摘 要：闡述了虛擬現(xiàn)實(shí)的基本特征、分類，分析了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。討論了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育培訓(xùn)中的作用，指出了VR在社會(huì)活動(dòng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；交互技術(shù)；教育培訓(xùn)；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP391.9

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）又稱臨境技術(shù)，是一個(gè)由計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界。人的多種感覺器官都能同時(shí)對(duì)它進(jìn)行反饋，人不但沉浸在這種環(huán)境之中，而且還能以自然、和諧友好的方式與之交互。它是20世紀(jì)90年代以來興起的一種新型信息技術(shù)，一經(jīng)問世就立即受到高度重視。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)的基本特征和分類

1.1 基本特征。多感知性：除了視覺、聽覺和觸覺感知以外，還有運(yùn)動(dòng)感知和力覺感知，甚至包括嗅覺和味覺感知等。人在現(xiàn)實(shí)客觀世界中具有的所有感知功能，從理論層面上來說，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)都應(yīng)該具備。沉浸性：又稱臨場(chǎng)感，是指人感到好像完全被虛擬世界所包圍，自己是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所創(chuàng)建的虛擬世界中的一部分，參與虛擬世界的各種活動(dòng)，可以達(dá)到使人難以分辨真假的程度。交互性：是指人對(duì)虛擬環(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，具有有效性和實(shí)時(shí)性。構(gòu)想性：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中人與虛擬環(huán)境的交互作用，在本質(zhì)上意味著它不是必然的而是可欲生成的。虛擬的環(huán)境是人想象出來的，不僅可以再現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景，還可以隨意構(gòu)想現(xiàn)實(shí)生活中不存在的場(chǎng)景。

1.2 分類。沉浸式：是一種高級(jí)的、較理想的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，沉浸型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供完全沉浸的體驗(yàn)，使人仿佛置身于真實(shí)環(huán)境之中，參與者有一個(gè)新的、虛擬的身臨其境的感覺空間。桌面式：利用個(gè)人計(jì)算機(jī)或初級(jí)圖形工作站等設(shè)備，將計(jì)算機(jī)的屏幕作為用戶觀察虛擬世界的一個(gè)窗口。因?yàn)樘幱诓煌耆两沫h(huán)境，即使戴上立體眼鏡，用戶仍然會(huì)受到周圍現(xiàn)實(shí)世界的干擾。共享型（分布式）：位于不同物理位置的多個(gè)用戶或多個(gè)虛擬世界，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)起來，同時(shí)參加和體驗(yàn)一個(gè)虛擬的空間和經(jīng)歷，以達(dá)到協(xié)同工作的目的，它把虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用提升到了一個(gè)更高的境界。增強(qiáng)式：允許用戶一邊對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行觀察，一邊將生成的虛擬圖像疊加在現(xiàn)實(shí)世界上。它是把真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境組合在一起的一種系統(tǒng)，利用它來增強(qiáng)參與者對(duì)真實(shí)環(huán)境的感受，達(dá)到亦真亦幻的境界。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)

2.1 立體顯示技術(shù)。視覺信息的獲取是人類感知外部世界、獲取信息的最主要的傳感通道。在視覺顯示技術(shù)中，實(shí)現(xiàn)立體顯示技術(shù)是較為復(fù)雜與關(guān)鍵的。產(chǎn)生立體圖的過程可以是這樣：對(duì)同一場(chǎng)景分別產(chǎn)生兩個(gè)不同圖像，它們分別相應(yīng)于左右雙眼，兩眼之間具有一定的視差，深度立體信息就被保存了下來。在觀察時(shí)借助立體眼鏡等設(shè)備，使左右雙眼只能看到與之相應(yīng)的圖像，視線相交于三維空間中的一點(diǎn)上，從而恢復(fù)出三維深度信息。

2.2 環(huán)境建模技術(shù)。要建立虛擬環(huán)境，首先要建模，然后在其基礎(chǔ)上再進(jìn)行實(shí)時(shí)繪制、立體顯示，形成一個(gè)虛擬的世界。虛擬環(huán)境建模的目的在于獲取實(shí)際三維環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，然后根據(jù)我們的實(shí)際需要，通過已經(jīng)獲取的三維數(shù)據(jù)建立起相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。只有設(shè)計(jì)出反映研究對(duì)象的真實(shí)有效的模型，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)才有可信度。

2.3 真實(shí)感實(shí)時(shí)繪制技術(shù)。虛擬世界的產(chǎn)生不僅需要真實(shí)的立體感，而且虛擬世界還必須實(shí)時(shí)生成。所謂真實(shí)感繪制是指在計(jì)算機(jī)中重現(xiàn)真實(shí)世界場(chǎng)景的過程，所謂實(shí)時(shí)繪制是指當(dāng)用戶視點(diǎn)發(fā)生變化時(shí)，他所看到的場(chǎng)景需要及時(shí)更新，這就要保證圖形顯示更新的速度與視點(diǎn)的改變速度必須相一直，不然就會(huì)產(chǎn)生延遲甚至卡住的現(xiàn)象。

2.4 三維虛擬聲音的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。聽覺信息是僅次于視覺信息的第二傳感通道，為了提供身臨其境的逼真感覺，聽覺通道應(yīng)該滿足一些要求，使人感覺置身于立體的聲場(chǎng)之中，能識(shí)別聲音的類型和強(qiáng)度，能判定聲源的位置。

2.5 自然交互與傳感技術(shù)。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供的虛擬空間中，人可以使用眼睛、耳朵、皮膚、手勢(shì)和語音等各種感覺方式直接與之發(fā)生交互，這就是虛擬環(huán)境下的自然交互技術(shù)，目前該技術(shù)還相對(duì)不太成熟。

當(dāng)人體在虛擬空間中運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果接觸到虛擬物體，虛擬顯示系統(tǒng)應(yīng)該給人提供觸覺和力覺。在感覺到物體表面紋理的同時(shí)，也使人能夠體驗(yàn)到真實(shí)的力度感和方向感。由于人的觸覺相當(dāng)敏感，一般精度的裝置根本無法滿足要求，所以觸覺與力反饋傳感技術(shù)的研究相當(dāng)困難。

2.6 實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)技術(shù)。當(dāng)人接觸到虛擬環(huán)境中的物體并進(jìn)行拉、推、抓取時(shí)，能真實(shí)感受到碰撞的發(fā)生并實(shí)時(shí)做出相應(yīng)的反應(yīng)。這就需要虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能夠及時(shí)檢測(cè)出這些碰撞，產(chǎn)生相應(yīng)的碰撞反應(yīng)，并及時(shí)更新場(chǎng)景輸出，否則就會(huì)出現(xiàn)諸如人穿墻而過等不真實(shí)情況的發(fā)生。

3 在教育培訓(xùn)中的應(yīng)用

3.1 虛擬演示教學(xué)與實(shí)驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用較多，特別是對(duì)于理工科類課程的教學(xué)。它不僅適用于課堂教學(xué)，使之更形象生動(dòng)，也適用于互動(dòng)性實(shí)驗(yàn)中。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)和開發(fā)的交互式三維課件可以演示一些復(fù)雜、抽象的理論，是很有效的學(xué)習(xí)工具。虛擬實(shí)驗(yàn)不但節(jié)約成本，而且不受場(chǎng)地、設(shè)備的限制。一些危險(xiǎn)的會(huì)釋放有毒有害氣體的實(shí)驗(yàn)，也不再可能會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生傷害。虛擬的實(shí)驗(yàn)設(shè)備也很容易更新和重組，來適應(yīng)新的實(shí)驗(yàn)要求。

3.2 遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)。目前基于國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)具有巨大的發(fā)展前景，這需要?dú)w功于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的存在。遠(yuǎn)程教育突破了物理時(shí)空的限制，有了真實(shí)、互動(dòng)、情節(jié)化的新發(fā)展，同時(shí)可以虛擬教師、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等，這必將引起教育方式的革命。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅可向?qū)W生提供一種在實(shí)際生活中可以找到的情境，還可以再現(xiàn)特定的時(shí)代環(huán)境。中央廣播電視大學(xué)的遠(yuǎn)程教育學(xué)院在這方面就先行了一步，該校在人力和物力兩方面都進(jìn)行了較大的投入。

3.3 特殊教育。利用運(yùn)動(dòng)跟蹤器及數(shù)據(jù)手套，采用基于運(yùn)動(dòng)跟蹤的“手語三維運(yùn)動(dòng)”數(shù)據(jù)獲取方法，可以獲取準(zhǔn)確的手語三維運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。利用此方法，中國(guó)科學(xué)院開發(fā)了“中國(guó)手語合成系統(tǒng)”，該系統(tǒng)集體勢(shì)、語音、情感于一體，這對(duì)于聾人使用電視、電話、網(wǎng)絡(luò)、電影等有很大的幫助，給他們的生活帶來極大的方便。借助于手語的標(biāo)準(zhǔn)化，可以改善聾人受教育的環(huán)境，使其學(xué)習(xí)更為便捷。

3.4 技能培訓(xùn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于技能培訓(xùn)，一些高難度、高危險(xiǎn)的培訓(xùn)工作就可以更加安全可靠，并節(jié)約了成本。用虛擬技術(shù)構(gòu)造一個(gè)模擬真車的駕駛環(huán)境，駕駛?cè)藛T坐上這種模擬駕駛器，然后借助于聲音、視景、駕駛系統(tǒng)的仿真技術(shù)，讓學(xué)員有駕駛真車一樣的感覺，學(xué)員掌握汽車的常識(shí)是在輕松安全舒適的環(huán)境中完成的，學(xué)員可以反復(fù)操作控制設(shè)備，學(xué)會(huì)汽車駕駛。交互式飛機(jī)模擬駕駛器也是一種小型的動(dòng)感模擬設(shè)備，一位熟悉駕駛波音737的飛行員，在虛擬的飛機(jī)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)中，很快掌握駕駛波音747、767或777的技術(shù)，達(dá)到訓(xùn)練的目的。

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)的人機(jī)交互界面相比，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)無論是在思維還是在表現(xiàn)形式上都有了質(zhì)的飛躍。雖然在實(shí)際應(yīng)用中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還存在著一些有待解決和突破的理論問題和技術(shù)障礙。但隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的不斷發(fā)展，這些問題必將最終得到解決，虛擬現(xiàn)實(shí)是一個(gè)充滿活力、具有巨大應(yīng)用前景的高新技術(shù)領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡小強(qiáng).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2005.

[2]張海燕.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用[J].科教導(dǎo)刊，2013（09）：112，136.

作者簡(jiǎn)介：劉模群（1967-），男，江西南昌人，講師，研究方向：計(jì)算機(jī)軟件及應(yīng)用。

作者單位：常州工學(xué)院 計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院，江蘇常州 213002