VR虚拟现实的理念实现与教学研究

1、中图分类号： G243 密级： 公开 UDC： 700 学校代码： 10094 硕士学位论文硕士学位论文 （同等学力） VRVR 虚拟现实的理念实现与教学研究虚拟现实的理念实现与教学研究 The concept realization and teaching research of Virtual Reality 研 究 生 姓 名 ： 颜媛媛 指 导 教 师 ： 祁凤霞 教授 学 科 专 业 ： 美术学 研 究 方 向 ： 动画 论文开题日期： 2015 年 10 月 12 日 二一八年五月二十五日 I 中图分类号： G243 密级： 公开 UDC： 700 学校代码： 10094 硕士学

2、位论文硕士学位论文 （同等学力） VRVR 虚拟现实的理念实现与教学研究虚拟现实的理念实现与教学研究 The concept realization and teaching research of Virtual Reality 作 者 姓 名 ： 颜媛媛 指 导 教 师 ： 祁凤霞 教授 学 科 专 业 ： 美术学 研 究 方 向 ： 动画 论文开题日期： 2015 年 10 月 12 日 II 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人所提交的学位论文 VR 虚拟现实的理念实现与教学研究 ， 是在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的原创性成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含

3、 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中标明 本声明的法律后果由本人承担。 论文作者（签名） ： 指导教师确认（签名） ： 年 月 日 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解河北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权河北师范大学可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保 存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在 1 年解密后适用本授权书） 论文作者（签名） ： 指导教师（签名） ： 年 月

4、 日 年 月 日 III 摘 要 虚拟现实技术正从贵族化走向平实，从试验室走入我们的生活。如果说二十一世纪 影响人类社会生活的最伟大的革命是数字化技术的推广， 那么最伟大的数字化技术成果 就是虚拟现实。这一技术正在深刻地影响和改变着我们的生活，从此我们的生活展现了 两个截然不同的世界:一个是我们所处的现实世界;另一个是基于计算机仿真的虚拟世 界。两种世界的不断交织，闪现着人类智慧和创造力的火花。探索虚拟世界的奥秘成了 我们学习和工作的一部分。 由于虚拟现实技术是动态的， 不断发展的。 从最初的 VRML(虚拟现实建模语言)到当 今百花齐放的 X3D 技术，令人目不暇接。但所谓万变不离其宗，VR

5、 技术作为经典的呈现 方式是当今所有最先进的虚拟现实技术的本源。鉴于此，课题重点分析了 VR 的技术细 节。同时也兼顾了当今最先进的虚拟现实技术及其构造平台，并且在实际应用方面作了 详细的讲解。 本论文在撰写过程中，最大的特色是注重理论与教学实践的结合。采用大量的图例 配合具体的研究或设计实例。可以为虚拟现实研究人员提供设计思路和制作方法。 关键词关键词：虚拟现实；VR；虚拟教学；虚拟技术 IV Abstract Virtual reality technology is moving from the aristocracy to the plain, from the laboratory

6、 to our life. If the greatest revolution affecting human social life in twenty-first Century is the popularization of digital technology, the greatest digital technology achievement is virtual reality. This technology is profoundly affecting and changing our lives. From now on, our lives show two to

7、tally different worlds: one is the real world in which we live, and the other is the virtual world based on computer simulation. The continuous interweaving of the two worlds sparkles with the wisdom and creativity of human beings. Exploring the mysteries of the virtual world has become a part of ou

8、r study and work. As the virtual reality technology is dynamic and continuous development. From the initial VRML (Virtual Reality Modeling Language) to the All flowers bloom together. X3D technology, dizzying. But the so-called not deviate from the VR technology as the classic presentation is all of

9、 todays most advanced virtual reality technology source. In view of this, the topic focuses on the analysis of the technical details of VR. At the same time, the most advanced virtual reality technology and its construction platform are also taken into account, and the practical application is expla

10、ined in detail. In the process of writing this paper, the greatest feature is to pay attention to the combination of theory and teaching practice. A large number of illustrations are used to cooperate with specific research or design examples. It can provide design ideas and methods for virtual real

11、ity researchers. Key words: Virtual reality; VR; virtual teaching; virtual technology V 目 录 摘 要 . III Abstract . IV 1 绪 论 . 1 1.1 课题的研究背景和意义 . 1 1.1.1 研究背景 . 1 1.1.2 研究意义 . 2 1.2 国内外研究现状 . 3 1.2.1 国外现状 . 3 1.2.2 国内现状 . 4 1.3 本文的研究目标和内容 . 6 1.3.1 研究目的 . 6 1.3.2 研究内容 . 7 2 虚拟现实的相关概念 . 8 2.1 基本概念与理论 .

12、8 2.2 行业前景 . 8 2.3 主要技术 . 10 2.3.1 实时三维计算机图形 . 10 2.3.2 显示 . 10 2.3.3 声音 . 11 2.3.4 感觉反馈 . 11 2.3.5 语音 . 11 2.4 VR 重要特征 . 12 2.5 虚拟制造技术 . 12 2.5.1 定义虚拟制造 . 12 2.5.2 虚拟制造技术与其它先进制造技术的关系 . 13 3 VR 理念实现 . 16 3.1 关键技术 . 16 VI 3.1.1 实物虚化 . 16 3.1.2 虚物实化 . 18 3.2 高性能数字技术 . 19 3.3 强大的软硬件支撑 . 20 3.3.1 虚拟环境制造

13、器 . 20 3.3.2 输入设备与输出设备 . 20 3.3.3 数据接口 . 21 3.4 国内 VR 技术教育案例现状 . 20 4 VR 教育理念 . 21 4.1 VR 教育理念引入 . 22 4.2 VR 学科的教育方法 . 22 4.2.1 技术性特征 . 23 4.2.2 应用性特征 . 23 4.2.3 分类性特征 . 24 4.3 可穿戴屏幕虚拟仿真引入 . 25 4.3.1 技术性特征 . 26 4.3.2 应用性特征 . 27 4.3.3 类别性特征 . 27 4.4 专用传感器技术 . 27 4.4.1 技术性特征 . 27 4.4.2 应用性特征 . 27 4.4.

14、3 分类性特征 . 28 4.5 视力虚拟现实技术 . 29 4.5.1 技术性特征 . 29 4.5.2 应用性特征 . 30 4.5.3 类别性特征 . 30 4.6 真实画面视频技术 . 31 4.6.1 技术性特征 . 31 4.6.2 应用性特征 . 31 VII 4.6.3 类别性特征 . 31 5 教学研究策略 . 33 5.1 教学案例实践体验 . 33 5.2 虚拟教学环境平台的搭建 . 33 5.3 VR 时代实践教学的机遇 . 34 5.3.1 实践教学环境的虚拟化 . 34 5.3.2 实践教学时空的自由化 . 35 5.3.3 进一步激发学习动机和实践兴趣 . 35

15、5.3.4 实现情境化教学 . 35 5.4 VR 时代开展实践教学的挑战 . 36 5.4.1 相关案例与教学研究 . 37 5.4.2 虚拟成瘾以及道德挑战 . 37 5.5 实践教学的对策 . 37 5.5.1 政府和行业携手共同促进技术的发展 . 37 5.5.2 深入拓展教学应用 . 38 5.5.3 教师对学生正确认识虚拟和现实关系要进行引导 . 38 6 总结与展望 . 40 6.1 总结 . 40 6.2 VR 推进与展望 . 40 参考文献 . 42 致 谢 . 44 1 1 绪 论 随着科技和计算机技术的不断发展，出现了虚拟现实，它是建立在高科技计算机技 术为基础而形成的一

16、种虚拟环境，能够给人们带来形象逼真的感官体验，并且通过特定 装置或仪器设备，利用独特手段，在虚拟环境中与目标对象进行互动和交流，从而让体 验者得到一种身临其境的逼真体验。1965 年，相关单位发布了一篇报告，即终极的显 示 ，在该报告中，率先提出了虚拟环境，并对其做了界定。1980 年，创建美国 VPL 公 司的 Jaron Lanier 也提出了这一概念。自此以后，随着科技的发展以及不断的优化升 级，VR 技术被普及，并被广泛应用到各行各业中，而且逐渐发展成熟。 在互联网时代背景下，各项技术都得了提高和发展，当然计算机技术也不例外，由 于该技术逐渐的被各行各业所应用，极大地促进了 VR 技术

17、的发展。随着 VR 技术的不断 发展，目前已有学术界的学者开始研究该技术的相关理论，比如数字图像处理、人工智 能、模式识别等。此外，在虚拟技术的应用和发展过程中，离不开其他学科的密切配合， 比如数学学科、信息学科、物理学科、美学学科等 1。 1.1 课题的研究背景和意义 1.1.1 1.1.1 研究背景研究背景 随着信息技术、数字技术以及计算机技术的发展，人类开始进入数字信息时代，由 此产生了现代信息技术，这项技术不仅对人们的工作、思想、学习、生活等方面产生了 极大的影响，而且也改变了人们的生活模式和生产方式，同时对教育改革、教学调整等 也起到了一定的促进作用。 基于此种情形下， 创新改革教育

18、手段是未来发展的必经之路， 尤其是从文字形态转变成图像形态、从 3D 技术发展延伸到虚拟技术等方面 2。此外，由 于网络技术的不断发展和广泛应用，信息网络早已对人们的生活、工作、学习等方面产 生了极大的影响，而对于教育领域来讲，也将随着网络技术的发展而迎来全新的网络教 育时代。将互联网技术和 VR 技术充分结合起来，不仅对高科技应用到人们的日常生活 中会起到一定的推动作用，而且对我国建设和发展现代教育也是非常有利的。 虚拟现实技术指的是通过计算机模拟出真实或非真实的 3D 场景，通常也被称为 VR 技术。VR 技术是一种能够虚拟现实的高级技术。在虚拟仿真时，必须基于互联网技术、 计算机软硬件等

19、手段之上，让用户能够进行动态人机交互，从而形成一个虚拟的真实场 景。 通过这项技术所形成的虚拟空间可以将人类的深层思想以及丰富想象力充分体现出 2 来，人们不仅可以在这个空间中学习、生活、工作等，而且其还会为人带来很多难以想 象的体验和感受。随着这项技术的出现及其发展，虚拟的现实世界开始在人类生活中出 现，并逐渐演变成一种有形物体，比如虚拟家庭、社区、语言、培训、交流等多种多样 的模式，由此可见，虚拟数字世界的出现开始转变成社会生活中真正存在的实物。 1.1.2 1.1.2 研究意义研究意义 在教育教学环节中，将 VR 技术运用进去，形成了全新的虚拟教学，不仅能够将其 科技优势通过虚拟教学充分

20、体现出来， 而且还是未来教育发展和信息发展必不可少的手 段，在教育行业中，有着极大的应用前景。通过相关实践证明，未来教育工作者在开展 教学工作时， 教学模拟是一个非常关键且常用的手段 3。 教学模拟是依托于计算机之上， 搭建分析模型，进行模拟仿真，将某些逻辑关系、逻辑结构等展示给学生，让他们能够 直观感受和体会，身临其境的去观察各个知识点之间的关系和详细结构，从而理性了解 和掌握理论知识。教学模拟通过创建相应的模型，不仅可以将具体知识结构充分反映出 来，而且还能通过动态形式将教学者的理想知识结构充分表达出来。从目前的实际教学 来看，教学模拟软件的具体用法有无数种，比如智能导师、实验法、游戏法、

21、体验法等。 通过虚拟现实技术创建的学习系统，可以让学生在这个系统中随心所欲的学习，学 生之间还可以相互交流、相互讨论、相互督促，学习能力和学习成绩处于不同层次的学 生，也可以在相同环境中进行互动学习。以 AI 技术和计算机技术为基础创建的虚拟情 景，不仅可以为师生提供具有良好学习氛围或教学氛围的环境，而且还对传统教学缺乏 生动性和情景性的情况起到了一定的弥补作用。从传统教学方面来看，基本上就那么几 个常用的情景，根本没有进行创新和改进，而且师生互动方式、学生学习方式都不够多 元化，导致整个课堂教学中，没有既生动又丰富的表现力，无法对学生的感官起到一定 的刺激作用，导致出现不和谐的学习氛围，整个

22、课堂教学无法取得预期的良好效果。通 过 VR 技术创建一个和谐的、极具真实性的学习场景，以此来为教师提高教学技能、采 用多元化教学手段、不同的表达方式，从而提高教师教学效率，增强教学效果。将 VR 技术真正运用到课堂教学过程中时，还可以创建一个虚拟教室，在这个教室中，通过互 联网、多媒体技术、信息技术等来营造出一个虚拟教学的学习环境，摆脱传统教学受限 于实体教室的束缚，同时还能开展动态互动学习、互动教学、异步通信等活动 4。此外， 虚拟教室这种教学形式，具有非常明显的开放性特征，各种信息的传递都必须基于平等 主体之上，如此来看，不仅创新了教学模式，而且还能将各个方面的信息和各种优势资 源充分利

23、用起来，实现资源信息共享。因此，虚拟教学在现代教育教学和未来教学中， 3 具有一定的优势。 随着教育教学的发展， VR 技术不断渗入到各个学科教学中， 其发挥了不可忽视的作 用，尤其是在工学、史学、地理学等学科中产生了极大的影响。大卫特布劳在研究这个 方面时，建议创建虚拟现实历史室，并指出，学生可以通过这个虚拟教室来学习历史知 识，也可以将其充分利用起来创建有历史意义的虚拟系统 5。此外，他还指出，这个虚 拟教室还可以为教师提供一个可以开展历史教学活动的环境，在这之中，学生可以通过 VR 技术进入到各个大洲，享受一场美梦成真的旅行盛宴。在物理课堂中，通过该技术创 建的课堂环境， 学生能够在这个

24、环境中亲自观察各种微粒子， 了解他们的运动、 碰撞等， 从而加深学生理论知识的理解和掌握。此外，学生还可以通过三维动画来模拟出水蒸气 等自然现象。从这几个方面可以明显看出，将该项技术运用到学科教学活动中，不仅能 够将学生学习的积极性和学习情绪充分调动起来，而且还能将师生的想象力激发出来， 从而达到预期教学效果 6。 开展教学活动，没有相关技术作为支撑，是无法取得良好效果的，由此可见，随着 教学技术的不断发展，教学手段、教学方式等都需要与时俱进，不断创新改革。先进的 教学技术，不仅能够减少不良行为的发生，而且对人类转变教学思维理念、教学模式等 有极大帮助。因此，在不断推广和普及 VR 技术的情形

25、下，应该重视虚拟教育的发展。 由于经常受制于传统教学思维，教学技术得不到提高、教学效果也不显著，随着虚拟教 育的出现，为教育领域带来了新机遇，不仅丰富了教学方式，而且还创新了教育模式， 是以往任何时代的教育模式都无法比拟的。这种模式为现代教育指明了发展方向，同时 对创新和转变教学思想起到了一定的促进作用。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 1.2.1 国外现状国外现状 从目前国外的各种教学方面来看，已经有很多学科开始广泛应用 VR 技术，比如医 学、体育、军事等，这种技术为教育从业者提供了一种理想型的教学模式，并且能够起 到一定的效果。美国最先提出虚拟现实技术，而且美国有很多专门研究这项技术

26、的科研 机构，由此可见，全球 VR 技术的整体水平与美国的这项技术水平有莫大关联，从某种 程度上来讲，后者可以代表前者。 1992 年，美国的东卡罗琳娜大学创建了 VR 技术与教育实验室。其主要用来研究该 项技术是否可以用到教育教学中， 通过研究， 评价这项技术的相关方面， 比如硬件方面、 4 软件方面等，从而为未来研究该项技术在教学过程中的应用提供理论支持。仔细观察该 项技术对教育教学的营销会产生什么样的影响， 同时对比分析基于该技术之上的教学所 取得的成效和其他教学方式所取得的成效，最终从多个方面着手来研究这项技术 7。 美国教育界非常重视这项技术的应用。1994 年，美国实施了一个流动教

27、学计划，这 个计划是由华盛顿大学和西屋科学基金会共同制定的，将虚拟设备安装在车辆上，在各 个学校中开展流动教学，为中小学生提供基于这项技术之上的教学服务。实施这个计划 主要是想为中小学生营造更多的教学情景，让这些学生能够有更多机会享受直观教学， 从而将他们的学习积极性充分调动起来，不断提高他们的领悟和学习能力。 西欧地区也对这方面做了相关研究，尤其是英国研究的最多，一直领先他国。英国 某中学成功创建了一个基于 VR 技术之上的教育工程，在这个工程项目内部，运用了大 量的 VR 软件包，此外，还探究了怎样在英语培训、生产安全培训等方面运用该项技术。 诺丁汉大学实施了 VIRART 项目，研究了

28、VR 技术应用到教育界和学术界的情况，而该校 开展这个项目，主要是为了将该项技术应用到桌面输入设备上 8。 1.2.2 1.2.2 国内现状国内现状 最近几年，我国学者开始研究 VR 技术运用到各个领域的相关课题，尤其是高校学 者研究最多。比如北京航天航空大学研究了 VR 技术应用到分布式飞行模拟中的情况。 浙江大学研究了 VR 技术应用到建筑学上的情况，尤其是虚拟规划和虚拟设计两个方面 的研究。清华大学对临场感做了相关研究。哈尔滨工业大学对人机交互的相关方面做了 研究。此外，我国还有很多高校也对该技术的应用做了相关研究，比如北方工业大学、 复旦、上交大、西安交大等。从整体上来看，我国主要从以

29、下几个方面来研究该项技术 应用到教育领域的情况： (1)虚拟仿真校园 在校园中开展教育教学活动与校园环境、文化氛围、学习氛围等有莫大关系。基于 VR 技术之上， 可以模拟仿真出一个相对真实的虚拟校园环境， 这样就形成了虚拟仿真校 园，这也是在早期教育中运用 VR 技术所形成的产物 9。 天津大学根据 VR 技术的国际标准，并结合 SGI 硬件平台，研制出虚拟校园，它是 从早期浙江大学研制的虚拟校园演变而来。这种将 VR 技术运用到教育中并将两者充分 结合起来的方法，具有极大的推广作用，而且对双方的发展也会起到一定的促进作用。 随着互联网技术的发展、互联网的广泛应用，人们对校园环境的关注点已经开

30、始发生转 变，不再仅仅以浏览观察校园环境为主，而是转变成迫切希望可以通过 3D 技术来对教 5 学环境、教学模式、校园生活等方面加以了解。基于此，虚拟校园系统应运而生 10，并 备受人们的喜爱和关注。在创建该项技术系统时，需要注意将其真实性、互动性、情景 性等特点充分体现出来。将该技术与教育充分结合起来，不仅可以对教育创新改革起到 一定的推动作用，而且对教育朝着更加全面的方向发展也是极有利的。 中央广播电视大学以互联网技术为基础，开发出游戏图形引擎，同时还将本校具体 功能与该引擎对接关联起来，从而使 VR 技术得到了极大的推广和运用。 (2)虚拟教学 由于 VR 技术具有交互性等特点，再加上理

31、工科教育教学过程中也急需这些特征， 因此该技术在这类学科中被广泛应用，特别是物理、机械、土建等，充分将这项技术应 用到理工科中，对于这些学科开展教学活动是非常有利的 11。 同济大学建筑学院独自建立了一个虚拟现实实验室， 并针对虚拟目标安装了配套的 高端设备设施，学生可以在这个实验室中仿真建筑结构、土建构造等。实验室中的配套 设备被广泛应用到建筑教学活动中，在这种教学模式下，学生能够系统性的掌握知识， 并且能够加深所学知识的印象，此种教学模式的盛行，极大的促进了该技术在教育行业 中的推广和应用。西南大学在研究工程漫游时，也将 VR 技术应用到工程项目中，并起 到了一定的效果。该校还学习和借鉴了

32、国际顶尖仿真技术，并以这些仿真技术为基础， 研制出与国际标准相符的计算机仿真产品和虚拟现实应用产品等。因此，在很多需要体 现交互性特征的仿真中，都应用了 VR 技术，并取得了非常不错的成果 12。 中国科技大学将 VR 技术应用到物理实验研究中，积累了无数丰富宝贵的经验。目 前，该校利用这项技术研制出以下几种相对稳定成熟的产品。 广播电视大学物理虚拟实验 根据广播电视大学制定的教学大纲开发出了广播大学物理虚拟实验软件， 该软件的 主要内容、重点、难点等都与该校的实际要求非常接近，因此，这款软件备受该校师生 的喜爱，并且也是非常符合该校物理教学的软件 13。利用该软件做各种物理仿真实验， 不仅可

33、以让学生更加形象、更加系统的了解和掌握物理知识、物理实验方法、仪器构造 等，而且还能起到传统实验无法比拟的效果，提高学生的观察能力和实验能力，增强学 生的实际操作能力，从而为学生更加深刻的掌握物理知识提供帮助。此外，通过这个软 件来操作物理实验，还能在潜移默化中激发学生热爱物理实验的激情，提升这方面的兴 趣，提升学校的整体物理实验教学水平，从而对创新改革该教学起到一定的促进作用。 大学物理仿真实验(基于局域网) 6 基于 VR 技术之上，该校开发出大学物理仿真实验软件，该软件创新了物理实验教 学模式，其主要通过计算机来将教学内容、教学要求、学生实验操作等多个方面有效结 合起来 14。比如基本物

34、理策略、测量方法的误差分析、设计性实验等。此外，该软件还 涉及多个学科，比如电子、力学、光学等。 几何光学设计实验平台 该软件是我国首套基于 VR 技术之上研制而成的教学软件，其能够有效结合多种技 术来创新物理教学模式， 比如计算机技术、 VR 技术等， 还能为该教学提供辅助教学技术。 该软件运用 3D 方式进行模拟教学，将教学内容、实验方法、物理实验仪器等多个方面 与计算机技术有效结合起来，同时采用纯 3D 表现方法，让学生在空间足够大的虚拟实 验室中做各种物理实验， 而且学生还可以利用 VR眼镜技术来将真实的 3D场景呈现出来， 从而真正实现桌面式虚拟现实设计的水平。 大学物理虚拟实验远程

35、教学系统 由于目前很多网络远程教学的水平普遍不高， 因此难以研发出教学水平相对较高的 大学物理虚拟实验远程教学系统。教师在开展教学活动时，可以将这个系统充分利用起 来，对各个地区、各个层次的学生进行动态的或非动态的分布式教学。而从学生层面来 讲，学生可以从自身能力和水平出发，选择合适的时间、合适的地点接受教师的指导和 帮助，并且完成所有的物理实验，同时直接在线上提交实验报告 15。 随着科技的不断发展，无论在哪个领域，都开始广泛应用互联网技术、VR 技术、多 媒体技术等，并且在各行各业中，这些技术都有着良好的发展前景。从教育行业来看， VR 技术的出现，为其发展和创新改革带来了无穷无尽的动力。

36、在未来发展过程中，应该 将不同先进技术综合利用起来，同时将这些技术充分融合在一起，从而极大地促进教育 事业的发展。 1.3 本文的研究目标和内容 1.3.1 1.3.1 研究目的研究目的 (1)深入了解 VR 技术，并对其应用、特征、含义等进行分析； (2)分析研究 VR 技术应用到教育行业的国内外现状， 并采取合理方案来促进该技术 在教育行业中的创新与应用； (3)以 VR 技术为基础，创建虚拟教学理论模型，并研究和分析与之相关的各种开发 案例，为教师未来开发虚拟教学课件提供相应的参考建议； 7 (4)制定和采取合理方案，创建虚拟教学环境，并在这个环境中将 VR 技术的作用充 分发挥出来。在未来开展教学活动过程中，可以利用该技术来创建具有多种特点的虚拟 教学环境，比如具有极强