虚拟现实系统的特点范文

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关键词： 虚拟现实技术；园林景观；应用前景

中图分类号：TU986.2 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2012）0410018-01

计算机技术的发展，帮助各个行业的新技术与新方法的出现。园林景观设计由于与计算机计算联系十分密切，设计过程中需要大量的计算机辅助设计，因此，伴随着计算机的更新，园林设计方法也获得了扩展。其中，虚拟现实技术就是随着计算机技术发展所兴起的一门综合性技术[1]。虽然目前该技术在园林设计中应用的还不普遍，但相信随着技术的越来越成熟，其应用范围必将越来越广泛[2]。

1 虚拟现实技术

1.1 虚拟现实技术的概念[3]

虚拟现实技术是一项综合集成技术，涉及的领域比较广泛，包括传感技术、人机交互技术、显示技术、人工智能、计算机图形（CG）技术等，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。从狭义的上讲，虚拟现实技术的涵义为：利用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使使用者通过一定的装置，轻松地对虚拟世界进行体验，并且两者能够自然的进行交互作用。使用者进行位置移动时，电脑可以利用辅助工具立即进行感应，并通过复杂的运算，将精确的3D世界影像传回到使用者眼前，使其产生临场感。从广义上讲，虚拟现实技术的概念为：泛指在功能意义或者是物理意义上存在于世界上的任何事物或环境，它可以是实际上能够实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的，如赛伯空间等。

1.2 虚拟现实技术的构成及分类

虚拟现实技术由硬件技术和软件技术构成。其中计算机以及相关的设备等都属于硬件技术。当前在计算的输入输出硬件设备中，听觉和视觉设备研究相对较成熟，有关人类味觉、嗅觉以及力道大小的设备正在研制中。

虚拟现实技术依据其主要的技术特点可以分为两种类型：一类是三维模型虚拟方式；另一类是全景图虚拟方式。根据交互和浸入程度的不同可以分为以下四类：桌面式VR系统（窗口中的VR）、沉浸式VR系统、分布式VR系统和叠加式VR系统（又称增强现实系统）。在四类虚拟系统中，桌面式虚拟系统成本最低，不需要大型的处理器及服务器，仅利用个人计算机就可以产生三维虚拟的空间场景。

1.3 虚拟现实技术的设计流程

运用虚拟技术辅助园林景观设计的流程主要分三个步骤[4]，如图1所示。首先是绘制平面图，主要利用CAD等相关软件设计并绘制园林景观的平面布局。然后，基于绘制好的平面图，通过调查收集相关数据，构建虚拟场景模型。在场景模型中，包括多种小模型，如房屋模型、道路模型、水位模型等。在构建模型中，还要尽量多的收集相关图片，制作成纹理填图，以增加虚拟场景的效果。由于虚拟场景需要渲染，因此在场景构建中，不仅要达到效果上的要求，还要控制模型数据量。必要时需要对虚拟模型进行优化。最后，基于平台实现集成。经过多年的发展，目前虚拟现实技术的实现也派生出多种不同的方法，现在较为流行的有JAVA3D、CUTE3D、VRML、VRMAP、VRP等方法，不同方法都有各自的特点。其中，VRP和VRMAP是两款优秀的虚拟现实软件，应用较为普遍，在数字城市、遥感测绘、地质、石油化工等都有广泛的利用。

2 虚拟现实技术在园林景观设计中的应用现状

在国外，虚拟现实技术在景观设计中应用的时间可以追溯到上世纪60年代。摩登·海里戈以美国的布鲁克林街道为背景，建立了一个模拟系统，被认为是提出并实践沉浸式虚拟环境的先驱者[5]。SRI研究中心1991年利用虚拟现实技术对汽车驾驶过程和飞机飞行过程进行模拟，通过模拟仿真分析事故原因，减少驾驶及飞行过程中事故的发生。

相对于国外虚拟技术的发展，我国国内将该技术应用于园林景观设计的时间较短，与国外相比存在一定的不足。近几年来，部分科研院所和单位都陆续开展了基于虚拟现实技术的景观设计研究，也取得了不错的成果。如哈尔滨工业大学开发的合成人类表情和唇动系统，浙江大学研制的建筑环境虚拟系统[6]等等。

3 虚拟现实技术在园林景观设计中的展望

虚拟现实技术在用于园林景观设计时，需要结合自身的特点，研究并借鉴相关领域的理论知识和技术方法。虚拟现实技术在园林景观设计中迅速推广的突破点可以归结为一下几点：

1）设计更高质量、更快速度的计算机硬件及图形处理软件，研制成本更低，性能更加优良的计算机输入和输出设备。通过这些基础硬件和软件的突破，推动园林景观设计中虚拟技术的快速应用，提高模拟系统的设计质量。

2）注重将虚拟现实技术与其他技术的融合。可以尝试融合虚拟现实技术与3S技术。3S技术可实现对各种空间信息和环境信息的快速、机动、准确、可靠的收集、处理与更新。在景观设计过程中，可以充分利用3S技术的特点，实时了解设计场地的高程等信息，然后将信息传递给虚拟现实系统，使设计者或决策者能再第一时间确定合理的设计方案和解决措施。其应用范围十分广泛，如城市绿化、城市规划以及修复重建等各个方面[7]。

3）充分利用虚拟现实技术的特点，提高公众对景观设计的参与度。将计算机网络技术与虚拟现实技术结合实现网络虚拟，从而使更广大的公众通过网络能够看到、听到设计者的作品，了解设计师的意图，参与到园林规划设计中，辅助管理者进行决策。以供设计者制定更加科学的，人性化的设计方案。

参考文献：

[1]李国松，虚拟现实（VR）技术在风景园林规划与设计中的应用研究[D].长沙：中南林业科技大学，2007.

[2]苏同向，虚拟现实技术在风景园林设计中的应用[D].南京：南京林业大学，2006.

[3]芦建国、苏同向，虚拟现实技术与风景园林设计[J].南京林业大学学报（自然科学版），2007，31（6）：139-141.

[4]范泽中、王艳安、曾峻峰，虚拟现实在园林设计中的应用[J].安徽农学通报，2006，12（11）：92-94.

[5]王晓丽、赵晓春、任红霞等，虚拟现实技术在园林设计中的应用[J].山东林业科技，2007（2）：88-90.

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关键词：虚拟现实；房地产；竞争力

一、虚拟现实技术的主要特征

虚拟现实技术具有以下最主要的特征：（1）沉浸性。虚拟现实技术是由计算机产生逼真的三维立体图像，再利用一些经过特别设计的外部配件和技术，如数字头盔、数字手套、座舱、全方位监视器等，为使用者构建一个感觉上真实，但实际上并不存在的一种情境。使用者与虚拟环境中的各种对象相互作用时，就如同在现实世界中的一样。（2）交互性。虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。计算机能根据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动，来调整系统呈现的图像及声音。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。

二、虚拟现实系统的类型

1．简易型虚拟现实系统。简易型虚拟现实系统又称桌面虚拟现实系统，是利用个人计算机进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口，使用者通过键盘、鼠标便可与虚拟环境进行交互并操纵其中的物体。这种系统的最大特点是缺乏真实的多感知的现实体验，但结构简单、价格低廉，易于普及推广。

2．沉浸型虚拟现实系统。沉浸型虚拟系统是一套比较复杂的系统。它利用头盔显示器、位置跟踪器、数据手套等设备与虚拟世界进行交互。由于这种系统可以将使用者的视觉、听觉与外界隔离，因此，用户可排除外界干扰，全身心地投入到虚拟现实中去。这种系统的优点是用户可完全沉浸到虚拟世界中去，缺点是系统设备价格昂贵，难以普及推广。

3．分布式虚拟现实系统。分布式虚拟现实系统是利用远程网络，将异地的不同用户联结起来，共享一个虚拟空间，多个用户通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，达到协同工作的目的。这种系统最大的特点是对资源的共享，也是虚拟现实系统的发展趋势。

三、虚拟现实技术在房地产业中的应用

正是由于虚拟现实具备真实的体验、友好的人机交互等特征和功能，越来越多的虚拟现实系统及设备不断地进入市场。同时，VR技术也逐渐从飞行仿真、战争应用进而应用到教育、科研、娱乐、建筑、医疗、工业等各个方面。本文重点探讨虚拟现实在房地产业的应用及前景。

随着房地产业的竞争越来越激烈，目前楼盘在规划设计和空间创意方面，已经难有实质性的突破。而且购房者日益成熟，他们需要更直观、更快捷、更全面的了解楼盘本身的信息，传统的楼书、条幅等已无法完全满足他们的需求。投资商在规划初期或楼盘即将封顶之际，展开宣传攻势，向购房者们介绍自己在质量、设计、环境等方面的特点及优势，以吸引他们租购的欲望。但由于楼盘尚在建造之中，购房者无法得知实物在装饰设计，外形外观及建筑质量方面的实际情况。因此投资商需找来与此楼盘相似的实物进行拍摄，或制作设计平面外观图形来向客户宣传。

由于技术的独特性和提供信息功能的集成互动性，集影视广告、动画、多媒体、网络科技于一身的虚拟现实技术在新的市场需求下，成为最新型的房地产营销方式。其最主要的核心是房地产销售。同时在房地产开发中的其他重要环节包括申报、审批、设计、宣传等方面都有着非常迫切的需求。虚拟现实具体可以应用在以下几个方面：

1.项目的招商和审批。传统的效果图等表现手段容易被人为修饰而产生误导，而把楼盘做成三维动画，投资商可通过沉浸虚拟现实，评估各种方案的特点与优劣，以便做出最佳的方案决策，不但可以避免决策失误，而且可以大大提高该房产的潜在市场价值，从而提高土地资源利用效率和项目开发成功率，保护投资。利用虚拟现实技术作为大型项目的展示工具，在申报、审批时，能使目标受众产生强烈的兴趣，项目策划者的诉求更易为他人所认同，使项目的报批顺利及时通过，从而为项目开工争取宝贵的时间。

2.方便经济的设计工具。三维动画技术不仅仅是一个成功的演示媒体，而且还是一个方便的设计工具。在盖一座现代化大厦之前，首先要做的是对这座大厦的结构、外形做细致的构思并定量化，这需要设计许多图纸，当然这些图纸只能内行人读懂，三维动画技术可以把这种构思变成看得见的虚拟物体和环境，使以往只能借助传统的沙盘设计模式提升到数字化的即看即所得的完美境界，大大提高了设计和规划的质量与效率。

3.新颖先进的营销手段。在房地产销售中，传统的做法是制作沙盘模型。由于沙盘模型要经过大比例缩小，因此无法以正常人的视角去感受小区的建筑空间，更无法获得人在其中的真实感受。同时，在模型制作完成后，修改的成本很高，而且几乎没有重复应用的可能性，很有局限。近年来效果图和三维动画虽然得到普及应用，然而，效果图只能提供静态局部的视觉体验。动画虽有较强的动态三维表现力，但不具备实时交互性，观察者只能按照事先设定好的路线和角度来浏览，信息获取不够全面。楼盘优势往往无法表现。应用虚拟现实技术，突破了传统的三维动画的被动和无法互动的缺点，给客户带来真实感和现场感，能更快更准确的获得定购决定，加快商品销售速度。

4.快捷的传播途径。虚拟现实技术还可以应用在网络和多媒体中，更方便快捷的传播产品信息。例如：（1）在房交会以及售楼中心以三维互动的交互式展示手段，不仅可以全面提升房产的品牌形象，更使该项目从众多楼盘中脱颖而出，直接获得消费者的关注，认知，认可。（2）通过Intel进行楼盘宣传，让各地购房者能够即时观看，加快信息传播速度，扩大信息传播范围。我们不妨做个比较，比较一下房地产业各种营销手段的差别：

综上所述，与传统的售楼推介方式相比较，虚拟现实解决方案的各个指标具有明显优势。它在房地产业的应用，可以大大提高项目规划设计的质量，降低成本和风险，加快项目实施进度，加强各相关部门对项目的认知和管理，极大地提升房地产开发商的品牌效应，促进房产销售。虚拟现实是一种更加先进全面的直观销售方式，更具备竞争力的营销手段，也必然给房地产商带来最终的长远效益。

作者单位：张英 吉林化工学院经济管理学院

袁宏波 东北电力大学

于海龙 东北电力大学

参考文献：

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关键词：虚拟现实技术；职业教育；工科；实训课程

收稿日期：2007―09―28

作者简介：梅婷（1984―），女，汉族，浙江省杭州市人，浙江工业大学职业技术教育研究所，硕士研究生，主要研究方向：高等职业技术教育。

李海宗（1963―），男，汉族，甘肃省陇西人，浙江工业大学职业技术教育研究所，副教授，主要研究方向：高等职业技术教育、教育教学评价。

计算机和互联网络的发展对传统的教育思想、教育观念、教育模式和教育方法等都带来了革命性的影响。分析职业技术教育本身的特点，结合新兴的技术手段，探求两者的完美结合，也许可以打开制约职业教育实训课程实施的瓶颈，寻找新的突破口。

一、什么是虚拟现实技术

虚拟现实技术是利用计算机生成一个逼真的三维虚拟环境，并通过使用传感设备与之相互作用的新技术。它为用户提供了一种临境（immersible）和多感觉通道（multi-sensory）的体验，是计算机与用户之间的一种更为理想化的人―机界面形式。虚拟现实技术与传统的模拟技术完全不同，是将模拟环境、视景系统和仿真系统合三为一，并利用头盔显示器、图形眼镜、数据服、立体声耳机、数据手套及脚踏板等传感装置，将操作者置身于计算机生成的三维虚拟环境中。操作者通过传感装置与虚拟环境交互作用，可获得视觉、听觉、触觉等多种感知，并允许操作和改变其中的“物体”。 与传统计算机相比，虚拟现实技术具有“3I”特点：强烈的“身临其境”的沉浸感（Immersion）；友好亲切的人机交互性（Interaction）；发人想像的刺激性（Imagination）。

目前，随着信息处理技术的不断进步，虚拟现实系统也在逐步发展和完善，按照系统实现的功能不同，虚拟现实技术主要有以下四种基本应用类型：

（一）桌面型虚拟现实系统（Desktop VR）。桌面型虚拟现实系统实现较为容易，设备造价低，普及性好。

（二）沉浸型虚拟现实系统（Immersible VR）。沉浸型虚拟现实系统是一套技术复杂、设备造价较为昂贵的高级系统。

（三）分布式虚拟现实系统（Distributed VR）。

（四）增强型虚拟现实系统（Augmented VR）。

二、为什么要应用虚拟现实技术

职业教育有别于普通教育的一个重要特点就是在保证理论教学基础上，突出强调实践教学，让学生不但掌握一定的应知理论，更重要的是学会一种实际的应用能力。

实训是职业技能实践训练的简称，是指在学校能控制状态下，按照人才培养规律与目标，对学生进行职业技术应用能力训练的教学过程。

实训是培养学生专业知识综合应用能力，熟练掌握岗位技能的关键教学环节。实训课程开设的成功与否，直接关系到学生的操作技能、创新精神、职业习惯与道德等综合素质的培养。

近年来，各地政府与学校都逐渐认识到实训课程在职业教育中的重要作用，都不同程度地加大了实训场地的硬件建设。然而，由于某些方面的原因，实训课程的开展依然不尽如人意。比如：

（一）我国各地经济发展差距大，职业技术教育发展亦不平衡。很多地区虽然加大了投入力度，但由于实训课程的前期投入与后期消耗都非常大，且随技术的发展，常需要更新换代，因此仍然存在资金欠缺的问题。

（二）一些实践活动存在一定的危险性。如：可能会产生有害物质，易危害人体健康；容易发生短路、爆炸等状况。

（三）一些项目的运作成本高昂。比如：所需的设备复杂、价格昂贵、器械损耗较大，且使用的原材料亦属昂贵、消耗量大之类物质，以及因学生的误操作而带来的损耗。

因此，既然从资金上无法做到无穷满足实训课程顺利的开展，那么，从科学技术上寻求一种新型的、实用的方法手段，作为突破口，从另一维度来解决这一系列的问题，也许是职业教育走出实训困境的一条出路。

三、虚拟现实技术的优势

将虚拟现实技术应用于职业教育实训课程中，区别于传统实训课程，有下列一些优势：

（一）效率高。在应用虚拟现实技术营造的仿真环境下开展实训课程，精确性高，突发事件发生的可能性小，因此要比采用实际装置或设备效率更高。

（二）投资少。相对于实际实训场所的建设投资，建立一套相应的虚拟现实系统的投资要小得多，通常，虚拟现实系统的投资是实际系统投资的几十分之一，且面对设备更新换代，采用虚拟现实技术的实训基地在原有基础上改进、完善的投入更可以大幅度降低。

（三）消耗低。虚拟现实系统通常是以软件的形式在计算机上运行，其使用的材料、能耗都很低，设备维修几率小，即使出故障，也较易解决。

（四）应用面广。可以将一些危险性高、开展难度大、相对比较难控制的项目先用虚拟现实系统进行练习，待熟练掌握后，再去现实环境中操作，既解决了现实中无法开展的难题，又在一定程度上保证了安全性。

（五）灵活性好。对过程中间或者局部的一些重点与难点，在虚拟现实系统中，可以人为进行记录与重现，多加演练，或者细节放大，且可以因人而异，自主调节系统速度，便于学生较好掌握，还可以设置一些意外情境，培养学生的应变能力。

（六）集成度高。可以在虚拟环境下完成整个工艺的设计、制造、修理、检验等过程，做到真正一体化。

（七）开展难度小。虚拟现实技术与多媒体的有机结合，使得整个操作过程形象、生动、有趣，较易吸引学生的学习兴趣，激发学生的学习热情。

四、应用虚拟现实技术还应注意的问题

尽管虚拟现实技术在工科实训课程中拥有各种明显优势，但因为技术本身仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未攻克的技术难题，在应用与进一步推广过程中，仍然需要注意以下几个方面：

首先，虚拟现实系统软硬件技术平台较高，技术设备复杂，造价昂贵，职业技术院校应该考虑本校的财力、技术力量和实训目的来选择虚拟现实系统，

其次，虚拟现实技术所营造的环境毕竟与实际有一定的差距，在配备了虚拟现实系统后，决不能忽视学生在实际现场中的体验。

此外，需要重视专业教师和实习指导教师在推广虚拟现实技术工作中的作用。

作为一项新兴的科学技术，虚拟现实技术还处于探索前进与不断完善阶段，与教育、培训等领域也正开始适应、磨合，在实际应用中，还存在很多需要解决的理论与技术上的问题。但从虚拟现实技术本身的特点、优势，以及职业技术教育中存在的薄弱环节上，我们有理由相信，虚拟现实技术在职业技术教育实训课程领域的应用前景还是相当广阔、具有发展潜力的。

参考文献：

〔1〕李玉忠，杜慧军.虚拟现实技术综述与基于Internet的虚拟培训系统设计〔J〕.计算机工程与应用，2002，（15）127~129.

〔2〕何晓薇.虚拟现实技术在教学中的作用和应用〔J〕.中国民用航空，2005，（58）75~76

〔3〕杨卫辉，谭梅.虚拟现实在职业技术教育中的应用〔J〕.吉林省经济管理干部学院学报，2006，（20）72~75.

〔4〕彭欣.仿真模拟实训应用于高职职业能力的实践研究〔J〕.广西商业高等专科学校学报，2005，（22）23~25.

〔5〕李仲阳，杨家红.虚拟数控加工中心培训系统〔J〕.中国职业技术教育，2002，（6）41~42.

〔6〕吴敏.计算机仿真技术在实践教学中的作用〔J〕.岳阳职业技术学院学报，2004，（19）117~转124.

〔7〕徐华.电脑仿真与职业教育〔J〕.商场现代化，2006，（10）365~366.

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随着科学技术的不断发展，计算机科学对于人类生活的影响不断加深，尤其是最近十分火爆的“虚拟现实”技术更是给人们的体验带来全新的认知，并且逐渐改变人们对于交互系统的体验方式。所谓的虚拟现实技术，就是通过计算机的大量运算的高新技术集成，可以看成是未来对社会生活影响最为重大的科学技术之一。通过虚拟现实技术能够与建筑环境设计的技术进行融合，从而创造出一个比真实环境还要真实的虚拟系统，在这个系统中，建筑师能够通过虚拟现实技术来创造出具有可视、可感、可知等技术的三维虚拟世界。从而展现出建筑行业发展的新趋势。

虚拟现实技术应用效果影响

虚拟现实技术与网络技术相同，之所以能够得到迅速发展的原因在于，虚拟现实技术通过综合性的计算机信息处理，集成了计算机图形、多媒体、人工智能、传感器与互联网之间共同协作的综合处理系统，并且能够为人们创造出一个虚拟的体验世界，使得人们的感知能力由真实走向虚拟。因为虚拟的三维空间具有非常强悍的表现力，所以对于人机交互的操作系统就更能够使人感受到身临其境的感觉。在建筑环境设计技术方面应用虚拟现实技术，不仅能够为建筑进行规划与辅助的功能，而且还能够使设计时时刻保持准确的预知自己的设计。虚拟现实技术的强大功能远不止与此，由于其具有交互式三维体验，所以通过虚拟现实技术的感知要远远强于传统的表现方式。通过崭新的信息交互方式，能够使人亲身的感受到三维空间的技术与魅力，进一步通过三维场景的实时调整，信息系统的不断完善、集成多媒体技术等交互体验能够使得设计师针对建筑环境设计的各种方案都做到了如指掌，并且通过虚拟现实技术还能够进行有效推敲。简而言之，虚拟现实技术能够使得建筑环境设计进入到全新的环境设计领域。

建筑环境模型与虚拟现实技术

虚拟现实技术能够模拟出真实的物体，也可以创造出抽象的模型。比如房屋、家具、家电等物品或者分子结构、细胞结构等。这些物体都是我们世界中真实存在的，并且能够通过各种各样的工具与设备来被人类所接收，从而能够进一步感受到我们的世界。在虚拟现实技术中，建筑师能够将本来不存在的物体进行重构，而且也能够随心所欲的按照自己的设计来进行调节，包括各种各样的家具材料、环境设计等。通过虚拟现实技术来确定建筑的尺寸与实际的设计，从而保证建筑建成之后与设计完全一致，从而避免出现偏差的情况。而且通过虚拟现实技术进行的设计能够随时改变视角与光线下所呈现出的不同景象，建筑师也能够通过这样的模型构建选择出自己满意的方案，如果不满意还可以随时进行修改。

虚拟现实技术在建筑环境设计中的应用

1.硬件系统

虚拟现实技术的硬件系统并不太复杂，只要能够满足设备的信息的输入与输出功能即可，通过计算机的桌面系统进行互动就能够构建出建议的虚拟现实系统，但是如果想要进一步满足虚拟现实技术的全部功能，即虚拟现实技术所具备的沉浸感等就必须要配备专业的虚拟现实设备。包括键盘、鼠标、数据手套、方向盘反馈器、手柄等外设。对于信息的输出部分的硬件则需要更高性能的显示器适配器、多通道投影仪、偏振片以及立体眼镜。通过传感设备能够使用户对于虚拟环境产生各种映射反应，而且用户化身能够在虚拟现实环境下对于自身的体验进行叠加，从而产生双重交互的功能。通过方位跟踪器能够确保用户在使用虚拟现实环境下对于用户的移动范围进行精确的测量，从而避免用户在使用的过程中出现各碰撞的危险。虚拟现实技术主要是根据几何体的碰撞检测算法来确定虚拟空间的测量信息，然后实时反馈给用户，从而保证用户对于虚拟空间进行身切实的体验之外，还能够具有良好的触觉感知效果，这样更加有助于建筑环境设计方案的实现。

2.软件系统

如果光有硬件系统是无法满足设计者或者用户等人员真正完成虚拟现实技术体验的，只有通过建设一个与现实世界相符合的虚拟模型就能够进行准确的三维体验，从而较为真实的构建出建筑、环境、室内等真实存在的事物。通过三维模型的建立，能够更加真实的还原出虚拟现实空间内部的色彩、光影、材质等方面的特点。建设虚拟现实技术的软件系统能够分为三个部分，第一步是通过几何模型的建立来构建出三维场景的几何模型，从而实现用户体验基础。第二步就是通过物理模型的构件来确定几何模型的结构材质等，还能够调整颜色、光照等外界影响因素。第三部就是建立行为模型，从而对于物体的运动和行为进行描述。

结束语：虚拟现实技术发展到现在这样的阶段，已经不再是科技方面的幻想，而是能够真正为我们人类社会带来巨大进步的影响力，可以说虚拟现实技术通过应用到社会各界以及各个领域之间的关系来取得明显的社会经济效益。伴随着虚拟现实技术与建筑环境设计与技术的不断结合，能够为建筑设计提供更加创新的设计方法与方式，也必然对于建筑设计领域的发展起到改革的作用。

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（中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214400）

【摘　要】执行海上测控任务期间，为确保测控通信设备的稳定可靠，海上测控通信系统的训练模式仍是采取以口头演练为主，辅以仿真训练的模式，已不能适应当前高密度海上测控训练的要求，通过信息化手段引进基于虚拟现实训练模式，实现海上测控通信系统训练模式的转换具有重要意义。

关键词 训练模式；虚拟现实；测控通信系统

0　引言

高密度海上测控任务要求测控通信系统设备必须稳定可靠，这就给传统的测控通信训练模式带来挑战，以往测控通信系统训练模式采取以理论训练和实操训练相结合的方式进行，并采取仿真训练等手段为辅助手段，这些训练模式取得了良好效果，培养了大量的海上测控通信人才。随着信息化技术的发展和虚拟现实技术的应用，在越来越多的领域采取虚拟训练的模式开展训练，其具有训练成本低、安全性高、不受时空限制且训练效果好等特点，通过训练模式转变的研究，将有效推动通信系统训练效益。

1　海上测控通信系统训练模式综述

海上测控通信系统训练模式包括个人自学、承师带徒、厂所培训、授课讲课、联调演练及网络化训练等模式，为海上测控通信系统人才培养、能力提升作出了重要贡献。

1.1　个人自学

个人自学是根据个人训练的实际情况，依据年初制定的个人年度训练计划开展专业训练的方式，其具有针对性强、效果有限的特点，侧重于对设备基本信息、基本操作、基本流程、基本原理的掌握。

1.2　承师带徒

承师带徒是为岗位人员指定本专业技术骨干开展专业知识培训，包括理论授课、实操演示等，主要通过“以老带新、互帮互学”等方式开展训练，其具有指导性强、重点突出等特点，侧重于基本操作、基本原理的学习和掌握。

1.3　厂所培训

厂所培训主要结合新设备研制、改造、联合课题研究、厂所代职等工作进行，厂所培训能够使岗位人员对设备的总体知识、设备性能、设备原理等进行深层次的学习和研究，对提升岗位人员执掌设备能力和科研试验能力具有重要作用。

1.4　授课讲课

授课讲课可分为新学员汇报讲课、外训人员汇报讲课、岗位专家授课、外请专家授课等。通过授课讲课既可检查人员知识掌握情况。又可使岗位人员学习了解当前新技术、新研究、新应用等，为岗位人员提供岗位训练和科研创新动力。

1.5　联调演练

联调演练是为了熟悉任务流程、检验参试设备工作状态和技术性能，验证软硬件的可靠性、协调性，确保测控通信设备间的接口正确、可靠，可培养岗位人员严谨的试验作风、熟练掌握操作流程和任务工作流程，锻炼指挥员的组织指挥和协同能力，是一种综合性的训练方式。

1.6　网络化训练

网络化训练是指利用网络上的训练资源或者相关训练软件辅助人员进行训练、考核的训练方式，主要包括网上模拟系统训练、远程培训、视频教学和网上考核等。网络化训练可以充分利用网络集成化，数字化，资源共享方便快捷等特点辅助训练，扩展训练模式，提高训练效率，优化考核过程。

1.7　计算机模拟训练

计算机模拟能够逼真地显现现实中相关任务的过程，可激起参训人员的行为和思维的反应，是一种有效地训练手段。但目前的计算模拟训练存在交互性不强、环境不逼真、“身临其境”感觉不明显等问题，停留在二维层面，训练效果与预期的差距较大，不能满足模拟训练要求，急需研究新的真实性较高、交互性较强、立体感较好的模拟训练模式。

2　虚拟现实仿真模拟训练模式的概念

训练模拟系统从技术手段上看，主要包括三种类型：一是以硬件设备为主、结合相关软件、与实际装备基本一致的“硬”模拟系统，比如，用于驾驶和操纵训练的各种专项技能训练模拟器；二是以软件方式为主、用虚拟界面代替实际装备界面、与实际装备视觉效果基本一致的“软”模拟系统，比如，用于装备操作流程训练、战术指挥训练的各种训练模拟系统等；三是在实际平台或装备系统中嵌入专用于训练的信息支持软件，从而构成了实装嵌入式训练模拟系统。无论上述哪一种训练模拟系统，其所构成的训练环境与真实环境相比都存在较大的差距，因此，“仿真度”问题一直困扰着模拟领域，对“构造逼真训练环境”的追求长期存在并一直未能得到很好地解决。虚拟现实技术可对研究对象和环境获得“身临其境”的感受，提高人类认知的广度和深度，拓宽认识空间和方法空间，是仿真技术的发展方向。

2.1　虚拟现实系统的基本概念

虚拟现实（Vitual Reality，VR），又称“灵境技术”，是综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络等技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人沉浸在计算机生成的虚拟环境中，通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，创建一种适人化的多维信息空间。

2.2　虚拟现实系统的基本特征

虚拟现实系统的最大优势是能够充分发挥在由计算机和人构成的系统中人的主观能动性，即把人的感知能力、认知能力和心理状态在计算机系统中得到体现，人与系统交互采用完全自然的方式。其基本特征可通过“灵境技术三角形”加以描述，即“3个I（Immersion（沉浸）-Interaction（交互）-Imagination（构想））”。

2.3　虚拟现实系统的基本构成

虚拟现实系统一般分为桌面式、大屏幕式和头盔式，按照系统构成划分可分为检测模块（检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境）、反馈模块（接受来自传感器模块的信息，为用户提供实时反馈）、传感器模块（接受来自用户的操作命令将其作用于虚拟环境，并将操作后产生的结果以相应的反馈形式提供给用户）、控制模块（对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用）、3D模型库（现实世界各组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境）及建模模块（获取现实世界各组成部分的三维数据，并建立他们的三维模型）。

2.4　虚拟现实训练模式特点

与传统的训练模式相比较，使用虚拟现实的训练模式主要有以下特点：

（1）提高训练环境的逼真度。通过虚拟现实的模拟训练系统，设立与任务实战、设备故障等相一致的训练环境，使参训人员处于逼真的环境下开展训练，可避免因设备安全隐患而降低训练难度和标准的情况发生。

（2）大大缩短训练时间。通过计算机虚拟技术可迅速设置联调演练和任务实战场景，且不受人员、环境、天气等影响缩短了参训人员的准备时间。

（3）大大减少了装备的损耗。由于海上环境复杂，设备动用频繁极易造成设备故障损坏，从而增加海上测控任务风险。在实际施训中，可通过模拟训练提高训练的逼真度，在确保训练效益的前提下，降低设备损坏。

（4）可复现人员训练情况。在使用虚拟训练系统进行训练时，系统可模拟各种实际情况，并对相关训练情况进行记录、回放，以便于进一步掌握、了解训练中的得失，做好总结，提升能力。

3　测控通信系统虚拟现实训练模式建设

虚拟现实仿真训练模式是引领未来测控通信系统训练的先进训练模式，对于提高测控通信系统训练效益具有重要意义，虚拟现实仿真训练模式主要包括以下软硬件保障、训练内容和方式、训练制度保障等方面内容。

3.1　软硬件建设

虚拟现实仿真训练的目标是由计算机生成虚拟世界，用户可以与之进行视、听、触、嗅觉等全方位的交互，并且可实现实时响应。因此除了高性能的计算机外，还需要相关的软件。

通过专业VR建模软件如OpenGL、Pro/E、Vega、Creator等建立环境模型，可结合Visual C++构建的平台营造虚拟环境；运用多种方法来保证三维场景的动态显示；利用模板匹配、人工神经网络等技术实现运动的识别来交互；为保证环境的真实性，还需要使用I-Collide、PAPID、V-Clip等算法进行实时的碰撞检测。

通过软件和硬件将通信系统设备、接口、环境等通过计算机进行模拟仿真，增强通信环境的“逼真度”，为基于虚拟现实的训练模式提供场景、环境、反馈等支撑，实现了基于虚拟现实的软硬件支撑。

3.2　训练内容方式

（1）单人通信设备模拟训练。基于VR的模拟训练系统最初应用于单人操作维护装备，对于单人通信设备模拟操作训练具有得天独厚的优势，可通过三维图形生成系统生成逼真的涌浪、船摇、风浪等各种设备操作条件，与合成的三维空间声音的效果一同，完成单人通信模拟训练系统的训练，如天线跟踪的飞车现象等。通过单人通信设备模拟训练实现单人在各种气象条件和环境下，逼真模拟操作设备训练。

（2）开展指挥人员模拟训练。根据应急状态下和常态化任务状态下，综合甲板、机房等各种环境下的通信状态、场景，让指挥员通过传感器装置观察设备状态及处置现状，以便于逼真模拟与真实环境完全相似的环境，生动的视觉、听觉和触觉效果，使受训指挥员“沉浸”在“真实的”试验任务环境中，开展任务指挥及应急处置指挥，锻炼指挥员的心理素质和指挥能力。

（3）通过网络开展异地同环境演练。通信系统最大特点是点多、线长、面广，一个设备故障可能涉及到多个方向、多个测站，只有通过协同指挥、协同操作才能彻底排除故障，因此运用虚拟现实技术分布式交互仿真并结合现代网络通信技术，通过模拟训练中心设置在不同测量站（船站）的指挥员的模拟系统终端，实现不同地域、相同环境的模拟训练，各测站之间的通信系统可通过局域网和广域网实现互联互通，并在此基础上开展联合演练，排除设备故障、组织基地间的通信设备应急处置联合训练。

3.3　训练模式发展趋势

随着计算机信息技术尤其是网络技术的迅猛发展，未来基于虚拟现实技术的模拟训练模式将呈现新的发展。

（1）着眼复杂环境，构建多维虚拟试验任务环境，提高训练效益。在实际任务过程中，海上通信环境呈现陆、海、空、天、电等多维发展的趋势，需要在复杂多变的环境中保持通信信息畅通，应着重加强复杂环境下的多维训练。

（2）实施超实时模拟训练。这种训练是使受训对象在模拟环境中进行的一种比正常训练速度更快的训练。通常采用压缩时间跨度，加快作业进程，提高训练强度的方式进行，使受训者得到超常的反应和训练，其适用于技能型训练。

（3）与心理训练紧密结合。通过将虚拟现实模拟训练与心理训练紧密结合后，进一步训练人员的心理承受能力和恢复能力，对于应急情况下的组织指挥、应急操作均有重要意义。

4　结束语

创新信息化条件下训练模式，既是深化训练改革的核心，目前基于虚拟现实的模拟训练仍然处于蓬勃发展的阶段，尚未成规模、成体制，相应的硬件建设、软件建设、制度建设等仍处于研究和探索阶段，但其广阔的应用前景和巨大的发展潜力引导研究引向深入，为测控通信系统的训练模式改革创新提供技术支撑。

参考文献

［1］李林,吴卫玲,黄权欣.虚拟维修综述[J].科技信息,2009（33）.

［2］胡小强.虚拟现实技术基础与应用[M].北京:北京邮电大学出版社,2009.

［3］刘世斌,刘兴彦.虚拟现实技术在军事上的研究[J].应用与安全,2003（04）:604-607.

［4］洪炳镕,蔡则苏,唐好选.虚拟现实技术及其应用[M].北京:国防工业出版社,2005.

［5］袁华.训练模拟系统发展现状及启示[J].国防科技,2009（01）:62-65.

篇6

一、虚拟现实技术的定义

虚拟现实是利用计算机生成一种三维模拟环境。通过多种传感器设备使用户投入到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。

二、虚拟现实技术的特点

虚拟现实是利用三维图形生成技术，多传感交互技术以及高分辨显示技术，生成三维逼真的虚拟环境，使用者戴上特殊的头盔，数据手套等传感设备，或利用键盘，鼠标等输入设备，便可以进入虚拟空间，成为虚拟环境的一员，进行实时交互，感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而获得身临其境的感受和体会。虚拟现实技术具有以下三个基本特征：1.沉浸感（ Immersion）2.交互性（ Interaction）3.想象力（ Imagination）

三、虚拟现实技术与教育教学

虚拟现实是非线性的网络结构，以逼真虚拟环境提供良好的人机交互功能，教学内容组织安排特别强调学生主动参与来构建知识结构，使学生“被动听讲”转变为“主动学习”，亲身去经历，感受比抽象的说教更具生动性。

1.虚拟现实技术对教学的影响

（1）教学观念的变化。

在现代教育思想指导下，使用虚拟现实技术改进教学方法，从以教师为中心的授课形式转变为以学生为中心的个别化教学，合作化教学。

（2）教学手段的变化。

虚拟现实教学不受空间位置和相互距离的限制，可让远距离的师生或位置分散的学生共同“存在”于一个虚拟空间中，通过共同参与，协同操作来完成某些项目的设计或训3练。

（3）教学内容的变化。

虚拟现实技术的引入使教学内容无论是外在形式还是内在结构都产生了很大的变化。教学内容的外在形式可以用三维实景虚拟现实过程，对于看不见的变化，无法触摸的物体或有危险的场所，甚至自然界或现实生活中不可能存在的事件，也可以通过虚拟现实技术去展现。

2.虚拟现实技术对教育教学中的意义

（1）虚拟现实技术开创了全新的学习场景――彻底打破空间，时间的限制。

利用虚拟现实技术，可以彻底打破空间的限制，学生可以进入物体的内部进行观察，如学生可以进入虚拟的分子、原子、航天工作站等内部，考察物体内部的工作情况。虚拟技术还可以突破时间的限制，一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈现给学生观察。基于网络的虚拟现实技术为学习者提供了全新的学习场景，构造出开放性的教学环境。

（2）虚拟现实技术提供了崭新的教学手段――构建实物虚化，虚物实化的方法。

虚拟现实技术可以对学生学习过程中所提出的各种假设模型进行虚拟和虚物实化，通过虚拟系统便可直观地观察到这一假设所产生的结果或效果。虚拟现实系统可以进行实物虚化，虚拟各种人物，创建虚拟课堂，在虚拟的课堂气氛中，学生可以与虚拟的教师、学生一起交流讨论，开展启发式教学。

（3）虚拟现实技术变革了传统学习方式――营造开放性的网上探索学习。

运用虚拟现实技术，突破传统教科书的限制，使每一位学习者都可以根据自己的学习特点，在自己方便的时间从互联网上自由地选择适合的学习资源，按照适合于自己的方式和速度进行学习，这种探索性的学习，有利于激发学生的创造性思维，使学习者在具体情境中通过主动的探索获得知识，从而提高学习者的动力。

（4）虚拟现实技术丰富了课堂教学内容――展示全方位，多角度的教学内容。

利用虚拟现实技术，可丰富教学内容，将实验、实训等技能训练搬到课堂中进行，由于这些虚拟的训练系统无任何危险，学生可以反复练习，直至掌握操作技能为止。应用虚拟现实技术，还可恰如其分地演示一些复杂的、抽象的，不宜直接观察的自然过程和现象，全方位、多角度地展示教学内容。利用计算机多媒体技术，制作各种仿真课件，创设所需要的某种虚拟情景，让学生进行模拟实验，从而极大丰富课堂的教学内容。

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关键词：虚拟现实；研究现况；发展趋势

中图分类号：F061.3　文献标识码：A　文章编号：1672-3198(2009)02-0279-02

1　虚拟现实

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)，又译为临境，灵境等。从应用上看它是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术及仿真技术等多种科学技术综合发展起来的计算机领域的最新技术，也是力学、数学、光学、机构运动学等各种学科的综合应用。这种计算机领域最新技术的特点在于以模仿的方式为用户创造一种虚拟的环境，通过视、听、触等感知行为使得用户产生一种沉浸于虚拟环境的感觉，并与虚拟环境相互作用从而引起虚拟环境的实时变化。现在与虚拟现实有关的内容已经扩大到与之相关的许多方面，如“人工现实”(Artifi- cial Reality)、“遥在”(Telepresence)、“虚拟环境”(Virtual Environment)、“赛博空间”(Cyberspace)等等。

2　国外虚拟现实技术研究现状

计算机的发展提供了一种计算工具和分析工具，并因此导致了许多解决问题的新方法的产生。虚拟现实技术的产生与发展也同样如此，概括的国内外虚拟现实技术，它主要涉及到三个研究领域：通过计算图形方式建立实时的三维视觉效果；建立对虚拟世界的观察界面；使用虚拟现实技术加强诸如科学计算技术等方面的应用。

2.1　VR技术在美国的研究现状

美国是虚拟现实技术研究的发源地，虚拟现实技术可以追溯到上世纪40年代。最初的研究应用主要集中在美国军方对飞行驾驶员与宇航员的模拟训练。然而，随着冷战后美国军费的削减，这些技术逐步转为民用，目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。

上世纪80年代，美国宇航局(NASA)及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，美国宇航局Ames实验室致力于一个叫“虚拟行星探索”(VPE)的实验计划。现NASA已经建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并已经建立了可供全国使用的VR教育系统。北卡罗来纳大学的计算机系是进行VR研究最早最著名的大学。他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统。施乐公司研究中心在VR领域主要从事利用VRT建立未来办公室的研究，并努力设计一项基于VR使得数据存取更容易的窗口系统。波音公司的波音777运输机采用全无纸化设计，利用所开发的虚拟现实系统将虚拟环境叠加于真实环境之上，把虚拟的模板显示在正在加工的工件上，工人根据此模板控制待加工尺寸，从而简化加工过程。

图形图像处理技术和传感器技术是以上VR项目的主要技术。就目前看，空间的动态性和时间的实时性是这项技术的最主要焦点。

2.2　VR技术在欧洲的研究现状

在欧洲，英国在VR开发的某些方面，特别是在分布并行处理、辅助设备(包括触觉反馈)设计和应用研究方面。在欧洲来说是领先的。英国Bristol公司发现，VR应用的交点应集中在整体综合技术上，他们在软件和硬件的某些领域处于领先地位。英国ARRL公司关于远地呈现的研究实验，主要包括VR重构问题。他们的产品还包括建筑和科学可视化计算。

欧洲其它一些较发达的国家如：荷兰、德国、瑞典等也积极进行了VR的研究与应用。

瑞典的DIVE分布式虚拟交互环境，是一个基于Unix的，不同节点上的多个进程可以在同一世界中工作的异质分布式系统。

荷兰海牙TNO研究所的物理电子实验室(TNO- PEL)开发的训练和模拟系统，通过改进人机界面来改善现有模拟系统，以使用户完全介入模拟环境。

德国在VR的应用方面取得了出乎意料的成果。在改造传统产业方面，一是用于产品设计、降低成本，避免新产品开发的风险；二是产品演示，吸引客户争取定单；三是用于培训，在新生产设备投入使用前用虚拟工厂来提高工人的操作水平。

2008年10月27-29日在法国举行的ACM Symposi- um on Virtual Reality Software and Technoogy大会，整体上促进了虚拟现实技术的深入发展。

2.3　VR技术在日本的研究现状

日本的虚拟现实技术的发展在世界相关领域的研究中同样具有举足轻重的地位，它在建立大规模VR知识库和虚拟现实的游戏方面作出了很大的成就。

在东京技术学院精密和智能实验室研究了一个用于建立三维模型的人性化界面，称为SpmAR NEC公司开发了一种虚拟现实系统，用代用手来处理CAD中的三维形体模型。通过数据手套把对模型的处理与操作者的手联系起来；日本国际工业和商业部产品科学研究院开发了一种采用x、Y记录器的受力反馈装置；东京大学的高级科学研究中心的研究重点主要集中在远程控制方面，他们最近的研究项目是可以使用户控制远程摄像系统和一个模拟人手的随动机械人手臂的主从系统；东京大学广濑研究室重点研究虚拟现实的可视化问题。他们正在开发一种虚拟全息系统，用于克服当前显示和交互作用技术的局限性；日本奈良尖端技术研究生院大学教授千原国宏领导的研究小组于2004年开发出一种嗅觉模拟器，只要把虚拟空间里的水果放到鼻尖上一闻，装置就会在鼻尖处放出水果的香味，这是虚拟现实技术在嗅觉研究领域的一项突破。

3　国内虚拟现实技术研究现状

在我国虚拟现实技术的研究和一些发达国家相比还有很大的一段距离，随着计算机图形学、计算机系统工程等技术的高速发展，虚拟现实技术已经得到了相当的重视，引起我国各界人士的兴趣和关注，研究与应用VR，建立虚拟环境!虚拟场景模型分布式VR系统的开发正朝着深度和广度发展。国家科委国防科工委部已将虚拟现实技术的研究列为重点攻关项目，国内许多研究机构和高校也都在进行虚拟现实的研究和应用并取得了一些不错的研究成果。

北京航空航天大学计算机系也是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，其虚拟实现与可视化新技术研究室集成了分布式虚拟环境，可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、用行员训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等，并在以下方面取得进展：着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发出部分硬件，并提出有关算法及

实现方法。

清华大学国家光盘工程研究中心所作的“布达拉宫”，采用了QuickTime技术，实现大全景VR制；浙江大学CAD＆CG国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统；哈尔滨工业大学计算机系已经成功地合成了人的高级行为中的特定人脸图像，解决了表情的合成和唇动合成技术问题，并正在研究人说话时手势和头势的动作、语音和语调的同步等。

4　虚拟现实技术的发展趋势

随着虚拟现实技术在城市规划、军事等方面应用的不断深入，在建模与绘制方法、交互方式和系统构建方法等方面，对虚拟现实技术都提出来更高的需求。为了满足这些新的需求，近年来，虚拟现实相关技术研究遵循“低成本、高性能”原则取得了快速发展，表现出一些新的特点和发展趋势。主要表现在以下方面：

(1)动态环境建模技术。

虚拟环境的建立是VR技术的核心内容，动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据需要建立相应的虚拟环境模型。

(2)实时三维图形生成和显示技术。

三维图形的生成技术已比较成熟，而关键是如何“实时生成”，在不降低图形的质量和复杂程度的前提下，如何提高刷新频率将是今后重要的研究内容。此外，VR还依赖于立体显示和传感器技术的发展，现有的虚拟设备还不能满足系统的需要，有必要开发新的三维图形生成和显示技术。

(3)适人化、智能化人机交互设备的研制。

虽然头盔和数据手套等设备能够增强沉浸感，但在实际应用中，它们的效果并不好，并未达到沉浸交互的目的。采用人类最为自然的视觉、听觉、触觉和自然语言等作为交互的方式，会有效地提高虚拟现实的交互性效果。

(4)大型网络分布式虚拟现实的研究与应用。

网络虚拟现实是指多个用户在一个基于网络的计算机集合中，利用新型的人机交互设备介入计算机产生多维的、适用于用户(即适人化)应用的、相关的虚拟情景环境。分布式虚拟环境系统除了满足复杂虚拟环境计算的需求外，还应满足分布式仿真与协同工作等应用对共享虚拟环境的自然需求。分布式虚拟现实系统必须支持系统中多个用户、信息对象(实体)之间通过消息传递实现的交互。分布式虚拟现实可以看作是基于网络的虚拟现实系统，是可供多用户同时异地参与的分布式虚拟环境，处于不同地理位置的用户如同进入到同一个真实环境中。目前，分布式虚拟现实系统已成为国际上的研究热点，相继推出了相关标准，在国家“八六三”计划的支持下，由北京航空航天大学、杭州大学、中国科学院计算所、中国科学院软件所和装甲兵工程学院等单位共同开发了一个分布虚拟环境基础信息平台，为我国开展分布式虚拟现实的研究提供了必要额网络平台和软硬件基础环境。

5　结语

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关键词：虚拟现实；采矿专业；教学

中图分类号： TD43 文献标识码： A

在21世纪经济和技术全面发展的新时代，智能化、科技化、电子化是一个更为突出的发展方向，虚拟现实技术的不断进步，也是其走进了高校教学中，它能形象生动地表现教学内容，为学生营造一个更真实的教学环境，使其切身体验，并且提高了学生掌握知识、技能的效率，达到优化教学过程，提高教学质量的目的。

一、虚拟现实技术简述

虚拟现实( Virtual Reality，VR) 技术是目前计算机领域中引起广泛关注的研究前沿和热点之一，它利用计算机生成逼真的三维空间环境，通过视、听、触觉等作用于用户，使之与环境直接交互，产生身临其境的感觉。该技术是计算机图形学、传感器技术、多媒体技术、人机接口技术以及人工智能技术等多种学科技术的交叉与综合。虚拟现实的特征可归纳为三个“I”，即沉浸、交互、构想。

一个虚拟现实系统必须具备沉浸感，用户在虚拟环境中具有身临其境的感觉，能够自由的运动，观看风景，就和真实的世界一样。虚拟现实与通常 CAD 系统所产生的模型以及传统的三维动画是不一样的，它不是一个静态的世界，而是一个开放、互动的环境，虚拟现实环境可以通过控制与监视装置影响或被使用者影响，这是 VR 的第二个特征，即交互性。构想性是指虚拟现实不仅仅是一个演示媒体，而且还是一个设计工具，它以视觉形式反映了设计者的思想，达到所看即所得的完美境界。

虚拟现实技术复杂，而且构成系统的设备比较昂贵，投资巨大，所以最初只在军事、航天等少数领域得到发展。近年来，随着计算机性能的提高和价格的下降，虚拟现实技术已广泛应用于医学、建筑和工程、科学、金融、电子商务、游戏和教育等方面。虚拟现实的三个基本特征沉浸感、交互性和构想性使之在教学上具有特殊优越性，其在教育教学领域中的应用前景非常广阔。

二、虚拟现实技术在教学中的应用

虚拟现实技术与多媒体技术的主要区别在于不仅仅把图片、文字、声音和动画结合在一起，更主要的是它为用户创造了一个虚拟环境，用户不再是被动地接受知识，而是主动的、多方位的和虚拟环境直接交互，从而获得知识。正是这一特点改变了以往学生的学习方式，使虚拟现实技术进入课堂成为当前研究热点。目前，国外已经开发出许多针对教学的虚拟现实系统。利用此技术可以建立“虚拟物理实验室”，学生在虚拟实验室里可以作各种实验，亲身体验失重的感觉，使学生对物理概念和定律有了更深的理解; 在“化学虚拟系统”中，学生可以通过数据手套操作虚拟环境中的化学分子的运动，观察分子结合的化学反应，由此学到现实教学中无法感受的知识; 在医学院的教学中，虚拟现实技术更是发挥巨大的作用，利用“虚拟手术台”使学生无需通过病人就可以迅速安全地掌握各种复杂的手术操作; 军事院校学生利用飞行模拟器进行飞行训练是一种最安全高效的训练方式。此外，虚拟现实技术和网络技术的结合产生了“虚拟教室、学校”，使网络学习成为一种新的学习模式。

三、虚拟现实技术在采矿专业教学中的应用

(一)采矿专业教学特点

采矿工程专业在我国属于艰苦专业，而且实践性要求比较高，专业课程主要有《矿山测量学》、《矿山压力与控制》、《采掘机械》、《井巷工程》、《通风与安全工程》、《煤矿开采学》等，在学习阶段先后有三个实习环节，认识、生产及毕业实习。采矿专业的特点要求在教学中必须与生产实际相联系，所设置的三个实习环节也是为这一目的服务。通过上课和实习，学生应该对采矿专业知识有比较深入的理解，能够完成矿山规划设计，但通过毕业设计环节我们认识到学生对专业知识的理解不够透彻，尤其涉及到实际生产环节的设计，达不到预想效果，这说明我们的专业教学存在不足。

首先，在以往采矿专业教学中采用传统的教学方式，课堂教学以黑板为工具，以单纯教师教授的方法，向学生灌输知识，课堂教学结合采矿实际不够，学生的学习主动性、积极性不高，对专业知识的理解不够深入; 其次，采矿专业实习地点在矿山，条件一般比较艰苦，下井实习具有一定的危险性，学生实习兴趣不高。同时，由于受井下实际生产的限制或者实习经费不足的影响，学生真正深入现场的机会不多，由此引发学习和实际相脱节，最终造成采矿专业的教学往往达不到大纲要求。为此我们必须改进传统的教学方法，结合专业特点，将现代计算机技术引入教学，发挥学生学习的主动性、积极性和创造性，提高采矿专业教学质量。

(二)虚拟现实技术的应用

该技术在教育教学方面的应用已经取得了不小的成就，也已得到国内外教育界的肯定，它的三个基本特征决定了将其引入教学必然会提高学生学习的积极性，给传统教学注入新的活力。采矿专业教学主要有课堂教学和实习教学两个环节，针对这一特点，利用虚拟现实技术可以分别开发“采矿专业课程虚拟教学”和“虚拟实习”系统，其中包括各门课程子系统和各种实习场景子系统。

在 《采掘机械》课中主要学习矿山机械设备工作原理和实际应用，其中的大型设备只能从书本中看到图片，很难看到实际模型。应用虚拟现实技术可以开发出 “矿山机械设备虚拟系统”，学生在这个系统中不仅可以看到设备的结构，了解工作原理，还可以身临其境亲自操作这些设备; 针对《井巷工程》课程开发 “虚拟巷道系统”，学生可以进入巷道自由漫游，了解各种巷道的结构、用途以及支护方式等，同时可以发挥自己的想象性，设计各类巷道，完成之后立即进入巷道检查设计是否合理，完成交互式设计，图 1 所示为矩形巷道虚拟环境; 《煤矿开采学》是采矿专业最主要的课程，也是与实习环节联系最紧密的，“虚拟矿山系统”的开发，既能满足课堂教学要求，又为学生实习提供虚拟环境。图 2 所示为综采工作面虚拟现实系统，学生进入虚拟环境如同真正走入井下综采工作面，不仅可以自由漫游，而且可以在工作面亲自操作开动采煤机割煤、移液压支架和推动刮板输送机，这些内容在书本中是学不到的，即使在井下实习的时候也很难有机会如此近距离观察，更不可能亲自操作。图 3、图 4 所示为采场覆岩垮落动态虚拟系统，通过该系统，学生可以设置采场顶板参数，计算顶板的初次垮落步距和周期垮落步距，模拟各类顶板的垮落过程，在了解矿山压力的各类假说的同时，掌握顶板来压规律，为将来的实践操作打下扎实的基础。

图1 虚拟巷道漫游系统

图2 综采工作面虚拟现实系统

图3 采场覆岩垮落动态虚拟系统场1

图4 采场覆岩垮落动态虚拟系统场2

结 论

虚拟现实技术在采矿专业的教育教学过程中的应用成果是较为显著的，它的应用优化了教学过程、激发了学生学习的积极性、提高了专业教学质量，并可解决实习教学中的经费不足、实习环境危险和学生难以深入现场等问题。它的研究对探索和发展现代教育思想、提高教育技术水平、改善实验实训环境、培养具有创新意识和创新能力的人才具有深远的影响。

参考文献

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篇9

关键词：虚拟现实；室内设计；课程融合

室内设计专业教学具有较强的实践性，除了常规课程教学外，对于学生的专业考察、实践动手、毕业实习等环节来说，因缺乏时效性、针对性，往往制约该学科实践教学质量的提高。虚拟现实技术以现代计算机仿真系统为基础，通过构建虚拟三维图像技术，构建虚拟世界，增强学生对三维虚拟空间环境的视、听、触觉等感官的直接体验，让学生能够“沉浸”其中，达到室内设计实践性目标。为此，针对室内设计课程与虚拟现实技术的融合教学，现就其应用思路进行如下归纳。

1虚拟现实技术特点及在室内设计中的应用必要性

虚拟现实技术（Virtual…Reality）最早由美国军方用于研制飞行驾驶模拟训练，因其综合了对人体视觉、触觉、听觉等感官的模拟感知，使其在学习领域更具应用优势。虚拟现实技术通过创建基于真实环境的虚拟空间，其特点表现在四方面。一是多感知性。从虚拟现实技术的应用之初，就是将人类的感知功能作为模拟对象，使其能够具有人具有的综合感知能力。二是沉浸性。虚拟现实技术将计算机生成的虚拟环境，作为逼真的体验空间，为人在虚拟空间中实现看得到、听得到、摸得到、感觉得到的真实体验，从而获得身临其境的感觉。三是交互性。借助用户与虚拟空间的相互作用，在用户体验与虚拟环境之间，形成与真实世界一模一样的“互动”体验。

2虚拟现实技术与室内设计课程的融合

2.1“1+1”融合方式

所谓“1+1”融合模式，就是将室内设计课程的常规教学与虚拟现实实践教学进行整合，促进学生理论知识与实践动手环节的有效互补，发挥虚拟现实课程教学的优势。在具体实施过程中，前期重点学习室内设计相关专业课程知识，条件成熟后将拓宽其在虚拟现实实践教学体系中的应用。当然，也可以将个别学科专业知识穿插到常规课程教学中。需要强调的是，在常规课程与虚拟现实实践教学融合时，要从设计思路、实验目标、虚拟环境等方面进行明确，引导学生在虚拟环境中正确、有序地展开各类操作实践，强化虚拟实践教学效果。比如以某居住空间设计教学为例，对于常规课程教学，主要围绕案例设计、小组讨论、引导启发、讲练结合等方法来突出基础知识、理论学习。在虚拟现实教学环节，主要由教师来引导学生设置虚拟实践教学环境，特别是在教学模式上，要发挥现代多媒体技术教学优势，通过案例解析、现场引导示范等方式，让学生了解和熟悉室内设计虚拟实践环境的规划。同时，在虚拟实践教学重点上，要突出对室内设计功能性、经济性、个性化、审美特性的渗透，尤其是在三维仿真环境下进行虚拟化空间设计，要从方案设计的可行性、实效性上进行评价。在能力目标考查上，虚拟现实实践教学更加注重启发学生在虚拟空间设计中的感性与理性设计能力。特别是在居室空间功能区划分上、室内设计施工图绘制上以及室内设计效果图展示等方面，要引导学生挖掘室内居室空间的特征，处理好居室、厨房、餐厅、卧室、卫生间、公共区域以及居室绿化区间的关系。

2.2差异化虚拟现实实践教学融合模式

对于室内设计课程中引入虚拟现实技术，可以从差异化虚拟实践教学模式中突出课程教学内容的差异性。比如在室内景观设计上，利用虚拟现实技术来重点训练学生对室内环境的总体规划与布局；在室内设计居室空间设计上，重点对室内空间进行规则与改造，以及对室内光照效果、家具陈设等环境的营造。因此，针对差异化教学目标，立足室内设计课程教学实际，细化虚拟现实实践教学任务，便于学生从模块化虚拟现实教学体系中，从“虚拟”教学中得到“真实”的验证，在“真实”中不断完善“虚拟”实践项目。比如在室内照明设计虚拟现实教学中，其课程重点要放在室内外照度的理解、材料的选择、电气线路的安装、光学原理及合理布局的应用。在能力目标上，要突出学生不同空间照明系统的规范化设计，以及电气线路的科学化设计与安装，能够根据虚拟布光实验，确定光源类型、布光位置以及得到的照明效果展示。因此，差异化虚拟现实实践教学模式，其目标在于结合专业教学方向来制定相应的实践内容，并确定虚拟现实教学任务和考评目标。

2.3定制式虚拟现实实践教学融合模式

从实践教学的初衷来看，学生能够从知识的获取、信息的交互，实践动手中来体验不同的虚拟现实实践教学内容，并启发参与定制设计任务。应该强调的是，对于虚拟现实实践教学环境，本身具有可视化软件与交互性硬件设备。比如每个学生可以配备Oculus…Rift…VR头盔显示器、交互操作计算机硬件系统，通过对虚拟化实践软件环境中各模块的学习，来完成相应的实践教学目标。在定制式虚拟现实实践教学融合模式中，可以通过虚拟教学模型及组件，来构建仿真环境。比如草木花卉、建筑、交通等人工环境。当然，学生也可以根据设计需求，自己定制特定的模型，来参照真实世界进行室内设计规划。以室内居住空间设计为例，在虚拟仿真三维设计环境中，学生不必关注虚拟环境，而是要专注于实践设计，明确室内居室的功能，对相关设计要素进行布局，依托设计方案的合理性、经济性而考查其实效性。

2.4确定虚拟现实实践教学评价机制

虚拟现实技术与室内设计课程的融合，要注重考评机制的完善，特别是对学生初期设计方案的规划，对中期设计思路的检验，对后期设计效果的评价等，都要给予全面评判。由于实践教学环节需要明确具体的设计任务，同样在室内设计虚拟环境设计实践中，也要根据项目设计的可行性进行实践验证，并对存在的问题进行改进、优化和完善，以强化虚拟现实技术的教学实效性。比如在室内家具虚拟设计教学中，通过对室内环境的考察，来分析家具设计的合理性问题，并通过不同家具的选用、组装、布置，来检验家具设计的舒适性，确保家具设计在整个室内空间上的审美体验。

3结语

在室内设计课程教学中融入虚拟现实技术，可以利用计算机仿真环境来模拟真实的室内设计教学训练场景，让学生从技能仿真实训中来感知和体验，激发创造力和实践积极性，增强综合动手实践能力。同时，虚拟现实技术独有的沉浸式、交互性实践环境，便于让学生从多种感知中来展现其创作构想，必将对室内设计实践教学带来深刻的变革。

参考文献：

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1　前言

虚拟现实技术（virtual　reality　technology，vrt）是生成的虚拟环境逼真模拟人在自然环境中的视觉、听觉、运动等等行为的人机界面的技术。其基本特征分为三个方面：一是沉浸，即借助于头盔、数据手套等硬件设备，让参与者有身临其境的感觉：二是交互，通过使用虚拟交互接口设备实现人类自然技能对虚拟环境对象的交互考察与操作；三是构想，强调三维图形的立体显示。依据虚拟环境的发展，虚拟现实系统的发展可分为两个基本方向，一是基于虚拟现实技术的发展，二是基于因特网和万维网的三维图形环境的发展。若从参与者的投入感划分，则基于虚拟现实技术的发展可称为投入型虚拟环境和非投入型虚拟环境。

2　虚拟现实技术的优点

2.1　它的实时表达功能可虚拟不同时间、不同条件的环境变化，能反映事物随着时间的变化过程。

2.2　三维立体表达功能，虚拟技术可使其所表达的内容从不同的角度展和进行研究。

2.3　它能反映研究物体的全貌和细微处的差别。

2.4　它不仅可以细致地表达已经存在的事物。而且能虚拟现实世界不存但有可能发生的事情和事物的发展变化。

2.5　建立一个vrt系统，本文由收集整理相当于建立一个虚拟现实实验审，不仅可以事物的发生发展过程，还可根据不同的条件，虚拟出不同的结果。

3　vrt在水文地质中的应用

随着计算机硬件的发展，虚拟现实技术在近年逐步发展起来，在水文地质方面，目前刚刚起步，还没有成型的软件和相应研究成果。虚拟现实的主要功能是其沉浸感、三维立体表现事物的各个特征以及实时地表达，即虚拟现实技术具有表现现实存在的或不存在的事物在三维空间随时间变化的功能，水文地质研究的也正是利用虚拟现实技术对不可或很难见到的事物在三维空间随时间变化的特征。虚拟现实技术在水文地质研究中主要可以完成以下方面的工作。

3.1　vrt对含水层的表达

利用虚拟现实技术的三维可视化功能可以真实地再现地下含水层和隔水层的分布、含水层的厚度、空间的变化情况。以往工作中，仅能通过剖面图展示含水层、隔水层的垂向分布特点，在平面图中通过含水层厚度等值线表现含水层的空间分布状况，总的来说不直观也不全面。在虚拟现实系统中随着资料的进一步完善，神秘的地下含水系统将真实地展现在人们的面前。

3.2　虚拟现实系统对地下水流的表达

水文地质研究中的主要部分是地下水流的运动规律，如果说含水层是水文地质研究中的一个不变的静态因素，地下水流则是一个动态的变化过程，是目前水文地质研究中最为活跃的因素。

利用虚拟现实系统可以研究的不仅是含水层的展布，同时利用虚拟现实系统的实时变化功能也可以对地下水流的运动变化特征进行虚拟表达，充分展现地下水流的特点，其流向、流速和流量乃至于储存量的变化，特别是人类开采利用地下水对含水系统产生的影响，边

界条件对地下水流的约束和控制作用等。通过应用过程中不断地完善地下水流的虚拟模型，不仅可以对地下水进行科学可视化的管理，而且可以设计不同的开采方案和管理模式，利用虚拟现实技术不仅可以对其进行演示和表达，还可以对其进行不断的修改、补充和完善，使之成为比较完善的管理模型。

3.3　水文地质环境问题

近些年，由于大量开采利用地下水诱发了区域地下水位持续下降、水资源枯竭、地面沉降、海水入侵、土壤沙漠化等一系列的环境地质问题，引地表水灌溉，导致地下水位上升而产生沼泽化等问题。这一系列问题的研究，由于地下水水流变化的不可见性、环境问题产生初期不可预知，形成机理无法模拟研究以及时间、场景不可再现等原因，水文地质环境问题的研究始终处于滞后的局面，也始终在环境问题严重了以后才开始进行分析研究。虚拟现实技术具有虚拟事物不同发展过程的能力，可以虚拟已经存在的事物，也可以虚拟不存在的事物，可以虚拟事物过去的存在状态，也可以虚拟其发展过程。因此通过实时的动态的虚拟，可以对事物的发展作一个不断完善的研究和展示，为由于地下水的开采而造成的环境问题的研究提供了一个很好的工作平台。

3.4　水资源规划

虚拟现实技术在最开始主要用于小区的规划方面，这种功能在目前及以后的水资源规划和水源地建立时同样为规划设计提供了一个非常好的平台。在水资源开发利用之初，利用虚拟现实技术建立水资源开发利用区的环境条件、水文地质条件等，在规划开始，将各种规划方案和由此而产生的环境变化结果虚拟出来，使水资源规划方案能够更完善，真正实现水资源的可持续利用。

3.5　地下水水质的虚拟表现

（1）水质天然状态的变化

目前，由于多方面因素的影响，地下水水质的变化较大。通过对地下水水质在天然状态下逐渐变化过程的虚拟，可以确定对地下水水质影响最大的因素，从而更深刻地理解水质变化的机理，为控制水质的恶化，使之向良性循环转化提供依据。

（2）地下水水质虚拟实验室　目前，由于地表水体污染等多种因素的作用，地下水水质遭受到前所未有的污染，展示地下水中有关离子的运移、变化规律、变化趋势等是对地下水水质进行研究的关键。以往在地下水水质方面，主要是通过野外试验和模拟实验对水质的运移机理进行研究，因此试验在水质运移研究中占有极其重要的地位。但是实验室的模拟实验不能够完全真实地再现野外的某些因素的影响，野外试验受费用、场地等条件的限制，这些因素抑制了地下水水质运移机理、污染物弥散等方面的研究。目前利用虚拟现实技术，只要有足够的、充分的资料，就可以真实地表现地下水流和含水层的特征，以及地下水流中溶质的运移规律和发展趋势，这为地下水水质管理开辟了新的途径和思路。