沉浸式虚拟现实VR一体机系统

沉浸式虚拟现实VR一体机系统系统概述VR是Virtual Reality的缩写，译为中文即“虚拟现实”，该技术融合了计算机3D图形技术、计算机仿真技术、传感器技术、显示技术等多种科学技术，在多维信息空间上创建一个虚拟信息环境，能使用户具有身临其境的沉浸感和模拟现实环境的交互性，有助于加深感受、启发认知。

因此，VR系统环境具备沉浸感、交互性、构想性这三个基本特性。

VR虚拟现实的关键技术主要包括模拟环境三维图形处理技术、位置追踪技术、触觉或力觉反馈、智能传感设备各等。

理想的VR体验，是基于计算机生成逼真的三维立体虚拟环境，借助VR输入/输出设备体会到人体正常应感应到的视觉、听觉、触觉、力觉、运动等所有感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，并利用位置追踪技术，对头部转动、眼睛、手势等其它行为动作进行采集，由计算机处理体验者动作的相应数据，并做出实时响应和反馈。

随着移动互联网技术、人工智能技术的发展，推动了VR虚拟现实技术在工业、医疗、教育、军事等多个领域的应用，沉浸式虚拟现实设备因实用便携、最能展现虚拟现实效果而成为未来主要的发展趋势，由于沉浸式交互技术、VR外设硬件技术的不断突破，VR技术也逐步朝着完整成熟的产业化方向发展。

VR产业现状分析VR产业覆盖了硬件、系统、平台、开发工具、应用以及消费内容等诸多方面，作为一个处于技术创新井喷期的产业，VR虚拟现实的想象空间和市场前景十分广阔，全球科技巨头纷纷投身其中。

目前，VR作为新兴产业，其技术要求高、资源投入大，产业链的部分环节相对比较单薄，国内VR产业主要集中在硬件制作环节，而内容与工具提供商，尤其是内容平台搭建者，主要以国际大型IT科技公司为主。

尽管目前VR/AR行业都处于起步阶段，但整个市场未来增长潜力巨大：根据Digi Capital预测至2020年，全球AR与VR市场规模将达到1500亿美元，而根据市场研究机构BI Intelligence的统计，2020仅年头戴式VR硬件市场规模将达到28亿美元，未来5年复合增长率超过100%。

在过去的2015年，VR毫无疑问成为资本市场最受热捧的风口。

2016年，VR将在全世界范围内迎来行业大爆发，成为互联网科技界新一代的智能硬件入口。

由于VR带来的时代颠覆性，国内外各大型知名高新科技公司纷纷进驻VR产业，寻求下一个发展切入点：⇐国内：腾讯进入VR领域，发布“TOS+”智能硬件开放平台，布局虚拟现实产品在内的智能硬件生态圈；百度视频成立VR频道，成为BAT中投入VR 领域的首一家；暴风、360、小米、迅雷、京东等知名互联网公司也纷纷开发其VR产品迅速占据国内主流市场。

⇐国外：索尼PS VR、HTC Vive、Facebook旗下的Oculus、三星GearVR、微软VR Kit、谷歌Cardboard成为国际VR消费级市场主流产品；Magic Leap（裸眼3D全息视觉）宣布获8.27亿美元；著名游戏公司EA将组建VR游戏团队，开辟全新的VR游戏产品路线。

全球最大社交平台Facebook创始人扎克伯格在收购Oculus时表示：“我们在做长期的布局，未来虚拟现实和增强现实都将进入普通人的生活。

”而根据风投机构Digi-Capital的预测，到2020年，整个虚拟现实技术将产生1500亿的庞大市场。

2016年1月的国际消费电子展（CES）中，虚拟现实和增强现实技术成为了本届展会的焦点，结合CES2016年关于VR产业链的成熟度，预计2016-2020年，随着大量适应移动VR的爆款游戏出现，VR将拥有庞大的主流用户群体，VR产业也将进入红利期。

可以预见的是，随着技术的逐渐成熟和完善，VR虚拟现实技术将在科研教学、虚拟医疗、虚拟驾驶、旅游景观、航空航天、远程协同、城市规划、游戏娱乐、工业仿真、军事模拟、广告营销、虚拟实验，甚至心理疾病治疗等领域，带来一次颠覆性的技术变革。

沉浸式虚拟现实VR系统在东莞理工学院应用前景教育方面选取定制研发沉浸式虚拟现实VR一体机，建立虚拟现实研究平台，开展VR结构设计，VR透镜设计，VR一体机软件开发，VR一体机硬件设计，建成为应用成果向工程技术转化的虚拟现实试验支撑平台，结合学校和企业当前的技术人力资源，设立虚拟现实基础技术课程及VR设计应用的实操课程，培养专业的虚拟现实方面的人才，为虚拟现实知识的普及奠定良好基础，为申请或承担一批国家级、省级、市级课题提供技术平台支撑。

（一）、知识点呈现方式的升级需求：科技与教育如影随形，每一次科技革新对教育都会产生深刻影响，教师在课堂上传授知识的方式也在不断演变，从而满足高效的信息化教学需求。

从使用“粉笔+黑板”到使用多媒体教室的交互白板，从“全程基本靠讲”的知识单向灌输到配合使用答题器、平板电脑终端进行师生交互，科技设备并非要取代“传统”，而是将各种高科技教学设备和信息化教学手段做互补、融合，针对课堂中不同学科、不同类型的知识点，为教师提供更先进的、适合的、多元化的呈现方式。

尤其适合在VR课堂中呈现的知识点例如：天文天体、地壳运动、时间空间等宏观知识点的理解认知；细胞分裂、分子原子、光合作用等微观知识点的观察认知。

（二）、高难度教学目标的需求利用虚拟现实技术，可以彻底打破空间的限制。

大到宇宙天体，小至原子粒子，学生都可以进入这些物体的内部进行观察。

例如学生可以乘坐飞船进入虚拟太空，遨游太阳系，以飞船驾驶舱视角近距离观察各个行星，理解真实的天体运行规律，这是电视录像媒体和实物媒体所无法比拟的。

虚拟技术还可以突破时间的限制，一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，可以在很短的时间内呈现给学生观察。

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，而虚拟技术在一堂课内就可以实现。

另外，地壳运动的原理、生物进化的演变等漫长过程，也可以通过虚拟现实技术得以展现。

（三）、教学实践操作的需求以往对于危险的或对人体健康有危害的实验或实践，一般采用视频观看的方式来取代，学生无法直接参与实验，获得感性认识。

VR技术可模拟现实中难以实现或者不存在的环境和角色、物体等，消除了以往教学中对学生人身安全、成本消耗的顾虑。

在绝对安全、错误可逆可修复性上，利用VR技术的实验课和实践操作上拥有难以比拟的优势。

这一点的明显应用就是虚拟实验室，对于那些对条件要求高、在现实中无法实现、危险性极高、产生结果不可逆的试验，VR化学实验可以避免实验所产生的燃烧、爆炸或其它危险和巨大消耗。

采用虚拟实验的方式，学生通过亲身操作体验进行学，并且很容易进行错误修正，或对结果做出可逆的改变，而不用担心会有任何物质成本消耗或需要善后的相关工作。

虚拟课堂还可以广泛运用于中小安全课，可避免由于学生操作失误，而造成地震、火场、踩踏等紧急情况下的安全事故；虚拟的飞机驾驶教学系统，可免除学员操作失误而造成飞机坠毁的严重事故。

（四）、自适应探究学习的需求虚拟现实技术可以对学生学习过程中所提出的各种假设模型进行虚拟,通过虚拟系统便可直观地观察到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，将不同的分子组合在一起，电脑便虚拟出组合的物质来。

通过这种探索式的学习，学生很有可能发现新的物质。

利用虚拟技术，学生还可以进行温室效应、电路设计、建筑设计等方面的探索学习，从而研究二氧化碳对全球气候的影响规律，或设计出新的电路、新的建筑物。

利用虚拟现实技术进行探索学习，有利于激发学生的创造性思维，培养学生的创新能力。

（五）、接轨STEAM教育的趋势需求K12教育理念未来将趋向STEAM的结构化发展，即Science-科学、Technology-技术、Engineering-工程、Arts-艺术、Mathematics-数学。

国际上普遍的观点认为：任何国家在21世纪要保持它的技术优势，首先需保证具有技能资格人才资源的丰富储备，未来的工作者需要熟练地运用数学、科学、技术，以便于高新技术爆发式增长的领域不会出现人才短缺。

而VR+教育完全契合在科学、技术、工程、数学等学科上的应用优势，其可沉浸的呈现方式、强交互的实践可行性、可发挥自适应性等，尤其适合STEAM课题的设计与创新。

科研方面选取沉浸式虚拟现实VR一体机，建立虚拟现实研究平台及其支撑作用，进行科研及教学验证性测试。

依托虚拟现实研究平台，针对VR一体机的成果，转化为教学科研成果专利申请以及科研成果论文发表。

研发创新依托平台，研发创新，提高东莞理工学院科技支撑能力，提高学院科研管理机构科研能力和科学技术研发能力。

依托相关的资源，进行相关工程技术开发和研究，推动创新发展。

VR技术特征VR技术的应用与实现综合了三维图形处理、位置追踪、触觉或力觉反馈、人工智能等多种科学技术，其配套设备主要以VR输出设备、VR输入设备、VR内容制作设备，以及用于运算的计算机这四部分组成，整体实现“沉浸感、交互性、构想性”三大核心技术特征。

沉浸感沉浸感（Immersion）是VR虚拟现实技术区别于三维仿真技术、3D影视、AR增强现实技术的核心特征。

由于VR系统可以将使用者的视觉、听觉与外界隔离, 因此, 用户可排除外界干扰, 全身心地投入到虚拟现实中去，获得身临其境的感觉。

VR技术根据人类的视觉、听觉的生理心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像。

使用者戴上头盔显示器和数据手套等交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。

使用者与虚拟环境中的各种对象相互作用，就如同在现实世界一样：当使用者移动头部时，虚拟环境中人物视角所看到的景象画面也发生变化；拿起物体可使物体随着手的移动而运动，通过多声道耳机还可以听到三维仿真声音。

交互性交互性（Interaction）使虚拟现实系统中的人机交互成为一种更近乎自然的交互, 使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互, 而且能够通过VR透镜、VR数据手套等用于信息输入输出的传感设备进行交互。

计算机能根据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动, 来调整系统呈现的图像及声音。

使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能, 就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。

构想性VR技术的构想性（Imagination）对于教育方面的应用意义尤为重要。

由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置, 使用者在虚拟环境中可同时获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知,可增强学习者对学习内容的感知程度、认知程度, 高感性和理性认识，从而使用户深化概念和萌发新的联想，因而可以说，虚拟现实可以启发人的创造性思维。

VR系统构成VR输出设备VR输出设备主要包括VR透镜、多声道耳机、力回馈背心，实现五感当中视觉、听觉、触觉上的模拟，未来VR输出设备还将开发更为先进行的味觉、嗅觉上的模拟。

VR输入设备VR输入设备包括可穿戴输入设备、手持式操作手柄、手势识别设备、动作捕捉设备等。