虚拟现实内涵界定及其应用

穆萍　罗永霞　马国香　马梅　马伟栋

摘 要 随着信息产业的快速发展，信息技术的创新研究也越来越受到重视，现在的微格教室、远程教学、多媒体教室和虚拟现实技术相继进入教育领域。作为信息技术发展重要驱动力的虚拟现实技术，其已被看作是仅次于互联网的、改变未来世界的、基于计算机的一种全面仿真技术，也成为当今人们关注的热点之一。同时作为人与计算机生成的虚拟环境进行交互作用的一种手段，它的迅速崛起对教育产生了深远的影响，改变了传统的教学观念，突破了以往教学模式的狭隘性。

在教育教学中使用虚拟现实技术已成为一个深受关注的研究方向，它也是当今时代一个最热的话题。

关键词 虚拟现实 信息技术 内涵

中图分类号：TP319 文献标识码：A

笔者通过拜读近年来对虚拟现实研究的相关文献，本文对虚拟现实的内涵、应用现状、发展趋势以及其在不同领域的应用做出归纳和总结，以期为我国虚拟现实的后续研究提供借鉴与参考。

1虚拟现实概述

1.1虚拟现实技术内涵

虚拟现实技术（Virtual Reality），简称VR，被认为是人机交接口技术的一场革命，是通过多媒体技术与仿真技术相结合产生的具有逼真的视觉、听觉、触觉一体的虚拟环境，即形成虚拟世界，它设计的领域也很多，具体包括人工智能，计算机图形学，人机接口技术，多媒体技术，传感技术以及高度并行的实时计算技术等。使用者以自然的方式对其中的虚拟对象进行体验。它利用三维图形生成技术、多种传感交互技术以及高分辨显示技术，生成三维逼真的虚拟环境，体验者通过使用不同的传感设备，如：头盔、数据手套等。利用键盘、鼠标等输入设备，便可以进入虚拟空间，成为虚拟环境的一员，进行实时交互，感知和操作虚拟世界中的各种对象，使人获得一种身临其境的感觉。

1.2虚拟现实技术应用现状

1.2.1国外现状

虚拟现实技术研究发源地最早是美国，它可以追溯到上世纪40年代。最初研究应用主要是美国军方对飞行驾驶员与宇航员的模拟训练，在模拟训练领域的基础研究中主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。

在欧洲，英国在 VR 开发的某些方面，尤其是在分布并行处理、辅助设备设计和应用研究方面，欧洲是遥遥领先的。英国 Bristol 公司发现，VR 应用的交点应集中在整体综合技术上，他们在软件和硬件的某些领域处于领先地位。英国 ARRL 公司的研究实验主要包括VR重构问题。

日本的虚拟现实技术的发展在世界相关领域的研究中同样具有举足轻重的地位，在建立大规模VR知识库和虚拟现实的游戏方面取得了很大的成就。

1.2.2国内现状

和发达国家相比，我国虚拟现实技术的研究还有很大的一段距离。随着计算机图形学、计算机系统工程等技术的不断成熟，虚拟现实技术已经得到了重视，引起我国各界人士的兴趣和关注。国家科委国防科工委部已经将虚拟现实技术的研究视为重点攻关项目，国内许多研究机构和高校也随之进行虚拟现实的相关研究和应用推广，并取得了一些不错的研究成果。

北京航空航天大学计算机系是国内最早进行虚拟现实技术的研究、也是最有权威的单位之一，在虚拟实现与可视化新技术研究室集成了分布式虚拟环境，它可以提供实时的、三维动态的数据库、虚拟现实的演示环境、以及一些用于飞行员训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等，并取得了多方面的进展，具体包括：a.重点研究如何表示与处理虚拟环境中物体的某些物理特性；b.在虚拟现实中的视觉接口上，开发了部分硬件，提出了相关的算法，同时提供了实现方法。

清华大学国家光盘工程研究所采用了 QuickTime 技术，制作出了“布达拉宫”全景图，并实现了大全景VR制；而在浙江大学国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统；在哈尔滨工业大学计算机系已成功地合成了关于人的某些高级行为中的特定人脸图像，基本上解决了表情的合成和唇动合成技术问题，并开始着手研究人在说话时，手势和头势的动作以及语音和语调的同步等。

1.3虚拟现实技术的发展趋势

虚拟现实技术是一种高度集成的技术，它包含计算机软硬件技术、传感器技术、立体显示技术等。虚拟现实技术的研究内容整体上有两大类，有虚拟现实技术本身的研究和虚拟现实技术应用的研究。又根据虚拟现实所倾向的特征的差异，当今虚拟现实系统主要划分为桌面式、增强式、沉浸式和网络分布式四个层次。虚拟现实技术的本质是构建一种人能够与之进行自由交互的“虚拟世界”，在这个“虚拟世界”中，参与者可以实时地探索或移动其中的对象。其中，沉浸式VR是研究界最高的、最理想的追求目标 ，实现的主要方式是戴上特殊的头盔、数据手套以及身体部位跟踪器等传感设备，体验者通过视觉、听觉和触觉在虚拟场景中进行体验；桌面式VR系统被称为“窗口仿真”，尽管它实现起来有一定的局限性，但由于该层次的成本低廉而仍然得到了广泛应用；而增强式VR系统主要用以为那些戴上立体的、特制眼镜的体验者观察虚拟环境 ，性能介于以上沉浸式VR和桌面式VR之间 。在现代教学情况下只有桌面虚拟现实符合现在的教学点状况。它仅仅通过一些简单的外部设备鼠标、追踪球等与虚拟现实实现交互。随着虚拟现实技术被各界人士的重视的不断发展，它的应用范围不断扩大，技术不断成熟，它会不断的推广和大规模的使用，VR技术会不断渗透到各个领域，将会普及到各家各户，会替代人类做一些过于繁重的事情。凡事各有千秋，VR技术给我们带来便利的同时，也会有很多危害。VR技术的出现，使得所有人感觉到一种不言而喻的幸福，比如：一些复杂的现象，月球中的情形、火山爆发的情形等，可以使的用户体验一些复杂的，危险的不能直接正面接触的现象，带给我们一种身临其境的感觉，同时无形中也会存在一些潜在的威胁，在思想和智力上会提出极大的挑战。它可能会使人类做的事情会没有太大的价值，重复度比较大；它的大规模推广与大幅度的使用，是人类就业压力会不断增大，實用价值等存在问题。endprint

2虚拟现实的应用

虚拟现实技术是现代发展的一种高科技的电脑计算机媒体设备，它具有很高的技术含量。现在国家的很多企业在研究发展虚拟技术，但是比较关注在建筑行业、医学和药材行业的开发研究，在教育中应用很少。由于它在教学中所需要的资金，一般的学校难以接受的。如今科技的快速发展，虚拟现实技术的使用要在经济允许的状况下才能够在教学坏境中使用。其在教育领域的应用主要包括以下：（1）科研方面。目前，一些科学研究由于受到人力、物力等客观条件限制，不能很好地、按计划开展实施下去，使用VR技术可以帮助科研人员顺利地进行科研。另外，我国高校在许多领域都利用虚拟现实技术进行课题研究，如：北京航天航空大学在分布式飞行模拟方面的应用；浙江大学在建筑方面进行的虚拟规划、虚拟设计的应用。

（2）创设与虚拟学习环境。虚拟现实系统可以演示和虚拟教师、学生、历史人物等各种人物形象，创设交互式学习环境。譬如：在思想品德课堂中，学生可以与虚拟先进人物一起座谈、交流，通过先进人物的言行来感化学生，从而达到思想品德教育目的。

（3）建立与模仿虚拟实验室。虚拟实验室是指由VR技术生成的一类且适于模拟虚拟实验的实验系统，包括有关实验仪器设备、相应实验室环境、实验信息资源以及实验对象等。利用VR技术，可以建立各种虚拟实验室，如物理、化学、生物实验室等。与传统实验室相比，虚拟实验室具有功能全、成本低、避风险等优势，打破空间、时间的限制。

（4）建设虚拟实训基地。使用虚拟现实技术建立起来的虚拟实训基地。虚拟现实可以使学生在虚拟学习环境中扮演角色，有利于学生各种技能训练。如：在飞机驾驶模拟训练系统中，学员可以反复操作控制设备，练习和操作在不同的天气情况下驾驶飞机起飞、降落，通过反复训练，以期达到熟练掌握驾驶技术的目的。

在虚拟现实系统中，多个用户可以通过网络连接进入虚拟现实环境，在虚拟现实环境中用户能够通过化身与场景中的物体和环境进行交流互动，同时还可以通过文本、语音甚至是面部表情的变化与其他用户化身进行交流和协作。同时又根据虚拟现实平台是否面向社会开放这一属性，又将虚拟现实平台分为开放式和非开放式两种——开放式平台，主要包括Second Life、Active World；非开放式平台，常见形式有River City、Quest Atlantis和WolfDen。其中，前者隶属于哈佛大学，Quest Atlantis是属于印第安纳大学的非开放平台，后者是印第安纳大学。而非开放式平台主要面向对象是在校的学生、教师和相关的研究人员。

从整体看，虚拟现实技术在教学中的主要作用有：可以帮助学习者探索那些不能接触到的地点和事物；向学生呈现那些难于观察和测量的事物；为学生再现那些已不复存在的事物；为地域上相隔万里的学习者提供合作学习和讨论的环境；将抽象的、深奥的学习内容具体化和形象化；让学生与虚拟的事物、环境进行交流。同时，虚拟现实技术对教学有很大的影响，例如：教师教学观念得到了改变；课堂中的教学内容和教学方式的改变；教学方法的改变；学习方式的改变等，对现代的教育事业有很大的影响，会促进教育事业的发展。

VR技术不仅仅特指那些依赖头盔和手套等传感设备实现的技术，还包括一切与之有关的具有自然模拟、仿真体验的技术与方法。虚拟现实技术是以其强大的生命力和发展潜力对传统的教学模式产生了巨大的冲击，其应用于教育教学中，对提高教学效率、改善实验环境、优化教学过程和培养学生的创新思维和动手实践能力具有很大的重要意义。通过虚拟现实使教育能够寓教于乐，有效地激发学习兴趣，同时它还能够有效地创建学习情景、支持合作、促進交流、促进知识表达和应用，从而有效地构建一个非常优良的学习环境。我们应该对于新兴的科技保持敏感，尤其应该注意到虚拟现实技术潜力是巨大的，应用前景也很广阔。随着虚拟现实技术备受各界人士的重视，它会对传统教学产生更大的影响，构建虚拟现实教育系统将会成为二十一世纪教育的主流。

穆萍（1996-12），女，回族，宁夏中卫人，西北师范大学教育技术学院本科生，研究方向混合式学习。

马国香（1994-08），女，回族，青海民和人，西北师范大学教育技术学院本科生，研究方向混合式学习。

罗永霞（1994-04），女，回族，宁夏中卫人，西北师范大学教育技术学院本科生，研究方向混合式学习。

参考文献

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