基于虛擬現實的虛擬實驗研究

劉佳

【關鍵詞】計算機技術 虛擬現實技術 虛擬實驗

在教學效果保障方面，作為現代遠程教育的重要組成部分，虛擬實驗發揮著不可替代的重要作用，并且其已經被越來越多的人所關注。隨著計算機技術以及虛擬現實技術的快速發展，虛擬實驗逐漸將可視化、多傳感交互以及3D數字等現代化技術應用其中，從而實現了用戶與逼真虛擬場景的實時交互，并對其虛擬對象進行感知和操作，最終使得虛擬實驗達到更加優良的性能。

1 虛擬現實以及虛擬實驗概述

1.1 虛擬現實技術簡介

作為計算機研究的一個新領域，虛擬現實技術的特點是利用人的感知行為，如視覺、聽覺以及觸覺等為用戶戶提供一個虛擬的場景，并基于模擬的方式讓用戶沉浸于虛擬環境之中，然后與之進行相互作用，而虛擬環境也會由此發生變化。目前，該項技術已經匯聚了多種高新關鍵技術，如計算機圖形學、傳感器技術、仿真技術、多媒體技術、網絡技術、圖形圖像實時生成技術、人工智能技術、人機接口技術以及人類行為學等。因此，虛擬現實技術可以定義為：一種對人在自然環境中的各種行為，如聽、看以及運動等進行逼真模擬的人機接口技術。該項技術主要是利用高分辨顯示的可視化技術以及3D數字和傳感器交互技術，通過特定的設備，來生成一種逼真的虛擬環境，從而使得人能夠與虛擬環境進行互動，并成為虛擬環境的一員，最終達到對虛擬對象進行感知和操控的目的。

1.2 虛擬實驗

實際實驗存在一個有形的實驗室、實驗工具和實驗對象。而相對于實際實驗來說，虛擬實驗指的是其實驗室以及實驗對象都是無形的，并且主要是通過操作虛擬儀器來實現對實驗過程的具體操作。與傳統實驗相比，作為信息化時代的產物，虛擬實驗有著更為優越的性能和應用前景：首先，虛擬實驗具有透明性，其具有標準的統一命令，能夠對軟硬件、數據庫以及人員形成統一管理；其次，虛擬實驗能夠共享資源，同時這也是虛擬實驗的構筑宗旨。在虛擬實驗中，用戶能夠通過數據庫、檢索系統以及應用軟件或者電子圖書館等工具，實現信息、軟件以及設備等資源的共享，從而縮減了投資，提高了用戶的效率；再次，虛擬實驗在操作上能夠實現互動。不僅用戶之間能夠實現相關信息的溝通和交流，而且遠程用戶也能夠對實驗環境加以操作。另外，虛擬實驗還具有擴展性、用戶自主性以及性能優勢顯著的優點。

2 虛擬實驗的構建

2.1 分布式虛擬實驗的構建分析

分布式虛擬實驗是在物理設備分布式的基礎上構建的，其指的是將網絡與物理設備相連接，以計算機網絡為核心，實現數據采集、遠程操作以及分析的虛擬實驗系統。因此可以看出，分布式虛擬實驗中，用戶并不擁有物理設備，其只需要利用網絡進行操作就可以實現虛擬實驗，并獲得所需數據。

作為一個系統工程，分布式虛擬實驗的建設主要包括以下幾個系統：虛擬儀器、數據分析、虛擬實驗管理以及計算機網絡等系統。

（1）利用個人主機，用戶能夠直接登入Internet，進而通過瀏覽器來實現虛擬實驗站點的訪問，并進入虛擬實驗系統；

（2）根據用戶需求選擇相應的實驗項目進入虛擬儀器控制臺；

（3）用戶根據具體實驗的操作指令，來實現對實驗參數的輸入；

（4）虛擬儀器根據接收到的指令，來向物理儀器進行參數傳輸，進而實現物理儀器對參數和指令的操作，最終完成實驗內容；

（5）當實驗完成之后，通過虛擬儀器和網絡，虛擬實驗系統能夠將所得數據反饋給遠程用戶，而用戶則可以將這些數據進行自由處理。

分布式虛擬實驗能夠使得儀器使用率大大提升。同時，其也有一定的缺陷，如它的系統開發較為復雜，且對于物理實驗設備的依賴性很高，具有較高的維護成本。另外，它無法讓用戶感受到實驗場景和過程，也就是其沒有直觀性和形象性。

2.2 基于虛擬現實的虛擬實驗的構建分析

基于虛擬現實的虛擬實驗具有較強的交互性，并能夠為用戶提供高級仿真的實驗場景，真實感較強。因此，據此可以將基于虛擬現實的虛擬實驗分為六個子模塊，并形成一個統一的工程，具體的系統模塊如圖1所示。

2.2.1 用戶管理子系統

該模塊分為三級，即管理員、教師和學生。該子系統能夠實現對各類用戶信息的管理，并且可以對信息和用戶記錄進行添加、修改和刪除。

2.2.2 教務管理子系統

該模塊主要是用來管理班級以及課程等這方面的基本教學信息，而且對這一模塊的使用，只有系統管理員才能實現。這一子系統主要分為課程實驗管理以及班級信息管理兩個子模塊。

2.2.3 虛擬實驗子系統

作為虛擬實驗的核心模塊，該子系統主要包括具體實驗庫、教學材料管理以及添加或者刪除實驗功能這三個部分。

2.2.4 實驗報告子系統

對于這一模塊的使用，教師和學生都能夠實現，且能夠完成不同的任務。如學生利用該子系統能夠實現預習報告的提交以及修改，而教師利用該子系統則能夠實現對學生報告的檢查和退回。另外，該模塊還能夠實現對報告提交的期限管理。

2.2.5 成績管理子系統

該模塊主要是用來評價學生實驗成績的。

2.2.6 在線討論子系統

通過BBS方式，該模塊能夠實現學生和教師之間的交流和溝通，從而加強學生對知識點的理解。

3 結語

綜上所述，由于虛擬實驗具有透明性，能夠共享資源，在操作上能夠實現互動，而且還具有擴展性、用戶自主性以及性能優勢顯著的優點。因此，今天的研究中必須加大對基于虛擬現實的虛擬實驗的探索，從而為技術的不斷更新提供有利條件。

參考文獻

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