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计算机虚拟现实技术解析及其在高校教学中的应用探究

来源:用户上传      作者:

  文章编号:1672-5913(2009)06-0124-03
  摘要:本文首先对计算机虚拟现实技术的基本特征及其关键技术进行了解释分析,然后对虚拟现实技术在高校教学中的应用作了介绍,最后针对目前高校教学中应用计算机虚拟现实技术所存在的问题及其解决方案阐述了个人观点。
  关键字:虚拟现实;高校教学;应用;特征;问题;方案
  中图分类号:G642
  文献标识码:B
  
  伴随科技突飞猛进的发展,各类教学媒体不断涌现,如今,教学技术领域又出现了一个新型教学媒体,它就是虚拟现实技术(Virtual Reality)。
  虚拟现实技术是利用三维图形生成、多传感交互及高分辨显示等计算机技术生成三维逼真的虚拟环境,使用者戴上特殊的头盔、数据手套等传感设备,或利用键盘、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,从而获得身临其境的感受和体会。
  虚拟现实技术作为新的教学媒体,它的出现无疑将对高校教学产生深远的影响。本文主要探讨虚拟现实技术的基本特征以及它在高校教学应用方面的相关问题。
  
  1计算机虚拟现实的基本特征及其关键技术
  
  1.1虚拟现实的基本特征
  虚拟现实可以表示为4个特征:沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)、多感知性(Multi-Sensory)、构想性 (Imagination) 。
  (1) 沉浸性(Immersion):这是虚拟现实系统的核心,指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“置身其中”之感。
  (2) 交互性(Interaction):指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。
  (3) 多感知性(Multi-Sensory):由于虚拟现实系统中装有视觉、听觉、触觉、动觉的传感及反应装置,因此,使用者在虚拟环境中可获得相应的多种感知,从而达到身临其境的感受。
  (4) 构想性(Imagination):虚拟现实不仅仅是一个用户与终端的接口,更要使用户沉浸在此环境中获取新的知识,提高感性和理性认识,从而产生新的构思。
  基于以上特征,虚拟现实使操作者能够真正进入一个由计算机生成的交互式三维虚拟环境中,与之产生互动,进行交流。通过参与者与仿真环境的相互作用,并借助人本身对所接触事物的感知和认知能力,帮助启发参与者的思维,以全方位地获取环境所蕴含的各种空间信息和逻辑信息。
  通过多种感知,获得身临其境的沉浸感和人机互动的趣味性是虚拟现实的实质特征,对时空环境的现实构想是虚拟现实的最终目的。
  1.2计算机虚拟现实的关键技术
  计算机虚拟现实是多种技术的综合,包括实时三维计算机图形、立体广角显示、用户 (头、眼) 的跟踪、立体声、触觉与力觉反馈、语音输入输出等技术。
  (1) 实时三维计算机图形技术
  此技术的关键在于“实时”。例如在力学模拟系统中,图像的实时刷新相当重要,同时对图像质量的要求也很高,再加上非常复杂的虚拟环境,使虚拟现实就变得相当困难。
  (2) 立体广角显示
  要达到立体广角显示,双眼立体视觉起了很大作用,这是因为用户的两只眼睛看到的不同图像是分别产生的,显示在不同的显示器上。当然有的系统也采用单个显示器,但用户戴上特殊的眼镜后,也可以造成视差从而产生立体感。
  (3) 用户(头、眼)的跟踪技术
  在虚拟环境中,每个物体相对于系统的坐标系都有一个位置与姿态,而用户也是如此。用户看到的景象是由用户的位置和头(眼)的方向来确定的。利用虚拟现实头套跟踪头部运动,可以根据头部跟踪来改变图像的视角,用户的视觉系统和运动感知系统之间就可以联系起来。
  (4) 立体声
  在水平方向上,我们靠声音的“相位差”及“强差”来确定声音的方向。现实生活里,当头部转动时,听到的声音的方向就会改变。但目前在虚拟现实系统中,声音的方向与用户头部的运动无关。
  (5) 触觉与力觉反馈
  在虚拟现实系统中,用户可以看到一支虚拟的钢笔。你可以设法去握住它,但你的手却感觉不出接触到了它,并有可能穿过虚拟钢笔的“笔杆”,而这在现实生活中是不可能的。解决这一问题的常用装置是在手套内层安装一些可以振动的触点来模拟触觉。
  (6) 语音输入输出
  在虚拟现实系统中,语音的输入输出也很重要。这就要求虚拟环境能听懂人的语言,并能与人实时交互。然而,让计算机识别人的语音是相当困难的,因为语音信号和自然语言信号有其“多边性”和复杂性。
  
  2计算机虚拟现实技术在高校教学中的应用
  
  虚拟现实在高校教学中主要表现在课堂教学、实验教学两个方面:
  2.1课堂教学
  课堂教学是教学的主要方式,也是虚拟现实运用于教学的主要战场。根据学科的不同,虚拟现实也发挥着不同的作用,主要有以下几方面的应用:
  (1) 立体物体展示
  在以往的教学环境中,为了更形象地使学生感受三维实物的信息,主要采用图片展示、实物展示、软件动画这样一些方法,但这些都很难使学生更全面的了解其三维属性。
  通过虚拟现实,可以构建一个与实物同样的三维物体,如采用3dsMAX建模,存储为VRML格式,然后利用VRML播放器可以得到很好的展示效果,辅助教师教学。
  (2) 立体空间展示
  立体空间是指在现实世界中真实存在或存在过的空间。教学中,有时需要向学生展示这些空间时,由于条件的限制,不可能让学生进入这些空间。
  以往教学中,可能只能够通过教师的描绘来激发学生的想象,在其头脑中创建出这个虚拟的空间来。
  使用虚拟现实,不仅能在学生头脑中建立这些空间,而且可以使其看得见、听得见,甚至可以摸得着。比如:太空给我们呈现的是一个神秘而陌生的世界,如何感受身体在太空中的感觉是很多人梦寐以求的事情。通过进入虚拟现实制作的虚拟空间,我们可以感受宇宙里的奥妙,可以体会人体在失重状态下的感受,也可以在月球上做铁球和乒乓球同时着地的实验来验证伽俐略的结论。
  (3) 虚拟场景构造
  虚拟场景是指在现实生活中可能出现的一些场景,通过虚拟现实技术在不同的时间或地点表示出来。
  虚拟场景的构造在高校语言教学中应用非常广泛。以往教师只能通过言语的讲述、图片的展示或录像的收看来创设学习情境,学生只能被动地接受。个别情境老师描绘的和学生理解的可能相去甚远。通过虚拟现实,学生可以和国外友人亲切交谈,也可以感受美国总统竞选时演讲的现场气氛。这些场景都是常规课堂上所无法给予的。
  2.2科学实验
  高校一般在现有的条件下,许多实验是无法进行的:
  ① 根本不可能做的实验,如核反应、地震波传播、火山喷发等实验。
  ② 不能让学生做的实验,如涉及到放射性物质或有毒物质的实验。
  ③ 受实验经费限制、实验成本昂贵而无法普及的实验,如著名的“风洞”实验 (2009年Volvo公司仅对建于1986年的风洞实验设备进行改造就花费了2亿元人民币)。
  利用虚拟现实技术,在计算机上建立虚拟实验室,学生可以走进这个虚拟实验室,身临其境般的操作虚拟仪器,结果可以通过仪表显示身体的感受反馈给学生。这种实验既不消耗器材,也不受场地等外界条件限制,可重复操作,直至得出满意结果,有效地解决实验条件与实验效果之间的矛盾。
  
  3目前高校教学中应用计算机虚拟现实技术所存在的问题及其解决方案
  
  3.1高校教学中应用计算机虚拟现实技术所存在的问题
  随着计算机软硬件技术的高速发展,计算机虚拟现实技术凭借其独特优势,已逐渐被高校教学广泛应用,但与此同时也暴露出了诸多问题。
  (1) 计算机虚拟现实项目开发与高校教学实际需求脱节
  目前的虚拟现实教学设计,多停留在设计人员和制作人员的主观判断和个人喜好上,没有能够深入到学生群体,对其知识结构、年龄结构、学习习惯、学习方法、兴趣点等进行深入调研。
  (2) 开发周期长,使用周期短,项目不能及时应用到高校教学中
  计算机虚拟现实项目开发是一个大的工程,需要很多专业技术的整合。因此,其制作周期往往比较长。
  随着知识更新和信息刷新速度的加快,出现了这样的现象:一个教学系统在最需要它的时候,制作没有完成;等制作完成了,它的很多内容、数据已经过时了,或者教授它的设备已经换代了。这样,由于开发周期控制不好,就导致了人力和资源的浪费,导致本来很好的教学系统错过了发挥作用的时机。
  (3) 开发队伍不完善,阻滞计算机虚拟现实在高校教学中的使用
  高校目前的虚拟现实项目开发制作中,开发队伍往往是由软件设计编程人员组成,或由他们为主体,而其他专业人员却不完备。这些人员受工作特点影响,侧重于用编程方式实现效果,在界面设计、图像处理、模型建构等诸多方面缺乏专业技能,导致开发制作周期大幅度延长,同时为制作过程增加了很多不必要的困难。
  3.2问题的具体解决方案
  针对上述问题,我们可以从以下几方面着手来解决:
  (1) 充分调研,从学生角度进行项目设计
  充分的调研是项目成功的前提,开发设计人员要深入到学生群体中,了解他们需要什么样的教学系统,主要包括:现有文化程度、曾经用过什么学习系统、对哪些功能满意或不满意、希望有什么样的学习过程、喜欢什么样的交互方式等。通过一定的调查研究,就可以针对学生各方面特点对项目的整体形式、结构和内容进行设计。
  (2) 模块化设计、开放性系统
  虚拟现实本身特点,导致其项目制作难度大、制作周期较长,这就要求设计人员要尽可能缩短制作周期、延长使用周期。现今知识的更新周期越来越短,要保证教学系统的内容能够适时跟上知识的更替,就必须实行模块化、开放性系统制作思路。
  模块化就是将项目的各部分划分为多级子模块,将任务由整化零,分成各模块并行完成,从而缩短制作周期;每一模块自成整体,拥有统一规范的接口,方便今后根据需要对模块进行局部升级,延长其使用周期。
  开放性系统是指给用户提供简单的更新功能,预留给教师专供今后更新的模块,以便在一些可能会发生数据变化的地方,教师可以根据需要自行更新,同样也延长了项目的使用周期。
  (3) 统筹规划,建立完善的开发思路和制作群体
  在制作之初,就必须建立完备的制作群体。任命专门的项目负责人负责制定完备的计划,并在以后的项目制作过程中协调各专业制作人员;具有一批相关领域的专家负责为项目设计情景和任务;拥有一批满足特殊要求的制作人员,以编程人员为主,再配备必要数目的动画、美工、音频处理人员。这些人员要了解虚拟系统对各方面素材的特殊要求,各司其职,互相协同,互相交流,专业整合,发挥各自优势从而保障任务的顺利完成。
  
  4结束语
  
  由于高校中虚拟现实教学的实践性和创造性,为学生提供了一个自主、交互和直观的学习环境,为教学的创新提供了新的空间、平台和可能性,丰富了教学的实践形式和多样性。我们相信,虚拟现实技术与高校教学的不断整合,必将更好地服务于教学,使教学效果达到质的飞跃,这将对高教事业的发展产生积极而深远的影响。
  
  参考文献:
  [1] 郭建才. 虚拟现实技术在电子教学中的应用[C]. 计算机应用论文集.2001.(12).
  [2] 李慧.数字交通中的“虚拟现实”技术应用[J].信息技术,2006,(6).
  [3] 谢志江等. 案例教学法在工科教学中的应用[J].高等工程教育研究,2003,(5).
  [4] 孙家广. 计算机图形学[M]. 北京:清华大学出版社. 1998.

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