虛擬現實系統的特點范文

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關鍵詞： 虛擬現實技術；園林景觀；應用前景

中圖分類號：TU986.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2012）0410018-01

計算機技術的發展，幫助各個行業的新技術與新方法的出現。園林景觀設計由于與計算機計算聯系十分密切，設計過程中需要大量的計算機輔助設計，因此，伴隨著計算機的更新，園林設計方法也獲得了擴展。其中，虛擬現實技術就是隨著計算機技術發展所興起的一門綜合性技術[1]。雖然目前該技術在園林設計中應用的還不普遍，但相信隨著技術的越來越成熟，其應用范圍必將越來越廣泛[2]。

1 虛擬現實技術

1.1 虛擬現實技術的概念[3]

虛擬現實技術是一項綜合集成技術，涉及的領域比較廣泛，包括傳感技術、人機交互技術、顯示技術、人工智能、計算機圖形（CG）技術等，是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統。從狹義的上講，虛擬現實技術的涵義為：利用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使使用者通過一定的裝置，輕松地對虛擬世界進行體驗，并且兩者能夠自然的進行交互作用。使用者進行位置移動時，電腦可以利用輔助工具立即進行感應，并通過復雜的運算，將精確的3D世界影像傳回到使用者眼前，使其產生臨場感。從廣義上講，虛擬現實技術的概念為：泛指在功能意義或者是物理意義上存在于世界上的任何事物或環境，它可以是實際上能夠實現的，也可以是實際上難以實現的或根本無法實現的，如賽伯空間等。

1.2 虛擬現實技術的構成及分類

虛擬現實技術由硬件技術和軟件技術構成。其中計算機以及相關的設備等都屬于硬件技術。當前在計算的輸入輸出硬件設備中，聽覺和視覺設備研究相對較成熟，有關人類味覺、嗅覺以及力道大小的設備正在研制中。

虛擬現實技術依據其主要的技術特點可以分為兩種類型：一類是三維模型虛擬方式；另一類是全景圖虛擬方式。根據交互和浸入程度的不同可以分為以下四類：桌面式VR系統（窗口中的VR）、沉浸式VR系統、分布式VR系統和疊加式VR系統（又稱增強現實系統）。在四類虛擬系統中，桌面式虛擬系統成本最低，不需要大型的處理器及服務器，僅利用個人計算機就可以產生三維虛擬的空間場景。

1.3 虛擬現實技術的設計流程

運用虛擬技術輔助園林景觀設計的流程主要分三個步驟[4]，如圖1所示。首先是繪制平面圖，主要利用CAD等相關軟件設計并繪制園林景觀的平面布局。然后，基于繪制好的平面圖，通過調查收集相關數據，構建虛擬場景模型。在場景模型中，包括多種小模型，如房屋模型、道路模型、水位模型等。在構建模型中，還要盡量多的收集相關圖片，制作成紋理填圖，以增加虛擬場景的效果。由于虛擬場景需要渲染，因此在場景構建中，不僅要達到效果上的要求，還要控制模型數據量。必要時需要對虛擬模型進行優化。最后，基于平臺實現集成。經過多年的發展，目前虛擬現實技術的實現也派生出多種不同的方法，現在較為流行的有JAVA3D、CUTE3D、VRML、VRMAP、VRP等方法，不同方法都有各自的特點。其中，VRP和VRMAP是兩款優秀的虛擬現實軟件，應用較為普遍，在數字城市、遙感測繪、地質、石油化工等都有廣泛的利用。

2 虛擬現實技術在園林景觀設計中的應用現狀

在國外，虛擬現實技術在景觀設計中應用的時間可以追溯到上世紀60年代。摩登·海里戈以美國的布魯克林街道為背景，建立了一個模擬系統，被認為是提出并實踐沉浸式虛擬環境的先驅者[5]。SRI研究中心1991年利用虛擬現實技術對汽車駕駛過程和飛機飛行過程進行模擬，通過模擬仿真分析事故原因，減少駕駛及飛行過程中事故的發生。

相對于國外虛擬技術的發展，我國國內將該技術應用于園林景觀設計的時間較短，與國外相比存在一定的不足。近幾年來，部分科研院所和單位都陸續開展了基于虛擬現實技術的景觀設計研究，也取得了不錯的成果。如哈爾濱工業大學開發的合成人類表情和唇動系統，浙江大學研制的建筑環境虛擬系統[6]等等。

3 虛擬現實技術在園林景觀設計中的展望

虛擬現實技術在用于園林景觀設計時，需要結合自身的特點，研究并借鑒相關領域的理論知識和技術方法。虛擬現實技術在園林景觀設計中迅速推廣的突破點可以歸結為一下幾點：

1）設計更高質量、更快速度的計算機硬件及圖形處理軟件，研制成本更低，性能更加優良的計算機輸入和輸出設備。通過這些基礎硬件和軟件的突破，推動園林景觀設計中虛擬技術的快速應用，提高模擬系統的設計質量。

2）注重將虛擬現實技術與其他技術的融合。可以嘗試融合虛擬現實技術與3S技術。3S技術可實現對各種空間信息和環境信息的快速、機動、準確、可靠的收集、處理與更新。在景觀設計過程中，可以充分利用3S技術的特點，實時了解設計場地的高程等信息，然后將信息傳遞給虛擬現實系統，使設計者或決策者能再第一時間確定合理的設計方案和解決措施。其應用范圍十分廣泛，如城市綠化、城市規劃以及修復重建等各個方面[7]。

3）充分利用虛擬現實技術的特點，提高公眾對景觀設計的參與度。將計算機網絡技術與虛擬現實技術結合實現網絡虛擬，從而使更廣大的公眾通過網絡能夠看到、聽到設計者的作品，了解設計師的意圖，參與到園林規劃設計中，輔助管理者進行決策。以供設計者制定更加科學的，人性化的設計方案。

參考文獻：

[1]李國松，虛擬現實（VR）技術在風景園林規劃與設計中的應用研究[D].長沙：中南林業科技大學，2007.

[2]蘇同向，虛擬現實技術在風景園林設計中的應用[D].南京：南京林業大學，2006.

[3]蘆建國、蘇同向，虛擬現實技術與風景園林設計[J].南京林業大學學報（自然科學版），2007，31（6）：139-141.

[4]范澤中、王艷安、曾峻峰，虛擬現實在園林設計中的應用[J].安徽農學通報，2006，12（11）：92-94.

[5]王曉麗、趙曉春、任紅霞等，虛擬現實技術在園林設計中的應用[J].山東林業科技，2007（2）：88-90.

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關鍵詞：虛擬現實；房地產；競爭力

一、虛擬現實技術的主要特征

虛擬現實技術具有以下最主要的特征：（1）沉浸性。虛擬現實技術是由計算機產生逼真的三維立體圖像，再利用一些經過特別設計的外部配件和技術，如數字頭盔、數字手套、座艙、全方位監視器等，為使用者構建一個感覺上真實，但實際上并不存在的一種情境。使用者與虛擬環境中的各種對象相互作用時，就如同在現實世界中的一樣。（2）交互性。虛擬現實系統中的人機交互是一種近乎自然的交互，使用者不僅可以利用電腦鍵盤、鼠標進行交互，而且能夠通過特殊頭盔、數據手套等傳感設備進行交互。計算機能根據使用者的頭、手、眼、語言及身體的運動，來調整系統呈現的圖像及聲音。使用者通過自身的語言、身體運動或動作等自然技能，就能對虛擬環境中的對象進行考察或操作。

二、虛擬現實系統的類型

1．簡易型虛擬現實系統。簡易型虛擬現實系統又稱桌面虛擬現實系統，是利用個人計算機進行仿真，將計算機的屏幕作為用戶觀察虛擬境界的一個窗口，使用者通過鍵盤、鼠標便可與虛擬環境進行交互并操縱其中的物體。這種系統的最大特點是缺乏真實的多感知的現實體驗，但結構簡單、價格低廉，易于普及推廣。

2．沉浸型虛擬現實系統。沉浸型虛擬系統是一套比較復雜的系統。它利用頭盔顯示器、位置跟蹤器、數據手套等設備與虛擬世界進行交互。由于這種系統可以將使用者的視覺、聽覺與外界隔離，因此，用戶可排除外界干擾，全身心地投入到虛擬現實中去。這種系統的優點是用戶可完全沉浸到虛擬世界中去，缺點是系統設備價格昂貴，難以普及推廣。

3．分布式虛擬現實系統。分布式虛擬現實系統是利用遠程網絡，將異地的不同用戶聯結起來，共享一個虛擬空間，多個用戶通過網絡對同一虛擬世界進行觀察和操作，達到協同工作的目的。這種系統最大的特點是對資源的共享，也是虛擬現實系統的發展趨勢。

三、虛擬現實技術在房地產業中的應用

正是由于虛擬現實具備真實的體驗、友好的人機交互等特征和功能，越來越多的虛擬現實系統及設備不斷地進入市場。同時，VR技術也逐漸從飛行仿真、戰爭應用進而應用到教育、科研、娛樂、建筑、醫療、工業等各個方面。本文重點探討虛擬現實在房地產業的應用及前景。

隨著房地產業的競爭越來越激烈，目前樓盤在規劃設計和空間創意方面，已經難有實質性的突破。而且購房者日益成熟，他們需要更直觀、更快捷、更全面的了解樓盤本身的信息，傳統的樓書、條幅等已無法完全滿足他們的需求。投資商在規劃初期或樓盤即將封頂之際，展開宣傳攻勢，向購房者們介紹自己在質量、設計、環境等方面的特點及優勢，以吸引他們租購的欲望。但由于樓盤尚在建造之中，購房者無法得知實物在裝飾設計，外形外觀及建筑質量方面的實際情況。因此投資商需找來與此樓盤相似的實物進行拍攝，或制作設計平面外觀圖形來向客戶宣傳。

由于技術的獨特性和提供信息功能的集成互動性，集影視廣告、動畫、多媒體、網絡科技于一身的虛擬現實技術在新的市場需求下，成為最新型的房地產營銷方式。其最主要的核心是房地產銷售。同時在房地產開發中的其他重要環節包括申報、審批、設計、宣傳等方面都有著非常迫切的需求。虛擬現實具體可以應用在以下幾個方面：

1.項目的招商和審批。傳統的效果圖等表現手段容易被人為修飾而產生誤導，而把樓盤做成三維動畫，投資商可通過沉浸虛擬現實，評估各種方案的特點與優劣，以便做出最佳的方案決策，不但可以避免決策失誤，而且可以大大提高該房產的潛在市場價值，從而提高土地資源利用效率和項目開發成功率，保護投資。利用虛擬現實技術作為大型項目的展示工具，在申報、審批時，能使目標受眾產生強烈的興趣，項目策劃者的訴求更易為他人所認同，使項目的報批順利及時通過，從而為項目開工爭取寶貴的時間。

2.方便經濟的設計工具。三維動畫技術不僅僅是一個成功的演示媒體，而且還是一個方便的設計工具。在蓋一座現代化大廈之前，首先要做的是對這座大廈的結構、外形做細致的構思并定量化，這需要設計許多圖紙，當然這些圖紙只能內行人讀懂，三維動畫技術可以把這種構思變成看得見的虛擬物體和環境，使以往只能借助傳統的沙盤設計模式提升到數字化的即看即所得的完美境界，大大提高了設計和規劃的質量與效率。

3.新穎先進的營銷手段。在房地產銷售中，傳統的做法是制作沙盤模型。由于沙盤模型要經過大比例縮小，因此無法以正常人的視角去感受小區的建筑空間，更無法獲得人在其中的真實感受。同時，在模型制作完成后，修改的成本很高，而且幾乎沒有重復應用的可能性，很有局限。近年來效果圖和三維動畫雖然得到普及應用，然而，效果圖只能提供靜態局部的視覺體驗。動畫雖有較強的動態三維表現力，但不具備實時交互性，觀察者只能按照事先設定好的路線和角度來瀏覽，信息獲取不夠全面。樓盤優勢往往無法表現。應用虛擬現實技術，突破了傳統的三維動畫的被動和無法互動的缺點，給客戶帶來真實感和現場感，能更快更準確的獲得定購決定，加快商品銷售速度。

4.快捷的傳播途徑。虛擬現實技術還可以應用在網絡和多媒體中，更方便快捷的傳播產品信息。例如：（1）在房交會以及售樓中心以三維互動的交互式展示手段，不僅可以全面提升房產的品牌形象，更使該項目從眾多樓盤中脫穎而出，直接獲得消費者的關注，認知，認可。（2）通過Intel進行樓盤宣傳，讓各地購房者能夠即時觀看，加快信息傳播速度，擴大信息傳播范圍。我們不妨做個比較，比較一下房地產業各種營銷手段的差別：

綜上所述，與傳統的售樓推介方式相比較，虛擬現實解決方案的各個指標具有明顯優勢。它在房地產業的應用，可以大大提高項目規劃設計的質量，降低成本和風險，加快項目實施進度，加強各相關部門對項目的認知和管理，極大地提升房地產開發商的品牌效應，促進房產銷售。虛擬現實是一種更加先進全面的直觀銷售方式，更具備競爭力的營銷手段，也必然給房地產商帶來最終的長遠效益。

作者單位：張英 吉林化工學院經濟管理學院

袁宏波 東北電力大學

于海龍 東北電力大學

參考文獻：

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關鍵詞：虛擬現實技術；職業教育；工科；實訓課程

收稿日期：2007―09―28

作者簡介：梅婷（1984―），女，漢族，浙江省杭州市人，浙江工業大學職業技術教育研究所，碩士研究生，主要研究方向：高等職業技術教育。

李海宗（1963―），男，漢族，甘肅省隴西人，浙江工業大學職業技術教育研究所，副教授，主要研究方向：高等職業技術教育、教育教學評價。

計算機和互聯網絡的發展對傳統的教育思想、教育觀念、教育模式和教育方法等都帶來了革命性的影響。分析職業技術教育本身的特點，結合新興的技術手段，探求兩者的完美結合，也許可以打開制約職業教育實訓課程實施的瓶頸，尋找新的突破口。

一、什么是虛擬現實技術

虛擬現實技術是利用計算機生成一個逼真的三維虛擬環境，并通過使用傳感設備與之相互作用的新技術。它為用戶提供了一種臨境（immersible）和多感覺通道（multi-sensory）的體驗，是計算機與用戶之間的一種更為理想化的人―機界面形式。虛擬現實技術與傳統的模擬技術完全不同，是將模擬環境、視景系統和仿真系統合三為一，并利用頭盔顯示器、圖形眼鏡、數據服、立體聲耳機、數據手套及腳踏板等傳感裝置，將操作者置身于計算機生成的三維虛擬環境中。操作者通過傳感裝置與虛擬環境交互作用，可獲得視覺、聽覺、觸覺等多種感知，并允許操作和改變其中的“物體”。 與傳統計算機相比，虛擬現實技術具有“3I”特點：強烈的“身臨其境”的沉浸感（Immersion）；友好親切的人機交互性（Interaction）；發人想像的刺激性（Imagination）。

目前，隨著信息處理技術的不斷進步，虛擬現實系統也在逐步發展和完善，按照系統實現的功能不同，虛擬現實技術主要有以下四種基本應用類型：

（一）桌面型虛擬現實系統（Desktop VR）。桌面型虛擬現實系統實現較為容易，設備造價低，普及性好。

（二）沉浸型虛擬現實系統（Immersible VR）。沉浸型虛擬現實系統是一套技術復雜、設備造價較為昂貴的高級系統。

（三）分布式虛擬現實系統（Distributed VR）。

（四）增強型虛擬現實系統（Augmented VR）。

二、為什么要應用虛擬現實技術

職業教育有別于普通教育的一個重要特點就是在保證理論教學基礎上，突出強調實踐教學，讓學生不但掌握一定的應知理論，更重要的是學會一種實際的應用能力。

實訓是職業技能實踐訓練的簡稱，是指在學校能控制狀態下，按照人才培養規律與目標，對學生進行職業技術應用能力訓練的教學過程。

實訓是培養學生專業知識綜合應用能力，熟練掌握崗位技能的關鍵教學環節。實訓課程開設的成功與否，直接關系到學生的操作技能、創新精神、職業習慣與道德等綜合素質的培養。

近年來，各地政府與學校都逐漸認識到實訓課程在職業教育中的重要作用，都不同程度地加大了實訓場地的硬件建設。然而，由于某些方面的原因，實訓課程的開展依然不盡如人意。比如：

（一）我國各地經濟發展差距大，職業技術教育發展亦不平衡。很多地區雖然加大了投入力度，但由于實訓課程的前期投入與后期消耗都非常大，且隨技術的發展，常需要更新換代，因此仍然存在資金欠缺的問題。

（二）一些實踐活動存在一定的危險性。如：可能會產生有害物質，易危害人體健康；容易發生短路、爆炸等狀況。

（三）一些項目的運作成本高昂。比如：所需的設備復雜、價格昂貴、器械損耗較大，且使用的原材料亦屬昂貴、消耗量大之類物質，以及因學生的誤操作而帶來的損耗。

因此，既然從資金上無法做到無窮滿足實訓課程順利的開展，那么，從科學技術上尋求一種新型的、實用的方法手段，作為突破口，從另一維度來解決這一系列的問題，也許是職業教育走出實訓困境的一條出路。

三、虛擬現實技術的優勢

將虛擬現實技術應用于職業教育實訓課程中，區別于傳統實訓課程，有下列一些優勢：

（一）效率高。在應用虛擬現實技術營造的仿真環境下開展實訓課程，精確性高，突發事件發生的可能性小，因此要比采用實際裝置或設備效率更高。

（二）投資少。相對于實際實訓場所的建設投資，建立一套相應的虛擬現實系統的投資要小得多，通常，虛擬現實系統的投資是實際系統投資的幾十分之一，且面對設備更新換代，采用虛擬現實技術的實訓基地在原有基礎上改進、完善的投入更可以大幅度降低。

（三）消耗低。虛擬現實系統通常是以軟件的形式在計算機上運行，其使用的材料、能耗都很低，設備維修幾率小，即使出故障，也較易解決。

（四）應用面廣。可以將一些危險性高、開展難度大、相對比較難控制的項目先用虛擬現實系統進行練習，待熟練掌握后，再去現實環境中操作，既解決了現實中無法開展的難題，又在一定程度上保證了安全性。

（五）靈活性好。對過程中間或者局部的一些重點與難點，在虛擬現實系統中，可以人為進行記錄與重現，多加演練，或者細節放大，且可以因人而異，自主調節系統速度，便于學生較好掌握，還可以設置一些意外情境，培養學生的應變能力。

（六）集成度高。可以在虛擬環境下完成整個工藝的設計、制造、修理、檢驗等過程，做到真正一體化。

（七）開展難度小。虛擬現實技術與多媒體的有機結合，使得整個操作過程形象、生動、有趣，較易吸引學生的學習興趣，激發學生的學習熱情。

四、應用虛擬現實技術還應注意的問題

盡管虛擬現實技術在工科實訓課程中擁有各種明顯優勢，但因為技術本身仍存在著許多尚未解決的理論問題和尚未攻克的技術難題，在應用與進一步推廣過程中，仍然需要注意以下幾個方面：

首先，虛擬現實系統軟硬件技術平臺較高，技術設備復雜，造價昂貴，職業技術院校應該考慮本校的財力、技術力量和實訓目的來選擇虛擬現實系統，

其次，虛擬現實技術所營造的環境畢竟與實際有一定的差距，在配備了虛擬現實系統后，決不能忽視學生在實際現場中的體驗。

此外，需要重視專業教師和實習指導教師在推廣虛擬現實技術工作中的作用。

作為一項新興的科學技術，虛擬現實技術還處于探索前進與不斷完善階段，與教育、培訓等領域也正開始適應、磨合，在實際應用中，還存在很多需要解決的理論與技術上的問題。但從虛擬現實技術本身的特點、優勢，以及職業技術教育中存在的薄弱環節上，我們有理由相信，虛擬現實技術在職業技術教育實訓課程領域的應用前景還是相當廣闊、具有發展潛力的。

參考文獻：

〔1〕李玉忠，杜慧軍.虛擬現實技術綜述與基于Internet的虛擬培訓系統設計〔J〕.計算機工程與應用，2002，（15）127~129.

〔2〕何曉薇.虛擬現實技術在教學中的作用和應用〔J〕.中國民用航空，2005，（58）75~76

〔3〕楊衛輝，譚梅.虛擬現實在職業技術教育中的應用〔J〕.吉林省經濟管理干部學院學報，2006，（20）72~75.

〔4〕彭欣.仿真模擬實訓應用于高職職業能力的實踐研究〔J〕.廣西商業高等專科學校學報，2005，（22）23~25.

〔5〕李仲陽，楊家紅.虛擬數控加工中心培訓系統〔J〕.中國職業技術教育，2002，（6）41~42.

〔6〕吳敏.計算機仿真技術在實踐教學中的作用〔J〕.岳陽職業技術學院學報，2004，（19）117~轉124.

〔7〕徐華.電腦仿真與職業教育〔J〕.商場現代化，2006，（10）365~366.

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隨著科學技術的不斷發展，計算機科學對于人類生活的影響不斷加深，尤其是最近十分火爆的“虛擬現實”技術更是給人們的體驗帶來全新的認知，并且逐漸改變人們對于交互系統的體驗方式。所謂的虛擬現實技術，就是通過計算機的大量運算的高新技術集成，可以看成是未來對社會生活影響最為重大的科學技術之一。通過虛擬現實技術能夠與建筑環境設計的技術進行融合，從而創造出一個比真實環境還要真實的虛擬系統，在這個系統中，建筑師能夠通過虛擬現實技術來創造出具有可視、可感、可知等技術的三維虛擬世界。從而展現出建筑行業發展的新趨勢。

虛擬現實技術應用效果影響

虛擬現實技術與網絡技術相同，之所以能夠得到迅速發展的原因在于，虛擬現實技術通過綜合性的計算機信息處理，集成了計算機圖形、多媒體、人工智能、傳感器與互聯網之間共同協作的綜合處理系統，并且能夠為人們創造出一個虛擬的體驗世界，使得人們的感知能力由真實走向虛擬。因為虛擬的三維空間具有非常強悍的表現力，所以對于人機交互的操作系統就更能夠使人感受到身臨其境的感覺。在建筑環境設計技術方面應用虛擬現實技術，不僅能夠為建筑進行規劃與輔助的功能，而且還能夠使設計時時刻保持準確的預知自己的設計。虛擬現實技術的強大功能遠不止與此，由于其具有交互式三維體驗，所以通過虛擬現實技術的感知要遠遠強于傳統的表現方式。通過嶄新的信息交互方式，能夠使人親身的感受到三維空間的技術與魅力，進一步通過三維場景的實時調整，信息系統的不斷完善、集成多媒體技術等交互體驗能夠使得設計師針對建筑環境設計的各種方案都做到了如指掌，并且通過虛擬現實技術還能夠進行有效推敲。簡而言之，虛擬現實技術能夠使得建筑環境設計進入到全新的環境設計領域。

建筑環境模型與虛擬現實技術

虛擬現實技術能夠模擬出真實的物體，也可以創造出抽象的模型。比如房屋、家具、家電等物品或者分子結構、細胞結構等。這些物體都是我們世界中真實存在的，并且能夠通過各種各樣的工具與設備來被人類所接收，從而能夠進一步感受到我們的世界。在虛擬現實技術中，建筑師能夠將本來不存在的物體進行重構，而且也能夠隨心所欲的按照自己的設計來進行調節，包括各種各樣的家具材料、環境設計等。通過虛擬現實技術來確定建筑的尺寸與實際的設計，從而保證建筑建成之后與設計完全一致，從而避免出現偏差的情況。而且通過虛擬現實技術進行的設計能夠隨時改變視角與光線下所呈現出的不同景象，建筑師也能夠通過這樣的模型構建選擇出自己滿意的方案，如果不滿意還可以隨時進行修改。

虛擬現實技術在建筑環境設計中的應用

1.硬件系統

虛擬現實技術的硬件系統并不太復雜，只要能夠滿足設備的信息的輸入與輸出功能即可，通過計算機的桌面系統進行互動就能夠構建出建議的虛擬現實系統，但是如果想要進一步滿足虛擬現實技術的全部功能，即虛擬現實技術所具備的沉浸感等就必須要配備專業的虛擬現實設備。包括鍵盤、鼠標、數據手套、方向盤反饋器、手柄等外設。對于信息的輸出部分的硬件則需要更高性能的顯示器適配器、多通道投影儀、偏振片以及立體眼鏡。通過傳感設備能夠使用戶對于虛擬環境產生各種映射反應，而且用戶化身能夠在虛擬現實環境下對于自身的體驗進行疊加，從而產生雙重交互的功能。通過方位跟蹤器能夠確保用戶在使用虛擬現實環境下對于用戶的移動范圍進行精確的測量，從而避免用戶在使用的過程中出現各碰撞的危險。虛擬現實技術主要是根據幾何體的碰撞檢測算法來確定虛擬空間的測量信息，然后實時反饋給用戶，從而保證用戶對于虛擬空間進行身切實的體驗之外，還能夠具有良好的觸覺感知效果，這樣更加有助于建筑環境設計方案的實現。

2.軟件系統

如果光有硬件系統是無法滿足設計者或者用戶等人員真正完成虛擬現實技術體驗的，只有通過建設一個與現實世界相符合的虛擬模型就能夠進行準確的三維體驗，從而較為真實的構建出建筑、環境、室內等真實存在的事物。通過三維模型的建立，能夠更加真實的還原出虛擬現實空間內部的色彩、光影、材質等方面的特點。建設虛擬現實技術的軟件系統能夠分為三個部分，第一步是通過幾何模型的建立來構建出三維場景的幾何模型，從而實現用戶體驗基礎。第二步就是通過物理模型的構件來確定幾何模型的結構材質等，還能夠調整顏色、光照等外界影響因素。第三部就是建立行為模型，從而對于物體的運動和行為進行描述。

結束語：虛擬現實技術發展到現在這樣的階段，已經不再是科技方面的幻想，而是能夠真正為我們人類社會帶來巨大進步的影響力，可以說虛擬現實技術通過應用到社會各界以及各個領域之間的關系來取得明顯的社會經濟效益。伴隨著虛擬現實技術與建筑環境設計與技術的不斷結合，能夠為建筑設計提供更加創新的設計方法與方式，也必然對于建筑設計領域的發展起到改革的作用。

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（中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214400）

【摘　要】執行海上測控任務期間，為確保測控通信設備的穩定可靠，海上測控通信系統的訓練模式仍是采取以口頭演練為主，輔以仿真訓練的模式，已不能適應當前高密度海上測控訓練的要求，通過信息化手段引進基于虛擬現實訓練模式，實現海上測控通信系統訓練模式的轉換具有重要意義。

關鍵詞 訓練模式；虛擬現實；測控通信系統

0　引言

高密度海上測控任務要求測控通信系統設備必須穩定可靠，這就給傳統的測控通信訓練模式帶來挑戰，以往測控通信系統訓練模式采取以理論訓練和實操訓練相結合的方式進行，并采取仿真訓練等手段為輔助手段，這些訓練模式取得了良好效果，培養了大量的海上測控通信人才。隨著信息化技術的發展和虛擬現實技術的應用，在越來越多的領域采取虛擬訓練的模式開展訓練，其具有訓練成本低、安全性高、不受時空限制且訓練效果好等特點，通過訓練模式轉變的研究，將有效推動通信系統訓練效益。

1　海上測控通信系統訓練模式綜述

海上測控通信系統訓練模式包括個人自學、承師帶徒、廠所培訓、授課講課、聯調演練及網絡化訓練等模式，為海上測控通信系統人才培養、能力提升作出了重要貢獻。

1.1　個人自學

個人自學是根據個人訓練的實際情況，依據年初制定的個人年度訓練計劃開展專業訓練的方式，其具有針對性強、效果有限的特點，側重于對設備基本信息、基本操作、基本流程、基本原理的掌握。

1.2　承師帶徒

承師帶徒是為崗位人員指定本專業技術骨干開展專業知識培訓，包括理論授課、實操演示等，主要通過“以老帶新、互幫互學”等方式開展訓練，其具有指導性強、重點突出等特點，側重于基本操作、基本原理的學習和掌握。

1.3　廠所培訓

廠所培訓主要結合新設備研制、改造、聯合課題研究、廠所代職等工作進行，廠所培訓能夠使崗位人員對設備的總體知識、設備性能、設備原理等進行深層次的學習和研究，對提升崗位人員執掌設備能力和科研試驗能力具有重要作用。

1.4　授課講課

授課講課可分為新學員匯報講課、外訓人員匯報講課、崗位專家授課、外請專家授課等。通過授課講課既可檢查人員知識掌握情況。又可使崗位人員學習了解當前新技術、新研究、新應用等，為崗位人員提供崗位訓練和科研創新動力。

1.5　聯調演練

聯調演練是為了熟悉任務流程、檢驗參試設備工作狀態和技術性能，驗證軟硬件的可靠性、協調性，確保測控通信設備間的接口正確、可靠，可培養崗位人員嚴謹的試驗作風、熟練掌握操作流程和任務工作流程，鍛煉指揮員的組織指揮和協同能力，是一種綜合性的訓練方式。

1.6　網絡化訓練

網絡化訓練是指利用網絡上的訓練資源或者相關訓練軟件輔助人員進行訓練、考核的訓練方式，主要包括網上模擬系統訓練、遠程培訓、視頻教學和網上考核等。網絡化訓練可以充分利用網絡集成化，數字化，資源共享方便快捷等特點輔助訓練，擴展訓練模式，提高訓練效率，優化考核過程。

1.7　計算機模擬訓練

計算機模擬能夠逼真地顯現現實中相關任務的過程，可激起參訓人員的行為和思維的反應，是一種有效地訓練手段。但目前的計算模擬訓練存在交互性不強、環境不逼真、“身臨其境”感覺不明顯等問題，停留在二維層面，訓練效果與預期的差距較大，不能滿足模擬訓練要求，急需研究新的真實性較高、交互性較強、立體感較好的模擬訓練模式。

2　虛擬現實仿真模擬訓練模式的概念

訓練模擬系統從技術手段上看，主要包括三種類型：一是以硬件設備為主、結合相關軟件、與實際裝備基本一致的“硬”模擬系統，比如，用于駕駛和操縱訓練的各種專項技能訓練模擬器；二是以軟件方式為主、用虛擬界面代替實際裝備界面、與實際裝備視覺效果基本一致的“軟”模擬系統，比如，用于裝備操作流程訓練、戰術指揮訓練的各種訓練模擬系統等；三是在實際平臺或裝備系統中嵌入專用于訓練的信息支持軟件，從而構成了實裝嵌入式訓練模擬系統。無論上述哪一種訓練模擬系統，其所構成的訓練環境與真實環境相比都存在較大的差距，因此，“仿真度”問題一直困擾著模擬領域，對“構造逼真訓練環境”的追求長期存在并一直未能得到很好地解決。虛擬現實技術可對研究對象和環境獲得“身臨其境”的感受，提高人類認知的廣度和深度，拓寬認識空間和方法空間，是仿真技術的發展方向。

2.1　虛擬現實系統的基本概念

虛擬現實（Vitual Reality，VR），又稱“靈境技術”，是綜合利用了計算機圖形學、仿真技術、多媒體技術、人工智能技術、計算機網絡等技術，模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感覺器官功能，使人沉浸在計算機生成的虛擬環境中，通過語言、手勢等自然的方式與之進行實時交互，創建一種適人化的多維信息空間。

2.2　虛擬現實系統的基本特征

虛擬現實系統的最大優勢是能夠充分發揮在由計算機和人構成的系統中人的主觀能動性，即把人的感知能力、認知能力和心理狀態在計算機系統中得到體現，人與系統交互采用完全自然的方式。其基本特征可通過“靈境技術三角形”加以描述，即“3個I（Immersion（沉浸）-Interaction（交互）-Imagination（構想））”。

2.3　虛擬現實系統的基本構成

虛擬現實系統一般分為桌面式、大屏幕式和頭盔式，按照系統構成劃分可分為檢測模塊（檢測用戶的操作命令，并通過傳感器模塊作用于虛擬環境）、反饋模塊（接受來自傳感器模塊的信息，為用戶提供實時反饋）、傳感器模塊（接受來自用戶的操作命令將其作用于虛擬環境，并將操作后產生的結果以相應的反饋形式提供給用戶）、控制模塊（對傳感器進行控制，使其對用戶、虛擬環境和現實世界產生作用）、3D模型庫（現實世界各組成部分的三維表示，并由此構成對應的虛擬環境）及建模模塊（獲取現實世界各組成部分的三維數據，并建立他們的三維模型）。

2.4　虛擬現實訓練模式特點

與傳統的訓練模式相比較，使用虛擬現實的訓練模式主要有以下特點：

（1）提高訓練環境的逼真度。通過虛擬現實的模擬訓練系統，設立與任務實戰、設備故障等相一致的訓練環境，使參訓人員處于逼真的環境下開展訓練，可避免因設備安全隱患而降低訓練難度和標準的情況發生。

（2）大大縮短訓練時間。通過計算機虛擬技術可迅速設置聯調演練和任務實戰場景，且不受人員、環境、天氣等影響縮短了參訓人員的準備時間。

（3）大大減少了裝備的損耗。由于海上環境復雜，設備動用頻繁極易造成設備故障損壞，從而增加海上測控任務風險。在實際施訓中，可通過模擬訓練提高訓練的逼真度，在確保訓練效益的前提下，降低設備損壞。

（4）可復現人員訓練情況。在使用虛擬訓練系統進行訓練時，系統可模擬各種實際情況，并對相關訓練情況進行記錄、回放，以便于進一步掌握、了解訓練中的得失，做好總結，提升能力。

3　測控通信系統虛擬現實訓練模式建設

虛擬現實仿真訓練模式是引領未來測控通信系統訓練的先進訓練模式，對于提高測控通信系統訓練效益具有重要意義，虛擬現實仿真訓練模式主要包括以下軟硬件保障、訓練內容和方式、訓練制度保障等方面內容。

3.1　軟硬件建設

虛擬現實仿真訓練的目標是由計算機生成虛擬世界，用戶可以與之進行視、聽、觸、嗅覺等全方位的交互，并且可實現實時響應。因此除了高性能的計算機外，還需要相關的軟件。

通過專業VR建模軟件如OpenGL、Pro/E、Vega、Creator等建立環境模型，可結合Visual C++構建的平臺營造虛擬環境；運用多種方法來保證三維場景的動態顯示；利用模板匹配、人工神經網絡等技術實現運動的識別來交互；為保證環境的真實性，還需要使用I-Collide、PAPID、V-Clip等算法進行實時的碰撞檢測。

通過軟件和硬件將通信系統設備、接口、環境等通過計算機進行模擬仿真，增強通信環境的“逼真度”，為基于虛擬現實的訓練模式提供場景、環境、反饋等支撐，實現了基于虛擬現實的軟硬件支撐。

3.2　訓練內容方式

（1）單人通信設備模擬訓練。基于VR的模擬訓練系統最初應用于單人操作維護裝備，對于單人通信設備模擬操作訓練具有得天獨厚的優勢，可通過三維圖形生成系統生成逼真的涌浪、船搖、風浪等各種設備操作條件，與合成的三維空間聲音的效果一同，完成單人通信模擬訓練系統的訓練，如天線跟蹤的飛車現象等。通過單人通信設備模擬訓練實現單人在各種氣象條件和環境下，逼真模擬操作設備訓練。

（2）開展指揮人員模擬訓練。根據應急狀態下和常態化任務狀態下，綜合甲板、機房等各種環境下的通信狀態、場景，讓指揮員通過傳感器裝置觀察設備狀態及處置現狀，以便于逼真模擬與真實環境完全相似的環境，生動的視覺、聽覺和觸覺效果，使受訓指揮員“沉浸”在“真實的”試驗任務環境中，開展任務指揮及應急處置指揮，鍛煉指揮員的心理素質和指揮能力。

（3）通過網絡開展異地同環境演練。通信系統最大特點是點多、線長、面廣，一個設備故障可能涉及到多個方向、多個測站，只有通過協同指揮、協同操作才能徹底排除故障，因此運用虛擬現實技術分布式交互仿真并結合現代網絡通信技術，通過模擬訓練中心設置在不同測量站（船站）的指揮員的模擬系統終端，實現不同地域、相同環境的模擬訓練，各測站之間的通信系統可通過局域網和廣域網實現互聯互通，并在此基礎上開展聯合演練，排除設備故障、組織基地間的通信設備應急處置聯合訓練。

3.3　訓練模式發展趨勢

隨著計算機信息技術尤其是網絡技術的迅猛發展，未來基于虛擬現實技術的模擬訓練模式將呈現新的發展。

（1）著眼復雜環境，構建多維虛擬試驗任務環境，提高訓練效益。在實際任務過程中，海上通信環境呈現陸、海、空、天、電等多維發展的趨勢，需要在復雜多變的環境中保持通信信息暢通，應著重加強復雜環境下的多維訓練。

（2）實施超實時模擬訓練。這種訓練是使受訓對象在模擬環境中進行的一種比正常訓練速度更快的訓練。通常采用壓縮時間跨度，加快作業進程，提高訓練強度的方式進行，使受訓者得到超常的反應和訓練，其適用于技能型訓練。

（3）與心理訓練緊密結合。通過將虛擬現實模擬訓練與心理訓練緊密結合后，進一步訓練人員的心理承受能力和恢復能力，對于應急情況下的組織指揮、應急操作均有重要意義。

4　結束語

創新信息化條件下訓練模式，既是深化訓練改革的核心，目前基于虛擬現實的模擬訓練仍然處于蓬勃發展的階段，尚未成規模、成體制，相應的硬件建設、軟件建設、制度建設等仍處于研究和探索階段，但其廣闊的應用前景和巨大的發展潛力引導研究引向深入，為測控通信系統的訓練模式改革創新提供技術支撐。

參考文獻

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篇6

一、虛擬現實技術的定義

虛擬現實是利用計算機生成一種三維模擬環境。通過多種傳感器設備使用戶投入到該環境中，實現用戶與該環境直接進行自然交互的技術。

二、虛擬現實技術的特點

虛擬現實是利用三維圖形生成技術，多傳感交互技術以及高分辨顯示技術，生成三維逼真的虛擬環境，使用者戴上特殊的頭盔，數據手套等傳感設備，或利用鍵盤，鼠標等輸入設備，便可以進入虛擬空間，成為虛擬環境的一員，進行實時交互，感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而獲得身臨其境的感受和體會。虛擬現實技術具有以下三個基本特征：1.沉浸感（ Immersion）2.交互性（ Interaction）3.想象力（ Imagination）

三、虛擬現實技術與教育教學

虛擬現實是非線性的網絡結構，以逼真虛擬環境提供良好的人機交互功能，教學內容組織安排特別強調學生主動參與來構建知識結構，使學生“被動聽講”轉變為“主動學習”，親身去經歷，感受比抽象的說教更具生動性。

1.虛擬現實技術對教學的影響

（1）教學觀念的變化。

在現代教育思想指導下，使用虛擬現實技術改進教學方法，從以教師為中心的授課形式轉變為以學生為中心的個別化教學，合作化教學。

（2）教學手段的變化。

虛擬現實教學不受空間位置和相互距離的限制，可讓遠距離的師生或位置分散的學生共同“存在”于一個虛擬空間中，通過共同參與，協同操作來完成某些項目的設計或訓3練。

（3）教學內容的變化。

虛擬現實技術的引入使教學內容無論是外在形式還是內在結構都產生了很大的變化。教學內容的外在形式可以用三維實景虛擬現實過程，對于看不見的變化，無法觸摸的物體或有危險的場所，甚至自然界或現實生活中不可能存在的事件，也可以通過虛擬現實技術去展現。

2.虛擬現實技術對教育教學中的意義

（1）虛擬現實技術開創了全新的學習場景――徹底打破空間，時間的限制。

利用虛擬現實技術，可以徹底打破空間的限制，學生可以進入物體的內部進行觀察，如學生可以進入虛擬的分子、原子、航天工作站等內部，考察物體內部的工作情況。虛擬技術還可以突破時間的限制，一些需要幾十年甚至上百年才能觀察的變化過程，通過虛擬現實技術，可以在很短的時間內呈現給學生觀察。基于網絡的虛擬現實技術為學習者提供了全新的學習場景，構造出開放性的教學環境。

（2）虛擬現實技術提供了嶄新的教學手段――構建實物虛化，虛物實化的方法。

虛擬現實技術可以對學生學習過程中所提出的各種假設模型進行虛擬和虛物實化，通過虛擬系統便可直觀地觀察到這一假設所產生的結果或效果。虛擬現實系統可以進行實物虛化，虛擬各種人物，創建虛擬課堂，在虛擬的課堂氣氛中，學生可以與虛擬的教師、學生一起交流討論，開展啟發式教學。

（3）虛擬現實技術變革了傳統學習方式――營造開放性的網上探索學習。

運用虛擬現實技術，突破傳統教科書的限制，使每一位學習者都可以根據自己的學習特點，在自己方便的時間從互聯網上自由地選擇適合的學習資源，按照適合于自己的方式和速度進行學習，這種探索性的學習，有利于激發學生的創造性思維，使學習者在具體情境中通過主動的探索獲得知識，從而提高學習者的動力。

（4）虛擬現實技術豐富了課堂教學內容――展示全方位，多角度的教學內容。

利用虛擬現實技術，可豐富教學內容，將實驗、實訓等技能訓練搬到課堂中進行，由于這些虛擬的訓練系統無任何危險，學生可以反復練習，直至掌握操作技能為止。應用虛擬現實技術，還可恰如其分地演示一些復雜的、抽象的，不宜直接觀察的自然過程和現象，全方位、多角度地展示教學內容。利用計算機多媒體技術，制作各種仿真課件，創設所需要的某種虛擬情景，讓學生進行模擬實驗，從而極大豐富課堂的教學內容。

篇7

關鍵詞：虛擬現實；研究現況；發展趨勢

中圖分類號：F061.3　文獻標識碼：A　文章編號：1672-3198(2009)02-0279-02

1　虛擬現實

虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR)，又譯為臨境，靈境等。從應用上看它是一種綜合計算機圖形技術、多媒體技術、人機交互技術、網絡技術、立體顯示技術及仿真技術等多種科學技術綜合發展起來的計算機領域的最新技術，也是力學、數學、光學、機構運動學等各種學科的綜合應用。這種計算機領域最新技術的特點在于以模仿的方式為用戶創造一種虛擬的環境，通過視、聽、觸等感知行為使得用戶產生一種沉浸于虛擬環境的感覺，并與虛擬環境相互作用從而引起虛擬環境的實時變化。現在與虛擬現實有關的內容已經擴大到與之相關的許多方面，如“人工現實”(Artifi- cial Reality)、“遙在”(Telepresence)、“虛擬環境”(Virtual Environment)、“賽博空間”(Cyberspace)等等。

2　國外虛擬現實技術研究現狀

計算機的發展提供了一種計算工具和分析工具，并因此導致了許多解決問題的新方法的產生。虛擬現實技術的產生與發展也同樣如此，概括的國內外虛擬現實技術，它主要涉及到三個研究領域：通過計算圖形方式建立實時的三維視覺效果；建立對虛擬世界的觀察界面；使用虛擬現實技術加強諸如科學計算技術等方面的應用。

2.1　VR技術在美國的研究現狀

美國是虛擬現實技術研究的發源地，虛擬現實技術可以追溯到上世紀40年代。最初的研究應用主要集中在美國軍方對飛行駕駛員與宇航員的模擬訓練。然而，隨著冷戰后美國軍費的削減，這些技術逐步轉為民用，目前美國在該領域的基礎研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面。

上世紀80年代，美國宇航局(NASA)及美國國防部組織了一系列有關虛擬現實技術的研究，并取得了令人矚目的研究成果，美國宇航局Ames實驗室致力于一個叫“虛擬行星探索”(VPE)的實驗計劃。現NASA已經建立了航空、衛星維護VR訓練系統，空間站VR訓練系統，并已經建立了可供全國使用的VR教育系統。北卡羅來納大學的計算機系是進行VR研究最早最著名的大學。他們主要研究分子建模、航空駕駛、外科手術仿真、建筑仿真等。喬治梅森大學研制出一套在動態虛擬環境中的流體實時仿真系統。施樂公司研究中心在VR領域主要從事利用VRT建立未來辦公室的研究，并努力設計一項基于VR使得數據存取更容易的窗口系統。波音公司的波音777運輸機采用全無紙化設計，利用所開發的虛擬現實系統將虛擬環境疊加于真實環境之上，把虛擬的模板顯示在正在加工的工件上，工人根據此模板控制待加工尺寸，從而簡化加工過程。

圖形圖像處理技術和傳感器技術是以上VR項目的主要技術。就目前看，空間的動態性和時間的實時性是這項技術的最主要焦點。

2.2　VR技術在歐洲的研究現狀

在歐洲，英國在VR開發的某些方面，特別是在分布并行處理、輔助設備(包括觸覺反饋)設計和應用研究方面。在歐洲來說是領先的。英國Bristol公司發現，VR應用的交點應集中在整體綜合技術上，他們在軟件和硬件的某些領域處于領先地位。英國ARRL公司關于遠地呈現的研究實驗，主要包括VR重構問題。他們的產品還包括建筑和科學可視化計算。

歐洲其它一些較發達的國家如：荷蘭、德國、瑞典等也積極進行了VR的研究與應用。

瑞典的DIVE分布式虛擬交互環境，是一個基于Unix的，不同節點上的多個進程可以在同一世界中工作的異質分布式系統。

荷蘭海牙TNO研究所的物理電子實驗室(TNO- PEL)開發的訓練和模擬系統，通過改進人機界面來改善現有模擬系統，以使用戶完全介入模擬環境。

德國在VR的應用方面取得了出乎意料的成果。在改造傳統產業方面，一是用于產品設計、降低成本，避免新產品開發的風險；二是產品演示，吸引客戶爭取定單；三是用于培訓，在新生產設備投入使用前用虛擬工廠來提高工人的操作水平。

2008年10月27-29日在法國舉行的ACM Symposi- um on Virtual Reality Software and Technoogy大會，整體上促進了虛擬現實技術的深入發展。

2.3　VR技術在日本的研究現狀

日本的虛擬現實技術的發展在世界相關領域的研究中同樣具有舉足輕重的地位，它在建立大規模VR知識庫和虛擬現實的游戲方面作出了很大的成就。

在東京技術學院精密和智能實驗室研究了一個用于建立三維模型的人性化界面，稱為SpmAR NEC公司開發了一種虛擬現實系統，用代用手來處理CAD中的三維形體模型。通過數據手套把對模型的處理與操作者的手聯系起來；日本國際工業和商業部產品科學研究院開發了一種采用x、Y記錄器的受力反饋裝置；東京大學的高級科學研究中心的研究重點主要集中在遠程控制方面，他們最近的研究項目是可以使用戶控制遠程攝像系統和一個模擬人手的隨動機械人手臂的主從系統；東京大學廣瀨研究室重點研究虛擬現實的可視化問題。他們正在開發一種虛擬全息系統，用于克服當前顯示和交互作用技術的局限性；日本奈良尖端技術研究生院大學教授千原國宏領導的研究小組于2004年開發出一種嗅覺模擬器，只要把虛擬空間里的水果放到鼻尖上一聞，裝置就會在鼻尖處放出水果的香味，這是虛擬現實技術在嗅覺研究領域的一項突破。

3　國內虛擬現實技術研究現狀

在我國虛擬現實技術的研究和一些發達國家相比還有很大的一段距離，隨著計算機圖形學、計算機系統工程等技術的高速發展，虛擬現實技術已經得到了相當的重視，引起我國各界人士的興趣和關注，研究與應用VR，建立虛擬環境!虛擬場景模型分布式VR系統的開發正朝著深度和廣度發展。國家科委國防科工委部已將虛擬現實技術的研究列為重點攻關項目，國內許多研究機構和高校也都在進行虛擬現實的研究和應用并取得了一些不錯的研究成果。

北京航空航天大學計算機系也是國內最早進行VR研究、最有權威的單位之一，其虛擬實現與可視化新技術研究室集成了分布式虛擬環境，可以提供實時三維動態數據庫、虛擬現實演示環境、用行員訓練的虛擬現實系統、虛擬現實應用系統的開發平臺等，并在以下方面取得進展：著重研究了虛擬環境中物體物理特性的表示與處理；在虛擬現實中的視覺接口方面開發出部分硬件，并提出有關算法及

實現方法。

清華大學國家光盤工程研究中心所作的“布達拉宮”，采用了QuickTime技術，實現大全景VR制；浙江大學CAD＆CG國家重點實驗室開發了一套桌面型虛擬建筑環境實時漫游系統；哈爾濱工業大學計算機系已經成功地合成了人的高級行為中的特定人臉圖像，解決了表情的合成和唇動合成技術問題，并正在研究人說話時手勢和頭勢的動作、語音和語調的同步等。

4　虛擬現實技術的發展趨勢

隨著虛擬現實技術在城市規劃、軍事等方面應用的不斷深入，在建模與繪制方法、交互方式和系統構建方法等方面，對虛擬現實技術都提出來更高的需求。為了滿足這些新的需求，近年來，虛擬現實相關技術研究遵循“低成本、高性能”原則取得了快速發展，表現出一些新的特點和發展趨勢。主要表現在以下方面：

(1)動態環境建模技術。

虛擬環境的建立是VR技術的核心內容，動態環境建模技術的目的是獲取實際環境的三維數據，并根據需要建立相應的虛擬環境模型。

(2)實時三維圖形生成和顯示技術。

三維圖形的生成技術已比較成熟，而關鍵是如何“實時生成”，在不降低圖形的質量和復雜程度的前提下，如何提高刷新頻率將是今后重要的研究內容。此外，VR還依賴于立體顯示和傳感器技術的發展，現有的虛擬設備還不能滿足系統的需要，有必要開發新的三維圖形生成和顯示技術。

(3)適人化、智能化人機交互設備的研制。

雖然頭盔和數據手套等設備能夠增強沉浸感，但在實際應用中，它們的效果并不好，并未達到沉浸交互的目的。采用人類最為自然的視覺、聽覺、觸覺和自然語言等作為交互的方式，會有效地提高虛擬現實的交互性效果。

(4)大型網絡分布式虛擬現實的研究與應用。

網絡虛擬現實是指多個用戶在一個基于網絡的計算機集合中，利用新型的人機交互設備介入計算機產生多維的、適用于用戶(即適人化)應用的、相關的虛擬情景環境。分布式虛擬環境系統除了滿足復雜虛擬環境計算的需求外，還應滿足分布式仿真與協同工作等應用對共享虛擬環境的自然需求。分布式虛擬現實系統必須支持系統中多個用戶、信息對象(實體)之間通過消息傳遞實現的交互。分布式虛擬現實可以看作是基于網絡的虛擬現實系統，是可供多用戶同時異地參與的分布式虛擬環境，處于不同地理位置的用戶如同進入到同一個真實環境中。目前，分布式虛擬現實系統已成為國際上的研究熱點，相繼推出了相關標準，在國家“八六三”計劃的支持下，由北京航空航天大學、杭州大學、中國科學院計算所、中國科學院軟件所和裝甲兵工程學院等單位共同開發了一個分布虛擬環境基礎信息平臺，為我國開展分布式虛擬現實的研究提供了必要額網絡平臺和軟硬件基礎環境。

5　結語

篇8

關鍵詞：虛擬現實；采礦專業；教學

中圖分類號： TD43 文獻標識碼： A

在21世紀經濟和技術全面發展的新時代，智能化、科技化、電子化是一個更為突出的發展方向，虛擬現實技術的不斷進步，也是其走進了高校教學中，它能形象生動地表現教學內容，為學生營造一個更真實的教學環境，使其切身體驗，并且提高了學生掌握知識、技能的效率，達到優化教學過程，提高教學質量的目的。

一、虛擬現實技術簡述

虛擬現實( Virtual Reality，VR) 技術是目前計算機領域中引起廣泛關注的研究前沿和熱點之一，它利用計算機生成逼真的三維空間環境，通過視、聽、觸覺等作用于用戶，使之與環境直接交互，產生身臨其境的感覺。該技術是計算機圖形學、傳感器技術、多媒體技術、人機接口技術以及人工智能技術等多種學科技術的交叉與綜合。虛擬現實的特征可歸納為三個“I”，即沉浸、交互、構想。

一個虛擬現實系統必須具備沉浸感，用戶在虛擬環境中具有身臨其境的感覺，能夠自由的運動，觀看風景，就和真實的世界一樣。虛擬現實與通常 CAD 系統所產生的模型以及傳統的三維動畫是不一樣的，它不是一個靜態的世界，而是一個開放、互動的環境，虛擬現實環境可以通過控制與監視裝置影響或被使用者影響，這是 VR 的第二個特征，即交互性。構想性是指虛擬現實不僅僅是一個演示媒體，而且還是一個設計工具，它以視覺形式反映了設計者的思想，達到所看即所得的完美境界。

虛擬現實技術復雜，而且構成系統的設備比較昂貴，投資巨大，所以最初只在軍事、航天等少數領域得到發展。近年來，隨著計算機性能的提高和價格的下降，虛擬現實技術已廣泛應用于醫學、建筑和工程、科學、金融、電子商務、游戲和教育等方面。虛擬現實的三個基本特征沉浸感、交互性和構想性使之在教學上具有特殊優越性，其在教育教學領域中的應用前景非常廣闊。

二、虛擬現實技術在教學中的應用

虛擬現實技術與多媒體技術的主要區別在于不僅僅把圖片、文字、聲音和動畫結合在一起，更主要的是它為用戶創造了一個虛擬環境，用戶不再是被動地接受知識，而是主動的、多方位的和虛擬環境直接交互，從而獲得知識。正是這一特點改變了以往學生的學習方式，使虛擬現實技術進入課堂成為當前研究熱點。目前，國外已經開發出許多針對教學的虛擬現實系統。利用此技術可以建立“虛擬物理實驗室”，學生在虛擬實驗室里可以作各種實驗，親身體驗失重的感覺，使學生對物理概念和定律有了更深的理解; 在“化學虛擬系統”中，學生可以通過數據手套操作虛擬環境中的化學分子的運動，觀察分子結合的化學反應，由此學到現實教學中無法感受的知識; 在醫學院的教學中，虛擬現實技術更是發揮巨大的作用，利用“虛擬手術臺”使學生無需通過病人就可以迅速安全地掌握各種復雜的手術操作; 軍事院校學生利用飛行模擬器進行飛行訓練是一種最安全高效的訓練方式。此外，虛擬現實技術和網絡技術的結合產生了“虛擬教室、學校”，使網絡學習成為一種新的學習模式。

三、虛擬現實技術在采礦專業教學中的應用

(一)采礦專業教學特點

采礦工程專業在我國屬于艱苦專業，而且實踐性要求比較高，專業課程主要有《礦山測量學》、《礦山壓力與控制》、《采掘機械》、《井巷工程》、《通風與安全工程》、《煤礦開采學》等，在學習階段先后有三個實習環節，認識、生產及畢業實習。采礦專業的特點要求在教學中必須與生產實際相聯系，所設置的三個實習環節也是為這一目的服務。通過上課和實習，學生應該對采礦專業知識有比較深入的理解，能夠完成礦山規劃設計，但通過畢業設計環節我們認識到學生對專業知識的理解不夠透徹，尤其涉及到實際生產環節的設計，達不到預想效果，這說明我們的專業教學存在不足。

首先，在以往采礦專業教學中采用傳統的教學方式，課堂教學以黑板為工具，以單純教師教授的方法，向學生灌輸知識，課堂教學結合采礦實際不夠，學生的學習主動性、積極性不高，對專業知識的理解不夠深入; 其次，采礦專業實習地點在礦山，條件一般比較艱苦，下井實習具有一定的危險性，學生實習興趣不高。同時，由于受井下實際生產的限制或者實習經費不足的影響，學生真正深入現場的機會不多，由此引發學習和實際相脫節，最終造成采礦專業的教學往往達不到大綱要求。為此我們必須改進傳統的教學方法，結合專業特點，將現代計算機技術引入教學，發揮學生學習的主動性、積極性和創造性，提高采礦專業教學質量。

(二)虛擬現實技術的應用

該技術在教育教學方面的應用已經取得了不小的成就，也已得到國內外教育界的肯定，它的三個基本特征決定了將其引入教學必然會提高學生學習的積極性，給傳統教學注入新的活力。采礦專業教學主要有課堂教學和實習教學兩個環節，針對這一特點，利用虛擬現實技術可以分別開發“采礦專業課程虛擬教學”和“虛擬實習”系統，其中包括各門課程子系統和各種實習場景子系統。

在 《采掘機械》課中主要學習礦山機械設備工作原理和實際應用，其中的大型設備只能從書本中看到圖片，很難看到實際模型。應用虛擬現實技術可以開發出 “礦山機械設備虛擬系統”，學生在這個系統中不僅可以看到設備的結構，了解工作原理，還可以身臨其境親自操作這些設備; 針對《井巷工程》課程開發 “虛擬巷道系統”，學生可以進入巷道自由漫游，了解各種巷道的結構、用途以及支護方式等，同時可以發揮自己的想象性，設計各類巷道，完成之后立即進入巷道檢查設計是否合理，完成交互式設計，圖 1 所示為矩形巷道虛擬環境; 《煤礦開采學》是采礦專業最主要的課程，也是與實習環節聯系最緊密的，“虛擬礦山系統”的開發，既能滿足課堂教學要求，又為學生實習提供虛擬環境。圖 2 所示為綜采工作面虛擬現實系統，學生進入虛擬環境如同真正走入井下綜采工作面，不僅可以自由漫游，而且可以在工作面親自操作開動采煤機割煤、移液壓支架和推動刮板輸送機，這些內容在書本中是學不到的，即使在井下實習的時候也很難有機會如此近距離觀察，更不可能親自操作。圖 3、圖 4 所示為采場覆巖垮落動態虛擬系統，通過該系統，學生可以設置采場頂板參數，計算頂板的初次垮落步距和周期垮落步距，模擬各類頂板的垮落過程，在了解礦山壓力的各類假說的同時，掌握頂板來壓規律，為將來的實踐操作打下扎實的基礎。

圖1 虛擬巷道漫游系統

圖2 綜采工作面虛擬現實系統

圖3 采場覆巖垮落動態虛擬系統場1

圖4 采場覆巖垮落動態虛擬系統場2

結 論

虛擬現實技術在采礦專業的教育教學過程中的應用成果是較為顯著的，它的應用優化了教學過程、激發了學生學習的積極性、提高了專業教學質量，并可解決實習教學中的經費不足、實習環境危險和學生難以深入現場等問題。它的研究對探索和發展現代教育思想、提高教育技術水平、改善實驗實訓環境、培養具有創新意識和創新能力的人才具有深遠的影響。

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關鍵詞：虛擬現實；室內設計；課程融合

室內設計專業教學具有較強的實踐性，除了常規課程教學外，對于學生的專業考察、實踐動手、畢業實習等環節來說，因缺乏時效性、針對性，往往制約該學科實踐教學質量的提高。虛擬現實技術以現代計算機仿真系統為基礎，通過構建虛擬三維圖像技術，構建虛擬世界，增強學生對三維虛擬空間環境的視、聽、觸覺等感官的直接體驗，讓學生能夠“沉浸”其中，達到室內設計實踐性目標。為此，針對室內設計課程與虛擬現實技術的融合教學，現就其應用思路進行如下歸納。

1虛擬現實技術特點及在室內設計中的應用必要性

虛擬現實技術（Virtual…Reality）最早由美國軍方用于研制飛行駕駛模擬訓練，因其綜合了對人體視覺、觸覺、聽覺等感官的模擬感知，使其在學習領域更具應用優勢。虛擬現實技術通過創建基于真實環境的虛擬空間，其特點表現在四方面。一是多感知性。從虛擬現實技術的應用之初，就是將人類的感知功能作為模擬對象，使其能夠具有人具有的綜合感知能力。二是沉浸性。虛擬現實技術將計算機生成的虛擬環境，作為逼真的體驗空間，為人在虛擬空間中實現看得到、聽得到、摸得到、感覺得到的真實體驗，從而獲得身臨其境的感覺。三是交互性。借助用戶與虛擬空間的相互作用，在用戶體驗與虛擬環境之間，形成與真實世界一模一樣的“互動”體驗。

2虛擬現實技術與室內設計課程的融合

2.1“1+1”融合方式

所謂“1+1”融合模式，就是將室內設計課程的常規教學與虛擬現實實踐教學進行整合，促進學生理論知識與實踐動手環節的有效互補，發揮虛擬現實課程教學的優勢。在具體實施過程中，前期重點學習室內設計相關專業課程知識，條件成熟后將拓寬其在虛擬現實實踐教學體系中的應用。當然，也可以將個別學科專業知識穿插到常規課程教學中。需要強調的是，在常規課程與虛擬現實實踐教學融合時，要從設計思路、實驗目標、虛擬環境等方面進行明確，引導學生在虛擬環境中正確、有序地展開各類操作實踐，強化虛擬實踐教學效果。比如以某居住空間設計教學為例，對于常規課程教學，主要圍繞案例設計、小組討論、引導啟發、講練結合等方法來突出基礎知識、理論學習。在虛擬現實教學環節，主要由教師來引導學生設置虛擬實踐教學環境，特別是在教學模式上，要發揮現代多媒體技術教學優勢，通過案例解析、現場引導示范等方式，讓學生了解和熟悉室內設計虛擬實踐環境的規劃。同時，在虛擬實踐教學重點上，要突出對室內設計功能性、經濟性、個性化、審美特性的滲透，尤其是在三維仿真環境下進行虛擬化空間設計，要從方案設計的可行性、實效性上進行評價。在能力目標考查上，虛擬現實實踐教學更加注重啟發學生在虛擬空間設計中的感性與理性設計能力。特別是在居室空間功能區劃分上、室內設計施工圖繪制上以及室內設計效果圖展示等方面，要引導學生挖掘室內居室空間的特征，處理好居室、廚房、餐廳、臥室、衛生間、公共區域以及居室綠化區間的關系。

2.2差異化虛擬現實實踐教學融合模式

對于室內設計課程中引入虛擬現實技術，可以從差異化虛擬實踐教學模式中突出課程教學內容的差異性。比如在室內景觀設計上，利用虛擬現實技術來重點訓練學生對室內環境的總體規劃與布局；在室內設計居室空間設計上，重點對室內空間進行規則與改造，以及對室內光照效果、家具陳設等環境的營造。因此，針對差異化教學目標，立足室內設計課程教學實際，細化虛擬現實實踐教學任務，便于學生從模塊化虛擬現實教學體系中，從“虛擬”教學中得到“真實”的驗證，在“真實”中不斷完善“虛擬”實踐項目。比如在室內照明設計虛擬現實教學中，其課程重點要放在室內外照度的理解、材料的選擇、電氣線路的安裝、光學原理及合理布局的應用。在能力目標上，要突出學生不同空間照明系統的規范化設計，以及電氣線路的科學化設計與安裝，能夠根據虛擬布光實驗，確定光源類型、布光位置以及得到的照明效果展示。因此，差異化虛擬現實實踐教學模式，其目標在于結合專業教學方向來制定相應的實踐內容，并確定虛擬現實教學任務和考評目標。

2.3定制式虛擬現實實踐教學融合模式

從實踐教學的初衷來看，學生能夠從知識的獲取、信息的交互，實踐動手中來體驗不同的虛擬現實實踐教學內容，并啟發參與定制設計任務。應該強調的是，對于虛擬現實實踐教學環境，本身具有可視化軟件與交互性硬件設備。比如每個學生可以配備Oculus…Rift…VR頭盔顯示器、交互操作計算機硬件系統，通過對虛擬化實踐軟件環境中各模塊的學習，來完成相應的實踐教學目標。在定制式虛擬現實實踐教學融合模式中，可以通過虛擬教學模型及組件，來構建仿真環境。比如草木花卉、建筑、交通等人工環境。當然，學生也可以根據設計需求，自己定制特定的模型，來參照真實世界進行室內設計規劃。以室內居住空間設計為例，在虛擬仿真三維設計環境中，學生不必關注虛擬環境，而是要專注于實踐設計，明確室內居室的功能，對相關設計要素進行布局，依托設計方案的合理性、經濟性而考查其實效性。

2.4確定虛擬現實實踐教學評價機制

虛擬現實技術與室內設計課程的融合，要注重考評機制的完善，特別是對學生初期設計方案的規劃，對中期設計思路的檢驗，對后期設計效果的評價等，都要給予全面評判。由于實踐教學環節需要明確具體的設計任務，同樣在室內設計虛擬環境設計實踐中，也要根據項目設計的可行性進行實踐驗證，并對存在的問題進行改進、優化和完善，以強化虛擬現實技術的教學實效性。比如在室內家具虛擬設計教學中，通過對室內環境的考察，來分析家具設計的合理性問題，并通過不同家具的選用、組裝、布置，來檢驗家具設計的舒適性，確保家具設計在整個室內空間上的審美體驗。

3結語

在室內設計課程教學中融入虛擬現實技術，可以利用計算機仿真環境來模擬真實的室內設計教學訓練場景，讓學生從技能仿真實訓中來感知和體驗，激發創造力和實踐積極性，增強綜合動手實踐能力。同時，虛擬現實技術獨有的沉浸式、交互性實踐環境，便于讓學生從多種感知中來展現其創作構想，必將對室內設計實踐教學帶來深刻的變革。

參考文獻：

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1　前言

虛擬現實技術（virtual　reality　technology，vrt）是生成的虛擬環境逼真模擬人在自然環境中的視覺、聽覺、運動等等行為的人機界面的技術。其基本特征分為三個方面：一是沉浸，即借助于頭盔、數據手套等硬件設備，讓參與者有身臨其境的感覺：二是交互，通過使用虛擬交互接口設備實現人類自然技能對虛擬環境對象的交互考察與操作；三是構想，強調三維圖形的立體顯示。依據虛擬環境的發展，虛擬現實系統的發展可分為兩個基本方向，一是基于虛擬現實技術的發展，二是基于因特網和萬維網的三維圖形環境的發展。若從參與者的投入感劃分，則基于虛擬現實技術的發展可稱為投入型虛擬環境和非投入型虛擬環境。

2　虛擬現實技術的優點

2.1　它的實時表達功能可虛擬不同時間、不同條件的環境變化，能反映事物隨著時間的變化過程。

2.2　三維立體表達功能，虛擬技術可使其所表達的內容從不同的角度展和進行研究。

2.3　它能反映研究物體的全貌和細微處的差別。

2.4　它不僅可以細致地表達已經存在的事物。而且能虛擬現實世界不存但有可能發生的事情和事物的發展變化。

2.5　建立一個vrt系統，本文由收集整理相當于建立一個虛擬現實實驗審，不僅可以事物的發生發展過程，還可根據不同的條件，虛擬出不同的結果。

3　vrt在水文地質中的應用

隨著計算機硬件的發展，虛擬現實技術在近年逐步發展起來，在水文地質方面，目前剛剛起步，還沒有成型的軟件和相應研究成果。虛擬現實的主要功能是其沉浸感、三維立體表現事物的各個特征以及實時地表達，即虛擬現實技術具有表現現實存在的或不存在的事物在三維空間隨時間變化的功能，水文地質研究的也正是利用虛擬現實技術對不可或很難見到的事物在三維空間隨時間變化的特征。虛擬現實技術在水文地質研究中主要可以完成以下方面的工作。

3.1　vrt對含水層的表達

利用虛擬現實技術的三維可視化功能可以真實地再現地下含水層和隔水層的分布、含水層的厚度、空間的變化情況。以往工作中，僅能通過剖面圖展示含水層、隔水層的垂向分布特點，在平面圖中通過含水層厚度等值線表現含水層的空間分布狀況，總的來說不直觀也不全面。在虛擬現實系統中隨著資料的進一步完善，神秘的地下含水系統將真實地展現在人們的面前。

3.2　虛擬現實系統對地下水流的表達

水文地質研究中的主要部分是地下水流的運動規律，如果說含水層是水文地質研究中的一個不變的靜態因素，地下水流則是一個動態的變化過程，是目前水文地質研究中最為活躍的因素。

利用虛擬現實系統可以研究的不僅是含水層的展布，同時利用虛擬現實系統的實時變化功能也可以對地下水流的運動變化特征進行虛擬表達，充分展現地下水流的特點，其流向、流速和流量乃至于儲存量的變化，特別是人類開采利用地下水對含水系統產生的影響，邊

界條件對地下水流的約束和控制作用等。通過應用過程中不斷地完善地下水流的虛擬模型，不僅可以對地下水進行科學可視化的管理，而且可以設計不同的開采方案和管理模式，利用虛擬現實技術不僅可以對其進行演示和表達，還可以對其進行不斷的修改、補充和完善，使之成為比較完善的管理模型。

3.3　水文地質環境問題

近些年，由于大量開采利用地下水誘發了區域地下水位持續下降、水資源枯竭、地面沉降、海水入侵、土壤沙漠化等一系列的環境地質問題，引地表水灌溉，導致地下水位上升而產生沼澤化等問題。這一系列問題的研究，由于地下水水流變化的不可見性、環境問題產生初期不可預知，形成機理無法模擬研究以及時間、場景不可再現等原因，水文地質環境問題的研究始終處于滯后的局面，也始終在環境問題嚴重了以后才開始進行分析研究。虛擬現實技術具有虛擬事物不同發展過程的能力，可以虛擬已經存在的事物，也可以虛擬不存在的事物，可以虛擬事物過去的存在狀態，也可以虛擬其發展過程。因此通過實時的動態的虛擬，可以對事物的發展作一個不斷完善的研究和展示，為由于地下水的開采而造成的環境問題的研究提供了一個很好的工作平臺。

3.4　水資源規劃

虛擬現實技術在最開始主要用于小區的規劃方面，這種功能在目前及以后的水資源規劃和水源地建立時同樣為規劃設計提供了一個非常好的平臺。在水資源開發利用之初，利用虛擬現實技術建立水資源開發利用區的環境條件、水文地質條件等，在規劃開始，將各種規劃方案和由此而產生的環境變化結果虛擬出來，使水資源規劃方案能夠更完善，真正實現水資源的可持續利用。

3.5　地下水水質的虛擬表現

（1）水質天然狀態的變化

目前，由于多方面因素的影響，地下水水質的變化較大。通過對地下水水質在天然狀態下逐漸變化過程的虛擬，可以確定對地下水水質影響最大的因素，從而更深刻地理解水質變化的機理，為控制水質的惡化，使之向良性循環轉化提供依據。

（2）地下水水質虛擬實驗室　目前，由于地表水體污染等多種因素的作用，地下水水質遭受到前所未有的污染，展示地下水中有關離子的運移、變化規律、變化趨勢等是對地下水水質進行研究的關鍵。以往在地下水水質方面，主要是通過野外試驗和模擬實驗對水質的運移機理進行研究，因此試驗在水質運移研究中占有極其重要的地位。但是實驗室的模擬實驗不能夠完全真實地再現野外的某些因素的影響，野外試驗受費用、場地等條件的限制，這些因素抑制了地下水水質運移機理、污染物彌散等方面的研究。目前利用虛擬現實技術，只要有足夠的、充分的資料，就可以真實地表現地下水流和含水層的特征，以及地下水流中溶質的運移規律和發展趨勢，這為地下水水質管理開辟了新的途徑和思路。