虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用與展望

李巍杭

摘 要：主要介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本概念、發(fā)展歷史和實(shí)際應(yīng)用，通過闡述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)、工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械制造等領(lǐng)域中的應(yīng)用，突出了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在科技發(fā)展和提高人們生活質(zhì)量等方面的積極推動(dòng)作用，并對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展和展望做了簡(jiǎn)要的說明。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；工業(yè)設(shè)計(jì)；文化教育

前言：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)逐步走進(jìn)了我們的生活，我們?cè)诟鄷r(shí)候是將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶給我們的感覺當(dāng)作了一種預(yù)知、或者是預(yù)先的一個(gè)概念認(rèn)識(shí)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)幫助我們由想到做的之間架起了一座可靠的橋梁，幫助我們盡可能的實(shí)現(xiàn)我們的想法，在最大限度內(nèi)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)與現(xiàn)實(shí)的差距、誤差甚至是錯(cuò)誤，避免了一些由于沒有前期經(jīng)驗(yàn)而導(dǎo)致的錯(cuò)誤的出現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用前景是很廣闊的。它可用于教學(xué)仿真，也可應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域，也可應(yīng)用于機(jī)械加工等領(lǐng)域。利用它可以創(chuàng)建多媒體通信、設(shè)計(jì)協(xié)作系統(tǒng)、實(shí)境式電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)游戲、虛擬社區(qū)全新的應(yīng)用系統(tǒng)。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality），又稱靈境、擬實(shí)，是近20年發(fā)展起來的一門新技術(shù)。它采用計(jì)算機(jī)技術(shù)和多媒體技術(shù)，營(yíng)造一個(gè)逼真的具有視、聽、觸等多種感知的人工虛擬環(huán)境，使置身于該環(huán)境中的人通過各種多媒體傳感交互設(shè)備與這一虛擬的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)交互作用，它集成了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，并隨著這些信息技術(shù)的突破而迅速發(fā)展起來。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、科學(xué)計(jì)算可視化、教育與培訓(xùn)、設(shè)計(jì)與規(guī)劃、虛擬測(cè)試、虛擬游覽、購物、交互式娛樂、工程技術(shù)、科技探索等多方面領(lǐng)域。[1]

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的類型。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)根據(jù)用戶參與形式的不同一般分為4種模式：桌面式、沉浸式、增強(qiáng)式和分布式。桌面式使用普通顯示器或立體顯示器作為用戶觀察虛擬境界的一個(gè)窗口；沉浸式可以利用頭盔式顯示器、位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套和其他設(shè)備，使得參與者獲得置身真實(shí)情景的感覺；增強(qiáng)式是把真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境組合在一起，使用戶既可以看到真實(shí)世界，又可以看到疊加在真實(shí)世界的虛擬對(duì)象；分布式是將異地不同用戶聯(lián)結(jié)起來，對(duì)同一虛擬世界進(jìn)行觀察和操作，共同體驗(yàn)虛擬經(jīng)歷。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)上的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)上能實(shí)現(xiàn)課程的數(shù)字化學(xué)習(xí)， 可將課程學(xué)習(xí)內(nèi)容作為學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)資源， 并將其他的相關(guān)資源一并提供給學(xué)習(xí)者， 實(shí)現(xiàn)資源共享；能按照超文本、超鏈接的方式組織管理學(xué)科知識(shí)和各種教學(xué)信息， 有利于學(xué)習(xí)者主動(dòng)發(fā)現(xiàn)、主動(dòng)探索知識(shí)， 發(fā)展聯(lián)想思維和建立新舊知識(shí)之間的聯(lián)系； 能提供界面友好、形象直觀的交互式學(xué)習(xí)環(huán)境， 不受時(shí)空和距離的限制， 可讓各地的師生共處于一個(gè)虛擬空間中， 有利于激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣和進(jìn)行協(xié)商會(huì)話， 實(shí)現(xiàn)合作學(xué)習(xí)；能提供圖文聲像并茂的多種感官綜合刺激， 提供生動(dòng)活潑的直觀形象思維材料， 使學(xué)生從思維、情感和行為三個(gè)方面參與教學(xué)活動(dòng)， 有利于學(xué)習(xí)情境創(chuàng)設(shè)和大量知識(shí)的獲取與保持；可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件的不足。

（二）在工業(yè)設(shè)計(jì)仿真方面的應(yīng)用。產(chǎn)品是人類設(shè)計(jì)思想付之于實(shí)施的產(chǎn)物，產(chǎn)品設(shè)計(jì)所著重考慮的是產(chǎn)品的造型、結(jié)構(gòu)和功能等方面， 目的是生產(chǎn)制造出符合人們需要的實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、美觀的物品。將VR 技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)， 是目前VR在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用的主要方式。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)， 美國(guó)波音公司無圖紙化設(shè)計(jì)波音77 獲得成功， 是近年來引起科技界矚目的一件里程碑式的應(yīng)用。如果把VR 技術(shù)與不同的產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域結(jié)合， 隨之會(huì)誕生許多新穎的概念： 如虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)、虛擬環(huán)境設(shè)計(jì)、虛擬建筑設(shè)計(jì)、虛擬園林設(shè)計(jì)、虛擬裝飾設(shè)計(jì)、虛擬人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)等等。

虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)（VPD ） 就是借助于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)， 是將產(chǎn)品開發(fā)全過程數(shù)字化， 用集成的功能強(qiáng)大的VR 工具， 模擬整個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)過程，在計(jì)算機(jī)的虛擬空間中進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化、加工、裝配、測(cè)試、工藝、質(zhì)量控制、人機(jī)工程學(xué)驗(yàn)證等過程。這種從設(shè)計(jì)到分析再到設(shè)計(jì)的循環(huán)， 反復(fù)多次直到滿足設(shè)計(jì)要求， 全部是在虛擬空間中完成的。

（三）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用。目前，在這一領(lǐng)域，美國(guó)處于國(guó)際研究的前沿，許多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)都在從事虛擬制造的研究工作。美國(guó)Boeing飛機(jī)公司設(shè)計(jì)的一架VS—X虛擬飛機(jī)，它可用頭盔式顯示器和數(shù)據(jù)手套來進(jìn)行模具技術(shù)

2004.No.5 5 7觀察與控制，當(dāng)手指指向飛機(jī)時(shí)就可以看到跑道上的飛機(jī)起飛；手指向下，飛機(jī)便停下來。通過其它手勢(shì)，還可以進(jìn)入座艙，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行飛行試驗(yàn)或者打開應(yīng)急門。這種虛擬飛機(jī)可以讓設(shè)計(jì)人員身臨其境地觀察飛機(jī)設(shè)計(jì)的結(jié)果，并對(duì)其外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及使用性能進(jìn)行考察。Michigan大學(xué)的VR實(shí)驗(yàn)室采用沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)一艘PD337 海軍運(yùn)輸船的生產(chǎn)過程進(jìn)行了模擬。船的雙層底模型是用AutoCad 生成，然后轉(zhuǎn)換成虛擬原型。利用沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)可以步入實(shí)物大小的船體模型中觀察其特性，發(fā)現(xiàn)在開始的CAD/CAM 模型中存在很多問題。比如： 有些間隔無法進(jìn)行焊接，以及很多的剛性衍架放到船的另一側(cè)去了。研究的第二階段是船的裝配。通過模擬一個(gè)真實(shí)的造船廠的標(biāo)準(zhǔn)裝配過程研究了裝配的不同階段的焊接操作和起吊機(jī)的運(yùn)動(dòng)以及其他的步驟。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展趨勢(shì)與展望

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展趨勢(shì)。虛擬現(xiàn)實(shí)將應(yīng)用于更多的領(lǐng)域之中，深入到人們生活的各部分，細(xì)化各項(xiàng)工作的可實(shí)現(xiàn)程度，盡最大的努力將可能發(fā)生的錯(cuò)誤減小到最低，甚至是沒有錯(cuò)，我們?cè)谡嬲龑?shí)施某項(xiàng)工作之前會(huì)將其可實(shí)施性做一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)，將各種可能發(fā)生的情況加入其中，通過數(shù)據(jù)反饋得到結(jié)果，幫助我們判定此方案的可實(shí)施性。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也在幫助我們學(xué)習(xí)，學(xué)校的孩子能夠通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)重新看到白堊紀(jì)的恐龍，看到物種的演化和發(fā)展，幫助孩子們更真實(shí)的感受到學(xué)習(xí)帶來的快樂。同樣，老師在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幫助下，用更生動(dòng)的形式講述那些無法只用文字就能表述的清楚地課題。這種交互的反饋信息，能積極地將人們的學(xué)習(xí)動(dòng)力提升。

在成人的學(xué)習(xí)中，很多無法通過實(shí)際操作的實(shí)驗(yàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)幫助我們實(shí)現(xiàn)了，基于一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，幫助我們理解其中的各個(gè)操作過程。

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)的展望。在符號(hào)化的虛擬世界里，實(shí)踐主體、實(shí)踐客體、實(shí)踐中介都較以往固定的對(duì)實(shí)踐三要素的認(rèn)識(shí)所不同；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)深刻的改變了人類主客體相互作用的方式。人類的實(shí)踐方式?jīng)Q定了人類的思維方式，虛擬實(shí)踐在虛擬世界里建構(gòu)了新的思維方式。因?yàn)楸疚氖菑膹V義的角度來理解虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的，即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的聯(lián)姻，互聯(lián)網(wǎng)代表了資源共享的含義，這種結(jié)合使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)從“精英技術(shù)”轉(zhuǎn)交為“平民技術(shù)”，也使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在社會(huì)上逐漸普及。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳浩磊，鄒汀軍等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的最新發(fā)展與展望[J].中國(guó)科技論文在線，2011，1，Vol.6，No.1：1-5.

[2] 曾怡.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].時(shí)代教育，No.9：182.