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标题: 教育中的虚拟现实 [打印本页]

作者: 她。 时间: 2012-7-13 10:38
标题: 教育中的虚拟现实
浙江大学计算机系李文

【内容简介】

虚拟现实技术是运用计算机对现实世界进行全面仿真的技术，能够解决学习媒体的情景化及自然交互性的要求，从而在教育领域内有着极其巨大的应用前景。本文首先阐述了虚拟现实技术类型的划分，然后简要介绍了三维仿真、QuickTime VR、VRML、MUD/MOO等四种廉价的、可在教育领域内广泛应用的桌面虚拟现实技术。

【关键词】桌面虚拟现实,QuickTime VR,VRML,MUD/MOO

虚拟现实技术是运用计算机对现实世界进行全面仿真的技术，由于它能够创建与现实社会类似的环境，从而能够解决学习媒体的情景化及自然交互性的要求，从而在教育领域内有着极其巨大的应用前景，可以预言，虚拟现实将是继多媒体、计算机网络之后，在教育领域内最具有应用前景的"明星"技术。

但普通意义上的虚拟现实，需要大型计算机、头盔式显示器、数据手套、洞穴式投影、密封仓等昂贵设备，一般的教育单位是不可能承受的，资金不足严重制约着教育领域对虚拟现实的研究和应用。但随着科学技术的飞速发展，虚拟现实技术出现了多样化的发展趋势，根据"沉浸"程度的高低，可以划分出四种类型的虚拟，其中桌面型的虚拟现实技术非常简单，需要投入的成本也不高，而且在教育领域内可应用的范围很广。本文将介绍四种廉价的、可在教育领域内广泛应用的虚拟现实技术。

一、虚拟现实的类型

虚拟现实是指用立体眼镜、传感手套等一系列传感辅助设施来实现的一种三维现实，人们通过这些设施以自然的方式（如头的转动、手的运动等）向计算机送入各种动作信息，并且通过视觉、听觉以及触觉设施使人们得到三维的视觉、听觉及触觉等感觉世界，随着人们不同的动作，这些感觉也随之改变。目前，虚拟现实内涵已经大大扩展，像"人工现实（Artificial

Reality）"、 "虚拟环境"（Virtual Environment）、"赛伯空间"（Cyberspace）等，都可以认为是虚拟现实的不同术语或形式。事实上，虚拟实现技术不仅仅是指那些戴着头盔和手套的技术，而且还应该包括一切与之有关的具有自然模拟、逼真体验的技术与方法，它的根本目标就是达到真实体验和基于自然技能的人机交互，能够达到或者部分达到这样目标的系统就称为虚拟现实系统。根据用户参与VR的不同形式以及沉浸的程度不同，我们可以把各种类型的虚拟现实技术划分四类：

1．桌面虚拟现实

桌面虚拟现实利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口。通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互，这些外部设备包括鼠标，追踪球，力矩球等。它要求参与者使用输入设备，通过计算机屏幕观察360度范围内的虚拟境界，并操纵其中的物体，但这时参与者缺少完全的沉浸，因为它仍然会受到周围现实环境的干扰。桌面虚拟现实最大特点是缺乏真实的现实体验，但是成本也相对较低，因而，应用比较广泛。常见桌面虚拟现实技术有：基于静态图像的虚拟现实QuickTime VR、虚拟现实造型语言VRML、桌面三维虚拟现实、MUD等。

2．沉浸的虚拟现实

高级虚拟现实系统提供完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。它利用头盔式显示器或其它设备，把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。常见的沉浸式系统有：基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统、远程存在系统。

3．增强现实性的虚拟现实

增强现实性的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。典型的实例是战机飞行员的平视显示器，它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，它可以使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，从而可集中精力盯着敌人的飞机或导航偏差。

4．分布式虚拟现实

如果多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，那虚拟现实则提升到了一个更高的境界，这就是分布式虚拟现实系统。在分布式虚拟现实系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。目前最典型的分布式虚拟现实系统是 SIMNET，SIMNET由坦克仿真器通过网络连接而成，用于部队的联合训练。通过SIMNET，位于德国的仿真器可以和位于美国的仿真器一样运行在同一个虚拟世界，参与同一场作战演习。

二、桌面三维虚拟现实

桌面三维虚拟现实系统就是一种在PC上实现的综合立体图形、自然交互等技术，以营造与客观世界高度类似的逼真、虚拟的环境的应用的系统。桌面三维虚拟现实系统的重要特性是具有一种身临其境的临场感，具备一些与普通图形系统不同的特点：

生动的计算机图形图像场景：三维虚拟现实在现实世界数据建模的基础上，采用三维图形来表现虚拟世界，它对图形的绘制速度、逼真度、分辨率要求都很高，一般需要高速三维图形加速卡支持。通过头盔式显示器或立体眼镜等专用辅助显示设备观察建模的三维物体，可以获得在平面显示器上无法得到的物"深度"（距离）信息，并通过两只眼睛观察不同的图像，产生观察视差，这种物体的深度和观察视差便产生了真实的立体三维观察效果，从而达到身临其境的效果。

自然的人机交互：三维虚拟现实中的虚拟空间是动态的，可操纵的，我们可以借助于一些专门的外部设备以自然的方式来操纵虚拟世界的物体，虚拟世界可对这种操纵作出响应。现在常见的交互设备有：数据手套、三维鼠标、操纵杆、数据衣、普通键盘和鼠标。

下面是一个比较通用的基于PC的三维虚拟现实的系统的配置介绍，它包括硬件和软件两大部份。

1．硬件设备

一套基本的PC的三维虚拟现实系统如图1所示，其中以PC级的图形工作站为主机， Windows NT为操作系统，立体三维图形卡作为图形处理引擎，人机交互设备为数据手套和普通鼠标，立体图形显示设备为头盔式显示器和三枪CRT大屏幕投影仪。

这样的PC三维虚拟现实系统适用于大多数虚拟现实应用，如军事上的三维立体地形观察、CAD/CAM构件模型的三维立体观察、医学上器官组织的三维形态观察等。

对于多人同时观察，需要配备CRT三枪投影仪或者是3维立体单枪投影仪。在场频达到人眼舒适要求的前提下，计算机屏幕所能显示的三维立体图形在投影仪投射到银幕后同样能够达到立体的效果，从而获得类似立体电影的效果。特别需要注意的是，普通液晶投影仪不能用于立体投影。

2．软件系统

目前大多数PC机都用Windows 95/NT操作系统，而且微软公司已经在Visual C++内提供了OpenGL、DirectDraw等图形API，在PC上建立三维虚拟现实系统一般使用这些图形API。OpenGL是由SGI、 Microsoft等公司共同制订的三维图形API，OpenGL程序代码既可以在工作站上也可以在PC上编译运行。还有一些软件公司开发了在 OpenGL之上的图形开发包，如Open Inventor、World Tool Kit、OpenGVS、dVISE等，使用这些图形开发包可以加快虚拟现实系统的开发进程。

三、QuickTime VR

1．QuickTime VR介绍

QuickTime

VR（QTVR）是一种基于静态图象的、在微机平台上能够实现的初级虚拟现实技术。它的基本特点是能够实现对一个物体或空间进行360度全景观察。利用它来创建虚拟场景，我们可以在一个大厅里环绕四周，以任意一个角度观察这个空间，也可以围绕某一个物体，在360度的范围观察它。

假定我们在一室空间进行观擦，室内空间一般有六个表面，如果我们获取了这六个表面的许多不同距离，不同方位的实景照片并将他们按照相互的关系有机连接起来就可以在视觉上形成这个房间整个空间的整体认识，这就是全景概念。在观察时，我们可以任意地转动观看，也可以改变视点，或是走近仔细观看，由于这些照片是相互连接的，所以只要照片足够精细、连接得紧密正确，我们就可以获得空间的感觉。这就是QTVR工作的基本原理。QTVR的核心概念包括：

全景图象（Panoramas)：全景图象是QTVR技术最具特色的概念。QTVR的全景图象实际上是空间中一个视点对周围环境的360度的视图。它可以理解为以节点为中心的具有一定高度的圆柱形的平面，平面外部的景物投影在这个平面上，即为全景图象。用户可以在全景图象中在360度的范围内任意切换视线，也可以在一个视线上改变视角，来取得接近或远离的效果。

对象 (Objects)：对象是和全景图象的概念相对比的概念。全景图象是从空间内的节点来看周围360度的景物所生成的视图，而对象则刚好相反，它是从分布在以一件物体（即物体）为中心的立体360度的球面上的众多视点来看一件物体，从而生成的对一个对象的全方位的图象信息。使用时，用户用鼠标来控制物体电影（object movie)的播放。点击电影播放窗口的中央，会显示一个图象，点击窗口的上部或下部，从而移动观察视点时，系统就会显示对应观察点图象。

场景（Scenes)：场景指的是把一个或多个全景图象或对象电影通过热点这种手段连接后的全景图象和对象电影的有序集合体。在场景中，用户可以在很多全景图象或对象电影中漫游，可以从全景图象到全景图象、从全景图象到对象电影、从对象电影到对象电影、从对象电影到全景图象等多种方式来漫游。

基于静态图像的虚拟现实技术，在三个方面优于普通意义上的虚拟现实技术：首先，在环境要求上，普通意义上的虚拟现实技术需要特殊的专用设备，如头盔式显示器、高性能的图形工作站等，价格昂贵难以普及，而QTVR系统对硬件没有特殊要求，在普通微机上便可实现虚拟现实环境，它的成本极低。其次，从目前国内外现有VR系统上来看，都采用计算机生成图像的方式来建立三维模型，图像的分辨率、质量、复杂度、真实性都不是很高，复杂场景造型数据量巨大，而且常常由于场景的快速切换出现抖动和延迟。而QTVR系统采用360度全景摄影照片作素材，根据真实世界影像来进行三维建模，所以图象质量高，立体效果好，真实性极强，另外，QTVR系统采用先进的图像压缩与还原算法，不仅使造型数据量小，而且在空间呈献时，没有很大的延迟；第三，目前大部分VR系统的制作都需要编程来生成三维模型、检测特殊外部设备的状态及反馈、进行交互控制等，这就限制了普通人涉及这个领域的开发，而QTVR系统的VR场景的生成模式是拍摄à

数字化（扫描）、生成场景播放，不需要任何编程知识，任何普通人都可以胜任。

2．QTVR开发系统的构成

图象采集设备：QTVR图像的拍摄可以用普通的照相机或数字相机，形成图像文件；QTVR要求拍摄360度范围内的全景图像，直接拍摄全景的相机过于昂贵，所以一般是用普通的相机辅以专用的三角架设备，在空间环绕360度拍摄，然后利用软件将拍摄到的一幅幅图像拼合成一幅全景图像。普通三角架可以用于拍摄，但难以保证轴心一致，故制作出的全景有跳跃感，真实性不强；而用专用的三角架，由于轴心一致，所以可以拍摄出图象质量好、真实感很强的全景，而且拍摄过程非常简单。目前美国的KAIDAN公司专门生产用于拍摄全景的三角架。

软件组成：QTVR软件包括两大组成部分：创作软件与播放软件。创作软件主要功能是将离散的图像拼合成全景图像，再将全景图像制作成QTVR格式的文件。苹果公司已经发行了QTVR的创作软件：QTVR Author Studio 1.0，它只能运行在Apple公司的Macintosh系统上。QTVR制作成功后，我们就可以利用一个QTVR播放软件来体验它所提供的虚拟环境，进入虚拟的空间，操纵虚拟的物体。播放软件可运行于Macintosh和Windows的环境。

3．QTVR的教育应用

QTVR在立体空间的展示，立体物体的展示，展品的介绍，虚拟空间的营造与构建，虚拟场景的构造等方面有着作独特的优势，可广泛应用于那些情景性要求很强的教学软件中，比如文物考古学中的文物鉴赏等。微软公司出版的百科全书教育软件中就大量采用QTVR技术来创建各种情景。

四、虚拟现实造型语言VRML

VRML (Virtual Reality Modeling Language)是在Internet上营造虚拟环境的技术。它在Web网上创建可导航的、超链接的三维虚拟现实空间。

VRML的基本工作原理可概括为：文本描述、远程传输、本地计算生成。所谓文本描述指VRML并不是用三维坐标点的数据来描述三维物体的，因为这样会有很大的数据量，在Internet上传输会遇到很多困难，VRML用类似HTML标记文本语言来描述三维场景，就象我们的编程语言，比如，一个立方体的描述文本是：Box(size 3.0 3.0 3.0)。VRML就是一种描述语言标准，规定了用来描述三维场景的文本描述语言；远程传输是指用户浏览VRML描述的虚拟场景时，需要通过 Internet将描述场景的文本传送到本地，一般来说，文本描述是嵌在WEB页面中，在浏览器请求相应页面时与页面描述文本一起传送本地；本地计算生成是指描述虚拟场景的数据传送到本地后，浏览器对它进行解释计算，动态地生成虚拟场景，比如，描述球形的文本，浏览器会在屏幕上绘制一个立体的球形。目前，主流的高版本的浏览器都集成了VRML解释器，但在一些低版本的浏览器中，要想浏览VRML场景，需要安装一个VRML解释器插件。

VRML文件主要包括四个主要成分：VRML文件头、原型、造型节点和脚本、路由。在这四个要素中，只有文件头部分是必须的，它用来告诉浏览器该文件符合的规范标准以及使用的字符集等信息。原型定义了创建了带有指定名称、接口和整体的新节点类型，一旦成功地定义了原型，它就可以在VRML文件的其他地方随意使用。造型节点是VRML中的基本建造模块，它构成了VRML文件的主体部分，正是由于造型节点定义而产生了虚拟的VRML空间。脚本可以看作是一个节点的外壳：它有域、eventIn事件、eventOut事件。其本身没有任何动作，然而你可以通过程序脚本来赋予你脚本节点的动作。这里的程序脚本是一种简化了的应用程序，一个典型的脚本是由Java或JavaScript编程语言写成的程序。路由是一种文本描述的消息，一旦在两个节点之间创建了一个路由，第一个节点可以顺着路由传递消息给第二个节点，这样的消息被称为事件。VRML还可以包含下列条目：注释、节点和域值、定义的节点名、使用的节点名等。

设计VRML虚拟场景时，最简单的方法是直接使用文本编辑器来编辑描述文本，它类似于程序设计，这种方法简单方便，但不是很直观，对设计者的空间想象能力要求也较高，设计的效率不高。现在有很多的可视化的VRML设计工具，如CosmoWorld和HomeSpace等，这些工具将VRML的标准节点都做成可视的组件，用户设计时，只需要将这些组件组全自己需要的虚拟场景就可以了，而且设计的效果在设计时就可以看到。设计完毕后，系统自动将这些可视的虚拟场景生成标准的VRML描述文本，这样，这些文本传送到用户的浏览器后，便会在用户的屏幕上重现这个虚拟场景。

VRML使得Internet的一片平面世界首次出现了的三维场景，它刚一问世，便引起了极大的反响，得到众多的软硬件厂商的支持，成为了 Internet是最具发展前景的新兴技术。VRML在各方面都展现出了强大的应用可能性，蕴藏了无限生机，在教育领域中WEB站点中，它可广泛用于学习情景创设，增加学习内容的形象性和趣味性；可视化的导航，自然的人机界面等方面。如：创建网上三维图书馆，它的好处就在于书籍归类整理更接近真实并将高于真实，汇编或查阅时书籍只需要鼠标的轻轻点击对应的虚拟图书。另外，使用VRML做模拟训练是一种可行性极高的实施，它不光可以减少某些情况下现实空间中操作的困难和危险，更为重要的是它可以使训练造价得到大幅度降低，这样就使得在教育方面的应用成为可能。由于这种模拟系统有着高度的真实性，所以并不会因为没有真实系统介入而造成较差的训练效果。虚拟校园、虚拟考场也将不可避免地出现在网络中，这些新兴的教育形式必将因其优越的一面而在未来教育领域中占有一席之地。

五、多用户协作虚拟社会：MUD/MOO

MUD是 Multiple User Dungeon 的简称，是一个通过网络连接的、多用户参与的、可由用户自主扩展的、主要基本文本表示的虚拟现实环境。这个环境通常代表了一定的现实环境，如城市、校园、建筑物，甚至还可以是一些想象的空间，如旷野、孤岛等。当用户进入到这个虚拟世界后，就象在现实世界一样，需要了解这个环境，与这个环境中的人和物进行交流，如到处漫游，与他人交谈，加入讨论，和其它用户进行秘密交谈，操作某个地方的对象（播放录象带、使用工具等）或者漫游到其它地方去。

MUD是一种基于文本的虚拟世界，这个虚拟世界并不是用浮华的图形和声音来展现的，而是以ASCII字符为主的文本和ASCII字符组成的简单图形来表现的，屏幕上只有文本，而没有图形，这个虚拟世界是借助于你的想象存在于你的脑海中，而不存在屏幕上，屏幕上只有提示你想象的文本。

在MUD世界世界中的一切活动，都是通过键盘输入的方式进行的：你的每一个动作，每一次行动，每一场战斗，都由相应的指令完成，这些指令都是最基本的英文单词或汉语拼音。用文本指令引发对象的动作，用文本指令交谈，用文本指令表达情感、表示情绪，用文本指令交流思想。它提供很少的感官信息，需要参与者更加投入到交互中去，而且在MUD/MOO中，交互并不仅仅是用户与媒体之间的，更有与其它参与者之间的，MUD/MOO比其它数字媒体环境更利于用户远距离获得信息。

MUD是一个以客户/服务器模式运行的程序，它接受多个用户通过Internet提出的连接请求，并为每个用户提供一个想象的实时环境。在服务器端运行 MUD服务程序，它负责接受用户的操作请求，并根据内设的虚拟世界中的逻辑规则进行响应，用户要连接MUD站点，需要使用专用的客户端软件。在 Windows平台上最优秀的MUD客户端软件是Zuggsoft开发的ZMUD。您可以到http://www.zuggsoft.com/下载其最新版本。ZMUD采用图形化界面，使用非常简单，并且内置了非常强大的机器人系统（由Aliases、Trigger和Variables等部分组成），可以提供很多方便和乐趣。另外，也可以使用Telnet连接。

在MUD空间，所有用户、物体环境等等都是对象（Object），它们有各自的对象号（Object Number），每个对象有各自的动作（Verb）和属性（Property），这些动作和属性决定了它们的外表，也决定了它如何与其它对象进行交互。每个用户也是对象，最重要的，在MUD虚拟世界中可以通过编写MOO代码创造对象并为创造的对象定义可具有的行为，这样，实际上就是用户创造和扩展了他们的虚拟空间环境。即系统提供必要的基础设施和对象结构，而虚拟世界的建立则完全是所有用户合作完成的，这是MUD/MOO虚拟世界设计的中心原则。MOO是用面向对象技术建造的MUD，这种技术使学习者更容易创建新的对象。

MUD是一种学习者可以参观的虚拟现实环境，它模拟了真实的世界，在真实世界中看得到的现象，或多或少在 MUD中也会发觉。它是从一种计算机游戏发展起来的，在游戏中，你可以从一个房间走进另一个房间，获得你所看到的事物的描述并可以和这些事物交互。MUD 与游戏最大的不同在于 MUD 是自由的，是任你想像的，而不像游戏般，一切的一切，皆已有人（设计师）帮你安排好。在 MUD 中，所有事情，皆靠你去发展，没有人限制你该做什么，该怎么做。MUD 有许多种类，不同种类的 MUD 提供你不同的想像空间，不同的感觉。每个人有其喜欢的种类，一般来讲，MUD共分为三类：

社会性MUD：模拟社会生活性质的 MUD。通常玩者在其内多半在于聊天，交朋友，讲讲笑话，讨论事情等。代表性 MUD 如：TinyMUD等。

教育性MUD：以学习和教育为主题的MUD，参与者多在其内参与学习或训练，或是共同解决问题，或模拟教育社区。代表性MUD如AcademICK、SchMOOze

University等。

战斗性MUD：战斗导向的 MUD。玩者在其内多为解谜，战斗，升等级等。代表性 MUD 如：LPMUD、DikuMUD等。

MUD这种基于Internet和文本表现的虚拟现实技术具有许多优良特点，有着巨大的教育应用潜能。例如，MUD用文本来描述世界，它对语言教学有着天然的优势，因MUD中不仅仅是人与机器的交流，而更多是通过网络进行人与人之间的交流，MUD又有一定的竞争性和游戏性，能够寓教于乐，有效地激发学习兴趣。它能够有效地创建学习情景、支持合作、促进交流、促进知识表达和应用，是一个非常优良的建构主义学习环境。总之利用MUD/MOO技术，能够建立非常有效的基于计算机网络的学习环境，它结合了益智游戏、情景化学习、协作学习、远程教育等多种特性，是一种非常有发展潜力的分布式桌面虚拟现实技术。

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