摘 要：虛擬現(xiàn)實技術(shù)是近年來興起的高新技術(shù)，本文分析了將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于實訓(xùn)教學(xué)中的可行性，并給出了構(gòu)建虛擬仿真實訓(xùn)平臺的技術(shù)路線，指出了將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于實訓(xùn)教學(xué)的必要性及優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；虛擬實訓(xùn)；三維建模；仿真平臺

中圖分類號：G712.4

現(xiàn)代職業(yè)教育要培養(yǎng)技術(shù)技能型人才，需要通過實踐教學(xué)鞏固學(xué)生所學(xué)理論，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神。但由于實訓(xùn)場地、實訓(xùn)設(shè)備等方面的限制，一些教學(xué)實驗無法展開。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)能很好地解決這個問題，它可以在節(jié)省大量鋪設(shè)實驗場地、購置實驗儀器費用的前提下，重復(fù)使用并時常更新這些虛擬的實驗“儀器”，又能使學(xué)習(xí)者獲得與真實場景同樣的體會，反復(fù)操作，加深對教學(xué)內(nèi)容的理解，以相對較低的成本實現(xiàn)現(xiàn)代職業(yè)教育的效益最大化。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其特點

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR，又譯作靈境、幻真）[1][2]是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。虛擬現(xiàn)實VR技術(shù)具沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和想象性（Imagination）[3]三個最突出的特征。虛擬現(xiàn)實技術(shù)利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的。虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用計算機對現(xiàn)實世界進行全面仿真，創(chuàng)建與現(xiàn)實社會類似的環(huán)境，使用戶與該環(huán)境直接進行自然交互。

2 在實訓(xùn)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)

2.1 可行性

虛擬現(xiàn)實技術(shù)包括沉浸式與非沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)。通常沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)是主要依賴特殊硬件來實現(xiàn)的，而非沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)是依賴專門的軟件來實現(xiàn)的。采用非沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)較為經(jīng)濟實用。盡管是借助鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器等標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)來營造一個窗口式的虛擬環(huán)境，但還是可以應(yīng)用軟件技術(shù)使其盡可能接近較理想的虛擬現(xiàn)實環(huán)境。它可采用基于圖形（幾何建模）的方法或基于圖像的方法實現(xiàn)。

在虛擬實訓(xùn)中所用到的實驗儀器和工具是通過3D建模設(shè)計出來的，可以在實訓(xùn)前使學(xué)生對這些儀器和工具有一個初步的感性認識；可以創(chuàng)建一些虛擬的實驗環(huán)境，通過設(shè)置參數(shù)來設(shè)定不同環(huán)境，在虛擬的環(huán)境中反復(fù)做各種各樣的技能訓(xùn)練，獲得不同環(huán)境因素下的實驗數(shù)據(jù)；由于是虛擬實訓(xùn)，實驗環(huán)境和實驗儀器都是虛擬的，能節(jié)省大量的設(shè)備更新維護和實訓(xùn)場地鋪設(shè)費用；也可以根據(jù)現(xiàn)實技術(shù)和型號的發(fā)展進行模型更新，緊貼技術(shù)潮流，建設(shè)“常新”型的實訓(xùn)基地；在虛擬實訓(xùn)中，實驗儀器是虛擬的，學(xué)生可以不必擔(dān)心因誤操作造成實驗設(shè)備的毀壞，也不必擔(dān)心實驗中存在的危險，學(xué)生可以放心大膽地進行實驗，更有利于學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造性思維。使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)制作生動的虛擬軟件，能推廣到其它同類課程中使用。

2.2 技術(shù)路線

（1）三維實體建模。傳統(tǒng)上，基于幾何的建模方法具有精度高模型描述完備等優(yōu)點，但是人機交互工作量大、建模效率低。近年來，國際上開始流行基于圖像的繪制方法，基于圖像的建模方法由一個圖像集合和與之對應(yīng)的深度集合構(gòu)成場景模型。其像素點固定，與場景復(fù)雜度無關(guān)，但是對于大規(guī)模的復(fù)雜場景，它需要多幅圖像輸入，因此圖像存儲也成為一個難題?；趲缀魏蛨D像的混合建模方法可以克服前兩類建模方法的不足，減少人機交互工作量和圖像的需求量，保證逼真度的前提下，快速、有效的建立物體的三維模型，因此是一種非常有效的建模方法?？梢允褂?Ds Max等三維軟件建立虛擬模型，復(fù)雜器件選用貼圖的形式，經(jīng)過渲染后在計算機屏幕上可以形成逼真的立體模型。建模任務(wù)由CAD、3Ds Max等軟件實現(xiàn)，能夠滿足虛擬現(xiàn)實應(yīng)用程序的實時性要求。

（2）模型的優(yōu)化處理。為了節(jié)省建模時間，降低系統(tǒng)資源占用率，提高運行速度，進行模型優(yōu)化；虛擬現(xiàn)實的制作方法有兩種：一種是基于幾何圖形的；另一種是基于圖像的。如果完全采用3D建模，不僅工作量巨大，數(shù)據(jù)量過大也很影響虛擬顯示。如果采用圖像的形式，就退化成二維的類似flash動畫的效果，缺乏真實感。所以建模方法采取圖形和圖像相結(jié)合的方法，對于簡單模型或是不經(jīng)常更新的場景用3D建模，經(jīng)常變動的或復(fù)雜場景或器具，采用三維建模與圖像紋理貼圖相結(jié)合的形式，取長補短。即節(jié)省了建模時間，建模的工作量，降低了系統(tǒng)資源占有率，提高運行速度，也適合經(jīng)常變動的場景或器件。

（3）場景導(dǎo)入，交互性功能開發(fā)。可以把在CAD、3ds Max等三維軟件中的構(gòu)建的模型導(dǎo)出成WRL格式文件，在VRML編輯器中進行編輯、優(yōu)化處理，最后可以在VRML瀏覽器中運行。例如：以計算機硬件系統(tǒng)構(gòu)成為例，構(gòu)建了虛擬仿真平臺，如圖1所示。

圖1 計算機硬件系統(tǒng)實驗臺

（4）建立仿真系統(tǒng)平臺。VRML文件本身是文本文件，瀏覽器對VRML文件進行逐行解釋、即時寫屏，路由及腳本中涉及的變量必須先定義后使用?？梢园凑仗摂M實驗預(yù)先定義好的順序進行流程設(shè)計，然后再利用可視化編程語言Delphi[4]或VB[5]實現(xiàn)系統(tǒng)平臺的界面設(shè)計與編程。

2.3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于實訓(xùn)的優(yōu)勢

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在我國一些高校已經(jīng)將虛擬實訓(xùn)室應(yīng)用到實訓(xùn)教學(xué)中?；谔摂M技術(shù)的仿真系統(tǒng)應(yīng)用于實訓(xùn)教學(xué)中，在計算機上用虛擬軟件作設(shè)計與測試，就像在真實的實訓(xùn)室做實訓(xùn)一樣，能為學(xué)生提供了一個自由實訓(xùn)的平臺，而且，這種虛擬實訓(xùn)不消耗器材，實訓(xùn)所需器材種類和數(shù)量不受限制，實訓(xùn)成本低、速度快、效率高，還可以開展各種設(shè)計性實驗。增強學(xué)生做實訓(xùn)練習(xí)的自主性 ，不再受實訓(xùn)室忙、設(shè)備少的約束 ，進一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動性和創(chuàng)造性.對于高校實訓(xùn)室管理來說，也節(jié)省了實訓(xùn)準(zhǔn)備時間，降低了實訓(xùn)成本，使實訓(xùn)室管理和開放更加現(xiàn)代化、人性化.在設(shè)備不斷更新的基礎(chǔ)上，使得實訓(xùn)緊跟時代的發(fā)展，培養(yǎng)技術(shù)技能型人才。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)逐漸在高校的應(yīng)用，必將對課程教學(xué)產(chǎn)生深遠的影響。

3 結(jié)束語

本研究指出了將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代職業(yè)教育實訓(xùn)教學(xué)中的可行性，并給出了構(gòu)建虛擬仿真實訓(xùn)平臺的技術(shù)路線。相信不久的將來，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等學(xué)科，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將應(yīng)用于更廣的范圍，交互式的、人性化的網(wǎng)絡(luò)虛擬平臺，將成為實訓(xùn)教學(xué)與應(yīng)用性學(xué)習(xí)的主流。

參考文獻：

[1]郭鳳英.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用[J].北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2004（03）：77-79.

[2]申蔚.虛擬現(xiàn)實技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[3]張金釗，張金銳，張金鏑.虛擬現(xiàn)實與游戲設(shè)計[M].2007.

[4]孫軍華，季忠，王忠雷，劉莉莉.基于Delphi和VRML的虛擬裝配平臺的實現(xiàn)[J].機械科學(xué)與技術(shù)，2003（05）：855-857.

[5]黃忠.基于VB和VRML的數(shù)控仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J].精密制造與信息化，2009（01）：49-53.

作者簡介：張菊（1978-），女，遼寧營口人，副教授，研究方向：計算機應(yīng)用、計算機軟件與理論、虛擬現(xiàn)實。

作者單位：遼寧省交通高等?？茖W(xué)校 信息工程系，沈陽 110122

基金項目：遼寧省職教學(xué)會項目，編號（LZY13369），校級項目。