虛擬現(xiàn)實技術在實訓中的應用研究

摘 要：虛擬現(xiàn)實技術是近年來興起的高新技術，本文分析了將虛擬現(xiàn)實技術應用于實訓教學中的可行性，并給出了構(gòu)建虛擬仿真實訓平臺的技術路線，指出了將虛擬現(xiàn)實技術應用于實訓教學的必要性及優(yōu)勢。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實；虛擬實訓；三維建模；仿真平臺

中圖分類號：G712.4

現(xiàn)代職業(yè)教育要培養(yǎng)技術技能型人才，需要通過實踐教學鞏固學生所學理論，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新精神。但由于實訓場地、實訓設備等方面的限制，一些教學實驗無法展開。利用虛擬現(xiàn)實技術能很好地解決這個問題，它可以在節(jié)省大量鋪設實驗場地、購置實驗儀器費用的前提下，重復使用并時常更新這些虛擬的實驗“儀器”，又能使學習者獲得與真實場景同樣的體會，反復操作，加深對教學內(nèi)容的理解，以相對較低的成本實現(xiàn)現(xiàn)代職業(yè)教育的效益最大化。

1 虛擬現(xiàn)實技術及其特點

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR，又譯作靈境、幻真）[1][2]是近年來出現(xiàn)的高新技術，也稱靈境技術或人工環(huán)境。虛擬現(xiàn)實VR技術具沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和想象性（Imagination）[3]三個最突出的特征。虛擬現(xiàn)實技術利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的。虛擬現(xiàn)實技術運用計算機對現(xiàn)實世界進行全面仿真，創(chuàng)建與現(xiàn)實社會類似的環(huán)境，使用戶與該環(huán)境直接進行自然交互。

2 在實訓中應用虛擬現(xiàn)實技術

2.1 可行性

虛擬現(xiàn)實技術包括沉浸式與非沉浸式虛擬現(xiàn)實技術。通常沉浸式虛擬現(xiàn)實技術是主要依賴特殊硬件來實現(xiàn)的，而非沉浸式虛擬現(xiàn)實技術是依賴專門的軟件來實現(xiàn)的。采用非沉浸式虛擬現(xiàn)實技術較為經(jīng)濟實用。盡管是借助鍵盤、鼠標、顯示器等標準外設來營造一個窗口式的虛擬環(huán)境，但還是可以應用軟件技術使其盡可能接近較理想的虛擬現(xiàn)實環(huán)境。它可采用基于圖形（幾何建模）的方法或基于圖像的方法實現(xiàn)。

在虛擬實訓中所用到的實驗儀器和工具是通過3D建模設計出來的，可以在實訓前使學生對這些儀器和工具有一個初步的感性認識；可以創(chuàng)建一些虛擬的實驗環(huán)境，通過設置參數(shù)來設定不同環(huán)境，在虛擬的環(huán)境中反復做各種各樣的技能訓練，獲得不同環(huán)境因素下的實驗數(shù)據(jù)；由于是虛擬實訓，實驗環(huán)境和實驗儀器都是虛擬的，能節(jié)省大量的設備更新維護和實訓場地鋪設費用；也可以根據(jù)現(xiàn)實技術和型號的發(fā)展進行模型更新，緊貼技術潮流，建設“常新”型的實訓基地；在虛擬實訓中，實驗儀器是虛擬的，學生可以不必擔心因誤操作造成實驗設備的毀壞，也不必擔心實驗中存在的危險，學生可以放心大膽地進行實驗，更有利于學生發(fā)揮創(chuàng)造性思維。使用虛擬現(xiàn)實技術制作生動的虛擬軟件，能推廣到其它同類課程中使用。

2.2 技術路線

（1）三維實體建模。傳統(tǒng)上，基于幾何的建模方法具有精度高模型描述完備等優(yōu)點，但是人機交互工作量大、建模效率低。近年來，國際上開始流行基于圖像的繪制方法，基于圖像的建模方法由一個圖像集合和與之對應的深度集合構(gòu)成場景模型。其像素點固定，與場景復雜度無關，但是對于大規(guī)模的復雜場景，它需要多幅圖像輸入，因此圖像存儲也成為一個難題。基于幾何和圖像的混合建模方法可以克服前兩類建模方法的不足，減少人機交互工作量和圖像的需求量，保證逼真度的前提下，快速、有效的建立物體的三維模型，因此是一種非常有效的建模方法?？梢允褂?Ds Max等三維軟件建立虛擬模型，復雜器件選用貼圖的形式，經(jīng)過渲染后在計算機屏幕上可以形成逼真的立體模型。建模任務由CAD、3Ds Max等軟件實現(xiàn)，能夠滿足虛擬現(xiàn)實應用程序的實時性要求。

（2）模型的優(yōu)化處理。為了節(jié)省建模時間，降低系統(tǒng)資源占用率，提高運行速度，進行模型優(yōu)化；虛擬現(xiàn)實的制作方法有兩種：一種是基于幾何圖形的；另一種是基于圖像的。如果完全采用3D建模，不僅工作量巨大，數(shù)據(jù)量過大也很影響虛擬顯示。如果采用圖像的形式，就退化成二維的類似flash動畫的效果，缺乏真實感。所以建模方法采取圖形和圖像相結(jié)合的方法，對于簡單模型或是不經(jīng)常更新的場景用3D建模，經(jīng)常變動的或復雜場景或器具，采用三維建模與圖像紋理貼圖相結(jié)合的形式，取長補短。即節(jié)省了建模時間，建模的工作量，降低了系統(tǒng)資源占有率，提高運行速度，也適合經(jīng)常變動的場景或器件。

（3）場景導入，交互性功能開發(fā)?？梢园言贑AD、3ds Max等三維軟件中的構(gòu)建的模型導出成WRL格式文件，在VRML編輯器中進行編輯、優(yōu)化處理，最后可以在VRML瀏覽器中運行。例如：以計算機硬件系統(tǒng)構(gòu)成為例，構(gòu)建了虛擬仿真平臺，如圖1所示。

圖1 計算機硬件系統(tǒng)實驗臺

（4）建立仿真系統(tǒng)平臺。VRML文件本身是文本文件，瀏覽器對VRML文件進行逐行解釋、即時寫屏，路由及腳本中涉及的變量必須先定義后使用。可以按照虛擬實驗預先定義好的順序進行流程設計，然后再利用可視化編程語言Delphi[4]或VB[5]實現(xiàn)系統(tǒng)平臺的界面設計與編程。

2.3 虛擬現(xiàn)實技術應用于實訓的優(yōu)勢

虛擬現(xiàn)實技術在我國一些高校已經(jīng)將虛擬實訓室應用到實訓教學中?；谔摂M技術的仿真系統(tǒng)應用于實訓教學中，在計算機上用虛擬軟件作設計與測試，就像在真實的實訓室做實訓一樣，能為學生提供了一個自由實訓的平臺，而且，這種虛擬實訓不消耗器材，實訓所需器材種類和數(shù)量不受限制，實訓成本低、速度快、效率高，還可以開展各種設計性實驗。增強學生做實訓練習的自主性 ，不再受實訓室忙、設備少的約束 ，進一步提高學生的學習積極性、主動性和創(chuàng)造性.對于高校實訓室管理來說，也節(jié)省了實訓準備時間，降低了實訓成本，使實訓室管理和開放更加現(xiàn)代化、人性化.在設備不斷更新的基礎上，使得實訓緊跟時代的發(fā)展，培養(yǎng)技術技能型人才。隨著虛擬現(xiàn)實技術逐漸在高校的應用，必將對課程教學產(chǎn)生深遠的影響。

3 結(jié)束語

本研究指出了將虛擬現(xiàn)實技術應用于現(xiàn)代職業(yè)教育實訓教學中的可行性，并給出了構(gòu)建虛擬仿真實訓平臺的技術路線。相信不久的將來，隨著虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，結(jié)合人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡等學科，虛擬現(xiàn)實技術將應用于更廣的范圍，交互式的、人性化的網(wǎng)絡虛擬平臺，將成為實訓教學與應用性學習的主流。

參考文獻：

[1]郭鳳英.虛擬現(xiàn)實技術在網(wǎng)絡教學中的應用[J].北京聯(lián)合大學學報（自然科學版），2004（03）：77-79.

[2]申蔚.虛擬現(xiàn)實技術[M].北京：清華大學出版社，2009.

[3]張金釗，張金銳，張金鏑.虛擬現(xiàn)實與游戲設計[M].2007.

[4]孫軍華，季忠，王忠雷，劉莉莉.基于Delphi和VRML的虛擬裝配平臺的實現(xiàn)[J].機械科學與技術，2003（05）：855-857.

[5]黃忠.基于VB和VRML的數(shù)控仿真教學系統(tǒng)設計[J].精密制造與信息化，2009（01）：49-53.

作者簡介：張菊（1978-），女，遼寧營口人，副教授，研究方向：計算機應用、計算機軟件與理論、虛擬現(xiàn)實。

作者單位：遼寧省交通高等?？茖W校 信息工程系，沈陽 110122

基金項目：遼寧省職教學會項目，編號（LZY13369），校級項目。