计算机图形学主题综述

1、计算机图形学主题综述姓 名: 学 号: 班 级: 计科11202 序 号: 31 院 系: 计算机科学学院 主 题: 虚拟现实技术 虚拟现实技术在远程教育的应用1、 现代远程教育概述（一）现代远程教育概况 现代远程教育是随着现代信息技术的发展而产生的一种新型教育形式，是构筑知识经济时代人们终身学习体系的主要手段。它以现代远程教育手段为主，综合面授、函授和自学等教学形式、采用多种媒体手段联系师生并承载课程内容。现代远程教育可以有效地发挥各种教育资源的优势，为各类教育的教育质量提高提供有力支持，为不同的学习对象提供方便的、快捷的、广泛的教育服务。现代远程教育是利用网络技术、多媒体技术等现代信息技术

2、手段开展的新型教育形态，是建立在现代电子信息通信技术基础上的网络教育，以面授教学、函授教学和广播电视(视听)教学为辅助，它以学习者为主体，学生和教师、学生和教育机构之间主要运用多种媒体和多种交互手段进行系统教学和通信联系。现代远程教育是相对于函授教育、广播电视教育等传统远程教育形态而言。网络教育是现代信息技术应用于教育后产生的新概念，即运用网络技术与环境开展的教育，在教育部已出台的一些文件中，也称现代远程教育为网络教育。（二）现代远程教育特征1、开放性。这是远程教育最基本的特征。常规的学校教育是封闭性的，其表现是教育资源被封闭在校园内，教育的门槛被抬高，接受教育的人始终是社会中少数精英。远程教

3、育则是面向社会大众的，对学习者来说，教育的门槛被降低，接受教育的机会大幅度地增加，教育信息资源得以共享。远程教育就是应社会大众的教育需求而诞生，远程教育的根本目的就是为一切有意愿的人提供受教育的机会。2、延伸性。这是远程教育的功能特征。常规的学校教育把学习者从四面八方汇集在特定的校园中，在一定的制度安排下，由教育者对其实施教育活动。这是一种教育资源与功能收缩和集中应用的教育形式。远程教育正好相反，它把教育信息传送给四面八方的学习者，借助各种媒体技术把教育信息向外传输，实际上就是把教育资源和教育功能向外扩散。远程教育就是通过这种扩散，将自己的教育功能向整个社会延伸。这种延伸性符合现代教育的终生学

4、习的理念。3、灵活性。从各个国家的情况看，远程教育一般面向成人，承担了在职教育、成人教育的工作。于是，远程教育在高等教育、成人教育领域得到迅速发展。这样一来，远程教育在课程设置、学籍管理、教育管理等方面要比常规的学校教育更灵活多样，充分适应成人学习者的特点。4、突破传统教学媒体，调动多媒体手段为教学服务。与传统课堂教学相比，它能够实现教师与学生，学生与学生之间的多向互动和及时进行反馈，具有更强的灵活性。多媒体课件和教材的生动活泼、直观形象，有利于学生理解和掌握知识内容，有利于开发大脑潜力，启迪创造和创新意识的形式。 5、突破了教育教学信息传播形式上的单一性，有利于教育资源的共享，提高教育效率和

5、效益。无论是那一种现代远程教育形式，都能更多的实时或非实时获得高水平、高质量的教育，听到一流专家的讲演，听到最优秀的教师授课，获得最好的资料，看到最丰富的博物馆、图书馆以及参加最高层次的学术讨论。二、虚拟现实技术概述（一）虚拟现实概况虚拟现实(VirtualReality，简称VR，又译作灵境、幻真)是20世纪90年代以来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。VR是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域。它利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术，生成三维逼真的虚拟环境，使用者只要戴上特殊的头盔、数据手套等传感设备就可以感受到真实的视、听、嗅

6、觉等感觉，或利用键盘、鼠标等输入设备，便可以进入虚拟空间，成为虚拟环境的一员，进行实时交互，感知和操作虚拟世界中的各种对象,从而获得身临其境的感受和体会。虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。（2） 虚拟现实的基本特征1、 多感知性所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触

7、觉、运动等几种。2、 浸没感又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。3、 交互性指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。4、 构想性5、 6、 它能够实现教师与学生，学生与学生之间的多向互动和及时进

8、行反馈，具有更强的灵活性。多媒体课件和教材的生动活泼、直观形象，有利于学生理解和掌握知识内容，有利于开发大脑潜力，启迪创造和创新意识的形式。7、 5、突破了教育教学信息传播形式上的单一性，有利于教育资源的共享，提高教育效率和效益。无论是那一种现代远程教育形式，都能更多的实时或非实时获得高水平、高质量的教育，听到一流专家的讲演，听到最优秀的教师授课，获得最好的资料，看到最丰富的博物馆、图书馆以及参加最高层次的学术讨论。8、 二、虚拟现实技术概述9、 （一）虚拟现实概况10、 虚拟现实(VirtualReality，简称VR，又译作灵境、幻真)是20世纪90年代以来出现的高新技术，也称灵境技术或人

9、工环境。VR是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域。它利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术，生成三维逼真的虚拟环境，使用者只要戴上特殊的头盔、数据手套等传感设备就可以感受到真实的视、听、嗅觉等感觉，或利用键盘、鼠标等输入设备，便可以进入虚拟空间，成为虚拟环境的一员，进行实时交互，感知和操作虚拟世界中的各种对象,从而获得身临其境的感受和体会。虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。（二）虚拟现实的基本特征1、多感知性（Multi-Sens

10、ory）11、 所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。2、浸没感（Immersion）又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。3、交互

11、性（Interactivity）12、 指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。13、 4、构想性（Imagination）14、 强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。由于浸没感、交互性和构想性三个特性的英文单词的第一个字母均为I，所以这三个特性又通常被统称为3I特性。一般来说，一个完整的虚拟现实系统由虚拟环境、以高性能计

12、算机为核心的虚拟环境处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备，以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成。3、 虚拟现实技术在现代远程教育中的应用远程教育已经历经三代：第一代是函授教育；第二代是广播电视教育；第三代是利用计算机网络和多媒体技术，在数字信号环境进行教育学活动，被称为“现代远程教育”。现代远程教育的特点使其得到了越来越多学习者的欢迎。它采用计算机技术、多媒体技术、通讯技术和网络技术等作为教学手段的支撑。这样的交互式网络教育更需要对课堂场景、教学设备、实验情景的逼真模拟,并以

13、图像、文字、动画、音频和视频结合的方式展现。现代远程教育和虚拟现实技术的结合成为了必然。虚拟现实是以计算机技术为核心,综合使用图形学、人机接口技术、传感技术、仿真技术等多种技术,模拟产生逼真的三维空间环境。虚拟现实技术的应用能使人获得身临其境的感受,具有沉浸感和交互性。虚拟现实技术根据不同的功能可以构建沉浸式虚拟现实系统、简易式虚拟现实系统和共享式虚拟现实系统。虚拟现实模型语言(VRML)是在英特网上实现虚拟现实的关键性技术。它表征的3D世界能加快网络传输速度,减少数据传输量,突破了远程教育网络带宽限制。VRML提供的高级用户界面可以使学习者以自然的方式和虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响

14、,从而产生亲临真实环境的感受和体验。虚拟现实模型语言能更好的实现远程教育的实时传递和双向交流。我们可以大胆预想，虚拟现实技术在现代远程教育中的应用，必将成为“第四代现代远程教育”的显著特点。(一)虚拟课堂与虚拟教学现代远程教育这种教学方式会使学生缺乏一种在学校或教师中学习的真实感。而由虚拟现实技术实现的虚拟课堂并在虚拟课堂中提供虚拟教学可以使学生有一种身临其境的感觉。虚拟课堂是传统课堂的延伸。它突破了时空的限制，也是现在实施网络远程教育的主要教学途径。虚拟现实技术在虚拟课堂中的应用，可以改善目前以HTML技术为主的虚拟课堂交互简单。感觉媒体仅限于二维空间，沉浸感不强等缺点。基于计算机网络和交互

15、式多媒体工作站的虚拟现实,使教师可以进行虚拟教学，学习者可以通过个人工作站参加学习,观看多媒体讲课并在多媒体笔记本上作记录,并可通过计算机网络进行交互学习,这是一种现代、高效、个性化的学习环境。（2） 虚拟实验 实验是教学活动中一个必不可少的过程，很多学习科目都是以实验课程为基础的，尤其是对于一些实践性较强的学科，例如物理、化学、计算机组成结构等等，实验对于培养学生的实际操作能力和解决问题的能力是至关重要的，学生的大部分实践能力都是通过实验得到的。但是在现代远程教育中，由于教学机构与学生在空间上分离，学生无法到学校实验室做具体的实验，这已经成为了制约远程教育质量的一个重要因素。使用虚拟现实技术

16、可以有效地解决这些问题。虚拟实验就是利用鼠标的点击、拖动，将微机上虚拟的各种仪器，按实验要求、过程组装成一个完整的实验系统，同时在这个系统上完成整个实验，包括原材料的添加、实验条件的改变、数据采集以及实验结果的模拟、分析。如果利用先进的通信技术、网络技术，将虚拟实验放在网络上，在Web中创建一个可视化的三维环境。学生可以进行虚拟的实验，这样就解决了现代远程教育中的实验教学问题。同时，在网上同一个实验可以由不同地点不同机器上的多个人来共同完成。（三）虚拟图书馆虚拟图书馆也称电子图书馆,是一个高智能、集成化、数字化、集多种文献载体于一身的信息资源保障系统。学习者进入虚拟图书馆可以轻松地查阅、获取信

17、息,在知识的海洋中畅游。它为学习者提供了丰富的学习资源。 （四）虚拟研讨 在虚拟研讨中学习者可以不受时间和空间的限制,进行论文的交流和实验结果的展示。而这里更是教师与学生交互,学生彼此间合作与交流的场所。为学习者的学习提供了一种全新的学习方式。四、虚拟现实技术对现代远程教育的影响 (一)对教学效果的影响 由于现代远程教育是一种基于网络的教学，必然存在着师生分离这一缺点。利用虚拟现实技术实现的虚拟教室、虚拟实验室等虚拟教学设施会使学生沉浸到计算机系统创建的环境中，由观察者变为全身心的投入者，成为虚拟现实系统的一部分，虚拟场景可以随着人的视点作全方位的运动。学生可以通过键盘、鼠标以及各种传感器与多

18、维化信息的环境发生交互，如同在真实的环境中与虚拟环境中的对象发生交互关系。这样的教学方式必然会对现代远程教育的教学效果有较大的提高。 (二)对实践教学的影响 1、弥补远程教学条件的不足。 在现代远程教育中，学生因为身处异地而无法在传统的实验室进行实验。利用虚拟现实系统，可以弥补这些方面的不足，学生足不出户便可以做各种各样的实验，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。 2、避免真实实验或操作所带来的各种危险。 学生在虚拟实验环境中，可以放心地去做各种危险的或危害人体的实验。例如，虚拟的化学实验，可避免化学反应所产生的燃烧、爆炸所带来的危险；虚拟的外科手术，可避免由于学生操作失