虛擬仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)展及其技術(shù)應(yīng)用探析

徐雪飛 趙江東 柳晨陽 王 會

(1.皖西學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院；2.皖西學(xué)院 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)管理部，安徽 六安 237012)

0 引言

2019年10月，教育部發(fā)布《教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》指出，2019年到2021年，完成1 500門左右國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程建設(shè)[1]。教育行業(yè)要跟上信息化快速發(fā)展，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到教學(xué)中已經(jīng)成為了一種趨勢。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比較，學(xué)生不必?fù)?dān)心傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中具有危險性的實(shí)驗(yàn)以及在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)過程中儀器的損壞等，并且只要有計算機(jī)等設(shè)備，就可以隨時隨地實(shí)驗(yàn)，學(xué)生還可以自己設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)現(xiàn)自己的想法，這為學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)自主探究提供了平臺。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

2017年以來教育部和各個高校非常重視虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)和應(yīng)用，建設(shè)投入不斷擴(kuò)大，國內(nèi)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。

2018年，南開大學(xué)文學(xué)院國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)完成3個具有獨(dú)立著作權(quán)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。其中的古代漢語虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生借助于虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)手段，更加透徹的了解漢字的造字規(guī)則和方法，還可以借助虛擬仿真技術(shù)創(chuàng)造的交流需求“困境”中，思考文字是如何變成語言以及之間的形成規(guī)律。另一個中華詩教虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，更是在這個虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺上建立了不同的虛擬學(xué)堂來幫助學(xué)生解決詩詞學(xué)習(xí)過程中的難點(diǎn)。

2020年，東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院開發(fā)了油氣勘探地球物理測井虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。由于油氣生成于數(shù)百到數(shù)千萬年之前，埋藏于數(shù)千米地下，成藏條件、油氣勘探過程受到許多限制，具有抽象、不直觀、無法直接觀察和測量的特點(diǎn)，而油氣勘探地球物理測井虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有效地解決了上述問題，從而更好地培養(yǎng)出地質(zhì)類實(shí)踐人才。

2019年，江西高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享管理中心為了在新型冠狀病毒疫情期間不耽擱學(xué)生們的學(xué)習(xí)，推出84門虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生用移動設(shè)備在家中就可以做實(shí)驗(yàn)。

1.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外關(guān)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，尤其是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方面，發(fā)展較早。美國明尼蘇達(dá)護(hù)理學(xué)院與企業(yè)合作，開發(fā)了一款游戲，旨在讓學(xué)生體驗(yàn)如同現(xiàn)實(shí)生活中的情景，來提高學(xué)生的實(shí)踐能力。美國加州大學(xué)圣迭戈分校開發(fā)了一款虛擬仿真系統(tǒng)，把學(xué)生測量到的約旦堡壘的數(shù)據(jù)輸入到這款虛擬仿真系統(tǒng)中，可以建立完整的約旦堡壘仿真模型。英國開放大學(xué)2006年利用三維虛擬世界“第二人生”中進(jìn)行教學(xué)，在這個虛擬世界中可以構(gòu)建一個與現(xiàn)實(shí)課堂差不多的環(huán)境，學(xué)生可以如同在現(xiàn)實(shí)課堂中與老師對話、完成作業(yè)。也可以讓處于異地的學(xué)生和老師在這個虛擬世界中“面對面”進(jìn)行交流。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)

(1)人機(jī)交互技術(shù)。簡單地講就是實(shí)現(xiàn)用戶與計算機(jī)進(jìn)行交互的一門技術(shù)。用戶和計算機(jī)進(jìn)行交互的方式大部分是通過指令來實(shí)現(xiàn)的。這些指令包括命令行、圖形化、語音和行為交互，是人類語言、身體動作和面部表情。人機(jī)交互技術(shù)與計算機(jī)之間的信息交互的主要特點(diǎn)表現(xiàn)在面部表情、姿勢動作、聲音等方面。此技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于教育行業(yè)、動畫創(chuàng)作、游戲等領(lǐng)域。

(2)可視化技術(shù)?？梢暬?Visualization)是利用計算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)[2]?？梢暬€可以將聲音用跳動的線條表示，更容易間接觀察一些平常生活中不可見的事物。可視化技術(shù)就是讓人們可以直接操控這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化來的圖形，來達(dá)到與計算機(jī)進(jìn)行通信的目的。這種技術(shù)的產(chǎn)生，統(tǒng)一了人與機(jī)器的力量，將大大的提高人類的工作效率?？梢暬夹g(shù)讓用戶有了三維的、仿真的和實(shí)時交互的能力。將可視化技術(shù)應(yīng)用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的根本變革。

(3)遙現(xiàn)技術(shù)。遙現(xiàn)技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要研究分支。其基本要點(diǎn)是，操作員從操作機(jī)那里接收環(huán)境信息，然后將接收到的信息實(shí)時傳輸?shù)疆惖夭僮鲉T，可以像現(xiàn)場操作一樣遠(yuǎn)程控制受控對象。遙現(xiàn)技術(shù)的意義在于，可以控制操作機(jī)(機(jī)器人)去一些危險的地方(高壓、高溫、有毒等)工作，來提高遙控作業(yè)的能力。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要開發(fā)技術(shù)

2.2.1 VR技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)又稱靈鏡技術(shù)，是一個綜合了計算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、傳感器技術(shù)及高分辨顯示等技術(shù)，融視覺、聽覺、觸覺為一體，生成三維虛擬環(huán)境的信息集成技術(shù)系統(tǒng)[3]。虛擬環(huán)境中的用戶能體驗(yàn)到各種場景的轉(zhuǎn)換，更能與虛擬對象發(fā)生動態(tài)交互，猶如在現(xiàn)實(shí)中，幫助使用者更好理解抽象的理論知識，加深對其的理解。

2.2.2 AR技術(shù)

AR技術(shù)，也就是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。AR技術(shù)把真實(shí)世界中難以感受的物品和感官信息在計算機(jī)中模擬仿真，然后投射到現(xiàn)實(shí)世界。簡單地講就是在現(xiàn)實(shí)世界中加入虛擬物品，并能與之互動。更具體的表述是它結(jié)合了以計算機(jī)技術(shù)為核心的各種技術(shù)，將在現(xiàn)實(shí)世界中很難經(jīng)歷的實(shí)體信息，如畫面、觸覺等，通過仿真處理，把虛擬信息內(nèi)容在現(xiàn)實(shí)世界中顯現(xiàn)出來，并且在此過程中，可以通過人類的感覺來感知，從而感受現(xiàn)實(shí)中無法體驗(yàn)的感官體驗(yàn)。當(dāng)現(xiàn)實(shí)世界和虛擬信息內(nèi)容融合時，對學(xué)習(xí)者的體驗(yàn)過程更真實(shí)，學(xué)習(xí)環(huán)境的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果就越好。AR技術(shù)的一些應(yīng)用：ODG是非常有名的AR智能眼鏡制造商，他們開發(fā)了一種能讓飛行員在充滿煙霧的座艙中清晰地看到其他場景的新產(chǎn)品，這個新產(chǎn)品就是用AR技術(shù)開發(fā)的AR口罩。

2.2.3 MR技術(shù)

MR技術(shù)，又名混合現(xiàn)實(shí)。MR技術(shù)是一種能把現(xiàn)實(shí)場景和虛擬音像完美交融在一起的技術(shù)，比AR技術(shù)有更好的互動性，能讓用戶有更高的真實(shí)體驗(yàn)感?；旌犀F(xiàn)實(shí)不僅讓物體或環(huán)境投射在虛擬世界或現(xiàn)實(shí)世界中，更是讓物體或環(huán)境在兩者中融為一體，讓用戶有沉浸式體驗(yàn)。MR技術(shù)應(yīng)用在很多領(lǐng)域，比如醫(yī)療方面，醫(yī)生進(jìn)行術(shù)前討論以及模擬手術(shù)過程，可以使用MR技術(shù)，讓醫(yī)生做手術(shù)更加精確有效。還有煤礦安全領(lǐng)域，利用MR技術(shù)模擬礦井災(zāi)害以及煤礦安全生產(chǎn)培訓(xùn)等。

2.2.4 二維動畫

二維動畫指在紙張、照片等平面上制作的畫面。二維動畫是將制作的原動畫一幀一幀的逐個輸入到電腦中，最終用合成軟件，例如Nuke、Fusion等，進(jìn)行合成，是一門綜合的藝術(shù)。最傳統(tǒng)二維動畫制作是首先運(yùn)用攝影機(jī)技術(shù)進(jìn)行拍攝和記錄，將各色的水彩顏料畫在紙片或是其他類型的片上[4]。因?yàn)槎S動畫手繪表現(xiàn)形式，讓人感覺到自然、直觀、親切；二維動畫在畫風(fēng)上有一個顯著的特點(diǎn)就是簡單質(zhì)樸，給人充分展現(xiàn)了抽象藝術(shù)的美好，同時二維動畫的藝術(shù)性會更高一些。

2.2.5 HTML5

HTML在1990年誕生，經(jīng)過了HTML2.0、HTML3.2、HTML4.0、HTML4.01、XHTML1.0、HTML5這么多版本的發(fā)展，HTML已經(jīng)成為了互聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，并且大規(guī)模應(yīng)用在web應(yīng)用開發(fā)中。而最新版本HTML5已經(jīng)成為了萬維網(wǎng)中核心語言HTML的規(guī)范?，F(xiàn)今的程序可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器從計算機(jī)、手機(jī)和其他終端訪問相同的程序。這使使用者可以不受位置和設(shè)備的限制以遠(yuǎn)程訪問的方式，來訪問儲存在“云”中的內(nèi)容。隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，可以看到HTML5將在未來快速發(fā)展。

3 結(jié)語

本文對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和運(yùn)用在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)的AR技術(shù)、VR技術(shù)、MR技術(shù)、二維動畫、HTML5等技術(shù)進(jìn)行了梳理和闡述，讓讀者能更加方便地了解虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的發(fā)展和開發(fā)技術(shù)應(yīng)用狀況，為技術(shù)開發(fā)者提供了一定的借鑒和參考。隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)技術(shù)也會隨之發(fā)展進(jìn)步，從而推動虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的快速發(fā)展和應(yīng)用，在提高教育質(zhì)量中發(fā)揮更好的作用。