虛擬現(xiàn)實在仿真實驗教學中的應(yīng)用

摘 要隨著科技的高速進步，大量新型技術(shù)問世，對社會發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一門應(yīng)用范圍廣闊、應(yīng)用效果卓越的新型技術(shù)，在仿真實驗教學等工作中發(fā)揮了不可或缺的作用。在仿真實驗及教學過程中應(yīng)用先進的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，有利于顯現(xiàn)模擬那些客觀存在，而在課堂教學環(huán)境中難以實現(xiàn)的事物，從而大幅縮減仿真實驗教學的成本，保障仿真實驗教學的質(zhì)量。本文主要研究了虛擬現(xiàn)實在仿真實驗教學中的應(yīng)用，供讀者參考借鑒。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實 仿真實驗教學 應(yīng)用

實驗教學工作在理工科教學活動中扮演了重要的角色，有利于鞏固學生的理論知識學習成果、深化學生掌握及理解知識的能力，培養(yǎng)并強化學生分析及解決問題的能力。現(xiàn)階段，受實驗室條件的限制，在實際的理工科實驗教學活動中，學生們往往借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)在相關(guān)模型上開展實驗研究工作。目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在仿真實驗教學中廣泛應(yīng)用，收到了顯著的成效，極大地推動了仿真實驗教學的進步。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的內(nèi)涵及主要語言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡稱VR，其是一類可以體驗及創(chuàng)建虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，借助計算機生成相應(yīng)的模擬環(huán)境并使用戶沉浸至該環(huán)境之中。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是仿真技術(shù)研究與發(fā)展的一個重要方向，其是計算機圖形學、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人機接口技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度融合，是一門復雜程度極高、應(yīng)用空間廣闊的新型技術(shù)。

就目前狀況而言，VBML語言是虛擬環(huán)境構(gòu)建工作所使用的主要語言，其能夠有效靈活地將二維圖形、三維圖形、視頻及音頻等效果調(diào)和于一起，從而創(chuàng)造出一個綜合性極強的虛擬場景，并為虛擬場景賦予較強的實時感及空間感。用戶可以在虛擬場景中隨意巡行，而且能夠?qū)鼍爸械南嚓P(guān)對象進行交互式的操作。

2 虛擬倒立擺三維場景的構(gòu)造

VRML是重要的虛擬現(xiàn)實建模語言，人們利用VBML語言能夠快捷、有效地建立虛擬三維場景。作為虛擬空間的文本性描述，VBML文件可以由任意一個記事本生成，而“.wrl”是VBML文件的擴展名。經(jīng)驗表明，在建模工作中運用VBML較為困難，需要經(jīng)歷大量的必要程序，不僅無法實現(xiàn)所見即所得，還要編寫大量的程序代碼，工作量極大。

MATLAB中自帶了一個三維物體構(gòu)造軟件包，軟件包的名稱為V-Realm Builder，該軟件包的功能十分強大，其能夠提供一個優(yōu)質(zhì)的集成開發(fā)環(huán)境，支持VBML的瀏覽器能夠看到該軟件包所生成的虛擬世界及三維物體。V-Realm Builder既能夠簡化三維物體的創(chuàng)造工作，同時還可以提供極為強大的三維物體編輯功能。使用者能夠直接對界面中的每一個域及節(jié)點進行開展編輯工作，而且相應(yīng)的場景立刻得到顯示與修改。使用者能夠輕松、便捷地進行節(jié)點修改、編輯與增加操作，絕大部分編輯功借助鼠標即可完成。V-Realm Builder的VBML的構(gòu)造能力極其強大，基于此，可以在仿真實驗教學中構(gòu)建虛擬的三維倒立式擺模型。

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在仿真實驗教學中的應(yīng)用

3.1 分布式開發(fā)

在仿真實驗教學中應(yīng)用相應(yīng)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)而得到分布式虛擬環(huán)境系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以最大化地滿足分布式仿真對共享虛擬環(huán)境的各類要求，同時還能夠適應(yīng)復雜虛擬實驗環(huán)境對計算工作的需要?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)是分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的重要核心，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進步，分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的先進性與完善性逐漸增強，該系統(tǒng)能夠促使不同的實驗者在不同區(qū)域，同一時間內(nèi)進入分布式虛擬環(huán)境中，為異地實驗者提供了共同學習理論知識、分享實驗經(jīng)驗的機會。

3.2 虛擬現(xiàn)實實驗教學中的集成技術(shù)

軟件系統(tǒng)集成是虛擬現(xiàn)實技術(shù)集成的前提條件及重要基礎(chǔ)，而系統(tǒng)的集成被視作虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)集成的關(guān)鍵表現(xiàn)。由虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立的實驗系統(tǒng)中軟件的高度集成能夠確保系統(tǒng)集成的靈活性，這種靈活性往往表現(xiàn)在不同層面之上，能夠促進仿真實驗教學的進步。虛擬現(xiàn)實實驗環(huán)境中囊括了大量易被系統(tǒng)感知的信息，也含納了三維立體模型，因此，虛擬實驗系統(tǒng)的集成技術(shù)能夠在縮減實驗成本的基礎(chǔ)上提升實驗教學的質(zhì)量。數(shù)據(jù)識別、實驗對象的同步、實驗?zāi)Ｐ偷臉俗R及數(shù)據(jù)形態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)集成技術(shù)的主要組成成分。

3.3 生成實時三維圖形

現(xiàn)階段，虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的三維立體圖形生成技術(shù)已較為成熟，對實驗效果的同步技術(shù)是三維圖形生成技術(shù)的核心技術(shù)之一。通常情況下，若要實現(xiàn)實時生成實驗效果的目標，則需要保證三維立體圖形的刷新速率不低于16幀每秒。在一定的范圍內(nèi)，三維立體圖形刷新速率越快越好，一般認為最佳的三維立體圖形刷新速率應(yīng)不低30幀每秒。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在仿真實驗教學的應(yīng)用過程中，應(yīng)當在不降低三維立體圖形的質(zhì)量及數(shù)量的基礎(chǔ)上適當?shù)靥嵘龍D形的刷新速率。

3.4 動態(tài)環(huán)境建模

在應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的過程中應(yīng)當做好動態(tài)建模工作。應(yīng)用動態(tài)建模技術(shù)的主要目的是構(gòu)建與仿真實驗教學相對應(yīng)的環(huán)境模擬模型，借助來源于現(xiàn)實實驗環(huán)境中的建模數(shù)據(jù)，緊密結(jié)合實際仿真實驗教學的具體需要來建立合適的模型。在三維數(shù)據(jù)信息采集過程中，需要用到計算機輔助設(shè)計技術(shù)等技術(shù)。在實際的動態(tài)環(huán)境建模工作中，應(yīng)當考慮到相關(guān)實驗設(shè)備及實驗流程的復雜程度，遴選最合適的建模軟件來開展實物三維造型的構(gòu)造工作。

4 結(jié)語

得益于科學技術(shù)的高速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)逐漸成熟并在諸多行業(yè)中成功應(yīng)用。新的發(fā)展形勢下做好虛擬現(xiàn)實技術(shù)在仿真實驗教學中的應(yīng)用工作具有重要的現(xiàn)實意義，有利于縮減實驗成本、提升實驗質(zhì)量。在實際的虛擬環(huán)境構(gòu)建過程中要注意相關(guān)技術(shù)要點、遴選最恰當、先進的建模軟件開展建模工作，廣大教師要不斷地提升自身的綜合素質(zhì)，善于總結(jié)借鑒優(yōu)秀的建模經(jīng)驗，從而最大程度地強化虛擬現(xiàn)實技術(shù)在仿真實驗教學中的應(yīng)用質(zhì)量。

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作者簡介

董艷雯（1970-），女，河南省鄭州市人。碩士學位?，F(xiàn)為鄭州市技師學院講師。主要研究方向為電子、教育。

作者單位

鄭州市技師學院 河南省鄭州市 450000