關于虛擬現(xiàn)實技術在高校教學領域中應用和發(fā)展的分析

梁光華

摘要：隨著現(xiàn)代互聯(lián)網的迅猛發(fā)展，信息技術在各行各業(yè)發(fā)揮了越來越重要的作用，虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality Technology）在社會經濟發(fā)展中脫穎而出。

虛擬現(xiàn)實技術將在高校教學中改變以往說教式的教學模式，學生不再是被動的接收學習的內容，而是能夠以各種形式參與到教學中。VR技術使用三維的形式生動形象的表現(xiàn)著教學內容，營造了一個沉浸的教學環(huán)境，能夠提高學生的學習興趣，延長知識記憶的時間。本文主要是分析虛擬現(xiàn)實技術特點及它在高校教學過程中應用。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術;沉浸;教學模式

一、虛擬現(xiàn)實技術的概念

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）技術又稱為靈境技術，它是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，它利用計算機生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合、交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真，它使用戶沉浸到該環(huán)境中。

VR技術是仿真技術與計算機圖形學人機接口技術多媒體技術傳感技術網絡技術等多種技術的集合，是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術前沿學科和研究領域。VR技術主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設備等方面。

二、虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展狀況

美國是VR技術的發(fā)源地，目前美國在該技術領域的基礎上主要集中在感知、用戶界面、后臺和硬件的研究。

我國對VR技術的研究和發(fā)達國家相比起步較晚有一定的差距，但我國政府和科學家們開始高度的重視了。政府有關部門根據(jù)我國的國情制定了開展VR技術的研究計劃。在九五計劃、國家高技術研究發(fā)展計劃等都把VR技術研究列入了研究的項目中。

北京航空航天大學主要研究了VR環(huán)境中的物體的物理特性的表示與處理，并開發(fā)出虛擬現(xiàn)實中的視覺接口方面的硬件，提供了有關的算法和實現(xiàn)的方法。

浙江大學的實驗室開發(fā)出了一套桌面型虛擬建筑實時漫游系統(tǒng)。

哈爾濱大學成功的虛擬出人的高級行為中特定人臉圖像的合成、表情的合成、唇動的合成，目前正在研究人說話時頭勢、手勢動作、語音和語調的同步合成等。

三、虛擬現(xiàn)實技術的特點及系統(tǒng)組成

1.VR技術的特點（3個）

（l）沉浸感（Immersion）又稱臨場感，這是VR系統(tǒng)的核心，指利用計算機產生的三維立體圖像，讓人置身于一種虛擬環(huán)境中，給人一種身臨其境之感。

（2）交互性（Interaction）是人機和諧的關鍵性因素，是指用戶對模擬環(huán)境內物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度（包括實時性）。

（3）構想性（Imagination）VR不僅僅是一個用戶與終端的接口，還可使用戶沉浸其中獲取新的知識，提高感性和理性認識，從而具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類認知范圍，不僅可再現(xiàn)真實存在的環(huán)境，也可以隨意構想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。因而可以說，虛擬現(xiàn)實可以啟發(fā)人的創(chuàng)造性思維。

2、VR系統(tǒng)的組成

一個完整的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)由虛擬環(huán)境、以高性能計算機為核心的虛擬環(huán)境處理器、以頭盔顯示器為核心的視覺系統(tǒng)、以語音識別、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺系統(tǒng)、以方位跟蹤器、數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)衣為主體的身體方位姿態(tài)跟蹤設備，以及味覺、嗅覺、觸覺與力覺反饋系統(tǒng)等功能單元構成。

四、虛擬現(xiàn)實的核心技術

VR技術是多種技術的綜合，主要技術如下：

1.動態(tài)環(huán)境建模技術

動態(tài)環(huán)境建模就是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應的虛擬環(huán)境模型

2.實時三維圖形技術

三維圖形的生成技術已經較為成熟，其關鍵是如何實現(xiàn)“實時”生成。

3.立體顯示和傳感器技術

虛擬現(xiàn)實的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術的發(fā)展。現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實還遠遠不能滿足系統(tǒng)的需要。

4.跟蹤技術

利用頭部跟蹤（VR頭套）來改變圖像的視角，用戶的視覺系統(tǒng)和運動感知系統(tǒng)之間就可以聯(lián)系起來，感覺更逼真。用戶不僅可以通過雙目立體視覺去認識環(huán)境，而且可以通過頭部的運動去觀察環(huán)境。

5.觸覺/力覺反饋技術

在一個VR系統(tǒng)中，用戶可以看到一個虛擬的杯子。你可以設法去抓住它，但是你的手沒有真正接觸杯子的感覺，并有可能穿過虛擬杯子的“表面”，而這在現(xiàn)實生活中是不可能的。解決這一問題的常用裝置是在手套內層安裝一些可以振動的觸點來模擬觸覺。

6.立體聲音技術

VR是從記錄到重放整個系統(tǒng)后，能夠在一定程度上恢復原發(fā)生的空間感技術，稱為立體聲技術。現(xiàn)有的VR技術還遠遠達不到這一目標。

7.語音技術

在VR系統(tǒng)中的語音輸入輸出也很重要，這就要求虛擬環(huán)境能聽懂人的語言，并能與人實時交互。使用人的自然語言作為計算機輸入目前有兩個問題，第一是效率問題，為便于計算機理解，輸入的語音可能會相當啰嗦。第二是正確性問題，計算機理解語音的方法是對比匹配，而沒有人的智能。

8.系統(tǒng)集成技術

集成技術包括信息的同步技術、模型的標定技術、數(shù)據(jù)轉換技術、數(shù)據(jù)管理模型、識別和合成技術等等。

五、虛擬技術在高校教學中

虛擬學習環(huán)境能夠為學生提供生動、逼真的學習環(huán)境，如建造人體模型、電腦太空旅行、化合物分子結構顯示等，在廣泛的科目領域提供無限的虛擬體驗，從而加速和鞏固學生學習知識的過程。

課堂教學是教學的主要方式，也是虛擬現(xiàn)實運用于教學的主要戰(zhàn)場。根據(jù)不同的學科，虛擬現(xiàn)實發(fā)揮著不同的作用。

結束語

在互聯(lián)網迅猛發(fā)展和計算機技術日新月異的當代，不久VR技術必將會改變人們的思維方式，甚至會改變人們對世界、自己、空間的看法。VR技術是一項發(fā)展中的、具有深遠的潛在應用方向的新技術。利用它，可以使自五湖四海的人們一同學習、討論、游戲，使人們的工作、生活、娛樂更加有情趣。

VR技術已開始走進高校教學，但要提供一個真正身臨其境的游戲或應用體驗還存在著較大的局限性，這些問題至今還沒有很好的解決辦法。由于VR系統(tǒng)的硬件設施價格昂貴，而制約了VR在教學中的普及和應用。隨著VR技術在高校教學中的不斷發(fā)展和完善，以及硬件設備價格的不斷降低，軟件的適用不斷增強，VR以其自身強大的教學優(yōu)勢和潛力將廣泛應用于教學。