45虚拟现实技术41

1、4.5 虚拟现实技术主要内容容虚拟现实实技术概概况以“桌面虚拟拟现实系系统”为例介绍绍虚拟现现实系统统虚拟现实实技术在在教育中中的应用用虚拟现实实技术概概况一、虚拟拟现实技技术概念念又称临境境技术（灵境技技术），是指指用立体体眼镜和和传感手手套等一一系列传传感辅助助设施来来实现的的一种三三维现实实，人们们通过这这些设施施以自然然的方式式（如头头的转动动、手的的运动等等）向计计算机送送入各种种动作信信息，并并且通过过视觉、听觉以以及触觉觉设施使使人们得得到三三维的视视觉、听听觉及触触觉等感感觉世界界。二、虚拟拟现实的的发展简简史1965年，Sutherland在终极的显显示中首次提提出虚拟拟现实

2、系系统的基基本思想想。1966年，MIT的林肯实实验室开开始头盔盔式显示示器研制制。70年代出现现第一个个功能较较齐全的的HMD系统。80年代初正正式提出出了“Virtual Reality”一词80年代，美美国宇航航局（NASA）及国防防部组织织了一系系列有关关虚拟现现实技术术的研究究。如，1984年，NASA Ames研究中心心虚拟行行星探测测实验室室将火星星探测器器发回的的数据输输入计算算机，为为地面研研究人员员构造了了火星表表面的三三维虚拟拟环境。90年代，计计算机软软硬件的的发展为为虚拟现现实系统统的发展展打下了了的基础础。1993年11月，宇航航员利用用虚拟现现实系统统成功地地完成

3、了了从飞机机的运输输舱内取取出望远远镜面板板的工作作。再如如，用虚虚拟现实实技术设设计波音音777获得成功功。三、虚拟拟现实系系统一般般构成虚拟世界界虚拟现实实软件计算机输入设备备输出设备备输入设备输出设备VR软件虚拟世界常用人机机接口设设备四、应用用领域军事及航航空如，SGI虚拟现实实系统。无需制制造真正正的原型型试验机机即可获获得宝贵贵的数据据。建筑与汽汽车业设计师，通过虚虚拟现实实技术观观察他们们设计的的效果，如外观观、动力力性、使使用方便便性。用户，可通过过虚拟现现实技术术在设计计完成后后“进入”大厦漫游游，以便便得知大大厦各房房间的规规划、装装饰材料料的选择择等是否否满意。医学医生远

4、程程做手术术培训汽车驾驶驶模拟训训练，大大型飞机机驾驶模模拟娱乐虚拟房地地产推销销光学虚拟拟实验室室大型工程程漫游五、虚拟拟现实系系统的发发展趋势势例：实景景虚拟现现实技术术图1、杰图FlyVR实景虚拟拟现实平平台便携式三三维展示示硬件：虚拟感应应头盔、遥控手手柄、数据手套套等gis地图与现现实场景景的互动动结合给给人们带带来建模模无法实实现的真真实感受受桌面虚拟拟现实系系统虚拟现实实系统有有如下几几种，在在这里主主要介绍绍桌面虚虚拟现实实系统一、什么么是桌面面虚拟现现实系统统？是一种集集立体图形形、自然交互互等技术，以营造造与客观观世界高高度类似似的、逼逼真的、虚拟的的环境为为重要内内容进行

5、行各种应应用的系系统。即是利用用个人计计算机和和低级工工作站进进行仿真真，计算算机的屏屏幕用来来作为用用户观察察虚拟境境界的一一个窗口口，各种种外部设设备一般般用来驾驾驶虚拟拟境界，并且有有助于操操纵在虚虚拟情景景中的各各种物体体。二、桌面面虚拟现现实系统统特性虚拟现实实系统具具有一种种身临其其境的临临场感，为了达达到这种种目的，虚拟现现实系统统具备一一些与普普通图形形系统不不同的特特点：1、生动的的计算机机图形图图像场景景2、自然的的人机交交互3、通用的的图形软软件平台台三、常见见的桌面面虚拟现现实技术术基于静态态图像的的虚拟现现实技术术采用连续续拍摄的的图像和和视频，在计算算机中拼拼接建立

6、立实景化化虚拟空空间VRML（虚拟现现实造型型语言）采用描述述性的文文本语言言描述基基本的三三维物体体的造型型，通过过一定的的控制，将这些些基本的的三维造造型组合合成虚拟拟场景，当浏览览器浏览览这些文文本描述述信息时时，在本本地进行行解释执执行，生生成虚拟拟的三维维场景。桌面CAD（computerassociated design计算机辅辅助设计计）系统统利用桌面面三维图图形绘制制技术对对虚拟世世界进行行建模，通过计计算机的的显示器器进行观观察，并并能自由由地控制制视点和和视角。NextVRML（Virtual RealityModelingLanguage）虚拟现实实建模语语言VRML的历

7、史返回VRML工作原理理：文本描述述、远程程传输、本地计计算文本描述述，指VRML用类似HTML标记文本本语言来来描述三三维场景景，如，立方体体的描述述文本是是：Box（size3.0*3.0*3.0)。远程传输输，指用户户VRML描述的虚虚拟场景景时，需需要通过过Internet将描述场场景的文文本传送送到本地地。本地计算算生成，是指描描述虚拟拟场景的的数据传传送到本本地后，浏览器器对它进进行解释释计算，动态地地生成虚虚拟场景景。返回VRML的应用：VRML使得Internet的一片平平面世界界首次出出现了了了三维场场景，成成为Internet最具发展展前景的的新兴技技术。在教育领领域的We

8、b站点中，它可广广泛用于于学习情情景创设设，增加加学习内内容的形形象性和和趣味性性，并可可用于可可视化的的导航，自然的的人机界界面等方方面。如如：创建建网上三三维图书书馆，它它的特点点是，书书籍归类类整理更更接近真真实或将将高于真真实，汇汇编或查查阅书籍籍时只需需要鼠标标的轻轻轻战地对对应的虚虚拟图书书。返回VRML的语法与与节点返回GroupchildrenShapeShape Transformtranslation 0.00.00.0scale0.20.5 0.2childrenShape ShapeVRML节点参考考QTVR（QuickTimeVirtualReality)QTVR是一

9、种基基于静态态处理的的，在微微机平台台上能够够实现的的初级虚虚拟现实实技术。QTVR是在下列列概念基基础上组组成的：全景，是空间间中一个个视点对对周围环环境360度的视图图对象，是从分分布在以以一个物物体为中中心的立立体360度的球面面上的众众多视点点来观察察这个物物体，从从而生成成的对一一个物体体全方位位的图像像信息。场景，是把一一个或多多个全景景图像或或对象电电影，通通过热点点这种手手段连接接后的全全景图像像和对象象电影的的有序集集合体。返回QTVR的优点：可由摄像像机获取取三维场场景，对对计算机机的计算算能力要要求不高高，可实实现实时时建模与与动态显显示。QTVR的缺点：场景本身身必须是

10、是静态的的，在漫漫游时，观察点点及方向向受到了了严格的的限制。返回虚拟现实实技术在在教育中中的应用用引言教育是一一个传授授知识的的过程，在众多多通过亲亲身经历历这一过过程，巩巩固所传传授的知知识的的方法中中，虚拟拟现实技技术是最最有效的的。虚拟现实实技术在在教育中中的应用用依据虚虚拟环境境不同可可分为：虚拟校园园虚虚拟教教室虚拟实验验室虚虚拟拟图书馆馆1虚拟校校园它除了可可以具有有一所传传统学校校所具备备的正常常活动的的虚拟场场所外，还拥有有传统学学校不可可能拥有有的环境境。在虚虚拟校园园里，有有虚拟教教室、虚虚拟实验验室、虚虚拟图书书馆等学学习的场场所，还还有学习习者交往往和活动动（包括括文

11、娱活活动、体体育活动动、艺术术活动和和社会活活动等）的场所所。2虚拟教教室它是指运运用虚拟拟现实技技术生成成的进行行教育实实践的具具有逼真真感的虚虚拟环境境。学习习者可借借助于有有关设备备进入虚虚拟课堂堂，接受受教育和和进行学学习。3虚拟实实验室虚拟实验验室是由由虚拟现现实技术术创造的的一种可可以进行行实验的的虚拟环环境。在在这个环环境中，学习者者有逼真真的感觉觉，他似似乎是在在真正的的实验室室里近距距离进行行现场操操作。虚拟实验验室的产产生和应应用使远远程实验验教学得得以真正正实现。它彻底底解决了了以往所所有远程程教育模模式中理理论教学学的远距距离性和和实验教教学的近近距离性性的矛盾盾，使整

12、整个教育育完全远远程化。4虚拟图图书馆虚拟图书书馆是用用虚拟现现实技术术生成的的提供信信息的场场所，因因此它也也可以称称之为“虚拟信息息中心”。在这里里，不仅仅仅提供供象文本本、视频频、声频频等信息息资源，而且更更提供与与众不同同的身临临其境的的信息资资源。例例如要取取得历史史知识，学习者者可以通通过虚拟拟图书馆馆，进入入不同朝朝代的虚虚拟世界界，实时时观察或或实际参参与当时时的事件件，从而而亲身感感受和了了解不同同朝代的的实况。再如，要取得得人体组组织信息息，学习习者可以以通过灵灵境图书书馆穿行行在人体体的组织织和器官官之间，实地去去考察一一番。下面主要要介绍“虚拟实验验室”一、虚拟拟实验室

13、室虚拟实验验，就是实实验者通通过远程程通讯工工具和相相应的虚虚拟实验验仪器，在远程程进行操操作、观观测实验验过程、直至得得到实验验结果的的一种实实验模式式。虚拟实验验室，是利用用虚拟现现实技术术仿真或或虚构某某些情境境，供学学生观察察一操纵纵其中的的对象，使他们们获得体体验或有有所发现现。二、虚拟拟实验室室进行虚虚拟实验验的方式式主要有有三种类类型遥控型实实验遥控型实实验是利利用计算算机多媒媒体技术术和通讯讯技术，将实验验室内真真实的实实验设备备及控制制系统，转换成成三维图图像、声声音、状状态等传传输到远远端的学学生计算算机中，参加实实验的学学生可以以在自己己的计算算机中进进行操作作，通过过通

14、讯线线路遥控控真实实实验室现现场中的的实验设设备，例例如对实实验设备备进行编编程、校校对、启启停、测测试、监监控等操操作，使使远程实实验过程程在实验验学生实实时遥控控下运作作。而学学生执行行操作的的结果（文字、图像、数据等等）又会会实时地地回传给给学生，从而使使实验学学生可对对实验数数据实时时采集并并进行处处理。模拟型实实验。模拟型实实验是在在计算机机中用软软件模拟拟仪器、设备、元器件件、药品品等实验验器材和和实验条条件，并并以文字字、图形形或动画画方式显显示出来来。实验验的学生生登陆虚虚拟实验验室后，与实验验软件进进行交互互，充分分利用虚虚拟器材材库中十十分丰富富的实验验器材，根据实实验要求

15、求进行实实验流程程设计、实验装装置搭建建、实验验内容操操作、实实验结果果统计分分析等，最后写写出实验验报告，全部实实验过程程在计算算机内完完成。例例如，实实验学生生可以自自由地取取用软件件中的各各种电阻阻、电容容、晶体体管、集集成电路路等虚拟拟器件组组成实验验要求的的电路，然后接接上虚拟拟的开关关和电源源，以及及信号发发生器、测量仪仪器、示示波器等等虚拟仪仪器进行行实验，观察记记录实验验数据和和结果。这种以以软件来来模拟那那些存在在和使用用的设备备来做实实验，可可以取得得和采用用真实实实验器材材、设备备相同的的实验结结果。仿真型实实验仿真型实实验采用用计算机机技术、虚拟现现实技术术等构建建虚拟

16、实实验环境境、虚拟拟仪器和和设备的的方法，为学生生提供一一种仿真真的实验验“情境”，它不仅仅可以控控制学习习情境的的复杂度度和逼真真度，还还可以弱弱化甚至至剔除真真实情境境中无关关的干扰扰因素；学生可可以“随机进入入”，身临其其境地进进行实时时操作。在初级级的仿真真型实验验中，采采用计算算机技术术在计算算机屏幕幕上创设设一个模模仿真实实的场景景，包括括原型实实验设备备素材和和这些系系统实际际运行时时的三维维视频图图像和动动画，并并配以文文字和声声音等数数据文件件，学生生就如同同在真实实实验室室中现场场进行实实验一样样。在高高级的仿仿真型实实验中，采用虚虚拟现实实技术构构建达到到足以“乱真”境地

17、的实实验环境境，学生生不仅可可以“做”实验，而而且甚至至可以“亲身体验验”实验的运运作，达达到比在在真实实实验室更更好的实实验效果果。三、构建建虚拟实实验室常常用方法法使用Java进行开发发使用ActiveX控件进行行开发使用VRML技术进行行三维虚虚拟实验验室的开开发QuickTime VR技术四、虚拟拟实验的的优越性性、临场场性指学生可可以感到到自己处处于虚拟拟实验室室的体验验，产生生一种逼逼真的存存在感。虚拟实实验室与与真正的的实验室室同等完完美，虚虚拟仪器器与实际际仪器功功能相同同，操作作方法也也一样，实验者者在虚拟拟实验室室里做实实验，觉觉得自己己在真正正的现实实实验室室里近距距离进

18、行行现场操操作，他他可自由由地在所所处环境境中与有有关的虚虚拟物体体或事件件相互作作用，与与在现实实实验室室里同样样方便。理想的的虚拟实实验室环环境可达达到使实实验者难难以分辨辨真假的的程度（例如可可视场景景应随着着视点的的变化而而变化）。在这这样的“实际情境境”下，通过过逼真的的模拟仿仿真执行行和动态态演示，可以提提高实验验学生的的参与水水平，促促进学习习建构。临场性性的意义义，还在在于使学学生将远远程、虚虚拟实验验认为或或感觉到到是现场场、真实实实验，这对于于实验操操作、实实验心理理、实验验效果和和实验教教学成效效等方面面是相当当重要的的。、开放放性指学生能能随时随随地自主主选择或或组合虚

19、虚拟实验验所需要要的环境境和条件件。这样样，远程程教育的的任何学学生能在在任何时时间、任任何地点点选择实实验内容容、实验验仪器设设备、实实验信息息资料、实验同同组合作作人员、实验指指导教师师等，以以及取得得实验结结果的评评估，并并具有完完全的自自由度。此外，虚拟实实验对于于做了实实验后没没有掌握握的实验验过程或或实验技技术片断断的学生生，可以以自己方方便地多多次重复复。这样样，学生生始终处处于实验验教学的的主导地地位，掌掌握学习习的主动动权，大大大增强强了学习习效果。、超时时空性指虚拟实实验具有有超时空空的特点点，它能能够将过过去世界界、现在在世界、未来世世界、微微观世界界、宏观观世界、宇观世

20、世界、客客观世界界、主观观世界、幻想世世界等拥拥有的物物体和发发生的事事件单独独呈现或或进行有有机组合合，并提提供给实实验者进进行实验验。虚拟拟实验当当然可以以在模拟拟真实实实验室环环境里进进行类似似于传统统实验，但它的的擅长更更是那种种使实验验者置身身于实验验对象之之中的逼逼真环境境进行“体验”实验。比比如，虚虚拟实验验室可以以构建超超越现实实时空的的环境，如探索索星系时时的虚拟拟太空，研究分分子原子子结构时时的虚拟拟微观世世界，获获取人体体组织信信息时的的虚拟人人体的组组织和器器官之间间等等，从而学学生能身身临上述述虚拟环环境进行行实验。、形象象性指虚拟实实验可以以做到把把枯燥的的实验变变为形象象的实验验。例如如在虚拟拟实验室室里进行行化学实实验，学学生将采采集到的的一个氧氧原子和和二个氢氢原子结结合在一一起，眼眼前就会会出现一一个网状状的水球球，这就就是他自自己创造造的水分分子。再再如，根根据相对对论和量量子力学学法则，可以模模拟宇宙宙太空和和微观的的原子世世界里发