計算機虛擬現實技術解析及其在高校教學中的應用探究

李海成

文章編號：1672-5913(2009)06-0124-03

摘要：本文首先對計算機虛擬現實技術的基本特征及其關鍵技術進行了解釋分析，然后對虛擬現實技術在高校教學中的應用作了介紹，最后針對目前高校教學中應用計算機虛擬現實技術所存在的問題及其解決方案闡述了個人觀點。

關鍵字：虛擬現實；高校教學；應用；特征；問題；方案

中圖分類號：G642

文獻標識碼：B

伴隨科技突飛猛進的發展，各類教學媒體不斷涌現，如今，教學技術領域又出現了一個新型教學媒體，它就是虛擬現實技術(Virtual Reality)。

虛擬現實技術是利用三維圖形生成、多傳感交互及高分辨顯示等計算機技術生成三維逼真的虛擬環境，使用者戴上特殊的頭盔、數據手套等傳感設備，或利用鍵盤、鼠標等輸入設備，便可以進入虛擬空間，成為虛擬環境的一員，進行實時交互，感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而獲得身臨其境的感受和體會。

虛擬現實技術作為新的教學媒體，它的出現無疑將對高校教學產生深遠的影響。本文主要探討虛擬現實技術的基本特征以及它在高校教學應用方面的相關問題。

1計算機虛擬現實的基本特征及其關鍵技術

1.1虛擬現實的基本特征

虛擬現實可以表示為4個特征：沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)、多感知性(Multi-Sensory)、構想性 (Imagination) 。

(1) 沉浸性(Immersion)：這是虛擬現實系統的核心，指使用戶投入到由計算機生成的虛擬場景中的能力。用戶在虛擬場景中有“置身其中”之感。

(2) 交互性(Interaction)：指用戶與虛擬場景中各種對象相互作用的能力，它是人機和諧的關鍵性因素。

(3) 多感知性(Multi-Sensory)：由于虛擬現實系統中裝有視覺、聽覺、觸覺、動覺的傳感及反應裝置，因此，使用者在虛擬環境中可獲得相應的多種感知，從而達到身臨其境的感受。

(4) 構想性(Imagination)：虛擬現實不僅僅是一個用戶與終端的接口，更要使用戶沉浸在此環境中獲取新的知識，提高感性和理性認識，從而產生新的構思。

基于以上特征，虛擬現實使操作者能夠真正進入一個由計算機生成的交互式三維虛擬環境中，與之產生互動，進行交流。通過參與者與仿真環境的相互作用，并借助人本身對所接觸事物的感知和認知能力，幫助啟發參與者的思維，以全方位地獲取環境所蘊含的各種空間信息和邏輯信息。

通過多種感知，獲得身臨其境的沉浸感和人機互動的趣味性是虛擬現實的實質特征，對時空環境的現實構想是虛擬現實的最終目的。

1.2計算機虛擬現實的關鍵技術

計算機虛擬現實是多種技術的綜合，包括實時三維計算機圖形、立體廣角顯示、用戶 (頭、眼) 的跟蹤、立體聲、觸覺與力覺反饋、語音輸入輸出等技術。

(1) 實時三維計算機圖形技術

此技術的關鍵在于“實時”。例如在力學模擬系統中，圖像的實時刷新相當重要，同時對圖像質量的要求也很高，再加上非常復雜的虛擬環境，使虛擬現實就變得相當困難。

(2) 立體廣角顯示

要達到立體廣角顯示，雙眼立體視覺起了很大作用，這是因為用戶的兩只眼睛看到的不同圖像是分別產生的，顯示在不同的顯示器上。當然有的系統也采用單個顯示器，但用戶戴上特殊的眼鏡后，也可以造成視差從而產生立體感。

(3) 用戶(頭、眼)的跟蹤技術

在虛擬環境中，每個物體相對于系統的坐標系都有一個位置與姿態，而用戶也是如此。用戶看到的景象是由用戶的位置和頭(眼)的方向來確定的。利用虛擬現實頭套跟蹤頭部運動，可以根據頭部跟蹤來改變圖像的視角，用戶的視覺系統和運動感知系統之間就可以聯系起來。

(4) 立體聲

在水平方向上，我們靠聲音的“相位差”及“強差”來確定聲音的方向。現實生活里，當頭部轉動時，聽到的聲音的方向就會改變。但目前在虛擬現實系統中，聲音的方向與用戶頭部的運動無關。

(5) 觸覺與力覺反饋

在虛擬現實系統中，用戶可以看到一支虛擬的鋼筆。你可以設法去握住它，但你的手卻感覺不出接觸到了它，并有可能穿過虛擬鋼筆的“筆桿”，而這在現實生活中是不可能的。解決這一問題的常用裝置是在手套內層安裝一些可以振動的觸點來模擬觸覺。

(6) 語音輸入輸出

在虛擬現實系統中，語音的輸入輸出也很重要。這就要求虛擬環境能聽懂人的語言，并能與人實時交互。然而，讓計算機識別人的語音是相當困難的，因為語音信號和自然語言信號有其“多邊性”和復雜性。

2計算機虛擬現實技術在高校教學中的應用

虛擬現實在高校教學中主要表現在課堂教學、實驗教學兩個方面：

2.1課堂教學

課堂教學是教學的主要方式，也是虛擬現實運用于教學的主要戰場。根據學科的不同，虛擬現實也發揮著不同的作用，主要有以下幾方面的應用：

(1) 立體物體展示

在以往的教學環境中，為了更形象地使學生感受三維實物的信息，主要采用圖片展示、實物展示、軟件動畫這樣一些方法，但這些都很難使學生更全面的了解其三維屬性。

通過虛擬現實，可以構建一個與實物同樣的三維物體，如采用3dsMAX建模，存儲為VRML格式，然后利用VRML播放器可以得到很好的展示效果，輔助教師教學。

(2) 立體空間展示

立體空間是指在現實世界中真實存在或存在過的空間。教學中，有時需要向學生展示這些空間時，由于條件的限制，不可能讓學生進入這些空間。

以往教學中，可能只能夠通過教師的描繪來激發學生的想象，在其頭腦中創建出這個虛擬的空間來。

使用虛擬現實，不僅能在學生頭腦中建立這些空間，而且可以使其看得見、聽得見，甚至可以摸得著。比如：太空給我們呈現的是一個神秘而陌生的世界，如何感受身體在太空中的感覺是很多人夢寐以求的事情。通過進入虛擬現實制作的虛擬空間，我們可以感受宇宙里的奧妙，可以體會人體在失重狀態下的感受，也可以在月球上做鐵球和乒乓球同時著地的實驗來驗證伽俐略的結論。

(3) 虛擬場景構造

虛擬場景是指在現實生活中可能出現的一些場景，通過虛擬現實技術在不同的時間或地點表示出來。

虛擬場景的構造在高校語言教學中應用非常廣泛。以往教師只能通過言語的講述、圖片的展示或錄像的收看來創設學習情境，學生只能被動地接受。個別情境老師描繪的和學生理解的可能相去甚遠。通過虛擬現實，學生可以和國外友人親切交談，也可以感受美國總統競選時演講的現場氣氛。這些場景都是常規課堂上所無法給予的。

2.2科學實驗

高校一般在現有的條件下，許多實驗是無法進行的：

① 根本不可能做的實驗，如核反應、地震波傳播、火山噴發等實驗。

② 不能讓學生做的實驗，如涉及到放射性物質或有毒物質的實驗。

③ 受實驗經費限制、實驗成本昂貴而無法普及的實驗，如著名的“風洞”實驗 (2009年Volvo公司僅對建于1986年的風洞實驗設備進行改造就花費了2億元人民幣)。

利用虛擬現實技術，在計算機上建立虛擬實驗室，學生可以走進這個虛擬實驗室，身臨其境般的操作虛擬儀器，結果可以通過儀表顯示身體的感受反饋給學生。這種實驗既不消耗器材，也不受場地等外界條件限制，可重復操作，直至得出滿意結果，有效地解決實驗條件與實驗效果之間的矛盾。

3目前高校教學中應用計算機虛擬現實技術所存在的問題及其解決方案

3.1高校教學中應用計算機虛擬現實技術所存在的問題

隨著計算機軟硬件技術的高速發展，計算機虛擬現實技術憑借其獨特優勢，已逐漸被高校教學廣泛應用，但與此同時也暴露出了諸多問題。

(1) 計算機虛擬現實項目開發與高校教學實際需求脫節

目前的虛擬現實教學設計，多停留在設計人員和制作人員的主觀判斷和個人喜好上，沒有能夠深入到學生群體，對其知識結構、年齡結構、學習習慣、學習方法、興趣點等進行深入調研。

(2) 開發周期長，使用周期短，項目不能及時應用到高校教學中

計算機虛擬現實項目開發是一個大的工程，需要很多專業技術的整合。因此，其制作周期往往比較長。

隨著知識更新和信息刷新速度的加快，出現了這樣的現象：一個教學系統在最需要它的時候，制作沒有完成；等制作完成了，它的很多內容、數據已經過時了，或者教授它的設備已經換代了。這樣，由于開發周期控制不好，就導致了人力和資源的浪費，導致本來很好的教學系統錯過了發揮作用的時機。

(3) 開發隊伍不完善，阻滯計算機虛擬現實在高校教學中的使用

高校目前的虛擬現實項目開發制作中，開發隊伍往往是由軟件設計編程人員組成，或由他們為主體，而其他專業人員卻不完備。這些人員受工作特點影響，側重于用編程方式實現效果，在界面設計、圖像處理、模型建構等諸多方面缺乏專業技能，導致開發制作周期大幅度延長，同時為制作過程增加了很多不必要的困難。

3.2問題的具體解決方案

針對上述問題，我們可以從以下幾方面著手來解決：

(1) 充分調研，從學生角度進行項目設計

充分的調研是項目成功的前提，開發設計人員要深入到學生群體中，了解他們需要什么樣的教學系統，主要包括：現有文化程度、曾經用過什么學習系統、對哪些功能滿意或不滿意、希望有什么樣的學習過程、喜歡什么樣的交互方式等。通過一定的調查研究，就可以針對學生各方面特點對項目的整體形式、結構和內容進行設計。

(2) 模塊化設計、開放性系統

虛擬現實本身特點，導致其項目制作難度大、制作周期較長，這就要求設計人員要盡可能縮短制作周期、延長使用周期。現今知識的更新周期越來越短，要保證教學系統的內容能夠適時跟上知識的更替，就必須實行模塊化、開放性系統制作思路。

模塊化就是將項目的各部分劃分為多級子模塊，將任務由整化零，分成各模塊并行完成，從而縮短制作周期；每一模塊自成整體，擁有統一規范的接口，方便今后根據需要對模塊進行局部升級，延長其使用周期。

開放性系統是指給用戶提供簡單的更新功能，預留給教師專供今后更新的模塊，以便在一些可能會發生數據變化的地方，教師可以根據需要自行更新，同樣也延長了項目的使用周期。

(3) 統籌規劃，建立完善的開發思路和制作群體

在制作之初，就必須建立完備的制作群體。任命專門的項目負責人負責制定完備的計劃，并在以后的項目制作過程中協調各專業制作人員；具有一批相關領域的專家負責為項目設計情景和任務；擁有一批滿足特殊要求的制作人員，以編程人員為主，再配備必要數目的動畫、美工、音頻處理人員。這些人員要了解虛擬系統對各方面素材的特殊要求，各司其職，互相協同，互相交流，專業整合，發揮各自優勢從而保障任務的順利完成。

4結束語

由于高校中虛擬現實教學的實踐性和創造性，為學生提供了一個自主、交互和直觀的學習環境，為教學的創新提供了新的空間、平臺和可能性，豐富了教學的實踐形式和多樣性。我們相信，虛擬現實技術與高校教學的不斷整合，必將更好地服務于教學，使教學效果達到質的飛躍，這將對高教事業的發展產生積極而深遠的影響。

參考文獻：

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