虚拟现实系统的特点范文篇1

摘要：本文首先对计算机虚拟现实技术的基本特征及其关键技术进行了解释分析，然后对虚拟现实技术在高校教学中的应用作了介绍，最后针对目前高校教学中应用计算机虚拟现实技术所存在的问题及其解决方案阐述了个人观点。

关键字：虚拟现实；高校教学；应用；特征；问题；方案

中图分类号：G642

文献标识码：B

伴随科技突飞猛进的发展，各类教学媒体不断涌现，如今，教学技术领域又出现了一个新型教学媒体，它就是虚拟现实技术(VirtualReality)。

虚拟现实技术是利用三维图形生成、多传感交互及高分辨显示等计算机技术生成三维逼真的虚拟环境，使用者戴上特殊的头盔、数据手套等传感设备，或利用键盘、鼠标等输入设备，便可以进入虚拟空间，成为虚拟环境的一员，进行实时交互，感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而获得身临其境的感受和体会。

虚拟现实技术作为新的教学媒体，它的出现无疑将对高校教学产生深远的影响。本文主要探讨虚拟现实技术的基本特征以及它在高校教学应用方面的相关问题。

1计算机虚拟现实的基本特征及其关键技术

1.1虚拟现实的基本特征

虚拟现实可以表示为4个特征：沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)、多感知性(Multi-Sensory)、构想性(Imagination)。

(1)沉浸性(Immersion)：这是虚拟现实系统的核心，指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“置身其中”之感。

(2)交互性(Interaction)：指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。

(3)多感知性(Multi-Sensory)：由于虚拟现实系统中装有视觉、听觉、触觉、动觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚拟环境中可获得相应的多种感知，从而达到身临其境的感受。

(4)构想性(Imagination)：虚拟现实不仅仅是一个用户与终端的接口，更要使用户沉浸在此环境中获取新的知识，提高感性和理性认识，从而产生新的构思。

基于以上特征，虚拟现实使操作者能够真正进入一个由计算机生成的交互式三维虚拟环境中，与之产生互动，进行交流。通过参与者与仿真环境的相互作用，并借助人本身对所接触事物的感知和认知能力，帮助启发参与者的思维，以全方位地获取环境所蕴含的各种空间信息和逻辑信息。

通过多种感知，获得身临其境的沉浸感和人机互动的趣味性是虚拟现实的实质特征，对时空环境的现实构想是虚拟现实的最终目的。

1.2计算机虚拟现实的关键技术

计算机虚拟现实是多种技术的综合，包括实时三维计算机图形、立体广角显示、用户(头、眼)的跟踪、立体声、触觉与力觉反馈、语音输入输出等技术。

(1)实时三维计算机图形技术

此技术的关键在于“实时”。例如在力学模拟系统中，图像的实时刷新相当重要，同时对图像质量的要求也很高，再加上非常复杂的虚拟环境，使虚拟现实就变得相当困难。

(2)立体广角显示

要达到立体广角显示，双眼立体视觉起了很大作用，这是因为用户的两只眼睛看到的不同图像是分别产生的，显示在不同的显示器上。当然有的系统也采用单个显示器，但用户戴上特殊的眼镜后，也可以造成视差从而产生立体感。

(3)用户(头、眼)的跟踪技术

在虚拟环境中，每个物体相对于系统的坐标系都有一个位置与姿态，而用户也是如此。用户看到的景象是由用户的位置和头(眼)的方向来确定的。利用虚拟现实头套跟踪头部运动，可以根据头部跟踪来改变图像的视角，用户的视觉系统和运动感知系统之间就可以联系起来。

(4)立体声

在水平方向上，我们靠声音的“相位差”及“强差”来确定声音的方向。现实生活里，当头部转动时，听到的声音的方向就会改变。但目前在虚拟现实系统中，声音的方向与用户头部的运动无关。

(5)触觉与力觉反馈

在虚拟现实系统中，用户可以看到一支虚拟的钢笔。你可以设法去握住它，但你的手却感觉不出接触到了它，并有可能穿过虚拟钢笔的“笔杆”，而这在现实生活中是不可能的。解决这一问题的常用装置是在手套内层安装一些可以振动的触点来模拟触觉。

(6)语音输入输出

在虚拟现实系统中，语音的输入输出也很重要。这就要求虚拟环境能听懂人的语言，并能与人实时交互。然而，让计算机识别人的语音是相当困难的，因为语音信号和自然语言信号有其“多边性”和复杂性。

2计算机虚拟现实技术在高校教学中的应用

虚拟现实在高校教学中主要表现在课堂教学、实验教学两个方面：

2.1课堂教学

课堂教学是教学的主要方式，也是虚拟现实运用于教学的主要战场。根据学科的不同，虚拟现实也发挥着不同的作用，主要有以下几方面的应用：

(1)立体物体展示

在以往的教学环境中，为了更形象地使学生感受三维实物的信息，主要采用图片展示、实物展示、软件动画这样一些方法，但这些都很难使学生更全面的了解其三维属性。

通过虚拟现实，可以构建一个与实物同样的三维物体，如采用3dsMAX建模，存储为VRML格式，然后利用VRML播放器可以得到很好的展示效果，辅助教师教学。

(2)立体空间展示

立体空间是指在现实世界中真实存在或存在过的空间。教学中，有时需要向学生展示这些空间时，由于条件的限制，不可能让学生进入这些空间。

以往教学中，可能只能够通过教师的描绘来激发学生的想象，在其头脑中创建出这个虚拟的空间来。

使用虚拟现实，不仅能在学生头脑中建立这些空间，而且可以使其看得见、听得见，甚至可以摸得着。比如：太空给我们呈现的是一个神秘而陌生的世界，如何感受身体在太空中的感觉是很多人梦寐以求的事情。通过进入虚拟现实制作的虚拟空间，我们可以感受宇宙里的奥妙，可以体会人体在失重状态下的感受，也可以在月球上做铁球和乒乓球同时着地的实验来验证伽俐略的结论。

(3)虚拟场景构造

虚拟场景是指在现实生活中可能出现的一些场景，通过虚拟现实技术在不同的时间或地点表示出来。

虚拟场景的构造在高校语言教学中应用非常广泛。以往教师只能通过言语的讲述、图片的展示或录像的收看来创设学习情境，学生只能被动地接受。个别情境老师描绘的和学生理解的可能相去甚远。通过虚拟现实，学生可以和国外友人亲切交谈，也可以感受美国总统竞选时演讲的现场气氛。这些场景都是常规课堂上所无法给予的。

2.2科学实验

高校一般在现有的条件下，许多实验是无法进行的：

①根本不可能做的实验，如核反应、地震波传播、火山喷发等实验。

②不能让学生做的实验，如涉及到放射性物质或有毒物质的实验。

③受实验经费限制、实验成本昂贵而无法普及的实验，如著名的“风洞”实验(2009年Volvo公司仅对建于1986年的风洞实验设备进行改造就花费了2亿元人民币)。

利用虚拟现实技术，在计算机上建立虚拟实验室，学生可以走进这个虚拟实验室，身临其境般的操作虚拟仪器，结果可以通过仪表显示身体的感受反馈给学生。这种实验既不消耗器材，也不受场地等外界条件限制，可重复操作，直至得出满意结果，有效地解决实验条件与实验效果之间的矛盾。

3目前高校教学中应用计算机虚拟现实技术所存在的问题及其解决方案

3.1高校教学中应用计算机虚拟现实技术所存在的问题

随着计算机软硬件技术的高速发展，计算机虚拟现实技术凭借其独特优势，已逐渐被高校教学广泛应用，但与此同时也暴露出了诸多问题。

(1)计算机虚拟现实项目开发与高校教学实际需求脱节

目前的虚拟现实教学设计，多停留在设计人员和制作人员的主观判断和个人喜好上，没有能够深入到学生群体，对其知识结构、年龄结构、学习习惯、学习方法、兴趣点等进行深入调研。

(2)开发周期长，使用周期短，项目不能及时应用到高校教学中

计算机虚拟现实项目开发是一个大的工程，需要很多专业技术的整合。因此，其制作周期往往比较长。

随着知识更新和信息刷新速度的加快，出现了这样的现象：一个教学系统在最需要它的时候，制作没有完成；等制作完成了，它的很多内容、数据已经过时了，或者教授它的设备已经换代了。这样，由于开发周期控制不好，就导致了人力和资源的浪费，导致本来很好的教学系统错过了发挥作用的时机。

(3)开发队伍不完善，阻滞计算机虚拟现实在高校教学中的使用

高校目前的虚拟现实项目开发制作中，开发队伍往往是由软件设计编程人员组成，或由他们为主体，而其他专业人员却不完备。这些人员受工作特点影响，侧重于用编程方式实现效果，在界面设计、图像处理、模型建构等诸多方面缺乏专业技能，导致开发制作周期大幅度延长，同时为制作过程增加了很多不必要的困难。

3.2问题的具体解决方案

针对上述问题，我们可以从以下几方面着手来解决：

(1)充分调研，从学生角度进行项目设计

充分的调研是项目成功的前提，开发设计人员要深入到学生群体中，了解他们需要什么样的教学系统，主要包括：现有文化程度、曾经用过什么学习系统、对哪些功能满意或不满意、希望有什么样的学习过程、喜欢什么样的交互方式等。通过一定的调查研究，就可以针对学生各方面特点对项目的整体形式、结构和内容进行设计。

(2)模块化设计、开放性系统

虚拟现实本身特点，导致其项目制作难度大、制作周期较长，这就要求设计人员要尽可能缩短制作周期、延长使用周期。现今知识的更新周期越来越短，要保证教学系统的内容能够适时跟上知识的更替，就必须实行模块化、开放性系统制作思路。

模块化就是将项目的各部分划分为多级子模块，将任务由整化零，分成各模块并行完成，从而缩短制作周期；每一模块自成整体，拥有统一规范的接口，方便今后根据需要对模块进行局部升级，延长其使用周期。

开放性系统是指给用户提供简单的更新功能，预留给教师专供今后更新的模块，以便在一些可能会发生数据变化的地方，教师可以根据需要自行更新，同样也延长了项目的使用周期。

(3)统筹规划，建立完善的开发思路和制作群体

在制作之初，就必须建立完备的制作群体。任命专门的项目负责人负责制定完备的计划，并在以后的项目制作过程中协调各专业制作人员；具有一批相关领域的专家负责为项目设计情景和任务；拥有一批满足特殊要求的制作人员，以编程人员为主，再配备必要数目的动画、美工、音频处理人员。这些人员要了解虚拟系统对各方面素材的特殊要求，各司其职，互相协同，互相交流，专业整合，发挥各自优势从而保障任务的顺利完成。

4结束语

由于高校中虚拟现实教学的实践性和创造性，为学生提供了一个自主、交互和直观的学习环境，为教学的创新提供了新的空间、平台和可能性，丰富了教学的实践形式和多样性。我们相信，虚拟现实技术与高校教学的不断整合，必将更好地服务于教学，使教学效果达到质的飞跃，这将对高教事业的发展产生积极而深远的影响。

参考文献：

[1]郭建才.虚拟现实技术在电子教学中的应用[C].计算机应用论文集．2001.(12).

[2]李慧．数字交通中的“虚拟现实”技术应用[J]．信息技术,2006,(6).

虚拟现实系统的特点范文

关键词：外科学教学实践虚拟手术系统应用

中图分类号：G421文献标识码：A文章编号：1673-9795（2013）05（b）-0086-01

近几年来，伴随着科学技术的发展和人类生活质量的提高，对现代医疗技术水平的要求也明显提高。就外科手术中已推广临床的内窥镜手术来说，因其具有创伤小、安全性高、手术时间短、术后痛苦小、恢复快等特点，深受患者和家属的青睐。但这种手术操作步骤繁琐，需要在极小的空间完全依赖窥镜来了解病症，并通过窥镜使用各种手术器械将病灶切除，最后缝合切口，因此，这样复杂的手术需要医生具有更高的的操作技术水平，从而提高手术的成功率。因此，对医生进行长期而有效的培训是提高手术成功率的有效措施。所以在现代医疗技术快速发展的今天，需要培养更多优秀的医疗工作者，才能使现今的医学行业登上更高的峰巅。本文对通过计算机结合医学理论而构成的虚拟现实技术的手术系统在外科治疗教学实践中的特点、应用及发展方向进行探讨分析。

1虚拟手术系统的特点

虚拟手术系统是一种将医学理论与计算机结合，产生一个触觉、视觉和听觉都高精度的虚拟环境，使工作者置身于此环境中通过各种专门配备的传感器进行实体的交互控制及考察，从而能够达到让工作者模拟现实技术，真切的感受到自己亲自上手术的目的。

虚拟手术系统是由硬件设备、医学数据库、软件系统三大模块构成的。其中的硬件设备主要由传感器和微型计算机构成，而硬件设备最重要的作用是输入输出及存储信号。而传感器又包含三维鼠标和眼镜、数据手套等[1]。微型计算机中包括各种医学数据库和虚拟手术的操作系统。

虚拟手术系统是将现实数据作为基础，以人体结构为中心重新建立三维体系，其具有可评价以及实时反馈等特点[2]。在模拟现实技术实施虚拟手术时，操作者佩戴3D眼镜后会立即将自己与虚拟出的环境融为一体，在高度逼真的三维设备引导下，主计算机将会收到虚拟的手术器械在空间中的位置以及运动的相关信息，从而可以很好的达到人机交互的目的。在操作过程中，将高度仿真的手术器械置于操作者的手套内，使操作者能够真实地感受到切割人体组织所反馈回来的压力，使其能够按照实际的手术操作步骤完成手术[3]。

虚拟手术系统不仅可以自动监测医生的所有操作情况，并且主计算机还能精确收集到各种相关数据，然后对此次手术练习中出现的问题和手术器械是否损害人体的健康组织等相关方面做出详细评价，并给出合理的解决方案，从而可以使学生们不断的在练习中逐步增加自己实际操作技术运用能力。虚拟手术不仅缩短学生的培训时间，也省去选择合适的实验对象的麻烦。因此，对于外科手术教学实践来说，虚拟的手术系统是一种有效的评价操作技能的可靠方法。

2虚拟手术系统在现代医学教育中的应用

现今社会，随着手术要求的逐步提高，对医生的操作水准的要求也越来越高，因此，为了培养出优秀的医务工作者，虚拟手术系统为外科手术的教学实践提供了一个重要平台。虚拟手术操作系统是通过收集来自虚拟手术过程中的各种医学数据，医生在计算机建好的虚拟环境下根据手术的实际操作技术，进行外科手术演练，包括手术的方案制定、技能培训以及术后的恢复情况等。其不仅有助于提高学生们的操作能力，同时也帮助老师能更清楚的为学生们讲解手术所需的注意事项、难点和重点以及需要纠正的错误和改良方案等。这种虚拟手术系统应用于外科教学中，会给年轻医师成为优秀的外科手术能人缩短了大笔时间[2]。

3虚拟手术系统的未来发展

近几年来，随着科学技术的发展与普及，虚拟手术系统已越来越受到医务工作者的高度重视，因此，虚拟手术系统的技术操作水平也在不断的进步与提高。但因人体体质的多元化特征，所需的模拟手术系统的实用性也需要逐步加强，所以为了更好的满足教学所需，在行虚拟手术时，仍要不断的收集并分析反馈给主计算机的医学数据，使外科手术的教学质量得到更有效的提升。因虚拟手术系统可以为学生们带来一个高度逼真并且犹如亲身实战的手术氛围，使其更好的模拟现实手术技术，进行实战演练[4]。所以这种高度逼真的实战演练不仅将在外科医学中得到更广泛的应用，也会与现代的医学科技发展、新军事的变革思想、教学理论的发展相适应，结合医学相关的基础知识、理论和技能等，会更好的发挥出虚拟手术的科学性、先进性、适用性、启发性和思想性等，这无疑为医学科技领域的进步与发展提供一个重要平台。而传统的手术演练是医生自己通过在脑中构思好手术方案并在脑中构成三维印象进行手术操作演练，这种练习方式比较客观、死板。而计算机创建的虚拟手术系统不仅可以避免这些问题，同时还能够很好的完善手术方案，让整个手术练习者都会共同分享此过程，让大家都会切身体会到虚拟手术系统带来的真实感。

4结语

虚拟手术系统在外科手术治疗的教学实践中的应用已逐步普及，并且在不断的完善中取得进步。几年来，伴随着各个国家对虚拟手术技术逐步重视，我们相信模拟现实的手术技术将会在医学教学领域中得到更好的发展，使之替代传统手术演练的客观性，使医学教学实践更上一层楼。

参考文献

[1]吴奇，程薇曦.虚拟现实技术在医学手术中的实现与应用[J].重庆医学，2008（21）：110-112，117.

[2]范立冬，李曙光，张治刚.虚拟现实技术在医学训练中的应用[J].创伤外科杂志，2008（6）：94-96.

虚拟现实系统的特点范文

[关键词]游戏引擎；机械动力仿真；虚拟现实技术

中图分类号：TP391.9；TD672文献标识码：A文章编号：1009-914X（2014）33-0225-02

一、引言

三维游戏由于引擎技术在建模技术、物理引擎技术、复杂环境的高质量实时渲染技术、动画技术、人工智能技术、对象的行为控制技术等各方面不断的完善和强大，已经极大地引起了人们的关注和重视。游戏引擎不再仅用于游戏娱乐产业的开发，更多的渗透到了教育软件开发、虚拟现实应用、动画影视（特技）制作、军事训练、实时模拟等人类生活的各个领域。极大地改变了人们的生活方式和思维方式。

游戏引擎技术尤其物理引擎技术不断的研究发展，让我们意识到仿真虚拟机械动力的可能性。利用游戏引擎虚拟机械运动，将为开发教育游戏中的虚拟物理实验、网上数字科技馆、娱乐型游戏中的机械道具和多样化游戏任务等具有重要的应用价值和研究意义。

传统的机械动力仿真技术和虚拟现实技术虽然在一定程度上也能虚拟机械的运动，但是由于那些技术不可避免的弊端对机械动力仿真技术应用在其他领域形成了瓶颈。传统的机械工业仿真技术缺乏交互性，设计复杂，表现单调。随着多媒体技术、计算机动画技术、虚拟现实技术、网络技术等技术的渗入，以VRML（VirtualRealityModelingLanguage虚拟现实造型语言）或Cult3D为代表的技术给机械仿真领域带来了交互性，但是由于传统的虚拟现实技术固有的特性，如运动行为的硬编码、交互性差、画面不流畅、系统实现复杂等，使得基于游戏引擎技术虚拟机械动力的技术具有很大的优势和更大的发展前景。

本论文研究的技术充分利用了游戏平台的优势，它不仅具有传统虚拟现实系统所有的优点，而且具有3D游戏般的交互性和逼真的动力学模拟。从开发角度而言，游戏引擎的实时渲染能力、快速的计算能力、组件化、可重用性以及面向对象的编程方式等，都使得应用游戏引擎成为一种非常便捷和有效的仿真技术手段。本文描述了利用游戏引擎模拟简单的机械动力实例的核心技术。

二、机械动力仿真技术研究背景

概念设计是机械设计过程中的最初阶段，主要目的是获得产品的本质形状。[3]机械仿真技术的发展为机械工业概念设计注入了新的活力。计算机运算处理能力的提高为机械系统的仿真提供了更好的基础。

我国机械系统传统的计算机辅助工具多数是AutoCAD，Pro/E，SolidWorks，SolidEdge，3DMAX等2D和3D软件，此类建模软件含有大量的图形文件，容量较大，不利于网上传输和远程控制。同时这种方式建立的三维模型是静态的，动画是设计者事先设计好的一副副二维动画，用户只是被动的接受，而不能按照自己的意愿进行实时交互式仿真。

虚拟现实技术作为一种更为人性化的交互技术，近几年来逐渐渗透到各个应用领域。虚拟现实技术的沉浸特征、交互特征和构想特征，刚好弥补了上述传统方法的不足。因此，运用虚拟现实的方法实现机械设计系统成为必然。传统的机械仿真都是代码编写控制的运动效果，没有实现通过物体间力的作用而让物体产生运动，所以不免比较生硬，不能具有可复用性和柔性。

综上可知，机械工业虚拟仿真技术由于其复杂性、综合性决定了开发的困难，因此势必需要一些工具来辅助开发，游戏引擎由于其本身的特点，成为开发机械工业虚拟系统的有力工具。

三、游戏引擎技术

1.三维游戏引擎

一般而言，三维游戏引擎包括：引擎内核、三维图形引擎、物理引擎、人工智能系统、3D模型和图像库、网络引擎、输入系统。三维游戏引擎中各子系统关系可由（图1）表示。

2.游戏引擎技术的优势

（1）利用游戏引擎可以简化系统制作的复杂度，缩短开发时间，降低制作成本。

（2）游戏引擎中强大的物理引擎为该机械动力仿真系统提供了保障，这也是不同于其他虚拟现实技术的闪光点。

（3）该游戏引擎能快速嵌入到网页中运行，因此，极大的活跃了网页式三维虚拟现实技术，因为传统的三维网页虚拟技术在WEB中运行效果不是很好，运行缓慢，效果单调，交互性差，游戏引擎技术的支持在一定程度上可弥补这些不足。

（4）游戏引擎的最大特点是可以实时渲染，这样使得开发者可以及时浏览和调整系统。Unity3D游戏引擎甚至可以支持在程序运行时改动场景中物体的属性。这样的实时性改变，使得开发者能迅速获得最佳的设置效果值。

（5）基于游戏引擎技术开发的机械动力仿真系统，具有游戏般的交互能力，活跃了机械展示的表达方式。

（6）在游戏引擎平台上的二次编程代码被称为“脚本”，大多数脚本语言都是面向对象的编程特点，具有封装、多态、可复用性等特性。简单易学，使虚拟系统设计者易于开发应用。

四、主要结论

3D游戏引擎技术最大的特点就是它把一个程序中可以重复利用的部分，以精巧的模块组织起来，将其规格化、最佳化，以利于程序重用技术。利用引擎不仅可以开发出“景物真实、动作真实、感觉真实”的三维系统，更重要的是利用它我们可以节省大量的人员和资金，简化系统制作的复杂度，缩短开发时间，降低制作成本，并且游戏引擎普遍具有的FPS（FirstPersonShooting第一人称射击游戏）特性，这一特点可以巧妙的应用于交互设计中。游戏引擎的实时渲染、动态编译和可视化编辑功能有效解决了传统的虚拟现实技术中存在的渲染耗费时间和硬件成本的问题。

3D游戏引擎最吸引人的是它的强大的PhysX物理引擎和真实的图形渲染引擎。强大的功能会提升研究的成功性。从开发方面考虑，该引擎的脚本语言近似c#或javascript，使得开发轻车熟路，而且脚本是动态编译的，运行速度和汇编接近，不会因为脚本的问题而影响系统的执行效率。从方面考虑，该引擎支持跨平台，而且用该引擎开发的作品可以通过网页直接运行，是3D虚拟现实作品轻松实现网页漫游的良好解决方案。

参考文献

[1]杨红娟，周以齐，石柏成，陈成军.机械系统虚拟现实建模方法的研究.中国图像图形学会.642～646.

[2]刘强，刘春全.机械动力仿真软件在抽油机运动学上的应用.装备制造技术，2008年，第12期.49～51.

[3]石其乐.简易型虚拟现实技术的实现.宁夏工程技术，2003年8月，第2卷第3期：227～245