虚拟现实技术及其在环境科学中的典型应用

虚拟现实技术及其在环境科学中的典型应用

虚拟现实技术及其在环境科学中的典型应用 篇1

摘 要 随着计算机科学技术的飞速发展，我们已经进入了电子信息时代，虚拟现实技术也逐步发展起来，并应用到环境艺术设计领域。目前，虚拟现实技术还未广泛应用，但是虚拟现实技术在环境艺术设计中所起到的作用打破了传统环境艺术设计的思维模式，发展前景一片大好。但是虚拟现实技术还未完全成熟，而且虚拟现实技术所需的硬件材料成本很高，所以到目前为止，虚拟现实技术还未能够广泛应用。但是我们相信经过各方面的共同努力虚拟现实技术一定会发挥出其惊人的价值，对我们的生产生活产生深远的影响。本文就对虚拟现实技术的基本认识和虚拟现实技术在环境艺术设计中的应用展开讨论。

虚拟现实技术及其在环境科学中的典型应用 篇2

在工程实践中,很多物理量,如温度、流量、压力、液面等均为模拟量,它们通过各种不同的传感器转化成的电量也均为变换缓慢的非周期信号,而其比较微弱,这类信号只有通过放大才能驱动负载;由于这类信号一般变换缓慢,所以采用直接耦合放大电路将其放大最为方便[1]。差动放大电路是一种基本的放大电路,多级直接耦合放大电路的输入级几乎毫无例外地采用这一基本单元电路--差动放大电路,具有高度对称性,在放大差模信号时,能较好地抑制共模信号,有较高的共模抑制比,解决了直接耦合放大器中既要放大有用信号,又要抑制温度等引起的零点漂移的问题。

1 差动放大电路演变历程

差动放大电路是构成多级直接耦合放大电路的前级基本单元电路,它是由典型的静态工作点(Q点)稳定电路演变而来的。经历了:利用射极电阻构成电压负反馈回路稳定静态工作点,如图1所示单管射极偏置电路;由两个型号一样、参数一致的差放对管构造的对称电路,所谓对称是指在对称位置的电阻值绝对相等,两只管子在任何温度下输入特性曲线与输出特性曲线都完全重合,如图2所示基本差动放大电路;以及长尾式差动放大电路图,如图3所示典型差动放大电路。

2 差动放大电路特性分析

2.1 基本差动放大电路特性分析

如图2所示,基本差动放大电路,电路两侧组件对称,管子型号、参数相同。输入信号由两个管子的基极加入,输出信号取两个管子的集电极电压之差,即U0=UC1-UC2,此时电路对零点漂移有良好的抑制能力。

当输入为共模信号时,其工作原理同于由于温度升高时而引起的两个管子一系列的变换。即因输出为两个管子的集电极电压之差,故抵消掉了共模信号引起的输出变换,很好地抑制了共模信号。

2.2 典型差动放大电路特性分析

由上图可见,典型差动放大电路做了以下几点改进:

(1)在两个差放对管的发射极之间接入一个可调点器,这个电位器阻值一般在几十欧姆到百欧姆之间。由于在工程实践中难以做到电路的完全对称,为了弥补实际电路的这个缺陷加入这个电位器,通过调节此电位器可以使两个管子的集电极电位相等。取两个管子的集电极电位之差为输出,在集电极电位相等时,两个管子集电极间的输出为零,所以这个电位器也成为调零电位器。

(3)在电阻R17的一端接入了负电源,同时去掉了正电源与两个管子之间的电阻。为了提高差动放大电路的共模抑制能力,消除单管的温漂,接入了电阻R17,该电阻阻值一般都比较大,在直流量工作时将会在该电阻上产生客观的压降。如果只采用一个正电源供电,将会使管子的晶体工作点较低、动态范围较小。为此在R17的一端接入了负电源,为两个管子提供合适的偏置电压条件。

2.3 典型差动放大电路特性参数指标分析

为简化讨论,我们这里仅探讨典型差动放大电路的参数指标,如图3所示。在计算输出电压UO时,可由图4电路等效。

其中UO,-为不接负载时,差动放大电路的输出电压,RO为放大电路输出阻抗,计算公式如下:

式中,AT1、AT2、ViT1、VIT2分别为管子T1、T2的电压放大倍数和输入信号电压。

由晶体管电流公式得:

式中UT=26mV。

由以上公式可推导出差模电压放大倍数为:

其中,RWT1为调零电位置折合到T1管射极的电阻值。

由于电路的对称性,所以共模电压放大倍数为零;

3 虚拟实现技术在差动放大电路特性分析实验中的应用

虚拟实现技术作为EDA软件一大功能在电子实验中得到广泛的应用。如文献[2]应用Protel 99SE进行差动放大电路的性能分析;文献[3]应用multisim的虚拟仿真功能实现上述电路的性能分析;文献[4]应用ORCAD技术实现了该项性能分析。Proteus是一款将概念变为现实的虚拟实现技术,是我校实验教学改革的一项举措。我校投资近20万购买了这款软件。结合作者的教学实践,运用Proteus软件对差动放大电路进行了性能分析虚拟实验静态分析。

(1)调节调零电位器RV1。在测量差动放大电路各项特性参数之前,需调节电位器RV1,使电路尽可能对称。将输入端对地短接,将正电源的正极接在R10、R11的共同端,负极接地;负电源的负极与R17相接、正极接地。将电压探针放置在各个待测点,结果如图5所示。从上图可见,静态时两个管子的集电极电压均为6.39965v。

(2)静态工作点测量。差动放大电路两个对管的各电极电位如图6所示。本项性能参数的测试采用了虚拟电压表的实时测量功能。从测试结果可知:T1的发射极电压UBE=-0.0440761-(-0.682922)≈0.64V,集电极电压UCE=6.39965-(-0.682922)≈7.08V,集电极与基极电压UEB=6.39965-(-0.0440761)≈6.44V,由此知管子发射极正向偏置、集电极反相偏置、集电极与基极反相偏置,故管子工作在线性放大区(也称为衡流区);同理T2也工作在线性放大区。

3.1 动态分析

(1)差模输入信号。将频率为1kHZ、峰峰值为50mV的正弦波信号接入输入端。通过电阻R15、R16来实现双端差模信号输入。输出波形如图6所示。

4 结论

虚拟实现技术已经在各个领域得到广泛的应用。应用文献,结合作者的教学实践,运用Proteus软件对差动放大电路进行了性能分析虚拟实验。因篇幅原因,仅进行了差动放大电路的晶体管工作点调零、测试以及差模、共模输入时输出波形的虚拟实验。应用Proteus软件现有资源仍可以进行电压传输特性、温度特性的分析。本实验方法对现代实验教学改革有一定的借鉴意义。

摘要：介绍了差动放大电路演变历程,理论上分析了典型差动放大的工作原理以及特性参数的计算公式;应用虚拟实现技术--Proteus软件进行了静态特性、差模输入信号、共模输入信号的实验研究,并对实验现象进行了分析。

关键词：虚拟实现技术,典型差动放大电路,电压放大倍数,共模抑制比

参考文献

[1]童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2008.4.

[2]赵秋.基于protel l99s差动放大电路的仿真分析[J].电子制作,2009,34(4):52-54.

[3]桂静宜.基于mutisim的差动放大电路的性能分析[J].山西电子技术,2009(6):7-9.

虚拟现实技术及其在环境科学中的典型应用 篇3

关键词 虚拟现实技术 环境艺术设计 应用

中图分类号：TP3 文献标识码：A

1 虚拟现实技术在环境艺术设计中的应用概述

自计算机问世以来，人们就开始不断地探索利用计算机辅助艺术设计，并取得了惊人的效果，其中虚拟现实技术更是在环境艺术设计中发挥出其惊人作用。目前，我国虚拟现实技术由于成本高、技术还不成熟等因素还未在环境艺术设计方面广泛应用。虚拟现实技术给环境艺术设计带了全新的局面，使环境艺术设计更加便捷、快速。在一定程度上降低了艺术工作者的工作劳动强度，并且丰富了人类的创作手段，提升了创作能力，使艺术以更加多元形式展现给人们。

2 虚拟现实技术的发展

2.1 虚拟现实技术的起源

虚拟现实技术由于计算机技术的飞速发展而产生的一门超越多媒体技术、三维动画、计算机网络技术的综合性计算机技术。虚拟现实技术结合了计算机多媒体技术、图形学、智能学、计算机网络技术等技术的知识。我国从上世纪90年代开始对虚拟现实技术的研究，像其他国家一样我国虚拟现实技术发源于研究所和高校。虚拟现实技术给艺术创作者带来了与传统艺术设计不同的创作手段。虚拟现实技术使艺术想象能够在最短上的时间内转化为艺术作品，使艺术创作过程更加的可控、可行，就相当于给艺术创作者按上了三头六臂。

2.2 虚拟现实技术在环境艺术设计中的应用

（1）虚拟现实技术弥补环境艺术创作中存在的不足

在虚拟现实技术辅助环境艺术设计出现以前，环境艺术设计往往受到活动经费、场地、工作设备的限制，使环境艺术设计不能顺利进行，不但不能使环境艺术设计达到预期的效果，还会浪费人力物力。而虚拟现实技术在很大程度上弥补了环境艺术设计中的缺陷，艺术设计工作者只要移动鼠标，足不出户就可以完成环境艺术设计所需的现场构建，这不但能够降低设计成本，还能够及时对设计作出修改，有效地对环境设计做出预案，加深工作者对环境艺术设计工作内容的理解以及把握。虚拟现实技术辅助环境艺术设计在很大程度上提升了艺术创作的效率。

（2）虚拟现实技术能够避免实际操作过程中的威胁

环境艺术设计中难免存在一些潜在的危险和一些突发状况，一般我们看到的电视节目都是利用提前录像来代替直博，以免发生突发状况，但是这大大的降低了设计者对作品的感性认识。而虚拟现实技术在环境艺术设计中的应用可以模拟现场，给设计者极大的现场感受，并避免了对人身的伤害及其他安全隐患，并能够及时修改设计方案。借助虚拟现实技术艺术创作者能够极大程度地表达自己的艺术意图，欣赏者可以更加方面的领悟作者的创作精华。

（3）虚拟现实技术打破了环境艺术设计的时间及空间限制

利用虚拟现实技术设计者完全可以打破时间以及空间的限制，各个环节的联系一目了然，进而整个环境艺术作品能够全部展现出来。设计者也可以及时发现问题，及时改正，有效地提高环境艺术设计作品的效率和质量。

（4）虚拟现实技术实现了科学技术与艺术的完美结合

虚拟现实技术利用先进的科学技术使环境艺术创作达到全新的高度，环境艺术创作也是科学技术得到充分地利用。两者相辅相成，使科学技术力充满艺术内涵，也是艺术在科学技术的基础上得到更好的发展，也使人类的生活更加丰富多彩。

（5）虚拟现实技术能够提高项目预算精确度

虚拟现实技术能够模拟现场，提高设计人员对作品的认识，进而能够有效地提高项目预算精确度。

3 结束语

环境艺术设计正在因为计算机的普及以及虚拟现实技术成熟发生巨大的转变，相比于传统的环境艺术设计，虚拟现实技术辅助艺术设计的优势也越来越突出，虚拟现实技术帮助环境艺术设计者冲破传统的束缚，激发了环境艺术设计所蕴含的的巨大潜力，为环境艺术设计开拓出巨大的发展空间。环境艺术设计师也已经不像以前那样依靠繁琐、单一的手段来表达环境艺术设计思维。但是虚拟现实技术成本还较为昂贵，不能广泛地应用到环境艺术中。而且虚拟现实技术并非圣物，没有一点点瑕疵，艺术家只有学会将艺术与技术适当的结合起来，才能做出经典的艺术作品。

参考文献

[1] 刘丹.虚拟现实技术在环境艺术设计中的应用[J].湖南农业大学学报（自然科学版），2008，08（15）：458-461.

[2] 谭毅.虚拟现实技术在环境艺术设计中的应用研究[D].昆明理工大学，2006，03（10）.

[3] 何博知.虚拟现实技术在环境艺术设计中的应用研究[J].大众文艺，2012，04（15）：95-96.

[4] 王晖.虚拟现实技术在环境艺术设计中的应用[J].现代装饰（理论），2012，07（15）：14.

虚拟现实技术及其在环境科学中的典型应用 篇4

虚拟现实技术在煤矿安全中的应用研究

李珍香1, 杜红兵1,2, 夏征义2(11山西阳泉煤炭专科学校,山西阳泉045001;21中国矿业大学北京校区,北京100083)摘 要:介绍了虚拟现实技术及该技术在煤矿安全中应用的必要性和可行性,并提供了该应用领域中编制虚拟现实软件的工具。关键词:虚拟现实;煤矿安全;应用

中图分类号:TD7

文献标识码:A

文章编号:1008-8725(2000)06-0027-02 0 引言

多年以来,煤炭科技的发展,使得煤矿安全技术水平有了很大的提高,但是由于本身所处的自然条件,煤炭行业仍然被认为是比较危险的行业,各种事故(如顶板冒落、火灾、瓦斯煤尘爆炸等)的发生严重威胁着矿工的生命安全和煤炭生产的正常进行。在各种灾害事故中,矿井火灾是煤矿主要灾害之一,据统计,在全国统配煤矿和重点煤矿中,有自燃发火危险的矿井约占47%。当矿井火灾发生后,火势发展迅猛,变化复杂,影响范围广,往往造成人员伤亡和财产的损失,极易酿成重大灾害事故[1]。在救灾时,救灾行动的成功与否取决于救灾人员能否迅速、正确地决策并实施,而这些又取决于救灾人员的素质和他们平时训练水平。然而在矿山救护队的平时训练中,传统的训练方法很难给他们提供一个与真正的矿井灾害相近的训练环境,这样他们在救灾时,由于缺乏亲身的感受和实践经验,面对井下灾害时期极其危险复杂的场面,就很可能不知所措,而不能正确运用平时训练中学来的理论和技术[2]。虚拟现实技术完全可以模拟一个真正的矿井灾害和在火灾时期矿井的风流和烟流流动情况,并实时采取一些救灾措施,把救灾措施的效果逼真地反映给参与者。救护人员可以通过进入这个虚拟的环境,尝试采取各种各样的救灾措施,从而获得训练[3~4]。虚拟现实还可以模拟一个已发生 的事故,便于调查事故原因,吸取事故教训。1 虚拟现实技术[5]

虚拟现实,作为一门新兴的交叉学科,是当今计算机界广泛关注的一个热点。特别是VRML这一基于WWW上虚拟现实建模语言的出现和发展更推动了虚拟现实技术的发展。

虚拟现实来自于英文/Virtual Reality0(VR),它是利用计算机生成一种模拟环境(如飞机驾驶舱,分子结构世界等),通过多种传感设备使用户/沉浸0到该环境中,实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。实际上它就是一种先进的人机接口,通过给用户同时提供诸如视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段,最大限度地方便用户的操作,从而减轻用户的负担,提高整个系统的工作效率。它是多年以来在实时图像显示技术、控制理论、数据库设计、机器人技术、多媒体技术、立体声、跟踪定位技术、计算机辅助设计和影视技术基础上发展的结果。它可以完全彻底地转化人们的想象力,可以在计算机中产生另一种境界,然后将境界的有关信息传给人的感觉器官,使人们获得一种全新的感受,让人觉得他的确是在另外一个三维世界中。

VR技术具有以下四个重要特征:(1)多感知性(Multi-Sensory)。所谓多感知,就是说除一般计算机技术所具有视觉感知外,还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知,甚至还应该包括味觉感知、嗅觉感知。(2)存在感(Presence)。又称为临场感(Immer-sion),是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的 真实程度。

(3)交互性(Interaction)。指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度(包括实时性)。

(4)自主性(Autonomy)。指虚拟环境中的物体依据物理定律动作的程度。2 国内外研究现状

随着虚拟现实技术的兴起和发展,有关它的应用也得到了很大的发展,目前在军事、航空航天、医学、建筑工程、娱乐方面的应用研究比较多。比如,医学上的虚拟解剖,建筑上的辅助设计,军事上的虚拟现实飞行模拟训练及联网战场模拟,以及各种各样精彩的虚拟现实游戏等等。虚拟现实已经形成了一个很大的潜在市场。

但是在煤炭行业,虚拟现实的应用研究还不是很多。英国的诺丁汉大学矿产资源工程系的AIMS研究小组利用虚拟现实技术模拟了一个井下房柱式开采系统。人们可以随时从真三维的各个方位观察这个开采系统中各个设备的运转情况及整个系统的运行状况,还可以实时的改变开采系统的配置,系统自动给出各种情况下的效率参数,通过对比来获得最佳的开采效率下的设备和人员配置。他们还模拟了露天矿的交通安全训练与教育系统,井下矿车出轨撞人的场景[3,4]。现有国内的安全技术及工程的各种理论技术已经相当丰富并且还在不断发展,但虚拟现实技术作为一门新技术在煤炭行业的安全技术中的应用研究可以说还是一个空白。3 矿井灾害的虚拟现实技术模拟及意义

用虚拟现实技术来模拟一个真正的矿井灾害,使人们更彻底更直观地了解矿井灾害的各方面因素,从而更有效地采取防灾和救灾措施。用Visual C++程序设计语言、Open GL程序设计语言、虚拟现实建模语言VRML、Visual J++程序设计语言、计算机图形学等知识编制虚拟现实软件,主要模拟采区的通风系统,当运输巷皮带跑偏与机架磨擦引起火灾时,先是自动喷淋系统喷水灭火;如果火灾发生蔓延,就模拟火的蔓延过程;工程人员关闭风门的过程;矿工撤退的过程;人员的巷道中行走时,烟流对人员造成的影响等。以及救护人员采用水龙头喷水灭水时,如果在上风侧灭火,发生的烟流滚退现象等。

为此,该虚拟过程的实现有着重要的意义:它可以减少矿山救护时的实际训练费用,并大大减少训练时的危险性,而且还可以不受时间、地点、天气的影响,任意设置实际灾害中可能出现的一些特殊情况。它也可以提高煤矿安全及生产管理人员的安全意识,提高管理水平,预防重大灾害的发生,提高矿井救灾人员处理灾害的决策应变水平,并把矿井灾害的伤亡和损失降到最低。同时可以协助调查事故原因。另外,通过软件演示可以实现矿井安全救灾防灾的实际培训。4 结束语

虚拟现实技术的应用具有巨大实用性、真实性和灵活性。随着这种技术研究工作的不断深入和相关技术的发展(I/O设备的普遍使用、视频显示质量的提高以及功能很强且易于使用的软件的实用化),它在煤矿安全中的应用一定会有更广阔的前景。参考文献: [1] 周心权,吴兵1矿井火灾救灾理论与实践[M]1北京:煤炭工业出版社,19961 [2] 戚宜欣,秦跃平1矿井通风安全技术与管理[M]1北京:煤炭工业出版社,19981 [3] Aims ResearchUnit.Board and Pillar SystemUserManual.Department of Mineral Resources Engineering University of Nottingham.[4] Aims Research Unit.VR System General User Manual.Department of Mineral Resorurce Engineering University of Nottingham1 [5] 俞志和,曾建超1虚拟现实技术[M]1大连:大连理工大学出版社,19961 Application of VR technology in mining safety

LI Zhen xiang1DUHong-bing1、2XIA Zheng-yi2(1.Yangquan Training Iustitute of Coal,Yangquan 045001 China;2.China Univ.of Mining&Tech.,Beijing Campus,Beijing 100083,China)Abstract:This paper introduces VR technology and its application in minning safety and presentes the programming tools of VR technology in this field.Key words:VR;minning safety;application

煤 炭 技 术

虚拟现实技术及其在环境科学中的典型应用 篇5

【摘要】虚拟现实技术所具有的沉浸性、交互性、构想性和全息性，使它在实验教学领域显示出独特的优势。将虚拟现实技术应用在会展实验教学中，改变了传统会展实验教学的模式，给教学过程带来划时代的变革，这为培养专业的会展应用型人才起到了重要的促进作用。

【关键词】虚拟现实会展实验教学

【基金项目】广西高等教育教学改革工程项目(项目编号:2013JGA292)；桂林旅游高等专科学校重点项目（项目编号:2013JGA292）。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）05-0225-02

一、引言

会展专业是一门实践性和应用性较强的专业，会展实验教学是会展专业教学的重要组成部分。目前，除一些教学条件较好的高校拥有自己的会展实训室外，很多高校的会展实验教学还只是局限于教师讲解、幻灯片演示、视频播放和实地参观的教学模式，很难发挥学生的主观能动性。当前我国会展业发展迅速，对会展专业人才需求迫切，而会展业的竞争对会展从业人员的质量会提出更高的要求，现阶段高校中的会展专业学生都偏重于书本知识，学生的实践能力相对欠缺。如何更大、更好地发挥会展实验教学的作用，提高学生的实践能力，使知识积累和实践能力相结合，培养出真正的会展专业应用型人才，满足会展业发展的需要，是今后会展实验教学的改革和发展方向。

随着信息技术的飞速发展，虚拟现实技术得到不断成熟和完善，这是一门利用计算机对真实世界进行仿真的一项技术，用户借助一些专业设备就可以利用虚拟现实系统融入虚拟空间，成为虚拟环境的一员，实时感知和操作虚拟世界中的各种对象。虚拟现实技术的出现改变了以往一些教学观念和教学方式，对现代教育产生了深远的影响。它打破了时间和空间的限制，使用学生处于一种虚拟的环境之中，使之成为课堂主角，发挥主观能动性，学生在虚拟的多信息的环境中主动探索，能够真正培养他们的实践能力[1]。

二、虚拟现实技术概念及特点

（一）概念

虚拟现实技术最早由美国学者J.anier提出，他将虚拟现实定义为：用计算机运算生成一个逼真的鼠标、键盘等设备“进入”虚拟世界，在“虚拟世界”中浏览和交互。虚拟现实技术是融合计算机图形学、智能接口技术、传感器技术、模式识别、多媒体技术和网络技术等综合性高新技术，虚拟现实系统应具备与用户交互、实时反映所交互的结果等功能[2]。虚拟现实技术是一项计算机图形技术、人机接口技术、传感技术、显示技术、心理学及人工智能等技术相结合的综合技术。

（二）虚拟现实技术的特点

1.沉浸性

沉浸性是虚拟现实技术的最主要特点，是指使用者利用交互设备能够沉浸到计算机所创造的虚拟环境中，所体验到的真实程度。在虚拟环境中用户不但能够听到和看到，还可以触到及嗅到这个虚拟环境中所发生的一切，如同真实的世界一样，这是虚拟现实的最主要特点。

2.交互性

交互性是指用户与计算机构建的虚拟场景进行交互，产生一种参与感。在虚拟世界中用户可以使用鼠标、键盘、立体显示头盔、数据手套、立体眼镜、嗅觉传感器等设备进行交互，依据用户的头、手、脚等身体的动作和语言的变化，虚拟现实系统能够给用户呈现出不同的声音与图像，同时用户通过调节自身动作和语言，就可以轻松实现对虚拟世界中各种物体的观察与操作。

3.构想性

构想性是指用户借助虚拟现实技术，能够在虚拟世界中感知使抽象概念具像化的程度。例如在要建造一座体育场馆或博物馆，那么首先在设计阶段要对外形和内部结构进行详细的构思，如果让一般的外行人来读懂复杂的设计图纸是非常困难的，借助虚拟现实技术人们可以直观的看到建筑的外形以及内部结构，这比看图纸更加形象和生动。

4.全息性

全息性是指虚拟现实系统能提供的感觉通道和获取信息的广度和深度。虚拟现实旨在提供多维感觉通道和类似现实的全面的信息，让参与者通过全息传感及反应装置，在虚拟环境中获得视觉、听觉、触觉及嗅觉等多种感知，从而达到身临其境的感受。全息性是人们全身心沉浸到虚拟现实最基本的前提条件和技术基础[3]。

三、虚拟现实技术在会展实验中的应用形式

（一）构建了虚拟会展知识学习系统

虚拟会展知识学习系统是指在利用虚拟现实技术所构建虚拟环境中，学生进行会展相关知识学习的系统。该系统为学生提供了网上学习的服务技能，学生可在任何一台联网的计算机上进行课程学习，可帮助学生进行课前预习和课后的分析检验，课上实践不了的内容可在课下通过网络继续完成。

（二）构建了虚拟会展实验教学系统

虚拟现实技术构建了虚拟的实验场所，学生可以通过网络“走进”会展中心、会议中心和展览馆，使学生产生身临其境的效果；同时学生可以像在现实中一样，与虚拟世界中的各种对象进行交互；教师可以像在真实的场景里上课一样，进行课程的讲解和布置作业。不受空间和时间的限制，而更好地完成实验教学。

四、虚拟现实技术在会展实验教学中的应用优势

（一）节省教学成本

实验教学最重要的目的是让学生能够亲自实践，这样才能对理论知识有深刻体会，达到理论与实践相结合，从而为学生在今后的工作中能够快速进入角色，尽快适应工作岗位打下基础。在以往的会展实验教学中，教师必须要带领学生到会展中心、会议中心和展览馆等去实地上课，但受到教学经费，以及各种天气、安全等条件的限制，不可能多次上这样的实验课，特别是外地以及外国的会展中心等场所那更加是不能去的，这严重制约了会展实验课的教学效果。而虚拟现实技术构建的虚拟教学环境，可以突破时间和空间的限制，让教师和学生足不出户，随时随地通过网络走便可以“走进”会展中心、会议中心和展览馆，在虚拟的教学环境中，虚拟的场地和虚拟的设备可以重复使用，而不会产生损耗，虚拟的实验地点可以随意前往，这最大程度上节省了教学成本。

（二）实现体验式教学

目前国内高校会展专业实验教学中，大多还是采用单一的图像、视频展示和走访参观的教学手段，而虚拟现实技术的应用，使教学手段向互动启发式教学、发现式教学和协同工作式教学发展，从而推动了教学手段的科学化和智能化。采用虚拟现实技术可以使学生完全沉浸到教学所需要的会展场馆和会议室中去，实现“体验式”学习，身临其境地熟悉整个会展场馆和会议室其周围环境，从而可以针对具体的内容进行体验学习。虚拟现实技术通过逼真的声音、图像构建真实的学习场景，从而帮助学生获得示范性知识、把握概念原理的实质，展现了学生不能直接观察到的事物[4]。

如图1所示，在模拟回旋式会议室与课桌式会议室布置中，学生可以全角度、全方位地了解两种会议室的区别，不仅能在学生头脑中建立这两种会议室的构成，而且可以让学生看得见、听得见，从而全方位地了解两种会议室中桌子和椅子摆设的位置等。这种类似于游戏式的沉浸感会使学生对相关知识点记忆深刻。体验式的教学方式完全区别于传统的授课方式，是一种教学方式的革新，适合其他学科领域推广。

（三）实现互动式教学

虚拟现实技术的沉浸性、交互性、构想性和全息性等特征，可以使学生融入到虚拟的世界中，实现教师、学生与计算机的互动、教师和学生的互动以及学生与学生之间的互动。

图2特装展台

在如图2中所示的特装展台布置课中，通常情况下，老师只能告诉学生如何布置展台，但在虚拟现实中，学生可以根据身临其境的体验，自行设计布置展台，然后在计算机上共享，教师和同学之间还可以就此方案进行讨论。在这样实验教学环境中，从而充分激发与调动每一位学生学习的热情和主动性。

五、结束语

虚拟现实技术是二十世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术，将虚拟现实技术应用于会展实验教学，是对传统教学的有力补充，虚拟现实技术将展览馆、会议室等“搬进”了教室，实现学生足不出户就能体验实景的效果，大大提高了学生的实践能力，节省了教学成本。目前已有一些院校将虚拟现实技术应用于会展实验教学，并取得了不错的效果，这为培养专业的会展应用型人才起到了重要的促进作用。

参考文献：

[1]汤跃明.虚拟现实技术在教育中的应用[M].北京:科学出版社,2007.[2]高瞩;吉晓民.基于虚拟现实技术的工业设计方法论的探寻[J].机电产品开发与创新,2009(1).[3]丛海勃.浅析虚拟现实技术在旅游实验教学中的应用[J].辽宁教育行政学院学报,2013(1).[4]张玉茹,杨镜.虚拟现实技术在实验教学中的应用[J].软件导刊,2013(2).作者简介：

虚拟现实技术及其在环境科学中的典型应用 篇6

摘要 2016 年被称为“虚拟现实元年”，虚拟现实作为近年来极为火热的科技话题，给人们带来焕然一新的感官享受，激发了许多关于“虚拟现实 ”行业的发展想象与前景构想。同时，增强现实的出现，也让人们获得了极佳的体验感。本研究梳理了虚拟现实和增强现实技术的起源、概念和应用领域，分析了虚拟现实和增强现实技术在教育中的应用、优势和存在的问题，阐述了虚拟现实和增强现实技术在创客教育和STEAM 教育中的作用，并对未来的发展前景进行了展望。关键词：虚拟现实；增强现实；VR；AR；创客教育；STEAM 教育；人工智能；大数据

一、虚拟现实和增强现实技术的起源、概念和应用领域

（一）虚拟现实和增强现实技术的起源

2016 年被业界称为“虚拟现实元年”，可能有人会误认为这项技术是近年来才发展起来的新技术。其实不然，虚拟现实（VirtualReality，简称VR）技术最早起源于美国，1965 年虚拟现实之父伊凡·苏泽兰（Ivan Sutherland）在国际信息处理联合会（IFIP）会议上发表的一篇名为《终极的显示》的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，描述的就是我们现在熟悉的“虚拟现实”，早在虚拟现实技术研究的初期，苏泽兰就在其“达摩克利斯之剑”系统中实现了三维立体显示。增强现实（Augmented Reality，简称AR）是指在真实环境之上提供信息性和娱乐性的覆盖，它是苏泽兰在进行有关头戴式显示器的研究中引入的[1]。1966 年美国麻省理工学院（MIT）的林肯实验室正式开始了头戴式显示器（HMD）的研制工作。在这第一个头戴式显示器的样机完成不久，研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。1970 年，出现了第一个功能较齐全的头戴式显示器系统。1989 年，VPL 公司的Jaron Lanier 提出用“Virtual Reality” 来表示虚拟现实一词，并且把虚拟现实技术开发为商品，推动了虚拟现实技术的发展和应用[2]。虚拟现实技术兴起于20 世纪90 年代。2000 年以后，虚拟现实技术在整合发展中引入了XML、JAVA 等先进技术，应用强大的3D计算能力和交互式技术，提高渲染质量和传输速度，进入了崭新的发展时代。虚拟现实技术是经济和社会生产力发展的产物，有着广阔的应用前景。2008 年2 月，美国国家工程院(NAE)公布了一份题为“21 世纪工程学面临的14 项重大挑战”的报告。虚拟现实技术是其中之一，与新能源、洁净水、新药物等技术相并列。为了获得虚拟现实技术优势，美、英、日等国政府及大公司不惜巨资在该领域进行研发。

我国虚拟现实技术的研究起步于20 世纪90 年代初。随着计算机图形学、计算机系统工程等的高速发展，虚拟现实技术得到相当的重视。2016 年3 月17 日全国两会授权发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》中指出：“大力推进先进半导体、机器人、增材制造、智能系统、新一代航空装备、空间技术综合服务系统、智能交通、精准医疗、高效储能与分布式能源系统、智能材料、高效节能环保、虚拟现实与互动影视等新兴前沿领域创新和产业化，形成一批新增长点。”[3] “虚拟现实”位列其中，同时，投身于虚拟现实的创业团队呈爆发式增长。有人在展望2020 年重要新兴核心科技的发展时也把虚拟现实和增强现实技术列入当前重要的八项新兴核心科技（八项新兴核心科技如图1 所示）。国家广告研究院等多家机构联合发布的《2016 上半年中国VR 用户行为研究报告》显示，2016 年上半年国内虚拟现实潜在用户达4.5 亿，浅度用户约为2700 万，重度用户约237 万，预计国内虚拟现实市场将迎来爆发式增长。虚拟现实用户群体以80 后、90 后为主，集中在26 ～ 30 岁之间的85 后，占比达到28.4%，这与年青一族乐于接触新鲜事物的特点有关。另外，用户群体有从北上广等经济发达城市逐渐向全国扩散的趋势[4]。

（二）虚拟现实和增强现实的概念、特征和应用领域 1.虚拟现实技术

虚拟现实，是一种基于多媒体计算机技术、传感技术、仿真技术的沉浸式交互环境。具体地说，就是采用计算机技术生成逼真的视觉、听觉、触觉一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[5]。

虚拟现实具有3I 特性，即沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)、构想性(Imagination)，是一个学科高度综合交叉的科学技术领域。虚拟现实与人工智能(AI)技术及其他相关领域技术结合，将会使其还具有智能(Intelligent)和自我演进演化(Evolution)特征[6]。头戴式虚拟现实设备如图2 所示，用手机扫描图3 二维码即可观看虚拟现实视频介绍。虚拟现实涉及门类众多的学科，整合了很多相关技术。虚拟现实是未来科技发展的方向之一，它可以从人的感觉系统上改变现有的空间感。虚拟现实现有的产业链大致可分为硬件设计开发、软件设计开发、资源设计开发和资源运营平台等几种类别。通过虚拟现实关键技术的突破以及“虚拟现实 ”的带动，会产生大量行业和领域的虚拟现实应用系统，为网络与移动终端应用带来全新发展，将会推动许多行业实现升级换代式的发展。虚拟现实可以应用于国防军事、航空航天、智慧城市、装备制造、教育培训、医疗健康、商务消费、文化娱乐、公共安全、社交生活、休闲旅游、电视直播等领域中。如2016 年10 月17 日中央电视台运用虚拟现实全息技术直播了“天宫二号”和“神舟十一号”交会对接及其共同建立组合体的过程，采用虚拟追踪技术，让“天宫二号”从大屏幕中“钻”了出来，通过机位的景别变换，观众可以直观地看到”“天宫二号”的数据和设计细节，使观众身临其境地全面了解“神舟十一号”“天宫二号”及其组合体内部构造和控制面板，同时主播文静还“走进”“天宫二号” 实验室内，逐一向观众介绍“天宫二号”的内部结构信息，与传统的新闻播报相比，电视直播应用虚拟现实技术显得更加生动活泼，视觉冲击力更强，观众感受更直观。2.增强现实技术

增强现实是在虚拟现实的基础上发展起来的一种新兴技术。增强现实技术基于计算机的显示与交互、网络的跟踪与定位等技术，将计算机形成的虚拟信息叠加到现实中的真实场景，以对现实世界进行补充，使人们在视觉、听觉、触觉等方面增强对现实世界的体验[7]。

增强现实具有三大特点，即虚实结合、实时交互和三维配准[8]。

增强现实具有三种呈现显示方式，按距离眼睛由近到远划分分别为头戴式（head-attached）、手持式（hand-held）、空间展示（spatial）[9]。增强现实智能眼镜如图4 所示，扫描图5 二维码可以观看Magic Leap 增强现实演示视频。增强现实的应用领域非常广泛。如在教育领域增强现实可以为学生呈现全息图像、虚拟实验、虚拟环境等；在旅游业增强现实可以帮助游客自助游玩景区，以虚拟影像的形式为游客讲解景区概况、发展历史、人文景观等内容；在零售业中增强现实技术可以实现一键试穿，在网上销售中具有极大的应用空间。增强现实在工业、医疗、军事、市政、电视、游戏、展览等领域都表现出了良好的应用前景。3.混合现实技术

混合现实（Mixed Reality，简称MR）是虚拟现实技术的进一步发展，该技术通过在现实场景呈现虚拟场景信息，在现实世界、虚拟世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感。混合现实技术结合了虚拟现实技术与增强现实技术的优势，能够更好地将增强现实技术体现出来。根据史蒂夫·曼恩的理论，智能硬件最后都会从增强现实技术逐步向混合现实技术过渡。混合现实技术和增强现实技术的区别在于混合现实技术通过一个摄像头让你看到裸眼都看不到的现实，增强现实技术只管叠加虚拟环境而不管现实本身[10]。混合现实技术效果如图6 所示，扫描图7 二维码可观看混合现实演示动画和视频。4.扩展现实技术 扩展现实（Expander Reality, 简称ER）是人联网和物联网的整合，是虚拟现实发展的高级阶段，虚拟现实发展到扩展现实阶段，现实和虚拟的边界被抹去，人们很难分辨自己是生活在虚拟世界还是现实世界[11]。扩展现实场景如图8 所示。5.虚拟现实、增强现实、混合现实、扩展现实的区别 虚拟现实、增强现实、混合现实、扩展现实四者间的区别是：虚拟现实的主战场是“虚拟世界”，人们使用虚拟现实设备探索人为因素所建立的虚拟世界，追求沉浸感，虚拟现实是纯虚拟数字画面；增强现实的主战场是“现实世界”，人们使用增强现实设备产生的虚拟信息来提升探索现实世界的能力，具有极强的移动属性，增强现实是虚拟数字画面加上裸眼现实；混合现实是数字化现实加上虚拟数字画面，从概念上来说，混合现实与增强现实更为接近，都是一半现实一半虚拟影像；扩展现实是人联网和物联网的整合，是虚拟现实发展的高级阶段，现实和虚拟的边界将被抹去。

二、虚拟现实和增强现实技术在教学中的具体应用 虚拟现实和增强现实技术在教学中的应用潜力巨大、前景广阔，主要体现在运用虚拟现实和增强现实技术具有激发学习动机、创设学习情境、增强学习体验、感受心理沉浸、跨越时空界限、动感交互穿越和跨界知识融合等多方面的优势。虚拟现实和增强现实技术的应用，能够为教育工作者提供全新的教学工具，同时，能激发学生学习新知识的兴趣，让学生在动手体验中迸发出创新的火花。因此虚拟现实和增强现实技术应用于教育行业是教育技术发展的一个新的飞跃，它营造了自主学习的环境，由传统的“以教促学”的学习方式演变为学生通过新型信息化环境和工具来获取知识和技能的新型学习方式，符合新一轮教学改革的教育理念，有助于学生核心素养的培养。虚拟现实和增强现实设备有多种，这里分别介绍各种设备在教学中的具体应用。

（一）头戴式虚拟现实和增强现实设备在教学中的应用 头戴式虚拟现实设备一般包含头戴式显示器、位置跟踪器、数据手套和其他设备等，分为移动虚拟现实头盔和分体式虚拟现实头盔。国外有脸谱、谷歌、微软、三星等公司的虚拟现实头盔产品，国内有微视酷、蚁视、暴风魔镜、中兴、乐视、华为、小米等100 多种虚拟现实头盔产品。结合国内外的研究报告以及目前虚拟现实教育实践情况，虚拟现实和增强现实技术在生物、物理、化学、工程技术、工艺加工、飞行驾驶、语言、历史、人文地理、文化习俗等教学中均可应用。

学生使用头戴式虚拟现实设备体验学习时具有置身真实情境的沉浸式感觉，能给学生以绝佳的真实体验，使人如身临其境，让书本中的内容可触摸、可互动、可感知。例如地理学科讲述关于宇宙太空星际运行的课程时，在现实生活中学生无法遨游太空，如果戴上头戴式虚拟现实设备，就可以让学生从各个角度近距离观察行星、恒星和卫星的运行轨迹，观察每个星球的地表形状和内部结构，甚至能够降落在火星或月球上进行“实地” 考察、体验星际之旅等。虚拟现实头戴设备如图9 所示，手机扫描图10 二维码观可看虚拟现实效果视频。2016 年，微视酷推出了一款虚拟现实课堂教学系统，在国内具有一定的代表性。该教学系统由一台教师用的平板电脑主控端、多套学生用的虚拟现实眼镜和IES 教育软件系统构成。系统具备一键操控、一键统计和一键打印功能，教师可根据教学进度需求，随时控制学生虚拟现实眼镜教学内容。微视酷开展了“VR 课堂1 工程”计划，跨越了全国多个省市。其中在陕西省榆林市高新小学呈现的“神奇星球在哪里”虚拟现实示范教学观摩课情景如图11 所示[12]。虚拟现实把学生从现实带到了虚拟世界，虚拟现实技术让学生成了一名宇航员，让学生看到了许多平常看不到的东西，与传统的课堂相比，虚拟现实课堂让学生获得身临其境的感受，有利于学生发挥想象力，能更直观地呈现授课内容，提高学生学习的积极性。

头戴式增强现实装置代表产品有微软HoloLens、MagicLeap 和Meta 2 等，均有酷炫的体验感，能够让使用者在任何地方观看虚拟电视，甚至可以把影像投影在墙上、手机屏幕或者面前的空气中，这些增强现实设备应用将取代所有的“显示器和屏幕”。以Ho-loLens 头戴式增强现实设备为例（如图12 所示），其主要硬件由全息处理单元（CPU GPU HPU）、光学投影系统（Lcos 微投影仪 光导透明全息透镜）、摄像头与传感器部分（6 个摄像头 惯性传感器 环境光传感器等）、存储部分、其他部件（耳机 麦克风 电池 结构件）等组成。学生在使用HoloLens 后，就可以扔掉电脑和手机，不用键盘、鼠标和显示屏幕，双手在空气中操作即可完成现在人们在电脑和手机上的所有操作，悬空操作即可完成机器人的3D 建模设计任务，如图13 所示。

（二）桌面式虚拟现实与增强现实设备在教学中的应用 桌面式虚拟现实与增强现实设备具有代表性的产品是美国zSpace 公司的虚拟现实教育一体机，美国从2013 年开始使用，现在使用的zSpace Z300 为第三代产品。根据美国最新的《新一代科学教育标准》，zSpace 开发出了包含 2 ～12 年级多门学科的课件，课件分布在六款软件之中，教师可采用系统平台自带课件实施教学计划，也可创造性地自主开发新课件。zSpace 不仅可以成为教学工具，还为学生、老师提供了丰富的素材资源。在美国的小学、中学和大学有250 多所学校上万名学生正在使用zSpace STEAM 实验室课件来进行学习。我国的云尚互动公司2015 年年底将zSpace Z300 引入中国，2016 年4 月“智创空间”获赠6 套该设备用于创客教育和STEAM教育的推广普及，至今共有2700 多人次来体验学习。zSpaceZ300 的内容覆盖了小学、初中和高中的生命科学、数学、物理、化学、历史、地理、地球与空间科学、艺术等多个学科，课件总数达440 多个。该平台还提供课件资源开发系统，教师可以根据需要将stl、obj 等格式的3D 模型文件导入系统，同时可以加入文本、图片、声音和视频文件，教师可以像制作PPT 课件一样进行修改和自主开发能够在Z300平台上运行的课件资源。Z300平台的使用方法有两种：一种是戴上3D 眼镜（含追踪和非追踪眼镜），戴追踪眼镜者用激光笔操作，其他人戴上非追踪眼镜都可以看到3D 虚拟现实效果；另一种是增加一个全息摄像头和平板电脑（或投影），将Z300 设备的3D 影像叠加投射到平板电脑上即可呈现出裸眼3D 的增强现实效果。

（三）手持式虚拟现实与增强现实设备在教学中的应用 手持式增强现实设备多采用移动设备与APP 软件相结合的方式。APP 有视 AR、AR、4D 书城、幻视、视视AR、尼奥照照等，另外有多种增强现实图书都有相配套的APP，如《机器人跑出来了》《实验跑出来了》《恐龙争霸赛来了》这套“科学跑出来”系列增强现实科普读物有iRobotAR、iScienceAR、恐龙争霸赛来了等多个APP，它们的原理都是采用手机摄像头获取现实世界影像，通过手机在现实世界上叠加虚拟形象的形式，实现增强现实的特殊显示效果。有的APP 中提供了丰富的教育资源，如安全教育、科普读物、识字卡片、益智游戏等，特别适合儿童教育。使用方法有两种：一种是手机APP 与相配套的纸质图书一起使用，用手机摄像头扫描图书上的图片，在手机屏幕上即可呈现出如图14 的演示效果；另一种使用方法是运用APP 下载增强现实资源并与外界实景叠加即可呈现出如图15 的演示效果。增强现实特效非常逼真，利用这些APP 进行学习，学习过程具有真实感、体验感、沉浸感，增强了学生学习知识的兴趣，可以达到寓教于乐的教学效果。

三、虚拟现实与增强现实技术在教学中应用的优势分析

（一）虚拟现实与增强现实技术为学生自主学习提供了有利条件

虚拟现实和增强现实教学资源存在形式多种多样，根据采用的设备不同，可以将教学资源保存在网络运营平台、桌面式设备、移动设备和纸质图书里，学生可以在不同的地方采用不同的设备调用虚拟现实和增强现实教学资源进行随时随地的自主学习。如果学生在课堂上有些知识点未能掌握，可以重新学习一遍，增加对知识的巩固和理解，有时学生因为特殊原因未能在课堂上学习，也可以课后弥补，同时可以将虚拟现实和增强现实设备作为载体采用“翻转课堂”或“微课导学”教学模式[13][14]组织教学，为学生提供自主学习条件，教师也可以从繁重的重复性讲解中解脱出来，有针对性地为学生答疑解惑，有助于传统教学方式的变革。

（二）虚拟现实与增强现实技术为学生提供更加真实的情景 在传统的教学课堂上，知识的传输主要通过文字、图片、声音、动画和视频的形式呈现。遇到比较复杂的情况，比如数学课的立体几何、地理课的天体运动、物理课的磁力线和电力线、化学课的微观粒子结构、生物课的细胞结构等，教师用语言很难把这些知识点表达得非常清晰，同时由于每个学生的理解力不同，教学效果也会因人而异，甚至初次学习这些知识的学生会得到“盲人摸象”般的感受。而采用虚拟现实和增强现实技术组织教学，三维立体效果的呈现可以弥补这样的缺憾，能够把知识立体化，把难以想象的东西直接以三维形式呈现出来，让学生直观感受到文字所表达不出来的知识，真实的情景可以帮助学生对知识的理解和记忆，使学生的想象变得更加丰富。

（三）虚拟现实和增强现实技术能提高学生的学习兴趣 由于虚拟现实和增强现实技术具有视觉、听觉和触觉一体化的感知效果，学生具有真实情境体验、跨越时空界限、动感交互穿越的感受，能身临其境般在书海里遨游，让书本中的内容可触摸、可互动、可感知。身临其境的感受和自然丰富的交互体验不仅极大地激发了学习者的学习动机，更给学习者提供了大量亲身观察、操作以及与他人合作学习的机会，促进了学生的认知加工过程及知识建构过程，有利于实现深层次理解[15]。传统的学习方式让很多学生觉得枯燥乏味，为了应付考试不得不去死记硬背，但很多知识学生考完之后很快会忘得一干二净，而采用虚拟现实和增强现实技术组织教学，新颖的学习方式和丰富多彩的学习内容能够极大地提升课堂教学的趣味性，生动形象的场景会加强学生的记忆，激发学生的学习兴趣。“兴趣是最好的老师”，兴趣也是学生学习新知识的不竭动力。

（四）虚拟现实和增强现实技术应用能促进优质资源均衡化 我国幅员辽阔，地区之间贫富差距较大，存在教学资源分配不均的情况。经济发达地区无论是软硬件配置，教学师资和教学资源都非常丰富，而经济落后、地域偏远的山村学校学生连接受最基本的教育都难以实现。各级政府和教育主管部门都在大力推进教育均衡发展，加大教育投资力度，而虚拟现实和增强现实技术应用将是解决城乡教育资源不均衡问题的一把金钥匙，有利于缓解教育资源两极分化，扩大优质资源的分享范围，能让教育资源不再受限于地区和学校，让教育发达地区的名教师通过虚拟现实和增强现实课堂走进山村学校，能通过整体优化教育资源配置，来缩小城乡差距，实现教育公平，同时这也是教育扶贫的较佳途径。

四、虚拟现实和增强现实技术在教学应用中存在的问题 虽然虚拟现实和增强现实技术在教学中的应用可以改变传统的教学方式、提高学习兴趣、实现教育均衡发展，但虚拟现实和增强现实技术发展还处在初级应用阶段，在技术瓶颈、资源开发、教学内容和推广普及等方面还存在很多问题。

（一）虚拟现实设备应用中的眩晕问题

人们在使用虚拟现实设备时会出现眩晕感，从硬件结构来看，由于现在的科技还无法做到高度还原真实场景，许多用户使用配置达不到要求的虚拟现实产品时会产生眩晕感；虚拟现实界面中的视觉反差较大，实际运动与大脑运动不能够正常匹配，影响大脑对所呈现影像的分析和判断，从而产生眩晕感；虚拟现实设备的内容有相当一部分资源是从PC电脑版上移植过来的，UI 界面不能很好地匹配虚拟现实设备，不同的系统处理上也无法达到协调统一，画面感光线太强或太弱都不能让用户接受；虚拟现实设备帧间延迟跟不上人的运动，会有微小的延迟感，当感官与帧率不同步时也会让使用者产生眩晕感。

（二）虚拟现实和增强现实技术在教学中资源短缺

目前虚拟现实和增强现实产业刚起步，软硬件设施不完备，开发人员技术力量不足，很多学校未配备虚拟现实和增强现实设备；中小学校的很多教师还没有接触过虚拟现实和增强现实，不知道如何在教学中应用，更谈不上如何去开发虚拟现实和增强现实教学资源。因此，针对中小学教学所开发的虚拟现实资源很少，课程资源短缺是虚拟现实和增强现实在中小学推广的最大瓶颈。但随着虚拟现实和增强现实技术的迅猛发展，将虚拟现实和增强现实技术应用于教学势在必行，未来虚拟现实和增强现实技术在教学中的应用势必带来课堂教学方式的颠覆性改变。

（三）虚拟现实和增强现实教学平台和资源的设计重形式轻内容

当前很多虚拟现实教育平台都只是在一个3D 视频或虚拟现实软件游戏的基础上构成虚拟现实教学。虽然学生在虚拟世界玩得津津有味，课堂气氛很活跃，学生互动、交流和讨论很热烈，表面上看学生得到了沉浸式的体验感，但是有些虚拟现实教育平台所提供的知识点讲解还停留在现实世界中，课本内容的单调、枯燥并没有因软件的存在而得到缓解，知识要点的讲解没有变得更加生动、有趣和有针对性，这种只重视形式而不重视内容、教与学完全脱节的虚拟现实课堂只能称为“伪虚拟现实课堂”。

（四）虚拟现实和增强现实设备价格较高和技术条件限制导致普及困难

企业的前期研发成本较高、设备销售量较少，导致多数虚拟现实和增强现实设备销售价格居高不下，很多学校因资金问题望而却步，无力购买售价高昂的虚拟现实和增强现实设备，进而导致虚拟现实和增强现实技术在学校的推广普及步履艰难。如zSpace Z300 刚引入我国时每台售价20 多万元，微软的HoloLens 还未上市，公布的预售价在每台2 万元以上，普通头戴式虚拟现实设备的价格也在2000 ～ 5000 元之间。大多数虚拟现实软件普遍存在语言专业性较强、通用性较差和易用性差等问题。受硬件局限性的影响，虚拟现实软件开发花费巨大且效果有限。另外在新型传感应用、物理建模方法、高速图形图像处理、人工智能等领域，都有很多问题亟待解决。三维建模技术也需进一步完善，大数据与人工智能技术的融合处理等都有待进一步提升。以上诸多原因的存在制约了虚拟现实和增强现实技术在中小学教学中的推广和普及。

五、虚拟现实和增强现实技术在教学应用中的前景展望

（一）虚拟现实和增强现实技术发展对未来教学形式的影响 随着科学技术的迅猛发展，在云计算、雾计算、物联网、“互联网 ”、大数据、人工智能突飞猛进的新时代背景下，虚拟现实和增强现实技术与人工智能、大数据和物联网融合，将会让虚拟现实和增强现实技术应用如虎添翼。根据国际数据公司的预测，未来一年里，在以消费者为导向的全球2000 强公司中，预计有30% 的企业将在营销活动中试验虚拟现实和增强现实技术。2021 年时，虚拟现实和增强现实技术将获得大规模应用，全球会有超过10 亿人通过虚拟现实和增强现实平台经常访问应用程序、内容和数据[16]。随着虚拟现实和增强现实软硬件设备的性能提升和价格降低，会有更多的教育投资公司开发出更加丰富多彩的教学资源，让虚拟现实和增强现实技术快速走进中小学课堂，在教学中大面积应用普及。依托其具有的沉浸性、交互性、构想性、虚实结合、实时交互和三维配准等超级体验感的优势，教师的教学方式和学生的学习方式都将会发生改变。虚拟现实和增强现实技术在教学中的应用普及将会颠覆传统的教育方法和教学形式，具有巨大的应用潜力与应用前景。

（二）虚拟现实和增强现实技术发展对未来教学效率的提升 虚拟现实和增强现实技术与教育的结合，将会提高未来课堂的教学效率。因为传统教学模式是教师面向全班同学以灌输式、无差异的方式组织教学，而采用虚拟现实技术教学将使课堂教学采用个性化、自主式、体验式的方式组织教学，通过因材施教，每一位学生都可以在虚拟环境中，个性化地听老师为自己讲课，还能与虚拟环境中的老师互动交流。传统课堂为一人讲多人听，而虚拟现实课堂则相当于每个学生面前都有一位自己的老师。同时增强现实技术还可以将静态的文字、图片读物立体化，增加阅读的互动性、趣味性和真实感，创设现实情境，通过3D 模型使抽象的学习内容变得形象化、微观的学习内容变得可视化、复杂的学习内容变得简单化，帮助学生理解和识记抽象的概念。虚拟现实和增强现实作为教育工具应用在课堂上，将为学生展现一个能够交流互动的虚拟世界，既能满足学生的体验感和好奇心，又能以创新的方式传授知识，从而可以大大提升教师的教学效果、激发学生的学习兴趣、提高学生的学习效率。

（三）虚拟现实和增强现实技术发展对未来教学的创新 虚拟现实和增强现实技术能为学生提供多种形式的数字内容和虚实结合的情景化的学习环境，增强了学生在学习中的存在感和沉浸感。通过虚拟现实和增强现实技术能够将虚拟场景与现实世界相结合，通过穿越时空的方式进行交流互动，增强了学生的动手操作能力，提升了学生的感性认识和真实体验，激发了学生的创新意识和创新思维，培养了学生自主探究和自主学习的能力。虚拟现实和增强现实技术是多种先进技术的应用和多学科知识的汇聚与融合，是创客教育和STEAM 教育的较佳载体，将虚拟现实和增强现实技术应用于教学中，为学生的创客学习创造了条件，学生在创客空间里利用虚拟现实和增强现实技术通过主动探索、动手实践、创新设计、跨界融合来学习新知识和掌握新技能，利用先进的虚拟现实与增强现实技术为载体开展创客教育和STEAM 教育，学生在虚拟与现实交互和时空穿越的过程中通过“玩中做”“做中学”“学中做”“做中创”[17]，能够拓展发散性思维，迸发出更加丰富的创新火花，创意“智”造出更加丰富的创客作品。新一轮教学改革已经到来，“中国学生发展核心素养”总体框架正式发布（如图16 所示），其中实践创新作为六大综合表现之一被提出。而虚拟现实和增强现实技术在教学中的应用正是一种教学模式的创新，将有助于推动教学改革的进程，有助于创客教育和STEAM 教育普及，有助于学生核心素养的培养。

六、结束语

虚拟现实技术及其在环境科学中的典型应用 篇7

一、虚拟现实技术的特征和环境艺术设计的需求相吻合

虚拟现实技术具有如下几个特征:构想性、交互性、沉浸感和多感知性, 虚拟现实技术的操作者正是在这些特征之下, 才能够进入到通过计算机系统形成的具有交互式特征的三维虚拟环境之中, 并和这种虚拟环境产生交流和互动, 通过虚拟环境和参与者之间的互动, 通过人自身对所接触的事物进行的认知能力和感知能力, 能够对参与者的思维方式和思维深度进行启发, 使参与者产生身临其境的感受, 体会到人和计算机技术互动中的趣味性, 将虚拟现实技术的实质性特征落实到实处。在环境艺术设计的过程中需要运用到虚拟现实技术的以上特征, 虚拟现实技术的操作者可以通过对计算机技术的使用, 满足设计的需求, 设计人员可以通过使用虚拟现实技术, 对现实中存在的真实物体模型进行虚拟, 可以对并不存在于真实生活中的模型进行虚拟。举例来说, 在实施方案之前, 设计工作人员可以和建设方面的人员进行直观的讨论, 并向建设方回报相应的设计方案和设计的模型, 使实施的企业很容易从模型和虚拟方案之中弄清不足之处, 提出相应的选择建议和修改建议, 这种实施方案的方式具有直观性、新颖性和操作十分简单的特征, 每一个使用客户都可以在自身的感受中体会到方案的特征。同时, 对那些十分复杂的建筑物的室内设计、环境景观设计和箭镞规划, 可以提高演示的互动性, 随着输入设备、输出设备价格的不断降低和现实视频的质量的不断加强。使其技术功能不断提高, 应用软件不断向操作简单化发展, 最终促进了虚拟现实技术的推广和普及。

二、虚拟现实技术在环境艺术设计过程中的优势

随着社会的不断发展, 环境艺术设计在我国取得了长足的进步, 社会物质生活水平的不断提高也使得人们对环境艺术设计的要求不断提高, 在建设物质生活的同时, 人们也需要不断对精神生活进行建设, 环境艺术能够提高城市文化氛围和公众的文化意识。环境艺术是通过建筑物的内部空间和外部空间进行界定的, 涉及到多种学科, 有着广泛的涉及范围, 包含了建筑物内部和外部的所有空间元素, 将陈设、家具和室内要素等结合起来的空间组合设计是建筑物内部的环境艺术设计, 将景观小品、雕塑、水体、铺装、绿化、场地、道路和建筑等元素相结合的空间组合设计, 指的是建筑物外部环境设计。环境艺术设计是一项系统的复杂的工程, 和普通的艺术设计有很大的区别, 它是在尊重现实条件和环境条件的基础之上, 使用艺术和科学的方式, 对环境进行创造和改善, 最终使建筑物能够满足人们对休闲、工作和生活等交流和活动的需求。人们从感受开始进行认识活动, 通过感受可以对不同的客观事物的属性进行了解, 进而对心理活动和意识进行进一步的了解, 是人类的大脑和外部的世界进行联系的重要基础, 将人的感受需求作为基础, 使用虚拟现实技术将建筑物以直观的、可视的、生动的方式展现出来, 满足人们对交流和生活的需求。

三、虚拟现实技术可以对环境艺术设计进行直观的展现

随着我国城市化进程的不断加快, 房地产业不断快速的发展, 需要对越来越多的公共环境空间规划设计, 将城市规划作为例子, 在对城市规划进行汇报的阶段, 对环境艺术表现的手段从手绘图纸到使用电脑制作效果图到制作建筑动画这一系类的发展过程, 人类不断寻找新的技术和高品质的表现手段来提高虚拟现实技术的效果。虚拟现实技术在对环境艺术设计进行展示的方面有很大的优越性, 与以往的表现技术相比, 具有创造性的优势, 虚拟现实技术可以通过硬件平台和软件平台构建一个逼真的、形象的虚拟环境, 使客户可以从触觉、视觉和听觉的全方面的角度, 加强感官对刺激信息的接受, 使客户产生身临其境的感受, 在实现了感官上的刺激之后, 能偶在高度集中和思维极度活跃的条件下, 对整个展示的内容不断记忆, 使客户的注意力不断集中, 最终保持记忆的内容向持久性和深刻性的方向发展。

虚拟现实技术还能够不断加强项目成本的计算, 不断提高材料预算和结构预算的准确程度, 进而减少由于预算的错误而产生了多种问题。例如, 在对大型的房屋建筑、城市规划和室内、室外装修进行虚拟的过程之中, 可以加强对设计人员的指导, 使其对整体结构形成认识, 减少在设计过程之中产生的预算不精确的现象, 避免了因为预算不准确而带来的损失。

虚拟现实技术在汇报设计方案的过程中有独特的优势, 在和客户沟通意见设计表达的过程之中, 有着传统的表达方式无法比拟的互动性特征, 客户可以身临其境的感受到室内的结构, 对每一个设计部位的细节进行演示, 展现了各个设计元素之中的联系, 对虚拟现实空间在使用过程中的功能和使用的效率进行了展示, 使客户在方案展示的阶段中对方案有更进一步的认识。同时, 客户通过和设计时进行的沟通和探讨得出在设计之中存在的不足之处, 进而进行协同化和协作化的交流, 对以往的建筑动画和电脑效果图进行了进一步的发展, 收到大部分客户的欢迎。

虚拟现实技术能够加强对配景进行展现, 在对环境艺术进行虚拟中, 除了对主场景进行展示之外, 也能够对配场景进行展示, 例如, 对汽车、场景、人物和植物等进行展示。在以往的建筑动画和效果图之中无法进行直接的操作性的漫游, 但是虚拟现实技术可以对配景和人物的形象进行虚拟, 还可以通过对历史场景和历史人物进行虚拟, 创造出一个突显人性化的场景, 加强环境艺术设计展示的效果。

四、虚拟现实技术的应用前景

虚拟现实技术自从二十世纪八十年代在我国提出到现在, 取得了长足的进步, 与以往的环境艺术设计方式相比, 虚拟现实技术转变了以往思维的限制, 是一种综合性的设计表达方式, 避免了因为传输信道的影响而对设计信息产生的影响, 减少了二维尺规对于形式的影响, 从理论上来说, 虚拟现实技术可以方便。快捷的使用多种类型的空间环境数据。虚拟现实技术有着明确的发展方向:高质量、快捷的图形和优秀的处理能力, 通过这几方面的不断完善, 能够促进输出设备和输入设备的发展, 使处理的能力不断加强, 最终加强了虚拟现实技术在环境艺术设计方面的发展, 改革了环境艺术设计的本质和方法, 将环境艺术设计的潜能充分的表达出来, 充分体现其微妙性和复杂性的特点, 在综合感受的基础上取得丰富的联想, 使用多种虚拟现实的技术和工具, 促进其理论研究和应用研究的不断发展。但是虚拟现实技术同时存在着技术不完善的缺点, 在设计领域方面的研究还有很大的发展空间, 应该提高对人际活动和人的活动的需求, 将为人民服务的思想落实到设计的整个过程之中, 将人对精神和物质的需求, 即人对环境的需求放在重要位置, 由于在具体设计的过程之中具有的复杂性, 设计人员应该将客户的感受放在首位。

随着计算机技术的不断发展和环境艺术设计的不断完善, MIS系统、VAD系统、智能技术、虚拟现实技术、可视化和多媒体等技术实现了综合性的应用。虽然虚拟现实技术具有价格过高和普及性还不完善的缺点, 但是随着设计的不断完善, 尤其是虚拟现实技术自身的发展潜力好设计优势, 不断受到使用者和设计者的重视。可以加强对设计人员的指导, 使其对整体结构形成认识, 减少在设计过程之中产生的预算不精确的现象, 避免了因为预算不准确而带来的损失。

参考文献

[1]张玉山.世界当代公共环境艺术.陶艺[M].长沙:湖南美术出版社。2007:5-15.

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虚拟现实技术及其在环境科学中的典型应用 篇8

虚拟仪器技术 液体流量计检定系统

1 虚拟仪器技术应用于液体流量计检定系统的背景

随着计算机技术的不断发展,基于单片机、PLC或PC开发平台的测试仪器不断涌现,在为用户提供了丰富的控制方法和测试仪器的同时,具有很多缺点,如:通用性差、仪器可扩展性不高、兼容性不理想等。为了弥补以上缺点,虚拟仪器技术应运而生。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件,结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。虚拟仪器技术将计算机技术和测试技术结合在一起,利用现代计算机强大的分析和数据处理能力,用软件实现各种测试和分析功能,具有极大的灵活性。不仅满足提高设备复杂程度和智能化水平的要求,而且通用性强,能随意扩展功能,方便连接和调试。大大降低成本,提高仪器的自动化水平。

2 检定系统方案设计

本检定系统主要以目前比较常用的电磁流量计为例来进行研究,检定介质为石油,通过传感器对流量标准装置的现场参数进行实时采集,经调理电路进行放大隔离处理,通过数据采集卡输入到工控机的LabVIEW软件平台,同时工控机对现场的水泵、阀门进行控制以设置合适的检定条件。总体方案是:以工控机为核心,在软件上采用基于windows环境下的LabVIEW开发平台;在硬件上通过信号调理电路和数据采集卡以及工控机组成的数据采集系统实现了对被检流量计输出的不同信号的数据信息采集。

流量计检定系统的硬件包括:压力传感器、温度传感器、称重传感器、被检流量计、执行机构(阀门、水泵)、信号调理电路、数据采集卡、工控机以及存储打印设备等,并为系统本身和被检流量计提供所需的电源和防干扰隔离设备,以保证系统的可靠运行。

①传感器。本检定系统测试需要的传感器有温度传感器、压力传感器和称重传感器。温度传感器选用JWB一体化温度传感器,JWB一体化温度变送器是一种接触式测量温度的现场用仪表,通常与其相应的二次仪表或计算机采集测量系统配套使用,可准确测量生产工作过程中各种介质或物体的温度。压力传感器选用OEM标准型离子束溅射薄膜压力传感器。为了保证检定的精度,要求选用精度高、稳定性好、灵敏度较高的传感器,并根据液体流量标准装置称重容器满载时的总质量选择适合的称重传感器。根据检定系统的基本要求,选用1241型称重传感器,该传感器采用金属应变原理将质量值转换成电信号输出,其具有精度高、温度特性好、稳定性好等特点。

②信号调理电路。结合上述介绍和本次设计选用的温度传感器、压力传感器和称重传感器的型号,本系统的调理电路由三部分组成,分别承担温度和压力信号的放大、隔离和滤波等作用。根据不同传感器的不同特性选用相应的信号调理电路。在温度调理电路中,由于输入信号为微弱的直流信号,温度信号的变化很小,所以除了对信号的放大要求外对其它的性能要求不高。根据压力传感器和称重传感器的特性和性能指标以及实际的工作环境,信号调理电路应能够实现对其信号的放大、隔离和滤波。我们选用LM系列运算放大器,在此我们选用采用了隔离放大器AD202作为电流—电压转换电路,并结合放大器LM324实现对信号的隔离、滤波和放大。

③数据采集卡。数据采集卡就是把模拟信号转换成数字信号的设备,其核心就是A/D芯片。本系统采用的PCI8606卡是由北京阿尔泰科技发展有限公司开发的一种基于PCI总线的数据采集卡,可直接插在IBM-PC/AT或与之兼容的计算机内的任一PCI插槽中,构成实验室、产品质量检测中心等各种领域的数据采集、波形分析和处理系统。

检定系统数据采集原理如下:流量计检定系统的数据采集是被检流量计的模拟输出信号通过PCI8606采集卡上的A/D转换后输入到工控机;管道和工作容器中的温度经调理电路进行放大滤波输入PCI8606采集卡上的A/D转换后采集到工控机中;稳压容器、管道和工作容器中的压力信号经信号调理后输入到采集卡传输到工控机;阀门、水泵和电机的状态信号为数字信号直接输入到工控机。

3 系统软件设计实现

在流量计检定系统软件平台搭建中,存在着大量的实时数据需要处理:一方面PCI8606采集卡将检定过程中的各现场参数值实时采集进来进行显示存储,另一方面采集进来的这些数据要进行各种处理,比如过程数据显示和处理结果显示,还要根据现场参数值实时调节各阀门。由于本检定系统是利用输入信号的变化来反映流体流量的变化,在构建检定软件时,着重考虑采集数据的标度变换以便显示、采集频率、数据结构及实时时钟等进行编程和控制。

流量计检定软件系统主要完成的功能有:①人机交互式对话控制对现场压力、温度和质量参数进行动态检测,能把实时数据显示在屏幕上,并能进行工况记录,参数可以灵活设定和修改。②由于被检仪表种类较多,需要设置的参数较多,因此系统采用向导式结构,操作人员无需进行专门的培训就能进行操作,系统按检定功能设计了管道设置、开始检定、数据管理、停止检定4个模块。③纠错功能,当检定过程中系统出现故障时,显示出错信息,及解决方法,待故障排除才能进行检定。④多通道设计检定,通道不同时工作容器系数和容器零点也不相同,因此需要根据被检流量计口径的不同设置多个检定通道。

系统初始化结束后进入正式的检定状态,对温度、压力、称重、被检仪表等信号进行采集、处理、显示和存储等,同时为了保证稳压系统的稳定及管道流量的稳定,系统需要对流量调节阀进行控制。

本文结合虚拟仪器和静态质量法流量标准装置设计理论,完成了液体流量计检定系统的设计,目前已成功应用于石油流量计检定。虚拟仪器技术具有的一系列优点,将使得其将越来越广泛的应用于油气资源开采与勘探中的测试与计量仪器开发。

参考文献:

[1] 张丽梅,李海明.基于LabVIEW和模块化仪器设计示波器检测系统[J].仪器仪表用户,2010(03).