虚拟现实教学系统

关键词： 汽车信息 虚拟现实 教学系统 平台

虚拟现实教学系统（精选6篇）

篇1：虚拟现实教学系统

《非线性编辑》课程教学大纲

课程编号：（暂不填写）

课程名称：虚拟现实

总学时数和学分：本课程计划72学时，4学分 实验或上机学时：36学时

先修及后续课程要求：三维动画设计3D、图形图像处理PS

一、课程的性质和任务

课程性质：

虚拟现实是利用计算机图形学技术，在计算机中对真实的客观世界进行逼真的模拟再现。通过利用传感器技术等辅助技术手段，让用户在虚拟空间中有身临其境之感，能与虚拟世界的对象进行相互作用且得到自然的反馈，并让人产生构想。

主要任务：

使学生掌握3ds max及VPR软件的使用方法，掌握利用3ds max软件进行前期的模型、材质、灯光以及渲染器的设置技巧，熟练使用VRP完成动画的设置。

二、基本要求

教学环节包括：课堂讲授及习题课、课外作业、实验、考试考查等

（一）、课堂讲授

1.教学方法：

通过讲授演示3ds max的使用方法让学生掌握虚拟现实前期的制作过程，通过学习VPR软件的动画设置，完成后期动画的制作。

2.教学手段：

通过多媒体设备进行教学，并采用电子教案、CAI课件、案例分析等先进教学手段。

3.外语的要求：

会看懂英文版的多媒体创作工具

（二）、教学辅助资料

拍摄的视频素材

（三）、习题课安排

给出样例让学生自己完成。

三、与其它课程的关系

在本课程开设之前，应先修三维动画设计3D，图形图像处理PS等课程，并为以后学习视频特效等课程打下基础。

四、教学内容

本课程共分七大模块，通过学习，使学生掌握3ds max软件的使用和VPR动画的设定。主要教学内容有：

第一章3ds Max建模准则

虚拟现实（VR）的建模和做效果图、动画的建模方法有很大的区别，主要体现在模型的精简程度上。VR的建模方式和游戏的建模是相通的，做VR最好做简模，不然可能导致场景的运行速度会很慢、很卡、或无法运行。教学重点：模型的创建与简模的制作。

教学难点：模型的简化与拓扑结构的分布。目的要求：制作布线合理的简模。

第二章3ds Max前期材质类型的应用与基本设置。

在制作VR项目时，虽然模型的优化很重要，但材质的编辑也一样很重要，因为材质的使用需要跟烘焙操作结合在一起，不同类型的材质需要采取不同的烘焙方式。

教学重点：材质与贴图的基本设置。

教学难点：材质的调节，UV的划分与贴图的绘制。

目的要求：掌握3ds max材质的调节与贴图的正确绘制。

第三章3ds Max前期灯光设置要求与相机的创建 掌握正确的布光方法及灯光与摄像机参数的设置：

1、创建灯光并合理布光。

2、摄像机参数的调节。

教学重点：布光方案的正确选择。

教学难点：灯光的参数调节与灯光之间的关系。

目的要求：掌握灯光布光的基本方法、并熟练使用灯光、相机的各项参数设置。

第四章3ds Max前期渲染器基本参数 教学重点：

1、默认渲染器的参数设定。

2、Vray渲染器的参数设置与调节。

教学难点：Vray渲染器的参数面板设置与材质灯光的调节。目的要求：熟练掌握渲染面板参数设置。

第五章3ds Max前期烘焙基本参数设置 教学重点：贴图烘焙的命令和参数设置。

教学难点：烘焙的参数设置与烘焙前的渲染结果检查。

目的要求：掌握贴图烘焙与检查的方法。

第六章 前期常用动画的简单制作

教学重点：常用父子动画，路径动画，动力学动画的制作

教学难点：父子关系的设定，路径动画的参数调节与动力学动画的参数设定。目的要求：掌握常用动画的制作。

第七章 3ds Max的模型与动画导出技巧

教学重点：掌握部分静态模型与全部静态模型的导出与动画模型的导出方法。教学难点：将烘焙模型正确导入到VPR软件中制作动画。目的要求：掌握烘焙完成模型的导出技巧。

五、实践教学环节

实训要求：

使学生掌握3ds Max与VPR的使用方法，完成虚拟现实动画的制作。实训内容：

实训一 简模的创建与布线的调整。

实训二

常用材质的参数调节，UV的划分与贴图的正确绘制。

实训三

灯光的参数设置与布光方案的正确解决。

实训四 渲染参数面板的设置。

实训五

贴图烘焙的命令与参数设置。

实训六

动画的制作，能完成父子关系、路径与简单动力学动画的制作。

实训七

导入VPR后动画的制作。

六、教学建议

1、师资要求：

要求主讲教师具有一定的行业从业经历或有相关成熟作品。

2、教学条件：

酷睿i5以上计算机或兼容机40台。注：四核CPU主频须2.6GMHz以上，内存须4G以上，硬盘须500G左右自由空间，WindowsXP系统或更高版本，3ds max 2009或以上版本，VPR软件。

七、考试与成绩评定

该课程根据平时（作业和出勤）、期中、期末等成绩按学院要求比例进行考核。

八、制定教材与教学参考书

[1]《3ds max与虚拟现实》.九州星火传媒.电子工业出版社.2006.5

九、补充说明

１．本课程须以理论与实践结合进行教学。

２．本教学大纲适用于三年制动漫设计与制作专业。

开课单位及课程所属教研室（加盖单位公章）：

大纲制（修）订负责人签名：

开课单位教学主任签名：

大纲制（修）订时间： 年 月

篇2：虚拟现实教学系统

单位：广州市番禺区石北中学 案例名称：虚拟现实初探

适应范围（标明年级和模块）:高二多媒体技术应用（选修2）课时： 1课时

一、教学内容分析

本节教材为上海科技教育出版社《多媒体技术应用》第四章第二节，以制作校园全景图为例，通过两个任务：校园场景全景制作和评选最佳作品，让学生在活动中感受虚拟现实，学习虚拟现实的基本知识及简单虚拟现实作品的制作方法。教学重点：

1、理解什么是虚拟现实及虚拟现实技术。

2、拍摄和制作全景图作品。教学难点：全景图照片的拍摄。

二、教学对象分析

在电影、电视和游戏中，学生接触过虚拟现实，但是对虚拟现实的认识比较模糊，通过学习虚拟现实的基本知识，使学生更好地理解虚拟现实。高二年级学生经过必修模块的学习，具备一定的计算机操作能力，初步形成协作探究能力。

三、教学目标

1、知识与技能

（1）了解虚拟现实的含义、基本特征及其应用前景。（2）掌握全景图照片素材的拍摄技巧。

（3）掌握用Ulead COOL 360制作简单虚拟现实作品的方法。

2、过程与方法 学会从需求出发，选择合适的设备和软件拍摄和制作全景图，并根据全景图的创作过程和结果进行自评与互评。

3、情感态度与价值观

使学生初步感受虚拟现实技术的魅力和文化内涵，激发学生的学习兴趣，引发对科学技术的求知欲。

四、教学策略

发挥学生的主体性，让学生亲自尝试全景图照片的拍摄，以此突破本节的难点。结合专题学习网站，学习过程以自主探索为主，学习者之间进行交流、合作。教师以一种“导演”的身份参与、指导学生的学习过程，让学生主动地获取新知。

五、教学媒体选择

1、硬件环境——多媒体网络教室，数码相机，三角架

2、软件资源——全景图制作软件（Ulead COOL 360），“虚拟现实初探——全景图制作”专题学习网站，模块包括：引言、任务、资源、作品上传、作品评价、学习指引、讨论社区

六、教学过程 教学环节

教师活动

学生活动 设计意图

激发兴趣引入新课（2分钟）

展示两个全景图作品《校园》、《河边》。一组静态的照片经过加工后，就成了让人身临其境的现实场景，这就是虚拟现实带给我们的奇妙之处。引出本课课题。

欣赏作品 明确学习目标

使学生体验身临其境的感觉，激发学习兴趣，快速进入学习状态。

认识虚拟现实（8分钟）

指导学生通过专题学习网，学习虚拟现实的基本知识，包括：虚拟现实的含义、特征和应用前景。

浏览专题网中的学习指引部分，学习虚拟现实知识。

学习虚拟现实知识，加强对虚拟现实的理解，体会虚拟现实给人们的社会、生活带来的影响。

策划全景视图（5分钟）

虚拟现实包括许多方面，本节课只以电脑房全景视图为例学习简单虚拟现实作品的制作方法。

进一步明确学习任务

任务具体化

引导学生思考：什么是全景图？全景图是如何制作的？用什么工具软件？需要哪些素材？如何获取素材？

思考、讨论

为全景图拍摄照片是本节的难点，对全景图素材进行分析，为后面的拍摄做好准备。

分析制作全景图的一系列照片，和全景图作品进行对比。引导学生归纳出全景图照片的特点：

1、朝一个方向旋转，保持旋转角度均匀。

2、照片之间有一定重叠。

了解全景图的制作原理、制作全景图照片的要求。

拍摄全景视图照片（5分钟）

让学生自荐小摄影师，现场拍摄全景图照片。

教师指导学生选好拍摄点，强调拍摄过程中的注意事项。指导学生将照片导入服务器。

边观察，边听教师讲解拍摄技巧。怀着极为兴奋的心情欣赏照片。

虽然这一环节比利用现成的图片要费时费力，但是让学生亲自动手尝试，能更好地掌握拍摄技巧。

制作全景视图（15分钟）

指导学生通过专题学习网进行探究学习，掌握利用Ulead COOL 360制作全景图的方法。指导学生比较生成的几种不同类型的文件。

学生边通过专题学习网站进行探究学习，边进行同步操作。制作完成后输出全景图。

Ulead COOL 360使用方便，操作简单，可以放手让学生自主探究学习。

交流评价（8分钟）

指导学生上传作品，指导学生在线欣赏和评价。引导学生思考：照片拍摄质量对全景视图的制作有何影响，如何进行调整。

通过网络提交作品。在线欣赏、评价作品，修改完善作品。

通过评价，使学生肯定自己，学习他人，体验成功的乐趣。

总结拓展（2分钟）

1、全景图的制作方法及注意事项。

2、利用课余时间尝试拍摄照片，制作自己的全景视图作品。

展开讨论，利用课余时间完成自己的设想。

提高学习、应用信息技术的兴趣和能力。

七、教学评价设计

WEB在线作品量化评价表 评价指标

具体指标

分值

项目

自评

互评

师评

创造性

具有想象力和个性表现力 30

艺术性

构图完美、稳定，色调和谐

技术性

进行素材加工，画面平滑、流畅

总评

你认为作品最具特色之处：

作品还有哪些有特改进的地方：

该小组有哪些值得你借鉴的地方：

WEB在线个人目标自评表 班别：

姓名：

自评目标

具体目标

自评等级

欠佳

一般

优秀

知识与技能

对虚拟现实有更好的认识

理解了全景图的制作原理

知道全景图照片的拍摄技巧

能利用Ulead COOL 360制作简单虚拟现实作品

过程与方法

在专题学习网的支持下，亲历简单的虚拟现实全景作品的制作过程。

能与其他同学开展交流、合作。

情感态度与价值观

关注虚拟现实技术给人们学习、生活带来的影响。

感受到虚拟现实技术的魅力和文化内涵，希望进一步学习、探索虚拟现实技术。

八、教学反思

篇3：虚拟现实系统综述

虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术融合多种科技,被认为是21世纪最具潜力的发展学科。虚拟现实技术以计算机技术为核心,结合相关科学技术,生成与真实视、听、触感等高度近似的数字化环境,用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互,产生亲临实境的感觉和体验[1]。虚拟现实是真实世界的一种表现形式,是仿真技术的重要方向,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[2]。

近年来,虚拟现实技术研究取得了很大进展,虚拟现实技术不仅应用于航空航天计划等国家级计划,还深入到我们生活的各个方面,如旅游、校园、电影等,虚拟现实系统正一步一步走进我们的生活。本文阐述了虚拟现实系统及各组成部分,介绍了虚拟现实系统开发平台,指出了虚拟现实系统发展的缺陷和问题。

1 虚拟现实系统

虚拟现实系统主要由5个部分组成:(1)专业图形处理计算机;(2)输入输出设备;(3)应用软件系统;(4)数据库;(5)虚拟现实开发平台。虚拟现实系统架构如图1所示。虚拟现实引擎和输入输出设备是系统的硬件保障,应用软件系统建立输入输出设备到仿真场景的映射,数据库完成对场景中数据的管理与保存[3]。

1.1 硬件

1.1.1 输入设备

虚拟现实系统要求用户采用自然的方式与计算机进行交互,传统的鼠标和键盘等交互设备无法实现,需要采用特殊的设备。这些特殊设备需要使用专门设计的接口把用户命令输入计算机,同时把模拟过程中的反馈信息提供给用户。基于不同的功能和目的,有很多种虚拟现实接口用于解决多个感觉通道的交互。主要的输入设备有三维跟踪定位设备、人体运动捕捉设备、手部姿态输入设备及其它手控输入设备。

(1)三维定位跟踪设备。三维跟踪定位设备是虚拟现实系统中用于测量三维对象位置和方向实时变化的硬件设备。通常需要测量用户头部、手和四肢的运动,以便控制方向、运动和操作对象。三维空间中的活动对象有6个自由度,其中3个用于平移,3个用于旋转。当对象高速运动时,需要迅速测量由这些参数定义的六维数据集。

(2)人体运动捕捉设备。人体运动捕捉技术[4]出现在20世纪70年代,迪斯尼公司曾试图通过捕捉演员的动作以改进动画制作效果。目前,捕捉技术已进入实用阶段,成功应用于虚拟现实、游戏等领域。人体运动捕捉的目的是把真实的人体动作完全附加到一个虚拟角色上,表现出真实人物的动作效果。此设备由4个部分组成:传感器、信号捕捉设备、数据传输设备和数据处理设备。目前常用的人体运动捕捉设备是数据衣。它将大量光纤、电极等传感器安装在一个紧身服上,可以根据需要检测出人的四肢、腰部活动以及各关节(如腕关节、肘关节)的弯曲角度,用计算机重建出人体姿态。

(3)手部姿态输入设备。手部姿态输入设备用于测量用户手指(有时也包括手腕)的实时位置,其目的是实现基于手势识别的自然交互。手是人类与外界进行物理接触和意识表达的最主要媒介。在人机交互中,基于手的自然交互形式最为常见,相应的数字化设备也很多,这类产品中最为常见的就是数据手套[6,7]。数据手套是一种穿戴在用户手上可以实时获取用户手掌、手指姿态的设备,可将手掌和手指伸屈时的各种姿势转换成数字信号传送给计算机。目前市面上有多种数据手套,区别在于采用的传感器不同,如美国VPL公司的数据手套采用的是光纤传感器,Vertex公司的赛伯手套采用的是应变电阻片组成的传感器,Exos公司的灵巧手套采用的是金属支架传感装置。

(4)其它手控输入设备。通过对传统的鼠标、键盘等交互设备改进,人们还设计出一些手控输入设备,如三维鼠标、力矩球等。三维鼠标可以完成在虚拟空间中6个自由度的操作,其工作原理是:在鼠标内部装有超声波或电磁探测器,利用这个接收器和具有发射器的固定基座,就可以测量出鼠标离开桌面后的位置和方向。力矩球是一种可以提供六个自由度的桌面设备,它被安装在一个小型的固定平台上,通过测量手所施加的外力,将测量值转化为3个平移运动和3个旋转运动的值。

1.1.2 输出设备

输出设备为用户提供输入信息的反馈,即将各种感知信号转变为人所能接收的多通道刺激信号。主要针对视觉感知的立体显示设备、听觉感知的声音输出设备以及人体表面感知的触觉力觉反馈设备。

(1)立体显示设备。虚拟现实系统的沉浸感主要来源于人类的视觉感知。三维立体视觉是虚拟现实系统的第一反馈通道。由于人类双眼的视差,为了让用户观察到立体的虚拟世界,就需要为用户的左右眼分别绘制出具有视差效果的场景画面,并且将画面单独传送给相应的眼睛。基于这种思路,设计了多种立体显示设备,如台式立体显示系统、头盔显示器、吊杆显示器等。台式立体显示系统由立体显示器和立体眼镜组成,如我们平时看到的3D电影。头盔显示器通常固定在用户头部,头与头盔之间不能有相对运动。头盔上配有三维定位跟踪设备,用于实时探测头部的位置和朝向。头部运动被一个电子单元采样并发送给计算机。计算机利用跟踪设备的反馈数据计算新的观察方向和视点位置,绘制更新后的虚拟场景图像并显示在头盔显示器的屏幕上。

(2)声音输出设备。声音输出设备是对立体显示设备提供的视觉反馈的补充。在虚拟现实系统中,主要使用耳机和喇叭这两类声音输出设备。喇叭允许多个用户同时听到声音,一般用于投影式虚拟现实系统,其位置远离头部。一般来说,耳机比喇叭具有更好的声音控制能力,所以在虚拟现实领域,耳机的应用较为普遍。

(3)触觉、力觉反馈设备。触觉、力觉反馈帮助用户在探索虚拟环境时,利用接触感来识别虚拟对象位置和方向,并操作和移动虚拟物体以完成某项任务。触觉反馈是指来自皮肤表面敏感神经传感器的触感,传送接触表面的几何结构、表面硬度、滑动和温度等实时信息。目前触觉反馈设备主要局限于手指接触感的反馈,种类有:充气式触觉反馈设备,如英国先进机器人研究中心研制的Tele tact充气式触觉手套;振动式触觉反馈设备,如形状记忆合金反馈设备;温度式触觉反馈设备,如日本Hokkaido大学开发的温度反馈设备。力觉反馈指身体的肌肉、肌腱和关节运动所能感受到的力量感和方向感,主要有虚拟对象表面柔顺性、重量和惯性等实时信息。

1.1.3 专业图形处理计算机

专业图形处理计算机是虚拟现实系统的关键部分,它从输入设备中读取数据,访问与任务相关的数据库,执行任务要求的实时计算,从而实时更新虚拟世界状态,并把结果反馈给输出显示设备。由于虚拟世界是一个复杂的场景,系统很难预测所有用户的动作,也很难在内存中存储所有状态,因此虚拟世界需要实时绘制和删除,这就大大地增加了计算量,对计算机的配置提出了极高的要求。

1.2 软件

1.2.1 数据库

在虚拟现实系统中,数据库用来存放虚拟世界中所有对象模型的相关信息和系统需要的各种数据,例如地形数据、场景模型、各种建筑模型等。在虚拟世界中,场景需要实时绘制,大量的虚拟对象需要保存、调用和更新,所以需要数据库对对象模型进行分类管理。

1.2.2 应用软件系统

应用软件系统是实现虚拟现实技术应用的关键,提供了工具包和场景图,以降低编程任务的复杂性。虚拟现实系统使用的工具包分为3类[5]:

(1)三维动画类。这类工具包用于构建三维场景以及场景中的对象,其效果逼真、制作简单,但不能精确控制。主要有3DS Max、Maya、AutoCAD等。

(2)网络场景类。这类工具包在服务器上实现,网络传输信息量少、控制灵活性不足,适用于开发在因特网上的应用。主要有World Toolkit(WTK)、VRML、Java3D等。

(3)直接控制类。这类工具包适用于场景建立时,对涉及的对象进行灵活、精确的控制,其编程要求较高。主要有OpenGL、Direct3D等。

用户根据现场要求选取合适的工具包。应用软件系统应用这些工具包和场景图来完成几何建模、运动建模、物理建模、行为建模和声音建模[8,9]。

(1)几何建模。几何建模描述了虚拟对象的形状(多边形、三角形、顶点和样条)以及外观(表面纹理、表面光强度和颜色)。可以使用以下方法创建虚拟对象:使用工具包编辑、导入CAD文件、使用三维数字化仪、使用三维扫描仪以及从现有数据库中购买模型等。

(2)运动建模。虚拟世界建模过程中,当设置完对象的形状和外观后,接下来要做的就是运动建模。运动建模主要用于确定三维对象在坐标系中的位置,以及它们在虚拟世界中的运动。设置观察世界的方式,即虚拟相机的运动。照相机图形需要经过投影到二维显示窗口中,为用户提供视觉反馈。

(3)物理建模。在几何建模和运动建模之后,下一步是综合体现对象的物理特性,包括重量、惯性、表面硬度、柔软度和变形模式(弹性或塑料)等。这些特性与对象的行为一起,给虚拟世界的模型带来更大的真实感。物理建模主要包括:碰撞检测、受力计算、力平滑、力映射和触觉纹理。

(4)行为建模。有些虚拟对象在一定程度上与用户的动作无关,即对不依赖于用户动作的对象行为建模。

(5)声音建模。声音建模主要是对虚拟场景中三维立体声音的定位与跟踪,让置身于虚拟世界的人能实时识别声音的类型和强度,判定声源的位置。声音建模的过程主要有:产生声音原型;引用原型声音并与移动的三维物体相连;将物体发出的声音变换到接收器上,计算三维环境的调节效果;对声音进行描述说明,在重新取样过程中完成声音再现。

1.2.3 虚拟现实开发平台

虚拟现实开发平台用于三维图形驱动的建立和应用功能的二次开发,同时是连接虚拟现实外设、建立数学模型和应用数据库的基础平台,是整个虚拟现实系统的核心,负责整个虚拟现实场景的开发、运算、生成,连接和协调各子系统的工作和运转。目前主流的虚拟现实开发平台有以下几种[10]。

(1)Vizard软件。Vizard虚拟现实开发平台至今已有10余年的历史。该平台容易上手,不需要丰富的编程经验,即使没有受过专业编程训练的人也能快速实现各种简单的三维交互场景。Vizard软件的图形渲染引擎基于C/C++实现,运用了最新的OpenGL扩展模块,将复杂的三维图形功能进行抽象化封装,并通过Python脚本语言提供编程接口。Vizard支持众多外部输入输出设备,是通用性最好的虚拟现实开发平台。公司主页:http://www.worldviz.com。

(2)Virtools软件。Virtools是一套实时3D环境虚拟实镜编辑软件,特点是易学易用、能用浏览器再现运行,没有程序基础的人员可利用内置的行为模块,快速制作出3D产品,适用于开发Web3D游戏。 公司主页:http://www.virtools.com。

(3)EON软件。EON是一款能将生产研发与行销整合的专业虚拟现实软件,目前,EON被世界公认为是整合性、延展性最好的虚拟现实开发展示系统。它可以读取55种CAD格式,支持99%以上的外设而无需编程,同时支持多种立体显示方式,适用于工商业、学术界和军事单位使用。公司主页:http://www.eonreality.com。

(4)Quest3D。Quest3D分为3个版本:Quest3DCreative是目前最适合个人开发者使用的开发软件。Quest3DPower Edition是完美的三维实时系统开发套件。Quest3DVR Edition使得开发者可以与外部硬件相连并对外部设备进行控制。公司主页:http://quest3d.com。

此外,还有很多用于虚拟现实系统开发的平台,如中视典数字科技有限公司独立开发的VR-Platform(VRP)三维虚拟现实平台软件、国内免费的专业虚拟现实仿真软件VEStudio、实景虚拟现实技术开发平台FlyVR、Unity3D等。

2 结语

虚拟现实技术发展迅猛,但有很多亟待解决的问题和缺陷:

(1)硬件设备难以满足虚拟现实系统需求。计算机的处理速度还不能满足虚拟世界中实时处理巨大数据量需要。硬件设备品种单一,在改进现有设备的同时应加快开发新的设备,以满足不同领域的应用。硬件设备造价过高,一个头盔显示器一般高达数万元。

(2)虚拟现实软件语言专业性强、通用性差。由于硬件设备的诸多限制,使得软件开发费用十分巨大,而软件所能实现的效果受时间和空间的影响较大。很多算法及相关理论也不成熟,如新型传感和感知机理、几何与物理建模新方法、基于嗅觉、味觉的相关理论与技术、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,都有许多挑战性的问题有待解决。

(3)应用局限性。虚拟现实技术应用在军事领域、高校科研方面较多,在教育领域、工业领域应用远远不够,有待进一步加强。未来将向民用发展,并在不同行业发挥作用。

(4)3D眩晕症。3D眩晕症指用户处于虚拟环境中,由于运动频率超过适当的值所产生的类似头晕、恶心、呕吐等不适的感觉,这一症状目前还没有任何科学的解决方法。

作者简介:舒万能(1981-),男,湖北武汉人,博士,中南民族大学计算机科学学院讲师,研究方向为绿色云计算、智能计算。

摘要：随着计算机技术的快速发展,虚拟现实技术及虚拟现实系统需求日益剧增,对虚拟现实技术的研究和虚拟现实系统的开发也倍受重视。分析了虚拟现实系统的架构组成,对每个组成部分的功能和特点进行了分析;对主流的虚拟现实开发平台特性和适用场合进行了分析比较,指出了虚拟现实系统存在的问题。旨在帮助虚拟现实系统开发者对系统架构和组成有详细认识,为其提供研究方向。

关键词：虚拟现实,系统架构,硬件,软件,开发平台

参考文献

[1]赵沁平.虚拟现实综述[J].中国科学:信息科学,2009,39(1):2-46.

[2]邹湘军,孙建,何汉武.虚拟现实技术的演变发展与展望[J].系统仿真学报,2004,16(9):1905-1909.

[3]安维华.虚拟现实技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,2014.

[4]MIDORI KITAGAWA BRIAN WINDSOR.An overview and history of motion capture[EB/OL].http://fanyi.baidu.com/?aldtype=23#en/zh/%5B4%5D%09MIDORI%20KITAGAWA%2C%20BRIAN%20WINDSOR.An%20Overview%20and%20History%20of%20Motion%20Capture.

[5]The software and hardware of virtual reality[EB/OL].[2011-04-02].http://www.docin.com/p-167672398.html.

[6]王海涛,度红望,熊伟,等.气动式反馈数据手套设计与验证[J].计算机辅助设计与图形学学报,2012,24(11):1493-1499.

[7]安明,陈善广,刘玉庆.基于数据手套的虚拟手精确建模的研究与实现[J].计算机仿真,2010,27(1):241-244.

[8]刘光然.虚拟现实技术[M].北京:清华大学出版社,2014.

[9]GRIGORE C.BURDEA,PHILIPPE COIFFET.虚拟现实技术[M].魏迎梅,栾悉道,译.第2版.北京:电子工业出版社,2005.

篇4：虚拟现实教学系统

关键词：虚拟现实；实验教学系统；构建

中图分类号：TP37 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 03-0000-01

Constructing of Network Virtual Experiment Teaching System on Virtual Reality Technology

Li Xiuluan

(Marine Department of 91,040 Troops North China Sea Navy,Qingdao 266231,Chian)

Abstract:The current problems in the experiment teaching were analyzed,and presented the major advantages for the applicatin of network virtual experiment teaching system.The paper conducted a study to construct network virtual experiment teaching system based on virtual reality technology,and specifically analyzed the functional models and the system framework,etc.

Keywords:Virtual reality;Experiment teaching system;Construction

传统的实验教学模式常常以教师为中心，学生要按照教师的布置来完成实验操作。实验中缺少交互的情况广泛存在，使学生常处于被动状态，对于学生主动性学习和创造能力的培养不利。虚拟实验的概念是随着计算机和网络技术的发展而发展起来的，能够使实验者像在真实环境中一样完成预定的实验项目。本文重点结合虚拟现实技术和网络技术来设计一个网络虚拟实验教学系统，并给出系统模型和功能的设计。

一、网络虚拟实验教学系统开发的需求分析

随着素质教育的逐步推进，教育领域对于实验教学的要求也越来越高。传统的实验教学受到实验器材、场地以及其它环境条件的限制，存在许多问题，主要包括以下几个方面：第一，实验中演示性和验证性内容多，实验步骤和方法固定，过程单调，学生在实验中往往忽视对实验现象和实验过程的观察和思考，不利于学生主动性、创造性思维的培养。第二，实验运行效率低、成本高的问题严重。传统实验器材购置和运行成本高，功能有限，支持的实验内容少，容易造成实验设备闲置和实验室空间浪费。第三，实验手段落后，教学效果有限。随着教育改革的不断深入，对教学实验设备的要求也越来越高，但实验设备的更新却很难同步进行，实验手段落后的问题大量存在。

随着计算机技术和网络技术的发展，虚拟实验教学发展很快。网络虚拟实验教学系统是一个基于网络环境的实验教学系统，系统中大量采用数据库、网络、虚拟现实、计算机仿真等技术，能够为学习者提供虚拟的实验环境。与传统实验相比，网络虚拟实验教学系统突破了实验设备硬件的限制，可以根据不同的实验内容调用不同的虚拟实验单元，并将其组合成不同的实验，能够节省实验资源，学生可以通过自主或者在教师指导下方便的进行实验项目的选择，能够有力的提高学生学习的主动性和激发学生的学习兴趣。

二、基于虚拟现实技术的网络虚拟实验教学系统的构建

从教学和管理的角度看，网络虚拟实验教学系统主要包括三类用户：系统管理员、教师和学生。从逻辑结构上看，网络虚拟实验教学系统可分为教师平台、学生平台和系统管理员平台。这三类用户均运行于基于Web的浏览器/服务器（B/S）模式的系统平台之上，网络虚拟实验教学系统的模型结构如图1所示。

系统各个组成部分的主要功能如下：

学生平台：学生在系统中占据中心地位。学生可以经过授权进入虚拟实验教学系统，进行实验项目的选择和实验的相关操作。包括学习实验教学课件、掌握实验原理、观看实验演示过程、了解实验仪器和设备等。之后，学生即可通过设定的实验项目来选择实验仪器和设备，进行仿真实验操作，并对实验结果和实验数据进行分析。实验过程中，学生可以通过系统提交实验报告，随时提出问题并与教师交互学习。教师平台：教师主要是对实验教学的资源进行制作和管理，包括制作实验教学课件，更新和补充实验资料，对虚拟实验对象的数据库进行管理和维护，生成实验项目，监控实验过程，评价实验结果，解答疑难问题等。管理员平台：负责对系统用户进行管理，进行系统安全策略管理和管理与系统配置。虚拟实验仿真系统：虚拟实验仿真系统作为整个系统的控制中心和最关键的构件，用来将各种实验资源、仪器、实验条件、结果和策略等组合在一起呈现给用户，学生通过虚拟实验仿真系统生成的实验对象和仪器进行实验。虚拟实验仪器设备及对象库：用来存放虚拟实验设备和仪器。实验条件和结果库：用来贮存实验条件和实验结果。

三、结束语

实验教学是配合理论教学的关键教学环节，是实践教学的重要组成部分，对于培养学生分析和解决问题的能力以及学生的实践能力都具有重要作用。文中结合虚拟现实技术，对网络虚拟实验教学系统的基本构建进行研究，给出了网络虚拟实验教学系统的模型结构，致力构建实践性强、仿真性好的虚拟实验教学系统。

参考文献：

[1]王国权等.虚拟试验技术[M].电子工业出版社,2004,05

[2]徐紅,刘羽,王林.网络虚拟实验室建设的研究[J].实验科学与技术,2007,5(4):132-134,147

篇5：虚拟现实技术在教学中的应用

虚拟现实技术在教学中的应用主要集中在桌面虚拟现实和分布式虚拟现实,沉浸型虚拟现实由于所需设备昂贵,在教学中的应用较少。虚拟现实技术在远程教育中的应用主要有制作三维网络课件、开设网络实验课程和建构虚拟教室。

1.制作三维网络课件

在教学中,基于HTML的网络课件在不断地发展完善,但却始终不能摆脱二维平面的约束。在课件中加入虚拟现实技术,能挣脱这一枷锁。将虚拟现实和文字、声音、图片、视频等各种媒体有机结合,可以弥补二维平面课件的不足。如,用VRML设计各种三维的模型、物质结构等,可以让学生多角度地观察和学习,更好地理解学习内容。虚拟现实技术还可以再现现实生活中无法观察到的自然现象或事物的变化过程,为学生提供生动、逼真的感性学习材料,帮助学生解决学习中的知识难点。如学习物理知识时,利用虚拟现实技术,向学生展示原子核裂变、半导体导电等复杂的物理现象,供学生观察学习。

2.开设网络实验课程

虚拟实验在网络教育中有着巨大的优势,它可以弥补远程教学条件的不足。虚拟现实实验环境的开发可以真正打破空间、时间的限制,促进网络实验课程的开展。利用虚拟现实技术,还可以建立各种虚拟实验室,如物理、化学、地理、生物等实验室,在“实验室”里,学生可以自由地做各种实验,获得真实的体验。学生还可以通过虚拟实验验证所学的各种理论知识,提出各种假设模型进行虚拟,并通过虚拟系统观察这一假设所产生的结果或效果。例如,在虚拟的化学系统中,学生可以按照自己的假设设计某一化学反应,通过虚拟实验,可以看到相应的反应现象。通过这种探索式的学习方式,可以培养学生的学习兴趣,有利于激发学生的创造性思维,培养学生的创新能力。

3.建构虚拟教室

篇6：虚拟现实技术在景观教学中的应用

由于虚拟现实技术能够满足学习媒体的情景化及自然交互性的要求,从而在风景园林教学领域内有着极其广阔的应用前景。利用虚拟现实技术可以改变高校景观建筑设计专业传统的教学模式,改善实验环境,解决高校普遍存在的教学资源不足的问题,优化教学过程及培养具有创新意识和创新能力的人才。随着教育改革的深入和虚拟现实技术理论的不断完善和发展,虚拟现实技术在景观建筑设计专业中的应用也将不断的拓展。

(一)促进教学观念的变化

传统的教学观念主要是“传道、授业、解惑”,它决定了教学组织形式和教学方法,即以教为主,教师是教学的中心,由教师决定教学内容、结构、教学方法及教学进度,而学生始终处于被动的学习环境中。现代化的教学方法追求教与学的合作化,以讲授引导思维,以教导激发创新,并赋予学生学习的主动性。虚拟现实教学有利于创造这样的环境,以教师为中心的授课形式将会被改变,以学生为中心的个性化教学、合作化教学和虚拟现实环境中的自我探究得以真正实现。虚拟现实正是在现代教育思想指导下,使用新技术改进教学方法的尝试。把虚拟现实技术引入到教学中,从多媒体虚拟现实系统的组织形式看,虚拟现实是非线性的网络结构,逼真的虚拟环境可提供良好的人机交互功能,在这个基础上教学内容的组织安排将特别强调由学生主动参与来构建知识结构,变学生的“被动听讲”为“主动学习”,由“要我学”转变为“我要学”。在这种情况下,教材的意义也将由传统的“教材控制”转变为“学习者控制”,教学内容外在形式的生动化与内在结构的科学化将更紧密地结合起来,这种环境将极大地促进教学观念发生变化。

(二)促进教学内容的变化

教学内容是教学过程中传递的教学信息,是学生获取知识、掌握技术、发展能力的主要源泉。多媒体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。

1.教学内容外在形式的变化

学生的技术水平和动手能力是在实验、实训中培养出来的,在传统的实践教学中,实验课内容主要是学科性的理论验证和学会使用设备、仪器,并从中归纳、总结出规律。这些年来,随着教育技术的发展,从原来只是用录音、录像来辅助文字教材进行教学的方式发展为使用具有人机交互的多媒体技术。多媒体的信息类型有静态的、运动的、超级链接的视觉和听觉信息,媒体信息形式通过计算机的集成处理,提供了超文本、图形、图像、图表、音频、视频和动画。多媒体信息表现形式多样,对于抽象的、概括的概念和原理,除了用文字和语音协同描述以外,还可以用三维实景虚拟现实过程,对于不可视的变化、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。多媒体技术存贮信息量大,教学内容可以用最有效的方式来表现;而且,同一教学内容还可以用多种信息形式来表现,这就有利于克服单一媒体表现及难以协同表现的弊端。虚拟现实所提供的人机交互的特点尤其适用于个性化教育,因人施教、因材施教,培养高素质的综合型景观设计人才。

2.教学内容内在结构的变化

虚拟现实的应用将带来教学内容结构的变化。教学内容的内在结构就是学科知识结构设计,知识结构是学科知识间的逻辑关系,是学科内含智力因素的信息源。传统的教材及实验指导材料都是以线性结构来组织学科知识结构的,知识内容的结构及顺序都是以教为主,教学顺序性很强,学生只能在教师的讲授下获得正确的概念、原理及逻辑关系。这种形式的学习,学生对教师的依赖性很大,教材也只是一种教授材料,学生利用它学习的自由度不大,灵活性不强,难以促使学生从已建立的知识结构向新知识结构迁移。使用虚拟现实技术以后,多种媒体的信息通过网络化超链接,就可以接近人类认知特点的方式去组织和展示教学内容、构建知识结构,这种网状的信息组织方式是一种非线性结构,链是知识之间的层级逻辑关系。虚拟现实与普通多媒体是多媒体信息处理的高度集成,把信息的组织形式与信息内容呈现的多样性、复杂性结合起来,为学生提供了一种动态、开放的结构化认知形式,它既包括了学科的基本内容,又包括了学科内容之间的逻辑关系,既注重知识的形成过程,又注重知识的结构,凭借视觉、听觉、触觉信息的协调作用使教学内容的统一与灵活性得到了完善的结合。虚拟现实的这种非线性结构有利于学生进行扩散思维,联想原有的知识,获得新知识。

(三)促进教学手段的变化

1.互动启发式教学

虚拟现实有助于启发式教学的开展,在演示教学内容方面能以一种直接的信息传递方式,通过亲临其境的、自主控制的人机交互,由视觉、听觉、触觉获取“外界”的反应,提供生动活泼的直观形象思维材料、展现学生不能直接观察到的事物等,形成知识点。学生则从思维、情感和行为3个方面参与教学活动。

2.发现式教学

发现式教学是以解决问题为中心的教学形式,虚拟现实在实训教学中可以让学生进入问题存在的环境,有针对性地建构虚拟情景,引导学生进行探究。虚拟现实教学提供良好的人机交互,还允许学生出错时,自行了解错误的根由及后果,发现解决问题的方法。

3.协同工作式教学

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处于一个虚拟空间中,通过共同参与,且必须具备协同操作能力才能完成某些项目的设计或训练。

4.情境式教学

虚拟现实技术具有动画虚拟现实的能力,能够把教学中的抽象概念原理、真实的实验过程等形象生动地表现出来,给学生创设真实的学习情境,帮助学生获得示范性的知识,把握概念原理的实质。

（四）实际使用

虚拟现实技术最大的优势在于场景的模拟与再现，一旦场景建成，不再受地理空间、时间的限制。可以随时随地调取已有场景信息。运用在景观教学上，主要可以用在:

一、古建、古典园林教学板块（适用课程中西方古典园林史、西方现代景观的理论与实践）

实用意义

中国古典园林是中国传统园林的精髓，分布广泛，各有各自的特色。包括北方园林，南方园林、岭南园林、皇家园林、等众多形式。但是由于地域原因、实地考察学习是一件非常困难的任务。费时费力费钱，并不是所有人都有机会实地考察，也不是所有人一次考察就能体会到精髓。

软件功能构造

通过虚拟现实模拟可以

1）模拟现场建筑、植物、四时、季相变化，现场实际模拟出全部景观。

2）顶视图搭配结构分析、交通分析、功能分区、区域划分、建筑名称分布等。3）同时软件搭配讲解功能，讲解现场石材、建筑由来、古建结构、园林造景手法讲解（全面展示园林造景中的借景、透镜、框景、障景等）、现场全景图展示等。4）使用者可以通过各个角度，各个方向进行观赏。实际使用过程中所观赏不到的地方（比如鸟瞰、四时变化、）

优势分析

1）可以经常性的游览园内场景，体会古典园林的造景手法（以往讲解仅仅局限于图片展示，我们可以模拟现场实际景观，感受体量关系）

2）模拟现场的四季，实时变化。感受阴晴雨雪、感受植物生长对整个环境空间带来的改变。

3）恢复已被破坏的景观，提高人们的参与性，提高可到达性。使人们不仅仅局限在人视点的观察。

4）形象生动的讲述平时口述难以讲清的课程内容。如古建中的斗拱形式，就可以简单生动的展示给学生。

5）提高学生的接受程度、提高课程兴趣、提高学生的参与度。

二、景观案例学习

实用意义：

现代景观大师有相当一部分具有代表性的经典案例，而以往我们对这些案例的学习仅仅局限于平面图、CAD、以及部分的效果图。很难感受到实际的比例关系、尺度、景观效果。更感受不到一个方案从其设计构思、到场地周边环境分析、到基地分析、功能分区、再到方案形成的整个过程。软件功能构造：

1）将完整的方案信息进行展示，以二维或者三维的方式。介绍场地周围的大环境。同时可通过文字或者动画形式展示整个方案的历史环境，政治背景、以及其历史意义。2）将整个设计的骨架信息一层一层展现，包括道路、水体、节点、植物、功能分等。让学生更深入的了解。

3）方案经典介绍。将方案的经典之处进行展示与介绍。同时进行季相、时间变化。4）让学生自行进行设计，之后与经典案例进行比较。优势分析：

1）将经典案例通过三维方式进行展示，直观形象。

2）整合资料，将案例周边环境、历史环境进行详细叙述。3）深入的剖析方案的设计构思与形式。加深理解。

三、植物认知

1）通过动画形式对植物的基础知识进行介绍，包括树叶、树皮、树干形式名称介绍。2）建立植物库，模拟植物的的生长过程，対植物的科属，生长习性，搭配方式进行详细介绍。

3）对不同科属的植物进行分类，以便植物认知。

4）按照季相分类，常绿，落叶，观花、观果等进行详细分类。以便植物认识学习，同时便于设计中随时调取使用。

四、通过增强现实技术辅助设计

1）在设计领域，虚拟现实技术作为一种独特的技术手段，可以有效的解决抽象思维与其所产生的实体间的联系问题。设计师不仅能够充分发挥其艺术想象力，更能够在前期设计阶段就与实际相结合，缩短设计周期，提高设计质量，节省投资。虚拟现实技术可应用于建筑和艺术信息模型项目全生命周期的信息化管理。

2）协助设计师科学准确分析设计信息可快速获取复杂建筑模型进行分析，为建筑师提供全局、客观的设计信息理解。

3）辅助设计在设计过程中，会提出不同的设计方案，对未来的设计形象做多种设想，利用虚拟现实技术建立一个全面、直观、可交互、如实反映设计的三维虚拟模型，便于设计者更直观、全面了解设计，也方便设计师对某个设计细节作局部修改，并实时地与修改前的方案进行分析比较。

2.探索学习

是指通过虚拟现实技术对学生在学习过程中所提出的各种假设进行模拟,直接观察到这一假设所产生的结果或效果。这有利于激发学生的创造性思维,培养学生的创新能力。例如,利用虚拟技术,学生还可以进行温室效应的探索学习,从而分析城市建设对周边环境以及园林绿地和水体对城市小气候的相互影响,探索景观建筑设计新的研究方向。

3.实验实训

是指利用虚拟现实技术建立数字城市与风景园林技术平台,进而方便地创建如规划、建筑、照明、水景、工程机械等各种虚拟实验室,方便师生实验实训。

在虚拟景观建筑实验室里,学生可以对自己设计的景观建筑进行反复的修改和论证,并研究加入“时间因素”后的四维模拟,真实感受时间的艺术,也可以进行建筑环境的分析以及建筑物对周边环境影响的研究。在虚拟照明实验室里,学生可以研究不同电光源在不同配光方式和投光方法下的照明和景观效果,进行道路、广场、建筑、庭院、水景、树木、雕塑、溶洞等各种照明实验。在虚拟的水景工程实验室里,学生可以组装水循环系统,了解工艺流程,研究不同流量和扬程下各种喷头组合的水型效果以及配上灯光后的夜景效果。

虚拟现实的沉浸性和交互性,使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色,全身心地投入到学习环境中去,这非常有利于诸如园林工程机械操作、园林栽培和修剪等各种职业技能的训练。例如,在虚拟的园林起重机训练系统中,学员可以反复操作仿真控制设备,练习在各种用地环境下操作园林起重机的驾驶、起吊和准确落点等,达到熟练掌握相关技能的目的。而虚拟修剪系统也可以低成本地模拟修剪,掌握各类植物修剪的关键,并可直观地评价修剪后的效果。

虚拟现实技术在规划设计领域的运用已得到国内外学者的重视,在景观规划设计方面,国内研究主要集中在景观建模、可视化表达以及技术运用的介绍性研究成果。在历史文化景观再现研究中,景观所包含的历史和文化的内涵,最终都通过人们的感知而传递。作为一种利用人们的感知和构想,具有三维表现力并且富于交互性,从而可以很好地模拟现实的技术,虚拟现实技术在历史文化景观中的应用将会是激动人心的。

虚拟现实技术改变了人们只能从现实生活中获得感知的方式,通过计算机模拟人类的感知,从而制造一个虚拟世界。如果说虚拟现实技术拓展了人们的感知能力,这样一个虚拟世界则增加了人们的生存空间,改变了人们的生活方式。虚拟现实技术还提供了一种超越时间和空间约束,提供人们逼真体验的手段。从时间上说,虚拟现实技术不仅可以模拟现在存在的,再现以前有而现在不存在的,而且可以通过构想,模拟以后可能有的,甚至可以构造现实生活中不可能有的现象和体验。而从空间上来说,虚拟现实可以在甲地模拟乙地的风景,从而用户在甲地就可以体验到身处乙地的感受。这使得人们生活的空间扩大,可以得到的实践和体验增加,如果说人生的价值在于一种实践和体验,这无疑增加了人生所具有的价值。虚拟现实技术还提供了一种超越时空进行信息传递的方式,分布式虚拟现实中,人们可以与来自地球另外一端的用户相遇在一个虚拟世界中,看到彼此的表情和动作,相互进行语言沟通等。