虚拟现实技术在数字化校园中的应用

张咏梅

西华师范大学 四川 637009

0 前言

虚拟现实技术(Virtual Reality,VR)是由高性能计算机系统创建的一种令人身临其境、获得与环境交互体验的虚拟世界的技术。它综合利用三维图形生成技术、多传感交互技术、多媒体技术、人工智能技术、人机接口技术以及高分辨显示技术等高新技术，融合视、听、触觉为一体，模仿现实的三维空间，通过对用户的控制行为做出动态的交互反应，生成三维逼真的虚拟环境，置身于由计算机创造的虚拟世界中。同时，用户在虚拟环境中进行多维信息的交互作用，建构新的构思和创意。VR具有其它媒体不可比拟的真实性优势。将VR技术应用于计算机系统中,就形成VR系统，即虚拟现实系统。

1 VR技术的三大基本特征

(1)沉浸性：VR技术利用人类视觉、听觉的生理、心理特点，让用户完全沉浸到虚拟世界中。

(2)交互性：用户通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，通过VR系统中的人机交互对虚拟环境中的对象进行操作。

(3)多感知性：用户通过 VR系统中视、听、触、动觉的传感以及反应装置，在虚拟环境中可获得多种感知。

与VR的三大基本特征对应，目前VR系统主要有四种类型：

(1)沉浸型 VR系统：用户通过头盔式显示器、数据手套、数据衣等设备与虚拟环境进行交互。系统设备价格昂贵。

(2)桌面型 VR系统：用户通过普通的计算机系统与虚拟环境进行交互。系统结构简单、价格低廉，但缺乏真实的现实体验。

(3)共享型 VR系统：利用远程网络，多个用户同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟的系统。

(4)增强现实型VR系统：一方面利用VR技术来模拟现实世界，一方面增强参与者对真实环境的感受，达到增强现实中无法感知的感受的目的。

2 虚拟现实的关键技术

2.1 实物虚化

实物虚化是现实世界空间向多维信息化空间的一种映射，主要包括以下几方面：

(1)基本模型构建技术。即虚拟环境的建立，它是应用计算机技术生成虚拟世界的基础。它获取实际三维环境的三维数据，在相应的3D虚拟世界中重构。

(2)空间跟踪技术。通过头盔显示器、数据手套、数据衣等常用的交互设备上的空间传感器，确定用户的头、手、躯体或其他操作物在3D虚拟环境中的位置和方向。

(3)声音跟踪技术。利用不同声源的声音到达某一特定地点的时间差、相位差、声压差等进行虚拟环境的声音跟踪。

(4)视觉跟踪与视点感应技。使用从视频摄像机到X≠Y平面阵列、周围光或者跟踪光在图像投影平面不同时刻和不同位置上的投影，计算被跟踪对象的位置和方向。

2.2 虚物实化

虚物实化是指用户从虚拟环境中获取同真实环境中一样或相似的视觉、听觉、触觉等感官认知的关键技术。另外，用户能否在操纵虚拟物体的同时，感受到虚拟物体的反作用力，从而产生触觉感知，产生身临其境的感觉。

2.3 高性能计算处理技术

主要技术包括数据转换和数据预处理；图形图像生成与显示；声音的合成与声音空间化；多维信息数据的融合、数据压缩以及数据库的生成；命令识别、语音识别，以及手势和人的面部表情信息的检测等在内的模式识别；分布式与并行计算，以及高速、大规模的远程网络技术。

2.4 智能技术

VR提供一个人与计算机的交互环境。需要借助于人工智能技术来获得人的各种动作、语言甚至表情变化中的信息。当前智能接口领域中正在研究的一系列相关问题。

3 虚拟现实在数字化校园中的应用

数字化校园特点在于以校园网络为基础，利用信息技术把学校科研机构、科研基础设施、教学资源等进行数字化、网络化，使得师生可方便地利用计算机网络进行各种教学、科研和管理等活动。虚拟现实技术可以在数字化校园的教学、科研与管理应用中可以发挥其优势。

3.1 虚拟校园

虚拟校园是 VR技术在教育领域最早的具体应用。VR技术实现校园场景的浏览功能，这种全新的浏览方式具有非常鲜明的特点。但三维虚拟化校园的建设还没有达到虚拟化校园生活的程度，模拟、仿真校园的教学环境需要多方面的努力。为适应学校不同程度的需求，VR技术在虚拟校园由浅至深有三个应用层面：(1)提供简单的虚拟校园环境；(2)从教学、教务和校园生活等多方面入手，提供功能相对完整的三维可视化虚拟校园；(3)以VR技术作为远程教育基础平台，以学生为中心，加入一系列人性化的功能。

3.2 虚拟实验室

利用VR技术建立的各种虚拟实验室，如物理、化学、生物、地理实验室等，拥有传统实验室难以比拟的优势，前景广阔：

(1)节省成本。创建这种虚拟环境的演示，可以摆脱真正实验室所需要的昂贵的设备,教学的效果基本接近真正的实验教学效果。在保证教学效果的前提下,极大的节省了成本。

(2)规避风险。真实的实验或操作往往会带来各种危险。学生在虚拟实验环境中，可以放心地去做各种危险的实验，可免除操作失误而造成意外伤害、事故。

(3)打破空间、时间的限制。从宇宙天体到原子粒子，学生都可以进入这些物体的内部进行观察。可模拟演示人、动物内部结构，打破空间的限制。通过VR技术，可以在很短的时间内呈现几十年甚至上百年才能观察的变化过程。

3.3 虚拟教学服务平台

由局域网作为校园网站的链接，通过交互式远程教学的网站，可对各个分校和远程教学点提供可移动的电子教学场所。虚拟远程教育模拟训练延伸到了一般的医学教学、汽车驾驶以及电器维修等需要培养各种操作技能的领域，可为社会提供新技术和高等职业培训的机会。

3.4 虚拟图书馆

将所有的图书信息以数字化形式储存在虚拟图书馆中，数字化校园中的办公室、教师、家庭等可通过网络连接到虚拟图书馆。师生不仅可以通过网络访问虚拟图书馆中的电子杂志、电子图书、多媒体声像资料等图书馆的各文献数据库系统；还可以在线浏览或下载所需的电子资料，以及完成纸质图书的借阅、归还等事务。

4 结束语

VR技术能逼真地模仿真实的实验过程，但它只是教学辅助，给了我们一种获得间接经验的手段，并不能完全取代真实的实践教学。因此，应以采用虚实结合的实践教学模式为最佳选择。但VR以其自身强大的教学优势和潜力，将会继续受到教育工作者的重视和青睐。随着VR技术的发展和完善，以及硬件设备价格的不断降低，VR技术在虚拟仿真校园、虚拟教学和实验、虚拟图书馆等方面的应用更为广泛性。

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