虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實現(xiàn)范文

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關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；校園漫游；設(shè)計；實現(xiàn)；分析

中圖分類號： TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）07（B）-00

虛擬現(xiàn)實技術(shù)也被稱為靈境技術(shù)。這項技術(shù)主要是綜合了計算機(jī)圖形學(xué)、計算機(jī)仿真技術(shù)以及人工智能等多種高科技的最新研究成果，使人與計算機(jī)能夠很好的融為一體，并且能夠給人予一種身臨其境的感覺。本文從不同方面對虛擬校園相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。

1.數(shù)字校園相關(guān)技術(shù)分析

數(shù)字校園即是指數(shù)字信息化的校園，主要以計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通訊為核心技術(shù)，以信息的獲取與知識的共享為重要手段，是網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化有機(jī)結(jié)合的新型的、開放式的教育環(huán)境。數(shù)字化校園主要包括校園的設(shè)施數(shù)字化、校園的漫游智能化以及可視化等方面的內(nèi)容，同時也能夠?qū)^去進(jìn)行反演，從而對現(xiàn)實進(jìn)行決策以及對以后做出有效的預(yù)測。

1.1三維場景的建模原理分析

三維場景建模是虛擬校園漫游系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分，而一個虛擬的環(huán)境是否逼真則主要來自其視景生產(chǎn)系統(tǒng)的質(zhì)量，它將直接影響仿真的效果和相似度，同時也是直接影響虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)沉浸感的一個重要因素。

1.2建模工具軟件的分析

Multigen Creator是一個系列軟件，主要為開發(fā)的一個實時建模以及圖形數(shù)庫的生產(chǎn)工具，具有強(qiáng)大的多邊形建模和矢量建模等功能，提供了多種專業(yè)選項及插件，能夠較為方便的進(jìn)行實體模型的建立以及管理工作。

Vega主要是為應(yīng)用在實時視景仿真以及聲音仿真等領(lǐng)域的世界上較為先進(jìn)的軟件環(huán)境平臺，對于復(fù)雜的應(yīng)用，能夠提供便捷的創(chuàng)建、編輯和驅(qū)動工具。且性能穩(wěn)定易用，支持多種數(shù)據(jù)調(diào)入，能提供高效的CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

1.3三維建模相關(guān)技術(shù)分析

針對三維模型來說，主要是涉及到的數(shù)據(jù)包括了數(shù)字化的地圖數(shù)據(jù)以及三維模型尺寸數(shù)據(jù)等，同時也包括了建筑圖紙以及全校航拍圖來獲得數(shù)字化的地形圖數(shù)據(jù)。

三維建模最主要的四個環(huán)節(jié)是：首先，創(chuàng)建物體的層次結(jié)構(gòu)。這是由于具有層次結(jié)構(gòu)的文件比無層次結(jié)構(gòu)的文件執(zhí)行效率高。具體可將物體和相關(guān)的實體進(jìn)行組合形成物體組和相關(guān)組，在此基礎(chǔ)之上嵌套建立起物體的層次結(jié)構(gòu)。其次，對模型進(jìn)行優(yōu)化。盡量減少多邊形的數(shù)量是可視化仿真建模的基本原則之一。最理想的效果就是用最少的多邊形來表達(dá)視角上很真實的模型。第三，植物建模。根據(jù)校園內(nèi)各種植物在所選取的視野范圍內(nèi)的地理位置、生長密度等特征，可分別采用十字交叉或多十字交叉模型。第四，合理運(yùn)用實例。當(dāng)數(shù)字校園的場景中相同的某個實際物體比較多時，可通過引用同一個實例的方法來解決相同幾何體的模型問題從而降低模型數(shù)據(jù)的存貯空間。

2.視景的漫游分析

2.1人機(jī)交互的控制分析

在虛擬三維世界之中，漫游的過程主要是人和計算機(jī)的交互過程，因此為了能夠滿足不同漫游方式的需要，系統(tǒng)設(shè)計漫游引擎的過程中可以設(shè)置成為手動漫游以及自動漫游。

針對于手動漫游來說，能夠隨時隨地的控制漫游過程中的速度以及方向和視角，根據(jù)任意的視角來觀察建筑物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及設(shè)施。相對于手動漫游來說，自動漫游需要為一個預(yù)先確定下來的路徑創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)，之后則是通過觀察者應(yīng)用一個導(dǎo)航器來穿過路徑進(jìn)行自動的對運(yùn)動做出控制。

2.2 視線的碰撞檢測方法分析

漫游人員在進(jìn)行漫游的過程中將會和地形以及障礙物出現(xiàn)一定的碰撞，Vega雖然能夠?qū)Φ孛媾鲎矙z測做出相應(yīng)的定義，但是針對于定義的運(yùn)動模型根本無法能夠起到實際性的作用，因此，本研究采用技術(shù)視線碰撞檢測的方法來進(jìn)行檢測。

針對這種方法來說，主要是空間直線以及空間多邊形的求交問題，并且核算的方法也能夠得到兩個方面的結(jié)果：第一是漫游的過程中地形以及障礙物所進(jìn)行的碰撞檢測；第二則是虛擬的實體選擇以及虛擬場景環(huán)境之中的絕對坐標(biāo)系如下圖1所表示。

作為起點(diǎn)，并且沿著觀察坐標(biāo)系Y軸向著正向進(jìn)行射線，同時也可以給根據(jù)空間直線的方程式來對其進(jìn)行描述。

L：X=Rt+E（t≥0）

在公式之中，X（x，y，z）主要是為視線上任意點(diǎn)，然而R（xr.yr.zr）則是為射線的方向。然而E（xe，ye，ze）所表示的便是視點(diǎn)射線上起點(diǎn)，t主要是為X點(diǎn)距離視線的距離。在空間平面P的防塵以及其法向量主要是為以下公式所述。

Ax+By+Cz+D=0

N（A，B，C）主要是為容易求得出來的攝像以及平面的焦點(diǎn)和視點(diǎn)到點(diǎn)之間的距離。

N1?N2=N1x?N2x+N1y?N2y+N1z?N2z， N?（Rt+E）+D=0，

t0=-（N?E+D）/（N?R），（N?R≠0）。

在公式之中，要是射線L和平面P所平行，那么則不存在著焦點(diǎn)，不然射線L以及平面P則是相交的，焦點(diǎn)主要是為X0=Rt0+E，其視點(diǎn)到交點(diǎn)的距離主要是為t0。

虛擬的實體選擇是可以得出進(jìn)一步的求解，然而在對實體進(jìn)行選擇的過程中，通常情況下不知道視線應(yīng)該和那個多邊形進(jìn)行交匯，要是每一次都會對整個場景之中所有的表面多邊形全部都是經(jīng)歷了一遍，那么將會出現(xiàn)比較大的運(yùn)算量，從而到導(dǎo)致出現(xiàn)一些不必要的浪費(fèi)。所以，在現(xiàn)實基于視線的碰撞檢測過程中，必須要考慮到球形包圍盒以及長方體包圍盒的快速求交方法能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬體的選擇。

3.系統(tǒng)的設(shè)計以及實現(xiàn)分析

漫游引擎主要是一組三維場景漫游的核心程序所在，并且負(fù)責(zé)實現(xiàn)輸入映射以及試點(diǎn)的控制以及虛擬場景調(diào)度管理等系統(tǒng)漫游的功能。在數(shù)字校園漫游引擎之中，多數(shù)系統(tǒng)能夠在主頁定義一些可選項，能夠給漫游都提供一打開或者關(guān)閉的功能設(shè)置，從而使“游客”在數(shù)字校園之中能夠觀賞到不同時段（不同季節(jié)）的校園景色，同時也能夠采用任意的視角和路線在校園之中自由穿行。

基于上述主要系統(tǒng)分析，通過建立起基于多為信息空間的和諧人機(jī)環(huán)境，被認(rèn)為是信息技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展過程中的主要目標(biāo)，并且虛擬現(xiàn)實技術(shù)也是支撐多為信息空間的關(guān)鍵因素所在，通過應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來進(jìn)行數(shù)字城市的虛擬建設(shè)以及虛擬裝修等進(jìn)行展示，能夠更好的為相關(guān)領(lǐng)域上面的技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，從而取得一個良好的效果。

參考文獻(xiàn)

[1]劉航，王積忠，王春水.虛擬校園三維仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2007.28（12）：2934-2936

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關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)實(VR);虛擬環(huán)境人機(jī)交互

一、引言

在信息技術(shù)發(fā)展的今天,人們的交流越來越多的依靠網(wǎng)絡(luò)、廣播、電視等媒體得到相關(guān)的信息資料,但是這些媒體提供的信息往往是經(jīng)過抽象的,在很大程度上人們不能及時有效的進(jìn)行理解吸收,解決這一問題人們只能借助于實物模型,但隨著計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,使得人與計算機(jī)的交互成為可能,虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)就是借助于這個基礎(chǔ)上實現(xiàn)了人機(jī)交互,操作者可以通過鍵盤、鼠標(biāo)、頭盔、數(shù)據(jù)手套等工具與計算機(jī)間的交互,真正成為虛擬環(huán)境中的一員,較真實的感知和操作虛擬世界中的各種對象,達(dá)到理解和掌握知識、為生產(chǎn)生活服務(wù)的目的。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡介

虛擬現(xiàn)實(簡稱VR),又稱靈境技術(shù), 是以浸沒感、交互性和構(gòu)想為基本特征的計算機(jī)高級人機(jī)界面,是迅速發(fā)展的一項綜合性計算機(jī)、圖形交互技術(shù)。它綜合利用了計算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感器技術(shù),模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感官功能,使人能夠沉浸在計算機(jī)生成的虛擬境界中,并能夠通過語言、手勢等自然的方式與之進(jìn)行實時交互,創(chuàng)建了一種適人化的多維信息空間。使用者不僅能夠通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)感受到在客觀物理世界中所經(jīng)歷的“身臨其境”的逼真性,而且能夠突破空間、時間以及其他客觀限制,感受到在真實世界中無法親身經(jīng)歷的體驗。

計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展為我們提供了許多解決問題的新方法。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展也同樣如此,目前虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀主要涉及到三個研究領(lǐng)域:依靠計算機(jī)圖形方式建立實時的三維視覺效果、構(gòu)建對虛擬世界的觀察界面和使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)加強(qiáng)其在現(xiàn)實世界中的應(yīng)用。

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)特征及其系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

從本質(zhì)上說,虛擬現(xiàn)實就是一種先進(jìn)的計算機(jī)用戶接口,它通過給用戶同時提供諸如視、聽、觸等各種直觀而又自然的實時感知交互手段、最大限度地方便用戶的操作,從而減輕用戶的負(fù)擔(dān)、提高整個系統(tǒng)的工作效率。因此虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有以下四個重要特征。

（一）多感知性

所謂多感知性就是指導(dǎo)包括視覺感知外, 還包括聽覺、力覺、觸覺和運(yùn)動感知、甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。

（二）存在感

又稱臨場感,它是指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該達(dá)到使用戶難以分辨真假的程度。

（三）交互性

它是指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)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)。我們借助與我們8的感覺器官,在虛擬的環(huán)境中體驗真實的環(huán)境。

（四）自主性

是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律進(jìn)行動作的程度。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要由動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、實時三維圖形生成技術(shù)、立體顯示和傳感器技術(shù)、應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具和系統(tǒng)集成技術(shù)等五個方面組成。其中動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是根據(jù)應(yīng)用的需要獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù), 并利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。而三維圖形的生成技術(shù)關(guān)鍵是如何實現(xiàn)“實時”生成。立體顯示和傳感器技術(shù)是虛擬現(xiàn)實中實施交互能力的關(guān)鍵。

四、當(dāng)今虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。目前在娛樂、教育及藝術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用占據(jù)主流,其次是軍事與航空、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,機(jī)器人和商業(yè)領(lǐng)域都占有一定比例,另外在可視化計算、制造業(yè)等領(lǐng)域也有相當(dāng)?shù)谋戎亍Ｏ旅婧喴榻B其部分應(yīng)用。

（一）娛樂、藝術(shù)與教育領(lǐng)域

豐富的感覺能力與3D顯示環(huán)境使得VR 成為理想的視頻游戲工具。如Chicago(芝加哥) 開放了關(guān)于3025 年的一場未來戰(zhàn)爭的世界上第一臺大型可供多人使用的VR娛樂系統(tǒng);1992年的一臺稱為“LegealQust”的系統(tǒng)由于增加了人工智能功能,使計算機(jī)具備了自學(xué)習(xí)功能,大大增強(qiáng)了趣味性及難度,使該系統(tǒng)獲該年度VR 產(chǎn)品獎。

作為傳輸顯示信息的媒體,VR所具有的臨場參與感與交互能力可以將靜態(tài)的藝術(shù)轉(zhuǎn)化為動態(tài)的,可以使觀賞者更好地欣賞作者的思想藝術(shù),提高了藝術(shù)表現(xiàn)能力。

（二）軍事與航天工業(yè)領(lǐng)域

模擬與練一直是軍事與航天工業(yè)中的一個重要課題,這為VR提供了廣闊的應(yīng)用前景。美國國防部高級研究計劃局DARPA自80年代起一直致力于研究稱為SIM NET的虛擬戰(zhàn)場系統(tǒng),以提供坦克協(xié)同訓(xùn)練,該系統(tǒng)可聯(lián)結(jié)200多臺模擬器。另外利用VR技術(shù),可模擬零重力環(huán)境,以代替現(xiàn)在非標(biāo)準(zhǔn)的水下訓(xùn)練宇航員的方法。

（三） 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

VR在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實意義。在虛擬環(huán)境中,可以建立虛擬的人體模型,借助于跟蹤球、HMD、感覺手套,學(xué)員們可以很容易了解人體內(nèi)部各器官結(jié)構(gòu),這比現(xiàn)有的采用教科書的方式要有效得多。

Pieper及Satara等研究者在90年代初基于兩個SGI工作站建立了一個虛擬外科手術(shù)訓(xùn)練器,用于腿部及腹部外科手術(shù)模擬。這個虛擬的環(huán)境包括虛擬的手術(shù)臺與手術(shù)燈,虛擬的外科工具(如手術(shù)刀、注射器、手術(shù)鉗等),虛擬的人體模型與器官等。借助于HMD及感覺手套,使用者可以對虛擬的人體模型進(jìn)行手術(shù)。

另外,在遠(yuǎn)距離遙控外科手術(shù),復(fù)雜手術(shù)的計劃安排,手術(shù)過程的信息指導(dǎo),手術(shù)后果預(yù)測及改善殘疾人生恬狀況,乃至新型藥物的研制等方面,VR技術(shù)都有十分重要的意義。

（四）管理工程領(lǐng)域

VR 在管理工程方面也顯示出了無與倫比的優(yōu)越性。如設(shè)計一新型建筑物時,可以在建筑物動工之前用VR技術(shù)顯示一下;當(dāng)財政發(fā)生危機(jī)時,可以幫助分析大量的股票、債券等方面的數(shù)據(jù)以尋找對策等等。

以上僅列出虛擬現(xiàn)實的部分應(yīng)用前景,可以預(yù)見,在不久的將來,虛擬現(xiàn)實技術(shù)將會影響甚至改變我們的觀念與習(xí)慣, 并將深入到人們的日常工作與生活。

五、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的進(jìn)一步展望

虛擬現(xiàn)實從其萌芽到今天的日漸成熟已經(jīng)走過了相當(dāng)長的一段風(fēng)雨歷程。目前它的研究內(nèi)容涉及到多項學(xué)科領(lǐng)域。我們同時也認(rèn)識到,這個領(lǐng)域的技術(shù)具有巨大的潛力和廣闊的應(yīng)用前景。

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關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實技術(shù)； 虛擬教學(xué)系統(tǒng)； 感知； 交互； 沉浸

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）12-72-03

Research on the design of virtual teaching system based on virtual reality technology

Yang Xuchao

Abstract： The educational characteristics of virtual reality include multi-perception， interactivity， immersion and imagination. To design the virtual reality system， the advanced education idea should be taken as the guidance， a virtual perceptive teaching system should be built by giving full play to the virtual reality technology， to design the virtualized scene， classroom， experiment， roles and situation， and the student should be allowed as a role to experience the virtualized natural phenomena and process of things evolution， so as to support student learning， exploration and discovery.

Key words： virtual reality technology； virtual teaching system； perception； interaction； immersion

0 引言

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality簡稱VR）是近年來的一個研究熱點(diǎn)。

1965年，有“VR之父”之稱的計算機(jī)圖形學(xué)創(chuàng)始人Ivan Sutherland，曾在IFIP會議上做了題為“The Ultimate Display”的報告，第一次提出了虛擬現(xiàn)實的概念[1]。這一提法對“虛擬現(xiàn)實技術(shù)”來說，具有里程碑的意義。

1989年，美國的VPL公司宣布完成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)RB-2（Reality Built for2），VPL公司的創(chuàng)始人Jaron Lanier正式提出了“虛擬現(xiàn)實”一詞，從此進(jìn)入虛擬現(xiàn)實階段[7]。

從上世紀(jì)90年代至今，“VR”進(jìn)入全面發(fā)展階段，并開始在各領(lǐng)域綻放異彩，從而，逐漸走向?qū)嶋H應(yīng)用[6]。近年來，VR技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。VR應(yīng)用到教育領(lǐng)域中，既是虛擬現(xiàn)實自身發(fā)展的需要，也是教育發(fā)展的需要。

虛擬現(xiàn)實教育特性歸納為四重性即：多感知性、交互性、沉浸性以及構(gòu)想性[4]。

VR的教育應(yīng)用價值是，可以建立虛擬的學(xué)習(xí)課堂，把相應(yīng)知識進(jìn)行情景化設(shè)計，形象直觀地展現(xiàn)在學(xué)生面前，允許學(xué)生以角色的身份，“身臨其境”地去體驗類真實生活中無法觀察到的自然現(xiàn)象、或事物的變化過程。學(xué)生沉浸在這樣的虛擬現(xiàn)實學(xué)習(xí)環(huán)境中，通過多層次的感知，獲得類似真實的體驗效果，全方位地獲取信息，主動自然地對知識進(jìn)行認(rèn)知和建構(gòu)，在沉浸于探索活動之時，跳一跳，摘到果子。

1 虛擬教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計原則

教育是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，作為一個結(jié)構(gòu)完整的虛擬教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，教育性是根本屬性、此外還必須兼顧知識性、計算機(jī)虛擬技術(shù)特性、科學(xué)性與藝術(shù)性等方面。因此，虛擬教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計必須遵循以下原則。

⑴ 運(yùn)用先進(jìn)教育學(xué)習(xí)理論作指導(dǎo)的設(shè)計原則

在教育理論體系中，學(xué)習(xí)理論經(jīng)歷了由行為主義到認(rèn)知主義、認(rèn)知主義到建構(gòu)主義、又由建構(gòu)主義到情境認(rèn)知與情境學(xué)習(xí)理論的演變和發(fā)展過程。這些學(xué)習(xí)理論都在不同的時期指導(dǎo)了CAI寫作，并成為CAI發(fā)展不可或缺的重要推手。

本研究課題其本質(zhì)是教育性，核心是教育創(chuàng)新。因此，虛擬教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計必須要有教育學(xué)習(xí)理論做指導(dǎo)，否則系統(tǒng)的設(shè)計也就成了無源之水，無本之木，系統(tǒng)也就缺少了教育的屬性。

通過對教育學(xué)習(xí)理論的分析，吸取其中對課件寫作有益的經(jīng)驗，指導(dǎo)課件寫作實踐，可以使虛擬教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計更符合教育規(guī)律。

⑵ 人機(jī)交互界面設(shè)計的原則

交互性是VR在教學(xué)上最有價值的應(yīng)用。對于一個好的虛擬教學(xué)系統(tǒng)來說，人機(jī)交互設(shè)計很關(guān)鍵，虛擬現(xiàn)實教育的多感知性、沉浸性以及構(gòu)想性就是要通過人機(jī)的有效交互產(chǎn)生效果，學(xué)生的參與、學(xué)生的“角色”扮演，學(xué)生的體驗都必須獲得交互性的支持。

在進(jìn)行虛擬教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計時，要考慮界面的可視化、一致性、簡潔性、易用性、直觀性、可控性和及時響應(yīng)等原則，充分考慮到要適應(yīng)學(xué)生的心理與情感需要；要適應(yīng)學(xué)生的生理特征、行為特征等，把系統(tǒng)的交互設(shè)計看作是教學(xué)設(shè)計的最重要內(nèi)容之一。

⑶ 虛擬現(xiàn)實四重性原則

基于VR建構(gòu)的教學(xué)系統(tǒng)，在于通過感官刺激，使學(xué)生沉浸于虛擬教學(xué)系統(tǒng)中，體驗逼真的情境教學(xué)并主動動腦動手參與交互，以達(dá)到高效學(xué)習(xí)和提高技能。

⑷ 功能模塊化，提高復(fù)用性原則

系統(tǒng)的模塊化設(shè)計，考慮學(xué)生的個性化需求，允許定制學(xué)生適合的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

2 虛擬教學(xué)系統(tǒng)的指導(dǎo)思想

在教育的理論體系中，行為主義學(xué)習(xí)理論、認(rèn)知主義學(xué)習(xí)理論、情景認(rèn)知理論、建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論以及遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)的交互理論都曾不同程度地指導(dǎo)著CAI寫作。

⑴ 行為主義把學(xué)習(xí)看做是由刺激與反應(yīng)（即“S―R”）形成的聯(lián)接。曾指導(dǎo)了早期的CAI寫作；另外，程序教學(xué)的小步子策略至今仍深刻地影響著CAI寫作。

⑵ 認(rèn)知主義對CAI的啟示是：要以學(xué)生為本，從學(xué)生的內(nèi)外因素兩個方面來創(chuàng)設(shè)課件情境，外因提供刺激，驅(qū)動內(nèi)因去認(rèn)知知識，課件情境的設(shè)計就必須考慮學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，必須要將知識性與趣味性相結(jié)合，以激發(fā)其好奇心和發(fā)現(xiàn)欲，誘發(fā)其質(zhì)疑、猜想和認(rèn)知、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

⑶ 建構(gòu)主義理論強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的主動性、社會性和情境性。因而，“情境”、“協(xié)作”、“會話”、“意義建構(gòu)”構(gòu)成了建構(gòu)主義的四大要素。對CAI的啟示是： 學(xué)習(xí)要在一定的情境中，通過協(xié)作活動和會話交流而建構(gòu)意義。

⑷ 情境認(rèn)知與學(xué)習(xí)理論更加強(qiáng)調(diào)情境對于學(xué)習(xí)的重要性。認(rèn)為知識具有情境性，學(xué)習(xí)是基于社會情境的一種活動，知識的意義不能脫離具體的情境產(chǎn)生[8]。因而要通過設(shè)置真實的實驗環(huán)境（基于工作崗位的、基于知識內(nèi)涵的）、或借助計算機(jī)信息技術(shù)設(shè)計的虛擬情境，來提高學(xué)習(xí)的有效性，并保證知識向真實情境的遷移。

可見，VR的教育應(yīng)用與教育學(xué)習(xí)理念的精華是相一致的；設(shè)計適合學(xué)生學(xué)習(xí)的虛擬現(xiàn)實學(xué)習(xí)場景、創(chuàng)建情境化教學(xué)平臺，是虛擬教學(xué)系統(tǒng)教學(xué)設(shè)計的主要形式。教學(xué)設(shè)計要強(qiáng)調(diào)參與者的交互性與沉浸感，以有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，進(jìn)行更好的知識建構(gòu)。

3 系統(tǒng)教學(xué)功能的虛擬設(shè)計

⑴ 虛擬課堂的設(shè)計

對課堂場景的虛擬設(shè)計，使教學(xué)脫離傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)場所，突破了時空的限制，學(xué)生可以自由自在地在虛擬課堂中學(xué)習(xí)，猶如沉浸在真實課堂一樣，讓教學(xué)變得輕松而實效。

⑵ 虛擬實驗的設(shè)計

設(shè)計和建立虛擬實驗室，是一種高效而且新穎的實驗方式，不僅可以避免實驗自身存在的安全隱患，而且可以節(jié)約實驗成本，不用顧慮實驗條件、環(huán)境和時空上的限制，學(xué)生可以隨時隨地地完成實驗內(nèi)容。

⑶ 技能訓(xùn)練功能模塊的設(shè)計

VR的沉浸性和交互性，允許學(xué)生以角色的身份參與到虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中，去嘗試和體驗情境學(xué)習(xí)活動，這非常有利于學(xué)生的技能訓(xùn)練。例如汽車維修的虛擬技能訓(xùn)練、電器維修技能訓(xùn)練等職業(yè)技能的訓(xùn)練，學(xué)生可以不厭其煩地反復(fù)練習(xí)，直至掌握操作技能為止。

⑷ 虛擬情境設(shè)計

應(yīng)該說，最理想的學(xué)習(xí)是發(fā)生在真實情境下的學(xué)習(xí)，但客觀地說，真實情境的學(xué)習(xí)條件可遇而不可求。因而，對情境進(jìn)行虛擬設(shè)計就是現(xiàn)實的選擇了。

在虛擬教學(xué)系統(tǒng)中，創(chuàng)設(shè)與現(xiàn)實情境相類似的高度逼真的虛擬學(xué)習(xí)情境，代替書本描述或代替抽象語言的描述，使教學(xué)的過程與現(xiàn)實的問題解決過程相類似，有利于刺激學(xué)生的感知、沉浸與構(gòu)想，從而使得學(xué)習(xí)有效發(fā)生。

⑸ 虛擬角色的設(shè)計

虛擬角色支持學(xué)生成為學(xué)習(xí)活動的“角色扮演者”，學(xué)習(xí)的過程則是角色參與的活動過程。教學(xué)情境的創(chuàng)設(shè)應(yīng)營造一個利于“角色”主動探索的學(xué)習(xí)共同體和實踐共同體，支撐知識的社會協(xié)作性建構(gòu)。角色扮演者在虛擬的情境中，可以身臨其境的體驗情境化的教學(xué)。可以自由地、主動地與虛擬對象進(jìn)行交互，通過協(xié)作活動和會話交流而建構(gòu)意義，符合建構(gòu)主義理論的學(xué)習(xí)理念。

4 虛擬教學(xué)系統(tǒng)的教學(xué)策略設(shè)計

4.1 案例學(xué)習(xí)策略的設(shè)計

案例教學(xué)，既是針對一個真實事件的再現(xiàn)與思考，也是對這一典型事例的反思與探討。案例制作的原則有以下。

⑴ 案例設(shè)計要突出主題、把握主線，要保持案例真實性、典型性、完整性、趣味性原則，闡明事件發(fā)生的時間、地點(diǎn)、背景，注意處理好事件中的一些戲劇性的突變，使得案例直觀明了、富有懸念，能有效地反映出事件發(fā)生的特定教育背景，并能給予啟示。

⑵ 感知性、沉浸性原則，可以使學(xué)生親身體驗和感悟現(xiàn)實中的真實問題。

⑶ 案例設(shè)計應(yīng)能提出關(guān)鍵問題，且能提出有效的解決辦法、及提供對這種解決問題方法的評價，以便為新的決策提供參照點(diǎn)。

案例教學(xué)是開啟學(xué)生思維大門的鑰匙，也是發(fā)展技能的重要渠道。好的案例無疑可促使學(xué)生更快地適應(yīng)工作情景的挑戰(zhàn)。有利于培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的能力。

4.2 情境學(xué)習(xí)策略設(shè)計

情境化是虛擬現(xiàn)實特性在教學(xué)上的最有價值的又一體現(xiàn)。

在逼真情境認(rèn)知環(huán)境下的虛擬教學(xué)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過程，也被稱為情境性教學(xué)，通常通過借助“VR”技術(shù)進(jìn)行虛擬學(xué)習(xí)情境設(shè)計來實現(xiàn)。

情境的模擬或基于真實工作崗位、或基于知識的本質(zhì)內(nèi)涵要求，是學(xué)生獲取知識，理解知識并基于一定的社會文化情境建構(gòu)意義的最佳環(huán)境。

4.3 協(xié)作學(xué)習(xí)策略設(shè)計

“協(xié)作”是建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的要素之一。“協(xié)作學(xué)習(xí)”可以使得學(xué)生在一定的情境中，通過協(xié)作活動和會話交流活動中而建構(gòu)意義。因而對教學(xué)具有獨(dú)特的應(yīng)用意義。

合作、交互、角色參與、信息共享和活動共享是實現(xiàn)“協(xié)作學(xué)習(xí)”的重要渠道。因此，在虛擬學(xué)習(xí)設(shè)計中，必須提供以上活動的機(jī)制，提供在線的網(wǎng)絡(luò)對話、學(xué)習(xí)論壇、共享白板及電子郵件、留言板等交互方式。

4.4 自主學(xué)習(xí)策略設(shè)計

自主學(xué)習(xí)（autonomous learning）指學(xué)生自主選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方法、學(xué)習(xí)的監(jiān)控、評價學(xué)習(xí)結(jié)果的過程。自主學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體性和學(xué)習(xí)能動性，教師則是教學(xué)活動的組織者、參與者和指導(dǎo)者。

基于VR的網(wǎng)絡(luò)教育創(chuàng)設(shè)的是一個開放的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生可以在虛擬世界中自由翱翔，最大程度的發(fā)揮學(xué)習(xí)者的自主性，通過自己的探究活動和與其他學(xué)習(xí)者的協(xié)作學(xué)習(xí)來建構(gòu)知識。

4.5 探索學(xué)習(xí)策略設(shè)計

利用VR技術(shù)可以對各種教學(xué)內(nèi)容的假設(shè)對象進(jìn)行虛擬構(gòu)建，所呈現(xiàn)的結(jié)果應(yīng)能直觀生動地揭示規(guī)律，或給予的啟示。例如，在化學(xué)虛擬試驗中，學(xué)生可根據(jù)假設(shè)，進(jìn)行不同分子的組合，通過對虛擬的結(jié)果進(jìn)行探索式的研究，很有可能得出新的發(fā)現(xiàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和能力。

5 結(jié)束語

利用VR技術(shù)，可以對學(xué)習(xí)場景、角色、情境等進(jìn)行虛擬設(shè)計，結(jié)合各種有效的學(xué)習(xí)策略，有力地支持學(xué)生學(xué)習(xí)、探索和發(fā)現(xiàn)。

虛擬教學(xué)系統(tǒng)雖然是教學(xué)的輔助工具，但為教育提供了一種全新的思想方法和教育手段，它將促使教育形態(tài)、教育環(huán)境、教學(xué)過程的基本要素及相互關(guān)系發(fā)生重大變革。

參考文獻(xiàn)（Reference）：

[1] 宗光華.高層建筑擦窗機(jī)器人[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，

1998.72（4）：20

[2] 趙沁平教授談虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用前景[EB/OL].http：//

/News/Html/News7.Hun

[3] 張翰峰.第二代WWW標(biāo)準(zhǔn)語言VRML PC WORLD

CHINA，1999.7-9期.

[4] 黃鑫.基于VR技術(shù)的虛擬教學(xué)應(yīng)用研究[D].華中師范大學(xué)，

2005.

[5] 曾芬芳.虛擬現(xiàn)實技術(shù)[M].上海交通大學(xué)出版社1997.

[6] 張倩葦.虛擬現(xiàn)實技術(shù)與教育[J].電化教育研究，1998.2：

29-32

[7] 徐大敏.于兆勤.郭鐘寧.虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其應(yīng)用與展望[J].機(jī)

床與液壓，2006.7：35-36，79

篇4

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實VRML三維課件虛擬實驗

隨著我國教育模式的不斷改革以及科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的教學(xué)形式已無法滿足學(xué)習(xí)的需要，需亟待改進(jìn)。如何在已有教學(xué)媒體的基礎(chǔ)上，基于計算機(jī)仿真技術(shù)的虛擬教學(xué)形式，用一種最新出現(xiàn)的教學(xué)模式，去探索新的教學(xué)方式和方向。本文主要從虛擬現(xiàn)實技術(shù)和VRML語言的角度探討其在現(xiàn)代教學(xué)中的應(yīng)用。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其技術(shù)支持

1.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)概念及特征

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，簡稱VR)技術(shù)，是計算機(jī)技術(shù)的綜合應(yīng)用。該技術(shù)就是利用計算機(jī)生成的一種三維模擬環(huán)境，通過多種傳感設(shè)備使用戶“投入”到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進(jìn)行自然交互的技術(shù)。由于用戶對計算機(jī)環(huán)境中的虛擬物體產(chǎn)生了類似于對現(xiàn)實物體的存在意識或幻覺，從而使得用戶在計算機(jī)所創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中處于一種全身心投入的狀態(tài)。其特性主要表現(xiàn)在：

第一，虛擬現(xiàn)實技術(shù)強(qiáng)調(diào)計算機(jī)生成的虛擬環(huán)境應(yīng)該是逼真的，能給人以身臨其境的沉浸感；

第二，人們能夠以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行交互。

1.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)的技術(shù)支持——VRML語言

1.2.1VRML概述

VRML (Virtual Reality Model Language，虛擬現(xiàn)實建模語言) 是一種用于對三維虛擬場景進(jìn)行建模的描述性語言，它同HTML語言一樣，是一種ASCII的描述性語言，可以用文本編輯器進(jìn)行VRML編輯。在描述三維物體及由它們構(gòu)成的場景時，VRML能使物體在三維空間中運(yùn)動（動畫），還能夠在場景中播放聲音和電影，并使觀察者能與場景進(jìn)行交互，從而加強(qiáng)觀察者在虛擬場景中的感受。

1.2.2VRML工作原理和特性

VRML的訪問方式是基于客戶/服務(wù)器模式的。其中服務(wù)器提供VRML文件及支持資源(圖像、視頻、聲音等)，客戶端通過網(wǎng)絡(luò)下載希望訪問的文件，并通過本地平臺上的VRML瀏覽器交互式地訪問該文件描述的虛擬境界。由于瀏覽器是本地平臺提供的，從而實現(xiàn)了與硬件平臺無關(guān)性。圖一描述了VRML的工作方式。

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2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在現(xiàn)代教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實在教育領(lǐng)域的具體應(yīng)用，主要體現(xiàn)在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境、虛擬實驗室、虛擬實訓(xùn)基地、虛擬仿真校園、虛擬遠(yuǎn)程教育等方面。

2.1設(shè)計交互式三維課件

形象生動的多媒體課件是廣泛采用的計算機(jī)輔助教學(xué)的重要形式，用傳統(tǒng)的開發(fā)工具制作的課件都是二維平面的。使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計和開發(fā)的交互式三維課件，可以有效的輔助課堂教學(xué)。

眾所周知，《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》是計算機(jī)專業(yè)課中的一門必修課， 在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程中，對于常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的算法思想，其抽象程度高，學(xué)生很難理解。我們也可以通過虛擬技術(shù)將其制作成課件進(jìn)行教學(xué)，將抽象的算法過程以淺顯易懂、形象直觀的形式展現(xiàn)出來，以方便教師的教學(xué)和學(xué)生的理解。

不僅如此，在大學(xué)生法制教育的教學(xué)過程中，枯燥的理論往往是同學(xué)們失去興趣，但是如果能夠有效的引入模擬法庭的方式來展示整個審判過程，將收到意想不到的教學(xué)效果。有效地把遠(yuǎn)方的東西呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，把復(fù)雜的東西變得簡單，把抽象的東西化為具體，更好地理解所學(xué)內(nèi)容。嘗試用VRML進(jìn)行課件的設(shè)計與運(yùn)用，引入教學(xué)，促進(jìn)教學(xué)任務(wù)更好地完成。將VRML運(yùn)用到課件的開發(fā)設(shè)計中，能使學(xué)習(xí)者憑借系統(tǒng)提供的視聽設(shè)備而置身于一個三維空間的虛擬環(huán)境中，使學(xué)習(xí)者產(chǎn)生沉浸感和臨場感。

2.2在虛擬實驗室系統(tǒng)中的應(yīng)用

在現(xiàn)代教學(xué)中，對學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新素質(zhì)教育的重要手段之一是實驗教學(xué)，它不但能使學(xué)生更好地感受、理解知識的產(chǎn)生和發(fā)展過程，使知識形象化易理解，而且能激發(fā)學(xué)生的求知欲，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。目前，高等學(xué)校學(xué)生人數(shù)大幅度增加，然而實驗教學(xué)經(jīng)費(fèi)有限，致使有的器材使用長期處于過飽和狀態(tài)，有的儀器無能力購買，大大地影響了實驗教學(xué)的質(zhì)量。為了盡快改善這種狀況，整合教學(xué)資源，使學(xué)生獲得最好的學(xué)習(xí)效果，把虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入實驗教學(xué)，是近年來比較創(chuàng)新且有較好實際效果的做法。

通過虛擬的實驗室進(jìn)行實驗，既可以縮短實驗的時間，又可以獲得直觀、真實的效果，還能對那些不可見的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行仿真實訓(xùn)，避免各種危險。虛擬實驗的引入不但使教學(xué)經(jīng)費(fèi)降低，使教學(xué)內(nèi)容不斷更新，使實驗實踐及時跟上技術(shù)的發(fā)展，而且還能為學(xué)生創(chuàng)造良好的自學(xué)條件，使他們按照自己的水平和能力進(jìn)行學(xué)習(xí)，能使學(xué)生有更多的練習(xí)機(jī)會。但是在采用虛擬實驗進(jìn)行教學(xué)的過程中，并不能完全代替真實實驗。在虛擬實驗中的實驗設(shè)備型號單一，性能穩(wěn)定，實驗條件過于理想化，實驗過程中的由個人原因造成異常現(xiàn)象和故障出現(xiàn)次數(shù)極少，使學(xué)生的實踐動手能力沒有真正的得到鍛煉。因此，這就要求設(shè)計和開發(fā)虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)人員不僅有相應(yīng)的計算機(jī)知識還應(yīng)具有專業(yè)知識，要對實驗內(nèi)容綜合分析，設(shè)計出內(nèi)容覆蓋全面的虛擬實驗系統(tǒng)。

2.3虛擬場景與技能訓(xùn)練

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以虛擬的人物形象，創(chuàng)設(shè)一個人性化的學(xué)習(xí)環(huán)境，使遠(yuǎn)教學(xué)生能夠在自然、親切的氣氛中進(jìn)行學(xué)習(xí)。例如，在虛擬的課堂學(xué)習(xí)氣氛中，遠(yuǎn)教學(xué)生可以與虛擬的教師、學(xué)生一起交流、討論，共同探討學(xué)習(xí)中的各種問題，進(jìn)行協(xié)作化學(xué)習(xí)。再如，在外語教學(xué)中，可以通過計算機(jī)虛擬學(xué)生到國外旅游的情境，讓學(xué)生與人交談，達(dá)到訓(xùn)練學(xué)生口語的目的。再如，與虛擬的心理醫(yī)生對話，排解心中的煩惱等。同時，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)已相應(yīng)的硬件設(shè)備可以進(jìn)行各種技能訓(xùn)練，如外科手術(shù)技能、教學(xué)技能、汽車駕駛技能、果樹栽培技能、電器維修技能等。學(xué)生可以反復(fù)練習(xí)，直至掌握操作技能為止。

3 結(jié)束語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)了學(xué)習(xí)媒體的情景化及自然交互性，以其自身強(qiáng)大的教學(xué)優(yōu)勢和潛力，在教學(xué)中有著極其巨大的應(yīng)用前景，將會逐漸受到社會各界，將會逐漸受到教育工作者的重視和青睞，最終在教育領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用并發(fā)揮其重要作用。

參考文獻(xiàn)

[1]李欣.虛擬現(xiàn)實及其教育應(yīng)用.科學(xué)出版社，2008，06.

篇5

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)；藝術(shù)設(shè)計；創(chuàng)新；變革

就在30年以前，設(shè)計師們還在用紙和筆進(jìn)行創(chuàng)作，無論是廣告插畫，還是工業(yè)制圖，都離不開尺子、鉛筆和紙張。然而，個人計算機(jī)普及后，電腦迅速替代了之前的作畫工具。在短短的幾年內(nèi)，就已經(jīng)很少再看到設(shè)計師使用傳統(tǒng)的紙和筆繪圖了，這可以說是設(shè)計界的一場革命。現(xiàn)在，一場全新的革命風(fēng)暴正在醞釀，得益于虛擬現(xiàn)實技術(shù)所取得的突破性進(jìn)展，也許在不遠(yuǎn)的將來，設(shè)計師們就將打破電腦屏幕的限制，進(jìn)入亦真亦幻的虛擬世界繪圖了。虛擬現(xiàn)實（Virtual…Reality，簡稱VR）是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，通過對視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境一般，可以實時地觀察虛擬空間內(nèi)的事物并與之進(jìn)行一定的交互。廣義的虛擬現(xiàn)實還包括增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented…Reality，簡稱AR）和混合現(xiàn)實（Mix…Reality，簡稱MR）。對虛擬現(xiàn)實的研究和開發(fā)源于20世紀(jì)60年代，得益于計算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、圖像處理與模式識別、多傳感技術(shù)、語音處理與音響技術(shù)、高性能計算機(jī)系統(tǒng)、人工智能等領(lǐng)域的長足發(fā)展，為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的爆發(fā)打下了堅實的基礎(chǔ)。現(xiàn)在，虛擬現(xiàn)實技術(shù)正逐漸走出實驗室，進(jìn)入市場，而藝術(shù)設(shè)計正是和計算機(jī)緊密結(jié)合的一個領(lǐng)域，因此可以預(yù)見，虛擬現(xiàn)實技術(shù)必然對設(shè)計界產(chǎn)生巨大的、革命性的影響。這是虛擬現(xiàn)實技術(shù)為設(shè)計界帶來的一次變革，這場變革不同于以往的地方在于，它帶來的不僅僅是技術(shù)上的變革，更是設(shè)計思想上的全面革新。

1設(shè)計工具的智能化

得益于人工智能的發(fā)展，設(shè)計工具將變得越來越智能化，這是必然的趨勢。而虛擬現(xiàn)實正是基于人工智能的支持才能更好地實現(xiàn)，因此設(shè)計師們會發(fā)現(xiàn)，設(shè)計工具的開發(fā)者將會更傾向于將工具轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄苤帧ＴO(shè)計師手中的創(chuàng)作工具不再僅僅是簡單地將設(shè)計師的想法“繪制”出來，而是會模擬出設(shè)計師所設(shè)計的產(chǎn)品將要應(yīng)用的環(huán)境，并通過人工智能來判斷這些設(shè)計應(yīng)用在真實環(huán)境中是否合理，借此向設(shè)計師提供更合理的建議。除此之外，客戶也將深度參與到設(shè)計的過程中來。不同于以往的設(shè)計產(chǎn)品必須交付之后才能進(jìn)行測試和反饋，在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的幫助下，客戶可以在設(shè)計師設(shè)計的過程中實時模擬各種測試環(huán)境來檢驗設(shè)計，并及時與設(shè)計師進(jìn)行溝通，提出意見。這將會極大地提升設(shè)計效率，降低設(shè)計的失誤。對于一些需要生產(chǎn)樣品的設(shè)計，同樣可以借助虛擬現(xiàn)實的幫助，在設(shè)計完成后，“生產(chǎn)”出虛擬的樣品，并邀請用戶在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行體驗和使用，如果發(fā)現(xiàn)問題，可以馬上調(diào)整設(shè)計。這將極大地節(jié)約設(shè)計成本，包括經(jīng)濟(jì)成本和時間成本。

2打破空間對設(shè)計師的限制

虛擬現(xiàn)實技術(shù)將打破空間對設(shè)計師的限制，設(shè)計師的視野將從電腦屏幕擴(kuò)展至整個周圍的空間。我們可以完全虛擬出一個時空，在虛擬的世界構(gòu)建自己的作品。比如，當(dāng)我們需要設(shè)計一套古代服裝時，設(shè)計師可以借助虛擬現(xiàn)實設(shè)備在工作場所虛擬一個相對應(yīng)的古代場景，并讓虛擬的模特“穿”上這套服裝在該場景中進(jìn)行展示，這種沉浸式的設(shè)計體驗將幫助設(shè)計師更好地把握設(shè)計的時代感，提高設(shè)計的準(zhǔn)確度。除此之外，我們還可以基于周圍的真實環(huán)境，在真實空間中繪制虛擬的作品，比如在設(shè)計師的工作臺上使用虛擬現(xiàn)實設(shè)計工具創(chuàng)作一輛迷你賽車，工作臺就是它的賽車場，它能和工作臺上真實存在的物品進(jìn)行互動，并在行駛中繞開這些真實的障礙。這也就意味著，設(shè)計師將從二維的平面中解放出來，真正進(jìn)入三維的空間進(jìn)行創(chuàng)作。這里需要注意的是，我們目前所謂的“三維”圖像，實際上仍然是顯示在各種設(shè)備屏幕上的平面圖像，并非能夠從任意角度觀察的真正的三維圖像。通過維度的提升，將使得設(shè)計師的視角更加自由，能夠從以往無法想象的視角去審視自己設(shè)計的作品。

3設(shè)計思維的改變

傳統(tǒng)的設(shè)計要求設(shè)計師們憑借自身的經(jīng)驗去理解設(shè)計需求，也就是說，當(dāng)客戶提出的設(shè)計需求涉及設(shè)計師陌生的領(lǐng)域時，就會對設(shè)計師造成很大的困擾。比如，一名建筑設(shè)計師在設(shè)計建筑方面非常在行，但當(dāng)一名電影導(dǎo)演要求他為某部科幻電影設(shè)計一座火星基地時，他可能就會感到非常棘手，因為他并沒有到過火星，無法實地觀察火星的地貌環(huán)境。此時，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)，這名設(shè)計師就可以通過相關(guān)設(shè)備進(jìn)入虛擬的火星表面，全方位地觀察和體驗。而且，這個虛擬的火星表面是由專業(yè)的宇宙空間研究機(jī)構(gòu)提供的數(shù)據(jù)搭建而成的。從這個角度來看，我們就會發(fā)現(xiàn)，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，設(shè)計師的整個設(shè)計思維將會產(chǎn)生極大的變化，他們將徹底地?fù)Q位思考，不再完全從設(shè)計師的角度出發(fā)，而是可以進(jìn)入客戶的角度，在虛擬的環(huán)境中感受客戶的需求。這種變化將引起設(shè)計思想的革命——真正從客戶、從需求的角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計，而不是憑借自身對客戶需求的有限理解來設(shè)計。

4設(shè)計師培養(yǎng)方式的變革

篇6

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；教育科普；混合現(xiàn)實；全息投影技術(shù)

虛擬現(xiàn)實前沿技術(shù)由于具有良好的交互性、沉浸性、概念性、直觀性和形象性，在科普教育中得到廣泛的應(yīng)用。有人認(rèn)為它是下一代的計算機(jī)平臺，有人認(rèn)為它是顛覆傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)或推動傳統(tǒng)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的不可逆轉(zhuǎn)的力量；另一些人則認(rèn)為這是連接傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)深刻變革的必由之路，虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入世界最先進(jìn)的智能數(shù)字技術(shù)的行列。隨著計算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展以及顯卡GPU算力的逐年提升，更多的虛擬現(xiàn)實設(shè)備以及產(chǎn)品被開發(fā)出來用于替代老舊的科普設(shè)備和技術(shù)。三維影像替代了二維的圖片、互動式的虛擬體驗替代了鼠標(biāo)交互、三維立體電影替代了傳統(tǒng)影片。越來越多的虛擬現(xiàn)實設(shè)備被運(yùn)用在科普場館和科普博物館中，以更加生動地體驗方式和三維交互模式也使科普活動變得生動而具有質(zhì)感。作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的當(dāng)家設(shè)備，虛擬現(xiàn)實頭盔是目前市面上體驗效果最好的，但在青少年的科普活動中使用頭盔體驗科普活動存在一些問題，比如頭盔太重、頭盔的固定器太大、頭盔的封閉式空間沉浸感很強(qiáng)等，但有一定的幽閉性，會驚嚇到小朋友。為克服這些問題，本文探究混合現(xiàn)實技術(shù)和全息投影技術(shù)在青少年科普活動中的使用體驗。

1虛擬現(xiàn)實前沿技術(shù)

隨著技術(shù)的進(jìn)步和社會的發(fā)展，新媒體的發(fā)展將進(jìn)入新的時代，以虛擬現(xiàn)實為核心的藝術(shù)表現(xiàn)形式也將隨之發(fā)展。虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，簡稱VR）是一種使用計算機(jī)圖形技術(shù)生成虛擬情景，為用戶提供視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等感官模擬技術(shù)，通過一整套的影像和體感設(shè)備，使人們作為參與者，自然地與虛擬世界進(jìn)行人機(jī)交互。總之，虛擬現(xiàn)實是一種實現(xiàn)計算機(jī)可視化和交互復(fù)雜數(shù)據(jù)的方法。與傳統(tǒng)的人機(jī)界面和平面化的操作系統(tǒng)相比，虛擬現(xiàn)實在技術(shù)思想上有質(zhì)的飛躍，虛擬現(xiàn)實中的“現(xiàn)實”是指在物理意義上或功能意義上真實存在于世界上的任何事物或場景，它可以是現(xiàn)實存在，也可以是虛擬仿真出來的，“虛擬”是指計算機(jī)生成的，因此，“虛擬現(xiàn)實”是指虛擬現(xiàn)實前沿技術(shù)在青少年科普教育中的創(chuàng)新與實踐查雁南（廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院計算機(jī)仿真研發(fā)中心廣州510999）人們通過使用各種特殊的設(shè)備“投射”自己，操作和控制環(huán)境以達(dá)到特定目的的一種特殊的計算機(jī)生成環(huán)境。其中，混合現(xiàn)實技術(shù)和全息投影技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的前沿科技。

1.1混合現(xiàn)實技術(shù)

混合現(xiàn)實（MixedReality，簡稱MR）技術(shù)不僅可讓用戶看到真實世界，還可將虛擬場景或物體和現(xiàn)實世界疊加在一起。它是將真實環(huán)境和虛擬情景混合而成的一套系統(tǒng)，由于一部分的情景由現(xiàn)實構(gòu)成，這樣大大減少了機(jī)器的算力開銷。虛擬對象提供的信息往往是用戶無法通過其感官直接感受到的深層次信息，用戶可用虛擬物體提供的信息來提高對現(xiàn)實世界的認(rèn)識，簡言之混合現(xiàn)實就是將現(xiàn)實環(huán)境疊加虛擬場景所形成的復(fù)合視覺系統(tǒng)。一個完整的混合現(xiàn)實系統(tǒng)由一套緊密連接的相關(guān)硬件和軟件組成。光學(xué)透視式是混合現(xiàn)實中常見的一種方式，這種透鏡對設(shè)備生成的圖像進(jìn)行反射，并和眼睛透視進(jìn)來的現(xiàn)實環(huán)境疊加在一起，在現(xiàn)實環(huán)境中生成虛擬情境。通常混合現(xiàn)實系統(tǒng)會有一整套靈活的穩(wěn)定系統(tǒng)，就目前市面上量產(chǎn)的頂級XR設(shè)備來說，比如微軟的HoloLens以及Ximmerse的RhinoX都是使用的視覺定位系統(tǒng)，通過攝像頭對現(xiàn)實場景的實時拍攝進(jìn)行智能算法運(yùn)算進(jìn)行空間定位，其中RhinoX還有配套的定位實體設(shè)備，能更好地進(jìn)行虛擬場景的空間定位。在本文研究所使用的就是這款國產(chǎn)的頂級MR設(shè)備RhinoX，而其輕量化的一體機(jī)設(shè)計，開放的虛實混合顯示模式，能讓6-12歲的小朋友輕松佩戴和體驗，既體驗了內(nèi)容又能看清周圍的環(huán)境，不會有驚嚇和摔倒的情況發(fā)生。（參見圖1）圖1Ximmerse的RhinoX

1.2全息投影技術(shù)

目前全息投影技術(shù)在教育和科普行業(yè)應(yīng)用廣泛，全息投影技術(shù)又稱虛擬成像技術(shù)，它利用干涉和衍射原理清晰地呈現(xiàn)出物體的真實三維圖像。隨著數(shù)字全息成像技術(shù)和圖形算法的快速發(fā)展，最新的全息投影技術(shù)能讓全息影像與特定空間產(chǎn)生的三維虛擬圖像交互，形成令人印象深刻的效果。全息投影技術(shù)不僅產(chǎn)生了三維浮動虛擬場景，而且能與浮動虛擬場景進(jìn)行交互；同時，創(chuàng)造出穿越時空的視覺感受，展現(xiàn)出獨(dú)特的藝術(shù)形式，從視覺效果上講，全息投影技術(shù)就是3D裸眼技術(shù)的最終表達(dá)形式。加拿大南部大學(xué)的研究人員成功地開發(fā)了全息投影技術(shù)。其主要原理是將所需的圖像投射到一個類似鏡子的高速旋轉(zhuǎn)裝置上，當(dāng)裝置以某個特定的速度高速旋轉(zhuǎn)時，就能產(chǎn)生清晰的全息影像，這也稱為全景攝影或虛擬現(xiàn)實。其原理是基于靜態(tài)圖像的特殊虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通俗地說，就是使用全景相機(jī)拍攝一幅完整的全景圖像，然后使用專用的播放器進(jìn)行播發(fā)，用戶只需用鼠標(biāo)控制視角和方向，可以是左、右、近、遠(yuǎn)，可以使觀看者身臨其境。也有人將倒置的菱形體鏡面放在平面顯示器上形成簡單的三維圖形，這兩種形式都是比較初級的全息投影影像。目前市面上技術(shù)成熟的全息投影產(chǎn)品目前只有位于美國布魯克林的LookingGlassFactory公司，該公司于2018年推出全球首款桌面全息顯示開發(fā)套件，2019年開始出貨全球首款8K全息顯示器，并于2020年推出了個人全息顯示器“LookingGlassPortrait”。該顯示器也是目前市面上比較成熟全息顯示系統(tǒng)，有7.9英寸、15.6英寸、32英寸三種尺寸供選擇，顯示器能顯示非常立體的三維場景。三維可視角度58度，缺點(diǎn)就是價格昂貴，顯示屏幕較厚重，不便攜帶。

2虛擬現(xiàn)實前沿技術(shù)在青少年科普教育中的創(chuàng)新與實踐

2.1混合現(xiàn)實技術(shù)在青少年科普教育中的創(chuàng)新與實踐

MR全息技術(shù)有別于虛擬現(xiàn)實VR技術(shù)，MR與VR相比的主要優(yōu)勢是：存在感、靈活性、安全性。與VR技術(shù)無法與現(xiàn)實互動的是，MR是融合在現(xiàn)實環(huán)境中，可輕松實現(xiàn)人與人以及周邊環(huán)境的交互和溝通，而VR則是將使用者割裂在一個獨(dú)立空間當(dāng)中，無法實現(xiàn)與環(huán)境和他人的聯(lián)動。因此，區(qū)別于VR游藝設(shè)備，MR全息博物館在互動體驗上天然適合于科普教育。既有觀賞又能互動，通過設(shè)置內(nèi)容互動環(huán)節(jié)，讓體驗者在自身的體驗和發(fā)現(xiàn)中學(xué)會認(rèn)知，寓教于樂意義重大。博物館作為人類認(rèn)知文明的重要場所，其展示模式多種、多樣。傳統(tǒng)的博物館展示模式大多是物品陳列式，所有的展品都靜態(tài)的擺放在展臺中，多年都不會移動，再輔以有限的文字說明，這樣的展示方式往往會令參觀者感覺索然無味，也很難看清楚展品的各種細(xì)節(jié)特征。而借助混合現(xiàn)實（MR）的實體虛擬化技術(shù)的交互式展示能更好地進(jìn)行展品展示。“MR全息博物館”將成為科普教育的一個新方式和發(fā)展方向，為大眾帶來前所未有的交互式體驗，大大提高虛擬現(xiàn)實在智慧教育領(lǐng)域的成熟度，其創(chuàng)新的三維立體空間體感操作手柄，可幫助青少年沉浸在虛擬3D世界中進(jìn)行有空間深度的情景學(xué)習(xí)探究及實驗。研究表明，這種立體視覺所呈現(xiàn)的內(nèi)容能更好地幫助青少年提高學(xué)習(xí)興趣。2.1.1MR博物館-海洋遨游通過MR全息技術(shù)，體驗者能夠全方位、多角度地感受到立體、逼真的場景，充分呈現(xiàn)出大自然的神奇，混合現(xiàn)實事物本身的表現(xiàn)力和感染力，激發(fā)體驗者接受新事物的積極性。在MR全息技術(shù)打造的世界里，通過一個小小的頭顯就能夠瞬間穿越到海底世界、恐龍時代、熱帶叢林……海豚、魚群、還有稀奇的水母、恐龍等，這些生活中無法靠近的生物統(tǒng)統(tǒng)盡在眼前、觸手可得。與此同時，體驗者也同樣可在現(xiàn)實場景中進(jìn)行互動交流，突破時間和空間的壁壘；（參見圖3）2.1.2MR博物館-侏羅紀(jì)全息投影讓小朋友們零距離的接觸恐龍，在叢林中穿梭回到侏羅紀(jì)時代，通過手柄交互讓他們親自孵出各種恐龍蛋，和孵化出來的小恐龍們進(jìn)行親切的肢體互動，通過多感官、多通道感受、體驗和操作，體驗多姿、多彩的侏羅紀(jì)時代。（參見圖4）

2.2全息投影技術(shù)在青少年科普教育中的創(chuàng)新與實踐

全息顯示系統(tǒng)是三維裸眼顯示系統(tǒng)的高級呈現(xiàn)方式，該設(shè)備不需佩戴任何外置的視覺設(shè)備，比如三維立體眼鏡、透鏡、多通道幕布等就可直接肉眼觀看到立體的三維效果（參見圖5），無任何視覺眩暈、圖像模糊、圖像重疊等問題，并支持多人、多視角觀看，不同視角觀看的視覺效果跟真實觀看該物體的視覺效果一致。該設(shè)備還支持搭配微軟的Kinect體感系統(tǒng)一起使用，通過手勢和虛擬的三維物體進(jìn)行三維深度交互，這種具有三維深度的體驗?zāi)Ｊ綍葌鹘y(tǒng)的二維顯示器的體驗更加真實、生動，具有更多的趣味性。在實際的青少年科普體驗活動中該設(shè)備特別受小朋友們的喜愛，并一次性可由多個小朋友一起觀看，互動效果非常好。

3結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是當(dāng)今信息科技飛速發(fā)展的產(chǎn)物，其前沿技術(shù)的發(fā)展解決傳統(tǒng)VR技術(shù)在青少年科普中使用的各種問題，漸漸在青少年科普教育中占更加重要的地位，虛擬現(xiàn)實前沿技術(shù)不僅可幫助青少年激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、拓展創(chuàng)新思維，虛擬現(xiàn)實技術(shù)還架起了傳統(tǒng)教育向現(xiàn)代教育發(fā)展的橋梁，多樣化的教學(xué)方式，充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實前沿技術(shù)的實用性，促進(jìn)青少年全面的接觸、認(rèn)識虛擬現(xiàn)實技術(shù)，能更好地對青少年進(jìn)行科普教育。

參考文獻(xiàn)

[1]魯麗彬.高職院校虛擬現(xiàn)實（VR）科普基地建設(shè)探索與實踐[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2020（11）：140-141+170.

[2]唐春蘭，華燦星.STS視角下科技館虛擬現(xiàn)實技術(shù)運(yùn)用的場景及隱患探析[J].科技智囊，2020（11）：60-63.

[3]陳晨，王錦秀，陳翀，等.全息投影技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域及醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用[J].中華醫(yī)學(xué)教育探索雜志，2020，19（11）：1255-1257.

[4]薛翔.基于混合現(xiàn)實技術(shù)的文物展示設(shè)計研究[D].四川美術(shù)學(xué)院，2019.

[5]陶澍.全息混合現(xiàn)實在景觀設(shè)計的應(yīng)用[J].現(xiàn)代園藝，2013（24）：79-80.

[6]熊玓.全息投影技術(shù)與動畫藝術(shù)的融合應(yīng)用[J].參花（下），2021（09）：120-121.

篇7

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)；虛擬校園；可視化；MultiGen Creator；Vega

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）11-0203-03

Abstract： The principle and application status of virtual reality technology were introduced. A brief introduction of the virtual reality developing tools―MultiGen Creator and Vega is given. The methods and several key techniques to develop virtual campus were particularly discussed. And the research tasks based on the virtual campus were put forward.

Key words： virtual reality technology；virtual campus；visualization；multigen creator；vega

1 概述

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）技術(shù)又稱靈境或臨境技術(shù)，它依托于計算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、機(jī)械學(xué)、生物學(xué)乃至美學(xué)和社會科學(xué)等多種學(xué)科，是在計算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理與模式識別、智能接口技術(shù)、人工智能技術(shù)、并行處理技術(shù)和高性能計算機(jī)系統(tǒng)等技術(shù)基礎(chǔ)上的交叉學(xué)科。

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)按不同的依據(jù)可分為不同的類型，但究其本質(zhì)，它是一種先進(jìn)的計算機(jī)用戶接口技術(shù)。它利用計算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，通過多種傳感設(shè)備使用戶投入到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進(jìn)行自然交互，從而最大限度的方便用戶的操作，減輕用戶的負(fù)擔(dān)，提高整個系統(tǒng)的工作效率[1]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在近幾年由于技術(shù)上的進(jìn)步與成熟而迅速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域已由過去的娛樂與模擬訓(xùn)練發(fā)展到包含航空航天、鐵道、建筑、土木、科學(xué)計算可視化、醫(yī)療、軍事、教育、通信、藝術(shù)、體育等廣泛領(lǐng)域[2]。本文簡要介紹了虛擬現(xiàn)實開發(fā)工具M(jìn)ultiGen Creator和Vega，在此基礎(chǔ)上著重探討了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在虛擬校園三維仿真中的應(yīng)用。

2 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的軟件開發(fā)工具M(jìn)ultiGen Creator和Vega

目前，虛擬現(xiàn)實開發(fā)工具發(fā)展迅速，比較著名的有WorldToolKit、Vega、MR、dVS等。這些軟件都支持從更高層次上開發(fā)虛擬現(xiàn)實應(yīng)用，而且為用戶屏蔽掉底層硬件上的差異，用戶只要分析與實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實應(yīng)用本身，不需考慮不同機(jī)型、不同操作系統(tǒng)、不同接口的硬件差異[2]。下面就筆者所使用的美國MultiGen-Paradigm公司推出的MultiGen Creator和Vega做一簡要介紹。

MultiGen Creator是一套高逼真度、最佳優(yōu)化的實時3維建模工具，它能夠滿足視景仿真、交互式游戲開發(fā)、城市仿真等應(yīng)用領(lǐng)域。Creator是將多邊形建模、矢量建模和地形生成集成在一個軟件包中的手動建模工具，包括多邊形和紋理建模、矢量編輯和建模以及地形地表生成等功能子模塊。它主要考慮如何生成逼真的大面積地形、地貌等地理環(huán)境模型，以及如何提高模型的實時性。

Vega是最核心的渲染工具，用于實時視景模擬的定義和場景的描述，是虛擬現(xiàn)實和普通視覺應(yīng)用的開發(fā)和運(yùn)行工具。Vega將先進(jìn)的模擬功能和易用工具相結(jié)合，對于復(fù)雜的應(yīng)用，能夠提供快速、方便的建模、編輯和驅(qū)動工具。

3虛擬校園的可視化開發(fā)與研究

目前，虛擬大學(xué)有兩種定義，并分別帶來不同的研究和實踐。一種定義是從信息、網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的角度出發(fā)，虛擬大學(xué)被理解為一個以計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)為平臺的、遠(yuǎn)程教學(xué)為主的信息載體；另一個定義是從因特網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、網(wǎng)上虛擬社區(qū)和3S技術(shù)的角度出發(fā)，虛擬大學(xué)被定義為對現(xiàn)實大學(xué)三維景觀和教學(xué)環(huán)境的數(shù)字化和虛擬化，是基于現(xiàn)實大學(xué)的一個三維虛擬環(huán)境，用于對現(xiàn)實大學(xué)的資源管理、環(huán)境規(guī)劃和學(xué)校發(fā)展等方面的研究。本文探討真實表達(dá)和模擬江蘇師范大學(xué)校園景觀的虛擬校園環(huán)境的設(shè)計、開發(fā)和初步試驗。江蘇師范大學(xué)位于江蘇省徐州市，校園總占地2200畝，由泉山校區(qū)、云龍校區(qū)、奎園校區(qū)和賈汪校區(qū)四部分組成。

3.1 3維虛擬地理景觀的總體設(shè)計

在地理景觀系統(tǒng)中，地理對象根據(jù)空間分布特性，可分為2類：一類稱為地形景觀對象，這類對象以場為基礎(chǔ)，在空間上連續(xù)分布，如地形等；另一類稱為地物對象，這類對象以離散實體為特性，以獨(dú)立的個體而存在，如虛擬校園中的建筑物、樹木、路燈等對象。地理對象的3維幾何空間數(shù)據(jù)是三維地理世界建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其大數(shù)據(jù)量是三維地理對象實時圖形處理的瓶頸。所以地理景觀對象的建模是虛擬校園開發(fā)的一個關(guān)鍵部分。

數(shù)據(jù)庫的層次視圖結(jié)構(gòu)對運(yùn)行系統(tǒng)的實時性影響很大。一般來講，層次視圖的空間結(jié)構(gòu)比線性結(jié)構(gòu)和邏輯結(jié)構(gòu)更有利于圖像生成器快速剔除不在視錐體內(nèi)的幾何體。所以按空間結(jié)構(gòu)形式組織的數(shù)據(jù)庫具有最快的剔除速度。空間層次結(jié)構(gòu)效率最高，適合于大中型數(shù)據(jù)庫，故在虛擬校園中采用了這種結(jié)構(gòu)，以減少剔除時間，提高系統(tǒng)運(yùn)行的實時性。

3.2 利用LOD技術(shù)建立復(fù)雜對象的多層次細(xì)節(jié)模型

虛擬校園中有很多空間結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的地形地物對象，如典型風(fēng)格建筑物、復(fù)雜的地形對象等。對于這類對象，為了實現(xiàn)快速的圖形計算與顯示，提高系統(tǒng)的實時性，采用不同層次的幾何和屬性數(shù)據(jù)來表達(dá)。LOD（Levels of Detail）是細(xì)節(jié)層次模型的英文簡稱，其主要思想是用不同多邊形個數(shù)的多邊形網(wǎng)表達(dá)地理景觀對象的不同層次的幾何分辨率，用不同大小的紋理圖象表達(dá)屬性分辨率。對于某一地理對象，根據(jù)其在虛擬場景中與視點(diǎn)之間的距離、實時系統(tǒng)所能處理的多邊形數(shù)、視覺特性等規(guī)則，構(gòu)造一組該對象的不同復(fù)雜程度的三維表達(dá)。在模型驅(qū)動時根據(jù)所制定的規(guī)則，自動選擇相應(yīng)的顯示層次，從而達(dá)到實時簡化模型，又不影響視覺效果的目的。但當(dāng)兩個細(xì)節(jié)層次模型切換時，視覺上會有明顯的突變。Morphing技術(shù)通過在相鄰的兩個LOD之間生成一個過度區(qū)，大大加強(qiáng)了層次模型過渡的平滑性[3]，減小了視覺動量的損失。

LOD的層次視圖結(jié)構(gòu)應(yīng)有助于實時系統(tǒng)快速選中需顯示的LOD節(jié)點(diǎn)。在模型系統(tǒng)開發(fā)階段，為了工作效率和便利，LOD節(jié)點(diǎn)采用獨(dú)立結(jié)構(gòu)或添加式結(jié)構(gòu)。但在這兩種結(jié)構(gòu)下，運(yùn)行系統(tǒng)必須逐個檢查每個節(jié)點(diǎn)以決定其是否被顯示，這樣增加了剔除時間。虛擬校園環(huán)境中有很多需要詳細(xì)表達(dá)的復(fù)雜模型，為提高顯示效率和實時性，必須將LOD節(jié)點(diǎn)優(yōu)化成嵌套結(jié)構(gòu)。采用這種結(jié)構(gòu)使實時系統(tǒng)很快選中當(dāng)前需顯示的LOD節(jié)點(diǎn)和剔除與當(dāng)前LOD節(jié)點(diǎn)不相關(guān)聯(lián)的LOD節(jié)點(diǎn)，因而可以得到良好的剔除和繪制性能。

3.3 3維動態(tài)景觀的初步實現(xiàn)

在本文的初步試驗中，選擇江蘇師范大學(xué)工學(xué)院大樓及其周圍的場景作為試驗區(qū)，建立虛擬校園環(huán)境模型。

3.3.1 地形對象模型庫的生成

江蘇師范大學(xué)依山建造，整體地勢有明顯起伏，故校園地形的建模可分為兩部分進(jìn)行。對較平坦部分，將其簡化為平面，用紋理映射來增加生動性；對地勢起伏較大的部分，以校園地形幾何數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)實際地形和地貌的情況，利用MultiGen的地形工具進(jìn)行建模。首先將高程源數(shù)據(jù)文件（USGS DEM、NIMA DTED等格式）轉(zhuǎn)換成MultiGen所特有的DED（Digital Elevation Data）格式，然后將.ded文件輸入到Creator中，選取生成地形的區(qū)域，設(shè)置影響地形生成方式的參數(shù)，之后生成地形的多邊形表示。

3.3.2 地物對象模型庫的生成

虛擬校園環(huán)境中的地物對象有建筑物、路燈、樹、廣告牌等。對于箱體式建筑物，可將其看作由頂面和各個鉛垂墻面組成，為增加模擬的真實性，在各個面上映射從現(xiàn)實世界中采集到的紋理；而對于樹木等從任何角度看都大致相同的物體，可采用兩個相互垂直的平面，映射相同的紋理來實現(xiàn)。樹木、路燈等對象具有這樣的特點(diǎn)，即在虛擬場景中大量存在并且形狀大致相同（僅位置和大小存在差異）。若對每一個這樣的對象都建立其幾何模型，將占用大量的系統(tǒng)資源，使運(yùn)行系統(tǒng)的實時性降低。對這類對象，可以只建立一個幾何模型，然后對其進(jìn)行實例化處理。如圖1所示，左邊4棵樹是最右那棵樹的實例，只有最右那棵樹的模型占存儲空間。

對于離散的地物對象，應(yīng)先進(jìn)行三維處理與表達(dá)，然后根據(jù)其在現(xiàn)實校園中的地理位置坐標(biāo)、實際大小、地物朝向和紋理結(jié)構(gòu)等，將其匹配到虛擬地形對象上，建立可構(gòu)成虛擬校園環(huán)境的三維地物對象數(shù)據(jù)庫。

三維虛擬模型數(shù)據(jù)庫建立以后，為提高實時系統(tǒng)的運(yùn)行性能，還必須對三維模型結(jié)構(gòu)、層次視圖結(jié)構(gòu)、紋理數(shù)據(jù)格式、LODs結(jié)構(gòu)以及光源、自由度 （DOFs）等進(jìn)行優(yōu)化處理。通過優(yōu)化能有效提高運(yùn)行系統(tǒng)的實時性和繪制速度，保證虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的沉浸、交互等特性得到充分體現(xiàn)。

3.3.3 維動態(tài)景觀的初步實現(xiàn)

MultiGen CreatorPro中創(chuàng)建的地理對象模型數(shù)據(jù)在實時系統(tǒng)Vega中驅(qū)動，實現(xiàn)三維動態(tài)景觀。Vega提供了2種方式實現(xiàn)虛擬場景的實時驅(qū)動：可視化編程方式和VegaAPI函數(shù)編程方式。需設(shè)定的參數(shù)主要有虛擬場景中要加入的3D模型文件（Object）、虛擬場景中要顯示的目標(biāo)、在虛擬場景中的觀察方式、觀察者在虛擬場景中的運(yùn)動方式以及環(huán)境效果、光源和聲音效果等。如圖2所示是工學(xué)院大樓及其周圍景觀的場景圖，可以看到仿真效果很好。

4 結(jié)論及進(jìn)一步的工作

三維虛擬校園環(huán)境是分布式虛擬環(huán)境在教育和學(xué)習(xí)方面的應(yīng)用。本文從地理對象建模、虛擬環(huán)境可視化方面，討論了虛擬校園系統(tǒng)的環(huán)境設(shè)計，并以江蘇師范大學(xué)工學(xué)院大樓及其周圍的場景作為試驗區(qū)，進(jìn)行了初步試驗。虛擬校園環(huán)境是最終建立可用于虛擬教育和學(xué)習(xí)的虛擬江蘇師范大學(xué)的第一步，所以下一步的工作除了繼續(xù)完善三維虛擬校園環(huán)境外，還應(yīng)開展與虛擬學(xué)生社區(qū)、遠(yuǎn)程教學(xué)，以及虛擬環(huán)境系統(tǒng)服務(wù)于學(xué)生管理等相關(guān)課題的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曾建超，俞志和.虛擬現(xiàn)實的技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，1996：2-8.

[2] 張茂軍.虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2001：6-9.

篇8

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)上的應(yīng)用開創(chuàng)了“虛擬教學(xué)”模式。虛擬現(xiàn)實技術(shù)教學(xué)的創(chuàng)造性和實踐性為學(xué)生提供了一個自主、交互和直觀的學(xué)習(xí)環(huán)境,為教學(xué)的創(chuàng)新提供了新的平臺和可能性,豐富了教學(xué)的實踐形式和多樣性。從而培養(yǎng)了學(xué)生的發(fā)散思維、形象思維、直覺思維。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,虛擬現(xiàn)實技術(shù)必將具有更加廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。隨著VR、Java3D、3DStudioMAX等計算機(jī)設(shè)計軟件在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)教育領(lǐng)域的應(yīng)用,虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一個全新的教學(xué)手段方式,將會在產(chǎn)品設(shè)計教學(xué)過程中廣泛應(yīng)用并發(fā)揮非常重要的作用。其自身強(qiáng)大的教學(xué)優(yōu)勢和潛力必將更好地服務(wù)于產(chǎn)品設(shè)計教學(xué)當(dāng)中。

教學(xué)改革的目標(biāo)是實現(xiàn)教學(xué)現(xiàn)代化，提高教學(xué)效益和質(zhì)量，全面提高學(xué)生學(xué)習(xí)能力。在產(chǎn)品設(shè)計教學(xué)課程中虛擬技術(shù)的應(yīng)用起到了實現(xiàn)教學(xué)方式現(xiàn)代化的手段之一。教學(xué)內(nèi)容的現(xiàn)代化、教學(xué)手段的現(xiàn)代化、教學(xué)觀念的現(xiàn)代化、教學(xué)組織的現(xiàn)代化是教學(xué)現(xiàn)代化核心內(nèi)容。虛擬現(xiàn)實教學(xué)有利于創(chuàng)造性創(chuàng)造這樣的環(huán)境。虛擬現(xiàn)實技術(shù)逼真的虛擬設(shè)計環(huán)境為學(xué)生提供了很好的人機(jī)交換的過程，產(chǎn)品設(shè)計教學(xué)本身就是一個全面、整合、多學(xué)科知識交叉的專業(yè)課程，虛擬現(xiàn)實技術(shù)針對這些問題提供了文本、圖像、圖形、音頻、視頻、和動畫等多媒體的教學(xué)模式，是產(chǎn)品設(shè)計教學(xué)改革實現(xiàn)的重要手段之一。在這種全新的環(huán)境中極大地促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)觀念和學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，同時也對教師教學(xué)方法的多樣性提供了幫助。

虛擬產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)在教學(xué)應(yīng)用中存在的問題

虛擬產(chǎn)品設(shè)計教學(xué)主要是應(yīng)用現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)，通過計算機(jī)技術(shù)對產(chǎn)品設(shè)計教學(xué)帶來全新的改變，彌補(bǔ)了教學(xué)中的不足。這就不得不面臨計算機(jī)軟件本身的技術(shù)、研發(fā)、應(yīng)用等問題。圖形生成技術(shù)是虛擬現(xiàn)實的重要瓶頸。圖形生成的速度取決于設(shè)計軟件的運(yùn)算能力，除此之外還要求計算機(jī)軟件設(shè)計人員在開發(fā)、研發(fā)、材料、運(yùn)算方法等方面都要有較高的水平。等等這些都制約著虛擬技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)教學(xué)中的應(yīng)用。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)本身是一項走在時代科技前列的科學(xué)技術(shù)，吸收和應(yīng)用的普及化難度較高，從而影響到虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用。同時鑒于教師本身的素質(zhì),使用這些教育軟件也存在困難。在學(xué)生的角度來看，由于自身在這種虛擬環(huán)境中的學(xué)習(xí),沒有了傳統(tǒng)的教學(xué)方法，他們的學(xué)習(xí)方式需要改變。現(xiàn)在很多學(xué)生自制能力較差、學(xué)習(xí)依賴性較大，對教學(xué)中教師的主導(dǎo)作用依賴比較高，而且每個學(xué)習(xí)個體對計算機(jī)知識的了解情況不同，對軟件的操作能力水平也不相同等等，這些都造成了部分學(xué)生跟不上教師講解的問題。

產(chǎn)品設(shè)計教學(xué)過程中虛擬技術(shù)的應(yīng)用本身只是教學(xué)手段的一種擴(kuò)展。產(chǎn)品設(shè)計教學(xué)方式應(yīng)采用多種手段的教學(xué)方式。虛擬現(xiàn)實技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)模式在教育觀念、教學(xué)方式、教師的素質(zhì)、教學(xué)手段等都有著較大的差異。產(chǎn)品設(shè)計本身是多學(xué)科相互交叉、相互融合的一種設(shè)計方法。怎樣才能更好的在產(chǎn)品設(shè)計教學(xué)中應(yīng)用多種教學(xué)方式、教學(xué)手段，擴(kuò)大學(xué)生學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)，引用不同的教學(xué)技術(shù)等，都是我們在教學(xué)中應(yīng)該注意的問題。所以雖然虛擬技術(shù)是能夠?qū)Ξa(chǎn)品設(shè)計教學(xué)創(chuàng)新模式提供一定的幫助，但是不能把虛擬現(xiàn)實技術(shù)教學(xué)手段看成是萬能的教學(xué)方法。還應(yīng)該從產(chǎn)品設(shè)計教學(xué)本身的特點(diǎn)、要求、實現(xiàn)方法等方面，找出可以適合不同教學(xué)重點(diǎn)、適合不同學(xué)生、適合不同的地域文化、適合不同的教學(xué)技術(shù)的教學(xué)方法。

如何促進(jìn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)為產(chǎn)品設(shè)計教學(xué)更好的服務(wù)

現(xiàn)在大多數(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)軟件普遍存在語言專業(yè)性較強(qiáng)、通用性較差、易用性較差等問題。同時，軟件的開發(fā)費(fèi)用支出十分巨大，這都是因為硬件設(shè)備的局限性，而軟件所能實現(xiàn)的效果受到空間和時間的影響較大。很多的設(shè)計軟件開發(fā)不成熟，同時也缺少高性能、高速度、高配置的計算機(jī)來處理相關(guān)的圖像、圖片、計算等。這些都制約著虛擬技術(shù)的在教學(xué)中的應(yīng)用水平和教學(xué)效果。所以加大虛擬技術(shù)的技術(shù)更新?lián)Q代，提高計算機(jī)運(yùn)算能力，開發(fā)適合在產(chǎn)品設(shè)計教學(xué)中應(yīng)用的軟件是非常重要的。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，是教師有了更多的有效的教學(xué)方法。但是教師要想利用好這種新的教學(xué)手段，尤其是產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)課程中所涉及到的相關(guān)計算機(jī)技術(shù)、軟件多是一些在行業(yè)中比較領(lǐng)先的技術(shù)，這就對教師提出了挑戰(zhàn)。教師要想繼續(xù)的在教學(xué)中發(fā)揮主導(dǎo)作用就必須提高自己的綜合素質(zhì)，學(xué)習(xí)、掌握、應(yīng)用新的技術(shù)知識，要想做到這些就要求教師利用更多的時間去學(xué)習(xí)新的科學(xué)知識、相關(guān)技術(shù)知識和相應(yīng)計算機(jī)軟件，積極地進(jìn)行教學(xué)研究，以適應(yīng)現(xiàn)代化產(chǎn)品設(shè)計課程的教學(xué)需要。教育機(jī)構(gòu)在購置或者開發(fā)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)教育軟件后，還應(yīng)該加大對使用者的技術(shù)能力培訓(xùn)，這樣他們能正確、獨(dú)立、完整地操作這些設(shè)計軟件，并且要向開發(fā)者尋求幫助，得以對軟件使用過程中出現(xiàn)的新的需求和問題得到有效的解決。對設(shè)計軟件在使用時產(chǎn)生的效果還應(yīng)建立長期有效的評價機(jī)制。現(xiàn)代我國的工業(yè)設(shè)計專業(yè)教師在教學(xué)手段和教學(xué)能力上還有待遇提高。由于虛擬技術(shù)本身產(chǎn)生的時間較短，在有些關(guān)鍵技術(shù)又是以信息技術(shù)為技術(shù)創(chuàng)新，對于有些教師來說掌握和學(xué)習(xí)起來比較吃力。如何使這些老師能更好、更快的適應(yīng)新的教學(xué)技術(shù)、教學(xué)手段，這就需要社會和學(xué)校應(yīng)該加大這方面的教育投入。從而使虛擬產(chǎn)品設(shè)計在產(chǎn)品教學(xué)中的應(yīng)用更廣泛、更適合、更靈活的應(yīng)用到教學(xué)中來。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一項投資大、見效慢、高難度的科學(xué)領(lǐng)域。和一些發(fā)達(dá)國家相比，我國的虛擬技術(shù)研究起步較晚，技術(shù)上有一定的差距。但是這些引起了我國政府相關(guān)部門的高度重視，根據(jù)我國國情及時的制定出了開展虛擬技術(shù)的研究計劃。于我國的上世紀(jì)90年代在國家“九五”規(guī)劃、“十五”規(guī)劃、863計劃、國家自然科學(xué)基金會、國防科工委等部門的重視下，把虛擬現(xiàn)實技術(shù)列入了重點(diǎn)資助范圍。這些都對我國的虛擬現(xiàn)實技術(shù)未來發(fā)展起到關(guān)鍵作用。在國內(nèi)其他民營企業(yè)及組織對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究中，產(chǎn)生了一大批的技術(shù)網(wǎng)站，如“”。為國內(nèi)眾多的虛擬現(xiàn)實愛好者創(chuàng)建了良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。同時也提供有益的虛擬現(xiàn)實引導(dǎo)，他們在積極推動虛擬現(xiàn)實技術(shù)本土化、大眾化、普遍化的同時，也在建筑仿真、房地產(chǎn)交互、教育虛擬技術(shù)教學(xué)的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)方面取得了良好的效果。使虛擬現(xiàn)實在商業(yè)應(yīng)用、教學(xué)應(yīng)用、科學(xué)應(yīng)用、工業(yè)應(yīng)用等方面得到了廣泛的應(yīng)用。這些技術(shù)不斷的成熟，同時也為虛擬技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用帶來發(fā)展的空間。所以說虛擬現(xiàn)實技術(shù)產(chǎn)業(yè)的提升對教學(xué)使用虛擬技術(shù)的成果起到至關(guān)重要的作用。

結(jié)語

篇9

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality，簡稱VR)是利用計算機(jī)技術(shù)產(chǎn)生的一種人為虛擬的環(huán)境，這種環(huán)境可以通過視覺甚至聽覺、觸覺來感知，用戶通過自己的視點(diǎn)直接地、多角度地對環(huán)境進(jìn)行觀察、發(fā)生“交互” 作用，使人和計算機(jī)很好地“融為一體”，給人一種“身臨其境”的感覺。這種技術(shù)運(yùn)用在園林景觀設(shè)計上，能使我們更加直觀地面對設(shè)計對象，并且形成交互式的交流。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡介

虛擬現(xiàn)實技術(shù)這一名詞是由美國VPL公司創(chuàng)建人拉尼爾（Jargon Lanier）在20世紀(jì)80年代初提出的，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。作為一項尖端科技，虛擬現(xiàn)實集成了計算機(jī)圖形技術(shù)、計算機(jī)仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，是一種由計算機(jī)生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)，它最早源于美國軍方的作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)，90年代初逐漸為各界所關(guān)注，并且在商業(yè)領(lǐng)域得到了進(jìn)一步的發(fā)展。

但是在近20年的發(fā)展過程中，VR技術(shù)由于受到計算機(jī)軟硬件性能、成本和技術(shù)難度等方面的制約，在實際應(yīng)用上還不夠廣泛。

近幾年，信息產(chǎn)業(yè)的急速發(fā)展使一般民用計算機(jī)的性能突飛猛進(jìn)、價格不斷下降，VR技術(shù)在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用成為可能。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在園林造景上的應(yīng)用

2.1 園林造景中運(yùn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的意義

園林造景對于環(huán)境變化的前瞻性和周圍景物的關(guān)聯(lián)性要求很高，因此在動工之前就必須對完工之后的環(huán)境有一個明確的、清晰的概念。通常情況下，設(shè)計者會通過沙盤、三維效果圖、漫游動畫等方式來展示設(shè)計效果，供決策者、設(shè)計者、工程人員以及公眾來理解和感受。以上的傳統(tǒng)展示方式都各有其不同的優(yōu)缺點(diǎn)，但有一個缺點(diǎn)是共同的，即不能以人的視點(diǎn)深入其中，得到全方位的觀察設(shè)計效果，而運(yùn)用VR技術(shù)則可以很好地做到這一點(diǎn)。使用VR技術(shù)后，決策者、設(shè)計者、工程人員以及公眾可從任意角度，實時互動真實地看到設(shè)計效果，身臨其境地掌握周圍環(huán)境和理解設(shè)計師的設(shè)計意圖。這是傳統(tǒng)手段所不能達(dá)到的。

2.2 園林造景中運(yùn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)存在的瓶頸

計算機(jī)創(chuàng)建的三維模型（Model）是由面（Face）組成的，模型的形體越復(fù)雜，所用的面也會越多，對計算機(jī)的運(yùn)算速度要求也就越高。就目前相關(guān)設(shè)計領(lǐng)域來說，VR技術(shù)在城市規(guī)劃及建筑設(shè)計方面的應(yīng)用相對較成熟，這主要是因為建筑多由規(guī)則的形體構(gòu)成，在計算機(jī)的模型中所用的面相對較少，實現(xiàn)VR較為容易。而園林景觀中常用的設(shè)計要素，如植物、變化的地形、水體等都是不規(guī)則的形體，用計算機(jī)的模型表示會非常復(fù)雜，像一棵樹本身就有成千上萬片樹葉，做成模型后所用到的面能達(dá)到百萬的數(shù)量級，這對于現(xiàn)階段的一般民用計算機(jī)來說，實現(xiàn)流暢的VR效果是不可能的。因此VR技術(shù)在園林造景中的應(yīng)用研究仍處于起步階段。

2.3 目前所能采取的應(yīng)對方法

目前計算機(jī)的速度不能滿足完全建模情況下園林景觀的虛擬現(xiàn)實，所以只能使用貼圖(MAP)的方式來模擬其中的植物。使用一張?zhí)幚砗玫臉淠菊掌湍茉赩R中用1個面來表現(xiàn)一棵樹，雖然在真實度方面會有一定的損失，但相對于完全建模所需的上百萬個面來說，這種損失是值得的。

3 園林造景中虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實現(xiàn)方法

3.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的選擇

經(jīng)過多年的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實現(xiàn)也派生出多種不同的方法，現(xiàn)在較為流行的有JAVA3D、CUTE3D、VRML等多種實現(xiàn)方法，它們也各有其不同的優(yōu)缺點(diǎn)。而對于大型場景的模擬，VRML較為適合。

VRML（Virtual Reality Modeling Language）是一個用于三維造型和渲染的圖形描述語言。用VRML我們可以創(chuàng)造一個能進(jìn)入、能參與的虛擬世界。VRML2.0的新標(biāo)準(zhǔn)被廣泛地用于Internet上創(chuàng)建虛擬三維空間，可以隨意創(chuàng)建任何虛擬的物體，像建筑物、城市、山脈、飛船、星體等對象，也可以在虛擬空間中添加聲音、動畫，使之更加生動，更接近真實[1]。同時，VRML程序所占的磁盤空間非常小，便于網(wǎng)絡(luò)間的相互傳輸。

VRML本質(zhì)上是一個網(wǎng)絡(luò)語言，像HTML一樣，需要通過編寫程序代碼來實現(xiàn)，這一點(diǎn)也是虛擬現(xiàn)實技術(shù)難以普及的一個門檻。但目前一些常用的三維圖形制作軟件，如3DSMAX、MAYA等都對VRML提供了一定的支持。

對于園林設(shè)計師來說，3DSMAX是較為常用的建模軟件，而3DSMAX對VRML又有較好的支持，它不僅支持VRML程序的輸出，同時還可以在VRML程序中通過選擇攝像機(jī)在三維場景中進(jìn)行導(dǎo)航設(shè)置，在場景中指定活動控件和感應(yīng)器，豐富了實時瀏覽的內(nèi)容。因此對于熟悉3DSMAX的園林設(shè)計師來說，VRML是一個很好的選擇。

3.2 軟硬件要求

3.2.1 硬件要求

基于INTEL P4或AMD ATHLON系列的CPU、256M以上內(nèi)存、具備32M以上顯存的顯卡是現(xiàn)在設(shè)計師普遍使用的計算機(jī)配置，能滿足VRML運(yùn)行的需求。

3.2.2 軟件要求

建模軟件使用3DSMAX，貼圖處理使用Photoshop，瀏覽虛擬場景使用IE瀏覽器+VRML的IE插件。

3.3 基本流程

3.3.1在3DSMAX中建立三維場景

首先按照設(shè)計方案制作出場景中各要素的模型，并賦上相應(yīng)的材質(zhì)貼圖，然后加上能照亮整個場景的燈光，最后根據(jù)設(shè)定的視域和視高來確定自由攝像機(jī)（Free camera）的鏡頭類型和位置。

可見，建立虛擬現(xiàn)實環(huán)境的場景與制作電腦渲染圖場景的過程基本一致，但側(cè)重點(diǎn)有所不同，后者需要的是靜態(tài)圖像的渲染效果，而前者則更關(guān)注實時瀏覽的流暢感和空間感，因此在創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實場景時應(yīng)做到下面幾點(diǎn)：

(1)在滿足視覺要求的前提下，盡量減少模型的面數(shù)。模型創(chuàng)建完后使用3DSMAX中的優(yōu)化修改器（Optimize）進(jìn)行優(yōu)化，能最大限度的減少模型面數(shù)。

(2)使用關(guān)聯(lián)復(fù)制（InstancesCopy）。Instance是對象的關(guān)聯(lián)復(fù)制，當(dāng)改變?nèi)魏我粋€關(guān)聯(lián)復(fù)制品的時候，所有其他的復(fù)制品都會改變。在建立虛擬場景時，關(guān)聯(lián)復(fù)制是非常有用的，當(dāng)使用關(guān)聯(lián)復(fù)制的時候，組成關(guān)聯(lián)復(fù)制的對象的面的設(shè)置只在VRML中定義一次。這樣可以使用多次同樣的幾何圖形，但不增加文件的下載時間。

(3)對于一些非主要物體，不要過于苛求細(xì)節(jié)，盡可能使用“模擬的”幾何體。比如周圍的建筑可直接采用“幾何體+貼圖”（box+maps）的方式制作（圖1）。

(4)場景中所使用的貼圖不需要很精細(xì)，最好全用jpg格式壓縮，并縮小尺寸，這樣能節(jié)省大量的下載時間。

(5)所有使用到的貼圖必須全部放在一個目錄中，因為VRML只能搜索一個指定的貼圖目錄。

(6)使用燈光。光線是場景視覺信息與視覺造型的基礎(chǔ)，沒有光線便無法體現(xiàn)物體的形狀、質(zhì)感和透視關(guān)系，這一點(diǎn)和做電腦渲染圖是一樣的。但在VRML中不能使用諸如全

局光、反射光、折射光、陰影等光線效果，只能通過普通燈光的布光技巧來彌補(bǔ)。另外，要保證場景中任何一個角落都能被燈光照亮，因為最終瀏覽虛擬現(xiàn)實場景時，任何一個角落都有可能被瀏覽到。

(7)使用攝像機(jī)。VR場景的瀏覽是通過攝像機(jī)來進(jìn)行的，在3DSMAX中創(chuàng)建自由攝像機(jī)（Free camera）來確定視域和視高，不同的視域和視高在實時瀏覽時能給人以不同的感受。在3DSMAX場景中建立的不同攝像機(jī)將會由VRML瀏覽器列出，可以供用戶在VR場景中進(jìn)行選擇性的導(dǎo)航。即使是在瀏覽器中導(dǎo)航非常緩慢的大環(huán)境，也可以通過對一系列的攝像機(jī)視圖進(jìn)行切換來快速選擇性的瀏覽。使用建立的攝像機(jī)，展示最佳場景，也就是展示具有不尋常的透視效果，或是展示場景中花費(fèi)了大量功夫才創(chuàng)建的精細(xì)部分的特寫，如果把它留給客戶去自由導(dǎo)航場景，就無法控制客戶能看到什么效果了。當(dāng)然，也可以只通過一個攝像機(jī)導(dǎo)航，讓客戶可以自由在VRML場景中游覽而且無拘無束。 3.3.2 虛擬場景中植物、地形等不規(guī)則要素的制作

（1）植物：3DSMAX的透明貼圖（Opacity）是VRML所不支持的，所以不能使用常規(guī)的方法制作植物。應(yīng)該先用圖形處理軟件（如PHOTOSHOP）將樹木照片處理成無背景的GIF格式（可支持網(wǎng)絡(luò)上的透明背景），然后直接作為貼圖賦予一個平面（Plan）。盡管看起來不是很真實，但與給植物建造模型細(xì)節(jié)所付出的代價相比要小得多。（圖1）

VRML場景的瀏覽是實時互動的，所以僅使用一個面的樹木是不能滿足多角度觀察的。提供兩種方法來解決這個問題：一是用關(guān)聯(lián)復(fù)制將樹木平面復(fù)制一份，然后互相十字交叉，這樣不管在什么角度都能看到完整的樹，但這種情況僅適用于左右對稱的植物；第二個方法是使用攝像機(jī)對齊技術(shù)，使樹木的正面始終面對攝像機(jī)，但這種方法通過3DSMAX不能直接實現(xiàn)，必須手動修改VRML代碼來實現(xiàn)，這就需要一定的編程基礎(chǔ)。

（2）地形：使用3DSMAX中的位移（displace）修改器制作。位移修改器通過對三維物體施加一個灰度圖，使三維物體對應(yīng)圖上亮的地方產(chǎn)生凸起，而亮度的不同會導(dǎo)致凸起的程度不同。因此我們可以將設(shè)計的地形用Photoshop處理成一張灰度圖（圖2），然后在3DSMAX中作為位移修改器的貼圖施加到一個平面上，就可以得到我們想要的地形了（圖3）。

3.3.3 為場景創(chuàng)建互動效果

VR技術(shù)中最令人激動的就是場景的互動性，用3DSMAX可以方便地創(chuàng)建出互動效果，在“創(chuàng)建/幫助物體（Creat/Helpers）”面板下的下拉列表框中選“VRML2.0”，出現(xiàn)一個工具面板，面板上列出了12個VRML輔助工具。其中可用于場景互動的有“錨（Anchor）” 、“觸動感應(yīng)器（TouchSensor）”和“范圍感應(yīng)器（ProxSensor）”3個感應(yīng)器工具。Anchor是錨觸發(fā)器，當(dāng)點(diǎn)擊設(shè)置了此觸發(fā)器的物體時，可以使場景切換到另一個預(yù)先指定的URL鏈接（類似網(wǎng)頁文檔的超級鏈接），或是與場景中的指定的另一個攝像機(jī)鏈接，類似電影中的鏡頭切換；TouchSensor是一個觸動感應(yīng)器，當(dāng)在場景中用鼠標(biāo)點(diǎn)擊一個指定物體時就會引發(fā)一個預(yù)定義的動作；ProxSensor則是一個范圍感應(yīng)器，只要接近一個指定物體時也會引發(fā)一個預(yù)定義的動作。使用它們就能創(chuàng)建出互動的場景。比如走到一扇門前，門會自動打開；按動按鈕，噴泉就會噴出水花，等等。

3.3.4 輸出VRML文件

在3DSMAX中使用“file”菜單下的“export…”，將導(dǎo)出的格式選為“VRML2.0(＊.WRL)”，文件存放的路徑應(yīng)和貼圖一致，然后注意在彈出的對話框中設(shè)置“Bitmap URL Prefix”，將圖片路徑設(shè)置正確。

3.3.5 虛擬現(xiàn)實的瀏覽

瀏覽虛擬現(xiàn)實的最佳方式是通過頭盔式顯示器或三維眼鏡來感受，但成本較高，故不在本文討論范圍。一種廉價的實現(xiàn)方法就是直接通過WINDOWS操作系統(tǒng)中的IE瀏覽器來瀏覽，首先需要安裝專用的VRML瀏覽器插件，如CORTVRML、CosmoWorlds等都是較為常用的。安裝完成后，直接運(yùn)行做好的VRML文件就能在瀏覽器中瀏覽了。在瀏覽器中通過鼠標(biāo)或鍵盤控制漫游的方向，如同身臨其境。

篇10

關(guān)鍵詞：VR；AR；應(yīng)用前景

1 虛擬現(xiàn)實VR概述

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，VR）是20世紀(jì)90年代初崛起的一種實用技術(shù)。VR技術(shù)指借助計算機(jī)以及最新傳感器技術(shù)創(chuàng)造的一種嶄新的人機(jī)交互手段，其核心是建模與仿真。它是一種能夠讓現(xiàn)實中的人在計算機(jī)所創(chuàng)造的虛擬信息世界中體驗與現(xiàn)實世界同樣的事和物。它具有多感知性、沉浸性、交互性和構(gòu)想性的基本特征。這種虛擬技術(shù)集合了計算機(jī)圖形圖像技術(shù)、現(xiàn)實仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)等的多種科學(xué)技術(shù)。它能夠模擬出人的視覺、聽覺、觸覺等的感官功能。使人們在計算機(jī)所創(chuàng)造的虛擬世界中通過語言、動作等方式進(jìn)行實時交流，可以說這種技術(shù)的發(fā)展前景是非常廣闊的，無論是生活上還是軍事上都有非常廣泛的發(fā)展前景。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征以及涉及的相關(guān)技術(shù)

2.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征

（1）多感知性的特征，是指視、力、觸、運(yùn)動、味、嗅等感知系統(tǒng)，從人類理想的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展來說，是希望能夠完全的模擬出現(xiàn)實中所有的感知，如在VR營造的環(huán)境中聞到各種味道、能夠有觸碰里面事物的感覺等，如同人在現(xiàn)實中一樣，但因目前的技術(shù)掌握和傳感技g的限制，僅僅只能模擬出一部分。

（2）沉浸性又稱浸沒感或臨場感、存在感等，具體是指人以第一人稱存在于虛擬世界中的真實體驗。當(dāng)然，以目前技術(shù)還沒有達(dá)到最理想的程度。

（3）交互性就是指人在虛擬世界中，能夠像在現(xiàn)實世界中一樣，可以通過對一些物體的抓取、使用等動作，感覺到所觸碰的物體的重量、形狀、色澤等一些人與物體之間的互動信息。

（4）構(gòu)想性，即將所想的物件、所做的事情在虛擬世界里面呈現(xiàn)出來，這樣做能達(dá)到什么樣的效果，那樣做又能達(dá)到什么樣的效果，甚至還可以把在現(xiàn)實世界不可能存在的事和物都可以在虛擬世界中構(gòu)想出來。

2.2 VR技術(shù)中涉及的相關(guān)技術(shù)-軟件

（1）立體視覺現(xiàn)實技術(shù)：人通過視覺所獲取到的信息是人本身所有感覺中最多的一種感官，所以虛擬現(xiàn)實技術(shù)中立體顯示技術(shù)占有不可或缺的重要地位。

（2）環(huán)境構(gòu)建技術(shù)：在虛擬世界中，構(gòu)件環(huán)境是一個重要的環(huán)節(jié)，要營造一個區(qū)域的環(huán)境，首先就要創(chuàng)造環(huán)境或建筑模塊，然后在這個基礎(chǔ)上再進(jìn)行實時描繪、立體顯示，從而形成一個虛擬的區(qū)域環(huán)境。

（3）真實感實時描繪技術(shù)：要在虛擬世界中實現(xiàn)與現(xiàn)實世界相同的事物，僅靠立體顯示技術(shù)還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，虛擬世界中必須存在真實感和實時感，簡單來說就是實現(xiàn)一個物體的重量、質(zhì)量、色澤、相對位置、遮擋關(guān)系等的技術(shù)。

（4）虛擬世界聲音的實現(xiàn)技術(shù)：在虛擬世界中雖然視覺是獲取信息的重要途徑之一，除了視覺還有很多感官系統(tǒng)可以獲取到周圍的信息。如聽覺，這種技術(shù)就是在虛擬世界中實現(xiàn)聲音，這樣人在虛擬世界里不僅能夠看得到也能聽得到。

2.3 VR技術(shù)涉及的相關(guān)技術(shù)-硬件

（1）輸入設(shè)備。與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相關(guān)的硬件輸入設(shè)備分成兩大類：一是基于自然的交互設(shè)備，用于虛擬世界的信息輸入；另一種是三維定位跟蹤設(shè)備，主要用于輸入設(shè)備在虛擬世界中的位置進(jìn)行判定，并輸送到虛擬世界當(dāng)中。

虛擬世界與人實現(xiàn)自然交互的形式有很多，比如有數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣服、三維控制器、三維掃描儀等。

數(shù)據(jù)手套是一種多模式的虛擬現(xiàn)實硬件，通過軟件編程，可進(jìn)行虛擬場景中物體的抓取、移動、旋轉(zhuǎn)等動作，也可以利用它的多模式性，用作一種控制場景漫游的工具。數(shù)據(jù)手套的出現(xiàn)，為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供了一種全新的交互手段，目前的產(chǎn)品已經(jīng)能夠檢測出手指的彎曲度，并利用磁定位傳感器來精確地定位出手在三維空間中的位置。這種結(jié)合手指彎曲度測試和空間定位測試的數(shù)據(jù)手套被稱為“真實手套”，可以為用戶提供一種非常真實自然的三維交互手段。

數(shù)據(jù)衣是為了讓VR系統(tǒng)識別全身運(yùn)動而設(shè)計的輸入裝置。數(shù)據(jù)衣對人體大約50多個不同的關(guān)節(jié)進(jìn)行測量，包括膝蓋、手臂、軀干和腳。通過光電轉(zhuǎn)換、身體的運(yùn)動信息被計算機(jī)識別。通過BOOM顯示器和數(shù)據(jù)手套與虛擬現(xiàn)實交互數(shù)據(jù)衣。

（2）輸出設(shè)備。人在虛擬世界中要體現(xiàn)沉浸的感覺，就必須實現(xiàn)現(xiàn)實世界中的多種感受，如視、聽、觸、力、嗅、味等感官感覺，只不過以目前的虛擬技術(shù)只實現(xiàn)了視覺、聽覺和觸覺罷了。

（3）VR構(gòu)成設(shè)備。虛擬現(xiàn)實世界的構(gòu)成，主要的設(shè)備就是計算機(jī)本身了，虛擬世界的所有景象都是靠一個個模型造成的，而這些模型則是由計算機(jī)制作出來的。一般計算機(jī)被劃分成四個部分：第一，高配置的個人計算機(jī)，專門用于普通的圖形配置加速卡，實現(xiàn)于VR技術(shù)中的桌面式特征；第二，高性能圖形工作站，就是一臺高配置的圖形處理計算機(jī)；第三，高度并行系統(tǒng)計算機(jī)；第四，分布式虛擬實現(xiàn)計算機(jī)。

3 VR技術(shù)的應(yīng)用范圍

VR技術(shù)從誕生到現(xiàn)今已經(jīng)歷了幾個年代，其應(yīng)用范圍也越來越廣，如醫(yī)學(xué)方面，可以提供給醫(yī)生進(jìn)行模擬手術(shù)，這樣大大提高了現(xiàn)實中手術(shù)成功的概率。如游戲方面，近年來游戲中的VR如朝陽一樣如火如荼的發(fā)展，游戲者在游戲中體驗著VR技術(shù)帶來的身臨其境與敵人面對面進(jìn)行廝殺的。如建筑方面，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以將建筑的形式以真實的角度展現(xiàn)在投資方、設(shè)計方、施工方以及后期的物業(yè)管理和更高層次的政府，這把之前的二維平面表達(dá)方式或者動畫表現(xiàn)方式進(jìn)行了升級，使用者可以全方位的感受建筑的空間、尺度和材質(zhì)，這對非設(shè)計人員參與到設(shè)計當(dāng)中很有幫助，這使得我們未來的建筑將綜合更多因素，更加合理化，還有軍事、科技、商業(yè)、建筑、生活等。

4 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一個極具潛力的研究項目，是未來的重要技術(shù)之一。它在理論、軟件或者硬件的領(lǐng)域上都依賴著很多技術(shù)，當(dāng)然其中也有較多的技術(shù)只實現(xiàn)了理論，硬件方面還是有待完善的。不過可以遇見，在未來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)絕對會被廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李袁.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在數(shù)字圖書館中的應(yīng)用[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2009，19（36）：3-5.