虚拟现实技术范文

导语：如何才能写好一篇虚拟现实技术，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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虚拟现实采用以计算机技术为核心的现代高技术，生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，使用户如身临其境一般，可以及时而没有限制地观察三维空间内的事物。由此可见，虚拟现实的主要特征为交互性、沉浸感和构想性。具体来说可以用3个“I”来概括，即Immersion、Interactivity和Imagination。

1.交互性（Interactivity）

虚拟现实的交互性是指参与者对虚拟环境内物体的可操作程度以及用户从该虚拟环境中得到反馈的自然程度。而这种交互的产生，需要借助于各种专用的三维交互设备。例如，船舶结构虚拟装配系统中借助三维鼠标，用户便可以感受在虚拟船舶内走动并可以拆装设备。

2.沉浸感（Immersion）

又称临场感，指用户感到作为主角存在于该虚拟环境中的真实程度。VR技术最主要的技术特征就是使用户具备一种在计算机虚拟环境中的沉浸感，即让使用者觉得自己是计算机系统所创建的虚拟环境的一部分，使人由观察者变为参与者，从而能投入到计算机实践并沉浸其中。在曼恒数字呈现的虚拟船舶内，用户戴上三维立体眼镜便能感觉自己抽离了现实，沉浸于大海之中的船舶上。理想的模拟环境应该使用户全身心投入到计算机创建的三维虚拟环境中，在该环境中，看起来、听起来、闻起来、摸起来甚至尝起来感觉都是真的，跟现实世界毫无分别。

3.构想性（Imagination）

构想性强调虚拟现实技术广阔的想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。在电影《阿凡达》中，卡梅隆依靠自己的想象和虚拟现实技术，创造了一个梦幻般的星球――潘多拉星球，片中的岩石沙尘、森林陡山、外星生物都是构想的，虚拟现实的构想性应用给观众带来了首当其冲的视觉震撼。

虚拟现实的分类

虚拟现实技术是一门涉及到计算机、图像处理与模式识别、语音和音响处理、人工智能技术、传感与测量、仿真、微电子等技术的综合集成技术。从不同角度出发可以有不同的分类，这里我们从系统性能进行分类，主要分为沉浸式、分布式、增强现实型和桌面式虚拟现实。

1.沉浸式虚拟现实

沉浸式虚拟现实是一种最佳的虚拟现实模式，提供一个完全沉浸的体验。虚拟现实影院（VR theater）就是一个完全浸入式的虚拟现实系统，用几米高的6个平面组成的立方体屏幕环绕在观众周围，设置在立方体的6个投影设备共同投射在立方体的投射式平面上，观众置身于立方体中可同时观看由5个或6个平面组成的图像，完全沉浸在图像组成的空间中。沉浸式虚拟现实选用了完备的虚拟现实硬件设备和先进的虚拟现实软件技术支持，从而模拟出一套比较复杂的系统，优点是使用户全身心地体验该虚拟环境，但是在硬件和软件方面投资较大。

2.分布式虚拟现实

分布式虚拟现实（通常又称为分布式虚拟环境）是多用户基于网络进行分布式交互、信息共享和仿真计算等，如暴雪公司2004年推出公测的魔兽世界网络游戏，中视典2012年推出的“超炫VRPIE多人在线MMO”支持多人在线互动等。分布式虚拟现实需要通过互联网传递虚拟现实环境中的各类数据，对网络的实时性、稳定性、带宽都有较高的要求。

3.增强现实型虚拟现实

也称混合现实，通过计算机技术，将虚拟的信息叠加到真实世界中，用户既能感受真实世界，同时又能看到虚拟对象，以此实现对真实世界的增强。这种系统不但减少对构成复杂真实环境的计算，又可对实际物体进行操作，真正达到亦真亦幻的境界。戴上谷歌最新的Project Glass增强现实眼镜，在马路上行走时，Google Maps会自动导航；到达迪特时，自动显示地铁停运信息；还能通过语音控制眼镜取景拍照等。

4.桌面式虚拟现实

也称基本虚拟现实技术模式，是基于普通PC平台的小型桌面虚拟现实系统。计算机屏幕作为虚拟场景观察窗口，位置跟踪器、鼠标、数据手套、力反馈器等作为手控输入设备，来模拟操作虚拟场景，是不完全沉浸的。它最大的特点是缺乏完全投入，但是成本相对较低。现在，各大高校都建立起虚拟校园，用户能够游览虚拟校园内的三维景观游览校园。

虚拟现实的关键技术

由于虚拟现实需要提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，因此需要依托于计算机科学、数学、力学、声学、光学、机械学、生物学乃至美学和社会科学等多种学科。归根到底，虚拟现实技术包括实物虚化、虚物实化和高性能的计算处理技术这3个主要方面。因此，虚拟现实的关键技术可从以上3方面进行概括。

1.实物虚化

实物虚化就是将真实世界的物体或构想出来的物体映射到虚拟世界中，主要包括模型的构建、空间跟踪、声音定位、视觉跟踪等关键技术，这些技术使得真实感强的虚拟世界产生、虚拟环境获得用户操作数据成为可能。其中模型构建可以利用现阶段的一些三维制作软件，比如3DMax、Maya等，对于空间、视觉和声音跟踪则需要借助于硬件设备，比如3DSpace数字化仪、SpaceBall空间球等。

2.虚物实化

通过实物虚化产生虚拟环境，而要确保用户在虚拟环境中获取视觉、听觉和触觉等感官感受则需要依托于虚物实化。

虚物实化的实现主要是各种传感器的作用，包括视觉、触觉、听觉和力学等传感器，比如数据手套、数据衣、头盔显示器、3D眼镜等。但是现有的虚拟现实还远远不能满足虚拟现实系统的要求，例如，数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不方便等缺点；虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要开发出更先进的传感器。

3.高性能计算处理技术

虚拟现实是以计算机技术为核心的现代高新科技，高性能的计算处理技术是直接影响系统性能的关键所在。具有计算速度高，处理能力强，存储容量大和联网特性强等特征的计算处理技术。

4.应用系统开发工具

虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造性。选择适当的应用对象可大幅度提高效率，减轻劳动强度，提高产品质量。为了达到这一目的，有必要研究VR的开发工具，例如VR系统开发平台、分布式VR技术等。

虚拟现实的应用

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关键词:概念设计虚拟现实技术产品市场

一、产品概念设计与市场

概念设计是工业设计领域中的一个重要方面。国外大公司的产品设计部门包括:1)(Conceptdesign)概念设计;2)(Detaildesign)详细设计;3)(Manufacturingdesign)制造设计。由此可见，产品的概念设计的主导地位和重要性。

1概念设计的内涵

概念的设想是创造性思维的一种体现，概念产品是一种理想化的物质形式。下面以概念设计教学实例之一来说明其涵义:给出一个概念“断药”，让学生进行座椅的开发设计。步骤是，首先向学生讲述心理学中的一个名词———暗示心理，并分别举出一个“安乐死”实验和一个“挽救少女生命”的文学名著故事，从正反两个方面说明暗示对人的健康的影响;然后运用一个“民间故事”阐述如何将“断药”的概念物化到具体的产品上。因为，在民间曾有这样一个说法，就是将一把断了的钥匙用红线穿上挂在小孩的脖子上，取“断钥”的谐音“断药”暗示常生病的孩子挂上“断钥”这挂项链之后，就断了药，从此不再吃药，这也意味着孩子走向健康。所以，将一把断了的钥匙(断药)的概念物化到具体的产品上来为健康做设计时，用折断了的钥匙做椅架为主题，由学生创意出现了形形的座椅开发设计方案(其草图、效果图、视图等技术说明从略)，于是就有了一种新型的专用座椅的概念设计。其应用场合为疗养院、医院、不能自理的老人家庭等。

这是传统的产品概念设计。当然，产品的类型不止是这种无障碍设计思想指导下的专用座椅。产品即人之观念的物化，设计是一种思维行为。在这种思维创造活动中，产品概念的构思是丰富的，人的创作智慧是无穷的。概念产品的类型更是多种多样。

2概念设计与产品市场

完成概念设计只是第一步，能不能进行第二步Detaildesign，第三步Manufacturingdesign，甚至投放市场为开发商或企业带来效益等，这是个风险问题。设计师的概念设计毕竟与难以预料市场变化有着许多差距。如何缩短这一差距，是以往概念设计者的难题。在开发设计的许许多多产品中，只要一百件产品中有几件能够投放市场见效益就是成功。在追求“百分之几”的见效益成功的过程中，如何减少做“分母”的被动，扩大见效益的百分比，仍是最关键的，是公司管理决策人士和设计师共同努力的方向。

3虚拟现实技术促使概念设计的市场化

为了更好地接近产品的市场需求，目前国际上流行的一种“故事版情景预言法”的概念设计，就是将所要开发的产品置于一定的人、时、地、事和物中进行观察、预测、想象和情景分析，其形式是以故事版的平面设计表达展示给人们。于是，产品在设计的开始便多了一份生命和灵气。然而，设计表达在信息时代已是多元化的展示形式，计算机辅助工业设计的发展，尤其是虚拟现实技术在产品概念设计中的应用，已使设计师的设计思路和设计表达如虎添翼;可以想象面对一种虚拟的“故事版情景预言法”设计出的产品，让人更多了一种直观的、亲切的及交互的感受，这样开发设计的产品与传统相比，就大大减少了投放市场的风险性，也为企业决策人寻找商机、判断概念产品能否进一步开发生产，提供更好的依据。虚拟现实技术能模拟整个产品开发过程，保证产品开发一次性成功，加快开发进程，甚至使设计者和用户融为一体，设计出满足市场需要的产品。

二、虚拟现实技术与虚拟产品

1虚拟现实系统(VirtualReality，VR)

虚拟现实系统又称为虚拟现实环境，是指计算机生成的一个实时三维环境。使用者可以在这环境中“自由地”运动，观察周围的景物，还可通过各种专用的传感交互设备与虚拟物体进行交互操作。用户看到的是全彩色景象，听到的是虚拟环境中的音响，感觉(手、脚或皮肤等)到的是虚拟环境所反馈的作用力，从而让使用者产生一种身临其境的感觉。产生虚拟现实环境的方法有:

1)基于模型的方法(ModelbasedMethod，MM)这种方法产生虚拟环境的步骤为:

①用放置在不同地点的多个摄像机将某环境或事物记录下来;

②利用计算机的视频技术抽取出环境或事物的三维模型;

③从虚拟摄像头的视角展示获得模型。具体的做法是:获得数据标度摄像头分离对象建立模型嵌入颜色交互回放。

2)基于图像的方法(ImagebasedMethod，IM)一般做法是:

用摄像头连续扫描周围空间来获取某一区域完整的景物图像，将获取的景物图像，通过图像处理技术，按坐标映射到图形工作站的虚拟全景屏上，用户载上头盔显示器就可以看到所摄周围景物环境。

2虚拟现实系统的常用设备及要求

虚拟现实系统常用设备有:三维鼠标(也称鸟标)、数据手套、数据衣、头盔显示器、立体声耳机等。对虚拟现实系统的要求除了应具有高性能的计算机系统(包括软、硬件)外，还必须有下列关键技术提供强有力的支持:(1)能以实时的速度生成具有三维全色彩的、有明暗、有阴影、有纹理的、逼真感强的景物图像;(2)头盔显示器能产生高分辨率图像和较大的视角;(3)能高精度地实时跟踪用户的头和手;(4)能对用户的动作产生力学反馈。

3虚拟产品(VirtualProduct，VP)

虚拟产品是虚拟现实技术应用于产品设计的产物，是一个数字化的产品。它具有真实产品所必须具有的特征。通过对产品实时的仿真，设计人员或用户就能够像使用真实产品一样使用虚拟产品。由于产品的设计过程是数字化的，因此节省了传统方法中需要制造的物理模型(包括概念模型、模拟实验模型、外观模型和生产模型等)的时间和物质。在计算机中由于对设计的产品进行反复设计、分析、干涉检查、模具设计等过程，使设计绘图的工作量比传统的绘图工作量大大减少。

三、虚拟现实技术在概念设计中应用前景

在概念设计中，如采用头脑风暴法进行方案创意时，可以将体验设计思想更好地融于其中，也就是更多地关注产品使用者的感受，而非产品本身。比如，针对不同用户及爱好者的要求，在不同的虚拟环境中，让他们亲自体验修改模型的感受;利用触摸屏来选择产品的造型、色彩、装饰风格等许多可选部件。在渲染和生成十分逼真的三维模型时，充分感受了自己所喜爱的产品在虚拟环境中的“真实”情况。甚至还可根据用户的建议，邀请部分用户直接与设计者一起对模型提出修改意见，观察设计和修改过程，直至大多数人满意为止。

为了适应激烈的市场竞争，设计厂家不能坐等用户找上门订购产品，而应该主动把自己厂家的产品推向市场。利用虚拟现实技术做出虚拟产品的动画广告，再与计算机网络技术结合起来，使用户能够通过网络来游览设计厂家的设计产品，并能直接在虚拟环境中对产品的功能、结构、外形、色彩等方面进行实时交互、了解、观察;同时，还可以通过Email对产品提出意见和建议，让厂家参照各方面的意见修改和完善所设计的产品。这样可提高设计厂家的竞争力，为设计厂家谋得更多的市场份额。

若用户对厂家设计的产品引起购买的欲望，通过网上游览，将信息反馈到各商家，商家则会主动争先与厂家联系，网上定货，使厂家的产品提前占领市场。由于激烈的全球市场竞争，各国都投入了大量的资金对虚拟现实技术及其在工业设计领域中的应用进行深入地研究。将研究的成果及时转化为生产力，这是产品迅速占领市场的关键。

参考文献

1陈军等虚拟现实中虚拟景象产生的技术初探计算机应用研究，1999，6

2熊曼辰等数字化与概念化工业设计ICME2000论文集

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将虚拟现实技术应用于产品的开发设计，称之为虚拟设计。传统的产品设计教学手段没办法达到现实设计的完整程度，虚拟现实技术的应用到产品设计教学中，这样可填补传统教学手段的不足。从其虚拟现实技术本身来说，虚拟设计是将将要设计的产品从设计概念到最终的投入市场使用的全过程在计算机上创造的虚拟环境中假象地实现。主要目标不仅是对未来产品的外在形态和生产程序进行模拟开发和可视化视频，而且对产品的使用、技术、功能和指标以及在产品未来实现的各个阶段中的实施方法进行评价、测量和完善。

1.1虚拟技术的特征符合产品设计教学的教学特点

交互性、沉浸性、构想性是虚拟技术的主要特征。交互性，是虚拟技术的共同特性。利用虚拟现实技术设计的概念产品是一个数字化的虚拟产品，它具有真实产品所具有的特征。通过对产品实时的模仿真是存在的特性，设计师就可以像使用现实产品一样使用虚拟设计的产品，不必受到现实情况和仪器设备的各种束缚，通过虚拟设备设计无拘束的在虚拟空间发展、完成自己的创造性能力和想象性能力。沉浸性，是虚拟现实技术区别于其他应用性技术领域和教育范围的最重要也是最明显的特征之一。应用虚拟现实技术节约了传统产品设计中需要制造的模型产品所需的材料物资，时间也尽可能的缩短。而且在计算机技术软件中对设计的产品修改、分析、测量等过程中比以往教学设计方法中反复修改绘图及重新制造产品的外观模型的方法要快捷省力很多。因此从虚拟现实中学习的的设计知识和实践能力是以往的学习方法所不能比拟的。构想性，是从概念的认知到最终的知识完全掌握的一个循序渐进的过程。虚拟现实技术提供了减小产品设计开发过程，充分利用计算机软件技术功能对产品色彩、造型、材料的完善，并模拟一个假设的使用情景和使用环境，将设计产品放置于其中进行分析、检测、总结、归纳。这种情景式的教学设计方式能够产生高水平的思维能力，使学生在学习时缩短时间，提高学习产品设计的效率。

1.2虚拟技术的特征符合产品设计教学需要

虚拟现实技术在教学上的应用开创了“虚拟教学”模式。虚拟现实技术教学的创造性和实践性为学生提供了一个自主、交互和直观的学习环境,为教学的创新提供了新的平台和可能性,丰富了教学的实践形式和多样性。从而培养了学生的发散思维、形象思维、直觉思维。随着网络技术、多媒体技术的不断发展和完善,虚拟现实技术必将具有更加广阔的应用和发展前景。随着VR、Java3D、3DStudioMAX等计算机设计软件在产品设计开发教育领域的应用,虚拟现实技术作为一个全新的教学手段方式,将会在产品设计教学过程中广泛应用并发挥非常重要的作用。其自身强大的教学优势和潜力必将更好地服务于产品设计教学当中。

1.3虚拟技术的应用促进产品设计教学模式的改变

教学改革的目标是实现教学现代化，提高教学效益和质量，全面提高学生学习能力。在产品设计教学课程中虚拟技术的应用起到了实现教学方式现代化的手段之一。教学内容的现代化、教学手段的现代化、教学观念的现代化、教学组织的现代化是教学现代化核心内容。虚拟现实教学有利于创造性创造这样的环境。虚拟现实技术逼真的虚拟设计环境为学生提供了很好的人机交换的过程，产品设计教学本身就是一个全面、整合、多学科知识交叉的专业课程，虚拟现实技术针对这些问题提供了文本、图像、图形、音频、视频、和动画等多媒体的教学模式，是产品设计教学改革实现的重要手段之一。在这种全新的环境中极大地促进了学生的学习观念和学生的学习主动性，同时也对教师教学方法的多样性提供了帮助。

2虚拟产品设计开发在教学应用中存在的问题

2.1计算机软件对虚拟产品设计技术支持情况

虚拟产品设计教学主要是应用现代计算机技术，通过计算机技术对产品设计教学带来全新的改变，弥补了教学中的不足。这就不得不面临计算机软件本身的技术、研发、应用等问题。图形生成技术是虚拟现实的重要瓶颈。图形生成的速度取决于设计软件的运算能力，除此之外还要求计算机软件设计人员在开发、研发、材料、运算方法等方面都要有较高的水平。等等这些都制约着虚拟技术在产品设计开发教学中的应用。

2.2学生使用计算机软件自控能力和熟练程度

虚拟现实技术本身是一项走在时代科技前列的科学技术，吸收和应用的普及化难度较高，从而影响到虚拟现实技术的应用。同时鉴于教师本身的素质,使用这些教育软件也存在困难。在学生的角度来看，由于自身在这种虚拟环境中的学习,没有了传统的教学方法，他们的学习方式需要改变。现在很多学生自制能力较差、学习依赖性较大，对教学中教师的主导作用依赖比较高，而且每个学习个体对计算机知识的了解情况不同，对软件的操作能力水平也不相同等等，这些都造成了部分学生跟不上教师讲解的问题。

2.3教学过程中不应该完全依赖虚拟技术

产品设计教学过程中虚拟技术的应用本身只是教学手段的一种扩展。产品设计教学方式应采用多种手段的教学方式。虚拟现实技术与传统教学模式在教育观念、教学方式、教师的素质、教学手段等都有着较大的差异。产品设计本身是多学科相互交叉、相互融合的一种设计方法。怎样才能更好的在产品设计教学中应用多种教学方式、教学手段，扩大学生学习的知识点，引用不同的教学技术等，都是我们在教学中应该注意的问题。所以虽然虚拟技术是能够对产品设计教学创新模式提供一定的帮助，但是不能把虚拟现实技术教学手段看成是万能的教学方法。还应该从产品设计教学本身的特点、要求、实现方法等方面，找出可以适合不同教学重点、适合不同学生、适合不同的地域文化、适合不同的教学技术的教学方法。

3如何促进虚拟现实技术为产品设计教学更好的服务

3.1加大虚拟技术的技术更新

现在大多数虚拟现实技术软件普遍存在语言专业性较强、通用性较差、易用性较差等问题。同时，软件的开发费用支出十分巨大，这都是因为硬件设备的局限性，而软件所能实现的效果受到空间和时间的影响较大。很多的设计软件开发不成熟，同时也缺少高性能、高速度、高配置的计算机来处理相关的图像、图片、计算等。这些都制约着虚拟技术的在教学中的应用水平和教学效果。所以加大虚拟技术的技术更新换代，提高计算机运算能力，开发适合在产品设计教学中应用的软件是非常重要的。

3.2加强对虚拟技术教学教师的培训

虚拟现实技术在教学中的应用，是教师有了更多的有效的教学方法。但是教师要想利用好这种新的教学手段，尤其是产品设计开发课程中所涉及到的相关计算机技术、软件多是一些在行业中比较领先的技术，这就对教师提出了挑战。教师要想继续的在教学中发挥主导作用就必须提高自己的综合素质，学习、掌握、应用新的技术知识，要想做到这些就要求教师利用更多的时间去学习新的科学知识、相关技术知识和相应计算机软件，积极地进行教学研究，以适应现代化产品设计课程的教学需要。教育机构在购置或者开发应用虚拟现实技术教育软件后，还应该加大对使用者的技术能力培训，这样他们能正确、独立、完整地操作这些设计软件，并且要向开发者寻求帮助，得以对软件使用过程中出现的新的需求和问题得到有效的解决。对设计软件在使用时产生的效果还应建立长期有效的评价机制。现代我国的工业设计专业教师在教学手段和教学能力上还有待遇提高。由于虚拟技术本身产生的时间较短，在有些关键技术又是以信息技术为技术创新，对于有些教师来说掌握和学习起来比较吃力。如何使这些老师能更好、更快的适应新的教学技术、教学手段，这就需要社会和学校应该加大这方面的教育投入。从而使虚拟产品设计在产品教学中的应用更广泛、更适合、更灵活的应用到教学中来。

3.3完善虚拟技术相关产业

虚拟现实技术是一项投资大、见效慢、高难度的科学领域。和一些发达国家相比，我国的虚拟技术研究起步较晚，技术上有一定的差距。但是这些引起了我国政府相关部门的高度重视，根据我国国情及时的制定出了开展虚拟技术的研究计划。于我国的上世纪90年代在国家“九五”规划、“十五”规划、863计划、国家自然科学基金会、国防科工委等部门的重视下，把虚拟现实技术列入了重点资助范围。这些都对我国的虚拟现实技术未来发展起到关键作用。在国内其他民营企业及组织对虚拟现实技术的研究中，产生了一大批的技术网站，为国内众多的虚拟现实爱好者创建了良好的学习环境。同时也提供有益的虚拟现实引导，他们在积极推动虚拟现实技术本土化、大众化、普遍化的同时，也在建筑仿真、房地产交互、教育虚拟技术教学的应用系统开发方面取得了良好的效果。使虚拟现实在商业应用、教学应用、科学应用、工业应用等方面得到了广泛的应用。这些技术不断的成熟，同时也为虚拟技术在教学中的应用带来发展的空间。所以说虚拟现实技术产业的提升对教学使用虚拟技术的成果起到至关重要的作用。

4结语

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【关键词】虚拟现实技术 沉浸感 沉浸美感

计算机图形艺术设计和以虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）为代表的多媒体技术的联姻，为人类实现真正具有身临其境感的艺术形式提供了可能，虚拟现实艺术由此应运而生。虚拟现实艺术的诞生使艺术和欣赏者能够身临其境于艺术作品所营造的虚拟空间，并能以一种简洁、自然的方式与设计对象进行互动。①由此，决定了虚拟现实技术的目标，是通过一切方法增强用户与设计作品之间的联系，增强用户在作品中的沉浸感，使得用户能在更近的距离欣赏作品，得到更多、更细致的信息，获得更强的感官感受。

沉浸是指精神的全神贯注，是从一种精神状态到另一种精神状态的发展、变化和过渡的过程，其特点是减少与被展示物体的展示距离，从而增加对当前事件的情感投入。②距离与沉浸二者之间并不是简单的“非此即彼”的关系，而是多方面的、紧密联系的、辩证的、部分矛盾的。在虚拟现实技术的研究中，用到“沉浸”一词的有两个术语，一为“沉浸式”，一为“沉浸感”。两术语中的“沉浸”含义并不相同，“沉浸式”中“沉浸”指生理上的沉浸，而“沉浸感”中的“沉浸”指心理上的沉浸。

生理沉浸的“沉浸”，在学术界研究虚拟现实技术时经常被提到，其含义描述为“让用户感觉到好像置身于屏幕所显示的情节中”，“用户觉得自己是虚拟环境中的一个部分，而不是旁观者。他感到被虚拟景物所包围，可以在这一环境中左顾右盼、自由走动，与客体相互作用，如同在已有经验的现实世界中一样”。③在当前的研究领域，生理沉浸多指通过虚拟现实技术为用户提供视觉、听觉、触觉等多种感知觉，以使用户感到存在于该虚拟现实技术所构建的世界之中，是一种“存在感”。

心理沉浸的“沉浸”，主要指的是使用者在互动过程中的心理满足感，即“具有适当的挑战性而能让一个人深深沉浸于其中，以至忘记了时间的流逝、意识不到自己存在的体验”，④至此，沉浸理论的发展步入了相对完善的阶段。笔者以为，心理沉浸亦可表述为因为专注于某项活动而忽略掉不相关知觉，达到一种忘我的心理状态，即“沉浸感”。由此可以看出，从生理沉浸到心理沉浸，是一个有序渐进的过程，当生理沉浸达到一定的高度，就会产生相当程度上的心理沉浸。当然，心理沉浸同时也取决于展示的内容与用户心理认知之间的认同程度。有些在生理沉浸上十分缺乏的交互作品，比如一些桌面游戏，因为其内容上对使用者有很大的吸引力，反而产生了非常强烈的心理沉浸。本文主要研究的是生理沉浸的增强方式，分析如何从技术的角度增强心理沉浸感。

对于虚拟沉浸感如何提高，人们从各个角度进行了研究，并取得了一定的成果，主流的意见大概集中在以下三个方面：

第一，导致“沉浸感”的原因，是用户对计算机环境中的虚拟客体产生了类似于对现实客体的存在意识或幻觉。⑤对于现实客体的存在感，人们获取这个客体真实存在的主要信息来自于几个不同的途径，根据这几个不同途径，我们可以延伸出，想要让用户对计算机环境中的虚拟课题产生类似于真实客体的存在意识，必须具备三种基本的技术要素：

（一）图像。视觉是人们获取信息最主要的途径，科学家研究发现，人们日常生活和工作中获取的信息，80%以上来自于视觉途径。因此，图像的研究是虚拟现实过程中如何产生沉浸感的首要课题。图像媒介可以采用对感知的介入以及通过组织和建构感知、认知的方式来进行描述，所以虚拟沉浸空间应当被列为图像媒体的极端异体。⑥图像的意义主要集中于两点：呈现功能和构造存在。从目前的发展来看，我们不能仅仅要求出现图像，应该对图像有着更高的要求，比如更加真实的细节处理；虚拟客体三维结构的显示包括双目视差、运动视差提供的深度信息；图象显示要有足够大的视场；显示画面要符合观察者当前的视点，能跟随视线变化；客体图像能得到不同层次的细节审视等。⑦

（二）交互。交互存在于人们生活的各个方面，交互的易用性、引导性、实用性很大程度决定了主体使用过程中的心理感受，而这种感受将直接影响沉浸感的产生。只有当交互的行为能够让用户在交互当中有主体感，觉得自己是在虚拟环境中参与对客体的控制时，用户才能在使用虚拟环境中得到与在实际环境中类似的心理体验，为进一步提升心理沉浸感做好准备。

（三）行为。这里的行为，并不是指主体或者用户的行为，而是指虚拟环境中的客体，在用户发出指令或者做出交互行为之后，一定要有动态的表现，这样才能让用户在使用过程中注意力得到一定的转移和集中，而不会从虚拟环境中跳脱出来。这种心理状态，我们很容易在日常生活中得到类似的体验。比如，人们正在看一部非常吸引人的电影，突然图像暂停了，这个时候，观看者（对应虚拟环境中的用户）会马上从电影塑造的那个环境（更多的是一种心理环境）中脱离出来。因此，在虚拟设计的环境里，虚拟客体在活动时，其动态都要有一定的表现，这些表现或者服从于自然规律，或者遵循设计者想象的规律。虚拟客体对用户作用的不平凡反应往往能令人增加信服感，减少观看的距离。

第二，在虚拟现实作品中可以实现一种“沉浸美感”，来弥补“沉浸感”的缺失。这种虚拟现实中的“沉浸美”不是感知的生理沉浸，而是一种发生在审美活动过程中、具有引导作用的“心理沉浸”。⑧用通俗的语言来描述，就是给用户的信息是他想要得到的信息或者他喜欢收到的信息。从审美对象的审美属性要求，虚拟现实的审美特征以及虚拟现实的审美障碍，及对“沉浸美”效果的需要应从四方面出发：

（一）能够典型反映现实世界的特征。虚拟现实这个词，完美地揭示了虚拟技术的最终目的，就是要现实。因此，沉浸美感的最基本要求就是写实，甚至是比现实生活中要有更多细节展示的写实。当人们在虚拟环境中看到的世界跟现实生活没有区别，甚至比现实生活的细节更加丰富的时候，他们会更容易进入心理沉浸的阶段。

（二）符合虚拟现实的审美特征。这一点也是很多虚拟现实作品忽视的问题，我们塑造的这个虚拟环境，是一个人造的环境，是一件设计作品，必须主动迎合人们的基本审美。用户的审美情趣决定了虚拟现实的审美特征，一切从用户的心理需求出发，细化用户的审美要求，就是虚拟现实的审美特征。

（三）符合视觉心理中的刺激物信息。在整个虚拟环境塑造时，必须有一个符合用户心理需求的刺激物，并以刺激物信息为中心搭建视觉信息平台，在用户使用、与环境交互的过程中吸引用户注意力，并将创作者的思想和信息通过这个刺激物引起的视觉交流传达给用户。

（四）增加其他感受的传播信息比重和传播方法。人的信息接受主要途径是视觉，但是听觉和触觉的重要性在近些年的研发中也慢慢处于越来越重要的地位。研究者发现，与视觉信息配套的听觉或者触觉感受，会让用户的沉浸感，尤其是心理沉浸感大大加强。如Rain Room，就是一个非常好的利用听觉来增强虚拟现实感的例子。

第三，沉浸感是虚拟系统的一个重要的性能尺度，它需要几个主要条件来实现，即感知性（Multi-sensory），指除了视觉感觉外，还有听觉感知、力觉等；自主性（Autonomy），指虚拟环境中的物体依据物理定律动作的程度；画面的视野（是否足够大）；实现跟踪的时间或空间响应是否实时（即是否滞后或不准确）；交互的约束程度（能否为用户所适应）等。

通过对以上三种主流的增强沉浸感的方法的描述，我们可以发现，尽管分析问题的角度和出发点各不相同，最后的解决方法却集中在几个相同的方面，即增强展示物体的显示细节，创造一种视觉真实感；加强展示物体与用户之间的交互性；注重除视觉信息传播以外的其他各种信息传播渠道。

（注：本文为武汉工程大学青年基金项目，项目编号：20123056）

注释：

①曹戍.论身临其境的艺术设计――虚拟现实艺术设计研究[D].清华大学，2004.

②⑤⑥⑦胡小强.虚拟现实技术 [M].北京：北京邮电大学出版社，2005：34， 36， 41， 45.

③安蕾.虚拟场景技术在模拟机教学中的应用研究[D].电子科技大学，2010：27.

④伯恩德・H・施密特.体验式营销[M].北京：中国三峡出版社，2001：7.

⑧林迅.新媒体艺术[M].上海：上海交通大学出版社，2011：134-136.

参考文献：

[1]陈小清.新媒体艺术的心理体验[M].广州：广东高等教育出版社，2013.

[2]奥利佛・格劳.虚拟艺术[M].陈玲，译.北京：清华大学出版社，2007.

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我国石油行业的发展与现场地质情况等密不可分，充满着危机和挑战。对于员工的能力和安全意识要求很高，传统的进场培训有一定的局限性，例如：职业培训效果是否良好主要依赖于教师的水平，培训过程没有明确统一的评价标准，针对性差，没有可重用性等。可见传统的培训技术不但受时间、空间的限制，而且在人力、资源、经费、组织实施等方面都存在很大问题。尤其对于危险作业或不具备实验条件的高级培训，传统的培训方式更是难以实现。传统培训模式的局限性制约了人们所期望的培训质量和培训效率，满足不了现代社会的需求。

钻井模拟器采用虚拟制造技术的概念，开发过程基于现代计算机控制技术、计算机仿真技术、计算机图形技术、计算机网络技术，并结合了钻井工程的实际工艺，改变了原有的钻井培训方法。它为用户提供了起下钻、钻进、井控和钻井事故及复杂情况处理等作业的操作过程模拟，主要用于钻井司钻、钻井技术人员的操作培训和安全培训，并为学员培训考核提供了教师评分系统，解决了传统培训过程中客观上无法解决的技术难题。作为新型的针对油田具体情况开发的培训系统，钻井模拟器有着积极的意义。

2．基于虚拟现实技术的虚拟培训

该设备是以控制为中心的VM设备，主要用于钻井人才的培训。这套虚拟培训设备运用虚拟现实技术，真实生动的模拟了钻井工艺流程的细节。学员能够通过对仿真钻机设备的操作，直接观察到钻井平台上的活动以及操作结果，最终达到让培训人员掌握正确操作过程的效果。虚拟培训有以下特征：

2．1仿真性

在虚拟现实技术支持下，虚拟培训设施与真正的培训设施功能相同，操作方法也一样，学员通过虚拟培训设施训练技能与现实培训基地里同样方便。这是因为虚拟培训环境无论是现实的环境还是构想的环境，都是虚拟的但又是逼真的。理想的虚拟环境应该达到使受训者难以分辨真假的程度。

2．2开放性

虚拟培训环境可以为所有受训者在任何时间、地点提供各种培训的场所。实际上，虚拟培训环境的内涵是广泛的，它不同于传统的培训基地概念，它具备可以进行类似于传统培训项目的环境，但更擅长的是使学员置身于培训项目对象中的逼真环境。凡是受训者可以通过有关器具操作，来学习或训练某种技能的虚拟环境，并都归之于虚拟培训环境。

2．3超时空性

虚拟培训环境具有超时空的特点，它能够将过去世界、现在世界、未来世界、微观世界、宏观世界、客观世界、主观世界幻想世界等拥有的物体和发生的事件单独呈现或进行有机结合，并可随时随地提供给学员进行培训。

2．4可操作性

受训者可通过使用专门设备，用人类的自然技能实现对虚拟环境的物体进行操作，就像在现实世界中一样。

2．5对应性

学员的培训内容与虚拟环境是密切对应的。例如，学员要学习飞行器驾驶技术，那么虚拟环境就是飞行器飞行的模拟环境。对应性将能为受训者设定各种复杂的情况，以提高受训者的应变能力，从而使得他们在实际环境下能得心应手的处理各种情况。另外，虚拟现实技术能按每个学员的基础和能力，对应性的开展个性化的教育培训。3．钻井模拟器视景仿真系统的分析与设计

计算机图形学是研究现实场景计算机显示的科学，也是利用计算机处理人类所能看见的图景的手段和方法。视景仿真技术是以计算机图形学为理论基础的三维模型动态显示技术，基本原理是：根据观察点及观察方向对场景进行实时计算和实现，并做到对三维复杂环境中物体运动的实时交互控制，产生良好的动画效果。实现三维模型视景的实时动态显示，一方面要求计算机硬件有高速运算能力和很强的三维图形处理功能；另一方面还要求在算法和软件上有所发展，以便在硬件平台上取得更好的实时动态显示效果。视景仿真系统是钻井模拟器的重要组成部分，它提供给用户一个三维的真实感视觉环境。

3．1钻井模拟器视景仿真系统分析

钻井模拟器在虚拟培训过程中需要模拟井场环境和操作结果，这就需要视景仿真系统根据钻井模拟器司钻控制台的操作过程，实时模拟出井场环境的变化和司钻、井控操作对钻井过程的影响。在现实的司钻和井控过程中，操作错误和地质环境变化都是事故的诱因，在钻井模拟器视景仿真系统中也模拟了事故发生过程和事故排除的情况。实时地显示钻井过程中的数据，计算参数。根据司钻台操作的具体行为，依照物理模型和数学模型来模拟设备运动的过程，使得钻井模拟器视景仿真系统的三维动画过程更贴近现实。

钻井模拟器视景仿真系统需要对井场设备、自然环境、井下情况进行实时的动态模拟，使培训者在培训过程中除了学习操作知识，还能更有效、直观的学习到理论知识。硬件设施和三维图形软件的结合实现了虚拟模拟系统，培训人员能够通过这套虚拟培训设备完成所有钻井工作人员所需要的专业知识和实际操作技术。

3．2实时场景系统组成

根据钻井模拟器视景仿真系统的需要，开发过程在WindowsxP平台上，建模部分使用3DMAX完成机械部件的模拟，模型的管理由3DExplorer~成，并实现模型数据文件的转换导出。程序对模型的控制由C++Builder6．0实现，整个开发过程基于OpenGL2．0。

钻井模拟器视景仿真系统的实时场景组成包括以下几个部分：三维图形实体模型、钻井模拟器视景仿真系统控制程序、GLSL编写的渲染效果。

在整个组成部分中，最重要的是钻井模拟器视景仿真系统控制程序，在程序中完成了以下工作：场景初始化、工艺动画控制、与主控机通信、参数显示、碰撞处理以及特效渲染。

场景初始化：由于钻井工艺的复杂性和虚拟培训的操作性，每个作业当前场景都有所不同。在一个新的作业开始前，图形程序在接收到控制机发出的作业指令后初始化当前场景，例如：钻井平台上各操作部件当前的数量、状态以及位置。

工艺动画控制：在完成规定工艺作业的过程中，司钻控制台做出的每一个动作都将转换成数字信号传递给主控机，再由主控机发送协议数据给图形程序，图形程序得到参数后，做出具体反映。在图形机上体现出钻台上各种控制系统的运动参数、具体动作、视图选择(包括上视角、井下视角、防喷器视角、多视图显示等)等。

与主控机通信及参数显示：主控机的设计主要由钻井模拟器设计的需求决定，由于这套仪器主要用于虚拟培训，教师和学生之间有教与学的关系，主控机能够提供给教师一个教育平台，提供作业调度、控制、评分等功能，与此同时，传递司钻控制台上发来的各项数据，并把与操作有关的数据发给图形机，即钻井模拟器视景仿真系统，两方通信，传递参数并进行数据处理，在屏幕上显示操作过程中需要操作者了解的参数值。

碰撞处理：在三维图形的运动仿真过程中是不允许有“穿墙而过”的状况发生的，因此要对运动物体作碰撞检测的处理。为了遵循模型运动的真实感，钻井模拟器视景仿真系统当然也包括碰撞的检测与处理部分。

渲染特效：实现对火焰、气泡、液体喷涌效果的模拟，使用GLSL实现电影级的光照效果，可以分别模拟白天，夜晚，探照灯等光照模式，大大地提高了图形效果和真实感。

3．3钻井模拟器视景仿真系统设计

一个性能优越、功能完备的系统需要在设计阶段就进行详细的设计规划。这样，在后期的开发过程中才能完成高质量的软件项目。钻井模拟器视景仿真系统的设计遵循面向对象的原则，在系统的稳定性、可扩展性和兼容性等方面都有突出的表现。

3．4系统特点及设计目标

钻井模拟器视景仿真系统要求有以下特点：

1)可以生成高质量的图形，实现实时的可控动画。

2)图形的生成快速稳定，对图形硬件要求不高。目前，系统配置为NVIDA6800，NVIDA6系列以上显卡都可以实现高质量的图形动画。

3)提供给用户多角度、多视图的工作窗口，方便用户定位观测，在操作过程中既能观察整个场面，又能集中观察工艺作业下重要部件的工作过程。

4)建立模型细致、真实，宏观模型和微观模型通过软件和程序分别建模，真实感程度高。

经过分析钻井模拟器视景仿真系统的系统特点后，设定该系统要达到以下目标：

可扩展性：对于新模型、新器件、新工艺的增加，方便快捷，可以在短时间内完成对系统的扩展。

兼容性：系统可以用于Windows2000／XP平台，兼容于各种图形加速硬件。

敏捷性：图形生成迅速、稳定，一般的图形加速硬件既可满

足要求；系统应达到反应迅速、操作灵敏的功效。

3．5基于面向对象的系统设计

钻井模拟器图形系统的设计是基于面向对象的，系统规模较大，设计复杂。基于在钻井工艺中涉及到的物体较多，并且各个物体在不同的方面有不同的特性，因此在设计之前，应确定设计类的准则。对本系统而言，这里关心的是用物体如何展现工艺流程，所有类的设计应该围绕物体的动画功能需要来进行。

在钻井各工艺流程中，大钩、钻杆等物体是系统动画的载体，具有物体自身的方法和属性，因此，可以将其封装成类。根据围绕物体的运动功能来设计类的思想，将液压大钳和液压大钳的活塞、吊卡的主体和活页设计成不同的类，这样设计不仅可以使动画更加逼真，还能提高系统灵活性。

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【关键词】虚拟现实技术 舞台技术 虚拟舞台

舞台技术的变迁历史是伴随着演出艺术的变化而发展的。新的技术被引进到剧场以后，方便了舞台技术人员的同时，也为戏剧艺术家的创作带来了新的艺术灵感。在当今科学技术手段日新月异的年代显得尤为明显，伴随着各地方对文化产业的投入不断增加，许多种类的舞台戏剧得到了蓬勃的发展，与此同时，伴随着各地新老剧场的建设与改造，更多新的技术也在不断的引入到剧场中。于是被科技力量所武装的舞台让戏剧在内容、形式上都有了天翻地覆的变化。而伴随着变化而来的也有让人不能忽视的问题。为了实现舞台景物与现实的高度还原，舞美设计师往往将景物设计得非常逼真，于是很多大型景物被搬到舞台当中。虽然满足了视觉上的效果，但是不能否认的安全隐患也会成倍的提高。那么对其安装以及演出时的安全性进行预判也就变得尤为重要了。而现代化虚拟现实技术正好可以满足这个需要，于是舞台系统的设计人员着手将这一功能引进到了舞台操作的系统中。

1 演出所引发的的技术需要

舞台艺术是一门由来已久的表演艺术，其中包含歌剧、戏曲、音乐、舞蹈等多种艺术形式，舞台戏剧不同于电影电视剧等其他艺术表达方式，它更偏向于一次性的艺术表演。随着近些年来舞台戏剧事业的发展状况以及方向来看，很多歌剧为了追求完美再现场景的艺术效果，正在越来越频繁的使用一些大型或超大型的景物。这样一来就需要比较长的时间来进行搭建，不单如此，在技术合成中也经常会出现因设计师考虑不周而出现的景物尺寸不合适等问题。结果就导致了装台时间超过预期安排，产生加班、熬夜等情况。而且会连锁影响到之后的技术合成以及彩排的时间。不单提高了制作成本，也增大舞台技术人员的疲劳度。彩排时间上的压缩会使舞美人员与演员的节奏配合不熟练，休息不足的现场指挥与控制操作人员也会出现失误的可能。而这些都会成为演出中的安全隐患。正因为如此，充足的彩排与技术合成在正式演出之前就显得尤为重要。在初期的装台时间舞台机械往往是以被动配合为主。大部分问题往往不会在这个阶段暴露，只有在技术合成阶段才会体现出来。而此时各方面而来的信息量往往是呈现几何式的增长，让人难以招架。若能够将其中的工作进行有效分散，将一些明显的问题工作提前到项目前期去做，不但可以有效减少返工情况，也会让舞台机械自动化部门在合成彩排和演出中应对得更从容，避免事故的发生。排练过程也会更流畅，达到提高效率，节约成本的目的。

综上所述，我们可以看出，通过三维模拟提前对舞台剧目进行预演设计在整个演出系统中是很有必要的。为此虚拟现实技术被引入到舞台系统中。

2 虚拟现实技术

虚拟现实（Virtual Reality） 也称灵境是近年来出现的高新技术。它是利用电脑模拟产生一个三维的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。现如今随着计算机技术，以及与之相关的网络、可编程处理器的发展，虚拟现实技术已成为各个方面的热点，并且已被广泛应用到医学、军事、工程设计、电子娱乐等社会的各个领域当中。并且已经深入到人们日常生活的方方面面。它的功能就是让用户可以在虚拟的环境下模拟、推演真实场景的变化。而这一功能的特点也恰巧符合之前提到的舞台艺术快速发展的需要。

3 虚拟现实技术可以解决的问题

而现如今，虚拟现实技术渐渐也进入了舞台系统当中，将现代科学技术与传统艺术结合了起来。虚拟现实技术被应用到舞台中，其目的并不仅是将剧院、布景等简单的三维化，而且希望通过2D或3D图纸建模之后使得虚拟工作可以代替现实工作。这样通过科技手段来减轻舞台技术人员的工作量，其目的在于提高工作效率。如今为了最大化收益，各个演出公司都在研究如何将技术合成时间压缩到更短的情况下。剧目的演出规划时间也在缩短，这样一来就更加需要虚拟现实技术在剧院中应用的成熟。在这种需求的推动下虚拟技术在剧院中的功能将会不断完善。也许在不远的将来系统不单可以模拟布景、舞台的迁换运动方式，还可以对景物的材质、吊点的力度进行判断等功能。而这也应该是未来虚拟技术在舞台应用所追求的目标和趋势。我们有理由相信，作为与网络、多媒体并称为21世纪最具前景的三大技术之一的虚拟现实技术，必然会在未来的舞台机械行业中大放异彩。

4 结语

艺术创作的本质在于给观演者带来感动、愉悦、享受，艺术借助科技之力，使得演出绚丽多彩、美轮美奂，更具有视觉冲击。本文所讨论的虚拟功能理念在当今的演艺界中可能还不够成熟。这样的观点也有待于和业内同行们进一步推敲和验证。

参考资料

[1]郭巍.信息与电脑（理论版）[J].中国学术期刊（光盘版）电子杂志社，2010（05）.

[2]钟睿.舞台机械自动化技术与演出艺术创作关系的思考[J].演艺科技，2013（07）.

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关键词：现代教育技术；虚拟现实；教学模式；教育应用

引言

新一轮的信息革命将深刻地改变传统行业，逐渐克服技术难题之后，5G通信技术、人工智能技术、虚拟现实技术都得到了长足的发展，研究者们开始关注虚拟现实技术的应用，它在现代教育领域的运用成了瞩目的焦点。

1现代教育技术的特点和发展趋势

现代教育技术是把现代教育理论应用于教育、教学实践的现代教育手段和方法的体系。它以实现教学过程、教学资源、教学效果、教学效率的最优化为目的[1]。它的现代化体现在教学设计现代化、教学手段现代化、教学媒体现代化。随着现代教育科学和现代信息技术的飞速发展，现代教育技术和教育联系紧密，它增加了信息传递的方式与方法，提升了教学效果与效率。现代教育技术与普通教育技术没有本质区别，突出”现代”一词的目的是要更多地关注现代科学技术的相关问题，吸纳新的科学技术成果和思维方式，凸显教育技术的时代特色。目前，教育技术在教育中的应用可以按照技术特点大致分为以下5类：（1）基于传统媒介（如书本、图片、画册、黑板、模型、实物、小型展览）的常规教学模式；（2）基于视听技术（计算机技术）的多媒体教学模式；（3）基于卫星通信技术的远距离教学模式；（4）基于因特网等网络技术的网络直播教学模式；（5）基于三维仿真技术的“虚拟现实”的教学模式。随着现代信息技术的快速发展，许多新技术被用到教育教学实践中，丰富了现代教育技术的内涵。现代教育技术突破了传统教育方式，正朝着多媒体化、网络化、信息化、教育技术应用模式多样化和远程教育普及化的趋势发展[2]。而“虚拟现实”的教学模式，具有多种教学模式的优势，试想一个场景——分散在世界各地学习者穿戴着虚拟现实设备，汇集到一个共同的虚拟社区，在这里自由交流与学习——这种美好的愿景并不遥远。

2虚拟现实的概念及特征

虚拟现实是一项融合了计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术、心理学及仿真技术等多种科学技术发展起来的计算机综合技术[3]。虚拟现实技术有三大基本特征：沉浸感、交互性和想象力，它强调人在虚拟现实技术中的主导作用[4]。交互性是指用户与虚拟空间中的虚拟物体的互动能力；沉浸性是指用户在计算机生成的虚拟环境中，通过模拟视觉、听觉等感官，给人以真实感觉；想象性是指用户在虚拟环境中，根据环境传递的信息以及自身沉浸在系统的行为，通过自己的逻辑判断、联想等思维过程，想象虚拟现实系统中并未直接呈现的画面和信息。近年来，科技不断发展，信息量呈爆炸式增长，虚拟现实技术能有效地提高信息传播和教学效率。虚拟实现的特性符合现代教育技术对提高教学水平的要求。

3虚拟现实技术在教学中的运用途径

3.1自主学习

虚拟现实提供了一种崭新的交互方式，学生可以通过眼睛、耳朵等多种感觉器官与它进行实时互动。学生凭借自然语言交互，以触觉、视觉、听觉作为媒介，和计算机进行交流沟通。这种崭新的人机交互方式，给与学习者全新的体验：在这个虚构的学习场景中，真实与虚拟模糊了边界，理论知识和实践操作同时进步。虚拟现实模拟的环境大体可以分为三个层次：（1）“显示现实”，还原真实的环境，但是一般人不容易直接接触，如火山口的场景、银河中的场景、危险的化学实验室等；（2）“模拟现实”，模拟现实中不存在的环境、特殊条件下才会产生的事物，如仿真训练、模拟训练等；（3）“创造现实”，突破现实的制约，想象力有多大，创造力就有多大，一切现实法则都可以在虚拟空间中被颠覆，给学生发挥创造力的机会，把好的创想在虚拟空间中尽情展现。

3.2虚拟实验室

虚拟实验室是虚拟现实技术的一大创新，学生可以在其中自由实验，动手操作，观察各种实验反应，摆脱常规实验室的局限。在虚拟物理实验室中，学生可以虚拟出各种物理现象，实验效果直观可见；可以看见现实中看不到的磁场，理解磁场变化的原理；可以感受桥梁大厦的建造与崩塌，分析其中的力学原理。身处虚拟生物实验室内，可以仔细观察人体组织的切片结构，各种骨骼结构也变得清晰透明。在虚拟化学实验室中，学生可以远离现实实验室的各种危险，安全地操作天平、砝码，观察燃烧、爆炸等反应现象；在虚拟地理实验室中，学生可以进行地震和火山爆发等实验，瞬间遨游太空，瞬间又深潜入海底，尽情体验地理科学的魅力。想象力的边界才是虚拟实验室的边界，虚拟实验室将成为学生们最喜爱的场所。

3.3技能训练

虚拟现实沉浸感和互动性的特性，可以使学习者全身心进入学习状态，在安全的虚拟环境中反复练习，不断试错，直到熟练掌握技能。例如，在虚拟射击培养体系中，学生可以重复射击，提高反应能力，学习不同的掩体情况下的射击方法，直到熟练掌握。运用VR技术可以使医务工作者反复操练，保障手术训练的实效。在教学技能训练方面，与传统微格教室相比，在虚拟教室中，师范生可以自由选择面对的学生人数，克服上台教学的畏惧心理。但是值得注意的是，真实的情景也是技能训练不可或缺的内容，需要合理安排虚拟现实学习和真实情景练习，找到它们之间的平衡点，最大化利用虚拟现实技术的优势。

4虚拟现实教育应用的展望

虚拟现实技术正处于高速发展阶段，它会给教育带来巨大的变革，未来的虚拟现实系统能够与通信技术、大数据技术、人工智能技术等前沿科技紧密结合。在虚拟教育社区，每个学习者都有自己唯一的虚拟身份，能够在虚拟的空间中与他人的虚拟角色互动交流，也能与人工智能的虚拟角色交流。人工智能虚拟学伴可以为学习者提供全程的学习规划指导，制定个性化的培养方案；学习者的成长轨迹全程被记录在虚拟世界之中，通过物联网技术制作的可穿戴设备，学习者的身体健康状况也可以被详实记录。数字虚拟世界和真实世界共同培养人才，这正是未来智慧教育的图景

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关键词：机械设计;虚拟现实 技术

前言

伴随着科学技术的不断发展， 人类社会步入了崭新的世纪， 经济的全球化和社会的信息化， 促使市场竞争日益激烈， 制造企业为了在竞争中求得生存和发展， 必须以最快的上市速度， 最好的质量， 最低的成本和最优的服务， 满足不同顾客的需求。这就要求企业生产活动必须具有高度的柔性， 对市场需求的变化做出快速反应， 虚拟现实技术由此产生。

1.虚拟现实的内涵和特点

虚拟现实是实际制造过程在计算机上的本质实现， 即采用计算机仿真与虚拟现实技术， 在计算机上群组协同工作， 实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程， 以增强制造过程各级的决策与控制能力。虚拟现实虽然不是实际的制造， 但却实现实际制造的本质过程， 是一种通过计算机虚拟现实来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题， 提高人们的预测和决策水平， 使得制造技术走出主要依赖于经验的狭小天地， 发展到了全方位预报的新阶段。与实际制造相比较， 虚拟现实的主要特点是：

（1）产品与制造环境是虚拟现实， 在计算机上进行产品设计、制造、测试， 甚至设计人员或用户可“进入”虚拟的制造环境检验其设计、加工、装配和操作， 而不依赖于传统的原型样机的反复修改;还可将已开发的产品（部件）存放在计算机里， 不但大大节省仓储费用， 更能根据用户需求或市场变化快速改变设计， 快速投入批量生产， 从而能大幅度压缩新产品的开发时间， 提高质量、降低成本。

（2）可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同一个产品模型上同时工作、相互交流、信息共享， 减少大量的文档生成及其传递的时间和误差， 从而使产品开发以快捷、优质、低耗响应市场变化。

2.虚拟现实技术在机械设计与制造中应用

（1）虚拟产品概念设计。概念设计（Conceptual Design）是创造性思维的一种体现，概念产品是一种理想化的物质形式。概念设计是指对产品起始的设计构思，目的是为了捕捉产品的基本形态。概念设计是产品设计过程中的重要阶段，因为产品成本的60%～70%是概念设计决定的。虚拟概念设计使用虚拟现实技术，为设计者提供基于语言识别和手势跟踪的输入方式，设计者可随时、方便地在三维虚拟环境中操纵产品及零件并改变或修改产品的各种形态建模，并可以在三维空间中对设计对象进行观察和操作，其目的是获得足够多的有关产品式样和形状的信息，从而达到满意的效果。虚拟现实技术在产品概念设计中的应用，使设计师的设计思路和设计表达更加清晰、形象、逼真，让人更多了一种直观的、亲切的交互的感受。这样的开发设计大大减少了投放市场的风险性，保证产品开发一次性成功。设计时可以针对不同用户及爱好者的需求，在不同的虚拟环境中，让他们亲自体验修改模型的感受，充分感受了自己所喜爱的产品在虚拟环境中的“真实”情况。

（2）虚拟设计。虚拟设计（Virtual Design）就是设计人员设计一个虚拟的产品，来分析、研究、检查所设计的产品是否满足设计要求，有问题及时修改，使产品设计更为完善，或者说虚拟现实技术用于产品的开发设计。虚拟设计涉及到许多的学科和专业技术，属于多学科交互技术，在工程设计上，目前提出两种基于虚拟现实的工程设计方法。一种是利用现有的CAD 系统产生模型，再将其转换成虚拟现实软件支持的格式，然后将模型输入到虚拟现实软件的环境中，完成虚拟产品的设计，用户充分利用各种增强的效果设备，如头盔显示器等产生临境感。另一种是VR-CAD 系统，将虚拟现实技术引入CAD 环境，这种设计环境中的对象不仅具有外形，而且还有重量、材料特性、表面硬度以及一些内在的物理性能、功能作用等信息。对象之间相互作用时能反映出对象内部结构状态等随外部输入的实时改变。设计者直接在虚拟环境中参与设计，采用虚拟设计可以对产品的外形设计、产品的布局设计、产品的运动和动力仿真设计，避免可能出现的干涉和其它不合理问题;同时可以检查运动构件工作时的运动协调关系。

（3）虚拟制造。虚拟制造（Virtual Manufacturing）是实际制造过程在计算机上的映射，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，在计算机上群组协同工作，将与产品制造相关的各种过程与技术集成在三维的、动态的仿真真实过程的实体数字模型之上，实现产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。虚拟制造技术在制造业中得以成功地推广应用，其中在航空航天、汽车等领域中的应用尤为典型。虚拟制造在汽车领域的应用涉及到汽车的整个生命周期，它可以在汽车生产设备、工装和模具，甚至校车的设计之前，很容易地生产系统和工艺过程进行建模、修改、分析及优化。比如，通用电动车部（General Motors ElectroMotive Division，EMD）早在1997 年就利用UG II 软件，建成了第一个完全数字化的机车样机模型，并围绕这个数字模型并行地进行产品设计、分析、制造夹模具工装设计和可维修性设计。此举显著降低了研制费用及生产成本，大大增强了全球竞争能力。由此可见，虚拟制造用虚拟样机代替具体物理模型，对产品的全寿命周期进行展示、分析和测试，对存在问题的地方进行修改，提高产品一次试验成功率，减少设计制造费用，缩短设计开发周期，降低研发成本，提高研发水平，保证产品质量。

4.结束语

现在，虚拟现实技术在工业领域中获得较为成熟的运用，但仍是初级阶段。可以预见得到，虚拟现实技术将逐渐应用到设计制作的各个环节中，为设计制造业的蓬勃发展提供无限动力。

参考文献：

[1]戴晴华，易迪升，田文胜，周小青，喻江波.虚拟制造技术及其在工程机械中的应用[J].中国工程机械学报，2010（02）

[2]刘淑芬，高奇.虚拟制造技术在现代机械工程设计领域中的应用[J].装备制造技术，2009（06）

[3]王利华，包文育，张丹丹，侍红岩，刘丽娜.虚拟现实技术及其在机械设计与制造中的应用[J]. 内蒙古民族大学学报（自然科学版），2007（01）

[4]刘美珍，刘剑雄，刘伟达.虚拟制造技术及其应用综述[J].机电产品开发与创新，2006（01）

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计算机现在是运用的比较普遍的一种表现方式，有三维表现和虚拟动漫的表现形式，而现在我们运用计算机表现的形式是3D多，现在基于人们的文化修养和审美意识提高，在室内设计方面的表现手法选择性越来越多，有时候同样方案和同样的设计，但是表现手法不一样，就会给客户不一样体验和效果。而基于这种计算机和传统手法相结合的虚拟表现手法就有很大的优势，可以更加直观充分的展现给客户看了。

二、虚现实在室内设计的运用和发展目的

室内设计发展至今，已经有多种表现形式了，那么虚拟表现在室内设计中有一下几个功能和目的：

1、充分的帮助设计师讲解设计理念

在室内设计这专业出现之前，室内装修都是以业主根据自己的欣赏水平和想象来施工的，这种方式只能以亲自在现场知道工人去施工，所以也就没有施工图啊，设计方案之说，装修功能也只局限于人类的居住需求。随着社会发展才分工出设计师行业，也就有了方案和平面图包括效果图，伴随着设计师和客户交流也越来越多。但是在交流中客户和设计师都有对方案的理解，那么就能使设计师更好的修改方案，也就能和施工人员对接施工，但是这种施工固然能解决设计问题，也能更好的和施工人员交流，但是还不能满足设计师和客户之间的交流，在这个发展过程中虚拟现实运用很好的弥补了室内设计的不足，能使设计师的方案更直接的和客户交流对接，当然更加丰富了室内设计的表现手法。

2、在室内设计中优势

近年来，虚拟设计在室内设计中作为一个独立体系正在快速的发展，三维立体在虚拟现实中相比于传统手绘中的优势在于实际设计空间的真实尺寸体现。这种设计更加直观的表达出设计师的效果，更加人性化和专业化，在设计过程中更加快捷、直观、逼真。

3、灵感创作的来源

计算机更能反映空间的真实性，虚拟在空间的创作中，能把各种模型组合有利于激发设计师的创作潜能和再创作的灵感。在计算机创造中，各种模型有趣的组合，能使设计师找到源自大自然的设计，一切的设计来自大自然万物，它能使设计师在面对计算机时消除疲劳，避免单调的工作，使设计师有更多的时间来找创作作品的灵感。

4、合理的展示平面布局

计算机处理数据的强大功能，室内设计的数据一般通过计算机数据处理得来的，像室内的平面图的尺寸、标注等都可以用计算机处理得来的。传统方式则需要设计师发费大量的人力物力来计算，而且没有计算机那样精准。现在计算机的处理大大节省了时间和人力成本。

三、虚拟现实技术在运用中的不足

1、时间成本更高

以往通过传统方式手绘来与客户交流，直接可以描绘出客户的想法，而虚拟现实的制作方式则相对来说时间周期更长，也更加不好修改，在表现方式越来越多的情况下，手绘通常时间比较节省，而电脑制作的效果图相对来说也比较短，而使用的虚拟现实技术来表现方案时，通常比较漫长的，而且也不容易修改，因此虚拟技术在现实运用中的时间成本比较高。

2、价格成本偏高

虚拟技术与传统方式相比较的价格偏高由多方面的成本因素的，首先虚拟技术是一门新型的信息技术，是伴随着科技发展的成果，目前掌握这门技术的人员不是很多，这是作为一门技术表现的方式，其次是因为虚拟技术在现实操作中时间成本相对来说比较高，而且对计算机的硬件要求比较高，这也无形中增加了运行成本，因此虚拟现实运用在实际运行中有着多方面的制约因素。

3、技术人才的匮乏

目前我国教育还没有大量培养掌握这门技术的人才，而科技在前进，所以人才的匮乏不足也制约着虚拟现实技术的发展。

四、结束语

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【关键词】虚拟现实，建筑施工，应用

中图分类号：TU7 文献标识码：A 文章编号：

一、前言

随着信息技术变革对现代社会带来了巨大的冲击和影响，针对建筑施工这一领域，如何加快施工生产的信息化是改造和提升传统建筑业、促使施工生产进步与发展的方向。研究和开发土木工程施工技术的数字化和集成化，可促进我国建筑业的发展，改造和提升建筑业的生产水平。特别是虚拟现实所衍生的虚拟建筑技术的诞生，促使建筑业发生着根本性的变革。

二、虚拟现实技术概述

所谓虚拟现实是20世纪90年代以来在美国兴起的一门崭新的综合性信息技术、它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接 口技术、传感器技术、高度并行的实时计算技术及人的行为学研究等多项关键信息技术, 是这些技术高层次的集成和渗透, 并以模拟方式为用户创造了一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图像世界, 给用户以视、听、触、嗅等感知行为的逼真体验, 为人们探索宏观世界和微观世界中由于种种原因而不便直接观察的事物的运动变化规律, 提供了极大的便利。虚拟现实技术具有以下几个明显的特征:动态性、系统性、分布性、交互性、实时性、一致性、可信性、直观性。

三、虚拟现实技术在建筑施工中的应用

1、在培训中的应用

在虚拟环境中对施工人员进行培训,能有效地保证复杂结构施工安全高效.另外,现代新型的结构形式,结构的最终受力状态和结构的施工安装过程有密切关系,建筑结构施工中前往往要对施工方案进行受力状态复核，如在预应力空间结构中,索的张拉次序及张拉力对结构最终成形的受力状态及使用状态都影响巨大,施工阶段的内力复核非常必要，基于计算机仿真技术的虚拟现实技术可以很好的解决这个问题,在施工过程计算中,可以针对不同的施工阶段,不同的边界条件,适时的修改结构的内力计算条件,动态的跟踪观察复杂结构在施工阶段的内力及变形状态,为结构的成形安装和最终使用状态下结构的受力安全提供保障，上海海湾国家森林公园内茶长厅钢结构设计及钢构件的安装均是钢结构施工中在虚拟施工上的一个成功尝试,另外园中超过24米跨度的2摊拱桥施工,更是验证了虚拟现实技术在工程实践中的运用.在工程施工中其工作主要包括三部分:

首先，钢结构施工方案及其优化。

其次，桅杆起重机和钢构件内力及焊接变形分析。

最后，建筑外观与公园景观的虚拟漫游。即在建筑物建成之前,虚拟显现建筑物建成后周围的环境,获得直观的视觉效果.该项目的开发研究为虚拟施工的应用提供了重要经验，在大跨度结构施工中,由虚拟现实技术构造的虚拟施工环境,可以虚拟大跨度钢结构工程施工的全过程,技术人员可以通过该虚拟施工环境对施工方案进行验证，在茶餐厅钢构架的建设中,通过虚拟现实技术真实地反映了这座六边形,室内空间超过30米的宝塔形钢结构在各施工阶段中各结构节点的内力情况,对工程建设的施工方案，施工流程起到指导性的作用。

综上所述,虚拟现实技术己基本应用到建筑产业链的全过程,从规划构思、方案可行性研究、建筑设计、结构设计、施工管理和施工方案制定等全过程,虚拟现实技术都发挥了巨大的作用,并取得了一些成就,虚拟现实技术是一项高尖端技术,它还有很多不完善的地方，但是虚拟现实技术在建筑业中有着广阔的应用前景,它将改变人们的传统理念,带给工程界一个崭新的天地。

2、在设计中的应用

虚拟现实施工方案设计是利用虚拟现实技术构造一个虚拟施工环境, 在此虚拟环境中 , 建立围场景、结构构件及机械设备等的三维CAD 模型和有限元模型, 形成基于计算机的具有一定功能的仿真系统, 让系统中的模型具有动态性能, 并对系统中的模型进行虚拟装配, 根据虚拟装配的结果, 在人机交互的可视化环境中对施工方案进行修改。沉浸性和交互性是虚拟现实系统关键的两个特性, 这两个特性充分反映了建筑施工方案设计在人机关系上的基本特征, 它们充分反映了设计者的主导作用: 从过去只能在计算结束后查看计算结果, 到能沉浸到虚拟现实的环境中参与整个计算过程; 由过去的经验、静态和类比设计转向动态优化设计。在虚拟现实的环境中进行建筑施工方案的分析和设计时,设计人员能对可视化的虚拟模型进行适时修改, 从而优化施工方案。

（一）搭建用户与设计者的交流平台

当设计者根据用户最初提供的需求确定设计方案时，设计者往往确定一个方案与用户进行交流、确认。通过传统的介绍虽然也能使用户了解到，但由于设计者的表达能力和客户最专业知识的认知程度不同，交流的过程可能会出现很多问题。然而设计者可以通过虚拟现实技术，展示给用户一个虚拟的施工方案进行过程，以及施工过程中出现的问题都将呈现给用户。用户可以根据现象来告诉给设计者方案与自己的需求之间是否吻合，哪里需要改进。这样，通过虚拟建造技术给用户和设计者搭建了一个非常直观的交流，省去了其中很多不必要的中间环节，使得用户能更好的提出设计需求，设计者能够更加明确用户需求而建立其需要的设计方案。

（二）设计者的方案的自我修正

在实际的方案制定的过程中，设计者往往根据自己的经验来确定施工方案，然而，对于一些高难度的或者从未涉及的领域来说，经验往往会付出很高的代价。有些设计者根据自身自己能够估计到的问题进行考虑，然而往往现实总是与设计者所估计的有偏差，而这其中的偏差大小取决于设计者的水平。为此，设计者往往考虑到所有可能的问题，根据经验和运算来使自己的设计能够和实际更加接近。但是，正是由于建筑施工中使用传统的方式进行设计，使得很多方案在实际的操作过程中遇到问题，施工人员将问题反馈给设计者，设计者此时根据施工的现状对方案进行调整。虽然大多都能完成施工任务，但在此过程中所浪费的人力、物力、时间等问题确是十分巨大的。因此，通过虚拟建造技术，设计者可以在计算机上模拟出施工中可能出现的问题，进而对施工方案进行考察，从而使得设计者对自己的设计方案进行自我修正，达到设计者能够更好的确定施工方案的目的。

3、虚拟现实在建筑施工安全工程中的应用

（1）首先可以用在评价施工安全价值工程中。在施工过程中出现危险事故的原因主要有人的不安全行为、物的不安全状态、环境隐患和组织管理不力等。可以根据这四个因素的重要程度进行各个方面的安全价值分析，指定不同的安全方案。可以达到资金与安全程度的最大优化。

（2）各种施工设备的操作训练。尤其是某些重要工程中要采用先进的特种设备，而这些设备是不允许出现失误且需要不断反复的操作训练。即使一般的起重机、挖掘机、塔吊也需要熟练的操作，还有混凝土搅拌站等等。采用虚拟现实技术开发相应的设备模型用户通过各种传感及输入装置与虚拟场景的交互，使之通过虚拟的设备得到“真实”地训练。还可以观察操作过程中存在那些不规范的操作，可以提前改正，还可以观察～些设备的操作隐患。以此好采取相应的措施预防和加强。

(3）可以进行按事故过程模拟。有经验的工程师了解工程当中那些部位容易出现隐患，那些部位容易发生事故。比如爆炸、坍塌、坠落、交通事故等。利用虚拟现实技术可协助建立安全事故发生过程三维动态仿真模型，为以后类似的事故的分析、职工安全教育停工有力的工具支撑。

四、结束语

以上就是本人结合多年的实践经验和理论知识，对建筑施工过程中，虚拟现实技术的应用及作用做的浅要分析，希望可以为广大施工技术人员提供一些建议，从而促进我国建筑虚拟现实技术的飞跃发展。

参考文献

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[2]张茂军.虚拟现实系统[M].北京: 科学出版社, 2001.

[3]张利,张希黔,陶全军等.虚拟建造技术及其应用展望[J].建筑技术,2003,5: 334- 337.