)（GIS）等關(guān)鍵技術(shù)深度融合，利用智能手機(jī)等個(gè)人智能終端為顯示媒介、多旋翼無人機(jī)和全景攝像機(jī)為視頻采集裝置、5G高速互聯(lián)網(wǎng)為數(shù)據(jù)傳輸媒介，設(shè)計(jì)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)，以滿足室內(nèi)和現(xiàn)場等不同情景下大班制教學(xué)和示范的需求。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件部分由近眼顯示器、移動(dòng)視頻采集裝置和主控終端三大部分組成（見圖2）。分別實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)圖像顯示和交互、移動(dòng)全景圖像采集和直播、5G物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建和系統(tǒng)控制等不同功能。

近眼顯示器由機(jī)殼、遮光罩、透鏡組、調(diào)節(jié)螺母、軟墊、粘扣、尼龍帶、控制盒、連接線和個(gè)人智能終端組成［見圖2（a）］。機(jī)殼是由硬紙盒折疊或ABS塑料加工成形的箱式結(jié)構(gòu)，也是近眼顯示器的主體，與其前端蓋板之間用粘扣連接，在前端蓋板上粘貼有軟墊以增加摩擦力固定智能手機(jī)等個(gè)人智能終端；機(jī)殼后端安裝有遮光罩和尼龍頭帶，分別用于屏蔽光線和方便佩戴；機(jī)殼內(nèi)部包括若干獨(dú)立空腔，空腔之間開有通孔用以安裝透鏡組。透鏡組由兩片平凸透鏡（d＝4 cm，f＝1.5 cm）和筒形外殼組成，其外表面上有螺紋，可配合調(diào)節(jié)螺母調(diào)節(jié)焦距。控制盒安裝于機(jī)殼右側(cè)，其外表面設(shè)有控制按鈕，內(nèi)部空腔安裝有主控模塊和5G網(wǎng)絡(luò)模塊，用于接收和放大5G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，并控制個(gè)人智能終端。連接線一端連接個(gè)人智能終端，利用個(gè)人智能終端電池為控制盒供電，另一端則連接控制盒。個(gè)人智能終端包括常見的基于Android或IOS等操作系統(tǒng)的智能手機(jī)或其他小型智能裝置，該類裝置一般配有高分辨率顯示屏、導(dǎo)航定位芯片、陀螺儀和加速度計(jì)等。

移動(dòng)視頻采集裝置由多旋翼無人機(jī)和全景攝像機(jī)組成［見圖2（b）］。多旋翼無人機(jī)采用常見的民用級(jí)四旋翼無人機(jī)，其機(jī)身底部或機(jī)腹可外掛不少于0.5 kg載荷，飛行距離不低于1 km，直播回傳距離不小于0.75 km，續(xù)航時(shí)間不少于20 min，抗風(fēng)能力不小于4級(jí)（風(fēng)速20～28 km／h）。全景攝像機(jī)安裝于無人機(jī)機(jī)身底部或機(jī)腹，通過4個(gè)魚眼攝像頭實(shí)現(xiàn)360°全景拍攝，內(nèi)載視頻拼接處理芯片，通過算法處理實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)全景拍攝并將視頻信號(hào)直播回傳至主控終端。

主控終端由無人機(jī)遙控器、5G網(wǎng)絡(luò)天線和總控模塊組成［見圖2（c）］。遙控器包括4個(gè)控制通道：第1通道控制副翼，第2通道控制升降舵，第3通道控制油門，第4通道控制方向舵。網(wǎng)絡(luò)天線，一方面用于傳輸主控終端與無人機(jī)之間的通信信號(hào)，增加無人機(jī)遙控距離并提高信號(hào)傳輸穩(wěn)定性；另一方面，該天線還用于在野外現(xiàn)場組建5G局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)主控終端與客戶端（近眼顯示器）之間通信信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。總控模塊用于控制和管理整個(gè)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)野外路徑智能規(guī)劃等功能。

使用時(shí)，①實(shí)習(xí)教員通過主控終端在野外實(shí)習(xí)現(xiàn)場組建5G無線局域網(wǎng)，并指導(dǎo)所有實(shí)習(xí)學(xué)員的個(gè)人智能終端接入該局域網(wǎng)；②實(shí)習(xí)學(xué)員將手機(jī)等個(gè)人智能終端固定于機(jī)殼內(nèi)，并用數(shù)據(jù)線與控制盒連接，從而構(gòu)成完整的近眼顯示系統(tǒng)；③實(shí)習(xí)教員通過主控終端放飛和控制移動(dòng)視頻采集裝置，移動(dòng)視頻采集裝置在飛行過程中通過5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)回傳信號(hào)至主控終端，主控終端再通過5G局域網(wǎng)將視頻信號(hào)發(fā)送和共享到各實(shí)習(xí)學(xué)員所佩戴的近眼顯示系統(tǒng)中。實(shí)習(xí)學(xué)員可以轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)螺母調(diào)節(jié)透鏡組與屏幕之間的距離，以達(dá)到最佳的立體顯示效果，觀看無人機(jī)拍攝的實(shí)習(xí)區(qū)圖像（見圖3），還可以通過頭部的上下左右移動(dòng)來轉(zhuǎn)換觀測視角。通過控制盒上的按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作，實(shí)現(xiàn)各種功能（見圖4）。

圖2 分布式虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3 近眼顯示器內(nèi)屏幕影像圖

圖4 近眼顯示器實(shí)拍圖（黃色機(jī)殼由硬紙板折疊而成，白色控制盒安裝于機(jī)殼外側(cè)）

2.3 智能路徑規(guī)劃算法

實(shí)習(xí)路徑規(guī)劃，常被稱為踏勘或野外踏勘，通常是在開展現(xiàn)場調(diào)查和實(shí)習(xí)工作之前，對(duì)實(shí)習(xí)區(qū)的基本情況、各實(shí)習(xí)點(diǎn)的基本位置進(jìn)行摸底，規(guī)劃最優(yōu)的實(shí)習(xí)路線，以保證實(shí)習(xí)任務(wù)的圓滿完成。其目標(biāo)是從起點(diǎn)出發(fā)，以最安全最高效的方式訪問所有實(shí)習(xí)點(diǎn)［15］。城郊、平原等實(shí)習(xí)區(qū)的路徑規(guī)劃相對(duì)簡單，只需考慮實(shí)習(xí)點(diǎn)的地理位置和實(shí)習(xí)區(qū)當(dāng)?shù)芈肪W(wǎng)分布即可。然而對(duì)山區(qū)、沙漠、灘涂、采坑等復(fù)雜地貌或地形切割劇烈的實(shí)習(xí)區(qū)進(jìn)行路徑規(guī)劃時(shí)，還需要考慮實(shí)習(xí)區(qū)當(dāng)?shù)仄渌蛩兀饕ǎ孩?懸崖、巨石、河流、沼澤、灘涂、滑坡、施工現(xiàn)場等各類障礙性地物分布情況；②實(shí)習(xí)區(qū)主要植被類型和覆蓋程度；③實(shí)習(xí)區(qū)地貌地形特征。

如何對(duì)復(fù)雜地貌實(shí)習(xí)區(qū)進(jìn)行快速分析，并自動(dòng)規(guī)劃出最安全最高效的實(shí)習(xí)路線是野外現(xiàn)場實(shí)踐系統(tǒng)的核心技術(shù)。本系統(tǒng)所用的路徑智能規(guī)劃算法基于Python語言編寫，應(yīng)用數(shù)組與矩陣運(yùn)算庫［16］和Open CV3庫［17］的計(jì)算和圖像處理函數(shù)等人工智能算法，對(duì)實(shí)習(xí)路線進(jìn)行合理規(guī)劃。

智能路徑規(guī)劃主要包括影像采集、圖像增強(qiáng)、數(shù)字高程信息提取、智能分析與規(guī)劃等4個(gè)步驟。

（1）影像采集與生成。在主控終端輸入實(shí)習(xí)區(qū)4點(diǎn)坐標(biāo)。無人機(jī)圍繞實(shí)習(xí)區(qū)飛行一周后，采集全景圖像，并自動(dòng)拼合生成4點(diǎn)坐標(biāo)所圍限區(qū)域的高分辨率影像圖（鳥瞰圖）（見圖5），定義為fieldpanorama.tif。

圖5 某露天礦區(qū)全景影像及實(shí)習(xí)路徑規(guī)劃圖

（2）圖像增強(qiáng)與識(shí)別。① 調(diào)入Python語言自帶的數(shù)組與矩陣運(yùn)算擴(kuò)展程序庫NumPy（Numerical Python）［16］及計(jì)算機(jī)視覺擴(kuò)展程序庫OpenCV3［17］。②程序讀取無人機(jī)拍攝的高分辨率影像圖fieldpanorama.tif，將圖像劃分成一個(gè)m行n列的矩陣柵格。③根據(jù)實(shí)習(xí)區(qū)地理環(huán)境，設(shè)定目標(biāo)色區(qū)間。例如，對(duì)植被覆蓋的花崗巖露頭區(qū)進(jìn)行實(shí)習(xí)作業(yè)時(shí)，將植被典型顏色—綠色和深綠色設(shè)定為背景色，將野外小路與巖石露頭的典型顏色—黃色系設(shè)為目標(biāo)色，即150＜R＜255，150＜G＜255，0＜B＜150。④ 程序?qū)D像逐個(gè)柵格進(jìn)行掃描，識(shí)別柵格內(nèi)顏色是否落在目標(biāo)色區(qū)間內(nèi)。最后將符合條件的目標(biāo)色柵格存儲(chǔ)為critri數(shù)據(jù)包內(nèi)，就可以區(qū)分出實(shí)習(xí)區(qū)內(nèi)所有無植被覆蓋的區(qū)域，作為后續(xù)路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)。

import numpy as np

import cv2

img ＝ cv2.imread（‘fieldpanorama.tif’）

m，n，p ＝ img.shape

critri＝ np.zeros［m，n］

for i in range（m）：

for j in range（n）：

if img［i，j，0］＞0 and img［i，j，0］＜150：

if img［i，j，1］＞150 and img［i，j，2］＞150：

critri［i，j］＝ 1

（3）數(shù)字高程信息提取。利用在線高程數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API），提取實(shí)習(xí)區(qū)數(shù)字高程［18］（Digital Elevation Model，DEM）數(shù)據(jù)。由于不同的DEM數(shù)據(jù)服務(wù)商所提供的數(shù)據(jù)精度各不相同，建議在實(shí)際操作中數(shù)據(jù)精度精確到以秒為單位（1″≈30 m）。接入DEM數(shù)據(jù)庫后，由程序按照實(shí)習(xí)區(qū)4點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)逐秒提取其對(duì)應(yīng)的1″×1″網(wǎng)格內(nèi)海拔高程信息，并且將所有高程信息存儲(chǔ)到height數(shù)據(jù)庫。

api＿key ＝ ″account name″

serviceurl＝ ″url address ″

data ＝ serviceurl.read（）

point＿1 ＝ （c，a）

point＿2 ＝ （c，b）

point＿3 ＝ （d，a）

point＿4 ＝ （d，b）

left＿corner＝ point＿1［1］

right＿corner＝ point＿2［1］

upper＿corner＝ point＿2［0］

lower＿corner＝ point＿3［0］

longitude ＝ left＿corner；latitude ＝ upper＿corner

i＝0：j＝0

while longitude＜b：

i＝ i＋1

longitude＋ ＝longitude＿delta

while latitude＜c：

j＝j(luò)＋1

latitude＋ ＝latitude＿delta

height［i，j］＝ data.reverse＿decode（″height″）

（4）智能分析與規(guī)劃。① 輸入位于實(shí)習(xí)區(qū)內(nèi)的起點(diǎn)坐標(biāo)sp，實(shí)習(xí)點(diǎn)坐標(biāo)ep。② 將已經(jīng)生成的高程信息（height）數(shù)據(jù)包與目標(biāo)色（critri）數(shù)據(jù)包進(jìn)行疊合及匹配。如果起點(diǎn)和實(shí)習(xí)點(diǎn)之間，在矩陣內(nèi)有路徑相連，那么就利用二階拉普拉斯方程對(duì)所有可能路徑的高程求導(dǎo)，利用梯度下降（gradient descent）算法計(jì)算出高程梯度最小的相連路徑，即最優(yōu)路徑（best path）。如果實(shí)習(xí)區(qū)植被覆蓋嚴(yán)重，即起點(diǎn)和實(shí)習(xí)點(diǎn)之間在critri矩陣內(nèi)無法直接相連。那么直接對(duì)高程信息（height）數(shù)據(jù)包求導(dǎo)，得出由起點(diǎn)到實(shí)習(xí)點(diǎn)的高程梯度最小的相連路徑，即備選路徑（secondary path）。在野外實(shí)習(xí)中，一般要途徑多個(gè)實(shí)習(xí)點(diǎn)，可以通過在程序內(nèi)多次輸入起點(diǎn)和實(shí)習(xí)點(diǎn)的坐標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。

try：path ＝ connect（sp，ep，critri）

best＿path ＝ find＿path（sp，ep，path，critri*height）

except：secondary＿path ＝ find＿path（sp，ep，height）

def find＿path（sp，ep，critri，height）：

path ＝ connect（sp，ep）

laplace＿result＝ laplace（height，2）

preferred＿path ＝ minconvotre（path，laplace＿result）

return preferred＿path

cv2.imshow（path）

3 系統(tǒng)的工作模式

根據(jù)教學(xué)活動(dòng)中的不同應(yīng)用情景，本系統(tǒng)有多種工作模式：

（1）實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)演示模式（Demo mode）。該模式主要利用近眼顯示器作為虛擬現(xiàn)實(shí)圖像顯示端，實(shí)習(xí)教員在室內(nèi)播放系統(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)的全景影像視頻，實(shí)習(xí)學(xué)員則通過佩戴近眼顯示器觀摩學(xué)習(xí)，達(dá)到身臨其境的沉浸式實(shí)習(xí)效果。

（2）現(xiàn)場鳥瞰模式（Cruising mode）。又稱為現(xiàn)場巡航模式。實(shí)習(xí)教員現(xiàn)場操作移動(dòng)視頻采集裝置，飛行至實(shí)習(xí)區(qū)各實(shí)習(xí)點(diǎn)（如野外地質(zhì)露頭）上空懸停后觀測拍攝。實(shí)習(xí)學(xué)員佩戴近眼顯示器實(shí)時(shí)觀看視頻直播回傳畫面，逐一了解各實(shí)習(xí)點(diǎn)概況并聽取實(shí)習(xí)教員的現(xiàn)場講解。實(shí)習(xí)教員還可以對(duì)特定實(shí)習(xí)點(diǎn)進(jìn)行抵近觀察、拍照和講解。在植被覆蓋茂密或地形特別復(fù)雜、無人機(jī)無法施行抵近觀察的地區(qū)，則可以利用無人機(jī)搭載的全景攝像機(jī)的變焦功能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程放大觀察。

（3）路徑規(guī)劃模式（Routing mode）。該模式主要用于實(shí)習(xí)現(xiàn)場路徑規(guī)劃，尤其是植被覆蓋茂密、人煙稀少、地形復(fù)雜的地區(qū)。實(shí)習(xí)教員設(shè)定實(shí)習(xí)區(qū)4點(diǎn)坐標(biāo)并放飛移動(dòng)視頻采集裝置，無人機(jī)環(huán)繞實(shí)習(xí)區(qū)一周，采集和自動(dòng)生成實(shí)習(xí)區(qū)全景圖像。在實(shí)習(xí)教員確定所有實(shí)習(xí)點(diǎn)空間分布位置后，利用系統(tǒng)的人工智能算法，智能規(guī)劃從起點(diǎn)出發(fā)依次訪問各實(shí)習(xí)點(diǎn)的最優(yōu)實(shí)習(xí)路徑，并標(biāo)注于現(xiàn)場圖像之上，生成實(shí)習(xí)路徑圖（見圖5）。實(shí)習(xí)人員可以根據(jù)自身情況，對(duì)照實(shí)習(xí)路徑圖進(jìn)行實(shí)習(xí)勘查。

4 系統(tǒng)的應(yīng)用效果

（1）本系統(tǒng)提供了一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、符合我國國情的、實(shí)用可行的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)的解決方案。本系統(tǒng)的客戶端由普及程度最高的個(gè)人智能手機(jī)和低成本的硬紙盒或塑料殼組合而成，而系統(tǒng)端使用的則是國產(chǎn)消費(fèi)級(jí)的無人機(jī)和全景相機(jī)，降低了至少90%的采購成本，后期使用和維護(hù)成本也很低。其實(shí)際應(yīng)用效果與國外進(jìn)口成套的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)基本一致，特別適合我國高等院校大班制實(shí)踐教學(xué)的實(shí)際需要。

（2）突破實(shí)習(xí)現(xiàn)場條件限制，保障實(shí)習(xí)人員安全。利用沉浸式、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，可以彌補(bǔ)高校實(shí)踐教學(xué)條件的不足，即便是在室內(nèi)環(huán)境，也可以通過近眼顯示器營造出實(shí)習(xí)現(xiàn)場情景，這樣就可以突破實(shí)習(xí)器材、自然條件、實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)等因素的限制和制約，在降低實(shí)踐實(shí)訓(xùn)教學(xué)成本的同時(shí)消除各類安全隱患，保障了實(shí)習(xí)人員的安全。

（3）增強(qiáng)實(shí)習(xí)活動(dòng)的現(xiàn)場體驗(yàn)感，優(yōu)化實(shí)習(xí)教學(xué)效果。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的最大特征就是沉浸性、交互性和構(gòu)想性。通過頭戴式近眼顯示器，實(shí)習(xí)學(xué)員可以通過轉(zhuǎn)頭、抬頭、低頭等動(dòng)作切換觀測視角，實(shí)現(xiàn)感同身受、人機(jī)互動(dòng)，并且可以從多維、動(dòng)態(tài)的角度對(duì)實(shí)習(xí)對(duì)象進(jìn)行精細(xì)觀察，突破認(rèn)知尺度的局限性。充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，增強(qiáng)對(duì)研究對(duì)象的感知和理解，提升實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的效果。

（4）創(chuàng)新虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐實(shí)訓(xùn)新模式。在現(xiàn)場實(shí)踐活動(dòng)開始前，實(shí)習(xí)學(xué)員首先通過虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)踐系統(tǒng)熟悉實(shí)習(xí)區(qū)環(huán)境、實(shí)習(xí)路線、各實(shí)習(xí)點(diǎn)概況等基本信息。再在實(shí)習(xí)教員的帶領(lǐng)下，前往各實(shí)習(xí)點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場觀察，做到虛實(shí)結(jié)合，豐富了現(xiàn)場實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的組織形式。

5 結(jié) 語

以分布式虛擬現(xiàn)實(shí)理論為基礎(chǔ)，通過將光機(jī)電一體化、近眼顯示、無人機(jī)全景攝影、人工智能算法、5G物聯(lián)網(wǎng)、地理信息系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)深度融合，提供一種分布式虛擬現(xiàn)實(shí)現(xiàn)場實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)的解決方案。該系統(tǒng)有3種工作模式，可以分別滿足室內(nèi)教學(xué)、野外現(xiàn)場教學(xué)、路徑規(guī)劃等不同需求。系統(tǒng)直接以智能手機(jī)等個(gè)人智能終端作為客戶端顯示器和處理器，降低了90%以上的硬件采購成本，可以滿足我國高校大班制實(shí)習(xí)實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的需求。