黃鵬飛

摘 要：虛擬現(xiàn)實(shí)從1963年開始，發(fā)展至今，已經(jīng)進(jìn)入了如軍事、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、工程、教育、娛樂等各個領(lǐng)域。高校如何運(yùn)用這一技術(shù)來給傳統(tǒng)教學(xué)進(jìn)行創(chuàng)新與改革，在建設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室又需要面對怎樣的難題呢。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí) 高校 教育 實(shí)驗(yàn)室

1、引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR）從1963年開始了聲、形、動態(tài)的模擬開始，到二十世紀(jì)八十年代由美國VPL公司的創(chuàng)建人之一，被譽(yù)為VR之父的杰倫·拉尼爾正式提出“Virtual Reality”一詞。經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展，得益于現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算能力、傳輸數(shù)度以及交互技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到了進(jìn)一步的完善以及應(yīng)用，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了一個高速發(fā)展的時代。如今虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了如軍事、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、工程、教育、娛樂、文化等各個領(lǐng)域，為各個領(lǐng)域的發(fā)展提供了重要的支持。各國對于虛擬現(xiàn)實(shí)不斷增加的開發(fā)預(yù)算，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要性可見一斑。

2、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡介

虛擬現(xiàn)實(shí)是仿真技術(shù)的一個重要方向，結(jié)合了計(jì)算機(jī)、圖像、傳感、多媒體、網(wǎng)絡(luò)、人機(jī)接口等多項(xiàng)技術(shù)，創(chuàng)建出一個虛擬世界。除了能讓參與者通過裝置感受身臨其境的感覺外，還能實(shí)時地將參與者對虛擬世界的操作進(jìn)行響應(yīng)從而做出反饋。

虛擬現(xiàn)實(shí)有三個基本特征：

（1）沉浸性，用戶在借用裝置能進(jìn)入一個身臨其境的虛擬世界中，除了視覺與聽覺外，還可能包括觸覺、嗅覺等感官的模擬體驗(yàn)。

（2）交互性，用戶能通過傳感設(shè)備（如體感控制器、數(shù)據(jù)手環(huán)、數(shù)據(jù)手套、動作捕抓等）對虛擬世界進(jìn)行操作交流和反饋。

（3）構(gòu)想性，用戶能通過虛擬現(xiàn)實(shí)突破思維的局限性，將抽象具象化，可以隨意構(gòu)想不可能的環(huán)境。

3、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

3.1軍事與科技領(lǐng)域

軍事與科技是虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展的重要推進(jìn)力。虛擬軍事地圖將傳統(tǒng)的軍事“沙盤”和平面地圖逐步取代，這集成了地理、環(huán)境、武器與士兵的配置，能夠進(jìn)行模擬作戰(zhàn)推演和再現(xiàn)已發(fā)生的戰(zhàn)爭。指揮官、士兵、飛行員、宇航員等人員可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行逼真的模擬訓(xùn)練。而虛擬實(shí)驗(yàn)室的投入使醫(yī)學(xué)、工程、農(nóng)業(yè)等實(shí)驗(yàn)變得更快更精準(zhǔn)。例如虛擬人體的建立將人體可視化，使手術(shù)、用藥等可以進(jìn)行仿真模擬；波音公司將飛機(jī)的組建設(shè)計(jì)與產(chǎn)品性能進(jìn)行虛擬的裝配設(shè)計(jì)。

3.2商業(yè)與藝術(shù)的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展的另外一個推進(jìn)力就是在娛樂、展示等商業(yè)項(xiàng)目的巨大潛力。虛擬現(xiàn)實(shí)有著傳統(tǒng)媒體所沒有的臨場感、交互性以及自主性。例如藝術(shù)館與博物館利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以將靜態(tài)的藝術(shù)品與文物的展示變?yōu)閯討B(tài)，使參觀者更好地欣賞作品，近距離觀賞作品也不用擔(dān)心作品的保護(hù)。而在游戲方面，虛擬現(xiàn)實(shí)的臨場感與交互性已經(jīng)是游戲發(fā)展的下一個方向，而且也越發(fā)受到重視。在房地產(chǎn)展示與室內(nèi)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師能借助虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行高效的規(guī)劃設(shè)計(jì)，然后將效果展示給客戶，客戶的反饋也可以立即去做出更改，改變了以往只能看圖紙憑空猜想、圖紙難讀懂的局面。而伴隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展運(yùn)用，虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)也逐漸發(fā)展起來。交互性與超文本性是其主要特點(diǎn)，通過虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等手段，將真實(shí)世界與數(shù)字世界結(jié)合，創(chuàng)造出觀眾可以參與和控制的新型藝術(shù)形態(tài)。

3.3教育上的應(yīng)用

3.3.1虛擬實(shí)訓(xùn)

虛擬實(shí)訓(xùn)是虛擬現(xiàn)實(shí)在教育上最常見的運(yùn)用，利用虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性和互動性，使學(xué)生能投入地訓(xùn)練技能。培訓(xùn)飛機(jī)駕駛、汽車駕駛、外科手術(shù)、軍事技能、體育技能等等，由于虛擬系統(tǒng)的無風(fēng)險(xiǎn)性，學(xué)生能反復(fù)地在模擬情景內(nèi)練習(xí)，從而達(dá)到熟練的目的。例如通過飛行模擬，可以在有效安全的情況下模擬出在各種狀況與天氣中將飛機(jī)起飛降落。而通過虛擬人體，外科醫(yī)學(xué)生能反復(fù)練習(xí)手術(shù)的操作。

3.3.2虛擬實(shí)驗(yàn)室

虛擬實(shí)驗(yàn)室的投入使學(xué)校的教學(xué)研究可以突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的時間、空間的限制，節(jié)省了場地、經(jīng)費(fèi)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等費(fèi)用。除了能規(guī)避真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作帶來的各種危險(xiǎn)外，虛擬實(shí)驗(yàn)室還能將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)需要大量時間才能觀察變化的過程在短時間就可以呈現(xiàn)出來。在生物和農(nóng)業(yè)等需要大量時間等待的實(shí)驗(yàn)中，能將實(shí)驗(yàn)結(jié)果在一個短時間就可以運(yùn)算出模擬結(jié)果。而借助虛擬人體，可以有效地進(jìn)行術(shù)后效果預(yù)測，藥物研制實(shí)驗(yàn)。

3.3.3虛擬演示

虛擬演示技術(shù)為學(xué)生提供了更加生動和逼真的教學(xué)過程，在演示一些難懂原理或者費(fèi)用高昂的實(shí)驗(yàn)時，虛擬現(xiàn)實(shí)是非常有力的工具。除了提供給學(xué)生身歷其境的體驗(yàn)以外，還可以很方便地即時調(diào)整展示模型的數(shù)據(jù)來直觀地比對分析。例如在一些物理概念、生物結(jié)構(gòu)、建筑設(shè)計(jì)等方面的演示，可以更立體地將需要表現(xiàn)的效果表現(xiàn)出來，讓學(xué)生更好地理解和識別，從而加深了學(xué)習(xí)的效果。

4、關(guān)于高校建設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)

虛擬現(xiàn)實(shí)雖然在高速發(fā)展，但是現(xiàn)階段的設(shè)備價(jià)格還是比較高昂。在硬件配備上，由于沉浸式體驗(yàn)頭盔在刷新率需要在90幀以上才不會導(dǎo)致用戶出現(xiàn)眩暈感，所以基本的計(jì)算機(jī)配置要求相當(dāng)高，尤其是在顯卡圖形處理能力上面，在各家虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔的廠家推薦配置上，顯卡普遍要求使用CUDA核心在1664個以上的顯卡，而內(nèi)存容量需要8G以上，至于CPU方面需要四核，主頻在3.3GHz以上，硬盤則推薦使用固態(tài)硬盤。

除卻計(jì)算機(jī)以外，虛擬現(xiàn)實(shí)還需要配備頭戴式顯示器，除了現(xiàn)在主流的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡，還有微軟推出的頭戴式顯示增強(qiáng)眼鏡，然而后者的價(jià)格是前者的四倍以上。還有就是人機(jī)交互設(shè)備，現(xiàn)階段主流的是使用操作手柄對虛擬世界進(jìn)行交流，但是對于用戶的沉浸感體驗(yàn)并不友好，而厲動（Leap Motion）技術(shù)能實(shí)現(xiàn)精密的手勢識別，用戶只需要在空中通過雙手就可以對虛擬世界進(jìn)行交互操作，是未來的一個發(fā)展方向，相同的還有微軟的Kinect體感控制器。最后是位置追蹤器，一個能定位用戶空間位置，使用戶在一定范圍內(nèi)移動的裝置，一般是借助虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡上的攝像頭來進(jìn)行定位，如HTC VIVE則是有一個獨(dú)立的裝置，使用激光于光敏傳感器來確定物體位置。

以上就是架構(gòu)虛擬現(xiàn)實(shí)裝置的基本配置，除去這些配置以外，還需要配備一定的使用空間給用戶使用時活動。

5、結(jié)言

如何加強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)在高校教育的應(yīng)用，還在一個探索的階段，而且由于現(xiàn)階段虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的價(jià)格較高，大大制約了虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室在高校教育的推廣與應(yīng)用。但隨著未來設(shè)備硬件技術(shù)的發(fā)展與需求的進(jìn)一步擴(kuò)大，可預(yù)見虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備會逐步步價(jià)格下降。國家發(fā)改委也將虛擬現(xiàn)實(shí)和現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)納入了“互聯(lián)網(wǎng)+”的建設(shè)專項(xiàng)，未來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會在高校教育中越發(fā)重要，對于提高高校教育信息化建設(shè)的水平存在著重要意義。

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