虚拟现实技术与教育

第五章
虚拟现实技术与教育
• 咖啡猫迫不及待地推开门，东瞅瞅西看看，“不 错不错，不过我喜欢把台灯放在书桌左侧。” • “你自己挪一下，不就行了吗？” • “好！” • 咖啡猫欢蹦乱跳地把家具搬来搬去，忙得不亦乐 乎。重新布置过的房间充满了 • 个人气息，令人舒畅不已。 • “好了，咖啡猫，今天就到这儿了。”博士边说 边帮他摘下头盔、手套。 • 咖啡猫使劲地眨了眨眼睛，发现自己还是坐在椅 子上，前面就一台电脑，傻了。 • “这就是虚拟现实。”Jaffe博士又眨了眨眼睛， 笑着走了。
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5.1.5 特点: • 沉浸感：用户可以沉浸于计算机生成的虚拟环境中 和使用户投入到由计算机生成的虚拟场景中的能力， 用户在虚拟场景中有“身临其境”之感。他所看到 的、听到的、嗅到的、触摸到的，完全与真实环境 中感受到的一样。它是 VR 系统的核心。 • 交互性：用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能 力。它是人机和谐的关键性因素。用户进入虚拟环 境后，通过多种传感器与多维化信息的环境发生交 互作用，用户可以进行必要的操作。 • 想象力：通过用户沉浸在“真实的”虚拟环境中， 与虚拟环境进行了各种交互作用，从定性和定量综 合集成的环境中得到感性和理性的认识，从而可以
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5.1.6 构成：虚拟世界、虚拟现实软件、计算机、 输入设备和输出设备
• 输入设备：3D位置跟踪器、传感手套、数据衣、 三维鼠标、跟踪球、三维探针及三维操作杆等。
数据手套
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三维鼠标
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2. 输出设备：立体显示设备、3D声音生成器、触觉 和力反馈的装置
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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。
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5.1.10 关键技术 1. 环境建模技术（主要有以下几种：• Euclideangeometry方法• Fractal-geometry方法• Physically Based Modeling • Image Based Rendering • 混合建模技术：Image Based Rendering和Image Based Rendering是未来虚 拟环境建模的发展方向） 2. 立体声合成和立体显示技术 3. 触觉反馈 4. 交互技术 5. 系统集成技术（包括信息的同步技术、模型的标 定技术、数据转换技术、识别和合成技术等等 ）
信息技术教育应用
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本章主要知识点： • 虚拟现实技术概念、特点、构成、常用人 机接口设备、虚拟现实系统的发展趋势 • 桌面虚拟现实系统的概念、特性、基本配 置、渲染引擎技术 • 虚拟现实技术在教育中的应用
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5.1 虚拟现实技术 5.1.1 虚拟现实情境介绍 • “虚拟现实，什么呀？”咖啡猫皱着双眉嘟囔着。 • 看着Jaffe博士远去的背影，一大串“？”浮现在 咖啡猫的眼前。 • “咖啡猫，过来。”Jaffe博士冲着他笑笑，“来， 坐这儿，戴上这个头盔、手套。” • “博士，你干什么？”咖啡猫又惊又怕。 • “带你去个好地方。”Jaffe博士狡黠地笑了笑。 • “哇塞，skyscrape，博士，这是在哪儿啊？” • “几年后的这儿。” • “真想进去看看里面的装饰嗳！” • “没问题，Let’s go！”
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5.1.2 虚拟现实秀网站： – 5.1.3 概念 一种人与通过计算机生成的虚拟环境可自 然交互的人机界面。 5.1.4 相关术语：人工现实（Artificial Reality）、虚 拟环境（Virtual Environment）、赛伯空间 (Cyberspace)等
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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（见图）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（见图）、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。
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3.
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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。
头盔显示器
快速响应工作台 桌面立体显示器育
5.1.8 应用领域：军事及航空领域、建筑与汽车业、 医学界、培训、娱乐
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5.1.9 分类 分类标准：用户参与VR的形式以及沉浸的程度 1. 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。