虛擬現(xiàn)實在高校的應(yīng)用與建設(shè)探討

黃鵬飛

摘 要：虛擬現(xiàn)實從1963年開始，發(fā)展至今，已經(jīng)進入了如軍事、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、工程、教育、娛樂等各個領(lǐng)域。高校如何運用這一技術(shù)來給傳統(tǒng)教學(xué)進行創(chuàng)新與改革，在建設(shè)虛擬現(xiàn)實實驗室又需要面對怎樣的難題呢。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實 高校 教育 實驗室

1、引言

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）從1963年開始了聲、形、動態(tài)的模擬開始，到二十世紀(jì)八十年代由美國VPL公司的創(chuàng)建人之一，被譽為VR之父的杰倫·拉尼爾正式提出“Virtual Reality”一詞。經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展，得益于現(xiàn)在計算機的強大運算能力、傳輸數(shù)度以及交互技術(shù)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)得到了進一步的完善以及應(yīng)用，現(xiàn)在已經(jīng)進入了一個高速發(fā)展的時代。如今虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)進入了如軍事、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、工程、教育、娛樂、文化等各個領(lǐng)域，為各個領(lǐng)域的發(fā)展提供了重要的支持。各國對于虛擬現(xiàn)實不斷增加的開發(fā)預(yù)算，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的重要性可見一斑。

2、虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡介

虛擬現(xiàn)實是仿真技術(shù)的一個重要方向，結(jié)合了計算機、圖像、傳感、多媒體、網(wǎng)絡(luò)、人機接口等多項技術(shù)，創(chuàng)建出一個虛擬世界。除了能讓參與者通過裝置感受身臨其境的感覺外，還能實時地將參與者對虛擬世界的操作進行響應(yīng)從而做出反饋。

虛擬現(xiàn)實有三個基本特征：

（1）沉浸性，用戶在借用裝置能進入一個身臨其境的虛擬世界中，除了視覺與聽覺外，還可能包括觸覺、嗅覺等感官的模擬體驗。

（2）交互性，用戶能通過傳感設(shè)備（如體感控制器、數(shù)據(jù)手環(huán)、數(shù)據(jù)手套、動作捕抓等）對虛擬世界進行操作交流和反饋。

（3）構(gòu)想性，用戶能通過虛擬現(xiàn)實突破思維的局限性，將抽象具象化，可以隨意構(gòu)想不可能的環(huán)境。

3、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用

3.1軍事與科技領(lǐng)域

軍事與科技是虛擬現(xiàn)實發(fā)展的重要推進力。虛擬軍事地圖將傳統(tǒng)的軍事“沙盤”和平面地圖逐步取代，這集成了地理、環(huán)境、武器與士兵的配置，能夠進行模擬作戰(zhàn)推演和再現(xiàn)已發(fā)生的戰(zhàn)爭。指揮官、士兵、飛行員、宇航員等人員可以通過虛擬現(xiàn)實進行逼真的模擬訓(xùn)練。而虛擬實驗室的投入使醫(yī)學(xué)、工程、農(nóng)業(yè)等實驗變得更快更精準(zhǔn)。例如虛擬人體的建立將人體可視化，使手術(shù)、用藥等可以進行仿真模擬；波音公司將飛機的組建設(shè)計與產(chǎn)品性能進行虛擬的裝配設(shè)計。

3.2商業(yè)與藝術(shù)的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實發(fā)展的另外一個推進力就是在娛樂、展示等商業(yè)項目的巨大潛力。虛擬現(xiàn)實有著傳統(tǒng)媒體所沒有的臨場感、交互性以及自主性。例如藝術(shù)館與博物館利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以將靜態(tài)的藝術(shù)品與文物的展示變?yōu)閯討B(tài)，使參觀者更好地欣賞作品，近距離觀賞作品也不用擔(dān)心作品的保護。而在游戲方面，虛擬現(xiàn)實的臨場感與交互性已經(jīng)是游戲發(fā)展的下一個方向，而且也越發(fā)受到重視。在房地產(chǎn)展示與室內(nèi)設(shè)計，設(shè)計師能借助虛擬現(xiàn)實進行高效的規(guī)劃設(shè)計，然后將效果展示給客戶，客戶的反饋也可以立即去做出更改，改變了以往只能看圖紙憑空猜想、圖紙難讀懂的局面。而伴隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展運用，虛擬現(xiàn)實藝術(shù)也逐漸發(fā)展起來。交互性與超文本性是其主要特點，通過虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等手段，將真實世界與數(shù)字世界結(jié)合，創(chuàng)造出觀眾可以參與和控制的新型藝術(shù)形態(tài)。

3.3教育上的應(yīng)用

3.3.1虛擬實訓(xùn)

虛擬實訓(xùn)是虛擬現(xiàn)實在教育上最常見的運用，利用虛擬現(xiàn)實的沉浸性和互動性，使學(xué)生能投入地訓(xùn)練技能。培訓(xùn)飛機駕駛、汽車駕駛、外科手術(shù)、軍事技能、體育技能等等，由于虛擬系統(tǒng)的無風(fēng)險性，學(xué)生能反復(fù)地在模擬情景內(nèi)練習(xí)，從而達到熟練的目的。例如通過飛行模擬，可以在有效安全的情況下模擬出在各種狀況與天氣中將飛機起飛降落。而通過虛擬人體，外科醫(yī)學(xué)生能反復(fù)練習(xí)手術(shù)的操作。

3.3.2虛擬實驗室

虛擬實驗室的投入使學(xué)校的教學(xué)研究可以突破傳統(tǒng)實驗的時間、空間的限制，節(jié)省了場地、經(jīng)費、實驗設(shè)備等費用。除了能規(guī)避真實實驗操作帶來的各種危險外，虛擬實驗室還能將傳統(tǒng)實驗需要大量時間才能觀察變化的過程在短時間就可以呈現(xiàn)出來。在生物和農(nóng)業(yè)等需要大量時間等待的實驗中，能將實驗結(jié)果在一個短時間就可以運算出模擬結(jié)果。而借助虛擬人體，可以有效地進行術(shù)后效果預(yù)測，藥物研制實驗。

3.3.3虛擬演示

虛擬演示技術(shù)為學(xué)生提供了更加生動和逼真的教學(xué)過程，在演示一些難懂原理或者費用高昂的實驗時，虛擬現(xiàn)實是非常有力的工具。除了提供給學(xué)生身歷其境的體驗以外，還可以很方便地即時調(diào)整展示模型的數(shù)據(jù)來直觀地比對分析。例如在一些物理概念、生物結(jié)構(gòu)、建筑設(shè)計等方面的演示，可以更立體地將需要表現(xiàn)的效果表現(xiàn)出來，讓學(xué)生更好地理解和識別，從而加深了學(xué)習(xí)的效果。

4、關(guān)于高校建設(shè)虛擬現(xiàn)實實驗室的建設(shè)

虛擬現(xiàn)實雖然在高速發(fā)展，但是現(xiàn)階段的設(shè)備價格還是比較高昂。在硬件配備上，由于沉浸式體驗頭盔在刷新率需要在90幀以上才不會導(dǎo)致用戶出現(xiàn)眩暈感，所以基本的計算機配置要求相當(dāng)高，尤其是在顯卡圖形處理能力上面，在各家虛擬現(xiàn)實頭盔的廠家推薦配置上，顯卡普遍要求使用CUDA核心在1664個以上的顯卡，而內(nèi)存容量需要8G以上，至于CPU方面需要四核，主頻在3.3GHz以上，硬盤則推薦使用固態(tài)硬盤。

除卻計算機以外，虛擬現(xiàn)實還需要配備頭戴式顯示器，除了現(xiàn)在主流的沉浸式虛擬現(xiàn)實眼鏡，還有微軟推出的頭戴式顯示增強眼鏡，然而后者的價格是前者的四倍以上。還有就是人機交互設(shè)備，現(xiàn)階段主流的是使用操作手柄對虛擬世界進行交流，但是對于用戶的沉浸感體驗并不友好，而厲動（Leap Motion）技術(shù)能實現(xiàn)精密的手勢識別，用戶只需要在空中通過雙手就可以對虛擬世界進行交互操作，是未來的一個發(fā)展方向，相同的還有微軟的Kinect體感控制器。最后是位置追蹤器，一個能定位用戶空間位置，使用戶在一定范圍內(nèi)移動的裝置，一般是借助虛擬現(xiàn)實眼鏡上的攝像頭來進行定位，如HTC VIVE則是有一個獨立的裝置，使用激光于光敏傳感器來確定物體位置。

以上就是架構(gòu)虛擬現(xiàn)實裝置的基本配置，除去這些配置以外，還需要配備一定的使用空間給用戶使用時活動。

5、結(jié)言

如何加強虛擬現(xiàn)實在高校教育的應(yīng)用，還在一個探索的階段，而且由于現(xiàn)階段虛擬現(xiàn)實設(shè)備的價格較高，大大制約了虛擬現(xiàn)實實驗室在高校教育的推廣與應(yīng)用。但隨著未來設(shè)備硬件技術(shù)的發(fā)展與需求的進一步擴大，可預(yù)見虛擬現(xiàn)實設(shè)備會逐步步價格下降。國家發(fā)改委也將虛擬現(xiàn)實和現(xiàn)實增強納入了“互聯(lián)網(wǎng)+”的建設(shè)專項，未來虛擬現(xiàn)實技術(shù)將會在高校教育中越發(fā)重要，對于提高高校教育信息化建設(shè)的水平存在著重要意義。

參考文獻

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