徐睿

摘要：隨著計算機網(wǎng)絡(luò)科學(xué)和多媒體應(yīng)用技術(shù)的高速發(fā)展，我國高校計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)已成為現(xiàn)代學(xué)校必不可少的教學(xué)手段，全國很多高校已建成符合現(xiàn)代化教學(xué)的計算機實驗室。但目前針對高校藝術(shù)類實驗室教學(xué)資源緊張，儀器設(shè)備使用率較非常高，為保證更加完善的教學(xué)，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)合理地運用到高校的實驗室建設(shè)中已成為近幾年的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實 藝術(shù)類實驗教學(xué) 實驗室

引言

近幾年來，隨著高校教學(xué)的深化改革，越來越多的課程需要使用計算機機房，教學(xué)中存在實驗室設(shè)備不足和機器老舊的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響實驗課程的教學(xué)效果。為解決這一問題，網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室逐漸進(jìn)入了高校的教學(xué)中，通過虛擬仿真技術(shù)對海量的信息資料進(jìn)行模擬展示，再通過設(shè)備進(jìn)行實踐教學(xué)的虛擬操作，這樣不但節(jié)省了實驗室的儀器成本，而且提高了設(shè)備的使用率，明顯改善教學(xué)環(huán)境。學(xué)生們通過虛擬仿真實驗室不僅可以學(xué)習(xí)各種網(wǎng)絡(luò)信息，而且還可以利用人機交互功能進(jìn)行實踐，增強學(xué)生們的動手能力。

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概述

虛擬現(xiàn)實技術(shù)virtual Realty，英文簡稱VR，于20世紀(jì)60年代發(fā)明的一項高新技術(shù)，它是在計算機圖學(xué)、計算機仿真技術(shù)、人機接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)等多種高科技技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是指以計算機技術(shù)為核心，綜合使用交互設(shè)備融合視、聽、觸、感為一體的模仿現(xiàn)實的三維空間再現(xiàn)技術(shù)。虛擬現(xiàn)實由兩部分構(gòu)成，“虛擬”與“現(xiàn)實”。虛擬指的是通過VR技術(shù)和設(shè)備模擬出來的三維空間，而并非真實的?，F(xiàn)時指使用者進(jìn)入系統(tǒng)里親身的感受，仿佛身臨其境的感覺，可以是聽覺、視覺和觸覺等。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的主要特征有：交互性、想象性和沉浸感。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)目前通過設(shè)備的連接具有視覺、聽覺、觸覺的感應(yīng)，它的主要目標(biāo)就是真實的體驗和方便自然的人機交互。虛擬現(xiàn)實，就是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維虛擬世界，通過設(shè)備的連接提供使用者視覺、聽覺、觸覺等感官模擬，讓使用者有身臨其境之感。今后還將延伸到味覺、嗅覺等感官體驗，給使用者帶來全新的體驗。虛擬現(xiàn)實的感官模擬功能對提高實驗類課程的教學(xué)質(zhì)量有著重要作用，它可將傳統(tǒng)實驗課無縫移植到三維網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺開展教學(xué)活動。

二、虛擬現(xiàn)實實驗室的優(yōu)點

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用到實驗室中，改變了以往對實驗室的觀念。虛擬實驗室可以通過互動的、分布的、高效率的解決教學(xué)環(huán)境所需的平臺，非常合理有效地利用各種數(shù)據(jù)資源。在計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬系統(tǒng)的全新研究和設(shè)計方法中，學(xué)生可以通過親身體驗去總結(jié)獲得一種新的學(xué)習(xí)模式，從被動的教師講授式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)換為自主創(chuàng)新式的主動學(xué)習(xí)。它的主要優(yōu)點是節(jié)省了實驗室儀器設(shè)備的經(jīng)費，打破了時間和空間上的約束，簡化了整個實驗的過程，給實驗教學(xué)提供了更新的技術(shù)支持。

（一）利用VR技術(shù)對各種物體進(jìn)行模擬探索，以及各種場景環(huán)境和物體之間實驗效果的展現(xiàn)。這一技術(shù)不僅可以制作出各種室外的自然風(fēng)光和風(fēng)景名勝，還可以虛擬物理、化學(xué)等實物實驗操作過程。學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)門不出戶地搜索到自己所需的空間，獨立地通過電腦鼠標(biāo)鍵盤來完成各種實驗的操作。在這個過程中掌握相關(guān)的信息技術(shù)，同時滿足對不同學(xué)科知識的學(xué)習(xí)，減少對儀器設(shè)備的依靠，同樣對實驗的過程具有一定的認(rèn)知了解，大大降低了實驗的教學(xué)成本。

（二）提高了工作效率，經(jīng)過計算機虛擬過程的操作可以快速得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)果，省去了實驗室中對儀器的準(zhǔn)備工作。實驗實踐教學(xué)，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。針對高校學(xué)生的教學(xué)，虛擬現(xiàn)實可以利用仿真技術(shù)在實驗室中構(gòu)建虛擬的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，再進(jìn)行交互式的學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮學(xué)生的自主動手能力改變原有傳統(tǒng)的教學(xué)模式，它可以幫助學(xué)生們學(xué)習(xí)到更多的專業(yè)類技術(shù)。同時遇到問題時，可以采用遠(yuǎn)程互動的功能，在同一個虛擬環(huán)境下共同完成人機交互的科研研究。通過這個技術(shù)，實現(xiàn)了多人同時參與同一項目，完善了設(shè)計師與作品之間的互動性。

（三）利用虛擬技術(shù)可以更有效地改善實驗教學(xué)場地，學(xué)生不需要趕到實驗現(xiàn)場，只要通過模擬裝置在虛擬的空間對整個實驗過程進(jìn)行操作，減少了以往實驗過程中出現(xiàn)的各種危險操作，同樣具有身臨其境的感受，實現(xiàn)人機交互的親身體驗。同時每個學(xué)生根據(jù)各自的需求獨立地完成各種實訓(xùn)，給高校的教師和學(xué)生帶來了全新的體驗。

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高校藝術(shù)類實驗室的運用

高校藝術(shù)設(shè)計專業(yè)學(xué)生實踐教學(xué)中存在機房使用率高，教學(xué)任務(wù)量大，以及對新型設(shè)備的不斷更新，實驗教學(xué)場地十分有限，因此我校盡早建立虛擬現(xiàn)實實驗室是十分有必要的。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過連接計算機方便學(xué)生隨時隨地進(jìn)行實驗操作，不需要更多的儀器設(shè)備，滿足新設(shè)備實踐的需求。

虛擬現(xiàn)實實驗室的構(gòu)建是硬件和軟件的有機結(jié)合。藝術(shù)類虛擬現(xiàn)實實驗室的建設(shè)對計算機的配置要求較高，對電腦的硬件和軟件都有一定的要求，目前主要采用的是圖形工作站，在圖形工作站里進(jìn)行三維軟件建模、燈光和動畫效果等，然后通過傳感器的集成技術(shù)，連接相應(yīng)的儀器設(shè)備形成虛擬與現(xiàn)實交互的全新體驗。我們可以安裝各種虛擬軟件，構(gòu)建虛擬軟件機房為學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)的實驗教學(xué)基地，通過虛擬演示操作的過程實現(xiàn)對軟件技術(shù)的學(xué)習(xí)，常用的建模軟件有：3Dsmax、Maya、Softimage、Flash、Vrml等。

（一）動作捕捉儀實驗室

針對藝術(shù)類學(xué)生對虛擬現(xiàn)實實驗室的使用，展現(xiàn)更為加多元化，它通過三維動態(tài)的畫面對所要表現(xiàn)的設(shè)計方案進(jìn)行全方位展示，同時實現(xiàn)人機交互的設(shè)計。我們在影視制作中，工作站通過連接動作捕捉儀系統(tǒng)，形成虛擬空間與現(xiàn)實人物的結(jié)合，它的工作原理是現(xiàn)實中人物的動作呈現(xiàn)在三維模擬形象的身上，更好地讓使用者參與到實踐體驗過程中。我國很多影視作品中采用的動作捕捉系統(tǒng)，它有一套專用的設(shè)備穿戴在身上，根據(jù)運動物體的關(guān)鍵部位（如人體的關(guān)節(jié)處等）標(biāo)記出點，多個動作捕捉相機從不同角度實時探測出標(biāo)記的點，再根據(jù)實時數(shù)據(jù)處理傳輸?shù)焦ぷ髡局?，使虛擬的物體與現(xiàn)實有機地呈現(xiàn)在觀眾面前。動作捕捉儀能夠根據(jù)視覺的圖形、圖形、動畫、文字和聽覺的語言、音樂等與用戶交互，帶有一定的趣味性，能積極地鼓勵用戶的參與感（圖1）。

（二）VR遙控器實驗室

在游戲設(shè)計中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也起到了至關(guān)重要的作用，它推動了游戲產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。在實驗室中我們可以工作站連接相應(yīng)的感應(yīng)器，充分體驗游戲的沉浸感。在三維游戲中選擇扮演不同的角色，不同的場景與經(jīng)歷，它體現(xiàn)的不僅僅是娛樂，更是一種參與感與沉浸感。在虛擬的世界里奔跑、跳躍、滑雪、跳繩等各種動作。虛擬現(xiàn)實借助于各種高端的儀器設(shè)備，可以給人類呈現(xiàn)出更多完美的體驗，包括在藝術(shù)設(shè)計作品的展覽方面，也經(jīng)常用到相關(guān)的技術(shù)。它能讓觀眾更加主動地獲取創(chuàng)作者所要表達(dá)的信息（圖2）。

（三）VR頭盔顯示器實驗室

目前各種藝術(shù)文化展覽中，參與者佩戴高分辨路的頭盔顯示器在虛擬環(huán)境中進(jìn)行觀摩體驗。頭盔顯示器根據(jù)兩個眼睛的移動方向焦距的改變來進(jìn)行運動，再發(fā)送到跟蹤器上，數(shù)據(jù)反饋到工作站從而顯示在屏幕中?；谒囆g(shù)虛擬實驗室的建設(shè)，頭盔顯示器連接發(fā)射區(qū)，在工作站中可以模擬景觀設(shè)計、實景地圖、旅游景點等，用戶通過自身的感受沉浸在其中。它的特點是在三維虛擬的空間中，個人根據(jù)不同的路徑選擇游覽整個中間，充分展現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實互動的展示效果。2010年上海世博會中數(shù)字化展館就運用了虛擬現(xiàn)實的表現(xiàn)方式，讓參觀者從現(xiàn)實走進(jìn)虛擬，體驗空間互動感（圖3）。

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展，未來虛擬現(xiàn)實實驗室的應(yīng)用將會無處不在，無所不能，不受時間地域的影響。它的應(yīng)用面會非常廣泛，還將應(yīng)用到教學(xué)的各個領(lǐng)域，給我們提供更多的教學(xué)方法和更好的展現(xiàn)效果。