文｜寧敏

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在虛擬校園中的應(yīng)用

文｜寧敏

隨著科技的飛速發(fā)展，信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)已逐步走進(jìn)千家萬戶。在當(dāng)今社會(huì)，人們對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)給予了高度的評(píng)價(jià)，稱其為改變世界未來的重要技術(shù)，并且它在眾多領(lǐng)域，如教育、醫(yī)療、軍事、航空、建筑漫游、工業(yè)設(shè)計(jì)等方面大放異彩，為這些行業(yè)帶來了豐厚的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。同時(shí)教育信息化已成為時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì)，其改革思想得到了普遍的認(rèn)同和青睞，虛擬校園則在這個(gè)環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生，是其在數(shù)字化方面的具體應(yīng)用。

盡人皆知，校園文化和學(xué)習(xí)氛圍對(duì)每個(gè)人的成長起著潛移默化的作用，學(xué)校的一草一木，校園環(huán)境無時(shí)無刻都在影響著我們每一個(gè)人，伴隨著我們健康、茁壯地成長。虛擬校園以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，利用先進(jìn)的信息化手段，實(shí)現(xiàn)從環(huán)境、資源到活動(dòng)的全部數(shù)字化，在傳統(tǒng)校園的基礎(chǔ)上構(gòu)建數(shù)字空間，拓展現(xiàn)實(shí)校園的時(shí)間和空間維度，擴(kuò)展了傳統(tǒng)校園的功能，最終實(shí)現(xiàn)教育工程的全面信息化。不僅能直觀地展示教學(xué)設(shè)施、校園景觀及校園文化等，還能為網(wǎng)絡(luò)教育提供幫助。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將以其獨(dú)特的交互性、多感知性和想象性，為虛擬校園的建設(shè)提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)仿真我們的校園無疑是校園建設(shè)的一大創(chuàng)新。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與藝術(shù)相結(jié)合的新興產(chǎn)物，集計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，人工智能，多媒體技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、人工智能技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等各種技術(shù)于一體的計(jì)算機(jī)高級(jí)人機(jī)界面技術(shù)，模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感覺器官功能，使人能夠沉浸在計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界中，并能夠通過語言、手勢(shì)等自然的方式與之進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，創(chuàng)建一種適人化的多維信息空間，仿佛置身于一個(gè)虛擬的世界中。

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有三個(gè)特征：沉浸性、交互性和想象性。沉浸性是指通過模擬，讓參與者完全置身于虛擬世界中，體驗(yàn)身臨其境的感覺。交互性是指參與者可以通過模擬設(shè)備實(shí)現(xiàn)人與虛擬世界之間的完整交流和互動(dòng)。想象性是指通過虛擬技術(shù)可以將人類的想象力和創(chuàng)造思維最大程度地發(fā)揮出來。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在虛擬校園中的具體應(yīng)用

（一）虛擬校園概述

隨著各校招生人數(shù)不斷壯大，學(xué)校管理體制不斷健全，我們可以運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)建虛擬校園。虛擬校園是以數(shù)字化信息和網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，在先進(jìn)的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上建立起來的對(duì)教學(xué)、科研、管理、技術(shù)服務(wù)、日常事務(wù)等校園信息的收集、處理、整合、存儲(chǔ)、傳輸和應(yīng)用，使數(shù)字資源得到充分利用、優(yōu)化的一種虛擬教育環(huán)境。是在采集真實(shí)校園信息的基礎(chǔ)上，模擬人的感覺器官，創(chuàng)建一種多維空間，再現(xiàn)校園的景觀，使訪問者足不出戶就可以參觀校園，更直觀地了解校園的具體情況，盡情領(lǐng)略校園的文化氛圍和感受校園氣息，獲取相應(yīng)的信息。虛擬校園還可創(chuàng)建用戶，分配不同權(quán)限，對(duì)學(xué)校的各方面進(jìn)行統(tǒng)一管理。三維虛擬校園的直觀性，可以優(yōu)化領(lǐng)導(dǎo)管理，對(duì)于校園信息管理，校園規(guī)劃、建設(shè)等能夠全局掌控。通過這種全新的教育模式，不僅帶給人們?nèi)碌闹R(shí)體系，還能極大地提高管理水平，有效地促進(jìn)遠(yuǎn)程教育的發(fā)展。

（二）虛擬校園建設(shè)方案

1、 3D場(chǎng)景制作

3D場(chǎng)景制作是較為復(fù)雜的環(huán)節(jié)，需要準(zhǔn)備的工作比較繁雜。首先要收集校園每個(gè)場(chǎng)所的具體尺寸、建筑結(jié)構(gòu)及外形等相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對(duì)實(shí)物進(jìn)行實(shí)地拍攝，采集每個(gè)地方的紋理貼圖及質(zhì)感，便于在三維軟件中用于模型制作。其次在3DSMAX、Lumion等軟件中運(yùn)用多邊形、曲面等建模方式制作校園場(chǎng)景，需要制作教學(xué)樓、實(shí)訓(xùn)室、校園道路、花草樹木等，在軟件中盡量按照前期收集的素材比例、造型和結(jié)構(gòu)制作模型。根據(jù)行業(yè)要求檢查模型，優(yōu)化模型。要體現(xiàn)模型的真實(shí)感則需要在軟件中對(duì)模型表面的材質(zhì)、紋理以及場(chǎng)景的光照進(jìn)行設(shè)置。以圖片作為紋理并制作材質(zhì)；基于圖像的平面技術(shù)對(duì)樹葉建模；采用天空盒生成環(huán)境天空；運(yùn)用Vue軟件直接創(chuàng)建復(fù)雜自然環(huán)境模型。再結(jié)合Photoshop、Bodypainter等軟件繪制場(chǎng)景的貼圖，完成最終效果制作。

2、實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)

場(chǎng)景的動(dòng)畫漫游主要是運(yùn)用三維技術(shù)、多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將上述完成的場(chǎng)景，校園的教學(xué)樓、圖書館、體育館、校史館等校園中的全部景觀以各種視覺角度和不同的交互形式展現(xiàn)給瀏覽者。運(yùn)用三維軟件制作角色模型，以角色扮演的方式讓瀏覽者游歷校園的每個(gè)角落。我校制作的虛擬校園動(dòng)畫漫游只能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)漫游和少部分交互漫游。而虛擬場(chǎng)景的漫游實(shí)際上可以把視點(diǎn)的位置不斷改變，重繪三維場(chǎng)景，修改獲得新數(shù)據(jù)的相應(yīng)參數(shù)，達(dá)到三維動(dòng)畫實(shí)時(shí)交互的效果。虛擬場(chǎng)景的三維漫游效果主要有查詢式漫游、交互式漫游和自動(dòng)漫游三種。在虛擬場(chǎng)景中設(shè)置合理的光照、特效等以增強(qiáng)場(chǎng)景的真實(shí)感。

3、多人在線聊天

為了能運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效地學(xué)習(xí)交流，共享資源，我校制作的虛擬校園還包括多人在線聊天系統(tǒng)，可供師生在線交流，課外解答學(xué)習(xí)上的疑難問題。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)

（一）實(shí)時(shí)三維圖形生成和顯示技術(shù)

迄今為止，計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)發(fā)展得較為成熟，技術(shù)的關(guān)鍵是在不影響圖形復(fù)雜程度和質(zhì)量的前提下，如何提高刷新頻率，能真正做到實(shí)時(shí)交互，是我們需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

（二）動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)

動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心，其目的就是獲取真實(shí)環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并建立對(duì)應(yīng)的虛擬模型，創(chuàng)建虛擬世界。

（三）立體顯示和傳感器技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展有賴于立體顯示和傳感器的發(fā)展?，F(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)還不能滿足系統(tǒng)需求，例如，數(shù)據(jù)手套有延遲大、分辨率低、作用范圍小、使用不便等缺點(diǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提高，因此有必要開發(fā)新的三維顯示技術(shù)。

（四）應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具

虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的關(guān)鍵是尋找合適的場(chǎng)合和對(duì)象。選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)用對(duì)象可以大幅度地提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量。因此必須研究虛擬現(xiàn)實(shí)的開發(fā)工具。例如虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等。

人們?nèi)找嬖鲩L的物質(zhì)文化需要離不開科技的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其巨大的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)受到人們的推崇，逐步成為最先進(jìn)和最有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一。而虛擬校園的出現(xiàn)打破了時(shí)間和空間的限制，不僅能逼真地向人們展示校園景觀和教學(xué)設(shè)施，還可將校園內(nèi)的地理信息、自然資源、社會(huì)資源和人文資源等各種資源進(jìn)行數(shù)字化采集、處理和存儲(chǔ)，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息庫，創(chuàng)建全視覺的可視化虛擬校園三維立體平臺(tái)，最終實(shí)現(xiàn)信息資源的動(dòng)態(tài)管理，在未來的發(fā)展中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還將繼續(xù)改善我們的生活質(zhì)量，并且改變我們的思維方式，讓我們把美好的場(chǎng)景可以永久地保存下來，并主動(dòng)設(shè)計(jì)和制作心中的場(chǎng)景。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的日趨完善，教育過程全面信息化的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)指日可待，虛擬校園建設(shè)必將邁上一個(gè)新的臺(tái)階，其將是未來教育方式的發(fā)展主流。

作者單位：廣西機(jī)電技師學(xué)院