虚拟样机技术 上
绪论
虚拟样机技术概述
1.1.1虚拟样机技术的概念
虚拟样机技术是年代逐渐兴起、基于计算机技术的一个新概念。从国内外对虚拟样机技术( , )的研究可以看出，虚拟样机技术的概念还处于发展的阶段，在不同应用领域中存在不同定义]2][1[。
美国国防部对虚拟样机技术有关概念的建设性意见为]1[：
[1].虚拟样机定义，虚拟样机是建立在计算机上的原型系统或子系统模型，它在
一定程度上具有与物理样机相当的功能真实度。
[2].虚拟样机设计，利用虚拟样机代替物理样机来对其候选设计的各种特性进行
测试和评价。
[3].虚拟样机设计环境，是模型、仿真和仿真者的一个集合，它主要用于引导产
品从思想到样机的设计，强调子系统的优化与组合，而不是实际的硬件系统。
国外其它学者对虚拟样机技术的定义大同小异，主要区别在于技术的构成及其范畴上。如. 和等人认为虚拟样机技术是将建模技术、计算机支持的协同工作()技术、用户界面设计、基于知识的推理技术、设计过程管理和文档化技术、虚拟现实技术集成起来，形成一个基于计算机、桌面化的分布式环境以支持产品设计过程中的并行工程方法]2[；等人认为，虚拟样机的概念与集成化产品和加工过程开发( ,简称)是分不开的。是一个管理过程，这个过程将产品概念开发到生产支持的所有活动集成在一起，对产品及其制造和支持过程进行优化，以满足性能和费用目标。的核心是虚拟样机，而虚拟样机技术必须依赖才能实现]2[。
国内学者在从事虚拟样机技术方面工作中也提出了一些见解，特别是对应用过程及其优点作了比较具体的阐述。例如，李瑞涛等认为所谓虚拟样机技术就是在建造物理样机之前，利用计算机技术建立产品系统的计算机模型，通过虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式地探索虚拟物体的功能，对产品进行几何、功能等方面交互的建模与分析，模拟该系统在真实工作环境条件下的运动和动力特性，从而反复修改设计，以得到最优设计方案]2[。唐硕、赵建卫等认为，虚拟样机技术是建立在、系统仿真和虚拟现实基础上的，通过在计算机上建立在一定程度上具有与物理样机相似的功
能真实度的数字模型（包括几何外形、传动和连接关系、物理特性、动力学和运动学特性等）表示物理样机的各个部分、各个部件以及整个原型样机，能够方便地对系统反复进行修改，直至达到满意的设计性能指标的一种新概念技术]3][1[。
1.1.2虚拟样机技术的背景]5][4[
任何一项技术的产生及广泛应用都有其原因，其中最重要的是市场的需求和技术本身的成熟程度。
虚拟样机技术的产生有其经济背景。随着经济贸易的全球化，要想在竞争日趋激烈的市场上取胜，缩短开发周期，提高产品质量，降低设计成本以及对市场的灵活反应成为竞争者们所追求的目标。谁早推出产品，谁就占有市场，然而，传统的设计与制造方式无法满足这些要求。
在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计。在设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机进行实验，有时这些实验甚至是破坏性的。当通过实验发现缺陷时，又要回头修改设计并再用样机验证。只有通过周而复始的设计－实验－设计过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，尤其是对于结构复杂的系统，设计周期无法缩短，更不用谈对市场的灵活反应了，同时，样机的单机手工制造增加了成本。在大多数情况下，工程师为了保证产品按时投放市场以及设计成本的考虑而中断这一过程，使产品在上市时便有先天不足的毛病。在竞争的市场的背景下，基于实际样机上的设计验证过程严重地制约了产品的质量提高，成本降低和对市场的占有。
如果基于实际样机上的设计验证能像小孩子搭积木一样简单，这个问题便迎刃而解。虽然复杂的机械系统不可能用积木搭出来，但我们可以通过计算机类似做到这一点。机械系统的运动必须受制于物理规律，我们只要掌握了这些规律并定义了描述机械系统的方法，就可以像搭积木一样把机械系统组装起来，形成虚拟样机，然后观察它是怎样运动的，通过计算机的仿真结果，工程师和设计师们便可以评价机械系统的设计质量。
虚拟样机技术的应用贯串在整个设计过程当中。在概念设计和方案论证中，设计师将自己的经验与想象融于计算机的虚拟样机设计中，充分发挥想象力和创造力，并替代物理样机进行性能模拟试验，通过试验中的反馈信息不断地指导设计，顺利地完成产品研发过程。由于虚拟样机比物理样机更易于产生和显示，能方便快捷地反复修
浅谈虚拟现实技术在教育领域的应用
浅谈虚拟现实技术在教育领域的应用 东北师范大学计算机学院 2014级教育技术系王鹏 2014012016【摘要】本文旨在简要介绍虚拟现实技术（含增强现实等分支技术）的定义及其发展现状，通过理论陈述、历史发展及部分实例进行分析，着手于软硬件两方面，结合其他领域中已有的优秀实例，对虚拟现实技术在教育领域的应用提出部分建议。 【关键词】虚拟现实增强现实三维技术教育软件开发 现代社会的电子信息技术自从计算机诞生以来就得到了飞速发展，人们不满足于二维平面等级的人机交互界面，开发了一系列帮助人们进行多元化人机交互的辅助工具。输入设备从最传统的键盘、鼠标，发展到今天的触摸板、眼球测位仪、语音识别，输出设备也从简单的显示屏、扬声器发展出各种形态。在硬件设备进化的同时，人机交互的“内容”即软件与信息层面也发生着急速变化。从最初的二进制数字到后来的命令提示符字符串，再到后来的桌面化操作系统及多媒体声像，时至今日人们已经掌握了足够顶层的技术以使用计算机来模拟日常所见的真实场景，而这种技术的代表作之一、同样也是未来信息技术领域最有发展前景的技术之一，就是虚拟现实技术。 一虚拟现实综述 虚拟现实（Virtual Reality，后文或简称VR）的定义目前为止依然众说纷纭，笔者较为认可的定义如下：一种可供创建并体验高度拟真的虚拟世界的计算机仿真系统。用来实现VR系统的技术被称为VR技术。何谓高度仿真呢？目前为止在技术层面能达到的、符合人们日常生活中实际体验的标准包括如下几个方面： 1 真实性 真实性是VR技术的主要目标。VR旨在用计算机构建真实世界以让用户获得拟真体验，生成的虚拟物件一般要高度仿照真实世界的尺寸、材质等，能够做到静物的“以假乱真”，相应的运动规律也要按照真实世界设置参数，如重力加速度或化学反应速率等，使得它们在变化时看起来仍不失真。 2 交互性 一般来说，交互性是指用户对虚拟世界中物体的可操作程度，和从自然环境中得到信息反馈的程度。计算机系统中生成的虚拟世界不可能仅接受工作人员输入的基本建模参数，也应当接受来自用户的实时输入信息，并给出相应的反馈。例如，用户可以通过特殊的控制器（如摇杆、特制键盘）、体感装置（如传感服、眼球测位仪）以及语音等向系统发送指令，相应地也就要求系统为用户提供多元化的输入接口，输入模式也应当尽可能贴近人类的自然活动。 3 沉浸性 沉浸性是指，用户在体验虚拟世界的时候，不光要体验到场景及运动规律的真实感，也应当同时意识到自己能够沉浸到虚拟世界中，而非一个世界之外的控制者、操作者。理想的VR系统应当以用户为第一视角构建，并能让用户产生真假难辨的感觉。
《虚拟样机技术》课程教学大纲
《虚拟样机技术》课程教学大纲 课程代码：020232030 课程英文名称：Virtual Prototyping Technology 课程总学时：32 讲课：32 实验：0 上机：0 适用专业：车辆工程能源与动力工程 大纲编写（修订）时间：2017.5 一、大纲使用说明 （一）课程的地位及教学目标 本课程为车辆工程、能源与动力工程专业学生的一门专业基础选修课，ADAMS作为机械系统动力学分析软件，在汽车等领域有着广泛的应用，它改变了传统产品设计开发过程，可以大大缩短产品开发周期，降低开发费用和成本，提高产品性能，获得最优化和创新的设计产品。通过本课程的学习，使学生掌握ADAMS软件中虚拟样机的仿真建模工具及汽车模块的应用，培养学生应用大型工程软件解决问题的能力，为毕业设计进行知识储备并奠定基础，使学生毕业后能够适应社会的发展。 本课程将系统地介绍机械系统动态仿真技术，从设计和创新设计的角度出发，结合大量的实例，介绍ADAMS入门的基础知识、虚拟样机的基本概念及ADAMS软件的主要功能和操作技巧。通过学习这门课程，培养学生解决实际问题的能力，使学生能够较全面地了解掌握ADAMS软件的使用方法，了解在ADAMS软件环境下进行产品虚拟样机的开发过程。 （二）知识、能力及技能方面的基本要求 通过学习和练习使学生了解ADAMS虚拟样机技术的基本知识；掌握ADAMS软件的基本操作，熟悉软件的特性和使用方法；掌握基本的实际工作流程和处理方法。培养学生分析和处理实际问题的能力，能够独立面对问题、分析问题、解决问题。具体要求： 1、掌握ADAMS软件的使用。 2、能使用ADAMS软件，使学生具备在ADAMS软件环境下开发产品虚拟样机的能力，能完成一些简单机械系统的动力学分析。 （三）实施说明 教师在授课过程中可以根据实际情况酌情安排各部分的学时，课时分配表仅供参考。根据各专业特点，教师应结合本专业的实际问题，在教学过程中注意理论与实际结合，突出实际应用。 课程的教学目标通过教师演示讲授，学生课堂练习相结合来实现。采用现场教学模式，即在教师讲授演示的同时,学生同步在计算机上操作演练，强化教师与学生的互动。教师要注重对基本概念、基本方法和解题思路的讲解，以便学生在实际应用中能举一反三，灵活运用。 （四）对先修课的要求 要求学生先修：《机械制图》、《三维建模技术》、《汽车构造》等课程，并达到这些课程的基本要求，同时要求对三维CAD技术有一定的掌握。 （五）对习题课、实验环节的要求 根据课程的要求，结合专业特点安排一定的实例，如汽车悬模型及整车模型等，通过课堂练、讲相结合完成。 本门课程是上机操作的课程，实践性很强。为了增强学生的动手能力，要求多媒体教学，并做到学生每人一台计算机并配备相应软件。
浅谈虚拟样机技术
虚拟样机技术及应用 （课程考试） 题目: 浅谈虚拟样机和虚拟样机技术学生: 陈川 班级: 机制1001班 学号: 2010200626 指导教师: 王春光
浅谈虚拟样机和虚拟样机技术 一虚拟样机产生的背景 进入21 世纪, 科学技术突飞猛进, 社会发展日新月异。人们对个性化产品的需求越来越迫切, 对产品性能的要求也越来越高, 全球化经济已明显地呈现出买方市场的特点。由于这一变化, 导致市场竞争日趋激烈, 而竞争的核心则主要体现在产品创新上, 体现在对客户的响应速度和响应品质上。传统的物理样机在产品的创新开发中, 在开发周期、开发成本、产品品质等方面已越来越不能满足市场需求, 虚拟样机技术正是在这一市场需求的驱动下产生的。 传统的产品设计模式通常采取的是一种设计→制造→试验→改进→设计的串行设计模式，尽管在结构设计方面采用CAD、CAE等软件，但由于不同学科软件相对独立性，产品的性能指标往往是通过大量的试验来确定特征参数。而且降低了产品的总体性能，使产品研发周期长、效率低。 如在传统的印刷机械设计工作过程中，都是由工程师先根据机器功能改进的需要，进行理论选型，然后计算结果，画出机械零件图、部件图和装配图，再交给车间进行试制。待样品出来以后，对样品进行运转测试，把测试到的实际结果与设计前的理论构想进行比对，寻找差异产生的原因，再重新进行设计上的修改，直到样品满足改进的需要。这种设计过程，需要的周期长，样品试制费用高，往往不能满足市场对新机器换代及时性的要求，带来了人力物力的巨大浪费。为了改变这些现象，提高产品的性能，缩短生产周期，降低生产成本，各行各业都在不断地创新，开发新的技术。这样通过不断地创新、改进，近年来终于找到了解决这些缺点的方法，并提出了虚拟样机技术。 二什么是虚拟样机 虚拟样机是建立在计算机上的原型系统或子系统模型，它在一定程度上具有与物理样机相当的功能真实度。 虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映实际产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学特性。利用这项技术，设计师可以在计算机上建立机械系统模型，然后以三维可视化处理，模拟在真实环境下系统的运动和动力特性并根据仿真结果精简和优化系统。 虚拟样机被美国国防部建模和仿真办公室(DMSO)定义为对一个与物理原型具有功能相似性的系统或者子系统模型进行的基于计算机的仿真；而虚拟样机则是使用虚拟样机来代替物理样机，对候选设计方案的某一方面的特性进行仿真测试和评估的过程。 虚拟样机的概念与集成化产品和加工过程开发 (Integrated Product and Process Development,简称IPPD)是分不开的。IPPD是一个管理过程，这个过程将产品概念开发到生产支持的所有活动集成在一起，对产品及其制造和支持过程
基于虚拟现实技术的虚拟农场的研究和实现
技术创新 《微计算机信息》2012年第28卷第10期 120元/年邮局订阅号：82-946 《现场总线技术应用200例》 博士论坛 基于虚拟现实技术的虚拟农场的研究和实现 Research and Implementation of Virtual Farm Based on Virtual Technology (南京农业大学工学院) 李东阳 LI Dong-yang 摘要:本系统基于虚拟现实在农业方面的应用,在VC++6.0的软件平台、在Win32框架下,使用C 语言和行业领域中最为广 泛接纳的2D/3D 图形API---OpenGL,创建一个以真实农场为模板的虚拟农场,通过DirectInput 接口实现逻辑方向盘与计算机的交互性,并通过Socket 编程使系统具有网络传输信息的功能,从而实现相应的远程控制,和现实的农场进行交互。实验系统成功创建了一个三维果园、仓房场景、漫游小车及附属设施,可以根据应用的侧重不同进行改善,从而实现虚拟现实技术在农业方面的相应应用。 关键字:虚拟现实;OpenGL;虚拟农场;交互性;网络通信中图分类号:TP311文献标识码:A Abstract:A system that a virtual farm based on virtual reality technology is created using C language and OpenGL-most widely ac -cepted 2D/3D API,in VC++6.0platform and Win32framework ,is introduced in this paper.This system realizes the interaction be -tween computer and logic steering wheel through the DirectInput interfaces,and it has the function of the transmission of information online to communicate with the reality farm so as to achieve remote control,with the method of Socket programming.This trail sys -tem consists of a 3D orchard,warehouse,a small card wandering in the farm and so on,and it can be improved according to differ -ent application to realize all kind of application in agriculture based on virtual reality technology.Key Words:Virtual reality;OpenGL;Virtual farm;Interactivity;Network communication 文章编号:1008-0570(2012)10-0010-02 1引文 虚拟现实(VR)技术最早在20世纪中期由美国VPL 探索公司和它的创始人Jamn IJaIlier 提出这一概念,后来美国宇航局(NASA)的艾姆斯空间中心利用流行的液晶显示电视和其它设备,开始研制低成本的虚拟现实系统,推动了该技术硬件的进步。虚拟现实,又称灵境技术,是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。他综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术,模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能,使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中,并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互,创建了一种适人化的多维信息空间。虚拟现实具有多感知性、浸没感(Immersion)、交互性(Interactivity)、构想性(Imagination)。在医学、娱乐、教育、科研、军事、航天、城市规划、工业仿真等很多方面都有广泛而重要的应用。但在农业方面却是空白,因此本文就虚拟现实在农业方面的应用进行了研究和探讨。图1、图2、和图3展示了虚拟现实的应用例子及本文所研究的虚拟农场场景图。 图1模拟天宫一号图2城市规划图图3虚拟农场本文研究了基于虚拟现实技术思想的三维虚拟农场的系统的创建,借助于OpenGL 和C/C++语言在VC++6.0的开发环 境下、在Win32程序框架下实现系统的搭建。系统可分为三个部分:三维场景、人机交互、数据通信。系统的三维场景通过创建天空盒、地面、纹理贴图和导入3D Max 创建的3D 模型;人机交互主要是通过Direct SDK 里提供的DirectInput 实现;数据通信则是通过套接字网络编程接口创建C/S 模式的通信连接,实现数据的传输。 研究结果表明通过创建农场的三维场景确实能够给农业装备的研发和测试提供一个非常真实的平台,解决农业装备研发和测试所需的环境的季节性弊端。 2虚拟现实 OpenGL 遵循C 语言的调用约定,可以与Visual C++紧密接口。有七大功能:建模、变换、颜色模式设置、光照和材质设置、:纹理映射、位图显示和图象增强、双缓存动画。OpenGL 还能实现深度暗示、运动模糊等特殊效果。本文将利用这些功能来搭建虚拟农场场景并且实现控制。 OpenGL 被设计成独立于硬件、 以流水线的方式工作,其工作流程和绘图的流程如图4和图5所示。 图4OpenGL 工作流程 图5OpenGL 绘图流程 因此首先当系统收到WM_CREATE 消息后,要首先对OpenGL 进行设置 李东阳:学生 10--
毕业论文：浅谈虚拟现实技术
论文虚拟现实技术
浅谈虚拟现实技术 摘要虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是近年来新兴的借助计算机及最新传感器技术创造的一种崭新的人机交互手段，其核心是建模与仿真。概括介绍了虚拟现实技术的概念、特征及应用领域，涉及的关键技术，最新研究进展，应用与前景展望。 关键词虚拟现实技术，研究现状，相关应用，信息安全 一．虚拟现实的概念、特征及应用领域 虚拟现实是一种由计算机和电子技术创造的新世界，是一个看似真实的模拟环境，通过多种传感设备，用户可根据自身的感觉，使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察和操作，参与其中的事件，同时提供视、听、触等直观而自然的实时感知，并使参与者“沉浸”于模拟环境中。虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是指借助计算机及最新传感器技术创造的一种崭新的人机交互手段，其核心是建模与仿真。 虚拟现实技术主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设各等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知。自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入作出实时响应，并分别反馈到用户的五官。传感设备是指三维交互设备。常用的有立体头盔、数据于套、三维鼠标、数据衣等穿戴于用户身上的装置和设置于现实环境中的传感装置，如摄像机、地板压力传感器等。 （虚拟现实技术穿戴的装备）
GrigoreBurdea和Philippe Coiffet在著作“Virtual Reality Technology”一书中指出，虚拟现实具有三个最突出的特征，即人们称道的“3I”特性：交互性(interactivity) 、沉浸感(Illusion of Immersion) 和构想性(imagination)。交互性主要是指参与者通过使用专门输入和输出设备，用人类的自然技能实现对模拟环境的考察与操作的程度。沉浸感是虚拟现实最主要的技术特征，它是指参与者在纯自然的状态下，借助交互设备和自身的感知觉系统，对虚拟环境的投入程度。构想性是指借助虚拟现实技术，使抽象概念具像化的程度。另外还有多感知性(Multi-Sensory)。所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能，由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。 所以，“3I＋M”就是虚拟现实系统的基本特征。 自1968年Ivan Sutherland发表一篇名为“The Ultimate Display”的论文至今，虚拟现实技术已经伴随着计算机技术的进步得到长足的发展。如今，众多的设备可被用于虚拟现实，包括头戴式显示器、数据手套、动作捕捉系统等[1]。虚拟现实技术已经在诸如建筑设计、军事仿真、虚拟制造、游戏娱乐、医学等领域得到广泛的应用。在教育、心理学、环保、文化艺术领域，虚拟现实技术也得到越来越多的关注[2]。 二．虚拟现实涉及的关键技术[3] 虚拟现实的关键技术主要包括：动态环境建模技术，实时三维图形生成技术，立体显示和传感器技术，应用系统开发工具，系统集成技术，实时三维计算机图形技术，广角立体显示技术，对观察者头、眼和手的跟踪技术，触觉、力觉反馈技术，立体声、语音输入输出技术。 动态环境建模技术：虚拟环境的建立是VR系统的核心内容，目的就是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要建立相应的虚拟环境模型。 实时三维图形生成技术：三维图形的生成技术已经较为成熟，那么关键就是“实时”生成。为了达到实时的目的，至少保证图形的刷新频率不低于15帧/秒，最好高于30帧/秒。
基于虚拟现实技术的景物仿真
基于虚拟现实技术的景物仿真 毕业 基于虚拟现实技术的景物仿真摘要：虚拟现实（Virtual Reality，简称VR），是1种基于可计算信息的沉浸式交互环境。具体地说，就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉1体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。本设计是1个基于VRML（虚拟现实建模语言）的虚拟校园系统，它要求实现虚拟现实中基本的场景建立和在场景中漫游，本程序建立场景所需的建筑物均在3DS MAX 中建立，然后以VRML97的格式导出并保存为.wrl文件，这样在VrmlPad编辑器中可以打开这些文件了。然后在VRML编辑环境下，通过添加材质、纹理、传感器、声音、动画等来完善该虚拟校园系统，并通过内联(Inline)、锚点(Anchor)造型节点来实现室外与室内的链接和切换。最后在VRML浏览器中通过键盘和鼠标的移动来漫游观看该虚拟系统。为了使场景漫游更真实，还须在场景图中设置碰撞节点，从而防止观察者从场景中的物体（如教学楼）中穿过或进入不可见的视角观察。关键字：虚拟现实；VRML；漫游；场景；碰撞检测。 Scenery Simulation base on Virtual Reality Technology Abstract: Virtual Reality(VR), It is a immersing type base on the communication that could be calculate. Concretely to say, adopt taking technology of the computer as the core modern Hi-Tech turn into lifelike look ,listen,sense of touch integrated specific fictitious environment of range, users carry on the reciprocation , influence each other with the target in the fictitious environment by way of nature through the essential equipment, thus produced and came personally the feeling and experience of the true environment equally. It is a system of virtual reality school based on VRML technology，and it demands realizing that the basic scene is set up and one can roam in the scene of virtual reality, This procedure sets up buildings of the scene in 3DS MAX then exports and saves them in the format of .wrl files. Under the environment of VrmlPad, we can open these files and perfect the scenes by adding material，texture，sensors，sounds and interpolators.By the node of inline，anchor,we can realize linking or transfering between different scenes.In the end,we can roam the virtual reality system through the movement of the keyboard and mouse in the VRML explorer.In order to approach Reality,a node of collision must be set up to prevent observer from wear or enter impossible visual angle which can’t be observed from object of scene. Keywords: Virtual Reality;VRML;roaming;scene;Collision detecting. 目录前言 1 1 虚拟现实介绍 2 1.1 虚拟现实的定义 2 1.2 虚拟现实系统的发展历史 2 1.3 虚拟现实系统的应用 3 1.4虚拟现实系统的发展方向 4 2 系统开发环境介绍 5 2.1 VRML概
虚拟现实技术在教育中应用的优势与挑战
虚拟现实技术在教育中应用的优势与挑战作者：范安琪袁玖根 来源：《发明与创新（职业教育）》 2019年第4期 范安琪袁玖根 （江西科技师范大学，江西南昌330038） 摘要：如今科技发展的越来越迅速，教育随着科技的发展也不断有新的教学媒体的出现。在多媒体技术后，虚拟现实技术(Virtual Reality）的出现无疑将对教学产生一定的影响。文 章主要探讨虚拟现实技术在教育教学中应用的优势与挑战。 关键词：虚拟现实技术；教育应用；优势与挑战 虚拟现实是以计算机技术为核心，结合相关科学技术，生成与一定范围真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字化环境，用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响，可以产生亲临对应真实环境的感受和体验。 一、虚拟现实技术在教育中应用的现状 虚拟现实技术在20世纪80年代就开始应用于教育了，当时人们还对这方面的研究给予较 少的关注度。而现在世界上许多发达国家都设立了相关项目，如澳大利亚和新西兰于2009年合作成立的虚拟世界工作组和美国林登实验室的Second Life项目等。我国也有很多研究学者在 探索该技术运用于教学中的应用成果。 二、虚拟现实技术在教育应用中的优势 （一）更好地帮助学生学习知识与技能 运用虚拟现实技术可以在仿真的模拟环境中对知识和技能进行不断地巩固和重复学习训练，学习者将处于一个安全的环境中练习观察到的行为和机会，以促进学习者在高效率的环境下达 到预期的教学目标。采用情景记忆（Episodic Memory），这种包含有关生活经历的信息，如特别引人注目的教学活动。通常很难记住课堂上讨论过的学习内容，但是很容易记住教室的样子、老师的桌子的位置。在虚拟技术课堂上通过现代教育技术，创设生动、逼真的教学情境，使用 虚拟现实头戴式显示设备、手柄或传感手套等交互设备从视觉、听觉和触觉这三方面使学生如 临其境。情境记忆为学习者提供一种模式，使他们能够在此基础上掌握知识，发展能力，形成 感情并生成意义。 （二）个性化的学习环境提升学生学习兴趣 个性化学习环境的设计通过虚拟现实技术可以促进学生心流（Flow）的产生，心流是一种 精神状态的运作，在这种状态下，一个人完全沉浸在他所做的事情中，全神贯注。它包含了在 活动过程中的精神投入和持续的参与，是介于无聊和焦虑之间的理想状态。在传统课堂中很难 实现心流，但是通过虚拟现实技术却可以很好地进行相关教学设计。 游戏化学习就是采用游戏化的方式来学习，它是目前比较新颖的教学理论和教育实践。一 个人对一个事物感兴趣，他就会愿意去尝试，努力去做从而做得更好。那么把这个事物换成学习，当学习也变得有趣时，相信学习者也会学有所成。同样对比传统课堂，虚拟现实技术在这
虚拟样机技术概述
虚拟样机技术概述 1.1.行业背景 多年来，制造业完全依赖于物理样机来解决和交流设计过程中的问题，这就使得制造成本增加和产品设计时间的延长（见表1）。然而，近年来，制造业者已经认识到物理样机在快速抢占市场上已严重阻碍了其发展，成为发展过程中的一个重要障碍。 为了突破这个障碍，很多制造业者（如Boeing ,GM, Caterpillar ,Ford等）开始研究使用虚拟样机，而减少对物理样机的依赖。他们并不完全排除物理样机，只是减少物理样机的数量，用虚拟样机的灵活性去完成物理样机不能完成的功能。例如，90年代Boeing公司用虚拟样机技术用在波音777上取得了极大的成功，他们仅用一个较小的物理机头模型就在四年内把这种飞机推向市场(Boswell, 1998)。Caterpillar公司也同样利用这个技术应用于他们的履带机设计，他们发现这种技术在解决设计评审阶段节省了9个月时间(Ellis, 1996)。 表1 物理样机成本 虚拟样机的成功有两项关键技术，第一，实时的3D图形特性和位图质量要达到一定的标准，要求硬件产生的高质量位图包括150，000到250，000个三角形的数据。另外，这些位图刷新速度要达到交互速度的要求。第二，投影和其它显示技术的发展使得高清晰度的立体图像能被建立。结合这两项技术，虚拟样机赢得了一些评论家的关注。现在，这种技术也面临着有激烈地争议，但虚拟样机的高成长性和广泛应用已成为事实。 物理样机被用于解决贯穿整个生产过程的问题。通常情况下，一些独特的模型对解决某些关键的问题是必须的。表2列出一些通过样机解决的问题和关心
的主要问题。 下面给出虚拟样机技术在工业中的三个具体应用层面： 1．建立可信的图像 2．产品设计与制造过程的集成（DFM） 3．虚拟样机和现有测量工具的结合 表2 原型问题 1.2.虚拟样机的关键技术 1.2.1.建立可信赖的1：1产品虚拟原型 建立可信的图像是一个核心要求。目前，绘图师和设计师都用不同的射线跟踪包（沿物理样机）去形成高真实的图像或动画电影。这些工具对于交流是非常有用的，他们也能描述必需的经验上的碰撞。当你在墙上看到这些图像时，你就会想象你正经历着这个产品，或正在看它漂亮的图片。这种预先渲染的技术限制了通常物理样机所提供的探测和交互的种类。例如，你不能进入图像的内部和感受到聚集在你周围的场景。这种情况下，具有现实性的图像并没有充分的理由代替物理样机。既然这样，使用这种技术生成的虚拟样机的应用的可信度就会大打折扣，因为它们限制了探测场景的比例和现场的沉浸感。 当计算机可视化的价值得到工业界的普遍认可时，具有“沉浸感”的虚拟样机还是被许多专家持怀疑和观望态度。但当它呈现出高可信度的图像和虚拟样机时，这种怀疑的态度就会消失。虚拟样机的展示，的确给观察者一种与物理样机同处一室的感觉，这时，观察者就会认为他看到的虚拟样机是真实的。
虚拟现实文献综述
《VRML虚拟现实技术在数字校园系统中应用研究》文献综述 摘要：教育部在一系列相关的文件中，多次涉及到了数字校园，阐明了数字校园的地位和作用。虚拟数字校园模拟真实世界，提供了一个生动的校园空间。将虚拟现实技术应用在数字校园系统的开发，有助于大学自身的宣传和信息的高度集中、配置和互动。它在数字校园的应用，可以大大提高校园展示效果，也能够体现校园个性方面的优势，对校园今后的推广及展示带来非常大的帮助 关键词：虚拟现实；数字校园；基本概况 前言 教育部在一系列相关的文件中，多次涉及到了虚拟校园，阐明了虚拟校园的地位和作用。建设虚拟三维数字校园可以比较直观的了解校园的各个区域，在这个三维的校园里，空间次序的视觉理解和感知变得非常容易，使浏览者对校园环境产生身临其境的感觉[1]，其中的教学楼、实验楼、图书馆、宿舍楼、食堂、道路及绿化地带和种植的植物，都栩栩如生的呈现在我们的眼前，三维虚拟校园模拟真实世界，提供了一个生动的校园空间。三维虚拟校园可直接嵌入到大学的网站，直接通过网络浏览器察看，其丰富的、人性化的信息查询等功能，有效提高大学的美誉度，有助于大学自身的宣传和信息的高度集中、配置和互动。三维虚拟校园的直观特性，可以优化领导管理，对于校园信息管理、校园规划、建设等能够全局掌控。 一、虚拟现实技术的发展状况的研究 虚拟现实（Virtual Reality）技术是20世纪90年代初崛起的一种实用技术，它由计算机硬件、软件以及各种传感器构成三维信息的虚拟环境，可以真实地模拟现实中能实现的物理上的、功能上的事物和环境[2]。在虚拟现实环境中可以直接与虚拟现实场景中的事物交互，产生身临其境的感受，从而使人在虚拟空间中得到与自然世界同样的感受。该技术的兴起，为科学及工程领域大规模的数据及信息提供了新的描述方法。虚拟现实技术大量应用于建筑设计及其相关领域，该技术提供了“虚拟建筑”这种新型的设计、研究及交流的工具手段[3]。 在虚拟现实的发展过程中总结出虚拟现实系统应具有以下四个特征：（1）多感知性。指除一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知、甚至还包括味觉、嗅觉、感知等。理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知功能。（2）存在感。指用户感动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达到使用户难辨真假的程度。（3）交互性。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。（4）自主性。指虚拟环境中物体依据现实世界物理运动定律动作的程度[4]。 虚拟现实技术自诞生以来，其应用一直受到科学界、工程界的重视，并不断取得进展，虚拟现实蕴藏的技术内涵与艺术魅力不断地激发着人们丰富的想象思维和创造的热情。从本质上讲，虚拟现实技术就是一种先进的人机交互技术[5]，其追求的技术目标就是尽量使用户与电脑虚拟环境进行自然式的交互。因此，虚拟现实技术为我们架起了一座人与数字世界沟通的桥梁。 二、虚拟现实技术在数字校园系统的应用解析 目前，数字校园存在有2个定义，并分别带来不同的研究与实践。一种定义是从信息、网络和媒体技术发展角度，数字校园被理解为一个以计算机和网络为平台的、远程教学为主的信息主体；另一个事从因特网、虚拟现实技术、网络虚
浅谈虚拟现实技术特点教学提纲
浅谈虚拟现实技术特 点
浅谈虚拟现实技术特点，组成和分类。常用的虚拟现实软件，硬件和优缺点。 经过3节课的老师的讲解和上网资料的查看，我对虚拟现实技术有了浅显的了解。 一：虚拟现实技术特点: 虚拟现实(VirtualReality)又称灵境技术是利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术，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。 虚拟现实技术具有以下五个主要特征： （1）沉浸性使之所创造的虚拟环境能使学生产生“身临其境”感觉，使其相信在虚拟环境中人也是确实存在的，而且在操作过程中它可以自始至终的发挥作用，就像真正的客观世界一样。 （2）交互性是在虚拟环境中，学生如同在真实的环境中一样与虚拟环境中的任务、事物发生交互关系，其中学生是交互的主体，虚拟对象是交互的客体，主体和客体之间的交互是全方位的。 （3）构想性是虚拟现实是要能启发人的创造性的活动，不仅要能使沉浸于此环境中的学生获取新的指示，提高感性和理性认识，而且要能使学生产生新的构思。
（4）动作性是指学生能以客观世界的实际动作或以人类实际的方式来操作虚拟系统，让学生感觉到他面对的是一个真实的环境。 （5）自主性是虚拟世界中物体可按各自的模型和规则自主运动。 二：虚拟现实技术组成和分类: 1 ：虚拟现实系统的组成 用户通过头盔、手套和话筒等输入设备为计算机提供输入信号，虚拟现实软件收到输入信号后加以解释，然后对虚拟环境数据库进行必要更新，调整当前虚拟环境视图，并将这一新视图及其它信息如声音立即传送给输出设备，以便用户及时看到效果。 系统由输入部分、输出部分、虚拟环境数据库、虚拟现实软件组成。 2：虚拟现实系统的分类 虚拟现实系统按照不同的标准有不同的分类，通常分为以下四类：（1）桌面虚拟现实系统(Desktop VR) （2）沉浸式虚拟现实系统(Immersive VR) （3）分布式虚拟现实系统(Distributed VR) （4）增强式虚拟现实系统(Augmented Reality AR) 2.1桌面虚拟现实系统（简称PCVR） 桌面虚拟现实系统是一套基于普通PC平台的小型虚拟现实系统。利用中低端图形工作站及立体显示器，产生虚拟场景，参与者使用位置跟踪器、数据手套、力反馈器、三维鼠标、或其它手控输入设备，实现虚拟现实技术的重要技术特征：多感知性、沉浸感、交互性、真实性。
虚拟现实实验室项目(基于虚拟现实技术的教育解决方案开发应用)
基于虚拟现实技术的教育解决方案的研制与开发 科技项目可行性报告
目录 一、项目提出的目的及意义………………………………………… 二、与项目相关的国内外发展概况及市场需求分析……………… 三、主要攻关内容及技术路线（技术可行性分析）……………… 四、该项目的技术创新点…………………………………………… 五、现有工作基础和条件…………………………………………… 六、申请的基础条件（包括主要研究成果）……………………… 七、进度安排和实施方案（包括运行机制）……………………… 八、预期成果和考核目标…………………………………………… 九、推广及应用前景………………………………………………… 十、经费概算及来源…………………………………………………十一、结论……………………………………………………………附件---虚拟现实沉浸技术实验室条件建设需求……………………
一、项目提出的目的及意义 互联网、虚拟现实和人工智能被喻为改变人类认知世界的三大信息技术。 互联网从少被社会广泛认知，到今天对社会生活的全面颠覆与渗透不过二十余年。如今互联网+已为国家战略。当互联网在我们生活中掀起一个又一个骇浪时，虚拟现实正悄然从幕后走向前台。今天虚拟现实正演绎着当年互联网对人类生活，从无足轻重到全面颠覆的革命性过程。科技以虚拟现实给人类生活再创造出一次惊喜己为期不远。虚拟现实技术与教育： “虚拟现实”（Virtual Reality，英文缩写VR）技术，利用计算机硬件+软件资源+传感器的一种集成技术，构成实时三维图形生成的技术、仿真技术、多传感交互技术以及显示技术等，生成实时的、具有三维信息的人工虚拟环境，演练者（操作人员）根据需要通过多种交互设备（如头盔、数据手套和刚性外骨架衣服等）来驾驭该环境，以及用于操纵环境中的对象，如在真实世界中一样地与该环境中的人和事物进行行为和思想等的实时交流，并产生逼真的身临其境感。虚拟现实技术不是相关技术的简单组合，而是一种创新性的综合，并且在思想方式上有质的飞跃。 虚拟现实技术对教育产生不可估量的作用，主要理由如下： 1.虚拟现实技术创建全新的教育环境 人们普遍认为，虚拟现实技术将使21世纪的教育发生质的变化。虚假现实技术支持下的教育之所以会发生质的变化，是因为虚拟教育环境拥有现实教育培训环境无可比拟的优势。所谓虚拟教育环境，是指由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟教育的人工环境，它可以是某一现实世界的基础或设施的真实实现，也可以是虚拟构想成的世界。在21世纪，可能兴办起依托虚拟现实技术的各种新型的学校教育，如基础教育、军事教育、各类培训教育，许多学员在虚拟环境中接受各种教育体验与训练。由虚拟现实技术所支撑的教育系统将使得人员可以在虚拟环境中方便地取得感性知识和实际经验。与现实教育基地或设施相比，在虚拟现实技术支持下的虚拟教育环境大致有如下特征和优势： 1.1仿真性 学生通过虚拟设施训练，与在现实教学基地里同样方便。这是因为虚拟环境无论对于现实的环境或是对于想象的环境，都是虚拟的但又是逼真的。理想的虚拟环境应该达到使受训者难以分辩真假的程度（例如可视场景应随着视点的变化而变化），甚至比真
浅析虚拟现实技术
浅析虚拟现实技术应用与未来发展 摘要虚拟现实技术(Virtual Reality，简称VR)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，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。本文主要探讨了虚拟现实技术发展历史、当下应用及未来发展展望。 关键字虚拟现实技术历史发展未来趋势应用局限性 虚拟现实技术(Virtual Reality，简称VR)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，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【1】。近几年，虚拟现实技术发展迅速，在航空航天、船舶建造与设计、军事模拟、机械工程、先进制造、城市规划、地理信息系统、医学生物等领域中发挥了巨大作用，与网络、多媒体技术并称为2l世纪最具应用前景的三大技术。 一、虚拟现实技术特点简析。 虚拟现实技术涉及计算机图形学、数字图像处理技术、多媒体技术、网络技术、人工智能等等，主要是实时三维计算机图形技术，广角（宽视野）立体显示技术，对观察者头、眼和手的跟踪技术，以及触觉/力觉反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等的综合。 而虚拟现实技术的三大主要特点则分别是由上述技术组合实现的。 1、沉浸性。 沉浸性是指虚拟现实技术所创造的虚拟环境能使体验者产生“身临其境”感觉，使其相信在虚拟环境中人也是确实存在的，而且在操作过程中体验者可以自始至终的发挥作用，就像真正的客观世界一样。 根据人类视觉、听觉的生理心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像．使用者戴上头盔显示器和数据手套交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。 2、交互性。 交互性指在虚拟环境中体验者不是被动地感受，而是可以自行改变感受的内容。?体验者是交互的主体，虚拟对象是交互的客体，主体和客体之间的交互是全方位的。 虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，可通过键盘、鼠标、头盔、数据手套等设备进行交互。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，对虚拟环境中的对象进行触摸或操作。 3、多感知性。 多感知性是指除了一般计算机所具有的视觉感知外 还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。 虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚拟环境中可获得多种感知，亲身体验交互操作的反应与感受。 二、虚拟现实技术发展历史
虚拟现实技术在军事上的应用
虚拟现实技术在军事上的应用 李丽荣,陆宇平,王彦民 (南京航空航天大学自动化学院,南京210016) 摘要:虚拟现实技术汇集了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、计算机仿真技术、传感器技术、计算机视觉和人的行为学研究等多项关键技术,是一门基于多种学科发展起来的计算机领域的高新技术。本文主要介绍了虚拟现实技术在军事领域的应用以及真三维立体显示技术,表明基于虚拟现实技术的军事仿真训练系统在飞行训练、海军潜艇训练、立体三维坦克作战指挥系统、立体三维直升机训练系统、立体三维海军作战指挥系统、立体三维实战演示系统等领域具有非常广阔的应用前景。 关键词:虚拟现实;军事;真三维立体显示 The App lication of V i r tua l R ea lity Techn i que i n M ilitary A ffa i r s L iL irong,Lu Yup i n g,Wang Yanm in (College ofAuto mati o n Engi n eering,Nanji n g Un i v ersity ofAer onauti c s&Astronautics,Nan jing210016,Ch i n a) Abstr act:V irtual reality technology is a ne w multi-d isci p li n e technology in the co mputer fil e d, i n volving co mputer graph ics,multi m ed ia,artifi c ial inte lligence,m an-co mputer i n terf ace,co mputer si m ulation,co mputer vision and human engi n eer i n g.The paper presents application of the virtual rea l2 ity technol o gy f or m ilitar y aff airs and the true3D vision techn i q ue.M ilitary si m ulati o n training syste m s base on the virtua l reality technol o gy has been f ound to have very w i d e applicati o ns i n fli g ht tra i n i n g, navy submarine training,3D tank ca mpa i g n co mm and syste m,3D he licopter tra i n i n g,3D navy co m2 mand syste m and3D co mbat de monstration syste m. K ey w ord s:virtual reality;m ilitary aff a irs;true3D visi o n 国家保持强大的现代化国防和军事威慑手段的一条重要途径就是要具备现代化的训练和演练水平。现代战争科技水平越来越高,综合性越来越强,耗资越来越巨大。提高军队的训练水平成为各国急需解决的问题,但进行实战训练,耗资太大,并且受到空域和场地的限制,某些训练项目还具有很高的危险性。这些新特点都迫切要求军事仿真训练系统的新突破,通过仿真技术以低廉的成本、逼真的效果最大程度地替代实兵训练与演练。 早期军事仿真训练系统的目的是对作战人员的武器操作技能进行训练,后来发展到训练作战人员的协同作战能力与战场对抗能力,并进一步发展为进行战术联合演练、训练作战人员指挥能力及选择最佳战术和作战方案的综合平台;仿真训练的手段和设施也由原来的单武器平台发展为多武器平台,并进一步发展成为大规模远程网络支持的多兵种武器平台环境。 军事仿真训练系统主要采用虚拟现实技术、网络技术和人机交互技术等。采用虚拟现实技术可以建立三维逼真战场合成环境,可为参与训练和演练的战斗员和指挥员提供高度逼真的战场环境;网络技术可以建立一个供异地多用户同时参与的分布式虚拟环境,使处于不同地理位置的用 收稿日期:20050128