虚拟现实技术开题报告

虚拟现实技术开题报告

一、论文选题的缘起

1、建构主义尤其是情境认知等学习理论呼唤更加真实的学习情境。

建构主义学习理论强调学习者得主动性和学习情境的创设，认为学生是在与情境相互作用的过程中完成意义建构的。在教育信息化过程中，以多媒体技术和网络技术为基础的多媒体网络教学能够提供友好得界面和交互的学习环境，有利于激发学习者的学习兴趣，促进学习者自主发现、探索和建立新旧知识之间的联系，通过协商、会话等活动，实现知识的意义建构。传统的教学媒体,如文字、图片、动画等在学习情境创设方面都有各自的局限性,最突出的是缺乏实时交互性。为了能使学习者更好地完成意义建构，我们需要为学习创建更加真实的学习情境。

2、虚拟现实技术以其独特的交互性、沉浸感和想象性，可以构建更加逼真的网络三维学习情境。

随着信息技术的发展,虚拟现实技术(Virtual Reality)以其独特的“3I”特征,广泛应用于军事、医疗、城市规划、GIS、教育和娱乐等领域。虚拟现实技术应用于教育领域,为建构主义理论的学习情境创设提供了新的途径。其中VRML(Virtual Reality Modeling Language)作为一种简单、应用最广泛的虚拟现实建模语言,可以为学习者构建更加逼真的网络三维学习情境。3、通过构建基于网络的虚拟实验仿真系统，可以为现实中没有实验条件的学生提供实验机会。

首先，在现实教学中，由于一些实验设备价格昂贵，数量有限，不能满足教学的要求；其次，一些具有危险的实验，以及那些微观层面和宏观层面的实验，现实中无法实现；最后，远程教育中与教育机构分离的学生，一般也没有真实实验的条件。而虚拟实验，可以很好的弥补以上现实教学中的局限。

4、因为我院研究生已经有了一个二维的摄影学习网站，所以在学习了VR这门课程之后，和刘老师商讨可以再做一个摄影仿真实验系统，嵌入原网站中，以使学习者达到更好的学习效果。

二、相关概念的界定

1、虚拟现实技术（VR）

虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）又称为灵境技术或幻真技术，一项融合了计算机图形学、人机接口技术、传感技术、心理学、人类工程学及人工智能的综合技术。

从功能上描述，虚拟现实是指利用计算机生成一种模拟环境，并通过多种专用设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行交互的技术；VR技术可以让用户使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察与操作，同时提供视、听、触等多种直观而又自然的实时感知。

[美]Grigore C.Burdea和[法]Philippe Coiffe在《虚拟现实技术（第二版）》一书中给出虚拟现实的定义：

虚拟现实是一种高端人机接口，包括通过视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉等多种感觉通道的实时模拟和实时交互。

2、VRML

VRML，是英文Virtual Reality Modeling Language的缩写，即虚拟现实造型（建模）语言。它是一种描述交互式三维对象及三维世界的文件格式。

最初创建VRML的目的是用在全球网（World Wide Web）上，实现动态交互的主页。在从前的文献中这个缩写曾被解释为“Virtual Reality Markup Language”，其实这是VRML最初的名称，主要是参考了HTML的命名:Hypertext Markup Language,所以VRML最初也称为

Markup Language。

但是现在人们意识到，VRML应该不仅仅局限于简单的文本标记语言，而更多的应该扩充其3D能力，因此后来将VRML中的ML改为Modeling Language。作为一项和多媒体、因特网、虚拟现实等领域密切相关的新技术，VRML目前已发展成为Internet上基于WWW的三维互动虚拟世界制作的主流语言，号称为第二代Web建模语言。

需要注意的是，VRML并不是通常意义上的编程语言如C＋＋，或者是脚本语言如JavaScript，或者是什么页面定义语言如HTML，VRML语言本身是一种纯粹的场景描述语言，它描述的是几何形体以及一个3D场景（或称为“世界”）中对象以及对象间的行为关系。

三、国内外研究现状及存在的问题

（一）国外研究现状

1、美国的研究现状

美国是VR技术的发源地，也是目前在VR技术方面最具权威的国家，其VR研究技术的水平基本上就代表国际VR发展的水平。

美国宇航局（NASA）的Ames研究中心是许多VR技术的思想发源地。目前其研究重点是对空间站操纵的实时仿真，其中一项最著名的实验就是对哈勃太空望远镜的仿真。

北卡罗来纳大学（UNC）的计算机系是进行VR研究最早最著名的机构，目前，他们的研究主要是在四个方面：分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真。

SRI研究中心目前在NASA、美国国防部和国家科学基金会的资助下，正在进行利用遥控技术进行外科手术仿真的研究，这已成为VR领域一个很有名的话题。

美国研究机构利用虚拟现实技术设计波音777获得成功，是近几年来又一件引起科技界瞩目的伟大成果。

2、欧洲研究现状

英国在VR开发的某些方面，特别是在分布并行处理、辅助设备(包括触觉反馈)设计和应用研究方面，在欧洲来说是领先的。

德国在建筑业、汽车工业及医学界等也较早应用了VR技术，如德国一些著名的汽车企业奔驰、宝马、大众等都使用了VR技术；制药企业将VR用于新药的开发；医院开始用人体数字模型进行手术实验。

3、亚洲研究现状

日本的虚拟现实技术的发展在世界相关领域的研究中具有举足轻重的地位，它在建立大规模VR知识库和虚拟现实的游戏方面作出了很大的成就。

（二）国内研究现状

我国对VR技术的正式研究起步较晚，大概在20世纪90年代初，且由于虚拟现实高昂的成本和使用费用多年来限制了虚拟现实技术在我国的研究和应用。但近年来，由于政府有关部门和科学研究者的重视，虚拟现实技术已经在中国取得了很大的进步。九五规划、国家自然科学基金会等都把VR列入重点研究项目，国内一些重点院校也已几级投入了对这一领域的研究。

1996年，天津大学在SGI硬件平台上，基于VRML国际标准，最早开发了虚拟校园，至此开启了虚拟现实在我国教育领域应用的序幕，从此虚拟校园、虚拟实验室不断的投入教育领域使用。续天津大学推出虚拟校园后，上海交通大学、西南交通大学、中国人民大学等高校相继推出了虚拟校园。尤其是中央广播电视大学远程教育学院推出的虚拟校园，极大的方便了学生的学习，有助于提高教学质量。

虚拟现实在实验教学中的应用也日益广泛。北京科技大学的虚拟现实实验室在近20年来一直从事虚拟现实研究，已成功开发出了纯交互式汽车模拟驾驶培训系统；北京航天航空大学