虛擬教育設計方案
隨著(zhù)信息時(shí)代的發(fā)展，數字化三維虛擬仿真技術(shù)以其畫(huà)面逼真精美、運行高效便捷、功能豐富實(shí)用、查詢(xún)管理信息直觀(guān)方便等特點(diǎn)逐漸應用在各個(gè)領(lǐng)域，國內院校也同樣期望著(zhù)在校園建設成果展示、學(xué)校品牌推廣、教學(xué)輔助與校園資源管理等方面全面實(shí)現三維數字化。三維虛擬校園平臺系統正是順應這種需求而產(chǎn)生，在國內迅速普及。
三維虛擬校園平臺是指利用計算機虛擬現實(shí)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )三維技術(shù)、數據庫技術(shù)等對學(xué)校的建筑三維數據、建筑室內外結構、建筑相關(guān)屬性信息、教學(xué)設施相關(guān)信息和教學(xué)資源信息進(jìn)行處理，建立基于互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器展示的可交互的三維虛擬校園應用平臺，并在此基礎上實(shí)現學(xué)校教學(xué)管理所需的各種功能。
三維虛擬校園可以實(shí)現三維虛擬校園展示、學(xué)校建設成果宣傳、樓宇教室查詢(xún)、自主校園漫游、人機交互體驗、網(wǎng)絡(luò )互動(dòng)交流、仿真課堂體驗、院校設施設備管理等功能，最重要的是其可以直接在互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器中直接登錄使用，使用戶(hù)能夠不受時(shí)間和空間的限制，直接在線(xiàn)瀏覽和使用虛擬校園提供的各種應用。
目前國內越來(lái)越多的院校已經(jīng)逐步建設了三維虛擬校園平臺系統，比如北京大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、北京師范大學(xué)、北京外國語(yǔ)大學(xué)、上海同濟大學(xué)等著(zhù)名高校，眾多高職、中職、中小學(xué)院校也正在陸續開(kāi)展網(wǎng)上三維虛擬校園建設。
隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )時(shí)代的來(lái)臨，網(wǎng)絡(luò )教育迅猛發(fā)展，尤其是寬帶技術(shù)和校園網(wǎng)大規模應用的今天。國內一些高校已經(jīng)開(kāi)始逐步推廣、使用虛擬校園教學(xué)模式。虛擬現實(shí)技術(shù)具有廣泛的作用和影響,親身去經(jīng)歷、親身去感受比空洞抽象的說(shuō)教更具說(shuō)服力。主動(dòng)地去交互，與被動(dòng)的觀(guān)看，有質(zhì)的差別，尤其在虛擬教學(xué)、虛擬實(shí)驗、虛擬仿真校園、科技研究等方面的應用更為廣泛性。
虛擬教學(xué)系統分為原理教學(xué)和動(dòng)態(tài)教學(xué).原理教學(xué)主要指的是傳統的課件制作,把課件中的圖片做成動(dòng)態(tài)三維的形式,改變教育模式,不用再通過(guò)乏味的幻燈片技術(shù)教學(xué),將教學(xué)步驟完美的融合到教學(xué)中,讓學(xué)生不在死守在書(shū)本上面,卻又心不在焉的想著(zhù)自己的事情,不同于傳統的教育模式,所有的教育步驟一氣呵成,使學(xué)生學(xué)習興趣濃厚,教學(xué)質(zhì)量顯著(zhù)提升.動(dòng)態(tài)教學(xué)就是把物理化學(xué)實(shí)驗中一些大型不易操作的實(shí)驗或一些因含有有毒氣體學(xué)生不能進(jìn)行操作的實(shí)驗,通過(guò)虛擬現實(shí)技術(shù),學(xué)生可以在網(wǎng)上進(jìn)行操作,絲毫沒(méi)有束縛之感,讓學(xué)生有一種身臨其境的感覺(jué).成功案例有
虛擬現實(shí)技術(shù)劃分四類(lèi)：
1、桌面虛擬現實(shí)
桌面虛擬現實(shí)利用個(gè)人計算機和低級工作站進(jìn)行仿真，將計算機的屏幕作為用戶(hù)觀(guān)察虛擬境界的一個(gè)窗口。通過(guò)各種輸入設備實(shí)現與虛擬現實(shí)世界的充分交互，這些外部設備包括鼠標，追蹤球，力矩球等。它要求參與者使用輸入設備，通過(guò)計算機屏幕觀(guān)察360度范圍內的虛擬境界，并操縱其中的物體，但這時(shí)參與者缺少完全的沉浸，因為它仍然會(huì )受到周?chē)F實(shí)環(huán)境的干擾。桌面虛擬現實(shí)最大特點(diǎn)是缺乏真實(shí)的現實(shí)體驗，但是成本也相對較低，因而，應用比較廣泛。常見(jiàn)桌面虛擬現實(shí)技術(shù)有：基于靜態(tài)圖像的虛擬現實(shí)QuickTime VR、虛擬現實(shí)造型語(yǔ)言VRML、桌面三維虛擬現實(shí)、MUD等。
2、沉浸的虛擬現實(shí)
高級虛擬現實(shí)系統提供完全沉浸的體驗，使用戶(hù)有一種置身于虛擬境界之中的感覺(jué)。它利用頭盔式顯示器（見(jiàn)圖）或其它設備，把參與者的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和其它感覺(jué)封閉起來(lái)，并提供一個(gè)新的、虛擬的感覺(jué)空間，并利用位置跟蹤器、數據手套（見(jiàn)圖）、其它手控輸入設備、聲音等使得參與者產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺(jué)。常見(jiàn)的沉浸式系統有：基于頭盔式顯示器的系統、投影式虛擬現實(shí)系統、遠程存在系統。
3、增強現實(shí)性的虛擬現實(shí)
增強現實(shí)性的虛擬現實(shí)不僅是利用虛擬現實(shí)技術(shù)來(lái)模擬現實(shí)世界、仿真現實(shí)世界，而且要利用它來(lái)增強參與者對真實(shí)環(huán)境的感受，也就是增強現實(shí)中無(wú)法感知或不方便的感受。典型的實(shí)例是戰機飛行員的平視顯示器，它可以將儀表讀數和武器瞄準數據投射到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，它可以使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數據，從而可集中精力盯著(zhù)敵人的飛機或導航偏差。
4、分布式虛擬現實(shí)
如果多個(gè)用戶(hù)通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò )連接在一起，同時(shí)參加一個(gè)虛擬空間，共同體驗虛擬經(jīng)歷，那虛擬現實(shí)則提升到了一個(gè)更高的境界，這就是分布式虛擬現實(shí)系統。在分布式虛擬現實(shí)系統中，多個(gè)用戶(hù)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )對同一虛擬世界進(jìn)行觀(guān)察和操作，以達到協(xié)同工作的目的。目前最典型的分布式虛擬現實(shí)系統是SIMNET，SIMNET由坦克仿真器通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接而成，用于部隊的聯(lián)合訓練。通過(guò)SIMNET，位于德國的仿真器可以和位于美國的仿真器一樣運行在同一個(gè)虛擬世界，參與同一場(chǎng)作戰演習。
硬件：
位置跟蹤器
三維空間跟蹤定位器是作用于空間跟蹤與定位的裝置，一般與其他VR設備結合使用，如：數據頭盔、立體眼鏡、數據手套等，使參與者在空間上能夠自由移動(dòng)、旋轉，不局限于固定的空間位置。操作更加靈活、自如、隨意。產(chǎn)品有六個(gè)自由度和三個(gè)自由度之分。 當接收傳感器在空間移動(dòng)時(shí)，能夠精確地計算出其位置和方位。該設備 消除了延遲帶來(lái)的問(wèn)題，因為它提供了動(dòng)態(tài)的、實(shí)時(shí)的六自由度的測量位置(X, Y, 和 Z 笛卡爾坐標) 和方位（俯仰角、偏行角、滾動(dòng)角），無(wú)論在虛擬現實(shí)應用領(lǐng)域，還是在控制模擬器的投影機運動(dòng)時(shí)，還是在生物醫學(xué)的研究中，它是測量運動(dòng)范圍和肢體旋轉的理想選擇。它是快速、精確、而且容易使用。 位置跟蹤器有磁場(chǎng)式。超聲波式、紅外線(xiàn)式及發(fā)光二極管式等，但使用較多的是磁場(chǎng)式及超聲波式。 六自由度運動(dòng)跟蹤系統，目前運用最廣泛的是美國Polhemus 公司的 FASTRAK位置運動(dòng)跟蹤系統，LIBERTY位置運動(dòng)跟蹤系統，PATRIOT位置運動(dòng)跟蹤系統，以及最新開(kāi)發(fā)的G4無(wú)線(xiàn)位置運動(dòng)跟蹤系統。 |
數據手套
數據手套是一種多模式的虛擬現實(shí)硬件，通過(guò)軟件編程，可進(jìn)行虛擬場(chǎng)景中物體的抓取、移動(dòng)、旋轉等動(dòng)作，也可以利用它的多模式性，用作一種控制場(chǎng)景漫游的工具。數據手套的出現，為虛擬現實(shí)系統提供了一種全新的交互手段，目前的產(chǎn)品已經(jīng)能夠檢測手指的彎曲，并利用磁定位傳感器來(lái)精確地定位出手在三維空間中的位置。這種結合手指彎曲度測試和空間定位測試的數據手套被稱(chēng)為"真實(shí)手套"，可以為用戶(hù)提供一種非常真實(shí)自然的三維交互手段。 數據手套使用簡(jiǎn)單，操作舒適，驅動(dòng)范圍廣，高數據質(zhì)量使得它成為虛擬仿真用戶(hù)的理想工具。適用于機器人系統、操作外科手術(shù)、虛擬裝配訓練、手語(yǔ)識別系統、教育娛樂(lè )、機器人技術(shù)、動(dòng)作捕捉、虛擬現實(shí)、創(chuàng )新游戲、復原、以及對殘障人士的輔助等技術(shù)領(lǐng)域。 例如：美國宇航局的Ames實(shí)驗室將數據手套工程化，使其成為可用性較高的產(chǎn)品，在約翰遜空間中心完成空間站操縱的實(shí)時(shí)仿真。又如美國Boeing公司制造了一架虛擬飛機，運用數據手套進(jìn)行控制，從而觀(guān)察設計結果，考察性能指標。再如NEC公司開(kāi)發(fā)的虛擬現實(shí)系統，操作者通過(guò)使用數據手套可以處理三維CAD中的形體模型。國內的研究也取得了一批成果等等。 |
高清數字頭盔
頭盔式顯示器是最早的虛擬現實(shí)顯示器，利用頭盔顯示器將人的對外界的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)封閉，引導用戶(hù)產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的感覺(jué)。其顯示原理是左右眼屏幕分別顯示左右眼的圖像，人眼獲取這種帶有差異的信息后在腦海中產(chǎn)生立體感。頭盔顯示器作為虛擬現實(shí)的顯示設備，具有小巧和封閉性強的特點(diǎn)，在軍事訓練，虛擬駕駛，虛擬城市等項目中具有廣泛的應用。 頭盔顯示器可單獨與主機相連以接受來(lái)自主機的3DVR圖形圖像信號。使用方式為頭戴式，輔以三個(gè)自由度的空間跟蹤定位器可進(jìn)行虛擬現實(shí)輸出效果觀(guān)察，同時(shí)觀(guān)察者可做空間上的自由移動(dòng)，如；自由行走、旋轉等，沉浸感極強，在虛擬現實(shí)硬件觀(guān)察設備中，頭盔顯示器的沉浸感優(yōu)于顯示器的虛擬現實(shí)觀(guān)察效果，遜于虛擬三維投影顯示和觀(guān)察效果，在投影式虛擬現實(shí)系統中，頭盔顯示器作為系統功能和設備的一種補充和輔助。 |
交互式觸屏系統
交互式觸摸屏又稱(chēng)之為觸摸一體機，是最簡(jiǎn)單、方便、自然的一種人機交互方式，它賦予了多媒體以嶄新的面貌，是極富吸引力的全新多媒體交互設備。它以觸摸屏為交互窗口，通過(guò)采用先進(jìn)的計算機軟件技術(shù)，運用文字、圖像、音樂(lè )、解說(shuō)、動(dòng)畫(huà)、錄像等多種形式，直觀(guān)、形象地把各種信息介紹給人們，給人們帶來(lái)極大的方便，也給人們帶來(lái)了全新的互動(dòng)體驗。 面向用戶(hù)進(jìn)行指揮預案、技術(shù)研討、互動(dòng)演示、教育培訓等需求推出的交互式觸摸屏，完全替代傳統的由投影機、計算機、幕布、音響等組成的交互式電子白板。和其他類(lèi)似產(chǎn)品不同的是，紅外技術(shù)能夠提供超強的畫(huà)質(zhì)。在簡(jiǎn)單的安裝后，顯示器可以用手指或者任何普通的筆來(lái)直接操作屏幕。紅外觸摸屏的無(wú)漂移，防刮擦，防水，防塵，防眩光等特點(diǎn)使得成為互動(dòng)演示、電腦白板、指揮中心、公共場(chǎng)所一體機、信息查詢(xún)和所有互動(dòng)應用的理想選擇。 |
