數(shù)字音頻與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的跨學(xué)科應(yīng)用與實(shí)踐探討

劉星

【摘? 要】 數(shù)字音頻技術(shù)（Digital Audio Technology）和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality Technology）是當(dāng)今快速發(fā)展的領(lǐng)域，它們在各自領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展。然而，將數(shù)字音頻和虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合起來，探索它們的交叉點(diǎn)，研究與探討跨學(xué)科應(yīng)用的多領(lǐng)域合作研發(fā)的可行性依然屬于創(chuàng)新性研發(fā)內(nèi)容。文章旨在研究數(shù)字音頻和虛擬現(xiàn)實(shí)的交叉點(diǎn)，探索其在不同領(lǐng)域的創(chuàng)新和發(fā)展，如教育、醫(yī)療、娛樂和仿真訓(xùn)練等。文章通過數(shù)字音頻和虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的特點(diǎn)，結(jié)合同類參考文獻(xiàn)的合理分析，分析兩大領(lǐng)域之間相結(jié)合的特點(diǎn)，在已有研究的基礎(chǔ)上挖掘創(chuàng)新點(diǎn)，著眼于提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)參與度、增強(qiáng)式沉浸感以及延伸拓展應(yīng)用領(lǐng)域。

【關(guān)鍵詞】 數(shù)字音頻；虛擬現(xiàn)實(shí)；學(xué)習(xí)參與度；跨學(xué)科應(yīng)用；交互式學(xué)習(xí)

一、數(shù)字音頻與虛擬現(xiàn)實(shí)的創(chuàng)新應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是基于其交互性特征創(chuàng)造出的令人沉浸的人機(jī)交互體驗(yàn)，體現(xiàn)在通過模擬現(xiàn)實(shí)世界或創(chuàng)造3D虛構(gòu)環(huán)境來提供視覺、聽覺和觸覺相結(jié)合的綜合性體驗(yàn)。因此其特征體現(xiàn)在沉浸式體驗(yàn)、交互性與實(shí)時渲染三個方面。數(shù)字音頻和虛擬現(xiàn)實(shí)的跨學(xué)科應(yīng)用在教育領(lǐng)域具有巨大的潛力。通過將數(shù)字音頻與虛擬現(xiàn)實(shí)二者相結(jié)合，可以創(chuàng)造出逼真而豐富的學(xué)習(xí)環(huán)境，提供更具吸引力和有效性的教學(xué)體驗(yàn)。學(xué)生可以通過沉浸式的虛擬場景和音頻交互與教材內(nèi)容進(jìn)行互動，誘發(fā)求知欲，從而提升學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)成效。

二、探索交叉應(yīng)用與跨界合作

將數(shù)字音頻技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，探索二者的交叉點(diǎn)，可以引發(fā)許多創(chuàng)新和發(fā)展機(jī)會。首先，立體空間的音頻定位和聲音傳播技術(shù)可以為虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的聽覺體驗(yàn)增添真實(shí)感。通過精確計(jì)算聲音的位置和傳播路徑，用戶可以感受到聲音從特定方向和距離傳來，立體化的環(huán)繞聲效果增強(qiáng)了環(huán)境的逼真度，為創(chuàng)造學(xué)習(xí)對象的沉浸感提供了必要的前提條件。其次，實(shí)時音頻渲染技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)中發(fā)揮著重要作用。依附于計(jì)算機(jī)的發(fā)展，傳統(tǒng)的音頻渲染方法曾因設(shè)備功能所限無法滿足其實(shí)時性和互動性的需求，而虛擬現(xiàn)實(shí)場景需要即時的音頻響應(yīng)反饋。因此，研究人員開發(fā)了各種實(shí)時音頻渲染算法和技術(shù)，如ASIO（Audio Stream Input Output）驅(qū)動技術(shù)減少了音頻流信號的延遲以適應(yīng)不同虛擬現(xiàn)實(shí)平臺和硬件設(shè)備；空氣衰減模擬對于現(xiàn)實(shí)中的聲音現(xiàn)象進(jìn)行模擬，使得聽起來遠(yuǎn)近分明達(dá)到環(huán)境更加逼真的效果，提供高質(zhì)量的音頻體驗(yàn)直接表現(xiàn)在用戶感官上即為身臨其境的體驗(yàn)感。這種音頻的空間感與虛擬空間的視覺3D效果交互帶來的臨場感是帶來沉浸度的必要條件之一。

三、深入剖析數(shù)字音頻和虛擬現(xiàn)實(shí)的跨學(xué)科應(yīng)用

（一）數(shù)字音頻和虛擬現(xiàn)實(shí)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用

學(xué)生可以通過語音交互與虛擬教師進(jìn)行對話，向教師提問或參與搶答類小競賽，增強(qiáng)學(xué)習(xí)互動性效果提升課堂注意力與學(xué)習(xí)參與度。適度引用娛樂性的問答小游戲，可以通過音頻效果增強(qiáng)用戶的沉浸感和情感體驗(yàn)，使游戲體驗(yàn)更加真實(shí)而有趣。如答對了加分并獲取小金幣，而答錯了則會減去積分。在中小學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)中，建議教師可以因地制宜地采用不同的獎懲方式來激勵學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度。跨學(xué)科應(yīng)用領(lǐng)域中的教育領(lǐng)域的應(yīng)用在多媒體結(jié)合上已得到了普遍體現(xiàn)，早早受益于數(shù)字音頻與圖文動畫或視頻的結(jié)合。更為真實(shí)、立體化的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境結(jié)合數(shù)字音頻可以為學(xué)生創(chuàng)造逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，提供更具吸引力和有效性的教學(xué)體驗(yàn)。結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)的E-Learning系統(tǒng)可以使得復(fù)雜的理論教學(xué)變得直觀生動。桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)階段適用于普及化的大眾教育領(lǐng)域，得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，普通用戶的臺式電腦或便攜式電腦均可成為運(yùn)行載體。采用由三維動畫軟件3dsMax構(gòu)建的虛擬場景，附上豐富的貼圖素材可以很好地展示出逼真的環(huán)境效果，導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)三維環(huán)境編輯軟件Virtools或VRP- Builder虛擬現(xiàn)實(shí)平臺后，學(xué)生可以通過三維虛擬場景和音頻交互設(shè)計(jì)與場景展示的內(nèi)容進(jìn)行互動，生動形象的角色動畫增強(qiáng)了學(xué)習(xí)趣味性，有助于迅速提高學(xué)習(xí)成效。利用虛擬現(xiàn)實(shí)和數(shù)字音頻可以創(chuàng)建逼真學(xué)習(xí)環(huán)境的特點(diǎn)，學(xué)生能夠身臨其境地體驗(yàn)各種學(xué)科。以歷史為例，學(xué)生可以通過虛擬歷史場景了解中國歷史、參觀革命根據(jù)地、觀看莫高窟壁畫、圓明園遺址、深入了解古文明如各朝各代的歷史建筑與遺跡等。借助數(shù)字音頻技術(shù)聽到真實(shí)的環(huán)境音效與講解，增加對歷史事件的深入理解和記憶。在實(shí)踐過程中不斷優(yōu)化細(xì)節(jié)和用戶體驗(yàn)，桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境尤其在中小學(xué)教育領(lǐng)域上優(yōu)勢明顯，相較于枯燥的課本，無論在知識結(jié)構(gòu)或傳播方式上，聲音加上畫面的多媒體演示課件，結(jié)合沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)教育平臺將在提升學(xué)生的愛國熱情方面作出更為有效的貢獻(xiàn)。結(jié)合當(dāng)下游戲、手機(jī)短視頻在學(xué)生中盛行的現(xiàn)狀，強(qiáng)化愛國主義教育無疑在當(dāng)今有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

（二）數(shù)字音頻和虛擬現(xiàn)實(shí)在醫(yī)療、軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的不斷完善，數(shù)據(jù)手套（Data Glove）與視覺感知設(shè)備頭盔顯示儀（HMD）的應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)越來越展示出對于社會各領(lǐng)域的強(qiáng)大影響力。結(jié)合了音頻技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在其他領(lǐng)域如醫(yī)療、軍事上也展示出了巨大的潛力。首先，在醫(yī)療模擬訓(xùn)練、心理治療等方面具有廣泛應(yīng)用。通過模擬真實(shí)的醫(yī)療場景和音頻反饋，醫(yī)護(hù)人員和患者可以獲得更真實(shí)和全面的體驗(yàn)，提高技能水平和治療效果。通過虛擬現(xiàn)實(shí)和音頻療法，醫(yī)療專業(yè)人員可以為患者提供更好的治療體驗(yàn)。

例如，在心理健康治療中，虛擬現(xiàn)實(shí)可以使用音樂或音效創(chuàng)造出安全且可控的環(huán)境，利用粉紅噪音、白噪音的治愈性特點(diǎn)，幫助患者減輕焦慮和壓力，治療失眠及輔助治療抑郁等癥狀，有效平復(fù)患者病情；而應(yīng)用在軍事上則在提升效率方面卓有成效，例如在飛行模擬器仿真訓(xùn)練領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)和數(shù)字音頻的結(jié)合也具有重要意義。通過精確的音頻模擬和反饋，受訓(xùn)人員可以獲得更真實(shí)的體驗(yàn)，有效應(yīng)對各類復(fù)雜場景增強(qiáng)個人軍事技能和反應(yīng)速度。通過三維建模設(shè)計(jì)創(chuàng)建飛行模擬器和駕駛模擬器對象，并利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互設(shè)計(jì)來提供逼真的駕駛體驗(yàn)，數(shù)字音頻可以增強(qiáng)模擬環(huán)境的真實(shí)感。駕駛艙外的爆炸聲、劃過地面發(fā)射的高射炮、低空飛行時的地面環(huán)境……通過實(shí)時的音頻模擬反饋，受訓(xùn)人員將被帶入涉及自身生存危機(jī)的虛擬戰(zhàn)場，還原戰(zhàn)場的真實(shí)性，使受訓(xùn)人員更全面地面對各種突發(fā)事件，增強(qiáng)其應(yīng)變能力，研發(fā)內(nèi)容還可以根據(jù)事件模擬環(huán)境的設(shè)計(jì)需求擴(kuò)展到其他平臺，如采用AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）的實(shí)景畫面來輔助完成場景設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)者宛如置身于真實(shí)的作業(yè)環(huán)境中，操作著3D全景游戲一樣的方式來完成訓(xùn)練內(nèi)容，沉浸式的體驗(yàn)使受訓(xùn)人員全神貫注地提高操作技能和應(yīng)對復(fù)雜場景的能力，虛擬現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)場的設(shè)計(jì)對于一線作戰(zhàn)人員來說，能提高實(shí)戰(zhàn)效率，大幅度降低自身損耗，從而體現(xiàn)出軍事應(yīng)用領(lǐng)域上的重要意義。當(dāng)今國際風(fēng)云突變，俄烏戰(zhàn)爭開啟的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭燒錢模式為我們帶來了些許啟示。結(jié)合實(shí)戰(zhàn)音效開發(fā)沉浸式的立體化虛擬現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)場并培訓(xùn)新兵的軍訓(xùn)方式應(yīng)更為廣泛地得到普及式開發(fā)，圍繞虛擬現(xiàn)實(shí)的科研體現(xiàn)在軍事上的重要亮點(diǎn)是可以大幅度的為國家節(jié)約高昂的軍事培訓(xùn)費(fèi)用與縮短新兵入門培訓(xùn)時間。

（三）數(shù)字音頻和虛擬現(xiàn)實(shí)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

跨學(xué)科合作為推動數(shù)字音頻與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展提供了契機(jī)。合作和交流促進(jìn)了知識共享和技術(shù)進(jìn)步。專業(yè)上二者相結(jié)合，社會上延伸應(yīng)用到更為廣闊的領(lǐng)域?？鐚W(xué)科應(yīng)用的多領(lǐng)域合作型研發(fā)為各領(lǐng)域的研究者和從業(yè)者提供了創(chuàng)新思路和發(fā)展方向。通過將數(shù)字音頻和虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，可以創(chuàng)造出新穎而豐富的體驗(yàn)，除了教育、醫(yī)療、軍事等還在拓展的應(yīng)用領(lǐng)域，通過相關(guān)的科研項(xiàng)目研發(fā)不斷進(jìn)步，不斷提升用戶滿意度。音頻領(lǐng)域的專家可以借鑒虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，而虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的專家則可以從音頻領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)中受益。在團(tuán)隊(duì)合作的推進(jìn)下這種跨學(xué)科的合作可以加速技術(shù)的發(fā)展與推廣，推動數(shù)字音頻與虛擬現(xiàn)實(shí)的融合應(yīng)用的深度發(fā)展。體現(xiàn)在娛樂方面，虛擬現(xiàn)實(shí)游戲和音頻娛樂體驗(yàn)將更加逼真和沉浸。音頻技術(shù)可以增強(qiáng)游戲場景的真實(shí)感，使用戶更加身臨其境，提升娛樂價值和用戶參與度。在探討虛擬現(xiàn)實(shí)音樂演出和體驗(yàn)的案例中，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，音樂愛好者可以參與身臨其境的音樂會和演出，與音樂家互動。在享受身臨其境的音頻效果的同時，還因?yàn)橐纛l技術(shù)的降噪與音頻混響調(diào)節(jié)等附加功能的介入，用戶可以根據(jù)自己的欣賞習(xí)慣切換不同的模式，調(diào)節(jié)均衡器增強(qiáng)或削弱低音等，使得用戶可以舒服地躺在自家沙發(fā)上，佩戴頭盔顯示儀在虛擬演出廳中實(shí)時觀演的同時，還可調(diào)節(jié)適用于自身的音頻設(shè)置。充分利用數(shù)字音頻與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將使用戶的享受程度相較于演出現(xiàn)場更勝一籌成為可能。

（四）樹立正確、務(wù)實(shí)的科學(xué)研究態(tài)度

雖然數(shù)字音頻和虛擬現(xiàn)實(shí)在教育、醫(yī)療和軍事領(lǐng)域均具有巨大潛力，但其應(yīng)用仍處于不斷發(fā)展和探索的階段。技術(shù)的成本和可用性具有相對性特征，仍然是實(shí)施和推廣這些應(yīng)用的挑戰(zhàn)之一。在軍事上結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)能降低高昂的培訓(xùn)成本，而針對本不發(fā)達(dá)的教育資源開發(fā)，基于本國人口規(guī)模大的特點(diǎn)，在教育領(lǐng)域應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)要做到完全普及化是有一定難度的。建議以桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)為主，同時設(shè)立虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室組織學(xué)生分批分組進(jìn)行體驗(yàn)式學(xué)習(xí)，逐個通過虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔及手套等設(shè)備進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室參與進(jìn)來，分批次完成交互性實(shí)驗(yàn)，如拾取虛擬物體內(nèi)容等。此外，在醫(yī)療領(lǐng)域治療有效性也非一成不變的，不同的人會有不同的反應(yīng)，都無法一概而論。其中用戶參與度也會體現(xiàn)出參差不齊的體驗(yàn)結(jié)果，人們更注重用同屬心理治療的有效方式——音樂療法來影響人的神經(jīng)系統(tǒng)，達(dá)到治療的目的。即便預(yù)估的學(xué)習(xí)效果或醫(yī)療效果是積極的，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的音頻療法也是需要經(jīng)歷多次實(shí)驗(yàn)，通過時間與數(shù)據(jù)的積累來驗(yàn)證的。對這種實(shí)驗(yàn)室搭建成本高難度大、實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想、不盡人意的現(xiàn)狀，要求人們在進(jìn)行新興領(lǐng)域探索的同時持有足夠的耐心與不輕易言敗的務(wù)實(shí)科學(xué)態(tài)度。

（五）跨學(xué)科的合作、創(chuàng)新與挑戰(zhàn)

盡管數(shù)字音頻技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的跨學(xué)科應(yīng)用充滿機(jī)遇，但也面臨一系列挑戰(zhàn)。在技術(shù)層面，需要應(yīng)對實(shí)時音頻渲染、三維實(shí)時音頻定位技術(shù)（3D Real-time Localization）等技術(shù)挑戰(zhàn)。為了提供高質(zhì)量的音頻體驗(yàn)，不僅需要投入更多成本以選擇適當(dāng)?shù)奶摂M現(xiàn)實(shí)和音頻硬件，還需要解決音頻硬件設(shè)備與虛擬現(xiàn)實(shí)平臺之間的兼容性問題；在用戶體驗(yàn)方面，面臨著如何創(chuàng)造逼真且沉浸式的音頻體驗(yàn)的挑戰(zhàn)，使用戶仿佛置身于真實(shí)世界的音頻環(huán)境中，并將現(xiàn)實(shí)環(huán)境與虛擬現(xiàn)實(shí)場景完美融合。解決這些挑戰(zhàn)需要廣泛的跨學(xué)科合作。這意味著將有經(jīng)驗(yàn)的音頻專家、虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)者、教育專家、醫(yī)學(xué)專家甚至軍事專家等多領(lǐng)域的人才匯聚在一起，汲取相關(guān)的專業(yè)知識和技能。通過與同領(lǐng)域?qū)I(yè)人士的合作，可以創(chuàng)建更真實(shí)、更專業(yè)的虛擬環(huán)境設(shè)計(jì)，從而提升學(xué)習(xí)者的沉浸感。

這種協(xié)作將有助于克服技術(shù)和用戶體驗(yàn)方面的挑戰(zhàn)，并為數(shù)字音頻與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的跨學(xué)科應(yīng)用帶來積極的推動力。

四、結(jié)語

綜上所述，數(shù)字音頻與虛擬現(xiàn)實(shí)的跨學(xué)科應(yīng)用在教育、醫(yī)療、軍事、娛樂等領(lǐng)域均展示出巨大的優(yōu)勢與發(fā)展?jié)摿?。通過研究數(shù)字音頻和虛擬現(xiàn)實(shí)的交叉點(diǎn)，合理地構(gòu)建專業(yè)性研發(fā)團(tuán)隊(duì)，結(jié)合數(shù)字音頻技術(shù)（Digital Audio Technology）和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality Technology）這兩門學(xué)科來制訂可行的發(fā)展目標(biāo)，通過數(shù)字音頻及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來推動各領(lǐng)域間的創(chuàng)新和發(fā)展，提升學(xué)習(xí)者的體驗(yàn)和創(chuàng)造力。在中小學(xué)教育中有效提升學(xué)生的參與度；在醫(yī)療上治愈與恢復(fù)患者身心健康；在軍事上大幅度提升培訓(xùn)效率削減培訓(xùn)成本；在娛樂上足不出戶體驗(yàn)高雅的生活方式等?？鐚W(xué)科合作和知識共享將是實(shí)現(xiàn)數(shù)字音頻與虛擬現(xiàn)實(shí)融合應(yīng)用的關(guān)鍵，為未來的技術(shù)進(jìn)步和社會發(fā)展提供重要支持。

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