虛擬現實應用于教育是教育技術發展的一個飛躍。它營造了“自主學習”的環境,由傳統的“以教促學”的學習方式代之為學習者通過自身與信息環境的相互作用來得到知識、技能的新型學習方式。
它主要具體應用在以下幾個方面:
1科技研究
當前許多高校都在積極研究虛擬現實技術及其應用,并相繼建起了虛擬現實與系統仿真的研究室,將科研成果迅速轉化實用技術,如北京航天航空大學在分布式飛行模擬方面的應用;浙江大學在建筑方面進行虛擬規劃、虛擬設計的應用;哈爾濱工業大學在人機交互方面的應用;清華大學對臨場感的研究等都頗具特色。有的研究室甚至已經具備獨立承接大型虛擬現實項目的實力。虛擬學習環境虛擬現實技術能夠為學生提供生動、逼真的學習環境,如建造人體模型、電腦太空旅行、化合物分子結構顯示等,在廣泛的科目領域提供無限的虛擬體驗,從而加速和鞏固學生學習知識的過程。親身去經歷、親身去感受比空洞抽象的說教更具說服力,主動地去交互與被動的灌輸,有本質的差別。虛擬實驗利用虛擬現實技術,可以建立各種虛擬實驗室,如地理、物理、化學、生物實驗室等等,擁有傳統實驗室難以比擬的優勢:
1、節省成本通常我們由于設備、場地、經費等硬件的限制。許多實驗都無法進行。而利用虛擬現實系統,學生足不出戶便可以做各種實驗,獲得與真實實驗一樣的體會。在保證教學效果的前提下,極大的節省了成本。
2、規避風險真實實驗或操作往往會帶來各種危險,利用虛擬現實技術進行虛擬實驗,學生在虛擬實驗環境中,可以放心地去做各種危險的實驗。例如:虛擬的飛機駕駛教學系統,可免除學員操作失誤而造成飛機墜毀的嚴重事故。
3、打破空間、時間的限制利用虛擬現實技術,可以徹底打破時間與空間的限制。大到宇宙天體,小至原子粒子,學生都可以進入這些物體的內部進行觀察。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。例如,生物中的孟德爾遺傳定律,用果蠅做實驗往往要幾個月的時間,而虛擬技術在一堂課內就可以實現。
2VR技術實訓基地:
利用虛擬現實技術建立起來的虛擬實訓基地,其“設備”與“部件”多是虛擬的,可以根據隨時生成新的設備。教學內容可以不斷更新,使實踐訓練及時跟上技術的發展。同時,虛擬現實的沉浸性和交互性,使學生能夠在虛擬的學習環境中扮演一個角色,全身心地投入到學習環境中去,這非常有利于學生的技能訓練。外科手術技能、教學技能、體育技能、汽車駕駛技能、果樹栽培技、電器維修技能等各種職業技能的訓練,由于虛擬的訓練系統無任何危險,學生可以不厭其煩地反復練習,直至掌握操作技能為止。例如:在虛擬的飛機駕駛訓練系統中,學員可以反復操作控制設備,學習在各種天氣情況下駕駛飛機起飛、降落,通過反復訓練,達到熟練掌握駕駛技術的目的。
3虛擬仿真校園:
教育部在一系列相關的文件中,多次涉及到了虛擬校園,闡明了虛擬校園的地位和作用。虛擬校園也是虛擬現實技術在教育培訓中最早的具體應用,它由淺至深有三個應用層面,分別適應學校不同程度的需求:簡單的虛擬我們的校園環境供游客瀏覽基于教學、教務、校園生活,功能相對完整的三維可視化虛擬校園以學員為中心,加入一系列人性化的功能,以虛擬現實技術作為遠程教育基礎平臺虛擬遠程教育虛擬現實可為高校擴大招生后設置的分校和遠程教育教學點提供可移動的電子教學場所,通過交互式遠程教學的課程目錄和網站,由局域網工具作校園網站的鏈接,可對各個終端提供開放性的、遠距離的持續教育,還可為社會提供新技術和高等職業培訓的機會,創造更大的經濟效益與社會效益。隨著虛擬現實技術的不斷發展和完善,以及硬件設備價格的不斷降低,我們相信,虛擬現實技術以其自身強大的教學優勢和潛力,將會逐漸受到教育工作者的重視和青睞,最終在教育培訓領域廣泛應用并發揮其重要作用。
VR技術在虛擬演播室中的應用
隨著計算機網絡和三維圖形軟件等先進信息技術的發展,電視節目制作方式發生了很大的變化。視覺和聽覺效果以及人類的思維都可以靠虛擬現實技術來實現。它升華了人類的邏輯思維。虛擬演播室則是虛擬現實技術與人類思維相結合在電視節目制作中的具體體現。虛擬演播系統的主要優點是它能夠更有效地表達新聞信息,增強信息的感染力和交互性。傳統的演播室對節目制作的限制較多。虛擬演播系統制作的布景是合乎比例的立體設計,當攝像機移動時,虛擬的布景與前景畫面都會出現相應的變化,從而增加了節目的真實感。用虛擬場景在很多方面成本效益顯著。如它具有及時更換場景的能力,在演播室布景制作中節約經費。不必移動和保留景物,因此可減輕對雇員的需求壓力。對于單集片,虛擬制作不會顯出很大的經濟效益,但在使用背景和攝像機位置不變的系列節目中它可以節約大量的資金。另外,虛擬演播室具有制作優勢。當考慮節目格局時,制作人員的選擇余地大,他們不必過于受場景限制。對于同一節目可以不用同一演播室,因為背景可以存入磁盤。它可以充分發揮創作人員的藝術創造力與想象力,利用現有的多種三維動畫軟件,創作出高質量的背景。
虛擬現實在水文地質研究中的應用
虛擬現實技術是利用計算機生成的虛擬環境逼真地模擬人在自然環境中的視覺、聽覺、運動等行為的人機界面的新技術。利用虛擬現實技術沉浸感、與計算機的交互功能和實時表現功能,建立相關的地質、水文地質模型和專業模型,進而實現對含水層結構、地下水流、地下水質和環境地質問題(例如地面沉降、海水入侵、土壤沙漠化、鹽漬化、沼澤化及區域降落漏斗擴展趨勢)的虛擬表達。具體實現步驟包括建立虛擬現實數據庫、三維地質模型、地下水水流模型、專業模型和實時預測模型。
VR技術在維修中的應用
虛擬維修是虛擬技術近年來的一個重要研究方向,目的是通過采用計算機仿真和虛擬現實技術在計算機上真實展現裝備的維修過程,增強裝備壽命周期各階段關于維修的各種決策能力,包括維修性設計分析、維修性演示驗證、維修過程核查、維修訓練實施等。
虛擬維修是虛擬現實技術在設備維修中的應用,在現代化煤礦、核電站等安全性要求高的場所,或在設備快速搶修之前,進行維修預演和仿真。突破了設備維修在空間和時間上的限制,可以實現逼真的設備拆裝、故障維修等操作,提取生產設備的已有資料、狀態數據,檢驗設備性能。虛擬維修技術還可以通過仿真操作過程,統計維修作業的時間、維修工種的配置、維修工具的選擇、設備部件拆卸的順序、維修作業所需的空間、預計維修費用
關鍵的VR技術
虛擬現實是多種技術的綜合,包括實時三維計算機圖形技術,廣角(寬視野)立體顯示技術,對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術,以及觸覺/力覺反饋、立體聲、網絡傳輸、語音輸入輸出技術等。下面對這些技術分別加以說明。
實時三維計算機圖形技術
相比較而言,利用計算機模型產生圖形圖像并不是太難的事情。如果有足夠準確的模型,又有足夠的時間,我們就可以生成不同光照條件下各種物體的精確圖像,但是這里的關鍵是實時。例如在飛行模擬系統中,圖像的刷新相當重要,同時對圖像質量的要求也很高,再加上非常復雜的虛擬環境,問題就變得相當困難。
廣角(寬視野)的立體顯示
人看周圍的世界時,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,就形成了一個關于周圍世界的整體景象,這個景象中包括了距離遠近的信息。當然,距離信息也可以通過其他方法獲得,例如眼睛焦距的遠近、物體大小的比較等。
在VR系統中,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生的,顯示在不同的顯示器上。有的系統采用單個顯示器,但用戶帶上特殊的眼鏡后,一只眼睛只能看到奇數幀圖像,另一只眼睛只能看到偶數幀圖像,奇、偶幀之間的不同也就是視差就產生了立體感。
用戶(頭、眼)的跟蹤:在人造環境中,每個物體相對于系統的坐標系都有一個位置與姿態,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。
跟蹤頭部運動的虛擬現實頭套:在傳統的計算機圖形技術中,視場的改變是通過鼠標或鍵盤來實現的,用戶的視覺系統和運動感知系統是分離的,而利用頭部跟蹤來改變圖像的視角,用戶的視覺系統和運動感知系統之間就可以聯系起來,感覺更逼真。另一個優點是,用戶不僅可以通過雙目立體視覺去認識環境,而且可以通過頭部的運動去觀察環境。
在用戶與計算機的交互中,鍵盤和鼠標是目前最常用的工具,但對于三維空間來說,它們都不太適合。在三維空間中因為有六個自由度,我們很難找出比較直觀的辦法把鼠標的平面運動映射成三維空間的任意運動?,F在,已經有一些設備可以提供六個自由度,如3Space數字化儀和SpaceBall空間球等。另外一些性能比較優異的設備是數據手套和數據衣。
立體聲
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度的差別來確定聲音的方向,因為聲音到達兩只耳朵的時間或距離有所不同。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現的,所以會有一種方向感?,F實生活里,當頭部轉動時,聽到的聲音的方向就會改變。但目前在VR系統中,聲音的方向與用戶頭部的運動無關。
觸覺與力覺反饋
在一個VR系統中,用戶可以看到一個虛擬的杯子。你可以設法去抓住它,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”,而這在現實生活中是不可能的。解決這一問題的常用裝置是在手套內層安裝一些可以振動的觸點來模擬觸覺。
語音輸入輸出
在VR系統中,語音的輸入輸出也很重要。這就要求虛擬環境能聽懂人的語言,并能與人實時交互。而讓計算機識別人的語音是相當困難的,因為語音信號和自然語言信號有其“多邊性”和復雜性。例如,連續語音中詞與詞之間沒有明顯的停頓,同一詞、同一字的發音受前后詞、字的影響,不僅不同人說同一詞會有所不同,就是同一人發音也會受到心理、生理和環境的影響而有所不同。
使用人的自然語言作為計算機輸入目前有兩個問題,首先是效率問題,為便于計算機理解,輸入的語音可能會相當羅嗦。其次是正確性問題,計算機理解語音的方法是對比匹配,而沒有人的智能。是多種技術的綜合,包括實時三維計算機圖形技術,廣角(寬視野)立體顯示技術,對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術,以及觸覺/力覺反饋、立體聲、網絡傳輸、語音輸入輸出技術等。下面對這些技術分別加以說明。
實時三維計算機圖形技術
相比較而言,利用計算機模型產生圖形圖像并不是太難的事情。如果有足夠準確的模型,又有足夠的時間,我們就可以生成不同光照條件下各種物體的精確圖像,但是這里的關鍵是實時。例如在飛行模擬系統中,圖像的刷新相當重要,同時對圖像質量的要求也很高,再加上非常復雜的虛擬環境,問題就變得相當困難。
廣角(寬視野)的立體顯示
人看周圍的世界時,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,就形成了一個關于周圍世界的整體景象,這個景象中包括了距離遠近的信息。當然,距離信息也可以通過其他方法獲得,例如眼睛焦距的遠近、物體大小的比較等。
在VR系統中,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生的,顯示在不同的顯示器上。有的系統采用單個顯示器,但用戶帶上特殊的眼鏡后,一只眼睛只能看到奇數幀圖像,另一只眼睛只能看到偶數幀圖像,奇、偶幀之間的不同也就是視差就產生了立體感。
用戶(頭、眼)的跟蹤:在人造環境中,每個物體相對于系統的坐標系都有一個位置與姿態,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。
跟蹤頭部運動的虛擬現實頭套:在傳統的計算機圖形技術中,視場的改變是通過鼠標或鍵盤來實現的,用戶的視覺系統和運動感知系統是分離的,而利用頭部跟蹤來改變圖像的視角,用戶的視覺系統和運動感知系統之間就可以聯系起來,感覺更逼真。另一個優點是,用戶不僅可以通過雙目立體視覺去認識環境,而且可以通過頭部的運動去觀察環境。
在用戶與計算機的交互中,鍵盤和鼠標是目前最常用的工具,但對于三維空間來說,它們都不太適合。在三維空間中因為有六個自由度,我們很難找出比較直觀的辦法把鼠標的平面運動映射成三維空間的任意運動?,F在,已經有一些設備可以提供六個自由度,如3Space數字化儀和SpaceBall空間球等。另外一些性能比較優異的設備是數據手套和數據衣。