基于虚拟现实技术的交互式教学模式

第一篇：基于虚拟现实技术的交互式教学模式

基于虚拟现实技术的交互式教学模式

（武警石家庄士官学校 河北 石家庄 050061）

【摘 要】虚拟现实技术可以广泛应用在教学活动中，并且可以带来切实可观的效果。以虚拟现实技术为发展趋势的信息技术日新月异，当它被应用到教育领域时，能够提供逼真的实验环境和事件场景，内容组织安排特别强调学生主动参与来构建知识结构，使学生由“被动听讲”转变为“主动学习”。文章旨在分析探索以虚拟现实技术为基础、以交互式为导向的数字教学模式。

【关键词】数字教学；虚拟现实技术；交互式；教学模式

虚拟现实技术具有超越现实的虚拟性。它是伴随多媒体技术发展起来的计算机新技术，虚拟现实技术的发展和应用，使人机交互更好地与日常生活经验相契合，为交互式的教学方法提供了技术支持。通过研究人的行为，运用交互式的教学方法，探究以虚拟现实技术为代表的先进技术在未来数字教学模式中的应用。

1.虚拟现实系统的构成 虚拟环境 它由虚拟环境发生器所产生，且可让使用者通过传感器件和作用器件与之交互，这种交互的结果是使用者有全身心进入这一环境的感觉。

传感器件 它将虚拟环境中的物体的形、动作、声音等进行转换，使人能获得视觉、听觉、触觉等多方面的感觉。这些感觉与他以往在实际环境中的感觉一致。

人 虚拟现实实质上是一内含反馈的闭环系统，只有人的存在才能使这一反馈环路有效成立。所以人是VR系统中不可缺少的成分。人通过传感器件感受虚拟环境的存在.又通过作用器件去影响虚拟环境，使其作出相应的变化。

虚拟环境发生器 它能产生使用者所需要的虚拟环境，且能通过作用器件传来的作用信息。了解使用者的位置和动作。并对已产生的虚拟环境作出相应的修改。

虚拟现实所建立的虚拟环境是基于真实数据数学模型组合而成的，技术标准严格遵循项目设备的标准和要求，建立一个逼真的三维场景，对设施进行真实的“再现”，可以使学员在虚拟场景中人机交互，同时可以减少理论或实践知识掌握不周全造成的设备损坏和安全事故，提高了项目任务的学习质量。

2.虚拟现实技术与交互式教学分析（1）人机交互。人机交互的方式可以分为数据交互、图像交互、语音交互和行为交互四类，其中行为交互是当今社会研究的重点，它是指通过身体的姿态和动作来表达意思。计算机通过用户行为能够预测用户想要做什么，并以此来满足用户的需求。现代教学，教的内容趋于多样化，学生的需求也趋于多样化、多层次，每个学生的个体差异也更为突出，怎么针对这些新的特征，利用更好的交互技术，使教与学的内容在数字化的平台上，更好地照顾学生的个性化特征和需要，更好地实现教师个体与学生个体之间以及学生群体之间的相互交流、互动学习就变得尤为重要。

（2）现代教育与数字教学。数字教学是指教师和学习者在数字化的教学环境中，遵循现代教育理论和规律，运用数字化的教学资源，以数字教学模式培养适应新世纪需要的具有创新意识和创新能力的复合型人才的教学活动。随着计算机和互联网技术的日益发展及应用，数字教学模式主要应用于多媒体教学和网络教学领域，并逐渐深入到学习的方方面面。

3.交互式数字教学模式构建 基于虚拟现实技术的交互式数字教学模式，能够通过虚拟现实技术，以文本、图片、影像、声音、数据采集及感应技术、影像及数字感知内容为主要交互媒体，以自然式的交互方式，配合可互动操作的动态信息、仿真模拟、各种感觉与知觉的数字反馈技术，多维度、多媒体、多人互动式地展示IM及时通讯、留言板等多种形式的数字内容，以教学的核心内容为课程组织的基础，构建适应当下以数字信息为主要教学内容的互动式教学模式。基于虚拟现实技术的交互式教学模式的构建主要从以下几个方面入手：

（1）提供多维度的丰富教学资源。有效传播多种媒体的多样化信息，提高学生对于教学内容的注意力。虚拟现实的技术能够为交互式数字教学模式设计立体的教学模式效果，将课堂理论教学、实验室教学、企业基地等实地教学相结合，理论专题研讨、案例教学、技术实践小组协作等多种教学方法交叉，利用虚拟现实技术呈现理论公式。实现教学的开放性、时效性、针对性和实战性，提供多维度的丰富的教学资源。

（2）实现交互式因材施教的个性化教学。参与式教学的交互教学模式能够充分调动学生的积极性，构建虚拟现实的实验学习环境，根据每个学生的个性特点及专长，搭建适合学生的个性化教学实验环节，模拟搭建实验环境，让学生充分展开想象，模拟仿真其实验效果，预演实验结果，有助于提高学生对于课程内容的参与度和认知程度。另外，学生还可根据自身的兴趣点，专项选择适合自己发展特点的学习内容，个性化地定制学习内容。教师可根据每个学生的学习情况，跟踪分析其学习结果，对症安排辅导及进一步深入学习的内容，提高学习效率，增强交互式学习的效力。

（3）建设富有特色的网络教学平台，提供丰富多彩的专题知识和扩展的学习资源。由于当前各学科发展变化都比较大，各学科间相互交叉，学生的知识涉及面也越来越广泛，综合性强，新兴交叉学科与原有学科之间的传承变化都面临着很大的挑战。由于教学的具体内容和对象变化非常迅速，很多问题在课堂上只能点到为止。因此，充分利用虚拟现实的技术，搭建交互式的数字教学平台，可以有效管理丰富多样与不断发展变化的教学资源，为学生提供进一步了解相关知识的课余辅导材料，有效整合、分享国内外各名校的免费教学资源，提供学校各学科教师间、各届学生间以及校企之间的有效沟通平台，形成分享式与定制式结合的学习资源库。

4.总结 随着三网合一以及云计算等信息技术的发展成熟，基于虚拟现实的网络学习资源库也变得更为可行。专题知识由各教师提供最新的相关领域的理论、实践方法等内容，并要随时更新。这些资源库能够有效地传承文化，整合教学资源，为师生及校企、社会提供帮助。总之，基于虚拟现实技术的交互式数字教学模式，必将全面推动教学质量的提升。

参考文献

[1] 《通用分布式虚拟现实软件开发平台的研究》邓志东，于世良。系统仿真学报，2008，20（12）

[2] 《虚拟现实技术的最新发展与展望》司光亚、李志强。计算机学报，2007-07-09

第二篇：关于交互式教学模式

关于交互式教学模式讲座

一、优化教学环节，课题研的层次.1、教学的参与，师生的参与，正向的参与积极的参与，是能够具体实现的。

参与的重要特点：注意力。

（1）参与的方法和途径

（2）参与的时空（思考的时间）

关于空间学生应有活动，不是静坐。

（3）参与效果，即有效性。

（4）参与的主动性：

抽学生回答问题（被动）学生举手回答问题是主动性。被子动转化为主动。

注意：无效参与的形式。

（5）注意参与的层次。

A 分层教学。B合作教学，合作学习。C教学交往：形式、方法、途径、原则。D实际教学互动。

相互启发、相互制约，角色的转化。

相互反馈。相互评价，角色互补，相互补充、相互思考。

二、课堂教学交互的共同原则。

1、主体性原则。

学生参与的主体，互动主体，学习的主体，合作的主体，交流的主体。

2、有效性原则

１

交互、原动是否有效。

3、平等自主原则。

学生这个原则，就可以可能交互互动，是合作性的互动。

4、多向性原则。

交往互动的多向性，多个主体之间互动。

5、适度调整的原则。

三、交互的特征。课堂的外在交互表现。

1、良好的教学范围。

2、良好的教学情景氛围。

3、师生积极有效的参与。

4、师生间多向交往。

5、师生多纬度多层面的互动。

6、有效的反馈一调整。

这是总课题组的总结的理性框架。

第二、优化教学过程，实施教学的交互。

1、尊重学生的个性，创设平等的氛围，学生的不安全感，压抑了学生学习的主动性，不能忽视学生的存在，剥夺了学生参与的机遇。过分强调学习纪律、整齐划一，不能把学生当士兵。

2、要充分分解学生学习的起点与需求。

制定教学的起点的任务。

同教学的起点目标任务，仍然是教材，由教师制定的，而不是根据学生的起点和需求而制定的。

学生的需要产生动机，有动机才有行动。有行动才会自我实现。

２

教学课堂安排要结合学生的需求。需要了解什么，根据这样的引导行动达到学习的自我实现。

改变教师教什么，学生学什么的模式。

3、创设良好的学习情景，满足学习学习的主动性，景是物化的客观存在的不带色彩的。

教学是体现情感要素的活动。即教学情景。

叙述问题情景（体现悬念），一般性问题，特征

行动情景，演讲情景，演示情景。

特别：问题情景可以改变人认识的平衡，产生一种心理压力，导致人探索欲望。强化了学生学习的成功的动机。

如：奇怪：什么叫奇怪，情景是奇怪。

所以对问题的设计，应有具体的情景。

设计引入情景。

只有在情景中，学生才会主动地参与学习。

4、强调知识的特征过程，注意学习的研究和探究性。

是思维的形式和发展的过程。

重结论，轻视结论都有一个学生如何获得的过程，比如：函数，直线点0，0，点1，3 为什么取0，0 学生自己获得。

小学生学习圆周率

提高学生找规律。

初中植物（双流棠湖中学），全国一等奖。

它之所以得一等奖就是改变观念。

把验证实验变为探索实验。

３

研究性课堂。

5、提高课堂教学的效益。

（1）问题、提问应有科学性。

（2）提问明确，重点条件明确，时空明确。

（3）问题有严密的层次性。

有简单问题、复杂问题。

A了解性问题（是什么？）B理解性问题（为什么？）

C运用性问题（实际应用）D针对问题，同意计划性。

（4）评价的及时性。

（5）评价的激励性。

（6）面向全体学生提问。

（7）提问经予学生思考讨论的时间。

6、了解学生学习状态，调整教学方法。

通过各种反馈了解状态。

学生面部状态，学生作业状态。

课题研究思路。

1、分学科，案例是基础，以课堂为基础。

2、如何体现课堂教学的交互有哪些？

3、影响课堂教学的交互有哪些？

交互式课题研究原则，外部特征，途径。

交互式课题模式的条件，物件。

４

第三篇：虚拟现实技术及其教学应用

虚拟现实技术及其教学应用

2011-04-07 10:17:55 作者：李志刚 张超

摘 要 本文对虚拟现实技术的定义及特征进行了描述，对虚拟现实技术应用于教学的作用意义进行了分析探讨。

关键词 虚拟现实；教育技术；教学应用

2010年的上海世博会，参观人数超过7200万，创历届世博会参观人数之最，而同时推出的上海世博会的网上展馆，则创出了2.8亿次的点击访问量。网上世博会和电影《阿凡达》让虚拟现实技术展示了巨大的吸引力，正如澳大利亚新南威尔士大学教授罗伯特·路易斯(Robert Louise)所说:“它的作用远不只展示和娱乐”，虚拟现实技术的触角已经渗入到了人类生活的方方面面。

一、虚拟现实技术简述

虚拟现实(VirtualReality，简称VR，又译作灵境、幻真)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。该技术集成了计算机图形(CG)技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。

虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境，它可以是实际上可实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。而“虚拟”是指用计算机生成的意思。因此，虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的，即人是这种环境的主宰。

虚拟现实技术具有多感知性（Multi-Sensory）、交互性（Interactivity）、浸没感（Immersion）和构想性（Imagination）四个重要特征。

所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。

交互性指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。

浸没感又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。构想性强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，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。

如今，虚拟现实技术的应用已大步走进军事航天、工业仿真、游戏动漫、教育培训、城市规划、医疗救治等领域。虚拟现实技术已经和理论分析、科学实验一起，成为人类探索客观世界规律的三大手段。

二、虚拟现实技术的教学应用

在以往的教育中，学习者始终生活在两个世界的时空环境中，一个是经验世界（实践中学习），另一个是语言文字的世界（书本中学习），两者往往相互脱节，即理论脱离实际。而由多媒体与仿真技术相结合产生的虚拟现实技术，创造出了第三个世界-----虚拟现实世界，它将成为沟通前两个世界的重要桥梁。我国学者桑新民教授在探索信息化环境下高校学习新模式的过程中，率先提出：必须把“三个世界”的学习经验综合起来，促成三者的有机结合。指出要充分利用虚拟现实情境之独特优势，去引导和促进学习者在经验世界和语言文字世界中实现学习活动与学习经验的整合，不断激励和提高学习者在“三个世界”中学习的自主性、协作性和创造性。

⒈拓宽视野，激发学习热情

通过虚拟现实技术，一方面可以再现实际生活中无法观察到的自然现象或事物的变化过程，为学习者提供生动、逼真的感性学习材料，使抽象的概念理论直观化、形象化，方便学习者对抽象概念的理解；另一方面虚拟现实技术使学习者能够按自己的需要来进行实时的交互式学习，主动地获取所需要的知识，由被动式的接受转化为主动式的发现。虚拟现实技术还可让学习者学习到和体验到现实生活中具有微观性、瞬变性、危险性、长期性且用别的方法很难观察和验证的各种事物，从而提高这类特殊知识的可接受性。在课堂上，教员可以陪同学习者一起经历虚拟境界，一边观察一边讲解；也可以让学习者自己利用虚拟景物、虚拟环境等进行仔细观察自主学习进而理解有关的概念及知识。通过这种对虚拟景物和虚拟环境的交互式学习，能有效发挥学习者的主观能动性，使学习者真正参与到教学活动中去，成为学习过程中的主体，变被动为主动，并激发出较高的学习热情和空间想象力。

⒉便于探究，培养创新能力

虚拟现实技术允许学习者对模拟的环境可交互、可操纵、可建构，可直观地观察到学习过程中所提出的各种假设所产生的结果或效果，适合开展探究性的学习。例如，有一个名叫“电子工作台”(Electronic Workbench;EWB)的软件系统，允许学习者利用它提供的元件构造各种模拟电路和数字电路，并能动态测试电路的性能；还有一个名叫“交互性物理”(Interactive Physics;IP)的软件系统，允许学习者构造属于经典力学系统的大部分实验；在虚拟的化学系统中，学习者可以按照自己的假设，将不同的分子组合在一起，电脑便虚拟出组合的物质来。利用虚拟现实技术进行探究性学习，更有利于激发学习者的创造性思维，培养学习者的创新能力。⒊突破瓶颈，提高实验效益

利用虚拟现实技术进行虚拟实验教学，可以有效地突破时间、空间、经费和危险性等现实条件的制约，大到宇宙天体，小至原子粒子，学习者都可以进入其内部进行观察。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，可以很快地呈现出来。例如生物中的孟德尔遗传定律，用果蝇做实验往往要几个月的时间，而虚拟现实技术在一堂实验课内就可实现。在虚拟实验室里，学习者通过各种感觉（视觉、听觉、动觉和触觉等）与虚拟的学习情境相互联系并交互作用，进一步加深了对事物现象和规律的认识，有效地促进了学习者在经验世界和语言文字世界中实现学习活动与学习经验的整合，大大提高了学习者的学习兴趣和学习效果。

⒋模拟训练，轻松掌握技能

虚拟现实的沉浸性和交互性，使学习者能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，并全身心地投入到该学习环境中去，这非常有利于学习者达到动作技能类教学目标要求。例如空军某学院研制的Su27驾驶模拟器，采用多通道图形生成技术，建立了大视野视景环境，配合接近实物的驾驶舱，使学习者可以完成基本驾驶技术、编队飞行以及部分空战战术的训练；澳大利亚新南威尔士大学模拟出矿坑内的常见问题，让矿工们针对瓦斯管理、煤层自燃、危险预警、隔离程序、自主逃生等各种环节进行训练等等。在这些既与现实条件相符又无任何危险的虚拟训练系统中，学习者可以不厌其烦地反复练习，直至掌握操作技能为止。⒌携手网络，改革教学结构

随着网络技术和虚拟现实技术的日趋成熟，教学活动不再局限于有形的教室中，而向虚拟课堂、虚拟大学、虚拟学习社区发展，基于网络的虚拟化学习，将会成为未来教育的一种全新的教学方式。虚拟现实技术不仅能向学习者提供一种可在实际生活中找到的情境和经验，还可以再现特定的环境。利用虚拟现实技术与网络结合，可以打破时间和空间的限制，进行交互式的、图文并茂的、智能型的、分布式的教学，并通过网络传输逼真的教学和学习环境，从而使学习方式由传统的“独学”变为“群学”，使学习结构从“封闭”变为“开放”，最终可以使教学从“知识传授”转变为“知识建构”。例如，在基于共享型虚拟现实系统设置的网上协同实验室中，身处不同位置的学习者组成一个个学习小组，所有学习小组构成一个学习型社区。他们一起设计实验，并通过模拟软件观看实验结果，直到认为方案成熟，才转移到真实实验环境中去完成实验。教师在整个实验过程中监控每一个成员的表现并及时进行个别化的辅导。

虚拟现实技术应用于教学的最成功案例，莫过于哈佛大学克里斯·德迪博士率领开展的一项为期十年的基于多用户虚拟环境（Multi—User Virtuai Environment, MUVE）的中学科学教育项目：River City。正如德迪博士在2009年《科学》杂志上对River City总结的那样，与传统教学相比，大部分学生在这种沉浸式的模拟环境中都获得了更多的关于科学探究的知识和技能；学生能够形成一种深度参与，非常有利于发现复杂问题的技能与发展；有利于那些成绩差的学生建立起学业上的自信。River City在北美地区产生了广泛影响，被作为新型数字化学习及评价方式的典型选入美国《2010年教育技术规划》，也受到了具有“数字未来学家”之称的唐·泰普斯科特的推崇。

由于虚拟现实所依托的软硬件技术科技含量和开发费用高、技术复杂、实现难度大等原因，目前在教育领域还只是运用于少数的教学、培训、实验、参观等方面，且尚没有形成完善的运用模式。然而虚拟现实技术作为一种新涌现的教育技术，具有令人鼓舞的美好前景。有远见的教育工作者把虚拟现实看做是基于计算机的教学系统的下一个合乎逻辑的发展步骤。人们必将应用虚拟现实技术来进一步改进学习过程和创造新的学习系统。

参考文献：

[1]南国农,李运林,祝智庭.信息化教育概论[M].北京：高等教育出版社.2004 [2]何克抗,李文光.教育技术学[M].北京师范大学出版社.2009 [3]田 屹,王军武．军事教育技术与教育技术的比较分析及特点研究[C].第一届中国教育技术发展论坛．

[4]曾芬芳.虚拟现实技术[M].上海交通大学出版社.1997 [5]梁林梅,李晓华.让技术为学生提供更强大的参与经验[J].中国电化教育,2010.9 关键词：虚拟现实技术及其

第四篇：虚拟现实技术论文

虚拟现实技术概述总结

一、虚拟现实的概念内涵及应用领域

虚拟现实技术又称“灵境技术”、“虚拟环境”、“赛伯空间”等，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机技术，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，可借助传感头盔、数据手套等专业设备，让用户进入虚拟空间，实时感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而通过视觉、触觉和听觉等获得身临其境的真实感受。虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术和网络技术等多种技术的融合，是一门富有挑战性的交叉技术。

虚拟现实技术正在广泛地应用于军事、建筑、工业仿真、考古、医学、文化教育、农业和计算机技术等方面，改变了传统的人机交换模式。

二、虚拟现实的基本特征

虚拟现实技术的基本特征可以简洁地表征为沉浸性、交互性和构想性。 沉浸性

沉浸性是指用户作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。理想的虚拟环境应该达到使用难以分辨真假的程度例如可视场景应随着视点的变化而变化甚至超越真实如生成比现实更逼真的照明和音响效果等。 交互性

交互性是指用户对虚拟环境内的物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度包括实时性。例如用户可以用手直接取虚拟环境中的物体, 这时手应该有触摸感, 并可以感觉物体的重量, 场景中被取的物体也立刻能够随着手的移动而移动。 构想性

构想是指用户沉浸在多维信息空间中, 依靠自己的感知和认知能力全方位地获取知识, 发挥主观能动性, 寻求解答方式, 形成新的概念。

三、虚拟现实的硬件设备与软件技术

在虚拟现实系统中，硬件设备主要由3个部分组成：输入设备、输出设备、虚拟世界生成设备。此外系统还需要虚拟现实的相关技术。

1、虚拟现实的输入设备

有关虚拟现实系统的输入设备主要分为两大类：一类是基于自然的交互设备，用于对虚拟世界信息的输入；另一类是三维定位跟踪设备，主要用于对输入设备在三维空间中的位置进行判定，并送入虚拟现实系统中。

虚拟世界与人进行自然交互的实现形式很多，有基于语音的、基于手的等多种形式，如数据手套、数据衣、三维控制器、三维扫描仪等。

手是我们与外界进行物理接触及意识表达的最主要媒介，在人机交互设备中也

是如此。基于手的自然交互形式最为常见，相应的数字化设备很多，在这类产品中最为常用的就是数据手套。

数据手套是美国VPL公司在1987年推出的一种传感手套的专有名称。现在，数据手套已成为一种被广泛使用的传感设备。数据手套戴在用户手上，作为一只虚拟的手用于与虚拟现实系统进行交互，可以在虚拟世界中进行物体抓取、移动、装配、操纵、控制等操作，并把手指和手掌伸屈时的各种姿势转换成数字信号传送给计算机，计算机通过应用程序识别出用户的手在虚拟世界中操作时的姿势，执行相应的操作。在实际应用中，数据手套还必须配有空间位置跟踪器，检测手在空间中的实际方位及其运动方向。

2、虚拟现实的输出设备

人置身于虚拟世界中，要体会到沉浸的感觉，必须让虚拟世界能模拟人在现实世界中的多种感受，如视觉、听觉、触觉、力觉、痛感、味觉、嗅觉等。

基于目前的技术水平，成熟和相对成熟的感知信息的产生和检测技术仅有视觉、听觉和触觉（力觉）3种。感知设备的作用是将虚拟世界中各种感知信号转变为人所能接受的多通道刺激信号，现在主要应用的有基于视觉、听觉和力觉感知的设备，基于味觉、嗅觉等的设备有待开发研究。

3、虚拟现实的生成设备

在虚拟现实系统中，计算机是虚拟世界的主要生成设备，所以有人称之为“虚拟现实引擎”，它首先创建出虚拟世界的场景，同时还必须实时响应用户各种方式的输入。

通常虚拟世界生成设备主要分为基于高性能个人计算机、基于高性能图形工作站、高度并行的计算机系统和基于分布式计算机的虚拟现实系统四大类。

① 基于高性能个人计算机虚拟现实系统主要采用普通计算机配置图形加速卡，通常用于桌面式非沉浸型虚拟现实系统；

② 基于高性能图形工作站虚拟现实系统一般配备有SUN或SGI公司可视化工作站；

③ 高度并行的计算机系统采用高性能并行体系；

④ 基于分布式计算机的虚拟现实系统则采用网络连接的分布式结构计算机系统。

4、虚拟现实的相关技术

虚拟现实系统的目标是由计算机生成虚拟世界，用户可以与之进行视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等全方位的交互，并且虚拟现实系统能进行实时响应。

要实现这种目标，除了需要有一些专业的硬件设备外，还必须有较多的相关技术及软件加以保证，特别是在现阶段计算机的运行速度还达不到虚拟现实系统所需要求的情况下，相关技术就显得更加重要。

虚拟现实的相关技术主要有立体视觉显示技术，环境建模技术，真实感实时绘制技术，三维虚拟声音的实现技术，自然交互与传感技术等等。 立体视觉显示技术

人类从客观世界获得的信息的80％以上来自视觉，视觉信息的获取是人类感知外部世界、获取信息的最主要的传感通道，视觉通道成为多感知的虚拟现实系统中最重要的环节。

在视觉显示技术中，实现立体显示技术是较为复杂与关键的，立体视觉显示技术是虚拟现实的重要支撑技术。 环境建模技术

在虚拟现实系统中，营造的虚拟环境是它的核心内容，要建立虚拟环境，首先要建模，然后在其基础上再进行实时绘制、立体显示，形成一个虚拟的世界。

虚拟环境建模的目的在于获取实际三维环境的三维数据，并根据其应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。只有设计出反映研究对象的真实有效的模型，虚拟现实系统才有可信度。

在虚拟现实系统中，环境建模应该包括有基于视觉、听觉、触觉、力觉、味觉等多种感觉通道的建模。

但基于目前的技术水平，常见的是三维视觉建模和三维听觉建模。而在当前应用中，环境建模一般主要是三维视觉建模，这方面的理论也较为成熟。

三维视觉建模又可细分为几何建模、物理建模、行为建模等。

1)几何建模是基于几何信息来描述物体模型的建模方法，它处理物体的几何形状的表示，研究图形数据结构的基本问题； 2)物理建模涉及物体的物理属性；

3)行为建模反映研究对象的物理本质及其内在的工作机理。 真实感实时绘制技术

要实现虚拟现实系统中的虚拟世界，仅有立体显示技术是远远不够的，虚拟现实中还有真实感与实时性的要求，也就是说虚拟世界的产生不仅需要真实的立体感，而且虚拟世界还必须实时生成，这就必须要采用真实感实时绘制技术。

所谓真实感绘制是指在计算机中重现真实世界场景的过程。真实感绘制的主要任务是要模拟真实物体的物理属性，即物体的形状、光学性质、表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置、遮挡关系等等。三维虚拟声音的实现技术

在虚拟现实系统中加入与视觉并行的三维虚拟声音，一方面可以在很大程度上增强用户在虚拟世界中的沉浸感和交互性，另一方面也可以减弱大脑对于视觉的依赖性，降低沉浸感对视觉信息的要求，使用户能从既有视觉感受又有听觉感受的环境中获得更多的信息。

四、虚拟现实技术展望

虚拟现实技术依赖于计算机的高速运算和传输。高速运算和传输能解决虚拟现实环境的复杂逼真的环境构造和海量数据处理的问题，从而解决因计算和传输滞后引起参与者的心理疾病。

虚拟体的基本属性是与几何、物理和生物行为融合的。再好的真实感也离不开虚拟体的仿真行为。虚拟现实技术的真实感主要体现在视觉和听觉上，“多感知交互”正在成为热点。对力反馈系统的进一步研究、嗅觉、味觉和体表感受都是未来虚拟现实的内容。基于互联网的虚拟现实伴随互联网的发展而成为热点。

我国的虚拟软件还处于起步的阶段，希望国内有更多的自主知识产权的开发平台。

广阔的应用领域又向虚拟现实技术提出了新的创意和难题，应进一步推动虚拟现实的发展，目前虚拟现实技术的发展仅限于人们的想象力。

五、论文小结

虚拟现实技术是一个极具潜力的前沿研究方向，是面向21世纪的重要技术之一。

它在理论，软硬件环境的研究方面依赖于多种技术的综合，其中有很多技术有待完善。可以预见，随着技术的发展，虚拟现实技术及其应用会越来越广泛。

本论文概述了虚拟现实的定义、硬件、软件和应用，并对虚拟现实技术和应用的新热点做了展望，最后对学习“虚拟现实技术”这部分知识进行了总结。

任雨佳 1205170202 计本1202班

第五篇：虚拟现实技术论文

云南师范大学旅游与地理科学学院

虚拟现实技术论文（设计）

题目 虚拟现实技术 学院 旅游与地理科学学院 专业 测绘工程

学号 1443206000215 班级 14测绘工程 姓名 黄 兴 旺

《虚拟现实技术》期中论文姓名：黄兴旺学号：1443206000215

2016-2017年第一学期

1.虚拟现实技术的概念与特征 ········································································································ 3

1.1虚拟现实的概念 ················································································································· 3

1.1.1关于Virtual的释义 ································································································· 3 1.1.2关于Reality的释义 ································································································· 3 1.1.3我国对Virtual Reality的翻译 ················································································· 3 1.2虚拟现实技术的定义 ········································································································· 4

1.2.1狭义虚拟现实技术的定义 ······················································································ 4 1.2.2广义虚拟现实技术的定义 ······················································································ 4 1.2.3有关虚拟现实技术的其他定义 ·············································································· 5 1.3虚拟现实的特征和类型 ····································································································· 5

1.3.1虚拟现实技术的特征 ······························································································ 5 1.3.2虚拟现实技术的类型 ······························································································ 5

2.虚拟现实技术涉及的关键技术与问题 ························································································ 6

2.1虚拟现实技术的关键技术 ································································································· 6 2.2虚拟现实技术的几个瓶颈问题 ························································································· 7 3.虚拟现实技术的国内外研究现状 ································································································ 8

3.1国外虚拟现实技术研究现状 ····························································································· 8

3.1.1美国·························································································································· 8 3.1.2欧洲·························································································································· 9 3.1.3亚洲·························································································································· 9 3.2国内虚拟现实技术的研究现状 ······················································································· 10 4.虚拟现实技术的应用 ·················································································································· 12 4.1虚拟现实技术的应用领域 ······························································································· 12 4.1.1军事领域 ················································································································ 12 4.1.2医学························································································································ 13 4.1.3教育························································································································ 14 4.1.4工程领域 ················································································································ 14 4.2虚拟现实技术的应用案例 ······························································································· 15 5.虚拟现实技术的未来展望 ·········································································································· 18 6.总结 ············································································································································· 19

《虚拟现实技术》期中论文姓名：黄兴旺学号：***6-2017年第一学期

虚拟现实技术

摘要虚拟现实(VirtualReality, VR)技术是近年来新兴的借助计算机及最新传感器技术创造的一种崭新的人机交互手段,其核心是建模与仿真。概括介绍了虚拟现实技术的概念、特征及原理,涉及的关键技术,研究状况,应用领域与前景展望.关键字虚拟现实技术,VR,研究现状,相关应用,信息安全

1.虚拟现实技术的概念与特征

1.1虚拟现实的概念

1989年，美国VPA（Virtual Programming Language）公司的创作者之一Lanier首先提出“VirtualReality”这个称谓，引发了科学界对这一术语的关注和研究。

1.1.1关于Virtual的释义

首先从VR这个词上进行分析，VirtualReality（VR）中的Virtual是形容词，Reality是名词，Virtual是修饰Reality的。

虽然不存在，但效果感觉存在；尽管事实并非如此，但就某些效果而言，也可以感觉是这样的。

1.1.2关于Reality的释义

VirtualReality中Reality为名词，Reality它更为复杂。

很多书籍表明，Reality具有实质的状态或者性质，是真实的实际存在着，而不是仅具有表象的事物（或衍生物）。Reality表达的是世界上存在的一切事物。

1.1.3我国对VirtualReality的翻译

我过学者和翻译家对VirtualReality有很多种不同的认识，译名也有多种多样。有翻译为“虚真实”、“临境”、“灵境”、“电象”的，也有译为“虚拟真实”、“虚拟镜像”和“虚拟现实”的。随着对VirtualReality的认识不断加深入，以及VirtualReality研究的拓展和研究事业的转换，国内学者根据自己的理解对VirtualReality给予了不同的理解。《虚拟现实技术》期中论文姓名：黄兴旺学号：***6-2017年第一学期

有人认为世界的现象是现实，但不一定实在。“实在”在不同的条件和场合下将展开不同的现实，大至虚拟世界，虚拟城市，虚拟企业，虚拟图书馆等；小到虚拟分子，虚拟细胞等等。

1.2虚拟现实技术的定义

虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向是仿真技术与计算机图形学人机接口技术多媒体技术传感技术网络技术等多种技术的集合是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。虚拟现实技术(VR)主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知。自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入作出实时响应，并分别反馈到用户的五官。传感设备是指三维交互设备。

1.2.1狭义虚拟现实技术的定义

1990年在美国达拉斯召开的SIGGRAPH国际会议上，明确了VR的上要技术构成，即三维计算机图形生成技术、多功能传感式交互式接口技术及高分辨率的告诉显示技术。VR技术系统主要包括，（1）输入输出设备，如头盔式显示器、立体耳机、头部跟踪系统以及数字手套；（2）虚拟环境及其软件，用以描述具体的虚拟环境等动态特性、结构以及交互式规则；（3）计算机系统以及图形、声音合成设备等外部设备三个主要部分。

1.2.2广义虚拟现实技术的定义

所谓广义VR技术的定义，认为VR技术是对虚拟想象或真实的、多感官的三维虚拟世界模拟。换而言之，是计算机技术所创建的三维环境，这个环境可以是虚拟想象的三维环境（三维可视化的），也可以是对真实世界的三维模拟，是一个既是物理又是心里的空间，它的本质应该是“人类想象力付诸实施的想象空间”，是对人所处的自然真实环境的空间特性以及时间特性的一种扩展。VR不仅仅是一种人机接口，更主要的是对虚拟世界内部的模拟。人机交互接口采用VR的方式，对某个特定环境真实再现后，用户通过自然的方式接受或响应模拟环境的各种感官刺激，与虚拟世界中的任何物体进行思想和行为等方面的交流，使用户产生身临其境的感觉。《虚拟现实技术》期中论文姓名：黄兴旺学号：***6-2017年第一学期

1.2.3有关虚拟现实技术的其他定义

有一些书上表明，VR是一种高端人机接口，包括通过听觉、视觉、触觉、嗅觉和味觉等多种感觉通道的实时模拟和实时交换。

也有一些我国学者指出，VR技术使体验者通过传感器进入虚拟世界，让体验者发生感触，沉浸其中。这个虚拟世界可以说是纯粹虚构空间，也可以是现实世界的虚拟再现。

1.3虚拟现实的特征和类型

1.3.1虚拟现实技术的特征

虚拟现实(Virtual Reality)又称灵境技术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五个主要特征：

（1）沉浸性使之所创造的虚拟环境能使学生产生“身临其境”感觉，使其相信在虚拟环境中人也是确实存在的，而且在操作过程中它可以自始至终的发挥作用，就像真正的客观世界一样。

（2）交互性是在虚拟环境中，学生如同在真实的环境中一样与虚拟环境中的任务、事物发生交互关系，其中学生是交互的主体，虚拟对象是交互的客体，主体和客体之间的交互是全方位的。

（3）构想性是虚拟现实是要能启发人的创造性的活动，不仅要能使沉浸于此环境中的学生获取新的指示，提高感性和理性认识，而且要能使学生产生新的构思。

（4）动作性是指学生能以客观世界的实际动作或以人类实际的方式来操作虚拟系统，让学生感觉到他面对的是一个真实的环境。

（5）自主性是虚拟世界中物体可按各自的模型和规则自主运动。

1.3.2虚拟现实技术的类型

虚拟现实技术按照不同的标准有不同的分类，通常分为以下四类：

1、桌面虚拟现实

桌面虚拟现实利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户 《虚拟现实技术》期中论文姓名：黄兴旺学号：***6-2017年第一学期

观察虚拟境界的一个窗口。通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互，这些外部设备包括鼠标，追踪球，力矩球等。它要求参与者使用输入设备，通过计算机屏幕观察360度范围内的虚拟境界，并操纵其中的物体，但这时参与者缺少完全的沉浸，因为它仍然会受到周围现实环境的干扰。桌面虚拟现实最大特点是缺乏真实的现实体验，但是成本也相对较低，因而，应用比较广泛。常见桌面虚拟现实技术有：基于静态图像的虚拟现实QuickTime VR、虚拟现实造型语言VRML、桌面三维虚拟现实、MUD等。

2、沉浸的虚拟现实

高级虚拟现实系统提供完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。它利用头盔式显示器或其它设备，把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。常见的沉浸式系统有：基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统、远程存在系统。

3、增强现实性的虚拟现实

增强现实性的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。典型的实例是战机飞行员的平视显示器，它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，它可以使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，从而可集中精力盯着敌人的飞机或导航偏差。

4、分布式虚拟现实

如果多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，那虚拟现实则提升到了一个更高的境界，这就是分布式虚拟现实系统。在分布式虚拟现实系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。目前最典型的分布式虚拟现实系统是SIMNET，SIMNET由坦克仿真器通过网络连接而成，用于部队的联合训练。通过SIMNET，位于德国的仿真器可以和位于美国的仿真器一样运行在同一个虚拟世界，参与同一场作战演习。

2.虚拟现实技术涉及的关键技术与问题

2.1虚拟现实技术的关键技术

虚拟现实技术的关键技术主要包括：

1、动态环境建模技术，它包括实现环境三维数据获取方法、非接触式视觉建模技 《虚拟现实技术》期中论文姓名：黄兴旺学号：***6-2017年第一学期

术等等。

2、实时、现实三维动画技术，即实时三维动画生成技术。

3、立体现实和传感技术，它包括头盔式三维立体显示器、数据手套、力觉和触觉传感器技术的研究。

4、快速、高精度的三维跟踪技术

5、系统集成技术，包括数据转换技术、语音识别与合成技术等等。

2.2虚拟现实技术的几个瓶颈问题

(1)虚拟环境表示的准确性。为使虚拟环境与客观世界相一致，需要对其中种类繁多、构形复杂的信息做出准确、完备的描述。同时，需要研究高效的建模方法，重建其演化规律以及虚拟对象之间的各种相互关系与相互作用。

(2)虚拟环境感知信息合成的真实性。抽象的信息模型并不能直接为人类所直接感知，这就需要研究虚拟环境的视觉、听觉、力觉和触觉等感知信息的合成方法，重点解决合成信息的高保真性和实时性问题，以提高沉浸感。

(3)人与虚拟环境交互的自然性。合成的感知信息实时地通过界面传递给用户，用户根据感知到的信息对虚拟环境中事件和态势做出分析和判断，并以自然方式实现与虚拟环境的交互。这就需要研究基于非精确信息的多通道人机交互模式和个性化的自然交互技术等，以提高人机交互效率。

(4)实时显示问题。尽管理论上讲能够建立起高度逼真的，实时漫游的VR，但至少现在来讲还达不到这样的水平。这种技术需要强有力的硬件条件的支撑，例如速度极快的图形工作站和三维图形加速卡，但目前即使是最快的图形工作站也不能产生十分逼真，同时又是实时交互的VR。其根本原因是因为引入了用户交互，需要动态生成新的图形时，就不能达到实时要求，从而不得不降低图形的逼真度以减少处理时间，这就是所谓的景物复杂度问题。

(5)图形生成。图形生成是虚拟现实的重要瓶颈，虚拟现实最重要的特性是人可以在随意变化的交互控制下感受到场景的动态特性，换句话说，虚拟现实系统要求随着人的活动(位置、方向的变化)即时生成相应的图形画面。

(6)智能技术(Artificial Intelligence，简称AI)。在VR中，计算机是从人的各种动作，语言等变化中获得信息，要正确理解这些信息，需要借助于AI技术来解决，如语音识别、图像识别、自然语言理解等，这些智能接口领域的研究课题是VR技术的基础，同时也是VR技术的难点。本质上，上述6个问题的解决使得用户能够 《虚拟现实技术》期中论文姓名：黄兴旺学号：***6-2017年第一学期

身临其境地感知虚拟环境，从而达到探索、认识客观事物的目的。概括地说，围绕着虚拟现实展开的研究都是围绕着这6个基本问题的。

3.虚拟现实技术的国内外研究现状

3.1国外虚拟现实技术研究现状

3.1.1美国

美国是VR技术的发源地。美国VR研究技术的水平基本上就代表国际VR发展的水平。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。

美国宇航局的Ames实验室：将数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品。在约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真。大量运用了面向座舱的飞行模拟技术。对哈勃太空望远镜的仿真。现在正致力于一个叫“虚拟行星探索”（VPE）的试验计划。现在NASA己经建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并且已经建立了可供全国使用的VR教育系统。

北卡罗来纳大学（UNC）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。

Loma Linda大学医学中心的David Warner博士和他的研究小组成功地将计算机图形及VR的设备用于探讨与神经疾病相关的问题，首创了VR儿科治疗法。

麻省理工学院（MIT）是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋，这些技术都是VR技术的基础，1985年MIT成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。

SRI研究中心建立了“视觉感知计划”，研究现有VR技术的进一步发展。1991年后，SRI进行了利用VR技术对军用飞机或车辆驾驶的训练研究，试图通过仿真来减少飞行事故。

华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室（HIT Lab）将VR研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。伊利诺斯州立大学研制出在车辆设计中支持远程协作的分布式VR系统。《虚拟现实技术》期中论文姓名：黄兴旺学号：***6-2017年第一学期

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。从90年代初起，美国率先将虚拟现实技术用于军事领域，主要用于以下四个方面：一是虚拟战场环境。二是进行单兵模拟训练。三是实施诸军兵种联合演习。四是进行指挥员训练。

3.1.2欧洲

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 Symposium on Virtual Reality Software and Technology大会，整体上促进了虚拟现实技术的深入发展。

3.1.3亚洲

在亚洲，日本虚拟现实技术研究发展十分迅速，同时韩国、新加坡等国家也在积极开展虚拟现实技术方面的研究工作。

在当前实用虚拟现实技术的研究与开发中日本是居于领先地位的国家之一，主要致力于建立大规模VR知识库的研究。另外在虚拟现实的游戏方面的研究也做了很多工作。

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。《虚拟现实技术》期中论文姓名：黄兴旺学号：***6-2017年第一学期

NEC公司开发了一种虚拟现实系统，它能让操作者都使用“代用手”去处理三维CAD中的形体模型，该系统通过数据手套把对模型的处理与操作者手的运动联系起来。

京都的先进电子通信研究所（ATR）正在开发一套系统，它能用图像处理来识别手势和面部表情，并把它们作为系统输入。

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将他们的研究重点放在远程控制方面，最近的研究项目是主从系统。该系统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。

东京大学原岛研究室开展了3项研究：人类面都表情特征的提取、三维结构的判定和三维形状的表示、动态图像的提取。

东京大学广濑研究室重点研究虚拟现实的可视化问题。为了克服当前显示和交互作用技术的局限性，他们正在开发一种虚拟全息系统。

筑波大学研究一些力反馈显示方法，开发了九自由度的触觉输入器，虚拟行走原型系统。

富士通实验室有限公司正在研究虚拟生物与VR环境的相互作用。他们还在研究虚拟现实中的手势识别，已经开发了一套神经网络姿势识别系统，该系统可以识别姿势，也可以识别表示词的信号语言。

3.2国内虚拟现实技术的研究现状

和一些发达国家相比，我国VR技术还有一定的差距，但已引起政府有关部门和科学家们的高度重视。根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究。九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把VR列入了研究项目。在紧跟国际新技术的同时，国内一些重点院校，已积极投入到了这一领域的研究工作。国内最早开展此项技术试验的是挂靠在西北工业大学电子工程系的西安虚拟现实工程技术研究中心。该中心的成立，对发挥学校电子信息工程学院等其他院系和研究所在虚拟现实、虚拟仿真与虚拟制造等方面的研究优势将具有积极作用。

北京科技大学虚拟现实实验室成功开发出了纯交互式汽车模拟驾驶培训系统。由于开发出的三维图形非常逼真,虚拟环境与真实的驾驶环境几乎没有什么差别,因此投入使用后效果良好。到目前为止,已经有150余人通过这个系统的学习取得驾驶执照,路考通过率达到98％。《虚拟现实技术》期中论文姓名：黄兴旺学号：***6-2017年第一学期

国防科技大学研制的虚拟空间会议系统1999年12月在长沙通过专家鉴定。虚拟空间会议系统随着虚拟现实技术的发展而被提出，是国际上公认的前沿性高难度课题，具有“终极会议系统” 之称。国防科技大学于1995年开始进行前期研究，1997年正式立项，研究人员经过5年的艰苦探索，大胆创新，终于解决了对象提取、三维虚拟对象、会场合成、场景感知、视音频压缩与传输及高分辨率显示等一系列关键技术，使中国虚拟现实技术获得突破性进展。虚拟会议空间通过多个大屏幕投影机无缝组成虚拟会场显示环境，采用视频合成技术构造一个超高分辨率、宽视角、一体化的虚拟会议空间，实现了与会者之间相互关注及对会场虚拟场景的感知等普通多媒体会议系统无法实现的功能。在虚拟会议空间系统中，所有与会者仿佛在同一个会议室开会，每个与会者所处的空间位置、行为动作及面部表情都能相互感知，并能通过多种形式进行信息交流。发言人也可通过对每个与会者的反应和提出的问题，调整讲话内容、回答有关问题。

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，他们首先进行了一些基础知识方面的研究，并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；实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上虚拟现实研究论坛，可以提供实时三维动态数据库，提供虚拟现实演示环境，提供用于飞行员训练的虚拟现实系统，提供开发虚拟现实应用系统的开发平台，并将要实现与有关单位的远程连接。

浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，采用了层面迭加绘制技术和预消隐技术，实现了立体视觉，同时还提供了方便的交互工具，使整个系统的实时性和画面的真实感都达到了较高的水平。另外，他们还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。

哈尔滨工业大学已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成，表情的合成和唇动的合成等技术问题，并正在研究人说话时头势和手势动作，话音和语调的同步等。

清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究，例如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感实验等方面都具有不少独特的方法。他们还针对室内环境水平特征丰富的特点，提出借助图像变换，使立体视觉图像中对应水平特征呈现形状一致性，以利于实现特征匹配，并获取物体三堆结构的新颖算法。

西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术——立体显示技术进行了研究。他们在借鉴人类视觉特性的基础上提出了一种基于JPEG标准压缩编码新方 《虚拟现实技术》期中论文姓名：黄兴旺学号：***6-2017年第一学期

案，并获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度，并且己经通过实验结果证明了这种方案的优越性。

中国科技开发院威海分院主要研究虚拟现实中视觉接口技术，完成了虚拟现实中的体视图像对算法回显及软件接口。他们在硬件的开发上己经完成了LCD红外立体眼镜，并且已经实现商品化。

北方工业大学CAD研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一，中国第一部完全用计算机动画技术制作的科教片《相似》就出自该中心。关于虚拟现实的研究已经完成了2个“863”项目，完成了体视动画的自动生成部分算法与合成软件处理，完成了VR图像处理与演示系统的多媒体平台及相关的音频资料库，制作了一些相关的体视动画光盘。

另外，北京邮电大学自动化学院、西北工业大学CAD/CAM研究中心、上海交通大学图像处理模式识别研究所，长沙国防科技大学计算机研究所、华东船舶工业学院计算机系、安徽大学电子工程与住处科学系等单位也进行了一些研究工作和尝试。

4.虚拟现实技术的应用

4.1虚拟现实技术的应用领域

虚拟现实技术应用非常广泛,它可以用于军事、教育训练、设计规划、产品建模、心理学治疗及艺术与娱乐等多方面。

4.1.1军事领域

虚拟现实技术已成为军事和航天领域的先锋技术虚拟技术最初是美国航空航天局与军事部门为了模拟训练而开发的。现在广泛用于各兵种部队的战术研究、演习、模拟训练和培训等,战斗实验室已成为数控战士的战场。“司令部军事演习”也已成为一种军事演习的重要形式,这类演习可用于为未来战争组织装备、主导原则和综合训练等决策提供参考数据。美国航空航天局埃姆斯研究中心还建立了一座虚拟实验室,它所拥有的飞机模型器无论从规模上还是从逼真程度来看都处于世界之最,主要用于研究现在的或拟议中的飞机飞行控制、制导、座舱显示、自动化和操纵的品质,它能够获得有关飞机性能的实时数据和视图,并且航空研究人员和设计师坐在家里就可以“进入”该实验室进行操作,其灵敏度远远高于现在的任何其他此类研究手段。《虚拟现实技术》期中论文姓名：黄兴旺学号：***6-2017年第一学期

虚拟现实技术在军事领域中发挥着重要的作用,被广泛的应用于军事训练、武装装备的研究和生产以及军事教育等各个方面。目前的军事模拟训练大多是虚拟现实系统。在海湾战争中,美国士兵原本对周边环境非常陌生,是虚拟

现实技术把他们带到那漫无边际的风尘黄沙中,让他们“身临其境”感受到大漠的荒凉。英国国防部向外界公开了全世界最大和最精确地模拟作战训练系统“合成兵战术训练师”,由170辆全面联网的高技术战车模拟器组成,全面革新了装甲战斗集群的战术仿真训练。NASA虚拟工作站是美国航空航天局与军事部门为了模拟训练而开发的。美国陆军的自动虚拟实验室CAVE是一个典型的虚拟现实系统。至2000年,美国陆军已拥有一个包括综合作战系统环境所用作战单元CCTT的模拟仿真器。目前美国正在开发空军的任务支援系统(AFMSS)和海军的特种作战部队计划和演习系统(SOFPARS)。我国赵沁平教授从1996年开始研究“分布式虚拟环境”,在863计划的资助下,以北京航空航天大学计算机系为系统集成单位,中科院软件所、国防科技大学等单位为关键技术单位,包括合成环境、虚拟士兵、武器等研究,目前已达到美国同类产品的水平。

4.1.2医学领域

2003年年初,我国第一军医大学宣布完成了国内首例女虚拟人的数据采集,获得了8556个切片,切片间距为0.2 mm,而美国人公布的切片间距为男性1 mm、女性0.33 mm。切片精度对于获取数据的整体质量至关重要,因为切片建模是数字化虚拟人研究的基础,但又不是全部。国家863计划“数字化虚拟人体若干关键技术”课题组组长李华博士解释说“目前我们所完成的还不是真正意义上的虚拟人,准确的提法是可视人,而且现阶段还是在探索数字化虚拟人的关键技术,还不可能完成虚拟人”。从1989年美国国立医院图书馆发起的可视人计划,到1996年美国橡树林国家实验室牵头酝酿的虚拟人创新计划,1999年美国橡树林国家实验室向国会提出的虚拟人计划,再到我国的数字化虚拟人计划,其真正的目的是设想构建能对外界有反应的“物理人”,即会像真人一样对外界有反应;骨头会断、血管会出血。比如说,在作汽车碰撞试验时,“虚拟人”可以提供人体意外创伤的数据,帮助改进汽车的安全防护体系等。虚拟技术在医学教学、临床诊断和手术等方面的应用前景极为广阔。对于第一次走上手术台的医生来说,难免会感到紧张和恐慌,而在虚拟技术的帮助下,他们就可以非常轻松地在显示器上一遍又一遍地作模拟手术,移动人体器官等,以寻找最佳手术方案。医生们凭借虚拟技术所产生的图像可以“步行”到人体内部去查看肿瘤,以便制定有效的治疗方案并检查治疗效果。利用这一技术手段还可以确保放射治疗的辐射只聚集到肿瘤部位,而不致伤害周

虚拟现实技术在医学领域可以用于教学及复杂手术的规划。并且可以提供操作和对手术结果进行预测,进行人体解剖仿真、外科手术仿真等,利用虚拟的医疗手术治疗 《虚拟现实技术》期中论文姓名：黄兴旺学号：***6-2017年第一学期

系统,对患者进行远程的救治。2003年,我国第一军医大学宣布完成了首例女虚拟人的数据采集。首都医科大学对虚拟中国女性数据集的高分辨率可视化和上海交通大学对虚拟人体运动建模的研究各有特色。1985年美国国立医学图书馆(NLM)就开始人体解剖图像数字化研究和利用,目前已经有虚拟人体模型可供下载。虚拟现实技术可以遥感外科手术。在偏远的山区,通过远程的医疗虚拟现实系统,医生只需要对虚拟病人模型进行手术,通过网络将医生动作传送到另一端的手术机器人,由机器人对病人实施远程手术。手术实时进展的情况也可以通过机器人摄像机实时传给医生的头盔立体显示器,以便医生实时的掌握手术情况。

4.1.3教育领域

虚拟现实技术应用于教育是教育发展的一个飞跃。它使传统的“以教促学”的学习方式被取而代之为学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识。国内利用虚拟现实技术开发了多媒体教学软件,如邹湘军、周荣安等人开发的机械制造工程学多媒体教学软件,效果逼真。该软件已在南华大学和国防科技大学指挥专业的教学中使用。利用虚拟现实技术进行仿真教学和实验,可以模拟显现那些在现实中存在的、但在课堂教学环境下不容易做到或要花费很大代价才能显现的各种事物,供学生学习和探索。美国一个“虚拟物理实验室”系统的设计就使得学生可以通过亲身的做、看、听来学习的方式成为可能。

4.1.4工程领域

“身临其境”和“可视化”是虚拟现实技术的两个最基本特征。他借助于计算机图形学等技术手段,被誉为科学技术之眼,因而在工程技术设计方面显示出无可比拟的优越性。设计人员可以在交互式虚拟空间中精心设计,并对所涉及的产品加以观察、操作和反复试验。

虚拟现实技术在工程领域的应用有很多方面,如城市建设、机械制造等。在机械制造中,利用它的直观性和交互性可以帮助设计人员进行产品的设计和制造。虚拟现实技术在我国工业产品开发中也有非常广泛的应用,如严隽琪教授开发的“虚拟产品开发技术的理论体系研究”、孙健教授的“虚拟环境下啤酒灌装生产线”的研究等均取得了一定的成果。在现代城市建设中,设计人员更关心的是建筑的整体设计效果。利用虚拟现实技术在设计阶段就可以动态的、可视的、多方位的展现建筑物的外貌、地理环境 和辅助设施,设计人员可以在虚拟建筑物中漫游,来查看自己的设计是否合理得当。利用虚拟现实技术,日本开发了虚拟东京古罗马时代最宏伟的建筑—— 《虚拟现实技术》期中论文姓名：黄兴旺学号：***6-2017年第一学期

Trajan广场再现。我国浙江大学开发了虚拟故宫,武汉大学开发的数码城市系统,这些都是虚拟现实技术的应用。

4.2虚拟现实技术的应用案例

数字城市

数字城市应用解决方案介绍。虚拟现实技术可以通过三维建模逼真地模拟现在和未来的城市，支持数据分析、方案论证和优化，支持地理信息系统等，通过这些详实的数据和相关资料可以是直观真实固化方案评估、审核以及管理等日常工作，更为重要的是它可以为多部门参与和协同工作提供了有效的平台。

场馆仿真

场馆仿真应用解决方案介绍。利用虚拟现实技术，通过计算机将在建或已建的场馆虚拟出来，达到一个触手可及的真实三维环境，以提前展示场馆面貌，供市民浏览，从而对场馆的规划设计进行现场评估。通过市民虚拟游览后的反馈意见，及时发现并解决场馆存在的问题。

地产漫游

地产漫游应用解决方案介绍地产漫游是集影视广告、动画、多媒体、网络科技于一身的最新型的房地产营销方式。通过虚拟现实技术可以让购房者看到直观的样板房形象，让购房者在电脑上亲眼看到几年后才建成的小区，游观赏到优美的小区环境设计，甚至能够在电脑上选户型，从而帮助地产开发商在逆境中求生存，顺境中谋发展。

室内设计

室内设计应用解决方案介绍。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，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。

旅游教学

旅游教学应用解决方案介绍。旅游和导游专业教学过程中存在实习资源匮乏而实地参观成本又高的难题。虚拟现实技术可以按照旅游专业的教学要求和实施特点，开发出适用于导游实训、旅游模拟、旅游规划的功能和模块，让师生足不出户，就能在三维立体的虚拟环境中遍览遥在万里之外的风光美景。形象逼真，细致生动。从而，通过情景化的学习界面、人机交互式的模拟旅游体验，改善教学环境、优化教学过程、增强教学效果。《虚拟现实技术》期中论文姓名：黄兴旺学号：***6-2017年第一学期

文物古迹

文物古迹应用解决方案介绍。虚拟现实技术可以将文物建筑、文物景点、文物物品、古代人像及行为、古代自然现象及天体现象等进行虚拟展示和虚拟复原，从而使文物脱离地域限制，实现资源共享，真正成为全人类可以“拥有”的文化遗产。

工业仿真

工业仿真应用解决方案介绍。虚拟现实仿真平台，具有强大的物理实时计算功能，能够真实模拟场景重力、环境阻尼等环境特性，真实的模拟刚体动力学特性，提供了多种动力学交互手段，并能支持多种高速运算的碰撞替代体。为广大工业仿真需求用户轻而易举将此前许多只能停留于想法的优秀互动仿真创意方案完美的呈现于眼前，为国内广大工业仿真用户带来了仿真手段和技术实现水平的革命性进步。

汽车仿真

汽车仿真应用解决方案介绍。虚拟现实高画质渲染技术及汽车动力学仿真物理系统，将使汽车设计的数字化模型以更直观的方式在网络上展示出来，使世界各地的用户都可以更快捷得到丰富准确的汽车信息，实现人与计算机之间无缝连接。

道路桥梁

道路桥梁应用解决方案介绍。虚拟现实平台依靠其精美绝伦的三维视觉表现力，照片级的真实效果，使设计中的道路桥梁直观的呈现在人们面前，使得我们可以提前对其视觉效果和使用效率进行评估和预演，有效降低设计和施工风险，极大提高设计和施工效率。

油田矿井

油田矿井应用解决方案介绍。在建立油田生产和管理流程优化应用模型的基础上，利用虚拟现实技术对数据实现可视化和多维表达，并且通过智能化分析模型，为企业的经营管理提供良好的信息支撑环境。

水利电力

水利电力应用解决方案介绍。虚拟现实平台可以与电力信息系统紧密结合，逼真再现变电站现场场地、变压器、母线、断路器、隔离开关、接地刀闸、操作机构、电压互感器、电流互感器、电抗器、电容器、高压熔断器、站用变压器等一次设备的操作过程和设备运行状态，从而为电力行业提供可视化系统解决方案。

数字展馆

数字展馆应用解决方案介绍。虚拟现实技术可以与科技馆的功能进行完美的结合，充分发挥虚拟科技馆的种种优势，传统的声、光、电展览已经很难吸引观众的兴趣，《虚拟现实技术》期中论文姓名：黄兴旺学号：***6-2017年第一学期

而利用虚拟现实技术把枯燥的数据变为鲜活的图形，使科技馆进入公众可参与交互式的新时代，引发观众浓厚的兴趣，从而达到科普的目的。

地质灾害

地质灾害应用解决方案介绍。虚拟现实仿真平台可以实现水利工程仿真、地震应急救援仿真、地震应急推演仿真、地址灾害仿真，实现地质灾害虚拟环境功能与展示的完美结合，通过在虚拟的环境中进行预防地质灾害的模拟演练，达到提升防灾、避灾安全意识的目的。

应急预案

应急预案应用解决方案介绍。应急虚拟现实仿真演练系统通过对各类灾害数值模拟和人员行为数值模拟的仿真，在虚拟空间中仿真灾害发生、发展的过程，以及人们在灾害环境中可能做出的各种反应；并在演练平台上，在最大限度仿真实际灾害的条件下，开展应急演练。在此基础上，制定各类企事业单位的数字化应急预案。应急仿真演练系统可以用来训练各级决策与指挥人员、事故处置人员，发现应急处置过程中存在的问题，检验和评估应急预案的可操作性和实用性，提高应急能力。

虚拟展馆

网上展馆应用解决方案介绍。虚拟现实网上三维交互功能可以将有形的实物产品三维化并且放在网上进行虚拟展示，还能嵌入相应音频和视频等多媒体元素，用户可以对虚拟场景中的物品进行实时的交互操作，例如开门、打开电视和播放音乐等等。相比目前网上主流的以图片、Flash、视频等展示方式来说，vrpie让用户有了浏览的自主感，可以以自己想看的角度去观察，还可以添加许多特效和互动操作，让用户体验身临其境上网冲浪的美妙感觉。

网上看房

网上看房应用解决方案介绍。虚拟现实网上三维交互功能可以虚拟房屋设计，展现独特的设计风格，使客户足不出户就可对房屋的全貌了如指掌，互动浏览，可以任意变换自己在房间中的位置，去观察设计的效果，了解房屋的精心布局。可以实现房屋三维户型图全景展示，使客户全面了解房屋内部结构，走进虚拟现实样板房。

网上产品

网上产品应用解决方案介绍。虚拟现实技术能够虚拟各类产品，以一种全新的方式演绎各类产品，使客户全方位全角度的了解最新产品。实现产品在互联网上的全新展示，让客户提前体验产品功能，更清楚的了解产品的特性及结构。将销售产品展示做成在线三维的形式，顾客通过对之进行观察和操作能够对产品有更加全面的认识了解，决定购买的几率必将大幅增加，为销售者带来更多的利润。展现出产品外形的方 《虚拟现实技术》期中论文姓名：黄兴旺学号：***6-2017年第一学期

方面面，加上互动操作，演示产品的功能和使用操作，充分利用互联网高速迅捷的传播优势来推广公司的产品。

网上看车

网上看车应用解决方案介绍。随着虚拟现实技术的发展，对汽车的一种全新演绎方式产生。通过虚拟现实仿真平台可以实现网上看车及交互功能，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，及时、没有限制地观察三度空间内的汽车。总结

随着虚拟现实技术的发展，虚拟现实技术的应用领域也越来越广泛，相信在不久的将来，虚拟现实技术能够给更多的领域带来革命性的变化。

5.虚拟现实技术的未来展望

VR技术的实质是构建一种人为的能与之进行自由交互的“世界”，在这个“世界”中参与者可以实时地探索或移动其中的对象。沉浸式虚拟现实是最理想的追求目标，实现的方式主要是戴上特制的头盔显示器、数据手套以及身体部位跟器，通过听觉、触觉和视觉在虚拟场景中进行体验。可以预测短期内游戏玩家可以戴上头盔身着游戏专用衣服及手套真正体验身临其境的“虚拟现实”游戏空间，它的出现将淘汰现有的各种大型游戏，推动科技的发展。纵观VR的发展历程，未来VR技术的研究仍将延续“低成本、高性能”原则，从软件、硬件两方面展开，发展方向主要归纳如下：

(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，而关键是怎样“实时生成”，在不降低图形的质量和复杂程度的基础上，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)新型交互设备的研制。虚拟现实技术实现人能够自由与虚拟世界对象进行交互，犹如身临其境，借助的输入输出设备主要有头盔显示器、数据手套、数据衣服、三维位置传感器和三维声音产生器等。因此，新型、便宜、鲁棒性优良的数据手套和数据服将成为未来研究的重要方向。

(4)智能化语音虚拟现实建模。虚拟现实建模是一个比较繁复的过程，需要大量的时间和精力。如果将VR技术与智能技术、语音识别技术结合起来，可以很好地解决这个问题。我们对模型的属性、方法和一般特点的描述通过语音识别技术转化成建模所需的数据，然后利用计算机的图形处理技术和人工智能技术进行设计、导航以及评价，将模型用对象表示出来，并且将各种基本模型静态或动态地连接起来，最终形 《虚拟现实技术》期中论文姓名：黄兴旺学号：***6-2017年第一学期

成系统模型。人工智能一直是业界的难题，人工智能在各个领域十分有用，在虚拟世界也大有用武之地，良好的人工智能系统对减少乏味的人工劳动具有非常积极的作用。

(5)分布式虚拟现实技术的展望。分布式虚拟现实是今后虚拟现实技术发展的重要方向。随着众多DVE开发工具及其系统的出现，DVE本身的应用也渗透到各行各业，包括医疗、工程、训练与教学以及协同设计。仿真训练和教学训练是DVE的又一个重要的应用领域，包括虚拟战场、辅助教学等。另外，研究人员还用DVE系统来支持协同设计工作。近年来，随着Internet应用的普及，一些面向Internet的DVE应用使得位于世界各地多个用户可以进行协同工作。将分散的虚拟现实系统或仿真器通过网络联结起来，采用协调一致的结构、标准、协议和数据库，形成一个在时间和空间上互相耦合的虚拟合成环境，参与者可自由地进行交互作用。特别是在航空航天中应用价值极为明显，因为国际空间站的参与国分布在世界不同区域，分布式VR训练环境不需要在各国重建仿真系统，这样不仅减少了研制费和设备费用，减少了人员出差的费用以及异地生活的不适。

6.总结

近几十年来，通信技术、计算机的同步发展和相互促进成为世界上信息技术与产业飞速发展的主要特征。特别是网络技术的迅速崛起与普及，使得信息应用系统在深度和广度上发生了质的变化。虚拟现实主要依靠人机交互的发展，目前技术上已初步解决人脑数据的读取，在不久的将来，开发者将完全解决通过神经系统自动进入虚拟现实环境的“人脑——计算机接口”问题，通过对人脑提取和反馈神经信号使人完全融入“虚拟现实”世界。当然从技术角度，我们应该对基于多用户虚拟环境进行必要的技术研究。因为将来的VR技术将越来越重视人在其中的交互。虚拟现实充满活力、具有无限的应用前景的高新技术领域，但仍然存在许多有待解决与突破的问题。为了提高系统的交互性、逼真性和沉侵性，在新型传感和感知肌理、几何与建模新方法、高性能计算，特别是高速图形图像处理，以及人工智能、心理学、社会学等方面都有许多具有挑战性的问题有待我们进一步解决。

虚拟现实技术是本世纪发展的重要技术之一，作为一门科学和艺术将会不断走向成熟，在各行各业中将得到广泛应用，并发挥神奇的作用，二十一世纪将是虚拟现实技术的时代。