浅谈虚拟现实技术new.doc

1、浅谈虚拟现实技术及其对教育的影响第一章 虚拟现实技术概论1.1 虚拟现实技术概述虚拟现实技术（简称 VR） ，又称“灵境技术” 、 “虚拟环境 ”等。虚拟现实从英文“Virtual Reality”一词翻译过来， “Virtual”的含义即这个世界或环境是虚拟的，不是真实的，是由计算机生成的，存在于计算机内部的世界；“Reality ”的含义是真实的世界或现实的环境，把两者合并起来就称为虚拟现实，也就是说采用计算机等设备，并通过各种技术手段创建出一个新的环境，让人感觉到就如同处在真实的客观世界一样。虚拟现实技术是 20 世纪以来科学技术进步的结晶，集中体现了计算机技术、计算机图形学、多媒体技术

2、、系统仿真技术、传感技术、显示技术、人体工程学、人机交互理论、人工智能等多个领域的最新成果。虚拟现实技术现在已成为信息领域中及多媒体技术、网络技术之后被广泛关注及研究、开发与应用的热点，也是目前发展最快的一项多科学综合技术。虚拟现实技术的应用前景十分广阔。它始于军事和航空航天领域的需求，但近年来，虚拟现实技术的应用已大步走进工业、建筑设计、教育培训、文化娱乐等方面。它正在改变着我们的生活。1.2 虚拟现实技术的特性虚拟现实技术系统提供了一种先进的人机接口，它通过为用户提供视觉、听觉、触觉等多种直观而自然的实时感知交互的方法与手段，最大程度地方便了用户的操作，从而减轻了用户的负担、提高了系统的工

3、作效率，其效率主要由系统的沉浸程度与交互程度来决定。美国科学家 Burdea G.和 Philippe Coiffet 在 1993 年世界电子年会上发表了一篇题为“Virtual Reality System and Applications”（虚拟现实系统与应用）的文章，在该文中提出一个“虚拟现实技术的三角形”，它表示虚拟现实技术具有的 3 个突出特征：沉浸性、交互性和想象性。1. 沉浸性沉浸性（Immersion）又称浸入性，是指用户感觉到好像完全置身于虚拟世界之中一样，被虚拟世界所包围。虚拟现实技术的主要特征就是让用户觉得自己是计算机系统所创建的虚拟世界中的一部分，使用户由被动的观察者

4、变成主动的参与者，沉浸与虚拟世界之中，参与虚拟世界的各种活动。比较理想的虚拟世界可以达到使用户难以分辨真假程度，甚至超越真实，实现比现实更逼真的效果。虚拟现实的沉浸性来源于对虚拟世界的多感知性，所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知、听觉感知之外，还有力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知、身体感知等。从理论上来说，虚拟现实系统应该具有一切人在现实生活中所具有的所有感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实系统中，研究与应用中较为成熟或相对成熟的主要是视觉沉浸、听觉沉浸、触觉沉浸、嗅觉沉浸，有关味觉等其它的感知技术正在研究之中，不是很成熟。2. 交

5、互 性在虚拟现实系统中，交互性（Interactivity）的实现与传统的多媒体技术有所不同。从计算机发明到现在，在传统的多媒体技术中，人机之间的交互工具主要是通过键盘与鼠标进行交互，而虚拟现实系统强调人与虚拟世界之间要以自然的方式进行，如人的走动、头的转动、手的移动等，通过这些，用户与虚拟世界交互，并且借助于虚拟系统中特殊的硬件设备（如数据手套，力反馈设备等），以自然的方式，与虚拟世界进行交互，实时产生在真实世界中一样的感知。例如，用户可以用手直接抓取虚拟世界中的物体，这时手有触摸感，并可以感觉物体的重量，能区分所拿的东西，并且场景中被抓的物体也立刻随着手的运动而移动。虚拟现实技术的交互性具

6、有以下特点：1) 拟环境中人的参与与反馈虚拟现实系统中人是一个重要的因素，这是产生一切变化的前提，正是因为有了人的参与和反馈，才会有虚拟环境中实时交互的各种要求与变化。虚2) 人机交互的有效性人与虚拟现实系统之间的交互是基于真实感情的虚拟世界，并与人进行自然的交互，人机交互的有效性是指虚拟场景的真实感，真实感是前提和基础。3) 人机交互的实时性实时性是指虚拟现实系统能够快速响应用户的输入。例如头的转动后能立即在所显示的场景中产生相应的变化，并且能得到相应的其它反馈；用手移动虚拟世界的一个物体，物体位置会立即发生相应的变化。没有人机交互的实时性，虚拟环境就失去看真实感。3. 想象性想象性（Ima

7、gination）指虚拟的环境是人想象出来的，同时这种想象体现出设计者相应的思想，因而可以用来实现一定的目标。所以说虚拟现实技术不仅仅是一种媒体或一种高级用户接口，它同时还是为解决工程、医学、军事等方面的问题而由开发者设计出来的应用软件，通常它以夸大的形式反映设计者的思想，虚拟现实系统开发是虚拟现实技术与设计者并行操作，为发挥它们的创造性而设计的。例如当你在设计一座大楼之前，传统的方法是绘制建筑设计图纸，无法形象展示建筑物更多的信息，而现在可以采用虚拟现实系统来进行设计与仿真，非常形象直观。制作的虚拟现实作品反映的就是某个设计者的思想，只不过它的功能远比那些呆板的图纸生动强大的多。这就是虚拟现

8、实的想象性的特性。1.3 虚拟现实系统分类在虚拟现实系统中，对于虚拟现实技术的“沉浸性”程度，我们可以将虚拟现实系统分为不同类型的系统，分别有沉浸式虚拟现实系统、桌面式虚拟现实系统、增强式虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统。对于这几种虚拟现实系统，下面做简单介绍：沉浸式虚拟现实系统（Immersive VR）是一种叫高级、较理想的虚拟现实系统，因为它可以提供一个完全虚拟的体验，使用户体验到置身于真实世界中一样。在虚拟现实系统中，它通常采用洞穴式立体显示装置或头盔式显示装置等设备，首先把用户的视觉、听觉、和其他感觉封闭起来，由于采用多种输入和输出设备营造一个虚拟环境，所以用户感觉起来一般具有高度的

9、实时性和沉浸感，似乎使用户与外界隔离一样，并不受外界真实环境影响。增强式虚拟现实系统（Augmented VR）既可以使用户看到真实世界，也可以使用户看到真实世界中叠加的虚拟对象，其实增强式虚拟现实系统就是把虚拟环境和真实环境组合在一起的系统，在增强式虚拟现实系统中，用户可以利用虚拟对象所提供的信息来加强现实世界的了解。桌面式虚拟现实系统（Desktop VR）也称窗口虚拟现实系统是利用个人计算机或初级图形工作站等设备，以计算机屏幕作为用户观察虚拟世界的一个窗口，采用立体图形、自然交互等技术，产生三维立体空间。桌面式虚拟现实技术中，用户一般需要借助于一些硬件设备（如立体眼镜）和交互式设备（如数

10、据手套和空间跟踪器）来感受虚拟世界，从而产生一些沉浸感。此时，用户不完全处于沉浸的环境，他仍然会感受到周围的现实环境的存在，受到现实环境的干扰。分布式虚拟现实系统（Distributed VR）是虚拟现实技术和网络技术发展和结合的产物，它的目标是在“沉浸式“的基础之上，使分布在不同地理位置的多用户或多个虚拟世界通过网络联系在一起，将每个用户参与到一个虚拟环境中，计算机通过网络进行交互，共同体验虚拟经历，达到工作的目的。第二章 虚拟现实系统的硬件设备虚拟现实系统和其他类型的计算机应用系统一样，有硬件和软件两大部分组成。要建立一个虚拟现实系统，硬件设备是基础。在虚拟系统中，硬件设备主要由 3 个部

11、分组成：输入设备、输出设备。2.1 虚拟现实系统的输入设备有关虚拟现实系统的输入设备分为两大类，一类是基于自然的交互设备，如数据手套、三维控制器、三维扫描仪等设备，另一类是三维定位跟踪设备，如电磁跟踪系统、声学跟踪系统、光学跟踪系统、机械跟踪系统、惯性位置跟踪系统等。数据手套（Data Glove）是美国 VPL 公司推出的一种传感手套，它已成为一种被广泛使用的输入传感设备，它是一种穿戴在用户手上，作为一只虚拟的手用于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、操作、控制，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。三维控制器(3D Mouse)包括三维鼠标和

12、力矩球（Space Ball）,和平常鼠标相比，普通鼠标只能感受在平面的运动，而三维鼠标可以让用户感受到在三维空间中的运动，其工作原理是在鼠标内部装有超声波或电磁发射器，利用配套的接收设备可检测到鼠标在空间中的位置与方向。力矩球通常被安装在固定平台上，用户可以通过手的扭动、挤压、来回摇摆等操作，来实现相应的操作。它是采用发光二极管和光接收器，通过安装在球中心的几个张力器来测量手施加的力，力矩球既简单有耐用，而且可以操纵物体。三维扫描仪（3Dimensional Scanner）有称为三维数字化仪或三维模型数字化仪，是一种较为先进的三维模型建立设备，是当前使用的对实际物体三维建模的重要工具，三维

13、扫描仪与传统的平面扫面仪相比有很大区别，首先扫面对象的不同，传统的扫描仪的对象是平面图案，而三维扫描仪的对象是立体的实物。其次，三维扫面仪通过扫面，可以获得物体的三维空间坐标，而且它所输出的不是二维图像，而是三维空间坐标。电磁跟踪系统是一种常见的跟踪器，其原理是利用磁场的强度来进行位置和方位跟踪。根据所发射磁场的不同，电磁跟踪系统又可以分为交流电发射器型与直流电发射器型。声学跟踪系统利用超声发射器发射声波，然后利用超声接收器接受信号，一般轻便的超声接收器部分安装在头盔上，超声发射器安装在天花板上。声学跟踪器的优点是：不受电磁干扰，不受临近物体的影响，轻便的接收器易于安装在头盔上，但是工作范围有

14、限，信号传输易受到温度、气压、湿度等因素影响，还受到环境反射声波的影响。光学跟踪技术也是一种比较常见的跟踪技术，通常利用摄像机等设备获取图像，然后利用立体视觉计算。这种技术最明显的优点是速度快，实时性比较强，在许多军用的虚拟现实系统中都使用光学跟踪系统。但是由于光学跟踪系统受光的影响，所以容易受视线阻挡的限制。2.2 虚拟现实系统的输出设备在虚拟现实系统中，人置身与虚拟世界中，要是人体得到沉浸的感觉，所以虚拟世界需要提供各种感受模拟人在现实世界中的多种感受，如视觉、听觉、触觉、味觉等，对于现在的技术水平，我们现在只有视觉、听觉和触觉感知的设备。下面来介绍几种虚拟现实系统是输出设备：1) 视觉感

15、知的设备一般有头盔式显示器、洞穴式立体显示装置等：头盔式显示器（Head-Mounted Display,HMD）是虚拟现实系统中常用的一种立体显示设备，它一般安装在头部，头盔显示器上配有空间位置跟踪设备，能实时检测出头部的位置，虚拟现实系统能在头盔显示器的屏幕上显示出反映当前位置的场景图像。洞穴式立体显示装置（Computer Automatic Virtual Environment,CAVE） ，主要包括专业虚拟现实工作站、多通道立体投影系统、虚拟现实多通道立体投影软件系统、房间式立体成像系统四部分。CAVE 把高分辨的立体投影技术和三维计算机图形技术、音响技术、传感器技术等综合在一起，

16、产生一个完全沉浸的虚拟环境。一般这个虚拟环境是一个立方体，像洞穴一样，所以成为洞穴式立体显示装置。CAVE 系统可用于各种模拟与仿真、游戏等。2) 听觉感知设备对于我们来讲比较熟悉，一般有耳机和喇叭等，不同的耳机有不同的电声特性，有护耳式耳机和插入式耳机（或耳塞） 。喇叭与耳机相比，具有自己的一些特点，比如声音比较大，可使多数人感受等。3) 触觉反馈装置主要局限于手指触觉反馈装置。一般有基于视觉、电刺激式、神经肌肉刺激式、充气式和振动式等。基于视觉的触觉反馈装置就是用眼睛来判别两个物体之间是否有接触，这是虚拟系统中常用的方法。电刺式是指用电脉冲来刺激皮肤，通过皮肤感觉反馈来达到目的，而神经肌肉

17、刺激式是通过生成的刺激信号去直接刺激用户相应的感受器官的外壁，所以电刺激式和神经肌肉刺激式都有一定的危险性。较安全的方法一般是充气式和振动式，在充气压力式触觉反馈装置中，手套中一般都配置了一些微小的气泡，这些气泡可以按需要来压迫刺激皮肤达到触觉反馈的目的。振动式触觉反馈装置的系统是采用轻型的形状记忆合金作为传感器制成的装置，其基本原理是把记忆合金做成一定的形状与手指放在一起，当记忆合金丝通电加热时，它产生收缩，从而拉动触头，是触头顶出表面，接触手指皮肤而产生触觉感知。第三章 虚拟现实系统的相关技术3.1 环境建模技术在虚拟现实系统中，虚拟环境是虚拟现实的基础，所以虚拟环境的建立首先要建模，然后

18、再在其基础之上进行实时绘制、立体显示，形成一个虚拟的世界。但虚拟环境的建模技术与其它一般图形建模技术不同，主要表现在：虚拟环境中往往需要很多物体，所以需要建造大量完全不同类型的物体模型；虚拟环境中的物体有些有自己的行为，而一般图形建模技术中的物体只是静止或一些简单是运动；虚拟环境中的物体必须有良好的操作性，当用户对物体进行操作时，可以物体必须以适当的方式作出反映。在虚拟现实系统中，环境建模应该应该包括视觉、听觉、触觉、力觉、味觉等多种感觉通道的建模。但是由于目前的技术的限制，常见的有三维视觉建模和三维听觉建模。三维视觉建模又分为几何建模、物理建模和行为建模。1. 几何建模技术基于几何的建模技术

19、主要对象是对物体几何信息的表示与处理，它涉及几何信息数据结构及相关构造的表示与操纵数据结构的算法建模方法。几何模型一般分为面模型与体模型两类。面模型用面片来表现对象的表面，其基本几何元素多为三角形；体模型用体素来描述对象的结构，其基本几何元素多为四面体。面模型相对体模型来说更简单一些。几何建模通常有以下几种：1) 利用相关程序语言来进行建模。如 OpenGL、Java3D、VRML 等，这种方法针虚拟现实技术的特点而编写，编程容易，效率较高。2) 直接选用商品图形库中的一些图形，这样可以节省大量时间。3) 利用常用建模软件进行建模。如 AutoCAD、3DMAX、SoftImage、Pro/E

20、等，但是这类软件的一个问题是并非完全为虚拟现实技术所设计，所以在使用时必须要通过适当的处理。2. 物理建模技术在虚拟现实系统中，虚拟物体必须像真的一样。所以说几何模型的下一步是发展物体建模，即在建模时考虑物体的物理属性。常见的物理建模方法有分形技术和粒子系统：1) 分形技术分形技术是指可以描述具有自相似特征的数据集。自相似的典型例子是树：若不考虑树叶的区别，当我们靠近树梢时，树的树梢看起来也像一棵大树。由相关的一组树梢构成一根树枝，从一定距离观察时也像一棵大树。当然，由树枝构成的树从适当的距离看时自然是棵树。虽然，这种分析并不十分精确，但比较接近。这种结构上的自相似称为统计意义上的自相似。自相

21、似结构可用于复杂的不规则外形物体的建模。如河流和山体的地理特征建模。分形技术主要用于虚拟环境中的静态物体建模，且常用作远景。其优点是用简单的操作完成复杂不规则物体建模，缺点是计算量大，不利于实时性。2) 粒子系统粒子系统是用简单的体素完成复杂的运动的建模。所谓体素是用来构造物体的原子单位，体素的选取决定了建模系统所能构造的对象范围。粒子系统由大量称为粒子的简单体素构成，每个粒子具有位置、速度、颜色和生命周期等属性，这些属性可根据动力学计算和随机过程得到。根据这个可以产生运动进化的画面，从而在虚拟现实中，粒子系统常用于描述火焰、水流、雨雪、旋风、喷泉等现象。在虚拟现实中粒子系统用于动态的、运动的

22、物体建模。3. 行为建模技术几何建模与物理建模相结合，可以部分实现虚拟现实的特征，而构造一个逼真的的模拟现实世界的虚拟环境，必须采用行为建模技术。行为建模技术主要研究物体运动的处理和对其行为的描述。行为建模不仅赋予模型外形、质感等表现特征，也赋予模型物理属性和行为反应能力。常见的行为建模方法有：1) 运动学方法运动学方法是指通过几何变化如物体的平移和旋转等来描述运动。在运动控制过程中无须知道物体的物理属性。物体的运动是通过在关键帧中规定一些关键动作，然后通过图形内插的方法来形成运动的画面。由于运动学方法产生的运动是基于几何变换的，复杂场景的建模将显得比较困难。2) 动力学仿真运动力学运用物理定

23、律而非几何变换来描述物体的运动。在这种方法中，物体的运动是通过物体的质量和惯性、力和力矩以及其它的物理作用计算出来的。这种方法的优点是对物体运动的描述更精确、更自然。与运动学相比，动力学方法能生成更逼真的运动，而且需要指定的参数较少，但是计算量很大，而且难以控制。动力学方法的一个重要问题是对运动的控制。采用运动学动画与动力学仿真都可以模拟物体的运动行为，但各有其优越性和局限性。运动学动画技术可以做得很真实和高效，但应用面不广，而动力学仿真技术利用真实规律精确描述物体的行为，比较注重物体间的相互作用，较适合物体间相互交换较多的环境建模。它具有广泛的应用领域。3.2 真实感实时绘制技术所谓真实感绘

24、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。所谓实时绘制是指当用户视点发生变化是，他所看到的场景需要及时更新，这就要保证图形显示更新的速度必须跟上视点的速度，否则就会产生迟滞现象。一般说消除迟滞现象，计算机每秒必须生成 10-20 帧图像。与传统的真实感图形绘制有所不同，传统的真实感图形绘制的算法追求的是图形的高质量与真实感，而对每帧画面的绘制速度并没有严格要求，而在虚拟现实系统中实时三维绘制要求图形实时生成，可用限时计算技术来实现。但是就目前计算机图形学水平而言，只要有足

25、够的计算时间，就能生成准确的像照片一样的计算机图像。但虚拟现实系统要求的实时图形生成，由于时间的限制，使我们不得不降低虚拟环境的几何复杂度和图像质量，采用其它技术如纹理映射、环境映照、反走样等来提高虚拟环境的逼真程度。下面来简单叙述上述几种方法:纹理映射是将纹理图像帖子简单物体的几何表面，以近似描述物体表面的纹理细节，加强真实性。贴上图像实际上是个映射过程。纹理映射是一种简单、有效改善真实性的措施。它以有限的计算量，大大改善显示逼真性。实质上，它用二维的平面图像代替三维模型的局部。环境映照，具体来讲，一个点的环境映照可通过取这个点为视点，将周围场景的投影变形到一个中间面上来得到的，中间面可取球

26、面、立方体、圆柱体等。这样，当通过此点沿任何方面视线方向观察场景时，环境映照都可以提供场景的完全、准确的视图。反走样，就是在绘制过程中的一个走样问题，防止图形的失真。关于真实感实时绘制技术，具体有以下几种技术：1. 基于几何图形的实时绘制技术基于几何模型的实时动态显示技术2. 基于图像的实时绘制技术基于图像的绘制技术（Image Based Rendering,IBR）,完全摒弃了传统的先建模、后确定光源的绘制方法，它直接从一系列已知的图像中生成未知视角的图像。基于图像的绘制技术是基于一些预先生成的场景画面，对接近与视点或视线方向的画面进行交换、插值与变形，从而快速得到当前视点处的场景画面。3

27、.3 三维虚拟声音的实现技术在虚拟现实系统中，听觉信息是仅次于视觉信息的第二传感信道，听觉信道给人的听觉系统提供声音显示，也是创建虚拟世界的一个重要组成部分。为了提供真实感，在虚拟现实系统中加入与视觉并行的三维虚拟声音，既可以增强想虚拟世界中的沉浸性和交互性，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。三维虚拟声音与立体声音不同，立体声音有左右声道之分，听者感觉声音是来自与某一个平面，而三维虚拟声音， ，听者感觉到的声音是来自围绕听者双耳的一个球形中的任何地方，即声音可能出现在头的上方、后方或者前方。三维虚拟声音系统中最核心的技术是三维虚拟声音定位技术，他的主要特征有全向三维定

28、位特性（3D steering） 、三维实时跟踪特性（3D Real-Time Localization） 、沉浸感与交互性。三维虚拟声音技系统中，有语音识别技术和语音合成技术。语音识别技术（Automatic Speech Recognition,ASR）,是指将人说话的语音信号转换为可被计算机程序所识别的文字信息，从而识别说话人的语音指令以及文字内容的技术。语音识别一般包括参数提取、参考模式建立、模式识别等过程。语音合成技术（Text to Speech,TTS）,是指用人工的方法生成语音的技术，当计算机合成语音，如何能做到听话人能做到听话人能理解其意图并感知其情感，一般对“语音”的要求是

29、可懂、清晰、自然、具有表现力。3.4 立体显示技术虚拟现实系统中，通过建模软件所建立虚拟环境，要使用户能够感觉更逼真的效果，需要借助于一些特殊的技术，比如在视觉显示技术中，需要立体显示技术，有关立体显示技术，有彩色眼镜法、偏振光眼镜法、串形式立体显示法等。当我们在观看电影时，我们常用戴红绿滤色片眼镜看的立体电影时，这种方法就是彩色眼镜法，其原理就是在进行电影拍摄时，先模拟人双眼位置从左到右两个视角拍摄出两个影像，然后分别以滤光片（红、绿滤光片为多）投影重叠印到同一画面上，制成一条电影胶片，然后戴上红绿色眼镜进行观看。既彩色眼镜法之后，偏振光眼镜法出现了，目前应用比较多。偏振光眼镜法是在立体电影

30、放映时，采用两个电影机同时放映两个画面，重叠在一个屏幕上，并且在放映机镜头前分别装有两个相互为 90 度的偏振光镜片，投影在不会破坏偏振光方向的金属幕上，成为重叠的双影，观看时观众戴上偏振轴互为 90度、并与放映画面的偏振光相应的偏光眼镜，即可把双影分开，形成一个立体效果的图像。串行立体现实技术也是当今应用较多的，它是以一定频率交替显示两幅图像，用户通过以相同频率同步切换的有源或无源眼镜来进行观察，使用户双眼只能看到相应的图像，其真实感较强。第四章 虚拟现实系统的相关软件4.1 虚拟现实技术建模工具软件在计算机应用领域中，常见的三维动画制作软件很多，它们可以用来对物体等进行三维建模，目前使用最

31、广泛的有 3DS MAX、XSI 与 Maya 等相关软件，它们通常也可以用来在虚拟现实技术中对虚拟环境进行建模。在虚拟现实系统中，现在主要是有关视觉的建模。关于三维视觉建模的工具软件有很多，除了较为通用的建模软件，如 3DS MAX、XSI、AutoCAD 与Maya 等，还有专门的为虚拟现实、视景仿真、声音仿真等专用建模工具，如Creator、Creator-Pro、Cresator TerrainStudio、SiteBuilder3D、PolyTrans 、DVE-Nowa 等。下面来介绍几种软件：3DStudio MAX,简称 3DS MAX，由著名的 AutoDesk 公司推出的一

32、种功能强大的三维设计软件包，是当前世界上销量最大的一种三维建模、虚拟现实建模软件。3DS MAX 又有强大的功能，它被广泛地应用于电视及娱乐业中，如片头动画和视频游戏的制作、在影视特效方面是应用。在虚拟现实技术的建模中，和其它同类软件相比，3DS MAX 比较容易学习，性价比高，而且提供了强大的建模功能，用户人数较多。Maya 是一个非常优秀的三维动画制作软件，尤其专长于角色制作，并以建模功能强大着称，由 Alias/Wavefront 公司推出。Maya 是目前世界上最为优秀的三维动画制作软件之一，操作界面及流程与 3DS MAX 比较类似。主要是为了影视应用而研发的。除了影视方面的应用外，

33、Maya 在虚拟现实技术、三维动画制作、影视广告设计、多媒体制作甚至游戏制作领域都有很出色的表现。其优点是能更快地完成复杂的建模任务，制作效果更好的游戏。4.2 虚拟现实技术开发工具软件虚拟现实是极其复杂的，必须具有灵活性、可移植性、与实时交互的特性，所以可以介绍几种常见的开发工具：WTK(World Tool Kit)是美国 Sense8 公司开发的虚拟现实系统中一种简洁的、跨平台软件开发环境，也是世界上最先进的虚拟现实和视觉模拟开发软件之一。它经常应用于科学和商业领域建立高性能的、实时的、综合 3D 工程。WTK 支持于基于网络的分布式模拟环境以及工业大量的界面设备，如头盔显示器、跟踪器、

34、和导航控制器。WTK 它提供了强大的功能，它可以开发出最复杂的应用程序，同时 WTK 的算法设计可以使得画面品质得到保障。 Vega 是 MultiGen-Paradigm 公司最主要的工业软件环境，用于实时视景仿真、虚拟现实技术及其他可视化领域的世界领先的软件环境。Vega 将先进的模拟功能和易用工具相结合，对于复杂的应用，能够提供便捷的创建、编辑和驱动工具。Vega 是一个非常理想的软件工具，因为 Vega 为我们提供了一个稳定的、兼容、简单易用的界面，是我们能够高效地开发和维护工作。Vega 和其他同类型的软件相比，它的 LynX 图形用户界面是独一无二的，LynX 是一种基于X/Mot

35、if 技术的点击式图形环境，使用 LynX 可以快速、容易、显著地改变应用性能、视频通道、多 CPU 分配、视点、观察者、特殊效果、一天中不同的时间、系统配置、模型、数据库及其它，而不用编写源代码。第五章 虚拟现实系统在教育中的应用随着科学技术的发展，虚拟现实技术慢慢渗透到各个领域，目前虚拟现实技术在军事、航空、娱乐、医学、教育等方面应用的越来越广泛。在此我们仅对于虚拟现实技术在教育这方面的应用进行介绍。1. 虚拟现实技术在普通教育中的应用虚拟现实系统可分为 4 种不同类型的系统，分别是沉浸式虚拟现实系统、桌面式虚拟现实系统、增强式虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统。但是近期虚拟现实技术在教育方

36、面的应用主要是桌面式虚拟现实系统和其相关技术。如 QuickTimeVR、VRML、MUD/MOO 等，其中QuickTimeVR、VRML 技术应用的比较多。VRML（Virtual Reality Modeling Language 即虚拟现实建模语言）是一种独立的语言平台，能够构造出圆柱体、球体、立方体等一些简单的物体。VRML 技术主要是创建三维实体和对模型对象编程与外部进行信息交递以实现交互功能，因此 VRML 具有支持实时交互，建模容易的优点。QuickTimeVR（QuickTime Virtual Reality 即 QTVR） ，它是由美国苹果公司所开发的跨平台多媒体套件，支

37、持各种格式的影片、图片、流媒体、动画、声音、虚拟现实以及具有互动效果的文件的虚拟实境技术。简单的来说是一种在个人计算机平台上使用，基于静态图像处理的初级虚拟实境技术。Q uickTime VR 非 常 易 于 使 用 ,用 户 在 使 用 时 不 需 要 特 殊 的 照 相 设备 ,无 论 是 简 单 的 照 相 机 、 专 业 级 单 反 相 机 还 是 数 字 相 机 都 可 以 满 足 需 求 。所 有 的 全 景 照 片 都 可 以 直 接 输 入 计 算 机 并 被 转 换 成 QuickTime VR 格式 。 用 户 可 以 手 工 调 整 图 像 ,并 且 透 明 地 查 看

38、交 叠 图 像 ,这 一 特 性 为 图 像之 间 的 精 细 调 整 提 供 了 便 利 。2. 虚拟现实技术在教育中应用的优势由于虚拟现实技术能够提供视觉、听觉、触觉、等多种感觉信息，以及用户能够以自然的方式参与虚拟环境进行交互作用，因此，参与者能够身临其境地参与到虚拟环境中的事件之中，从而可以获得最大的控制和操作整个事件的自由度。这种多维度的交互信息环境，将为参与者以最直观、最有效的方式掌握一门新知识、新技能提供前所未有的新途径，也意味着虚拟现实技术对教育产生了深刻的影响。1) 学习手段更全面虚拟现实技术要实现的是一种新型的、多维化的、人机和谐的信息系统。它为人们提供了新的学习手段，突出

39、了形象思维和逻辑思维的结合、认知和感知结合的并用，从而将对认识主体是学习方式和思维发展有重要的影响。一般而言，传统上人与计算机通过键盘、二维鼠标和显示屏等进行交互， ，人类的经验、知识以及数字化形式存储在数据库内，这是单维的信息空间。但是在虚拟现实技术的多维信息空间中，人与虚拟现实系统通过各种先进的传感器和作用器发生联系。人通过传感器把自己的经验和体验传送给以计算机为核心的虚拟现实系统，并通过作用器把处理结果输出给人。人基于过去的已有经验、现时体验以及虚拟现实系统的现时输出，从而以认知和感知相结合的形式来提高自己的认识能力。虚拟现实技术使得人们沉浸到虚拟环境中，使用户得到启发和加深对事物的了解

40、。 2) 教学情境更真实虚拟现实系统能够通过虚拟现实相关技术，建立一个虚拟现实环境，当人参与其中时，能够在解决问题时产生身临其境的感觉。虚拟现实系统能够提供情景化、虚拟化学习环境。虚拟现实系统多维度呈现信息，学习者学习时调动了视觉、听觉、触觉等多感官的参与。如利用 VRML 建立语言，可以开发集成声音、图像及其他多媒体技术的三维空间的远程教育中心区，用户可以进入教育中心区和答疑区、考试区等不同的虚拟环境，进行实时的教学和交流，同时应用虚拟仿真学习环境，可以突破时空的限制。当然，虚拟现实技术在的应用，开创了“虚拟教学” 、 “虚拟教室”等，如当学生戴上头盔式显示器或其他三维显示设备时，让学生感受

41、到身临其境的虚拟环境。特别值得关注的是 VR 还从根本上改变人们的思维习惯和对传统学习环境的概念，如虚拟教师、虚拟实验、虚拟图书馆、虚拟研讨、虚拟教学和虚拟辅导等。3) 有利于创新思维能力的培养虚拟现实是一种特殊的可以直接呈现过程的全景式中介，极大地激发了学生的创造性欲望和能力，拓展了人的想象空间。虚拟现实实现看诸多现实中不可能的可能性，弘扬了人类主动探索、解决问题的实践智慧，是新的动态的思维程序和新的多维的思维角度得以形成，从而提升和彰显了人类思维的创造性和超越性。21 世纪，国家的发展很大程度上取决于国民的知识素养，创新能力成为人才的核心标志。培养学生的创新精神、创新思维和创新能力是我国教

42、育的关键。虚拟现实技术改变着教育的教学手段，深刻地改变传统的教育观念、改革人才培养模式、改变着教学内容的形式，是抽象的概念、范畴赋予了形象的感官，如分子运动、原子运动、生化过程在电子屏幕上的演示，火山喷发、原子爆炸过程的仿真再现等，有利于创新思维的启发。虚拟现实技术打破了传统的“填鸭式” 、 “灌注式” ，的教育模式，激发了学生学习的主动性和积极性。但是虚拟现实技术是怎样突破传统的教学模式，培养学生的创新思维呢？具体来说，一是具有以学生为中心进行个别教学的手段，计算机可以给出学习内容、说明和问题等教学信息，可针对学生的不同解答进行分析并评价学习效果，使每个学生都能处于有利于自己的学习环境。二是

43、虚拟现实的教学形式能使学生通过多种感官的刺激，根据自己的实际情况选择适合自己的学习内容，达到因材施教的效果。三是虚拟现实技术具有交互性。虚拟现实技术将教学和练习有机地融合在一起，使学生和计算机可以处于一系列交替询问和回答的状态。此时，学生可以发展学生的发散思维。同时，虚拟现实技术还可以将文字、图形、图像、声音、动画有机地结合起来，符合问题教学法、启发式教学法、讨论式教学法、情景式教学法、暗示教学法和发现式教学法，激发了学生的学习兴趣，丰富了想象力，拓展了思维空间。 参考文献1胡小强.2009. 虚拟现实技术基础与应用.北京邮电大学出版社2陶仁机.2000. 虚拟现实技术极其应用.电子计算机3汤跃明.2006. 虚拟现实技术在教育中的应用.科学出版社4李欣.2002.3DS MAX 在构建虚拟现实系统的应用.计算机时代