第七章虛擬現(xiàn)實(shí)及其應(yīng)用

1、浙江師范大學(xué)教育技術(shù)系 主講：夏洪文第七章第七章 虛擬現(xiàn)實(shí)及其應(yīng)用本章要點(diǎn)本章要點(diǎn) 虛擬現(xiàn)實(shí)的定義和特征 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)成與分類 虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備 虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言VRML 虛擬現(xiàn)實(shí)的教育應(yīng)用27.1 虛擬現(xiàn)實(shí)的定義和特征 7.1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)的定義 虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）技術(shù)是20世紀(jì)80年代末90年代初崛起的一種實(shí)用技術(shù)。它是由計(jì)算機(jī)硬件、軟件以及各種傳感器構(gòu)成的三維信息的人工環(huán)境虛擬環(huán)境，可以真實(shí)的模擬現(xiàn)實(shí)世界可以實(shí)現(xiàn)的（甚至是不可實(shí)現(xiàn)的）物理上的、功能上的事物和環(huán)境。用戶投入到這種環(huán)境中，立即有“親臨其境”的感覺，并可親自操作、實(shí)踐，與虛擬的環(huán)境交互作

2、用。3 這里所謂虛擬環(huán)境就是用計(jì)算機(jī)生成的具有表面色彩的立體圖形，它可以是某一特定現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)體現(xiàn)，也可以是純粹構(gòu)想的世界。傳感設(shè)備包括立體頭盔，立體眼鏡等在用戶身上的裝置和設(shè)置于現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的傳感裝置。自然交互是指用日常使用的方式對(duì)環(huán)境內(nèi)的物體進(jìn)行操作(如用手拿東西，行走等)并得到實(shí)時(shí)立體反饋。47.1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)的特征圖7-1：虛擬感應(yīng)頭盔、遙控手柄、數(shù)據(jù)手套51. 多感知性(MultiSensory) 所謂多感知就是除了一般計(jì)算機(jī)技術(shù)所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知，力覺感知，觸覺感知，運(yùn)動(dòng)感知，甚至應(yīng)該包括味覺感知，嗅覺感知等。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。由于

3、相關(guān)技術(shù)，特別是傳感技術(shù)的限制日前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、力覺、觸覺，運(yùn)動(dòng)等幾種，而且無論從感知范圍還是從感知的精確程度都還無法與人相比擬。6 2沉浸感(presence) 又稱為臨場(chǎng)感(Immersion)，它是指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該達(dá)到使用戶難以分辨真假的程度(例如，可視場(chǎng)景應(yīng)隨著視點(diǎn)的變化而變化)，甚至比真的還“真”，如實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)實(shí)更逼真的照明和音響效果等。7 3交互性(Interaction) 交互性是指用戶對(duì)模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度(包括實(shí)時(shí)性)。例如，用戶可以用手去直接抓取模擬環(huán)境中的物體，這

4、時(shí)手有握著東西的感覺。并可以感覺物體和重量(其實(shí)這時(shí)手里并沒有實(shí)物)，視覺中被抓的物體也立刻隨著手的移動(dòng)而移動(dòng)。8虛擬現(xiàn)實(shí)的特征 4自主性(Autonomy) 自主性是指虛擬環(huán)境中物體反映現(xiàn)實(shí)規(guī)律的程度。例如，當(dāng)受到力的推動(dòng)時(shí)，物體會(huì)向力的方向移動(dòng)或翻倒，或從桌面落到地面等。97.1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)的用途領(lǐng) 域用 途醫(yī)學(xué)外科手術(shù)，遠(yuǎn)程遙控手術(shù)，身體復(fù)建，虛擬超音波影像，藥物合成教育虛擬天文館，遠(yuǎn)距教學(xué)藝術(shù)虛擬博物館，音樂商業(yè)電傳會(huì)議，電話網(wǎng)路管理，空中交通管制景觀模擬建筑設(shè)計(jì)，室內(nèi)設(shè)計(jì)，工業(yè)設(shè)計(jì)，地形地圖科學(xué)視覺化數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、古生物、考古、行星表面重建，虛擬風(fēng)洞試驗(yàn)，分子結(jié)構(gòu)分析軍事

5、飛行模擬，軍事演習(xí)，武器操控太空太空訓(xùn)練，太空載具駕駛模擬機(jī)械人機(jī)械人輔助設(shè)計(jì)，機(jī)械人操作模擬，遠(yuǎn)程操控工業(yè)電腦輔助設(shè)計(jì)娛樂電腦游戲107.2 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)成與分類 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)成 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，主要分三大塊：建模技術(shù)、顯示技 術(shù)、三維場(chǎng)景中的交互技術(shù)。 具體來說虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要由以下五個(gè)模塊構(gòu)成：圖7-2 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)成117.2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)成1.檢測(cè)模塊：檢測(cè)用戶的操作命令，并通過傳感器模塊作用于虛擬環(huán)境。 2.反饋模塊：接受來自傳感器模塊信息，為用戶提供實(shí)時(shí)反饋。 3.傳感器模塊：一方面接受來自用戶的操作命令，并將其作用于虛擬環(huán)境；另一方面 將操作后產(chǎn)生的結(jié)果

6、以各種反饋的形式提供給用戶。4.控制模塊：對(duì)傳感器進(jìn)行控制，使其對(duì)用戶、虛擬環(huán)境和現(xiàn)實(shí)世界產(chǎn)生作用。 5.建模模塊：獲取現(xiàn)實(shí)世界組成部分的三維表示，并由此構(gòu)成對(duì)應(yīng)的虛擬環(huán)境。 127.2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)按其功能高低大體可分為四類： 1桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，也稱窗口中的VR。它可以通過桌上型機(jī)實(shí)現(xiàn)，所以成本較低，功能也最簡(jiǎn)單，主要用于CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）、建筑設(shè)計(jì)、桌面游戲等領(lǐng)域。 2沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，如各種用途的體驗(yàn)器，使人有身臨其境的感覺，各種培訓(xùn)、演示以及高級(jí)游戲等用途均可用 這種系統(tǒng)。 13 3分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，它在因特網(wǎng)環(huán)境下， 充分利

7、用分布于各地的資源，協(xié)同開發(fā)各種虛 擬現(xiàn)實(shí)的利用。它通常是浸沉虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的 發(fā)展，也就是把分布于不同地方的沉浸虛擬現(xiàn) 實(shí)系統(tǒng)，通過因特網(wǎng)連接起來，共同實(shí)現(xiàn)某種 用途。14分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（DVR）即是一個(gè)較為典型的實(shí)例。所謂DVR是指一個(gè)支持多人實(shí)時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互的軟件系統(tǒng)，每個(gè)用戶在一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，通過計(jì)算機(jī)與其它用戶進(jìn)行交互，并共享信息。把分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)用于建造人體模型、電腦太空旅游、化合物分子結(jié)構(gòu)顯示等領(lǐng)域，由于數(shù)據(jù)更加逼真，大大提高了人們的想象力、激發(fā)了受教育者的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)效果十分顯著。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、心理學(xué)、教育學(xué)等多種學(xué)科的相互結(jié)合、促進(jìn)和發(fā)展，系統(tǒng)因此能夠

8、提供更加協(xié)調(diào)的人機(jī)對(duì)話方式。 15 4增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)又稱混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。 它是把真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境結(jié)合起來的一種系統(tǒng)，既可減少構(gòu)成復(fù)雜真實(shí)環(huán)境的開銷（因?yàn)椴糠终鎸?shí)環(huán)境由虛擬環(huán)境取代），又可對(duì)實(shí)際物體進(jìn)行操作（因?yàn)椴糠窒到y(tǒng)即系真實(shí)環(huán)境），真正達(dá)到了亦真亦幻的境界，是今后發(fā)展的方向。167.3虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備 7.3.1 實(shí)時(shí)立體視覺與廣角立體顯示 相比較而言，利用計(jì)算機(jī)模型產(chǎn)生圖形圖像并不是太難的事情。如果有足夠準(zhǔn)確的模型，又有足夠的時(shí)間，我們就可以生成不同光照條件下各種物體的精確圖像，但是這里的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)。例如在飛行模擬系統(tǒng)中，圖像的刷新相當(dāng)重要，同時(shí)對(duì)圖像質(zhì)量的要求也很高，再加上非常復(fù)雜

9、的虛擬環(huán)境，問題就變得相當(dāng)困難。17 人看周圍的世界時(shí)，由于兩只眼睛的位置不同，得到的圖像略有不同，這些圖像在腦子里融合起來，就形成了一個(gè)關(guān)于周圍世界的整體景象，這個(gè)景象中包括了距離遠(yuǎn)近的信息。當(dāng)然，距離信息也可以通過其他方法獲得。18 在VR系統(tǒng)中，雙目立體視覺起了很大作用。用戶的兩只眼睛看到的不同圖像是分別產(chǎn)生的，顯示在不同的顯示器上。有的系統(tǒng)采用單個(gè)顯示器，但用戶帶上特殊的眼鏡后，一只眼睛只能看到奇數(shù)幀圖像，另一只眼睛只能看到偶數(shù)幀圖像，奇、偶幀之間的不同也就是視差就產(chǎn)生了立體感。19圖7-3 FlyVR實(shí)景虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái) 圖7-4 環(huán)形或球幕投影系統(tǒng)207.3.2 頭部及體位追蹤 用戶（

10、頭、眼）的跟蹤：在人造環(huán)境中，每個(gè)物體相對(duì)于系統(tǒng)的坐標(biāo)系都有一個(gè)位置與姿態(tài)，而用戶也是如此。用戶看到的景象是由用戶的位置和頭（眼）的方向來確定的。 跟蹤頭部運(yùn)動(dòng)的虛擬現(xiàn)實(shí)頭套：在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)中，視場(chǎng)的改變是通過鼠標(biāo)或鍵盤來實(shí)現(xiàn)的，用戶的視覺系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)是分離的，而利用頭部跟蹤來改變圖像的視角，用戶的視覺系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)之間就可以聯(lián)系起來，感覺更逼真。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，用戶不僅可以通過雙目立體視覺去認(rèn)識(shí)環(huán)境，而且可以通過頭部的運(yùn)動(dòng)去觀察環(huán)境。21 在用戶與計(jì)算機(jī)的交互中，鍵盤和鼠標(biāo)是目前最常用的工具，但對(duì)于三維空間來說，它們都不太適合。在三維空間中因?yàn)橛辛鶄€(gè)自由度，我們很難找出比較直

11、觀的辦法把鼠標(biāo)的平面運(yùn)動(dòng)映射成三維空間的任意運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)在，已經(jīng)有一些設(shè)備可以提供六個(gè)自由度，如3Space數(shù)字化儀和SpaceBall空間球等。另外一些性能比較優(yōu)異的設(shè)備是數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)衣。227.3.3 立體聲與虛擬立體聲的產(chǎn)生 人能夠很好地判定聲源的方向。在水平方向上，我們靠聲音的相位差及強(qiáng)度的差別來確定聲音的方向，因?yàn)槁曇舻竭_(dá)兩只耳朵的時(shí)間或距離有所不同。常見的立體聲效果就是靠左右耳聽到在不同位置錄制的不同聲音來實(shí)現(xiàn)的，所以會(huì)有一種方向感?，F(xiàn)實(shí)生活里，當(dāng)頭部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，聽到的聲音的方向就會(huì)改變。但目前在VR系統(tǒng)中，聲音的方向與用戶頭部的運(yùn)動(dòng)無關(guān)。23 1在虛擬環(huán)境中的聲音生成和顯示系統(tǒng)為達(dá)到一

12、定的仿真逼真度，應(yīng)該達(dá)到以下一些目標(biāo): (1)聲音的生成和顯示系統(tǒng)應(yīng)能夠在可聽范圍內(nèi)體現(xiàn)較高的頻率分辨度，聲音的生成和顯示系統(tǒng)應(yīng)能反映目標(biāo)實(shí)體的方位、距離等信息及音調(diào)變化; (2)能表達(dá)多個(gè)靜止或運(yùn)動(dòng)的聲源，支持多個(gè)聽點(diǎn)和聽點(diǎn)切換; (3)與其他通道的良好融合、匹配和同步。24 2揚(yáng)聲器生成虛幻聲像原理 圖7-5 揚(yáng)聲器生成虛幻聲像 如圖7-5所示的一對(duì)揚(yáng)聲器，分別輸出相干的聲音信號(hào)，通過控制信號(hào)的增益、相位可以讓聽者產(chǎn)生聽覺上的虛幻聲像，人耳可以自然地根據(jù)不同位置的揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音來識(shí)別虛擬環(huán)境中動(dòng)態(tài)目標(biāo)的方位。257.3.4 觸覺與力覺的技術(shù) 從物理學(xué)仿真角度看，包括接觸覺(Tactile

13、 or Touch Sensing)和力覺(Force Sens-ing)的觸覺感知(Haptic Sensing) ,在基于虛擬現(xiàn)實(shí)操作系統(tǒng)中是不可或缺的重要感覺。當(dāng)前，虛擬環(huán)境中大多數(shù)數(shù)據(jù)信急是采用視覺傳感器以及非接觸型傳感器(如超聲測(cè)距傳感器等)采集的。26 然而，實(shí)際工作中很多操作任務(wù)的信急要求具備敏捷的控制和接觸感覺。在虛擬環(huán)境中，由于缺乏觸覺感知反饋(Haptic Feedback)手段，而使許許多多的信號(hào)源很難反饋和顯示給異地的用戶，從而難以實(shí)現(xiàn)更加全而的人一機(jī)交互作用。顯而易見，沒有基于幾虛擬現(xiàn)實(shí)的觸覺感知反饋?zhàn)饔茫秃茈y滿足各種工程實(shí)際應(yīng)用的要求。 在一個(gè)VR系統(tǒng)中，用戶可以

14、看到一個(gè)虛擬的杯子。你可以設(shè)法去抓住它，但是你的手沒有真正接觸杯子的感覺，并有可能穿過虛擬杯子的“表面”，而這在現(xiàn)實(shí)生活中是不可能的。解決這一問題的常用裝置是在手套內(nèi)層安裝一些可以振動(dòng)的觸點(diǎn)來模擬觸覺。277.3.5 虛擬現(xiàn)實(shí)中使用的輸出/輸入技術(shù) 語音、自然語言、手勢(shì)、視線跟蹤及頭部跟蹤等各種形式的輸入技術(shù)正在研究中，沉浸式的頭盔顯示器已經(jīng)開始使用，新的立體顯示設(shè)備也正在研制。 在VR系統(tǒng)中，語音的輸入輸出也很重要。這就要求虛擬環(huán)境能聽懂人的語言，并能與人實(shí)時(shí)交互。而讓計(jì)算機(jī)識(shí)別人的語音是相當(dāng)困難的，因?yàn)檎Z音信號(hào)和自然語言信號(hào)有其“多邊性”和復(fù)雜性。例如，連續(xù)語音中詞與詞之間沒有明顯的停頓，

15、同一詞、同一字的發(fā)音受前后詞、字的影響，不僅不同人說同一詞會(huì)有所不同，就是同一人發(fā)音也會(huì)受到心理、生理和環(huán)境的影響而有所不同 。28 使用人的自然語言作為計(jì)算機(jī)輸入目前有兩個(gè)問題，首先是效率問題，為便于計(jì)算機(jī)理解，輸入的語音可能會(huì)相當(dāng)羅嗦。其次是正確性問題，計(jì)算機(jī)理解語音的方法是對(duì)比匹配，而沒有人的智能。 297.4 虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言VRML307.4.2 VRML的基本內(nèi)容31例如，下面是一個(gè)顯示無頂面的杯狀體的VRML文檔 #VRML V2.0 utf8 Shape appearance Appearance material Material # 使用默認(rèn)材質(zhì)和顏色 geometry C

16、ylinder radius 3 height 6 side TRUE top FALSE bottom TRUE 32 與上述文檔相應(yīng)的屏幕顯示情況如圖7-6所示。圖7-6用VRML描述的一個(gè)虛擬圓柱體33 2VRML文檔的編輯 由于VRML文檔是一個(gè)普通的文本文件即純文本文件，因此它對(duì)編輯工具沒有特殊的要求。事實(shí)上，Mircrosoft Word、寫字板等，都可以用來編輯VRML文檔。為了方便進(jìn)行VRML文檔的編輯，可以通常具有“所見即所得”功能的可視化VRML文檔編輯軟件，例如Internet Space Builder 、Canoma等，它們會(huì)自動(dòng)將所編輯成的結(jié)果保存為VRML格式的文

17、本文件。 34357.4.3 VRML的發(fā)展36 2VRML2.0 1996年8月公布。VRML2.0名義上是VRML1.0的修訂版，但兩者從內(nèi)容到文檔結(jié)構(gòu)上都很不相同。在VRML2.0中，節(jié)點(diǎn)類型擴(kuò)展為54種，支持的對(duì)象包括動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩類。這時(shí)的VRML語言，已經(jīng)完全脫離HTML的影響，被正式命名為：虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言（Virsual Reality Modeling Language）。377.5 虛擬現(xiàn)實(shí)的教育應(yīng)用7.5.1 虛擬現(xiàn)實(shí)的教育意義主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。 1擴(kuò)大經(jīng)驗(yàn) 建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)理論告訴我們，人們的知識(shí)是在一定的環(huán)境中建構(gòu)的。學(xué)習(xí)環(huán)境在知識(shí)的建構(gòu)中占有重要的位置。虛擬現(xiàn)實(shí)技

18、術(shù)為學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)置，為人們獲取知識(shí)提供了條件。虛擬現(xiàn)實(shí)在人們的學(xué)習(xí)中具有重要的意義。 在虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中，人們通過與虛擬的環(huán)境相互作用，獲取信息，取得經(jīng)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)、問題解決學(xué)習(xí)。 為了培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、分析問題、解決問題的能力，應(yīng)讓學(xué)生在虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中近行體驗(yàn)學(xué)習(xí)，去發(fā)現(xiàn)問題，解決實(shí)際的問題，實(shí)現(xiàn)能力的培養(yǎng)。382提高訓(xùn)練效率 利用虛擬現(xiàn)實(shí)可進(jìn)行許多復(fù)雜的訓(xùn)練、飛行模擬訓(xùn)練、中央控制室訓(xùn)練等各種訓(xùn)練系統(tǒng)是這種應(yīng)用的具體實(shí)例。利用虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行訓(xùn)練，不僅可極大地降低訓(xùn)練成本，提高訓(xùn)練效率，還可以保障訓(xùn)練的安全，甚至許多在一般情況下難以出現(xiàn)的情況，也可以在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)

19、置，予可訓(xùn)練。 在理、工科教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)占有重要的位置，學(xué)生能夠在實(shí)驗(yàn)的具體操作過程中，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。為此不少學(xué)校開辟有開放實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生自由地進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行有關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作和訓(xùn)練。但在教學(xué)實(shí)際條件下，某些實(shí)驗(yàn)或需要的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地過大，或?qū)嶒?yàn)設(shè)備過于昂貴，或?qū)嶒?yàn)的費(fèi)用過高，或?qū)嶒?yàn)的危險(xiǎn)性過大，它給學(xué)生正常地完成實(shí)驗(yàn)、掌握實(shí)驗(yàn)的操作帶來了許多因難。此時(shí)，可利用虛擬實(shí)驗(yàn)室來培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，使學(xué)生具有一定的實(shí)驗(yàn)技能。397.5.2 虛擬現(xiàn)實(shí)的教育應(yīng)用 虛擬現(xiàn)實(shí)可廣泛地用于教育的各個(gè)方面，它主要應(yīng)用于： 1教學(xué)訓(xùn)練 它包括各種專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練以及實(shí)驗(yàn)事故的識(shí)別、應(yīng)急處置的訓(xùn)練。 2設(shè)計(jì)

20、與研究 它包括用于設(shè)計(jì)與研究的各種實(shí)驗(yàn)，如風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、思考實(shí)驗(yàn)以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)結(jié)果的比較和研究。403過程的評(píng)價(jià) 利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可對(duì)各種操作過程進(jìn)行評(píng)價(jià)和研討果進(jìn)行研討，由此實(shí)現(xiàn)有效的決策。4能力與技能的評(píng)價(jià) 利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可對(duì)面臨諸如地震、洪水等有關(guān)災(zāi)害應(yīng)采取怎樣的防治和救助的方法及所得到的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。該種方法可對(duì)預(yù)期的結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。415特定的教育應(yīng)用 它包括各種用于具體學(xué)科內(nèi)存教學(xué)的教學(xué)設(shè)施。例如，行星儀、風(fēng)桐實(shí)驗(yàn)室等各種虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)施。6娛樂 主要是基于虛擬現(xiàn)實(shí)的答種教學(xué)游戲。以上是虛擬現(xiàn)實(shí)衣教育應(yīng)用中的若干個(gè)分支，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷完善，其應(yīng)用面還將得到不斷地?cái)U(kuò)展。427.5

21、.3 存在的問題 虛擬現(xiàn)實(shí)是近十幾年發(fā)展起來的一種新興技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)在教育中的應(yīng)用雖然具有十分樂觀的前景，但日前仍然存在一定的問題，這些問題主要是：1虛擬現(xiàn)實(shí)的各種系統(tǒng)、設(shè)施還需不斷完善目前，虛擬現(xiàn)實(shí)的各種系統(tǒng)、設(shè)施還處于研制階段，其功能、穩(wěn)定性、操作性還有待完善、提高。許多虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)及其接口多針對(duì)成年人的特點(diǎn)設(shè)計(jì)，若將它用于學(xué)校，特別是中、小學(xué)，還應(yīng)根據(jù)學(xué)校的特點(diǎn)及學(xué)生的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。43 2經(jīng)濟(jì)問題 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的硬件設(shè)備及軟件價(jià)格較為昂貴，一般學(xué)校難以接受。此外，設(shè)備的安全性、穩(wěn)定性也是項(xiàng)重要的問題。由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)目前多處于研發(fā)階段，許多效術(shù)不甚成熟，有待研究和完善，系統(tǒng)的使用受到

22、一定的限制。 從日前的實(shí)際情況舌，虛擬現(xiàn)實(shí)多用于那些實(shí)際操作、技能訓(xùn)練較多的課程，如理工科的有關(guān)課程和藝術(shù)類的有關(guān)課程，學(xué)生可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)的情景進(jìn)行模擬體驗(yàn)，達(dá)到一定的學(xué)習(xí)效果。447.6 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的用舉例45圖7-7 全景環(huán)視作品：故宮博物院4647圖78 全景環(huán)視制作工具實(shí)例487.6.2 VRML技術(shù)及其應(yīng)用491. VRML文檔及其顯示 VRML文檔通常是用VRML語言組織起來的一個(gè)擴(kuò)展名為.wrl的文本文件，它通過Web瀏覽器向用戶展示虛擬現(xiàn)實(shí)情景。 為了方便進(jìn)行VRML文檔的編輯，一般采用可視化的VRML文檔編輯軟件，例如Internet Space Builder、Cano

23、ma等。編輯過的VRML文檔可以在Internet上傳輸并由Web覽器進(jìn)行顯示。在Web瀏覽器 中顯示VRML文檔時(shí)需要預(yù)裝一個(gè)簡(jiǎn)單的VRML插件。5051圖7-9 網(wǎng)上虛擬美術(shù)館 527.6.3 遙控機(jī)器人 主從式遙控機(jī)器人是指在人的操縱下，能在人難以接近、無法進(jìn)入或?qū)θ梭w有害的環(huán)境，完成比較復(fù)雜操作的一種遠(yuǎn)距離操作系統(tǒng)。受現(xiàn)有技術(shù)水平限制，目前能使用的遙控機(jī)器人在上述的大部分環(huán)境中，都是通過人工參與，借助于人的智能和經(jīng)驗(yàn)來完成復(fù)雜環(huán)境下的作業(yè)。 臨場(chǎng)感技術(shù)是將機(jī)器人與環(huán)境交互作用信息(視覺、力覺、觸覺等)實(shí)時(shí)反饋到本地操作者處，使操作者產(chǎn)生身臨其境的感受，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手臂的控制。它是遙控

24、機(jī)器人完成接觸性任務(wù)的保證。 537.6.4 虛擬實(shí)驗(yàn)室 虛擬實(shí)驗(yàn)室可以說是教育領(lǐng)域應(yīng)用信息技術(shù)的一種創(chuàng)新:允許人們?cè)L問和使用自己沒有的設(shè)備資源，使得處于不同地理位置的學(xué)習(xí)者可以同時(shí)對(duì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)工作，可以接觸最新的儀器。 1例如：卡耐基梅隆大學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)室 CMU ( Carnegie Meilon University)的虛擬實(shí)驗(yàn)室為傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)與未來的實(shí)驗(yàn)之間提供了一種獨(dú)特的鏈接。基本結(jié)構(gòu)如圖7-10所示:54圖7-10 CMU的虛擬實(shí)驗(yàn)室 552. 虛擬實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展方向（1）協(xié)作式虛擬實(shí)驗(yàn)室 與同伴合作是實(shí)驗(yàn)過程中一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，因 為科學(xué)實(shí)驗(yàn)常常是種協(xié)作性的活動(dòng)，一切科學(xué)均取 決于思想理念，最終為人們所共有的以及人們對(duì)思 想理念的論辯。56（2）自適應(yīng)虛擬實(shí)驗(yàn)室 在日常語言中，“自適應(yīng)”是指生物變更自己的習(xí)性以適應(yīng)新的環(huán)境的一種特征。直觀地說，“自適應(yīng)實(shí)驗(yàn)”即指能修正自己的特征以響應(yīng)規(guī)則原理的變化，并根據(jù)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程生成一個(gè)反饋回路，為學(xué)習(xí)者提供一個(gè)自適應(yīng)的獲取知識(shí)和技能的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境。577.6.5 虛擬演播室 虛擬演播室是一種全新的電視節(jié)目制作工具，虛擬演播室技術(shù)包括色鍵技術(shù)、計(jì)算機(jī)虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)和藍(lán)背景技術(shù)、燈光技術(shù)和攝像機(jī)跟蹤技術(shù)等。 虛擬演播室技術(shù)是在傳統(tǒng)色鍵摳像技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分利用了計(jì)算機(jī)三維圖形技術(shù)和視頻合成技術(shù)