多媒体技术作业

虚拟现实技术的发展与应用
一、虚拟现实技术的概念
虚拟现实（Virtual Reality），简称VR技术，
也称灵境技术或人工环境，是利用电脑模拟产
生一个三度空间的虚拟世界，提供使用者关于
视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如
同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察
三度空间内的事物。使用者进行位置移动时，
电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D
世界影像传回产生临场感。该技术集成了计算
机图形（CG）技术、计算机仿真技术、人工智
能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助
生成的高技术模拟系统。
从技术的角度来说，虚拟现实系统具有下面三个基本特征：
浸没感
浸没感（Immersion）又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。
理想的模拟环境应该使
用户难以分辨真假，使用
户全身心地投入到计算
机创建的三维虚拟环境
中，该环境中的一切看上
去是真的，听上去是真
的，动起来是真的，甚至
闻起来、尝起来等一切感
觉都是真的，如同在现实
世界中的感觉一样。
交互性
交互性（Interactivity）指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然
程度（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握
着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。
构想性（想象性）
构想性（Imagination）强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范
围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。
由于浸没感、交互性和构想性三个特性的英文单词的第一个字母均为I，所以这三个特
性又通常被统称为3I特性。
二、虚拟现实技术的发展
自从计算机诞生以来，传统的信息处理环境一直是以计算机为中心， 是“人适应计算
机”，从而在很大程度上制约了人们以计算机为工具认识和改造世界的能力。要实现以人为
本，让“计算机适应人”，必须解决一系列技术问题，形成和谐的人机环境。虚拟现实技术就
是解决这一类问题的方法之一。
1965年，美国ARPA信息处理技术办公室（IPTO）主任IvanSutherland发表了一篇题为
“TheUltimateDisplay”的论文。文章指出，应该将计算机显示屏幕作为“一个观察虚拟世界
（VirtualWorld）的窗口”，计算机 系统能够使该窗口中的景象、声音、事件和行为非常逼
真。Sutherland的这篇文章给计算机界提出了一个具有挑战性的目标，人们把这篇论文称为
是研究 虚拟现实的开端。
1968年，IvanSutherland在麻省理工学院（MIT）的林肯实验室研制出第一个头盔显示
器（Head- MountedDisplay，简称HMD）。这个采用阴极射线管（CRT）作为显示器的HMD
可以跟踪用户头部的运动，当用户移动位置或转动头部时，用 户在虚拟世界中所在“位置”
和应看到的内容也随之发生变化。人们终于通过这个“窗口”看到了一个虚拟的，物理上不存
在的，却与客观世界的物体十分相似的 “物体”。
看到虚拟物体的人们进一步想去控制这个虚拟物体，去触摸、移动、翻转这个虚拟物体。
1971年，FrederickBrooks研制出 具有力反馈的原型系统Grope-II，用户通过操纵一个机械
手设备，可以控制“窗口”里的虚拟机械手去抓取一个立体的虚拟物体，并且人手能够感觉到
虚拟 物体的重量。1975年，MyronKrueger提出“ArtificialReality”（人工现实）的概念，并演
示了一个称为 “Videoplace”的环境。用户面对投影屏幕，摄像机摄取的用户身影轮廓图像与
计算机产生的图形合成后，在屏幕上投射出一个虚拟世界。同时用传感器 采集用户的动作，
来表现用户在虚拟世界中的各种行为。
不断提高的计算机硬件和软件水
平，推动虚拟现实技术不断向前发展。
1985年，加州大学伯克利分校的
MichaelMcCreevey 研制出一种轻巧的
液晶HMD，并且采用了更为准确的定
位装置。同时，JaronLanier与
J.Zimmermn合作研制出一种称为
DataGlove 的弯曲传感数据手套，用来
确定手与指关节的位置和方向。1986年，美国航空航天管理局NASA的ScottFisher等人，
基于HMD和 DataGlove研制出一个较为完整的虚拟现实系统VIEW
（VirtualInteractiveEnvironmentWorkstation）， 并将其应用于空间技术、科学数据可视化和
远程操作等领域。
三、虚拟现实技术的应用
VR技术问世以来，为人机交互界面开辟了广阔的天地，带来了巨大的社会、经济效益。
在当今世界上，许多发达国家都在大力研究、开发和应用这一技术，积极探 索其在各个领
域中的应用。统计结果表明：VR技术目前在军事、航空、医学、机器人、娱乐业的应用占
据主流地位；其次是教育、艺术和商业方面；另外，在可视 化计算、制造业等领域也有相
当的比重，并且现在的应用也越来越广泛，其中应用增长最快的是制造业。
虚拟现实有着诸多的应用，下面就其在教育领域中的应用来阐明虚拟现实技术给我们社
会带来影响。
虚拟现实技术在教育领域的应用既是一种新的尝试，又是一项有潜力、有影响的研究课
题。
虚拟现实技术的基本思路力求人在
解决问题的过程中使其有身临其境之
感。它使人的感觉打打拓宽， 小至分子
大至宇宙都可如同身临其境，将使人的
感觉及认识来一次飞跃。在虚拟现实中，
人和环境间的交互作用更全面、更深入
的体现。在虚拟现实系统中，学习者 由
观察者转变为参与者，学习者融入虚拟现实系统中成为系统的一部分。利用虚拟现实技术，
可以彻底打破时间、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：学生可以进入虚拟发电厂内，考察发电机的每个部件的工作情况以
及每个部件之间相互联系，了解整个发电过程，这是电 视录像媒体和实物媒体所无法比拟
的。
虚拟现实技术在教育教学上的应用，开创了“虚拟教学”的崭新领域，它是教育高科技的
展示和体现，也是教育手段现代化、信息化的标志之一，有着极其广阔的应用前景。
目前，虚拟现实技术已开始应用于计算机辅助教学系统中，产生了多媒体的教学方式和
教学效果，他 可以使教学过程生动、形象、直观，极大的提高了学生的学习兴趣、教学效
果，并且改变了学生的学习方式。例如：美国芝加哥大学电子可视化实验室和交合计算环 境
实验室设计出了一个名为“美妙（NICE）”的儿童教育作品，它是“叙述性、身临其境感、合
作互动环境（narrative immersive collaborative environment ）”的简称。其宗旨是“让我们
在虚拟世界里一起学习一起
成长”，当儿童戴上头盔显示
器或其他的三维显示设备
时，让儿童身临其境的虚拟
园地出现了。在这个环 境
中，设计师安排了一系列有
关科普的教育节目，如关于
天体的形成和运动、航天知
识、建造和规划一个城市的
知识等。当儿童进入这块园地之后，他们会看到一些 醒目的路标，或探寻宝物、或深入海
底、或飞上太空。
教育是借助于一定的技术和手段来实现的。因此教育技术的变革必然带来教育模式、规
模和意识上的 变革。教育技术的先进性直接促进人类教育行为的方方面面，同时也进化着
人类的教育思想。显而易见，在崭新的教育技术——虚拟现实技术支持下的创景教育，不仅
仅是为远程教育提供了一种全新的、前所未有的模式，而且将对远程教育乃至整个人类教育
在思想观念上重要的也许是根本性革命。