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浅谈虚拟现实技术广西师范大学教育技术学系李红波lihb62@163.com主要内容虚拟现实技术以“桌面虚拟现实系统”为例介绍虚拟现实系统虚拟现实技术在教育中的应用虚拟现实技术一、虚拟现实技术概念又称临境技术（灵境技术），是指用立体眼镜和传感手套等一系列传感辅助设施来实现的一种三维现实，人们通过这些设施以自然的方式（如头的转动、手的运动等）向计算机送入各种动作信息，并且通过视觉、听觉以及触觉设施使人们得到三维的视觉、听觉及触觉等感觉世界。二、虚拟现实的发展简史1965年，Sutherland在《终极的显示》中首次提出虚拟现实系统的基本思想。1966年，MIT的林肯实验室开始头盔式显示器研制。70年代出现第一个功能较齐全的HMD系统。80年代初正式提出了“VirtualReality”一词80年代，美国宇航局（NASA）及国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究。如，1984年，NASAAmes研究中心虚拟行星探测实验室将火星探测器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。90年代，计算机软硬件的发展为虚拟现实系统的发展打下了的基础。1993年11月，宇航员利用虚拟现实系统成功地完成了从飞机的运输舱内取出望远镜面板的工作。再如，用虚拟现实技术设计波音777获得成功。三、虚拟现实系统一般构成虚拟世界虚拟现实软件计算机输入设备输出设备输入设备输出设备VR软件虚拟世界常用人机接口设备四、应用领域军事及航空如，SGI虚拟现实系统。无需制造真正的原型试验机即可获得宝贵的数据。建筑与汽车业设计师，通过虚拟现实技术观察他们设计的效果，如外观、动力性、使用方便性。用户，可通过虚拟现实技术在设计完成后“进入”大厦漫游，以便得知大厦各房间的规划、装饰材料的选择等是否满意。医学医生远程做手术培训汽车驾驶模拟训练，大型飞机驾驶模拟娱乐虚拟房地产推销光学虚拟实验室大型工程漫游五、虚拟现实系统的发展趋势例：实景虚拟现实技术图1、杰图FlyVR实景虚拟现实平台便携式三维展示硬件：虚拟感应头盔、遥控手柄、数据手套等gis地图与现实场景的互动结合给人们带来建模无法实现的真实感受说到虚拟现实，人们最先想到的是3D建模的虚拟仿真技术，确实在近两年来3D在虚拟现实领域中占有相当大的地位。游戏、城市规划项目、房地产规划项目中3D的虚拟效果都成为首选的考虑。然而目前一种全新的实景虚拟现实技术的出现给虚拟现实行业带来一股新生的力量。和3D虚拟技术相同的是这种技术也能使用户自由地在场景中走动，并且可以360度任意观看各个方向的场景，不过不同的是所看到的都是真实的场景，而不是虚拟建模的。这项技术在某些程度上已经可以代替建模的效果。由于是在真实的场景中走动，因此身临其境的效果就远远超过了建模实现的效果。目前这项技术是由图像虚拟现实行业的知名企业－上海杰图软件开发并率先应用于行业项目中。一直以来上海杰图自主研发的三维全景软件都是多媒体制作者的首选工具，而最新的这个以FlyVR命名的的实景虚拟现实平台则是将原有的技术基础和行业需求整合后得到的新的突破，真正实现了三维真实性和互动性。一、实景虚拟现实技术的主要特点：1、无需建模，通过实景采集获得的完全真实的场景FlyVR实景虚拟现实平台是对现实场景的处理和再现，因而展现的是完全真实的场景。相比于建模得到的虚拟现实效果，它更加的真实可信，更能使人产生身临其境的感觉。从而很好地满足了对场景真实程度要求较高的应用（如数字城市展示、工程验收、犯罪现场信息采集等）。桌面虚拟现实系统虚拟现实系统有如下几种，在这里主要介绍桌面虚拟现实系统一、什么是桌面虚拟现实系统？是一种集立体图形、自然交互等技术，以营造与客观世界高度类似的、逼真的、虚拟的环境为重要内容进行各种应用的系统。即是利用个人计算机和低级工作站进行仿真，计算机的屏幕用来作为用户观察虚拟境界的一个窗口，各种外部设备一般用来驾驶虚拟境界，并且有助于操纵在虚拟情景中的各种物体。二、桌面虚拟现实系统特性虚拟现实系统具有一种身临其境的临场感，为了达到这种目的，虚拟现实系统具备一些与普通图形系统不同的特点：1、生动的计算机图形图像场景2、自然的人机交互3、通用的图形软件平台三、常见的桌面虚拟现实技术基于静态图像的虚拟现实技术☆采用连续拍摄的图像和视频，在计算机中拼接建立实景化虚拟空间VRML（虚拟现实造型语言）☆采用描述性的文本语言描述基本的三维物体的造型，通过一定的控制，将这些基本的三维造型组合成虚拟场景，当浏览器浏览这些文本描述信息时，在本地进行解释执行，生成虚拟的三维场景。桌面CAD（computerassociateddesign计算机辅助设计）系统利用桌面三维图形绘制技术对虚拟世界进行建模，通过计算机的显示器进行观察，并能自由地控制视点和视角。NextVRML（VirtualRealityModelingLanguage）虚拟现实建模语言VRML的历史返回１９９４年５月，在瑞士日内瓦召开的万维网（www）会议上，MarkPesce和TonyParisi在会上介绍了他们开发的可在万维网上运行的虚拟现实界面。这时，由一个情趣相投者联谊会BOF马上产生强烈的反响，决定开发一种场景描述语言，它可以连通Web网。VRML这个词就是在BOF的会议上造出来的。（BOF来自一句英语的谚语：Birdsofafeather.） 美国《线路通》(Wired)杂志的Pesce和BrianBehlendorf，在一个月之内，收集到一份有意于参与开发VRML人员的电子邮箱通讯录，那只不过是开初一周内登录的志愿人员，已超过千人，真可谓是一场有广泛群众参与的大战役。其中有一位GavinBell，他是SGI（硅图公司SiliconGraphicsInc.）的工作组的工程师。OpenInventor是SGI推出的一工具软件，便于程序员快速、简洁地开发各种类型的交互式３Ｄ图形程序。这种工具软件的编制是基于场景结构和对象描述概念和手段。１９９２年，最初发布时名称为Inventor。 工作组每周举行一次例行的午餐会，尽管外人对其中奥妙一无所知，但很多工作组的内部事务，往往在这种不拘形式的随意交谈中得以完成。GavinBell正是利用了一次这种场合，告诉他的主管经理RillCarey关于VRML的事情，说明急需建立一种可在Web网上运行、描述3D场景的语言。到聚餐结束时，Carey已决心从事于这场新的开拓（后来两人合办了Wasabisoft）。 １９９４年初夏，第一次WWW会议期间初步决定，十月份在芝加哥召开第二次WWW会议，也就是说只留出五个月的时间。在这段时间里，能否拟出一个VRML规范的初步方案？BOF成员和自愿加入开发新规范行列的热心网客信心十足。他们一致认为：在下次会议之前，一个内部试用语言规范一定能完成。总的意向是：就一个业已存在的语言加以改造比较稳妥，而另起炉灶，从头开始重干一个全新，则不太可行。VRML工作原理：文本描述、远程传输、本地计算文本描述，指VRML用类似HTML标记文本语言来描述三维场景，如，立方体的描述文本是：Box（size3.0*3.0*3.0)。远程传输，指用户VRML描述的虚拟场景时，需要通过Internet将描述场景的文本传送到本地。本地计算生成，是指描述虚拟场景的数据传送到本地后，浏览器对它进行解释计算，动态地生成虚拟场景。返回VRML的应用：VRML使得Internet的一片平面世界首次出现了了三维场景，成为Internet最具发展前景的新兴技术。在教育领域的Web站点中，它可广泛用于学习情景创设，增加学习内容的形象性和趣味性，并可用于可视化的导航，自然的人机界面等方面。如：创建网上三维图书馆，它的特点是，书籍归类整理更接近真实或将高于真实，汇编或查阅书籍时只需要鼠标的轻轻战地对应的虚拟图书。返回QTVR（QuickTimeVirtualReality)QTVR是一种基于静态处理的，在微机平台上能够实现的初级虚拟现实技术。QTVR是在下列概念基础上组成的：全景，是空间中一个视点对周围环境360度的视图对象，是从分布在以一个物体为中心的立体360度的球面上的众多视点来观察这个物体，从而生成的对一个物体全方位的图像信息。场景，是把一个或多个全景图像或对象电影，通过热点这种手段连接后的全景图像和对象电影的有序集合体。返回QTVR的优点：•可由摄像机获取三维场景，对计算机的计算能力要求不高，可实现实时建模与动态显示。QTVR的缺点：•场景本身必须是静态的，在漫游时，观察点及方向受到了严格的限制。返回虚拟现实技术在教育中的应用引言教育是一个传授知识的过程，在众多通过亲身经历这一过程，巩固所传授的知识的方法中，虚拟现实技术是最有效的。虚拟现实技术在教育中的应用依据虚拟环境不同可分为：虚拟校园虚拟教室虚拟实验室虚拟图书馆1．虚拟校园它除了可以具有一所传统学校所具备的正常活动的虚拟场所外，还拥有传统学校不可能拥有的环境。在虚拟校园里，有虚拟教室、虚拟实验室、虚拟图书馆等学习的场所，还有学习者交往和活动（包括文娱活动、体育活动、艺术活动和社会活动等）的场所。2．虚拟教室它是指运用虚拟现实技术生成的进行教育实践的具有逼真感的虚拟环境。学习者可借助于有关设备进入虚拟课堂，接受教育和进行学习。3．虚拟实验室虚拟实验室是由虚拟现实技术创造的一种可以进行实验的虚拟环境。在这个环境中，学习者有逼真的感觉，他似乎是在真正的实验室里近距离进行现场操作。虚拟实验室的产生和应用使远程实验教学得以真正实现。它彻底解决了以往所有远程教育模式中理论教学的远距离性和实验教学的近距离性的矛盾，使整个教育完全远程化。4．虚拟图书馆虚拟图书馆是用虚拟现实技术生成的提供信息的场所，因此它也可以称之为“虚拟信息中心”。在这里，不仅仅提供象文本、视频、声频等信息资源，而且更提供与众不同的身临其境的信息资源。例如要取得历史知识，学习者可以通过虚拟图书馆，进入不同朝代的虚拟世界，实时观察或实际参与当时的事件，从而亲身感受和了解不同朝代的实况。再如，要取得人体组织信息，学习者可以通过灵境图书馆穿行在人体的组织和器官之间，实地去考察一番。“虚拟实验室”一、虚拟实验室虚拟实验，就是实验者通过远程通讯工具和相应的虚拟实验仪器，在远程进行操作、观测实验过程、直至得到实验结果的一种实验模式。虚拟实验室，是利用虚拟现实技术仿真或虚构某些情境，供学生观察一操纵其中的对象，使他们获得体验或有所发现。二、虚拟实验室进行虚拟实验的方式主要有三种类型遥控型实验遥控型实验是利用计算机多媒体技术和通讯技术，将实验室内真实的实验设备及控制系统，转换成三维图像、声音、状态等传输到远端的学生计算机中，参加实验的学生可以在自己的计算机中进行操作，通过通讯线路遥控真实实验室现场中的实验设备，例如对实验设备进行编程、校对、启停、测试、监控等操作，使远程实验过程在实验学生实时遥控下运作。而学生执行操作的结果（文字、图像、数据等）又会实时地回传给学生，从而使实验学生可对实验数据实时采集并进行处理。模拟型实验。模拟型实验是在计算机中用软件模拟仪器、设备、元器件、药品等实验器材和实验条件，并以文字、图形或动画方式显示出来。实验的学生登陆虚拟实验室后，与实验软件进行交互，充分利用虚拟器材库中十分丰富的实验器材，根据实验要求进行实验流程设计、实验装置搭建、实验内容操作、实验结果统计分析等，最后写出实验报告，全部实验过程在计算机内完成。例如，实验学生可以自由地取用软件中的各种电阻、电容、晶体管、集成电路等虚拟器件组成实验要求的电路，然后接上虚拟的开关和电源，以及信号发生器、测量仪器、示波器等虚拟仪器进行