虛擬實訓(xùn)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

陳晶晶　黃亞平

摘要：隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，為其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用提供了技術(shù)支持，使人們的生活、工作和學習變得更加快捷、方便。虛擬實訓(xùn)是現(xiàn)代職業(yè)教育中常用的一種技能訓(xùn)練形式，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域運用的成功案例之一。本文從虛擬實訓(xùn)的概念出發(fā)，對國內(nèi)外虛擬實現(xiàn)的研究現(xiàn)狀進行分析，為虛擬實訓(xùn)發(fā)展提供一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；實訓(xùn)；職業(yè)教育

一、虛擬實訓(xùn)

虛擬實訓(xùn)，即虛擬培訓(xùn)，英文全稱是Virtual Training。虛擬實訓(xùn)是指利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)生成實時的、具有三維信息的人工虛擬環(huán)境，學生通過運用某些設(shè)備接受和響應(yīng)環(huán)境的各種感官刺激而進入其中，并可根據(jù)需要通過多種交互設(shè)備來駕馭環(huán)境、操作工具和操作對象，從而達到提高培訓(xùn)對象各種技能或?qū)W習知識的目的。與傳統(tǒng)的訓(xùn)練方式相比，虛擬實訓(xùn)有如下優(yōu)點：擺脫時空限制、避免真實操作帶來的危險、激發(fā)學生的學習興趣、降低教學成本。

二、虛擬實訓(xùn)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

（一）虛擬實訓(xùn)國外研究現(xiàn)狀

將虛擬實訓(xùn)運用于運動技能方面的研究由來已久。早在1985年，訓(xùn)練投籃的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)已被開發(fā)。訓(xùn)練者戴上特制的手套和眼鏡，在虛擬的空間里練習投球。與在真實環(huán)境中相比，在虛擬的空間里練習投球有其顯著的特點及優(yōu)勢。如模仿真實世界中球的運行軌跡，并控制其運行的速度以適應(yīng)訓(xùn)練者的訓(xùn)練進程。開始時，球下落的速度非常緩慢，以便使訓(xùn)練者看清球運行的路線，找出偏差，調(diào)整自己的動作。隨著訓(xùn)練者投籃準確率的提高，球速也開始加快，直到球速與現(xiàn)實中的完全相同。最終，訓(xùn)練者掌握了投籃技巧，并且這與在真實的世界里練習的效果沒有多大區(qū)別。

對球類運動的訓(xùn)練中，運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅可以有效訓(xùn)練球員掌握投籃技巧，也適用于對團體的技能訓(xùn)練。美國Michigan大學虛擬實驗室的學生開發(fā)了一套運用于足球訓(xùn)練的系統(tǒng)——Virtual Football Trainer。這套系統(tǒng)是以CAVE （Cave Automatic Virtual Environment）為基礎(chǔ)的。利用這套系統(tǒng)，使用者可作為一名隊員參加足球比賽的訓(xùn)練，感覺到自己就像站在一群隊員之中，使用者可以向各個方向任意走動，可以飛跑去搶球。這套系統(tǒng)為使用者提供了一個近乎真實的訓(xùn)練場景，非常適合訓(xùn)練足球隊員的實戰(zhàn)能力。

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，在其他領(lǐng)域的應(yīng)用中虛擬現(xiàn)實技術(shù)也取得了不錯的成果。在醫(yī)學領(lǐng)域，日本Nagasaki應(yīng)用科學技術(shù)研究所建立了一種基于“動作接口”的增強環(huán)境，用于病人的生理功能和定位能力測試，提供有效的康復(fù)訓(xùn)練計劃。Rutgers大學設(shè)計成了一種敏感手套，用于記錄手指的運動和力，手套利用記錄數(shù)據(jù)和力反饋信息啟動相應(yīng)的康復(fù)療法。德國國家信息技術(shù)研究中心開發(fā)的一種交互式應(yīng)用程序，借助Virtools VR Pack，通過因特網(wǎng)或企業(yè)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)，更好地為學生提供課堂環(huán)境下的醫(yī)療培訓(xùn)。這種極其詳細的3D模型所產(chǎn)生的真實感，使學生能夠像在現(xiàn)實環(huán)境下一樣進行各種各樣的心臟病理實驗。

在航天領(lǐng)域，美國航天局曾在“哈勃太空望遠鏡的修復(fù)和維護”計劃中采用了虛擬現(xiàn)實仿真訓(xùn)練技術(shù)。宇航員訓(xùn)練時坐在一個模擬的帶有傳感裝置的椅子上，用于在虛擬空間中作直線運動的位移控制器和調(diào)節(jié)宇航員朝向的旋轉(zhuǎn)控制器。宇航員戴的立體頭盔可以顯示望遠鏡、航天飛機和太空的模型，并用數(shù)據(jù)手套和系統(tǒng)進行交互。訓(xùn)練時宇航員通過虛擬手抓住“模塊更換儀”，就可以利用座椅的控制器在虛擬的太空中飛行了。經(jīng)過反復(fù)的維護訓(xùn)練以后，宇航員最終升空成功更換了哈勃太空望遠鏡上損壞的模塊更換儀。

此外，在虛擬現(xiàn)實技術(shù)在物流管理等經(jīng)濟領(lǐng)域的應(yīng)用也大有前景。AUTOMOD是由美國Automation推出的三維物流仿真系統(tǒng)，為用戶提供了一系列的物流系統(tǒng)模塊來仿真現(xiàn)實世界中的物流自動化系統(tǒng)。

（二）虛擬實訓(xùn)國內(nèi)研究現(xiàn)狀

虛擬實訓(xùn)在國內(nèi)的研究主要集中在高校和職業(yè)院校應(yīng)用。例如，北京航空航天大學計算機系是最早進行虛擬現(xiàn)實研究、最具權(quán)威的單位之一，研發(fā)了用于飛行員訓(xùn)練虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實演示系統(tǒng)，研究了虛擬環(huán)境中的物理特性的表示和處理并提出相關(guān)算法和實現(xiàn)方法。北京科技大學鐘延炯教授研制的VR-4的汽車駕駛模擬器，模擬仿真各種路況上進行駕駛技能的學習和訓(xùn)練，產(chǎn)生逼真的效果。 VR-4可以提供多項教練場的正常條件下無法提供的訓(xùn)練項目，如惡劣天氣下的訓(xùn)練，跟隨前車的訓(xùn)練等。

此外，虛擬實驗室作為虛擬實驗、虛擬訓(xùn)練的場所也受到了高校的重視。例如，深圳大學基因工程虛擬實驗室通過綜合運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)構(gòu)建的三維實驗室環(huán)境，學習者可以在虛擬實驗室場景中，自由操縱實驗器材進行模擬實驗，緩解了基因工程實驗昂貴的實驗費用和學生實驗需求之間的矛盾。同時，虛擬實驗室的研究也存在一定的不足。陳小紅等通過對虛擬實驗系統(tǒng)及其國內(nèi)外現(xiàn)狀的研究，分析了虛擬實驗系統(tǒng)研究的不足及發(fā)展趨勢，指出現(xiàn)階段虛擬實驗室的研究存在不夠深入、系統(tǒng)等問題，尤其對效果評價方面的研究較少。

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