数字音频与虚拟现实技术相结合的跨学科应用与实践探讨

刘星

【摘  要】 数字音频技术（Digital Audio Technology）和虚拟现实技术（Virtual Reality Technology）是当今快速发展的领域，它们在各自领域内已经取得了显著的进展。然而，将数字音频和虚拟现实结合起来，探索它们的交叉点，研究与探讨跨学科应用的多领域合作研发的可行性依然属于创新性研发内容。文章旨在研究数字音频和虚拟现实的交叉点，探索其在不同领域的创新和发展，如教育、医疗、娱乐和仿真训练等。文章通过数字音频和虚拟现实相结合的特点，结合同类参考文献的合理分析，分析两大领域之间相结合的特点，在已有研究的基础上挖掘创新点，着眼于提升学习者的学习参与度、增强式沉浸感以及延伸拓展应用领域。

【关键词】 数字音频；虚拟现实；学习参与度；跨学科应用；交互式学习

一、数字音频与虚拟现实的创新应用

虚拟现实技术是基于其交互性特征创造出的令人沉浸的人机交互体验，体现在通过模拟现实世界或创造3D虚构环境来提供视觉、听觉和触觉相结合的综合性体验。因此其特征体现在沉浸式体验、交互性与实时渲染三个方面。数字音频和虚拟现实的跨学科应用在教育领域具有巨大的潜力。通过将数字音频与虚拟现实二者相结合，可以创造出逼真而丰富的学习环境，提供更具吸引力和有效性的教学体验。学生可以通过沉浸式的虚拟场景和音频交互与教材内容进行互动，诱发求知欲，从而提升学生的学习参与度，激发学生学习兴趣，提高学习成效。

二、探索交叉应用与跨界合作

将数字音频技术和虚拟现实技术相结合，探索二者的交叉点，可以引发许多创新和发展机会。首先，立体空间的音频定位和声音传播技术可以为虚拟现实环境中的听觉体验增添真实感。通过精确计算声音的位置和传播路径，用户可以感受到声音从特定方向和距离传来，立体化的环绕声效果增强了环境的逼真度，为创造学习对象的沉浸感提供了必要的前提条件。其次，实时音频渲染技术在虚拟现实中发挥着重要作用。依附于计算机的发展，传统的音频渲染方法曾因设备功能所限无法满足其实时性和互动性的需求，而虚拟现實场景需要即时的音频响应反馈。因此，研究人员开发了各种实时音频渲染算法和技术，如ASIO（Audio Stream Input Output）驱动技术减少了音频流信号的延迟以适应不同虚拟现实平台和硬件设备；空气衰减模拟对于现实中的声音现象进行模拟，使得听起来远近分明达到环境更加逼真的效果，提供高质量的音频体验直接表现在用户感官上即为身临其境的体验感。这种音频的空间感与虚拟空间的视觉3D效果交互带来的临场感是带来沉浸度的必要条件之一。

三、深入剖析数字音频和虚拟现实的跨学科应用

（一）数字音频和虚拟现实在教育领域中的应用

学生可以通过语音交互与虚拟教师进行对话，向教师提问或参与抢答类小竞赛，增强学习互动性效果提升课堂注意力与学习参与度。适度引用娱乐性的问答小游戏，可以通过音频效果增强用户的沉浸感和情感体验，使游戏体验更加真实而有趣。如答对了加分并获取小金币，而答错了则会减去积分。在中小学教学设计中，建议教师可以因地制宜地采用不同的奖惩方式来激励学生的学习参与度。跨学科应用领域中的教育领域的应用在多媒体结合上已得到了普遍体现，早早受益于数字音频与图文动画或视频的结合。更为真实、立体化的虚拟现实环境结合数字音频可以为学生创造逼真的学习环境，提供更具吸引力和有效性的教学体验。结合虚拟现实的E-Learning系统可以使得复杂的理论教学变得直观生动。桌面式虚拟现实基础学习阶段适用于普及化的大众教育领域，得益于计算机技术的突飞猛进，普通用户的台式电脑或便携式电脑均可成为运行载体。采用由三维动画软件3dsMax构建的虚拟场景，附上丰富的贴图素材可以很好地展示出逼真的环境效果，导入虚拟现实三维环境编辑软件Virtools或VRP- Builder虚拟现实平台后，学生可以通过三维虚拟场景和音频交互设计与场景展示的内容进行互动，生动形象的角色动画增强了学习趣味性，有助于迅速提高学习成效。利用虚拟现实和数字音频可以创建逼真学习环境的特点，学生能够身临其境地体验各种学科。以历史为例，学生可以通过虚拟历史场景了解中国历史、参观革命根据地、观看莫高窟壁画、圆明园遗址、深入了解古文明如各朝各代的历史建筑与遗迹等。借助数字音频技术听到真实的环境音效与讲解，增加对历史事件的深入理解和记忆。在实践过程中不断优化细节和用户体验，桌面式虚拟现实学习环境尤其在中小学教育领域上优势明显，相较于枯燥的课本，无论在知识结构或传播方式上，声音加上画面的多媒体演示课件，结合沉浸式的虚拟现实教育平台将在提升学生的爱国热情方面作出更为有效的贡献。结合当下游戏、手机短视频在学生中盛行的现状，强化爱国主义教育无疑在当今有着重要的现实意义。

（二）数字音频和虚拟现实在医疗、军事领域中的应用

随着虚拟现实设备的不断完善，数据手套（Data Glove）与视觉感知设备头盔显示仪（HMD）的应用，虚拟现实技术越来越展示出对于社会各领域的强大影响力。结合了音频技术的虚拟现实技术在其他领域如医疗、军事上也展示出了巨大的潜力。首先，在医疗模拟训练、心理治疗等方面具有广泛应用。通过模拟真实的医疗场景和音频反馈，医护人员和患者可以获得更真实和全面的体验，提高技能水平和治疗效果。通过虚拟现实和音频疗法，医疗专业人员可以为患者提供更好的治疗体验。

例如，在心理健康治疗中，虚拟现实可以使用音乐或音效创造出安全且可控的环境，利用粉红噪音、白噪音的治愈性特点，帮助患者减轻焦虑和压力，治疗失眠及辅助治疗抑郁等症状，有效平复患者病情；而应用在军事上则在提升效率方面卓有成效，例如在飞行模拟器仿真训练领域，虚拟现实和数字音频的结合也具有重要意义。通过精确的音频模拟和反馈，受训人员可以获得更真实的体验，有效应对各类复杂场景增强个人军事技能和反应速度。通过三维建模设计创建飞行模拟器和驾驶模拟器对象，并利用虚拟现实技术的交互设计来提供逼真的驾驶体验，数字音频可以增强模拟环境的真实感。驾驶舱外的爆炸声、划过地面发射的高射炮、低空飞行时的地面环境……通过实时的音频模拟反馈，受训人员将被带入涉及自身生存危机的虚拟战场，还原战场的真实性，使受训人员更全面地面对各种突发事件，增强其应变能力，研发内容还可以根据事件模拟环境的设计需求扩展到其他平台，如采用AR（增强现实）的实景画面来辅助完成场景设计，学习者宛如置身于真实的作业环境中，操作着3D全景游戏一样的方式来完成训练内容，沉浸式的体验使受训人员全神贯注地提高操作技能和应对复杂场景的能力，虚拟现实战场的设计对于一线作战人员来说，能提高实战效率，大幅度降低自身损耗，从而体现出军事应用领域上的重要意义。当今国际风云突变，俄乌战争开启的现代化战争烧钱模式为我们带来了些许启示。结合实战音效开发沉浸式的立体化虚拟现实战场并培训新兵的军训方式应更为广泛地得到普及式开发，围绕虚拟现实的科研体现在军事上的重要亮点是可以大幅度的为国家节约高昂的军事培训费用与缩短新兵入门培训时间。

（三）数字音频和虚拟现实在其他领域的应用

跨学科合作为推动数字音频与虚拟现实技术的发展提供了契机。合作和交流促进了知识共享和技术进步。专业上二者相结合，社会上延伸应用到更为广阔的领域。跨学科应用的多领域合作型研发为各领域的研究者和从业者提供了创新思路和发展方向。通过将数字音频和虚拟现实相结合，可以创造出新颖而丰富的体验，除了教育、医疗、军事等还在拓展的应用领域，通过相关的科研项目研发不断进步，不断提升用户满意度。音频领域的专家可以借鉴虚拟现实领域的技术创新，而虚拟现实领域的专家则可以从音频领域的经验中受益。在团队合作的推进下这种跨学科的合作可以加速技术的发展与推广，推动数字音频与虚拟现实的融合应用的深度发展。体现在娱乐方面，虚拟现实游戏和音频娱乐体验将更加逼真和沉浸。音频技术可以增强游戏场景的真实感，使用户更加身临其境，提升娱乐价值和用户参与度。在探讨虚拟现实音乐演出和体验的案例中，通过虚拟现实技术，音乐爱好者可以参与身临其境的音乐会和演出，与音乐家互动。在享受身临其境的音频效果的同时，还因为音频技术的降噪与音频混响调节等附加功能的介入，用户可以根据自己的欣赏习惯切换不同的模式，调节均衡器增强或削弱低音等，使得用户可以舒服地躺在自家沙发上，佩戴头盔显示仪在虚拟演出厅中实时观演的同时，还可调节适用于自身的音频设置。充分利用数字音频与虚拟现实技术将使用户的享受程度相较于演出现场更胜一筹成为可能。

（四）树立正确、务实的科学研究态度

虽然数字音频和虚拟现实在教育、医疗和军事领域均具有巨大潜力，但其应用仍处于不断发展和探索的阶段。技术的成本和可用性具有相对性特征，仍然是实施和推广这些应用的挑战之一。在军事上结合虚拟现实能降低高昂的培训成本，而针对本不发达的教育资源开发，基于本国人口规模大的特点，在教育领域应用虚拟现实要做到完全普及化是有一定难度的。建议以桌面式虚拟现实学习为主，同时设立虚拟现实实验室组织学生分批分组进行体验式学习，逐个通过虚拟现实头盔及手套等设备进入虚拟实验室参与进来，分批次完成交互性实验，如拾取虚拟物体内容等。此外，在医疗领域治疗有效性也非一成不变的，不同的人会有不同的反应，都无法一概而论。其中用户参与度也会体现出参差不齐的体验结果，人们更注重用同属心理治疗的有效方式——音乐疗法来影响人的神经系统，达到治疗的目的。即便预估的学习效果或医疗效果是积极的，结合虚拟现实技术的音频疗法也是需要经历多次实验，通过时间与数据的积累来验证的。对这种实验室搭建成本高难度大、实验结果不理想、不尽人意的现状，要求人们在进行新兴领域探索的同时持有足够的耐心与不轻易言败的务实科学态度。

（五）跨学科的合作、创新与挑战

尽管数字音频技术与虚拟现实技术的跨学科应用充满机遇，但也面临一系列挑战。在技术层面，需要应对实时音频渲染、三维实时音频定位技术（3D Real-time Localization）等技术挑战。为了提供高质量的音频体验，不仅需要投入更多成本以选择适当的虚拟现实和音频硬件，还需要解决音频硬件设备与虚拟现实平台之间的兼容性问题；在用户体验方面，面临着如何创造逼真且沉浸式的音频体验的挑战，使用户仿佛置身于真实世界的音频环境中，并将现实环境与虚拟现实场景完美融合。解决这些挑战需要广泛的跨学科合作。这意味着将有经验的音频专家、虚拟现实开发者、教育专家、医学专家甚至军事专家等多领域的人才汇聚在一起，汲取相关的专业知识和技能。通过与同领域专业人士的合作，可以创建更真实、更专业的虚拟环境设计，从而提升学习者的沉浸感。

这种协作将有助于克服技术和用户体验方面的挑战，并为数字音频与虚拟现实技术的跨学科应用带来积极的推动力。

四、结语

综上所述，数字音频与虚拟现实的跨学科应用在教育、医疗、军事、娱乐等领域均展示出巨大的优势与发展潜力。通过研究数字音频和虚拟现实的交叉点，合理地构建专业性研发团队，结合数字音频技术（Digital Audio Technology）和虚拟现实技术（Virtual Reality Technology）这两门学科来制订可行的发展目标，通过数字音频及虚拟现实技术来推动各领域间的创新和发展，提升学习者的体验和创造力。在中小学教育中有效提升学生的参与度；在医疗上治愈与恢复患者身心健康；在军事上大幅度提升培训效率削减培训成本；在娱乐上足不出户体验高雅的生活方式等。跨学科合作和知识共享将是实现数字音频与虚拟现实融合应用的关键，为未来的技术进步和社会发展提供重要支持。

参考文献：

［1］ 陈雅茜，雷开彬. 虚拟现实技术及应用［M］. 北京：科学出版社，2015.

［2］ 李亞静. 音乐疗法在临床中的应用进展［J］. 护士进修杂志，2003（03）：225-227.

［3］ 徐圆圆，蔡敏. 放松训练及音乐疗法在临床的应用进展［J］. 中西医结合护理，2023（06）：244-250.