虚拟现实技术与教育

信息技术教育应用第五章虚拟现实技术与教育本章主要知识点：•虚拟现实技术概念、特点、构成、常用人机接口设备、虚拟现实系统的发展趋势•桌面虚拟现实系统的概念、特性、基本配置、渲染引擎技术•虚拟现实技术在教育中的应用5.1虚拟现实技术5.1.1虚拟现实情境介绍•“虚拟现实，什么呀？”咖啡猫皱着双眉嘟囔着。•看着Jaffe博士远去的背影，一大串“？”浮现在咖啡猫的眼前。•“咖啡猫，过来。”Jaffe博士冲着他笑笑，“来，坐这儿，戴上这个头盔、手套。”•“博士，你干什么？”咖啡猫又惊又怕。•“带你去个好地方。”Jaffe博士狡黠地笑了笑。•“哇塞，skyscrape，博士，这是在哪儿啊？”•“几年后的这儿。”•“真想进去看看里面的装饰嗳！”•“没问题，Let’sgo！”第五章虚拟现实技术与教育第五章虚拟现实技术与教育•咖啡猫迫不及待地推开门，东瞅瞅西看看，“不错不错，不过我喜欢把台灯放在书桌左侧。”•“你自己挪一下，不就行了吗？”•“好！”•咖啡猫欢蹦乱跳地把家具搬来搬去，忙得不亦乐乎。重新布置过的房间充满了•个人气息，令人舒畅不已。•“好了，咖啡猫，今天就到这儿了。”博士边说边帮他摘下头盔、手套。•咖啡猫使劲地眨了眨眼睛，发现自己还是坐在椅子上，前面就一台电脑，傻了。•“这就是虚拟现实。”Jaffe博士又眨了眨眼睛，笑着走了。第五章虚拟现实技术与教育5.1.2虚拟现实秀网站：–概念一种人与通过计算机生成的虚拟环境可自然交互的人机界面。5.1.4相关术语：人工现实（ArtificialReality）、虚拟环境（VirtualEnvironment）、赛伯空间(Cyberspace)等第五章虚拟现实技术与教育5.1.5特点:•沉浸感：用户可以沉浸于计算机生成的虚拟环境中和使用户投入到由计算机生成的虚拟场景中的能力，用户在虚拟场景中有“身临其境”之感。他所看到的、听到的、嗅到的、触摸到的，完全与真实环境中感受到的一样。它是VR系统的核心。•交互性：用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力。它是人机和谐的关键性因素。用户进入虚拟环境后，通过多种传感器与多维化信息的环境发生交互作用，用户可以进行必要的操作。•想象力：通过用户沉浸在“真实的”虚拟环境中，与虚拟环境进行了各种交互作用，从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识，从而可以深化概念，萌发新意，产生认识上的飞跃。第五章虚拟现实技术与教育5.1.6构成：虚拟世界、虚拟现实软件、计算机、输入设备和输出设备•输入设备：3D位置跟踪器、传感手套、数据衣、三维鼠标、跟踪球、三维探针及三维操作杆等。数据手套第五章虚拟现实技术与教育三维鼠标第五章虚拟现实技术与教育2.输出设备：立体显示设备、3D声音生成器、触觉和力反馈的装置快速响应工作台头盔显示器桌面立体显示器第五章虚拟现实技术与教育5.1.7发展简史5.1.8应用领域：军事及航空领域、建筑与汽车业、医学界、培训、娱乐第五章虚拟现实技术与教育5.1.9分类分类标准：用户参与VR的形式以及沉浸的程度1.桌面虚拟现实：利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口。通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互，这些外部设备包括鼠标，追踪球，力矩球等。它要求参与者使用输入设备，通过计算机屏幕观察360度范围内的虚拟境界，并操纵其中的物体，但这时参与者缺少完全的沉浸，因为它仍然会受到周围现实环境的干扰。桌面虚拟现实最大特点是缺乏真实的现实体验，但是成本也相对较低，因而，应用比较广泛。常见桌面虚拟现实技术有：基于静态图像的虚拟现实QuickTimeVR、虚拟现实造型语言VRML、桌面三维虚拟现实、MUD等。第五章虚拟现实技术与教育2.沉浸的虚拟现实高级虚拟现实系统提供完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。它利用头盔式显示器（见图）或其它设备，把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、数据手套（见图）、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。常见的沉浸式系统有：基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统、远程存在系统。第五章虚拟现实技术与教育3.增强现实性的虚拟现实增强现实性的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。典型的实例是战机飞行员的平视显示器，它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，它可以使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，从而可集中精力盯着敌人的飞机或导航偏差。第五章虚拟现实技术与教育4．分布式虚拟现实如果多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，那虚拟现实则提升到了一个更高的境界，这就是分布式虚拟现实系统。在分布式虚拟现实系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。目前最典型的分布式虚拟现实系统是SIMNET，SIMNET由坦克仿真器通过网络连接而成，用于部队的联合训练。通过SIMNET，位于德国的仿真器可以和位于美国的仿真器一样运行在同一个虚拟世界，参与同一场作战演习。第五章虚拟现实技术与教育5.1.10关键技术1.环境建模技术（主要有以下几种：•Euclidean-geometry方法•Fractal-geometry方法•PhysicallyBasedModeling•ImageBasedRendering•混合建模技术：ImageBasedRendering和ImageBasedRendering是未来虚拟环境建模的发展方向）2.立体声合成和立体显示技术3.触觉反馈4.交互技术5.系统集成技术（包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、识别和合成技术等等）第五章虚拟现实技术与教育5.1.11虚拟现实系统的发展趋势1.分布式虚拟现实系统：可分为集中式结构和复制式结构。2.协同虚拟现实系统：本质上是分布式虚拟现实系统。重在研究协同工作的虚拟环境。•典型的例子：美国NPS开发的NPSNET（1990）、美国斯坦福大学的PARADISE/Inverse系统（1992）、瑞典计算机科学研究所的DIVE（1993）、新加坡国立大学的BrickNet（1994）、加拿大Albert大学的MR工具库（1993）及英国Nottingham大学的AVIARY（1994）。•开发时要考虑：带宽、分布机制、延迟、可靠性、支持多个协议。3.虚实结合与增强现实第五章虚拟现实技术与教育5.2桌面虚拟现实系统5.2.1概念：一种在PC上实现的综合立体图形、自然交互等技术，以营造与客观世界高度类似的逼真、虚拟环境的应用系统。常见的有：基于静态图像的虚拟现实技术、VRML、桌面CAD系统5.2.2特性：生动的计算机图形图像场景、自然的人机交互、通用的图形软件平台第五章虚拟现实技术与教育5.2.3基本配置第五章虚拟现实技术与教育5.2.4渲染引擎技术：1.VRML：VRML(VirtualRealityModelingLanguage)即虚拟现实建模语言,是一项和多媒体通讯、因特网、虚拟现实等领域密切相关的新技术,用来描述一个目标对象是如何呈现在Web上的和HTML一样,VRML也是可由浏览器解释的描述语言,只不过VRML不是描述成一个Page的格式,而是描述成3D环境和目标的布局它的主要特征有三维性、交互性、动态性、实时性等。第五章虚拟现实技术与教育2、QTVRQTVR是QuickTimeVirtualReality的简称,它是美国苹果公司开发的新一代虚拟现实技术。概括地讲是一种基于静态图象处理的,在微机平台上能够实现的初级虚拟现实技术。QTVR属于桌面虚拟现实的一种。虽然它是初级的虚拟现实技术,但是它有其自身的特色与优势.它的出现使得往专业实验室中的成本昂贵的虚拟现实技术的应用普及有了广阔的前景。第五章虚拟现实技术与教育5.3虚拟现实技术在教育中的应用5.3.1虚拟实验室5.3.2基于web的虚拟实验室5.3.3构建虚拟实验室常用方法：javaActiveXVRMLQuicktime5.3.4应用案例：虚拟青蛙、虚拟果蝇、虚拟诊所、虚拟物理实验室、交互式多媒体虚拟现实系统、化学教育。解剖青蛙作业:•浏览书本第一题的网站,查看一个虚拟现实软件并评述之。