虚拟现实在高校的应用与建设探讨

黄鹏飞

摘 要：虚拟现实从1963年开始，发展至今，已经进入了如军事、农业、医学、工程、教育、娱乐等各个领域。高校如何运用这一技术来给传统教学进行创新与改革，在建设虚拟现实实验室又需要面对怎样的难题呢。

关键词：虚拟现实 高校 教育 实验室

1、引言

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）从1963年开始了声、形、动态的模拟开始，到二十世纪八十年代由美国VPL公司的创建人之一，被誉为VR之父的杰伦·拉尼尔正式提出“Virtual Reality”一词。经历了三十多年的发展，得益于现在计算机的强大运算能力、传输数度以及交互技术，虚拟现实技术得到了进一步的完善以及应用，现在已经进入了一个高速发展的时代。如今虚拟现实技术已经进入了如军事、农业、医学、工程、教育、娱乐、文化等各个领域，为各个领域的发展提供了重要的支持。各国对于虚拟现实不断增加的开发预算，虚拟现实技术的重要性可见一斑。

2、虚拟现实技术简介

虚拟现实是仿真技术的一个重要方向，结合了计算机、图像、传感、多媒体、网络、人机接口等多项技术，创建出一个虚拟世界。除了能让参与者通过装置感受身临其境的感觉外，还能实时地将参与者对虚拟世界的操作进行响应从而做出反馈。

虚拟现实有三个基本特征：

（1）沉浸性，用户在借用装置能进入一个身临其境的虚拟世界中，除了视觉与听觉外，还可能包括触觉、嗅觉等感官的模拟体验。

（2）交互性，用户能通过传感设备（如体感控制器、数据手环、数据手套、动作捕抓等）对虚拟世界进行操作交流和反馈。

（3）构想性，用户能通过虚拟现实突破思维的局限性，将抽象具象化，可以随意构想不可能的环境。

3、虚拟现实技术的应用

3.1军事与科技领域

军事与科技是虚拟现实发展的重要推进力。虚拟军事地图将传统的军事“沙盘”和平面地图逐步取代，这集成了地理、环境、武器与士兵的配置，能够进行模拟作战推演和再现已发生的战争。指挥官、士兵、飞行员、宇航员等人员可以通过虚拟现实进行逼真的模拟训练。而虚拟实验室的投入使医学、工程、农业等实验变得更快更精准。例如虚拟人体的建立将人体可视化，使手术、用药等可以进行仿真模拟；波音公司将飞机的组建设计与产品性能进行虚拟的装配设计。

3.2商业与艺术的应用

虚拟现实发展的另外一个推进力就是在娱乐、展示等商业项目的巨大潜力。虚拟现实有着传统媒体所没有的临场感、交互性以及自主性。例如艺术馆与博物馆利用虚拟现实技术，可以将静态的艺术品与文物的展示变为动态，使参观者更好地欣赏作品，近距离观赏作品也不用担心作品的保护。而在游戏方面，虚拟现实的临场感与交互性已经是游戏发展的下一个方向，而且也越发受到重视。在房地产展示与室内设计，设计师能借助虚拟现实进行高效的规划设计，然后将效果展示给客户，客户的反馈也可以立即去做出更改，改变了以往只能看图纸凭空猜想、图纸难读懂的局面。而伴随着虚拟现实技术的发展运用，虚拟现实艺术也逐渐发展起来。交互性与超文本性是其主要特点，通过虚拟现实、增强现实等手段，将真实世界与数字世界结合，创造出观众可以参与和控制的新型艺术形态。

3.3教育上的应用

3.3.1虚拟实训

虚拟实训是虚拟现实在教育上最常见的运用，利用虚拟现实的沉浸性和互动性，使学生能投入地训练技能。培训飞机驾驶、汽车驾驶、外科手术、军事技能、体育技能等等，由于虚拟系统的无风险性，学生能反复地在模拟情景内练习，从而达到熟练的目的。例如通过飞行模拟，可以在有效安全的情况下模拟出在各种状况与天气中将飞机起飞降落。而通过虚拟人体，外科医学生能反复练习手术的操作。

3.3.2虚拟实验室

虚拟实验室的投入使学校的教学研究可以突破传统实验的时间、空间的限制，节省了场地、经费、实验设备等费用。除了能规避真实实验操作带来的各种危险外，虚拟实验室还能将传统实验需要大量时间才能观察变化的过程在短时间就可以呈现出来。在生物和农业等需要大量时间等待的实验中，能将实验结果在一个短时间就可以运算出模拟结果。而借助虚拟人体，可以有效地进行术后效果预测，药物研制实验。

3.3.3虚拟演示

虚拟演示技术为学生提供了更加生动和逼真的教学过程，在演示一些难懂原理或者费用高昂的实验时，虚拟现实是非常有力的工具。除了提供给学生身历其境的体验以外，还可以很方便地即时调整展示模型的数据来直观地比对分析。例如在一些物理概念、生物结构、建筑设计等方面的演示，可以更立体地将需要表现的效果表现出来，让学生更好地理解和识别，从而加深了学习的效果。

4、关于高校建设虚拟现实实验室的建设

虚拟现实虽然在高速发展，但是现阶段的设备价格还是比较高昂。在硬件配备上，由于沉浸式体验头盔在刷新率需要在90帧以上才不会导致用户出现眩晕感，所以基本的计算机配置要求相当高，尤其是在显卡图形处理能力上面，在各家虚拟现实头盔的厂家推荐配置上，显卡普遍要求使用CUDA核心在1664个以上的显卡，而内存容量需要8G以上，至于CPU方面需要四核，主频在3.3GHz以上，硬盘则推荐使用固态硬盘。

除却计算机以外，虚拟现实还需要配备头戴式显示器，除了现在主流的沉浸式虚拟现实眼镜，还有微软推出的头戴式显示增强眼镜，然而后者的价格是前者的四倍以上。还有就是人机交互设备，现阶段主流的是使用操作手柄对虚拟世界进行交流，但是对于用户的沉浸感体验并不友好，而厉动（Leap Motion）技术能實现精密的手势识别，用户只需要在空中通过双手就可以对虚拟世界进行交互操作，是未来的一个发展方向，相同的还有微软的Kinect体感控制器。最后是位置追踪器，一个能定位用户空间位置，使用户在一定范围内移动的装置，一般是借助虚拟现实眼镜上的摄像头来进行定位，如HTC VIVE则是有一个独立的装置，使用激光于光敏传感器来确定物体位置。

以上就是架构虚拟现实装置的基本配置，除去这些配置以外，还需要配备一定的使用空间给用户使用时活动。

5、结言

如何加强虚拟现实在高校教育的应用，还在一个探索的阶段，而且由于现阶段虚拟现实设备的价格较高，大大制约了虚拟现实实验室在高校教育的推广与应用。但随着未来设备硬件技术的发展与需求的进一步扩大，可预见虚拟现实设备会逐步步价格下降。国家发改委也将虚拟现实和现实增强纳入了“互联网+”的建设专项，未来虚拟现实技术将会在高校教育中越发重要，对于提高高校教育信息化建设的水平存在着重要意义。

参考文献

[1]邹湘军.虚拟现实技术的演变发展与展望[M].系统仿真学报，2004.09.

[2]魏伟.虚拟现实技术在高等教育中的应用和展望[M].中国教育信息化，2012.01.

[3]赵晓华，陈辉.VR技术在高职教学中的应用[M].电脑知识与技术，2009.06.