關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高校教學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用和發(fā)展的分析

梁光華

摘要：隨著現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，信息技術(shù)在各行各業(yè)發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality Technology）在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中脫穎而出。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將在高校教學(xué)中改變以往說(shuō)教式的教學(xué)模式，學(xué)生不再是被動(dòng)的接收學(xué)習(xí)的內(nèi)容，而是能夠以各種形式參與到教學(xué)中。VR技術(shù)使用三維的形式生動(dòng)形象的表現(xiàn)著教學(xué)內(nèi)容，營(yíng)造了一個(gè)沉浸的教學(xué)環(huán)境，能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，延長(zhǎng)知識(shí)記憶的時(shí)間。本文主要是分析虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特點(diǎn)及它在高校教學(xué)過(guò)程中應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);沉浸;教學(xué)模式

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）技術(shù)又稱為靈境技術(shù)，它是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真，它使用戶沉浸到該環(huán)境中。

VR技術(shù)是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)人機(jī)接口技術(shù)多媒體技術(shù)傳感技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合，是一門(mén)富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。VR技術(shù)主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備等方面。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

美國(guó)是VR技術(shù)的發(fā)源地，目前美國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)上主要集中在感知、用戶界面、后臺(tái)和硬件的研究。

我國(guó)對(duì)VR技術(shù)的研究和發(fā)達(dá)國(guó)家相比起步較晚有一定的差距，但我國(guó)政府和科學(xué)家們開(kāi)始高度的重視了。政府有關(guān)部門(mén)根據(jù)我國(guó)的國(guó)情制定了開(kāi)展VR技術(shù)的研究計(jì)劃。在九五計(jì)劃、國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃等都把VR技術(shù)研究列入了研究的項(xiàng)目中。

北京航空航天大學(xué)主要研究了VR環(huán)境中的物體的物理特性的表示與處理，并開(kāi)發(fā)出虛擬現(xiàn)實(shí)中的視覺(jué)接口方面的硬件，提供了有關(guān)的算法和實(shí)現(xiàn)的方法。

浙江大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出了一套桌面型虛擬建筑實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)。

哈爾濱大學(xué)成功的虛擬出人的高級(jí)行為中特定人臉圖像的合成、表情的合成、唇動(dòng)的合成，目前正在研究人說(shuō)話時(shí)頭勢(shì)、手勢(shì)動(dòng)作、語(yǔ)音和語(yǔ)調(diào)的同步合成等。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)及系統(tǒng)組成

1.VR技術(shù)的特點(diǎn)（3個(gè)）

（l）沉浸感（Immersion）又稱臨場(chǎng)感，這是VR系統(tǒng)的核心，指利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的三維立體圖像，讓人置身于一種虛擬環(huán)境中，給人一種身臨其境之感。

（2）交互性（Interaction）是人機(jī)和諧的關(guān)鍵性因素，是指用戶對(duì)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(shí)時(shí)性）。

（3）構(gòu)想性（Imagination）VR不僅僅是一個(gè)用戶與終端的接口，還可使用戶沉浸其中獲取新的知識(shí)，提高感性和理性認(rèn)識(shí)，從而具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類認(rèn)知范圍，不僅可再現(xiàn)真實(shí)存在的環(huán)境，也可以隨意構(gòu)想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。因而可以說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)可以啟發(fā)人的創(chuàng)造性思維。

2、VR系統(tǒng)的組成

一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由虛擬環(huán)境、以高性能計(jì)算機(jī)為核心的虛擬環(huán)境處理器、以頭盔顯示器為核心的視覺(jué)系統(tǒng)、以語(yǔ)音識(shí)別、聲音合成與聲音定位為核心的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)、以方位跟蹤器、數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)衣為主體的身體方位姿態(tài)跟蹤設(shè)備，以及味覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)與力覺(jué)反饋系統(tǒng)等功能單元構(gòu)成。

四、虛擬現(xiàn)實(shí)的核心技術(shù)

VR技術(shù)是多種技術(shù)的綜合，主要技術(shù)如下：

1.動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)

動(dòng)態(tài)環(huán)境建模就是獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型

2.實(shí)時(shí)三維圖形技術(shù)

三維圖形的生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟，其關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)”生成。

3.立體顯示和傳感器技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展。現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的需要。

4.跟蹤技術(shù)

利用頭部跟蹤（VR頭套）來(lái)改變圖像的視角，用戶的視覺(jué)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)之間就可以聯(lián)系起來(lái)，感覺(jué)更逼真。用戶不僅可以通過(guò)雙目立體視覺(jué)去認(rèn)識(shí)環(huán)境，而且可以通過(guò)頭部的運(yùn)動(dòng)去觀察環(huán)境。

5.觸覺(jué)/力覺(jué)反饋技術(shù)

在一個(gè)VR系統(tǒng)中，用戶可以看到一個(gè)虛擬的杯子。你可以設(shè)法去抓住它，但是你的手沒(méi)有真正接觸杯子的感覺(jué)，并有可能穿過(guò)虛擬杯子的“表面”，而這在現(xiàn)實(shí)生活中是不可能的。解決這一問(wèn)題的常用裝置是在手套內(nèi)層安裝一些可以振動(dòng)的觸點(diǎn)來(lái)模擬觸覺(jué)。

6.立體聲音技術(shù)

VR是從記錄到重放整個(gè)系統(tǒng)后，能夠在一定程度上恢復(fù)原發(fā)生的空間感技術(shù)，稱為立體聲技術(shù)。現(xiàn)有的VR技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這一目標(biāo)。

7.語(yǔ)音技術(shù)

在VR系統(tǒng)中的語(yǔ)音輸入輸出也很重要，這就要求虛擬環(huán)境能聽(tīng)懂人的語(yǔ)言，并能與人實(shí)時(shí)交互。使用人的自然語(yǔ)言作為計(jì)算機(jī)輸入目前有兩個(gè)問(wèn)題，第一是效率問(wèn)題，為便于計(jì)算機(jī)理解，輸入的語(yǔ)音可能會(huì)相當(dāng)啰嗦。第二是正確性問(wèn)題，計(jì)算機(jī)理解語(yǔ)音的方法是對(duì)比匹配，而沒(méi)有人的智能。

8.系統(tǒng)集成技術(shù)

集成技術(shù)包括信息的同步技術(shù)、模型的標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)管理模型、識(shí)別和合成技術(shù)等等。

五、虛擬技術(shù)在高校教學(xué)中

虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境能夠?yàn)閷W(xué)生提供生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，如建造人體模型、電腦太空旅行、化合物分子結(jié)構(gòu)顯示等，在廣泛的科目領(lǐng)域提供無(wú)限的虛擬體驗(yàn)，從而加速和鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的過(guò)程。

課堂教學(xué)是教學(xué)的主要方式，也是虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)用于教學(xué)的主要戰(zhàn)場(chǎng)。根據(jù)不同的學(xué)科，虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)揮著不同的作用。

結(jié)束語(yǔ)

在互聯(lián)網(wǎng)迅猛發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異的當(dāng)代，不久VR技術(shù)必將會(huì)改變?nèi)藗兊乃季S方式，甚至?xí)淖內(nèi)藗儗?duì)世界、自己、空間的看法。VR技術(shù)是一項(xiàng)發(fā)展中的、具有深遠(yuǎn)的潛在應(yīng)用方向的新技術(shù)。利用它，可以使自五湖四海的人們一同學(xué)習(xí)、討論、游戲，使人們的工作、生活、娛樂(lè)更加有情趣。

VR技術(shù)已開(kāi)始走進(jìn)高校教學(xué)，但要提供一個(gè)真正身臨其境的游戲或應(yīng)用體驗(yàn)還存在著較大的局限性，這些問(wèn)題至今還沒(méi)有很好的解決辦法。由于VR系統(tǒng)的硬件設(shè)施價(jià)格昂貴，而制約了VR在教學(xué)中的普及和應(yīng)用。隨著VR技術(shù)在高校教學(xué)中的不斷發(fā)展和完善，以及硬件設(shè)備價(jià)格的不斷降低，軟件的適用不斷增強(qiáng)，VR以其自身強(qiáng)大的教學(xué)優(yōu)勢(shì)和潛力將廣泛應(yīng)用于教學(xué)。