數字音頻與虛擬現實技術相結合的跨學科應用與實踐探討

劉星

【摘? 要】 數字音頻技術（Digital Audio Technology）和虛擬現實技術（Virtual Reality Technology）是當今快速發展的領域，它們在各自領域內已經取得了顯著的進展。然而，將數字音頻和虛擬現實結合起來，探索它們的交叉點，研究與探討跨學科應用的多領域合作研發的可行性依然屬于創新性研發內容。文章旨在研究數字音頻和虛擬現實的交叉點，探索其在不同領域的創新和發展，如教育、醫療、娛樂和仿真訓練等。文章通過數字音頻和虛擬現實相結合的特點，結合同類參考文獻的合理分析，分析兩大領域之間相結合的特點，在已有研究的基礎上挖掘創新點，著眼于提升學習者的學習參與度、增強式沉浸感以及延伸拓展應用領域。

【關鍵詞】 數字音頻；虛擬現實；學習參與度；跨學科應用；交互式學習

一、數字音頻與虛擬現實的創新應用

虛擬現實技術是基于其交互性特征創造出的令人沉浸的人機交互體驗，體現在通過模擬現實世界或創造3D虛構環境來提供視覺、聽覺和觸覺相結合的綜合性體驗。因此其特征體現在沉浸式體驗、交互性與實時渲染三個方面。數字音頻和虛擬現實的跨學科應用在教育領域具有巨大的潛力。通過將數字音頻與虛擬現實二者相結合，可以創造出逼真而豐富的學習環境，提供更具吸引力和有效性的教學體驗。學生可以通過沉浸式的虛擬場景和音頻交互與教材內容進行互動，誘發求知欲，從而提升學生的學習參與度，激發學生學習興趣，提高學習成效。

二、探索交叉應用與跨界合作

將數字音頻技術和虛擬現實技術相結合，探索二者的交叉點，可以引發許多創新和發展機會。首先，立體空間的音頻定位和聲音傳播技術可以為虛擬現實環境中的聽覺體驗增添真實感。通過精確計算聲音的位置和傳播路徑，用戶可以感受到聲音從特定方向和距離傳來，立體化的環繞聲效果增強了環境的逼真度，為創造學習對象的沉浸感提供了必要的前提條件。其次，實時音頻渲染技術在虛擬現實中發揮著重要作用。依附于計算機的發展，傳統的音頻渲染方法曾因設備功能所限無法滿足其實時性和互動性的需求，而虛擬現實場景需要即時的音頻響應反饋。因此，研究人員開發了各種實時音頻渲染算法和技術，如ASIO（Audio Stream Input Output）驅動技術減少了音頻流信號的延遲以適應不同虛擬現實平臺和硬件設備；空氣衰減模擬對于現實中的聲音現象進行模擬，使得聽起來遠近分明達到環境更加逼真的效果，提供高質量的音頻體驗直接表現在用戶感官上即為身臨其境的體驗感。這種音頻的空間感與虛擬空間的視覺3D效果交互帶來的臨場感是帶來沉浸度的必要條件之一。

三、深入剖析數字音頻和虛擬現實的跨學科應用

（一）數字音頻和虛擬現實在教育領域中的應用

學生可以通過語音交互與虛擬教師進行對話，向教師提問或參與搶答類小競賽，增強學習互動性效果提升課堂注意力與學習參與度。適度引用娛樂性的問答小游戲，可以通過音頻效果增強用戶的沉浸感和情感體驗，使游戲體驗更加真實而有趣。如答對了加分并獲取小金幣，而答錯了則會減去積分。在中小學教學設計中，建議教師可以因地制宜地采用不同的獎懲方式來激勵學生的學習參與度。跨學科應用領域中的教育領域的應用在多媒體結合上已得到了普遍體現，早早受益于數字音頻與圖文動畫或視頻的結合。更為真實、立體化的虛擬現實環境結合數字音頻可以為學生創造逼真的學習環境，提供更具吸引力和有效性的教學體驗。結合虛擬現實的E-Learning系統可以使得復雜的理論教學變得直觀生動。桌面式虛擬現實基礎學習階段適用于普及化的大眾教育領域，得益于計算機技術的突飛猛進，普通用戶的臺式電腦或便攜式電腦均可成為運行載體。采用由三維動畫軟件3dsMax構建的虛擬場景，附上豐富的貼圖素材可以很好地展示出逼真的環境效果，導入虛擬現實三維環境編輯軟件Virtools或VRP- Builder虛擬現實平臺后，學生可以通過三維虛擬場景和音頻交互設計與場景展示的內容進行互動，生動形象的角色動畫增強了學習趣味性，有助于迅速提高學習成效。利用虛擬現實和數字音頻可以創建逼真學習環境的特點，學生能夠身臨其境地體驗各種學科。以歷史為例，學生可以通過虛擬歷史場景了解中國歷史、參觀革命根據地、觀看莫高窟壁畫、圓明園遺址、深入了解古文明如各朝各代的歷史建筑與遺跡等。借助數字音頻技術聽到真實的環境音效與講解，增加對歷史事件的深入理解和記憶。在實踐過程中不斷優化細節和用戶體驗，桌面式虛擬現實學習環境尤其在中小學教育領域上優勢明顯，相較于枯燥的課本，無論在知識結構或傳播方式上，聲音加上畫面的多媒體演示課件，結合沉浸式的虛擬現實教育平臺將在提升學生的愛國熱情方面作出更為有效的貢獻。結合當下游戲、手機短視頻在學生中盛行的現狀，強化愛國主義教育無疑在當今有著重要的現實意義。

（二）數字音頻和虛擬現實在醫療、軍事領域中的應用

隨著虛擬現實設備的不斷完善，數據手套（Data Glove）與視覺感知設備頭盔顯示儀（HMD）的應用，虛擬現實技術越來越展示出對于社會各領域的強大影響力。結合了音頻技術的虛擬現實技術在其他領域如醫療、軍事上也展示出了巨大的潛力。首先，在醫療模擬訓練、心理治療等方面具有廣泛應用。通過模擬真實的醫療場景和音頻反饋，醫護人員和患者可以獲得更真實和全面的體驗，提高技能水平和治療效果。通過虛擬現實和音頻療法，醫療專業人員可以為患者提供更好的治療體驗。

例如，在心理健康治療中，虛擬現實可以使用音樂或音效創造出安全且可控的環境，利用粉紅噪音、白噪音的治愈性特點，幫助患者減輕焦慮和壓力，治療失眠及輔助治療抑郁等癥狀，有效平復患者病情；而應用在軍事上則在提升效率方面卓有成效，例如在飛行模擬器仿真訓練領域，虛擬現實和數字音頻的結合也具有重要意義。通過精確的音頻模擬和反饋，受訓人員可以獲得更真實的體驗，有效應對各類復雜場景增強個人軍事技能和反應速度。通過三維建模設計創建飛行模擬器和駕駛模擬器對象，并利用虛擬現實技術的交互設計來提供逼真的駕駛體驗，數字音頻可以增強模擬環境的真實感。駕駛艙外的爆炸聲、劃過地面發射的高射炮、低空飛行時的地面環境……通過實時的音頻模擬反饋，受訓人員將被帶入涉及自身生存危機的虛擬戰場，還原戰場的真實性，使受訓人員更全面地面對各種突發事件，增強其應變能力，研發內容還可以根據事件模擬環境的設計需求擴展到其他平臺，如采用AR（增強現實）的實景畫面來輔助完成場景設計，學習者宛如置身于真實的作業環境中，操作著3D全景游戲一樣的方式來完成訓練內容，沉浸式的體驗使受訓人員全神貫注地提高操作技能和應對復雜場景的能力，虛擬現實戰場的設計對于一線作戰人員來說，能提高實戰效率，大幅度降低自身損耗，從而體現出軍事應用領域上的重要意義。當今國際風云突變，俄烏戰爭開啟的現代化戰爭燒錢模式為我們帶來了些許啟示。結合實戰音效開發沉浸式的立體化虛擬現實戰場并培訓新兵的軍訓方式應更為廣泛地得到普及式開發，圍繞虛擬現實的科研體現在軍事上的重要亮點是可以大幅度的為國家節約高昂的軍事培訓費用與縮短新兵入門培訓時間。

（三）數字音頻和虛擬現實在其他領域的應用

跨學科合作為推動數字音頻與虛擬現實技術的發展提供了契機。合作和交流促進了知識共享和技術進步。專業上二者相結合，社會上延伸應用到更為廣闊的領域。跨學科應用的多領域合作型研發為各領域的研究者和從業者提供了創新思路和發展方向。通過將數字音頻和虛擬現實相結合，可以創造出新穎而豐富的體驗，除了教育、醫療、軍事等還在拓展的應用領域，通過相關的科研項目研發不斷進步，不斷提升用戶滿意度。音頻領域的專家可以借鑒虛擬現實領域的技術創新，而虛擬現實領域的專家則可以從音頻領域的經驗中受益。在團隊合作的推進下這種跨學科的合作可以加速技術的發展與推廣，推動數字音頻與虛擬現實的融合應用的深度發展。體現在娛樂方面，虛擬現實游戲和音頻娛樂體驗將更加逼真和沉浸。音頻技術可以增強游戲場景的真實感，使用戶更加身臨其境，提升娛樂價值和用戶參與度。在探討虛擬現實音樂演出和體驗的案例中，通過虛擬現實技術，音樂愛好者可以參與身臨其境的音樂會和演出，與音樂家互動。在享受身臨其境的音頻效果的同時，還因為音頻技術的降噪與音頻混響調節等附加功能的介入，用戶可以根據自己的欣賞習慣切換不同的模式，調節均衡器增強或削弱低音等，使得用戶可以舒服地躺在自家沙發上，佩戴頭盔顯示儀在虛擬演出廳中實時觀演的同時，還可調節適用于自身的音頻設置。充分利用數字音頻與虛擬現實技術將使用戶的享受程度相較于演出現場更勝一籌成為可能。

（四）樹立正確、務實的科學研究態度

雖然數字音頻和虛擬現實在教育、醫療和軍事領域均具有巨大潛力，但其應用仍處于不斷發展和探索的階段。技術的成本和可用性具有相對性特征，仍然是實施和推廣這些應用的挑戰之一。在軍事上結合虛擬現實能降低高昂的培訓成本，而針對本不發達的教育資源開發，基于本國人口規模大的特點，在教育領域應用虛擬現實要做到完全普及化是有一定難度的。建議以桌面式虛擬現實學習為主，同時設立虛擬現實實驗室組織學生分批分組進行體驗式學習，逐個通過虛擬現實頭盔及手套等設備進入虛擬實驗室參與進來，分批次完成交互性實驗，如拾取虛擬物體內容等。此外，在醫療領域治療有效性也非一成不變的，不同的人會有不同的反應，都無法一概而論。其中用戶參與度也會體現出參差不齊的體驗結果，人們更注重用同屬心理治療的有效方式——音樂療法來影響人的神經系統，達到治療的目的。即便預估的學習效果或醫療效果是積極的，結合虛擬現實技術的音頻療法也是需要經歷多次實驗，通過時間與數據的積累來驗證的。對這種實驗室搭建成本高難度大、實驗結果不理想、不盡人意的現狀，要求人們在進行新興領域探索的同時持有足夠的耐心與不輕易言敗的務實科學態度。

（五）跨學科的合作、創新與挑戰

盡管數字音頻技術與虛擬現實技術的跨學科應用充滿機遇，但也面臨一系列挑戰。在技術層面，需要應對實時音頻渲染、三維實時音頻定位技術（3D Real-time Localization）等技術挑戰。為了提供高質量的音頻體驗，不僅需要投入更多成本以選擇適當的虛擬現實和音頻硬件，還需要解決音頻硬件設備與虛擬現實平臺之間的兼容性問題；在用戶體驗方面，面臨著如何創造逼真且沉浸式的音頻體驗的挑戰，使用戶仿佛置身于真實世界的音頻環境中，并將現實環境與虛擬現實場景完美融合。解決這些挑戰需要廣泛的跨學科合作。這意味著將有經驗的音頻專家、虛擬現實開發者、教育專家、醫學專家甚至軍事專家等多領域的人才匯聚在一起，汲取相關的專業知識和技能。通過與同領域專業人士的合作，可以創建更真實、更專業的虛擬環境設計，從而提升學習者的沉浸感。

這種協作將有助于克服技術和用戶體驗方面的挑戰，并為數字音頻與虛擬現實技術的跨學科應用帶來積極的推動力。

四、結語

綜上所述，數字音頻與虛擬現實的跨學科應用在教育、醫療、軍事、娛樂等領域均展示出巨大的優勢與發展潛力。通過研究數字音頻和虛擬現實的交叉點，合理地構建專業性研發團隊，結合數字音頻技術（Digital Audio Technology）和虛擬現實技術（Virtual Reality Technology）這兩門學科來制訂可行的發展目標，通過數字音頻及虛擬現實技術來推動各領域間的創新和發展，提升學習者的體驗和創造力。在中小學教育中有效提升學生的參與度；在醫療上治愈與恢復患者身心健康；在軍事上大幅度提升培訓效率削減培訓成本；在娛樂上足不出戶體驗高雅的生活方式等。跨學科合作和知識共享將是實現數字音頻與虛擬現實融合應用的關鍵，為未來的技術進步和社會發展提供重要支持。

參考文獻：

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